Capteur tactile : 3 facteurs importants qui y sont liés

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Source de l'image: Richard Greenhill et Hugo Elias de la Shadow Robot Company, Ampoule à main Shadow grande, CC BY-SA 3.0

Le sujet de discussion: le capteur tactile et sa fonction

Types de capteur de robot

Qu'est-ce qu'un capteur robot?

Un robot interagit avec son environnement à l'aide de divers capteurs qui mesurent des quantités physiques. Les capteurs fonctionnent sur le principe de la transduction, où l'énergie est transformée d'un type à l'autre. Un contrôleur traite les données détectées pour activer l'action du robot. Des capteurs surveillent également l'état d'un robot.

capteur tactile
Capteurs dans un bras robotique typique crédit d'image: pixabay

Classifications du capteur de robot

Le premier type de classification est le suivant: -

  • Proprioceptif (PC): Capteurs qui donnent au robot un «sentiment de soi». Ils mesurent des valeurs internes au système du robot, par exemple l'angle de l'articulation, la position de la roue, le niveau de la batterie, etc.
  • Exteroceptive (CE): Capteurs qui fournissent des informations sur l'état externe, telles que des observations de l'environnement et des objets qu'il contient.

Le deuxième type de classification est le suivant: -

  • Actif (A): Capteurs qui fonctionnent en émettant de l'énergie, par exemple à base de radar.
  • Pâque (P): Les capteurs qui reçoivent de l'énergie passivement par exemple caméra.

Voici les types de capteurs basés sur une utilisation typique: -

classe

Capteur tactile et sa fonction

Que signifie «tactile»?

  • Quelque chose qui est conçu pour être perçu au toucher.
  • Quelque chose est perceptible au toucher ou apparemment tangible.
  • Quelque chose qui est lié au sens du toucher.
  • Il est synonyme de palpable, touchable, tactile, tangible, haptique, réel, tactile, physique, substantiel, visuel et texture.

Qu'est-ce qu'un capteur tactile?

Basé sur le contact physique avec l'environnement, un capteur tactile mesure les informations. L'architecture du capteur tactile est dérivée de la détection biologique du toucher cutané qui peut détecter les sensations résultant de diverses stimulations mécaniques, températures et douleurs (bien que la détection de la douleur soit peu courante dans un capteur tactile artificiel). Dans la robotique, les systèmes de sécurité et le matériel informatique, des capteurs tactiles sont utilisés.

SynTouch Bio Tac
Capteur bio-tactile dans la prothèse du bras humain; Source de l'image: anonyme, SynTouch Bio Tac, CC BY 3.0

La vision est souvent affirmée comme peut-être la modalité sensorielle humaine la plus importante qui sous-estime le rôle du toucher. Bien sûr, la perte des capacités fournies par le toucher entraînera des altérations dévastatrices de la posture, de la locomotion et de la fonction des membres, de la récupération des propriétés des objets et de tout contact physique avec l'environnement en général.

Une expérience psychophysique a révélé que les touchers haptiques humains sont riches en textures, formes, dureté et température pour les interactions, la découverte, la manipulation et l'extraction des propriétés des objets. D'innombrables types de récepteurs, par exemple mécanorécepteur (pression et vibration), thermorécepteur (température) et nocicepteur (douleur et dommage) enregistrent cette information distribuée à densité variable agissant sur le corps et située dans les différentes zones de la peau.

Les mains humaines ont une densité de mécanorécepteurs exceptionnellement élevée, l'une des zones les plus avancées du corps pour fournir un retour tactile précis.

Ce domaine a progressé à partir des années 1970 et une incorporation minimale de ces systèmes dans des robots, bien que la détection tactile ait été comparativement ignorée pendant l'ère prématurée de l'automatisation. En comparaison, des développements significatifs dans la technologie des capteurs tactiles ont été observés dans les années 1980, suivis d'une baisse des coûts de production.

Des progrès ont été réalisés dans les matériaux des capteurs, les technologies de conception et de fabrication, et dans les méthodes de transduction pour l'incorporation dans différentes plates-formes robotiques. Différents types tels que les jauges capacitives, piézo-résistives, piézoélectriques, magnétiques, inductives, optiques et de déformation ont été les principales technologies de détection tactile sont développées à cette période, permettant la production efficace de dispositifs particuliers pour la forme, la texture, la force et la température des objets détection.

