Przez dziesięciolecia roboty przemysłowe i usługowe w dużym stopniu polegały na systemach wizyjnych i czujnikach inercyjnych, aby postrzegać otaczający ich świat i wchodzić w interakcję z nim. Jednak metodom tym brakuje krytycznego-ludzkiego zmysłu dotyku.
Roboty wyposażone jedynie w kamery i akcelerometry nie są w stanie zbierać danych o fakturze powierzchni obiektów, wykrywać dotykowych sił fizycznych ani uzyskiwać proprioceptywnej informacji zwrotnej na temat własnego ruchu i pozycji stawów. Ten brak świadomości dotyku znacznie ogranicza zdolność robota do adaptacyjnego poruszania się w złożonym środowisku, elastycznego posługiwania się przedmiotami oraz odpowiedniego-i bezpiecznego- reagowania na kontakt części ciała z otaczającymi obiektami.
Według MEMS Consulting czujniki ciśnienia można wykorzystać do zapewnienia robotom krytycznych informacji dotykowych, zwiększając w ten sposób ich możliwości. Ciągłe monitorowanie ciśnień pneumatycznych i hydraulicznych w przegubach i siłownikach robota zapewnia robotowi proprioceptywne informacje zwrotne dotyczące jego własnego ruchu i poziomów momentu obrotowego. To sprzężenie zwrotne umożliwia zaawansowaną kontrolę ruchu i zastosowanie ukierunkowanych sił wspólnych.
Pokrycie powierzchni robota elastycznym układem czujników ciśnienia tworzy rodzaj sztucznego dotyku. Przypominająca skórę warstwa czujników nacisku może wykrywać i mapować siły zewnętrzne powstałe w wyniku kontaktu, interakcji-człowieka z robotem lub kolizji, umożliwiając robotowi reagowanie na te siły. Dzięki wystarczającym danym dotyczącym ciśnienia zintegrowanym z pętlą sterowania roboty mogą osiągnąć ludzką-elastyczność i zdolność adaptacji. Dotykowe sprzężenie zwrotne ciśnienia umożliwia robotom bezpieczną i bezproblemową współpracę z ludźmi w ustawieniach fabrycznych. Jest także bardzo obiecujący w przypadku operacji robotycznych w-środowiskach wysokiego ryzyka, takich jak opieka zdrowotna, obrona, pomoc w przypadku katastrof i eksploracja kosmosu,-gdzie ślepa automatyzacja po prostu nie działa.
Zastosowania czujników ciśnienia w robotyce
Czujniki ciśnienia odgrywają fundamentalną rolę we współczesnej robotyce, jednak ich wartość jest często niedoceniana. Czujniki ciśnienia zapewniają ciągłe monitorowanie wewnętrznych ciśnień pneumatycznych i hydraulicznych, sił zewnętrznych i warunków środowiskowych. Zapewnia to robotom krytyczne informacje zwrotne, usprawniając monitorowanie wewnętrzne, elastyczną kontrolę ruchu, interakcję ze środowiskiem i percepcję dotykową. Kluczowym zastosowaniem jest wykrywanie proprioceptywne, które wykorzystuje pomiary ciśnienia w stawach w celu obliczenia przyłożonych momentów obrotowych i sił. Informacje te o ruchu i obciążeniu robota umożliwiają bardziej precyzyjne sterowanie, znacznie zwiększając możliwości manipulacyjne i stabilność robota. Roboty napędzane-ścięgnami wykorzystują czujniki nacisku do pomiaru napięcia ścięgien, które jest bezpośrednio powiązane z siłami generowanymi w stawach. Bardziej tradycyjne podejście do robotyki polega na instalowaniu przetworników ciśnienia w celu pomiaru różnic ciśnień w złączach i określania momentu obrotowego.
W niektórych zaawansowanych systemach ultra-kompaktowe mikro-elektro-systemy elektromechaniczne (MEMS) wykorzystują czujniki ciśnienia bezpośrednio do stawów robotów, aby zapewnić proprioceptywne sprzężenie zwrotne o wysokiej-rozdzielczości. Technologia czujników ciśnienia MEMS, porównywalna z propriocepcją biologiczną, umożliwia robotom świadomość własnych ruchów i stanu obciążenia. Podobnie zintegrowanie czujników ciśnienia MEMS z zewnętrzną powłoką robota zapewnia dotykową informację zwrotną dotyczącą sił kontaktowych. Duże matryce czujników składające się z wielu pojedynczych czujników ciśnienia pomagają mapować rozkład i wielkość sił działających na korpus robota.
