Force/Proximity Hybrid Sensors and Phase Change Actuators

Abstract

A perceção eficaz do ambiente envolvente, assim como a criação de mecan ismos compatíveis são dois objetivos importantes para permitir uma in teração homem-robô (Human-Robot Interaction – HRI) segura e intu itiva. Este trabalho encontra-se dividido em duas partes. Na primeira parte apresentamos um sensor híbrido de força e proximidade, mecanica mente flexível, baseado nos fenómenos de piezoresistividade e capacitân cia. Constituído por materiais e componentes de baixo custo, amplamente disponíveis no mercado, o sensor proposto pode ser fabricado e implemen tado de forma econômica a grande escala, melhorando a perceção senso rial de qualquer instalação robótica. Um sistema de aquisição de dados (Data Acquisition System – DAQ) também foi apresentado, permitindo uma interface conveniente com sensor, por meio de uma conexão série USB (Universal Serial Bus). Resultados demonstraram uma resposta rápida e moderadamente precisa a forças entre 0,5 N e 15 N. A deteção de presença humana foi alcançada a distâncias de até 100 mm, embora com uma resolução espacial relativamente reduzida (~ 50 mm). Na segunda parte deste trabalho apresentamos um atuador flexível baseado no processo de mudança de fase (Phase Change Artificial Muscle – PCAM). Com base em músculos artificiais pneumáticos tradicionais McKibben (Pneumatic Artificial Muscles – PAMs), o atuador proposto explora a ex pansão volumétrica da água em transição de fase líquido-vapor alimen tada por uma fonte de alimentação DC (Direct Current) de baixa tensão. Forças de atuação de 27,5 N foram repetidamente alcançadas com atu adores cuja massa é de apenas 23 g. Alta precisão no controlo de pressão foi alcançada, com o sistema a apresentar-se capaz de seguir comandos de pressão com erros de + - 1 kPa. Vários fenômenos importantes foram explorados e discutidos, incluindo limites para taxas de pressurização, segurança de fluidos e limitações de controlo, estabelecendo uma base sólida para futuro desenvolvimento e implementação.

Insightful perception of the surrounding environment, as well as compliant mechanisms are two important goals to enable safe and intuitive Human-Robot Interaction (HRI). This work is divided into two parts. In Part 1, a mechanically flexible, piezoresistive and self-capacitive hybrid force and proximity sensor is presented. Made of low cost and highly available components, the proposed sensor can be economically made and deployed in large numbers, improving the sensory awareness of any robotic system. A Data Acquisition System (DAQ) was also presented, allowing users to conveniently interface the sensor through a regular Universal Serial Bus (USB) connection. Results show a fast and moderately precise response to forces ranging between 0.5 N and 15 N. Human presence detection was achieved at distances up to 100 mm, but with fairly low spatial resolution (~50 mm). In Part 2 of this work, a compliant Phase Change Artificial Muscle (PCAM) is presented. Based on traditional pneumatic McKibben Pneumatic Artificial Muscles (PAMs), the proposed actuator explores the volumetric expansion of water undergoing liquid-gas phase transition, powered by a low voltage DC power source. Actuation forces of 27.5 N were routinely achieved with actuators weighing just 23 g. High-pressure control precision was achieved, with the system following set pressure commands within +- 1 kPa. Several important phenomena were explored and discussed including limits to pressurization rates, fluid safety and control limitations, laying the foundation for future development and deployment.