CS205271B1 - Proportional sensing element - Google Patents

Description

Vynález se týká proporcionálního taktilního čidla, pracujícího na bázi polovodivého elastického materiálu, které splňuje požadavky na taktilni čidlo robota.

V současném období vyvstává stále naléhavěji problém, jak nahradit určité druhy činnoa tí člověka automatickým strojem - robotem. Nezbytnou podmínkou správné interakce robota s okolním prostředím je schopnost robota získávat informaci o okolním prostředí prostřednictvím čidel. Čidla vnímacího podsystému robota mohou být různého druhu: vizuální - televizní kamera, akustická - mikrofon, tepelná, taktilni, tj. hmatová, dotyková a jiné.

Z důvodu levnosti a jednoduchosti realizace i z důvodu nenahraditelnosti pro činnost robota za speciálních podmínek, například v neosvětleném prostředí, hrají ve vnímaclm podsystému robota důležitou roli taktilni čidla a systémy zpracováni taktilni informace z těch to čidel.

Ukazuje se zcela jednoznačně, že fektorem, limitujícím další úspěšný výzkum v oblasti taktilních systémů, jsou právě taktilni čidla. A přitom zvláště proporcionální taktilni čidla, tj. spojité převodníky tlaku na elektrický signál, prakticky nejsou k dispozici. Taktilni čidla pro roboty musí totiž vyhovovat kromě samozřejmých požadavků na přesnost a spolehlivost také následujícím požadavkům.

a) Malé rozměry, protože čidla se umísťují přímo na povrch aktivní úchopné hlavice a nesmějí překážet v činnosti této hlavice.

b) Nízká váha, protože čidla ovlivňují dynamické charakteristiky servosystémů výkonného orgánu robota.

¹ c) Velká mechanická odolnost, aby nedocházelo k poškození čidel v průběhu činnosti robota.

Proporcionální taktilní čidla jsou zatím ve fázi základního výzkumu a řeší se dosud výhradně bud jako polovodičové tenzometry,nebo na bázi polovodivých elastických materiálů.

Polovodičová tenzometrická čidla pro průmyslové užití jsou spíše konstruována pro snímání tlaků v kapalinách a plynech a nevyhovují požadavkům na taktilní čidla robotů z hlediska rozměrů a váhy.

Polovodivých elastických materiálů se zatím využívá jen experimentálně v několika laboratořích, a to především jako plošných snímačů taktilní informace a nikoliv jako jednotlivých čidel. Hovoří se o tzv. simulaci integrovaného chováni kůže. Povrch úchopné hlavice je pokryt polovodivým elastickým materiálem, umístěným mezi vodivé fólie - elektrody. Při jakémkoliv kontaktu úchopné hlavice s objektem okolního prostředí je tento dotyk indikován celkovou změnou odporu polovodivého elastického materiálu.

Uvedené nedostatky odstraňuje podle vynálezu proporcionální taktilní čidlo, sestávající z polovodivého elastického materiálu, uloženého mezi dvěma elektrodami. Jeho podstata spočívá v tom, že jedna z elektrod je tvořena přítlačným kolíkem, jehož spodní konec je izolovaně uložen ve vrtáni základní desky, v kterémžto vrtání je proti čelu spodního konce tohoto přítlačného kolíku uložen polovodivý elastický materiál a druhá snímací elektroda.

Podle vynálezu je účelné, jestliže horní konec přítlačného kolíku je posuvně uložen ve vodicí desce, spojené se základní deskou spojovacím pouzdrem. Na přítlačném kolíku je proti spodní straně vodicí desky upevněna zarážka.

Vynález využívá polovodivého elastického materiálu velmi malých rozměrů jako fyzikálního základu jednoho proporcionálního taktilního čidla. Nevýhodou polovodivého elastického materiálu je to, že materiál musí být stlačován mezi dvěma přesně planparalelními vodivými deskami - elektrodami - tak, aby došlo k rovnoměrnému rozloženi tlaku - v opačném případě v relativně malé oblasti s vyšším tlakem prudce klesne odpor ve srovnání s okolím a všechen proud proteče právě touto malou oblasti, přičemž se materiál bu3 zničí, nebo měření je znehodnoceno.

Vynález je blíže objasněn na příkladu provedení pomocí výkresu.

