Fonte da imagem: Richard Greenhill e Hugo Elias da Shadow Robot Company, Shadow Hand Bulb grande, CC BY-SA 3.0
O assunto da discussão: sensor tátil e sua função
- Tipos de sensor de robô
- Sensor tátil e as tecnologias envolvidas
- Critérios de projeto do sensor tátil
- Notável Aplicações do sensor tátil
Tipos de sensor de robô
O que é um sensor de robô?
Um robô interage com seu ambiente com a ajuda de vários sensores que medem quantidades físicas. Os sensores funcionam com base no princípio da transdução, onde a energia é transformada de um tipo para outro. Um controlador processa os dados detectados para permitir a ação do robô. Os sensores também monitoram a condição de um robô.
Classificações do sensor do robô
O primeiro tipo de classificação é o seguinte: -
- Proprioceptivo (PC): Sensores que fornecem um 'senso de identidade' ao robô. Eles medem os valores internos do sistema do robô, por exemplo, ângulo da junta, posição da roda, nível da bateria, etc.
- Exteroceptivo (EC): Sensores que fornecem informações sobre o estado externo, como observações do ambiente e dos objetos nele.
O segundo tipo de classificação é o seguinte: -
- Ativo (A): Sensores que funcionam emitindo energia, por exemplo, baseados em radar.
- Páscoa judaica (P): Sensores que recebem energia passivamente, exemplo de câmera.
A seguir estão os tipos de sensores com base no uso típico: -
Sensor tátil e sua função
O que significa 'tátil'?
- Algo que foi projetado para ser percebido pelo toque.
- Algo é perceptível ao toque ou, aparentemente, tangível.
- Algo que está conectado com o sentido do tato.
- É sinônimo de palpável, palpável, tátil, tangível, tátil, real, tátil, físico, substancial, visual e textura.
O que é um sensor tátil?
A partir do contato físico com o meio ambiente, um sensor tátil mede as informações. A arquitetura do sensor de toque é derivada da detecção biológica do toque cutâneo, que pode detectar sensações decorrentes de vários estímulos mecânicos, temperaturas e dor (embora sentir a dor seja um pouco incomum no sensor tátil artificial). Em robótica, sistemas de segurança e hardware de computador, sensores táteis são usados.
A visão é freqüentemente afirmada como talvez a modalidade sensorial humana mais significativa que subestima o papel do toque. Claro, perder as capacidades fornecidas pelo toque levará a prejuízos devastadores na postura, locomoção e função dos membros, recuperação de propriedade do objeto e qualquer contato físico com o ambiente em geral.
Experimentos psicofísicos revelaram que os toques hápticos humanos são ricos em texturas, formas, dureza e temperatura para interações, descoberta, manipulação e extração de propriedades de objetos. Inúmeros tipos de receptores, por exemplo, mecanorreceptor (pressão e vibração), termorreceptor (temperatura) e nociceptor (dor e dano) registram essas informações distribuídas com densidade variável atuadas sobre o corpo e situadas em diferentes áreas da pele.
As mãos humanas têm uma densidade de mecanorreceptores excepcionalmente alta, uma das áreas mais avançadas do corpo para fornecer feedback tátil preciso.
Este campo progrediu desde os anos 1970 e a incorporação mínima desses sistemas em robôs, embora a detecção tátil foi comparativamente ignorada durante a era prematura da automação. Em comparação, desenvolvimentos significativos na tecnologia de sensores táteis foram vistos na década de 1980, seguidos por uma queda nos custos de produção.
Progresso foi feito em materiais de sensores, tecnologias de design e fabricação e nos métodos de transdução para incorporação em diferentes plataformas robóticas. Diferentes tipos como capacitivos, piezo-resistivos, piezoelétricos, magnéticos, indutivos, ópticos e medidores de tensão foram as principais tecnologias de sensoriamento tátil desenvolvidas neste período, permitindo a produção eficiente de dispositivos específicos para a forma, textura, força e temperatura do objeto detecção.
