Dešimtmečius pramoniniai ir paslaugų robotai labai pasitikėjo regėjimo sistemomis ir inerciniais jutikliais, kad suvoktų ir sąveikautų su juos supantį pasaulį. Tačiau šiems metodams trūksta tokio kritinio-žmogaus lytėjimo pojūčio.
Robotai, aprūpinti tik kameromis ir akselerometrais, negali rinkti duomenų apie objektų paviršiaus tekstūrą, aptikti lytėjimo fizines jėgas ar gauti proprioreceptinio grįžtamojo ryšio apie savo judėjimą ir sąnarių padėtį. Šis lytėjimo suvokimo trūkumas labai apriboja roboto gebėjimą prisitaikyti judėti sudėtingoje aplinkoje, lanksčiai elgtis su objektais ir tinkamai -ir saugiai-reaguoti į jo kūno dalių ir aplinkinių objektų sąlytį.
„MEMS Consulting“ teigimu, slėgio jutikliai gali būti naudojami siekiant suteikti robotams kritinį lytėjimo grįžtamąjį ryšį ir taip išplėsti jų galimybes. Nuolatinis pneumatinio ir hidraulinio slėgio stebėjimas roboto jungtyse ir pavarose suteikia robotui proprioceptyvų grįžtamąjį ryšį apie jo paties judėjimą ir sukimo momento lygius. Šis grįžtamasis ryšys įgalina pažangų judesio valdymą ir tikslinių jungtinių jėgų taikymą.
Roboto paviršiaus padengimas suderinamu, lanksčiu slėgio jutiklių rinkiniu sukuria dirbtinį prisilietimą. Slėgio jutiklių sluoksnis, panašus į odą, gali aptikti ir atvaizduoti išorines jėgas, atsirandančias dėl kontakto, žmogaus{2}}roboto sąveikos ar susidūrimų, todėl robotas gali reaguoti į šias jėgas. Turėdami pakankamai slėgio duomenų, integruotų į valdymo kilpą, robotai gali pasiekti žmogiškojo -lankstumo ir prisitaikymo. Lytėjimo slėgio grįžtamasis ryšys leidžia robotams saugiai ir sklandžiai bendradarbiauti su kolegomis žmonėmis gamyklos nustatymuose. Jis taip pat žada didelius pažadus robotizuotoms operacijoms didelės-rizikos aplinkose, pvz., sveikatos priežiūros, gynybos, pagalbos nelaimių atveju ir kosmoso tyrinėjimo,-kur aklas automatizavimas tiesiog neveiks.
Slėgio jutiklių taikymas robotikoje
Slėgio jutikliai atlieka pagrindinį vaidmenį šiuolaikinėje robotikoje, tačiau jų vertė dažnai neįvertinama. Slėgio jutikliai užtikrina nuolatinį vidinių pneumatinių ir hidraulinių slėgių, išorinių jėgų ir aplinkos sąlygų stebėjimą. Tai suteikia robotams kritinį grįžtamąjį ryšį, pagerina vidinį stebėjimą, lanksčią judesio valdymą, aplinkos sąveiką ir lytėjimo suvokimą. Pagrindinis pritaikymas yra proprioceptinis jutimas, kuris naudoja slėgio matavimus jungtyse, kad apskaičiuotų taikomus sukimo momentus ir jėgas. Ši informacija apie roboto judėjimą ir apkrovą leidžia tiksliau valdyti, žymiai padidindama roboto manipuliavimo galimybes ir stabilumą. Sausgyslių{5}}varomi robotai naudoja slėgio jutiklius, kad išmatuotų sausgyslių įtempimą, kuris yra tiesiogiai susijęs su sąnariuose sukuriamomis jėgomis. Tradiciškesni robotikos metodai apima slėgio keitiklių įrengimą, kad būtų galima išmatuoti slėgio skirtumus jungtyse ir nustatyti sukimo momentą.
Kai kurios pažangios sistemos taiko itin -kompaktiškas mikro-elektro-mechanines sistemas (MEMS) slėgio jutiklius tiesiai prie robotų jungčių, kad pateiktų didelės-raiškos proprioreceptinį grįžtamąjį ryšį. Ši MEMS slėgio jutiklio technologija, panaši į biologinę propriocepciją, leidžia robotams žinoti savo judesius ir apkrovos sąlygas. Panašiai, integruojant MEMS slėgio jutiklius į išorinę roboto odą, gaunamas lytėjimo ryšys apie kontaktines jėgas. Didelės jutiklių matricos, kurias sudaro keli atskiri slėgio jutikliai, padeda nustatyti roboto kūną veikiančių jėgų pasiskirstymą ir dydį.
