На протяжении десятилетий промышленные и обслуживающие роботы в значительной степени полагались на системы машинного зрения и инерционные датчики для восприятия окружающего мира и взаимодействия с ним. Однако этим методам не хватает критического человеческого-чувства осязания.
Роботы, оснащенные только камерами и акселерометрами, не могут собирать данные о текстуре поверхности объектов, обнаруживать тактильные физические силы или получать проприоцептивную обратную связь о собственных движениях и положениях суставов. Отсутствие тактильной осведомленности значительно ограничивает способность робота адаптивно двигаться в сложных условиях, гибко обращаться с объектами и адекватно-и безопасно-реагировать на контакт между частями своего тела и окружающими объектами.
По данным MEMS Consulting, датчики давления могут использоваться для обеспечения роботов критической тактильной обратной связью, тем самым расширяя их возможности. Непрерывный мониторинг пневматического и гидравлического давления в суставах и приводах робота обеспечивает роботу проприоцептивную обратную связь относительно уровня его собственного движения и крутящего момента. Эта обратная связь обеспечивает расширенный контроль движений и применение целевых суставных усилий.
Покрытие поверхности робота гибким набором датчиков давления создает своего рода искусственное прикосновение. Слой датчиков давления,-подобный коже, может обнаруживать и отображать внешние силы, возникающие в результате контакта, взаимодействия человека-робота или столкновений, позволяя роботу реагировать на эти силы. Благодаря достаточному количеству данных о давлении, интегрированных в контур управления, роботы могут достичь гибкости и адаптируемости,-подобных человеческим. Тактильная обратная связь по давлению позволяет роботам безопасно и беспрепятственно сотрудничать с коллегами-людьми в заводских условиях. Это также открывает большие перспективы для роботизированных операций в средах с высоким уровнем-риска, таких как здравоохранение, оборона, помощь при стихийных бедствиях и исследование космоса,-где слепая автоматизация просто не работает.
Применение датчиков давления в робототехнике
Датчики давления играют фундаментальную роль в современной робототехнике, однако их ценность часто недооценивается. Датчики давления обеспечивают непрерывный мониторинг внутреннего пневматического и гидравлического давления, внешних сил и условий окружающей среды. Это обеспечивает роботам критическую обратную связь, улучшает внутренний мониторинг, гибкое управление движением, взаимодействие с окружающей средой и тактильное восприятие. Ключевым применением является проприоцептивное зондирование, которое использует измерения давления внутри суставов для расчета приложенных крутящих моментов и сил. Эта информация о движении и нагрузке робота обеспечивает более точное управление, значительно улучшая манипулятивные возможности и устойчивость робота. Роботы с сухожильным-приводом используют датчики давления для измерения натяжения сухожилий, которое напрямую связано с силами, возникающими в суставах. Более традиционные подходы к робототехнике включают установку датчиков давления для измерения перепада давления в суставах и определения крутящего момента.
В некоторых передовых системах используются ультра-компактные микро-электро-датчики давления МЭМС непосредственно к роботизированным суставам для обеспечения проприоцептивной обратной связи с высоким-разрешением. Эта технология датчика давления MEMS, сравнимая с биологической проприоцепцией, позволяет роботам осознавать свои собственные движения и условия нагрузки. Аналогично, интеграция датчиков давления MEMS во внешнюю оболочку робота обеспечивает тактильную обратную связь относительно контактных сил. Большие массивы датчиков, состоящие из нескольких отдельных датчиков давления, помогают составить карту распределения и величины сил, действующих на тело робота.
Эти большие массивы датчиков позволяют роботам адекватно реагировать на физический контакт, от нежных прикосновений до разрушительных столкновений. В таких тактильных «кожных» системах используются гибкие матрицы датчиков давления, которые обеспечивают роботам сложную экологическую осведомленность и тактильное восприятие,-подобное человеческому. В других сценариях взаимодействия для обнаружения и распознавания столкновений можно использовать датчики перепада давления. Измеряя колебания давления в заполненных жидкостью подушках безопасности, датчики могут обнаружить предстоящие удары и помочь инициировать стабилизирующие маневры. Эта технология-определения столкновений также применима к мягким роботам, не имеющим жесткой рамы. Контролируя контактные силы, датчики давления могут помочь роботам безопасно реагировать при столкновении друг с другом или с людьми.
Датчики давления внутри роботов используются для контроля гидравлических и пневматических систем, обеспечения их способности двигаться. В то же время аномальные падения давления могут указывать на утечки, что позволяет провести техническое обслуживание и ремонт до того, как робот полностью выйдет из строя. Датчики расхода, основанные на принципе перепада давления, могут контролировать работу насосов и двигателей. Изменения высоты и глубины можно обнаружить по перепаду давления, когда робот поднимается или опускается. Эта сенсорная обратная связь обеспечивает надежную и стабильную мобильность. Кроме того, если робот работает на открытом воздухе или в суровых условиях, датчики давления могут сделать его -устойчивым к атмосферным воздействиям.
Установка датчиков давления MEMS с водонепроницаемыми мембранами внутри робота позволяет быстро обнаружить попадание воды, вызванное дождем или наводнением, до того, как электрические компоненты будут повреждены. Затем робот предпринимает действия по защите своих внутренних компонентов или отправляет сигнал бедствия.
