Um novo sistema permite que os fabricantes incorporem sensores em engrenagens e outros mecanismos de rotação com apenas uma passagem em uma impressora 3D.
Um mecanismo rotacional, que possui um capacitor flutuante laranja dentro dele, paira sobre uma folha quadrada com um sensor laranja.
Legenda:Pesquisadores do MIT criaram um sistema que permite aos fabricantes incorporar sensores diretamente em mecanismos rotacionais com apenas uma passagem em uma impressora 3D. Isso dá aos mecanismos rotacionais, como as engrenagens dentro de um motor, a capacidade de detectar sua posição angular, velocidade de rotação e direção de rotação.
Créditos:Crédito: Cortesia dos pesquisadores. Editado por MIT News
As renderizações são mostradas da esquerda para a direita: uma roda azul renderizada em 3D rotulada como “a face seletiva”; o capacitor flutuante circular com partes laranja rotuladas como “partes condutoras”; uma visão de traços de desenho em um programa 3D; e uma inserção destaca a geometria cilíndrica gerada nas partes condutivas laranja.
Legenda: Os pesquisadores construíram um plug-in para o software de design auxiliado por computador SolidWorks que integra automaticamente os sensores em um modelo do mecanismo, que pode ser enviado diretamente para a impressora 3D para fabricação. Aqui, eles usaram o sistema para projetar uma roda que mede a distância enquanto rola por uma superfície.
Créditos: Cortesia dos pesquisadores. Editado por MIT News
A integração de sensores em mecanismos de rotação pode permitir que os engenheiros construam dobradiças inteligentes que saibam quando uma porta foi aberta, ou engrenagens dentro de um motor que informam a um mecânico a velocidade com que estão girando. Os engenheiros do MIT desenvolveram agora uma maneira de integrar facilmente sensores a esses tipos de mecanismos, com impressão 3D.
Embora os avanços na impressão 3D permitam a fabricação rápida de mecanismos rotacionais, a integração de sensores aos projetos ainda é notoriamente difícil. Devido à complexidade das peças rotativas, os sensores normalmente são incorporados manualmente, após o dispositivo já ter sido produzido.
No entanto, a integração manual de sensores não é uma tarefa fácil. Incorpore-os dentro de um dispositivo e os fios podem ficar emaranhados nas partes rotativas ou obstruir suas rotações, mas a montagem de sensores externos aumentaria o tamanho de um mecanismo e potencialmente limitaria seu movimento.
Em vez disso, o novo sistema que os pesquisadores do MIT desenvolveram permite que um fabricante imprima sensores em 3D diretamente nas partes móveis de um mecanismo usando filamento de impressão 3D condutor. Isso dá aos dispositivos a capacidade de detectar sua posição angular, velocidade de rotação e direção de rotação.
Com seu sistema, chamado MechSense, um fabricante pode fabricar mecanismos rotacionais com sensores integrados em apenas uma passagem usando uma impressora 3D multimaterial. Esses tipos de impressoras utilizam vários materiais ao mesmo tempo para fabricar um dispositivo.
Para agilizar o processo de fabricação, os pesquisadores construíram um plug-in para o software de design assistido por computador SolidWorks, que integra automaticamente os sensores em um modelo do mecanismo, que pode ser enviado diretamente para a impressora 3D para fabricação.
O MechSense pode permitir que os engenheiros prototipem rapidamente dispositivos com peças rotativas, como turbinas ou motores, incorporando a detecção diretamente nos projetos. Pode ser especialmente útil na criação de interfaces de usuário tangíveis para ambientes de realidade aumentada, onde a detecção é crítica para rastrear os movimentos de um usuário e a interação com objetos.
“Grande parte da pesquisa que fazemos em nosso laboratório envolve pegar métodos de fabricação que fábricas ou instituições especializadas criam e torná-los acessíveis para as pessoas. A impressão 3D é uma ferramenta que muitas pessoas podem ter em suas casas. Então, como podemos fornecer ao fabricante médio as ferramentas necessárias para desenvolver esses tipos de mecanismos interativos? No final das contas, toda essa pesquisa gira em torno desse objetivo”, diz Marwa AlAlawi, estudante de graduação em engenharia mecânica e principal autora de um artigo sobre o MechSense.
