تكنولوجيا الاستشعار الجديدة: القوة في الهندسة الميكانيكية

I. إدراك الوضعية

يتم تحقيق إدراك الوضعية من خلال الاستخدام المشترك لمستشعرات الموضع غير المتصلة ومستشعرات الوضعيات لتتبع التغيرات في الموضع المكاني للجسم واتجاهه.

1) مستشعرات الموضع غير الملامسة

على عكس مستشعرات الموضع التلامسية، يتم تصميم مستشعرات الموضع غير التلامسية وتصنيعها باستخدام تقنيات مثل تأثير هول والمقاومة المغناطيسية ومبادئ الحث الكهرومغناطيسي ومبادئ السعة. لا تواجه هذه الحساسات احتكاكًا نسبيًا، مما يعزز عمرها الافتراضي.

على مدى العقود العديدة الماضية، استُخدمت مقاييس الجهد لقياسات الموضع والزاوية بسبب بساطة تصميمها وتقنية التصنيع الناضجة والتكلفة المنخفضة.

ومع ذلك، فقد أعاقت القيود المتأصلة فيها تطويرها. بدأت شركات تصنيع قطع غيار السيارات العالمية الشهيرة في تكريس جهود البحث والتطوير لمستشعرات تحديد المواقع غير المتصلة منذ أكثر من عقد من الزمان.

2) مستشعرات الموضع الاستقرائي

تعمل مستشعرات الموضع الاستقرائي استنادًا إلى مبدأ الحث الكهرومغناطيسي، الذي يولد تيارًا مستحثًا في موصل يشكل جزءًا من دائرة مغلقة عندما يتحرك لقطع خطوط المجال المغناطيسي.

على غرار مستشعرات الزاوية الأخرى، فهي تتكون من الجزء الثابت والدوّار. يوجد بشكل عام نوعان من مستشعرات الموضع الاستقرائي.

النوع الأول هو نوع اللف اللولبي الذي يتطلب قلبًا حديديًا كبيرًا لتعبئة الملف الحثي. هذا النوع كبير الحجم ومعقد في التركيب ويتطلب دائرة تكييف إشارة خلفية.

وعلى الرغم من دقة القياس العالية، إلا أنها باهظة الثمن نسبيًا وتستخدم حاليًا بشكل أساسي لقياس عزم الدوران في أنظمة EPS، حيث تتوفر منتجات من هذا النوع من كل من KOYO و NSK.

النوع الثاني هو نوع الملف المستوي. ويتكون الجزء الثابت من المستشعر الحثي ذي الملف المستوي من الإثارة المستوية وملفات الاستقبال والمكونات الإلكترونية، بما في ذلك لوحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور القياسية و ASIC.

يُصنع الدوار من قطعة مختومة من سلك موصل ذو شكل هندسي محدد (إما مصنوع من مادة موصلة أو مكونات ثنائي الفينيل متعدد الكلور).

في الوقت الحاضر، تُستخدم مستشعرات الموضع التي طورتها شركة هيلا الألمانية باستخدام تقنية مستشعر موضع الملف المستوي على نطاق واسع للتغذية المرتدة للزاوية في دواسات الخانق والمشغلات.

تتميز مستشعرات موضع الملف المستوي بهيكل تصميم بسيط نسبيًا. يتكون الجزء الثابت على ثنائي الفينيل متعدد الكلور من ملف إثارة، وثلاثة ملفات استقبال حثي ومكونات إلكترونية أخرى لمعالجة الإشارات، بينما الدوار عبارة عن قطعة معدنية بسيطة مختومة.

لا يكمن مفتاح مستشعرات الموضع الاستقرائي في تصميم رسومات الملف المستوي بل في تقنية الشريحة المخصصة.

تستقبل وحدة معالجة الإشارات في الشريحة إشارات الجهد من الملف، وتقوم بتصحيحها وتضخيمها، ثم تقوم بإخراجها بشكل متناسب في أزواج.

تشمل إشارات الخرج الإشارات التناظرية وإشارات التشكيل النبضي واتصالات الناقل. ويمكنها العمل في نطاق درجة حرارة تتراوح من -40 إلى +50 درجة مئوية وتتحمل اهتزازات تصل إلى 30 جم، مما يدل على موثوقية ممتازة وطول العمر ومقاومة الرطوبة.

