Tactiele sensor: 3 belangrijke factoren die ermee verband houden

by

Afbeeldingsbron: Richard Greenhill en Hugo Elias van de Shadow Robot Company, Shadow Hand Bulb groot, CC BY-SA 3.0

Het onderwerp van discussie: tactiele sensor en zijn functie

Soorten robotsensor

Wat is een robotsensor?

Een robot communiceert met zijn omgeving met behulp van verschillende sensoren die fysieke grootheden meten. Sensoren werken volgens het principe van transductie, waarbij energie wordt getransformeerd van het ene type naar het andere. Een controller verwerkt de gedetecteerde gegevens om actie van de robot mogelijk te maken. Sensoren monitoren ook de conditie van een robot.

tactiele sensor
Sensoren in een typische robotarm afbeelding tegoed: pixabay

Classificaties van robotsensor

Het eerste type classificatie is als volgt: -

  • Proprioceptief (pc): Sensoren die de robot een 'zelfgevoel' geven. Ze meten interne waarden van het robotsysteem, bijvoorbeeld gewrichtshoek, wielpositie, batterijniveau, enz.
  • Exteroceptief (EC): Sensoren die informatie geven over de uiterlijke toestand, zoals waarnemingen van de omgeving en de objecten daarin.

Het tweede type classificatie is als volgt: -

  • Actief (A): Sensoren die werken door energie uit te zenden, bijvoorbeeld radargebaseerd.
  • Pascha (P): Sensoren die passief energie ontvangen, bijvoorbeeld camera.

Hieronder volgen de soorten sensoren op basis van typisch gebruik: -

klasse

Tactiele sensor en zijn functie

Wat betekent 'tactiel'?

  • Iets dat is ontworpen om door aanraking te worden waargenomen.
  • Iets is voelbaar door aanraking of schijnbaar tastbaar.
  • Iets dat verband houdt met de tastzin.
  • Het is synoniem met voelbaar, tastbaar, tastbaar, tastbaar, haptisch, echt, tactueel, fysiek, substantieel, visueel en textuur.

Wat is een tactiele sensor?

Op basis van fysiek contact met de omgeving meet een tastsensor informatie. De architectuur van de aanraaksensor is afgeleid van de biologische waarneming van huidaanraking die sensaties kan detecteren die voortkomen uit verschillende mechanische stimulaties, temperaturen en pijn (hoewel het waarnemen van pijn een beetje ongebruikelijk is bij kunstmatige tactiele sensoren). In robotica, beveiligingssystemen en computerhardware worden tactiele sensoren gebruikt.

SynTouch BioTac
Bio-tactiele sensor in menselijke armprothese; Afbeeldingsbron: anoniem, SynTouch BioTac, CC BY 3.0

Visie wordt vaak beweerd als misschien wel de meest significante menselijke sensorische modaliteit die de rol van aanraking onderschat. Het verlies van de mogelijkheden die door aanraking worden geboden, zal natuurlijk leiden tot verwoestende beperkingen in houding, voortbeweging en ledemaatfunctie, het ophalen van objecteigenschappen en elk fysiek contact met de omgeving in het algemeen.

Psychofysisch experiment heeft onthuld dat de menselijke haptische aanrakingen rijk zijn aan texturen, vormen, hardheid en temperatuur voor interacties, ontdekking, manipulatie en extractie van objecteigenschappen. Ontelbare soorten receptoren, bijvoorbeeld mechanoreceptor (druk en vibratie), thermoreceptor (temperatuur) en nociceptor (pijn en beschadiging) registreren deze informatie, verdeeld met variabele dichtheid, die op het lichaam inwerkt en zich in de verschillende delen van de huid bevindt.

Menselijke handen hebben een uitzonderlijk hoge mechanoreceptordichtheid, een van de meest geavanceerde delen van het lichaam voor het geven van precieze tactiele feedback.

Dit veld is geëvolueerd vanaf het jaar 1970 en de minimale integratie van deze systemen in robots, hoewel tactiele detectie relatief werd genegeerd tijdens het voorbarige tijdperk van automatisering. Ter vergelijking: in de jaren tachtig waren er belangrijke ontwikkelingen in de tactiele sensortechnologie, gevolgd door een daling van de productiekosten.

Er is vooruitgang geboekt op het gebied van sensormaterialen, ontwerp- en fabricagetechnologieën, en in de transductie-methoden voor integratie in verschillende robotplatforms. Verschillende typen, zoals capacitieve, piëzo-resistieve, piëzo-elektrische, magnetische, inductieve, optische en rekstrookjes waren de belangrijkste tactiele sensortechnologieën die in deze periode werden ontwikkeld, waardoor de efficiënte productie van bepaalde apparaten voor objectvorm, textuur, kracht en temperatuur mogelijk werd detectie.

