Six-Axis Force/Torque Sensor (Six-Axis Force/Torque Sensor) — датчик силы (Fx, Fy, Fz), способный одновременно измерить объект в трёх пространственных направлениях (Mx, My, Mz). Поскольку он может полностью улавливать силу объекта в пространстве, он имеет важное применение в таких областях, как робочеловеческая, биомимикрия и изотопное производство.

Принцип работы шести измерений

Шестимерные сенсоры обычно работают на основе эффекта деформации. Его основной компонент — эластомер, прикреплённый к ключевым частям эластичного тела. Пластина деформации является чувствительным элементом, который может обнаружить микроскопические формы, которые создают микроскопические формы, когда эластомер подвергается воздействию внешних сил или момента, которые преобразуют эту форму в электрические сигналы. Электрические системы внутри сенсоров, обрабатывая и анализируя эти сигналы, в конечном счете вычисляют силу и момент, оказываемый на датчиках ADM485JNZ.

Дизайн эластичных тел

Конструкция эластомера является одним из ключевых датчиков шести измерений. Идеальные эластичные тела должны производить измеримые формы, когда они подвержены воздействию внешних сил, в то же время должны быть достаточно сильными, чтобы выдержать большие силы и момент. Часто используемый эластомер состоит из металлов (таких как алюминиевая и нержавеющая сталь) и некоторых высокопрочных сплавов.

Деформатор и его расположение

Тензодатчик обычно использует тензодатчик сопротивления, который обладает высокой чувствительностью и стабильной стабильностью. Расположение деформатора определяет точность и производительность сенсоров. Чтобы точно измерить силу и момент на шести степенях свободы, тензодатчик должен быть прикреплен к эластому телу в соответствии с определенной геометрической планировкой. Дизайн планировки обычно требует оптимизации с помощью инженерных инструментов моделирования, таких как анализ ограниченных металлов (FEA).

Ключевые технические трудности и решения для сенсоров шести измерений

1, чувствительность и линейность

Чувствительность и линейность являются важными показателями производительности шести измерений сенсоров силы. Чувствительность определяет минимальную силу и момент, которые сенсоры могут обнаружить, в то время как линейная степень отражает связь между выходной сигналом датчика и реальной силой. Повышение чувствительности и линейности требует оптимизации материалов и конфигурации тензоров, а также улучшения производительности схем обработки сигнала.

Решение: использовать высокопроизводительные материалы для тензовых пластин и обеспечить точность их соединения посредством продвинутых методов производства. Оптимизировать деформацию деформатора с помощью ограниченного метаанализа, чтобы убедиться, что деформация эластомера находится в пределах допустимого диапазона. Усовершенствованные алгоритмы обработки сигналов с использованием методов модульных преобразователей (ADC) с высокой точностью и цифровых фильтров, которые повышают линейность и чувствительность сигнала.

Во-вторых, температурная компенсация

Изменение температуры окружающей среды может повлиять на точность шестимерных сенсоров. Изменение температуры может вызвать тепловое расширение эластомера и тендера, что приводит к погрешности измерения. Таким образом, температурная компенсация является важным вопросом в конструкции шести измерений.

Решение: интегрированные датчики температуры внутри сенсоров, мониторинг температуры окружающей среды в реальном времени. Исправление измерений с помощью алгоритма температурной компенсации устраняет погрешность, вызванную изменением температуры. Создание эластомеров и тензоров с использованием материалов с более высокой температурой, чтобы снизить влияние изменения температуры на производительность сенсоров.

3, отсоединить сигнал

Шестимерные сенсоры должны измерять силу и момент в нескольких направлениях одновременно, следовательно, необходимо изолировать сигнал. Разъединять сигнал означает изолировать силу в нескольких направлениях от сигнала момента, чтобы убедиться, что каждый сигнал, измеряющий направление, не будет мешать друг другу.

