3D打印的旋转设备可以感知它们的移动方式

将传感器集成到旋转机构中可以使工程师能够构建智能铰链，知道门何时打开，或者电机内部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打印的进步能够快速制造旋转机构，但将传感器集成到设计中仍然是出了名的困难。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。将它们嵌入设备中，电线可能会缠绕在旋转部件上或阻碍其旋转，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打印灯丝将传感器直接3D打印到机构的运动部件中。这使设备能够感知其角位置、旋转速度和旋转方向。

通过他们的系统，称为MechSense，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利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，该软件可以自动将传感器集成到该机制的模型中，然后将其直接发送到3D打印机进行制造。

MechSense可以使工程师能够快速对带有旋转部件(如涡轮机或电机)的设备进行原型设计，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，其中传感对于跟踪用户的移动和与物体的交互至关重要。

“我们在实验室所做的许多研究都涉及采用工厂或专门机构创造的制造方法，然后让人们可以使用。3D打印是很多人可以在家中负担得起的工具。那么，我们如何为普通创客提供必要的工具来开发这些类型的交互机制呢?归根结底，这项研究都围绕着这个目标，“机械工程研究生、MechSense论文的主要作者Marwa AlAlawi说。

AlAlawi的共同作者包括麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的前博士后Michael Wessely，现在是奥胡斯大学的助理教授;资深作者Stefanie Mueller，麻省理工学院电气工程系和计算机科学与机械工程系副教授，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ACM CHI计算系统中的人为因素会议上发表。

内置感应

为了在不破坏设备运动的情况下将传感器整合到旋转机制中，研究人员利用了电容传感。

电容器由两块导电材料板组成，两块导电材料夹在它们之间。如果导电板之间的重叠区域或距离发生变化，也许通过旋转机构，电容式传感器可以检测到板之间电场的变化。例如，该信息可用于计算速度。

“在电容式传感中，你不一定需要在两个相对的导电板之间接触来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静止元件上方、下方或旁边的旋转元件组成，就像在平面上方的静态轴上旋转的齿轮一样。纺纱齿轮是旋转元件，其下方的平面是固定元件。

MechSense传感器包括三个由导电材料制成的贴片，这些贴片被印刷到固定板上，每个贴片通过非导电材料与其邻居隔开。第四个导电材料贴片，其面积与其他三个贴片相同，被印刷到旋转板中。

当器件旋转时，旋转板上的贴片(称为浮动电容器)依次重叠固定板上的每个贴片。当旋转贴片和每个固定贴片之间的重叠变化(从完全覆盖到半覆盖，再到完全不覆盖)，每个贴片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组件缠结。

相反，固定补丁连接到电子设备，这些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位置，旋转方向和旋转速度的估计。

实现快速原型制作

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，然后系统会自动向模型添加传感器补丁。

“它根本不会改变设计。它只是用不同的材料替换了设备的一部分，在这种情况下是导电材料，“阿拉维说。

研究人员使用他们的系统对几种设备进行了原型设计，包括一个智能台灯，它根据用户如何旋转灯的底部或中间来改变其灯的颜色和亮度。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，以及一个在表面上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，以微调其传感器设计。他们发现，随着补丁大小的减小，传感器数据中的误差量增加。

“为了以很少的电子垃圾产生电子设备，我们希望设备占地面积更小，仍然可以很好地运行。如果我们采用相同的方法，也许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误差，“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鲁棒性，并为其他类型的移动机构开发可打印的传感器。

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