Detectarea tactilă este de obicei interpretată ca detectare de atingere, dar detectarea tactilă este diferită de o simplă „prindere” în care se fac foarte puține măsurători discrete ale forței. În detectarea tactilă, o „distribuție” a forței este măsurată folosind o matrice de senzori de forță strâns distanțați și exploatând, uzual, proprietăți asemănătoare pielii ale matricei de senzori.

Detectarea tactilă este deosebit de importantă în două tipuri de operații: (1) apucarea și (2) identificarea obiectului.

La apucare, obiectul trebuie să fie ținut în mod stabil, fără a avea voie să alunece și fără a fi deteriorat.

Identificarea obiectului include recunoașterea sau determinarea formei, locației și orientării unui obiect, precum și detectarea sau identificarea proprietăților suprafeței (de exemplu, densitatea, duritatea, textura, flexibilitatea) și defectele. În mod ideal, aceste sarcini ar necesita două tipuri de detectare: detectarea spațială continuă a forțelor de contact variabile în timp și detectarea profilelor de deformare a suprafeței (variabilă de timp).

Aceste două tipuri de date sunt în general corelate prin relațiile constitutive (de exemplu, relațiile solicitare-deformație) ale suprafeței de atingere a senzorului tactil sau a obiectului care este prins. Drept urmare, fie detectarea aproape-continuu-spațială a forțelor tactile, fie detectarea unui profil de deflecție tactilă, separat, este adesea denumită detectare tactilă. Rețineți că experiența de învățare este, de asemenea, o parte importantă a detectării tactile. De exemplu, ridicarea unui obiect fragil, cum ar fi un ou și ridicarea unui obiect care are aceeași formă, dar este confecționat dintr-un material flexibil nu sunt procese identice; ele necesită o anumită învățare prin atingere, în special atunci când capacitatea de vedere nu este disponibilă.

6.8.1 Cerințele senzorului tactil

În aria roboticii au avut loc progrese semnificative în detectarea tactilă. Aplicațiile, care sunt foarte generale și numeroase, includ inspecția automată a profilelor de suprafață și îmbinări (de exemplu, piese sudate sau lipite) pentru defecte, manevrarea materialelor sau transferul pieselor (de exemplu, preluare și plasare), asamblarea pieselor (de exemplu, împerecherea pieselor), identificarea pieselor și dimensionarea în aplicațiile de fabricație (de exemplu, determinarea dimensiunii și forma unei palete de turbină culeasă dintr-un coș) și sarcini de manipulare fină (de exemplu, producerea de artă și meșteșuguri, gravură robotizată și microchirurgie robotizată). Rețineți că unele dintre aceste aplicații ar putea avea nevoie doar de o detectare simplă de atingere (forță-cuplu) dacă piesele care sunt apucate sunt orientate corespunzător și dacă informațiile adecvate despre proces și obiecte sunt deja disponibile.

TABEL 6.5 Parametrii de evaluare a mai multor senzori și traductoare

În mod firesc, obiectivul de proiectare exprimat frecvent pentru dispozitivele de detectare tactilă a fost să imite capacitățile degetelor umane. Mai precis, senzorul tactil ar trebui să aibă o acoperire conformă cu proprietăți asemănătoare pielii, împreună cu suficiente grade de libertate pentru flexibilitate și dexteritate, sensibilitate și rezoluție adecvate pentru achiziția de informații, robustețe și stabilitate adecvate pentru a îndeplini diverse sarcini și o oarecare inteligență locală pentru identificare și scopuri de învățare. Deși rezoluția spațială a unui vârf de deget uman este de aproximativ 2 mm, rezoluții spațiale încă mai fine (mai puțin de 1 mm) pot fi realizate dacă informațiile prin alte simțuri (de exemplu, vedere), experiență anterioară și inteligență sunt utilizate simultan în timpul atingerii. Rezoluția (sau sensibilitatea) forței unui vârf de deget uman este de ordinul a 1 g. De asemenea, degetele umane pot prezice „alunecare iminentă” în timpul apucării, astfel încât acțiuni corective pot fi luate înainte ca obiectul să alunece de fapt. La un nivel elementar, acest lucru necesită cunoașterea distribuției tensiunii de forfecare și a proprietăților de frecare la suprafața comună dintre obiect și mână. Informații suplimentare și o capacitate de procesare „inteligentă” sunt, de asemenea, necesare pentru a prezice alunecarea cu exactitate și pentru a lua măsuri corective pentru a preveni alunecarea. Acestea sunt, desigur, obiective ideale pentru un senzor tactil, dar nu sunt nerealiste pe termen lung. Specificațiile tipice pentru un senzor industrial tactil sunt următoarele:

