TRADUCTOARE SENZORI ŞI SISTEME SENZORIALE

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 1
TRADUCTOARE SENZORI ŞI SISTEME
SENZORIALE
Robotul, prin specificul său, este un sistem complex ce execută un număr
însemnat de acţiuni impuse într-un mediu de lucru caracterizat printr-o diversitate largă
de parametrii definiţi prin legi mai mult sau mai puţin cunoscute. Altfel spus, un robot
trebuie să execute un număr mare de mişcări în concordanţă cu sarcinile tehnologice
impuse în diverse condiţii determinate de specificul mediului său de operare şi să-şi
modifice corespunzător caracteristicile fncţionale odată cu modificările survenite în
factorii interni sau externi în spaţiul cărora activează. Deci, un sistem robotic trebuie să
fie autoadaptiv, să posede capacitatea de a-şi modifica legile de mişcare în concordanţă
cu modificările mediului.
Realizarea acestui deziderat impune introducerea în orice sistem de conducere a
roboţilor a unor dispozitive speciale, senzori, care să asigure informaţiile primare
privind caracteristicile şi parametrii mediului de operare. Ansamblul acestor
dispozitive şi echipamente, ce oferă robotului o imagine a lumii externe în care
evolueaza şi care permite acestuia să realizeze o comportare adaptivă faţă de orice
modificări interne sau externe, formează sistemul senzorial al robotului.
Complexitatea oricărui echipament senzorial este direct legată de funcţia
tehnologică ce trebuie executată. Pentru un robot destinat unor operaţii de vopsire, o
mişcare corectă va fi realizată numai prin simpla măsurare a parametrtilor traiectoriei
cu senzori sau traductori de deplasare, în timp ce unui robot utilizat în operaţii de
asamblare îi vor fi necesari, în plus, senzori tactili sau sisteme de vedere artificială. Se
poate remarca de asemenea faptul că, în primul caz, sistemul senzorial oferă informaţii
ce reprezintă parametrii intrinseci ai robotului (deplasare, viteză, acceleraţie) în timp ce
în al doilea caz acesta defineşte caracteristicile obiectelor din imediata vecinătate a
spaţiului de operare. Apare, deci, o primă clasificare importantă a acestor sisteme,
siseme pentru identificarea perametrilor interni şi respectivi externi ai robotului.
Capitolul de faţă va studia detaliat aceste două clase mari de sisteme senzoriale
punând accentul atât pe analiza senzorilor utilizaţi în diferite echipamente cât şi pe
dispozitivele de prelucrare primară a informaţiei rezultate şi a algoritmilor specifici ce
permit interpretarea ei.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 2
4.1. Senzori pentru măsurarea parametrilor interni
Orice funcţie tehnlogică impusă unui robot cere executarea unei mişcări după o
traiectorie dată. Obţinerea acestei traiectorii necesită, la rândul ei, cunoaşterea în orice
moment a poziţiei, vitezei şi uneori a acceleraţiei elementelor sistemului mecanic.
Aceste date reprezintă informaţia căii de reacţie a sistemului de conducere şi asigură
corectitudinea realizării traiectoriei programate.
Informaţiile privind poziţia, viteza şi acceleraţia sunt obţinute prin sisteme de
măsurare specifice, desemnate în mod curent sub denumirea de traductoare de poziţie,
viteză şi respectiv acceleraţie. Aceste sisteme nu reprezintă o caracteristică proprie
roboţilor astfel încât metodele de măsurare ca şi dispozitivele respective sunt aceleaşi
ca cele utilizate în comenzile numerice ale maşinilor unelte. Din acest motiv, ele vor fi
denumite în continuare ca traductoare de măsură.
4.1.1. Măsurarea poziţiei
Aceste traductoare convertesc o deplasare a elementelor mobile într-un semnal
electric compatibil cu prelucrări numerice ulterioare. În cele ce urmează vor fi trecute
în revistă principalele traductoare de deplasare utilizate precum şi caracteristicile lor de
bază.
a) Traductoare analogice. Măsurarea analogică a poziţiei este cel mai simplu
sistem de măsurare. În figura 4.1 sunt reprezentate două sisteme, unul pentrru deplasări
liniare iar celălalt pentru deplasări unghiulare.
Conectarea cursorului potenţiometrului la elementul mobil permite măsurarea
unei tensiuni,
Rx
u x u1 kx
(4.1)
R

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 3
u 1
u 1
x
ux
u
1
a
b
Figura 4.1
În mod similar, pentru deplasări unghiulare rezultă,
u k
(4.2)
În general, măsurarea liniară rezistivă nu este indicată. Măsurarea unghiulară
este utilizată datorită simplităţii soluţiei şi preţului de cost foarte mic. Cu toate acestea,
trebuie subliniat faptul că aceste sisteme dau erori mari iar rezoluţia măsurării este
scăzută.
b) Traductoarele numerice. Traductoarele din această categorie convertesc
mărimea măsurată, deplasarea, într-un număr N corespunzător numărului de cuante de
deplasare echivalent cu distanţa parcursă. După modul în care este redat acest mumăr
N se disting două tipuri de traductoare: incrementale la care ultima poziţie atinsă este
obţinută din poziţia precedentă prin cumularea cu numărul de cuante corespunzătoare
deplasării şi absolute în care numărul de cuante este codificat într-un cod adecvat.
Traductoare incrementale liniare. Principiul de funcţionare al acestor
traductoare se bazează pe împărţirea domeniului de măsurare într-un număr de cuante
elementare şi contorizarea acestora simultan cu deplasarea elementului mobil.
Elementul de bază la aceste sisteme este rigla de măsură (fig. 4.2.). Construcţia riglei
de măsură depinde de principiul utilizat. Sunt folosite frecvent două sisteme:
inductosinul liniar sau rigla optică.
Inductosinul liniar este de fapt transpunerea în plan a unui selsin multipolar la
care rotorul este o riglă a cărei lungime trebuie să acopere domeniul de măsurare [61]
iar statorul este un cursor ce se deplasează deasupra riglei. Rigla are o singură
înfăşurare iar cursorul – două înfăşurări, ambele realizate cu acelaşi pas dar decalate cu
p
2k 1 .
2

