Development of highly sensitive multimodal tactile sensor

Résumé

Le sens du toucher est crucial pour l’interprétation des stimuli extéroceptifs, et pour modérer les interactions physiques avec son environnement au cours de la préhension d’objets et des tâches de manipulation. Pendant des années, les chercheurs dans le domaine du tactile ont cherché une méthode qui permettra aux robots d’atteindre les mêmes capacités de détection tactile que les humains, mais la solution est resté incomplète. Ceci est un problème pour les gens dans les communautés médicale et robotique, puisque les prothèses robotiques offrent peu ou pas de retour de force lors d’un contact avec des objets. Au cours des tâches de manipulation d’objets, l’incapacité de contrôler la force (appliquée par la prothèse ou la main robotique sur l’objet) entraîne souvent des dommages à l’objet. En outre, les personnes amputées doivent compenser le manque de tactilité en accordant une attention visuelle continue à la tâche, rendant la tâche la plus simple frustrante et chronophage. Nous croyons que ces défis de la manipulation d’objets pourraient être mieux traitées par une boucle de rétroaction fermée avec un système sensoriel tactile qui est capable de détecter de multiples stimuli. À cet effet, le but de notre recherche est le développement d’un capteur tactile qui imite l’appareil sensoriel humain aussi étroitement que possible. Jusqu’à présent, les capteurs tactiles ont été incapables de faire correspondre l’appareil sensoriel humain en termes de multimodalité simultanée, d’haute résolution et de grande sensibilité. En particulier, les capteurs précédents ont généralement été capable de détecter soit, une large gamme de forces, ou des forces très faibles, mais jamais les deux en même temps ; et ils sont conçus pour la détection soit statique ou dynamique, plutôt que multimodale. Ces restrictions ont laissé ces capteurs inadaptés aux besoins des applications robotiques. Les capteurs capacitifs représentent la méthode la plus prometteuse, mais ils doivent aussi surmonter de nombreuses limitations. Bien que les innovations récentes dans l’industrie de l’écran tactile ont résolu la question de la complexité de traitement par le remplacement des circuits de traitement maladroit avec de nouveaux circuits intégrés (IC), la plupart des capteurs capacitifs restent encore limités par l’hystérésis et des plages étroites de sensibilité en raison des propriétés de leurs diélectriques. Dans cette thèse, nous présentons la conception d’un nouveau capteur tactile capacitif qui est capable de faire des mesures très précises à des niveaux de faible force, tout en étant sensible à un large éventail de forces. Notre capteur ne se limite pas à la détection de forces à faible ou large sensibilité, car le diélectrique souple amélioré que nous avons construit lui permet de faire les deux à la fois. Pour construire la base du diélectrique, nous avons utilisé un matériau de silicone modifié géométriquement. Pour créer cette matière, nous avons utilisé un processus de lithographie molle pour construire des microcaractéristiques qui améliorent la compressibilité du silicone sous pression. En outre, le silicone a été dopé avec des nanoparticules de céramique à haute permittivité, ce qui améliore la réponse du capteur capacitif. Notre diélectrique dispose d’une microstructure en deux étapes, ce qui le rend très sensible à de faibles forces, tout en étant capable de mesurer un large éventail de forces. Malgré ces nombreuses étapes et la complexité de la structure du diélectrique, nous étions encore en mesure de le fabriquer en utilisant un processus relativement simple. En outre, notre capteur ne se limite pas à des données statiques ou dynamiques de détection. Contrairement aux capteurs antérieurs, il est capable de faire les deux simultanément. Cette multimodalité permet à notre capteur de détecter la fluctuation des forces, même à des niveaux de force très faible. Alors que les chercheurs ont utilisé des technologies distinctes pour la détection statique et dynamique, notre unité de détection dynamique est formé avec la même technologie capacitive que celui statique. Cela a été possible en raison de la grande sensibilité de notre diélectrique. Nous avons utilisé la totalité de la surface de manière efficace, en intégrant le seule taxel dynamique de détection sur la même couche que les taxels de détection statiques. Essentiellement, le taxel dynamique prend la forme des lignes d’une grille, en remplissant les espaces entre les taxels statiques individuels. Pour plus d’optimisation, la géométrie du taxel dynamique a été redessinée en insérant des traces miniatures du taxel dynamique au sein des taxels statiques. De cette façon, toute la surface du capteur est sensible à la fois à des événements dynamiques et statiques. Bien que cette conception réduit légèrement la zone qui est couverte par les taxels statiques, le compromis est justifiée puisque le comportement capacitif est augmenté par l’effet de bord du condensateur. La fusion d’un diélectrique innovateur avec une détection capacitive IC à produit un capteur tactile très sensible qui répond à nos objectifs en ce qui concerne la résolution, l’immunité au bruit et la performance globale. Il est sensible aux forces allant de 1mN à 15 N. Nous avons vérifié la fonctionnalité de notre capteur en le montant sur plusieurs mains mécaniques populaires. Nos expériences d’évaluation de préhension ont livrés des résultats prometteurs et ont montré comment notre capteur pourrait être raffinée afin qu’il puisse être utilisé pour estimer avec précision le résultat d’une tentative de prise. À l’avenir, nous pensons que la combinaison d’une main robotique de pointe avec le capteur que nous avons développé nous permettra de répondre à la demande de capacités tactiles similaire à celle des humains.

Date	7 oct. 2015
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vincent Duchaine (Directeur(-trice)) & Pascal Bigras (Codirecteur(-trice))