Te duże matryce czujników umożliwiają robotom odpowiednią reakcję na kontakt fizyczny, od delikatnego dotknięcia po niszczycielskie kolizje. Takie dotykowe systemy „skóry” wykorzystują dopasowujące się, elastyczne matryce czujników nacisku, aby zapewnić robotom zaawansowaną świadomość środowiskową i percepcję dotykową-podobną do ludzkiej. W innych scenariuszach interakcji do wykrywania i rozróżniania kolizji można zastosować czujniki różnicy ciśnień. Mierząc wahania ciśnienia w-poduszkach powietrznych wypełnionych płynem, czujniki mogą wykryć zbliżające się uderzenia i pomóc w uruchomieniu manewrów stabilizujących. Tę technologię-wykrywania kolizji można zastosować także w przypadku miękkich robotów pozbawionych sztywnej ramy. Kontrolując siły kontaktowe, czujniki ciśnienia mogą dodatkowo pomóc robotom bezpiecznie reagować w przypadku kolizji ze sobą lub z ludźmi.
Czujniki ciśnienia wewnątrz robotów służą do monitorowania układów hydraulicznych i pneumatycznych, zapewniając ich zdolność do poruszania się. Jednocześnie nietypowe spadki ciśnienia mogą wskazywać na nieszczelności, umożliwiając konserwację i naprawy, zanim robot całkowicie ulegnie awarii. Czujniki przepływu oparte na zasadzie różnicy ciśnień mogą monitorować pracę pomp i silników. Zmiany wysokości i głębokości można wykryć na podstawie różnic ciśnień podczas wznoszenia i opadania robota. To sensoryczne sprzężenie zwrotne zapewnia niezawodną i stabilną mobilność. Co więcej, jeśli robot działa na zewnątrz lub w trudnych warunkach, czujniki ciśnienia mogą sprawić, że będzie on-odporny na warunki atmosferyczne.
Zainstalowanie wewnątrz robota czujników ciśnienia MEMS z wodoodpornymi membranami pozwala na szybkie wykrycie przedostania się wody na skutek deszczu lub zalania, zanim elementy elektryczne ulegną uszkodzeniu. Następnie robot podejmuje działania, aby chronić swoje wewnętrzne komponenty lub wysyła sygnał alarmowy.
Innowacje technologiczne napędzają postęp
Kilka głównych osiągnięć technologicznych ułatwiło szersze i skuteczniejsze zastosowanie czujników ciśnienia w dziedzinie robotyki. Produkcja MEMS umożliwia stosowanie-wyjątkowo kompaktowych czujników różnicy ciśnień o wysokiej rozdzielczości, które umożliwiają integrację propriocepcji ze stawami i siłownikami robota. Na przykład czujniki ciśnienia MEMS firmy Superior Sensor Technology zawierają zaawansowane funkcje, takie jak filtrowanie cyfrowe, sterowanie w-pętli zamkniętej i przełączanie ciśnienia-oparte na oprogramowaniu. W pełni zintegrowana forma tych czujników zapewnia niezbędne wewnętrzne sprzężenie zwrotne momentu i siły wymagane do precyzyjnej kontroli ruchu i elastycznej manipulacji obiektami.
Elastyczne matryce czujników ciśnienia wydrukowane przy użyciu kompozytów tunelowania kwantowego, grafenu lub innych nanomateriałów umożliwiają również dopasowywanie się i rozciągliwość warstwy elektronicznej powłoki pokrywającej robota. Osłony czujników wykonane z materiałów takich jak lateks-nasączony nanorurkami mogą rozciągać się na skomplikowanych złączach i powierzchniach. Ten sztuczny zmysł dotyku, wykorzystujący elastyczne drukowane czujniki, umożliwia mapowanie gęstego nacisku na całym ciele robota z dużą-przestrzenną-rozdzielczością. Precyzyjne śledzenie-podobne do skóry umożliwia robotom bezpieczne wykrywanie ludzi, reagowanie na nie i interakcję z nimi w scenariuszach pracy zespołowej.
Jeśli chodzi o przetwarzanie danych, można zastosować zaawansowane metody uczenia maszynowego (ML), takie jak głębokie sieci neuronowe, w celu wykorzystania-danych o ciśnieniu w czasie rzeczywistym z układów czujników w celu optymalizacji kontroli i reakcji. Modele obliczeniowe wykorzystują wzorce ciśnienia z czujników proprioceptywnych i dotykowych do generowania reakcji odruchowych i bezpośrednich ruchów ramion robota. Na przykład w jednym badaniu wykorzystano uczenie się przez wzmacnianie w oparciu o nacisk, aby wytrenować ramię robota w wykonywaniu zadań wymagających dużej zręczności, takich jak toczenie piłki w dłoni.
