Force-Sensitive Resistor
- Aussi appelé: FSR, force-sensing resistor, force sensing resistor, pressure-sensitive resistor
- Catégorie: Sensing › Contact & force
- Mots-clés: force-sensing, tactile-sensing, sensors, electronics, grippers
Un capteur mince et souple dont la résistance électrique baisse quand une force est appliquée à sa surface, offrant un moyen simple et peu coûteux de détecter le toucher et d'estimer la force de contact.
Définition
Résistances sensibles à la force (Force-Sensitive Resistors, FSR) : capteurs polymères minces dont la résistance électrique diminue lorsqu'on appuie dessus. Un FSR typique est un empilement de couches : un substrat souple imprimé de pistes conductrices interdigitées, une entretoise, et une couche d'encre polymère conductrice ou semi-conductrice. Sans charge, la résistance est très élevée. À mesure que la force augmente, une plus grande partie de l'encre touche les pistes et la surface de contact s'agrandit, de sorte que la résistance baisse.
Les FSR se lisent avec une électronique simple. Le circuit le plus courant est un pont diviseur de tension avec une résistance fixe, relié au convertisseur analogique-numérique d'un microcontrôleur ; un étage convertisseur courant-tension à amplificateur opérationnel donne une sortie plus linéaire. La réponse est fortement non linéaire, la résistance étant à peu près inversement proportionnelle à la force sur une grande partie de la plage, si bien qu'un étalonnage avec des charges connues est nécessaire pour convertir les lectures en valeurs de force.
Par rapport aux cellules de charge et aux capteurs de force/couple, les FSR sont peu coûteux, très minces et faciles à placer sur des surfaces courbes ou petites comme le bout des doigts et la plante des pieds. En contrepartie, leur précision est limitée. Ils présentent de l'hystérésis, une dérive sous charge constante (fluage), une sensibilité à la façon dont la force se répartit sur la zone active, et des variations d'un exemplaire à l'autre. Ils ne mesurent que la force normale à la surface et ne donnent aucune information sur le cisaillement.
Pour ces raisons, les FSR conviennent surtout à la détection de contact, pour savoir si une prise ou un appui du pied a eu lieu, et à des lectures de force relatives, plutôt qu'à une mesure précise de la force. Des matrices de FSR et des films piézorésistifs apparentés servent aussi de peaux tactiles simples de cartographie de pression.
Pourquoi c'est important
Les FSR donnent aux robots un sens du toucher à très faible coût et presque sans contrainte d'encombrement ni de câblage, ce qui rend la détection de contact praticable sur les robots amateurs, les prototypes de pinces et les dispositifs portables. C'est souvent le premier capteur tactile qu'une équipe ajoute lorsqu'elle a besoin de savoir si quelque chose est touché, et à peu près avec quelle force.
Applications principales
- Détection de contact au bout des doigts des pinces et des mains robotiques
- Détection du contact des pieds pour les robots à pattes et l'analyse de la marche
- Gants de données et dispositifs portables qui enregistrent la force de préhension
- Matrices tactiles simples de cartographie de pression
- Entrée tactile sur les robots amateurs et éducatifs
En pratique
Une équipe qui ajoute la détection de contact à une pince monte généralement des FSR au bout des doigts, sous un mince coussinet en caoutchouc ou en silicone qui répartit la charge uniformément sur la zone active. Chaque capteur est câblé dans un pont diviseur de tension vers une entrée analogique, la résistance fixe étant choisie pour donner une bonne résolution dans la plage de force attendue. L'équipe étalonne chaque capteur avec des poids connus, ajuste une courbe et applique des seuils à la lecture pour détecter le contact ou arrêter la fermeture de la pince une fois le niveau de prise visé atteint. Sur les robots à pattes et dans les études de la marche, des FSR placés dans les pieds ou les semelles donnent le moment des appuis. En raison de la dérive et de l'hystérésis, les ingénieurs évitent de se fier aux FSR pour des valeurs de force absolues et les remettent régulièrement à zéro.
Idées reçues
- Les FSR sont des capteurs de force de précision — ils conviennent à la détection de contact et à la force relative ; des cellules de charge ou des capteurs de force/couple sont nécessaires pour une mesure précise
- La sortie d'un FSR est linéaire en force — la résistance baisse de façon non linéaire avec la force, les lectures doivent donc être étalonnées ou linéarisées
- Les FSR détectent la force dans n'importe quelle direction — ils réagissent à la force normale à la surface et ne mesurent pas le cisaillement
Qui devrait le savoir
- Ingénieurs matériel qui conçoivent des pinces et des mains robotiques
- Makers et étudiants qui construisent des robots à bas coût
- Développeurs de dispositifs portables et de gants de données
- Chercheurs sur les robots à pattes et l'analyse de la marche
Technologies associées
- Cellule de charge (Load Cell)
- Capteur tactile (Tactile Sensor)
- Capteur de force/couple (Force/Torque Sensor)
- Pont diviseur de tension (Voltage Divider)
- Capteur piézorésistif (Piezoresistive Sensor)
- Capteur tactile capacitif (Capacitive Touch Sensor)
Termes associés
Projets associés
- Gazebo: Industry-standard open-source robotics simulator with multi-physics and ROS integration
- ORCA Hand: Open-source tendon-driven robotic hands with tactile sensing from ETH Zurich
- Carbon Aeronautics Quadcopter: From-scratch quadcopter build that teaches aeronautics, electronics and programming
- Robotic Origami Challenge: Fold Plane Demonstrations: Bimanual paper-folding dataset: 682 LeRobot episodes with vision and touch
Vidéos
- How to use Force Sensitive Resistors (FSR) with Arduino - Simple Force Sensing Arduino Tutorial: Science Fun