Desetljećima su se industrijski i servisni roboti u velikoj mjeri oslanjali na sisteme vida i inercijalne senzore za percepciju i interakciju sa svijetom oko sebe. Međutim, ovim metodama nedostaje kritični ljudski-osjet dodira.
Roboti opremljeni samo kamerama i akcelerometrima ne mogu prikupljati podatke o površinskoj teksturi objekata, detektirati taktilne fizičke sile ili dobiti proprioceptivnu povratnu informaciju o vlastitom kretanju i položaju zglobova. Ovaj nedostatak taktilne svijesti u velikoj mjeri ograničava sposobnost robota da se adaptivno kreće u složenim okruženjima, fleksibilno rukuje objektima i odgovara-i sigurno-na kontakt između dijelova tijela i okolnih objekata.
Prema MEMS Consultingu, senzori pritiska mogu se koristiti za pružanje kritične taktilne povratne informacije robotima, čime se proširuju njihove mogućnosti. Kontinuirano praćenje pneumatskih i hidrauličkih pritisaka u zglobovima i aktuatorima robota pruža robotu proprioceptivnu povratnu informaciju u vezi sa sopstvenim kretanjem i nivoima obrtnog momenta. Ova povratna informacija omogućava naprednu kontrolu pokreta i primjenu ciljanih snaga u zglobu.
Oblaganje površine robota prilagodljivim, fleksibilnim nizom senzora pritiska stvara oblik umjetnog dodira. Sloj senzora pritiska poput kože{1}}može otkriti i mapirati vanjske sile koje proizlaze iz kontakta, interakcije ljudskih-robota ili sudara, omogućavajući robotu da odgovori na te sile. Sa dovoljno podataka o pritisku integriranim u kontrolnu petlju, roboti mogu postići fleksibilnost i prilagodljivost poput ljudi-. Taktilna povratna informacija o pritisku omogućava robotima da bezbedno i neprimetno sarađuju sa ljudskim kolegama u fabričkim postavkama. Također obećava i za robotske operacije u visoko{7}}rizičnim okruženjima kao što su zdravstvena zaštita, odbrana, pomoć u katastrofama i istraživanje svemira-gdje slijepa automatizacija jednostavno neće raditi.
Primjena senzora pritiska u robotici
Senzori pritiska igraju osnovnu ulogu u modernoj robotici, ali se njihova vrijednost često podcjenjuje. Senzori pritiska obezbeđuju kontinuirano praćenje unutrašnjih pneumatskih i hidrauličkih pritisaka, spoljašnjih sila i uslova okoline. Ovo robotima pruža kritičnu povratnu informaciju, poboljšava interni nadzor, fleksibilnu kontrolu pokreta, interakciju sa okolinom i taktilnu percepciju. Ključna primena je proprioceptivni sensing, koji koristi merenja pritiska unutar zglobova za izračunavanje primenjenih obrtnih momenta i sila. Ove informacije o kretanju i opterećenju robota omogućavaju precizniju kontrolu, značajno povećavajući manipulativne sposobnosti i stabilnost robota. Roboti na{5}}pokrenuti tetivama koriste senzore pritiska za mjerenje napetosti tetiva, koja je direktno povezana sa silama koje se stvaraju na zglobovima. Tradicionalniji pristupi robotike uključuju ugradnju pretvarača tlaka za mjerenje razlika tlaka na spojevima i zaključivanje okretnog momenta.
Neki napredni sistemi primjenjuju ultra{0}}kompaktne mikro-elektro-senzore pritiska (MEMS) direktno na robotske zglobove kako bi pružili proprioceptivnu povratnu informaciju visoke{3}}rezolucije. Ova MEMS tehnologija senzora pritiska, uporediva sa biološkom propriocepcijom, omogućava robotima da budu svjesni vlastitih pokreta i uslova opterećenja. Slično tome, integracija MEMS senzora pritiska u vanjsku kožu robota pruža taktilnu povratnu informaciju o kontaktnim silama. Veliki nizovi senzora koji se sastoje od više pojedinačnih senzora pritiska pomažu mapirati distribuciju i veličinu sila koje djeluju na tijelo robota.