Nowe miękkie siłowniki i chwytaki wykorzystujące technologię fluoroelastomeru w dużym stopniu opierają się na monitorowaniu ciśnienia w całej konstrukcji, aby zapewnić precyzyjną kontrolę i sprzężenie zwrotne. Te pneumatyczne, miękkie siłowniki robotyczne, które zawierają czujniki ciśnienia, umożliwiają płynne dostosowywanie się do chwytanych obiektów. Technologia ta umożliwia bezpieczniejszą współpracę fizycznego-robota ludzkiego we współdzielonych środowiskach pracy, podczas gdy używanie tradycyjnych robotów sztywnych w takich środowiskach wiąże się ze znacznym ryzykiem.
Oczekuje się, że wraz z rozwojem różnych innowacji technologicznych czujniki ciśnienia staną się kluczowym zintegrowanym mechanizmem sprzężenia zwrotnego wbudowanym w robotykę przyszłości,-od automatyki przemysłowej po urządzenia medyczne. Ludzie zaczynają dostrzegać potencjał responsywnych, adaptacyjnych robotów obsługiwanych przez sztuczne czujniki dotyku.
Roboty przyszłości: zmysł dotyku{{0}podobny do człowieka
W miarę ewolucji czujników ciśnienia i zintegrowanych technologii roboty wyposażone w sztuczne czujniki dotykowe zrewolucjonizują wiele dziedzin:
Elastyczność-jak ludzka: przy wystarczających danych dotyczących nacisku dotykowego roboty mogą osiągnąć elastyczność-podobną do ludzkiej, manipulować obiektami o różnej masie, teksturze i kształtach z dużą precyzją. Ta elastyczność będzie napędzać automatyzację w takich dziedzinach, jak produkcja, magazynowanie i chirurgia.
Praca w niebezpiecznych środowiskach: wytrzymałe roboty wyposażone w zintegrowane czujniki ciśnienia mogą wykonywać zadania-o wysokim ryzyku, takie jak górnictwo,-eksploracja głębin morskich, reagowanie na katastrofy i misje kosmiczne, w których bezpośrednie zaangażowanie człowieka byłoby niezwykle niebezpieczne. Dane dotyczące ciśnienia pomagają robotom odpowiednio reagować na różne złożone środowiska i lepiej się do nich dostosowywać.
Bezproblemowa współpraca-człowieka z robotem: niezwykle-czułe-skórki wyczuwające nacisk{2}}umożliwią przyszłym robotom bezpieczną i bezproblemową współpracę z ludźmi. Podczas interakcji fizycznych sprzężenie zwrotne ciśnienia łagodzi szkodliwe siły kontaktowe.
Inteligentna infrastruktura: robotycznych inspektorów wyposażonych w-skórki wykrywające ciśnienie można używać do monitorowania turbin wiatrowych, rurociągów naftowych, mostów i innej infrastruktury. Dane dotyczące ciśnienia mogą ostrzegać operatorów o wszelkich rozwijających się awariach.
Zastosowania medyczne: dotykowe czujniki ciśnienia przyczynią się do przełomu w robotyce w zastosowaniach takich jak chirurgia, protetyka, rehabilitacja i roboty wspomagające,-w obszarach, w których bezpieczna interakcja z człowiekiem ma kluczowe znaczenie.
W miarę spadku kosztów i postępu technologii integracji dotykowe czujniki ciśnienia można zintegrować z czujnikami wizualnymi, pozycyjnymi i bezwładnościowymi, stając się standardową metodą percepcji dla zaawansowanych robotów. Czujniki ciśnienia umożliwią przyszłym, wydajnym i dostępnym robotom wydajną i bezpieczną pracę obok ludzi w dynamicznych-rzeczywistych środowiskach.
Wniosek
Czujniki ciśnienia zapewniają robotom krytyczne możliwości, w tym wykrywanie dotykowe w celu reagowania na interakcje i propriocepcję w celu elastycznej manipulacji. Jednocześnie czujniki ciśnienia dostarczają danych do ciągłego monitorowania wewnętrznej hydrauliki, zewnętrznych sił kontaktowych i warunków środowiskowych, umożliwiając robotom poruszanie się, manipulowanie przedmiotami i reagowanie na bodźce fizyczne z-ludzką wrażliwością.
Ciągły postęp w zakresie elastycznych drukowanych układów, czujników MEMS i integracji uczenia maszynowego doprowadzi do przełomów w wielomodalnej percepcji robotów i bezproblemowej współpracy-człowieka z robotem. W miarę spadku kosztów czujniki ciśnienia okazują się bardzo obiecujące w zakresie integracji standardowych trybów sprzężenia zwrotnego z przyszłymi projektami robotów, z zastosowaniami obejmującymi opiekę zdrowotną, przemysł, technologie wspomagające, środowiska niebezpieczne i monitorowanie infrastruktury. Dostarczając informacji zwrotnych niezbędnych robotom do niezawodnego, bezpiecznego i inteligentnego działania w dynamicznym świecie fizycznym, czujniki ciśnienia oferują ogromny potencjał w zakresie rozwoju aplikacji.