Senzori sile i momenta

1. Uvod

Senzori sile i momenta su ključni elementi u robotici jer omogućavaju robotima da detektuju sile koje deluju na njihove delove, što je posebno važno za zadatke koji zahtevaju preciznu interakciju s okruženjem. Ovi senzori omogućavaju robotima da:

✅ Detektuju kontakt sa objektima i prilagode snagu hvata.
✅ Izbegnu preopterećenje i mehanička oštećenja.
✅ Pravilno balansiraju i održavaju stabilnost pri složenim pokretima.
✅ Omoguće napredne strategije u učenju i adaptivnoj kontroli.

Najčešće se koriste u industrijskoj robotici, medicinskoj robotici, autonomnim sistemima i humanoidnim robotima.

2. Princip rada senzora sile i momenta

2.1. Osnovna podela

Senzori sile i momenta mogu se podeliti prema principu rada na:

🔹 Piezoelektrične senzore – Zasnivaju se na svojstvu određenih materijala da generišu električni napon kada su izloženi sili.
🔹 Senzore bazirane na rastezljivim merama (strain gauge) – Mere mikroskopske deformacije u materijalima izazvane silom.
🔹 Kapacitivne senzore – Registruju promenu kapacitivnosti između elektroda kada se materijal deformiše.
🔹 Senzore sile na bazi optičkih vlakana – Detektuju promene u širenju svetlosti usled deformacije vlakna.

2.2. Merenje sile i momenta

Senzori sile i momenta mere:

• Silu u tri ose (Fx, Fy, Fz)

• Moment u tri ose (Mx, My, Mz)

Oni se najčešće ugrađuju u zglobove robota, alatne krajeve (EOAT – End-of-Arm Tooling) ili osnovu robota, gde omogućavaju precizno prilagođavanje pokreta.

3. Tipovi senzora sile i momenta

3.1. Strain Gauge senzori sile

🔹 Koriste otpornike koji menjaju vrednost otpora pri deformaciji materijala.
🔹 Osnovna jedinica je Wheatstoneov most, koji meri male promene otpora i konvertuje ih u električni signal.
🔹 Često se koriste za industrijske robote i medicinske robote zbog preciznosti i otpornosti na vibracije.

📌 Prednosti:
✅ Visoka preciznost
✅ Stabilni signali u industrijskim uslovima
✅ Dug vek trajanja

📌 Nedostaci:
❌ Potrebno je kalibrisanje zbog temperaturnih varijacija

3.2. Piezoelektrični senzori sile

🔹 Koriste materijale kao što su kvarc ili PZT (lead zirconate titanate) koji generišu električni signal kada su podloženi mehaničkoj sili.
🔹 Često se koriste u robotici, biomehanici i instrumentima za merenje vibracija.

📌 Prednosti:
✅ Odlična osjetljivost na dinamičke promene sile
✅ Kompaktna veličina
✅ Brzi odziv

📌 Nedostaci:
❌ Ne mogu meriti statičke sile – samo promene u sili

3.3. Kapacitivni senzori sile

🔹 Bazirani na promeni kapaciteta između elektroda podložnih deformaciji.
🔹 Često se koriste u humanoidnim robotima i kolaborativnim robotima (cobotima).

📌 Prednosti:
✅ Velika osetljivost
✅ Mogu meriti statičke i dinamičke sile
✅ Nizak utrošak energije

📌 Nedostaci:
❌ Mogu biti podložni elektromagnetnim smetnjama

3.4. Optički senzori sile

🔹 Koriste optička vlakna koja menjaju karakteristike prenosa svetlosti u zavisnosti od primenjene sile.
🔹 Nalaze primenu u biomedicini, preciznoj robotici i u merenju mikro-sila.

📌 Prednosti:
✅ Velika preciznost
✅ Otpornost na elektromagnetne smetnje
✅ Mogućnost minijaturizacije

📌 Nedostaci:
❌ Veća cena u odnosu na druge tipove senzora

4. Upotreba senzora sile i momenta u robotici

Senzori sile i momenta imaju široku primenu u robotici, posebno u sledećim oblastima:

4.1. Industrijski roboti

🔹 Kontrola sile pri montaži – Roboti koji sklapaju proizvode koriste senzore sile kako bi osigurali optimalan pritisak prilikom sklapanja delova.
🔹 Zavarivanje i brušenje – Precizna kontrola sile omogućava robotima da ravnomerno primene silu tokom obrade materijala.

4.2. Kolaborativni roboti (Coboti)

🔹 Detekcija sudara – Senzori sile omogućavaju robotima da osete prisustvo ljudi i izbegnu nezgode.
🔹 Upravljanje interakcijama – Coboti koriste senzore sile za bezbednu saradnju s ljudima.

4.3. Medicinska robotika

🔹 Hirurški roboti – Koriste senzore sile za delikatne operacije, omogućavajući lekarima bolju kontrolu.
🔹 Proteze i egzoskeleti – Pomažu pri detekciji sila koje deluju na ljudsko telo i prilagođavanju pokreta.

4.4. Autonomna vozila i istraživački roboti

🔹 Terenski roboti – Koriste senzore sile za detekciju prepreka na nepoznatim terenima.
🔹 Svemirski roboti – U NASA istraživanjima, senzori sile omogućavaju roverima precizno rukovanje predmetima na drugim planetama.

5. Prednosti i izazovi u korišćenju senzora sile i momenta

✅ Prednosti

✔ Omogućavaju robotičkim sistemima veću autonomiju i preciznost
✔ Poboljšavaju bezbednost u radu s ljudima
✔ Omogućavaju napredne metode interakcije s okruženjem

⚠ Izazovi

❌ Zahtevaju složene algoritme obrade podataka
❌ Mogu imati problema s temperaturnim i elektromagnetnim smetnjama
❌ Kalibracija može biti složena i vremenski zahtevna