كما يمكنها العمل تحت أشكال مختلفة من المجالات الكهرومغناطيسية. وتكمن تحديات تصنيع مستشعرات الموضع الاستقرائي في مستوى تقنيات الحفر الكيميائي للملفات المستوية وتكنولوجيا التغليف لوحدة معالجة الإشارات المخصصة.

بدون استخدام الرقائق المخصصة، ستكون التكاليف أعلى بكثير.

توفر مستشعرات الموضع الاستقرائي المزايا التالية: تتأثر بالحد الأدنى من التفاوتات الميكانيكية، ولا تتطلب إعدادات تعويض درجة الحرارة، ولا تحتاج إلى مواد مغناطيسية إضافية، وهي محصنة ضد التداخل من المجالات المغناطيسية والإشارات الكهربائية.

ويمكنها تلبية جميع متطلبات التوافق الكهرومغناطيسي في السيارات، وقياس زوايا تصل إلى 360 درجة أو أكثر، كما أنها مرنة للغاية.

ويمكنها قياس كل من الإزاحة الزاوية والإزاحة الخطية. تحافظ الحساسات على دقة في حدود 1% طوال عمرها الافتراضي وعبر نطاق درجة الحرارة بالكامل.

في الأجهزة الكهروميكانيكية، يمكن لهذه التقنية دمج المستشعرات مع المكونات الإلكترونية الأخرى على نفس لوحة PCB.

إن التصميم البسيط لمستشعرات هيلا هو أحد أعظم نقاط قوتها، حيث أن دمجها في وحدات التحكم لا يتطلب أغلفة أو أسلاك إضافية. وهذا يبسّط الأسلاك ويقلل من الموصلات، مما يعزز الموثوقية بشكل أكبر.

3) مستشعرات الموقف

مستشعرات الوضعية هي أنظمة قياس وضعية الحركة ثلاثية الأبعاد عالية الأداء تعتمد على تقنية MEMS.

وهي تشمل مستشعرات حركة مساعدة مثل الجيروسكوبات ثلاثية المحاور ومقاييس التسارع ثلاثية المحاور والبوصلات الإلكترونية ثلاثية المحاور، والتي تُخرج بيانات معايرة للسرعة الزاوية والتسارع والمغناطيسية من خلال معالج ARM مدمج منخفض الطاقة.

يقوم النظام بقياس وضعية الحركة باستخدام خوارزميات بيانات المستشعر استناداً إلى الرباعيات ويخرج بيانات وضعية الحركة ثلاثية الأبعاد في الوقت الحقيقي ذات انزياح صفري ممثلة في الرباعيات وزوايا أويلر.

تُستخدم مستشعرات الوضعية على نطاق واسع في المنتجات والأجهزة التي تتطلب قياس الوضعية ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة وعالية الديناميكية ثلاثية الأبعاد، مثل الطائرات بدون طيار النموذجية، والروبوتات، ومنصات الهوائيات، والطاقة الشمسية المركزة، والمعدات الأرضية وتحت الماء، والواقع الافتراضي، وتحليل الحركة البشرية.

الجيروسكوب هو جهاز يكتشف الحركة الزاوية حول محور واحد أو محورين متعامدين على محور الدوران، باستخدام زخم جسم دوّار عالي السرعة وقشرته الحساسة بالنسبة إلى الفضاء بالقصور الذاتي.

ويشار أيضًا إلى الأجهزة التي تؤدي نفس الوظيفة، ولكنها مصنوعة باستخدام مبادئ أخرى، باسم الجيروسكوبات. (الشكل 1)

2. الاستشعار المرن

وفي الوقت الحالي، يتم استخدام مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار على نطاق واسع في العديد من أجهزة الكشف الذكية. وقد تغلغلت تطبيقاتها في مجالات مثل الإنتاج الصناعي، واستكشاف المحيطات، وحماية البيئة، والتشخيص الطبي، والهندسة الحيوية، وتطوير الفضاء، والمنازل الذكية.

مع تصاعد متطلبات عصر المعلومات، تتزايد تدريجياً التوقعات الخاصة بمعايير الأداء مثل نطاق المعلومات المقاسة ودقتها وثباتها.

وقد فرض ذلك تحديات جديدة على أجهزة الاستشعار القياسية، خاصةً فيما يتعلق بمتطلبات قياس الغاز والضغط والرطوبة في بيئات وإشارات خاصة.

