Sensori per la Robotica. Corso di Robotica Prof. Vincenzo Caglioti 2005/2006

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1 Sensori per la Robotica PhD.. Ing. Michele Folgheraiter Corso di Robotica Prof. Vincenzo Caglioti 2005/2006 Como 1 Funzionalità dei sensori nella Robotica Possiamo classificare i sensori del Robot in 2 grosse categorie: Sensori di stato interno : posizione,velocità, momenti,forze nei giunti.. Sensori di stato esterno: localizzazione del robot, configurazione dell ambiente esterno,tatto L'uso di sensori per la percezione esterna permette al robot di interagire con il suo ambiente in modo versatile. Un robot che può "vedere" e "percepire" è più semplice da istruire per l esecuzione di compiti complessi. 2 1

2 Sistema di Controllo Sistema Sensoriale Sistema di Attuazione Organi Meccanici Fisici A M B I E N T E Sensori stato Esterno Sensori stato Interno Interazione Meccanica 3 Classificazione delle Percezioni nei Robot 1. Percezione della distanza da un oggetto esterno 2. Percezione della prossimità rispetto un ostacolo o un oggetto 3. Percezione del tatto: contatto con un oggetto manipolato o ostacolo. 4. Percezione della forza e del momento nei giunti o nei links 5. Percezione della posizione e della velocità dei giunti o del robot rispetto il sdr. esterno 6. Percezione visiva 4 2

3 Schema di una catena di misura Grandezza fisica Trasduttore Sensore Elaborazione del segnale Utilizzo dell informazione nella strategia di controllo del ROBOT 5 Cos è un SENSORE E un dispositivo che riceve un informazione attraverso un segnale di ingresso, generato da una determinata grandezza fisica, e restituisce in uscita un segnale elettrico che rappresenta questa informazione La rappresentazione dell informazione attraverso una grandezza elettrica facilita le sucessive elaborazioni (per esempio mediante un circuito elettronico o un elaboratore) Grandezza Fisica Sensore Grandezza Elettrica 6 3

4 Differenza Sensore/Trasduttore SENSORE: la grandezza di ingresso è di qualsiasi natura, mentre l uscita è una grandezza elettrica TRASDUTTORE: converte una grandezza fisica in un altra grandezza fisica (non necessariamente elettrica) Es: lo sfregamento di un materiale ne altera la temperatura). OSS1: In generale lo stesso sensore potrà essere utilizzato con differenti trasduttori OSS2: Comunemente si denomina come sensore quel dispositivo che incorpora sia il trasduttore che il sensore vero e proprio. 7 Le interazioni nei sensori Sistema ambiente Sistema misurato x(t) Trasduttore Sensore y(t) Sistema utilizzatore Il sensore è influenzato da: Sistema misurato Sistema utilizzatore (es: assorbimento di energia) Ambiente (es: variazioni di temperatura) 8 4

5 La funzione di conversione Modello del sensore y(t) = g[x(t)] Es) Estensimetro. La variazione di lunghezza si traduce in una variazione di resistenza elettrica. x( t) = R( t) = S R 0 L( t) ; L 0 y( t) = R( t) R L( t) g = S = costante L 0 0 L0 + L F Legame lineare 9 Campo di misura e di normale funzionamento Campo di misura: definisce i limiti entro i quali deve variare la grandezza fisica misurata affinché il sensore funzioni secondo le specifiche fornite dal costruttore. Campo di normale funzionamento: Campo di valori assunti dall uscita del sensore in corrispondenza di valori della grandezza fisica appartenenti al campo di misura. OSS: Il modello scelto per rappresentare il comportamento del sensore può essere diverso a seconda di dove sta operando all interno del campo di misura. 10 5

6 Y(t) Campo di Normale Funzionamento Campo di Misura Tratto Lineare Tratto Non Lineare X(t) 11 Classificazione dei sensori Sulla base della tecnologia e del principio fisico utilizzato (ottico, piezoelettrico,...) Grandezza misurata (forza, velocità,..) In base al comportamento energetico: SENSORI ATTIVI : convertono direttamente l energia dell ingresso in energia di uscita, senza l ausilio di sorgenti esterne (cella fotovoltaica trasforma l energia luminosa in energia elettrica ). SENSORI PASSIVI : richiedono energia dall esterno per la conversione (Potenziometro, sensore angolare). 12 6

