Force-Sensitive Resistor

Detto anche: FSR, force-sensing resistor, force sensing resistor, pressure-sensitive resistor
Categoria: Sensing › Contact & force
Tag: force-sensing, tactile-sensing, sensors, electronics, grippers

Un sensore sottile e flessibile la cui resistenza elettrica cala quando si applica una forza sulla sua superficie, offrendo un modo semplice ed economico per rilevare il tocco e stimare la forza di contatto.

Definizione

Resistori sensibili alla forza (FSR) (force-sensitive resistors) sono sensori polimerici sottili la cui resistenza elettrica diminuisce quando vengono premuti. Un FSR tipico è un sandwich di strati: un substrato flessibile su cui sono stampate piste conduttive interdigitate, un distanziale e uno strato di inchiostro polimerico conduttivo o semiconduttivo. Senza carico la resistenza è molto alta. All'aumentare della forza, una parte maggiore dell'inchiostro tocca le piste e l'area di contatto cresce, quindi la resistenza scende.

Gli FSR si leggono con un'elettronica semplice. Il circuito più comune è un partitore di tensione con un resistore fisso, collegato al convertitore analogico-digitale di un microcontrollore; uno stadio corrente-tensione con amplificatore operazionale dà un'uscita più lineare. La risposta è fortemente non lineare, con una resistenza all'incirca inversamente proporzionale alla forza su gran parte del campo, quindi serve una calibrazione con carichi noti per trasformare le letture in valori di forza.

Rispetto alle celle di carico e ai sensori di forza/coppia, gli FSR sono economici, molto sottili e facili da applicare su superfici curve o piccole come i polpastrelli e le piante dei piedi. In cambio, la loro precisione è limitata. Presentano isteresi, deriva sotto carico costante (creep), sensibilità a come la forza è distribuita sull'area attiva e variabilità da un esemplare all'altro. Misurano solo la forza normale alla superficie e non danno informazioni sul taglio.

Per questi motivi gli FSR sono più adatti a rilevare il contatto, a capire se una presa o un appoggio del piede è avvenuto e a fornire letture relative della forza, che a misurarla con precisione. Matrici di FSR e film piezoresistivi affini sono usati anche come semplici pelli tattili per la mappatura della pressione.

Perché è importante

Gli FSR danno ai robot il senso del tatto a costo molto basso e quasi senza ingombro né cablaggio aggiuntivo, il che rende pratico il rilevamento del contatto su robot amatoriali, pinze prototipo e dispositivi indossabili. Spesso sono il primo sensore tattile che un team aggiunge quando deve sapere se qualcosa viene toccato e, all'incirca, con quanta forza.

Applicazioni principali

Rilevamento del contatto sui polpastrelli di pinze e mani robotiche
Rilevamento del contatto del piede per robot con gambe e analisi dell'andatura
Guanti sensorizzati e dispositivi indossabili che registrano la forza di presa
Semplici matrici tattili per la mappatura della pressione
Input tattile su robot amatoriali ed educativi

In pratica

Un team che aggiunge il rilevamento del contatto a una pinza di solito monta gli FSR sui polpastrelli sotto un sottile cuscinetto di gomma o silicone che distribuisce il carico in modo uniforme sull'area attiva. Ogni sensore è collegato in un partitore di tensione a un ingresso analogico, con il resistore fisso scelto per dare una buona risoluzione nel campo di forza previsto. Il team calibra ogni sensore con pesi noti, adatta una curva e usa soglie sulla lettura per rilevare il contatto o per smettere di chiudere la pinza una volta raggiunto un livello di presa desiderato. Sui robot con gambe e negli studi sull'andatura, gli FSR nei piedi o nelle solette delle scarpe forniscono la temporizzazione degli appoggi. A causa della deriva e dell'isteresi, gli ingegneri evitano di affidarsi agli FSR per valori assoluti di forza e li riazzerano regolarmente.

Idee sbagliate comuni

Gli FSR sono sensori di forza di precisione — sono adatti al rilevamento del contatto e alla forza relativa; per misure accurate servono celle di carico o sensori di forza/coppia
L'uscita di un FSR è lineare con la forza — la resistenza cala in modo non lineare con la forza, quindi le letture vanno calibrate o linearizzate
Gli FSR rilevano la forza in qualsiasi direzione — rispondono alla forza normale alla superficie e non misurano il taglio

Chi dovrebbe saperlo

Ingegneri hardware che progettano pinze e mani robotiche
Maker e studenti che costruiscono robot a basso costo
Sviluppatori di dispositivi indossabili e guanti sensorizzati
Ricercatori su robot con gambe e analisi dell'andatura

Tecnologie correlate

Cella di carico (Load Cell)
Sensore tattile (Tactile Sensor)
Sensore di forza/coppia (Force/Torque Sensor)
Partitore di tensione (Voltage Divider)
Sensore piezoresistivo (Piezoresistive Sensor)
Sensore touch capacitivo (Capacitive Touch Sensor)

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