استجابةً للعدد المتزايد من الإشارات والبيئات الخاصة، تطورت تقنيات الاستشعار الجديدة في الاتجاهات التالية: تطوير مواد جديدةوالعمليات الجديدة، وأجهزة الاستشعار المبتكرة؛ وتحقيق التكامل بين أجهزة الاستشعار والذكاء؛ وتصغير أنظمة ومكونات أجهزة تكنولوجيا الاستشعار؛ وتكامل أجهزة الاستشعار مع التخصصات الأخرى.

وفي الوقت نفسه، هناك رغبة في الحصول على مستشعرات تتسم بالشفافية والمرونة وقابلية التمدد والانحناء الحر أو حتى قابلية الطي، وإمكانية الحمل واللبس. مع تقدم مواد الركيزة المرنة، ظهرت الحساسات المرنة التي تلبي جميع هذه الخصائص الاتجاهات وفقًا لذلك.

1) خصائص المستشعرات المرنة

تتميز المواد المرنة، على النقيض من المواد الصلبة، بخصائص مثل الليونة وانخفاض المعامل وسهولة التشوه. تشمل المواد المرنة الشائعة البولي فينيل الكحول (PVA) والبوليستر (PET) والبولي إيميد (PI) والبولي إيثيلين النفثالينات (PEN) والألواح الورقية والمواد النسيجية.

الحساسات المرنة هي تلك المصنوعة من هذه المواد المرنة، والتي توفر مرونة ممتازة وقابلية للتوسع، وحتى القدرة على الانحناء أو الطي بحرية.

مع التصميمات الهيكلية المتنوعة، يمكن ترتيبها حسب الحاجة، اعتمادًا على ظروف القياس، مما يسهل الفحص المريح للموضوعات المعقدة.

تُستخدم هذه المستشعرات المرنة الجديدة على نطاق واسع في مجالات متنوعة مثل الجلد الإلكتروني والرعاية الصحية والإلكترونيات والهندسة الكهربائية والمعدات الرياضية والمنسوجات والفضاء والمراقبة البيئية.

2) تصنيف أجهزة الاستشعار المرنة

أجهزة الاستشعار المرنة متنوعة، مع طرق تصنيف مختلفة. وتشمل الحساسات المرنة المصنفة حسب الاستخدام، حساسات الضغط، وحساسات الغاز (للكشف عن الكحول)، وحساسات الرطوبة (للتنبؤ بالطقس)، وحساسات درجة الحرارة (مثل موازين الحرارة)، وحساسات الإجهاد، وحساسات الاستشعار المغناطيسي، وحساسات التدفق الحراري (للثلاجات).

يتم تصنيفها حسب آلية الكشف، وتشمل الحساسات المرنة أنواع الحساسات المقاومة والسعة والمغناطيسية والاستقرائية.

3) أجهزة الاستشعار المرنة الشائعة

(1) أجهزة استشعار الغاز المرنة

تستخدم مستشعرات الغاز المرنة مواد رقيقة حساسة للغازات مرتبة على سطح القطب، مع ركيزة مرنة.

وتتميز بخفة الوزن والمرونة والقدرة على الانحناء بسهولة وإمكانية إنتاجها على نطاق واسع. وتتميز مواد الأغشية الرقيقة بحساسيتها العالية وعملية تصنيعها البسيطة نسبيًا، مما جعلها تحظى باهتمام كبير.

وهذا يفي تمامًا بمتطلبات قابلية النقل والطاقة المنخفضة لمستشعرات الغاز في البيئات الخاصة، متغلبًا على القيود التقليدية لمستشعرات الغاز، مثل افتقارها إلى قابلية النقل، ونطاق القياس غير المكتمل، وصغر الحجم، والتكلفة العالية. ويمكنها إجراء كشف بسيط ودقيق لغازات NH وأكسيد النيتروجين والإيثانول والإيثانول، مما يجذب اهتمامًا واسع النطاق.

(2) مجسات ضغط مرنة (2)

تُستخدم مستشعرات الضغط المرنة على نطاق واسع في مجالات مثل الملابس الذكية والرياضات الذكية و"الجلد" الآلي.

تم استخدام فلوريد البوليفينيلدين ومطاط السيليكون والبولي إيميد المستخدم كمواد أساسية لها على نطاق واسع في تصنيع مجسات الضغط المرنة.