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 4
u
p
Riglă
7 p
2
Cursor
x
u 1
p
Figura 4.2
u 2
Cele două înfăşurări ale statorului sunt alimentate cu tensiuni de forma:
u U sin t
1
u2 U cost
la ieşire, pe înfăşurarea riglei fiind obţinută tensiunea
x
u U ' sin
t
p
unde x este poziţia relativă între riglă şi cursor în cadrul unui pas. Deci, cota totală se
calculează cu o relaţie de forma,
X
Np 2 x

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 5
F 1
t
F 1
F 3
p / 4
p
F 2
F 4
p / 4
a
Riglă
Figura 4.3
F 2
F 3
F 4
b
t
t
t
Măsurearea poziţiei va fi realizată în două etape, o contorizare a semipaşilor p/2
urmată de o măsurare a fazei semnalului în cadrul unui pas. Considerând o realizare
tehnologică cu pasul p al riglei de ordinul mm, măsurarea fazei determină obţinerea
unei precizii până la ordinul micronilor. Aceste sisteme de măsură au, de asemenea,
avantajul unei deosebite robusteţi tehnologice.
Măsurarea liniară cu rigle optice se bazează pe marcarea paşilor de măsură cu
zone opace şi transparente pe suport (riglă) corespunzător. Un sistem optic adecvat
permite captarea unui semnal electric la fiecare pas parcurs de elementul mobil.
Detecţia primară este realizată de un sistem de fotocelule dispuse după o anumită lege
în jurul unei axe de citire.
În figura 4.3 este prezentat un sistem cu patru fotocelule cu un decalaj egal cu
p , una în raport cu cealaltă. Se obţine astfel o multiplicare a numărului impulsurile
4
realizate la fiecare pas, deci o precizie de patru ori mai ridicată. Mai mult, ţinând cont
de ordinea de formare în timp a semnalelor a două fotocelule vecine se poate construi
un circuit care identifică sensul de deplasare al elementului. În acelaşi timp,
compararea semnalelor provenite de la fotocelule permite eliminarea zgomotelor
parazite determinate fie de perturbaţii externe de natură electrcă, fie datorate vibraţiilor
mecanice ale sistemului [17,61]. Deşi în general creşterea numărului de fotocelule
oferă avantaje privind în special precizia măsurării, aceasta determină în acelaşi timp, o
mărire substanţială a complexităţii echipamentului optic astfel încât se preferă sisteme
cu două sau patru fotocelule.
Pentru interpretarea distanţei măsurate, semnalele furnizate sunt contorizate cel
mult într-un circuit ce constituie interfaţa pentru echipamentul de conducere numeric.
Un astfel de sistem este prezentat în figura 4.4. Elementul principal este un numărător
ce acumulează impulsurile, după o prelucrare prealabilă a acestora într-un amplificator
de putere şi un circuit formator.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 6
CF
A
C
MUX
.
.
.
MT
.
.
.
PROCESOR
4.4
Control
Figura
Valoarea măsurată este stocată într-o memorie tampon după care este captată
într-un procesor numeric ce controlează întregul proces. Trebuie subliniată simplitatea
sistemului de prelucrare numerică, caracteristică ce face ca întotdeauna măsurarea
incrementală să fie preferabilă altor proceduri, în general mai precise dar mult mai
complexe.
Traductoare incrementale unghiulare.
Elementul sensibil la aceste traductoare îl constituie un disc cuantificat, fiecare
increment unghiular măsurabil determinând rezoluţia sistemului. Ca şi în cazul
măsurării liniare şi aici se utilizează două tipuri mai importante de sisteme: cu
inductosin şi cu disc optic.
F 2
F 1
F 1
F 3
F 2
t
t
a
b
Figura 4.5

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 7
Discul optic este un disc de sticlă pe care se imprimă cu acelaşi pas unghiular
zone opace (figura 4.5). Captarea semnalelor se obţine cu un număr de senzori
fotoelectrici dispuşi convenabil. Cea mai utilizată procedură de măsurare conţine doi
2k 1 pentru generarea impulsurilor de numărare şi
senzori decalaţi cu 2
asigurarea protecţiei la citire şi un senzor ce emite un singur semnal, la fiecare rotaţie a
discului, utilizat pentru iniţializarea ciclului de numărare. Circuitul de prelucrare
numeric are aceeaşi structură ca şi cel utilizat la măsurarea liniară (figura 4.4),
fotocelula F 3 servind în plus la contorizarea ciclurilor de rotaţie complete.
În unele sisteme de măsurare, discul optic este înlocuit cu discuri cu contact. Pe
un astfel de disc este dispusă o coroană circulară înmpărţită în zone conductoare şi
izolate. Zonele conductoare sunt legate electric printr-o perie fixă la un inel colector
care serveşte ca punct de alimentare electrică. O perie colectoare explorează coroana
circulară la fiecare rotaţie a discului, la trecerea peste zonele conductoare obţinându-se
semnnale electrice. Cu toate că implică o tehnologie relativ simplă, sistemul este puţin
utilizat datorită uzurii produse în timp, la zonele de contact, de periile aflate în miscare.
Traductoare absolute liniare.
Traductoarele din această categorie sunt construite pe sistem optic şi au ca
element de bază o riglă de măsurare a cărei valori cuantificate sunt exprimate într-un
cod absolut. Codificarea se face în cod binar natural, binar codificat zecimal sau Gray.
Primele două coduri sunt familiare utilizatorilor şi oferă facilităţi în prelucrarea
numerică a mărimilor măsurate în schimb pot determina apariţia unor erori la trecerea
de pe o poziţie pe alta datorită schimbării simultane a mai multor ranguri binare.
Codul Gray elimină acest neajuns dar implică circuite numerice specializate
pentru calculele ulterioare.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 8
P
P 0
P 1
P 2
P 3
F 0
F 1
F 2
F 3
P 0
F 0
P
X N
2
axă citire
P 0
a
F 0
P 1
F 11
F 12
P 1
F 11
F 12
P 2
F 21
F 22
P 2
F 21
p / 2
p / 2
F 22
P 3
F 31
p / 2
axă 1
citire
b
p /
F 32
2
axă 2
citire
P
3
axă 1
citire
F 31
2 2 p / 2
2 1 p / 2
c
2 1 p
/ 2
2 2 p / 2
F 32
axă 2
citire
Figura 4.6
În figura 4.6 este prezentată o riglă absolut codificată în cod binar natural cu
patru piste P 0 , P1
, P2
, P3
, fiecare pistă fiind asociată unui rang binar. Pista P 0 are cea
mai fină marcare şi defineşte rezoluţia sistemului de măsurare. Fiecărei piste i se
atribuie un senzor de citire, o fotocelulă, semnalul furnizat de acesta reprezentând
coeficientul binar al rangului respectiv.
De exemplu, în 4.6, a, cota X măsurată este echivalentă cu,
p
X N
2
unde:
3
2
1
0 3 2 1 0
N F 2 F 2 F 2 F 2 0 2 1
2 0 2 1
2 5
3 2
1
0