Tecnologias envolvidas em detecção tátil
As tecnologias de sensores táteis são definidas pela transdução usada para traduzir corretamente os estímulos do mundo externo para um dispositivo inteligente. Esses tipos de sensores utilizados em robótica são focados nos métodos de transdução capacitiva, piezoresistiva, óptica, magnética, binária e piezoelétrica listados nas seções a seguir.
Sensores capacitivos-
Ao medir a variação da capacitância de uma carga aplicada sobre um capacitor tipo placa paralela, os sensores táteis centrados na transdução capacitiva funcionam. A capacitância é conectada a uma separação de capacitor de placa semelhante e campo, que usa um separador elastomérico para garantir a aplicação. Os sensores capacitivos podem ser produzidos em tamanhos pequenos, permitindo sua construção e incorporação em pequenos espaços, como palmas e pontas dos dedos, em matrizes densas. Em termos de melhor sensibilidade, estabilidade de deriva, menor sensibilidade à temperatura, pequenos consumos de energia e detecção de força natural ou tangencial, esta tecnologia também oferece várias vantagens. A histerese significativa é uma das menos limitações.
Sensores piezoresistivos-
Conforme a força é aplicada, este método de transdução testa as mudanças na resistência de um toque. Sensores piezoresistivos são geralmente fabricados ou feitos de tinta piezoresistiva em borracha condutiva e estampados com um padrão. Quando nenhum contato ou estresse está agindo no sensor, um valor de resistência máxima será formado. Por outro lado, a resistência ao toque diminui com o aumento da pressão ou estresse. Sua ampla faixa dinâmica, durabilidade, tolerância de sobrecarga decente, preço economicamente comparável e capacidade de produção em tamanhos pequenos são os benefícios desta tecnologia. As desvantagens incluem resolução espacial reduzida, a complexidade do cabeamento de vários componentes do sensor individualmente, sensibilidade a desvios e histerese.
Sensores ópticos-
Usando sensores de visão de última geração, os sensores ópticos funcionam através da transdução de toque mecânico, fricção ou movimento direcional em alterações de intensidade de luz ou índice de refração. Uma desvantagem é que os emissores e detectores de luz (por exemplo, matrizes CCD) precisam ser incluídos, resultando em um tamanho maior.
Sensores magnéticos
Através da utilização de sensores de efeito Hall, magnetorresistivos ou magnetoelásticos, esta tecnologia atua detectando alterações no fluxo magnético causadas por uma força aplicada. Medindo variações na tensão produzida por uma corrente elétrica que passa por um material condutor submerso em um campo magnético, os sensores de efeito Hall funcionam. O sensor de efeito Hall também é utilizado para a detecção da deflexão multidirecional de um bigode artificial. Sensores magnetorretores e magnetoelásticos reconhecem mudanças nos campos magnéticos induzidas pelo uso de tensões mecânicas.
Melhor sensibilidade, amplo alcance, pequena histerese, linearidade e robustez por natureza são as diferentes vantagens deste tipo de sensores. Eles são vulneráveis a interferências magnéticas e ruídos, entretanto. O tamanho físico do sistema de detecção e a necessidade de trabalhar em ambientes não magnéticos restringem as aplicações.
Sensores binários
Chave de contato capaz de detectar eventos discretos de ligar / desligar disparados por contatos mecânicos a serem detectados. A simplicidade de projeto e desenvolvimento deste tipo de sensor tornou possível incorporá-lo a uma extensa gama de sistemas robóticos. Dispositivos de contato que vão além de um código binário necessário podem ser construídos. A principal desvantagem dessa tecnologia de sensor é a falta de resolução, restringindo os aplicativos a problemas como toque ou detecção de colisão.
Sensores piezoelétricos-
Uma carga elétrica proporcional à força, pressão ou deformação aplicada é gerada por sensores piezoelétricos. As principais desvantagens dessa tecnologia de detecção são as limitações nas medições dinâmicas e a suscetibilidade à temperatura. No entanto, por causa de sua sensibilidade mais alta, alta freq. respostas e vários tipos de acordo com as aplicações, tais como fluoretos de plástico, cristal, cerâmica e polivinilideno, eles são ideais para medir vibrações e são comumente usados (PVDF).