Technologieën die betrokken zijn bij Tactile Sensing

Tactiele sensortechnologieën worden gedefinieerd door transductie die wordt gebruikt om stimuli van de buitenwereld correct te vertalen naar een intelligent apparaat. Dit type sensor dat in robotica wordt gebruikt, is gericht op de methoden van capacitieve, piëzoresistieve, optische, magnetische, binaire en piëzo-elektrische transductie die in de volgende secties worden vermeld.

Capacitieve sensoren

Door het meten van de capaciteitsvariatie van een toegepaste belasting over een condensator van het parallelle plaattype, concentreren tactiele sensoren zich op capacitieve transductie. De capaciteit is verbonden met een soortgelijke plaatcondensatorscheiding en veld, die een elastomere scheider gebruikt om handhaving te verzekeren. Capacitieve sensoren kunnen in kleine afmetingen worden geproduceerd, waardoor ze in kleine ruimtes, zoals handpalmen en vingertoppen, kunnen worden geconstrueerd en geïntegreerd in dichte arrays. In termen van betere gevoeligheid, driftstabiliteit, gevoeligheid voor lagere temperaturen, laag stroomverbruik en het waarnemen van natuurlijke of tangentiële kracht, biedt deze technologie ook verschillende voordelen. Aanzienlijke hysterese is een van de weinige beperkingen.

Piëzoresistieve sensoren

Terwijl er kracht wordt uitgeoefend, test deze transductiemethode veranderingen in de weerstand van een aanraking. Piëzoresistieve sensoren worden meestal vervaardigd of gemaakt van piëzoresistieve inkt in geleidend rubber en voorzien van een patroon. Als er geen contact of spanning op de sensor inwerkt, wordt een maximale weerstandswaarde gevormd. Omgekeerd neemt de weerstand tegen aanraking af met verhoogde druk of spanning. Zijn uitgebreide dynamische bereik, duurzaamheid, behoorlijke overbelastingstolerantie, economisch vergelijkbare prijs en productiecapaciteit in kleine afmetingen zijn de voordelen van deze technologie. Nadelen zijn onder meer een verminderde ruimtelijke resolutie, de complexiteit van het afzonderlijk bekabelen van meerdere sensorcomponenten, gevoeligheid voor drift en hysterese.

Optische sensoren

Met behulp van ultramoderne vision-sensoren werken optische sensoren door mechanische aanraking, wrijving of gerichte beweging om te zetten in veranderingen in lichtintensiteit of brekingsindex. Een nadeel is dat lichtemitters en detectoren (bijv. CCD-arrays) moeten worden opgenomen, wat resulteert in grotere afmetingen.

Magnetische sensoren

Via het gebruik van Hall-effect, magnetoresistieve of magneto-elastische sensoren, werkt deze technologie door veranderingen in magnetische flux te detecteren die worden veroorzaakt door een uitgeoefende kracht. Door variaties in de spanning te meten die worden geproduceerd door een elektrische stroom die door een geleidend materiaal gaat dat is ondergedompeld in een magnetisch veld, werken Hall-effectsensoren. Hall-effectsensor wordt ook gebruikt voor het detecteren van de multi-directionele afbuiging van een kunstmatige whisker. Magnetoresis en magneto-elastische sensoren herkennen veranderingen in magnetische velden die worden veroorzaakt door het gebruik van mechanische spanning.

Betere gevoeligheid, uitgebreid bereik, kleine hysterese, lineariteit en robuust van aard zijn verschillende voordelen van dit type sensoren. Ze zijn echter kwetsbaar voor magnetische interferentie en ruis. De fysieke grootte van het detectiesysteem en de noodzaak om in niet-magnetische omgevingen te werken, beperken de toepassingen.

Binaire sensoren

Contactschakelaar die in staat is om een ​​discrete aan / uit-gebeurtenis te detecteren die wordt geactiveerd door te detecteren mechanische contacten. De eenvoud van ontwerp en ontwikkeling van dit type sensor heeft het mogelijk gemaakt om het in een uitgebreide reeks robotsystemen te integreren. Contact opnemen met apparaten die verder gaan dan een noodzakelijke binaire code, kunnen worden gebouwd. Het belangrijkste nadeel van deze sensortechnologie is het gebrek aan resolutie, waardoor toepassingen worden beperkt tot zaken als aanraak- of botsingsdetectie.

Piëzo-elektrische sensoren

Een elektrische lading die evenredig is met de uitgeoefende kracht, druk of vervorming, wordt gegenereerd door piëzo-elektrische sensoren. De belangrijkste nadelen van deze detectietechnologie zijn beperkingen op dynamische metingen en temperatuurgevoeligheid. Vanwege hun hogere gevoeligheid, hoge freq. responsen en verschillende soorten per toepassingen, zoals plastic, kristal, keramiek en polyvinylideenfluoriden, ze zijn ideaal voor het meten van trillingen en worden vaak gebruikt (PVDF).

