东方时讯网将传感器集成到旋转机构中可以让工程师构建智能铰链，知道门何时打开，或者电机内的齿轮告诉机械师它们旋转的速度。麻省理工学院的工程师现在已经开发出一种方法，可以通过3D打印轻松地将传感器集成到这些类型的机制中。
尽管3D打印技术的进步可以快速制造旋转机构，但众所周知，将传感器集成到设计中仍然非常困难。由于旋转部件的复杂性，传感器通常在设备生产完成后手动嵌入。
然而，手动集成传感器并非易事。将它们嵌入设备内部，电线可能会缠绕在旋转部件上或阻碍它们的旋转，但安装外部传感器会增加机构的尺寸并可能限制其运动。
相反，麻省理工学院研究人员开发的新系统使制造商能够使用导电3D打印丝将传感器直接3D打印到机械的运动部件中。这使设备能够感知它们的角位置、旋转速度和旋转方向。
借助他们名为MechSense的系统，制造商可以使用多材料3D打印机一次性制造带有集成传感器的旋转机构。这些类型的打印机同时使用多种材料来制造设备。
为了简化制造过程，研究人员为计算机辅助设计软件SolidWorks构建了一个插件，可以自动将传感器集成到机制模型中，然后可以将其直接发送到3D打印机进行制造。
MechSense可以使工程师快速制作带有旋转部件(如涡轮机或电机)的设备原型，同时将传感直接整合到设计中。它在为增强现实环境创建有形用户界面时特别有用，在这种环境中，传感对于跟踪用户的移动和与对象的交互至关重要。
“我们在实验室中进行的许多研究都涉及采用工厂或专业机构创造的制造方法，然后让人们可以使用。3D打印是一种很多人都可以负担得起的工具。那么如何我们能否为普通制造商提供开发这些类型的交互机制所需的工具?归根结底，这项研究都围绕着这个目标展开，”机械工程研究生MarwaAlAlawi说，他是一篇有关机感。
AlAlawi的合著者包括MichaelWessely，他曾是麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的博士后，现在是奥胡斯大学的助理教授;资深作者StefanieMueller，麻省理工学院电气工程系、计算机科学系和机械工程系副教授，CSAIL成员;以及麻省理工学院的其他人和埃森哲实验室的合作者。该研究将在ACMCHI计算系统人为因素会议上发表。
内置传感
为了以不会干扰设备运动的方式将传感器整合到旋转机构中，研究人员利用了电容感应。
电容器由两块导电材料板组成，两块板之间夹有绝缘材料。如果导电板之间的重叠区域或距离发生变化，可能通过旋转机构，电容式传感器可以检测到板间电场的变化。例如，该信息随后可用于计算速度。
研究人员为计算机辅助设计软件SolidWorks构建了一个插件，可以自动将传感器集成到机制模型中，然后可以将其直接发送到3D打印机进行制造。在这里，他们使用该系统设计了一个轮子，当它在表面上滚动时可以测量距离。图片来源：麻省理工学院
“在电容式感应中，您不一定需要在两个相对的导电板之间进行接触以监测特定传感器的变化。我们在传感器设计中利用了这一点，”AlAlawi说。
旋转机构通常由位于固定元件上方、下方或旁边的旋转元件组成，例如在平面上方的静态轴上旋转的齿轮。旋转齿轮是旋转元件，其下方的平面是静止元件。
MechSense传感器包括三个印在固定板上的由导电材料制成的贴片，每个贴片通过非导电材料与其相邻贴片隔开。第四块导电材料，其面积与其他三块相同，被印刷到旋转板上。
当设备旋转时，旋转板上的贴片(称为浮动电容器)依次与固定板上的每个贴片重叠。随着旋转贴片和每个静止贴片之间的重叠发生变化(从完全覆盖、半覆盖到完全未覆盖)，每个贴片都会单独检测由此产生的电容变化。
浮动电容器未连接到任何电路，因此电线不会与旋转部件缠在一起。
相反，固定贴片连接到电子设备上，电子设备使用研究人员开发的软件将原始传感器数据转换为角度位置、旋转方向和旋转速度的估计值。
启用快速原型制作
为了简化用户的传感器集成过程，研究人员构建了一个SolidWorks扩展。制造商指定其机构的旋转和静止部分，以及旋转中心，然后系统会自动将传感器贴片添加到模型中。
“它根本不会改变设计。它只是用不同的材料替换了部分设备，在这种情况下是导电材料，”AlAlawi说。
研究人员使用他们的系统制作了几种设备的原型，包括智能台灯，它根据用户旋转灯底部或中间的方式改变灯光的颜色和亮度。他们还生产了一个行星齿轮箱，就像那些用于机械臂的齿轮箱，以及一个在表面滚动时测量距离的轮子。
在制作原型时，该团队还进行了技术实验以微调他们的传感器设计。他们发现，随着补丁尺寸的减小，传感器数据中的错误量增加了。
“为了生产电子垃圾极少的电子设备，我们希望设备的占地面积更小，但性能仍然良好。如果我们采用相同的方法并可能使用不同的材料或制造工艺，我认为我们可以缩小规模，同时使用相同的几何形状累积更少的错误，”她说。
除了测试不同的材料外，AlAlawi和她的合作者还计划探索如何提高传感器设计对外部噪声的稳健性，并为其他类型的移动机构开发可打印传感器。