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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

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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.

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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
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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.

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

Direção da força Desvio médio absoluto (N) Erro relativo médio (%)
Fx Aproximadamente. 3 Aproximadamente. 1,5
Fy Aproximadamente. 4 Aproximadamente. 2,6
Fz 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. 

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