Force-Sensitive Resistor
- Auch genannt: FSR, force-sensing resistor, force sensing resistor, pressure-sensitive resistor
- Kategorie: Sensing › Contact & force
- Schlagwörter: force-sensing, tactile-sensing, sensors, electronics, grippers
Ein dünner, flexibler Sensor, dessen elektrischer Widerstand sinkt, wenn Kraft auf seine Oberfläche wirkt, und der so eine einfache, kostengünstige Möglichkeit bietet, Berührung zu erkennen und die Kontaktkraft zu schätzen.
Definition
Kraftsensitive Widerstände (Force-Sensitive Resistors, FSRs) sind dünne Polymersensoren, deren elektrischer Widerstand sinkt, wenn man auf sie drückt. Ein typischer FSR ist ein Schichtaufbau: ein flexibles Substrat mit aufgedruckten, ineinandergreifenden Leiterbahnen, ein Abstandshalter und eine Schicht aus leitfähiger oder halbleitender Polymertinte. Ohne Last ist der Widerstand sehr hoch. Mit zunehmender Kraft berührt mehr Tinte die Leiterbahnen und die Kontaktfläche wächst, sodass der Widerstand fällt.
FSRs werden mit einfacher Elektronik ausgelesen. Die gängigste Schaltung ist ein Spannungsteiler mit einem Festwiderstand, angeschlossen an den Analog-Digital-Wandler eines Mikrocontrollers; eine Strom-Spannungs-Stufe mit Operationsverstärker liefert ein lineareres Ausgangssignal. Die Kennlinie ist stark nichtlinear, wobei der Widerstand über weite Teile des Bereichs ungefähr umgekehrt proportional zur Kraft ist, sodass eine Kalibrierung mit bekannten Lasten nötig ist, um Messwerte in Kraftwerte umzurechnen.
Verglichen mit Wägezellen und Kraft-/Drehmomentsensoren sind FSRs preiswert, sehr dünn und lassen sich leicht auf gekrümmten oder kleinen Flächen wie Fingerspitzen und Fußsohlen anbringen. Im Gegenzug ist ihre Genauigkeit begrenzt. Sie zeigen Hysterese, Drift unter konstanter Last (Kriechen), Empfindlichkeit dafür, wie sich die Kraft über die aktive Fläche verteilt, und Streuung von Exemplar zu Exemplar. Sie messen nur die Kraft senkrecht zur Oberfläche und liefern keine Information über Scherung.
Aus diesen Gründen eignen sich FSRs am besten, um Kontakt zu erkennen, zu erfassen, ob ein Griff oder ein Fußaufsatz stattgefunden hat, und relative Kraftwerte zu liefern, nicht für präzise Kraftmessung. Arrays aus FSRs und verwandten piezoresistiven Folien werden auch als einfache taktile Häute zur Druckverteilungsmessung eingesetzt.
Warum es wichtig ist
FSRs geben Robotern einen Tastsinn zu sehr geringen Kosten und fast ohne Platz- oder Verdrahtungsaufwand, was Kontakterfassung an Hobbyrobotern, Greifer-Prototypen und Wearables praktikabel macht. Oft sind sie der erste taktile Sensor, den ein Team hinzufügt, wenn es wissen muss, ob und ungefähr wie stark etwas berührt wird.
Wichtige Anwendungen
- Kontakterkennung an den Fingerspitzen von Robotergreifern und -händen
- Fußkontakterfassung für Laufroboter und Ganganalyse
- Datenhandschuhe und Wearables, die die Griffkraft aufzeichnen
- Einfache taktile Arrays zur Druckverteilungsmessung
- Berührungseingabe an Hobby- und Lernrobotern
In der Praxis
Ein Team, das einem Greifer Kontakterfassung hinzufügt, montiert FSRs typischerweise an den Fingerspitzen unter einem dünnen Gummi- oder Silikonpolster, das die Last gleichmäßig über die aktive Fläche verteilt. Jeder Sensor wird in einem Spannungsteiler an einen Analogeingang angeschlossen, wobei der Festwiderstand so gewählt wird, dass er im erwarteten Kraftbereich eine gute Auflösung ergibt. Das Team kalibriert jeden Sensor mit bekannten Gewichten, passt eine Kurve an und nutzt Schwellenwerte auf dem Messwert, um Kontakt zu erkennen oder das Schließen des Greifers zu stoppen, sobald eine Zielgriffstärke erreicht ist. An Laufrobotern und in Ganganalysen liefern FSRs in den Füßen oder Schuheinlagen den Zeitpunkt der Fußaufsätze. Wegen Drift und Hysterese verlassen sich Ingenieure nicht auf FSRs für absolute Kraftwerte und setzen sie regelmäßig neu auf null.
Häufige Missverständnisse
- FSRs sind Präzisionskraftsensoren — sie eignen sich für Kontakterkennung und relative Kraft; für genaue Messungen braucht man Wägezellen oder Kraft-/Drehmomentsensoren
- Das Ausgangssignal eines FSR ist linear in der Kraft — der Widerstand fällt nichtlinear mit der Kraft, daher müssen die Messwerte kalibriert oder linearisiert werden
- FSRs erfassen Kraft in jeder Richtung — sie reagieren auf Kraft senkrecht zur Oberfläche und messen keine Scherung
Wer das wissen sollte
- Hardware-Ingenieure, die Greifer und Roboterhände entwerfen
- Maker und Studierende, die kostengünstige Roboter bauen
- Entwickler von Wearables und Datenhandschuhen
- Forschende zu Laufrobotern und Ganganalyse
Verwandte Technologien
- Wägezelle (Load Cell)
- Taktiler Sensor (Tactile Sensor)
- Kraft-/Drehmomentsensor (Force/Torque Sensor)
- Spannungsteiler (Voltage Divider)
- Piezoresistiver Sensor (Piezoresistive Sensor)
- Kapazitiver Berührungssensor (Capacitive Touch Sensor)
Verwandte Begriffe
Verwandte Projekte
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