6 eksen kuvvet tork algılayıcısı tasarımı, kalibrasyonuve deneysel doğrulanması

6 axis force torque sensor design, calibration andexperimental validation

PDF İndir

Tez No: 909106
Yazar: EYYÜP IŞIKER
Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜLYA YALÇIN, DR. ÖĞR. ÜYESİ NURDAN BİLGİN
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2024
Dil: Türkçe
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Sistem Dinamiği ve Kontrol Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 159

Özet

Bu çalışma kapsamında, ticari raf ürünü altı eksenli kuvvet&tork ölçere oranla basit, düşük maliyetli, gerçek zamanlı ve işlevsel bir algılayıcının tasarımı, üretimi, kalibrasyonu ve deneysel doğrulaması yapılmıştır. Gerçekleştirilen çalışmanın adımları, sırasıyla şu şekildedir. Öncelikle, mukavemet hesaplarına dayalı olarak, geliştirilen algılayıcının geometrisi belirlenmiş ve sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak doğrulanmıştır. Belirlenen geometri bir ana gövdeye bağlı dört kiriş içermektedir. Geliştirilen algılayıcıda ölçme tekniği olarak gerinim ölçer çiftleri kullanılmasına karar verilmiş ve gerinim ölçerlerin konumlandırılacakları en uygun noktalar sonlu elemanlar yazılımı ile gerilme yığılması oluşan kesitlerden kaçınacak şekilde belirlenmiştir. Algılayıcı için her kirişe iki çift gerinim ölçer olacak şekilde toplam 16 adet gerinim ölçer kullanılmıştır. Algılayıcının geliştirilmesi, doğrulanması ve geçerliliğinn değerlendirilmesi için test düzeneğine gerek duyulmaktadır. Bu test düzeneği katı modelleme programı ile tasarlanmış ve daha sonra imal ettirilmiştir. Test düzeneği vasıtasıyla algılayıcıya uygulanan kuvvet ve momentler, gerinim ölçerler üzerinde direnç değişimine neden olmaktadır. Gerinim ölçerlerin çıktısı wheatstone köprüsü kullanılarak gerilim farkına dönüştürülmektedir. Elde edilen gerilim farkının kuvvet ve tork cinsinden ifade edilmesi için bir kalibrasyon yöntemi ve kalibrasyon katsayı matrisine ihtiyaç vardır. Bu amaçla bir deneysel çalışma yapılmış ve geliştirilen algılayıcı üç farklı kuvvet ve 3 farklı tork yönünde test edilmiştir. Bu çalışmada kalibrasyon metodu olarak en küçük kareler yöntemi seçilmiştir. Elde edilen deney sonuçlarına en küçük kareler yöntemi ile doğrular geçirilmiş. Regresyon analizi sonucunda elde edilen doğru denklemleri kalibrasyon katsayılarını oluşturmak için kullanılmıştır. Kalibrasyon katsayılar matrisi, dijital gerilim çıktılarını kuvvet&tork çıktılarına dönüştürmek için kullanılır. Kalibrasyon matrisinin doğruluğu deneysel veriler ile test edilmiştir. 6 eksenli kuvvet&tork ölçerler, üç eksende kuvvet ve üç eksende tork olmak üzere bağlandıkları flanşa gelen tüm yükleri ölçmek için kullanılan ve endüstriyel amaçlı kullanımdan medikal amaçlı kullanıma kadar geniş kullanım alanı bulan algılayıcılardır. Bu tez kapsamında geliştirilen algılayıcı, kullanıcının hareketini, yönelimini ve olası düşme başlangıcını algılamak amacıyla Tübitak 1512-BİGG destekli 2220176 proje numarası ile desteklenen akıllı robot yürüteç adı verilen robotik yürüteç üzerinde kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Tasarımın geometrisinin, kullanılacağı yere uygun olarak silindirik yapılması uygun bulunmuştur. Silindir ana gövde içerisine çapraz dört adet kiriş yerleştirilmiştir. Tasarımın üzerine gelecek yüklerin etkileri sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak belirlenmiştir. Geliştirilen algılayıcı mekanik tasarımı, simetrik kompakt ve sağlam bir yapıdır. Sonlu elemanlar analizinin sonuçları merkezde birbirine bağlı dört kirişin yan yüzlerinin, gerinim ölçerlerin konumlandırılmaları için en uygun yerler olduğunu göstermiştir. Sonlu eleman yazılımı tarafından verilen bu konumlar, gerilim yoğunlaşmasının meydana geldiği bölümlerden kaçınılarak belirlenmiştir. Ayrıca, en yüksek gerilmenin meydana geleceği bölümlere yakın olmaları istenmektedir. Gerinim ölçerler bu belirlenen yerlere hassas şekilde yapıştırılmıştır. Algılayıcının geliştirilmesi ve test edilmesi için gerekli olan test düzeneği de bu tez çalışması kapsamında tasarlanmış ve ürettirilmiştir. Test düzeneği, geliştirilen 6 eksen kuvvet&tork algılayıcının tüm saf kuvvet&tork yönlerinde test