Šios didelės jutiklių matricos leidžia robotams tinkamai reaguoti į fizinį kontaktą – nuo švelnių prisilietimų iki destruktyvių susidūrimų. Tokiose lytėjimo „odos“ sistemose naudojamos suderinamos, lanksčios slėgio jutiklių matricos, kad robotams būtų suteiktas sudėtingas aplinkos suvokimas ir žmogiškasis lytėjimo suvokimas. Kituose sąveikos scenarijuose slėgio skirtumo jutikliai gali būti naudojami susidūrimams aptikti ir atskirti. Matuodami slėgio svyravimus skysčiu{4}}pripildytose oro pagalvėse, jutikliai gali aptikti gresiančius smūgius ir padėti pradėti stabilizavimo manevrus. Ši susidūrimo{6}jutimo technologija taip pat taikoma minkštiems robotams, neturintiems standaus rėmo. Valdydami kontaktines jėgas, slėgio jutikliai gali padėti robotams saugiai reaguoti, kai jie susiduria vienas su kitu arba su žmonėmis.
Slėgio jutikliai robotų viduje naudojami hidraulinėms ir pneumatinėms sistemoms stebėti, užtikrinant jų judėjimo galimybes. Tuo pačiu metu nenormalūs slėgio kritimai gali rodyti nuotėkį, todėl galima atlikti techninę priežiūrą ir remontą, kol robotas visiškai sugenda. Srauto jutikliai, veikiantys slėgio perkryčio principu, gali stebėti siurblių ir variklių veikimą. Aukščio ir gylio pokyčius galima aptikti naudojant slėgio skirtumus robotui kylant arba leidžiantis. Šis sensorinis grįžtamasis ryšys palaiko patikimą ir stabilų mobilumą. Be to, jei robotas veikia lauke arba atšiaurioje aplinkoje, slėgio jutikliai gali padaryti jį atsparų oro sąlygoms.
Įdiegus MEMS slėgio jutiklius su vandeniui atspariomis membranomis roboto viduje, galima greitai aptikti vandens patekimą, kurį sukelia lietus ar potvynis, prieš sugadinant elektrinius komponentus. Tada robotas imasi veiksmų, kad apsaugotų savo vidinius komponentus arba siunčia nelaimės signalą.
Technologinės naujovės skatina pažangą
Keletas didelių technologinių pasiekimų palengvino platesnį ir galingesnį slėgio jutiklių taikymą robotikos srityje. Gaminant MEMS galima naudoti didelės-raiškos ir itin kompaktiškus slėgio skirtumo jutiklius, kurie gali integruoti propriocepciją į robotų jungtis ir pavaras. Pavyzdžiui, „Superior Sensor Technology“ MEMS slėgio jutikliuose yra pažangių funkcijų, tokių kaip skaitmeninis filtravimas, uždaros-kilpos valdymas ir programine{4}}pagrįsto slėgio perjungimo funkcija. Visiškai integruota šių jutiklių forma užtikrina esminį vidinį sukimo momentą ir jėgos grįžtamąjį ryšį, reikalingą tiksliam judesio valdymui ir lanksčiam objekto manipuliavimui.
Lanksčios slėgio jutiklių matricos, atspausdintos naudojant kvantinio tunelio kompozitus, grafeną ar kitas nanomedžiagas, taip pat leidžia elektroniniam odos sluoksniui, dengiamam robotą, būti prisitaikančiam ir ištemptam. Jutiklių apvalkalai, pagaminti iš medžiagų, pvz., nanovamzdelių{1}}užpilto latekso, gali ištempti sudėtingas jungtis ir paviršius. Šis dirbtinis lytėjimo pojūtis, kuriame naudojami lankstūs spausdinti jutikliai, suteikia didelės -erdvinės-raiškos, tankaus slėgio atvaizdavimą visame roboto kūne. Tikslus, kaip oda{6}}sekimas leidžia robotams saugiai aptikti, reaguoti ir sąveikauti su žmonėmis bendradarbiaujant.
Kalbant apie duomenų apdorojimą, galima naudoti pažangius mašininio mokymosi (ML) metodus, pvz., giluminius neuroninius tinklus, norint panaudoti slėgio duomenis iš jutiklių matricų realiuoju laiku ir optimizuoti valdymą ir atsaką. Skaičiavimo modeliai naudoja slėgio modelius iš proprioceptinių ir lytėjimo jutiklių, kad sukurtų refleksinius atsakus ir tiesioginius roboto rankų judesius. Pavyzdžiui, viename tyrime buvo naudojamas sustiprinimo mokymasis, pagrįstas slėgio įvestimis, siekiant išmokyti roboto ranką atlikti labai vikrias užduotis, pavyzdžiui, ridenti kamuolį delne.
