Введение к работе
Актуальность темы. Мехатронныс и робототехнические системы предназначены для работы в экстремальных условиях, характеризующихся высоким уровнем электромагнитных помех, сильной радиации, взрывоопасностыо, загазованностью, высокими температурами и давлениями. Расширение областей применения роботов, появление новых задач, ставящихся перед ними, с ужесточение условий их эксплуатации, возрастающая интеллектуализация стимулирует оснащение роботов сенсорными системами. Контактные сенсорные системы применяются для очувствления рабочих органов манипуляторов и корпуса, бампера роботов. Они позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды,
1 измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия, определять про-
скальзывание объектов при их удержании захватным устройством. Тактильные сенсоры помимо получения информации о контакте применяются и для определения размеров объектов, например, путем нх ощупывания. Важным требованием, предъявляемым к этим устройствам, является высокая чувствительность, пространственное разрешение, малые габариты, высокая механическая прочность и надежность. В экстремальных условиях особенные требования предъявляются как к робототехнической" системе в целом, так и к датчикам сенсорных систем (особенно, к контактным).
В настоящее время для работсі в экстремальных условиях (особенно при воздействии мощных электромагнитных излучений) хорошо зареко-
' мендовали себя волоконно-оптические информационно-измерительные
системы. Но для их применения в системах очувствления требуется разработка датчиков, вырабатывающих сигнал той же физической природы.
* Механолюминесцентные датчики (МЛД) работают по принципу пря-
мого преобразования механической энергии в энергию оптического излу
чения. Им присущи высокая помехоустойчивость к электромагнитным
воздействиям, высокое быстродействие, сопряжение с волоконно-
оптическими линиями связи, твердотельность, вибростойкость, возмож
ность встраивания в конструкцию и возможность миниатюризации. Ме
ханолюминесцентные датчики с распределенным чувствительным эле
ментом отличаются высоким пространственным разрешением и могут
использоваться для визуализации полей давления и тактильного очувст
вления. Таким образом, отмечаются перспективы повышения эффектив
ности функционирования экстремальных роботов, связанные с примене
нием механолюминесцентных датчиков давления и волоконно-
оптических ЛИНИЙ связи. ______________
С'ПетерСург
ОЭ йЛкт'їЧ
fa_^-т^^—-^—-к^ч
Большой вклад в исследование явления механоліоминесценціш (деформационной люминесценции) внесли отечественные и зарубежные ученые: Осипьян Ю.А., Шмурак С.З., Бредихин СИ., Татмышевский К.В., Meyer К., Chandra В.Р., Zink J.I., Sodomka L., Sage I, и др. Анализ
публикаций показал, что они, в основном, посвящены теоретическим основам механолюмннесценции и экспериментальному исследованию явления. Для разработки механолгомииесцеитных датчиков давления для очувствления экстремальных роботов необходимо разработать математическую модель преобразования и алгоритм обработки выходного оптического сигнала датчика.
Принципиально новым компонентом в структуре системы очувствления является механолюмипесцентный датчик, а передача и вторичное преобразование информационного сигнала датчика реализуется с применением существующих технических средств. Для использования механо-люминесцентного датчика давления для очувствления робототехниче-ских систем необходимо теоретическое и экспериментальное исследование датчика.
Целью работы является разработка и исследование механолгомииесцеитных датчиков давления на основе рекомбипационных люминофоров для систем тактильного очувствления экстремальной робототехники.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-
Анализ применяемых датчиков давления в системах очувствления. Обоснование возможности создания системы контактного очувствления на основе механолюминесцентиого датчика давления. Анализ научных работ, посвященных теоретическим основам механолюмннесценции, экспериментальному исследованию явления.
-
Разработка и исследование математической модели механолюминесцентиого датчика давления на основе люминофора с рекомбинацион-ным типом свечения.
-
Определение зависимостей параметров оптического сигнала датчика от параметров различных входных механических воздействий. Анализ влияния параметров механического воздействия на интенсивность свечения датчика на основе механолюмииофора с рекомбинационкым тином свечения.
-
Исследование зависимости КПД механолюминесцентиого преобразования от параметров дислокационной структуры люминофора и оценка возможности повышения КПД датчика.
-
Разработка алгоритма и программы восстановления параметров механического воздействия по выходному оптическому сигналу МЛД. Проверка адекватности предложенного алгоритма. Разработка структурных схем систем очувствления с применением механолюминесцентиого дат-
чика давлення с сосредоточенным чувствительным элементом для определения параметров удара и с распределенным чувствительным элементом для визуализации полей механических напряжений (реализация тактильного очувствления).
6. Экспериментальное исследование макета мехаиолюминесцентного датчика давления, проверка адекватности разработанной математической модели преобразования датчика и проверка алгоритма обработки выходного сигнала датчика.
Используемые в работе методы исследования основаны на применении теории люминесценции, физической химии кристаллофосфоров, микродинамической теории пластичности, динамике контактного взаимодействия, математического моделирования, а также статистических методов обработки экспериментальных данных.
