Assessment of a Column Type Six-Component Force/Torque Sensor by Theoretical, Simulation and Experimental Approaches

محورهای موضوعی : فصلنامه شبیه سازی و تحلیل تکنولوژی های نوین در مهندسی مکانیک

سیدرضا حمزه لو ¹ , محمدمراد شیخی ² , حسین اکبری ³

1 - استادیار دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهیدرجائی
2 - استادیار دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهیدرجائی
3 - دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران.

تاریخ دریافت : 1395/04/01 تاریخ پذیرش : 1395/07/14 تاریخ انتشار : 1395/09/01

کلید واژه: "Six-component force/torque sensor", "Strain gauge", "Calibration matrix",

چکیده مقاله :

حسگرهای نیرو/گشتاور چند‌مولفه‌ای کرنش‌سنج‌دار، برای اندازه‌گیری همزمان نیروها و گشتاورهای استاتیکی و دینامیکی شامل سه مولفه‌ی نیرو و سه مولفه‌ی گشتاور در دستگاه مختصات دکارتی یک سیستم استفاده می‌شوند. در این تحقیق، یک حسگر نیرو/گشتاور شش‌مولفه‌ای نوع ستونی، با سطح مقطع دایروی توخالی معرفی شده است. به منظور جداسازی الکتریکی مولفه‌های بار اعمالی بر آن و بر پایه‌ی مبانی نظری، الگوهایی خاصی برای نصب کرنش‌سنج‌ها ارائه شده که بررسی صحت این الگوها با شیبه‌سازی المان محدود در نرم‌افزار آباکوس انجام گرفته است. در ادامه بارگذاری‌های مختلفی به یک نمونه‌ی ساخته شده از این حسگر اعمال شده و کرنش‌های تجربی اندازه‌گیری شده است. نتایج نشان می‌دهد که نه تنها اندازه‌ی واقعی درایه‌های قطر اصلی ماتریس کالیبراسیون، انحراف‌هایی نسبت به اندازه‌ی نظری آن‌ها دارد بلکه؛ این ماتریس لزوماً قطری نیست. درصد انحراف کرنش‌های شبیه‌سازی از نظری در همه پل‌ها زیر %0/3 در تمام شرایط بارگذاری بدست آمده است. همچنین کمترین و بیشترین درصد انحراف کرنش‌های تجربی از نظری در بیشینه بار مجاز هر محور، به ترتیب مربوط به نیروی برشی Px و ممان خمشی Mx بوده که برابر %%62/1 و %12/8 می‌باشد.

چکیده انگلیسی:

A multi-component force/torque sensor using strain gauges is applied to measure the static or dynamic forces and also the moments in all axis simultaneously. The applied column-type six-component force/torque sensor is composed of two flanges and a cylindrical elastic force-sensing element with a particular pattern of installed strain gauges. In this research the pattern of strain gauges on sensor is presented to electrically decouple each component of the applied loads. The theoretical model was developed for the presented pattern. Also the finite element simulation carried out with ABAQUS for whole model to evaluate the accuracy of the pattern in different situations. Furthermore, variety of load cases including the axial loads, the torsional torque and bending moments were applied to the prototype sensor to report the percentage deviations of experimental strains related to the equivalent theoretical model and the simulations. The results show that the actual values of the main diameter components of the calibration matrix not only are different from the theoretical values but also this matrix would not necessarily be diagonal. It is observed that the percent deviation of the simulation strains from theoretical values in all loading cases would be under 3%. As a prominent result, the minimum and maximum deviation between theoretical and experimental is related to shear force (Px) and bending moment (Mx) respectively by values of 0.27% and 8.12%.

منابع و مأخذ:

[1] Kim J.H., Oh J.H.,  Realization  of  dynamic  walking  for  the  humanoid  robot platform  KHR-1,  Advanced Robotics, vol. 18,  2004, pp. 749–768.