1. Rezoluție spațială de aproximativ 2 mm
2. Rezoluția forței (sensibilitate) de aproximativ 2 g
3. Capacitatea de forță (forța maximă de atingere) de aproximativ 1 kg
4. Timp de răspuns de 5 ms sau mai puțin
5. Histerezis scăzut (disipare redusă a energiei)
6. Durabilitate în condiții dure de muncă
7. Robustețea și insensibilitatea la variații în condițiile de mediu (temperatură, praf, umiditate, vibrații etc.)
8. Capacitatea de a detecta și chiar a prezice alunecarea

Deși tehnologia de detectare tactilă nu a ajuns până la maxim, iar utilizarea pe scară largă a senzorilor tactili în aplicațiile industriale este încă disponibilă, sunt disponibile în comerț mai multe tipuri de senzori tactili care îndeplinesc și chiar depășesc specificațiile precedente. În evoluțiile viitoare ale acestor senzori, trebuie să fie abordate două grupuri separate de subiecte:

1. Moduri de îmbunătățire a caracteristicilor mecanice și a modelului unui senzor tactil, astfel încât să poată fi obținute rapid date exacte, cu rezoluție înaltă, cu ajutorul senzorului

2. Modalități de îmbunătățire a analizei și capacităților de procesare a semnalului, astfel încât informațiile utile să poată fi extrase cu acuratețe și rapiditate din datele dobândite prin detectarea tactilă

În a doua categorie, trebuie să luăm în considerare și tehnici de utilizare a informațiilor tactile în controlul cu feedback al proceselor dinamice. În acest context, trebuie abordată dezvoltarea algoritmilor de control, regulilor și tehnicilor de inferență pentru controlerele inteligente care utilizează informații tactile.

6.8.2 Construcția și funcționarea senzorilor tactili

Suprafața de atingere a unui senzor tactil este de obicei realizată dintr-un tampon elastomeric sau o membrană flexibilă. Pornind de la această bază comună, principiul de operare al unui senzor tactil diferă în primul rând în funcție de dacă este detectată forța distribuită sau este măsurată devierea suprafeței tactile. Metodele comune de detectare tactilă includ următoarele:

1. Folosiți un set strâns spațiat de mărci tensometrice sau alte tipuri de senzori de forță pentru a detecta forța distribuită.

2. Folosiți un elastomer conductiv ca suprafață tactilă. Variația în rezistența sa datorită deformației va determina forța distribuită.

3. Utilizați o matrice spațiată strâns de senzori de deflecție sau de proximitate (de exemplu, senzori optici) pentru a determina profilul deflecției suprafeței tactile.

Rețineți că, deoarece forța și deflecția sunt legate printr-o lege constitutivă pentru senzorul tactil (touch pad), este necesar un singur tip de măsurare, nu ambele, forța și deflecția. Un profil de distribuție a forței sau un profil de deflecție obținut în acest mod poate fi tratat ca o matrice bidimensională (2D) sau „imagine” și poate fi procesat (filtrat, aproximat ca funcție etc.) și afișat ca imagine tactilă sau utilizat în aplicații (identificarea obiectului, controlul manipulării etc.).

Distribuția forței de contact într-un senzor tactil este măsurată în mod obișnuit folosind o serie de senzori de forță localizați sub membrana flexibilă. Pentru măsurarea distribuției forței tactile pot fi utilizate șiruri de senzori piezoelectrici și mărci tensometrice metalice sau semiconductoare (senzori piezorezistivi) în densitate suficientă (număr de elemente pe unitate de suprafață). În particular, elementele semiconductoare sunt slabe în rezistență mecanică, dar au o sensibilitate bună. Alternativ, membrană ca pielea poate fi realizată dintr-un elastomer conductiv (de exemplu, cauciuc din neopren cu plumb grafit), ale cărui variații de rezistență pot fi detectate și utilizate în determinarea distribuției forței și a deflecției. În particular, pe măsură ce presiunea tactilă crește, rezistența segmentului de elastomer particular scade și curentul condus prin el (datorită unei tensiuni constante aplicate) va crește. Conductoarele pot fi gravate sub pad-ul elastomeric pentru a detecta distribuția curentului în pad prin circuite de achiziție de semnal adecvate. Unele probleme frecvente cu elastomerii conductivi sunt zgomotul electric, neliniaritatea, histerezis, sensibilitatea scăzută, derivă, lățimea de bandă scăzută și rezistența materială slabă.