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 9
P
3
P
2
P
1
P
0
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
a
axa 1
citire
zonă optimă
citire
zonă optimă
citire
P
3
P
2
P
1
P
0
F
31
F
21
F
11
P
3
P
2
P
1
P
0
0 0 0 0
0 0 0 1
0 0 1 0
0 0 1 1
0 1 0 0
0 1 0 1
0 1 1 0
0 0 0 1
zone optime
pentru citire
F
0
b
axa 2
citire
F
32
F
22
c
F
12
Figura 4.7
Ansamblul locaţiilor senzorilor de pe flecare pistă determină o axă de citire.
Pentru realizarea unei bune citiri a codului riglei se impune o poziţionare
corectă şi riguros centrică a axei de citire în cadrul fiecărui increment de deplasare.
Sistemul discutat se referă la măsurarea poziţiei prin intermediul unei singure axe de
citire. Anumite facilităţi de citire şi în special eliminarea unor erori datorită
poziţionării incorecte a axei de citire sunt obţinute prin utilizarea a două axe de
citire. În mod curent sunt utilizate două metode: metoda dublei testări şi citirea în V.
Cele două metode sunt reprezentate în figurile 4.6 a,b şi c. În metoda dublei
testări cele două axe sunt paralele şi situate la distanţa 2 p . Citirea este realizată
2
după următorul algoritm: dacă fotocelula F 0
citeşte bit 0 pe pista P 0
, atunci
pentru citirea pistelor următoare sunt selectate numai fotocelulele axei 2, iar

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 10
dacă pe pista P 0
se citeşte bit 1 atunci pistele P
1
, P2
, P3
sunt citite prin
fotocelulele axei 1.
Justificarea procedurii poate fi obţinută din figura 4.7,a. În funcţie de bitul
citit pe rangul P
0
se pot identifica două zone optime de citire, în cadrul fiecărei zone
biţii tuturor rangurilor având aceeaşi valoare. Cele două zone sunt axate la o distanţă
egală cu p / 2 faţă de fotocelula F
0
şi sunt distribuite în sensul creşterii valorii
binare, dacă F
0
citeşte 0 şi în sensul descreşterii valorii binare, dacă F
0
citeşte 1.
Citirea în V extinde aceste observaţii prin analiza mai amănunţită a zonelor
optime asociate fiecărui rang binar. Se poate observa că în codurile binare naturale,
pentru flecare bit 0 citit pe rangul i există 2 i1
biţi identici pe rangul i 1
distribuiţi ponderat în sensul creşterii valorii binare, iar pentru flecare bit 1 citit pe
2 i1
rangul i există biţi identici cu pondere în sensul descreşterii valorii binare. În
figura 4.7,b este justificată această observaţie pentru o poziţie arbitrară a
dispozitivului de citire. Citirea bitului 1 pe P 0
determină existenţa a doi biţi
identici 1 pe pista P 1
distribuiţi în sensul descreşterii valorii binare iar aceştia
determină pe P
2
alţi patru biţi identici, biţi 0, în acelaşi sens, pe pista următoare P
3
existând 16 biţi 0 identici ponderat distribuiţi în sensul creşterii valorii binare.
14
15
0
1
14
15
0
1
13
2
13
2
12
3
12
3
11
4
11
4
10
9
8
a
7
6
5
10
Figura 4.8
9
b
8
7
6
5
Din această analiză se poate obţine regula de citire: dacă pe o pistă, fotocelula
activă citeşte bit 0, pe rangul următor este selectată fotocelula axei 2, iar dacă se citeşte
bit 1, pe rangul următor este selectată fotocelula axei 1. Procedura poate fi urmărită pe
exemplul din figura 4.7,c.
Traductoare absolute unghiulare.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 11
Aceste traductoare sunt realizate după acelaşi principiu ca şi traductoarele
liniare, numărul de cuante unghiulare [17,61] corespunzătoare unei anumite poziţii,
unghi, fiind codificat după unul din codurile precizate anterior.
N
unde N, în cele (m+1) ranguri ale unui cod binar natural, are forma
N
m
F 2 F
F
m
m1
1 0
m
12
... F1
2
02
În figura 4.8 sunt prezentate două discuri, unul codificat natural, iar celălalt în
cod Gray.
Fiecare pistă circulară este citită de câte o fotocelulă după aceleaşi proceduri ca
şi în traductoarele liniare. Trebuie subliniat fatul că întrucât ponderea articulaţiilor de
rotaţie este mai mare decât al celor de translaţie [62] în roboţii industriali, aceste
sisteme de măsurare au o foarte largă utilizare.
4.1.2. Măsurarea vitezei
Cunoaşterea vitezei elementelor mobile ale unui robot este un factor extrem de
important în realizarea unei legi de conducere corespunzătoare. După cum se va vedea
în capitolul următor, reglajul după viteză este o parte integrantă din sistemul general de
reglare al robotului.
GT
F
i
T
T
t
t
F
i
GT
t
F
N N
1
1
t
t
T
N
2

