Hmatový senzor: 3 důležité faktory s ním související

by

Zdroj obrázku: Richard Greenhill a Hugo Elias ze společnosti Shadow Robot Company, Stínová ruční žárovka velká, CC BY-SA 3.0

Předmět diskuse: Hmatový senzor a jeho funkce

Typy robotického senzoru

Co je to robotický senzor?

Robot interaguje se svým prostředím pomocí různých senzorů, které měří fyzikální veličiny. Senzory fungují na principu transdukce, kde se energie transformuje z jednoho typu na druhý. Řídicí jednotka zpracovává snímaná data, aby umožnila akci robota. Senzory také monitorují stav robota.

hmatový senzor
Senzory v typickém robotickém rameni kredit obrázku: pixabay

Klasifikace robotického senzoru

První typ klasifikace je následující: -

  • Proprioceptivní (PC): Senzory, které robotovi poskytují „pocit sebe sama“. Měří interně hodnoty systému robota, například úhel kloubu, polohu kola, stav baterie atd.
  • Exteroceptivní (EC): Senzory, které poskytují informace o vnějším stavu, například pozorování prostředí a objektů v něm.

Druhý typ klasifikace je následující: -

  • Aktivní (A): Senzory, které pracují vyzařováním energie, například na základě radaru.
  • Pesach (P): Senzory, které přijímají energii pasivně, například kamera.

Následují typy senzorů založené na typickém použití: -

třída

Hmatový senzor a jeho funkce

Co znamená „hmatový“?

  • Něco, co je navrženo tak, aby bylo vnímáno hmatem.
  • Něco je vnímatelné dotykem nebo zjevně hmatatelné.
  • Něco, co souvisí s hmatem.
  • Je synonymem hmatatelné, dotykové, dotykové, hmatatelné, haptické, skutečné, taktické, fyzické, podstatné, vizuální a texturové.

Co je to hmatový senzor?

Na základě fyzického kontaktu s prostředím měří hmatový senzor informace. Architektura dotykového senzoru je odvozena z biologického snímání kožního dotyku, které dokáže detekovat pocity vyplývající z různých mechanických stimulací, teplot a bolesti (i když snímání bolesti je u umělého hmatového senzoru trochu neobvyklé). V robotice, bezpečnostních systémech a počítačovém hardwaru se používají hmatové senzory.

SynTouch BioTac
Bio-taktilní senzor v lidské paži protetický; Zdroj obrázku: anonymní, SynTouch BioTac, CC BY 3.0

Vize se často prosazuje jako možná nejvýznamnější lidská smyslová modalita, která podceňuje roli dotyku. Ztráta schopností poskytovaných hmatem samozřejmě povede ke devastujícím poruchám držení těla, pohybu a funkce končetin, získávání vlastností objektů a obecně k jakémukoli fyzickému kontaktu s prostředím.

Psychofyzikální experiment odhalil, že lidské haptické dotyky jsou bohaté na textury, tvary, tvrdost a teplotu pro interakce, objevování, manipulaci a extrakci vlastností objektu. Nesčetné typy receptorů, například mechanoreceptor (tlak a vibrace), termoreceptor (teplota) a nociceptor (bolest a poškození) registrují tyto informace distribuované s proměnnou hustotou působící na tělo a umístěné v různých oblastech kůže.

Lidské ruce mají výjimečně vysokou hustotu mechanoreceptorů, což je jedna z nejpokročilejších oblastí těla, která poskytuje přesnou hmatovou zpětnou vazbu.

Toto pole pokročilo od roku 1970 a minimální začlenění těchto systémů do robotů, ačkoli hmatové snímání bylo během předčasného věku automatizace poměrně ignorováno. Ve srovnání s tím byl v 1980. letech zaznamenán významný vývoj technologie hmatových senzorů, následovaný poklesem výrobních nákladů.

Pokroku bylo dosaženo v materiálech senzorů, konstrukčních a výrobních technologiích a v metodách transdukce pro začlenění do různých robotických platforem. V tomto období byly klíčovými technologiemi hmatového snímání vyvinuty různé typy, jako jsou kapacitní, piezoelektrické, piezoelektrické, magnetické, indukční, optické a tenzometry, které umožňují efektivní výrobu konkrétních zařízení pro tvar, texturu, sílu a teplotu objektu detekce.

