Transcript SENZORI U ROBOTICI - Automatizacija i robotika

SENZORI U ROBOTICI
Seminarskirad iz predmeta
“Inteligentno računarsko upravljanje i robotika”
Zlatica Gerov,
Goran Gerov
Senzori u robotici
1
ROBOTI I ROBOTIKA
Šta je robot?
Robot je mašina koju je napravio čovek da bi
radila ono što je naučena.
 Postoje intiligentni roboti koji mogu da prate
dešavanja u svojoj okolini i da na osnovu njih
rade baš ono što su programirani da treba.

Senzori u robotici
2
ROBOTI I ROBOTIKA
Šta je robot?



Prvi roboti su napravljeni sedamdesetih
godina XX veka, bili su prosti i bila im je
potrebna asistencija čoveka u radu zato
što nisu imali veštačka čula.
Veštačka čula robota zovu se senzori.
Nauka koja se bavi razvojem robota zove
se robotika i čitava jedna grana tehnike
se bavi proizvodnjom robota koji imaju
sve širu primenu u industriji i
svakodnevnom životu ljudi.
Senzori u robotici
3
ROBOTI I ROBOTIKA
Delovi robota
Robot mora da ima:
 procesor koji obraduje informacije tj. misli
(mozak robota),
 senzore koji skupljaju informacije iz okoline u
kojoj se nalazi robot (čula robota),
 delove koji se pokreću i obavljaju neku radnju
(udove robota) i
 izvor energije koji oživljava robota.
Senzori u robotici
4
ROBOTI I ROBOTIKA
Pokretni delovi i kretanje robota
Način na koji se pokreće robot može da bude različit:

pokretni mehanizam sa točkovima,

telo sa pokretnim delovima kojim robot može da
puzi po zemlji kao zmija,

da skakuće kao žaba,

da se kreće na dve ili više nogu,

da lete kao insekti ili kao helikopter,

mogu da plivaju i rone ili da čak hodaju po vodi.
Senzori u robotici
5
SENZORI
Šta su senzori
Vrste senzora
Senzori robota omogućavaju robotu
da analizira okolinu.
 Jedna vrsta senzora su takozvani
merni pretvarači (eng. transducers).
 To su uređaji koji jednu fizičku
veličinu (onu koju želimo da
izmerimo) pretvaraju u drugu.
 Druga vrsta senzora odmah daje
digitalnu vrednost merene veličine, ili
određeni kod (digitalnu šifru)
vrednosti.

Senzori u robotici
6
SENZORI
Šta su senzori
Vrste senzora
U praksi se, kao neizostavni element robota, koriste:
 senzori pozicije robota:
 Rezolveri
 Enkoderi
 Potenciometri
● Senzori okoline:
 Senzori sile
 Taktilni senzori
 Ultrazvučni senzori
 Robotska vizija
Senzori u robotici
7
SENZORI
Senzori pozicije
Obezbeđuju pouzdanu informaciju o položaju
robota.
 Njihova osnovna svrha je da obezbede
neprekidnu informaciju o veličinama koje
definišu stanje samog robota – veličinama
unutrašnjih koordinata i njihovih vremenskih
izvoda.

Senzori u robotici
8
SENZORI POZICIJE
Rezolveri
Uređaj se sastoji od statora i rotora.
 Način motanja je isti i za stator i za rotor.
 Namotavanje provodnika je izvedeno na način prikazan na slici.

Rezolver: (a) namotaji na rotoru, (b) uređaj s jednim
statorskim i jednim rotorskim namotajem, (c) uređaj sa
dva statorska i jednim rotorskim namotajem
Senzori u robotici
9
SENZORI POZICIJE
Rezolveri




Ulaz u senzor je ugao zakretanja rotora θ, i to je veličina koja
se meri.
Izlaz u vidu analogne informacije o položaju θ nalaz se u
okviru napona koji mermo na rotoru.
Dakle, na izlazu se dobija naizmenični napon konstantne
amplitude, čiji je fazni pomeraj jednak merenom uglu θ.
Merenjem faznog pomeraja dobijamo traženu vrednost ugla.
Senzori u robotici
10
SENZORI POZICIJE
Enkoderi
Enkoderi predstavljaju jednu široku klasu digitalnih senzorskih
sistema koji se koriste za merenja linijskih i ugaonih pomeraja.
 Radi o čisto digitalnim sistemima, koji kodiraju (engl. encoding)
ugaonu ili linijsku poziciju, korišćenjem odgovarajućih
elektromehaničkih sklopova.
 Enkoderi se klasifikuju u dve velike grupe:
 apsolutni enkoderi i
 inkrementalni enkoderi.
 Apsolutni enkoderi mere apsolutnu poziciju, koja je definisana
konstruktivnim rešenjem sklopa u okviru koga funkcionišu.
 Inkrementalni enkoderi mere relativni položaj u odnosu na neku
unapred poznatu inicijalnu koordinatu (ugaonu ili linijsku).

