Presentamos el Actuador F-HASEL: Un Paso Adelante en la Robótica Blanda

La necesidad de partes robóticas suaves y flexibles se está volviendo más importante a medida que buscamos crear robots que puedan adaptarse a diferentes tareas. Un tipo de actuador, conocido como HASEL (Electrostático Autocurativo Amplificado Hidráulicamente), destaca por su suavidad y flexibilidad. Esto lo convierte en un gran candidato para tareas como interactuar suavemente con personas y animales, imitando cómo se mueven los seres vivos, y apoyando dispositivos médicos como prótesis y exoesqueletos. También hay un enfoque creciente en hacer que estos Actuadores sean capaces de sentir sus propios movimientos sin necesidad de sensores adicionales.

Sin embargo, usar actuadores HASEL de manera efectiva a velocidades más altas-más de 1 Hz-ha sido un desafío. En este artículo, vamos a presentar un nuevo diseño de actuador llamado F-HASEL, que incluye un juego extra de sensores que ayudan a medir sus movimientos. Vamos a mostrar que esta nueva configuración permite que el actuador funcione bien a velocidades de hasta 20 Hz y maneje diferentes cargas usando piezas simples y asequibles.

#El Actuador F-HASEL

El actuador F-HASEL mejora el actuador Peano-HASEL tradicional. Un actuador Peano-HASEL consiste en una carcasa exterior suave y un líquido en su interior que lo ayuda a moverse. Cuando se aplica un alto voltaje a un par de electrodos en el actuador, los electrodos se juntan, empujando el líquido y haciendo que el actuador se contraiga. Esta contracción es a la que nos referimos cuando hablamos del desplazamiento del actuador.

La detección de capacitancia-medir el cambio en la capacitancia a medida que el actuador se mueve-ha sido reconocida como una forma útil de estimar este desplazamiento. Sin embargo, los métodos anteriores requerían componentes de alto voltaje voluminosos y costosos, lo que limitaba su usabilidad.

Para solucionar este problema, investigaciones anteriores introdujeron circuitos de detección más pequeños para medir el desplazamiento. Si bien estos circuitos funcionaron bien para algunas aplicaciones, encontraron problemas cuando el actuador operó a frecuencias superiores a 1 Hz. Además, aplicar altos Voltajes causó distorsiones en las mediciones.

En respuesta a estos problemas, diseñamos el actuador F-HASEL, que separa la actuación de la detección. Incluye un par adicional de electrodos para detección en el lado opuesto del actuador. Esta nueva configuración nos permite usar componentes de bajo voltaje para la detección, simplificando el diseño y reduciendo los costos.

#Cómo Funciona el F-HASEL

El actuador F-HASEL funciona midiendo cambios en una señal de bajo voltaje que aplicamos a los electrodos de detección adicionales. Dado que estos electrodos no experimentan el mismo movimiento que los usados para la actuación, podemos obtener mediciones precisas sin interferencias del proceso de actuación.

Al aplicar una señal de bajo voltaje a los electrodos de detección mientras el actuador opera, podemos medir los cambios resultantes en voltaje y corriente. De esta manera, se puede calcular el cambio en capacitancia a medida que el actuador se mueve y utilizarlo para estimar el desplazamiento.

#Circuitos de Detección

Para facilitar mediciones precisas de desplazamiento, creamos un circuito de detección que utiliza componentes comunes y disponibles en el mercado. Este circuito puede procesar señales del actuador F-HASEL usando dos métodos diferentes:

1. Método de Voltaje: Este método mide directamente los cambios en voltaje relacionados con los movimientos del actuador.
2. Método de Impedancia: Este método calcula la resistencia de los electrodos del sensor para proporcionar una estimación del desplazamiento.

Ambos métodos están integrados en un circuito pequeño y eficiente que puede rastrear con precisión los movimientos del actuador.

#Operación a Alta Frecuencia

En nuestros experimentos, probamos el rendimiento del actuador F-HASEL a varias frecuencias, que van desde 0.5 Hz hasta 20 Hz. Descubrimos que las mediciones tomadas usando nuestro circuito de detección coincidían estrechamente con los Desplazamientos reales registrados por sensores especializados.

A medida que aumentaba la frecuencia de actuación, la precisión de nuestros métodos mejoraba significativamente, especialmente en comparación con enfoques anteriores. Mientras que las técnicas anteriores luchaban a altas frecuencias, el F-HASEL mostró un rendimiento consistente, con solo un pequeño desfase en las estimaciones.

#Manejo de Cargas Externas

Otra característica importante del actuador F-HASEL es su capacidad para responder a fuerzas externas que actúan sobre él. En nuestras pruebas, demostramos cómo el actuador podía ajustar su desplazamiento cuando se añadían pesos, incluso manteniendo un voltaje de conducción constante. Esta capacidad de adaptarse a cambios en la carga hace que el actuador F-HASEL sea adecuado para diversos usos, como en extremidades robóticas que necesitan responder al peso de los objetos que levantan.

#Aplicaciones Usables

Una aplicación emocionante del actuador F-HASEL es en tecnología portátil, particularmente para rastrear movimientos de articulaciones en realidad virtual (VR). Desarrollamos un sistema donde múltiples actuadores F-HASEL se utilizaron para monitorear los movimientos de la rodilla y la cadera de un usuario. Los datos recopilados de estos actuadores se transmitieron a un avatar virtual, permitiendo la interacción en tiempo real en entornos de VR.

Para lograr esto, diseñamos un circuito compacto que pudiera manejar múltiples actuadores simultáneamente. El pequeño tamaño de nuestros componentes facilita la integración del sistema en dispositivos portátiles sin añadir mucho peso o volumen.

#Comparación de Rendimiento

Cuando comparamos nuestros métodos con trabajos anteriores, notamos una reducción significativa en las tasas de error para la estimación de desplazamiento a través de varias frecuencias. El actuador F-HASEL medía el desplazamiento con mucha mayor precisión al usar fuentes de alimentación pequeñas, lo que lo convierte en una opción más accesible para los desarrolladores.

En pruebas realizadas a frecuencias más bajas, el método de voltaje funcionó mejor, mientras que el método de impedancia destacó a frecuencias más altas. Esta distinción permite a los usuarios elegir el mejor método según los requisitos específicos de su aplicación.

#Desafíos y Direcciones Futuras

Si bien nuestros resultados son prometedores, todavía hay algunos desafíos por abordar. Por ejemplo, a medida que aumenta la frecuencia de actuación, notamos algunos efectos de histéresis-lo que significa que la respuesta del actuador no fue perfectamente consistente. Para mejorar la precisión, creemos que podemos ajustar la geometría y disposición de los electrodos de detección, así como mejorar el diseño del circuito de detección en sí.

Además, aislar los componentes en el circuito puede minimizar la interferencia de ruido, mejorando la fiabilidad de las mediciones.

#Conclusión

En resumen, el actuador F-HASEL representa un avance significativo en la tecnología de actuadores suaves. Al incorporar un mecanismo de detección dedicado que opera de manera efectiva a altas frecuencias, abrimos nuevas posibilidades para aplicaciones en robótica, prótesis y realidad virtual.

Con mejoras y optimizaciones en curso, anticipamos que los desarrollos futuros mejorarán aún más las capacidades y aplicaciones de esta tecnología, convirtiéndola en una parte esencial de la próxima generación de sistemas robóticos. La combinación de rentabilidad, portabilidad y seguimiento preciso de movimientos indica el potencial para un uso generalizado en muchas áreas, contribuyendo a la evolución de la robótica suave.