Решение: путем рационального структурного проектирования и компоновки тензовых пластин максимальное сокращение связи между различными направленными силами и моментом. С помощью продвинутых алгоритмов обработки сигналов, таких как матричное преобразование и ортогональное разложение, можно добиться эффективной децентрализации для измерения сигнала.

4 — ая: противоударная способность

Шестимерные сенсоры могут находиться под воздействием различных электромагнитных помех и механических вибраций, которые снижают точность и надежность сенсоров.

Решение: экранирование внутри и снаружи сенсоров для предотвращения электромагнитных помех. Использование низкошумовых электронных компонентов и высокочастотных схем обработки сигналов уменьшает влияние внутреннего электронного шума. Механическое ослабление вибрации на сенсорах уменьшает влияние внешних механических вибраций на результаты измерений.

Применение шестимерных сенсоров в мягком управлении, основанном на силе обратной связи

Гибкий контроль, основанный на силовой обратной связи, позволяет роботу чувствовать и приспосабливаться к изменениям во внешней среде. Шестимерные сенсоры играют ключевую роль в этом методе управления.

Принцип управления силой обратной связи

В системе управления силовой обратной связью шестимерные сенсоры фиксируют взаимодействие и момент между роботом и окружающей средой в реальном времени. Система управления регулирует траекторию движения и силу, оказываемую роботом в соответствии с сигналом обратной связи от сенсоров, что позволяет роботу реагировать на изменения внешней среды. Например, в сборочных заданиях робот может воспринимать и регулировать силу, оказываемую им, с тем чтобы обеспечить точную сборку деталей; В хирургических роботах возможность воспринимать в реальном времени взаимодействие между хирургическим инструментом и тканями, обеспечивая безопасность и точность операции.

Типичное применение шестимерных сенсоров в роботе

(1) запястья: установленные на запястье робота, обнаруживают взаимодействие руки с внешним миром и момент, которые помогают роботу выполнять сложные операции и задачи.

* часть лодыжки: установленная на лодыжке робота, мониторинг контакта робота с землей в реальном времени, обеспечение стабильной походки и корректировки позы робота.

(3) ловкая рука: установленная в области кисти и ладони робота, обнаруживает многомерную взаимодействие между рукой и телом, поддерживает робота в выполнению тонких операций, таких как захват, сборочный процесс и т.д.

Прикладной экземпляр

На роботах применение шести измерений широко и глубоко:

(1) управление транспортом: оптимизация маршрутного планирования и маневрирования путем восприятия контакта между роботами в реальном времени и окружающей средой, избежание столкновений и достижение более естественного и безопасного взаимодействия.

(2) корректировка позы: данные сенсоров помогают роботу динамически корректировать позу, такие как поддержание баланса во время движения, когда он в состоянии двигаться, или корректировка силы пальцев в зависимости от веса и формы объекта, усиливая гибкость и точность операции.

(3) восприятие и управление: во время выполнения деликатных операций, таких как закручивание винтов и транспортировка хрупких предметов, датчик силы позволяет роботу чувствовать и контролировать силу, которую он оказывает, чтобы гарантировать, что операция эффективна и безопасна.

(4) взаимодействие между людьми: в сценах взаимодействия между людьми датчик силы позволяет роботу чувствовать прикосновение человека и направлять его силы, достигать более высокого уровня работы по согласованию и повышать опыт пользователя.

Шестимерные сенсоры широко применяются в робототехнике и других высокотехнологичных областях, как высоко точный и многофункциональный датчик. Основные технологии включают в себя конструкцию датчиков деформации с высокой чувствительностью и высокой линейностью, эффективную термокомпенсацию и технологию разделения сигнала, а также хорошую защиту от помех. Технология мягкой обратной связи, основанная на шестимерных датчиках силы, позволяет роботу чувствовать и приспосабливаться к изменениям во внешней среде для выполнения более тонких и гибких операций. По мере того, как технологии будут развиваться, шестимерные сенсоры будут использовать свои уникальные преимущества в более широких областях, стимулируя развитие и применение робототехники.

SGMAS-01A2A4C