Applications des capteurs IMU et des capteurs à film piézoélectrique dans le domaine de la robotique
Avec l'avancement rapide de la technologie de la robotique, les capacités de perception sont devenues un élément central alimentant l'intelligence et la multifonctionnalité des robots. Parmi les divers capteurs, les unités de mesure inertielle (IMUs) et les capteurs à film piézoélectrique ont progressivement émergé comme des technologies clés dans le domaine de la robotique en raison de leurs performances uniques et de leurs scénarios d'application variés. Les IMUs, connues pour leur mesure précise de l'attitude, du mouvement et de la direction, sont largement utilisées dans la navigation, le contrôle et la planification du mouvement. Parallèlement, les capteurs à film piézoélectrique, avec leur haute sensibilité, leur flexibilité et leurs caractéristiques multifonctionnelles, excellent dans des domaines tels que la perception tactile et la surveillance des vibrations. Cet article explore les applications typiques et les axes de développement futurs des IMUs et des capteurs à film piézoélectrique dans le domaine de la robotique, ainsi que les solutions connexes introduites par Murata.
Les gyroscopes et accéléromètres offrent des capacités de détection de mouvement pour les robots
L'application et le développement des gyroscopes et des accéléromètres dans les robots intelligents revêtent une grande importance, car ils fournissent aux robots un contrôle précis de l'attitude, des capacités de navigation et de détection de mouvement. En termes de contrôle de l'attitude et de stabilité, les gyroscopes peuvent mesurer la vitesse angulaire d'un robot dans un espace tridimensionnel, aidant à maintenir l'équilibre, ce qui est particulièrement critique pour les robots bipèdes et les drones. Les accéléromètres, quant à eux, peuvent surveiller les variations de l'accélération linéaire pendant le mouvement du robot. Ensemble, ils forment une unité de mesure inertielle (IMU), permettant une estimation précise de l'attitude.
De plus, dans des environnements dépourvus de GPS, les gyroscopes et les accéléromètres, grâce à des algorithmes de navigation inertielle, peuvent fournir des informations de position, soutenant le déplacement autonome en intérieur ou sur des terrains complexes. Lorsqu'ils sont intégrés à des capteurs de vision (comme la technologie SLAM), la précision de la navigation est encore améliorée. Pour la détection de collisions et l'évitement des obstacles, les accéléromètres peuvent détecter des changements anormaux d'accélération pendant le mouvement du robot, permettant des réactions rapides telles que l'évitement des obstacles ou l'arrêt des actions. Dans les applications de robots de service et de divertissement, ces capteurs peuvent capturer les mouvements des bras ou du corps du robot pour simuler un comportement humain ou interagir avec les utilisateurs. De plus, les données de capteurs peuvent être utilisées pour évaluer l'inclinaison du sol, les vibrations et les changements dynamiques de l'environnement extérieur, améliorant ainsi l'adaptabilité du robot à son environnement.
Capteurs inertiels MEMS 6 axes ultra-haute précision
Avec l'augmentation des fonctionnalités des équipements industriels, le nombre de composants électroniques intégrés augmente également continuellement, nécessitant une miniaturisation des capteurs. De plus, à mesure que le niveau d'automatisation des équipements industriels continue de progresser, la demande pour l'obtention précise des angles d'attitude dynamiques et des informations de positionnement autonome augmente également.
