MASARYKOVA UNIVERZITA PEDAGOGICKÁ FAKULTA
Katedra technické a informační výchovy
Využití taktilních čidel ve výuce na základní škole a v technické praxi
Bakalářská práce
Brno 2015
Vedoucí bakalářské práce:
Vypracoval:
doc. Ing. Jiří Hrbáček, Ph.D.
Marek Brouček
Anotace Bakalářská práce je zaměřena na problematiku výuky elektroniky v rámci předmětu pracovní činnosti na 2. stupni základní školy a to konkrétně na téma taktilních čidel. Na toto téma existuje jen velmi málo pramenů, ze kterých by se dalo čerpat jak při studiu, tak při výuce. Tato bakalářská práce je vytvořena za účelem poskytnutí studijní opory a studijního materiálu pro studium a výuku problematiky taktilních senzorů nejen na základní škole.
Annotation Bachelor thesis is focused on teaching electronics in the course of technical education on the second stage of elementary school especially on the topic of tactile sensors. There are very few sources that could be used as a study material as well as material for teaching purposes on this topic. This bachelor thesis is created to provide academic support and study material for learning and teaching this topic on the elementary school.
Klíčová slova technika, pracovní činnosti, elektronika, digitální technika, taktilní, senzor, robot, robotika, hmat, dotyk
Keywords technologies, work activities, electronics, digital technologies, tactile, sensor, robot, touch, sense
Prohlášení Prohlašuji, že jsem závěrečnou diplomovou práci vypracoval samostatně, s využitím pouze citovaných literárních pramenů, dalších informací a zdrojů v souladu s Disciplinárním řádem pro studenty Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity a se zákonem č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů.
.......................................... Brouček Marek
Obsah Úvod ........................................................................................................................................................ 1 1.
Technická výchova na základních školách ....................................................................................... 2 1.1 Současná úroveň technického vzdělávání na základních školách ................................................. 2 1.2 Provázanost s Rámcovým vzdělávacím programem ..................................................................... 2
2.
Výuka elektroniky na základních školách ........................................................................................ 2 2.1 Elektronika v rámci předmětu Pracovní činnosti........................................................................... 2 2.2 Elektronika v rámci předmětu Fyzika ............................................................................................ 3 2.3 Elektronika jako nepovinný či volitelný předmět .......................................................................... 3
3.
Taktilní čidla..................................................................................................................................... 3 3.1 Popis .............................................................................................................................................. 3 3.2 Druhy ............................................................................................................................................. 4
4 Speciální způsoby použití taktilních čidel ........................................................................................... 20 4.1 Běžná elektronika ........................................................................................................................ 20 4.2 Průmysl a věda ............................................................................................................................ 22 4.3 Robotika ...................................................................................................................................... 25 5 Praktická část ...................................................................................................................................... 28 Příklady z běžného života .................................................................................................................. 28 Modely pro praktickou ukázku .......................................................................................................... 32 Závěr ...................................................................................................................................................... 34 Použitá literatura ................................................................................................................................... 35 Elektronické zdroje ................................................................................................................................ 37
Úvod Cílem bakalářské práce je vytvoření uceleného souboru studijních opor a praktických ukázek pro výuku problematiky taktilních čidel a na 2. stupni základní školy. Tato práce je rozdělena na dva hlavní bloky, a to na teoretický úvod určený pro objasnění problematiky taktilních čidel a praktická část, která by měla být použita jako podpora při výuce tématu taktilních senzorů na základní škole. V teoretickém úvodu se bakalářská práce věnuje popisu a vysvětlení principu základních druhů taktilních senzorů a speciálním případům uplatnění taktilního snímání. V praktické části jsou uvedeny příklady taktilního snímání z běžného života, které by měly motivovat ke studiu této problematiky. Dále se praktická část věnuje možným návrhům modelů pro objasnění principu fungování nejjednodušších taktilních čidel.
1
1. Technická výchova na základních školách 1.1 Současná úroveň technického vzdělávání na základních školách Úroveň vědomostí z technických oborů žáků základních škol a vůbec zájem o tyto obory je, podle průzkumu Svazu průmyslu a dopravy České republiky, velmi malý. Dle tohoto průzkumu tuzemští podnikatelé nejsou spokojeni s všeobecnou úrovní technického vzdělání absolventů všech úrovní škol. Dle mého názoru je třeba vést děti k technickým oborům již od útlého věku. Dle průzkumů agentury Ipsos z roku 2015, vypracovaného pro BLF (Business Leaders Forum), by se měli do provozu všech úrovní škol více zapojovat soukromé firmy a zajistit, aby absolventi ať už základních, nebo středních škol byli blíže seznámeni s fungováním výrobních, nebo obchodních společností. 1.2 Provázanost s Rámcovým vzdělávacím programem V rámcovém vzdělávacím programu základního vzdělávání v české republice, je problematika elektroniky, konkrétně elektronických součástek zastoupena, dle mého názoru velmi nedostatečně. Jediné zastoupení tohoto tématu můžeme nalézt v tematických okruzích Design a konstruování, nebo Využití digitálních technologií. (MŠMT, 2005)
Lze objektivně říci, že výuka elektroniky, jako součásti vzdělávací oblasti Člověk a svět práce na základních školách v české republice je poměrně málo zastoupená. Se zaměřením na tuto problematiku se vyučují pouze dobrovolné zájmové kroužky, nebo volitelné a nepovinné předměty.
2. Výuka elektroniky na základních školách 2.1 Elektronika v rámci předmětu Pracovní činnosti Dle mého zjištění se témata týkající se elektroniky, v rámci předmětu pracovní činnosti, na základních školách téměř nevyučují. Až na některé výjimky kde je vyučována elektronika jako samostatný celek, nebo školy, kde se vyučuje pouze elektroinstalace v domě a podobně, je 2
náplň tohoto předmětu téměř výhradně věnována tématům z oblastí gastronomie, pěstitelské činnosti či ruční práce s materiálem. 2.2 Elektronika v rámci předmětu Fyzika Co se týče předmětu Fyzika, je téma elektroniky v jistém smyslu zastoupeno v tematickém celku Elektřina a Magnetismus. Dle mého názoru ovšem úkolem fyziky není naučit žáky pracovat s elektronickými součástkami, nýbrž obohatit je o vědomosti týkající se fyzikálních principů fungování těchto součástek jakožto i propojení těchto principů s dalšími tematickými celky tohoto předmětu. (HALLIDAY, a další, 2013) 2.3 Elektronika jako nepovinný či volitelný předmět Další možností výuky tak specifického tématu jako je elektronika, je jeho zařazení v podobě volitelného či nepovinného předmětu do školního vzdělávacího plánu základní školy. (FRIEDMANN, 1993) Tato možnost není příliš využívána. Je to z důvodů nedostatku odborných publikací se zaměřením na výuku této problematiky na základních školách, nebo také nedostatkem učitelů či lektorů s odborným vzděláním.
