Sensor táctil: 3 factores importantes relacionados con él

Fuente de la imagen: Richard Greenhill y Hugo Elias de Shadow Robot Company, Bombilla de mano Shadow grandeCC BY-SA 3.0

El tema de discusión: sensor táctil y su función

Tipos de sensor de robot

¿Qué es un sensor de robot?

Un robot interactúa con su entorno con la ayuda de varios sensores que miden cantidades físicas. Los sensores funcionan según el principio de transducción, donde la energía se transforma de un tipo a otro. Un controlador procesa los datos detectados para permitir la acción del robot. Los sensores también monitorean el estado de un robot.

sensor táctil
Sensores en un brazo robótico típico credito de imagen : pixabay

Clasificaciones del sensor de robot

El primer tipo de clasificación es el siguiente: -

  • Propioceptivo (PC): Sensores que proporcionan un "sentido de sí mismo" al robot. Miden valores internos del sistema del robot, por ejemplo, ángulo de articulación, posición de la rueda, nivel de batería, etc.
  • Exteroceptivo (EC): Sensores que brindan información sobre el estado externo, como observaciones del entorno y los objetos en él.

El segundo tipo de clasificación es el siguiente: -

  • Activo (A): Sensores que funcionan emitiendo energía, por ejemplo, basados ​​en radar.
  • Pascua (P): Sensores que reciben energía de forma pasiva, ejemplo de cámara.

Los siguientes son los tipos de sensores basados ​​en el uso típico: -

clase

Sensor táctil y su función

¿Qué significa "táctil"?

  • Algo que está diseñado para ser percibido al tacto.
  • Algo es perceptible al tacto o aparentemente tangible.
  • Algo que está conectado con el sentido del tacto.
  • Es sinónimo de palpable, táctil, táctil, tangible, háptico, real, táctil, físico, sustancial, visual y textura.

¿Qué es un sensor táctil?

Basado en el contacto físico con el medio ambiente, un sensor táctil mide la información. La arquitectura del sensor táctil se deriva de la detección biológica del tacto cutáneo que puede detectar sensaciones que surgen de diversas estimulaciones mecánicas, temperaturas y dolor (aunque sentir el dolor es poco común en el sensor táctil artificial). En robótica, sistemas de seguridad y hardware informático, se utilizan sensores táctiles.

BioTac SynTouch
Sensor bio-táctil en prótesis de brazo humano; Fuente de la imagen: anónimo, BioTac SynTouchCC BY 3.0

A menudo se afirma que la visión es quizás la modalidad sensorial humana más importante que subestima el papel del tacto. Por supuesto, perder las capacidades proporcionadas por el tacto conducirá a devastadores deterioros en la postura, la locomoción y la función de las extremidades, la recuperación de las propiedades del objeto y cualquier contacto físico con el medio ambiente en general.

El experimento psicofísico ha revelado que los toques hápticos humanos son ricos en texturas, formas, dureza y temperatura para interacciones, descubrimiento, manipulación y extracción de propiedades del objeto. Innumerables tipos de receptores, por ejemplo mecanorreceptor (presión y vibración), termorreceptor (temperatura) y nociceptor (dolor y daño) registran esta información distribuida con densidad variable actuada sobre el cuerpo y situada en las distintas zonas de la piel.

Las manos humanas tienen una densidad de mecanorreceptores excepcionalmente alta, una de las áreas más avanzadas del cuerpo para proporcionar una respuesta táctil precisa.

Este campo ha progresado desde la década de 1970 y la mínima incorporación de estos sistemas a los robots, aunque la detección táctil se ignoró comparativamente durante la era prematura de la automatización. En comparación, en la década de 1980 se observaron avances significativos en la tecnología de sensores táctiles, seguidos de una disminución en los costos de producción.

Se ha avanzado en materiales de sensores, tecnologías de diseño y fabricación, y en los métodos de transducción para su incorporación a diferentes plataformas robóticas. Diferentes tipos como capacitivos, piezorresistivos, piezoeléctricos, magnéticos, inductivos, ópticos y galgas extensométricas fueron las tecnologías clave de detección táctil que se desarrollaron en este período, lo que permite la producción eficiente de dispositivos particulares para la forma, textura, fuerza y ​​temperatura de los objetos. detección.

Tecnologías involucradas en la detección táctil

Las tecnologías de sensores táctiles se definen por la transducción utilizada para traducir correctamente los estímulos del mundo externo a un dispositivo inteligente. Este tipo de sensor utilizado en robótica se centra en los métodos de transducción capacitiva, piezorresistiva, óptica, magnética, binaria y piezoeléctrica que se enumeran en las siguientes secciones.

Sensores capacitivos

Al medir la variación de capacitancia de una carga aplicada sobre un capacitor de tipo placa paralela, los sensores táctiles centrados en la transducción capacitiva funcionan. La capacitancia está conectada a un campo y separación de condensadores de placa similar, que utiliza un separador elastomérico para garantizar el cumplimiento. Los sensores capacitivos se pueden producir en tamaños pequeños, lo que permite su construcción e incorporación en espacios pequeños, como palmas y yemas de los dedos, en matrices densas. En términos de mejor sensibilidad, estabilidad a la deriva, sensibilidad a menor temperatura, pequeños consumos de energía y detección de fuerza natural o tangencial, esta tecnología también ofrece varias ventajas. La histéresis significativa es una de las pocas limitaciones.

Sensores piezorresistivos

A medida que se aplica fuerza, este método de transducción prueba los cambios en la resistencia de un toque. Los sensores piezorresistivos generalmente se fabrican o están hechos de tinta piezorresistiva en caucho conductor y estampados con un patrón. Cuando no actúa ningún contacto o tensión sobre el sensor, se formará un valor de resistencia máximo. Por el contrario, la resistencia al tacto disminuye con el aumento de la presión o el estrés. Su amplio rango dinámico, durabilidad, tolerancia decente a la sobrecarga, precio económicamente comparable y capacidad de producción en tamaños diminutos son los beneficios de esta tecnología. Las desventajas incluyen una resolución espacial reducida, la complejidad de cablear varios componentes de sensores individualmente, la sensibilidad a la deriva y la histéresis.

Sensores ópticos

Utilizando sensores de visión de última generación, los sensores ópticos funcionan transduciendo el contacto mecánico, la fricción o el movimiento direccional en cambios de intensidad de luz o índice de refracción. Una desventaja es que es necesario incluir emisores de luz y detectores (por ejemplo, matrices de CCD), lo que aumenta el tamaño.

Sensores magnéticos

Mediante el uso de sensores de efecto Hall, magnetorresistivos o magnetoelásticos, esta tecnología funciona detectando cambios en el flujo magnético causados ​​por una fuerza aplicada. Al medir las variaciones en el voltaje producido por una corriente eléctrica que pasa a través de un material conductor sumergido en un campo magnético, los sensores de efecto Hall funcionan. El sensor de efecto Hall también se utiliza para detectar la desviación multidireccional de un bigote artificial. Los sensores de magnetorresis y magnetoelástico reconocen los cambios en los campos magnéticos inducidos por el uso de tensión mecánica.

Mejor sensibilidad, rango extenso, pequeña histéresis, linealidad y robustez son diferentes ventajas de este tipo de sensores. Sin embargo, son vulnerables a la interferencia magnética y al ruido. El tamaño físico del sistema de detección y la necesidad de trabajar en entornos no magnéticos restringen las aplicaciones.

Sensores binarios

Interruptor de contacto capaz de detectar eventos discretos de encendido / apagado provocados por contactos mecánicos que se van a detectar. La sencillez de diseño y desarrollo de este tipo de sensor ha permitido incorporarlo a una amplia gama de sistemas robóticos. Se pueden construir dispositivos de contacto que van más allá de un código binario necesario. El principal inconveniente de esta tecnología de sensores es la falta de resolución, lo que restringe las aplicaciones a problemas como la detección táctil o de colisiones.

Sensores piezoeléctricos

Los sensores piezoeléctricos generan una carga eléctrica proporcional a la fuerza, presión o deformación aplicada. Las principales desventajas de esta tecnología de detección son las limitaciones en las mediciones dinámicas y la susceptibilidad a la temperatura. Sin embargo, debido a su mayor sensibilidad, las frecuencias altas. respuestas y varios tipos según aplicaciones, como plástico, cristal, cerámica y fluoruros de polivinilideno, son ideales para medir vibraciones y son de uso común (PVDF).

