Multi

Los robots industriales son más asequibles que nunca para el montaje de precisión y las tareas de recogida/embalaje de alta velocidad. Con mejoras en capacidades como la visión, cada nueva generación ofrece una destreza y flexibilidad más humanas. Un sentido del tacto confiable y rentable ahora les permite manejar objetos frágiles para realizar una variedad aún más amplia de tareas e interactuar de manera más segura con los humanos.

Se han explorado varias técnicas para introducir la detección táctil para robots. Estos incluyen sensores de metal líquido que miden la resistencia de un metal líquido que fluye en canales microfluídicos, que es modulado por fuerzas externas. Aunque este tipo de sensor se puede incorporar alrededor de las yemas de los dedos del robot, no mide la fuerza 3D localizada. En cambio, las fuerzas distribuidas se asignan a un cambio de resistencia. Un grupo de tales sensores puede detectar un patrón. Por lo tanto, esta técnica se usa principalmente en tareas de clasificación especializadas después de un entrenamiento específico.

Otro enfoque utiliza una cámara óptica de alta gama para medir la deformación de un material elastomérico incrustado o que cubre las superficies de agarre. Esta tecnología está disponible comercialmente y ya se utiliza en pinzas robóticas multimodales inteligentes. Sin embargo, la cámara necesita una matriz de píxeles sustancial, y la transmisión de datos a una velocidad de video para el análisis exige un ancho de banda y una potencia de comunicación significativos.

Una solución diferente basada en la óptica supera algunos de estos desafíos mediante el uso de un cuadrante de detectores de fotodiodos en lugar de una cámara completa. Se muestra una luz en un domo elástico desde el interior y los detectores detectan la deformación del domo debido a las fuerzas de contacto. Sin embargo, el consumo de energía es varias veces mayor que el de los magnetómetros 3D típicos, lo que puede proporcionar una alternativa aún más simple y eficiente.

En tales sensores magnéticos, se incrusta un imán en un material elastomérico similar al que se usa en el sistema basado en cámaras. Un magnetómetro montado en la parte trasera proporciona detección de fuerza 3D al medir el cambio en el campo magnético causado por el desplazamiento del imán a medida que se deforma el elastómero. Se han demostrado varios sensores de este tipo utilizando un magnetómetro de salida única, que se puede imaginar como un píxel táctil o "taxel". Los investigadores han construido varias configuraciones, desde matrices simples de un solo píxel y 2×2 hasta una piel magnética continua de 15 mm2 que consta de micropartículas magnéticas. Los sensores de fuerza magnética de un solo píxel como estos han logrado una resolución inferior a 1 mm al combinar el sensor con la magnetización sinusoidal de una película flexible y técnicas de aprendizaje profundo.

Los sensores magnéticos a los que se hace referencia aquí han utilizado el magnetómetro de un solo píxel Melexis MLX90393. Si bien los beneficios de la detección magnética incluyen una potencia relativamente baja y una sobrecarga informática y de comunicación mínima, la detección de un solo píxel es vulnerable a la interferencia de campos magnéticos externos. La salida del magnetómetro puede verse distorsionada por efectos no relacionados en las cercanías, como la activación de un motor eléctrico, la presencia de otros imanes o variaciones en el campo magnético terrestre.

Un sensor de fuerza magnética con múltiples píxeles cercanos dentro del mismo paquete de circuito integrado (IC) (Figura 1) puede proporcionar inmunidad a los campos dispersos al permitir la medición diferencial. Este artículo describe cómo se construyó y probó el sensor magnético multipíxel gradiométrico Tactaxis.

El sensor de desplazamiento lineal Melexis MLX90372 proporciona una plataforma conveniente para demostrar el principio de detección gradiométrica. Este sensor generalmente emite el desplazamiento angular a lo largo de un arco. Sin embargo, configurar el dispositivo en modo de prueba permite el acceso directo a las lecturas magnéticas sin procesar de los píxeles individuales de la memoria. El sensor está alojado en un paquete TSSOP estándar de 5 mm × 4,3 mm × 0,9 mm y contiene dos troqueles CMOS uno al lado del otro, con dos píxeles por troquel. Por lo tanto, este único componente compacto contiene cuatro píxeles magnéticos separados unos 2 mm, lo que permite medir el gradiente del campo magnético. Cada píxel detecta el componente normal del campo Bz y el componente en el plano Bx.

En la parte superior del paquete IC, hay un elastómero blando que contiene un imán de disco integrado con magnetización axial. El uso de una muestra de elastómero de forma cilíndrica minimiza la inclinación del imán y presenta una superficie compatible. La aplicación de fuerza de contacto al elastómero desplaza el imán, que modula el patrón del campo magnético. Cada uno de los cuatro píxeles magnéticos detecta este desplazamiento y, por lo tanto, puede detectar los efectos de las fuerzas normales y laterales. Para un desplazamiento normal del imán, la componente gradiométrica ∂Bx/∂x es la más afectada. Por el contrario, para un desplazamiento lateral, el impacto se produce principalmente en el componente gradiométrico ∂Bz/∂x.

Tenga en cuenta que el sensor mide solo el desplazamiento del imán. La conexión entre el desplazamiento y la fuerza aplicada depende de otros factores y requiere más calibración y cálculo. El tamaño del imán, la dureza del elastómero y el diámetro del cilindro del elastómero influyen en la magnitud de la salida del sensor cuando se aplica una fuerza. Un imán más grande y fuerte aumenta la relación señal-ruido (SNR), con poco impacto en la fuerza a gran escala. Un elastómero más duro permite una mayor fuerza a gran escala. Sin embargo, para la misma fuerza aplicada, el desplazamiento del imán será menor en comparación con un material más blando. Por lo tanto, aumentar la dureza también reduce el cambio de la señal magnética, por lo tanto, la SNR. Finalmente, el diámetro del elastómero actúa como un factor de escala entre la fuerza total y la presión localizada justo encima del imán. Un diámetro más grande distribuye la fuerza sobre un área más grande, lo que reduce la SNR, al tiempo que acomoda una fuerza a gran escala más grande.

La figura 2 muestra el diagrama de bloques funcional de la cadena de señal.

El procesamiento de la señal se realiza fuera del chip y comienza escalando las ocho señales de salida digital del chip para corregir la caída de sensibilidad del efecto Hall con el aumento de la temperatura (−0,5 %/°C).

A continuación, los campos magnéticos dispersos se rechazan mediante el uso de combinaciones de componentes de campo. Primero se elimina la media del campo Bx y el campo Bz, dejando los términos restantes que están relacionados con el gradiente del campo magnético. Efectivamente, el algoritmo del sensor de fuerza procesa las diferencias de campo magnético dentro de los dos troqueles.

El bloque de aumento de funciones calcula la norma √(Bx2 + Bz2) en cada píxel de detección, produciendo una señal vectorial de 12 dimensiones {Bx, Bz, Bnorm} en cada píxel.

El último paso genera un nuevo vector que contiene todas las combinaciones de polinomios de segundo orden del vector de 12 dimensiones, incluidos los términos de interacción. Esto produce una señal vectorial de dimensión 91.

Finalmente, la etapa de inferencia calcula los valores de fuerza y ​​par plano a partir de la señal vectorial utilizando una matriz de peso de 91 por 5. Los pesos se obtienen a través de un procedimiento de entrenamiento utilizando una celda de carga de referencia montada en una plataforma móvil de 3 ejes para tensar el elastómero aplicando un desplazamiento conocido. La fuerza de la celda de carga y las señales magnéticas correspondientes del sensor se midieron y guardaron en 13 000 posiciones a lo largo de un rango de desplazamiento de 1,5 mm de profundidad y 1,1 mm de radio.

Para demostrar cómo se eliminan los efectos de los campos externos, el sensor se colocó entre dos bobinas de Helmholtz generando ±2 mT (Figura 3a). Se puede experimentar un campo de fuerza equivalente a unos 3 cm de distancia de los electrodomésticos comunes.

La fuerza medida por el sensor utilizando el concepto gradiométrico se muestra en la Figura 3b (curva azul), lo que demuestra que el error del campo de dispersión se limita al 0,3 % de la escala completa. Luego, el sensor prototipo se reconfiguró para que funcionara como un magnetómetro simple sin rechazo de campo errante, emulando el comportamiento de los sensores de un solo píxel anteriores. El campo de dispersión se filtra directamente en la ruta de la señal sin rechazo, produciendo errores de hasta el 20 % a −2 mT (curva roja). Esto es casi dos órdenes de magnitud mayor que el sensor gradiométrico.

El prototipo de sensor Tactaxis se montó en una mano robótica comercial. Se implementó un algoritmo básico de control de fuerza para que la mano agarrara suavemente un globo. La figura 4 muestra la configuración de demostración.

Usando el sensor como un magnetómetro simple de un solo píxel, la fuerza inicialmente está bien regulada en ausencia de perturbaciones de campo disperso. La introducción de un campo errante usando un imán corrompió el sensor de fuerza, lo que provocó que la mano soltara o aplastara el globo según la polaridad.

Al utilizar el sensor Tactaxis en su modo multipíxel adecuado, la fuerza permaneció correctamente regulada en todo momento, sin verse afectada por el imán que se aproximaba hasta una distancia de unos pocos centímetros.

La Tabla 1 compara las propiedades del sensor multipíxel Tactaxis con sensores de fuerza piezoeléctricos, ópticos y magnéticos de un solo píxel disponibles en el mercado.

El sensor magnético de un solo píxel es compacto y logra la detección del vector de fuerza 3D con una resolución de última generación, particularmente en configuraciones de sensores múltiples. Sin embargo, la sensibilidad a los campos dispersos sigue siendo una limitación clave.

El sensor óptico es, naturalmente, completamente inmune a los campos magnéticos dispersos y ofrece un rendimiento de detección de fuerza 3D similar. Aunque es un ajuste funcional excelente para la integración de la mano robótica, los componentes ópticos discretos elevan el costo.

Los sensores piezorresistivos tienen la ventaja de un factor de forma pequeño, aproximadamente del tamaño de un paquete IC, y logran una resolución de fuerza competitiva, pero solo pueden detectar la fuerza normal.

Por el contrario, el prototipo de sensor multipíxel Tactaxis ofrece los activos conocidos de los sensores magnéticos, a saber, detección de fuerza 3D, suavidad, economía y compacidad, con una inmunidad superior a los campos parásitos parásitos del mundo real. Por lo tanto, este concepto de detección gradiométrica ha mejorado la robustez de la detección de fuerza para aplicaciones robóticas.

Este artículo fue escrito por Gael Close, Gerente de Innovación Global, Melexis. Para obtener más información, comuníquese con el Sr. Close en Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Necesita tener Javascript activado para verlo..

Este artículo apareció por primera vez en la edición de mayo de 2023 de la revista Sensor Technology.

Lea más artículos de este número aquí.

Lea más artículos de los archivos aquí.

SUSCRIBIR