وتتميز هذه المواد عن مستشعرات القوة باستخدام مقاييس الإجهاد المعدنية ومستشعرات ضغط الانتشار الشائعة باستخدام رقائق أشباه الموصلات من النوع n، من خلال توفير مرونة فائقة وموصلية وخصائص مقاومة للضغط. (الشكل 2)

(3) جهاز استشعار الرطوبة المرن

تتكون أجهزة استشعار الرطوبة في المقام الأول من نوعين: مقاوم ومكثف. وتتميز مقاييس الرطوبة، التي تتميز بطبقة حساسة للرطوبة مطلية على الركيزة، بتغيرات في المقاومة والمقاومة مع امتصاص بخار الماء في الهواء على الطبقة الحساسة للرطوبة.

يمكن استخدام هذه الخاصية لقياس الرطوبة. تُصنع المكثفات المسترطبة عمومًا من أغشية البوليمر، وتشمل المواد الشائعة البوليسترين والبولي إيميد وأسيتات السليلوز الزبدات.

تتطور أجهزة استشعار الرطوبة بسرعة من مكونات استرطابية بسيطة إلى أجهزة كشف متكاملة وذكية ومتعددة المعلمات. لم تعد مقاييس الرطوبة التقليدية للمصباح الجاف والرطب أو مقاييس الرطوبة الشعر قادرة على تلبية احتياجات العلم الحديث.

تم إجراء أبحاث على نطاق واسع على أجهزة استشعار الرطوبة المرنة، نظرًا لانخفاض تكلفتها وانخفاض استهلاكها للطاقة وسهولة تصنيعها وتكاملها في الأنظمة الذكية.

تتشابه المادة الأساسية لصناعة حساسات الرطوبة المرنة هذه مع الحساسات المرنة الأخرى، وهناك العديد من الطرق لصناعة الفيلم الحساس للرطوبة، بما في ذلك الطلاء بالغمس والطلاء بالدوران وطباعة الشاشة والطباعة بنفث الحبر.

هياكل أجهزة الاستشعار المرنة متعددة الاستخدامات ويمكن ترتيبها لتلبية متطلبات ظروف القياس. ويمكنها قياس البيئات والإشارات الخاصة بشكل ملائم ودقيق، وحل مشاكل التصغير والتكامل والتطوير الذكي لأجهزة الاستشعار.

وتلعب هذه المستشعرات المرنة الجديدة دورًا حاسمًا في مجال الجلد الإلكتروني والطب الحيوي والمنتجات الإلكترونية القابلة للارتداء والفضاء. ومع ذلك، لا يزال المستوى الحالي لتكنولوجيا تحضير مواد مثل الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين لأجهزة الاستشعار المرنة غير ناضج، ولا تزال هناك مشاكل تتعلق بالتكلفة ونطاق التطبيق والعمر الافتراضي.

لا تتسم الركائز المرنة الشائعة بأنها غير مقاومة للحرارة، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط وضعف الالتصاق بين الركيزة المرنة ومادة الفيلم. كما تحتاج تقنيات تجميع المستشعرات المرنة وترتيبها ودمجها وتغليفها إلى مزيد من التحسين.

4) المواد الشائعة للمستشعرات المرنة

(1) ركائز مرنة

لتلبية احتياجات الأجهزة الإلكترونية المرنة، أصبحت الخصائص مثل الخفة والشفافية والمرونة وقابلية التمدد والعزل ومقاومة التآكل مؤشرات رئيسية للركائز المرنة.

من بين الخيارات العديدة للركائز المرنة، أصبح البوليديميثيل سيلوكسان (PDMS) الخيار الأفضل. وتشمل مزاياه سهولة توافره وخصائصه الكيميائية المستقرة وشفافيته وثباته الحراري الجيد.

وعلى وجه الخصوص، فإن خاصية وجود مناطق لاصقة وغير لاصقة مميزة تحت الأشعة فوق البنفسجية تجعل من السهل التصاق المواد الإلكترونية بسطحها.

تحقق العديد من الأجهزة الإلكترونية المرنة قابلية كبيرة للانحناء من خلال تقليل سمك الركيزة؛ ومع ذلك، تقتصر هذه الطريقة على أسطح الركيزة المسطحة تقريبًا. في المقابل، يمكن للأجهزة الإلكترونية القابلة للمط أن تلتصق تماماً بالأسطح المعقدة وغير المستوية.

في الوقت الحالي، توجد عادةً استراتيجيتان لتحقيق قابلية التمدد لأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء.

