Depuis des décennies, les robots industriels et de service s'appuient largement sur des systèmes de vision et des capteurs inertiels pour percevoir et interagir avec le monde qui les entoure. Cependant, ces méthodes ne possèdent pas le sens du toucher essentiel-de type humain.
Les robots équipés uniquement de caméras et d'accéléromètres ne peuvent pas collecter de données sur la texture de la surface des objets, détecter les forces physiques tactiles ou obtenir un retour proprioceptif sur leurs propres mouvements et positions des articulations. Ce manque de conscience tactile limite considérablement la capacité d'un robot à se déplacer de manière adaptative dans des environnements complexes, à manipuler les objets avec flexibilité et à réagir de manière appropriée-et en toute sécurité-au contact entre les parties de son corps et les objets environnants.
Selon MEMS Consulting, les capteurs de pression peuvent être utilisés pour fournir aux robots un retour tactile critique, élargissant ainsi leurs capacités. La surveillance continue des pressions pneumatiques et hydrauliques au sein des articulations et des actionneurs d'un robot fournit au robot un retour proprioceptif concernant ses propres niveaux de mouvement et de couple. Ce retour d'information permet un contrôle de mouvement avancé et l'application de forces conjointes ciblées.
Le revêtement de la surface d'un robot avec un ensemble flexible et conformable de capteurs de pression crée une forme de toucher artificiel. Une couche de capteurs de pression semblable à une peau-peut détecter et cartographier les forces externes résultant de contacts, d'interactions homme-robot ou de collisions, permettant au robot de répondre à ces forces. Avec suffisamment de données de pression intégrées dans la boucle de contrôle, les robots peuvent atteindre une flexibilité et une adaptabilité semblables à celles des humains. Le retour de pression tactile permet aux robots de collaborer en toute sécurité et de manière transparente avec des collègues humains dans les usines. Il est également très prometteur pour les opérations robotiques dans des environnements-à haut risque tels que les soins de santé, la défense, les secours en cas de catastrophe et l'exploration spatiale-où l'automatisation aveugle ne fonctionnera tout simplement pas.
Applications des capteurs de pression en robotique
Les capteurs de pression jouent un rôle fondamental dans la robotique moderne, mais leur valeur est souvent sous-estimée. Les capteurs de pression assurent une surveillance continue des pressions pneumatiques et hydrauliques internes, des forces externes et des conditions environnementales. Cela fournit aux robots un retour critique, améliorant la surveillance interne, le contrôle flexible des mouvements, l’interaction environnementale et la perception tactile. Une application clé est la détection proprioceptive, qui utilise des mesures de pression dans les articulations pour calculer les couples et les forces appliqués. Ces informations sur le mouvement et la charge du robot permettent un contrôle plus précis, améliorant considérablement les capacités de manipulation et la stabilité du robot. Les robots entraînés par les tendons utilisent des capteurs de pression pour mesurer la tension des tendons, qui est directement liée aux forces générées au niveau des articulations. Les approches robotiques plus traditionnelles impliquent l'installation de transducteurs de pression pour mesurer les différences de pression au niveau des articulations et en déduire le couple.
Certains systèmes avancés appliquent des capteurs de pression ultra-micro-électro-systèmes mécaniques (MEMS) directement aux articulations robotiques pour fournir un retour proprioceptif haute-résolution. Cette technologie de capteur de pression MEMS, comparable à la proprioception biologique, permet aux robots de connaître leurs propres mouvements et conditions de charge. De même, l'intégration de capteurs de pression MEMS dans la peau externe du robot fournit un retour tactile sur les forces de contact. De grands réseaux de capteurs comprenant plusieurs capteurs de pression individuels aident à cartographier la répartition et l'ampleur des forces agissant sur le corps du robot.
