Durant dècades, els robots industrials i de serveis han confiat molt en sistemes de visió i sensors inercials per percebre i interactuar amb el món que els envolta. Tanmateix, aquests mètodes no tenen el sentit crític del tacte humà-.
Els robots equipats només amb càmeres i acceleròmetres no poden recopilar dades sobre la textura superficial dels objectes, detectar forces físiques tàctils ni obtenir retroalimentació propioceptiva sobre el seu propi moviment i les posicions de les articulacions. Aquesta manca de consciència tàctil limita enormement la capacitat d'un robot de moure's de manera adaptativa en entorns complexos, manejar objectes amb flexibilitat i respondre de manera adequada-i amb seguretat- al contacte entre les parts del seu cos i els objectes que l'envolten.
Segons MEMS Consulting, els sensors de pressió es poden utilitzar per proporcionar als robots una retroalimentació tàctil crítica, ampliant així les seves capacitats. La supervisió contínua de les pressions pneumàtiques i hidràuliques dins de les articulacions i actuadors d'un robot proporciona al robot una retroalimentació propioceptiva sobre el seu propi moviment i nivells de parell. Aquesta retroalimentació permet un control avançat del moviment i l'aplicació de forces conjuntes dirigides.
El recobriment de la superfície d'un robot amb una sèrie flexible i adaptable de sensors de pressió crea una forma de tacte artificial. Una capa-de sensors de pressió semblant a la pell pot detectar i mapejar forces externes resultants del contacte, la interacció-del robot humà o les col·lisions, la qual cosa permet que el robot respongui a aquestes forces. Amb dades de pressió suficients integrades al bucle de control, els robots poden aconseguir flexibilitat i adaptabilitat com les-humanes. La retroalimentació tàctil de la pressió permet als robots col·laborar de manera segura i perfecta amb col·legues humans a la configuració de fàbrica. També és molt prometedor per a les operacions robòtiques en entorns-d'alt risc com ara l'assistència sanitària, la defensa, l'ajuda en cas de desastres i l'exploració espacial-on l'automatització cega simplement no funcionarà.
Aplicacions dels sensors de pressió en robòtica
Els sensors de pressió tenen un paper fonamental en la robòtica moderna, però sovint se'n subestima el valor. Els sensors de pressió proporcionen un seguiment continu de les pressions pneumàtiques i hidràuliques internes, les forces externes i les condicions ambientals. Això proporciona als robots comentaris crítics, millorant el control intern, el control flexible del moviment, la interacció ambiental i la percepció tàctil. Una aplicació clau és la detecció propioceptiva, que utilitza mesures de pressió dins de les articulacions per calcular parells i forces aplicades. Aquesta informació sobre el moviment i la càrrega del robot permet un control més precís, millorant significativament les capacitats de manipulació i l'estabilitat del robot. Els robots-accionats per tendons utilitzen sensors de pressió per mesurar la tensió dels tendons, que està directament relacionada amb les forces generades a les articulacions. Els enfocaments de robòtica més tradicionals impliquen la instal·lació de transductors de pressió per mesurar els diferencials de pressió a les articulacions i inferir el parell.
Alguns sistemes avançats apliquen sensors de pressió ultra-micro-electro-mecànics (MEMS) directament a les articulacions robòtiques per proporcionar retroalimentació propioceptiva d'alta-resolució. Aquesta tecnologia de sensor de pressió MEMS, comparable a la propiocepció biològica, permet als robots ser conscients dels seus propis moviments i condicions de càrrega. De la mateixa manera, la integració de sensors de pressió MEMS a la pell externa del robot proporciona retroalimentació tàctil sobre les forces de contacte. Les grans matrius de sensors que inclouen diversos sensors de pressió individuals ajuden a mapejar la distribució i la magnitud de les forces que actuen sobre el cos del robot.