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 12
Figura 4.9
Măsurarea vitezei este obţinută plecând de la premiza că această mărime
reprezintă variaţii de distanţă, măsurată la intervale egale de timp. Deci, măsurarea
vitezei se obţine din măsurarea poziţiei.
În mod curent, se utilizează două procedee de calcul a vitezei, ambele derivând
din măsurarea incrementală a poziţiei: se măsoară numărul de impulsuri ce reprezintă
cuantele de deplasare parcurse întrt-un interval de timp dat, sau se poate măsura timpul
necesar pentru obţinerea unui impls de poziţie (increment).
Cele două metode sunt reprezentate în figurile 4.9a si b. În prima procedură, un
generator de tact GT emite semnale periodice de durată T. Viteza este apreciată prin
numărul de impulsuri emise de fotocelula de poziţie în intervalul respectiv. Metoda are
dezavantajul solicitării unui timp T suficient de mare pentrru acumularea nui număr de
impulsuri corespunzător unei precizii dorite ceea ce constituie un inconvenient în
măsurarea vitezelor mici.
A doua metodă (expusă în figura 4.9b) calculează numărul de impulsuri
furnizate de generatorul de tact, de perioadă T, cuprinse pe durata unui semnal al
fotoceelulei F i . Soluţia aceasta reprezintă o metodă mult mai precisă implicând însă
dezavantajul unei depăşiri a sistemului de numărare în cazul sistemelor lente sau dacă,
de exemplu, elementul măsurat este imobil.
F i
+
-
A
CS
V ref
GT
T
CLR
N
CL
R
PROCESOR
bit
depăşire
CC
Figura 4.10

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 13
În figura 4.10 este prezentat un circuit pentru măsurarea vitezei prin contorizarea
numărului de impulsuri ale generatorului de referinţă în intervalul unui impuls emis de
fotocelula sistemului incremental al poziţiei.
Componenta de bază a acestui circuit este un numărător N ce acumulează
impulsurile furnizate de generatorul de tact prin borna C. Funcţia de numărare este
permisă numai dacă semnalul fotocelulei F i amplificat şi sincronizat într-un circuit de
sincronizare CS validează această funcţie la borna CLR. După încheierea operaţiei de
numărare (la sfârşitul intervalului t F , fig. 4.9.b) numărătorul N se blochează iar
conţinutul său este transferat întrtun registru tampun R şi trecut ulterior în procesul de
control. Un circuit de întârziere şi porţi logice suplimentare asigură decalarea în
timp necesară acestor funcţiuni şi logica de transfer. În cazul în care mişcarea este
foarte lentă (sau elementul este imobil), impulsurile acumulate în numărător depăşesc
conţinutul acestuia, un bit de depăşire este generat şi activează circuitul de control CC.
Acesta determină o funcţie de încărcare paralel (activarea bornei L) a unei configuraţii
de intrare particulare, de exemplu vectorul 111...1. Captarea acestui cuvânt de către
procesor va constitui o indicaţie asupra acestei stări particulare a elementului măsurat.
4.2. Senzori pentru măsurarea parametrilor externi
Realizarea unei strategii corecte de conducere, în condiţiile în care robotul intră
în contact nemijlocit cu obiecte externe, impune existenţa unui sistem senzorial
dezvoltat care sa identifice:
1. Prezenţa obiectului la contactul nemijlocit cu robotul (detecţia robotului);
2. Punctele de contact cu obiectul (localizarea obiectului);
3. Caracteristicile punctelor de contact, evaluarea forţelor şi momentelor ce iau
naştere în punctele de contact.
Contactele realizate între elementul terminal al robotului şi obiect pot fi
clasificate în următoarele categorii:
a) contacte într-un punct (sau un număr mic de puncte) care permit aprecierea
poziţiei în raport cu obiectul, forţa de apăsare în punctul respectiv etc, şi care pot
asigura o mişcare dorită în imediata vecinătate a obiectului;
b) contacte realizate simultan într-un număr mare de puncte, un câmp de puncte,
informaţia obţinută fiind suficientă pentru identificarea formei obiectului.
Ţinînd cont de tipul informaţiei obţinută prin contact, senzorii pot fi împărţiţi în:
1) senzorii tactili care redau informaţii privind, în general, proprietăţile
geometrice ale corpurilor;
2) senzori forţă - moment numiţi şi senzori de stres care determină cantitativ
forţele sau momentele exercitate în zonele de contact.
În continuare, vor fi analizate detaliat principalele tipuri de sisteme senzoriale
utilizate insistându-se atât asupra caracteristicilor principale şi performanţelor realizate
cât şi asupra tehnologiei lor de fabricaţie.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 14
4.2.1. Senzori tactili
Sistemele tactile oferă robotului posibilitatea de a palpa, a "pipăi" obiectele. În
principiu, aceşti senzori convertesc deformarea produsă asupra suprafeţei sau punctului
de contact într-un semnal electric.
În figura 4.11 este prezentat un astfel de senzor. Elementul principal îl constitue
un palpator P aflat iniţial într-o poziţie de echilibru menţinută printr-un sistem de
resoarte. Contactul cu suprafaţa unui obiect determină deplasarea palpatorului şi
stabilirea unui contact electric cu bornele de culegere a semnalului electric. Aceste
dispozitive pot detecta apropierea (contactul) cu un obiect fie pe o anumită direcţie
impusă (fig.4.11, a) fie după o direcţie arbitrară (fig. 4.11, b).
+
a
b
Figura 4.11
O clasă aparte de senzori tactili facilitează operaţiile de asamblare. O problemă
specifică acestui gen de operaţii o constituie axarea corectă a elementului terminal în
orificiul de montaj în scopul evitării deteriorării prin asamblare. Operaţiile robotizate
de asamblare se realizează în două moduri: asamblarea prin contact pasiv (mişcare
compliantă pasivă) şi asamblare activă (mişcare compliantă activă) [17,39,62].
În primul tip de asamblare robotul nu detectează şi nu măsoară erorile de
asamblare, elementul terminal al acestuia fiind suficient de elastic pentru a realiza,

