РОБОТОТЕХНИКА

РЕЗИСТИВНЫЕ ТЕНЗОДАТЧИКИ

При разработке конструкции робота важно доводить размеры и массу устройств измерения положения до минимума. При ограниченной зоне движения простой резистивный тензометр в. достаточной мере удовлетворяет этому требованию, хотя в неко­торых случаях возникает необходимость в использовании более сложных устройств, например резистивных или индуктивных потенциометров.

Там, где резистивные тензодатчики [17—20, 58] предназна­чаются для довольно точных позиционных измерений, очень желательно применять двухконтурный тип обратной связи. Это помогает преодолевать трудности, вызываемые, например, тем­пературными изменениями и изменениями сопротивления пита­ющей сети. Важно также предусмотреть канал, обладающий хорошей тепловой проводимостью для ограничения повышения температуры за счет рассеивания энергии в резистивном эле­менте тензодатчика. Необходимо обеспечить хорошую защиту резистивных тензодатчиков от проникновения ялагн, так как вызываемое ею изменение сопротивления изоляции может оказы­вать исключительно большое воздействие на датчик.

Резистивные тензодатчики обычного типа предназначены в ос­новном для незначительных удлинений, и поэтому там, где необ­ходимо контролировать движение большого размаха, приходится устанавливать рычаги. Одной из возможностей, реализуемых в роботе, является использование тензодатчиков, изготовленных из электропроводящей резины или пластмассы. Несмотря на редкое применение этих приборов, у них есть преимущество, со­стоящее в том, что они обеспечивают измерение и управление при очень больших удлинениях.

Применяя резистивные тензодатчики, можно предусмотреть, чтобы материал основания, на которое устанавливается датчик, и материал, из которого он сделан, взаимно компенсировали температурные влияния [21 ]. Другими словами, механический

температурный коэффициент расширения материала основания используется для компенсации электрического температурного коэффициента сопротивления материала датчика. Имеются тен­зодатчики с соответствующими температурными коэффициентами сопротивления, способные компенсировать тепловое расширение большинства распространенных металлов.

Одним из недостатков резистивных тензодатчиков является наличие предела усталости у используемого материала.

В процессе эксплуатации тензодатчик подвергается постоян­ному сгибанию, что ограничивает срок его службы. Поэтому, если датчик приклеен к корпусу робота, возникают трудности при техническом обслуживании. Для максимального увеличения срока службы датчика необходимо ограничить диапазон изме­

нения деформации в каждом цикле движения.

В некоторых случаях представляется привлекательным при­менение пьезоэлементов [22, 29, 30]. Эти элементы предназна­чены для использования в звукоснимателе проигрывателей, выпускаются в виде небольшого патрончика и, при длительном

сроке службы, дешевы и просты в обращении.

Существует множество других методов определения дефор­мации, например емкостный или индуктивный. Однако в на­стоящее время они мало пригодны для применения в подвижных роботах, в частности из-за потребности в специальном источнике питания и чувствительности к внешнему воздействию.

В последнее время появились тензодатчики, резистивный элемент которых выполнен из полупроводникового материала, например кремния. Хотя эти тензодатчики и способны обеспе­чить выходное напряжение, почти в 100 раз большее, чем обычные тензодатчики, с ними в настоящее время связаны другие труд­ности. Так, может в значительной степени возрасти температур­ная зависимость сопротивления датчика, а в некоторых случаях для обеспечения температурной компенсации возникает необ­ходимость в установке термистора. Кроме того, кремний не обла­дает достаточной пластичностью, в связи с чем могут возникнуть трудности, обусловленные возможностью разрушения от резких сгибов или нажатий.

Иногда приходится использовать коэффициент тензочувстви- тельности тензодатчика, определяемый как

коэффициент тензочувствительности =

приращение сопротивления

приращение длиьы * г

Таким образом, при удельном сопротивлении материала р, длине, площади поперечного сечения и объеме тензодатчика соответственно L, S и У сопротивление R можно выразить фор­мулой

о L L2

' ^ — ^ V ’

откуда, дифференцируя по L, получим.

dR 0 L 2R

•dr = 2P-v=-zr-

Следовательно,

коэффициент тензочувствительности = = 2.

Однако на практике объем тензодатчика не остается неизмен­ным, и обычно практическая величина его коэффициента тензо­чувствительности равна 2,2.

Можно считать, что фактический коэффициент тензочувстви­тельности состоит из двух членов:

коэффициент тензочувствительности = (1 - j - 2v) - f-

-f - [(dp/p)/(dL/L)],

где v — коэффициент Пуассона. Здесь первый член обусловли­вает пространственный эффект v, равный для металлов прибли­зительно 0,3. У полупроводников решающую роль играет второй член, который иногда называют пьезорезистивным эффектом 157].

Пьезоэлектрические тензодатчики используются в качестве датчиков осязания для кисти робота [37]. Пьезоэлектрические элементы могут использоваться также в маломощном приводе для преодоления трудностей, связанных с гистерезисом, ползучестью и нелинейностью; при этом высокие уровни сигналов компен­сируются за счет обратной связи от кремниевых тензодатчиков, приклеенных к кристаллу [38].

При необходимости в использовании большого количества тензодатчиков, расположенных близко друг к другу, как это имеет место в роботе, целесообразно применять импульсное возбуждение, поскольку оно позволяет не только тысячекратно увеличивать уровни сигнала, но и своевременно разделять сиг­налы от разных датчиков, что сводит к минимуму взаимные по­мехи, возникающие из-за близости расположения [45—47 ].