edilmesi ve kalibre edilmesi için, aynı zamanda birleşik kuvvet&tork yönlerinde de test edilmesi için kullanılmıştır. Test düzeneği mekaniği, benzerlerine en yakın sonucu üretmek üzere ancak ucuzluk, etkililik ve basitlik ilkelerine göre şu şekilde tasarlanmıştır. Bu test düzeneği kullanılarak, gerinim ölçer çiftleri üzerine uygulanan kuvvet ve momentlerin yarattığı direnç değişimi algılanmakta ve gerilim değişimi cinsinden elde edilmektedir. Ardından elde edilen gerinim-gerilim değişimleri kuvvet-tork büyüklükleri olarak ifade edilmektedir. Bu amaçla, gerinim ölçer üzerindeki direnç değişimi wheatstone köprü devresi kullanılarak gerilim değişimine dönüştürülmektedir. Gerilim farkı değerinin okunabilmesi için 12 bit analog dijital dönüştürücüye (analog dijital converter (ADC)) sahip mikro denetleyici kullanılmıştır. İlaveten analog devrede yükseltgeç ve gerilim bölücü elemanlar kullanılması gerekmiştir. Belirlenen analog devre, analog devre simülasyon programı ile test edilmiş ve analog devreye göre devre kartı (printed circuit board (PCB)) tasarlanmış ve imal edilmiştir. Devre kartı üzerinde yer alan mikro denetleyiciden dijital gerilim değişimi çıktılarını almak üzere yazılım geliştirilmiş ve mikro denetleyiciye gömülmüştür. Devre kartından elde edilen dijital çıktıları bilgisayar ortamına aktarmak için Evrensel Seri Yolu (Universal Serial Bus (USB)) - Evrensel Asenkron Alıcı/Verici (Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter (UART)) dönüştürücü kullanılmıştır. Ardından devre kartından okunan gerinim&gerilim farkı değerlerinin kuvvet&tork değerlerine dönüştürülmesi için olanaklar doğrultusunda en uygun yöntem olarak en küçük kareler yöntemi seçilmiştir. Sözü edilen dönüşüm yöntemleri, benzer çalışmalarda kalibrasyon yöntemi olarak isimlendirilmektedir. En küçük kareler regrasyonuna dayalı kalibrasyon yöntemi, gerçek zamanlı uygulamalar için kullanışlı ve kolayca uygulanabilir olması ve ayrıca basit bir katsayı matrisi üretmesi nedeniyle tercih edilmiştir. Bu yöntemin diğer yöntemlerin önüne geçmesinde, sözü edilen yöntemin bilgisine sahip olunması en önemli motivasyon olmuştur. Kalibrasyon yöntemi belirlendikten sonra, kuvvet&tork algılayıcısı tüm kuvvet&tork yönlerinde farklı büyüklükte yükler altında test edilmiştir. 144 bağımsız yük uygulamasını içeren deney sonuçları kalibrasyon matrisini oluşturmak için kullanılmıştır. Elde edilen deney sonuçları ile yapılan regresyon analizinden elde edilen doğru denklemleri kullanılarak kalibrasyon katsayıları oluşturulmuştur. Kalibrasyon katsayıları ile kalibrasyon matrisi oluşturulmuş ve tek bir matris denklemi ile dijital çıktılar kullanılarak kuvvet&tork çıktıları elde edilmiştir. Kalibrasyon matrisinin doğruluğu deneysel veriler ile test edilmiştir. Deney sonuçları irdelenmiş, özellikle uygulanan kuvvet&tork yönü harici yönlerde, oluşmaması ve okunmaması gereken kuvvet ve torkların okunması nedeniyle kalibrasyon matrisi üzerinde düzeltmeler yapılmış ve düzenlenmiş kalibrasyon matrisi ile yeniden deneyler gerçekleştirilmiştir. Düzenlenmiş kalibrasyon matrisinin sonuçlarını incelemek üzere 392 yük uygulamasını içeren deney sonuçları elde edilmiştir. Bu yük uygulamalarından 336'sı saf kuvvet&tork yönleri için elde edilirken 56'sı birleşik kuvvet&tork yönleri için elde edilmiştir. Deney sonuçları üzerinden algılayıcıya ait ölçüm aralığı, aşırı yükleme, doğrusallık hatası, çapraz karışma hatası, çözünürlük ve doğruluk hatası değerleri elde edilmiş, bu değerler literatürdeki çalışmalarda elde edilen değerler ve raf ürünü algılayıcıya ait değerler ile kıyaslanmıştır. Tüm karşılaştırmalarda, önde olunan, başa baş olunan ve geri olunan kriterler bulunmuş ve nedenleri analiz edilmiştir. Örneğin algılayının doğruluk (accuracy) hatası ticari ürün ile kıyaslandığında 𝐹𝑥 𝑣𝑒 𝐹𝑧 kuvvet yönleri dışındaki tüm karşılaştırmalarda başa baş hatta daha iyi sonuçlar üretilebilmiştir. 𝐹𝑥 yönünde maksimum %2 olması gereken değere %4.3, 𝐹𝑧 yönünde maksimum %2 olması gereken değer ise %3.4 olarak hesaplanmıştır. Tüm bu karşılaştırmalar sonucunda, geliştirilen algılayıcının başarılı olduğu değerlendirilmiş ve bir sonraki versiyon için ürünün geliştirilmesine ilişkin değişiklikler belirlenmiştir.