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 15
prin deformare proprie, asamblarea. În figura 4.12 este prezentată această asamblare
pasivă. În prima fază robotul se apropie de orificiul de montaj şi datorită dezaxării
iniţiale se produce deformarea terminalului, deformare care permite în final
introducerea corectă în orificiu.
Figura 4.12
Este evident că în acest caz nu este vorba de un sistem senzorial propriu-zis, dar
acest sistem constitue punctul de plecare în dezvoltarea unui senzor specializat. Acest
senzor se bazează pe măsurarea deformării în sistemul de resoarte al terminalului şi
corectarea poziţiei terminalului robotului pînă ce eroarea detectată de senzor se
anulează, deci axele de montaj coincid. Întreaga procedură este desemnată ca
asamblare şi este prezentată în figura 4.13. Se observă deformarea produsă prin forţa F
de contact cu obiectul. Această deformare este măsurată, amplificată şi determină
rotirea terminalului, prin momentul M aplicat, pînă cînd senzorul indică anularea
deformării. Deci, legea de mişcare impusă robotului tinde să anuleze efortul asupra
senzorului sau, folosind o terminologie utilizată din ce în ce mai mult, să elimine
"stresul asupra mîinii". Privit din acest punct de vedere, un astfel de senzor poate fi
considerat totodată şi ca senzor de forţă.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 16
M
F
4.13
Figura
4.2.2. Senzori tactili în reţele matriceale
În sistemele analizate contactul robotului cu obiectul se realizează, în general,
într-un singur punct. Pentru obţinerea unei "imagini" mai complete a obiectului se
impune stabilirea unui contact într-o reţea de puncte, dispuse într-o manieră ordonată,
care să permită o captare şi o interpretare eficientă a semnalelor prelucrate. De fapt
aceste reţele matriceale de senzori tactili caută să imite celulele tactile ale mîinii
omului atît în ceea ce priveşte cantitatea de informaţie captată cât şi modul de
explorare a acesteia. Din acest motiv, anumite sisteme senzoriale de acest tip, realizate
după o anumită tehnologie, sunt desemnate ca "piele artificială".
Tehnologia de realizare a acestor sisteme este extrem de diversificată. Se
utilizează frecvent cauciuc conductor, cauciuc conţinînd particule de carbon, cauciuc
siliconic cu grafit, fibre de carbon, polimeri piezoelectrici etc.
Cerinţele principale impuse acestor tipuri de senzori sunt: greutatea mică,
dimensiuni reduse, constante de timp mici la deformare (revenire rapidă), rezoluţie
înaltă etc.
În cele ce urmează, vor fi expuse detaliat principalele tipuri de reţele senzoriale
tactile utilizate în aplicaţii robotice.
1. Reţele senzoriale electrooptice. Sistemul propus de Hill şi Sword [63] şi
dezvoltat în [139,64] se bazează pe construcţia unei matrici senzoriale realizată din
celule activate prin dispozitive fotoelectrice. Structura unei celule este prezentată în
figura 4.14,a. Elementul sensibil este obţinut prin blocarea sau deblocarea fluxului
luminos emis de sursa S şi captat de fotocelula F. Semnalul fotocelulei este prelucrat
ulterior şi interpretat logic.
O caracteristică deosebită a sistemului este robusteţea acestuia, deplasarea
butonului B prin contactul cu un obiect nu antrenează nici-un element într-o mişcare
mecanică. Această proprietate a permis realizarea unei reţele matriceale de butoane
montate direct pe terminalul robotului, griper. În general, sistemele de acest fel conţin