Sensores hidráulicos

Se trata de una especie de actuador que transforma la presión del fluido en un movimiento mecánico que se utiliza en la tecnología hidráulica. Las aplicaciones industriales y médicas recientes necesitan servomecanismos microscópicos de base hidráulica, denominados microactuadores, para detectar la tensión y medir la resistencia. Las estructuras microhidráulicas se han diseñado para producir un sensor de flujo robusto, preciso y de baja potencia. Compuesto por un sistema biomimético similar a un cabello, este sensor permite convertir el flujo en presión hidráulica, proporcionando una amplia gama de medidas y una alta sensibilidad.

Basándonos en la tecnología de detección de microhidráulica, matrices de sensores de fuerza, cerca de la escala de la punta del dedo humano, podemos alcanzar sensibilidades más altas. Fabricados con una técnica de estereolitografía, estos sensores de fuerza de bajo costo brindan datos táctiles robustos y alta resolución espacial, ideales para la detección de piel similar.

Criterios de diseño del sensor táctil

La mano humana es un buen ejemplo de un diseño con una amplia gama de sensores que admiten diferentes formas táctiles. Sería deseable lograr un diseño artificial que pueda imitar la mano humana. Las pautas estándar para la creación de sensores táctiles presentadas por Dargahi y Najarian (2004), considerando las limitaciones y posibilidades de los sensores, se resumen a continuación: 

personalizable

Notable Aplicaciones del sensor táctil

El desarrollo de robots robustos, flexibles y adaptables para estudiar la percepción y la interacción segura con el entorno, incluidos los humanos, ha dado un lugar de importancia a los diversos tipos de sensores táctiles en robótica. Esto ha llevado al desarrollo continuo de la tecnología de sensores táctiles en diferentes plataformas robóticas que se esfuerzan por estudiar / recrear la percepción que va desde la punta de los dedos hasta los brazos y el torso. Algunas aplicaciones / trabajos notables que involucran sensores táctiles se enumeran a continuación:

  • Uso de la punta de los dedos robóticos equipados con sensores táctiles piezoeléctricos para reconocer las propiedades del objeto como textura, forma y dureza mientras se realizan procedimientos como empujar, deslizar, apretar, etc.
  • Diseño de manos protésicas con sensores táctiles para imitar el movimiento natural y detectar el contacto.
  • iCub es un buen ejemplo de un nuevo humanoide que está equipado con sensores táctiles en la superficie del cuerpo como dedos, brazos, torso, etc. para investigar la percepción y la interacción.
iCub
Robot iCub; Fuente de imagen: Nicolás CarantiICub - Festival Economia 2018 2CC BY-SA 4.0
  • Robot PUMA, que se utiliza para la investigación de enfoques de percepción y control, está equipado con una matriz de sensores táctiles planos para extraer el borde y la orientación del objeto. Estas variedades utilizan imágenes táctiles y formas geométricas. Una técnica relacionada, centrada en momentos geométricos, fue capaz de explorar e identificar la forma de diferentes objetos utilizando un brazo KUKA con sensores táctiles planos.
  • La implementación de procedimientos de exploración rodante y envolvente para el reconocimiento robusto de objetos se ha llevado a cabo utilizando las yemas de los dedos táctiles de manos robóticas de cinco dedos.
  • Integración de sensores táctiles en robots biomiméticos para comprender cómo funciona la detección táctil en animales. Demostración de la percepción de estímulos como textura, distancia de contacto, dirección y velocidad mediante el uso de robots con bigotes.
  • Desarrollo de antenas artificiales con sensores de presión y fuerza para explorar el comportamiento de hormigas y cucarachas modelando el contacto.
  • Se ha llevado a cabo el uso de sensores táctiles en robótica subacuática (bigotes artificiales para imitar las capacidades perceptivas de las focas) para medir la velocidad y comprender el movimiento de fluidos, el ángulo y la detección de estela.

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