Caracterización, Modelado y Diseño de Sensores Táctiles Piezorresistivos

Abstract

Un sensor táctil es un dispositivo con el que se obtiene información del entorno mediante el contacto con él. Su implementación se basa en distribuir una serie de unidades sensoriales de fuerza, a las que denominamos tácteles, de forma matricial; de modo que al contactar con un objeto se detecta la distribución de fuerzas, su forma, su orientación, etc. El campo de aplicación de estos sensores es muy amplio, por ejemplo en medicina, robótica, o tele-presencia, siendo especialmente necesarios en entornos complejos, no estructurados o peligros. En el presente trabajo se proponen diferentes sensores basados en polímeros piezorresistivos, cuya estructura se basa en una matriz flexible de electrodos sobre la que se coloca una lámina de un material electro-activo que disminuye su resistencia con el aumento de la presión aplicada. Se analizan y caracterizan los sensores, que están orientados a aplicaciones de gran área con tecnologías de bajo coste. Para la elaboración de las matrices de electrodos se utilizan dos tecnologías: una placa de circuito impreso sobre un sustrato flexible (tecnología PCB), y técnicas de serigrafía sobre un sustrato plástico (tecnología screen-printing). Los sensores fabricados se caracterizan desde el punto de vista de su respuesta, evaluando parámetros como la sensibilidad, la linealidad, la histéresis, el tiempo de respuesta, la deriva y la dispersión; y analizando también la influencia que ciertos factores de diseño, como el tamaño y geometría de los electrodos, o la conductividad del material activo, tienen sobre estas características. Para los sensores fabricados con la tecnología de screen-printing (construidos mediante la superposición de capas de diferentes materiales) se propone un método de control de la sensibilidad y rango en base a la constante elástica de dos de las capas. Para explicar los resultados experimentales se hace uso de una herramienta de análisis de elementos finitos y del modelo de Winkler, que permite modelar las rugosidades en la interfaz de contacto entre los electrodos y el material piezorresistivo. Por otro lado, se proponen, diseñan y fabrican dos estructuras que superpuestas a los sensores anteriores les dotan de la capacidad de detectar fuerzas tanto normales como tangenciales. Las componentes de las fuerzas tangenciales se obtienen del desequilibrio de fuerzas que registran los tácteles del sensor que hace de base. Ambas propuestas se analizan con una herramienta de análisis de elementos finitos. Además, se muestran resultados experimentales de los prototipos fabricados para ilustrar su viabilidad. Por último, se describe un trabajo concreto de fabricación de un sensor de gran área para cubrir el brazo de un robot de rescate haciendo uso de elementos discretos de fuerza comerciales (FSR). En él se proponen, implementan y evalúan algunas estrategias de diseño que mejoran la respuesta de los FSR. De todo el trabajo desarrollado, se adquiere un conocimiento acerca de cómo abordar el diseño de este tipo de sensores táctiles y de aquellos realizados con tecnologías similares, extrayendo conclusiones y reglas de diseño básicas. Así mismo, se describen las diversas plataformas de test para los sensores táctiles que han sido fabricadas y que en su conjunto constituyen una infraestructura automatizada de caracterización, muy útil para futuros trabajos.