Maticové taktilní snímače

Maticové taktilní snímače

Jednou z velmi zajímavých aplikací snímačů síly jsou tzv. maticové taktilní snímače (MTS). Realizují se s využitím různých principů. Umožňují sledovat tlaková pole ve styku s tělesem a mj. slouží i k rozpoznávání objektů. Přestože o nich nelze hovořit jako o novince, z hlediska aplikací je lze hodnotit jako nedoceněné. Článek přibližuje základní principy maticových taktilních snímačů a jejich výhody, nedostatky i možnosti uplatnění.

1. Úvod

Člověk je v poznávání okolního světa v mnoha směrech výrazně omezen svými smysly, takže si tam, kde tyto nedostačují, pomáhá různými pomůckami. Velmi efektivními podpůrnými prostředky jsou nejrůznější snímače, které umožňují transformovat běžné technické veličiny na elektrické signály (nejčastěji proud, napětí, elektrický odpor apod.), jež lze v současnosti s výhodou zpracovávat a informaci v nich obsaženou vyhodnocovat s použitím výkonné elektroniky.

V oboru sil a tlaků ve styku dvou těles mohou být takovým prostředníkem poznání taktilní (dotykové) snímače schopné získávat údaje o zkoumaném objektu jednoduchým dotykem. Relevantními fyzikálními parametry při styku dvou anebo většího počtu objektů jsou právě síla (dotykový tlak) a deformace, které úzce souvisejí s elastickými vlastnosti objektu.

Asi před dvěma desítkami let se v návaznosti na rozvoj robotizace začaly objevovat také složitější taktilní snímače umožňující např. robotizovat montážní práce apod. Maticové uspořádání taktilních prvků např. v chapadle robotu dovolilo sledovat polohu a natočení manipulované součásti i řídit bezpečné uchopení bez prokluzu a přitom bez poškození součásti nadměrnou silou stisku chapadla.

Při stavbě maticových taktilních snímačů (MTS) se v současné době využívá několika základních fyzikálních principů. Základem MTS je vždy maticové uspořádání citlivých prvků, a to od několika málo až po stovky kusů. Hlavní složkou informace, kterou MTS poskytuje, je rozložení normálových složek sil působících na jednotlivé citlivé prvky snímacího pole. Vývoj jde neustále kupředu a MTS nyní mají široké pole uplatnění také v lékařství, při rozpoznávání „obrazů“ apod. Vývoj je proto směrován především na:

• zlepšování mechanických vlastností konstrukce snímačů,
• zdokonalování techniky zpracování signálů.

Nezastupitelnou úlohu musí sehrávat i kalibrace snímače, která však ještě stále není vždy plně doceněna. Přitom MTS je právě z tohoto pohledu velmi složitým snímačem, jehož jednotlivé citlivé prvky jsou při kalibraci i při použití v praxi vystaveny množství vzájemných ovlivnění.

Zásadním problémem v současné době je zejména nejednotná, či dokonce vůbec neexistující metodika kalibrace, což je nejvíce na překážku vytvoření jednotných postupů a následného mnohem širšího využití MTS. Při styku s reálným tělesem nelze dosáhnout ideálního bodového dotyku (ani několikabodového), takže spolu s rozhodujícím prvkem MTS jsou zpravidla ovlivněny i prvky sousední. Při kalibraci to způsobuje komplikace korelací a kovariancí, při použití v praxi potíže s jednoznačným vyhodnocením a degradaci skutečných možností MTS na mnohdy jen spíše primitivní aplikace.

2. Použití MTS

2.1 Funkce MTS
MTS jsou velmi často považovány za běžné snímače dotyku, což ale není jejich zcela správné začlenění. Od jednoduchého dotyku, kdy se měří jen jedna nebo několik málo diskrétních sil, se MTS výrazně liší tím, že měří i rozložení sil. Použité pole snímačů síly využívá zpravidla vlastnosti pokoušející se napodobovat vlastnosti kůže (hmat) živých tvorů. Díky tomu lze u zkoumaného objektu zjišťovat:

• geometrické vlastnosti jako prostou přítomnost, polohu, orientaci, velikost, rozměry, tvar a jeho poruchy, oblast dotyku, identitu, vlastnosti povrchu (drsnost, textura) apod.,

• dynamometrické vlastnosti jako tlak, rozložení tlaku, sílu dotyku, rozložení sil, hmotnost, tření, elasticitu apod.

