Elastyczne czujniki siły – nowoczesna technologia w zasięgu ręki

Komunikacja może odbywać się za pomocą graficznych interfejsów użytkownika, rozpoznawania głosu, ekranów dotykowych i systemów informujących o sile nacisku. Na końcu listy została umieszczona haptyka. Jest to słowo pochodzące z języka greckiego i odnosi się do zmysłu dotyku. Haptyka jest nauką, która zajmuje się badaniem roli dotyku w procesie komunikacji. Badania haptyki miały bardzo duży wpływ na rozwój wirtualnej rzeczywistości i przyczyniły się do powstania egzotycznej mieszanki fizjologii, psychologii i inżynierii. Do niedawna ta 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 wirtualnej rzeczywistości, 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 umieszczany bezpośrednio na przedmiocie lub pomiędzy przedmiotem a obiektem badanym, generując minimalny wpływ na mierzone siły. Wczesne wykonania dotykowych czujników pojemnościowych i piezorezystancyjnych były grube i wielokrotnie przeszkadzały w pomiarach. Często rozdzielczość przestrzenna nie wystarczała do zaoferowania prawdziwego czucia aplikowanych sił i nacisków.

Nowa technologia

Elastyczne i cienkie rezystancyjne czujniki siły i nacisku zostały nadrukowane na poliestrowym podłożu (rys. 1). Produkowane przez firmę Tekscan czujniki dostępne są w wykonaniach jedno- i wielopunktowych (rys. 2, 3).

Czujniki o grubości tylko 100 µm mają bardzo nieznaczny wpływ na realizowany pomiar siły i nacisku. Zależność na rezystancję styku elektrycznego R_C jest znana, wyraża ją wzór:

gdzie: ρ – opór właściwy (rezystywność) powierzchni styku, F – siła normalna przyłożona do powierzchni styku, K – funkcja chropowatości i elastyczności powierzchni.

Zdefiniowano nowy czynnik GF_C, charakteryzujący czułość siły stykowych czujników piezorezystancyjnych:

– konduktancja styku.

Widać, że dla stałego układu chropowatości i elastyczności powierzchni wyrażonego przez K, im niższa rezystywność powierzchni kontaktowej ρ, tym większa czułość siły GF_C czujnika piezorezystancyjnego. Ten efekt może być użyty do wykonania czujników siły o różnych czułościach. Przewodność opisywanych czujników może być dostosowana tak, żeby różniła się od zera dla zerowych sił zewnętrznych, a sięgała setek microsiemensów dla maksymalnych sił, które mogą być użyte. Do detekcji tego zakresu przewodności można zastosować układ elektroniczny ze zmiennym wzmocnieniem.

Konstrukcja i użytkowanie

Czujniki składają się ze srebrnych ścieżek nadrukowanych w formie macierzy (rys. 4). Macierz tworzą krzyżujące się wiersze i kolumny. Dodatkowa warstwa półprzewodnikowego atramentu zapewnia elektryczną rezystancję w miejscach przecięcia się ścieżek macierzy. Złożenie tych dwóch powłok razem tworzy tablicę czujnika. W momencie przyłożenia siły rejestrowana jest zmiana rezystancji. Wyjścia rezystancyjne macierzy są skanowane za pomocą multipleksującego hardware’u opartego na układzie mikroprocesorowym i wyświetlane graficznie na ekranie PC (rys. 5).

Modyfikując formułę atramentu można otrzymywać różne zakresy czułości; zmieniając odstępy pomiędzy wierszami i kolumnami uzyskuje się zróżnicowaną rozdzielczość przestrzenną. Czujniki zostały wykonane z rozdzielczością przestrzenną na poziomie jednego punktu pomiarowego na powierzchni 0,0229 mm². Również częstotliwość próbkowania jest zmienna; stworzono systemy próbkujące z dużą liczbą punktów pomiarowych (powyżej 470 000), idealne do aplikacji badawczych.

Jednoelementowe czujniki siły Tekscan opracowane z wykorzystaniem tej samej technologii, która jest używana do pomiarów przy użyciu systemów czujników opartych na macierzy, są cienkie, elastyczne i można je skracać przez cięcie. Mogą być też wykonywane w niestandardowych kształtach w celu użycia ich w aplikacjach OEM, takich jak inteligentne przyciski membranowe, pompy infuzyjne i pedały. Standardowe czujniki FF100 (rys. 6) w kilku zakresach siły (4,4 N, 110 N, 440 N) sprzedaje WObit na rynku polskim już od lat. Czujnik taki ma dwa wyprowadzenia, na których rezystancja zmienia się w sposób nieliniowy w zakresie od kilku MΩ (dla nieobciążonego czujnika) do kilku kΩ (dla maksymalnie ściśniętego czujnika). Standardowe czujniki siły wyposażone w prosty obwód elektroniczny mogą mierzyć siłę aż do 440 N.

WObit produkuje atrakcyjne cenowo małe urządzenie WDF1, które współpracuje z czujnikiem FlexiForce. Można je wykorzystywać pojedynczo lub w sieci RS-485 (rys. 7) z protokołem Modus-RTU, gdy trzeba mierzyć naciski w kilku niezależnych punktach.

Zastosowania

Macierzowe czujniki mogą mierzyć statyczny oraz dynamiczny rozkład sił nacisku (rys. 8) bieżnika opon w celu odpowiedniego ustawienia zawieszenia pojazdów wyścigowych. Są stosowane również do projektowania maszyn do odlewania i produkcji opon. Producenci obuwia i sprzętu ortopedycznego mogą na etapie projektowania wyrobów 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 (rys. 9). Umieszczenie czujnika wewnątrz protezy pomaga terapeutom, technikom, a nawet samemu pacjentowi ocenić dopasowanie protezy ramienia lub nogi.

Jednopunktowe czujniki siły mogą być zintegrowane w joystickach, w celu detekcji poziomu przyłożonej siły, co daje dodatkową jakość komunikacji między człowiekiem a komputerem w grach wideo. 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 wykrywają szybkie ruchy, ich częstotliwość próbkowania może wynosić nawet 10 kHz. Ma to z kolei wpływ na ich zastosowanie podczas treningu tańca, boksu lub nawet w symulacji wirtualnej bitwy.

Technika wykrywania siły stała się niezwykle potrzebna w aplikacjach medycznych. Czujniki mogą być umieszczane w ciele pacjenta do pomiaru sił aplikowanych podczas zabiegów chirurgicznych, na przykład takich jak zszywanie. Mogą być także adaptowane w taki sposób, aby wskazywały, że użyta siła nie jest wystarczająco duża do przekłucia lub, w innym przypadku, zniszczenia 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 badaniach, rozrywce, medycynie oraz w produkcji. Elastyczne i niezauważalne, są dostępne w różnych zakresach mierzonych sił i ciśnień. Czujniki umożliwiają szybkie sprzężenie zwrotne, 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.

http://www.wobit.com.pl/
http://www.tekscan.com/

źródło: P.P.H. WObit E.K.J. Ober