Czujnik dotykowy: 3 ważne czynniki z nim związane

by

Źródło obrazu: Richard Greenhill i Hugo Elias z Shadow Robot Company, Żarówka Shadow Hand duża, CC BY-SA 3.0

Przedmiot dyskusji: Czujnik dotykowy i jego funkcja

Rodzaje czujników robota

Co to jest czujnik robota?

Robot oddziałuje ze swoim otoczeniem za pomocą różnych czujników, które mierzą wielkości fizyczne. Czujniki działają na zasadzie transdukcji, w której energia jest przekształcana z jednego typu na inny. Kontroler przetwarza wykryte dane, aby umożliwić działanie robota. Czujniki monitorują również stan robota.

czujnik dotykowy
Czujniki w typowym ramieniu robota kredyt obrazu: pixabay

Klasyfikacje czujnika robota

Pierwszy rodzaj klasyfikacji jest następujący: -

  • Proprioceptywny (PC): Czujniki, które zapewniają robotowi „poczucie siebie”. Mierzą wewnętrzne wartości systemu robota, na przykład kąt przegubu, położenie koła, poziom naładowania akumulatora itp.
  • Ekstrocepcja (WE): Czujniki dostarczające informacji o stanie zewnętrznym, takie jak obserwacje otoczenia i znajdujących się w nim obiektów.

Drugi rodzaj klasyfikacji jest następujący: -

  • Aktywny (A): Czujniki, które emitują energię, na przykład radarowe.
  • Pascha (P): Czujniki odbierające energię biernie, przykład kamery.

Poniżej przedstawiono typy czujników oparte na typowym zastosowaniu: -

klasa

Czujnik dotykowy i jego funkcja

Co oznacza „dotyk”?

  • Coś, co ma być postrzegane dotykiem.
  • Coś jest wyczuwalne dotykiem lub podobno namacalne.
  • Coś, co jest związane ze zmysłem dotyku.
  • Jest synonimem namacalnego, dotykalnego, dotykowego, namacalnego, haptycznego, rzeczywistego, dotykowego, fizycznego, substancjalnego, wizualnego i tekstury.

Co to jest czujnik dotykowy?

W oparciu o fizyczny kontakt z otoczeniem czujnik dotykowy mierzy informacje. Architektura czujnika dotykowego wywodzi się z biologicznego odczuwania skórnego dotyku, które może wykrywać odczucia wynikające z różnych stymulacji mechanicznych, temperatury i bólu (chociaż odczuwanie bólu jest nieco rzadkie w przypadku sztucznego czujnika dotykowego). W robotyce, systemach bezpieczeństwa i sprzęcie komputerowym stosuje się czujniki dotykowe.

SynTouch BioTac
Bio-dotykowy czujnik w protezie ludzkiego ramienia; Źródło obrazu: anonimowe, SynTouch BioTac, CC BY 3.0

Wizja jest często uznawana za być może najważniejszą modalność zmysłów człowieka, która nie docenia roli dotyku. Oczywiście utrata możliwości zapewnianych przez dotyk doprowadzi do niszczycielskich upośledzeń postawy, poruszania się i funkcji kończyn, odzyskania własności obiektu i ogólnie każdego fizycznego kontaktu z otoczeniem.

Eksperyment psychofizyczny ujawnił, że dotyk ludzki jest bogaty w tekstury, kształty, twardość i temperaturę do interakcji, odkrywania, manipulacji i wyodrębniania właściwości obiektów. Niezliczone typy receptorów, na przykład mechanoreceptor (ciśnienie i wibracje), termoreceptor (temperatura) i nocyceptor (ból i uszkodzenie) rejestrują tę informację, rozłożoną ze zmienną gęstością działającą na organizm i usytuowaną w różnych obszarach skóry.

Ludzkie dłonie mają wyjątkowo dużą gęstość mechanoreceptorów, jeden z najbardziej zaawansowanych obszarów ciała, zapewniający precyzyjną informację zwrotną dotykową.

Ta dziedzina rozwinęła się od lat siedemdziesiątych XX wieku i do minimalnego włączenia tych systemów do robotów, chociaż wyczuwanie dotykowe było stosunkowo ignorowane w przedwczesnym wieku automatyzacji. Dla porównania, znaczący rozwój technologii czujników dotykowych nastąpił w latach 1970-tych, po czym nastąpił spadek kosztów produkcji.

Poczyniono postępy w materiałach czujników, projektowaniu i technologiach produkcji, a także w metodach transdukcji w celu włączenia ich do różnych platform robotycznych. Różne typy, takie jak czujniki pojemnościowe, piezorezystancyjne, piezoelektryczne, magnetyczne, indukcyjne, optyczne i tensometry, były w tym okresie rozwijane jako kluczowe technologie wykrywania dotykowego, umożliwiające wydajną produkcję poszczególnych urządzeń pod kątem kształtu, tekstury, siły i temperatury obiektu wykrycie.

