برای دهه ها، ربات های صنعتی و خدماتی به شدت به سیستم های بینایی و حسگرهای اینرسی برای درک و تعامل با جهان اطراف خود متکی بوده اند. با این حال، این روشها فاقد حس لامسه حیاتی-مانند انسان هستند.
رباتهایی که فقط به دوربینها و شتابسنجها مجهز هستند، نمیتوانند دادههایی را در مورد بافت سطحی اجسام جمعآوری کنند، نیروهای فیزیکی لمسی را تشخیص دهند یا بازخورد حس عمقی را در مورد حرکت و موقعیت مفاصل خود دریافت کنند. این فقدان آگاهی لمسی توانایی یک ربات را برای حرکت سازگارانه در محیط های پیچیده، رسیدگی به اشیاء انعطاف پذیر و پاسخ مناسب-و ایمن{2}} به تماس بین اعضای بدن خود و اشیاء اطراف را بسیار محدود می کند.
به گفته مشاور MEMS، حسگرهای فشار را می توان برای ارائه بازخورد لمسی حیاتی به روبات ها استفاده کرد و در نتیجه قابلیت های آنها را افزایش داد. نظارت مداوم بر فشارهای پنوماتیکی و هیدرولیکی در مفاصل و محرکهای ربات، بازخورد حس عمقی را در مورد سطوح حرکت و گشتاور خود به ربات میدهد. این بازخورد کنترل حرکت پیشرفته و اعمال نیروهای مشترک هدفمند را امکان پذیر می کند.
پوشش سطح ربات با آرایه ای منطبق و انعطاف پذیر از حسگرهای فشار، نوعی لمس مصنوعی ایجاد می کند. لایهای مانند پوست{1}}از حسگرهای فشار میتواند نیروهای خارجی ناشی از تماس، تعامل انسان-روبات یا برخورد را شناسایی و نقشهبرداری کند و ربات را قادر میسازد تا به این نیروها پاسخ دهد. با دادههای فشار کافی که در حلقه کنترل ادغام شدهاند، روباتها میتوانند{4}}به انعطافپذیری و سازگاری انسانی دست یابند. بازخورد فشار لمسی ربات ها را قادر می سازد تا به طور ایمن و یکپارچه با همکاران انسانی در تنظیمات کارخانه همکاری کنند. همچنین برای عملیات رباتیک در محیطهای پرخطر مانند مراقبتهای بهداشتی، دفاعی، کمکرسانی به بلایای طبیعی، و اکتشاف فضایی-که در آنها اتوماسیون کور به سادگی کار نمیکند، نوید زیادی دارد.
کاربرد سنسورهای فشار در رباتیک
سنسورهای فشار نقش اساسی در روباتیک مدرن دارند، اما ارزش آنها اغلب دست کم گرفته می شود. سنسورهای فشار نظارت مستمر فشارهای پنوماتیکی و هیدرولیکی داخلی، نیروهای خارجی و شرایط محیطی را فراهم می کنند. این به روباتها بازخورد حیاتی، افزایش نظارت داخلی، کنترل حرکت انعطافپذیر، تعامل محیطی و ادراک لمسی را ارائه میدهد. یک کاربرد کلیدی حس عمقی است که از اندازه گیری فشار در مفاصل برای محاسبه گشتاورها و نیروها استفاده می کند. این اطلاعات در مورد حرکت و بار ربات کنترل دقیق تری را امکان پذیر می کند و به طور قابل توجهی قابلیت های دستکاری و پایداری ربات را افزایش می دهد. رباتهای تاندون{5}}از حسگرهای فشار برای اندازهگیری کشش تاندون استفاده میکنند که مستقیماً با نیروهای ایجاد شده در مفاصل مرتبط است. رویکردهای سنتی رباتیک شامل نصب مبدل های فشار برای اندازه گیری اختلاف فشار در اتصالات و استنتاج گشتاور است.
برخی از سیستمهای پیشرفته، حسگرهای فشار-فشار میکرو-الکترو{2}}سیستمهای مکانیکی فوقالعاده فشرده (MEMS) را مستقیماً روی مفاصل روباتیک اعمال میکنند تا بازخورد حس عمقی با وضوح بالا- ارائه دهند. این فناوری حسگر فشار MEMS، قابل مقایسه با حس عمقی بیولوژیکی، ربات ها را قادر می سازد تا از حرکات و شرایط بار خود آگاه باشند. به طور مشابه، ادغام سنسورهای فشار MEMS در پوست خارجی ربات، بازخورد لمسی در مورد نیروهای تماس را فراهم می کند. آرایههای حسگر بزرگ شامل چندین حسگر فشار فردی به ترسیم توزیع و بزرگی نیروهای وارد بر بدن ربات کمک میکنند.