وتتمثل الطريقة الأولى في لصق المواد الموصلة الرقيقة ذات معامل يونغ المنخفض مباشرةً بالركيزة المرنة؛ والطريقة الثانية هي استخدام موصلات قابلة للتمدد بطبيعتها لتجميع الأجهزة، وعادةً ما يتم إعدادها عن طريق خلط المواد الموصلة في قاعدة مرنة.

(2) المواد المعدنية

وعادةً ما تتكون المواد المعدنية من مواد موصلة مثل الذهب والفضة والنحاس، وتستخدم المواد المعدنية في المقام الأول للأقطاب الكهربائية والموصلات.

في عمليات الطباعة الحديثة، غالبًا ما تستخدم المواد الموصلة في عمليات الطباعة الحديثة أحبارًا نانوية موصلة، بما في ذلك الجسيمات النانوية والأسلاك النانوية. وبالإضافة إلى الموصلية الممتازة، يمكن تلبيد الجسيمات النانوية المعدنية في أغشية أو أسلاك رقيقة.

(3) مواد أشباه الموصلات غير العضوية

 تُظهر المواد شبه الموصلة غير العضوية المتمثلة في ZnO و ZnS، وهي مواد شبه موصلة غير عضوية آفاق تطبيق واسعة في مجال أجهزة الاستشعار الإلكترونية المرنة القابلة للارتداء بسبب خصائصها الكهروضغطية المتميزة.

(4) المواد العضوية

تُعد صفائف مستشعرات الضغط واسعة النطاق ضرورية للتطوير المستقبلي لأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء. تعاني مستشعرات الضغط القائمة على آليات الإشارات الانضغاطية والسعة من تداخل الإشارات، مما يؤدي إلى قياسات غير دقيقة.

تمثل هذه المشكلة أحد أكبر التحديات في تقدم أجهزة الاستشعار القابلة للارتداء. يوفر استخدام الترانزستورات حلاً لتقليل تداخل الإشارات.

وبالتالي، تركز العديد من الدراسات في مجال المستشعرات القابلة للارتداء والذكاء الاصطناعي على كيفية الحصول على ترانزستورات مرنة حساسة للضغط على نطاق واسع.

5) تطبيق أجهزة الاستشعار المرنة

تمتد الإلكترونيات المرنة لتشمل العديد من المجالات، بما في ذلك الهاتف المرن القابل للطي الذي أصدرته شركة هواوي والذي يستخدم تقنية الإلكترونيات المرنة.

وعادةً ما يتم تصنيع الإلكترونيات المرنة من مزيج من المواد العضوية وغير العضوية، مما يُظهر مرونة ممتازة. تُظهر المستشعرات المرنة، المصنوعة من مواد مرنة، قدرة رائعة على التكيف البيئي.

مع تطور إنترنت الأشياء والذكاء الاصطناعي، تتميز العديد من أجهزة الاستشعار المرنة بتكاملها العالي وخصائصها الذكية.

تقدم مزايا أجهزة الاستشعار المرنة آفاق تطبيق واعدة، بما في ذلك في مجال الإلكترونيات الطبية والمراقبة البيئية والأجهزة القابلة للارتداء.

على سبيل المثال، في مجال الرصد البيئي، يمكن للعلماء وضع أجهزة استشعار مرنة في أجهزة لرصد شدة الأعاصير والعواصف.

وفيما يتعلق بالأجهزة القابلة للارتداء، فإن المنتجات الإلكترونية المرنة أكثر مهارة في اختبار المعايير المتعلقة بالجلد، نظراً للطبيعة غير المسطحة لجسم الإنسان.

تُستخدم مستشعرات الضغط المرنة على نطاق واسع في الملابس الذكية والرياضات الذكية و"الجلد" الآلي. وقد تم استخدام فلوريد البولي فينيلدين ومطاط السيليكون والبولي إيميد، التي تعمل كمواد أساسية، على نطاق واسع في تصنيع مجسات الضغط المرنة.

وتختلف هذه المواد عن مستشعرات القوة التي تستخدم مقاييس الإجهاد المعدنية ومستشعرات الضغط العامة التي تستخدم رقائق أشباه الموصلات من النوع n، حيث تتميز بالمرونة الفائقة والتوصيلية والخصائص الانضغاطية.