Uspořádání proporcionálního taktilního čidla zajišluje stlačování polovodivého elastického materiálu přesně planparelními vodivými deskami. Základní funkční částí proporcionálního taktilního čidla podle vynálezu je přítlačný kolík £ se zarážkou £ a krytkou £ z nevod!·? vého materiálu. Přítlačný kolík £ volně prochází otvorem ve vodicí desce £ z nevodivého materiálu a má možnost vnořovat se do základní desky £ z nevodivého materiálu až po vlisovanou snímací elektrodu £. Vodicí deska 2 a základní deska £ jsou navzájem umístěny paralelně, přičemž přítlačný kolík £ se pohybuje kolmo k oběma deskám a stlačuje polovodivý elastický materiál £ mezi svojí čelní ploškou a snímací elektrodou £. Zarážka £, například nákružek na přítlačném kolíku £, zabraňuje vypadnutí kolíku z otvorů ve vodicí desce j2 a základní desce £. Jako napájecí elektrodu je možné použít přítlačný kolik £, přičemž napájecí napětí je možné přivádět na přítlačný kolík £ v prostoru mezi vodicí deskou 2 a základní deskou £. Potom je nezbytné, aby přítlačný kolík £ byl v nezapouzdřeném prostoru chráněn krytkou 6 z nevodivého materiálu. Celé čidlo může být zapouzdřeno například v tenkostěnném spojovacím pouzdru 8, čímž lze fixovat přesně planparalelní vzájemnou polohu vodicí desky £ a základní desky £.

Plocha elastického polovodivého materiálu £ je poněkud menši než průřez přítlačného kolíku £ - tím je dána možnost, aby se materiál při tlakové deformaci nalézal pouze v prostoru mezi přítlačným kolíkem £ a snímací elektrodou £. Při experimentech se totiž ukázalo, že při stejné ploše polovodivého elastického materiálu,jako je průřez přítlačného kolíkuj., se deformovaný materiál vtlačuje mezi přítlačný kolik J_ a základní desku J a blokuje tak volný axiální pohyb přítlačného kolíku i·

V klidovém stavu, tj. bez působení vnější síly na krytku £,je polovodivý elastický materiál £ mírně předstlačen a svojí pružností přitlačuje zarážku 2 k vodicí desce 2. Působí-li na krytku 6 přítlačného kolíku J. objekt vnějšího prostředí silou ve směru osy přítlačného koliku J_, dochází k další pružné deformaci polovodivého elastického materiálu %.· Teto deformace je doprovázena úměrným snížením elektrického odporu polovodivého elastického materiálu 2, neboli snížením odporu mezi přítlačným kolikem J, a snímací elektrodou 4· Při zmenšeni působící síly se zmenší deformace polovodivého elastického materiálu £ a opět se odpor zvýší. Při úplném odstranění působící síly se čidlo vrátí pružností polovodivého elastického materiálu 2 do klidového stavu. Odpor mezi přítlačným kolíkem i a snímací elektrodou 4 je obecně spojitou funkcí axiální síly s určitou hysterezí, určenou charakteristikou polovodivého elastického materiálu £.

Jako polovodivého elastického materiálu lze použít například silikonovou gumu polymeru, dotovaného grafitem,nebo jiných polovodivých elastických materiálů s obdobnými vlastnostmi.

Konstrukce proporcionálního taktilního čidla podle vynálezu dává možnost vyrábět jednoduše taktilní čidla různých rozměrů, odolná vůči nárazům a chvění, vhodná pro použití u průmyslových manipulátprů a robotů. Konstrukce čidla podle vynálezu umožňuje efektivně využít relativně drahý polovodivý elastický materiál. Taktilní čidlo podle vynálezu je zatím jediným taktilním čidlem, které vyhovuje náročným požadavkům robotiky.

Claims (2)

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

1. Proporcionální taktilní čidlo, sestávající z polovodivého elastického materiálu uloženého mezi dvěma elektrodami, vyznačující se tím, že jedna z elektrod je tvořena přítlačným kolíkem (1), jehož spodní konec je izolovaně uložen ve vrtání základní desky (3), v kterémžto vrtání je proti čelu spodního konce tohoto přítlačného kolíku (1) uložen polovodivý elastický materiál (5) a druhá snímací elektroda (4).

2. Čidlo podle bodu 1, vyznačující se tím, že horní konec přítlačného kolíku (1) je posuvně uložen ve vodicí desce (2) spojené se základní deskou (3) spojovacím pouzdrem (8), přičemž na přítlačném kolíku (1) je proti spodní straně vodicí desky (2) upevněna zarážka (7).