Sakarya Üniversitesi

Transkript

1 Sakarya Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektronik Öğretmenliği Robotik Dersi Konu: Robotikte Kullanılan Sensörler Doç. Dr. RAŞİT KÖKER Hazırlayanlar Kadir AKBALIK Kadir Bulgan Rasim UZUNER G G G Kaynaklar: Robot Teknolojileri Ders Notları A. Çoşkun SÖNMEZ MEB Robotik Kitabı Prof. DR. Asaf VAROL Robotik Sensörler DR. Ahmet ÖZKURT 1

2 Sensör Nedir? Robotik ve otomasyonun en önemli kısmı algılamadır. Sensörler de bu amaçla kullanılan algılayıcılardır. Bir robot ya da bir otomasyon sistemi çevresindeki bazı değişkenleri algılamak, yorumlamak ve ona göre karar döngülerini yürütmek zorundadır. Algılanması gereken farklı değişkenler farklı tiplerde sensörler gerektirir. Kısacası Sensör bir robot için bir tür Göz dür. Onun sayesinde algılama işlemi yapmakta, onun sayesinde çalışmasını tam anlamıyla sürdürebilmektedir. Sensör Tanımını 2 Başlık Altında Toplarsak Çevrenin ve çevresel değişkenlerin durumunu algılayan elemanlardır. Temelde herhangi bir fiziksel büyüklüğü elektriksel sinyallere çevirmek için kullanılırlar. Sensör Çeşitleri: Aktif Sensörler Pasif Sensörler 2

3 Sensörleri Sınıflandırmak Gerekirse Uyartım-Fiziksel Büyüklük Çalışma prensibi Karakteristik özellikler Uygulama alanı Uyartım-Fiziksel Büyüklük Sensör Değişkenleri Mekanik: Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, tork (moment), basınç, hız, ivme, pozisyon, ses dalgaboyu ve yoğunluğu Termal: Sıcaklık, ısı akışı Elektriksel: Voltaj, akım, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı ve frekans Manyetik: Alan yoğunluğu, akı yoğunluğu, manyetik moment, geçirgenlik Işıma: Yoğunluk, dalgaboyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme Kimyasal: Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, ph miktarı Ölçüm ve Ölçüm Hataları Ölçüm Hatası Sistematik Hata Random Error Hassasiyet (Precision) Küçük değişim Doğruluk (Accuracy): Küçük hata Sensörlerin Robotikteki Kullanım Alanları Dokunmatik sensörler Yaklaşım ve oran sensörleri, Muhtelif sensörler ve temel sensör sistemleri, Otomatik görme sistemleri. 3

4 Bir Robot Sensöründe Olması Gereken Özellikler Doğruluk Hassasiyet İşlem Değeri Cevap Hızı Değer Gerçeklik Sensör Parametreleri Duyarlılık (Sensitivity) Hasssiyet (Resolution) Lineerlik (Linearity) Kayma (Drift) Histerisis (Hysteresis) Tekrarlanabilirlik (Precision) Dinamik durum Bazı Sensor tipleri Ladar (laser distance and ranging) 1. Time of flight 2. Phase shift Sonar Radar Infra-red Işık Sıcaklık Dokunma Rezistiv Bir Sensorü nasıl seçersiniz? Maliyet Çevresel etmenler ve değişkenler Çalışma bandı Bakış açısı 4

5 SENSÖR ÇEŞİTLERİ Günümüzde piyasada çok çeşitli sensörler bulunmaktadır. Bu sensörler için farklı gruplandırmalar yapılır, bu gruplandırmalardan biri de aktif sensörler ve pasif sensörler şeklindedir. Aktif sensörler Sinyallerini kendileri üretip bu sinyalin dış ortamla etkileşimlerini ölçen sensörlerdir. Şaft pozisyon sensörleri, IR sensörler, mesafe sensörleri ve ultrasonik uzaklık sensörleri gibi sensörler aktif sensörlerdendir. ( CNY70, Shaft encoder, Sharp uzaklık algılayacı sensörler...) Aktif sensörler sinyallerini kendileri yaydıklarından daha fazla enerji gerektirmektedir. 5