Ces grands réseaux de capteurs permettent aux robots de réagir de manière appropriée au contact physique, allant du toucher doux aux collisions destructrices. De tels systèmes de « peau » tactiles utilisent des matrices de capteurs de pression conformables et flexibles pour fournir aux robots une conscience environnementale sophistiquée et une perception tactile- semblable à celle d'un humain. Dans d’autres scénarios d’interaction, des capteurs de pression différentielle peuvent être utilisés pour détecter et distinguer les collisions. En mesurant les fluctuations de pression dans les airbags remplis de liquide, les capteurs peuvent détecter les impacts imminents et aider à déclencher des manœuvres de stabilisation. Cette technologie de détection de collision-est également applicable aux robots mous dépourvus de cadre rigide. En contrôlant les forces de contact, les capteurs de pression peuvent aider les robots à réagir en toute sécurité lorsqu'ils entrent en collision les uns avec les autres ou avec des humains.
Les capteurs de pression à l’intérieur des robots sont utilisés pour surveiller les systèmes hydrauliques et pneumatiques, garantissant ainsi leur capacité de mouvement. Dans le même temps, des chutes de pression anormales peuvent indiquer des fuites, permettant ainsi la maintenance et les réparations avant que le robot ne tombe complètement en panne. Les capteurs de débit basés sur le principe de la pression différentielle peuvent surveiller le fonctionnement des pompes et des moteurs. Les changements de hauteur et de profondeur peuvent être détectés grâce aux différences de pression lorsque le robot monte ou descend. Ce retour sensoriel prend en charge une mobilité fiable et stable. De plus, si un robot fonctionne à l'extérieur ou dans des environnements difficiles, les capteurs de pression peuvent le rendre résistant aux intempéries-.
L'installation de capteurs de pression MEMS avec membranes étanches à l'intérieur du robot permet de détecter rapidement les infiltrations d'eau causées par la pluie ou les inondations avant que les composants électriques ne soient endommagés. Le robot agit alors pour protéger ses composants internes ou envoie un signal de détresse.
Les innovations technologiques stimulent le progrès
Plusieurs avancées technologiques majeures ont facilité une application plus large et plus puissante des capteurs de pression dans le domaine de la robotique. La fabrication MEMS permet l'utilisation de capteurs de pression différentielle haute-résolution et extrêmement compacts, capables d'intégrer la proprioception dans les articulations et les actionneurs robotiques. Par exemple, les capteurs de pression MEMS de Superior Sensor Technology intègrent des fonctionnalités avancées telles que le filtrage numérique, le contrôle en boucle fermée-et la commutation de pression basée sur un logiciel-. La forme entièrement intégrée de ces capteurs fournit le retour de couple et de force interne essentiel requis pour un contrôle précis des mouvements et une manipulation flexible des objets.
Des réseaux de capteurs de pression flexibles imprimés à l'aide de composites à effet tunnel quantique, de graphène ou d'autres nanomatériaux permettent également à la couche de peau électronique recouvrant le robot d'être conformable et étirable. Les peaux de capteurs fabriquées à partir de matériaux tels que le latex infusé de nanotubes- peuvent s'étendre sur des articulations et des surfaces complexes. Ce sens artificiel du toucher, utilisant des capteurs imprimés flexibles, permet une cartographie dense de pression à haute -spatiale-résolution sur tout le corps du robot. Un suivi précis, semblable à celui d'une peau, permet aux robots de détecter, de réagir et d'interagir en toute sécurité avec les humains dans des scénarios de travail collaboratif.
En ce qui concerne le traitement des données, des méthodes avancées d'apprentissage automatique (ML), telles que les réseaux de neurones profonds, peuvent être utilisées pour utiliser les données de pression en temps réel-des réseaux de capteurs afin d'optimiser le contrôle et la réponse. Les modèles informatiques utilisent les modèles de pression des capteurs proprioceptifs et tactiles pour générer des réponses réflexives et diriger les mouvements du bras robotique. Par exemple, une étude a utilisé l’apprentissage par renforcement basé sur des pressions pour entraîner un bras robotique à effectuer des tâches très adroites, comme faire rouler une balle dans la paume de sa main.
