Construindo um Sensor de Força Baseado em Strain Gauge

Como desenvolver um pé sensorial passivo e com custo otimizado para robôs que suportam carga?

Desenvolvimento de um sensor de força de 3 eixos com base em extensômetros HBM

Como desenvolver um pé sensorial passivo e com custo otimizado para robôs que suportam carga? Esta questão de pesquisa foi abordada como parte de um projeto de robótica do Departamento de Simulação, Otimização de Sistemas e Robótica da Universidade Técnica de Darmstadt.

Com a ajuda de medidores de tensão HBM para transdutores, um sensor de força de 3 eixos foi desenvolvido para regular o controle de movimento do robô.

Desafio:

Desenvolvimento de um pé sensorial passivo para robôs portadores de carga com melhor custo-benefício do que os sensores disponíveis no mercado.

Solução:

Com base nos medidores de deformação da HBM para transdutores, um sensor de força de 3 eixos foi desenvolvido para regular o controle de movimento dos robôs que suportam cargas. Devido a uma camada adesiva pré-revestida, o processamento dos medidores de tensão não apenas foi muito fácil e otimizado, mas também apresentou resultados muito bons.

Resultados:

12 strain gauges da HBM para transdutores foram conectados a pontes completas para medir até mesmo a menor alteração de resistência. Os resultados consideráveis do primeiro teste serão otimizados ainda mais em um projeto consecutivo.

A configuração do sensor de força de 3 eixos

O sensor de força de 3 eixos é baseado em um componente flexível de alumínio em uma estrutura de viga cilíndrica. Essa configuração é fácil de produzir e econômica.

Para medir as forças nas direções x, y e z, três pontes completas de extensômetro foram instaladas:

Medindo a direção z: Quatro rosetas de medidor de deformação de transdutor K-TA11K3 / 350 foram instaladas dentro do componente feather-spring com um adesivo de dois componentes de cura a frio.
Medindo a direção x e y: Oito medidores de tensão do transdutor K-LU13K1.6/350 foram fixados fora do componente feather-spring. Devido ao design aderente, os medidores de tensão do transdutor podem ser aplicados quentes e fáceis de usar.

Os medidores de tensão estão dispostos conforme demonstrado na figura 1. Os extensômetros número 1-4 medem a direção z, os extensômetros 5-12 medem as direções x e y.

Para medir até as menores alterações de resistência, os medidores de tensão foram conectados a pontes completas (consulte a figura 2). Assim, é possível visualizar a deflexão da ponte. Com a ajuda do ANSYS Workbench 19.1, a deformação qualitativa dos extensômetros foi determinada para a direção de força especificada.

A execução de teste do protótipo

Para verificar o sensor de força de 3 eixos, foi desenvolvido um protótipo. Este protótipo foi avaliado e calibrado em um primeiro teste. Com a ajuda dos dispositivos de calibração, o corpo da mola é carregado um após o outro nas três direções de força.

As condições de calibração para a entrada e saída foram as seguintes:

Canal-x de sinal zero (mV)	11.42
Canal-y de sinal zero (mV)	5.13
Canal-z de sinal zero (mV)	-28.90
Tensão de alimentação (corrente DC em V)	3.3
Amplificador	ADS1262
Faixa de Medição (V)	+/- 0.156
Fator de ganho do canal x	16
Fator de ganho do canal y	16
Fator de ganho do canal z	16

Os resultados do teste executado

As curvas de medição calibradas são mostradas nos gráficos laranja, verde e preto. Como um valor de comparação, a medição da força de referência também é mostrada nos gráficos azuis.

Desvio médio absoluto do sensor de referência e erro relativo médio:

Direção da força	Desvio médio absoluto (N)	Erro relativo médio (%)
F_x	Aproximadamente. 3	Aproximadamente. 1,5
F_y	Aproximadamente. 4	Aproximadamente. 2,6
F_z	Aproximadamente. 23	Aproximadamente. 3,1

Os resultados do primeiro teste mostram claramente que resultados consideráveis já foram alcançados com os strain gauges padrão da HBM. Para otimizar ainda mais os resultados do desvio absoluto médio e do erro relativo médio, um projeto de acompanhamento está sendo conduzido na Universidade Técnica de Darmstadt.

Sobre a Universidade Técnica de Darmstadt

A Universidade Técnica de Darmstadt é uma das universidades técnicas líderes na Alemanha, com grande visibilidade e reputação internacional. Desde a sua fundação em 1877, a Universidade Técnica de Darmstadt tem se caracterizado por um espírito pioneiro especial. Por meio de notáveis realizações em pesquisa, a Universidade Técnica de Darmstadt abre importantes campos científicos do futuro.