6 Pasif sensörler Çevrelerinden aldıkları sinyalleri ölçen sensörlerdir. Anahtar tipi sensörler, ışık algılayıcı sensörler, piezoelektrik film sensörü, sıcaklık sensörü ve basınç sensörü gibi sensörler de pasif sensörlerdendir. ( touch sensör, LDR, NTC, PTC, DS1821, fototransistörler, fotodiyotlar, mikrofon) SENSÖR NEDİR? Robotik ve otomasyonun en önemli kısmı algılamadır. Sensörler de bu amaçla kullanılan algılayıcılardır. Bir robot ya da bir otomasyon sistemi çevresindeki bazı değişkenleri algılamak, yorumlamak ve ona göre karar döngülerini yürütmek zorundadır. Algılanması gereken farklı değişkenler farklı tiplerde sensörler gerektirir. Digital sensörler Digital sensörler ayrık sinyaller üretirler. Digital sensörden alacağımız bilgiler belli adımlarla yükselen değerlere sahiptir. Örneğin; bir digital pusula 0 ile 359 derece aralığını kapsayan 9 bit'lik sinyal gönderebilir. Analog sensörler Analog sensörler, devre 0 V - 5 V arasında ya da 4 ma - 20 ma arasındaki değerleri algılayacak şekilde bağlanabilir ve bu durumda bu iki değer arasındaki tüm değerler okunabilir. Yani analog sinyal belli iki değer arasında her hangi bir değerdir. Analog sensörler kullanıldığında bunları mikrodenetleyicilere yönlendirmeden önce ( A / D) analog - digital konvertör kullanılarak analog sinyaller digital sinyallere çevrilmelidir. Robot Sensörleri Sensörler robot kontrol birimleridir. Aynı zamanda durum sensörleri ve hız sensörleri de vardır. Bunlardan durum sensörleri için bellek ve şifre çözücüleri, hız sensörleri için de takometreleri örnek verebiliriz. Bu alıcılar (sensörler), robotların giriş parçası olarak kullanılabilir. Sensörlerin robotları kontrol edici, düzenleyici ya da diğer teçhizatların parçalarını birleştirici görev yapmasını istenir. 6

7 Bu bölümde robotlarda giriş parçası olarak kullanılan alıcının değişik çeşitleri ve hangi sebeplerden dolayı ihtiyaç duyulduğu üzerinde durulacaktır. Öncelikle trandüser (iletici) ve sensörler (alıcı) hakkında genel bilgiler verilecek, daha sonra da robotlar üzerindeki uygulamaları üzerinde durulacaktır. Transdüserler ve Sensörler Bir transdüser, fiziksel değişiklikleri (kuvvet, basınç, hareket, hız, akıcılık oranı) farklı değişik şekillere dönüştürür. Genellikle bu değişiklikler bir sinyal yönünde olur. Bunun sebebi ise, diğer fizikî büyüklüklere nazaran elektrik sinyalinin hesaplamaya ve kullanmaya elverişli olmasıdır. Bir transdüser de aslında bir sensördür. Transdüserler, özellikle fiziksel değişikliklerin ölçümünü yaparlar. Genellikle sensörlerin ve transdüserlerin bir kısmı; basınç ve kuvvet ölçümünde kullanılan gerilim ölçer, ısıl çiftler (termocouple), hız ve akış ölçerlerini içerir. 7

8 Herhangi bir sensör veya trandüser; ölçü aletlerinin kalibrasyon işleminde de kullanılır. Kalibrasyon, ölçülen değişim ve çıkışta dönüştürülen sinyal arasındaki ilişki olarak tanımlanır. Transdüserler ve sensörler iki temel grupta sınıflandırılabilir. Bu da ölçülen sinyalin formuna bağlı olarak analog ve dijital olarak sınıflandırılabilir. Analog sensörler elektrik voltajı gibi sürekli analog sinyaller sağlar. Bu sinyal başta ölçülen fiziksel değişikliğin değerini açıklar. Dijital sensörler (sayılabilen seri pluslar) dijital çıkış sinyalleri sağlar. Bir başka deyişle pareler biçimde dizilmiş parçaların vuruşu ya da seri atışları şeklindedir. Bir başka formda dijital sinyaller değişikliği ölçülmüş olan değerleri belirtir. Dijital sensörlerin son zamanlarda popüler olmasının sebebi, ölçülen büyüklüğün daha hassas ve okuma kolaylığı sağlamasıdır. Buna ek olarak otomasyon işlemlerinin kontrolünde, analoğa nazaran genellikle digital sensörlerin bilgisayarlarla daha uyumlu çalıştığı bilinmektedir. Transdüser ve sensörlerdeki aranan özelliklerden bir kaçını şöyle sıralayabiliriz. Üzerinde sensör ve transdüserler bulunan bir robot Şekil 1 'de görülmektedir. Şekil 1: Üzerinde sensör ve transdüserler bulunan bir robot 8

9 Doğruluk Bir makineden istenen, doğruluk derecesinin yüksek olmasıdır. Doğruluktan kast edilen fiziksel değişikliklere karşı doğru değerin ölçülmesidir. Ölçülen değer ve gerçek değer arasındaki ortalama hatanın en aza ulaşması da denebilir. Hassasiyet Ölçümün, olabildiği kadar hassas olması gerekir. Seri ölçümlerdeki değerlerin hatası minimuma indirilmelidir. İşlem Değeri Alıcı geniş bir işlem değerine, doğruluğa ve giriş değerlerinden daha yüksek bir hassasiyete sahip olmalıdır. Cevap Hızı Ölçülen bir değişmeyi en kısa zamanda cevaplama kapasitesine sahip olmalıdır. Değer Bir alıcı, çabuk değerlendirmelidir. İstenen zamanda ve doğrulukta bir değerlendirmeyi yapıp bitirmelidir. Gerçeklik Bir alıcı, yüksek bir gerçekliğe sahip olmalıdır. 9

