Po celé desaťročia sa priemyselné a servisné roboty pri vnímaní okolitého sveta a interakcii s ním vo veľkej miere spoliehali na systémy videnia a inerciálne senzory. Týmto metódam však chýba kritický ľudský-zmysel pre dotyk.
Roboty vybavené iba kamerami a akcelerometrami nedokážu zbierať údaje o povrchovej štruktúre predmetov, detegovať hmatové fyzické sily ani získavať proprioceptívnu spätnú väzbu o vlastnom pohybe a polohách kĺbov. Tento nedostatok hmatového povedomia značne obmedzuje schopnosť robota adaptívne sa pohybovať v zložitých prostrediach, flexibilne manipulovať s predmetmi a primerane{1}}a bezpečne{2}} reagovať na kontakt medzi časťami tela a okolitými predmetmi.
Podľa MEMS Consulting môžu byť tlakové senzory použité na poskytovanie kritickej hmatovej spätnej väzby robotom, čím sa rozšíria ich schopnosti. Nepretržité monitorovanie pneumatických a hydraulických tlakov v kĺboch a ovládačoch robota poskytuje robotovi proprioceptívnu spätnú väzbu týkajúcu sa jeho vlastných úrovní pohybu a krútiaceho momentu. Táto spätná väzba umožňuje pokročilé riadenie pohybu a aplikáciu cielených kĺbových síl.
Potiahnutie povrchu robota prispôsobivým flexibilným radom tlakových senzorov vytvára formu umelého dotyku. Vrstva-tlakových senzorov podobná pokožke dokáže detekovať a mapovať vonkajšie sily vyplývajúce z kontaktu, interakcie medzi ľuďmi-robotmi alebo kolízií, čo umožňuje robotovi reagovať na tieto sily. S dostatočnými údajmi o tlaku integrovanými do riadiacej slučky môžu roboty dosiahnuť flexibilitu a prispôsobivosť podobnú ľuďom-. Hmatová tlaková spätná väzba umožňuje robotom bezpečnú a bezproblémovú spoluprácu s ľudskými kolegami v továrenských nastaveniach. Je tiež veľkým prísľubom pre robotické operácie vo vysoko-rizikových prostrediach, ako je zdravotná starostlivosť, obrana, pomoc pri katastrofách a prieskum vesmíru-, kde automatizácia naslepo jednoducho nebude fungovať.
Aplikácie tlakových senzorov v robotike
Tlakové senzory zohrávajú v modernej robotike zásadnú úlohu, no ich hodnota je často podceňovaná. Tlakové snímače zabezpečujú nepretržité monitorovanie vnútorných pneumatických a hydraulických tlakov, vonkajších síl a podmienok prostredia. To poskytuje robotom kritickú spätnú väzbu, vylepšené vnútorné monitorovanie, flexibilné riadenie pohybu, interakciu s prostredím a hmatové vnímanie. Kľúčovou aplikáciou je proprioceptívne snímanie, ktoré využíva merania tlaku v kĺboch na výpočet aplikovaných krútiacich momentov a síl. Tieto informácie o pohybe a zaťažení robota umožňujú presnejšie ovládanie, čím sa výrazne zvyšujú manipulačné schopnosti a stabilita robota. Roboty poháňané šľachami- používajú tlakové senzory na meranie napätia šľachy, ktoré priamo súvisí so silami generovanými v kĺboch. Tradičnejšie robotické prístupy zahŕňajú inštaláciu tlakových prevodníkov na meranie tlakových rozdielov v spojoch a odvodenie krútiaceho momentu.
Niektoré pokročilé systémy používajú ultra{0}}kompaktné mikro{1}}elektro{2}}mechanické systémy (MEMS) tlakové senzory priamo na robotické kĺby, aby poskytli proprioceptívnu spätnú väzbu s vysokým-rozlíšením. Táto technológia tlakového senzora MEMS, porovnateľná s biologickou propriocepciou, umožňuje robotom uvedomiť si svoje vlastné pohyby a podmienky zaťaženia. Podobne integrácia tlakových senzorov MEMS do vonkajšej kože robota poskytuje hmatovú spätnú väzbu týkajúcu sa kontaktných síl. Veľké senzorové polia pozostávajúce z viacerých individuálnych tlakových senzorov pomáhajú mapovať rozloženie a veľkosť síl pôsobiacich na telo robota.