این آرایههای حسگر بزرگ، رباتها را قادر میسازد تا به تماس فیزیکی، از لمسهای ملایم تا برخوردهای مخرب، واکنش مناسب نشان دهند. چنین سیستمهای لمسی «پوست» از ماتریسهای حسگر فشار منعطف و منطبق استفاده میکنند تا به روباتها آگاهی محیطی پیچیده و ادراک لمسی{1}}مانند انسان ارائه دهند. در سناریوهای تعامل دیگر، سنسورهای فشار دیفرانسیل می توانند برای تشخیص و تشخیص برخوردها استفاده شوند. با اندازهگیری نوسانات فشار در کیسههای هوای پر از مایع{{4}، حسگرها میتوانند ضربههای قریبالوقوع را تشخیص دهند و به راهاندازی مانورهای تثبیتکننده کمک کنند. این فناوری سنجش برخورد برای روباتهای نرمی که قاب سختی ندارند نیز قابل استفاده است. با کنترل نیروهای تماسی، حسگرهای فشار میتوانند به رباتها در هنگام برخورد با یکدیگر یا با انسان کمک کنند تا با خیال راحت واکنش نشان دهند.
سنسورهای فشار داخل ربات ها برای نظارت بر سیستم های هیدرولیک و پنوماتیک استفاده می شود و از توانایی حرکت آنها اطمینان می یابد. در عین حال، افت غیرعادی فشار میتواند نشاندهنده نشتی باشد که امکان نگهداری و تعمیرات را قبل از از کار افتادن کامل ربات فراهم میکند. سنسورهای جریان بر اساس اصل فشار دیفرانسیل می توانند عملکرد پمپ ها و موتورها را نظارت کنند. تغییرات در ارتفاع و عمق را می توان از طریق اختلاف فشار در هنگام صعود یا پایین آمدن ربات تشخیص داد. این بازخورد حسی از تحرک قابل اعتماد و پایدار پشتیبانی می کند. علاوه بر این، اگر یک ربات در فضای باز یا در محیط های خشن کار کند، حسگرهای فشار می توانند آن را در برابر آب و هوا مقاوم کنند.
نصب حسگرهای فشار MEMS با غشاهای ضد آب در داخل ربات امکان تشخیص سریع ورود آب ناشی از باران یا سیل را قبل از آسیب دیدن اجزای الکتریکی فراهم می کند. سپس ربات برای محافظت از اجزای داخلی خود اقدام می کند یا یک سیگنال پریشانی ارسال می کند.
نوآوری های تکنولوژیک باعث پیشرفت می شود
چندین پیشرفت تکنولوژیکی بزرگ، کاربرد گسترده و قدرتمندتر حسگرهای فشار را در زمینه رباتیک تسهیل کرده است. تولید MEMS استفاده از حسگرهای فشار تفاضلی با وضوح بالا و بسیار فشرده را ممکن میسازد که میتوانند حس عمقی را در مفاصل روباتیک و محرکها ادغام کنند. به عنوان مثال، حسگرهای فشار MEMS متعلق به Superior Sensor Technology دارای ویژگیهای پیشرفتهای مانند فیلتر دیجیتال، کنترل حلقه بسته و سوئیچینگ فشار مبتنی بر نرمافزار هستند. فرم کاملاً یکپارچه این سنسورها گشتاور داخلی و بازخورد نیروی ضروری مورد نیاز برای کنترل حرکت دقیق و دستکاری جسم انعطاف پذیر را فراهم می کند.
آرایههای حسگر فشار انعطافپذیر که با استفاده از کامپوزیتهای تونلزنی کوانتومی، گرافن یا سایر مواد نانو چاپ میشوند، لایه پوست الکترونیکی را که روبات را پوشش میدهد، سازگار و کششپذیر میسازد. پوسته های حسگر ساخته شده از موادی مانند لاتکس تزریق شده با نانولوله-می توانند در مفاصل و سطوح پیچیده کشیده شوند. این حس مصنوعی لامسه، با استفاده از حسگرهای چاپی انعطافپذیر، نقشهبرداری فشار متراکم و وضوح بالا در کل بدن ربات را امکانپذیر میکند. ردیابی دقیق پوست{6}}به رباتها اجازه میدهد تا در سناریوهای کاری مشترک، به طور ایمن انسانها را شناسایی کرده، واکنش نشان دهند و با آنها تعامل داشته باشند.
در مورد پردازش دادهها، روشهای پیشرفته یادگیری ماشین (ML) مانند شبکههای عصبی عمیق، میتوانند برای استفاده از دادههای فشار زمان واقعی از آرایههای حسگر برای بهینهسازی کنترل و پاسخ استفاده شوند. مدلهای محاسباتی از الگوهای فشار از حسگرهای حس عمقی و لمسی برای تولید پاسخهای انعکاسی و مستقیم حرکات بازوی رباتیک استفاده میکنند. به عنوان مثال، یک مطالعه از یادگیری تقویتی بر اساس ورودی های فشار برای آموزش یک بازوی رباتیک برای انجام کارهای بسیار ماهرانه مانند چرخاندن یک توپ در کف دست استفاده کرد.