[2] Kim J.Y., Kim J.H., Error  analysis  and  effective  adjustment  of  the  walking ready posture  for  a  biped  humanoid  robot,  Advanced Robotics,  vol. 24, 2010, pp. 2137–2169.

[3] Liu T., Inoue Y., Shibata K.,  Wearable  force  sensor  with  parallel  structure  for measurement  of  ground-reaction  force,  Measurement, vol. 40, 2007, pp. 644–653.

[4] Krouglicof N., Alonso  L.M., Keat  W.D.,  Development  of  a  mechanically coupled, six  degree-of-freedom  load  platform  for  biomechanics  and  sports  medicine, IEEE  International  Conference  on  Systems,  Man  and Cybernetics, 2004, The  Hague,  Netherlands.

 

[5] Yang S.S., Han W.S., Hwang H.W., Radiography  system and moving method thereof, U.S. Patent No. 20120087480 A1, 2012.

[6] Kim J.H., Han J.W., Kim D.Y., Baek Y.S.,  Design  of  a  walking  assistance lower limb  exoskeleton  for  paraplegic  patients  and  hardware  validation  using  CoP, International Journal of Advanced Robotic Systems. vol. 10,  2013, pp. 11–13.

[7] Li X., Xu G., Ueda T., Tomita S., Nishihara T., Kitamura C., Research  on  a  novel sensor  for  measuring force in arbitrary direction, International Conference on Computer and  Electrical  Engineering, 2008, Phuket, Thailand.

[8] Sheng A.L., Hung L.T., A novel six-component force sensor of good measurement isotropy and sensitivities, Sensor and Actuators A: Physical, Vol. 100, No. 2, 2002, pp. 223-230.

[9] Q.K. Liang, D. Zhang, Y.J. Ge, Q.J. Song, "A novel miniature four dimensionalforce/torque sensor with overload protection mechanism", Sensors Journal, IEEE vol. 9, No. 12, 2009, pp. 1741–1747

 [10] Spletzer B.L., LOAD CELL, U.S. Patent No. 5850044, 1998.

[11] Kang D.I., Shin H.H., Kim J.H., Park Y.K., Design and Analysis of a Column Type Multi-Component Force/Moment Sensor, 17th International Conference on Force, Mass, Torque and Pressure Measurements, IMEKO TC3, 2001, Istanbul, Turkey.

[12] Park Y.K., Kumme R., Roeske D., Kang D.I., EVALUATION OF MULTI-COMPONENT FORCE TRANSDUCERS HAVING COLUMN TYPE SENSING ELEMENT, XIX IMEKO World Congress on Fundamental and Applied Metrology, 2009, Lisbon, Portugal.

[13] Chen D., Song A., Li A., Design and Calibration of a Six-axis Force/torque Sensor with Large Measurement Range Used for the Space Manipulator, Procedia  Engineering, vol. 99, 2015, pp.1164-1170.

[14] Kang C.G., Maximum Structural Error Propagation of Multi-Axis Force Sensors, JSME International Journal Series C mechanical systems machine elements and manufacturing, vol. 44, No. 3, 2001, pp. 676-681.

[15] Nakamura Y., Yoshikawa T., Futamata I., Design  and  signal  processing  of  six-axis  force sensor,  4th  International Symposium of Robotics Research, 1988, MIT Press, Cambridge, Mass, USA.

[16] Baoyuan W., Jianfei  L., Shen. F., Yang R., Zhongcheng W.,  Optimum  design  method  of multi-axis  force  sensor  integrated  in  humanoid robot foot system, Measurement, vol. 44, No. 9, 2011, pp. 1651–1660.

[17] Kim G.S., Kang  D.I, Rhee  S.H.,  Design  and fabrication  of  a  6-component  force/moment sensor,  Sensor  and  Actuators  A:  Physical,  vol.  77, No. 3, 1999, pp. 209–220.

[18] Kim G.S.,  The  design  of  a  six-component force/moment  sensor  and  evaluation  of  its uncertainty, Measurement Science and Technology, vol. 12, No. 9, 2001, pp. 1445–1455.