Co se týče provozu, mohou MTS, stejně jako mnoho jiných snímačů sil, pracovat ve  statickém i dynamickém režimu. Použití nacházejí především v automatizovaných výrobních technologiích při těchto dvou typech operací:

• uchopování, kdy musí být objekt uchopen stabilně, přičemž se nesmí posunovat, prokluzovat, ale zároveň ani poškodit,

• identifikace objektů, zahrnující rozpoznávání nebo určení tvaru, polohy a orientace objektu a popř. i určení vlastností jeho povrchu (drsnost, poruchy apod.).

V ideálním případě vyžadují tyto úlohy dva typy snímání:

• spojité snímaní sil v oblasti dotyku,
• snímání deformačního profilu povrchu objektu.

Tyto dva typy údajů jsou všeobecně ve vzájemné vazbě (např. skrze vztahy namáhání – napjatost). Následkem toho lze oba způsoby snímání – téměř spojité měření dotykových sil, popř. měření deformačního profilu – označit společným pojmem taktilní snímání.

2.2 Použití MTS v robotice
V robotice se přínosy MTS projeví asi nejkomplexněji. Na robotizovaných pracovištích je možné využít přednosti taktilních snímačů v široké škále aplikací, z nichž nejvýznamnější jsou:

• manipulace s materiálem a se součástmi (nejčastěji operace typu „uchop a umísti“),
• montáž součástek (montáž dvou protikusů),
• identifikace součástí ve výrobních a montážních provozech,
• přesná manipulace se součástmi.

Taktilní snímače jsou mimořádně vhodné především k použití v automatizovaných montážních systémech. Jedná se konkrétně o robotizovanou montáž, kde jsou k manipulaci s objekty potřebné zejména tyto informace:

• velikost a tvar objektu, se kterým se manipuluje,
• normálové a tangenciální síly, potřebné k uchopení objektu bez prokluzu,
• vlastnosti povrchu materiálu (v případě třídění součástí).

Je přirozené, že mnohdy se uvažuje o vytvoření chapadla s kinematikou a schopnostmi podobnými lidské ruce. Má-li se taktilní snímač blížit hmatovým vlastnostem lidské kůže, měl by současně splňovat další náročná kritéria:

• prostorové rozlišení asi 2 mm,
• citlivost asi 2 g,
• největší dotyková síla asi 10 N,
• doba odezvy do 5 ms,
• malá hystereze,
• spolehlivost i v nepříznivých provozních podmínkách,
• necitlivost na změny okolních podmínek (teplota, vlhkost apod.),
• schopnost zjistit a popř. předvídat prokluz.

Při pokusech o vývoj taktilních snímačů se schopnostmi blízkými lidské kůži jde o vytvoření materiálu, který by byl podobný především svou pružností a houževnatostí a dokázal by reagovat na mechanické i tepelné podněty.

2.3 Získávání taktilního obrazu
Mezi základní úlohy MTS patří mimo jiné také získávání taktilního obrazu (zjišťování tvaru neznámého předmětu). Tyto úlohy se řeší nejen v robotice, ale také ve všeobecném a sportovním lékařství, protetice apod. Široké uplatnění nacházejí také při sportovním tréninku, kdy mohou pomoci odhalit nedostatky při odrazu ve skokových disciplínách a následně dosáhnout zlepšení techniky odrazu, a to zejména při přípravě na vrcholné soutěže. Aplikacemi MTS ve sportovním lékařství se v ČR zabývá např. pracoviště na ČVUT v Praze [7].

Zpracování údajů z MTS je možné charakterizovat jako transformaci sériového toku analogových signálů získaných jednotlivými taktilními prvky na digitální údaje a jejich kompresi do formy nejvhodnější pro další zpracování. V laboratorních podmínkách se jednotlivé činnosti koncentrují nejčastěji do výkonného PC, nabízejícího potřebnou vývojovou pružnost. V reálných podmínkách vyžadujících rychlou odezvu všech komponent se musí převážná část údajů co nejrychleji předzpracovat co nejblíže u snímače. Dále se již přenášejí komprimované údaje odpovídající konkrétnímu použitému MTS.

V současnosti nacházejí MTS významné uplatnění mj. také v ortopedii. Snímač je zhotoven jako podložka, na kterou se pacient postaví. Signál z MTS je zpracován a zobrazen počítačem, jak ukazuje např. obr. 1 [7]. Běžně je výstup z každého jednotlivého prvku MTS znázorněn barvou příslušející tlaku působícímu na tento prvek, přičemž větší tlaky se obvykle zobrazují sytější barvou. Z takto vytvořeného obrazu dokáže zkušený lékař relativně snadno, rychle a spolehlivě určit zdravotní postižení pacienta.

MTS může být vyroben i v pružné formě. V takovém případě je možné ho použít pro sledování napětí v různých svalových partiích lidského těla např. ve sportovním lékařství při extrémních výkonech apod. Takovýto snímač je díky pružné podložce doslova ovinut kolem sledované svalové partie.

Vedle lékařských aplikací existuje mnoho jiných úloh rozpoznávání obrazů. Z ryze technických lze uvést např. snímání rozložení tlaků na zatížené pneumatice (obr. 2). Dotykový obrazec pneumatiky se vzorkem (obr. 2a) dá na desce MTS po vyhodnocení a zpracování vzniknout taktilnímu obrazu podle obr. 2b. Taktilní obraz je možné využít pro další diagnostiku stavu pneumatiky, jejího opotřebení, podélných a příčných tlakových profilů a dalších parametrů, použitelných např. pro vývoj nových typů.

3. Základní fyzikální principy MTS

3.1 Používané principy
Existuje mnoho fyzikálních principů a konstrukčních řešení MTS, lišících se rozměry, vlastnostmi a použitím [5]. Mezi nejznámější a nejčastěji používané patří:

• MTS s maticí hrotů,
• optické MTS,
• piezorezistivní tenzometrický MTS,
• ultrazvukový MTS,
• chemický MTS,
• MTS se změnou dotykové plochy,
• MTS s proměnlivou tloušťkou elastické vrstvy,
• piezorezistivní a piezoelektrický MTS.

3.2 MTS s maticí hrotů
Matice hrotů představuje pravděpodobně nejstarší typ taktilního snímače (obr. 3). Skládá se z matice snímačů posunutí s poměrně velkým měřicím rozsahem. Podle typu použitých snímačů posunutí lze rozlišit dva základní typy – analogový a binární.

Analogový MTS se používá tak, že pevným přitlačením snímače ke zkoumanému objektu se struktura povrchu objektu přenese na matici hrotů snímače. Posunutí hrotů se měří vhodnými analogovými snímači polohy každého hrotu. Nejčastěji se používají snímače indukční a kapacitní, ale lze se setkat i s optickými. V případě binárního MTS se k hrotům připojují dvouhodnotové snímače polohy. Lze tak získat dvojrozměrný obraz měřeného objektu. Trojrozměrný obraz se získává jen při použití analogového snímače, měří-li se současně i velikost posunutí jednotlivých hrotů.

3.3 Optické MTS
Principem optických taktilních snímačů síly je sledování změny intenzity paprsku odraženého od taktilního povrchu snímače [1]. Protože intenzita paprsku závisí na vzdálenosti fotocitlivého prvku a na taktilním povrchu snímače, lze určit rozložení působícího zatížení.

Schematicky je optický taktilní snímač síly vyvinutý na Massachussets Institute of Technology, USA, znázorněn na obr. 4. Při odrazu světelného paprsku závisí intenzita odraženého světla zachyceného fotocitlivým prvkem na vzdálenosti odrazné plochy (obr. 4a). Závislost je přitom nelineární (jde o princip používaný u optických snímačů obecně velmi často). Konkrétní řešení optického taktilního snímače síly je ukázáno na obr. 4b. Pružný taktilní prvek tvoří:

• tenká odrazná vrstva 1,
• vrchní krycí vrstva 2, tvořená tlustší mechanicky odolnou pružnou hmotou,
• spodní krycí vrstva 3, vytvořená z průhledného materiálu.

Ke spodní krycí vrstvě se připojí homogenní pole optických vláken, zabezpečující přímou projekci světelného paprsku na odraznou plochu. Pevnou část snímače tvoří zdroj světla, polopropustný dělič a fotocitlivý prvek. Pevná část se může posouvat podle požadavků na konstrukci snímače. Světlo se ze zdroje 4 šíří skrz polopropustný dělič 5 ke svazku optických vláken 6. Optickými vlákny se vede k odrazné ploše, odráží se od ní a skrze polopropustný dělič 5 dopadá na fotocitlivý prvek 7. Fotocitlivým prvkem je nejčastěji kamera CCD, která buď obsáhne celý svazek vláken v jednom obraze, nebo je třeba zabezpečit skenování do několika obrazů. Protože intenzita přijatého paprsku závisí na vzdálenosti přijímače od odrazné plochy, bude do kamery dopadat rastrovaný obraz úměrný rozložení zatížení snímače. Tento rastrovaný obraz lze dále zpracovat např. s použitím mikroprocesoru.

Jiný princip řešení optického taktilního snímače síly ukazuje obr. 4c. Jestliže se podložka elastomeru 10 prohne v citlivém bodě, přesune se také překážka 11 mezi zdrojem světla 8 a fotocitlivým prvkem 9. Posunutí překážky je úměrné zatížení.

3.4 Piezorezistivní tenzometrický MTS
Piezorezistivní tenzometrický MTS využívá pole polovodičových tenzometrů, jež jsou osazeny na pevné desce pod dotykovou membránou a které umožňují přímo měřit rozložení sil.

3.5 Ultrazvukový MTS
Ultrazvukový MTS je založen na měření doby průchodu ultrazvukového impulsu. Aktivní povrch se skládá ze dvou membrán oddělených vzduchovou mezerou. Doba průchodu ultrazvukového impulsu vzduchovou mezerou tam a po odrazu zpět do přijímače závisí na proměnné tloušťce vzduchové mezery [5], [7].

3.6 Chemický MTS
V chemickém MTS se využívá změna chemických vlastností citlivé vrstvy v závislosti na mechanickém zatížení.

3.7 MTS se změnou dotykové plochy
Jde o řešení využívající změnu dotykové plochy v závislosti na zatížení mezi dvěma částmi snímače. Citlivé taktilní prvky jsou tvořeny malými tlačítky, stlačovanými vůči pevné ploše základové desky (obr. 5). Dotyková plocha tlačítka se mění přibližně se druhou mocninou síly a lze ji měřit např. pomocí odporových metod. Takový snímač umožňuje současně měřit i smykové složky sil (pak se kruhový tvar dotykové plochy navíc deformuje do eliptické), takže je vhodný zejména pro robotiku, manipulaci s křehkými předměty apod. Prostorové rozlišení je lepší než u matice hrotů, ale opět je zde zásadní omezení rozměrové. Nejvíce bylo dosud docíleno rozlišení asi 0,5 mm.

3.8 MTS s proměnlivou tloušťkou elastické vrstvy
Taktilní snímače tohoto typu využívají skutečnosti, že místní tloušťka elastické vrstvy je přibližně nepřímo úměrná síle působící na dané místo (obr. 6). Hodnoty některých parametrů elastické vrstvy s její zmenšující se tloušťkou rostou, hodnoty jiných naopak klesají, což závisí především na konstrukci a výběru materiálu citlivé elastické vrstvy.

3.9 Piezorezistivní a piezoelektrické MTS
Snímače z této skupiny využívají změnu vlastností materiálu citlivé části snímače vlivem působící síly. Běžné elastomery, např. přírodní kaučuk, je možné změnit na piezorezistivní materiál disperzí vodivých částeček (např. uhlíkových nebo stříbrných) do základní hmoty ještě před vulkanizací. Výsledný piezorezistivní elastomer se používá jako základní materiál na výrobu malých taktilních snímačů již poměrně dlouho. Vážným nedostatkem takového materiálu je velká hystereze zatěžovací charakteristiky (síla – odpor), která do značné míry omezuje jeho použití.

Přesto lze konstatovat, že v současné praxi jde o nejrozšířenější typ snímače, a proto mu bude v další kapitole věnována podrobnější pozornost. Příčinou obliby tohoto principu je jeho výjimečná přizpůsobivost co do rozměru jednotlivých prvků snímače. Jako u jediného z principů zde lze také bez problémů docílit velmi jemné struktury matice s prvky o rozměrech řádově desetin milimetru, což se odrazí na zlepšení spojitosti získaného taktilního obrazu.

Velmi dobrým řešením jsou také piezoelektrické polymery – materiál je poddajný, houževnatý a má malou měrnou hmotnost. Komerčně se dodává v podobě archů s různou tloušťkou (až do 9 µm). Piezoelektrická konstanta se pohybuje v okolí hodnoty 20 pC/N, což ji řadí mezi konstantu přírodního křemene a umělé piezoelektrické keramiky. Naproti tomu jde o materiál také pyroelektrický, s poměrně malou Curieovou teplotou a trpící ztrátami rezistivity (odporu). Tím se jeho použití omezuje na teploty menší než 80 °C.

4. Taktilní snímače s piezorezistivním materiálem

4.1 Piezorezistivní princip MTS
Jako piezorezistivní bývá označován materiál, který v závislosti na působícím zatížení mění svůj elektrický odpor. Základem tohoto materiálu je u MTS zpravidla silikonová pryž nebo kaučuk s vydatnou příměsí vodivých částic. Jejich průměrný podíl se pohybuje v rozsahu 15 až 20 %. Závislost vodivosti takto vzniklého materiálu na jeho napjatosti je obvykle nelineární, ale v omezené oblasti použití ji lze dostatečně linearizovat. Při nulovém zatížení je elektrický odpor téměř nekonečný (tj. vodivost nulová). Při zatížení se vodivé částice k sobě přibližují až k vzájemnému dotyku a tím odpor klesá. Změna elektrického odporu tak dociluje řádově několik dekád. Obvykle se ale neměří odpor přímo, ale prostřednictvím změn napětí anebo proudu. Princip použití pro MTS je ukázán na obr. 7. Závislost výstupního odporu R na zátěžné síle F u konkrétních typů MTS ukazují obr. 8 a obr. 9.

Z popsaného fyzikálního principu vycházejí všechny piezorezistivní maticové snímače, lišící se zpravidla konstrukčním řešením a vyhodnocovací elektronikou. Z metrologického hlediska má většina použitých materiálů mnoho nedostatků:

• poměrně rychlé stárnutí spojené především se ztrátou pružnosti,
• nelineární závislost elektrického odporu na zatížení,
• poměrně velkou hysterezi,
• malou citlivost,
• výrazný drift v čase,
• špatné dynamické vlastnosti,
• elektrický šum,
• malou odolnost proti přetížení.

Naopak k výhodám patří:

• v současnosti velmi dobře zvládnutá technologie výroby,
• poměrně dobré mechanické vlastnosti,
• stálost charakteristiky i po absolvovaní relativně velkého počtu zatěžovacích cyklů.

V literatuře, např. [5] a [6], lze nalézt výsledky mnoha zkoušek MTS. Především byl ověřován vliv teploty okolí, počtu zatěžovacích cyklů apod. Všechny tyto prameny potvrzují již uvedené poznatky, především nedostatky. Pro praxi to znamená, že pro dokonalejší využití snímačů je třeba vypracovat metodiku jejich ověřování a kalibrace, která by umožnila spolehlivě stanovit dobu jejich (zbytkového) provozního života.

4.2 Konstrukční řešení
V praxi se vyskytují v zásadě dva základní typy uspořádání piezorezistivních MTS.

Při oboustranném uspořádání mají vodivé elektrody tvar rovnoběžných a vzájemně izolovaných proužků. Sady elektrod jsou dvě, navzájem kolmé, každá po jedné straně vrstvy piezorezistivního materiálu (obr. 10a).

Změna odporu deformované sycené pryže se tak snímá na průsečících obou sad elektrod, které vytvářejí základní síť matice prvků MTS. Vnější mechanické zatížení zdeformuje piezorezistivní vrstvu 2 a ta spojí s jistou vodivostí elektrodu ze spodní sady elektrod 1 s příslušnou elektrodou horní sady 3.

Při jednostranném uspořádání se elektrody nacházejí jen na jedné straně aktivní pryže (obr. 10b). Samotný taktilní prvek nyní tvoří vnější elektroda 4 a vnitřní elektroda 5, které překrývá vrstva piezorezistivního materiálu 6. Odpor je snímán jen na jedné straně mezi vnější a vnitřní elektrodou a obdobného maticového uspořádání jako v předchozím případě je dosaženo tím, že např. vnější elektroda je zapojena do sloupců a vnitřní do řádků, popř. naopak.

4.3 Připojení matice taktilních prvků
Elektronika používaná k získání napěťového signálu z jednotlivých taktilních prvků musí splňovat některé požadavky a omezení. Citlivý povrch taktilního snímače musí zůstat volný, aby mohl být ve styku se sledovaným objektem. Proto je třeba volit zvláštní způsob připojení vodičů, které je navíc zpravidla třeba minimalizovat z důvodů prostorových montážních omezení. S výhodou se zde využívá „skenování“ a přepínání (multiplexovaný režim). Opět existují dva základní přístupy.

Prvním je použití sběrnice s adresací každého prvku matice snímače (obr. 11a). Zvolený taktilní prvek posílá údaje na společnou datovou sběrnici. Hlavní nevýhodou tohoto řešení je složitost jednotlivých buněk, kdy je třeba každou připojit přes příslušné vstupní a výstupní rozhraní.

Druhý způsob, jak získat potřebné informace z jednotlivých buněk matice MTS, je založen na principu řádků a sloupců (obr. 11b). V tomto případě počet vodičů oproti sběrnicovému řešení sice vzroste, ale připojení se tím současně velmi zjednoduší. Problémem je připojení celé řady nebo sloupce ke společnému vodiči, což vede k možnosti zkratů mezi prvky a k většímu vzájemnému ovlivňování sousedních prvků a často také k nežádoucím přeslechům.

5. Závěr

Údaje uváděné v literatuře poukazují na piezorezistivní MTS jako na prvky vhodné pro vytváření umělého hmatu, popř. pro hmatové rozpoznávání objektů. Toto svým způsobem potvrdily i experimenty uskutečněné v laboratoři SjF STU v Bratislavě, kde byly teoreticky i v praxi ověřovány některé možnosti kalibrace MTS. Zkoušen byl piezorezistivní materiál tvořící matici 16 × 16 prvků v konstrukčním uspořádání podle obr. 10a s připojením k vyhodnocovací elektronice v řádcích a sloupcích (obr. 11b). Další parametry materiálu byly podle garancí výrobce takovéto:

• tloušťka 0,5 mm,
• pevnost v tahu 1,9 N/mm²,
• prodloužení do porušení 220 %,
• provozní teplota –40 až +100 °C,
• maximální zatížení 600 kPa,
• chemická odolnost obdobná jako u běžné silikonové pryže.

Pro aplikace v praxi s většími požadavky na zaručovanou přesnost je třeba věnovat nemalou pozornost kalibraci MTS. Problematika kalibrace snímačů této složitosti mnohonásobně překračuje možný rozsah tohoto článku (blíže viz např. [2], [4]), protože vede řešením složitých soustav rovnic v maticovém tvaru. Současně ale experimenty prokázaly, že zatížený prvek velmi značnou měrou ovlivňuje prvky s ním sousedící.

Ing. Martin Halaj, Ph.D.,
SjF STU, Bratislava
(halaj@kam.vm.stuba.sk)

Ing. František Vdoleček, CSc.,
FSI VUT, Brno
(vdolecek@uai.fme.vutbr.cz)

doc. Ing. Rudolf Palenčár, CSc.,
SjF STU, Bratislava
(palencar@kam.vm.stuba.sk)