طراحی و ساخت سنسور نیرو/گشتاور شش محوره با استفاده از استرین‌گیج

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد، مهندسی مکاترونیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، یک سنسور نیرو/گشتاور شش محوره با استفاده از استرین­‌گیج طراحی و ساخته شده است. ویژگی حداقل بودن کوپلینگ مکانیکی در طراحی این سنسور از اهمیت زیادی برخوردار است که برای این منظور، یک آرایش متشکل از 24 عدد استرین‌­گیج­ به گونه­‌ای انتخاب شده که ولتاژهای خروجی­ شش پل وتستون متناظر با مؤلفه‌­های بارگذاری، از هم مستقل باشند. سنسور ساخته شده، تحت بارگذاری­‌های یک و چند مؤلفه­‌ای قرار گرفته، خروجی­ پل­‌های وتستون اندازه‌گیری و خطای کوپلینگ محاسبه شده است. میانگین 3/7% خطای کوپلینگ سنسور، نشان دهنده ویژگی استقلال خروجی­‌ها از یکدیگر می­‌باشد. فرایند کالیبراسیون طبق استاندارد ANSI1979 انجام شد و مشخصات سنسور محاسبه شده است که کمترین دقت و بیشینه خطای غیر خطی، مربوط به مؤلفه Fx و به ترتیب برابر Fs 78/14% و Fs 42/6% است و بیشینه خطای تکرارپذیری، مربوط به مؤلفه Mz و برابر Fs 63/9% می­‌باشد. با هدف کاهش تلفات هیسترزیس، بارگذاری مستقیما روی سازه انعطاف­‌پذیر برای مؤلفه Fz اعمال شده است که در نتیجه، دقت به مقدار قابل توجهی افزایش یافته و به مقدار Fs99/3% رسیده و خطاهای غیرخطی بودن و تکرارپذیری کاهش پیدا کرده و به مقدار Fs52/0% و Fs60/2% رسیده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design and fabrication of six axis force/torque sensor using strain gauges

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Taherzadehghahfarokh 1
  • Mohammad Reza Karafi 2
1 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this paper, a six-axis force/torque sensor is designed and fabricated using strain gauge. The characteristic of minimal mechanical coupling or independent output voltages is very important in designing this type of sensors. For this purpose, an arrangement consisting of 24 strain-gauges is used so that the output voltages of the six Wheatstone bridges corresponding to the loading components are independent of each other. Sensor is subjected to single and combined loads, the output of the Wheatstone bridges is measured and coupling error is calculated. An average of 7.3% of coupling error indicates the independence of the outputs from each other. The calibration process was performed according to the ANSI1979 and the sensor specifications were calculated. The minimum accuracy and maximum nonlinearity error are related to Fx loading and equal to 14.78%Fs and 6.42%Fs respectively and the maximum repeatability error related to the Mz loading is equal to 9.63%Fs. In order to reduce hysteresis losses, loading is applied directly to flexible structure for the Fz. As a result, the accuracy has increased significantly to 3.99%Fs and the errors of nonlinearity and repeatability have decreased to 0.52%Fs and 2.60%Fs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Six-axis Force/Torque Sensor
  • Strain Gauge
  • Flexible Structure
  • Mechanical Coupling

مراجع

[1] G.S. Kim, H. J. Shin, J. W. Yoon, Development of 6-axis force/moment sensor for humanoid robot’s intelligent foot, Sensor and Actuators A, Vol. 141, No. 2, pp. 276-281, 2008.
[2] C. Yuan, L. P. Luo, Q. Yuan, J. Wu, R. J. Yan, H. Kim, K. S. Shin, C. S. Han, Development and evaluation of a compact 6-axis force moment sensor with a serial structure for the humanoid robot foot, Measurement, Vol. 70, pp. 110-122, 2015.  
[3] C. Jacq, B. Lüthi, Th. Maeder, O. Lambercy, R. Gassert, P. Ryser, Thick-film multi-DOF force/torque sensor for wrist rehabilitation, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 162, No. 2, pp. 36-366, 2010.
[4] Y. Hayashi, N. Tsujiuchi, T. Koizumi, H. Oshima, Development of a Novel Six-Axis Force/Moment Sensor Attached to a Prosthetic Limb for the Unrestrained Gait Measurement, 33rd Annual International Conference of the IEEE EMBS Boston, Massachusetts USA, 30 August–3 September, 2011.
[5] F. Ballo, M. Gobbi, G. Mastinu, G. Previati, Advances in Force and Moments Measurements by an Innovative Six-axis Load Cell,Experimental Mechanics, Vol. 54, No, 4, pp. 571–592, 2014.
[6] L. Feng, G. Lin, W. Zhang, H. Pang, T. Wang, Design and optimization of a self-decoupled six-axis wheel force transducer for a heavy truck, Journal of Automobile Engineering, Vol. 229, No. 12, pp. 1585–1610, 2015.
[7] Y. Sun, Y. Liu, T. Zou, M. Jin, H. Liu, Design and optimization of a novel six-axis force/torque sensor for space robot,Measurement, Vol. 65, pp. 135–148, 2015.
[8] J. Zhenlin, G. Feng, Z. Xiaohui, Design and analysis of novel isotropic six-component force/torque sensor,Sensor and Actuators A 109, 2003.
[9] J. J. Park, G. S. Kim, Development of 6-axis force/moment sensor for an intelligent robot’s gripper,Sensor and Actuators A 118, 2005.
[10] Y. Hayashi, N. Tsujiuchi, T. Koizumi, H. Oshima, Optimum design of the thin-type four-axis force/moment sensor for robot finger,IECON 2010 - 36th Annual Conference, 2010.
[11] J. Ma, A. Song, Fast estimation of strains for cross-
beams six-axis force/torque sensors by mechanical modeling, Sensors 13 6669-6686, 2013.
[12] U. Kim, D. H. Lee, Y. B. Kim, D. Y. Seok, H. R. Choi, A novel 6-axis force/torque sensor for robotic applications,36rd Annual International Conference of the IEEE EMBS Boston, Massachusetts USA, 30 August–3 September, 2016.
[13] Y. Wang, G. Zuo, C. liang, L. Liu, Strain analysis of six-axis force torque sensors based on analytical method,IEEE Sensors Journal, Vol. 17, No. 14, pp. 4394–4404, 2017.
[14] J. Huang, C. Y. Wong, D. T. Pham, Y. Wang, C. Ji, S. Su, W. Xu, Q. Liu, Z. Zhou, Design of a novel six-axis force/torque semsor based on optical fibre sensing for robotic applications,Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 138, No. 3, pp. 276–281, 2018.
[15] G. A. Kebede, A. R. Ahmad, S. C. Lee, C. Y. Lin, Decoupled six-axis force-moment sensor with a novel strain gauge arrangement and error reduction techniques, Sensors 19, 3012, 2019.
مهندسی ساخت و تولید ایران
دوره 9، شماره 3
خرداد 1401
صفحه 1-10

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار