Αισθητήρας αφής | Τα χαρακτηριστικά του και 5+ σημαντικές εφαρμογές

Αισθητήρας αφής

Πηγή εικόνας: Richard Greenhill και Hugo Elias της εταιρείας Shadow Robot, Μεγάλη λάμπα σκιάςCC BY-SA 3.0

Το θέμα της συζήτησης: Αισθητήρας αφής και η λειτουργία του

Τύποι αισθητήρα ρομπότ

Τι είναι ο αισθητήρας ρομπότ;

Ένα ρομπότ αλληλεπιδρά με το περιβάλλον του με τη βοήθεια διαφόρων αισθητήρων που μετρούν τις φυσικές ποσότητες. Οι αισθητήρες λειτουργούν βάσει της αρχής της μεταγωγής, όπου η ενέργεια μετατρέπεται από τον ένα τύπο στον άλλο. Ένας ελεγκτής επεξεργάζεται τα αισθητήρια δεδομένα για να επιτρέψει τη δράση από το ρομπότ. Οι αισθητήρες παρακολουθούν επίσης την κατάσταση ενός ρομπότ.

αισθητήρας αφής
Αισθητήρες σε ένα τυπικό ρομποτικό βραχίονα πίστωση εικόνας: pixabay

Ταξινομήσεις του αισθητήρα ρομπότ

Ο πρώτος τύπος ταξινόμησης έχει ως εξής:

  • Ιδιοκτησιακό (PC): Αισθητήρες που παρέχουν μια «αίσθηση του εαυτού» στο ρομπότ. Μετρούν εσωτερικά τις τιμές του συστήματος ρομπότ, για παράδειγμα, γωνία αρθρώσεων, θέση τροχού, επίπεδο μπαταρίας κ.λπ.
  • Εξωληπτική (EC): Αισθητήρες που παρέχουν πληροφορίες σχετικά με την εξωτερική κατάσταση, όπως παρατηρήσεις του περιβάλλοντος και των αντικειμένων σε αυτό.

Ο δεύτερος τύπος ταξινόμησης έχει ως εξής:

  • Ενεργό (Α): Αισθητήρες που λειτουργούν με εκπομπή ενέργειας, για παράδειγμα, με βάση ραντάρ.
  • Πάσχα (Ρ): Αισθητήρες που λαμβάνουν ενέργεια παθητικά παράδειγμα κάμερας.

Ακολουθούν οι τύποι αισθητήρων με βάση την τυπική χρήση:

Αισθητήρας αφής και η λειτουργία του

Τι σημαίνει «αφής»;

  • Κάτι που έχει σχεδιαστεί για να γίνεται αντιληπτό με άγγιγμα.
  • Κάτι γίνεται αντιληπτό με άγγιγμα ή προφανώς έτσι, απτό.
  • Κάτι που συνδέεται με την αίσθηση της αφής.
  • Είναι συνώνυμο με ψηλαφητό, αφής, αφής, απτό, απτικό, πραγματικό, τακτικό, φυσικό, ουσιαστικό, οπτικό και υφή.

Τι είναι ένας αισθητήρας αφής;

Με βάση τη φυσική επαφή με το περιβάλλον, ένας αισθητήρας αφής μετρά πληροφορίες. Η αρχιτεκτονική του αισθητήρα αφής προέρχεται από τη βιολογική αίσθηση της δερματικής αφής που μπορεί να ανιχνεύσει αισθήσεις που προκύπτουν από διάφορες μηχανικές διεγέρσεις, θερμοκρασίες και πόνο (αν και η αίσθηση του πόνου είναι λίγο ασυνήθιστη στον τεχνητό αισθητήρα αφής). Στη ρομποτική, τα συστήματα ασφαλείας και το υλικό του υπολογιστή, χρησιμοποιούνται αισθητήρες αφής.

Αισθητήρας βιοαφής σε προσθετικό ανθρώπινο βραχίονα. Πηγή εικόνας: ανώνυμος, SynTouch BioTacCC-BY 3.0

Η όραση συχνά υποστηρίζεται ως ίσως η πιο σημαντική ανθρώπινη αισθητική ιδιότητα που υποτιμά το ρόλο της αφής. Φυσικά, η απώλεια των δυνατοτήτων που παρέχονται με το άγγιγμα θα οδηγήσει σε καταστροφικές βλάβες στη στάση του σώματος, στην κίνηση και στη λειτουργία των άκρων, στην ανάκτηση ιδιοτήτων αντικειμένου και σε οποιαδήποτε φυσική επαφή με το περιβάλλον γενικά.