10 Robotlar Teknolojisinde Sensörler Robotlardaki sensörler çok geniş alanlarda kullanılırlar. Bunlar genel olarak; Dokunmatik sensörler, 1. Temas Sensörleri 2. Kuvvet Sensörleri Yaklaşım ve oran sensörleri, Muhtelif sensörler ve temel sensör sistemleri, Otomatik görme sistemleri. olarak gruplandırılırlar. Dokunmatik Sensörler Dokunmatik sensörler bazı katı cisimlerin ve bunların kendileri arasındaki bağlantıyı gösteren cihazlardır. Bu sensörleri iki sınıfa ayırabiliriz: Bunlar temas ve kuvvet sensörleridir. Temas sensörleri, cisimler arasında oluşan veya oluşmayan bağlantıları ikili çıkış sinyalleri olarak verir. Kuvvet sensörleri (Bazen gerilim sensörleri olarak da adlandırılır) sadece cisimler arasındaki bağlantı kuvvetinin büyüklüğünü de gösterir. 1. Temas Sensörleri Temas sensörleri bağlantı kuvvetinin büyüklüğüne bakmaksızın iki cisim arasındaki bağlantının olup olmadığını göstermekte kullanılır. Bu kategoride limit anahtarlar gibi basit cihazlar, mikro anahtarlar vb. yer alır. Temas sensörleri periyodik olarak robotların kenetlenme sistemlerinde kullanılır. Örneğin konveyörler boyunca bir noktanın hızlanmasının gösterilmesinde kullanılabilir. Şekil 2 de temas sensörleri bulunan bir robot sistemi görülmektedir. 10

11 Şekil 2: Temas sensörleri bulunan bir robot sistemi Temasla algılamanın kullanıldığı bir başka yer de, malzeme yüzeyini araştırma kontrolleridir. Serbestlik derecesi 6 olan bir robot parça yüzeylerine ulaşabilme kapasitesine sahiptir. Üç eksenli koordinatlarda makine ölçümleri zordur. Şekil 3 de tezgah üstü bir robotun resmi görülmektedir. Şekil 3: Tezgah üstü bir robota ait resim 11

12 2. Kuvvet Sensörleri Ölçülebilen kuvvet kapasitesi robota yaptırılan görev sayısının izin verdiği kadardır. Bu kapasite değişik ebatlardaki maddelerin kullanılması, makine yüklenmesi, işlerin kurulması, uygun seviyede kuvvet uygulanması gibi şeyler içerir. Robotlarda kuvvet algılanması birçok yoldan sağlanabilir. Genel olarak kullanılan teknik, kuvvet algılama krankpini tekniğidir. Bu, bilek ve kavrayıcı arasına monte edilmiş bir yük hücresinden oluşur. Başka bir teknik ise her bir bağlantıda oluşan momentlerin ölçülmesi tekniğidir. Bu genellikle bütün motor bağlantılarındaki motor akımlarının algılanması ile sağlanır. Yaklaşım ve Oran Sensörleri Yaklaşım sensörleri bir cisim diğer bir cismi kapattığı zaman devreye girer. Cismin nasıl kapatıldığını inceler ve onun kendine has çalışmasını sağlar. Algılama mesafesi birkaç milimetre ile cm arasında olabilir. Bu sensörlerin bazıları cisim ile sensörler arsındaki uzaklığı ölçer. Bunlara da oran sensörleri adı verilir. Yaklaşım ve oran sensörleri robotun hareketli bölümleri olan el ve son etkileyicilere yerleştirilmiştir. Robotlarda yaklaşım sensörlerinin pratikte bir kullanımı ise, iş parçası veya diğer cisimlerin varlığını veya yokluğunu tespit etmekte kullanılır. Oran sensörleri robotlarla ilişkili olan cismin konumunu belirlemede kullanılır. İleri teknoloji yaklaşım ve oran sensörlerinin yapımı için uygundur. Bunlar; optik malzemeler, akustik, elektriksel alan ve diğerleridir. Optik yaklaştırıcı, görünür ve görünmez ışık kaynaklarının kullanılması için dizayn edilir. Kızıl ötesi ışın alıcıları aktif veya pasif olabilir. Aktif alıcılar, dışarıya kızıl ötesi bir ışık gönderir ve ışığı ana hedefe doğru 12

13 yöneltir. Mor ötesi ışık yansıtıcı sensörleri, ticari olarak kullanılan ve beyaz ışık saçan ışık kaynaklarında kullanılır. Bu araç sadece hazır olan bölümü göstermek için değil, aynı zamanda bölümün yerini göstermekte de kullanılır. Bu sistem lokomotif ve güvenlik sistemlerinde de kullanılmaktadır. Pasif kızıl ötesi alıcılar, çok basit araçlar olup etrafta radyasyonun olup olmadığını araştırır. Bu araç güvenlik sistemlerinde vücut ısısına göre hareket eder. Bu sensörler, binalardaki çok geniş alanlarda etkilidir. 13