3. Taktilní čidla 3.1 Popis Taktilní čidla (nebo také dotyková a hmatová čidla, či senzory) jsou elektronické součástky zjišťující přítomnost síly, nebo tlaku. Jsou to zařízení, která měří parametry kontaktu mezi snímačem a objektem. Tato získaná data se omezí na vybranou oblast a následně jsou porovnávána se silami a točivými momenty změřenými senzorem, který měří celkové síly aplikované na objekt. Ke své funkci využívají jednoduché fyzikální principy a jejich výstupem je logická hodnota informující o velikosti působícího dotyku. Největší uplatnění nalézají v robotice a to jako zprostředkovatel fyzického kontaktu mezi robotem a člověkem, nebo robotem a okolním prostředím. (JOCKUSCH, a další, 1997) Jak uvádí Wösch a Feiten (2000) roboti slouží a spolupracují s lidmi, a proto by měla být jejich hlavní priorita lidská bezpečnost. Chování robota nesmí být nepředvídatelné a potenciálně nebezpečné pro obsluhu. Taktilní senzory mohou být použity pro snímání pestré škály stimulů od detekce přítomnosti nebo nepřítomnosti uchopeného předmětu k úplnému 3
hmatovému obrazu. Dotykový senzor se skládá z řady citlivých míst dotyku a pole těchto
senzorů mohou být schopné měřit více než jednu vlastnost dotyku. Kontaktní síly měřené pomocí senzoru jsou schopny zprostředkovat velké množství informací o stavu uchopovadla. Textura, skluz, doraz a další podmínky kontaktu mohou generovat charakteristiky síly a pozice, které mohou být použity k identifikaci stavu manipulačního zařízení. Tato informace může být využita k vyšetření frekvenční oblasti. (RM Crowder Limited) Dalším důležitým odvětvím použití taktilních senzorů jsou bezpečnostní prvky ať už pro identifikaci osob (senzory otisků prstů), nebo jako poslední záchrana v bezpečnostních systémech průmyslových strojů. 3.2 Druhy Taktilní senzory se mohou podle Husáka (2008) dělit na: Jednodimenzionální Jsou to čidla pro zjišťování přítomnosti síly, nebo tlaku bez možnosti určení souřadnic tohoto působení. Dvoudimenzionální Tato čidla jsou přizpůsobena pro určení polohy působení síly nebo tlaku s nižší přesností určení jejich velikosti.
Další způsob rozdělení je uveden v elektronické publikaci RM Crowder (1998): Dotykové snímání Zde je předmětem snímání detekce a měření přítlačné síly v definovaném místě. Takový senzor může být omezen pouze na binární informaci a to logickou jedničku v případě doteku a logickou nulu v případě bez doteku.
4
Hmatové snímání Jedná se o detekci a měření prostorového rozložení sil kolmo na předem stanovenou senzorickou oblast a následnou intepretaci informací o prostoru. Hmatové snímání může být realizováno polem koordinované skupiny dotykových senzorů. Skluzové snímání V tomto případě jde o měření a detekci pohybu objektu vzhledem k senzoru. To může být dosaženo buď pomocí speciálně navrženého čidla prokluzu nebo speciální interpretaci dat z dotykového senzoru nebo hmatového pole. Tyto senzory se dále dělí podle způsobu provedení a jejich konstrukce. Pro tuto práci bylo zvoleno další dělení níže, jak jej uvedl Husák (2008) ve své knize.
1D čidla pro zjišťování působení síly, nebo tlaku Jsou to nejjednodušší typy taktilních senzorů, které ke své práci využívají jednoduchých fyzikálních principů. Tato čidla nemají možnost jakkoli rozeznat umístění dotyku, ale zato jsou velmi přesná, podle druhu čidla, v určování velikosti působící síly nebo tlaku a jejich konstrukce může být velmi odolná. Proto lze tato čidla využít nejen v mikroelektronice a robotice, jako je tomu u 2D typů, ale i ve strojírenství a například stavebnictví. Kontaktové Senzor je složen z horní a dolní pružné vrstvy, které jsou prostorově odděleny distančními členy. K jejich vodivému propojení dojde při působení síly (např. doteku prstu) v určitém bodě mezi distančními podložkami. Výstupním signálem tohoto čidla je logická jednička, nebo nula při dotyku, nebo bez něj. (HUSÁK, 2008) Princip senzoru je také popsán na obrázku 3.1.
5
Obr. 3.1 Princip kontaktního taktilního čidla (HUSÁK, 2008)
S piezoelektrickými vrstvami Princip tohoto čidla je založen na modulaci vlastností kmitání, které prochází mezivrstvou od spodní k horní vrstvě. Tato mezivrstva je určena k zajištění akustické vazby mezi oběma PVDF vrstvami senzoru. Její mechanické vlastnosti pak určují citlivost a pracovní rozsah senzoru. Kmitání ve spodní piezoelektrické vrstvě je buzeno střídavým napětím z oscilátoru. Vybuzené mechanické kmity ve spodní vrstvě senzoru způsobí, že se mezivrstva rozkmitá a přenese toto kmitání na horní vrstvu, která funguje v tomto případě jako přijímač. V této horní vrstvě se pak vybudí elektrické napětí, které je zpracováno synchronním demodulátorem, v němž je porovnávána jeho amplituda a fáze se signálem, který byl přiveden přímo z oscilátoru. Po vyhodnocení rozdílů těchto dvou signálů je vytvořen výstupní signál celého systému. Po stlačení čidla se změní mechanické vlastnosti mezivrstvy, které zapříčiní změnu ve zmíněné amplitudě a fázi procházejícího mechanického kmitání. Výstupní signál vycházející z demodulátoru v přímém vztahu s těmito změnami. V určitém rozmezí působící síly je výstupní signál lineární funkcí působícího tlaku, nebo síly. Vrstva PVFV má tloušťku asi 25 µm, pryžová mezivrstva přibližně 40 µm, a celková tloušťka kompletního taktilního senzoru i s ochrannými vrstvami činí přibližně 200 µm. Tento senzor lze použít i pro měření malého posunutí v řádu několika milimetrů. Jeho velkou výhodou je jednoduché provedení a možnost měření statických sil. (HUSÁK, 2008) Na obrázku 3.2 je vyobrazen
princip
aktivního
čidla
s
piezoelektrickými
z polyvinilfluoridu (PVDF). 6
vrstvami
realizovaného
Obr. 3.2 Princip senzoru s piezoelektrickými vrstvami (HUSÁK, 2008)
S odporovou tlustou vrstvou (elastomerem)
Pro realizaci tohoto senzoru jsou použity materiály, které mění svůj elektrický odpor v důsledku mechanické deformace, tedy působením síly. Těmito materiály mohou být například vodivé elastomery (makromolekulární látka) vyrobené z křemíkové pryže, polyuretanu a dalších látek. Jeho princip je založen na změně velikosti kontaktní plochy, nebo tloušťky. Citlivost co se týče tlaku, je dána převodní charakteristikou, kde je možno při měření použít pouze takový maximální tlak, kde se křivka dostává do saturace, tedy kdy se citlivost blíží nule. (HUSÁK, 2008) Nevýhodou senzoru je relativně velká tloušťka. Principiální schéma tohoto senzoru, včetně převodní charakteristiky je uvedeno na obrázku 3.3.
Obr. 3.3 Principiální schéma senzoru s odporovou tlustou vrstvou a převodní charakteristika (HUSÁK, 2008)
7
S odporovou tenkou vrstvou Pro přípravu tohoto typu taktilních senzorů jsou použity polovodivé polymery, které opět svůj elektrický odpor mění v důsledku působení tlaku, nebo síly, tedy v důsledku mechanické deformace materiálu. Senzor je vyráběn v podobě membránového spínače. U tohoto druhu senzoru je použita prstová (interdigitální) struktura jako jedna vrstva a polovodivý polymer jako vrstva druhá, díky čemuž má senzor velký dynamický rozsah, ale velmi malou přesnost. Jeho velkou výhodou je zároveň i nízká cena. Typická tloušťka senzoru je 250 µm. Principiální schéma senzoru je uvedeno na obrázku 3.4.