Το ψυχοφυσικό πείραμα αποκάλυψε ότι οι ανθρώπινες απτικές πινελιές είναι πλούσιες σε υφές, σχήματα, σκληρότητα και θερμοκρασία για αλληλεπιδράσεις, ανακάλυψη, χειρισμό και εξαγωγή ιδιοτήτων αντικειμένων. Πολυάριθμοι τύποι υποδοχέων, για παράδειγμα μηχανικός υποδοχέας (πίεση και δόνηση), θερμοϋποδοχέας (θερμοκρασία) και nociceptor (πόνος και ζημιά) καταγράφουν αυτές τις πληροφορίες που διανέμονται με μεταβλητή πυκνότητα που δρουν στο σώμα και βρίσκονται στη διαφορετική περιοχή του δέρματος.

Τα ανθρώπινα χέρια έχουν εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα μηχανικών υποδοχέων, μία από τις πιο προηγμένες περιοχές του σώματος για την παροχή ακριβούς απτικής ανάδρασης.

Αυτό το πεδίο έχει εξελιχθεί από τη δεκαετία του 1970 και ελάχιστη ενσωμάτωση αυτών των συστημάτων σε ρομπότ, αν και η αίσθηση αφής αγνοήθηκε συγκριτικά κατά την πρόωρη εποχή του αυτοματισμού. Συγκριτικά, στη δεκαετία του 1980 παρατηρήθηκαν σημαντικές εξελίξεις στην τεχνολογία αισθητήρων αφής, ακολουθούμενες από μείωση του κόστους παραγωγής.

Έχει σημειωθεί πρόοδος στα υλικά αισθητήρων, στις τεχνολογίες σχεδιασμού και κατασκευής και στις μεθόδους μεταγωγής για ενσωμάτωση σε διαφορετικές ρομποτικές πλατφόρμες. Διαφορετικοί τύποι όπως χωρητικοί, πιεζο-ανθεκτικοί, πιεζοηλεκτρικοί, μαγνητικοί, επαγωγικοί, οπτικοί και μετρητές τάσης ήταν οι βασικές τεχνολογίες ανίχνευσης αφής που αναπτύχθηκαν αυτήν την περίοδο, επιτρέποντας την αποτελεσματική παραγωγή συγκεκριμένων συσκευών για το σχήμα, την υφή, τη δύναμη και τη θερμοκρασία του αντικειμένου ανίχνευση.

Τεχνολογίες που εμπλέκονται στο Tactile Sensing

Οι τεχνολογίες αισθητήρων αφής ορίζονται από τη μεταγωγή που χρησιμοποιείται για τη σωστή μετάφραση ερεθισμάτων από τον εξωτερικό κόσμο σε μια έξυπνη συσκευή. Αυτοί οι τύποι αισθητήρων που χρησιμοποιούνται στη ρομποτική εστιάζονται στις μεθόδους χωρητικής, πιεζοηλεκτρικής, οπτικής, μαγνητικής, δυαδικής και πιεζοηλεκτρικής μεταγωγής που αναφέρονται στις ακόλουθες ενότητες.

Χωρητικοί αισθητήρες-

Μετρώντας τη διακύμανση της χωρητικότητας από ένα εφαρμοζόμενο φορτίο σε έναν πυκνωτή παράλληλης πλάκας, οι αισθητήρες αφής επικεντρώνονται σε χωρητική εργασία μεταγωγής. Η χωρητικότητα συνδέεται με έναν παρόμοιο διαχωρισμό και πεδίο πεδίου πυκνωτή, ο οποίος χρησιμοποιεί έναν ελαστομερή διαχωριστή για να εξασφαλίσει την εφαρμογή. Οι χωρητικοί αισθητήρες μπορούν να παραχθούν σε μικρά μεγέθη, επιτρέποντας την κατασκευή και ενσωμάτωσή τους σε μικρούς χώρους, όπως παλάμες και άκρες των δακτύλων, σε πυκνές συστοιχίες. Όσον αφορά την καλύτερη ευαισθησία, τη σταθερότητα μετατόπισης, την ευαισθησία σε χαμηλότερη θερμοκρασία, τις μικρές καταναλώσεις ισχύος και την ανίχνευση φυσικής ή εφαπτομενικής δύναμης, αυτή η τεχνολογία παρέχει επίσης διάφορα πλεονεκτήματα. Η σημαντική υστέρηση είναι ένας από τους λιγότερους περιορισμούς.