Özet (Çeviri)

Within the scope of this study, the design, manufacture, calibration and experimental verification of a simple, low-cost, real-time and functional with compared to a commercial shelf product six axis force&torque sensor has been carried out. The steps of the study are as follows, respectively. First, based on strength calculations, the geometry of the developed sensor is determined and verified by using finite element analysis software. The specified geometry includes four beams connected to a main body. For the developed sensor as a measurement technique, using strain gauge pairs is decided and their positions are determined by finite element software to avoid sections where stress concentration occurs. Each beam contains two pair of strain gauge therefore total of 16 strain gauges on four beam are used for the sensor. A test setup is required for the development, verification and validation. This test setup was designed with a computer aided design software and then it was produced by manufacturer. The forces and moments applied to the sensor via the test setup cause a resistance change on the strain gauges. The output of the strain gauges is converted into voltage difference using wheatstone bridge. A calibration method and calibration coefficient matrix are needed to express the obtained stress difference in terms of force and torque. For this purpose, an experimental study is carried out and the developed sensor is tested in three different forces and three different torque directions, under loads of different magnitudes. The calibration method is the least squares method in this study. Lines are fitted to obtained experimental outputs by using least square method. The equations of lines obtained as a result of regression analysis are used to generate the calibration coefficient matrix. The calibration coefficients matrix is used to convert digital voltage outputs into force &torque outputs. The validity of the calibration matrix has been tested with experimental data. 6 axis force&torque transducers are sensor that are used to measure all force on three axes and all torque on three axes on the flange to which they are connected. They are widely used from industrial to medical applications. The sensor developed within the scope of this thesis is designed to be used on a project about robotic walker called smart walker robot. This project has been supported by Tubitak 1512-BİGG with project number 2220176. The mission of the developed force&torque sensor is to detect the user's movement and orientation and also possible near-fall cases to prevent it. The structure's geometry is chosen as cylindrical depending on its position on the robot. The mechanical design of the developed sensor is a symmetrical, compact and rigid structure. The finite element analysis results show that the side faces of the four beams connected to each other in the center are the most suitable locations for positioning the strain gauges. These locations, given by finite element software, are determined by avoiding the sections where stress concentration occurs. Moreover, they have to be close to the sections where the highest strain will occur. Then strain gauges are adhered to these determined locations carefully. The test setup, which is required to improve and verify the developed sensor, is also designed and manufactured within the scope of this thesis. This test setup is used to test and calibrate the developed 6-axis force-torque sensor in all pure force-torque directions and some combined force-torque directions. The test setup mechanical structure is designed based on principles such as affordability, effectivity, and simplicity to produce the nearest results of its rivals. Using this test setup, the resistance change due to the forces and moments acting on the strain gauge pairs is detected and obtained in terms of voltage change. Next, obtained strain-voltage changes are expressed as force&torque magnitudes. For this aim, the resistance change on the strain gauge is converted into voltage change using the wheatstone bridge circuit. Reading the voltage differences requires a microcontroller. It is a 12-bit analog dijital converter (ADC). Additionally, the analog circuit includes an amplifier and a voltage divider element. The amplifier increases the voltage differences to be more readable. The voltage divider inhibits the effects of the negative voltage differences. The analog circuit, which includes all electronic components, is designed, simulated, and tested by using a simulator. Then it is printed as a circuit board (PCB). A software is developed and embedded in the microcontroller to receive the voltage differences from the microcontroller on the circuit board. These voltage differences have to be sent to the computer. The electronic hardware used to transfer the digital outputs obtained from the circuit board to the computer environment is Universal Serial Bus (USB) - Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) converter. The