¿Sensores para un robot mecánico/fluídico?

El "Manual de sensores fluídicos" proporciona una lista de sensores fluídicos que estaban disponibles comercialmente y sus capacidades.

Flujo de fluido y presión Una sonda Pitot es un ejemplo simple de cómo se puede detectar la velocidad del flujo de fluido

Sonido. Para fluídica, puede sentir más o menos directamente el flujo de fluidos y el sonido. Todo lo que necesita para un micrófono es una bocina acústica para recoger el sonido. Los circuitos fluídicos basados ​​en amplificadores de deflexión de chorro funcionan básicamente a partir de señales acústicas. Aunque con los circuitos fluídicos tradicionales es difícil operar a frecuencias ultrasónicas. Algunos chorros de fluidos muestran sensibilidad a los ultrasonidos y se han desarrollado interruptores de fluidos operados por ultrasonidos. Se ha propuesto que tales dispositivos podrían usarse para fabricar juguetes controlados a distancia por ultrasonido . Aunque el rendimiento de este tipo de interruptor fluídico de ultrasonido es un poco dudoso para esta aplicación en la práctica.

Proximidad/Distancia Aunque es difícil operar a frecuencias ultrasónicas con fluídica, se han empleado comercialmente sensores de proximidad fluídica basados ​​en el uso de ultrasonido para hacer la transición de un chorro de fluido a turbulento . Consulte la página 109 del manual para obtener más detalles. Aunque el sensor anterior proporciona solo una respuesta booleana. También existen dispositivos fluídicos que pueden modular y demodular el ultrasonido., lo que significa que potencialmente podría hacer un telémetro de sonar viable a pesar de no tener elementos de conmutación que funcionen en frecuencias ultrasónicas. Aunque esto nunca se ha hecho antes y uno podría tener que ampliar los límites de lo que es posible con la fluídica para hacer esto. Podría volverse más práctico si utilizamos dispositivos fluídicos con gases de baja densidad como el hidrógeno y el helio, que tienen velocidades de sonido más altas y, por lo tanto, pueden permitir frecuencias operativas más altas. También puede medir distancias cortas midiendo el flujo de retorno de un chorro y otros efectos dinámicos de fluidos, consulte las páginas 19 y 57 del manual anterior.

Sensores táctiles/interruptores de límite Una forma de hacer un sensor táctil simple es hacer algo que abra una válvula o un orificio cuando se golpee. Hay numerosos ejemplos de esto en el manual anterior. Otra forma es tener un orificio abierto por el que expulsamos aire con otro canal que conduce de regreso al circuito que queremos conducir. Cuando los agujeros se abren, la salida es cero, cuando el agujero está cubierto, el aire se redirige al canal. Este tipo de dispositivo generalmente se denomina interruptor de contrapresión y se muestra a continuación.

Esta misma técnica también se puede utilizar para medir distancias cortas observando la contrapresión.

Codificadores de rotación Se puede hacer un análogo simple de un codificador óptico usando un chorro de fluido en lugar de un haz de luz. También se puede usar un canal que cambia de ancho para que la resistencia fluídica cambie con la rotación, lo que permite fabricar codificadores absolutos analógicos.

Galgas extensométricas/sensores de fuerza Una forma en que se han fabricado las galgas extensométricas es tener un tubo con un canal helicoidal, algo así como un resorte, y colocar un tubo de goma en el canal. La compresión de la tubería comprime la tubería y aumenta la resistencia al flujo de fluido

Sensores de temperatura Cuando los fluidos se calientan, su viscosidad, densidad y velocidad del sonido pueden cambiar, lo que podemos detectar con circuitos fluídicos. Los pirómetros capilares fluídicos, que miden la temperatura aprovechando el hecho de que los gases se vuelven menos viscosos a temperaturas más altas, disminuyendo así la resistencia de un tubo capilar, se han utilizado para medir la temperatura del acero fundido. Otro medio de medir la temperatura es aprovechar el hecho de que un oscilador fluídico cambiará de tono a medida que cambie la temperatura debido al cambio en la velocidad del sonido.

Composición química La viscosidad, la densidad y la velocidad del sonido del fluido también pueden cambiar con la composición. Un ejemplo simple de esto es que podemos sentir la cantidad de helio/hidrógeno en el aire con un oscilador. Cuanto más alto es el tono, más helio/hidrógeno hay en el aire. La fluídica también se ha utilizado para hacer un cromatógrafo de gases no eléctrico.

Acelerómetros/Giroscopios Se han fabricado giroscopios puramente fluídicos. La rotación puede hacer que un fluido se arremoline y forme un vórtice que aumente la resistencia fluídica.

Estos se han utilizado en el piloto automático de un avión y también se han utilizado para estabilizar misiles y cohetes. También se puede aprovechar el hecho de que un chorro de fluido se desviará debido a la rotación o aceleración (consulte la página 7). Estos se han utilizado para fabricar sistemas de estabilización de cañones de tanques fluídicos. También es interesante notar que el primer sistema de navegación para automóviles se basó en este principio , aunque el chorro se detectó eléctricamente a través de anemómetros de alambre caliente.