Piezoresistive αισθητήρες-

Καθώς εφαρμόζεται δύναμη, αυτή η μέθοδος μεταγωγής ελέγχει αλλαγές στην αντίσταση ενός άγγιγμα. Οι πιεζοηλεκτικοί αισθητήρες συνήθως κατασκευάζονται ή κατασκευάζονται από πιεζοανθεκτικό μελάνι σε αγώγιμο καουτσούκ και σφραγίζονται με μοτίβο. Όταν δεν υπάρχει επαφή ή τάση στον αισθητήρα, θα σχηματιστεί μια μέγιστη τιμή αντίστασης. Αντίθετα, η αντίσταση στην αφή μειώνεται με αυξημένη πίεση ή πίεση. Το εκτεταμένο δυναμικό εύρος, η ανθεκτικότητα, η αξιοπρεπής ανοχή υπερφόρτωσης, η οικονομικά συγκρίσιμη τιμή και η ικανότητα παραγωγής σε μικρά μεγέθη είναι τα οφέλη αυτής της τεχνολογίας. Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν μειωμένη χωρική ανάλυση, την πολυπλοκότητα της καλωδίωσης πολλαπλών εξαρτημάτων αισθητήρων ξεχωριστά, ευαισθησία στην μετατόπιση και υστέρηση.

Οπτικοί αισθητήρες-

Χρησιμοποιώντας υπερσύγχρονους αισθητήρες όρασης, οι οπτικοί αισθητήρες λειτουργούν με μεταγωγή μηχανικής αφής, τριβής ή κατευθυντικής κίνησης σε ένταση φωτός ή διαθλαστικές αλλαγές δείκτη. Ένα μειονέκτημα είναι ότι οι εκπομποί και οι ανιχνευτές φωτός (π.χ. συστοιχίες CCD) πρέπει να συμπεριληφθούν, με αποτέλεσμα αυξημένο μέγεθος.

Μαγνητικοί αισθητήρες-

Μέσω της χρήσης αισθητήρων Hall, μαγνητοανθεκτικών ή μαγνητοελαστικών αισθητήρων, αυτή η τεχνολογία λειτουργεί ανιχνεύοντας αλλαγές στη μαγνητική ροή που προκαλούνται από μια εφαρμοζόμενη δύναμη. Μετρώντας τις διακυμάνσεις της τάσης που παράγεται από ένα ηλεκτρικό ρεύμα που διέρχεται από ένα αγώγιμο υλικό βυθισμένο σε μαγνητικό πεδίο, λειτουργούν αισθητήρες Hall effect. Ο αισθητήρας Hall effect χρησιμοποιείται επίσης για την ανίχνευση της πολυκατευθυντικής παραμόρφωσης ενός τεχνητού ψίθυρου. Η μαγνητοσκόπηση και οι μαγνητοελαστικοί αισθητήρες αναγνωρίζουν αλλαγές στα μαγνητικά πεδία που προκαλούνται από τη χρήση μηχανικής καταπόνησης.

Η καλύτερη ευαισθησία, η εκτεταμένη εμβέλεια, η μικρή υστέρηση, η γραμμικότητα και η στιβαρή φύση είναι διαφορετικά πλεονεκτήματα αυτού του τύπου αισθητήρων. Ωστόσο, είναι ευάλωτα σε μαγνητικές παρεμβολές και θόρυβο. Το φυσικό μέγεθος του συστήματος ανίχνευσης και η ανάγκη εργασίας σε μη μαγνητικά περιβάλλοντα περιορίζουν τις εφαρμογές.

Δυαδικοί αισθητήρες-

Διακόπτης επαφής ικανός να ανιχνεύει διακριτό συμβάν ενεργοποίησης / απενεργοποίησης που ενεργοποιείται από μηχανικές επαφές για ανίχνευση. Η απλότητα του σχεδιασμού και της ανάπτυξης αυτού του τύπου αισθητήρα κατέστησε δυνατή την ενσωμάτωσή του σε ένα ευρύ φάσμα ρομποτικών συστημάτων. Μπορεί να δημιουργηθεί επικοινωνία με συσκευές που υπερβαίνουν έναν απαραίτητο δυαδικό κώδικα. Το κύριο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας αισθητήρων είναι η έλλειψη ανάλυσης, περιορίζοντας τις εφαρμογές σε ζητήματα όπως η ανίχνευση αφής ή σύγκρουσης.

Πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες-

Ένα ηλεκτρικό φορτίο ανάλογο με τη δύναμη, την πίεση ή την παραμόρφωση που δημιουργείται δημιουργείται από πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες. Τα βασικά μειονεκτήματα αυτής της τεχνολογίας ανίχνευσης είναι οι περιορισμοί στις δυναμικές μετρήσεις και την ευαισθησία στη θερμοκρασία. Ωστόσο, λόγω της υψηλότερης ευαισθησίας τους, υψηλή συχνότητα. αποκρίσεις και διάφοροι τύποι σύμφωνα με τις εφαρμογές, όπως πλαστικά, κρύσταλλα, κεραμικά και φθοριούχα πολυβινυλιδένια, είναι ιδανικά για τη μέτρηση κραδασμών και χρησιμοποιούνται συνήθως (PVDF)

Υδραυλικοί αισθητήρες-

Αυτό είναι ένα είδος ενεργοποιητή που μετατρέπει την πίεση του υγρού σε μηχανική κίνηση που χρησιμοποιείται στην υδραυλική τεχνολογία. Οι πρόσφατες βιομηχανικές και ιατρικές εφαρμογές χρειάζονται μικροσκοπικούς σερβομηχανισμούς με υδραυλική βάση, που αναφέρονται ως μικρο-ενεργοποιητές, για την ανίχνευση του στρες και τη μέτρηση της αντοχής. Οι μικροϋδραυλικές κατασκευές έχουν σχεδιαστεί για να παράγουν έναν αισθητήρα χαμηλής ισχύος, ακριβή και ανθεκτικό. Αποτελείται από ένα βιομιμητικό σύστημα που μοιάζει με τα μαλλιά, αυτός ο αισθητήρας επιτρέπει τη μετατροπή της ροής σε υδραυλική πίεση, παρέχοντας ένα ευρύ φάσμα μετρήσεων και υψηλή ευαισθησία.

Με βάση την τεχνολογία ανίχνευσης μικροϋδραυλικών, συστοιχίες αισθητήρων δύναμης, κοντά στην κλίμακα του ανθρώπου, μπορούμε να επιτύχουμε υψηλότερες ευαισθησίες. Κατασκευασμένοι με μια τεχνική στερεοφωνικής λιθογραφίας, αυτοί οι αισθητήρες δύναμης χαμηλού κόστους παρέχουν ισχυρά δεδομένα αφής και υψηλή χωρική ανάλυση, κατάλληλα για ιδανική ανίχνευση όμοια με το δέρμα.

Κριτήρια σχεδιασμού αισθητήρων αφής

Το ανθρώπινο χέρι είναι ένα καλό παράδειγμα σχεδιασμού με ένα ευρύ φάσμα αισθητήρων που υποστηρίζουν διαφορετικές μορφές αφής. Θα ήταν επιθυμητό να επιτευχθεί ένα τεχνητό σχέδιο που να μιμείται το ανθρώπινο χέρι. Οι τυπικές οδηγίες για τη δημιουργία αισθητήρων αφής όπως παρουσιάστηκαν από τους Dargahi και Najarian (2004), λαμβάνοντας υπόψη τους περιορισμούς και τις δυνατότητες των αισθητήρων, συνοψίζονται παρακάτω: 

Αξιοσημείωτος Εφαρμογές του αισθητήρα αφής

Η ανάπτυξη ισχυρών, ευέλικτων και προσαρμόσιμων ρομπότ για τη μελέτη της αντίληψης και της ασφαλούς αλληλεπίδρασης με το περιβάλλον συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων, έδωσε μια θέση σπουδαιότητας στα διάφορα είδη αισθητήρων αφής στη ρομποτική. Αυτό οδήγησε στη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας αισθητήρων αφής σε διάφορες ρομποτικές πλατφόρμες που προσπαθούν να μελετήσουν / αναδημιουργήσουν την αντίληψη που κυμαίνεται από τα δάχτυλα έως τα όπλα έως τον κορμό. Ορισμένες αξιοσημείωτες εφαρμογές / έργα που περιλαμβάνουν αισθητήρες αφής αναφέρονται παρακάτω:

