L’intégration de capteurs dans les mécanismes de rotation pourrait permettre aux ingénieurs de construire des charnières intelligentes qui savent quand une porte a été ouverte, ou des engrenages à l’intérieur d’un moteur qui indiquent à un mécanicien à quelle vitesse ils tournent. Les ingénieurs du MIT ont maintenant développé un moyen d’intégrer facilement des capteurs dans ces forms de mécanismes, avec l’impression 3D.
Même si les progrès de l’impression 3D permettent la fabrication rapide de mécanismes de rotation, l’intégration de capteurs dans les conceptions est toujours notoirement difficile. En raison de la complexité des pièces rotatives, les capteurs sont généralement intégrés manuellement, après que l’appareil a déjà été produit.
Cependant, l’intégration manuelle des capteurs n’est pas une tâche facile. Intégrez-les à l’intérieur d’un appareil et les fils pourraient s’emmêler dans les pièces rotatives ou obstruer leurs rotations, mais le montage de capteurs externes augmenterait la taille d’un mécanisme et limiterait potentiellement son mouvement.
Au lieu de cela, le nouveau système développé par les chercheurs du MIT permet à un fabricant d’imprimer en 3D des capteurs directement dans les pièces mobiles d’un mécanisme à l’aide d’un filament d’impression 3D conducteur. Cela donne aux appareils la capacité de détecter leur situation angulaire, leur vitesse de rotation et leur sens de rotation.
Avec leur système, appelé MechSense, un fabricant peut fabriquer des mécanismes de rotation avec des capteurs intégrés en un seul passage à l’aide d’une imprimante 3D multi-matériaux. Ces sorts d’imprimantes utilisent plusieurs matériaux en même temps pour fabriquer un appareil.
Pour rationaliser le processus de fabrication, les chercheurs ont créé un plugin pour le logiciel de conception assistée par ordinateur SolidWorks qui intègre automatiquement des capteurs dans un modèle du mécanisme, qui pourrait ensuite être envoyé directement à l’imprimante 3D pour la fabrication.
MechSense pourrait permettre aux ingénieurs de prototyper rapidement des dispositifs avec des pièces rotatives, comme des turbines ou des moteurs, tout en incorporant la détection directement dans les conceptions. Cela pourrait être particulièrement utile dans la création d’interfaces utilisateur tangibles pour les environnements de réalité augmentée, où la détection est essentielle pour suivre les mouvements d’un utilisateur et l’interaction avec les objets.
“Une grande partie de la recherche que nous effectuons dans notre laboratoire consiste à prendre des méthodes de fabrication créées par des usines ou des institutions spécialisées, puis à les rendre accessibles aux gens. L’impression 3D est un outil que beaucoup de gens peuvent se permettre d’avoir chez eux. Alors, remark pouvons-nous fournir au fabricant moyen les outils nécessaires pour développer ces kinds de mécanismes interactifs ? En fin de compte, cette recherche tourne autour de cet objectif », explique Marwa AlAlawi, étudiante diplômée en génie mécanique et auteure principale d’un short article sur MechSense.
Les co-auteurs d’AlAlawi incluent Michael Wessely, un ancien write-up-doctorant au Laboratoire d’informatique et d’intelligence artificielle du MIT (CSAIL) qui est maintenant professeur adjoint à l’Université d’Aarhus et l’auteure principale Stefanie Mueller, professeure associée aux départements de génie électrique, d’informatique et de génie mécanique du MIT, et membre du CSAIL ainsi que d’autres au MIT et des collaborateurs d’Accenture Labs. La recherche sera présentée à la conférence ACM CHI sur les facteurs humains dans les systèmes informatiques.
Détection intégrée
Pour incorporer des capteurs dans un mécanisme de rotation d’une manière qui ne perturberait pas le mouvement de l’appareil, les chercheurs ont exploité la détection capacitive.