Senzori u robotici
11
SENZORI POZICIJE
Enkoderi




Optički enkoderi poseduju optičke elemente, foto diode i foto
tranzistore, od kojih je jedan izvor a drugi prijemnik.
Pored optičkih elemenata enkoder sadrži i masku na kojoj se nalaze
prozirna i neprozirna polja.
Ova polja naizmenično prekidaju optički put izmedju izvora i
prijemnika.
Veličina ovih polja je u direktnoj srazmeri sa mehaničkom rezolucijom
enkodera.
Senzori u robotici
12
SENZORI POZICIJE
Enkoderi – apsolutni enkoderi
● Uređaj ima dva osnovna dela: kućište (stator) i
obrtni deo (rotor). Obrtni deo je vezan za
ulaznu osovinu i meri se njegov ugao obrtanja.
 Obrtni deo je u obli ku diska na kome se nalazi nekoliko
koncentričnih putanja, a na svakoj od njih se smenjuju prozirna i
neprozirna polja.
 Radi na optičkom principu. Svjetlost prolazi kroz odgovarajuću
matricu i aktivira fotoosjetljivu električnu komponentu koja radi u
sklopnom režimu.
 Broj od “N” traka na rotirajućem disku definše broj bitova digitalnog
zapisa ugla (pozicije), a samim tim i rezoluciju.
 Svi merni članovi pozicije koji daju digitalni format kao izlaznu veličinu
mogu se koristiti i kao merni članovi brzine
Senzori u robotici
13
SENZORI POZICIJE
Enkoderi – inkrementalni enkoderi
Rade na principu generisanja povorke
impulsa čijim se brojanjem izračunava
ugaoni pomeraj.
 Ovaj enkoder je takođe optički uređaj.
 Meri ugaonu brzinu osovine na osnovu
isporučene informacije o poziciji i/ili brzini.
 Kako osovina rotira otvori u disku
presecaju emitovane svetlosne zrake.
 Hardver i softver, povezani na detektor,
prate ove svetlosne pulseve i pomoću njih
opažaju rotaciju osovine.

Senzori u robotici
14
SENZORI POZICIJE
Enkoderi
Senzori u robotici
15
SENZORI POZICIJE
Potenciometri
Potenciometrom možemo
meriti translatorna i ugaona
pomeranja.
 Princip merenja je zasnovan na
linearnoj zavisnosti električne
otpornosti provodnika od
njegove dužine.
 Zato se potenciometar sastoji
od otpornika i klizača.

Senzori u robotici
16
SENZORI
Senzori okoline



Upravljanje robotima ima za cilj da se robot
prevede iz jednog položaja u drugi i pri tom
opiše zadatu putanju (trajektoriju).
Ovo upravljanje ne vodi računa o kontaktu
robota sa okolinom.
Za neke zadatke, kao što je sastavljanje
mehaničkih delova, uključivanje informacije o
silama reakcije koje se javljaju pri kontaktu u
algoritam upravljanja može biti dovoljno za
uspešno i pouzdano izvršenje zadatka.
Senzori u robotici
17
SENZORI OKOLINE



Senzori sile
Senzor sile ima elastični mehanički
element (oprugu ili štap) koji se
deformiše pod uticajem sile koja se meri
i time pretvara silu u veličinu
deformacije.
Uz njega se nalazi neki pretvarač koji
ovu deformaciju pretvara u električni
signal (merna traka, induktivni pretvarač,
fotoelektrični detektor itd.).
Kod robota nam je potrebna informacija
o sili i momentu reakcije okoline, dakle
o šest veličina. Ta informacija se dobija ili
preko senzora sile postavljenim u
zglobovima robota, ili, u hvataljci robota
gde se direktno mere sile reakcije.
Senzori u robotici
18
SENZORI OKOLINE
Senzori sile
Senzor sile/momenta u zglobu robota:
 Više mernih traka ugrađenih na elastične elemente mere elastične
deformacije u različitim smerovima, a time i sile/momente koji djeluju
na zglob robota.
 Izlazni signali i dobijeni sa mernih traka proporcionalni su
deformacijama u smerovima u kojima su trake postavljene.
 Vrednosti elemenata kalibracijske matrice cij zavise od konstrukcije
senzora.
Senzori u robotici
19

SENZORI OKOLINE
Taktilni senzori



Taktilni senzori kod robota oponašaju osetljivost čovekovih
prstiju i nalaze se u hvataljci robota.
Oni imaju za zadatak da upravljačkom sistemu daju
informacije o položaju predmeta koji je u hvataljci (mesto i
orijentacija), njegovom obliku, raspodeli sila koje deluju na
njega i klizanju predmeta (brzina i smer).
Na osnovu ovih informacija može se izvršiti prepoznavanje
predmeta iz zadate klase, određivanje mehaničkih svojstava
prema stepenu deformacije predmeta, korekcija sile kojom
se deluje na njega, promena orijentacije radi uspešnog
izvršenja određenog zadatka isl.
Senzori u robotici
20
SENZORI OKOLINE
Ultrazvucni senzori



