پيشنهاد شاخصي براي مقايسه كيفي حسگرهاي نيرو/گشتاور شش محوره و بهينه‌سازي هندسه‌ي تيرهاي متقاطع با هدف كاهش خطاي تداخل

Proposing an index for qualitative comparison of six-axis force/torque sensors and optimization of Maltese cross geometry to reduce cross-coupling error

در اين مقاله اصول اندازه‌گيري هم‌زمان سه بردار متعامد نيرو (Fz، Fy، Fx) و سه بردار متعامد گشتاور (Mz، My، Mx) براي طراحي حسگر نيرو/گشتاور شش محوره مورد توجه قرار گرفته است. در ابتدا، شاخصي جديد (η) براي مقايسه و قضاوت صحيح‌تر در خصوص كيفيت حسگرهاي نيرو/گشتاور شش محوره پيشنهاد داده شده و سپس با استفاده از آن، خطاي تداخل چند حسگر در مطالعات قبلي ارزيابي و مقايسه شده‌اند. در ادامه، با استفاده از فرآيند بهينه‌سازي عددي، روشي سيستماتيك براي طراحي حسگر نيرو/گشتاور شش محوره توصيف شده است. اين شيوه بر مبناي ارتباط متقابل بين الگوريتم برنامه‌نويسي درجه دوم متوالي (SQP) كد‌شده در متلب و استفاده از روش تحليل اجزاي محدود (FEM) در نرم‌افزار انسيس مي‌باشد. هندسه‌ي انتخاب شده براي سازه‌ي حسگر از نوع تيرهاي متقاطع اصلاح يافته مي‌باشد. خطاي تداخل اصلي به عنوان تابع هدف انتخاب شده تا طول چهار متغير هندسي سازه‌ي حسگر را بهينه كند. همچنين قيدهاي حساسيت كرنش‌سنج‌ها، بيشينه تنش اعمالي و طول ابعاد هندسي سازه‌ي حسگر در مسئله فرمول‌بندي شده‌اند. نتايج نشان مي‌دهد كه خطاي تداخل اصلي طرح حسگر بهينه‌شده با نسبت گشتاور به نيروي بالا (0.1N.m/N) به زير 1.49% كاهش يافته است.

In this paper the principles of simultaneous measurement of three orthogonal force vectors Fx, Fy, Fz and three orthogonal torque vectors Mx, My, Mz to design a six axis force/torque sensor are considered. At first, a new index (η) for a qualitative comparison of six-axis force/torque sensors is proposed and then, cross-coupling error of several sensors presented in previous studies is evaluated and compared by using the new index. In the following, a systematic method for designing the six-axis force/torque sensor is described using numerical optimization procedure. This method is based on interactive interface between the SQP algorithm created in MATLAB and FEM analysis in ANSYS software. The geometry of sensor structure is selected to be a modified Maltese cross type. Principle cross-coupling error is chosen as the objective function to optimize four geometrical design variables of the sensor structure. Also, strain gauge sensitivity, maximum applied stress and geometric sizes of the sensor structure as constraints are formulated in problem. Results show that principle cross-coupling error of the optimal sensor design is less than 1.49% with a high moment to force specification (0.1 Nm/N).