Σχεδιασμός και κατασκευή αισθητήρα δύναμης/ροπής 5 αξόνων

Abstract

Η παρούσα εργασία αποσκοπεί στο σχεδιασμό και στην κατασκευή ενός πολυαξονικού αισθητήρα δύναμης. Πρόκειται για μέτρηση δύναμης και ροπής σε τρεις και σε δύο καρτεσιανούς άξονες αντίστοιχα. Ο αισθητήρας αυτός μετράει δύναμη και ροπή σε τυχαίες κατευθύνσεις και κάνει την αποσύζευξη τους με μηχανικό και υπολογιστικό τρόπο. Το μεγάλο κόστος απόκτησης τέτοιων αισθητήρων, αλλά και η ειδική του εφαρμογή αποτελούν τα κίνητρα του όλου εγχειρήματος. Η εφαρμογή του αφορά τη μέτρηση των δυνάμεων και ροπών αντίδρασης που προκαλούνται από το έδαφος στο πέλμα ενός τετράποδου ρομπότ. Λόγω της πρόσκρουσης του ποδιού στο έδαφος, δημιουργούνται κρουστικά φορτία. Έτσι η δύναμη έχει, εκτός από υψηλές τιμές και υψηλές συχνότητες. Για αυτόν τον λόγο πρέπει η συχνότητα δειγματοληψίας να είναι υψηλή έτσι ώστε να ανακατασκευαστεί η καμπύλη φόρτισης με αρκετή ακρίβεια. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, μελετάται ο σχεδιασμός ενός ολοκληρωμένου συστήματος μέτρησης έτσι ώστε να ικανοποιεί ένα σύνολο προδιαγραφών, που ορίζονται επίσης από την εφαρμογή. Η προσομοίωση των επιδόσεων του και το αν ικανοποιούνται οι προδιαγραφές, γίνεται με το σχεδιαστικό και αναλυτικό πακέτο SolidWorks. Οι διάφορες σχεδιαστικές λύσεις εξετάζονται με το πακέτο προσομοιώσεων που κάνει εύκολη την εφαρμογή της Μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων. Τελικά, εξετάζεται και υλοποιείται και η κατασκευαστική λύση η οποία είναι οικονομικά αποδεκτή και μπορεί να κατασκευαστεί σε ένα μηχανουργείο. Η κατασκευασμένη μηχανοτρονική διάταξη ελέγχθηκε ως προς τις επιδόσεις της με πειράματα και συγκρίθηκε με έναν αντίστοιχο αισθητήρα του εμπορίου. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων δείχνουν, ότι οι επιδόσεις τους είναι της ίδιας τάξης μεγέθους ενώ τα κόστη τους έχουν μεγάλη διαφορά. Τέλος, γίνεται μια αναφορά για μελλοντική εργασία στον αισθητήρα, προϊόν της οποίας θα μπορούσε να είναι ένας άμεσα συγκρίσιμος ως προς τις επιδόσεις αισθητήρας, με ακόμη χαμηλότερο κόστος.

This thesis addresses the design and construction of a multi-axis force sensor. This sensor is used for measuring force and torque in three and two axes respectively. The sensor can measure forces and torques in an arbitrary direction and resolve them, in its Cartesian axes by proper mechanical design and computational method. The motivation for this design is to have a sensor for a special application at a reasonable cost. Its application is to measure the ground reaction from a quadruped robot’s toe. Its motion creates impact forces and torques. Thus, the force reaches very high values and the excitation frequency is also very high. For this reason the sampling frequency has to be high enough to reconstruct the load curve smoothly. Taking into account the above, a research is done in the design of an integrated measuring system that can satisfy a bunch of specifications defined by the application. SolidWorks provides great help in analyzing the design, so that can satisfy the specifications. Many design scenarios are analyzed with the simulation toolbox that makes the implementation of the Finite Element Analysis an easy job. Finally, its construction is affordable an easy to be build to a mechanical workshop. The performance of the constructed mechatronic system is checked with experiments and is compared with a commercial force sensor. The results shows that the performance is of the same magnitude and the cost is of great difference. Finally, a future work for the force sensor is proposed.