ITVR20130233A1 - Apparato optoelettronico per la misurazione di posizione e di orientamento - Google Patents

Description

APPARATO OPTOELETTRONICO PER LA MISURAZIONE DI POSIZIONE E DI ORIENTAMENTO.

La presente invenzione è relativa ad un apparato optoelettronico per la misurazione di posizione e di orientamento.

L’invenzione in oggetto trova vantaggiosa applicazione nella misurazione di posizione e di orientamento di corpi per piccoli spostamenti a sei assi, in particolare nella misurazione di forza/coppia in dispositivi o gruppi robotici di presa dotati di cedevolezza intrinseca, cui la descrizione che segue fa esplicito riferimento senza per questo perdere in generalità.

In generale, la misurazione di forza/coppia di corpi viene effettuata mediante apparati, la maggior parte dei quali impiegano sensori basati su estensimetri o strain-gauge, oppure sensori optoelettronici in particolare basati su fibra ottica.

Gli apparati che impiegano sensori tradizionali del tipo strain-gauge sono compatti e precisi, ma presentano i notevoli inconvenienti di risultare sensibili ai disturbi elettromagnetici, poco precisi e di poter essere efficacemente utilizzati solo per la misurazione di deformazioni molto piccole e su strutture praticamente rigide.

Gli apparati con sensori basati su fibra ottica, ad esempio quelli noti e descritti nei documenti brevettuali US 20050185196, US 6868746, US 7657128 e EP 1591766, vengono normalmente e validamente utilizzati per effettuare misurazioni ad altissima precisione, ma sono dotati di una struttura molto complessa, di grande ingombro, e dal costo attualmente molto elevato.

Inoltre, tali apparati optoelettronici noti sono scarsamente in grado di effettuare con efficacia misurazioni di forza/coppia in sistemi, dispositivi o oggetti ad elevata cedevolezza.

Scopo della presente invenzione è, quindi, quello di realizzare un apparato optoelettronico il quale sia esente dagli inconvenienti della tecnica nota sopradescritta.

In particolare, uno scopo della presente invenzione è quello di realizzare un apparato optoelettronico di posizione e di orientamento di strutture o corpi anche non completamente rigidi e senza influire sulle proprietà statiche e/o dinamiche dei corpi medesimi.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare un apparato optoelettronico a struttura semplice, compatta ed in grado di effettuare misurazioni per piccoli spostamenti ad elevata precisione, senza interferire direttamente a contatto fra riferimento e oggetto in misurazione.

Le caratteristiche strutturali e funzionali della presente invenzione e i suoi vantaggi nei confronti della tecnica conosciuta risulteranno ancora più chiari ed evidenti dalle rivendicazioni sottostanti, ed in particolare da un esame della descrizione che segue, riferita ai disegni allegati, che mostrano le schematizzazioni di alcune preferite ma non limitative forme di realizzazione di un apparato optoelettronico di misurazione, in cui:

- la figura 1 rappresenta in vista schematica frontale una preferita forma di realizzazione di un apparato secondo la presente invenzione;

- la figura 2 rappresenta in vista schematica prospettica l’apparato della figura 1;

- la figura 3 è una vista schematica prospettica di una variante all’apparato delle figure 1 e 2;

- la figura 4 è un’altra vista schematica prospettica dell’apparato illustrato nelle figure 1, 2 o nella figura 3;

- la figura 5 rappresenta in vista schematica frontale una seconda forma di realizzazione dell’apparato optoelettronico in oggetto;

- la figura 6 rappresenta in vista schematica frontale una terza forma di realizzazione dell’apparato optoelettronico in oggetto;

- la figura 7 rappresenta in vista schematica frontale una quarta forma di realizzazione dell’apparato optoelettronico in oggetto; e

- la figura 8 rappresenta in vista schematica frontale una quinta forma di realizzazione dell’apparato optoelettronico in oggetto alla presente invenzione.

Con riferimento alle figure allegate da 1 a 4, con A viene globalmente indicato un apparato atto alla misurazione, tramite l’interazione di componenti optoelettronici discreti, di posizione ed orientamento di un corpo C a conformazione varia, ed anche con struttura ad elevata cedevolezza, che si muove nello spazio tridimensionale e che si considera definito sostanzialmente da una pluralità di superfici piane riflettenti, incidenti e solidali tra loro.

L’apparato A comprende almeno un circuito 1 elettronico stampato a conformazione piana del tipo PCB su cui sono predisposti montati una sorgente 2 luminosa ad infrarossi del tipo a LED, ed almeno tre elementi fotorilevatori 3 (tre fotorilevatori illustrati nella figura 2, sei nella figura 3), preferibilmente ma non limitatamente dei fototransistor oppure dei fotodiodi, opportunamente disposti in una zona K del circuito 1 definita attorno ed in prossimità della sorgente 2 luminosa.

Secondo quanto illustrato nelle figure 1 e 2, tali fotorilevatori 3 sono atti a captare una porzione 5i con i=1-n riflessa dalla superficie SR di almeno un segnale luminoso 4i con i=1-n, emesso dalla sorgente 2 per incidere la superficie SR stessa, la quale definisce il corpo C di cui si intende misurare la posizione e l’orientamento rispetto ad un piano P di riferimento (in linea tratteggiata nella figura 2), ed un cui centro G è disposto ad una distanza d presa perpendicolarmente dal circuito 1 (figura 1) e con un angolo Θ di inclinazione rispetto al circuito 1 stesso. I segnali 4i e 5i definiscono un relativo percorso Li luminoso, e la citata distanza d è dipendente dalla disposizione della sorgente 2 e dei relativi fotorilevatori 3.

Secondo quanto illustrato nella figura 4, al fine di misurare in modo ottimale la posizione e l’orientamento del corpo C, l’apparato A comprende, nella propria preferita ma non limitativa configurazione, tre circuiti 1 a PCB disposti tra loro preferibilmente perpendicolarmente a formare una configurazione del tipo a tre assi ortogonali, i circuiti 1 essendo provvisti, ciascuno, della citata sorgente 2 e dei citati almeno tre fotorilevatori 3 atti a rilevare la porzione 5i riflessa dalla superficie SR dei segnali 4i emessi dalla sorgente 2 stessa.

E’ da notare come comunque sia sufficiente che nell’apparato A i circuiti 1 siano a due a due non paralleli, in modo che le normali ai piani formino una base di rango pieno dello spazio tridimensionale.

In tal modo, in uso, l’apparato A è in grado di misurare in modo efficace e ottimale, e senza contatto, la posizione e l’orientazione del corpo C in movimento nello spazio, anche per piccoli spostamenti, mediante l’impiego di una sola sorgente luminosa per ogni superficie riflettente, eliminando i problemi di schermatura esistenti fra sorgenti luminose attigue, e inoltre utilizzando elementi optoelettronici che permettono di realizzare un’elettronica di acquisizione molto semplice ed economica, a struttura compatta e senza alcuna necessità di amplificazione del segnale degli elementi sensori.

Prove sperimentali hanno, in particolare, mostrato come sia possibile con efficacia misurare la distanza e l’inclinazione di superfici riflettenti definenti un corpo con una precisione dell’ordine del centesimo di millimetro e, rispettivamente, del centesimo di grado.

Secondo la forma di realizzazione alternativa illustrata nella figura 5, l’apparato A prevede una pluralità di circuiti 1 elettronici stampati del tipo PCB, su uno dei è quali, indicato con 1a, è disposta la sorgente 2, mentre i rimanenti supportano, ciascuno, un relativo fotorilevatore 3. In tal modo, è possibile realizzare una configurazione a piani diversi e sfalsati o inclinati fra loro.

Secondo un’altra forma di realizzazione alternativa illustrata nella figura 6, l’apparato A è atto alla misurazione di una superficie SR riflettente non piana, ad esempio curva, oppure formata da due o più superfici SRi (con i=1-n) disposte inclinate tra loro.

Secondo l’ulteriore forma di realizzazione alternativa illustrata nella figura 7, l’apparato A è atto alla misurazione mediante un segnale luminoso 4i che attraversa almeno un mezzo 6 o materiale secondario frapposto fra la sorgente 2 e la superficie SR riflettente, al fine di deviare opportunamente il segnale luminoso medesimo. Nel caso di più mezzi 6, ad esempio in configurazione multistrato, è possibile prevedere che tali mezzi 6 non siano fra loro omogenei.

Secondo l’ulteriore forma di realizzazione alternativa illustrata nella figura 8, che definisce una variante dell’apparato A della figura 6, le superfici SRi (SR1 e SR2) riflettenti presentano rispettivi coefficienti di riflessione differenti tra loro, anche al variare della posizione sulle superfici medesime.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato (A) optoelettronico per la misurazione della posizione e dell’orientamento di un corpo (C), detto corpo (C) essendo definito da almeno una superficie (SR;SRi) riflettente mobile nello spazio, l’apparato (A) comprendente mezzi (1) elettronici atti a supportare almeno una sorgente (2) emettitrice di almeno un segnale (4;4i) luminoso incidente la detta superficie (SR;SRi) riflettente, e mezzi (3) rilevatori atti a captare la porzione (5;5i) del detto segnale (4;4i) luminoso riflessa dalla detta superficie (SR;SRi) riflettente.
2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi (1) elettronici comprendono mezzi (1) circuitali e i detti mezzi (3) rilevatori comprendono almeno tre fotorilevatori (3); i detti mezzi (1) circuitali essendo atti a formare una configurazione determinata, e provvisti della detta sorgente (2) e dei detti fotorilevatori (3).
3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la detta configurazione è ad assi ortogonali.
4. 4. Apparato secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi (1) circuitali comprendono un circuito (1a) stampato a PCB di supporto per la detta sorgente (2) luminosa ed almeno tre circuiti (1) stampati a PCB di supporto per i detti tre fotorilevatori (3).
5. 5. Apparato secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che la detta sorgente (2) è una sorgente a LED.
6. 6. Apparato secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi (3) rilevatori sono fototransistor.
7. 7. Apparato secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi (3) rilevatori sono fotodiodi.
8. 8. Apparato secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che la detta superficie (SR;SRi) riflettente è una superficie piana.
9. 9. Apparato secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che la detta superficie (SR;SRi) riflettente è una superficie curva.
10. 10. Apparato secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 1 a 7, caratterizzato dal fatto che la detta superficie (SR;SRi) riflettente comprende almeno due superfici (SR1,SR2) riflettenti disposte inclinate tra loro.
11. 11. Apparato secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che le dette due superfici (SR1, SR2) riflettenti presentano rispettivi coefficienti di riflessione differenti tra loro.
12. 12. Apparato secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 1 a 11, caratterizzato dal fatto che fra la detta sorgente (2) e la detta superficie (SR; SRi) riflettente è disposto almeno un mezzo (6) materiale.
13. 13. Apparato secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che il detto mezzo (6) comprende un multistrato formato da più materiali disomogenei tra loro.