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 17
reţele de 18 - 30 puncte care pot da şi informaţii asupra formei obiectului, zonei
contactate.
2. Reţele senzoriale de tip rezistiv. Sistemele senzoriale din această categorie se
bazează pe conversia deformării mecanice într-o variaţie a rezistenţei electrice a zonei
limitrofe punctului de contact [39,65]. Configuraţia de bază a unor astfel de sisteme
constă din două reţele paralele de electrozi, dispuse ortogonal una în raport cu cealaltă,
între reţele fiind plasat un material cu rezistenţă variabilă la efort (figura 4.15,a)
B
S
F
a
Figura 4.14
b
Avantajul principal al acestor dispozitive rezidă în simplitatea constructivă a
soluţiei tehnologice, electrozii creînd ei înşişi reţeaua. Numărul de puncte de contact
depinde de densitatea de implementare a electrozilor dar în mod curent se pot obţine
256 - 1000 puncte. Citirea informaţiei conţinută în reţea se realizează prin explorarea
matricei de puncte pe linie şi coloană X i , Yi
şi determinarea rezistenţei punctului
adresat (fig.4.15,b). Propriu-zis aceasta înseamnă alimentarea succesivă la un potenţial
impus a barelor orizontale (fig.4.16). Un comutator electronic X i , de frecvenţă ridicată
comută succesiv potenţialul sursei SA pe barele X i , la fiecare adresă ADR X emisă de
procesor şi stocată în registrul de adresă RA. Pentru o adresare fixă pe barele X i ,
printr-un sistem de multiplexare MUX, sunt captate pe rind ieşirile liniilor verticale
Y i [prin ADR Y]. În general, viteza de explorare a unei reţele cu 256 elemente
senzitive este de circa 1 MHz ceea ce dă o rată de testare a fiecărui punct de 4 kHz,
suficientă pentru aplicaţiile robotice curente.
Materialul utilizat în configuraţia reţelei este realizat în diferite tehnologii:
cauciuc încărcat cu particule de carbon, materiale polimer specifice, elastomeri,
polimeri amestecaţi cu pudră ceramică etc.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 18
electrozi superiori
y
1
y y ...
2
3
x
1
electrozi
inferiori
x
2
material cu rezistenţă
variabilă la apăsare
x
3
Figura 4.15
3. Reţele senzoriale cu fibre de carbon. Principiul de funcţionare al acestor
sisteme senzoriale este tot rezistiv, modificarea rezistenţei unui material impregnat cu
fibre de carbon reprezentînd elementul sensibil al reţelei [166]. Avantajul utilizării
acestor materiale constă în sensibilitatea foarte mare a senzorilor, absenţa zgomotului
în reţea, un histerezis neglijabil etc.
Reţelele de acest tip sunt construite în două variante: structură sandvici şi reţea
cu adresare zonală. Prima variantă este prezentată în figura 4.17,a. Materialul cu fibre
de carbon este comprimat între o placă metalică (pe care se exercită apăsarea) şi o
placă suport izolatoare. Pe această placă sunt dispuse într-o reţea matriceală zone
circulare conductoare, ce servesc pentru captarea semnalului de ieşire. Placa metalică
este conectată la un potenţial electric astfel încît curentul depinde de rezistenţa zonală a
materialului, deci de efortul aplicat. În figura 4.17,b este prezentată caracteristica
generală a sistemului, dependenţa tensiunii u o măsurată pe ieşire în funcţie de
presiunea, efortul exercitat.
În figura 4.18 este prezentat al doilea sistem. Materialul din fibre de carbon este
segmentat pe zone, fiecare zonă puţind fi adresată printr-un decodificator de adresă ce
activează tranzistorul zonei. Circuitul emitorului fiecărui tranzistor se închide prin
zona senzitivă specifică, curentul rezultat putând fi măsurat cu un amplificator de
ieşire.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 19
Y
0
1
Y . . . Y
1
n
X 0
SA
X
1
K
X
2
Adresă X
Adresă Y
MUX
RA
PROCESOR
Data
A +
-
Figura 4.16
U
ref
Sistemul oferă avantajul unei observări precise a zonelor de contact folosind o
tehnică simplă, compatibilă cu o interfaţare numerică către un procesor specializat.
4. Reţele senzoriale magnetorezistive.Tehnologia magnetorezistivă de
implementare a acestor senzori este preferabilă în multe cazuri datorită senzitivităţii
mari a acestor dispozitive, domeniului larg de forţe aplicate, răspunsului liniar la efort,
densităţii de implementare mari etc [67,68].
Elementul sensibil este un material special de tip permalloy [Ni – Fe] care îşi
modifică rezistenţa prin cîmp magnetic. Structura unei celule este prezentată în
fig.4.19,a. Elementul permalloy este montat pe un substrat de Al 2O3
. Deasupra,
elementului şi izolat de acesta prin folii şi straturi de cauciuc se găsesc conductoarele
ce generează cîmpul magnetic H. Întregul element este îmbrăcat în cauciuc. Dacă
elementul este necomprimat, cîmpul magnetic creat în zona elementului permalloy este
slab. Printr-o deformare a celulei, conductorul este adus în imediata vecinătate a
elementului determinînd o creştere a intensităţii cîmpului magnetic în zonă şi, deci, o
modificare a rezistenţei acestuia, liniar cu H.Sistemul de detecţie al semnalelor în reţea
este prezentat în figura 4.19,b.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 20
F
u 0
+E
placă metalică
material cu fibre
de carbon
placă izolatoare
presiune
zonă conductoare
b
+
- u0
a
Figura 4.17

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 21
Adresă
D
+E
u 0
Figura 4.18
Un generator de impulsuri GI asigură prin impulsuri rectangulare de o anumită
frecvenţă excitarea continua a elementelor de permalloy. Curenţii în conductoare sunt
realizaţi de un generator G şi dirijaţi pe fiecare linie printr-un comutator K adresabil.
Rezistenţa fiecărei zone se poate localiza prin selecţia liniei (comutatorul K) şi a
coloanei printr-un multiplexor de ieşire MUX ce identifică o anumită coloană.
Realizarea constructivă a reţelei impune respectarea unor anumite dimensiuni, în
special distanţa dintre conductor şi elementul permalloy apreciată la cca 0,1 - 0,5 mrn.
Densitatea de implementare este suficient de ridicată, reţelele uzuale conţinând 8x8
celule pe o suprafaţă de (25 x 25) mm 2 .

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 22
conducto
GI
folie
separatoare
element
permalloy
cauciuc
substrat Al 2O3
Adresa
G
K
a
Data
0
1
2
MUX
reţea
senzorială
7
V
Z
Figura 4.19
b
5. Reţele senzoriale magnetostrictive. Un material magnetic este magnetostrictiv
dacă cîmpul său magnetic se modifică prin forţe mecanice aplicate pe suprafaţa sa. Un
senzor de acest tip este construit dintr-un material cu proprietăţi magnetice izotrope şi
care sub efectul unor forţe devine anizotrop.
De exemplu, pentru aşa-numita magnetostricţiune pozitivă, o comprimare a
materialului determină o reducere a permeabilităţii pe direcţia efortului şi o creştere pe
direcţia normală. Ca urmare, inducţia magnetică rezultantă îşi va schimba direcţia cu
un unghi , deci un flux indus într-o înfăşurare va determina apariţia unei tensiuni
proporţionale cu forţa aplicată.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 23
F
înfăşurare
primară
înfăşurare
secundară
material
magnetostrictiv
reţea senzorială
-5V
-5V
GI
I
DMUX
AMPL.
DE
CRNT.
-5V
Adresă X Adresă Y MUX
+
-
u
0
Figura 4.20
În figura 4.20,a este prezentat principiul de funcţionare al unui astfel de senzor.
Se remarcă modificarea liniilor de cîmp produse de o înfăşurare primară, deci
modificarea componentelor induse în înfăşurarea secundară [69]. Întreaga reţea
senzorială se poate urmări în figura 4.20,b. Fiecare zonă de contact este reprezentată
prin cele două înfăşurări ortogonale. Localizarea punctului este obţinută prin controlul
alimentării înfăşurărilor primare legate la cîte o linie a matricei şi prin selectarea la