  • Χρήση ρομποτικών δακτύλων με πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες αφής για την αναγνώριση ιδιοτήτων αντικειμένων όπως υφή, σχήμα και σκληρότητα κατά την εκτέλεση διαδικασιών όπως ώθηση, ολίσθηση, συμπίεση κ.λπ.
  • Σχεδιασμός προσθετικών χεριών με αισθητήρες αφής για να μιμείται τη φυσική κίνηση και να ανιχνεύει επαφή.
  • iCub είναι ένα καλό παράδειγμα ενός νέου ανθρωποειδούς που είναι εξοπλισμένο με αισθητήρες αφής στην επιφάνεια του σώματος, όπως δάχτυλα, βραχίονες, κορμός κ.λπ. για να διερευνήσει την αντίληψη και την αλληλεπίδραση.
Ρομπότ iCub; Πηγή εικόνας: Niccolò CarantiICub - Φεστιβάλ Economia 2018 2CC BY-SA 4.0
  • Ρομπότ PUMA, η οποία χρησιμοποιείται για τη διερεύνηση των προσεγγίσεων αντίληψης και ελέγχου, είναι εξοπλισμένη με μια επίπεδη συστοιχία αισθητήρων αφής για την εξαγωγή της ακμής και του προσανατολισμού του αντικειμένου. Αυτές οι ποικιλίες χρησιμοποιούν απτικές εικόνες και γεωμετρική μορφή. Μια σχετική τεχνική, με επίκεντρο τις γεωμετρικές στιγμές, μπόρεσε να εξερευνήσει και να εντοπίσει το σχήμα διαφορετικών αντικειμένων χρησιμοποιώντας ένα βραχίονα KUKA με επίπεδους αφής αισθητήρες.
  • Η υλοποίηση διαδικασιών εξερεύνησης κυλίνδρων και εγκλεισμού για ισχυρή αναγνώριση αντικειμένων έχει πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας αφής δάκτυλα με ρομποτικά χέρια πέντε δακτύλων.
  • Ενσωμάτωση αφής αισθητήρων σε βιομιμητικά ρομπότ για να κατανοήσουν πώς λειτουργεί η αίσθηση αφής στα ζώα. Επίδειξη της αντίληψης του ερεθίσματος όπως υφή, απόσταση επαφής, κατεύθυνση και ταχύτητα χρησιμοποιώντας ρομπότ ψιθυρίσματος.
  • Ανάπτυξη τεχνητών κεραιών με αισθητήρες πίεσης και δύναμης για την εξερεύνηση της συμπεριφοράς των μυρμηγκιών και των κατσαρίδων μέσω μοντελοποίησης της επαφής.
  • Χρησιμοποιήθηκε αισθητήρας αφής σε υποβρύχια ρομποτική (τεχνητά μουστάκια για να μιμηθούν τις αντιληπτικές δυνατότητες των σφραγίδων) για τη μέτρηση της ταχύτητας και την κατανόηση της κίνησης του ρευστού, της γωνίας και της ανίχνευσης αφύπνισης.

Για πιο ενδιαφέρον περιεχόμενο σχετικά με τη ρομποτική, Κάνε κλικ εδώ.

Σχετικά με την Esha Chakraborty

Έχω ένα υπόβαθρο στην Αεροδιαστημική Μηχανική, επί του παρόντος εργάζομαι για την εφαρμογή της Ρομποτικής στην Άμυνα και τη Διαστημική Επιστήμη Βιομηχανία. Είμαι συνεχής μαθητής και το πάθος μου για τις δημιουργικές τέχνες με κάνει να τείνω να σχεδιάζω νέες ιδέες μηχανικής.
Με τα ρομπότ να αντικαθιστούν σχεδόν όλες τις ανθρώπινες ενέργειες στο μέλλον, θέλω να φέρω στους αναγνώστες μου τις θεμελιώδεις πτυχές του θέματος με έναν εύκολο αλλά ενημερωτικό τρόπο. Μου αρέσει επίσης να ενημερώνω ταυτόχρονα τις εξελίξεις στον κλάδο της αεροδιαστημικής.

Συνδεθείτε μαζί μου με το LinkedIn - http://linkedin.com/in/eshachakraborty93

Lambda Geeks