Parmi ceux-ci, l'orthogonalité de chaque axe (axe X, axe Y et axe Z) des capteurs est un facteur critique pour une estimation plus précise des angles d'attitude dynamique. Jusqu'à présent, garantir l'orthogonalité nécessitait que les utilisateurs effectuent une calibration externe à l'aide d'autres dispositifs. Pour répondre à ce besoin, Murata a développé des capteurs inertiels MEMS 6 axes de haute précision, avec un faible niveau de bruit et une sortie stable. Chaque axe du capteur gyroscope et du capteur accéléromètre peut produire des valeurs avec une compensation d'orthogonalité appliquée, simplifiant le processus de calibration utilisateur et contribuant à réduire les coûts de production. De plus, le design compact permet d'économiser de l'espace sur les PCB. La série de capteurs SCH16T de Murata offre une flexibilité accrue pour les clients grâce à des options de conception redondantes et des canaux de sortie doubles ajustables intégrés. La série de capteurs SCH16T prend en charge une plage de mesure de vitesse angulaire de ±2000°/s (SCH16T-K10) ou ±300°/s (SCH16T-K01), ainsi qu'une plage de mesure d'accélération de ±16g (SCH16T-K10) ou ±8g (SCH16T-K01). Elle inclut un canal accéléromètre numérique auxiliaire avec une plage dynamique de ±26g, une instabilité de biais du gyroscope aussi basse que 0.3°/h (SCH16T-K01) ou 4°/h (SCH16T-K10), et des niveaux de densité de bruit aussi bas que 0.4m°/s/√Hz (SCH16T-K01) ou 6m°/s/√Hz (SCH16T-K10). Les capteurs prennent en charge des options d'interpolation et de décimation pour une sortie synchronisée prête à l'emploi, l'indexation temporelle et la fonctionnalité d'entrée SYNC. La série de capteurs SCH16T fonctionne dans une plage de températures de −40 à 110°C, en utilisant une tension d'alimentation de 3,0 à 3,6V et une tension d'E/S de 1,7 à 3,6V. Elle prend en charge l'interface SafeSPI v2.0 et permet de sélectionner des données de sortie de 20 bits et 16 bits via des trames SPI. Avec des fonctions d'auto-diagnostic étendues, ses dimensions sont de 12mm × 14mm × 3mm (longueur × largeur × hauteur), occupant une empreinte PCB de moins de 170mm². Elle présente un boîtier plastique SOIC robuste conforme aux normes RoHS, adapté aux processus de soudure sans plomb et au montage CMS. Le capteur SCH16T est l'un des rares dispositifs 6DoF en un seul boîtier à offrir ce niveau de performance et de fonctionnalité. Il présente une excellente linéarité et stabilité de décalage sur toute la plage de températures et de mesures, atteignant une précision de détection dynamique et de position au niveau centimétrique même dans des environnements difficiles. SCH16T est adapté à des applications exigeant une performance élevée dans des conditions environnementales difficiles, telles que les unités de mesure inertielle (IMUs), la navigation et le positionnement inertiels, le contrôle et le guidage des machines, l'inclinaison dynamique, le contrôle de robots et les drones (UAVs). Murata propose également des cartes d'évaluation pour les capteurs combo gyroscope/accéléromètre, SCH16T-K01-PCB et SCH16T-K10-PCB, qui sont livrées préinstallées avec les capteurs de la série SCH16T sur un PCB équipé de composants passifs. Le PCB facilite la communication SPI via des pins.
Les capteurs de film piézoélectrique aident les robots à détecter le toucher, la force de pression et les vibrations
Les capteurs à film piézoélectrique, grâce à leurs caractéristiques de légèreté, haute sensibilité et réponse rapide, offrent de vastes perspectives d'application et un fort potentiel de développement dans les robots intelligents. Dans les applications de détection tactile, les capteurs à film piézoélectrique peuvent être utilisés comme des capteurs tactiles flexibles installés sur la surface du robot pour détecter les contacts externes, la force de pression et les vibrations. Ces capteurs aident les robots à percevoir l'environnement extérieur et permettent un contrôle précis de la force lors de la préhension et de la manipulation d'objets en détectant avec précision les forces de contact. Les capteurs à film piézoélectrique peuvent également être utilisés pour la surveillance des vibrations et la détection des défaillances. Ils surveillent les vibrations des pièces mobiles du robot afin de détecter des défaillances ou des anomalies précoces, ce qui permet une maintenance préventive. De plus, en détectant les caractéristiques de vibration dans l'environnement extérieur, ils améliorent l'adaptabilité du robot aux terrains complexes et aux scénarios dynamiques.