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 24
ieşirea a cîte unei singure coloane, deci captarea semnalului indus de pe o singură
înfăşurare secundară, cea asociată punctului (zonei) adresate. Aceste operaţii sunt
realizate prin două circuite demultiplexor - multiplexor completate de amplificatoare
de curent pe intrare şi ieşire, respectiv.
C 1 x
x
electrod pentru
detecţia pe x
F
C 2 x
y
C 1 y
electrod pentru
detecţia pe y
folie Al
plăci metalice
C 2 y
material piezoelectric
Figura 4.21
Sistemele senzoriale de acest tip îşi găsesc o largă utilizare datorită cîtorva
proprietăţi specifice cum ar fi: durabilitate şi robusteţe datorită absenţei oricăror
elemente în mişcare, sensibilitate redusă în raport cu temperatura, liniaritatea
caracteristicii intrare - ieşire, histerezis redus, senzitivitate mare etc.
O structură similară o au senzorii de tip magnetoelastic [70], funcţionarea lor
fiind bazată tot pe modificările liniilor de cîmp ale unei înfăşurări primare sub efectul
unei forţe aplicate unui material specific (magnetoelastic).
6. Reţele senzoriale piezoelectrice. Senzorii piezoelectrici se bazează pe
formarea, la anumite materiale, a unor sarcini electrice sub efectul unei forţe aplicate
pe suprafaţa materialului. Aceste sarcini sunt rezultatul polarizării dipolilor moleculari
ca urmare a apăsării mecanice. Principiul constructiv al unui astfel de senzor este
reprezentat în figura 4.21.
Materialul piezoelectric este dispus în două straturi, între două tipuri de plăci, o
placă centrală, o folie de aluminiu legată la pămînt (cu rol de electrod) şi două plăci

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 25
metalice cu rezistenţă uniform distribuită, la exterior. Forţa se exercită asupra acestor
plăci şi determină apariţia sarcinilor electrice pe suprafaţa lor. Pentru captarea acestor
sarcini şi localizarea punctului de contact, pe fiecare placă exterioară sunt dispuşi câte
doi electrozi, o pereche permite localizarea pe axa X şi alta pe axa Y. Fiecare electrod
este legat la un amplificator operaţional cu o capacitate pe reacţie.
În funcţie de poziţia punctului de contact pe axa X, capacităţile C1 x , C2x
se vor
încărca cu sarcini diferite. Analog, pe axa Y vor apare încărcări diferenţiale pe C 1 y şi
C 2 y . Măsurarea sarcinilor de pe aceste capacităţi, deci indirect măsurarea tensiunilor
la ieşirea amplificatoarelor, va permite o localizare exactă a contactului mecanic [171].
cauciuc siliconic
folie de acryl
reţea de
fototranzistori
F
ghid de fibre optice
sursă optică
a
Figura 4.22
b
7. Reţele senzoriale cu fototranzistori. Principiul de: funcţionare al acestui
dispozitiv se bazează pe conversia deformării mecanice într-o informaţie optică [62,
72. 73]. În figura 4.22 este prezentată structura de bază a unei reţele de acest tip.
Reţeaua propriu-zisă este o matrice de fototranzistori ce constitue suprafaţa de recepţie
a semnalului optic. Deasupra acestei reţele este montat un strat de material M
transparent, cu indice de refracţie mare, care permite o reflexie internă totală a luminii.
În mod normal se utilizează folii de acryl, material ce conferă proprietăţi de conducţie
internă a luminii practic totale. Deasupra acestui strat se dispune o membrană de
cauciuc siliconic cu o suprafaţă zimţată şi care constitue suprafaţa de contact cu
obiectul palpat.
Pe partea laterală a foliei de acryl se montează o sursă de lumină care poate fi
obţinută şi cu un ghid de fibre optice. Dacă suprafaţa de contact nu este perturbată de
atingerea cu un obiect, reflexia luminii în folie este totală, reţeaua de fototranzistoare
fiind uniform întunecată. În contact cu un obiect, deformarea produsă de membrana
externă determină o deviere a fascicolului luminos şi o zonă a reţelei fotodetectoare
devine mai intens luminată (figura 4.22,b). Localizarea punctului de contact se
obţine prin identificarea fototranzistorului (sau a fototranzistorilor) activaţi.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 26
+E
reţea senzorială
MUX
Data
P
P
P
Adrese linie
Adrese coloană
Figura 4.23
În figura 4.23 este prezentată configuraţia circuitului de control al reţelei.
Fiecare fototranzistor al matricei este selectat prin adrese corespunzătoare pe linie şi
coloană aplicate unui multiplexor şi respectiv unui decodiflcator. Selecţia coloanei se
realizează prin porţile P activate de decodificator. Coloanele neactivate au porţile P cu
ieşire de nivel 0, ceea ce determină punerea la masă a colectorilor tuturor
fototranzistorilor legaţi la coloana respectivă. Coloana activată corespunde porţii P cu
ieşire de nivel logic 1 ceea ce asigură alimentarea coloanei. Selecţia liniei se obţine
prin adresarea multiplexorului de ieşire.
8. Reţete senzoriale cu detecţie tridimensională. Sistemele senzoriale discutate
au abordat problemele identificării plane. În. foarte multe aplicaţii, problema
recunoaşterii formelor obiectelor este o problemă de recunoaştere în cele trei
coordonate X, Y, Z. Existenţa unei a treia coordonate Z pe care să se obţină informaţii
tactile complică sistemul senzorial şl impune tehnologii specifice de implementare a