Tieto veľké polia senzorov umožňujú robotom primerane reagovať na fyzický kontakt, od jemných dotykov až po deštruktívne kolízie. Takéto hmatové systémy „kože“ využívajú prispôsobiteľné, flexibilné matrice tlakových senzorov, ktoré poskytujú robotom sofistikované vnímanie životného prostredia a ľudské hmatové vnímanie-. V iných interakčných scenároch možno na detekciu a rozlíšenie kolízií použiť snímače diferenčného tlaku. Meraním kolísania tlaku v airbagoch-naplnených kvapalinou môžu senzory rozpoznať blížiace sa nárazy a pomôcť spustiť stabilizačné manévre. Táto technológia snímania kolízie-je použiteľná aj pre mäkké roboty bez pevného rámu. Riadením kontaktných síl môžu tlakové senzory ďalej pomôcť robotom bezpečne reagovať, keď sa zrazia navzájom alebo s ľuďmi.
Tlakové snímače vo vnútri robotov sa používajú na monitorovanie hydraulických a pneumatických systémov, čím sa zabezpečuje ich schopnosť pohybu. Zároveň abnormálne poklesy tlaku môžu naznačovať netesnosti, čo umožňuje údržbu a opravy skôr, ako robot úplne zlyhá. Snímače prietoku založené na princípe diferenčného tlaku môžu monitorovať činnosť čerpadiel a motorov. Zmeny výšky a hĺbky možno zistiť pomocou tlakových rozdielov, keď robot stúpa alebo klesá. Táto senzorická spätná väzba podporuje spoľahlivú a stabilnú mobilitu. Okrem toho, ak robot pracuje vonku alebo v drsnom prostredí, tlakové senzory ho môžu urobiť-odolným voči poveternostným vplyvom.
Inštalácia tlakových senzorov MEMS s vodotesnými membránami vo vnútri robota umožňuje rýchlu detekciu vniknutia vody spôsobenej dažďom alebo záplavami pred poškodením elektrických komponentov. Robot potom podnikne kroky na ochranu svojich vnútorných komponentov alebo vyšle tiesňový signál.
Technologické inovácie vedú k pokroku
Niekoľko významných technologických pokrokov uľahčilo širšiu a výkonnejšiu aplikáciu tlakových snímačov v oblasti robotiky. Výroba MEMS umožňuje použitie snímačov s vysokým-rozlíšením a extrémne kompaktných snímačov rozdielu tlaku, ktoré dokážu integrovať propriocepciu do robotických kĺbov a ovládačov. Napríklad snímače tlaku MEMS spoločnosti Superior Sensor Technology obsahujú pokročilé funkcie, ako je digitálne filtrovanie, ovládanie v uzavretej-slučke a softvérové-prepínanie tlaku. Plne integrovaná forma týchto snímačov poskytuje základnú internú spätnú väzbu krútiaceho momentu a sily potrebnú na presné riadenie pohybu a flexibilnú manipuláciu s objektom.
Flexibilné polia tlakových senzorov vytlačené pomocou kompozitov na kvantové tunelovanie, grafénu alebo iných nanomateriálov tiež umožňujú, aby elektronická kožná vrstva pokrývajúca robota bola prispôsobivá a roztiahnuteľná. Plášte senzorov vyrobené z materiálov, ako je latex naplnený-nanotrubičkami, sa môžu natiahnuť cez zložité spoje a povrchy. Tento umelý hmat, ktorý využíva flexibilné tlačené senzory, umožňuje vysoko-priestorové-rozlíšenie, husté mapovanie tlaku v celom tele robota. Presné sledovanie-ako na koži umožňuje robotom bezpečne zisťovať, reagovať a interagovať s ľuďmi v scenároch spolupráce.
Pokiaľ ide o spracovanie údajov, na využitie údajov o tlaku v reálnom čase- zo senzorových polí na optimalizáciu riadenia a odozvy možno použiť pokročilé metódy strojového učenia (ML), ako sú hlboké neurónové siete. Výpočtové modely využívajú vzory tlaku z proprioceptívnych a hmatových senzorov na generovanie reflexných reakcií a priame pohyby robotických ramien. Napríklad jedna štúdia použila učenie zosilnenia založené na tlakových vstupoch na trénovanie robotického ramena na vykonávanie veľmi obratných úloh, ako je gúľanie lopty v dlani.