Hydraulische sensoren

Dit is een soort actuator die de druk van vloeistof omzet in een mechanische beweging die wordt gebruikt in de hydraulische technologie. Recente industriële en medische toepassingen hebben op hydraulische gebaseerde microscopische servomechanismen nodig, ook wel microactuatoren genoemd, om spanning te detecteren en sterkte te meten. Microhydraulische constructies zijn ontworpen om een ​​energiezuinige, nauwkeurige en robuuste stroomsensor te produceren. Deze sensor is samengesteld uit een biomimetisch haarachtig systeem en maakt het mogelijk stroming om te zetten in hydraulische druk, wat een breed scala aan metingen en een hoge gevoeligheid oplevert.

Op basis van de microhydraulische sensortechnologie, krachtsensor-arrays, dicht bij de menselijke vingertopschaal, kunnen we hogere gevoeligheden bereiken. Deze goedkope krachtsensoren zijn vervaardigd met een stereolithografietechniek en bieden robuuste aanraakgegevens en een hoge ruimtelijke resolutie, ideaal voor detectie op de huid.

Ontwerpcriteria van tactiele sensor

De menselijke hand is een mooi voorbeeld van een ontwerp met een breed scala aan sensoren die verschillende aanraakvormen ondersteunen. Het zou wenselijk zijn om een ​​kunstmatig ontwerp te verkrijgen dat de menselijke hand kan nabootsen. De standaardrichtlijnen voor het maken van tactiele sensoren zoals gepresenteerd door Dargahi en Najarian (2004), rekening houdend met de beperkingen en mogelijkheden van sensoren, worden hieronder samengevat: 

Design

Opvallend Toepassingen van tactiele sensor

De ontwikkeling van robuuste, flexibele en aanpasbare robots om perceptie en veilige interactie met de omgeving, inclusief de mens, te bestuderen, heeft een belangrijke plaats gegeven aan de verschillende soorten tactiele sensoren in de robotica. Dit heeft geleid tot de voortdurende ontwikkeling van tactiele sensortechnologie in verschillende robotplatforms die ernaar streven perceptie te bestuderen / recreëren, variërend van vingertoppen tot armen tot romp. Enkele opmerkelijke toepassingen / werken met tactiele sensoren worden hieronder vermeld:

  • Gebruik van robotvingertoppen die zijn uitgerust met piëzo-elektrische tastsensoren om objecteigenschappen zoals textuur, vorm en hardheid te herkennen tijdens het uitvoeren van procedures zoals duwen, glijden, knijpen, enz.
  • Ontwerp van prothetische handen met tactiele sensoren om de natuurlijke beweging na te bootsen en contact te detecteren.
  • iCub is een mooi voorbeeld van een nieuwe mensachtige die is uitgerust met tactiele sensoren op lichaamsoppervlak zoals vingers, armen, romp, enz. om perceptie en interactie te onderzoeken.
iCub
iCub-robot; Bron afbeelding: Niccolò Caranti, ICub - Festival Economia 2018 2, CC BY-SA 4.0
  • PUMA-robot, dat wordt gebruikt voor het onderzoeken van perceptie- en controlemethoden, is uitgerust met een planaire tactiele sensorreeks om objectrand en oriëntatie te extraheren. Deze variëteiten maken gebruik van tactiele afbeeldingen en geometrische vormen. Een gerelateerde techniek, gericht op geometrische momenten, was in staat om de vorm van verschillende objecten te onderzoeken en te identificeren met behulp van een KUKA-arm met vlakke tastsensoren.
  • Implementatie van rollende en insluitende verkenningsprocedures voor robuuste objectherkenning is uitgevoerd met behulp van tastbare vingertoppen van vijfvingerige robothanden.
  • Integratie van tactiele sensoren in biomimetische robots om te begrijpen hoe tactiele detectie werkt bij dieren. Demonstratie van prikkelperceptie zoals textuur, contactafstand, richting en snelheid door gebruik te maken van robots met snorharen.
  • Ontwikkeling van kunstmatige antennes met druk- en krachtsensoren om het gedrag van mieren en kakkerlakken te onderzoeken door contact te modelleren.
  • Er is gebruik gemaakt van tactiele sensoren in onderwaterrobotica (kunstmatige snorharen om de perceptuele capaciteiten van zeehonden na te bootsen) om snelheid te meten en om vloeiende beweging, hoek- en zogdetectie te begrijpen.

Voor meer interessante inhoud over robotica, klik hier.

Lees ook: