​Ультразвуковые волны открывают новый подход к тактильному восприятию роботов

​Тактильные сенсоры позволяют роботам определять характер контакта с физическим объектом, распределение нагрузки и начало проскальзывания, дополняя информацию от камер и других систем восприятия. Для этого применяются различные подходы, включая ёмкостные, пьезорезистивные, пьезоэлектрические и другие типы чувствительных элементов. Однако у многих конструкций сенсорный слой располагается непосредственно на рабочей поверхности и поэтому постоянно подвергается различным внешним воздействиям, таким как давление, трение, загрязнение, перепад температур и т.д. Со временем это может приводить к износу и изменению характеристик работы сенсора. Компания UltraSense Systems предложила другой подход — вынести чувствительный элемент под поверхность и регистрировать контакт с помощью ультразвуковых волн.

​В основе технологии лежит подповерхностная архитектура. MEMS-ультразвуковые преобразователи располагаются под внешним слоем и посылают акустические сигналы через материал. При контакте с объектом внешний слой деформируется, изменяя внутренние напряжения, толщину конструкции, а также время пролета и фазу отраженных акустических волн. Ультразвуковые преобразователи регистрируют возвращающиеся сигналы, а система по определенным алгоритмам анализирует их изменение. Это позволяет определять наличие контакта с объектом, его положение и характеристики силового взаимодействия, при этом чувствительные элементы остаются защищенными от непосредственного воздействия внешней среды.

Такое разделение позволяет выбирать внешний слой прежде всего по его механическим свойствам — прочности, эластичности, коэффициенту трения и устойчивости к окружающей среде, при этом расположив сенсорную электронику ниже зоны контакта. Это позволяет адаптировать поверхность робота под конкретную задачу, используя, к примеру, эластомер, полимер, кожу или ткань, и не размещая чувствительные элементы непосредственно в зоне контакта с окружающим миром.

​Получаемая роботом информация не ограничивается лишь обнаружением касания. По данным UltraSense, их система способна регистрировать распределение нормальной силы, сдвигового воздействия и проскальзывания, а также классифицировать материал по его акустическому импедансу, который зависит от плотности среды и скорости распространения звука в ней (анализируя степень поглощения и рассеяния акустической энергии, можно судить о том, что это за контактирующий с поверхностью робота материал). Для роботизированного захвата это позволяет получать информацию о состоянии контакта непосредственно во время манипуляции, например, обнаруживать изменение нагрузки или начало смещения объекта и использовать эти данные для корректировки захвата.

Система объединяет MEMS-ультразвуковые преобразователи, специализированную смешанную аналогово-цифровую ASIC-микросхему, встроенное программное обеспечение, алгоритмы обработки сигналов и готовые сенсорные модули. Компания UltraSense продемонстрировала ультразвуковое тактильное осязание с пространственным разрешением 500 мкм через эластомерный слой, точность локального определения сжимающей силы составила около 1,25 мН, а уровень шума при оценке сдвиговой силы - около 5 мН.

​Технология ориентирована на роботизированные кисти, захваты и промышленные исполнительные механизмы, постоянно работающие в условиях физического контакта. UltraSense рассматривает подповерхностное ультразвуковое осязание как способ масштабировать тактильные системы без размещения большого количества уязвимых сенсорных элементов непосредственно в зоне контакта с внешним миром. Компания переносит в робототехнику опыт разработки ультразвуковых сенсорных систем для автомобильной промышленности, куда, по её данным, ранее было поставлено более 4 млн подобных систем.

Подробнее с разработками компании можно ознакомиться на официальном сайте UltraSense Systems.