Campos magnéticos La mayoría de los amplificadores fluídicos se basan en desviar un chorro entre puertos utilizando flujos de fluido perpendiculares. En lugar de un flujo de fluido perpendicular, podemos colocar un imán en un haz flexible en el chorro, de modo que cuando haya un campo magnético, la flexión del haz desviará el chorro.

Luz La luz es lo más difícil de sentir. En general, es difícil transducir la luz a señales mecánicas ya que la energía que transporta la luz tiende a ser baja. A menos, por supuesto, que la luz sea brillante. Se han fabricado sensores solares fluídicos, donde usamos una lente para enfocar la luz del sol en dos tubos curvos pintados de negro. Debido a que la viscosidad del fluido disminuye con la temperatura, podemos observar la diferencia de resistencia entre las dos tuberías para determinar dónde está el sol. Mediante este enfoque se demostró un sistema de control de actitud fluídico de un eje capaz de rastrear el sol destinado a una sonda solar. Se ha propuesto un enfoque similar para fabricar proyectiles lanzados con cañones de riel que buscan infrarrojos.(Los fluidos pueden soportar el enorme EMP) Otro medio para detectar la luz es mediante el efecto fotoacústico. Si la luz se enciende y se apaga muy rápido, hará que una cavidad de aire se expanda y se contraiga produciendo un sonido. Si bien este sonido puede ser muy pequeño, podemos usar amplificadores fluídicos para amplificarlo y convertirlo en algo con lo que podamos trabajar. El cromatógrafo de gases no eléctrico mencionado anteriormente fue capaz de amplificar la señal fotoacústica de un led de 1 mW en una señal de control neumático. Continuando con la tendencia de aplicaciones absolutamente locas de fluídica para el SDI, un sistema de control de intercepción fluídica ICBMSe demostró que se utilizó un láser para controlar los chorros de desvío. Un medio propuesto para detectar la luz con fluidos de dudosa practicidad, pero potencialmente mayor sensibilidad que los enfoques térmicos utilizados anteriormente, es utilizar una reacción química que se desencadena fotoquímicamente . Por ejemplo, tenemos una corriente continua de hidrógeno y cloro dirigida a una cámara tras la exposición a luz ultravioleta o azul lo suficientemente brillante, el hidrógeno y el cloro reaccionarán de forma explosiva. Entonces podemos sentir la presión y el flujo de la explosión. Tal vez podría usarse una tira de explosivo sensible a la luz. En resumen, será difícil sentir algo que no sea luz brillante.

Tacto, audición, equilibrio y visión si tienes la química.

Para la audición, ya utilizamos un sistema mayoritariamente fluido. Una membrana vibratoria convierte el aire vibratorio en fluido, que luego hace vibrar los pelos. Si esos cabellos están conectados a microneumática (en lugar de receptores electroquímicos), podrían transferir la señal a la CPU neumática (cerebro).

Balance funciona de manera bastante similar, con señales de envío de fluidos cuando activa ciertos puntos al ser inclinado en el oído interno.

Touch podría funcionar al tener una capa exterior flexible de "piel" (goma, plástico, lo que sea). Empuja una matriz de diez mil pequeños pistones, que envían señales de presión por los canales de fluidos a la CPU.

La visión es realmente complicada. Pero a los ojos humanos, un fotón en realidad cambia la forma de una molécula en un bastón o cono en la parte posterior del ojo, como un pequeño engranaje que gira dentro de él. Tal vez podría usar una sustancia química que se expanda o se contraiga lo suficiente cuando se expone a la luz para afectar los canales de fluidos. Admito que este último supera mis conocimientos químicos.

La tecnología para fabricar estos sensores se usa hoy en día y se usa en bienes de consumo cotidianos, desde impresoras de inyección de tinta hasta teléfonos celulares.

Los sistemas micro electromecánicos (MEMS) son microcircuitos producidos con la misma escala de procesos litográficos utilizados en los circuitos integrados de la década de 1970.

Sensor de presión MEMS

Pueden medir fácilmente la temperatura, la presión, los flujos de fluidos, detectar burbujas en la detección de fluidos hidráulicos al explotar de forma creativa los parámetros observables de la dinámica de fluidos utilizando medidores resistivos y de capacitancia MEMS en combinación con convertidores analógicos a digitales muy estándar y un poco de matemática. Estas señales se pueden volver a convertir a niveles analógicos mediante convertidores estándar de digital a analógico, que luego se pueden convertir a niveles de presión u oscilaciones de presión mediante transductores electromecánicos.

Si se requiere un sensor completamente mecánico, entonces el diseño MEMS básico seguirá funcionando y solo será necesario modificar el mecanismo de muestreo. Por ejemplo, en el sensor de presión MEMS que se muestra a continuación. El diafragma deberá estar conectado a una varilla de empuje mecánica cuyo movimiento se amplifique por medios estándar utilizando combinaciones de palancas o engranajes. Los sensores no serán más grandes que un grano de arroz, pero el mecanismo de señalización mecánica será más grande.

Una ventaja de las soluciones basadas en MEMS es que el silicio, en esta escala, de unas pocas micras, es más fuerte que el acero, por lo que los sensores son muy robustos.

El tamaño de los amplificadores mecánicos estará determinado por la cantidad de amplificación requerida y los materiales disponibles.