Taktilní senzory na bázi grafenového aerogelu

Abstract

V robotice jsou ramena a chapadla vybavována různými typy taktilních senzorů. Tyto senzory pomáhají zvýšit robustnost uchopování předmětů a přispívají ke zvýšení bezpečnosti při interakci člověka s robotem. V současnosti používané senzory jsou založeny na různých principech, počínaje elektronickými, měřící změny v elektrických veličinách, po senzory založené na strojovém vidění, které používají levné kamery k odhadování deformace. Před několika lety byl vyvinut nový materiál, grafenový aerogel. Grafenový aerogel vykazuje unikátní mechanické vlastnosti, jako je superelasticita. V kombinaci s elektrickou vodivostí tohoto materiálu se jedná o slibný materiál pro snímání taktilní informace. V této práci popisujeme návrh několika prototypů založených na grafenovém aerogelu. Navržené prototypy jsme podrobili testům a výsledky porovnali s ostatními taktilními senzory. Nadále jsme vyvinuli vlastní elektronický systém k měření a zpracování dat ze senzoru. Na závěr jsme náš senzor použili k pokusům se zpětnovazebním řízením, kdy byl senzor usazen na robotické chapadlo, a porovnali jsme výkon našeho senzoru a silové zpětné vazby použitého chapadla. Tuto práci jsme vypracovali v kolaboraci s Fyzikálním ústavem české akademie věd.

In robotics, hands and grippers are being equipped various types of tactile and force sensors. These sensors can help increase the robustness of grasping tasks or contribute to safety in human-robot interaction. Currently developed sensors are based on several principles, from electronic ones measuring changes in electric units, to vision-based sensors, which use low-cost camera sensors to estimate deformation. A few years ago, a new material was discovered, the graphene aerogel. Graphene aerogel is a substance that shows unique mechanical properties like superelasticity. In combination with electrical conductivity, this makes it a very promising material for tactile sensing. This thesis describes the design of a series of tactile sensor prototypes based on the graphene aerogel. The different designs were extensively experimentally tested and compared to other tactile sensors. In addition to this, a custom electronic system was designed and manufactured to measure and process sensory data. Finally, closed-loop grasping experiments with the sensor mounted on a robot gripper were performed and compared to the performance of the gripper force feedback. This thesis was conducted in collaboration with the Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences, which developed the graphene aerogel.