Ovi veliki senzorski nizovi omogućavaju robotima da adekvatno reaguju na fizički kontakt, u rasponu od nježnih dodira do destruktivnih sudara. Takvi taktilni sistemi "kože" koriste prilagodljive, fleksibilne matrice senzora pritiska kako bi robotima pružili sofisticiranu svijest o okolišu i ljudsku taktilnu percepciju. U drugim scenarijima interakcije, senzori diferencijalnog pritiska mogu se koristiti za otkrivanje i razlikovanje sudara. Mjereći fluktuacije pritiska unutar vazdušnih jastuka-napunjenih tečnošću, senzori mogu otkriti predstojeće udare i pomoći u pokretanju stabilizacijskih manevara. Ova tehnologija{6}}osjećanja sudara je također primjenjiva na meke robote koji nemaju čvrsti okvir. Kontrolom kontaktnih sila, senzori pritiska mogu dodatno pomoći robotima da sigurno reagiraju kada se sudare jedni s drugima ili s ljudima.
Senzori pritiska unutar robota koriste se za nadzor hidrauličnih i pneumatskih sistema, osiguravajući njihovu sposobnost kretanja. U isto vrijeme, abnormalni padovi tlaka mogu ukazivati na curenje, što omogućava održavanje i popravke prije nego što robot potpuno otkaže. Senzori protoka zasnovani na principu diferencijalnog pritiska mogu pratiti rad pumpi i motora. Promjene u visini i dubini mogu se otkriti kroz razlike tlaka dok se robot penje ili spušta. Ova senzorna povratna informacija podržava pouzdanu i stabilnu mobilnost. Nadalje, ako robot radi na otvorenom ili u teškim okruženjima, senzori pritiska ga mogu učiniti-otpornim na vremenske prilike.
Instaliranje MEMS senzora pritiska sa vodootpornim membranama unutar robota omogućava brzo otkrivanje prodiranja vode uzrokovane kišom ili poplavom prije nego što se električne komponente oštete. Robot tada poduzima akciju kako bi zaštitio svoje unutrašnje komponente ili šalje signal za pomoć.
Tehnološke inovacije pokreću napredak
Nekoliko velikih tehnoloških napretka omogućilo je širu i snažniju primjenu senzora pritiska u području robotike. MEMS proizvodnja omogućava korištenje visoke{1}}rezolucije i izuzetno kompaktnih senzora diferencijalnog pritiska koji mogu integrirati propriocepciju u robotske zglobove i aktuatore. Na primjer, MEMS senzori pritiska Superior Sensor Technology uključuju napredne funkcije kao što su digitalno filtriranje, kontrola zatvorene{3}}petlje i softversko-bazirano prebacivanje pritiska. Potpuno integrisani oblik ovih senzora pruža suštinski unutrašnji moment i povratnu vezu sile koja je potrebna za preciznu kontrolu pokreta i fleksibilnu manipulaciju objektom.
Fleksibilni nizovi senzora pritiska štampani pomoću kvantnih tunelskih kompozita, grafena ili drugih nanomaterijala takođe omogućavaju da elektronski sloj kože koji pokriva robota bude prilagodljiv i rastegljiv. Koža senzora napravljena od materijala kao što je lateks sa-nanocijevima može se protezati preko složenih spojeva i površina. Ovaj vještački osjećaj dodira, koji koristi fleksibilne štampane senzore, omogućava visoku-prostornu-rezoluciju, gusto mapiranje pritiska po cijelom tijelu robota. Precizno praćenje-poput kože omogućava robotima da sigurno detektuju, reaguju i komuniciraju s ljudima u scenarijima zajedničkog rada.
Što se tiče obrade podataka, napredne metode mašinskog učenja (ML), kao što su duboke neuronske mreže, mogu se koristiti za korištenje-podataka o pritisku u stvarnom vremenu iz nizova senzora radi optimizacije kontrole i odgovora. Računalni modeli koriste obrasce pritiska proprioceptivnih i taktilnih senzora za generiranje refleksivnih odgovora i direktnih pokreta robotskih ruku. Na primjer, jedna studija je koristila učenje s pojačanjem zasnovano na inputima pritiska kako bi trenirala robotsku ruku za obavljanje vrlo spretnih zadataka, kao što je kotrljanje lopte na dlanu.
