Несмотря на то, что достижения в области 3D-печати позволяют быстро изготавливать вращательные механизмы, интегрировать датчики в конструкции по-прежнему крайне сложно. Из-за сложности вращающихся деталей датчики обычно встраиваются вручную, после того как устройство уже изготовлено.

Однако ручная интеграция датчиков - непростая задача. Вставьте их внутрь устройства, и провода могут запутаться во вращающихся деталях или помешать их вращению, но установка внешних датчиков увеличит размер механизма и потенциально ограничит его движение.

Вместо этого новая система, разработанная исследователями Массачусетского технологического института, позволяет производителю печатать датчики в 3D непосредственно на движущихся частях механизма, используя проводящую нить для 3D-печати. Это дает устройствам возможность определять их угловое положение, скорость вращения и направление вращения.

С помощью их системы, называемой MechSense, производитель может изготавливать вращательные механизмы со встроенными датчиками всего за один проход, используя 3D-принтер из нескольких материалов. Эти типы принтеров используют несколько материалов одновременно для изготовления устройства.

Чтобы упростить процесс изготовления, исследователи создали плагин для программного обеспечения для автоматизированного проектирования SolidWorks, который автоматически интегрирует датчики в модель механизма, которую затем можно отправить непосредственно на 3D-принтер для изготовления.

MechSense может позволить инженерам быстро создавать прототипы устройств с вращающимися деталями, такими как турбины или двигатели, при этом внедряя датчики непосредственно в конструкции. Это может быть особенно полезно при создании осязаемых пользовательских интерфейсов для сред дополненной реальности, где сенсорное управление имеет решающее значение для отслеживания движений пользователя и взаимодействия с объектами.

"Многие исследования, которые мы проводим в нашей лаборатории, включают в себя использование методов изготовления, которые создают фабрики или специализированные учреждения, а затем делают их доступными для людей. 3D-печать - это инструмент, который многие люди могут позволить себе иметь в своих домах. Итак, как мы можем предоставить среднестатистическому производителю инструменты, необходимые для разработки подобных интерактивных механизмов? В конце концов, все это исследование вращается вокруг этой цели", - говорит Марва Алалави, аспирантка кафедры машиностроения и ведущий автор статьи о MechSense.

В число соавторов Алалави входят Майкл Вессели, бывший постдок Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL), который в настоящее время является доцентом Орхусского университета; и старший автор Стефани Мюллер, доцент кафедр электротехники, компьютерных наук и машиностроения Массачусетского технологического института, а также член CSAIL; а также другие сотрудники Массачусетского технологического института и сотрудники Accenture Labs. Исследование будет представлено на конференции ACM CHI по человеческому фактору в вычислительных системах.

Встроенный датчик

Чтобы встроить датчики во вращательный механизм таким образом, чтобы не нарушать движение устройства, исследователи использовали емкостное зондирование.

Конденсатор состоит из двух пластин из проводящего материала, между которыми зажат изолирующий материал. Если площадь перекрытия или расстояние между проводящими пластинами изменяются, возможно, путем вращения механизма, емкостный датчик может обнаружить результирующие изменения в электрическом поле между пластинами. Затем эту информацию можно было бы использовать, например, для расчета скорости.

"При емкостном зондировании вам не обязательно иметь контакт между двумя противоположными проводящими пластинами, чтобы отслеживать изменения в этом конкретном датчике. Мы воспользовались этим при разработке нашего сенсора", - говорит Алалави.

Механизмы вращения обычно состоят из вращающегося элемента, расположенного над, под или рядом с неподвижным элементом, подобно шестерне, вращающейся на неподвижном валу над плоской поверхностью. Вращающаяся шестерня является вращательным элементом, а плоская поверхность под ней - неподвижным элементом.

Датчик MechSense включает в себя три заплаты, изготовленные из проводящего материала, которые печатаются на стационарной пластине, причем каждая заплата отделена от своих соседей непроводящим материалом. Четвертый участок проводящего материала, который имеет ту же площадь, что и три других участка, печатается на вращающейся пластине.

Когда устройство вращается, патч на вращающейся пластине, называемый плавающим конденсатором, по очереди перекрывает каждый из патчей на неподвижной пластине. По мере изменения перекрытия между вращающимся участком и каждым неподвижным участком (от полностью покрытого до наполовину покрытого или вообще не покрытого) каждый участок индивидуально определяет результирующее изменение емкости.

Плавающий конденсатор не подключен ни к какой схеме, поэтому провода не будут запутываться во вращающихся компонентах.

Скорее всего, стационарные патчи подключены к электронике, которая использует программное обеспечение, разработанное исследователями, для преобразования необработанных данных датчика в оценки углового положения, направления вращения и скорости вращения.

Обеспечение быстрого прототипирования

Чтобы упростить процесс интеграции датчиков для пользователя, исследователи создали расширение SolidWorks. Производитель указывает вращающуюся и неподвижную части своего механизма, а также центр вращения, и затем система автоматически добавляет сенсорные патчи к модели.

"Это вообще не меняет дизайн. Это просто заменяет часть устройства другим материалом, в данном случае проводящим материалом", - говорит Алалави.

Исследователи использовали свою систему для создания прототипа нескольких устройств, включая умную настольную лампу, которая меняет цвет и яркость своего света в зависимости от того, как пользователь поворачивает нижнюю или среднюю часть лампы. Они также изготовили планетарную коробку передач, подобную тем, что используются в роботизированных манипуляторах, и колесо, которое измеряет расстояние, когда оно катится по поверхности.

При создании прототипа команда также проводила технические эксперименты для точной настройки конструкции своего датчика. Они обнаружили, что по мере уменьшения размера исправлений количество ошибок в данных датчиков увеличивалось.

"Стремясь создавать электронные устройства с очень небольшим количеством электронных отходов, мы хотим, чтобы устройства с меньшим объемом памяти все еще могли хорошо работать. Если мы применим тот же подход и, возможно, используем другой материал или производственный процесс, я думаю, мы сможем уменьшить масштаб, при этом накапливая меньше ошибок, используя ту же геометрию", - говорит она.

В дополнение к тестированию различных материалов, Алалави и ее сотрудники планируют изучить, как они могли бы повысить устойчивость своей конструкции датчиков к внешним шумам, а также разработать печатаемые датчики для других типов движущихся механизмов.

Это исследование частично финансировалось Accenture Labs.