اقترح جيانبنغ يو وفريقه مجموعة جديدة ثلاثية الأبعاد مرنة ومرنة من أجهزة الاستشعار السعوية اللمسية المرنة القادرة على قياس الضغط وقوة القص في آن واحد.

مع طبقة القطب الاستقرائي القائمة على لوحات الدوائر المطبوعة المرنة (FPCB) وطبقة القطب العائم القائمة على البوليديميثيل سيلوكسان (PDMS)، تتم معالجة دائرة الواجهة الهشة على طبقة القطب الاستقرائي في الأسفل، مما يعزز بشكل كبير من صلابة الانثناء في صفيف المستشعر.

يُظهر النسيج المحبوك الموصّل الذي تم تشكيله عن طريق طلاء المواد المركبة الموصلة القائمة على الكربون على نسيج محبوك، كما طوره ويجينغ يي وفريقه، أداءً واضحًا في مقاومة الانضغاط.

تقدم علاقة الضغط والمقاومة لهذا النسيج المحبوك الموصل ضمن نطاق الضغط علاقة خطية جيدة وقابلية ممتازة للتكرار.

يمكن استخدام هذا النسيج لقياس الضغط في الملابس الذكية وعارضات الأزياء المرنة وغيرها، مما يحمل أهمية لأبحاث الأجهزة القابلة للارتداء. وتتمتع ذاكرة البوابة العائمة، المصنعة باستخدام PEN كركيزة مرنة والمواد العضوية كطبقة موصلة، بأداء ممتاز، كما أن مصفوفة استشعار الضغط المرنة الناتجة تتمتع بدقة عالية.

ابتكرت شركة SOHM وغيرها أجهزة استشعار ضغط مرنة عن طريق تضمين طبقات أقطاب PDMS في مصفوفات الأنابيب النانوية الكربونية المحاذاة عموديًا، والتي يمكن أن تحاكي وظائف الاستشعار عن طريق اللمس وتستخدم في أبحاث "الجلد" الروبوتية.

3. تصور قطعة العمل وتحديدها

يعد تحديد قطع العمل خطوة لا غنى عنها في التصنيع الصناعي. ويتمثل الهدف الأساسي في تحديد ما إذا كانت قطع العمل أو الفراغات التي يتم تلقيمها في أدوات الماكينة للمعالجة هي بالفعل قطع العمل أو الفراغات المقصودة، بالإضافة إلى تحديد معلوماتها الموضعية الحالية.

في العمليات صغيرة النطاق أو الصناعات ذات المتطلبات الأوتوماتيكية المنخفضة، يمكن تنفيذ هذا الكشف وتحديد قطع العمل يدويًا.

ومع ذلك، في التصنيع الصناعي واسع النطاق أو أنظمة التصنيع الآلي المرنة، يتم توجيه العديد من قطع العمل المختلفة تلقائيًا إلى أجهزة معالجة مختلفة داخل النظام، مما يستلزم الكشف والتعرف التلقائي.

يُعد الجمع بين الرؤية الحاسوبية والذكاء الاصطناعي للتعرف على قطع العمل واكتشافها تلقائيًا مجالًا أساسيًا من مجالات البحث الحالية.

وفقًا للإحصائيات، فإن أكثر من 801 تيرابايت 3 تيرابايت من المعلومات التي يعالجها البشر تأتي من المدخلات البصرية، مما يجعل أجهزة الاستشعار البصرية مفيدة بطرق متعددة للحصول على معلومات مساحة العمل وقطعة العمل:

(1) حتى بعد تجاهل جزء كبير من البيانات المرئية، غالبًا ما تكون المعلومات المتبقية عن البيئة المحيطة أكثر وفرة ودقة من تلك التي توفرها أجهزة استشعار ليدار أو أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية.

(2) تعمل أجهزة استشعار LIDAR وأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية عن طريق بث نبضات نشطة واستقبال نبضات منعكسة لقياس المسافة. وبالتالي، عند وجود قطع عمل متعددة على طاولة العمل في وقت واحد، قد يحدث تداخل بينها. ومع ذلك، لا توجد هذه المشكلة مع القياسات البصرية، التي تكون سلبية.

(3) تكون فترة أخذ العينات للبيانات من مستشعرات ليدار وأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية أطول عموماً من فترة أخذ العينات من الكاميرات، مما يجعلها أقل كفاءة لتوفير المعلومات للروبوتات عالية السرعة. على العكس من ذلك، توفر المستشعرات البصرية معدلات أخذ عينات أسرع بكثير.