Технологические инновации стимулируют прогресс
Несколько крупных технологических достижений способствовали более широкому и эффективному применению датчиков давления в области робототехники. Производство МЭМС позволяет использовать чрезвычайно компактные датчики перепада давления с высоким-разрешением, которые можно интегрировать проприоцепцию в роботизированные суставы и приводы. Например, МЭМС-датчики давления компании Superior Sensor Technology обладают расширенными функциями, такими как цифровая фильтрация,-управление с замкнутым контуром и программное-переключение давления. Полностью интегрированная форма этих датчиков обеспечивает необходимую внутреннюю обратную связь по крутящему моменту и силе, необходимую для точного управления движением и гибкого манипулирования объектами.
Гибкие матрицы датчиков давления, напечатанные с использованием квантово-туннельных композитов, графена или других наноматериалов, также позволяют слою электронной кожи, покрывающему робота, быть гибким и растягивающимся. Оболочки датчиков, изготовленные из таких материалов, как латекс,-пропитанный нанотрубками, могут растягиваться на сложных соединениях и поверхностях. Это искусственное осязание, использующее гибкие печатные датчики, позволяет создавать плотные карты давления по всему телу робота с высоким-пространственным-разрешением. Точное отслеживание,-подобное коже, позволяет роботам безопасно обнаруживать людей, реагировать на них и взаимодействовать с ними в сценариях совместной работы.
Что касается обработки данных, можно использовать передовые методы машинного обучения (ML), такие как глубокие нейронные сети, чтобы использовать данные о давлении в реальном-времени от массивов датчиков для оптимизации управления и реагирования. Вычислительные модели используют шаблоны давления от проприоцептивных и тактильных датчиков для генерации рефлекторных реакций и управления движениями роботизированных рук. Например, в одном исследовании использовалось обучение с подкреплением, основанное на воздействии давления, для тренировки роботизированной руки для выполнения очень ловких задач, таких как катание мяча на ладони.
Новые мягкие приводы и захваты, в которых используется технология фторэластомера, в значительной степени зависят от контроля давления во всей конструкции для достижения точного управления и обратной связи. Эти пневматические мягкие роботизированные приводы со встроенными датчиками давления можно использовать для плавной адаптации к захватываемым объектам. Эта технология обеспечивает более безопасное физическое сотрудничество людей-роботов в общих рабочих средах, тогда как использование традиционных жестких роботов в таких условиях представляет значительные риски.
Ожидается, что с развитием различных технологических инноваций датчики давления станут ключевым интегрированным механизмом обратной связи, встроенным в будущую робототехнику-от промышленной автоматизации до медицинских устройств. Люди начинают осознавать потенциал отзывчивых, адаптивных роботов, оснащенных искусственными сенсорными датчиками.
Роботы будущего: тактильное восприятие-как у человека
Поскольку датчики давления и интегрированные технологии продолжают развиваться, роботы, оснащенные искусственным сенсорным восприятием, произведут революцию во многих областях:
Гибкость,-подобная человеческой: при наличии достаточных данных о тактильном давлении роботы могут достигать гибкости,-подобной человеческой, манипулируя объектами различного веса, текстуры и формы с высокой точностью. Эта гибкость будет способствовать автоматизации в таких областях, как производство, складирование и хирургия.
Работа в опасных средах. Прочные роботы, оснащенные встроенными датчиками давления, могут выполнять задачи с высоким-риском, такие как добыча полезных ископаемых, глубоководные-исследования моря, реагирование на стихийные бедствия и космические миссии, где прямое участие человека было бы чрезвычайно опасным. Данные о давлении помогают роботам адекватно реагировать на различные сложные условия и лучше адаптироваться к ним.
Бесшовное взаимодействие-роботов: сверх-чувствительные оболочки-, чувствительные к давлению, позволят будущим роботам безопасно и беспрепятственно сотрудничать с коллегами-людьми. Во время физического взаимодействия обратная связь по давлению снизит вредные контактные силы.
Умная инфраструктура. Роботы-инспекторы, оснащенные датчиками давления-, могут использоваться для мониторинга ветряных турбин, нефтепроводов, мостов и другой инфраструктуры. Данные о давлении могут предупредить операторов о любых развивающихся неисправностях.
Медицинские применения. Тактильные датчики давления будут способствовать прорыву в робототехнике в таких областях, как хирургия, протезирование, реабилитация и вспомогательные роботы-, где безопасное взаимодействие с людьми имеет решающее значение.
По мере снижения затрат и развития технологий интеграции тактильные датчики давления могут быть интегрированы вместе с визуальными, позиционными и инерционными датчиками, становясь стандартным способом восприятия для продвинутых роботов. Датчики давления позволяют будущим способным и доступным роботам эффективно и безопасно работать вместе с людьми в динамичных, реальных-средах мира.
Заключение
Датчики давления предоставляют роботам важные возможности, включая тактильное распознавание для оперативного взаимодействия и проприоцепцию для гибкого манипулирования. В то же время датчики давления предоставляют данные для непрерывного мониторинга внутренней гидравлики, внешних контактных сил и условий окружающей среды, что позволяет роботам перемещаться, манипулировать объектами и реагировать на физические раздражители с чувствительностью,-подобной человеческой.
Дальнейшее развитие гибких печатных матриц, МЭМС-датчиков и интеграции машинного обучения приведет к прорывам в мультимодальном роботизированном восприятии и беспрепятственном сотрудничестве людей-роботов. По мере снижения затрат датчики давления открывают большие перспективы для интеграции стандартных режимов обратной связи в будущие конструкции роботов, которые охватывают здравоохранение, промышленность, вспомогательные технологии, опасные среды и мониторинг инфраструктуры. Обеспечивая обратную связь, необходимую роботам для надежной, безопасной и разумной работы в динамичном физическом мире, датчики давления открывают огромный потенциал для разработки приложений.