Captare il futuro – La terza dimensione dei sensori di forza

Pubblicato il 23 novembre 2015

Nonostante l’automazione sempre più spinta delle tecniche di assemblaggio finale, rimangono pur sempre alcuni compiti che solo un essere umano è in grado di svolgere. In contesti particolarmente delicati, l’intelligenza connaturata alle dita umane e la destrezza degli operatori si rivelano, spesso, più adeguate e affidabili anche delle più avanzate apparecchiature robotiche moderne. Rilevare eventuali irregolarità, o verificare il corretto funzionamento di prodotti ergonomici richiede molte volte una presa manuale ed una sensibilità che solo un essere umano può garantire.

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Il sensore OMD di OptoForce con diametro di 10 mm si basa su di un metodo radicalmente nuovo di afferrare gli oggetti e misurare le forze

Quest’ultima roccaforte della produzione industriale e dello sviluppo di nuovi prodotti, settori nei quali le mani dell’uomo sono tuttora necessarie, è tuttavia in declino. L’impiego di sensori a infrarossi, ad esempio, permette di individuare anche una minima variazione sulla superficie attiva realizzata con materiali elastomeri e garantisce che persino le più leggere imperfezioni vengano rilevate dalla superficie del sensore e, quindi, scartate.

Questi trasduttori devono essere abbastanza robusti per resistere ad ambienti di lavoro difficili per lunghi periodi di tempo, con la possibilità di essere soggetti a notevoli sbalzi di temperatura e ad altre condizioni avverse, come le vibrazioni e l’esposizione a fluidi o alla polvere.

Allo scopo di realizzare apparecchiature destinate all’automazione industriale e allo sviluppo dei prodotti, diventa fondamentale cercare soluzioni che siano in grado di valorizzare e sfruttare pienamente la sensibilità e le proprietà di una specifica tecnologia di sensori.

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Conrad Business Supplies offre ai propri clienti una serie di sensori di forza che comprende i sensori 3D di OptoForce con i relativi kit di sviluppo

Sensori di forza ottici ed estensimetri a confronto

Detto con parole semplici, rilevare una forza vuol dire misurare una deformazione verificatasi nel sensore e, da questa, dedurre il carico applicato che l’ha prodotta. Dal 1938 la tecnologia dell’estensimetro (strain gauge) è stata considerata lo strumento migliore per raggiungere tale scopo. Il tipo di estensimetro più diffuso è composto da un supporto isolato e flessibile su cui è applicata una griglia di lamine metalliche. Lo strumento viene attaccato all’oggetto su cui è applicata la forza da misurare e la resistenza elettrica rilevata dal sensore viene utilizzata per ricavare la deformazione stessa.

La diffusione di questa tecnologia, consolidata da tempo, è stata ostacolata da alcune limitazioni pratiche relative alla struttura fragile e delicata dei sensori, alla loro vulnerabilità alle condizioni ambientali, come l’umidità e le scariche elettrostatiche (ESD: ElectroStatic Discharge), al peso supplementare che possono aggiungere ed, infine, all’elevato costo di produzione. Oltre a ciò, in alcune applicazioni, gli estensimetri possono aggiungere massa e smorzamento ai profili di vibrazione del corpo che intendono misurare.

A fronte di queste caratteristiche, il loro impiego si è limitato alle applicazioni in cui il costo elevato e la potenziale fragilità potevano essere assorbite o accettate. Ciò che invece si richiede, per le misure di forza, è la disponibilità di sensori in grado di sopportare le condizioni ambientali severe tipiche di molti contesti industriali.

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I bracci robotici di OptoForce sono in grado di afferrare, con una presa sicura, uova e lampadine, regolandosi automaticamente in base al peso, alla consistenza ed alla fragilità degli oggetti da prendere

La tecnologia di rilevamento ottico triassiale della forza, invece di usare il circuito basato sulle lamine metalliche, impiega dei fotodiodi per misurare la porzione di luce riflessa rispetto a quella originariamente emessa da un LED e distribuita sui tre assi X, Y e Z. Confrontando i valori misurati ed i loro effetti sui fotodiodi, è possibile ricostruire con precisione non solo l’intensità, ma anche la direzione di una forza.

Se un gruppo di questi sensori a tre assi viene opportunamente combinato, esso potrà misurare non solo la forza laterale che insiste sui sensori in questione, ma anche il momento della forza che sta agendo sugli assi X, Y e Z, creando, così, un ‘sensore a sei assi’.