Obr. 3.4 Principiální schéma senzoru s odporovou tenkou vrstvou (HUSÁK, 2008)
S vakuovou diodovou strukturou Jde o princip taktilního senzoru kde je katoda ve formě ostrého hrotu a anoda ve tvaru pružné membrány nad katodou. Mezi oběma katodami je vakuum. Při přiložení elektrického napětí mezi anodu a katodu dojde k vytvoření elektrického pole, které umožní elektronům tunelovat z katody do vakua (k tomuto jevu může docházet při intenzitě elektrického pole větší než 5·109 V·m). Při působení tlaku na membránu anody se membrána prohne a v důsledku toho se změní intenzita tohoto elektrického pole i emisní proud. (HUSÁK, 2008)
8
Princip taktilního senzoru s vakuovou diodovou strukturou v provedení MEMS (MicroElectro-Mechanical Systems) je uvedeno na obrázku 3.5.
Obr. 3.5 Princip taktilního senzoru s vakuovou diodovou strukturou v provedení MEMS (HUSÁK, 2008)
S hydraulickým principem Taktilní čidla s hydraulickým principem využívají převádění tlaku tekutiny na mechanický pohyb a opačně. Současné průmyslové a lékařské technologie vyžadují mikroskopické servomechanismy, známé jako aktuátory, k detekci tlaku a měření síly na bázi hydrauliky. (De VOLDER, a další, 2010) Mikrohydraulika umožnuje zhotovení přesných a robustních snímačů průtoku. Tento taktilní senzor, tvořený strukturou lidského vlasu, umožňuje převádět tok na hydraulický tlak. Lze s ním měřit velké rozsahy sil a tlaků a má velkou citlivost. Tato čidla mohou mít velké prostorové rozlišení, takže jsou vhodná pro snímání povrchu pokožky a podobně.
2D čidla jako dotykové displeje Tyto senzory jsou realizovány vhodným uspořádáním několika taktilních čidel v ploše. Využívají se nejen pro měření síly nebo tlaku působícího na senzor, ale také pro určování jejich geometrické polohy. Na obrázku 3.6 je uvedena hierarchie taktilních senzorů založená na povaze informace o poloze.
9
Obr. 3.6 Hierarchie taktilních senzorů (HUSÁK, 2008)
Způsob vyhodnocení informací o poloze dotyku v souřadnicích x a y je možné prezentovat na taktilním 2D senzoru síly, který je základním kamenem dotykového displeje založeného na síle. Působí-li na desku síla dotyku F, tlaková čidla, nebo tenzometry v rozích měří velikosti sil F1, F2, F3, F4 působících v jednotlivých rozích na základovou destičku. Pokud na desku působí jen jednoduchá síla FA, souřadnice x a y lze snadno určit z naměřených sil výše popsaných podle vztahů:
x
F3 F4 , F1 F2 F3 F4
y
F2 F3 F1 F2 F3 F4
Pokud na desku působí více sil, kromě síly FA například ještě síla FB, je možné z naměřených hodnot rozložených sil F1 až F4 spočítat těžiště celkové působící síly FA + FB. 10
Obr. 3.7 Princip silového taktilního 2D senzoru s vyhodnocováním působící síly (HUSÁK, 2008)
S odporovým principem Základním principem tohoto senzoru je pružná membrána s odporovou vrstvou. V místě prohnutí membrány důsledkem doteku dojde ke kontaktu s další odporovou vrstvou a vytvoří se potenciometrické zapojení. Napětí UCC napájí odporovou vrstvu a napětí UOUT je označení pro výstupní signál z potenciometru. Souřadnice dotyku je vyhodnocena podle vztahu
x
U OUT U CC
Pro vytvoření 2D dotykového displeje je používána pružná membrána z polyetylentereftalátu (PET) a tenká oxidová vrstva india pro odporovou vrstvu. Pevná základová deska je tvořena sklem nebo polymerem potaženým indiem. Distanční členy jsou vytvořeny z průhledného izolačního materiálu, který je připevněn mezi membránou a základovou vrstvou. Distanční členy mívají tloušťku menší než 25 µm a jsou umístěny v podobě mřížky s roztečí několika milimetrů. Je nutné, aby byl dotykový displej průhledný. Typickým využitím dotykových displejů realizovaných pomocí této technologie jsou dotykové displeje pro osobní počítače s činností ve ztížených podmínkách, například průmyslové 11
provozy, kuchyně, nebo laptopy určené pro práci v terénu. Dotykové odporové displeje je nutné před zavedením do provozu kalibrovat. Po kalibraci je jejich přesnost asi 1% z celkového uhlopříčkového rozměru displeje. Citlivost těchto displejů je dána vlastnostmi membrány a dilatačních elementů. (HUSÁK, 2008) Princip 2D odporového taktilního senzoru je uveden na obrázku 3.8.
Obr.3.8 Princip 2D odporového taktilního senzoru
S ultrazvukovým principem Tyto senzory nacházejí uplatnění například v exponovaných částech povrchu robota, který nemá rovinnou geometrii. Umožňují získávat informace současně o více než jednom dotyku. Komerční typy ultrazvukových dotykových displejů je založen na využití vlastností šíření Rayleigovy vlny (senzory zvané SAW). K jejímu šíření se využívá sklo, protože je levné, průhledné, pevné a má relativně malý útlum pro šíření vlnění. Pracovní kmitočty ultrazvukových vln v tomto senzoru jsou úměrné 5 Mhz. Dotyk prstu způsobí, že dojde k absorpci části energie šířícího se vlnění. V důsledku toho bude paprsek vlnění v místě dotyku odstíněn. Rychlost šíření ultrazvukového vlnění ve skle je asi 3160 m·s-1 a na vlhkém povrchu kůže pak 1500 m·s-1. Princip odstínění paprsku při dotyku je uveden na obrázku 3.9. Na obrázku 3.10 je principiálně nakresleno uspořádání ultrazvukového senzoru. Ultrazvukovým vysílačem je vyzařována povrchová akustická vlna v ose x. Směrování vlnění kolmo k ose x je realizováno soustavou odražečů natočených o 45°. Tím je zajištěno rovnoměrné rozložení vln napříč displejem. Na další soustavu odražečů dopadá vlnění na opačné straně displeje. Ty jsou opět 12
natočeny o úhel 45° tak, aby vlnění dopadlo do přijímače dané osy. Stejné uspořádání je realizováno i na ose y. Informace o poloze dotyku je vypočítána ze zpoždění jednotlivých dopadajících paprsků vlnění vůči ultrazvukovému vysílači. Dotek způsobí odstínění, tedy útlum vysílaného paprsku a přijímač v daném místě neindikuje žádný signál. Výhodou těchto čidel oproti odporovým je velmi jednoduché uspořádání a možnost realizace na zakřivených površích.
Obr. 3.9 Odstínění paprsku při dotyku
3.10 Uspořádání ultrazvukového senzoru
13
S kapacitním principem Tento druh dotykových 2D displejů lze zařadit do kategorie těch jednodušších taktilních senzorů. Princip těchto čidel spočívá v modifikaci základní elektrické kapacity vlivem přiblížení prstu k danému místu s tím, že jedna elektroda kondenzátoru je tvořena odporovou vrstvou na skleněné základové desce a druhou elektrodu tvoří kůže dotýkajícího se prstu. Proudovým svodem na zem je pak detekována kapacita při napájení s kmitočtem řadově kHz. Svodový proud, který prochází prstem je tvořen proudy tekoucími čtyřmi přívody v rozích destičky. Informace o souřadnicích x a y se opět získá z velikostí jednotlivých proudů, obdobně je tomu u silového taktilního 2D čidla. Tyto senzory hojně využívají v dotykových vrstvách displejů (tzv. digitizéry) současných mobilních telefonů. (HUSÁK, 2008) Na obrázku 3-10 je uvedeno schéma 2D displeje s kapacitním principem.