Technologies impliquées dans la détection tactile

Les technologies de capteurs tactiles sont définies par la transduction utilisée pour traduire correctement les stimuli du monde extérieur vers un appareil intelligent. Ces types de capteurs utilisés en robotique sont axés sur les méthodes de transduction capacitive, piézorésistive, optique, magnétique, binaire et piézoélectrique répertoriées dans les sections suivantes.

Capteurs capacitifs

En mesurant la variation de capacité d'une charge appliquée sur un condensateur de type à plaque parallèle, des capteurs tactiles centrés sur la transduction capacitive fonctionnent. La capacité est connectée à une séparation et un champ de condensateur à plaques similaires, qui utilise un séparateur élastomère pour assurer l'application. Les capteurs capacitifs peuvent être produits dans de petites tailles, permettant leur construction et leur incorporation dans de petits espaces, tels que les paumes et le bout des doigts, dans des réseaux denses. En termes de meilleure sensibilité, de stabilité à la dérive, de sensibilité à des températures inférieures, de faibles consommations d'énergie et de détection de la force naturelle ou tangentielle, cette technologie offre également divers avantages. Une hystérésis significative est l'une des limitations les moins nombreuses.

Capteurs piézorésistifs

Au fur et à mesure que la force est appliquée, cette méthode de transduction teste les changements de résistance au toucher. Les capteurs piézorésistifs sont généralement fabriqués ou constitués d'encre piézorésistive en caoutchouc conducteur et estampés d'un motif. Lorsqu'aucun contact ou aucune contrainte n'agit sur le capteur, une valeur de résistance maximale sera formée. Inversement, la résistance au toucher diminue avec l'augmentation de la pression ou du stress. Sa plage dynamique étendue, sa durabilité, sa tolérance aux surcharges décente, son prix économiquement comparable et sa capacité de production dans de petites tailles sont les avantages de cette technologie. Les inconvénients comprennent une résolution spatiale réduite, la complexité du câblage individuel de plusieurs composants de capteurs, la sensibilité à la dérive et à l'hystérésis.

Capteurs optiques

Utilisant des capteurs de vision à la pointe de la technologie, les capteurs optiques fonctionnent en transformant le toucher mécanique, le frottement ou le mouvement directionnel en changements d'intensité lumineuse ou d'indice de réfraction. Un inconvénient est que les émetteurs et les détecteurs de lumière (par exemple les réseaux CCD) doivent être inclus, ce qui entraîne une taille accrue.

Capteurs magnétiques

Via l'utilisation de capteurs à effet Hall, magnétorésistifs ou magnétoélastiques, cette technologie fonctionne en détectant les changements de flux magnétique provoqués par une force appliquée. En mesurant les variations de tension produites par un courant électrique traversant un matériau conducteur immergé dans un champ magnétique, les capteurs à effet Hall fonctionnent. Le capteur à effet Hall est également utilisé pour la détection de la déviation multidirectionnelle d'une moustache artificielle. La magnétorésie et les capteurs magnétoélastiques reconnaissent les changements des champs magnétiques induits par l'utilisation de contraintes mécaniques.

Une meilleure sensibilité, une plage étendue, une petite hystérésis, une linéarité et une robustesse par nature sont différents avantages de ce type de capteurs. Ils sont cependant vulnérables aux interférences magnétiques et au bruit. La taille physique du système de détection et la nécessité de travailler dans des environnements non magnétiques limitent les applications.

Capteurs binaires

Interrupteur de contact capable de détecter un événement marche / arrêt discret déclenché par des contacts mécaniques à détecter. La simplicité de conception et de développement de ce type de capteur a permis de l'intégrer dans une large gamme de systèmes robotiques. Des dispositifs de contact qui vont au-delà d'un code binaire nécessaire peuvent être créés. Le principal inconvénient de cette technologie de capteur est le manque de résolution, limitant les applications à des problèmes tels que la détection tactile ou de collision.