Profilul de deflecție al unei suprafețe tactile poate fi determinat folosind o matrice de senzori de proximitate sau senzori de deflecție. La obținerea acestor informații pot fi folosiți senzori electromagnetici și capacitivi. Principiile de operare ale acestor tipuri de senzori au fost discutate anterior în acest capitol. Senzorii tactili optici folosesc elemente sensibile la lumină (fotosenzori) pentru a sesiza intensitatea luminii (sau fascicule laser) reflectate de la suprafața tactilă. Într-o abordare (extrinsecă), se măsoară proximitatea unei suprafețe reflectorizante, care este atașată la partea din spate a unui pad tactil transparent. Deoarece intensitatea luminii depinde de distanța de la suprafața care reflectă lumina până la fotosenzor, poate fi determinat profilul de deflecție. Într-o altă abordare (intrinsecă), deformarea pad-ului tactil modifică caracteristicile de transmitere a luminii de pe pad. Drept urmare, distribuția de intensitate a luminii transmise, detectată de un șir de fotosenzori, determină profilul de deflecție. Metodele optice prezintă avantajele că sunt ferite de zgomot electromagnetic și sunt sigure în medii explozive, dar pot avea erori datorate luminii rătăcite care atinge senzorul, variației intensității sursei de lumină și modificărilor condițiilor de mediu (de exemplu, murdărie, umiditate, și fum).

Exemplul 6.5

Un pad de senzor tactil este format dintr-o matrice de elemente elastomer conductive. Rezistența Rt în fiecare element tactil este dată de Rt = a/Ft, unde Ft este forța tactilă aplicată elementului și a este o constantă. Circuitul prezentat în figura 6.32 este utilizat pentru a obține semnalul senzorului tactil vo, care măsoară forța tactilă locală Ft. Întreaga matrice de elemente tactile poate fi scanată prin abordarea elementelor corespunzătoare printr-un aranjament de comutare adecvat.

Pentru circuitul de achiziție a semnalului prezentat în figura 6.32, obțineți o relație pentru tensiunea de ieșire vo în funcție de parametrii a, Ro și alții, dacă este necesar și a variabilei Ft. Arătați că vo = 0 atunci când elementul tactil nu este abordat (adică, atunci când circuitul este comutat la tensiunea de referință 2,5 V).

FIGURA 6.32 Un circuit de achiziție a semnalului
pentru un senzor tactil din elastomer-conductiv

Soluţie

Definiți vi = intrare la circuit (2,5 sau 0,0 V); vo1 = ieșirea primului op-amp. Folosim următoarele proprietăți ale unui op-amp (vezi Capitolul 4):

1. Tensiunile la cele două terminale de intrare sunt egale
2. Curenții prin cele două terminale de intrare sunt zero

Prin urmare, rețineți aceeași vi la ambele terminale de intrare ale primului op-amp (și la nodul A) și aceeași tensiune zero la ambele terminale de intrare ale celui de-al doilea op-amp (și la nodul B), deoarece unul dintre terminale este la masă.

Echilibrul de curenți la A:

Echilibrul de curenți în B:

Substituind (i) în (ii) și, de asemenea, substituind expresia dată pentru Rt, obținem

Înlocuind cele două valori de comutare pentru vi, avem

= 0 la referință.

6.8.3 Senzori tactili optici

În figura 6.33 este arătată o reprezentare schematică a unui senzor tactil optic (construit la Man-Machine Systems Laboratory din Massachusetts Institute of Technology [MIT]). Dacă un fascicul de lumină (sau laser) este proiectat pe o suprafață reflectorizantă, intensitatea luminii reflectate înapoi și primită de un receptor de lumină depinde de distanța (proximitatea) suprafeței reflectante. De exemplu, în figura 6.33a, mai multă lumină este primită de către receptorul de lumină atunci când suprafața reflectorizantă este la poziția 2 decât atunci când este la poziția 1. Dar dacă suprafața reflectoare atinge efectiv sursa de lumină, lumina va fi complet blocată și nici o lumină nu va ajunge la receptor. Prin urmare, în general, curba de proximitate-intensitate pentru un senzor optic de proximitate va fi neliniară și va avea forma prezentată în figura 6.33a. Utilizând această curbă (calibrare), putem determina poziția (x) odată ce intensitatea luminii primite la fotosenzor este cunoscută. Acesta este principiul funcționării multor senzori optici tactili. În sistemul prezentat în figura 6.33b, elementul tactil flexibil constă dintr-o suprafață subțire, reflectorizantă, încorporată într-un strat exterior (touch pad) de cauciuc cu rezistență-ridicată și un strat interior de cauciuc transparent. Fibrele optice sunt montate uniform și rigid pe acest strat interior de cauciuc, astfel încât lumina poate fi proiectată direct pe suprafața reflectorizantă.