محرکها و گیرههای نرم جدید با استفاده از فناوری فلوئوروالاستومر به شدت به نظارت بر فشار در کل ساختار برای دستیابی به کنترل و بازخورد دقیق متکی هستند. این محرکهای رباتیک نرم پنوماتیک، که حسگرهای فشار را ادغام میکنند، میتوانند برای تطبیق هموار با اجسام در دست استفاده شوند. این فناوری امکان همکاری ربات{2}}ایمنتر با انسان فیزیکی را در محیطهای کاری مشترک فراهم میکند، در حالی که استفاده از روباتهای سفت و سخت سنتی در چنین تنظیماتی خطرات قابلتوجهی دارد.
با پیشرفت نوآوریهای مختلف فناوری، انتظار میرود حسگرهای فشار به یک مکانیسم بازخورد یکپارچه کلیدی در رباتیک آینده تبدیل شوند{0}}از اتوماسیون صنعتی گرفته تا دستگاههای پزشکی. مردم شروع به تشخیص پتانسیل روباتهای پاسخگو و سازگار با حسگرهای لمسی مصنوعی کردهاند.
روباتهای آینده: انسان{0}}مانند حس لامسه
با ادامه تکامل سنسورهای فشار و فناوریهای یکپارچه، رباتهای مجهز به حسگر لمس مصنوعی، بسیاری از زمینهها را متحول خواهند کرد:
انعطافپذیری{0}مثل انسان: با دادههای فشار لمسی کافی، روباتها میتوانند به انعطافپذیری بسیار انسانی- دست پیدا کنند و اجسام با وزنها، بافتها و اشکال مختلف را با دقت بالا دستکاری کنند. این انعطافپذیری منجر به اتوماسیون در زمینههایی مانند تولید، انبارداری و جراحی میشود.
عملیات در محیطهای خطرناک: رباتهای مقاوم مجهز به حسگرهای فشار یکپارچه میتوانند کارهای پرخطری مانند استخراج، اکتشاف در عمق دریا، واکنش به بلایا و مأموریتهای فضایی را انجام دهند که در آن دخالت مستقیم انسان بسیار خطرناک است. دادههای فشار به رباتها کمک میکند تا به محیطهای پیچیده مختلف واکنش مناسب نشان دهند و بهتر با آنها سازگار شوند.
انسان بدون درز-همکاری ربات: پوستهای بسیار حساس{1}فشار-روباتهای آینده را قادر میسازد تا به طور ایمن و یکپارچه با همکاران انسانی همکاری کنند. در طول فعل و انفعالات فیزیکی، بازخورد فشار نیروهای تماس مضر را کاهش می دهد.
زیرساخت هوشمند: بازرسان رباتیک مجهز به پوستههای حسگر فشار{0}}میتوانند برای نظارت بر توربینهای بادی، خطوط لوله نفت، پلها و سایر زیرساختها استفاده شوند. دادههای فشار میتوانند اپراتورها را از هرگونه نقص در حال توسعه آگاه کنند.
کاربردهای پزشکی: حسگرهای فشار لمسی پیشرفتهایی را در رباتیک برای کاربردهایی مانند جراحی، پروتز، توانبخشی و رباتهای کمکی{0}}در مناطقی که تعامل ایمن با انسانها حیاتی است، ایجاد میکنند.
با کاهش هزینهها و پیشرفت فناوریهای یکپارچهسازی، حسگرهای فشار لمسی ممکن است در کنار حسگرهای بصری، موقعیت و اینرسی ادغام شوند و به یک روش درک استاندارد برای روباتهای پیشرفته تبدیل شوند. حسگرهای فشار، رباتهای قابل دسترس و قابل دسترسی آینده را قادر میسازند تا در محیطهای{1}}دنیای پویا و واقعی، به طور مؤثر و ایمن در کنار انسانها کار کنند.
نتیجه گیری
سنسورهای فشار، قابلیتهای حیاتی را برای روباتها فراهم میکنند، از جمله حسگر لمسی برای تعاملات پاسخگو و حس عمقی برای دستکاری انعطافپذیر. در عین حال، سنسورهای فشار دادههایی را برای نظارت مستمر هیدرولیک داخلی، نیروهای تماس خارجی و شرایط محیطی فراهم میکنند و به رباتها امکان میدهند حرکت کنند، اشیا را مدیریت کنند و به محرکهای فیزیکی با حساسیت انسانی- پاسخ دهند.
پیشرفتهای مستمر در آرایههای چاپی انعطافپذیر، حسگرهای MEMS و ادغام یادگیری ماشین، پیشرفتهایی را در ادراک روباتیک چندوجهی و همکاری یکپارچه ربات-انسان ایجاد میکند. با کاهش هزینهها، حسگرهای فشار برای ادغام حالتهای بازخورد استاندارد در طرحهای رباتیک آینده، با برنامههایی که شامل مراقبتهای بهداشتی، صنعت، فناوریهای کمکی، محیطهای خطرناک و نظارت بر زیرساختها میشوند، نوید زیادی را نشان میدهند. حسگرهای فشار با ارائه بازخورد لازم برای عملکرد قابل اعتماد، ایمن و هوشمندانه ربات ها در دنیای فیزیکی پویا، پتانسیل بسیار زیادی برای توسعه برنامه دارند.