Nové mäkké ovládače a chápadlá využívajúce technológiu fluoroelastoméru sa vo veľkej miere spoliehajú na monitorovanie tlaku v celej štruktúre, aby sa dosiahlo presné ovládanie a spätná väzba. Tieto pneumatické mäkké robotické pohony, ktoré integrujú tlakové senzory, sa dajú použiť na plynulé prispôsobenie uchopovaným predmetom. Táto technológia umožňuje bezpečnejšiu fyzickú spoluprácu medzi ľudskými-robotmi v zdieľaných pracovných prostrediach, zatiaľ čo používanie tradičných pevných robotov v takýchto prostrediach predstavuje značné riziká.
Očakáva sa, že s pokrokom rôznych technologických inovácií sa tlakové senzory stanú kľúčovým integrovaným mechanizmom spätnej väzby zabudovaným v budúcej robotike-od priemyselnej automatizácie až po medicínske zariadenia. Ľudia si začínajú uvedomovať potenciál citlivých, adaptívnych robotov, ktoré umožňujú umelé dotykové senzory.
Roboty budúcnosti: Ľudské-ako hmatové snímanie
Ako sa tlakové senzory a integrované technológie neustále vyvíjajú, roboty vybavené umelým snímaním dotyku spôsobia revolúciu v mnohých oblastiach:
Flexibilita ako u človeka: S dostatočnými údajmi o hmatovom tlaku môžu roboty dosiahnuť vysokú flexibilitu, ako je{1}}ľudská, a manipulovať s predmetmi rôznych hmotností, textúr a tvarov s vysokou presnosťou. Táto flexibilita povedie k automatizácii v oblastiach, ako je výroba, skladovanie a chirurgia.
Operácie v nebezpečných prostrediach: Odolné roboty vybavené integrovanými tlakovými senzormi môžu vykonávať vysokorizikové úlohy, ako je ťažba, hlbinný- prieskum, reakcie na katastrofy a vesmírne misie, kde by priama účasť človeka bola mimoriadne nebezpečná. Údaje o tlaku pomáhajú robotom primerane reagovať na rôzne zložité prostredia a lepšie sa im prispôsobiť.
Bezproblémová ľudská-spolupráca robotov: Extrémne-citlivé{2}}poťahy snímania tlaku umožnia budúcim robotom bezpečnú a bezproblémovú spoluprácu s ľudskými kolegami. Počas fyzických interakcií tlaková spätná väzba zmierni škodlivé kontaktné sily.
Inteligentná infraštruktúra: Robotických inšpektorov vybavených povrchmi-snímajúcimi tlak možno použiť na monitorovanie veterných turbín, ropovodov, mostov a inej infraštruktúry. Údaje o tlaku môžu upozorniť operátorov na akékoľvek vznikajúce poruchy.
Zdravotnícke aplikácie: Dotykové tlakové senzory prinesú prelom v robotike v aplikáciách, ako sú chirurgia, protetika, rehabilitácia a asistenčné roboty,-v ktorých je dôležitá bezpečná interakcia s ľuďmi.
S klesajúcimi nákladmi a pokrokom v integračných technológiách môžu byť hmatové tlakové senzory integrované spolu s vizuálnymi, polohovými a inerciálnymi senzormi, čím sa stávajú štandardným spôsobom vnímania pokročilých robotov. Tlakové senzory umožňujú budúcim schopným a dostupným robotom fungovať efektívne a bezpečne spolu s ľuďmi v dynamických,-reálnych prostrediach.
Záver
Tlakové senzory poskytujú robotom kritické schopnosti, vrátane hmatového snímania pre citlivé interakcie a propriocepcie pre flexibilnú manipuláciu. Tlakové senzory zároveň poskytujú údaje na nepretržité monitorovanie vnútornej hydrauliky, vonkajších kontaktných síl a podmienok prostredia, čo umožňuje robotom pohybovať sa, manipulovať s predmetmi a reagovať na fyzikálne podnety s citlivosťou podobnou človeku-.
Neustály pokrok v oblasti flexibilných tlačených polí, senzorov MEMS a integrácie strojového učenia bude znamenať prelom v multimodálnom robotickom vnímaní a bezproblémovej spolupráci medzi ľudskými-robotmi. Keďže náklady klesajú, tlakové senzory sú veľkým prísľubom pre integráciu štandardných režimov spätnej väzby do budúcich robotických návrhov s aplikáciami zahŕňajúcimi zdravotníctvo, priemysel, asistenčné technológie, nebezpečné prostredia a monitorovanie infraštruktúry. Poskytovaním spätnej väzby potrebnej na to, aby roboty fungovali spoľahlivo, bezpečne a inteligentne v dynamickom fyzickom svete, majú tlakové senzory obrovský potenciál pre vývoj aplikácií.