Los hilanderos 3D pueden sentir cómo sucede esto

La integración de sensores en los mecanismos de giro podría permitir a los ingenieros construir bisagras inteligentes que sepan cuándo se ha abierto una puerta o engranajes dentro del motor que le digan al mecánico qué tan rápido están girando. Los ingenieros del MIT ahora han desarrollado una forma de integrar fácilmente los sensores en este tipo de mecanismos, utilizando la impresión 3D.

Aunque los avances en la impresión 3D permiten la fabricación rápida de mecanismos de rotación, la integración de sensores en los diseños sigue siendo un gran desafío. Debido a la complejidad de las piezas giratorias, los sensores se suelen incluir manualmente después de que la máquina ya se haya producido.

Sin embargo, integrar sensores manualmente no es una tarea fácil. Insértelos dentro de un dispositivo y los cables pueden enredarse en las partes giratorias o impedir su rotación, pero la instalación de sensores externos aumentará el tamaño del mecanismo y potencialmente limitará su movimiento.

En cambio, el nuevo sistema desarrollado por los investigadores del MIT permite a un fabricante imprimir sensores en 3D directamente en las partes móviles de un mecanismo utilizando filamentos conductores para la impresión en 3D. Esto le da a los dispositivos la capacidad de detectar su posición angular, velocidad de rotación y dirección de rotación.

Con su sistema, llamado MechSense, la planta puede fabricar mecanismos de rotación con sensores integrados en una sola pasada utilizando una impresora 3D de múltiples materiales. Este tipo de impresoras utilizan múltiples materiales al mismo tiempo para fabricar un dispositivo.

Para simplificar el proceso de fabricación, los investigadores diseñaron un complemento para el software de diseño asistido por computadora SolidWorks que incrusta automáticamente los sensores en el modelo del mecanismo, que luego se puede enviar directamente a la impresora 3D para la fabricación.

MechSense puede permitir a los ingenieros crear rápidamente prototipos de dispositivos con piezas giratorias, como turbinas o motores, mientras integran el sensor directamente en los diseños. Puede ser particularmente útil para crear interfaces de usuario táctiles para entornos de realidad aumentada, donde la detección es fundamental para rastrear los movimientos del usuario e interactuar con los objetos.

«Gran parte de la investigación que hacemos en nuestro laboratorio implica tomar procesos de fabricación creados por fábricas o instituciones especializadas y luego ponerlos a disposición de las personas. La impresión 3D es una herramienta que muchas personas pueden tener en sus hogares. ¿Cómo podemos ¿Dar a un fabricante promedio las herramientas para desarrollar este tipo de mecanismos interactivos? «Al final del día, esta investigación tiene que ver con ese objetivo», dice Marwa Alaoui, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica y autora principal de un artículo sobre MechSense.

Entre los coautores de la parte superior se encuentra Michael Wesley, ex investigador postdoctoral en el Laboratorio de Inteligencia Artificial y Ciencias de la Computación del MIT (CSAIL) y ahora profesor asistente en la Universidad de Aarhus. y la autora principal Stephanie Mueller, profesora asociada en los Departamentos de Ingeniería Eléctrica, Informática e Ingeniería Mecánica del MIT y miembro de CSAIL; Además de otros del MIT y colaboradores de Accenture Labs. La investigación se presentará en la Conferencia ACM CHI sobre factores humanos en sistemas informáticos.

sensor integrado

Para integrar los sensores en el mecanismo de rotación de una manera que no interrumpa el movimiento del dispositivo, los investigadores utilizaron la detección capacitiva.

Un condensador consta de dos placas de material conductor entre las cuales se intercala un material aislante. Si se cambia el área de superposición o la distancia entre las placas conductoras, quizás girando el mecanismo, el sensor capacitivo puede detectar los cambios resultantes en el campo eléctrico entre las placas. Esta información se puede utilizar para calcular la velocidad, por ejemplo.

«En la detección capacitiva, no es necesario que las dos placas conductoras opuestas estén en contacto para monitorear los cambios en ese sensor en particular. Aprovechamos eso en el diseño del sensor», dijo Alaoui.

Los mecanismos de rotación generalmente consisten en un componente giratorio ubicado encima, debajo o junto a un componente fijo, como un engranaje que gira sobre un eje fijo en la parte superior de una superficie plana. La herramienta de torneado es el elemento giratorio y la superficie plana debajo de ella es el elemento estacionario.

El sensor MechSense incluye tres parches hechos de material conductor impreso en la placa fija, con cada parche separado de sus vecinos por un material no conductor. Un cuarto parche de material conductor, que tiene la misma área que los otros tres parches, está impreso en la placa giratoria.

A medida que el dispositivo gira, el parche en la placa giratoria, llamado condensador flotante, se superpone a cada uno de los parches en la placa estacionaria. A medida que cambia la superposición entre el parche giratorio y cada parche estacionario (de completamente cubierto, a medio cubierto, a no cubierto en absoluto), cada parche individual detecta el cambio de amplitud resultante.

El condensador flotante no está conectado a ningún circuito, por lo que los cables no se enredan con los componentes giratorios.

En cambio, los puntos fijos están conectados a la electrónica que utiliza un software desarrollado por los investigadores para convertir los datos del sensor sin procesar en estimaciones de la posición angular, la dirección de rotación y la velocidad de rotación.

Habilite la creación rápida de prototipos

Para simplificar el proceso de integración de sensores para el usuario, los investigadores crearon una extensión de SolidWorks. El fabricante especifica las partes giratorias y estacionarias de su mecanismo, así como el centro de rotación, y luego el sistema agrega automáticamente las correcciones del sensor al modelo.

«No cambia el diseño en absoluto. Simplemente reemplaza parte del dispositivo con un material diferente, que en este caso es un material conductor de electricidad».

Los investigadores utilizaron su sistema para modelar varios dispositivos, incluida una lámpara de escritorio inteligente que cambia el color y el brillo de su luz según cómo el usuario gira la parte inferior o central de la lámpara. También produjeron una caja de cambios planetaria, como las que se usan en los brazos robóticos, y una rueda que mide la distancia a medida que gira sobre una superficie.

Mientras creaban prototipos, el equipo también realizó experimentos técnicos para afinar el diseño de su sensor. Descubrieron que a medida que se reducía el tamaño de las correcciones, aumentaba la cantidad de error en los datos del sensor.

«En un esfuerzo por crear dispositivos electrónicos con muy pocos desechos electrónicos, queremos dispositivos con huellas más pequeñas que puedan funcionar igual de bien. Si adoptamos el mismo enfoque que tomamos y tal vez usamos un material diferente o un proceso de fabricación diferente, creo que puede escalarlo hacia abajo con menos errores acumulados». Usando la misma geometría», dice ella.

Además de probar varios materiales, Alawi y sus colaboradores planean explorar cómo pueden aumentar la solidez del diseño de su sensor frente al ruido externo, así como desarrollar sensores imprimibles para otros tipos de mecanismos de movimiento.

Esta investigación fue financiada en parte por Accenture Labs.

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Por Adam Zoe, Redacción del MIT

antecedentes adicionales

Ponencia: «MechSense: un canal de diseño y fabricación para la integración de codificadores rotatorios en mecanismos de impresión 3D».

https://www.dropbox.com/s/3yrp0jvadtzu46w/mechsense.pdf?dl=0