Technologie związane z wyczuwaniem dotykowym

Technologie czujników dotykowych są definiowane przez transdukcję stosowaną do prawidłowego tłumaczenia bodźców ze świata zewnętrznego na inteligentne urządzenie. Tego typu czujniki wykorzystywane w robotyce koncentrują się na metodach transdukcji pojemnościowej, piezorezystancyjnej, optycznej, magnetycznej, binarnej i piezoelektrycznej, wymienionych w kolejnych rozdziałach.

Czujniki pojemnościowe

Mierząc zmianę pojemności od przyłożonego obciążenia na równoległym kondensatorze płytkowym, czujniki dotykowe skupione są na pracy z transdukcją pojemnościową. Pojemność jest podłączona do podobnej separacji i pola kondensatora płytowego, w którym zastosowano separator elastomerowy, aby zapewnić wymuszenie. Czujniki pojemnościowe mogą być produkowane w małych rozmiarach, co pozwala na ich budowę i umieszczanie w małych przestrzeniach, takich jak dłonie i opuszki palców, w gęste układy. Pod względem lepszej czułości, stabilności dryfu, czułości na mniejszą temperaturę, małego poboru mocy i wyczuwania siły naturalnej lub stycznej, ta technologia zapewnia również różne zalety. Znaczna histereza jest jednym z mniejszych ograniczeń.

Czujniki piezorezystancyjne

Po przyłożeniu siły ta metoda transdukcji bada zmiany oporu dotyku. Czujniki piezorezystancyjne są zwykle produkowane lub wykonane z atramentu piezorezystywnego z przewodzącej gumy i wytłoczone wzorem. Gdy na czujnik nie działa żaden kontakt ani naprężenie, powstaje maksymalna wartość rezystancji. I odwrotnie, odporność na dotyk zmniejsza się wraz ze wzrostem nacisku lub stresu. Szeroki zakres dynamiki, trwałość, przyzwoita tolerancja na przeciążenia, ekonomicznie porównywalna cena i możliwości produkcyjne w niewielkich rozmiarach to zalety tej technologii. Wady obejmują zmniejszoną rozdzielczość przestrzenną, złożoność okablowania wielu elementów czujnika indywidualnie, wrażliwość na dryf i histerezę.

Czujniki optyczne

Wykorzystując najnowocześniejsze czujniki wizyjne, czujniki optyczne działają poprzez przekształcanie mechanicznego dotyku, tarcia lub ruchu kierunkowego na zmiany natężenia światła lub współczynnika załamania światła. Wadą jest konieczność uwzględnienia emiterów światła i detektorów (np. Macierzy CCD), co powoduje zwiększenie rozmiaru.

Czujniki magnetyczne

Dzięki zastosowaniu efektu Halla, czujników magnetorezystywnych lub magnetoelastycznych, technologia ta działa poprzez wykrywanie zmian strumienia magnetycznego spowodowanych przyłożoną siłą. Dzięki pomiarowi zmian napięcia wytwarzanego przez prąd elektryczny przepływający przez przewodzący materiał zanurzony w polu magnetycznym, działają czujniki Halla. Czujnik Halla służy również do wykrywania wielokierunkowego odchylenia sztucznej wąsy. Magnetoreza i czujniki magnetoelastyczne rozpoznają zmiany w polach magnetycznych wywołane użyciem naprężeń mechanicznych.

Lepsza czułość, szeroki zakres, mała histereza, liniowość i wytrzymałość to różne zalety tego typu czujników. Są jednak podatne na zakłócenia magnetyczne i szum. Fizyczny rozmiar systemu czujnikowego i konieczność pracy w środowisku niemagnetycznym ograniczają zastosowania.

Czujniki binarne

Przełącznik stykowy zdolny do wykrywania dyskretnych zdarzeń włączenia / wyłączenia wyzwalanych przez wykrywane styki mechaniczne. Prostota konstrukcji i rozwoju tego typu czujnika umożliwiła włączenie go do szerokiej gamy systemów robotycznych. Można zbudować urządzenia kontaktowe, które wykraczają poza niezbędny kod binarny. Podstawową wadą tej technologii czujników jest brak rozdzielczości, ograniczający aplikacje do problemów, takich jak wykrywanie dotyku lub kolizji.

Czujniki piezoelektryczne

Ładunek elektryczny proporcjonalny do zastosowanej siły, nacisku lub odkształcenia jest generowany przez czujniki piezoelektryczne. Głównymi wadami tej technologii wykrywania są ograniczenia pomiarów dynamicznych i podatność na temperaturę. Jednak ze względu na ich wyższą czułość, wysoka częstotliwość. odpowiedzi i różne typy w zależności od zastosowań, takie jak fluorki tworzyw sztucznych, kryształów, ceramiki i poliwinylidenu, są one idealne do pomiaru drgań i są powszechnie stosowane (PVDF).