7 Un sensore attivo può sempre essere sempre rappresentato dagli schemi equivalenti, duali, riportati in figura, dove: V= f(x ) I= f (X) Sensori Attivi e X rappresenta la grandezza da misurare. Raramente il legame fra V (o la duale I ) ed X è lineare; sempre però sarà verificata la condizione Questo perchè la relazione funzionale deriva da interazioni di tipo energetico. 13 Sensori Passivi 2 ( x x0 ) ' ( x x0) '' f ( x) = f ( x0 ) + f ( x0) + f ( x0) ! 2! 14 7

8 Tipi di sensori passivi Classi ed esempi Natura del sensore Misurando e applicazioni Resistore a filo Strain-gauge Termometri a resistenza Cellule fotoconduttive Resistenza variabile in un potenziometro Resistenza variabile con lo sforzo Spira o termistore con variazioni di resistenza Resistenze variabili con radiazioni incidenti Dimensioni, spostamento Sforzi, coppie, forze, pressioni Temperatura, effetti termici, calore irradiato Sensibili alla luce o a radiazioni infrarosse Sensore a effetto Hall Interazioni tra campo magnetico corrente Prossimità, velocità Microfono a condensatore Variazioni capacità per pressione del suono Voce 15 Tipi di sensori attivi Classi ed esempi Natura del sensore Misurando e applicazioni Termocoppie Metalli diversi a diverse temperature Temperature, radiazioni, flussi di calore Sensori piezoelettrici Cellule fotovoltaiche Compressione del quarzo o altro cristallo Generazione in semiconduttori di tensione dalla luce solare Vibrazioni, accelerazioni, suoni, pressioni Esposizione, luce 16 8

9 Regime stazionario e regime dinamico Un sensore opera in regime stazionario quando il segnale di ingresso varia molto lentamente, quindi la funzione di trasferimento (FDT) del sensore si riduce ad un semplice guadagno. Regime dinamico: quando si verifica il contrario Occorre una caratterizzazione del sensore nelle due situazioni 17 Parametri fondamentali del sensore Sensibilità Rapporto tra la variazione del segnale in uscita al trasduttore e la corrispondente variazione della grandezza in ingresso (es: per la termocoppia rame-costantana circa 45 µ V/ C ). Risoluzione La risoluzione corrisponde con la più piccola quantità che può essere misurata; ovvero con la minima variazione dell'ingresso che provoca un'apprezzabile variazione in uscita. Taratura (Calibrazione) L'operazione di taratura di un trasduttore corrisponde con la misurazione della grandezza di uscita per valori noti della grandezza di ingresso al trasduttore stesso. Per ciclo di taratura si intende una prova che copra tutto il campo di misura del trasduttore; la prova viene suddivisa in due parti, una per valori crescenti della grandezza e l'altra per valori decrescenti 18 9

10 Isteresi Corrisponde con la massima differenza tra i due cammini di andata e di ritorno dell'uscita di un trasduttore durante il ciclo di calibrazione. E' espressa in percentuale del fondo scala (% f.s.). Linearità Corrisponde con il massimo scostamento, espresso in % di f.s., tra curva di calibrazione e una linea retta di riferimento. Tempo di risposta Quando in ingresso al trasduttore applichiamo una sollecitazione a gradino (cioè un gradino della grandezza da misurare) l'uscita (risposta) varierà fino a raggiungere, dopo un certo tempo, un nuovo valore. T V Sensore s s 19 Vita utile del sensore E' l intervallo di tempo all interno del quale il trasduttore opera senza modificare le sue prestazioni. Ripetibilità Attitudine del trasduttore a fornire valori della grandezza in uscita uguali, a parità di segnale di ingresso (stesse condizioni di lavoro e in tempi diversi). Es) Parametro Termocoppia Termo-resistenza Sensibilità µv/ C kω/ C Range temp C C 20 10

11 Accuratezza Esprime la maggiore deviazione tra il valore presentato in uscita dal sensore (grandezza fisica misurata) ed il valore effettivo della grandezza fisica. Esempio: sensore lineare di spostamento: d=spostamento, V=tensione di uscita Idealmente genera 1 mv per 1 mm sensibilità s = 1mV/mm Con d=10mm si rileva in uscita V=10.5 mv riconvertendo senza errore V all ingresso, si ottiene d=v/s = 10.5 mm in un range di 10mm l accuratezza assoluta è 0.5mm 21 Tipi di sensori Usano diversi effetti fisici: piezoelettrico, piezoresistivo, effetto Hall, fotoconduttivo, termoelettrico