3.11 Schéma 2D displeje s kapacitním principem
S infračerveným principem Princip činnosti tohoto senzoru spočívá ve vytvoření mřížky paprsků infračerveného záření. Každý z paprsků je vyzařován infračervenou diodou LED a přijímán fototranzistorem. V místě, kde dojde k dotyku, jsou paprsky přerušeny a z tohoto přerušení jsou získávány souřadnice x a y místa dotyku. Princip umožňuje detekovat více dotyků současně. Rozložení taktilního senzoru s infračerveným principem je uvedeno na obrázku 3.12.
14
3.12 Rozložení taktilního senzoru s infračerveným principem
Senzory pro roboty Hlavní význam taktilních čidel využívaných u robotů je při vytváření manipulační a pohybové části, tedy k zajištění citlivosti robota pro manipulaci s předměty a koordinaci vzhledem k překážkám při pohybu v prostoru. Taktilní čidlo má za úkol zajistit kontakt s okolním prostředím prostřednictvím zjišťování působení síly na předmět. Při zajišťování tohoto kontaktu je možnost využívat řadu fyzikálních předmětů, například piezoodporový princip ve vodivé polymerové vrstvě, nebo kapacitní princip s měřitelnou kapacitou realizovanou stlačitelným dielektrikem, Hallův jev, změny indukčnosti s jádrem z magnetoelastického materiálu, deformace geometrie, optické principy apod. Technologie MEMS (Micro-electromechanical Systems) umožňují realizaci více senzorových elementů v malé ploše pro taktilní čidla a integraci do systému. Současné mikrosystémové technologie umožňují integraci taktilních senzorů společně s elektronickými vyhodnocovacími obvody pro paralelní zpracování signálů. (HUSÁK, 2008) Na obrázku 3.13 je zobrazen princip velmi hojně využívaný pro taktilní senzory robotů. Spodní vrstva je tvořena senzorovými elementy uspořádaných jako bod a kruh po celém povrchu vrstvy. Každý tento pod a kruh tvoří elektrodový pár, který je v přímém kontaktu s pružnou vodivou vrstvou. Ta může být tvořena buď elastomerem, jako tomu bylo u 15
předchozích druhů taktilních senzorů, nebo například vodivou pastou. Celá plocha robota, která přichází do kontaktu s okolím je pokryta výše zmíněnou vrstvou. Tuto vrstvu je možné realizovat například z pryže pokryté jemnými uhlíkovými částečkami. Odpor této vrstvy se mění s tlakem a rozložení tohoto tlaku v ploše taktilního senzoru je získáno měřením odporu každého elektrodového páru. Tento typ taktilních senzorů může být zabudován například přímo v prstech robota. (WÖSCH, a další, 2000)
3.13 Princip taktilního senzoru pro roboty (HUSÁK, 2008)
Výše popsaný princip je typickým příkladem pro taktilní senzory užívané pro roboty s hmatovou odezvou, například robotická tříprstá ruka. Tato ruka dokáže, díky senzorům realizovaným kombinací taktilních 1D čidel s tenkou odporovou vrstvou a s piezoelektrickými vrstvami PVDF, rozeznávat hmatem nejen dotyk, ale například i skluz po prstu. Jinými slovy při použití této technologie je možno přimět robota zaznamenat i pohlazení, nebo ho nechat pohladit nějaký objekt. Tyto senzory spadají do kategorie čidel pro hmatové snímání a zároveň pro snímání skluzu. (JOCKUSCH, a další, 1997) Na obrázcích 3.14 a 3.15 je uveden příklad rozlišování hmatu a skluzu u taktilního senzoru pro tříprstou robotickou ruku zároveň i s měnícími se charakteristikami jako je odpor pružné vrstvy měnící se v čase a napětí na spodní vrstvě tvořenou s elektrodových párů.
16
Obr. 3.14 Charakteristika hmatu u tříprsté robotické ruky (JOCKUSCH, a další, 1997)
Obr. 3.15 Charakteristika skluzu u tříprsté robotické ruky (JOCKUSCH, a další, 1997)
Senzory otisků prstů Senzory otisků prstů (Fingerprint ID sensors) jsou velmi hojně využívány při rychlé identifikaci osob. Tyto senzory jsou součástí takzvaných biometrických identifikačních metod v oblasti bezpečnostních a přístupových systémů. Pro výrobu těchto senzorů se využívají optické principy, tepelně citlivá čidla, tlaková čidla a kapacitní senzory založené na tenkovrstvých tranzistorových technologiích. V současnosti jsou nejperspektivnější kapacitní principy pro realizaci tohoto speciálního druhu taktilních čidel jako ID senzorů (ID ≡ identification, tj. doklad totožnosti).
Základní princip kapacitního senzoru otisků prstů Čip senzoru je složen z velkého množství kapacitních čidel, které jsou uspořádány do matice. Počet článků obsažených na čipu určuje rozlišení senzoru. Současné technologie umožňují 17
realizaci rozteče článků asi 65 µm. Po přiložení prstu k senzoru je změřena kapacita jednotlivých článků a z naměřených hodnot se vytváří mapa rozložení této kapacity (obraz otisku). (HARRIS, 2016) Na obrázku 3.16 níže je vyobrazeno blokové zapojení jednoduchého čipu dotykového čidla realizovaného v 0,5 µm technologii CMOS LSI. Zpracování signálu probíhá buď digitálně, nebo paralelně. Každý z těchto kapacitních článků představuje jeden pixel obrazu a ke každému z nich je také připojen elektronický obvod pro zpracovávání informací o velikosti kapacity článků.
Obr. 3.16 Schéma jednoduchého čipu dotykového čidla (HUSÁK, 2008)
Čip musí také obsahovat vestavěný mikrokontroler, aby byl schopen řízení paralelního zpracování signálu v jednotlivých pixelech a také pro možnost řízení komunikace mezi senzorem otisku a vnějším počítačem. Na obrázku 3.17 je zobrazen základní element, který přísluší ke každému pixelu senzoru otisků prstů. Senzor je zhotoven z vodivé desky (elektrody), která tvoří s přiloženou strukturou povrchu prstu kapacitu. Citlivý elektronický vyhodnocovací obvod generuje logickou jedničku, jestliže je kapacita velká, a logickou nulu, při kapacitě malé. Jednobitová paměť uschovává vzor získaného otisku. Obvod pro zpracování signálu porovnává obrazy otisku ze senzoru se vzorem uloženým v paměti.
18
3.17 Základní element jednoho pixelu senzoru otisků prstů (HUSÁK, 2008)
Všechny výše uvedené kroky jsou realizovány zvlášť pro každý pixel celého uspořádání senzoru. Proces identifikace pomocí senzorů otisků prstů lze podle Husáka (2008) shrnout do následujících kroků: Uložení vzoru otisku v pixelové paměti jako jeden bit/pixel Sejmutí obrazu otisku ze senzoru a digitalizace jako jednobitové informace pixelu pro digitální zpracování Posuv digitalizovaného obrazu mezi pixelovými procesory pro sledování změny v poloze prstu (pohnutí prstem při snímání) Porovnání posunutých sejmutých dat s daty vzoru, vyslání výsledků z každého pixelu do mikrokontroleru
19
4 Speciální způsoby použití taktilních čidel Taktilní čidla jsou velmi rozšířenou součástkou v robotice a v biomechanice. Jsou využívána jako dotekové ovladače nebo mechanické spínače. S taktilními senzory se také můžeme setkat, když ovládáme nějaké elektronické zařízení. 4.1 Běžná elektronika Taktilní senzory, nacházejí uplatnění v každodenním životě. Níže je uvedeno několik příkladů použití taktilních senzorů v každodenním životě. Dotykové vrstvy na displejích
Taktilní snímání se stalo hnací silou v popularizaci technologií na bázi dotykové obrazovky tak všudypřítomných zařízení jako jsou chytré telefony a tablety. K zprostředkování dotyku prstu uživatele mezi uživatelem a přístrojem slouží na těchto zařízeních dotyková vrstva, takzvaný digitizér. Ten převádí informaci o poloze dotyku na dotykové vrstvě přes základovou desku zařízení do zobrazovače, tedy displeje. Kromě požití pro displeje nacházejí taktilní senzory uplatnění také jako touchpady na přenosných počítačích a pro kreslení na počítači. Pro tyto dotykové vrstvy a plochy se využívají pole taktilních čidel s kapacitním, nebo odporovým principem. (Pressure Profile Systems, 2016) Na obrázku 4.1 je zobrazeno dotykové sklo pro mobilní telefon HTC ONE m8.