Capteurs de film piézoélectrique ultra-minces et hautement sensibles
Murata a utilisé sa technologie piézoélectrique propriétaire pour introduire le capteur de film piezoélectrique Picoleaf™. Ce capteur flexible et fin est capable de détecter avec une grande sensibilité la flexion, la torsion, la force de pression et les vibrations. Il permet de gagner de l’espace d’installation et offre des améliorations en termes de finesse, de performance d’assemblage et de durabilité par rapport aux capteurs conventionnels. De plus, le matériau de film piézoélectrique utilisé dans Picoleaf™ est l'acide polylactique obtenu par fermentation de l’acide lactique extrait de tissus végétaux. Étant donné que les plantes absorbent le dioxyde de carbone de l’atmosphère pour synthétiser l’amidon, ce matériau n’augmente pas la quantité totale de dioxyde de carbone contribuant au réchauffement climatique. C’est un matériau neutre en carbone qui soutient la durabilité environnementale. Les caractéristiques clés du capteur de film piézoélectrique Picoleaf™ incluent un taux d’amplification ajustable pour les signaux de sortie, un seuil de jugement marche/arrêt personnalisable et une configuration de filtre définie. Il permet de contrôler et de surveiller les signaux sur jusqu’à quatre canaux, et l’interface utilisateur graphique (GUI) fournit un aperçu intuitif de divers paramètres et de l’état des sorties. Les données peuvent également être exportées au format CSV. Avec une épaisseur de 0,2 mm ou moins, Picoleaf™ permet un gain d’espace même lorsqu’il est combiné avec un écran ou un panneau tactile. Ses dimensions compactes de 2,5 × 7,0 mm permettent d’atteindre une taille ultra-petite. La structure flexible de Picoleaf™ lui permet d’adhérer à des surfaces courbes sur des appareils au design avancé, d’être enroulé autour d’objets cylindriques et de fonctionner dans des environnements humides comme des salles de bain ou des cuisines. Il peut détecter la force de pression sous l’eau et être appliqué à des dispositifs utilisant de l’eau comme des machines à laver. Il est également capable de créer des boutons sans couture sur des boîtiers en métal. Le capteur de film piezoélectrique Picoleaf™ offre une grande sensibilité, capable de détecter des déplacements microscopiques aussi petits que 1 µm. Un seul capteur peut détecter la pression sur toute une surface d’écran. En outre, il peut surveiller des signaux biologiques tels que les mouvements musculaires involontaires, la force de préhension et la pulsation. Le capteur est non pyroelectrique, ce qui élimine les dérives causées par la température corporelle, la lumière solaire ou la chaleur émise par des semi-conducteurs, réduisant ainsi les bruits induits par des effets thermiques. Picoleaf™ offre une faible consommation d’énergie. Le capteur lui-même ne consomme pas d’énergie, et son circuit d’amplification piloté peut être conçu pour une faible consommation de courant (environ 10 µA). Par ailleurs, Picoleaf™ utilise un film piézoélectrique organique respectueux de l'environnement, fabriqué à partir d’acide polylactique d’origine végétale, contribuant aux objectifs de développement durable (ODD) sans augmenter le CO2 atmosphérique pendant son cycle de vie de fabrication, d’élimination et de décomposition. Il s’agit également d’un produit sans plomb conforme à la directive RoHS européenne. Picoleaf™ est approprié pour des applications impliquant la détection de force de pression. Par exemple, il peut fonctionner comme un capteur d’interface utilisateur (UI) en tirant parti de ses caractéristiques de détection de pression, être intégré à un stylet pour détecter les états de préhension de la main, et prévenir des actions involontaires en détectant des pressions. De plus, Picoleaf™ est applicable à la détection de signaux biologiques, tels que la surveillance de la pulsation et de la respiration, grâce à sa haute sensibilité. Murata propose également des cartes d’évaluation équipées de circuits intégrés d’analyse numérique programmable GreenPAK™ produits par Renesas Electronics. Ces cartes permettent un ajustement dynamique du taux d’amplification des signaux de sortie et du seuil de jugement marche/arrêt. Avec la capacité de traiter des signaux provenant de jusqu’à quatre canaux simultanément, les cartes d’évaluation prennent en charge des évaluations polyvalentes ou des évaluations sur plusieurs emplacements, améliorant la vitesse et l’efficacité des évaluations. En outre, la GUI dédiée facilite les ajustements intuitifs des paramètres, ainsi que la sauvegarde et le partage des conditions.
Conclusion
Les capteurs IMU et les capteurs à film piézoélectrique jouent un rôle indispensable dans la réalisation d'un contrôle de mouvement précis et d'une perception environnementale flexible chez les robots intelligents. Ces deux types de capteurs fournissent un support technique robuste pour des applications innovantes dans des domaines tels que l'automatisation industrielle, l'assistance médicale et l'interaction de service. Les gyroscopes, accéléromètres et capteurs à film piézoélectrique lancés par Murata devraient contribuer à faire progresser la technologie robotique vers des niveaux supérieurs d'intelligence et de diversification, permettant un développement d'applications plus large.
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