Les nouveaux actionneurs et pinces souples utilisant la technologie des élastomères fluorés s'appuient fortement sur la surveillance de la pression sur l'ensemble de la structure pour obtenir un contrôle et un retour précis. Ces actionneurs robotiques souples pneumatiques, qui intègrent des capteurs de pression, peuvent être utilisés pour s'adapter en douceur aux objets saisis. Cette technologie permet une collaboration physique plus sûre entre les humains et les robots dans des environnements de travail partagés, alors que l'utilisation de robots rigides traditionnels dans de tels environnements présente des risques importants.
Avec l'avancement de diverses innovations technologiques, les capteurs de pression devraient devenir un mécanisme de rétroaction intégré clé intégré dans la robotique du futur-allant de l'automatisation industrielle aux appareils médicaux. Les gens commencent à reconnaître le potentiel des robots réactifs et adaptatifs activés par des capteurs tactiles artificiels.
Robots du futur :-détection tactile de type humain
À mesure que les capteurs de pression et les technologies intégrées continuent d’évoluer, les robots équipés de détection tactile artificielle vont révolutionner de nombreux domaines :
Flexibilité-humaine : avec suffisamment de données de pression tactile, les robots peuvent atteindre une flexibilité hautement humaine-, manipulant des objets de poids, de textures et de formes variés avec une grande précision. Cette flexibilité favorisera l'automatisation dans des domaines tels que la fabrication, l'entreposage et la chirurgie.
Opérations dans des environnements dangereux : des robots robustes équipés de capteurs de pression intégrés peuvent effectuer des tâches à haut risque, telles que l'exploitation minière, l'exploration des fonds marins, la réponse aux catastrophes et les missions spatiales où l'implication humaine directe serait extrêmement dangereuse. Les données de pression aident les robots à réagir de manière appropriée à divers environnements complexes et à mieux s'y adapter.
Collaboration transparente entre humains et robots : des skins ultra-sensibles à la pression-détectant la pression permettront aux futurs robots de collaborer en toute sécurité et de manière transparente avec leurs collègues humains. Lors des interactions physiques, le retour de pression atténuera les forces de contact nocives.
Infrastructure intelligente : des inspecteurs robotiques équipés de capteurs de pression-peuvent être utilisés pour surveiller les éoliennes, les oléoducs, les ponts et d'autres infrastructures. Les données de pression peuvent alerter les opérateurs de tout dysfonctionnement en développement.
Applications médicales : les capteurs de pression tactiles permettront des percées en robotique pour des applications telles que la chirurgie, les prothèses, la rééducation et les robots d'assistance-domaines où une interaction sûre avec les humains est essentielle.
À mesure que les coûts diminuent et que les technologies d’intégration progressent, les capteurs de pression tactile peuvent être intégrés aux côtés des capteurs visuels, de position et inertiels, devenant ainsi une modalité de perception standard pour les robots avancés. Les capteurs de pression permettent aux futurs robots performants et accessibles de fonctionner efficacement et en toute sécurité aux côtés des humains dans des environnements dynamiques et réels.
Conclusion
Les capteurs de pression fournissent aux robots des capacités essentielles, notamment la détection tactile pour des interactions réactives et la proprioception pour une manipulation flexible. Dans le même temps, les capteurs de pression fournissent des données pour la surveillance continue du système hydraulique interne, des forces de contact externes et des conditions environnementales, permettant aux robots de se déplacer, de manipuler des objets et de répondre à des stimuli physiques avec une sensibilité proche de celle d'un humain.
Les progrès continus en matière de matrices imprimées flexibles, de capteurs MEMS et d'intégration de l'apprentissage automatique entraîneront des percées dans la perception robotique multimodale et la collaboration transparente entre les humains et les robots. À mesure que les coûts diminuent, les capteurs de pression s'avèrent très prometteurs pour l'intégration de modes de rétroaction standard dans les futures conceptions robotiques, avec des applications couvrant les soins de santé, l'industrie, les technologies d'assistance, les environnements dangereux et la surveillance des infrastructures. En fournissant les informations nécessaires au fonctionnement des robots de manière fiable, sûre et intelligente dans un monde physique dynamique, les capteurs de pression recèlent un immense potentiel pour le développement d’applications.