Научна» новизна исследования заключается в следующем:
-
Разработана математическая модель механооптического преобразования для датчика давления на основе люминофора с рекомбинациониым типом свечения, позволяющая определять выходной оптический сигнал датчика в зависимости от различных входных воздействий,
-
Определены зависимости параметров выходного оптического сигнала от амплитудно-временных параметров входного механического воздействия для механолюминесцентных датчиков с чувствительными элементами из кристаллофосфоров с рекомбинациониым и внутрицентро-вым типом свечения.
-
Определен КПД мехаиолюминесцентного преобразования. Теоретически исследована возможность повышения энергетического выхода датчика, основанная на использовании механолюминофоров с низкой начальной плотностью дислокаций.
-
Разработан адаптивный алгоритм обработки выходного сигнала датчика, позволяющий восстанавливать параметры входного механического воздействия. Алгоритм предназначен для программирования микропроцессорного блока обработки сигнала мехаиолюминесцентного датчика давления для систем очувствления экстремальных роботов,
Практическая ценность работы определяется внедрением и использованием основных положений и рекомендаций, полученных при исследовании, и заключается в следующем:
]. Разработан комплекс программных средств, позволяющих проводить расчет выходного оптического сигнала мехаиолюминесцентного датчика на основе люминофоров с рекомбипационным и внутрицентро-вым типом свечения для систем очувствления экстремальной робототехники.
2. Предложены практические рекомендации к точности определения параметров кинетики дислокационного состояния рекомбинационного люминофора, входящих в математическую модель и оказывающих влияние на интенсивность излучения и энергетический выход датчика,
-
Разработана специализированная программа, реализующая предложенный алгоритм обработки выходного сигнала датчика, которая позволяет в соответствие с потребностями пользователя оптимизировать режим восстановления параметров входного механического воздействия.
-
Разработан я изготовлен механолюминесцентный датчик давления с чувствительным элементом сосредоточенного типа для очувствления экстремальных роботов.
Достоверность и обоснованность научных положений и результатов работы обеспечивается теоретическими доказательствами выдвинутых утверждений, адекватностью реальным процессам используемых моделей, программной реализацией разработанных моделей и алгоритмов и их апробацией, сравнительным анализом результатов экспериментального исследования и теоретических расчетов.
Реализации результатов. Материалы диссертационной работы использовались в госбюджетных НИР «Мехаиолюминесцецтные (светоге-иерационцые) сенсорные элементы для современных информационно-измерительных технологий» (код проекта 06,01.079) научно-технической программы «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» и «Мехшолюминеснентные сенсорные элементы для визуализации полей давления» (код проекта А04-3.20-567) по гранту конкурса 2004 года для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования, находящихся в ведении Федерального агентства по образованию.
Разработанные методики расчета и проектирования, результаты теоретического и экспериментального исследования сенсорных устройств на основе механолюминесцеитпых датчиков давления внедрены в Институте точной механики н вычислительной техники РАН (г, Москва), в научно-производственной фирме «Сигма - Интегрированные Системы» (г. Москва), а также в учебный процесс на кафедре приборостроения и информационно-измерительных технологий ВлГУ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: IV междунар. научн.-техн. конф. «Электропика и информатика», г. Москва, МИЭТ, 2002 г.; IX, X междунар, научи.-техн. конф. «Радиоэлектроника, электротехника я энергетика», г. Москва, МЭИ, 2003, 2004 гг.; XVI междунар, иаучн. конф. «Математические методы в технике и технологиях», г. Ростов-на-Дону, РГАСХМ ГОУ, 2003
г.; Ш междунар. научн.-техн. конф. «Математическое моделирование в
образовании, науке и производстве», г. Тирасполь, 2003 г.; Общерос. на
учн.-техн. конф. «Первые Рдултовские чтения», г. Санкт-Петербург,
БГТУ «Военмех», 2003 г.; IX всерос. научн. конф. студентов-физиков и
молодых учёных, г. Красноярск, КГУ, 2003 г.; V всерос. молодежной
конф. по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и нано-
электронике, г. Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2003 г.; всерос. научн.-практ.
конф. "Актуальные проблемы авиации и космонавтики", г. Красноярск,
КГУ, 2005 г; VII междунар. научн. конф. «Опто-, наноэлектроника, нано-
' технологии и микросистемы», г, Владимир, ВлГУ, 2005 г.; 2"а Interna-
tional Conference "Physics of electronic materials", Kaluga, Russia, 2005;
i( Первой всерос. научн. конф. студентов и аспирантов с междунар. участи-
$ ем "Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы", г. Таган-
рог, ТРТУ, 2005 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 работы, из них б статей в центральных реферируемых журналах и 17 статей в трудах конференций, в том числе международных, подана заявка на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 155 наименований и приложений. Общий объем диссертации 202 страниц, п том числе 184 страницы основного текста, 14 страниц списка литературы, 87 рисунков, 7 таблиц.
Похожие диссертации на Сенсорные устройства очувствления экстремальных роботов на основе механолюминесцентных датчиков давления