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La composizione unica del sensori di OptoForce garantisce non solo un elevato grado di precisione, ma anche una struttura tanto robusta e di qualità da resistere a condizioni ambientali estreme e a forze di elevata intensità

Un tocco di intelligenza

In rete non mancano certo i video che mostrano mani robotiche, pinze e morse varie mentre afferrano oggetti fragili, come, ad esempio, uova e lampadine, cercando di dimostrare le proprie capacità. In realtà solo alcuni di questi prodotti riescono veramente ad eseguire quanto mostrato nei filmati senza richiedere una precedente preparazione.

Affinché un nodo sensore sia in grado di rilevare anche le forze e le pressioni più deboli, è necessario che il sensore stesso applichi un metodo più evoluto per misurare tali grandezze e reagire ad esse. Compiere questa impresa istantaneamente, senza un preparazione preventiva, richiede non soltanto un sensore più intelligente, ma anche un materiale più intelligente dal quale realizzare il sensore in questione.

Il silicone, con la sua varia consistenza e le diverse forme di fabbricazione, rappresenta un materiale che ben si presta ad essere progettato ad hoc per garantire misure di deformazioni e deflessioni che siano il più precise possibile. Questo silicone ‘di qualità ottica’ è in grado non solo di rilevare una forza che generi una deformazione di poche centinaia di nanometri, ma anche di sopportare temperature che variano da -40°C a +100°C.

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La famiglia completa di sensori di OptoForce disponibili da Conrad offre ai clienti la flessibilità di svolgere una serie di operazioni differenti per il rilevamento della forza

Automazione ed autonomia

Mentre l’automazione non costituisce nulla di nuovo per l’industria manifatturiera, rimangono ancora alcune tecniche ed alcune applicazioni nelle quali l’essere umano offre una più elevata garanzia di qualità rispetto alle macchine. I sensori tridimensionali riescono a garantire questi parametri, ma sono spesso limitati dalla loro fragilità o dal costo elevato.

Le tipiche applicazioni per questi sensori tridimensionali comprendono i processi di smerigliatura, lucidatura e rifinitura, che richiedono un controllo della forza, un assemblaggio robotico ed una guida del macchinario. Inoltre, le loro capacità di rilevamento possono essere facilmente riconvertite in funzionalità avanzate legate alla sicurezza, come, ad esempio, garantire il rilevamento delle collisioni da varie angolazioni.

Sensori di forza ultrasensibili

Sensori come quelli realizzati dall’azienda ungherese OptoForce, una delle principali case produttrici del settore, hanno la capacità di rispondere in modo efficace e con un elevato grado di precisione anche a livelli minimi di pressione. Riescono a rilevare la forza esercitata da una piuma fatta scivolare sulla loro superficie, o, addirittura, arrivano a riconoscere gli spostamenti d’aria.

Mentre altri produttori hanno sviluppato e commercializzato con successo dei sensori di forza multidirezionali, OptoForce ha invece sviluppato sensori così robusti da poter soddisfare i requisiti specifici delle applicazioni per i settori dell’automazione, della produzione e dello sviluppo. Grazie alla disponibilità di un kit di sviluppo ad un prezzo conveniente, questi sensori hanno la possibilità concreta di favorire lo sviluppo di nuovi mercati e applicazioni che in passato sarebbero stati preclusi a causa dei proibitivi costi di investimento richiesti.

Allo stesso tempo, più robusto è il sensore, maggiore è il numero di attività in cui può trovare applicazione. In ambito industriale, tali applicazioni possono comprendere la lucidatura, la smerigliatura, la spazzolatura e l’assemblaggio, oppure qualsiasi altra operazione in cui l’apparecchiatura di produzione debba seguire la curvatura di un oggetto esercitando sempre la stessa quantità di forza, o quando è necessario controllare se l’oggetto afferrato si trovi nella giusta posizione.

Le caratteristiche di questi sensori potenzialmente offrono nuove possibilità per sviluppare robot deambulanti ancora più evoluti ed abili.

Prima dello sviluppo di questa tecnologia, infatti, i sensori di forza non erano in grado di resistere alle brusche sollecitazioni meccaniche che si generano quando le gambe di questi robot vengono a contatto con il suolo. Grazie alla loro precisione più elevata ed alla maggiore robustezza, questi sensori offrono alla robotica la concreta possibilità di sviluppare i propri apparati dotandoli di un senso del movimento e dell’equilibrio più naturale.

Conrad e i sensori di forza

È responsabilità dei distributori e dei rivenditori di tecnologie avanzate non solo seguire l’andamento dei progressi tecnologici, ma, alcune volte, anche guidarli. In questo senso, Conrad Business Supplies ha cercato di offrire ai propri clienti una gamma di sensori di forza che includa anche la serie completa dei prodotti OptoForce, costituita dai sensori tridimensionali e dai relativi kit di sviluppo.

Holger Morgensterm, Product manager, Conrad Business Supplies



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