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 27
senzorilor. Unele din cele mai izbutite reţele senzoriale de acest tip sunt cele introduse
de Page [17] şi dezvoltate ulterior de Sato [174].
Sistemul respectiv este format dintr-o reţea de elemente de tip „palpator” cu
elementul sensibil realizat pe principiu inductiv. În figura 4.24 este prezentat principiul
de funcţionare al acestui element.
u
1
Z
'
u
2
''
u
2
u
2
z
z
0
z
1
z
z
3
2
z
1
z
0
suport
Palpator
x
a
Figura 4.24
obiect
b
Palpatorul poate culisa pe axa Z producînd deplasarea unul miez magnetic şi
modificînd inductanţa înfăşurărilor. Pentru o poziţie de echilibru (nivel Z=0) cele două
' ''
înfăşurări în secundar dau tensiunile u 2 , u 2 în opoziţie de fază. Orice deplasare într-un
sens sau altul determină o anumită decalare a fazelor tensiunilor din secundar.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 28
sferă
elastică
y
f
x
f y
f x
x
palpator
f y
bază
a
cablu
elastic
b
Figura 4.25
Detecţia pe axa Z este combinată cu o detecţie plană pe XY prin utilizarea unei
matrici senzoriale cu 8 x 8 elemente. În figura 4.24,b este reprezentată dispunerea celor
8 elemente senzitive de pe axa X, ele încadrînd conturul obiectului palpat şi definind
concomitent cotele punctelor de contact.
4.2.3. Senzori de forţă
Determinarea forţei de apăsare, de contact, între mâna robotului şi obiect, este o
problemă extrem de importantă în special în operaţiile de asamblare, unde controlul
după forţă, conducerea compliantă, reprezintă o procedură necesară pentru obţinerea
unor performanţe tehnologice corespunzătoare.
Din acest motiv, eforturile întreprinse pentru găsirea unui sistem senzorial
adecvat au fost numeroase, acestea axîndu-se pe măsurarea indirectă a forţei prin
măsurarea efectelor ei asupra unor componente elastice sau ai unor parametri electrici
sau magnetici din circuit. Întrucît conversia forţei în parametri electro-magnetici a fost
discutată la reţelele senzoriale, se va trata în continuare un senzor de forţă bazat pe
măsurarea deformărilor elastice [62,75,17|.
Dispozitivul senzorial este prezentat în figura 4.25. Elementele sensibile sunt
reprezentate de cîteva sfere din materiale de tip elastomer montate între baza
dispozitivului şi un element de contact, palpator. Dimensiunile sistemului sunt astfel
proiectate încît capătul palpatorului, punctul 0 să reprezinte centrul de complianţă al
dispozitivului. În acest fel, o forţă aplicată într-o direcţie determină o deflexie numai
pe direcţia respectivă. Deci, măsurarea deformaţiei respective este o măsură directă a

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 29
forţei sau altfel spus, matricea de transfer ce defineşte legătura între vectorul
deformărilor şi vectorul componentelor forţelor este o matrice diagonală.
De exemplu, considerind un sistem cu patru sfere montate pe axele X,Y (figura
4.25 b) rezultă
k
x 1
0 f x
k
x
2
f x
k
y
3 f y
x
0 k4
f x
O astfel de măsurare este numită decuplată şi este extrem de avantajoasă pentru
calculul numeric ce finalizează măsurarea.
Pentru măsurarea deformărilor se utilizează un sistem electrohidraulic ca cel
prezentat în figura 4.26, sferele sunt pline cu un lichid, circuitul fluidic al fiecărei sfere
fiind controlat de cîte un electroventil EV. Aceste electroventile formează de fapt un
circuit de multiplexare hidraulic controlat printr-un decodificator de adrese D. Un
traductor analogic presiune - curent (P/I) măsoară presiunea creată prin deformare întro
sferă, semnalul respectiv fiind ulterior convertit numeric de un convertor analog -
numeric şi introdus în procesorul de control.
Sistemul, în ansamblu, oferă o serie de avantaje dintre care menţionăm:
simplitatea măsurării, robusteţea dispozitivului, precizie şi sensibilitate ridicată,
integrarea simplă într-un sistem de control numeric etc.

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 30
EV 1
Rezervor
hidraulic
EV 2
CAN
P I
EV 3
sferă
elastică
EV 4
Dispozitiv
sensibil
D
Adrese
PROCESOR
Data
Figurea 4.26
4.2.4. Senzori forţă - moment
Calculul complet al forţelor şi momentelor ce intervin la contactul cu obiectul se
poate obţine prin montarea unui terminal senzitiv ca cel prezentat în figura 4.27
[62,39.17].
Procedura de calcul se bazează pe măsurarea deformărilor
w 1 , w2
,..., w8
produse asupra elementelor respective. Această măsurare se poate realiza
dupsi tehnici piezoelectrice, magnetostrictive, magnetorezistive etc, de tipul celor
discutate mai sus. În funcţie de aceste valori, forţele şi momentele se obţin după o
relaţie de forma,

Traductoare, senzori şi sisteme senzoriale 31
f
f
f
M
M
M
x
y
z
0
k
0
0
0
k
x
y
z
21
61
0
0
k
k
32
0
52
0
k
13
0
0
0
0
k
63
0
0
k
k
34
44
0
0
0
0
0
0
0
0
k
k
k
0
26
36
0
56
0
k
17
0
0
0
0
k
67
w1
0
w2
0
w3
k
38 w4
.
k
48 w5
0
w6
0
w7
w8
w
1
z
M
Z
w
2
w
3
w
4
w
7
w
8
M
Y
y
w
5
w
6
Figura 4.27
M
X
x
În formula de mai sus, k ij sunt coeficienţii matricei de transfer, specifici pentru
fiecare terminal. Configuraţia acestei matrici indică clar faptul că procedura de calcul
este nedecuplată, fiecare componentă de forţă sau moment fiind determintă de cîteva
variabile de deplasare w.
i