Obr. 4.1 Dotykové sklo pro mobilní telefon HTC ONE m8 (MobilDuo.cz, 2016)
20
Dotykové spínače Dotykový spínač je nedílnou součástí dnešního moderního elektronického vybavení. Tyto spínače můžeme najít v domácích elektrospotřebičích, na veřejných počítačových stanicích, ale například i v městské hromadné dopravě. Dotykový spínač je nejjednodušším typem taktilního čidla. (KUMAR, 2014) Na obrázku 4.2 je uveden příklad dotykového vypínače pro domácí osvětlení.
Obr. 4.2 Keramický dotykový vypínač pro domácí osvětlení (www.lseshop.cz, 2016)
Domácí robotické spotřebiče Taktilní senzory jsou zde použity pro orientaci pohybujícího se robotického spotřebiče v prostoru. V čele robota je zabudován sonar pro zmapování prostředí, ve kterém se robot pohybuje. Pro co největší přiblížení k překážce a naplnění pracovního úkolu robota, je zde i taktilní senzor, který funguje jako takzvaný doraz.
(YAN, 2011) Tyto robotické domácí
spotřebiče mohou být robotické vysavače, zametače, vytírací roboti, robotické sekačky na trávu, nebo i robotické vysavače bazénů a umývače oken. Na obrázku 4-3 jsou vyfoceny příklady robotických spotřebičů.
21
4.2 Průmysl a věda Průmysl je druhým nejdůležitějším odvětvím použití taktilních čidel. Kromě použití u různých dotykových displejů pro ovládání strojů v průmyslových provozech je zde uvedeno i několik méně obvyklých případů uplatnění těchto senzorů. Testovací zařízení pro průmyslovou výrobu Taktilní čidla jsou v v oboru testování pro průmyslovou výrobu využívány na příklad pro testování brzdných systémů. Tyto senzory jsou použity pro analýzu přilnutí mezi brzdovou destičkou a kotoučem, nebo brzdovou čelistí a bubnem u bubnových brzd. Provedení této analýzy je velmi podstatné ve výrobě aut, vlaků či letadel. Pro tento účel jsou použita speciální taktilní čidla a speciální software pro vyhodnocování. (GIRÃO, a další, 2007) Na obrázku 4.3 je příklad vyhodnocení analýzy přítlaku brzdného systému ve speciálně vytvořeném softwaru.
Obr. 4.3 Vyhodnocení analýzy přítlaku v brzdném systému (GIRÃO, a další, 2007)
22
Balistografie Balistografie je metoda, kterou lez registrovat vibrace těla způsobené srdeční činností. V uvedeném příkladu je cílem získat informace o reakci taktilního senzoru na tlak způsobený srdeční činností. K měření balistokardiogramu pacienta v poloze vsedě je na opěradlo židle připevněna elektretová fólie. Jsou zde umístěny dva speciální taktilní senzory pro zjišťování tlaku na opěradlo způsobené srdeční činností pacienta. Celé zařízení je připojeno k počítači. Při balistokardiogramu se měří také kožní vodivost pacienta. (GIRÃO, a další, 2007) Na obrázku 4.4 je uveden příklad průběhu kožní vodivosti a příklad průběhu srdeční činnosti změřený při balistografii za pomoci taktilních senzorů.
Obr. 4.4 Příklad průběhu kožní vodivosti a zaznamenané srdeční činnosti při balistografii
Testování ergonomie úchopných součástí automobilu Taktilní testovací systém pro úchopné součásti automobilu poskytuje data o stlačení například kliky u dveří vozu. Při tomto testování si uživatelé vozů vyzkouší několik taktilních senzorů připevněných na kliky dveří vozů. Některé tvary úchopných částí připadají uživatelům více komfortní a kvalitnější než jiné. Tento způsob testování pomocí taktilních senzorů, pomáhá vyhodnocením míst s větším menším tlakem výrobcům automobilů zjistit z jakého důvodu je nějaký tvar pro uživatele příjemnější než jiný. (www.pps.com, 2016) Na obrázku 4.3 je vyobrazen příklad taktilních čidel pro testování ergonomie úchopových částí.
23
Obr. 4.5 Taktilní čidla pro testování ergonomie úchopových částí (www.pps.com, 2016)
Měření tlaku spreje na sprejovanou plochu Systém měření tlaku při nanášení látky pomocí spreje měří a vizualizuje množství nanesené látky na plochu v určitém místě. Pro tento účel je použito pole taktilních senzorů s velmi vysokým rozlišením. Tlak vytvářený při nanášení spreje vytvářejí při dopadu na čidlo jednotlivé částečky nanášené látky. Měření pokrytí plochy nanášenou látkou a jeho následná vizualizace umožňuje zkvalitnit proces nanášení látky sprejem, nebo tryskou a urychlit tak vývojový, nebo výrobní proces. Taktilní senzor je schopen měřit tlak od 10 Pa což ukazuje velkou citlivost senzoru. (www.pps.com, 2016) Na obrázku 4.4 je vyfocen proces nanášení látky sprejem přímo na plochu taktilního senzoru.
Obr. 4.6 Snímání nanášení látky sprejem pomocí taktilního senzoru (www.pps.com, 2016)
24
4.3 Robotika Od osmdesátých let, kdy byla robotika definována jako věda pro studium vnímání, akce a inteligenčního propojování, integrace taktilních senzorů sehrála důležitou roli ve vývoji robustních, flexibilních a adaptabilních robotů schopných prozkoumávat nová prostředí a bezpečně interagovat s lidmi. (SICILIANO, a další, 2008) Mnoho otevřených robotických platforem, které využívají různé technologie taktilních čidel na svých rukou, pažích, špičkách prstů a těle byly vyvinuty pro studium tělesného poznání, průzkumu, vnímání, rozeznávání, učení se a interakce.
(SCHMITZ, a další, 2011) Například na obrázku 4.7 je vyfocen
humanoidní robot jménem iCub vybavený taktilními senzory na svém těle, pažích, předloktích, dlaních a konečcích prstů.
