Поразительная точность и верность чувства осязания у человека едва ли может быть достигнута в конструкции робота. Однако существует несколько типов простых датчиков, которые можно использовать для обнаружения прикосновения и давления. Датчики прикосновения обычно используются в роботах для обнаружения препятствий на пути следования, что позволяет роботу избегать столкновений.
Более совершенные датчики прикосновения и давления используются в конструкциях рук и кистей. Такие датчики позволяют «руке» робота захватывать и удерживать предметы с достаточным усилием без риска их повреждения. Простой датчик прикосновения и давления можно изготовить из электростатического (проводящего) поролона. Подобный поролон используется при упаковке ИС для защиты их от статического электричества. Такой поролон обладает определенной электрической проводимостью, которая изменяется при сжатии.
Необходимо использовать неплотный (мягкий) тип поролона, поскольку он имеет пористое строение и обладает достаточной гибкостью. При нажатии поролон сжимается, что приводит к изменению сопротивления между наложенными на него электродами.
На рис. 5.38 приведен чертеж простого датчика давления. Проводящие пластины (электроды) могут быть изготовлены из фольгированного материала для печатных плат, алюминиевой фольги или чего-то подобного. Более точные датчики касания и давления будут рассмотрены в этой главе ниже.
Рис. 5.38. Датчик давления на базе проводящего поролона
Пьезоэлектрические материалы
Существует большое количество разнообразных пьезоэлектрических датчиков. Пьезоэлектрические датчики могут регистрировать вибрации, толчки и тепловое излучение. Компания Pennwall производит уникальный продукт, названный пьезоэлектрической пленкой. Она представляет собой пластик, покрытый алюминием таким образом, что он приобретает пьезоэлектрические свойства.
Материал имеет достаточную чувствительность для обнаружения теплового излучения человека, перемещающегося перед поверхностью пленки. Многие коммерческие устройства охранного включения света, продающиеся в магазинах оборудования, используют датчики в виде пьезоэлектрической пленки, помещенные за линзой Френеля, для обнаружения присутствия человека по его тепловому излучению. Такие устройства автоматически включают свет при попадании человека в «поле зрения» прибора.
Выключатели
Выключатели мгновенного действия (кнопочные) по типу образуют груп пы датчиков касания, указателей направления и конечных выключателей Разнообразие типов подобных выключателей обеспечивает свободу их вы бора. Наиболее часто в робототехнике используются выключатели мгновен ного действия рычажного и кнопочного типов (см. рис. 5.39).
Рис. 5.39. Выключатели мгновенного действия (кнопки)
Датчики изгиба
Датчики изгиба представляют собой пассивные элементы резистивного типа, сопротивление которых увеличивается при изгибе или скручивании (см. рис. 5.40 и 5.41). Такие датчики обычно используются в специальных перчатках систем виртуальной реальности для определения положения пальцев в перчатке, и могут быть легко приспособлены для нужд робототехники. Такой датчик изгиба может представлять собой род щупальца и предупреждать робота о наличии препятствия.
Рис. 5.40. Датчик изгиба
Рис. 5.41. График сопротивления датчика изгиба
Подобные устройства напоминают усы у кошки. Кошки используют усы для определения того, является ли проход достаточно широким, чтобы туда можно было пройти. Если усы по обеим сторонам кошачьей мордочки сигнализируют о наличии препятствия, то кошка туда не пойдет. Подобным образом можно использовать датчики давления и в роботах.
Тепловые датчики
Наиболее известными тепловыми датчиками являются термисторы (см. рис. 5.42). Это устройство пассивного типа изменяет сопротивление пропорционально температуре. Существуют термисторы, имеющие положительный и отрицательный температурный коэффициенты (см. рис. 5.43). Температурное излучение также может быть обнаружено с помощью пьезоэлектрических материалов, о чем говорилось выше.
Рис. 5.42. Термистор
Рис. 5.43. Графики температурной зависимости сопротивления термистора с положительным и отрицательным ТК
Датчики давления
Для измерения сил хорошо подходят датчики давления, изображенные на рис. 5.44. «Чувствительный» элемент датчика расположен на специальной подложке размерами 14х14 мм на одном конце устройства. С увеличением приложенной силы сопротивление датчика падает. Датчики выпускаются для различных диапазонов приложенных сил: от 0–4 Н до 0-4000 Н.
Рис. 5.44. Датчик давления Flexiforce
Датчики запаха
Диапазон реакций на запахи человеческого носа в настоящее время недостижим ни одной из известных искусственных сенсорных систем. Известны простые газовые датчики, способные обнаружить присутствие токсичных газов (см. рис. 5.45). Подобные датчики могут быть использованы для создания автоматических (роботизованных) систем вентиляции.
Рис. 5.45. Датчики ядовитых газов
Пример включения простого газового датчика представлен на рис. 5.46. Для создания чувствительности резистивный элемент должен быть подвергнут нагреву. Устройство снабжено встроенным подогревателем, питающимся от отдельного источника. Подогреватель потребляет около 130 мА при стабилизированном напряжении питания 5 В. Показания резистивного элемента могут быть считаны аналогично описанному выше.
Рис. 5.46. Проверка работы датчиков токсичных газов
При использовании простых схем возможности газовых датчиков раскрываются не полностью. Дело в том, что одиночный датчик не выдает достаточно точных показаний. Иными словами, показания датчиков немного изменяются от экземпляра к экземпляру. Это «аналоговое» свойство группы датчиков может быть использовано для создания более чувствительного устройства.
Рассмотрим группу из восьми датчиков, резистивный элемент каждого из которых подключен к АЦП. В данной ситуации использование компаратора неэффективно, поскольку нас как раз интересует небольшая разница в показаниях отдельных датчиков. Для калибровки устройства необходимо выпустить небольшую порцию известного газа (запаха) на все восемь датчиков. Показания каждого из них преобразуются АЦП и записываются в компьютер. Разница показаний датчиков формирует профиль для каждого анализируемого запаха.
Подбор профиля хорошо реализуется в технологии нейронных сетей. Нейронная сеть может быть создана таким образом, что окажется в состоянии определять не только интенсивность, но и распознавать различные запахи.
Датчики влажности
Пассивные датчики влажности с резистивным выходом представляют собой относительно новую разработку и доступны к приобретению.
Проверка датчиков
При разработке и изготовлении систем чувствительных датчиков представляется разумным производить их тестирование перед установкой в систему робота. Одним из способов, который я осуществил, являлось создание небольшого передвижного робота, единственной функцией которого была проверка работоспособности и характеристик датчиков. Таким образом, оказалось возможным оценить время срабатывания датчика и его надежность до установки в более сложную конструкцию робота.
Робот способен тестировать «ударные» выключатели, световые выключатели, датчики изгиба, а также системы датчиков предотвращения столкновений, использующих ультразвук и ИК лучи. Прочие типы датчиков могут потребовать тестовой платформы больших размеров.
Изготовление робота-тестера
Я назвал конструкцию этого небольшого устройства роботом-тестером. В основе ее