12 Sensori resistivi 1. Sensori a grande variazione di resistenza: Potenziometri 2. Sensori a piccola variazione di resistenza: estensimetri (piezo-resistenze) termoresistenze 23 Potenziometri (lineari,angolari) V ( r) = E R tot r x Un potenziometro lineare o di rotazione costituisce un sensore di posizione o di spostamento la resistenza elettrica dipende linearmente dalla lunghezza del conduttore la misura di resistenza si traduce in una misura di tensione: cause di errore: ϕ 24 12

13 ϕ x 25 Sensori Capacitivi (posizione,velocità, prossimità) d C = ε ε0 A d Sensori Induttivi (posizione,velocità, prossimità) n = numero di L = µ µ n 2 0 ε = costante dielettrica spire, l A l (pf/m) µ = permeabilità ( µ Henry/m) = lunghezza bobina 26 13

14 Sensori piezoelettrici (Curie1880) (Forza) Fenomeno presente in cristalli naturali (quarzo) Consiste nella generazione di carica elettrica da parte di un materiale cristallino sottoposto ad una sollecitazione meccanica E un effetto reversibile:? energia meccanica? energia elettrica eu = kf eu = f.e.m. ai morsetti A e B F = Forza applicata 27 Sensori piezoresistivi (Strain-gauge) (Forza) E l effetto di variazione della resistività di un opportuno materiale quando è soggetto ad una deformazione dovuta ad uno sforzo ad esso applicato (ridotto nei materiali metallici, più consistente nei semiconduttori). Materiale Resistivo R L = S R 0 L 0 Materiale di Supporto Sforzo: F dl σ = = E a L 0 E = modulo di Young del materiale F = forza applicata a = sezione interessata S=gauge Factor a E F = R S R

15 Il conduttore cilindrico che subisce una elongazione dl (supponendo che il volume V rimanga costante) possiede una resistenza pari a: ρ 2 R = l V da cui si ricava la sensibilità: dr ρ = 2 l dl V che è tanto migliore quanto più lungo e stretto è il cilindro e quanto maggiore è la resistività del materiale. S = Sensibilità (gauge factor) [2-6 per metalli, per semiconduttori] 29 Il resistore è saldato su un substrato portante elastico, che viene fissato sull oggetto che si deforma il resistore è in tal modo isolato elettricamente dall oggetto il coefficiente di espansione termica del substrato deve essere coincidente con quello del materiale di cui è fatto il resistore Per avere una buona sensibilità il sensore deve avere segmenti longitudinali lunghi e segmenti trasversali corti, così la sensibilità trasversale è solo di pochi percento di quella longitudinale 30 15

16 Esempio di sensore di Forza/Momento per Manipolatore Viene montato tra la fine del braccio e il polso, tra un link e l'altro. Vi sono solitamente 8 strain gauge disposti sulle 4 lamine deformabili. 31 A noi interessa passare dalle 8 misurazioni, effettuate con i sensori di forza, ai 3 momenti e le 3 forze secondo i tre assi cartesiani. Quindi è necessario determinare la matrice R F. Attraverso una fase di calibrazione si forniscono delle forze e dei momenti noti, si misurano i valori degli sforzi, quindi si calcolano i parametri della matrice M (che devono soddisfare la seguente equazione). w w w w w w w w 1x 1y 2 y 2 z 3z 3x 4 y 4 z = M R R R M M M x y z x y z R F 1 = M 32 16

17 Sensori effetto fotoconduttivo (Sensori passivi) (Intensità Luminosa) Variazione di resistività in materiali investiti da radiazioni di varia lunghezza d onda. Dovuto alla variazione della conduttività di materiali isolanti e semiconduttori. La radiazione incidente consente il passaggio di elettroni da uno stato di legame ad uno libero, questi non hanno energia sufficiente per uscire dal materiale (fotoemissione) ma contribuiscono alla conduzione facendo diminuire la resistività. E necessario collegare il sensore ad un generatore di tensione per avere un flusso di corrente elettrica variabile con la radiazione incidente. 33 Sensori Effetto fotovoltaico (Sensori attivi) (Intensità Luminosa) p n Conversione dell energia radiante in energia elettrica (celle solari). Si presenta nelle giunzioni p-n dei semiconduttori, sottoposte a radiazioni che danno luogo alla comparsa di una f.e.m. Illuminando la giunzione si producono coppie elettroni-lacune. Materiali tipici sono selenio-ferro e rame-(ossido di rame) Fotodiodi o fototransitor sono elementi fotovoltaici usati come interruttori nei quali piccole quantità di luce sono in grado di produrre la commutazione del circuito dalla condizione di minima corrente a quella di corrente elevata 34 17

18 Encoder Ottici Permettono di misurare la posizione del giunto: Encoder Assoluto In questo caso la posizione è determinata in modo assoluto, sono formati da un disco di materiale trasparente su cui sono applicate delle zone oscurate. Encoder commerciali hanno 12 tracce, le quali consentono una risoluzione pari a : = 0, Encoder a 16 settori e 4 tracce 35 Encoder Incrementale In questo caso la posizione è determinata in modo relativo; sul disco sono presenti due tracce in cui i settori (trasparenti/opachi) sono in quadratura tra di loro. Molte volte è presente una terza traccia con un unico settore oscurato che permette di definire il riferimento iniziale. Rispetto gli encoder assoluti, dove la posizione è codificata direttamente sul disco, questo tipo di encoder necessita di un circuito elettronico in grado di ricostruire la posizione dal tipo di impulsi generati durante la rotazione. Sono più economici rispetto agli encoder assoluti perché di più facile realizzazione, quindi sono i più utilizzati

19 Sensori di Tatto ( Mani Robotiche) (Pressioni di contatto) La capacità umana di manipolare oggetti dipende fortemente dal senso del tatto. Mediante il tatto, il nostro cervello è in grado di raccogliere fondamentali informazioni dell oggetto manipolato: Temperatura Rugosità Forma Consistenza Questo soprattutto grazie alla presenza, nella cute, di una miriade di recettori (sensori) in grado di convertire gli stimoli fisici in un segnale elettrico (impulsivo), che grazie al sistema nervoso periferico viene trasmesso fino al cervello. 37 Array di elementi Resistivi Permettono di rilevare una mappa 2D delle forze di contatto tra l EndEffector e l oggetto manipolato. La matrice sensitiva si forma grazie alla disposizione ortogonale di due serie di elettrodi filiformi, separate da uno strato di materiale piezoresistivo (trasduttore da forza). Es) (16*16) conduttori per una matrice di 256 elementi

20 Caratteristiche richieste al materiale trasduttore: Un alta variazione di resistenza rispetto la variazione di pressione (alta sensibilità), questo per arrivare ad una elevata risoluzione. Valore di resistenza a vuoto dell ordine dei 100 ohm, in modo da poter lavorare con segnali di almeno 1Volt (I=10 ma) e quindi meno sensibili al rumore. Flessibile, per adattarsi all oggetto ispezionato. Alta capacità di carico Pa su singolo 2 elemento ( 1mm 2 0,6 N) 10mm 60N Buona ripetibilità Bassa isteresi N 39 Possibile scelta per il materiale del trasduttore: Gomma caricata Carbonio: Il materiale viene preparato da una miscela di gomma-siliconica e polvere di carbonio. Basso costo di realizzazione + Alto Stress a fatica del materiale, che viene danneggiato dalle micro-particelle - Elevata isteresi - Difficoltà ad ottenere un materiale omogeneo (resistività non costante spazialmente) - Tuttavia per particolari applicazioni le caratteristiche meccaniche ed elettriche possono essere alterate secondo le esigenze

21 1bar Pa Es: Costruzione del sensore Su di una piastrina di materiale plastico vengono depositate le piste composte di una gomma siliconica caricata con argento (conduttori). Vengono così create due strisce di conduttori che vengono poi disposti ortogonalmente sulle due facce opposte del materiale piezo-resitivo. 41 Per poter estrarre informazioni da ogni singolo elemento dell array è necessario esaminare un elemento per volta. Questo viene realizzato mediante un multiplexer analogico di interruttori che mettono ad alta impedenza le linee che non sono utilizzate. E possibile leggere il valore trasdotto di ogni elemento sensibile con una frequenza di 1MHz

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