Obr. 4.7 Humanoidní robot iCub (MARTINEZ-HERNANDEZ, 2015)
Konečky prstů robota vybavené taktilními čidly s piezoelektrickou vrstvou byly použity pro rozeznání různých vlastností objektů, jako je povrch, tvrdost, nebo tvar provedením různých rozlišovacích procedur. Například byly provedeny procedury skluzem po objektu, stlačováním, nebo ťukáním do zkoumaného objektu. (HOSODA, a další, 2006) Pro účel rozeznávání objektů však byly v různých robotických rukách také použity taktilní senzory 25
s kapacitním principem. Tlakové a silové senzory v konečcích prstů robotů umožnili spolehlivou kontrolu nad detekováním a pohybem robota s objekty. Integrace taktilních čidel do umělých rukou dovolila napodobit přirozený pohyb a detekci kontaktu běžného pro člověka. Tyto cíle byly dosaženy použitím sytému taktilních senzorů humanoidního robota iCub. (MARTINEZ-HERNANDEZ, 2014) Rozeznávání tvaru objektů bylo dosaženo za pomoci různých způsobů vnímání a ovládaní obsažených v několika různých taktilních robotických platformách. Například robot PUMA, vybaven polem rovinných taktilních senzorů, je chopen zjistit hrany objektu a jeho orientaci použitím takzvaných taktilních obrazů a geometrických momentů. (CHEN, a další, 1995) Další způsob s použitím geometrických momentů byl použit na robotické ruce KUKA s rovinnými taktilními senzory. Robotická ruka je schopna prozkoumat a rozeznat tvar různých objektů. Taktilní obrazy získané z robotické ruky CMU DD II umožnily rozeznávání orientace objektu. Použití senzorů v konečcích prstů robota iCub ukázalo inteligentní a spolehlivé rozeznání tvaru objektu. (MARTINEZ-HERNANDEZ, 2014) Na obrázku 4.8 je vyfocena robotická ruka vybavena taktilními senzory v konečcích prstů, které byly naprogramovány k náročným průzkumným úkolům.
Obr. 4.8 Robotická ruka KUKA s taktilními senzory v konečcích prstů (MARTINEZ-HERNANDEZ, 2015)
Postupným uzavřeným výzkumem bylo realizováno objektové rozpoznávání založené na hranách objektu každým konečkem prstu pětiprsté robotické ruky. Robotická platforma tohoto výzkumu byla schopna klasifikovat velkou škálu objektů za pomoci informací z taktilních senzorů a takzvanou samoorganizující se mapou objektu (SOM, Self-Organising Map). Humanoidní robot iCub byl schopen, prostřednictvím informací z taktilních čidel, dosáhnout velké přesnosti v rozeznávacích úkolech. Těchto výsledků bylo dosaženo použitím 26
metod inspirovaných biologií založených na pravděpodobnosti a laickém přístupu. Robotická ruka vyrobená společností Barrett Hand Inc., pokrytá taktilními čidly na dlaních a konečcích prstů byla široce využívána pro obratnou manipulaci a procesy vnímání s dotekovým smyslem. (RATNASINGAM, a další, 2011) Na obrázku 4.9 je vyfocena tříprstá robotická ruka od společnosti Barrett Hand Inc.
Obr. 4.9 Robotická ruka společnosti Barrett Hand Inc. (MARTINEZ-HERNANDEZ, 2015)
Taktilní senzory byly zabudovány do mnoha biometricky založených robotů pro pochopení dotykového vnímání zvířat a následného vývoje užitečných robotických technologií. Rozeznání atributů stimulů jako je povrch, vzdálenost od objektu a rychlost a směr pohybujícího se objektu, bylo předvedeno na několika takzvaných „vousatých robotech“. Vousatý robot je robot, který je vybaven vousky určenými ke kontaktu s objekty. Rozeznává okolí pomocí dotyku vousku podobně jako například hlodavci. (SOLOMON, a další, 2006) Taktilní snímání s použitím umělých vousků také ukázalo, že je schopno podpořit kompletní detekci a rekonstrukci povrchu objektů, souběžnou taktilní lokalizaci a mapování a detekovat pohyb a trajektorii objektu. Vývoj umělých tykadel vybavených tlakovými a silovými senzory umožnil vytvoření chování robota, spočívající v rozeznávání kontaktu a schopnosti průzkumu prostředí, podobné chování hmyzu jako jsou mravenci a švábi. Výzkum a začlenění taktilních senzorů také dopomohlo k rozvoji podvodní robotiky. Zde jsou používána taktilní čidla ve formě umělých vousků založených na pozoruhodných rozeznávacích schopnostech tuleňů. Tyto senzory jsou schopny měřit rychlost a směr proudění pod hladinou a detekovat úhel a stopu po proudění. (SICILIANO, a další, 2008)
27
5 Praktická část Pro výuku tématu taktilních čidel jsou zde uvedeny příklady, jak by mohla být a jsou taktilní čidla využívána ve světě okolo nás. Slovo taktilní v překladu znamená dotekový. Takže lze snadno usoudit, že se s těmito typy senzorů můžeme setkat doslova na každém kroku. Dále jsou uvedeny příklady jednoduchých modelů reprezentující zástupce těch nejzákladnějších taktilních senzorů. Tyto modely jsou určeny k objasnění principu fungování těch nejzákladnějších typů taktilních čidel, taky aby byly sestavitelné z běžně dostupných materiálů a součástí. To, společně s teorií týkající se taktilních senzorů je určeno k usnadnění výuky problematiky taktilních senzorů nejen na základní škole. Příklady z běžného života Taktilní čidla se v okolním světě vyskytují mnohem více než by se dalo čekat. Pro rozšíření vědomostí o taktilních senzorech jsou zde uvedeny příklady použití společně s návrhy, kde by mohla být taktilní čidla využita také. V převážné většině případů jsou tyto typy senzorů využity jako poslední záchrana před újmou na zdraví i majetku. Jak již bylo zmíněno výše, kromě použití v bezpečnostních systémech jde o velmi rozšířený typ senzoru pro testování zařízení, kde dochází k doteku součástí.
Ochrana proti přivření dveřmi v MHD
Většina lidí žijících v České republice někdy využila služeb městské hromadné dopravy, nebo alespoň dopravy autobusové. Všechny vozy dopravy jsou vybaveny dveřmi pro nástup a výstup cestujících ovládaných řidičem. Řidič vozu má k dispozici zpětná zrcátka nasměrovaná ke dveřím vozu, nebo, v moderních vozech hromadné dopravy, kamerový systém kde jsou zadní dveře vybaveny kamerami. Všechna tato opatření jsou používána pro bezpečné nastupovaní a vystupování cestujících tak, aby nedošlo k poranění zavírajícími se dveřmi. Ovšem některé vozy jsou vybaveny pouze jedním zpětným zrcátkem na straně dveří venku a jedním uvnitř, proto může, při dnešním spěchu cestujících a nastupování a vystupování na poslední chvíli, přivření do dveří snadno dojít.
28
Obr. 5.1 Pohled směrem k přední části tramvaje (DRÁPAL, 2016)
V takovou chvíli se začne jevit jako užitečné taktilní čidlo, které je složeno z elektrického, nebo pneumatického pohonu dveří a dveří samotných. Jakmile dojde k násilnému zabránění zavírání dveří v případě, že ve dveřích je přivřen člověk, dojde k prudkému zvýšení zátěže elektromotoru, nebo zvýšení tlaku v pneumatickém systému. Tyto prudké změny jsou okamžitě zaznamenány kontrolním systémem, který v co nejkratším možném čase pošle instrukci ke znovuotevření dveří a uspěchaný cestující je zachráněn díky taktilnímu senzoru. Ochrana proti přivření bránou nebo závorou
Stejný princip je použit i u vjezdových bran nebo závor na železničních přejezdech. Rozdíl je v konstrukci čidla. Místo dveří tramvaje, nebo autobusu jsou zde jako zprostředkovatel doteku použity elektrická vrata, nebo rameno závory železničního přejezdu.