Technologie zapojené do hmatového snímání

Technologie hmatových senzorů jsou definovány transdukcí používanou ke správnému překladu podnětů z vnějšího světa do inteligentního zařízení. Tento typ senzorů používaných v robotice je zaměřen na metody kapacitní, piezorezistivní, optické, magnetické, binární a piezoelektrické transdukce uvedené v následujících částech.

Kapacitní senzory

Měřením variace kapacity od aplikovaného zatížení přes kondenzátor typu paralelní desky se dotykové senzory soustředily na kapacitní transdukční práci. Kapacitance je připojena k podobné deskové kondenzátorové separaci a poli, které používá elastomerní separátor k zajištění vynucení. Kapacitní snímače lze vyrábět v drobných velikostech, což umožňuje jejich konstrukci a zabudování do malých prostor, jako jsou dlaně a konečky prstů, do hustých polí. Pokud jde o lepší citlivost, stabilitu driftu, méně teplotní citlivost, malou spotřebu energie a snímání přirozené nebo tangenciální síly, tato technologie také poskytuje různé výhody. Významná hystereze je jedním z méně omezení.

Piezorezistivní senzory

Při použití síly tato metoda transdukce testuje změny odporu dotyku. Piezorezistivní senzory jsou obvykle vyráběny nebo vyrobeny z piezorezistivního inkoustu ve vodivé gumě a opatřeny razítkem. Pokud na senzor nepůsobí žádný kontakt nebo napětí, vytvoří se maximální hodnota odporu. Naopak, odolnost proti dotyku klesá se zvýšeným tlakem nebo stresem. Její rozsáhlý dynamický rozsah, odolnost, slušná tolerance přetížení, ekonomicky srovnatelná cena a výrobní kapacita v malých velikostech jsou výhody této technologie. Nevýhody zahrnují snížené prostorové rozlišení, složitost kabeláže více komponent senzorů jednotlivě, citlivost na drift a hysterezi.

Optické senzory

Pomocí nejmodernějších kamerových senzorů fungují optické senzory převodem mechanického dotyku, tření nebo směrového pohybu na intenzitu světla nebo změny indexu lomu. Nevýhodou je, že je třeba zahrnout světelné zářiče a detektory (např. Pole CCD), což má za následek zvětšení velikosti.

Magnetické senzory

Díky použití Hallova jevu, magnetorezistivních nebo magnetoelastických senzorů tato technologie funguje tak, že detekuje změny magnetického toku způsobené aplikovanou silou. Senzory Hallova jevu fungují měřením změn napětí produkovaných elektrickým proudem procházejícím vodivým materiálem ponořeným v magnetickém poli. Hallův senzor se používá také k detekci vícesměrného vychýlení umělého vousu. Magnetoréza a magnetoelastické senzory rozpoznávají změny v magnetických polích vyvolané použitím mechanického napětí.

Lepší citlivost, rozsáhlý rozsah, malá hystereze, linearita a robustní charakter jsou různé výhody tohoto typu senzorů. Jsou však citliví na magnetické rušení a hluk. Fyzická velikost snímacího systému a potřeba pracovat v nemagnetickém prostředí omezují použití.

Binární senzory

Kontaktní spínač schopný detekovat diskrétní událost zapnutí / vypnutí vyvolanou detekovanými mechanickými kontakty. Jednoduchost konstrukce a vývoje tohoto typu senzoru umožnila jeho začlenění do široké škály robotických systémů. Lze vytvořit kontaktní zařízení, která jdou nad rámec nezbytného binárního kódu. Hlavní nevýhodou této technologie senzoru je nedostatek rozlišení omezující aplikace na problémy, jako je detekce dotyku nebo kolize.

Piezoelektrické senzory

Elektrický náboj úměrný použité síle, tlaku nebo deformaci je generován piezoelektrickými senzory. Klíčovými nevýhodami této snímací technologie jsou omezení dynamických měření a teplotní náchylnost. Kvůli jejich vyšší citlivosti, vysokofrekvenční. reakce a různé typy podle aplikací, jako jsou plasty, krystaly, keramika a polyvinylidenfluoridy, jsou ideální pro měření vibrací a běžně se používají (PVDF).