من المؤكد أن أجهزة الاستشعار البصرية لها عيوبها، مثل كونها أقل فعالية من أجهزة الاستشعار النشطة مثل رادار الموجات المليمترية أثناء ظروف الضباب وضوء الشمس المباشر وفي الليل.

يمكن لأجهزة الاستشعار النشطة قياس المعلمات مباشرةً مثل مسافة الهدف وسرعته، بينما تتطلب أجهزة الاستشعار البصرية إجراء عمليات حسابية للحصول عليها.

ومع ذلك، في البيئات المهيكلة مثل المختبرات وورش الإنتاج المؤتمتة، فإن المزايا المزدوجة لأجهزة الاستشعار البصرية من حيث سعة المعلومات وسرعة جمعها ستلعب بلا شك دورًا حاسمًا في تطوير الكشف عن قطع العمل والتعرف عليها آليًا.

مع التحسين المستمر لأداء الحاسوب والتطور السريع لتكنولوجيا الرؤية الحاسوبية وإتقانها، أصبح استخدام الحواسيب للتعرف على الأهداف في الصور نقطة بحثية ساخنة.

وعلاوة على ذلك، فإن الاعتماد الواسع النطاق لطرق تنفيذ الأجهزة عالية السرعة قد مكّن من تطبيق تقنية التعرف على الصور في الوقت الحقيقي بشكل أفضل في الممارسة العملية.

لذلك، فإن استخدام الرؤية الحاسوبية جنبًا إلى جنب مع الذكاء الاصطناعي لتحقيق الاكتشاف التلقائي لقطع العمل والتعرف عليها يحمل أهمية عملية كبيرة.

اعتمدت المرحلة الأولى من فحص قطع العمل وتحديدها في المقام الأول على الطرق اليدوية. ومع ذلك، ومع التسارع المستمر للسرعات عبر الإنترنت وتزايد الطلب على فحص قطع العمل وتحديدها، أصبحت الطرق اليدوية غير ملائمة بشكل متزايد للمتطلبات الصناعية.

وقد أدى ذلك إلى ظهور العديد من التقنيات المبتكرة لتلبية احتياجات فحص قطع العمل وتحديدها، مثل الكشف بالتيار الدوامي والفحص بالأشعة تحت الحمراء والفحص بالموجات فوق الصوتية والفحص الإشعاعي والفحص بالتصوير المجسم وفحص التصوير المجسم وتقنيات الفحص بالرؤية الآلية.

وقد أضفت هذه التقنيات حيوية جديدة على فحص قطع العمل وتحديدها، مما أدى إلى تعزيز مستوى الأتمتة بشكل كبير.

من بين هذه التقنيات الناشئة، اكتسب نظام الرؤية الآلية التطبيق الأكثر انتشارًا نظرًا لقدرته على الحصول على معلومات وفيرة ودقيقة.

على سبيل المثال، يمكن للمساعدة في الرؤية في تجميع الروبوت تحديد أبعاد وأشكال المكونات لضمان صحة التجميع ومراقبة جودته.

علاوة على ذلك، استنادًا إلى المعلومات التي تتعرف عليها الرؤية، يمكن تحميل المنتجات وتفريغها باستخدام أنظمة لوجستية آلية.

يتيح ذلك تحديد قطع العمل في الحركة السريعة، وتحديد موضع الجسم واتجاهه بالنسبة للإحداثيات، واستكمال تحديد موقع الجسم وتصنيفه، والتعرف على المسافة الموضعية للجسم وزاوية الاتجاه، واستخراج سمات المعلمات المحددة، واكتشاف الأخطاء.

في الوقت الحاضر، يستخدم تحديد قطع العمل في الغالب طرق معايرة تعتمد على الكاميرات التقليدية.

من من منظور التفكير الحاسوبي، يمكن تصنيف طرق معايرة الكاميرا التقليدية إلى أربعة أنواع: طرق المعايرة باستخدام خوارزميات التحسين، والطرق التي تستخدم مصفوفة تحويل الكاميرا، وطريقة الخطوتين التي تأخذ في الاعتبار تعويض التشوه، وطريقة المعايرة ثنائية المستوى التي تستخدم نموذج تصوير أكثر عقلانية للكاميرا.