Primena ultrazvučnih senzora na robotima obuhvata dve
aktivnosti: određivanje odstojanja od robota do nekog
objekta u okolini i formiranje slike okoline na osnovu
dobijene informacije.
Ultrazvučni senzori imaju prednost nad vizijom u tome što
mogu obezbediti 3-D informaciju o okolini robota i ne
zahtevaju posebne uslove osvetljenja radnog prostora.
Ultrazvučni senzor se sastoji iz dva osnovna dela: izvora
(odašiljača) ultrazvučnih talasa i odgovarajućeg prijemnika.
Senzori u robotici
21
SENZORI OKOLINE
Ultrazvucni senzori


Princip rada je zasnovan na
merenju vremena od trenutka
kada izvor emi tuje ultrazvučni
impuls do trenutka kada se taj
impuls, reflektovan od okoline,
detektuje u prijemniku.
Impulsi su obično modulisani
(fazno, vremenski), da bi se
razlikovali na prijemniku.
Senzori u robotici
22
SENZORI OKOLINE
Robotska vizija



Uloga robotske vizije kao senzora je da upravljačkom sistemu
da informaciju o izgledu i prostornoj raspodeli objekata koji
se nalaze u okolini robota.
U senzore vizije ubrajaju se optički senzori koji imaju za cilj
da odrede odstojanje od senzora do posmatranog objekta.
Slika je rezultat refleksije svetlosti od objekta u smeru
kamere.
Senzori u robotici
23
SENZORI OKOLINE
Robotska vizija
Upotrebom jedne kamere dobija se 2-D slika. Ista 2-D slika
može prikazivati različite prostore. Iz jedne slike prostora ne
mogu se odrediti udaljenost od kamere do objekta niti
dimenzije objekta.
 Rekonstrukcija 3D strukture iz 2D slike nije jednoznačna.
 Za određivanje udaljenosti od kamere do objekta i/ili
dimenzije objekta mora se koristiti više slika sa više kamera.
 Druga kamera treba biti postavljena pod određenim uglom u
odnosu na prethodnu.

Senzori u robotici
24
SENZORI OKOLINE
Robotska vizija
Za uspešan rad senzora vizije neophodno je
obezbediti dobru osvetljenost radnog prostora.
Faktori koji utiču na izgled scene u kojoj robot radi su
osvetljenje, objekat koji se posmatra, okolina objekta,
vrsta senzora i sam robot.
 Objekat utiče na izgled slike svojim oblikom, optičkim
osobinama materijala, obrađenost njegove površine.
 Ovi faktori bitno utiču na pogodan raspored
osvetljenja koji je potrebno ostvariti, tip osvetljenja.

Senzori u robotici
25
SENZORI OKOLINE
Robotska vizija
Što se tiče okoline objekta, moguće je da
usled lošeg kontrasta može biti znatno
otežana ekstrakcija ivica objekta, a samim tim
i njegovo jasno detektovanje na dobijenoj slici.
 Promenom uglova osvetljenja mogu se
ostvariti senke koje ovaj problem rešavaju, ali
mogu eventualno zakloniti neke važne
elemente scene.

Senzori u robotici
26
SENZORI OKOLINE
Robotska vizija

Primena lasera zajedno sa odgovarajućim optičkim
detektorima kod robota je najčešće vezana za određivanje
odstojanja od senzora do nekog objekta, ali se ovo lako može
proširiti na 3-D skeniranje radnog prostora.
● Laserski skener može imati
polje gledanja od 360º ako
se koristi rotirajuće zrcalo.
Senzori u robotici
27
SENZORI OKOLINE
Robotska vizija





Zvučni senzori registruju zvuk (kao i čulo sluha čoveka),
ultrazvučni senzori registruju zvuk koji ljudi ne čuju ali čuju neke
životinje (npr. slepi miš),
senzori dodira reaguju na dodir sa bilo kojim objektom,
senzori uz pomoć kojih robot vidi zovu se svetlosnim (ili optičkim),
infracrveni senzori omogućuju da se registrovanje toplotnog
zračenja tela,
uz pomoć žiroskopa kao dela senzora robot može da odredi svoj
položaj u odnosu na silu zemljine gravitacije itd.
Senzori u robotici
28
SENZORI OKOLINE
Procesor
Procesor je mozak robota.
 On prima informacije koje dobija od senzora i na osnovu
stanja u okolini i toga kako je izprogramiran odlučuje o tome
šta će da uradi.
 Procesor je električni sklop koji se programira.
 Kao i svi drugi računarski tj. kompjuterski sklopovi i procesor
robota donosi vrlo složene odluke na osnovu obrade
informacija koje on vidi kao nizove jedinica i nula.

Senzori u robotici
29
SENZORI OKOLINE
Izvor energije


Svi delovi robota zahtevaju napajanje energijom da bi radili.
Napajaju se električnom energijom koja je akumulirana u
hemijsku energiju u baterijama, ili može biti dobijena iz
energije sunca na solarnim ćelijama koje nosi robot, dok
roboti koji se ne pokreću mogu direktno da se napajaju
energijom iz gradske električne mreže.
Senzori u robotici
30
HVALA NA PAŽNJI!
PAŽNJA, SNIMAM VAS!
Senzori u robotici
31