Un condensateur se compose de deux plaques de matériau conducteur qui ont un matériau isolant pris en sandwich entre eux. Si la zone de chevauchement ou la length entre les plaques conductrices est modifiée, peut-être en faisant tourner le mécanisme, un capteur capacitif peut détecter les modifications résultantes du champ électrique entre les plaques. Ces informations pourraient ensuite être utilisées pour calculer la vitesse, par exemple.
“Dans la détection capacitive, vous n’avez pas nécessairement besoin d’avoir un contact entre les deux plaques conductrices opposées pour surveiller les changements dans ce capteur spécifique. Nous en avons profité pour la conception de notre capteur”, explique AlAlawi.
Les mécanismes de rotation consistent généralement en un élément rotatif situé au-dessus, en dessous ou à côté d’un élément fixe, comme un engrenage tournant sur un arbre statique au-dessus d’une surface area plane. L’engrenage en rotation est l’élément rotatif et la surface aircraft en dessous est l’élément stationnaire.
Le capteur MechSense comprend trois patchs fabriqués à partir d’un matériau conducteur qui sont imprimés dans la plaque fixe, chaque patch étant séparé de ses voisins par un matériau non conducteur. Un quatrième patch de matériau conducteur, qui a la même surface area que les trois autres patchs, est imprimé dans la plaque rotative.
Au fur et à mesure que l’appareil tourne, le patch sur la plaque tournante, appelé condensateur flottant, chevauche tour à tour chacun des patchs sur la plaque fixe. Au fur et à mesure que le chevauchement entre le patch rotatif et chaque patch fixe adjust (de complètement couvert, à moitié couvert, à pas couvert du tout), chaque patch détecte individuellement le changement de capacité qui en résulte.
Le condensateur flottant n’est connecté à aucun circuit, de sorte que les fils ne s’emmêlent pas avec des composants rotatifs.
Au lieu de cela, les patchs fixes sont câblés à l’électronique qui utilise un logiciel développé par les chercheurs pour convertir les données brutes des capteurs en estimations de la position angulaire, du sens de rotation et de la vitesse de rotation.
Permettre le prototypage rapide
Pour simplifier le processus d’intégration des capteurs pour un utilisateur, les chercheurs ont construit une extension SolidWorks. Un fabricant spécifie les parties rotatives et fixes de leur mécanisme, ainsi que le centre de rotation, puis le système ajoute automatiquement des patchs de capteur au modèle.
“Cela ne adjust en rien la conception. Il remplace simplement une partie de l’appareil par un matériau différent, dans ce cas un matériau conducteur”, explique AlAlawi.
Les chercheurs ont utilisé leur système pour prototyper plusieurs appareils, dont une lampe de bureau intelligente qui change la couleur et la luminosité de sa lumière en fonction de la façon dont l’utilisateur fait pivoter le bas ou le milieu de la lampe. Ils ont également produit une boîte de vitesses planétaire, comme celles qui sont utilisées dans les bras robotiques, et une roue qui mesure la length lorsqu’elle roule sur une area.
Au fur et à mesure du prototypage, l’équipe a également mené des expériences methods pour affiner la conception de ses capteurs. Ils ont constaté que, à mesure qu’ils réduisaient la taille des patchs, la quantité d’erreurs dans les données des capteurs augmentait.
“Dans un energy pour générer des appareils électroniques avec très peu de déchets électroniques, nous voulons des appareils avec des empreintes additionally petites qui peuvent encore bien fonctionner. Si nous adoptons la même approche et utilisons peut-être un matériau ou un processus de fabrication différent, je pense que nous pouvons réduire tout en accumulant moins d’erreurs en utilisant la même géométrie », dit-elle.
En moreover de tester différents matériaux, AlAlawi et ses collaborateurs prévoient d’explorer comment ils pourraient augmenter la robustesse de leur conception de capteur au bruit externe, et également développer des capteurs imprimables pour d’autres sorts de mécanismes mobiles.
Cette recherche a été financée, en partie, par Accenture Labs.