استنادًا إلى خصائص خوارزميات الحل، يمكن تقسيم هذه الطرق أيضًا إلى طرق التصغير غير الخطي المباشر (الطرق التكرارية)، وطرق الحل المغلقة، وطرق الحل ذات الخطوتين.

(1) طريقة المعايرة باستخدام خوارزمية التحسين الأمثل

تفترض هذه الأنواع من طرق معايرة الكاميرا وجود نموذج تصوير بصري شديد التعقيد. فهي تتضمن عوامل مختلفة في عملية التصوير وتحصل على معلمات نموذج الكاميرا من خلال حل المعادلات الخطية.

ومع ذلك، تتجاهل هذه الطريقة تمامًا التشوه غير الخطي في عملية الكاميرا. لتحسين دقة المعايرة، لا مفر من تطبيق خوارزميات التحسين غير الخطي.

لهذه الطريقة عيبان رئيسيان: أولاً، تعتمد نتيجة معايرة الكاميرا على القيمة الأولية المعطاة للكاميرا.

إذا كانت القيمة الأولية غير مناسبة، فمن الصعب الحصول على نتيجة المعايرة الصحيحة من خلال برنامج التحسين. ثانيًا، تستغرق عملية التحسين وقتًا طويلاً ولا يمكن أن تسفر عن نتائج معايرة في الوقت الفعلي.

اقترح داينيس وجوبيرتس طريقة تستخدم التحويل الخطي المباشر وتقدم عوامل تشويه غير خطية لمعايرة الكاميرا. تم تصميم نظامهما لقياس مسار الروبوت بدقة.

يمكن للنظام قياس مسار الروبوت في الوقت الحقيقي، ولكن لا يتطلب الأمر أن توفر خوارزمية المعايرة معايرة في الوقت الحقيقي للنظام.

(2) الاستفادة من طريقة معايرة مصفوفة تحويل الكاميرا

تشير الأساليب التقليدية في المسح التصويري الضوئي إلى أن المعادلة التي تصف العلاقة بين نظام الإحداثيات المكانية ثلاثية الأبعاد ونظام إحداثيات الصورة ثنائي الأبعاد هي بشكل عام معادلة غير خطية للمعلمات الداخلية والخارجية للكاميرا.

إذا أهملنا التشوه غير الخطي لعدسة الكاميرا وتعاملنا مع العناصر الموجودة في مصفوفة التحويل المنظوري على أنها عناصر مجهولة، يمكن استخدام مجموعة من نقاط التحكم ثلاثية الأبعاد ونقاط الصورة المقابلة لحل كل عنصر في مصفوفة التحويل المنظوري من خلال طريقة خطية.

وتتمثل ميزة هذا النوع من طرق المعايرة في أنه لا يتطلب استخدام طرق التحسين لحل معلمات الكاميرا، مما يسمح بحساب أسرع وحساب معلمات الكاميرا في الوقت الفعلي.

ومع ذلك، لا تزال هناك بعض أوجه القصور: أولاً، لا تراعي عملية المعايرة التشوه غير الخطي لعدسة الكاميرا، مما يؤثر على دقة المعايرة.

ثانيًا، يتجاوز عدد المعلمات المجهولة في المعادلة الخطية عدد معلمات نموذج الكاميرا المستقلة التي يجب حلها، ما يعني أن المجاهيل في المعادلة الخطية ليست مستقلة بشكل متبادل.

وتعني مشكلة الإفراط في المعلمات هذه أنه في الحالات التي تحتوي فيها الصورة على ضوضاء، قد يكون حل المعادلات الخطية المجهولة في المعادلة الخطية مناسبًا لمجموعة المعادلات الخطية بشكل جيد، ولكن المعلمات المشتقة من ذلك قد لا تتوافق بالضرورة مع الوضع الفعلي.

لقد تم تطبيق طريقة معايرة الكاميرا باستخدام مصفوفة التحويل المنظوري على نطاق واسع في الأنظمة الفعلية، وحققت نتائج مرضية.

(3) طريقة الخطوتين

تتمثل فكرة طريقة المعايرة هذه في استخدام طريقة التحويل الخطي المباشر أولاً أو طريقة مصفوفة التحويل المنظوري لحل معلمات الكاميرا.

بعد ذلك، وباستخدام المعلمات التي تم الحصول عليها كقيم أولية، يتم النظر في عوامل التشويه واستخدام خوارزميات التحسين لزيادة تحسين دقة المعايرة.