FIGURA 6.33 (a) Principiul unui senzor optic de proximitate;
(b) reprezentarea schematică a unui senzor tactil cu fibră optică

Sursa de lumină, divizorul (splitter) de fascicul și camera solid-state (dispozitiv cuplat la sarcină, sau CCD) formează o unitate integrată, care poate fi deplasată lateral în pași cunoscuți pentru a scana întregul șir de fibre optice dacă un singur cadru de imagine al camerei nu acoperă întregul șir. Placa splitter reflectă o parte din lumina de la sursa de lumină pe un pachet de fibre optice. Această lumină este reflectată de suprafața reflectorizantă și este primită de camera foto solid-state. Deoarece intensitatea luminii primite de camera foto depinde de proximitatea suprafeței reflectante, imaginea de intensitate la scară-gri detectată de cameră va determina profilul de deflecție a suprafeței tactile. Folosind relații constitutive adecvate pentru pad-ul senzor tactil, se poate determina și distribuția forței tactile. Procesorul de imagine condiționează (filtrarea, segmentarea, etc.) cadrele succesive de imagine primite de frame grabber și calculează profilul de deflecție și distribuția forței tactile asociate în acest mod. Rezoluția imaginii va depinde de dimensiunea pixelilor (element-imagine) a fiecărui cadru de imagine (de exemplu, 512 × 512 pixeli, 1024 × 1024 pixeli etc.), precum și de spațierea matricei de fibre optice. Rețineți că rezoluția de forță sau sensibilitatea senzorului tactil poate fi îmbunătățită în detrimentul grosimii stratului elastomeric, care determină robustețea senzorului.

În senzorul tactil cu fibră optică descris (figura 6.33), fibrele optice servesc drept mediul prin care se transmit raze de lumină sau laser către locul tactil. Aceasta este o utilizare „extrinsecă” a fibrelor optice pentru detectare. Alternativ, o aplicație „intrinsecă” poate fi dezvoltată în cazul în care o fibră optică servește ca element sensibil în sine. Concret, presiunea tactilă se aplică direct pe o plasă de fibre optice. Deoarece cantitatea de lumină transmisă printr-o fibră va scădea din cauza deformării cauzate de presiunea tactilă, intensitatea luminii la un receptor poate fi utilizată pentru a determina distribuția presiunii tactile.

O altă alternativă a unui senzor tactil optic este disponibilă. În acest model, sursa de lumină și receptorul sunt amplasate chiar la locul tactil; fibrele optice nu sunt utilizate. Principiul de funcționare al acestui tip de senzor tactil este prezentat în figura 6.34. Când touch pad-ul elastomeric este apăsat într-o anumită locație, un pin fixat pe pad în acel punct se mișcă (în direcția x), obstrucționând astfel lumina primită de fotodiodă de la dioda emițătoare de lumină (LED). Semnalul de ieșire al fotodiodei măsoară mișcarea pinului.

FIGURA 6.34 Un senzor optic tactil cu surse de lumină localizate și fotosenzori

6.8.4 Senzori tactili piezorezistivi

Un tip de senzor tactil piezorezistiv utilizează un șir de mărci tensometrice semiconductoare montate sub touch pad pe o bază rigidă. În acest fel, distribuția forței pe touch pad este măsurată direct.

Exemplul 6.6

Când este preferată detectarea tactilă detectării forțelor în câteva puncte? Un senzor tactil piezoelectric are 25 de elemente sensibile la forță pe centimetru pătrat. Fiecare element sensibil din senzor poate rezista la o încărcare maximă de 40 N și poate detecta variații de sarcină de ordinul a 0,01 N. Care este rezoluția de forță a senzorului tactil? Care este rezoluția spațială a senzorului? Care este gama dinamică a senzorului în decibeli?

Soluţie

Detectarea tactilă este preferată atunci când nu este o aplicație de simplă-atingere. Forma, caracteristicile suprafeței și caracteristicile de flexibilitate ale unui obiect manipulat (mânuit sau apucat) pot fi determinate utilizând detectarea tactilă.

Rezoluția forței = 0,01 N

6.8.5 Dexteritatea

Dexteritatea este o considerație importantă în manipulatoarele sofisticate și mâinile robotizate care utilizează detectare tactilă. Dexteritatea unui dispozitiv este convențional definită ca raportul (numărul de grade de libertate în dispozitiv)/(rezoluția de mișcare a dispozitivului). Vom numi aceasta dexteritatea mișcării.

Putem defini un alt tip de dexteritate numit dexteritatea forței, după cum urmează:

Dexteritate de forță = numărul gradelor de libertate/rezoluția forței (6.38)

Ambele tipuri de dexteritate sunt utile în manipularea mecanică unde se utilizează detectare tactilă.

6.9 Senzori giroscopici