Capteurs piézoélectriques

Une charge électrique proportionnelle à la force, à la pression ou à la déformation appliquée est générée par des capteurs piézoélectriques. Les principaux inconvénients de cette technologie de détection sont les limites des mesures dynamiques et la sensibilité à la température. Cependant, en raison de leur sensibilité plus élevée, haute fréquence. réponses et différents types selon les applications, tels que les fluorures de plastique, de cristal, de céramique et de polyvinylidène, ils sont idéaux pour mesurer les vibrations et sont couramment utilisés (PVDF).

Capteurs hydrauliques

Il s'agit d'une sorte d'actionneur qui transforme la pression du fluide en un mouvement mécanique utilisé dans la technologie hydraulique. Les applications industrielles et médicales récentes nécessitent des servomécanismes microscopiques à base hydraulique, appelés microactionneurs, pour détecter les contraintes et mesurer la résistance. Les structures micro-hydrauliques ont été conçues pour produire un capteur de débit de faible puissance, précis et robuste. Composé d'un système biomimétique ressemblant à des cheveux, ce capteur permet de convertir le débit en pression hydraulique, offrant une large gamme de mesures et une sensibilité élevée.

Sur la base de la technologie de détection micro-hydraulique, des réseaux de capteurs de force, proches de l'échelle du doigt humain, nous pouvons atteindre des sensibilités plus élevées. Fabriqués avec une technique de stéréolithographie, ces capteurs de force à faible coût fournissent des données tactiles robustes et une résolution spatiale élevée, idéales pour la détection cutanée.

Critères de conception du capteur tactile

La main humaine est un bel exemple de conception avec une large gamme de capteurs prenant en charge différentes formes tactiles. Il serait souhaitable de réaliser une conception artificielle qui puisse imiter la main humaine. Les lignes directrices standard pour la création de capteurs tactiles présentées par Dargahi et Najarian (2004), en tenant compte des limites et des possibilités des capteurs, sont résumées ci-dessous: 

DESIGN

Notable Applications du capteur tactile

Le développement de robots robustes, flexibles et adaptables pour étudier la perception et l'interaction sûre avec l'environnement, y compris les humains, a donné une place importante aux différents types de capteurs tactiles en robotique. Cela a conduit au développement continu de la technologie des capteurs tactiles dans différentes plates-formes robotiques qui s'efforcent d'étudier / recréer la perception allant du bout des doigts aux bras en passant par le torse. Certaines applications / travaux notables impliquant des capteurs tactiles sont énumérés ci-dessous:

  • Utilisation de bouts de doigts robotiques équipés de capteurs tactiles piézoélectriques pour reconnaître les propriétés de l'objet comme la texture, la forme et la dureté tout en exécutant des procédures telles que pousser, glisser, serrer, etc.
  • Conception de mains prothétiques avec capteurs tactiles pour imiter le mouvement naturel et détecter le contact.
  • iCub est un bel exemple d'un nouvel humanoïde équipé de capteurs tactiles à la surface du corps comme les doigts, les bras, le torse, etc. pour étudier la perception et l'interaction.
iCub
Robot iCub; Source de l'image: Nicolas Caranti, ICub - Festival Economia 2018 2, CC BY-SA 4.0
  • Robot PUMA, qui est utilisé pour l'étude des approches de perception et de contrôle, est équipé d'un réseau de capteurs tactiles planaires pour extraire le bord et l'orientation de l'objet. Ces variétés utilisent des images tactiles et une forme géométrique. Une technique connexe, axée sur les moments géométriques, a permis d'explorer et d'identifier la forme de différents objets à l'aide d'un bras KUKA avec des capteurs tactiles planaires.
  • La mise en œuvre de procédures d'exploration roulantes et enveloppantes pour une reconnaissance d'objets robuste a été réalisée à l'aide du bout des doigts tactiles de mains robotiques à cinq doigts.
  • Intégration de capteurs tactiles dans des robots biomimétiques pour comprendre le fonctionnement de la détection tactile chez les animaux. Démonstration de la perception des stimuli tels que la texture, la distance de contact, la direction et la vitesse à l'aide de robots à moustaches.
  • Développement d'antennes artificielles avec capteurs de pression et de force pour explorer le comportement des fourmis et des cafards en modélisant le contact.
  • L'utilisation de capteurs tactiles en robotique sous-marine (moustaches artificielles pour imiter les capacités de perception des phoques) pour mesurer la vitesse et comprendre la détection de mouvement, d'angle et de sillage des fluides a été réalisée.

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