Интеграция датчиков во вращательные механизмы может позволить инженерам создавать умные петли, которые знают, когда дверь была открыта, или шестерни внутри двигателя, которые сообщают механику, как быстро они вращаются. Инженеры Массачусетского технологического института разработали способ простой интеграции датчиков в механизмы такого типа с помощью 3D-печати.

Несмотря на то, что достижения в области 3D-печати позволяют быстро изготавливать вращательные механизмы, интеграция датчиков в конструкции по-прежнему остается сложной задачей. Из-за сложности вращающихся частей датчики обычно встраиваются вручную после того, как устройство уже изготовлено.

Однако интегрировать датчики вручную — непростая задача. Вставьте их внутрь устройства, и провода могут запутаться во вращающихся частях или препятствовать их вращению, но установка внешних датчиков увеличит размер механизма и потенциально ограничит его движение.

Вместо этого новая система, разработанная исследователями Массачусетского технологического института, позволяет производителю печатать датчики 3D непосредственно в движущихся частях механизма, используя проводящую нить для 3D-печати. Это дает устройствам возможность определять свое угловое положение, скорость вращения и направление вращения.

С их системой под названием MechSense производитель может изготавливать вращательные механизмы со встроенными датчиками всего за один проход, используя 3D-принтер из нескольких материалов. Эти типы принтеров используют несколько материалов одновременно для изготовления устройства.

Чтобы упростить процесс изготовления, исследователи создали плагин для программного обеспечения SolidWorks для автоматизированного проектирования, который автоматически интегрирует датчики в модель механизма, которую затем можно отправить непосредственно на 3D-принтер для изготовления.

MechSense может позволить инженерам быстро создавать прототипы устройств с вращающимися частями, такими как турбины или двигатели, при этом встраивая датчики непосредственно в конструкции. Это может быть особенно полезно при создании осязаемых пользовательских интерфейсов для сред дополненной реальности, где восприятие имеет решающее значение для отслеживания движений пользователя и взаимодействия с объектами.

«Многие исследования, которые мы проводим в нашей лаборатории, включают методы изготовления, созданные фабриками или специализированными учреждениями, а затем делают их доступными для людей. 3D-печать — это инструмент, который многие люди могут позволить себе иметь дома. Можем ли мы предоставить среднему производителю инструменты, необходимые для разработки таких типов интерактивных механизмов? В конце концов, все это исследование вращается вокруг этой цели», — говорит Марва Аль-Алави, аспирант машиностроения и ведущий автор статьи о МехСенс.

Среди соавторов АлАлави Майкл Уэссели, бывший постдоктор в Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL), который сейчас является доцентом в Орхусском университете; и старший автор Стефани Мюллер, доцент кафедры электротехники, компьютерных наук и машиностроения Массачусетского технологического института и член CSAIL; а также другие сотрудники Массачусетского технологического института и сотрудники Accenture Labs. Исследование будет представлено на конференции ACM CHI по человеческому фактору в вычислительных системах.

Встроенный датчик

Чтобы включить датчики во вращательный механизм таким образом, чтобы не нарушать движение устройства, исследователи использовали емкостное восприятие.

Конденсатор состоит из двух пластин из проводящего материала, между которыми зажат изолирующий материал. Если площадь перекрытия или расстояние между проводящими пластинами изменяется, возможно, путем вращения механизма, емкостный датчик может обнаруживать результирующие изменения электрического поля между пластинами. Затем эту информацию можно использовать, например, для расчета скорости.

«При емкостном считывании вам не обязательно иметь контакт между двумя противоположными проводящими пластинами, чтобы отслеживать изменения в этом конкретном датчике. Мы воспользовались этим для нашей конструкции датчика», — говорит АлАлави.

Вращательные механизмы обычно состоят из вращающегося элемента, расположенного выше, ниже или рядом с неподвижным элементом, например шестерня, вращающаяся на неподвижном валу над плоской поверхностью. Прядильное устройство является вращающимся элементом, а плоская поверхность под ним является неподвижным элементом.

Датчик MechSense состоит из трех накладок из проводящего материала, которые впечатаны в неподвижную пластину, при этом каждая накладка отделена от соседних непроводящим материалом. Четвертая накладка из проводящего материала, имеющая ту же площадь, что и три другие накладки, впечатывается во вращающуюся пластину.

Когда устройство вращается, участок на вращающейся пластине, называемый плавающим конденсатором, по очереди перекрывает каждый из участков на неподвижной пластине. По мере того, как перекрытие между вращающимся пятном и каждым неподвижным пятном изменяется (от полностью закрытого до полузакрытого или вообще не покрытого), каждое пятно индивидуально определяет результирующее изменение емкости.

Плавающий конденсатор не подключен к какой-либо схеме, поэтому провода не запутаются с вращающимися компонентами.

Скорее, стационарные патчи подключены к электронике, которая использует программное обеспечение, разработанное исследователями для преобразования необработанных данных датчика в оценки углового положения, направления вращения и скорости вращения.

Включение быстрого прототипирования

Чтобы упростить процесс интеграции датчиков для пользователя, исследователи создали расширение SolidWorks. Производитель указывает вращающиеся и неподвижные части их механизма, а также центр вращения, а затем система автоматически добавляет сенсорные патчи в модель.

«Это совсем не меняет дизайн. Просто часть устройства заменяется другим материалом, в данном случае токопроводящим», — говорит АлАлави.

Исследователи использовали свою систему для создания прототипов нескольких устройств, в том числе интеллектуальной настольной лампы, которая меняет цвет и яркость света в зависимости от того, как пользователь поворачивает нижнюю или среднюю часть лампы. Они также изготовили планетарную коробку передач, подобную той, что используется в манипуляторах, и колесо, измеряющее расстояние при движении по поверхности.

Создавая прототип, команда также проводила технические эксперименты для точной настройки конструкции сенсора. Они обнаружили, что по мере уменьшения размера патчей количество ошибок в данных датчика увеличивалось.

«Стремясь создавать электронные устройства с очень небольшим количеством электронных отходов, нам нужны устройства с меньшими размерами, которые по-прежнему могут работать хорошо. Если мы будем использовать тот же подход и, возможно, использовать другой материал или производственный процесс, я думаю, мы накапливая меньше ошибок, используя ту же геометрию», — говорит она.

Помимо тестирования различных материалов, Аль-Алави и ее сотрудники планируют изучить, как они могут повысить устойчивость конструкции своих датчиков к внешнему шуму, а также разработать печатаемые датчики для других типов движущихся механизмов.