Force-Sensitive Resistor

• Também chamado: FSR, force-sensing resistor, force sensing resistor, pressure-sensitive resistor
• Categoria: Sensing › Contact & force
• Tags: force-sensing, tactile-sensing, sensors, electronics, grippers

Um sensor fino e flexível cuja resistência elétrica cai quando se aplica força sobre sua superfície, oferecendo uma forma simples e de baixo custo de detectar toque e estimar a força de contato.

Definição

Resistores sensíveis à força (FSR) (force-sensitive resistors) são sensores finos de polímero cuja resistência elétrica diminui quando são pressionados. Um FSR típico é um sanduíche de camadas: um substrato flexível impresso com trilhas condutoras interdigitadas, um espaçador e uma camada de tinta polimérica condutora ou semicondutora. Sem carga, a resistência é muito alta. À medida que a força aumenta, mais tinta toca as trilhas e a área de contato cresce, de modo que a resistência cai.

Os FSRs são lidos com eletrônica simples. O circuito mais comum é um divisor de tensão com um resistor fixo, ligado ao conversor analógico-digital de um microcontrolador; um estágio corrente-tensão com amplificador operacional dá uma saída mais linear. A resposta é fortemente não linear, com resistência aproximadamente inversamente proporcional à força em boa parte da faixa, por isso é necessário calibrar com cargas conhecidas para converter as leituras em valores de força.

Comparados com células de carga e sensores de força/torque, os FSRs são baratos, muito finos e fáceis de posicionar em superfícies curvas ou pequenas, como pontas dos dedos e solas dos pés. Em troca, sua precisão é limitada. Eles apresentam histerese, deriva sob carga constante (fluência), sensibilidade à forma como a força se distribui sobre a área ativa e variação de uma unidade para outra. Medem apenas a força normal à superfície e não dão informação sobre cisalhamento.

Por esses motivos, os FSRs são mais adequados para detectar contato, perceber se uma preensão ou uma pisada ocorreu e fornecer leituras relativas de força, do que para medir força com precisão. Matrizes de FSRs e filmes piezorresistivos semelhantes também são usados como peles táteis simples de mapeamento de pressão.

Por que importa

Os FSRs dão aos robôs um sentido de tato a custo muito baixo e quase sem ocupar espaço ou exigir fiação, o que torna a detecção de contato prática em robôs amadores, garras protótipo e dispositivos vestíveis. Muitas vezes são o primeiro sensor tátil que uma equipe adiciona quando precisa saber se algo está sendo tocado e, aproximadamente, com que força.

Principais aplicações

• Detecção de contato nas pontas dos dedos de garras e mãos robóticas
• Detecção de contato dos pés em robôs com pernas e análise da marcha
• Luvas de dados e dispositivos vestíveis que registram a força de preensão
• Matrizes táteis simples de mapeamento de pressão
• Entrada por toque em robôs amadores e educacionais

Na prática

Uma equipe que adiciona detecção de contato a uma garra normalmente monta FSRs nas pontas dos dedos sob uma almofada fina de borracha ou silicone que distribui a carga de maneira uniforme sobre a área ativa. Cada sensor é ligado em um divisor de tensão a uma entrada analógica, com o resistor fixo escolhido para dar boa resolução na faixa de força esperada. A equipe calibra cada sensor com pesos conhecidos, ajusta uma curva e usa limiares sobre a leitura para detectar contato ou para parar de fechar a garra quando um nível de preensão desejado é atingido. Em robôs com pernas e em estudos de marcha, FSRs nos pés ou em palmilhas de calçados fornecem a temporização das pisadas. Por causa da deriva e da histerese, os engenheiros evitam depender de FSRs para valores absolutos de força e os zeram novamente com regularidade.

Equívocos comuns

• FSRs são sensores de força de precisão — servem para detecção de contato e força relativa; células de carga ou sensores de força/torque são necessários para medições exatas
• A saída de um FSR é linear com a força — a resistência cai de forma não linear com a força, por isso as leituras precisam ser calibradas ou linearizadas
• FSRs detectam força em qualquer direção — eles respondem à força normal à superfície e não medem cisalhamento

Quem deve saber

• Engenheiros de hardware que projetam garras e mãos robóticas
• Makers e estudantes que constroem robôs de baixo custo
• Desenvolvedores de dispositivos vestíveis e luvas de dados
• Pesquisadores de robôs com pernas e de análise da marcha

Tecnologias relacionadas

• Célula de carga (Load Cell)
• Sensor tátil (Tactile Sensor)
• Sensor de força/torque (Force/Torque Sensor)
• Divisor de tensão (Voltage Divider)
• Sensor piezorresistivo (Piezoresistive Sensor)
• Sensor de toque capacitivo (Capacitive Touch Sensor)

Termos relacionados

• Tactile Sensor
• Force/Torque Sensor

Projetos relacionados

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• ORCA Hand: Open-source tendon-driven robotic hands with tactile sensing from ETH Zurich
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Vídeos

• How to use Force Sensitive Resistors (FSR) with Arduino - Simple Force Sensing Arduino Tutorial: Science Fun