Os coautores de AlAlawi incluem Michael Wessely, ex-pós-doutorado no Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial (CSAIL) do MIT, que agora é professor assistente na Universidade de Aarhus; e a autora sênior Stefanie Mueller, professora associada nos departamentos de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e Engenharia Mecânica do MIT e membro do CSAIL; bem como outros no MIT e colaboradores da Accenture Labs. A pesquisa será apresentada na Conferência ACM CHI sobre Fatores Humanos em Sistemas de Computação.
Para incorporar sensores em um mecanismo rotacional de forma a não interromper o movimento do dispositivo, os pesquisadores aproveitaram a detecção capacitiva.
O sensor ativo pode detectar mudanças resultantes no campo elétrico entre as placas. Essa informação poderia então ser usada para calcular a velocidade, por exemplo.
“Na detecção capacitiva, você não precisa necessariamente ter contato entre as duas placas condutoras opostas para monitorar mudanças naquele sensor específico. Aproveitamos isso para o design do nosso sensor”, diz AlAlawi.
Os mecanismos rotacionais geralmente consistem em um elemento rotacional localizado acima, abaixo ou próximo a um elemento estacionário, como uma engrenagem girando em um eixo estático acima de uma superfície plana. A engrenagem giratória é o elemento rotacional e a superfície plana abaixo dela é o elemento estacionário.
O sensor MechSense inclui três patches feitos de material condutivo que são impressos na placa estacionária, com cada patch separado de seus vizinhos por material não condutivo. Um quarto patch de material condutor, que tem a mesma área que os outros três patches, é impresso na placa rotativa.
À medida que o dispositivo gira, o patch na placa rotativa, chamado de capacitor flutuante, sobrepõe cada um dos patches na placa estacionária por sua vez. À medida que a sobreposição entre o patch rotativo e cada patch estacionário muda (de completamente coberto, para meio coberto, para não coberto), cada patch detecta individualmente a mudança resultante na capacitância.
O capacitor flutuante não está conectado a nenhum circuito, então os fios não ficarão emaranhados com os componentes rotativos.
Em vez disso, os patches estacionários são conectados a eletrônicos que usam software que os pesquisadores desenvolveram para converter dados brutos do sensor em estimativas de posição angular, direção de rotação e velocidade de rotação.
Ativando a prototipagem rápida
Para simplificar o processo de integração do sensor para um usuário, os pesquisadores construíram uma extensão do SolidWorks. Um fabricante especifica as partes rotativas e estacionárias de seu mecanismo, bem como o centro de rotação e, em seguida, o sistema adiciona automaticamente patches de sensor ao modelo.
“Isso não muda em nada o design. Ele apenas substitui parte do dispositivo por um material diferente, neste caso material condutor”, diz AlAlawi.
Os pesquisadores usaram seu sistema para prototipar vários dispositivos, incluindo uma lâmpada de mesa inteligente que muda a cor e o brilho de sua luz dependendo de como o usuário gira a parte inferior ou central da lâmpada. Eles também produziram uma caixa de engrenagens planetárias, como as usadas em braços robóticos, e uma roda que mede a distância ao rolar sobre uma superfície.
Enquanto prototipavam, a equipe também realizou experimentos técnicos para ajustar o design do sensor. Eles descobriram que, à medida que reduziam o tamanho dos patches, a quantidade de erro nos dados do sensor aumentava.
“Em um esforço para gerar dispositivos eletrônicos com muito pouco lixo eletrônico, queremos dispositivos com pegadas menores que ainda possam funcionar bem. Se adotarmos nossa mesma abordagem e talvez usarmos um material ou processo de fabricação diferente, acho que podemos reduzir a escala enquanto acumulamos menos erros usando a mesma geometria”, diz ela.
Além de testar diferentes materiais, AlAlawi e seus colaboradores planejam explorar como podem aumentar a robustez de seu design de sensor para ruído externo e também desenvolver sensores imprimíveis para outros tipos de mecanismos móveis.
Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela Accenture Labs.
Fonte: https://news.mit.edu/
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