مختصری از سنسور ها در ربات

مختصری از سنسور ها در ربات
سنسورها اغلب براي درک اطلاعات تماسي، تنشي، مجاورتي، بينايي و صوتي به‌کار مي‌روند. عملکرد سنسورها بدين‌گونه است که با توجه به تغييرات فاکتوري که نسبت به آن حساس هستند، سطوح ولتاژي ناچيزي را در پاسخ ايجاد مي‌کنند، که با پردازش اين سيگنال‌هاي الکتريکي مي‌توان اطلاعات دريافتي را تفسير کرده و براي تصميم‌گيري‌هاي بعدي از آن‌ها استفاده نمود.
سنسورها را مي‌توان از ديدگاه‌هاي مختلف به دسته‌هاي متفاوتي تقسيم کرد که در ذيل مي‌آيد:
a. سنسور محيطي: اين سنسورها اطلاعات را از محيط خارج و وضعيت اشياي اطراف ربات، دريافت مي‌نمايند.
b. سنسور بازخورد: اين سنسور اطلاعات وضعيت ربات، از جمله موقعيت بازوها، سرعت حرکت و شتاب آن‌ها و نيروي وارد بر درايورها را دريافت مي‌نمايند.
c. سنسور فعال: اين سنسورها هم گيرنده و هم فرستنده دارند و نحوه کار آن‌ها بدين ترتيب است که سيگنالي توسط سنسور ارسال و سپس دريافت مي‌شود.
d. سنسور غيرفعال: اين سنسورها فقط گيرنده دارند و سيگنال ارسال شده از سوي منبعي خارجي را آشکار مي‌کنند، به‌ ‌همين دليل ارزان‌تر، ساده‌تر و داراي کارايي کمتر هستند.
سنسورها از لحاظ فاصله‌اي که با هدف مورد نظر بايد داشته باشند به سه قسمت تقسيم مي‌شوند:
§ سنسور تماسي: اين نوع سنسورها در اتصالات مختلف محرک‌ها مخصوصا در عوامل نهايي يافت مي‌شوند و به دو بخش قابل تفکيک‌اند.
i. سنسورهاي تشخيص تماس
ii. سنسورهاي نيرو-فشار
سنسورهاي مجاورتي: اين گروه مشابه سنسورهاي تماسي هستند، اما در اين مورد براي حس کردن لازم نيست حتما با شي در تماس باشد. عموما اين سنسورها از نظر ساخت از نوع پيشين دشوارترند ولي سرعت و دقت بالاتري را در اختيار سيستم قرار مي‌دهند.
دو روش عمده در استفاده از سنسورها وجود دارد:
i. حس کردن استاتيک: در اين روش محرک‌ها ثابت‌اند و حرکت‌هايي که صورت مي‌گيرد بدون مراجعه لحظه‌اي به سنسورها صورت مي‌گيرد.به عنوان مثال در اين روش ابتدا موقعيت شي تشخيص داده مي‌شود و سپس حرکت به سوي آن نقطه صورت مي‌گيرد.
ii. حس کردن حلقه بسته: در اين روش بازوهاي ربات در طول حرکت با توجه به اطلاعات سنسورها کنترل مي‌شوند. اغلب سنسورها در سيستم‌هاي بينا اين‌گونه‌اند.
حال از لحاظ کاربردي با نمونه‌هايي از انواع سنسورها در ربات آشنا مي‌شويم:
a. سنسورهاي بدنه (Body Sensors) : اين سنسورها اطلاعاتي را درباره موقعيت و مکاني که ربات در آن قرار داردفراهم مي‌کنند. اين اطلاعات نيز به کمک تغيير وضعيت‌هايي که در سوييچ‌ها حاصل مي‌شود، به دست مي‌آيند. با دريافت و پردازش اطلاعات بدست آمده ربات مي‌تواند از شيب حرکت خود و اين‌که به کدام سمت در حال حرکت است آگاه شود. در نهايت هم عکس‌العملي متناسب با ورودي دريافت شده از خود بروز مي‌دهد.
b. سنسور جهت‌ياب مغناطيسي(Direction Magnetic Field Sensor): با بهره‌گيري از خاصيت مغناطيسي زمين و ميدان مغناطيسي قوي موجود، قطب‌نماي الکترونيکي هم ساخته شده است که مي‌تواند اطلاعاتي را درباره جهت‌هاي مغناطيسي فراهم سازد. اين امکانات به يک ربات کمک مي‌کند تا بتواند از جهت حرکت خود آگاه شده و براي تداوم حرکت خود در جهتي خاص تصمصم‌گيري کند. اين سنسورها داراي چهار خروجي مي‌باشند که هرکدام مبين يکي از جهت‌ها است. البته با استفاده از يک منطق صحيح نيز مي‌توان شناخت هشت جهت مغناطيسي را امکان‌پذير ساخت.
