Die Integration von Sensoren in Rotationsmechanismen könnte es Ingenieuren ermöglichen, intelligente Scharniere zu bauen, die wissen, wann eine Tür geöffnet wurde, oder Zahnräder in einem Motor, die einem Mechaniker mitteilen, wie schnell sie sich drehen. MIT-Ingenieure haben jetzt eine Möglichkeit entwickelt, Sensoren mit 3-D-Druck einfach in diese Artwork von Mechanismen zu integrieren.
Obwohl Fortschritte im 3-D-Druck eine schnelle Herstellung von Rotationsmechanismen ermöglichen, ist die Integration von Sensoren in die Designs immer noch bekanntermaßen schwierig. Aufgrund der Komplexität der rotierenden Teile werden Sensoren normalerweise manuell eingebettet, nachdem das Gerät bereits hergestellt wurde.
Die manuelle Integration von Sensoren ist jedoch keine leichte Aufgabe. Wenn Sie sie in ein Gerät einbetten, könnten sich Drähte in den rotierenden Teilen verheddern oder ihre Rotation behindern, aber die Montage externer Sensoren würde die Größe eines Mechanismus erhöhen und möglicherweise seine Bewegung einschränken.
Stattdessen ermöglicht das neue Machine, das die MIT-Forscher entwickelt haben, einem Hersteller, Sensoren mithilfe von leitfähigem 3-D-Druckfilament direkt in die beweglichen Teile eines Mechanismus zu drucken. Dies gibt Geräten die Möglichkeit, ihre Winkelposition, Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung zu erfassen.
Mit ihrem Machine namens MechSense kann ein Hersteller Rotationsmechanismen mit integrierten Sensoren in nur einem Durchgang mit einem Multimaterial-3-D-Drucker herstellen. Diese Arten von Druckern verwenden mehrere Materialien gleichzeitig, um ein Gerät herzustellen.
Um den Herstellungsprozess zu rationalisieren, bauten die Forscher ein Plugin für die computergestützte Konstruktionssoftware SolidWorks, das Sensoren automatisch in ein Modell des Mechanismus integriert, das dann zur Herstellung direkt an den 3-D-Drucker gesendet werden konnte.
MechSense könnte es Ingenieuren ermöglichen, schnell Prototypen von Geräten mit rotierenden Teilen wie Turbinen oder Motoren zu erstellen und gleichzeitig die Sensorik direkt in die Konstruktionen zu integrieren. Es könnte besonders nützlich sein, um konkrete Benutzerschnittstellen für Augmented-Truth-Umgebungen zu erstellen, in denen die Wahrnehmung für die Verfolgung der Bewegungen und Interaktionen eines Benutzers mit Objekten von entscheidender Bedeutung ist.
„Ein Großteil der Forschung, die wir in unserem Hard work durchführen, besteht darin, Herstellungsmethoden zu nehmen, die Fabriken oder spezialisierte Institutionen entwickeln, und sie dann den Menschen zugänglich zu machen. Der 3-D-Druck ist ein Werkzeug, das sich viele Menschen in ihren Häusern leisten können. Additionally wie Können wir dem durchschnittlichen Hersteller die Werkzeuge zur Verfügung stellen, die zur Entwicklung dieser Artwork von interaktiven Mechanismen erforderlich sind? Letztendlich dreht sich alles um dieses Ziel“, sagt Marwa AlAlawi, eine Maschinenbaustudentin und Hauptautorin eines Artikels über MechSense.
Zu den Co-Autoren von AlAlawi gehören Michael Wessely, ein ehemaliger Postdoc am MIT Laptop Science and Synthetic Intelligence Laboratory (CSAIL), der jetzt Assistenzprofessor an der Universität Aarhus ist; und leitende Autorin Stefanie Mueller, außerordentliche Professorin an den MIT-Abteilungen für Elektrotechnik und Informatik und Maschinenbau sowie Mitglied von CSAIL; sowie andere am MIT und Mitarbeiter von Accenture Labs. Die Forschungsergebnisse werden auf der ACM CHI Convention on Human Components in Computing Programs präsentiert.
Eingebaute Sensorik
Um Sensoren so in einen Rotationsmechanismus einzubauen, dass die Bewegung des Geräts nicht gestört würde, nutzten die Forscher die kapazitive Sensorik.
Ein Kondensator besteht aus zwei Platten aus leitfähigem Subject material, zwischen denen ein isolierendes Subject material liegt. Wenn der Überlappungsbereich oder der Abstand zwischen den leitfähigen Platten geändert wird, vielleicht durch Drehen des Mechanismus, kann ein kapazitiver Sensor die resultierenden Änderungen im elektrischen Feld zwischen den Platten erfassen. Diese Informationen könnten dann beispielsweise zur Berechnung der Geschwindigkeit verwendet werden.
„Bei der kapazitiven Sensorik ist nicht unbedingt ein Kontakt zwischen den beiden gegenüberliegenden leitfähigen Platten erforderlich, um Änderungen in diesem speziellen Sensor zu überwachen. Das haben wir uns für unser Sensordesign zunutze gemacht“, sagt AlAlawi.
Rotationsmechanismen bestehen typischerweise aus einem Rotationselement, das sich über, unter oder neben einem stationären Part befindet, wie ein Zahnrad, das sich auf einer statischen Welle über einer flachen Oberfläche dreht. Das sich drehende Zahnrad ist das Rotationselement und die flache Oberfläche darunter ist das stationäre Part.
Der MechSense-Sensor umfasst drei Patches aus leitfähigem Subject material, die in die stationäre Platte gedruckt sind, wobei jeder Patch von seinen Nachbarn durch nicht leitfähiges Subject material getrennt ist. Ein vierter Patch aus leitfähigem Subject material, der die gleiche Fläche wie die anderen drei Patches hat, wird in die rotierende Platte gedruckt.
Während sich das Gerät dreht, überlappt der Patch auf der rotierenden Platte, der als schwebender Kondensator bezeichnet wird, wiederum jeden der Patches auf der stationären Platte. Wenn sich die Überlappung zwischen dem rotierenden Patch und jedem stationären Patch ändert (von vollständig bedeckt zu halb bedeckt zu überhaupt nicht bedeckt), erkennt jeder Patch einzeln die resultierende Kapazitätsänderung.
Der Floating-Kondensator ist nicht mit Schaltkreisen verbunden, sodass sich die Drähte nicht mit rotierenden Komponenten verheddern.
Vielmehr sind die stationären Patches mit einer Elektronik verdrahtet, die eine von den Forschern entwickelte Instrument verwendet, um rohe Sensordaten in Schätzungen der Winkelposition, Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit umzuwandeln.
Schnelles Prototyping ermöglichen
Um den Sensorintegrationsprozess für einen Benutzer zu vereinfachen, bauten die Forscher eine SolidWorks-Erweiterung. Ein Hersteller spezifiziert die rotierenden und stationären Teile seines Mechanismus sowie den Drehmittelpunkt, und dann fügt das Machine dem Modell automatisch Sensorpatches hinzu.
„Das Design ändert sich überhaupt nicht. Es ersetzt nur einen Teil des Geräts durch ein anderes Subject material, in diesem Fall leitfähiges Subject material“, sagt AlAlawi.
Die Forscher nutzten ihr Machine, um mehrere Geräte zu prototypisieren, darunter eine intelligente Schreibtischlampe, die die Farbe und Helligkeit ihres Lichts ändert, je nachdem, wie der Benutzer die Unterseite oder Mitte der Lampe dreht. Sie produzierten auch ein Planetengetriebe, wie es in Roboterarmen verwendet wird, und ein Rad, das die Entfernung misst, wenn es über eine Oberfläche rollt.
Während der Prototypenentwicklung führte das Staff auch technische Experimente zur Feinabstimmung ihres Sensordesigns durch. Sie fanden heraus, dass die Fehlerquote in den Sensordaten zunahm, wenn sie die Größe der Patches verringerten.
„In dem Bestreben, elektronische Geräte mit sehr wenig Elektroschrott zu produzieren, wollen wir Geräte mit kleinerem Platzbedarf, die dennoch intestine funktionieren. Wenn wir denselben Ansatz verfolgen und vielleicht ein anderes Subject material oder einen anderen Herstellungsprozess verwenden, können wir, denke ich, eine Weile kleiner werden weniger Fehler bei gleicher Geometrie anhäufen“, sagt sie.
Neben dem Testen verschiedener Materialien planen AlAlawi und ihre Mitarbeiter zu untersuchen, wie sie die Robustheit ihres Sensordesigns gegenüber externem Rauschen erhöhen und auch druckbare Sensoren für andere Arten von Bewegungsmechanismen entwickeln können.
Diese Forschung wurde teilweise von Accenture Labs finanziert.