Novi mekani aktuatori i hvataljke koji koriste tehnologiju fluoroelastomera uvelike se oslanjaju na praćenje pritiska u cijeloj strukturi kako bi se postigla precizna kontrola i povratna informacija. Ovi pneumatski meki robotski aktuatori, koji integriraju senzore pritiska, mogu se koristiti za nesmetano prilagođavanje predmetima koji se hvataju. Ova tehnologija omogućava sigurniju fizičku saradnju ljudi-robot u zajedničkim radnim okruženjima, dok upotreba tradicionalnih krutih robota u takvim okruženjima predstavlja značajne rizike.
Sa napretkom različitih tehnoloških inovacija, očekuje se da senzori pritiska postanu ključni integrisani mehanizam povratnih informacija ugrađen u buduću robotiku-u rasponu od industrijske automatizacije do medicinskih uređaja. Ljudi počinju prepoznavati potencijal brzih, prilagodljivih robota koje omogućavaju umjetni senzori dodira.
Roboti budućnosti: ljudski-poput taktilnog senzora
Kako senzori pritiska i integrisane tehnologije nastavljaju da se razvijaju, roboti opremljeni veštačkim senzorom dodira će revolucionisati mnoga polja:
Fleksibilnost-poput ljudi: Uz dovoljno podataka o taktilnom pritisku, roboti mogu postići vrlo ljudsku-fleksibilnost, manipulirajući objektima različitih težina, tekstura i oblika sa velikom preciznošću. Ova fleksibilnost će pokrenuti automatizaciju u poljima kao što su proizvodnja, skladištenje i hirurgija.
Operacije u opasnim okruženjima: Robusni roboti opremljeni integriranim senzorima pritiska mogu obavljati-rizične zadatke, kao što su rudarstvo,{1}}istraživanje dubokog mora, odgovor na katastrofe i svemirske misije u kojima bi direktno ljudsko učešće bilo izuzetno opasno. Podaci o pritisku pomažu robotima da adekvatno reaguju na različita složena okruženja i da im se bolje prilagode.
Besprekorna ljudska-kolaboracija robota: ultra-osjetljive na pritisak-kože će omogućiti budućim robotima da sigurno i neprimjetno sarađuju sa ljudskim kolegama. Tokom fizičkih interakcija, povratna sprega pritiska će ublažiti štetne kontaktne sile.
Pametna infrastruktura: Robotski inspektori opremljeni sa -osjetljivom kožom mogu se koristiti za praćenje vjetroturbina, naftovoda, mostova i druge infrastrukture. Podaci o tlaku mogu upozoriti operatere na sve kvarove koji se razvijaju.
Medicinske primjene: Taktilni senzori pritiska donijet će napredak u robotici za primjene kao što su hirurgija, protetika, rehabilitacija i pomoćni roboti{0}}područja gdje je sigurna interakcija s ljudima kritična.
Kako se troškovi smanjuju i tehnologije integracije napreduju, taktilni senzori pritiska mogu se integrirati zajedno s vizualnim, pozicionim i inercijskim senzorima, postajući standardni modalitet percepcije za napredne robote. Senzori pritiska omogućavaju budućim sposobnim i pristupačnim robotima da rade efikasno i sigurno zajedno s ljudima u dinamičnim okruženjima u stvarnom{1}}svijetu.
Zaključak
Senzori pritiska daju robotima kritične mogućnosti, uključujući taktilni senzor za reakciju interakcije i propriocepciju za fleksibilnu manipulaciju. Istovremeno, senzori pritiska obezbjeđuju podatke za kontinuirano praćenje unutrašnje hidraulike, vanjskih kontaktnih sila i uslova okoline, omogućavajući robotima da se kreću, rukuju predmetima i odgovaraju na fizičke podražaje s osjetljivošću poput ljudi-.
Kontinuirani napredak u fleksibilnim štampanim nizovima, MEMS senzorima i integraciji mašinskog učenja donijet će napredak u multimodalnoj robotskoj percepciji i besprijekornoj saradnji ljudskih{0}}robota. Kako se troškovi smanjuju, senzori pritiska pokazuju velika obećanja za integraciju standardnih načina povratne sprege u buduće robotske dizajne, s aplikacijama koje obuhvataju zdravstvo, industriju, pomoćnu tehnologiju, opasna okruženja i nadzor infrastrukture. Pružajući povratne informacije neophodne da roboti rade pouzdano, sigurno i inteligentno u dinamičnom fizičkom svijetu, senzori pritiska imaju ogroman potencijal za razvoj aplikacija.