Sensores hidráulicos
É uma espécie de atuador que transforma a pressão do fluido em um movimento mecânico, utilizado na tecnologia hidráulica. As aplicações industriais e médicas recentes precisam de servomecanismos microscópicos baseados em hidráulica, conhecidos como microatuadores, para detectar a tensão e medir a resistência. As estruturas micro-hidráulicas foram projetadas para produzir um sensor de fluxo de baixa potência, preciso e robusto. Composto por um sistema biomimético semelhante a um cabelo, este sensor permite que o fluxo seja convertido em pressão hidráulica, proporcionando uma ampla gama de medidas e alta sensibilidade.
Com base na tecnologia de detecção micro-hidráulica, matrizes de sensores de força, perto da escala da ponta do dedo humano, podemos atingir sensibilidades mais altas. Fabricado com uma técnica de estereolitografia, esses sensores de força de baixo custo fornecem dados de toque robustos e alta resolução espacial, ideais para detecção de pele semelhante.
Critérios de projeto do sensor tátil
A mão humana é um belo exemplo de design com uma ampla gama de sensores que suportam diferentes formas de toque. Seria desejável obter um design artificial que pudesse imitar a mão humana. As diretrizes padrão para a criação de sensores táteis apresentadas por Dargahi e Najarian (2004), considerando as limitações e possibilidades dos sensores, são resumidas a seguir:
Notável Aplicações do sensor tátil
O desenvolvimento de robôs robustos, flexíveis e adaptáveis para estudar a percepção e a interação segura com o meio ambiente, incluindo os humanos, deu um lugar de importância aos vários tipos de sensores táteis na robótica. Isso levou ao desenvolvimento contínuo da tecnologia de sensor tátil em diferentes plataformas robóticas que se esforçam para estudar / recriar a percepção que vai desde a ponta dos dedos até os braços e o torso. Algumas aplicações / trabalhos notáveis envolvendo sensores táteis estão listados abaixo:
- Uso de pontas de dedos robóticas equipadas com sensores tácteis piezoelétricos para reconhecer propriedades de objetos como textura, forma e dureza durante a execução de procedimentos como empurrar, deslizar, apertar, etc.
- Projeto de mãos protéticas com sensores táteis para imitar o movimento natural e detectar o contato.
- iCub é um bom exemplo de um novo humanóide equipado com sensores táteis na superfície do corpo, como dedos, braços, torso, etc., para investigar a percepção e a interação.
- Robô PUMA, que é usado para investigação de abordagens de percepção e controle, é equipado com uma matriz de sensor tátil planar para extrair a borda e a orientação do objeto. Esta variedade utiliza imagens táteis e formas geométricas. Uma técnica relacionada, focada em momentos geométricos, foi capaz de explorar e identificar a forma de diferentes objetos usando um braço KUKA com sensores táteis planos.
- A implementação de procedimentos de exploração de rolamento e fechamento para o reconhecimento de objetos robustos foi realizada usando as pontas dos dedos táteis de mãos robóticas de cinco dedos.
- Integração de sensores táteis em robôs biomiméticos para entender como funciona a detecção tátil em animais. Demonstração de percepção de estímulos como textura, distância de contato, direção e velocidade usando robôs com bigodes.
- Desenvolvimento de antenas artificiais com sensores de pressão e força para explorar o comportamento de formigas e baratas por modelagem de contato.
- O uso de sensores táteis em robótica subaquática (bigodes artificiais para imitar as capacidades perceptivas dos selos) para medir a velocidade e entender o movimento do fluido, ângulo e detecção de esteira foi realizado.
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Tenho formação em Engenharia Aeroespacial, atualmente trabalhando na aplicação da Robótica na Indústria de Defesa e na Ciência Espacial. Sou um aprendiz contínuo e minha paixão pelas artes criativas me mantém inclinado a projetar novos conceitos de engenharia.
Com os robôs substituindo quase todas as ações humanas no futuro, gosto de trazer aos meus leitores os aspectos fundamentais do assunto de uma forma fácil, mas informativa. Também gosto de me manter atualizado com os avanços da indústria aeroespacial simultaneamente.
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