HBM 스트레인 게이지 기반 3 축 힘 센서 개발

현재 판매되는 센서보다 효율적인 하중을 지지해주시는 보행 로봇용 passive sensorial foot을 어떻게 개발할 수 있었나요? 이 연구 질문은 다름슈타트 기술 대학의 시뮬레이션, 시스템 최적화 및 로봇 공학과의 로봇 공학 프로젝트에서 시작되었습니다

트랜스듀서용 HBM 스트레인 게이지의 도움으로 로봇의 모션 제어를 조절하기 위해 3축 힘 센서가 개발되었습니다.

Challenge:

현재 판매되는 센서보다 효율적인 하중을 지지해주시는 보행 로봇용 passive sensorial foot 개발

 

Solution:

트랜스듀서 용 HBM 스트레인 게이지를 기반으로 하중을 받는 보행 로봇의 모션 제어를 조절하기 위해 3축 힘 센서가 개발되었습니다. 사전 코팅된 접착층으로 인해 스트레인 게이지의 가공은 매우 쉽고 공정에 최적화되었을 뿐만 아니라 매우 좋은 결과를 제공했습니다.

 

Results :

트랜스듀서 용 HBM 스트레인 게이지 12개를 풀 브리지에 연결하여 아주 작은 저항 변화도 측정했습니다. 첫 번째 테스트 실행의 상당한 결과는 연속 프로젝트에서 더욱 최적화 될 것입니다.

3축 힘 센서의 설정

3축 힘 센서는 원통형 빔 구조의 알루미늄 깃털 스프링 구성 요소를 기반으로합니다. 이 설정은 생산하기 쉽고 비용 효율적입니다.

x, y 및 z방향의 힘을 측정하기 위해 세 개의 스트레인 게이지 풀 브리지가 설치되었습니다. 

  • z방향 측정 : 4개의 트랜스듀서 스트레인 게이지 로제트 K-TA11K3 / 350은 저온 경화 2성분 접착제를 사용하여 페더 스프링 부품 내부에 설치되었습니다.
  • x 및 y방향 측정 : 8개의 트랜스듀서 스트레인 게이지 K-LU13K1.6 / 350이 페더 스프링 부품 외부에 부착되었습니다. 부착 형 설계로 인해 트랜스 듀서 스트레인 게이지는 뜨겁고 사용자 친화적으로 적용될 수 있습니다.

스트레인 게이지는 그림 1과 같이 배열됩니다. 스트레인 게이지 번호 1-4는 z 방향을 측정하고 스트레인 게이지 5-12는 x 및 y방향을 측정합니다. 

아주 작은 저항 변화도 측정하기 위해 스트레인 게이지를 풀 브리지에 연결했습니다 (그림 2 참조). 따라서 교량 처짐을 표시할 수 있습니다. ANSYS Workbench 19.1의 도움으로 지정된 힘 방향에 대한 스트레인 게이지의 qualitative strain이 결정되었습니다.

프로토 타입의 테스트 실행

3축 힘 센서를 검증하기 위해 프로토 타입이 개발되었습니다. 이 프로토 타입은 첫 번째 테스트 실행에서 평가 및 교정되었습니다. 보정 장치의 도움으로 스프링 본체에 세가지 힘 방향으로 차례로 로드됩니다.

입력 및 출력에 대한 교정은 다음과 같습니다. 

제로 신호 x- 채널 (mV)11.42
제로 신호 y 채널 (mV)5.13
제로 신호 z- 채널 (mV)-28.90
전원 전압 (V 단위의 DC 전류)3.3
앰프ADS1262
측정 범위 (V)+/- 0.156
이득 계수 x- 채널 16
이득 계수 y- 채널16
이득 계수 z- 채널16

테스트 실행의 결과

교정된 측정 곡선은 주황색, 녹색 및 검은색 그래프로 표시됩니다. 비교 값으로 기준 힘 측정 값도 파란색 그래프로 표시됩니다.

기준 센서로부터 평균 절대 편차 및 평균 상대 오차 :

힘 방향평균 절대 편차 (N)평균 상대 오차 (%)
Fx약. 3약. 1.5
Fy약. 4대략. 2.6
Fz약. 23약. 3.1

첫 번째 테스트 실행의 결과는 HBM 표준 스트레인 게이지로 이미 상당한 결과를 얻었음을 분명히 보여줍니다. 평균 절대 편차 및 평균 상대 오차의 결과를 더욱 최적화하기 위해 다름슈타트 기술 대학에서 후속 프로젝트가 수행되고 있습니다.  

다름슈타트 공과 대학 정보

Technical University of Darmstadt는 높은 국제적 명성을 자랑하는 독일 최고의 기술 대학 중 하나입니다. 1877년 창립 이래 TU Darmstadt는 특별한 개척 정신을 품고 있습니다. 뛰어난 연구 성과를 통해 TU Darmstadt는 미래의 중요한 과학 분야를 열었습니다. 

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