Force/Proximity Hybrid Sensors and Phase Change Actuators

Bibliographic Details
Main Author: Fonseca, Diogo Miguel Pereira da
Publication Date: 2021
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/10316/96046
Summary: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
id RCAP_450211f63f805e12d8c299f34c1ba63d
oai_identifier_str oai:estudogeral.uc.pt:10316/96046
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
repository_id_str https://opendoar.ac.uk/repository/7160
spelling Force/Proximity Hybrid Sensors and Phase Change ActuatorsSensores Híbridos de Força/Proximidade e Atuadores de Mudança de FaseRobótica maleávelSensor de ForçaSensor de ProximidadeAtuador MaleávelAtuador de Mudança de FaseSoft RoboticsForce SensorProximity SensorSoft ActuatorPhase Change ActuatorDissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA perceção eficaz do ambiente envolvente, assim como a criação de mecan ismos compatíveis são dois objetivos importantes para permitir uma in teração homem-robô (Human-Robot Interaction – HRI) segura e intu itiva. Este trabalho encontra-se dividido em duas partes. Na primeira parte apresentamos um sensor híbrido de força e proximidade, mecanica mente flexível, baseado nos fenómenos de piezoresistividade e capacitân cia. Constituído por materiais e componentes de baixo custo, amplamente disponíveis no mercado, o sensor proposto pode ser fabricado e implemen tado de forma econômica a grande escala, melhorando a perceção senso rial de qualquer instalação robótica. Um sistema de aquisição de dados (Data Acquisition System – DAQ) também foi apresentado, permitindo uma interface conveniente com sensor, por meio de uma conexão série USB (Universal Serial Bus). Resultados demonstraram uma resposta rápida e moderadamente precisa a forças entre 0,5 N e 15 N. A deteção de presença humana foi alcançada a distâncias de até 100 mm, embora com uma resolução espacial relativamente reduzida (~ 50 mm). Na segunda parte deste trabalho apresentamos um atuador flexível baseado no processo de mudança de fase (Phase Change Artificial Muscle – PCAM). Com base em músculos artificiais pneumáticos tradicionais McKibben (Pneumatic Artificial Muscles – PAMs), o atuador proposto explora a ex pansão volumétrica da água em transição de fase líquido-vapor alimen tada por uma fonte de alimentação DC (Direct Current) de baixa tensão. Forças de atuação de 27,5 N foram repetidamente alcançadas com atu adores cuja massa é de apenas 23 g. Alta precisão no controlo de pressão foi alcançada, com o sistema a apresentar-se capaz de seguir comandos de pressão com erros de + - 1 kPa. Vários fenômenos importantes foram explorados e discutidos, incluindo limites para taxas de pressurização, segurança de fluidos e limitações de controlo, estabelecendo uma base sólida para futuro desenvolvimento e implementação.Insightful perception of the surrounding environment, as well as compliant mechanisms are two important goals to enable safe and intuitive Human-Robot Interaction (HRI). This work is divided into two parts. In Part 1, a mechanically flexible, piezoresistive and self-capacitive hybrid force and proximity sensor is presented. Made of low cost and highly available components, the proposed sensor can be economically made and deployed in large numbers, improving the sensory awareness of any robotic system. A Data Acquisition System (DAQ) was also presented, allowing users to conveniently interface the sensor through a regular Universal Serial Bus (USB) connection. Results show a fast and moderately precise response to forces ranging between 0.5 N and 15 N. Human presence detection was achieved at distances up to 100 mm, but with fairly low spatial resolution (~50 mm). In Part 2 of this work, a compliant Phase Change Artificial Muscle (PCAM) is presented. Based on traditional pneumatic McKibben Pneumatic Artificial Muscles (PAMs), the proposed actuator explores the volumetric expansion of water undergoing liquid-gas phase transition, powered by a low voltage DC power source. Actuation forces of 27.5 N were routinely achieved with actuators weighing just 23 g. High-pressure control precision was achieved, with the system following set pressure commands within +- 1 kPa. Several important phenomena were explored and discussed including limits to pressurization rates, fluid safety and control limitations, laying the foundation for future development and deployment.2021-09-23info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://hdl.handle.net/10316/96046https://hdl.handle.net/10316/96046TID:202778428engFonseca, Diogo Miguel Pereira dainfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-12-04T16:03:23Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/96046Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T05:44:24.138662Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
dc.title.none.fl_str_mv Force/Proximity Hybrid Sensors and Phase Change Actuators
Sensores Híbridos de Força/Proximidade e Atuadores de Mudança de Fase
title Force/Proximity Hybrid Sensors and Phase Change Actuators
spellingShingle Force/Proximity Hybrid Sensors and Phase Change Actuators
Fonseca, Diogo Miguel Pereira da
Robótica maleável
Sensor de Força
Sensor de Proximidade
Atuador Maleável
Atuador de Mudança de Fase
Soft Robotics
Force Sensor
Proximity Sensor
Soft Actuator
Phase Change Actuator
title_short Force/Proximity Hybrid Sensors and Phase Change Actuators
title_full Force/Proximity Hybrid Sensors and Phase Change Actuators
title_fullStr Force/Proximity Hybrid Sensors and Phase Change Actuators
title_full_unstemmed Force/Proximity Hybrid Sensors and Phase Change Actuators
title_sort Force/Proximity Hybrid Sensors and Phase Change Actuators
author Fonseca, Diogo Miguel Pereira da
author_facet Fonseca, Diogo Miguel Pereira da
author_role author
dc.contributor.author.fl_str_mv Fonseca, Diogo Miguel Pereira da
dc.subject.por.fl_str_mv Robótica maleável
Sensor de Força
Sensor de Proximidade
Atuador Maleável
Atuador de Mudança de Fase
Soft Robotics
Force Sensor
Proximity Sensor
Soft Actuator
Phase Change Actuator
topic Robótica maleável
Sensor de Força
Sensor de Proximidade
Atuador Maleável
Atuador de Mudança de Fase
Soft Robotics
Force Sensor
Proximity Sensor
Soft Actuator
Phase Change Actuator
description Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
publishDate 2021
dc.date.none.fl_str_mv 2021-09-23
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/10316/96046
https://hdl.handle.net/10316/96046
TID:202778428
url https://hdl.handle.net/10316/96046
identifier_str_mv TID:202778428
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
instacron:RCAAP
instname_str FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
collection Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
repository.name.fl_str_mv Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia
repository.mail.fl_str_mv info@rcaap.pt
_version_ 1833602455848353792