Aquestes grans matrius de sensors permeten als robots respondre adequadament al contacte físic, que van des de tocs suaus fins a col·lisions destructives. Aquests sistemes de "pell" tàctils utilitzen matrius de sensors de pressió flexibles i adaptables per proporcionar als robots una consciència ambiental sofisticada i una percepció tàctil-com la humana. En altres escenaris d'interacció, es poden utilitzar sensors de pressió diferencial per detectar i distingir col·lisions. En mesurar les fluctuacions de pressió dins de les coixins d'aire-omples de líquid, els sensors poden detectar impactes imminents i ajudar a desencadenar maniobres d'estabilització. Aquesta tecnologia-de detecció de col·lisions també s'aplica als robots tous que no tenen un marc rígid. En controlar les forces de contacte, els sensors de pressió poden ajudar encara més els robots a respondre amb seguretat quan xoquen entre ells o amb humans.
Els sensors de pressió dins dels robots s'utilitzen per controlar sistemes hidràulics i pneumàtics, garantint la seva capacitat de moviment. Al mateix temps, les caigudes anormals de pressió poden indicar fuites, cosa que permet el manteniment i les reparacions abans que el robot falli completament. Els sensors de flux basats en el principi de pressió diferencial poden controlar el funcionament de bombes i motors. Els canvis d'alçada i profunditat es poden detectar mitjançant els diferencials de pressió a mesura que el robot puja o baixa. Aquesta retroalimentació sensorial admet una mobilitat fiable i estable. A més, si un robot funciona a l'aire lliure o en entorns difícils, els sensors de pressió poden fer-lo resistent a la intempèrie-.
La instal·lació de sensors de pressió MEMS amb membranes impermeables a l'interior del robot permet una detecció ràpida de l'entrada d'aigua causada per la pluja o les inundacions abans que es danyin els components elèctrics. Aleshores, el robot pren mesures per protegir els seus components interns o envia un senyal de socors.
Les innovacions tecnològiques impulsen el progrés
Diversos avenços tecnològics importants han facilitat l'aplicació més àmplia i potent dels sensors de pressió en el camp de la robòtica. La fabricació de MEMS permet l'ús de sensors de pressió diferencial d'alta-resolució i extremadament compactes que poden integrar la propiocepció en articulacions i actuadors robòtics. Per exemple, els sensors de pressió MEMS de Superior Sensor Technology incorporen funcions avançades com ara el filtratge digital, el control de-bucle tancat i la commutació de pressió-basada en programari. La forma totalment integrada d'aquests sensors proporciona el parell intern essencial i la retroalimentació de força necessària per a un control precís del moviment i una manipulació flexible d'objectes.
Les matrius de sensors de pressió flexibles impreses amb compostos de túnel quàntic, grafè o altres nanomaterials també permeten que la capa de pell electrònica que cobreix el robot sigui adaptable i estirable. Les pells de sensor fetes amb materials com ara el làtex-infusa de nanotubs poden estendre's per articulacions i superfícies complexes. Aquest sentit artificial del tacte, que utilitza sensors impresos flexibles, permet un mapatge de pressió densa i d'alta resolució-espacial- a tot el cos del robot. El seguiment precís, semblant a la pell-, permet als robots detectar, reaccionar i interactuar amb els humans de manera segura en escenaris de treball col·laboratiu.
Pel que fa al processament de dades, es poden utilitzar mètodes avançats d'aprenentatge automàtic (ML), com ara xarxes neuronals profundes, per utilitzar les dades de pressió en temps real-de les matrius de sensors per optimitzar el control i la resposta. Els models computacionals utilitzen patrons de pressió de sensors propioceptius i tàctils per generar respostes reflexives i dirigir els moviments del braç robòtic. Per exemple, un estudi va utilitzar l'aprenentatge de reforç basat en les entrades de pressió per entrenar un braç robòtic per realitzar tasques molt destreses, com ara fer rodar una pilota al palmell de la mà.
