Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Kabelový detektor polohy a pohybu v prostoru

Tento článek se vrací k jarnímu veletrhu Sensor+Test 2014 v Norimberku, na kterém byly čtyři produkty vývoje nominovány na ocenění Innovation Prize, která každoročně uděluje organizátor veletrhu, AMA Association for Sensors and Measurement. Jedním z nominovaných výrobků byl zajímavý snímací kabel InKa. Jde vlastně o snímač v podobě kabelu umožňující detekovat polohu a pohyb vlastního kabelu nebo dílu, k němuž je připevněn, v třírozměrném prostoru. Naměřené hodnoty z kabelu jsou vedeny do počítače, který vytváří virtuální model jeho pohybu v prostoru a zobrazuje ho na displeji.

 
Snímací kabel lze použít např. pro dozor nad prováděním ručních prací, pro pořízení prostorového snímku vykonané trasy, pro řízení robotů, jeřábů, bagrů, uplatní se také ve zdravotnictví a v oblasti počítačových her. Kabel je možné výhodně využít u průmyslových endoskopů – na displeji se pak objeví poloha rour nebo průběh dutých vedení.
 
Uchopením kabelu do ruky a jeho pohybem v prostoru je ovládán akční člen, který vykonává stejné pohyby. Pracuje na podobném principu jako třírozměrná počítačová myš. Kabel je jedním koncem pevně uchycen a při pohybu zůstává délka jeho střední osy nezměněna, zatímco na vnější straně je ohybem kabelu prodloužen a zkrácen plášť. Tyto změny jsou detekovány vhodnými senzory a vyhodnocovány.
 
Na obr. 1 je znázorněn princip měření kabelu InKa. Optické senzory jsou umístěny na ohebné fólii s plošnými spoji, která je spirálově navinuta na jádro a tvoří tak snímací plášť kabelu. Při pohybu kabelu se mění odstupy jednotlivých závitů spirály – na jedné straně se od sebe vzdalují a na druhé přibližují. Tyto změny vzdáleností okrajů fólie jsou měřeny optickými senzory, skládajícími se ze světelné diody LED a fotodiody. Ohebná fólie je včetně mezer po celé délce kabelu zaplněna elastickou zalévací hmotou obsahující speciální difuzní látku, která vyvolává měřitelné změny intenzity světla při změně vzdálenosti mezi LED a fotodiodou. Takto jsou detekovány změny vzdálenosti způsobené ohyby kabelu.
 
Provedení využitelné v praxi je poměrně složité. Čím delší je kabel, tím více je zapotřebí snímacích prvků a k tomu příslušné množství přívodů. Inovační idea vynálezce Jense Teicherta spočívá v tom, že signály ze všech senzorů jsou spojeny do jednoduché sběrnice, aby se tak zmenšil počet přívodů na minimum. Ke každému senzoru je připojen miniaturní mikroprocesor s malou spotřebou v provedení SMD (rozměry 3 × 3 × 1 mm), který analogový měřicí signál nejprve digitalizuje a pak převede do sběrnicové podoby.
 
Na obr. 2 je zobrazen ohebný plošný spoj – nahoře je spoj svinut jako snímací plášť kabelu, dole je rozvinut a jsou na něm vidět mikroprocesory, světelné diody a fotodiody tvořící optický senzor. Odstupy snímacích prvků jsou závislé na průměru kabelu a požadované přesnosti. V ukázkovém kabelu předvedeném na veletrhu Sensor+Test byla měřicí vzdálenost 4,7 mm při minimálním poloměru ohybu 10 cm. Stoupání spirály bylo 18,8 mm a celkový průměr snímacího kabelu byl 9,6 mm. Vnitřní dutina pro vedení dalších vodičů měla průměr 5 mm. V tomto ukázkovém snímacím kabelu bylo použito 53 mikroprocesorů na jeden metr, přičemž podle druhu použití jeden mikroprocesor obsluhuje jeden, dva nebo až čtyři optické senzory. Každý mikroprocesor má své zakódované číslo, odpovídající poloze v kabelu, takže údaje ze senzorů lze jednoznačně přiřadit. Délka ukázkového kabelu byla 2 m.
 
Údaje o změnách intenzity světla z LED, detekované fotodiodami, jsou přenášeny sběrnicí do počítače a zpracovávány vhodným programem. Na displeji je pak zobrazen přesný geometrický model z uzlů a pevných spojovacích prvků. Výsledkem je třírozměrný virtuální model snímacího kabelu a jeho polohy v prostoru (obr. 3). Poloměr ohybu kabelu InKa je mechanicky omezován vnějším ochranným pláštěm, což může být např. ocelový oplet nebo spirálová ochranná hadice. Takový kabel má vnější průměr 14,3 mm a hmotnost 400 g na metr. Při použití polyamidové ohebné hadice je průměr pláště 13,3 mm a hmotnost 180 g na metr. Kabel je uvnitř dutý, takže v něm mohou vést další vodiče či optická vlákna pro kameru, popř. do něj lze vložit bowden apod. Kabelový detektor InKa je možné navinout i na jiné kabely nebo pohyblivé hadice (např. pro tankování pohonných hmot), přičemž se vnější průměr zvětší jen o 3 mm.
 
Kratší kabely InKa je možné napájet přímo ze sběrnice USB (5 V), pro delší kabely je vzhledem k velkému počtu LED nutný zvláštní napájecí zdroj. Spotřeba energie závisí nejen na délce, nýbrž též na přesnosti (desetiaž dvanáctibitová digitalizace) a rychlosti čtení změn z mikroprocesorů (50 až 100 Hz).
 
Na webových stránkách firmy TST lze sledovat funkci snímače InKa na videozáznamu (www.tst-inno.de/SAC.html) a seznámit se s četnými možnostmi použití kabelového detektoru v nejrůznějších oblastech průmyslu, ale i ve zdravotnictví a dalších oblastech. Poměrně nová firma TST – Teichert Systemtechnik dostala od sdružení AMA též zvláštní cenu pro mladé firmy, spojenou s bezplatným stánkem na veletrhu Sensor+Test 2014 v Norimberku.
Ing. Jan Hájek
Obr. 1. Princip optického měření kabelového detektoru InKa
Obr. 2. Ohebný plošný spoj kabelového detektoru InKa
Obr. 3. Zpracování dat: vlevo pohyb kabelu v prostoru, vpravo jeho zobrazení na displeji počítače