Naujos minkštos pavaros ir griebtuvai, kuriuose naudojama fluoroelastomerinė technologija, labai priklauso nuo slėgio stebėjimo visoje konstrukcijoje, kad būtų pasiektas tikslus valdymas ir grįžtamasis ryšys. Šios pneumatinės minkštos robotinės pavaros, kuriose integruoti slėgio jutikliai, gali būti naudojamos sklandžiai prisitaikyti prie sugriebiamų objektų. Ši technologija leidžia saugesnį fizinį žmonių{2}}robotų bendradarbiavimą bendroje darbo aplinkoje, o tradicinių standžių robotų naudojimas tokiomis sąlygomis kelia didelę riziką.
Tobulėjant įvairioms technologinėms naujovėms, tikimasi, kad slėgio jutikliai taps pagrindiniu integruotu grįžtamojo ryšio mechanizmu, integruotu ateities robotikoje{0}}nuo pramoninės automatikos iki medicinos prietaisų. Žmonės pradeda atpažinti reaguojančių, prisitaikančių robotų, kuriuos įgalina dirbtiniai prisilietimo jutikliai, potencialą.
Ateities robotai: žmogaus{0}}kaip lytėjimo jutimas
Slėgio jutikliams ir integruotoms technologijoms toliau tobulėjant, robotai su dirbtiniu prisilietimo jutikliu pakeis daugelį sričių:
Žmogus{0}}kaip lankstumas: turėdami pakankamai lytėjimo slėgio duomenų, robotai gali pasiekti itin žmogišką-lankstumą, labai tiksliai manipuliuodami įvairaus svorio, tekstūros ir formos objektais. Šis lankstumas paskatins automatizavimą tokiose srityse kaip gamyba, sandėliavimas ir chirurgija.
Operacijos pavojingose aplinkose: tvirti robotai su integruotais slėgio jutikliais gali atlikti didelės{0}}rizikos užduotis, pvz., kasyba, giliavandenių-jūrų tyrinėjimas, reagavimas į nelaimes ir kosminės misijos, kuriose tiesioginis žmonių dalyvavimas būtų ypač pavojingas. Duomenys apie slėgį padeda robotams tinkamai reaguoti į įvairias sudėtingas aplinkas ir geriau prie jų prisitaikyti.
Sklandus žmonių{0}}robotų bendradarbiavimas: itin-jautri slėgį-jutanti oda leis būsimiems robotams saugiai ir sklandžiai bendradarbiauti su kolegomis žmonėmis. Fizinės sąveikos metu slėgio grįžtamasis ryšys sumažins kenksmingas kontaktines jėgas.
Išmanioji infrastruktūra: robotai inspektoriai, turintys slėgio{0}}jutiklio apvalkalus, gali būti naudojami vėjo turbinoms, naftotiekiams, tiltams ir kitai infrastruktūrai stebėti. Slėgio duomenys gali įspėti operatorius apie bet kokius gedimus.
Taikymas medicinoje: lytėjimo slėgio jutikliai paskatins robotikos proveržį tokiose srityse kaip chirurgija, protezavimas, reabilitacija ir pagalbiniai robotai{0}}srityse, kuriose labai svarbu saugiai bendrauti su žmonėmis.
Mažėjant sąnaudoms ir tobulėjant integravimo technologijoms, lytėjimo slėgio jutikliai gali būti integruoti kartu su vizualiniais, padėties ir inerciniais jutikliais, kurie tampa standartiniu pažangių robotų suvokimo būdu. Slėgio jutikliai įgalina ateities pajėgius ir prieinamus robotus efektyviai ir saugiai veikti kartu su žmonėmis dinamiškoje, realioje{1}}pasaulio aplinkoje.
Išvada
Slėgio jutikliai suteikia robotams svarbias galimybes, įskaitant lytėjimo jutimą reaguojant į sąveiką ir propriocepciją, skirtą lanksčiam manipuliavimui. Tuo pačiu metu slėgio jutikliai teikia duomenis, leidžiančius nuolat stebėti vidinę hidraulinę sistemą, išorines kontaktines jėgas ir aplinkos sąlygas, todėl robotai gali judėti, tvarkyti daiktus ir reaguoti į fizinius dirgiklius taip, kaip-žmogus.
Nuolatinė lanksčių spausdintų masyvų, MEMS jutiklių ir mašininio mokymosi integravimo pažanga paskatins multimodalinio roboto suvokimo ir sklandaus žmogaus{0}}robotų bendradarbiavimo proveržį. Mažėjant išlaidoms, slėgio jutikliai rodo didelį pažadą integruoti standartinius grįžtamojo ryšio režimus į būsimus robotų projektus, kuriuose taikomos programos, apimančios sveikatos priežiūrą, pramonę, pagalbines technologijas, pavojingą aplinką ir infrastruktūros stebėjimą. Teikdami grįžtamąjį ryšį, reikalingą robotams, kad jie veiktų patikimai, saugiai ir protingai dinamiškame fiziniame pasaulyje, slėgio jutikliai turi didžiulį programų kūrimo potencialą.