Czujniki hydrauliczne

Jest to rodzaj siłownika, który przekształca ciśnienie płynu na ruch mechaniczny stosowany w technologii hydraulicznej. Najnowsze zastosowania przemysłowe i medyczne wymagają hydraulicznych mikroskopijnych serwomechanizmów, zwanych mikroaktywatorami, do wykrywania naprężeń i pomiaru siły. Konstrukcje mikrohydrauliczne zostały zaprojektowane w celu wyprodukowania energooszczędnego, precyzyjnego i solidnego czujnika przepływu. Złożony z biomimetycznego systemu przypominającego włosy, czujnik ten umożliwia przekształcenie przepływu w ciśnienie hydrauliczne, zapewniając szeroki zakres pomiarów i wysoką czułość.

W oparciu o technologię wykrywania mikrohydraulicznego, tablice czujników siły, zbliżone do skali ludzkiej palca, możemy osiągnąć wyższą czułość. Te niedrogie czujniki siły, wykonane techniką stereo-litografii, zapewniają solidne dane dotykowe i wysoką rozdzielczość przestrzenną, dzięki czemu idealnie nadają się do wykrywania na poziomie skóry.

Kryteria projektowe czujnika dotykowego

Ludzka ręka jest doskonałym przykładem projektu z szeroką gamą czujników obsługujących różne formy dotyku. Pożądane byłoby uzyskanie sztucznego projektu, który mógłby naśladować ludzką dłoń. Poniżej podsumowano standardowe wytyczne dotyczące tworzenia czujników dotykowych, przedstawione przez Dargahi i Najarian (2004), z uwzględnieniem ograniczeń i możliwości czujników: 

design

Godny uwagi Zastosowania czujnika dotykowego

Rozwój solidnych, elastycznych i przystosowujących się robotów do badania percepcji i bezpiecznej interakcji ze środowiskiem, w tym z ludźmi, nadał znaczenie różnym rodzajom czujników dotykowych w robotyce. Doprowadziło to do ciągłego rozwoju technologii czujników dotykowych na różnych platformach robotów, które starają się badać / odtwarzać percepcję od czubków palców po ramiona i tułów. Poniżej wymieniono niektóre znaczące zastosowania / prace związane z czujnikami dotykowymi:

  • Korzystanie z robotycznych końcówek palców wyposażonych w piezoelektryczne czujniki dotykowe do rozpoznawania właściwości obiektów, takich jak tekstura, kształt i twardość, podczas wykonywania procedur takich jak popychanie, przesuwanie, ściskanie itp.
  • Projektowanie protez dłoni z czujnikami dotykowymi naśladującymi naturalny ruch i wykrywającymi kontakt.
  • iCub jest doskonałym przykładem nowego humanoida, który jest wyposażony w czujniki dotykowe na powierzchni ciała, takie jak palce, ramiona, tułów itp., aby badać percepcję i interakcję.
iCub
Robot iCub; Źródło pliku: Niccolo Caranti, ICub - Festival Economia 2018 2, CC BY-SA 4.0
  • Robot PUMA, który jest używany do badania percepcji i podejść kontrolnych, jest wyposażony w płaski układ czujników dotykowych do wyodrębniania krawędzi i orientacji obiektu. Odmiany te wykorzystują obrazy dotykowe i formę geometryczną. Dzięki podobnej technice, skoncentrowanej na momentach geometrycznych, można było badać i identyfikować kształt różnych obiektów za pomocą ramienia KUKA z płaskimi czujnikami dotykowymi.
  • Wdrożenie procedur eksploracji toczenia i zamykania w celu solidnego rozpoznawania obiektów przeprowadzono za pomocą dotykowych koniuszków palców robotów o pięciu palcach.
  • Integracja czujników dotykowych z robotami biomimetycznymi w celu zrozumienia, jak działa wyczuwanie dotykowe u zwierząt. Demonstracja percepcji bodźców, takich jak tekstura, odległość kontaktu, kierunek i prędkość przy użyciu robotów z wąsami.
  • Opracowanie sztucznych anten z czujnikami nacisku i siły do ​​badania zachowania mrówek i karaluchów poprzez modelowanie kontaktu.
  • Wykorzystano czujniki dotykowe w robotyce podwodnej (sztuczne wąsy naśladujące percepcyjne zdolności fok) do pomiaru prędkości i zrozumienia ruchu płynu, wykrywania kąta i śladu.

Aby uzyskać bardziej interesujące treści na temat robotyki, kliknij tutaj.

Przeczytaj także: