Newsletter WObit

Elastyczne Czujniki Siły

Wzrastająca zależność od komputerów i innych elektronicznych urządzeń spowodowała powstanie nowego trendu, którym jest poszukiwanie intuicyjnego interfejsu łączącego człowieka z maszyną. Jako główne zadanie postawiono sobie uproszczenie interfejsu i stworzenie nowatorskich metod komunikacji z maszyną. Pośród technologii rozwijanych i udoskonalanych są graficzne interfejsy użytkownika, rozpoznawanie głosu, ekrany dotykowe i systemy informujące o sile nacisku.

Na końcu listy została umieszczona haptyka. Jest to słowo pochodzenia Greckiego i odnosi się do zmysłu dotyku. Badania haptyki miały bardzo duży wpływ na rozwój wirtualnej rzeczywistości i przyczyniły się do powstania egzotycznej mieszanki fizjologii, psychologii i inżynierii. Do niedawna opisywana technologia była zarezerwowana tylko dla wojska, a zwłaszcza dla aplikacji lotniczych, np. symulatorów lotów. Jednym z powodów takiej sytuacji jest wyszukana (i droga) technologia czujników potrzebnych do stworzenia rzeczywistości wirtualnej, która sprawiałaby wrażenie prawdziwej.

Czujnik siły i nacisku musi być elastyczny, łatwy do instalacji i tak niedostrzegalny dla użytkownika jak to tylko możliwe. Najlepiej gdyby mógł być umieszczane bezpośrednio na przedmiocie lub pomiędzy przedmiotem, a obiektem badanym, generując minimalny wpływ na mierzone siły. Wczesne generacje dotykowych czujników pojemnościowych i piezorezystancyjnych były grube i często przeszkadzały w pomiarach. Często niewystarczająca była rozdzielczość przestrzenna, konieczna do zaoferowania prawdziwego czucia aplikowanych sił i nacisków.

Nowa technologia

Elastyczne i cienkie, rezystancyjne czujniki siły i nacisku zostały nadrukowane na poliestrowym podłożu. Czujniki produkowane przez firmę Tekscan dostępne są w wykonaniach jedno i wielopunktowych (rys.1). 100µm grubości wywołuje bardzo nieznaczny wpływ na realizowany pomiar siły i nacisku.

Dogłębnie przestudiowano teorię rezystancji kontaktu elektrycznego. Dowiedziano się, że rezystancja kontaktowa R_c , jest opisana przez wzór:
gdzie:
- rezystancja powierzchni kontaktowych
F - siła normalna przyłożona do powierzchni kontaktowej
K - funkcja chropowatości i elastyczności powierzchni

Definiujemy nowy czynnik GF_c, charakteryzujący czułość siły kontaktu czujników piezorezystancyjnych:
Widać że dla stałego układy chropowatości i elastyczności powierzchni K, im niższa rezystancja powierzchni kontaktowej ρ, tym większa czułość siły GF_c czujnika piezorezystancyjnego. Ten efekt może być użyty w celu stworzenia czujników siły o różnych czułościach. Przewodność opisywanych czujników może być dostosowana tak, żeby różnić się od zera, dla zerowych sił zewnętrznych, do setek microSiemensów dla maksymalnych sił, które będą mogą być zaaplikowane. Elektronika ze zmiennym wzmocnieniem może być użyta do detekcji tego zakresu przewodności.

Konstrukcja i użytkowanie

Czujniki składają się ze ścieżek srebra nadrukowanych w formie macierzy. Macierz tworzą krzyżujące się wiersze i kolumny. Dodatkowa warstwa półprzewodnikowego atramentu zapewnia elektryczną rezystancję w miejscach przecięcia ścieżek macierzy. Składając te dwie powłoki razem tworzymy tablicę czujnika.

W momencie przyłożenia siły rejestrowana jest zmiana rezystancji. Wyjście rezystancyjne jest sczytywane i wyświetlane graficznie na PC za pomocą multipleksującego hardware’u opartego na obwodzie mikroprocesorowym. Modyfikując formułę atramentu można produkować różne zakresy czułości; zmieniając odstępy pomiędzy wierszami i kolumnami uzyskujemy zróżnicowaną rozdzielczość przestrzenną.

Czujniki zostały wykonane z rozdzielczością przestrzenną na poziomie 0,0229 mm². Również częstotliwość próbkowania jest zmienna; zostały stworzone systemy próbkujące powyżej 470,000 elementów, idealne do aplikacji badawczych.

Jednoelementowe czujniki siły Tekscana stworzone z wykorzystaniem tej samej technologii, która jest używana do pomiarów przy użyciu systemów czujników opartych na macierzy, są cienkie, elastyczne i przycinalne. Mogą być wykonywane w niestandardowych kształtach w celu użycia ich w aplikacjach OEM, takich jak inteligentne przyciski membranowe, pompy infuzyjne i pedały. Z prostym obwodem (patrz rys) standardowe czujniki siły mogą mierzyć siłe aż do 1000lb.

Aplikacje

Macierzowe czujniki mogą dokonywać pomiaru statycznego oraz dynamicznego rozkładu sił nacisku bieżnika opon w celu odpowiedniego ustawienia zawieszenia pojazdów wyścigowych, projektowania maszyn do odlewania i produkcji opon.

Producenci obuwia i sprzętu ortopedycznego mogą używać specjalnie zaprojektowanych czujników, które umieszcza się wewnątrz butów klienta, by w czasie rzeczywistym wyświetlać informacje o rozkładzie nacisku, co pozwala na poprawę jakości produktu.

Integracja wewnątrz protezy pomaga terapeutom, technikom, a nawet samemu pacjentowi ocenić dopasowanie nowego ramienia lub nogi.

Jednopunktowe czujniki siły mogą być zintegrowane w joystickach, w celu detekcji poziomu przyłożonej siły, dodając dodatkowy wymiar w komunikacji pomiędzy komputerem a człowiekiem w grach video. Na przykład przyłożenie większej siły na joystick może powodować wzrost prędkości pojazdu w grze. Projektanci gier wiedzą najlepiej, że sukces ich produktu zależy w dużej mierze od tego, jak bardzo przekonująca jest gra i jak bardzo rzeczywiste są odczucia gracza.

Czujniki są czułe na szybkie ruchy, zatem ich częstotliwość próbkowania może wynosić nawet 10kHz. Ma to z kolei wpływ na ich zastosowanie w treningu tańca, boksu lub nawet w symulacji wirtualnej bitwy.

Technologia wykrywania siły stała się niezwykle potrzebna w aplikacjach medycznych. Czujniki mogą być umieszczane w ciele pacjenta w celu pomiaru sił aplikowanych podczas zabiegów chirurgicznych, na przykład takich jak zszywanie. Mogą być także adaptowane tak aby wskazywały, że użyta siła nie jest wystarczająco duża do przekłucia lub w innym przypadku zniszczenia delikatnej tkanki. W „wirtualnej chirurgii” chirurg steruje ramieniem robota wyposażonym w czujniki siły, i dokonuje odpowiednich ustawień w trakcie trwania procedury medycznej bazując na danych pochodzących ze sprzężenia zwrotnego.

Podsumowanie

Nowa generacja cienkich czujników siły i nacisku znajduje zastosowanie w R&D, rozrywce, medycynie oraz na produkcji. Elastyczne i niezauważalne, są dostępne w różnych zakresach mierzonych sił i ciśnień. Czujniki dostarczają szybkiego sprzężenia zwrotnego, o wysokiej rozdzielczości przestrzennej. Są jednocześnie zdolne do detekcji wartości przyłożonej siły oraz kierunku ruchu. Opisywane czujniki firmy Tekscan udowodniły swój nieoceniony wkład w badaniach dotyku i aplikacjach wirtualnej rzeczywistości.

wróć do listy artykułów
wróć na stronę główną