c. سنسورهاي فشار و تماس (Touchand Pressure Sensors) : شبيه‌سازي حس لامسه انسان کاري دشوار به نظر مي‌رسد. اما سنسورهاي ساده‌اي وجود دارند که براي درک لمس و فشار مورد استفاده قرار مي‌گيرند. از اين سنسورها در جلوگيري از تصادفات و افتادن اتومبيل‌ها در دست‌اندازها استفاده مي‌شود. اين سنسورها در دست‌ها و بازوهاي ربات‌ هم به منظورهاي مختلفي استفاده مي‌شوند. مثلا براي متوقف کردن حرکت ربات در هنگام برخورد عامل نهايي با يک شي. همچنين اين سنسورها به ربات‌ها براي اعمال نيروي کافي براي بلند کردن جسمي از روي زمين و قرار دادن آن در جايي مناسب نيز کمک مي‌کند. با توجه به اين توضيحات مي‌توان عملکرد آن‌ها را به چهار دسته زير تقسيم کرد: 1- رسيدن به هدف، 2- جلوگيري از برخورد، 3- تشخيص يک شي.
d. سنسورهاي گرمايي (Heat Sensors): يکي از انواع سنسورهاي گرمايي ترمينستورها هستند. اين سنسورها المان‌هاي مقاومتي پسيوي هستند که مقاومتشان متناسب با دمايشان تغيير مي‌کند. بسته به اينکه در اثر گرما مقاومتشان افزايش يا کاهش مي‌يابد، براي آن‌ها به ترتيب ضريب حرارتي مثبت يا منفي را تعريف مي‌کنند. نوع ديگري از سنسورهاي گرمايي ترموکوپل‌ها هستند که آن‌ها نيز در اثر تغيير دماي محيط ولتاژ کوچکي را توليد مي‌کنند. در استفاده از اين سنسورها معمولا يک سر ترموکوپل را به دماي مرجع وصل کرده و سر ديگر را در نقطه‌اي که بايد دمايش اندازه‌گيري شود، قرار مي‌دهند.

e. سنسورهاي بويايي (SmellSensors): تا همين اواخر سنسوري که بتواند مشابه حس بويايي انسان عمل کند، وجود نداشت. آنچه که موجود بود يک‌سري سنسورهاي حساس براي شناسايي گازها بود که اصولا هم براي شناسايي گازهاي سمي کاربرد داشتند. ساختمان اين سنسورها به اين صورت است که يک المان مقاومتي پسيو که از منبع تغذيه‌اي مجزا، با ولتاژ 5+ ولت تغذيه مي‌شود، در کنار يک سنسور قرار دارد که با گرم شدن اين المان حساسيت لازم براي پاسخ‌گويي سنسور به محرک‌هاي محيطي فراهم مي‌شود. براي کاليبره کردن اين دستگاه ابتدا مقدار ناچيزي از هر بو يا عطر دلخواه را به سيستم اعمال کرده و پاسخ آن را ثبت مي‌کنند و پس از آن اين پاسخ را به عنوان مرجعي براي قياس در استفاده‌هاي بعدي به کار مي‌‌برند. اصولا در ساختمان اين سيستم چند سنسور، به طور همزمان عمل مي‌کنند و سپس پاسخ‌هاي دريافتي از آن‌ها به شبکه‌ عصبي ربات منتقل شده و تحليل و پردازش لازم روي آن صورت مي‌گيرد. نکته مهم درباره کار اين سنسورها در اين است که آن‌ها نمي‌توانند يک بو يا عطر را به طور مطلق انداره‌ بگيرند. بلکه با اندازه‌گيري اختلاف بين آن‌ها به تشخيص بو مي‌پردازند.
f. سنسورهاي موقعيت مفاصل : رايج‌ترين نوع اين سنسورها کدگشاها (Encoders) هستند که هم از قدرت بالاي تبادل اطلاعات با کامپيوتر برخوردارند و هم اينکه ساده، دقيق، مورد اعتماد و نويز ناپذيرند. اين دسته انکدرها را به دو دسته مي‌توان تقسيم کرد:
i. انکدرهاي مطلق: در اين کدگشا ها موقعيت به کد باينري يا کد خاکستري BCD (Binary Codded Decible ) تبديل مي‌شود. اين انکدرها به علت سنگيني و گران‌قيمت بودن و اينکه سيگنال‌هاي زيادي را براي ارسال اطلاعات نياز دارند، کاربرد وسيعي ندارند. همانطور که مي‌دانيم به‌کار گيري تعداد زيادي سيگنال درصد خطاي کار را افزايش مي‌دهد و اين اصلا مطلوب نيست. پس از اين انکدرها فقط در مواردي که مطلق بودن مکان‌ها براي ما خيلي مهم است و مشکلي هم از احاظ بار فابل تحمل ربات متوجه ما نباشد، استفاده مي‌شود.
انکدرهاي افزاينده: اين کدگشا ها داراي قطار پالس و يک پالس مرجع که براي کاليبره کردن بکار مي‌رود هستند، از روي شمارش قطارهاي پالس نسبت به نقطه مرجع به موقعيت مورد نظر دست مي‌يابند. از روي فرکانس (عرض پالس‌ها) مي‌توان به سرعت چرخش و از روي محاسبه تغييرات فرکانس در واحد زمان (تغييرات عرض پالس) به شتاب حرکت دوارني پي برد. حتي مي‌توان جهت چرخش را نيز فهميد. فرض کنيد سيگنال‌هاي A و B و C سه سيگنالي باشند که از کدگشا به کنترل‌کننده ارسال مي‌شود. B سيگنالي است که با يک چهارم پريود تاخير نسبت به A. از روي اختلاف فاز بين اين دو مي‌توان به جهت چرخش پي برد.