Els nous actuadors i pinces suaus que utilitzen la tecnologia de fluoroelastòmer depenen en gran mesura del control de la pressió a tota l'estructura per aconseguir un control i una retroalimentació precisos. Aquests actuadors robòtics suaus pneumàtics, que integren sensors de pressió, es poden utilitzar per adaptar-se sense problemes als objectes que s'agafen. Aquesta tecnologia permet una col·laboració física més segura de robots-humans en entorns de treball compartits, mentre que l'ús de robots rígids tradicionals en aquests entorns comporta riscos importants.
Amb l'avenç de diverses innovacions tecnològiques, s'espera que els sensors de pressió es converteixin en un mecanisme de retroalimentació integrat clau integrat en la robòtica futura-des de l'automatització industrial fins a dispositius mèdics. La gent comença a reconèixer el potencial dels robots responsius i adaptatius habilitats per sensors tàctils artificials.
Robots del futur: com els humans-detecció tàctil
A mesura que els sensors de pressió i les tecnologies integrades continuen evolucionant, els robots equipats amb sensors tàctils artificials revolucionaran molts camps:
Flexibilitat-com els humans: amb suficients dades de pressió tàctil, els robots poden aconseguir una flexibilitat-altament humana, manipulant objectes de diversos pesos, textures i formes amb alta precisió. Aquesta flexibilitat impulsarà l'automatització en camps com la fabricació, l'emmagatzematge i la cirurgia.
Operacions en entorns perillosos: els robots resistents equipats amb sensors de pressió integrats poden dur a terme tasques d'alt-risc, com ara mineria, exploració-del mar profund, resposta a desastres i missions espacials on la implicació humana directa seria extremadament perillosa. Les dades de pressió ajuden els robots a respondre adequadament a diversos entorns complexos i adaptar-s'hi millor.
Col·laboració humana-robot perfecta: les pells sensibles a la pressió-ultra-sensibles permetran que els futurs robots col·laborin de manera segura i perfecta amb col·legues humans. Durant les interaccions físiques, la retroalimentació de pressió mitigarà les forces de contacte nocives.
Infraestructura intel·ligent: els inspectors robòtics equipats amb capes de detecció de pressió-es poden utilitzar per supervisar turbines eòliques, oleoductes, ponts i altres infraestructures. Les dades de pressió poden alertar els operadors de qualsevol mal funcionament.
Aplicacions mèdiques: els sensors de pressió tàctils generaran avenços en robòtica per a aplicacions com ara cirurgia, pròtesis, rehabilitació i robots d'assistència-en les quals la interacció segura amb els humans és fonamental.
A mesura que els costos disminueixen i les tecnologies d'integració avancen, els sensors de pressió tàctils es poden integrar juntament amb els sensors visuals, de posició i inercials, convertint-se en una modalitat de percepció estàndard per als robots avançats. Els sensors de pressió permeten que els robots futurs capaços i accessibles funcionin de manera eficient i segura al costat dels humans en entorns dinàmics i-del món real.
Conclusió
Els sensors de pressió proporcionen als robots capacitats crítiques, inclosa la detecció tàctil per a interaccions sensibles i la propiocepció per a una manipulació flexible. Al mateix temps, els sensors de pressió proporcionen dades per al seguiment continu de la hidràulica interna, les forces de contacte externes i les condicions ambientals, cosa que permet als robots moure's, manejar objectes i respondre als estímuls físics amb sensibilitat-com la humana.
Els avenços continuats en matrius impreses flexibles, sensors MEMS i integració d'aprenentatge automàtic impulsaran avenços en la percepció robòtica multimodal i la col·laboració entre robots-humans sense problemes. A mesura que els costos disminueixen, els sensors de pressió mostren una gran promesa per integrar els modes de retroalimentació estàndard en futurs dissenys robòtics, amb aplicacions que abasten sanitat, indústria, tecnologia d'assistència, entorns perillosos i monitorització d'infraestructures. En proporcionar la retroalimentació necessària perquè els robots funcionin de manera fiable, segura i intel·ligent en un món físic dinàmic, els sensors de pressió tenen un potencial immens per al desenvolupament d'aplicacions.