Obr. 5.2 Posuvná brána (www.lseshop.cz, 2016)
29
Indikátor zavřených dveří Dalším možným způsobem použití taktilních senzorů v běžném každodenním životě je indikace zavřených dveří u vozidel přepravujících více osob ať už jde o autobus či o vlak. V moderních dopravních prostředcích, kde je vše řízeno elektronikou je potřeba mít kontrolu nad celým vozidlem včetně dveří. Je třeba zajistit, aby vozidlo nebylo schopno se rozjet s otevřenými dveřmi, což je například v případě vlaků, kde strojvedoucí nemá možnost kontrolovat dveře vagónů v zrcátkách, velmi důležité. Jelikož dveře takových dopravních prostředků jsou vybaveny gumovým těsněním, není možné provést indikaci zavření dveří pomocí elektrického kontaktu, mezi dveřmi a vagonem. V takovém případě mohou být opět použita taktilní čidla jako tlakové senzory. Na každých dveřích je možné umístit, do prostoru kde dochází k dotyku mezi dveřmi a konstrukcí vozu, taktilní tlakový senzor, který bude indikovat, zda jsou dveře dostatečně a bezpečně zavřeny a zda se může vozidlo rozjet.
Obr. 5.3 Elektronicky ovládané dveře vagónu (www.cycletourer.co.uk, 2016)
Senzory nárazu u osobních automobilů
V automobilismu je bezpečnost pasažérů vozidla na prvním místě. O tuto bezpečnost se stará bezpečnostní systém vozidla složený s velké škály bezpečnostních prvků jako jsou například bezpečnostní pásy, deformační zóny karoserie nebo airbagy. Tento bezpečnostní systém je řízen elektronikou vozidla a může být spuštěn právě taktilními senzory umístěnými na karoserii vozidla. Taktilní čidla umístěná po celé ploše karoserie mohou vykonávat dozor, zda nedošlo k narušení karoserie a jestli ano, tak v jaké míře. Když se stane nehoda, karoserie se začne deformovat v deformačních zónách a taktilní senzory použité 30
v narušených místech karoserie mohou spustit bezpečnostní systém, který zablokuje bezpečnostní pásy, vystřelí airbagy, nebo například zablokuje kola a vypne motor.
Obr. 5.4 Airbagy ve vozidle (www.autorubik.sk, 2016)
Bezpečnostní senzory v mycí lince
V mycích linkách pro osobní, nebo nákladní automobily existuje několik druhů zabezpečení za účelem nepoškodit vůz při procesu umývání. Co se týče těch dotykových, nejvýznamnějším dotykovým senzorem v mycí lince je systém pro zabránění poškození vozu při vysoušení. Při procesu vysoušení se pohybuje vysoušeč odpředu dozadu a obráceně těsně nad karoserií vozidla. Celá pohybující se hlava vysoušeče může být na spodních hranách vybavena pevnou pryží s taktilními senzory. Je to proto, aby nedošlo k poškození karoserie vozidla při nechtěném kontaktu s ní, tedy nechtěném doteku. Je to tedy poslední bezpečnostní překážka mezi úspěšným vysušením vozidla a poškozenou karoserií.
Obr. 5.5 Vysoušeč v myčce aut (www.autozabreh.cz, 2016)
31
Modely pro praktickou ukázku Kontaktové taktilní čidlo
Model kontaktového taktilní čidla je funkční ukázka principu fungování tohoto senzoru. Na výrobu je potřeba: Dva kusy odporové fólie Dva tenké kousky něčeho nevodivého, nejlépe dřevo, nebo plast pro distanční členy Zdroj stejnosměrného napětí Multimetr, nebo například LED dioda s rezistorem pro výstup Kousek oblého nevodivého materiálu o rozměrech takových, aby bylo možné s ním stlačit fóli mezi distančními členy Návod na sestavení: Vytvoříme dva kusy fólie o stejných rozměrech ve tvaru pásů 30 x 80 mm. Na jeden pás připevníme dva distanční členy z nevodivých materiálů tak, aby každý z nich o kousek přesahoval přes delší stranu fólie na obou stranách. Zároveň musí mezi nimi být prostor pro umožnění kontaktu mezi oběma fóliemi. Přes tyto distanční členy překryjeme druhý z pásků odporové fólie ze strany distančních členů tak, aby se oba pásky dokonale překrývaly. Na každou z odporových fólií přivedeme napětí ze zdroje na jednu plus a na druhou mínus. Do obvodu na plusové, nebo mínusové straně zapojíme multimetr pro měření proudu, nebo případně rezistor s LED diodou. Při stlačení fólie mezi distančními členy dojde k vodivému propojení obou fólií a tím k propojení obvodu. Můžeme pozorovat protékající proud na multimetru, nebo případně rozsvícení LED diody.
32
Taktilní čidlo s piezoelektrickým principem
Model taktilního čidla s piezoelektrickým principem je ukázka principu fungování tohoto čidla. Tento model není funkční a slouží pouze pro vysvětlení principu a popisu vrstev taktilního senzoru s piezoelektrickým principem. K sestavení je třeba: Dva pláty tlusté měkké pryže o stejných rozměrech ve tvaru obdélníku Tlustá podložka z tvrdého materiálu o stejných rozměrech jako jsou pláty pryže Návod na sestavení: Všechny výše uvedené kusy na sebe položíme, případně připevníme plocho stranou tak, aby tvořili tři vrstvy, které se dokonale překrývají. Ideální je barevně rozlišit dva pláty pryže. Při stlačení celé soustavy seshora uprostřed můžeme pozorovat princip pružné deformace jako u skutečného taktilního čidla s piezoelektrickým principem ovšem v tomto případě mnohonásobně zvětšeným. Silové taktilní 2D čidlo
Model silového taktilního čidla má za úkol demonstrovat působení sil na senzory v rozích jednoho elementu silového taktilního čidla. Tento mode je rovněž nefunkční a je určen pro názornou ukázku v mnohonásobně větším provedení společně s teoretickým výkladem a popisem výpočtu užívaného u tohoto čidla. Pro postavení tohoto modelu je potřeba: Čtvercová pevná destička nejlépe z průhledného materiálu, tedy skla, plexiskla, apod. Čtyři kousky tuhého, ale pružného molitanu ve tvaru krychle o stejných rozměrech Návod na sestavení: Jednoduše připevníme, například lepidlem, každou krychli z molitanu do každého rohu destičky. Takto sestavený model postavíme na stůl molitanovými krychlemi dolů. Při zatlačení na destičku dojde, podle místa stlačení k deformaci molitanových krychlí jakoby představovali silové senzory jednoho elementu silového 2D taktilního čidla. Tato demonstrace by měla být doprovázena výkladem o rozložení sil na element čidla a výpočtu výsledné síly. 33
Závěr Jak bylo již zmíněno, bakalářská práce byla vytvořena za účelem poskytnutí studijní opory učitelům základních škol, ale i komukoliv kdo se zajímá o problematiku taktilních čidel. Byl vytvořen ucelený soubor materiálů, které mohou být velmi přínosné pro učitelskou praxi. V teoretické části byl kladen důraz na snadné pochopení principů fungování základních druhů taktilních senzorů, které jsou třeba k získání ucelené představy o těchto součástkách. Co se týče tématu taktilních čidel, není k dispozici příliš mnoho pramenů, které by mohli informace ke snadnému pochopení jejich funkce. Stejně tak bylo uvedeno několik příkladů použití jak ve speciálních disciplínách, tak v běžném světě okolo nás, které by měli pomoci k doplnění představy o těchto velmi hojně využívaných čidlech. K praktickým ukázkám určeným pro výuku tématu taktilních senzorů na základní škole bylo uvedeno několik návrhů modelů. Byl bych velmi rád, kdyby tato práce dobře posloužila svému účelu a případně rozšířila témata týkající se elektroniky nejen na základních školách.