Hydraulické senzory

Jedná se o druh aktuátoru, který přeměňuje tlak kapaliny na mechanický pohyb a používá se v hydraulické technologii. Současné průmyslové a lékařské aplikace potřebují pro detekci stresu a měření síly mikroskopické servomechanismy na bázi hydrauliky, označované jako mikroaktory. Mikrohydraulické konstrukce byly navrženy tak, aby vyráběly přesný a robustní snímač průtoku s nízkou spotřebou. Tento senzor, který je složen z biomimetického vlasového systému, umožňuje převést tok na hydraulický tlak a poskytuje širokou škálu měření a vysokou citlivost.

Na základě technologie snímání mikrohydrauliky, pole snímačů síly, v blízkosti stupnice prstů člověka, můžeme dosáhnout vyšší citlivosti. Tyto levné silové snímače vyrobené technikou stereo-litografie poskytují robustní dotyková data a vysoké prostorové rozlišení, vhodné pro snímání podobné pokožce.

Kritéria návrhu hmatového senzoru

Lidská ruka je dobrým příkladem designu se širokou škálou senzorů, které podporují různé dotykové formy. Bylo by žádoucí dosáhnout umělého designu, který by napodoboval lidskou ruku. Standardní pokyny pro vytváření hmatových senzorů, které předložili Dargahi a Najarian (2004), s ohledem na omezení a možnosti senzorů, jsou shrnuty níže: 

design

Pozoruhodný Aplikace hmatového senzoru

Vývoj robustních, flexibilních a adaptabilních robotů ke studiu vnímání a bezpečné interakce s prostředím včetně lidí dal významnou roli různým druhům hmatových senzorů v robotice. To vedlo k neustálému vývoji technologie hmatových senzorů na různých robotických platformách, které se snaží studovat / znovu vytvářet vnímání od prstů po paže až po trup. Některé pozoruhodné aplikace / práce zahrnující hmatové senzory jsou uvedeny níže:

  • Použití robotických špiček prstů vybavených piezoelektrickými hmatovými senzory k rozpoznávání vlastností objektů, jako je struktura, tvar a tvrdost, při provádění postupů, jako je tlačení, klouzání, mačkání atd.
  • Design protetických rukou s hmatovými senzory napodobujícími přirozený pohyb a detekující kontakt.
  • iCub je dobrým příkladem nového humanoidu, který je vybaven hmatovými senzory na povrchu těla, jako jsou prsty, paže, trup atd., které vyšetřují vnímání a interakci.
iCub
Robot iCub; Zdroj obrázku: Niccolò Caranti, ICub - Festival Economia 2018 2, CC BY-SA 4.0
  • Robot PUMA, který se používá pro vyšetřování přístupů vnímání a řízení, je vybaven plošným hmatovým senzorovým polem pro extrakci hrany a orientace objektu. Tato odrůda využívá hmatové obrazy a geometrický tvar. Související technika zaměřená na geometrické momenty dokázala prozkoumat a identifikovat tvar různých objektů pomocí ramene KUKA s rovinnými hmatovými senzory.
  • Implementace postupných a uzavřených průzkumných postupů pro robustní rozpoznávání objektů byla provedena pomocí hmatových konců prstů robotických rukou s pěti prsty.
  • Integrace hmatových senzorů do biomimetických robotů k pochopení toho, jak hmatové snímání funguje u zvířat. Demonstrace vnímání stimulů, jako je textura, kontaktní vzdálenost, směr a rychlost, pomocí vousatých robotů.
  • Vývoj umělých antén se senzory tlaku a síly pro zkoumání chování mravenců a švábů modelováním kontaktu.
  • Bylo provedeno použití hmatových senzorů v podvodní robotice (umělé vousy napodobující vnímací schopnosti těsnění) k měření rychlosti a pochopení detekce pohybu, úhlu a probuzení tekutiny.

Další zajímavý obsah o robotice klikněte zde.

Také čtení: