Multi

Les robots industriels sont plus abordables que jamais pour l'assemblage de précision et les tâches de prélèvement/emballage à grande vitesse. Avec des améliorations apportées à des capacités telles que la vision, chaque nouvelle génération offre une dextérité et une flexibilité plus humaines. Un sens du toucher fiable et économique leur permet désormais de manipuler des objets fragiles pour accomplir une plus grande variété de tâches et interagir de manière plus sûre avec les humains.

Plusieurs techniques ont été explorées pour introduire la détection tactile pour les robots. Il s'agit notamment de capteurs de métal liquide qui mesurent la résistance d'un métal liquide circulant dans des canaux microfluidiques, qui est modulée par des forces externes. Bien que ce type de capteur puisse être intégré tout autour du bout des doigts du robot, il ne mesure pas la force 3D localisée. Au lieu de cela, les forces distribuées sont mappées sur un changement de résistance. Un groupe de tels capteurs peut détecter un motif. Par conséquent, cette technique est principalement utilisée dans des tâches de classification spécialisées après une formation dédiée.

Une autre approche utilise une caméra optique haut de gamme pour mesurer la déformation d'un matériau élastomère intégré dans ou recouvrant les surfaces de préhension. Cette technologie est disponible dans le commerce et déjà utilisée dans les préhenseurs robotiques multimodaux intelligents. Cependant, la caméra a besoin d'un réseau de pixels substantiel et la transmission des données à un débit vidéo pour l'analyse nécessite une bande passante et une puissance de communication importantes.

Une solution optique différente surmonte certains de ces défis en utilisant un quadrant de détecteurs à photodiode au lieu d'une caméra complète. Une lumière est montrée dans un dôme élastique de l'intérieur et les détecteurs détectent la déformation du dôme due aux forces de contact. Cependant, la consommation d'énergie est plusieurs fois supérieure à celle des magnétomètres 3D typiques, ce qui peut fournir une alternative encore plus simple et plus efficace.

Dans de tels capteurs magnétiques, un aimant est intégré dans un matériau élastomère similaire à celui utilisé dans le système basé sur une caméra. Un magnétomètre monté à l'arrière fournit une détection de force 3D en mesurant le changement de champ magnétique provoqué par le déplacement de l'aimant lorsque l'élastomère est déformé. Plusieurs de ces capteurs ont été démontrés à l'aide d'un magnétomètre à sortie unique, qui peut être imaginé comme un pixel tactile, ou "taxel". Les chercheurs ont construit diverses configurations, allant de simples matrices à un seul pixel et 2 × 2 à une peau magnétique continue de 15 mm2 constituée de microparticules magnétiques. Des capteurs de force magnétique à un pixel comme ceux-ci ont atteint une résolution inférieure à 1 mm en combinant le capteur avec une magnétisation sinusoïdale d'un film flexible et des techniques d'apprentissage en profondeur.

Les capteurs magnétiques référencés ici ont utilisé le magnétomètre à un pixel Melexis MLX90393. Alors que les avantages de la détection magnétique incluent une puissance relativement faible et une surcharge de calcul et de communication minimale, la détection à un seul pixel est vulnérable aux interférences des champs magnétiques externes. La sortie du magnétomètre peut être déformée par des effets indépendants dans le voisinage, tels que l'activation d'un moteur électrique, la présence d'autres aimants ou des variations du champ magnétique terrestre.

Un capteur de force magnétique avec plusieurs pixels proches à l'intérieur du même boîtier de circuit intégré (CI) (Figure 1) peut fournir une immunité aux champs parasites en permettant une mesure différentielle. Cet article décrit comment le capteur magnétique multipixel gradiométrique Tactaxis a été construit et testé.

Le capteur de déplacement linéaire Melexis MLX90372 fournit une plate-forme pratique pour démontrer le principe de détection gradiométrique. Ce capteur délivre généralement le déplacement angulaire le long d'un arc. Cependant, la configuration de l'appareil en mode test permet un accès direct aux lectures magnétiques brutes des pixels individuels de la mémoire. Le capteur est logé dans un boîtier TSSOP standard de 5 mm × 4,3 mm × 0,9 mm et contient deux matrices CMOS côte à côte, avec deux pixels par matrice. Ainsi, ce composant unique et compact contient quatre pixels magnétiques espacés d'environ 2 mm, ce qui permet de mesurer le gradient du champ magnétique. Chaque pixel détecte la composante normale du champ Bz et la composante dans le plan Bx.

Au-dessus du boîtier IC, il y a un élastomère souple qui contient un aimant de disque intégré avec une magnétisation axiale. L'utilisation d'un échantillon d'élastomère de forme cylindrique minimise l'inclinaison de l'aimant et présente une surface conforme. L'application d'une force de contact à l'élastomère déplace l'aimant, qui module le modèle de champ magnétique. Les quatre pixels magnétiques détectent chacun ce déplacement et peuvent ainsi détecter les effets des forces normales et latérales. Pour un déplacement normal de l'aimant, la composante gradiométrique ∂Bx/∂x est la plus impactée. A l'inverse, pour un déplacement latéral, l'impact se fait majoritairement sur la composante gradiométrique ∂Bz/∂x.

Notez que le capteur ne mesure que le déplacement de l'aimant. Le lien entre le déplacement et la force appliquée dépend d'autres facteurs et nécessite un étalonnage et des calculs supplémentaires. La taille de l'aimant, la dureté de l'élastomère et le diamètre du cylindre en élastomère influencent tous l'amplitude de la sortie du capteur lorsqu'une force est appliquée. Un aimant plus grand et plus puissant augmente le rapport signal sur bruit (SNR), avec peu d'impact sur la force à pleine échelle. Un élastomère plus dur permet une plus grande force à pleine échelle. Cependant, pour une même force appliquée, le déplacement de l'aimant sera moindre par rapport à un matériau plus tendre. Par conséquent, l'augmentation de la dureté réduit également le changement de signal magnétique, d'où le SNR. Enfin, le diamètre de l'élastomère agit comme un facteur d'échelle entre la force globale et la pression localisée juste au-dessus de l'aimant. Un diamètre plus grand distribue la force sur une plus grande surface, abaissant ainsi le SNR, tout en acceptant une force à pleine échelle plus grande.

La figure 2 montre le schéma fonctionnel de la chaîne de signal.

Le traitement du signal est effectué hors puce et commence par la mise à l'échelle des huit signaux de sortie numériques de la puce pour corriger la chute de sensibilité de l'effet Hall avec l'augmentation de la température (−0,5 %/°C).

Les champs magnétiques parasites sont ensuite rejetés en utilisant des combinaisons de composantes de champ. La moyenne du champ Bx et du champ Bz est d'abord supprimée, laissant les termes restants liés au gradient du champ magnétique. En effet, l'algorithme du capteur de force traite les différences de champ magnétique dans les deux matrices.

Le bloc d'augmentation de caractéristique calcule la norme √(Bx2 + Bz2) dans chaque pixel de détection, produisant un signal vectoriel à 12 dimensions {Bx, Bz, Bnorm} à chaque pixel.

La dernière étape génère un nouveau vecteur contenant toutes les combinaisons polynomiales du second ordre du vecteur à 12 dimensions, y compris les termes d'interaction. Cela produit un signal vectoriel de dimension 91.

Enfin, l'étape d'inférence calcule les valeurs de force et de couple plan à partir du signal vectoriel à l'aide d'une matrice de pondération de 91 x 5. Les poids sont obtenus par une procédure d'entraînement utilisant une cellule de charge de référence montée sur une plate-forme mobile à 3 axes pour solliciter l'élastomère en appliquant un déplacement connu. La force de la cellule de charge et les signaux magnétiques correspondants du capteur ont été mesurés et enregistrés à 13 000 positions sur une plage de déplacement de 1,5 mm de profondeur et de 1,1 mm de rayon.

Pour démontrer comment les effets des champs externes sont éliminés, le capteur a été placé entre deux bobines de Helmholtz générant ± 2 mT (Figure 3a). Un champ d'intensité équivalente peut être ressenti à une distance d'environ 3 cm des appareils ménagers courants.

La force mesurée par le capteur à l'aide du concept gradiométrique est représentée sur la figure 3b (courbe bleue), démontrant que l'erreur de champ parasite est limitée à 0,3 % de la pleine échelle. Le capteur prototype a ensuite été reconfiguré pour fonctionner comme un magnétomètre simple sans rejet de champ parasite, imitant le comportement des capteurs à pixel unique précédents. Le champ parasite fuit directement dans le trajet du signal sans rejet, produisant des erreurs allant jusqu'à 20 % à −2 mT (courbe rouge). C'est presque deux ordres de grandeur plus grand que le capteur gradiométrique.

Le prototype de capteur Tactaxis a été monté sur une main robotique commerciale. Un algorithme de base de contrôle de la force a été mis en œuvre pour que la main saisisse doucement un ballon. La figure 4 montre la configuration de démonstration.

En utilisant le capteur comme un magnétomètre simple à pixel unique, la force est initialement bien régulée en l'absence de perturbation de champ parasite. L'introduction d'un champ parasite à l'aide d'un aimant a corrompu le capteur de force, obligeant la main à libérer ou à écraser le ballon en fonction de la polarité.

Lors de l'utilisation du capteur Tactaxis dans son mode multi-pixel approprié, la force est restée correctement régulée à tout moment, non affectée par l'aimant qui s'approche jusqu'à une distance de quelques centimètres.

Le tableau 1 compare les propriétés du capteur multipixel Tactaxis avec les capteurs de force magnétiques, optiques et piézoélectriques à pixel unique disponibles dans le commerce.

Le capteur magnétique à pixel unique est compact et réalise une détection de vecteur de force 3D avec une résolution de pointe, en particulier dans les configurations multi-capteurs. Cependant, la sensibilité aux champs parasites reste une limitation clé.

Le capteur optique est naturellement totalement insensible aux champs magnétiques parasites et offre des performances de détection de force 3D similaires. Bien qu'ils conviennent parfaitement à l'intégration de la main robotique, les composants optiques discrets entraînent une augmentation des coûts.

Les capteurs piézorésistifs ont l'avantage d'un petit facteur de forme, de la taille d'un boîtier IC, et atteignent une résolution de force compétitive, mais ne peuvent détecter que la force normale.

En revanche, le prototype de capteur multipixel Tactaxis offre les atouts connus des capteurs magnétiques, à savoir la détection de force 3D, la douceur, l'économie et la compacité, avec une immunité supérieure aux champs parasites parasites du monde réel. Par conséquent, ce concept de détection gradiométrique a amélioré la robustesse de la détection de force pour les applications robotiques.

Cet article a été écrit par Gael Close, Global Innovation Manager, Melexis. Pour plus d'informations, contactez M. Close à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le voir..

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de mai 2023 de Sensor Technology Magazine.

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