34
Použitá literatura De ROSSI, Danilo. 1991. Artificial tactile sensing and haptic perception. Measurement Science and Technology. 2, 1991, Sv. 11. De VOLDER, Michaël a REYNAERTS, Dominiek. 2010. Pneumatic and hydraulic microactuators: a review. Journal of Micromechanics and Microengineering. 4, 2010, Sv. 20. DRÁPAL, Filip. 2016. Provozy MHD. Archiv obrazových zajímavostí. [Online] 2016. [Citace: 19. Únor 2016.] http://mhd.zastavka.net/fd-noviny/archiv_obr.phtml. DRIENSKY, Dušan. 1999. Úvod do inženierskej pedagogiky. Bratislava : Vydavatěĺstvo STU, 1999. ISBN 80-227-1202-7. FRIEDMANN, Zdeněk. 1993. Didaktika technické výchovy. Brno : Masarykova univerzita, 1993. ISBN 80-210-0764-8. GIRÃO, Pedro Silva, POSTOLACHE, Octavian a PEREIRA, José Miguel Dias. 2007. Tactile sensors and their use in industrial, robotic and medical applications. Cultivating metrological knowledge. Merida : IMEKO 20th TC3, 3rd TC16 and 1st TC22 International Conference, 2007. HALLIDAY, David, RESNICK, Robert a WALKER, Jearl. 2013. Fyzika. Brno : Vutium, 2013. ISBN 978– 80–214–4123-2. HARRIS, Tom. 2016. How Fingerprint Scanners Work. How Stuff Works. [Online] 2016. [Citace: 19. Únor 2016.] http://computer.howstuffworks.com/fingerprint-scanner3.htm. HOSODA, Koh, TADA, Yasunori a ASADA, Minoru. 2006. Anthropomorphic robotic soft fingertip with randomly distributed receptors. Robotics and Autonomous Systems. 2, 2006, Sv. 54. HUSÁK, Miroslav. 2008. Mikrosenzory a mikroaktuátory, Vyd. 1. Praha : Academia, 2008. ISBN 97880-200-1478-8. CHEN, Ning a ZHANG, Hong. 1995. Efficient edge detection from tactile data. Intelligent Robots and Systems 95. místo neznámé : 1995 IEEE/RSJ International Conference, 1995. JOCKUSCH, Ján, WALTER, Jörg a RITTER, Helge. 1997. A Tactile Sensor System for a Three-Fingered Robot Manipulator. Bielefeld : International Conference on Robotics and Automation, 1997. KUMAR, Kamlesh. 2014. Sensors in everyday life. 2014. MARTINEZ-HERNANDEZ, Uriel. 2014. Autonomous active exploration for tactile sensing in robotics. Sheffield : University of Sheffield, 2014. Disertační práce. —. 2015. Tactile Sensors. Scholarpedia. [Online] 2015. [Citace: 15. Únor 2016.] http://www.scholarpedia.org/article/Tactile_Sensors#Capacitive_sensors.
35
MOŠNA, František a kolektiv. 1990. Didaktika základů techniky I. Praha : Státní pedagogické nakladatelství, 1990. ISBN 80-7066-271-9. RADA, Václav. Taktilní senzory pro automatizaci. VUT Brno. [Online] [Citace: 10. Leden 2016.] http://www.fce.vutbr.cz/tst/rada.v. RATNASINGAM, Sivalogeswaran a McGINNITY, T.M. 2011. Object recognition based on tactile form perception. Robotic Intelligence In Informationally Structured Space (RiiSS). místo neznámé : IEEE Workshop, 2011. SCHMITZ, Alexander, a další. 2011. Methods and technologies for the implementation of large-scale robot tactile sensors. IEEE Transactions on Robotics. 3, 2011, Sv. 27. SICILIANO, Bruno a KHATIB, Oussama. 2008. Springer Handbook of Robotics. místo neznámé : Springer, 2008. ISBN 978-3-540-38219-5. SOLOMON, Joseph H. a HARTMANN, Mitra J. 2006. Biomechanics: Robotic whiskers used to sense features. Nature. 2006, Sv. 443. ŠKÁRA, Ivan. 1996. Technika a základní všeobecné vzdělání. Brno : Masarykova Univerzita, 1996. ISBN 80-210-1477-6. VOLF, Jaromír. 2008. Taktilní senzory pro automatizaci. Odborné časopisy. [Online] Červenec 2008. [Citace: 15. Leden 2016.] http://www.odbornecasopisy.cz/res/pdf/37544.pdf. WÖSCH, Thomas a FEITEN, Wendelin. 2000. Reactive Motion Control for Human–Robot Tactile Interaction. Munich : Corporate Technology Siemens AG , 2000. YAN, Jason. 2011. Robotic Vacuum Cleaner. US7937800 B2 Spojené Státy Americké, 10. Květen 2011. Robotický Spotřebič.
36
Elektronické zdroje AUTOR NEZNÁMÝ. 2012. Automatické myčky vozů CHRIST. Auto Wellness. [Online] 2012. [Citace: 20. Leden 2016.] http://www.autozabreh.cz/auto_wellness_mycka.htm. AUTOR NEZNÁMÝ. 2016. Back To Basics. Pressure Profile Systems, Inc. [Online] 2016. [Citace: 19. Únor 2016.] http://www.pressureprofile.com/blog/2014/7/31/back-to-basics-capacitive-tactilesensing-101. AUTOR NEZNÁMÝ. 2013. Čo je to airbag a ako funguje. Autorubik. [Online] 2013. [Citace: 10. Lsitopad 2015.] http://www.autorubik.sk/clanky/co-je-to-airbag-a-ako-funguje. AUTOR NEZNÁMÝ. 2016. Door handle pressure mapping system. Pressure Profile Systems, Inc. [Online] 2016. [Citace: 19. Únor 2016.] http://www.pressureprofile.com/door-handle-pressuremapping-sensor. AUTOR NEZNÁMÝ. 2016. Dotykové desky pro mobily. E-shop MobilDuo. [Online] 2016. [Citace: 19. Únor 2016.] AUTOR NEZNÁMÝ. 2016. Dotykový spínač céliane. LS servis ELEKTRO, s.r.o. . [Online] 2016. [Citace: 19. Únor 2016.] http://www.lseshop.cz/?action=clanek&id=11. AUTOR NEZNÁMÝ. 2016. Posuvné brány. Brány posuvné, s.r.o. [Online] 2016. [Citace: 19. Únor 2016.] http://www.lseshop.cz/vypinace-zasuvky/vypinace-a-zasuvky-celiane-legrand/celiane-skloporcelan/celiane-porcelan/spinac-celiane-dotykovy-porcelan-12075.html. AUTOR NEZNÁMÝ. 2016. Spray Pressure Sensor System. Pressure Profile Systems, Inc. [Online] 2016. [Citace: 10. Leden 2016.] AUTOR NEZNÁMÝ. 2016. Using Trains in Germany. Cycletourer Website. [Online] 2016. [Citace: 19. Únor 2016.] http://www.cycletourer.co.uk/cycletouring/gertrains.shtml. DRÁPAL, Filip. 2016. Provozy MHD. Archiv obrazových zajímavostí. [Online] 2016. [Citace: 19. Únor 2016.] http://mhd.zastavka.net/fd-noviny/archiv_obr.phtml. HARRIS, Tom. 2016. How Fingerprint Scanners Work. How Stuff Works. [Online] 2016. [Citace: 19. Únor 2016.] http://computer.howstuffworks.com/fingerprint-scanner3.htm. MŠMT. 2005. Rámcové vzdělávací programy. Web MŠMT. [Online] 2005. [Citace: 19. Únor 2016.] http://www.msmt.cz/vzdelavani/skolstvi-v-cr/skolskareforma/ramcove-vzdelavaci-programy. RM Crowder Limited. Tactile Sensing - Automation and Robotics. University of Southampton. [Online] [Citace: 19. Únor 2016.] http://www.southampton.ac.uk/~rmc1/robotics/artactile.htm.
37
38
