SENZORI U ROBOTICI Seminarskirad iz predmeta “Inteligentno računarsko upravljanje i robotika” Zlatica Gerov, Goran Gerov Senzori u robotici

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

Veštačka čula robota zovu se senzori. 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

procesor koji obraduje informacije tj. misli (mozak robota), 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

Pokretni delovi i kretanje robota 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

Senzori robota omogućavaju robotu da analizira okolinu. 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

U praksi se, kao neizostavni element robota, koriste: 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

Obezbeđuju pouzdanu informaciju o položaju robota. 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

Uređaj se sastoji od statora i rotora. 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

Merenjem faznog pomeraja dobijamo traženu vrednost ugla. 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

Enkoderi se klasifikuju u dve velike grupe: apsolutni enkoderi i 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

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

Enkoderi – apsolutni enkoderi 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

Enkoderi – inkrementalni enkoderi 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

SENZORI POZICIJE Enkoderi Senzori u robotici

Potenciometrom možemo meriti translatorna i ugaona pomeranja. 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

Ovo upravljanje ne vodi računa o kontaktu robota sa okolinom. 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

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

Senzor sile/momenta u zglobu robota: 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

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

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

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

Slika je rezultat refleksije svetlosti od objekta u smeru kamere. 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

Rekonstrukcija 3D strukture iz 2D slike nije jednoznačna. 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

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

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

Laserski skener može imati polje gledanja od 360º ako 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

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

Procesor je mozak robota. 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

Svi delovi robota zahtevaju napajanje energijom da bi radili. 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

HVALA NA PAŽNJI! PAŽNJA, SNIMAM VAS! Senzori u robotici