voltage differences transferred to the computer have to be expressed as force and torque values. At this point, a transformation method is needed. The transformation methods are called calibration methods in similar studies in the literature. There are various calibration methods based on regression methods from the least squares method to the genetic algorithm in the literature. In this study, the least squares method is determined as the most suitable method for converting the strain & voltage difference values read from the circuit board into force&torque values. Least qsuare regression method is not the most accurate method but it is well-known and the simplest method. The calibration method based on least squares regression is preferred in this study because it is convenient and easily applicable for real-time applications. Moreover, it produces a simple coefficient matrix. The main motivation for this selection is to know the method. After the calibration method is determined, the force & torque sensor is tested under loads of different magnitudes in all force&torque directions. Experimental results including 144 independent trials in which different loads applied to the developed sensor, are used to create the calibration matrix. Calibration coefficients are created using the line equations obtained from the regression analysis performed with the experimental results. A Calibration matrix is created with calibration coefficients. Then, force&torque outputs are obtained using digital voltage difference outputs with a single matrix equation. Next, the accuracy of the calibration matrix is tested with experimental data. The analyzed outputs of the experiments show that some unexpected force&torque values appear on the offdiagonal components. At this stage, the calibration matrix is modified to correct the off-diagonal components. Finally, re-experiments are performed with the modified calibration matrix. To examine the results of the modified calibration matrix, experiments are carried out including 392 trials. These trials include 336 different load applications in the pure direction of force&torque and 56 different load applications in the combined direction of force&torque. The developed sensor is verified with experimental results and validated by comparing it with literature and a commercial sensor using the following criteria; measurement range, overload, linearity error, crosstalk error, resolution, and accuracy error. In all comparisons, the criteria for which the study is ahead, equal, and behind other studies are determined. And then, the reasons are analyzed. The measurement range is a design criterion for this study and it represents the maximum and minimum values that can be measured with a sensing system. The developed sensor satisfies this criterion. Overload is another design criterion and it means excess of loads exerted on the developed sensor. It is arranged with a safety factor as two times in this study. The closeness of the calibration curve to a specified straight line shows the linearity of a sensor. Linearity error is calculated as the difference between one and the coefficient of determination by multiplying a hundred. The linearity error values of the designed sensor are found to be smaller than the linearity error values in the studies subject to comparison, except for the force in the z direction. The crosstalk error is defined as appearing the off-diagonal components on the measurement. The designed sensor is compared with similar studies in the literature in terms of crosstalk errors. In this comparison, the values in some directions are near each other but they in some directions are almost two times bigger. Resolution is the minimal change of the measurand that can produce a detectable increment in the output signal. The designed sensor is compared with similar studies in the literature in terms of resolution. In this comparison, the values in all directions are near each other. Accuracy of a sensor shows the correctness of its output. The accuracy error compared to the commercial product produced better results in all comparisons except the 𝐹𝑥 and 𝐹𝑧 force directions. The value that should be a maximum of 2% in the 𝐹𝑥 direction is calculated as 4.3%, and the value that should be a maximum of 2% in the 𝐹𝑧 direction is calculated as 3.4%. As a result of all these comparisons, the developed sensor is evaluated to be successful. For future work, Some improvements regarding the development of the product are determined for the next version.

Benzer Tezler

Tez No
292395
Endüstriyel robotlarda hareket ve kuvvet kontrolü
Motion and force control of industrial robot
SİBEL MUSAOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Mekatronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUĞAN
Tez No
542758
Experimental investigation of flexibility effects in flapping wing aerodynamics
Çırpan kanat aerodinamiğinde esneklik etkilerinin deneysel olarak incelenmesi
ONUR SON
Doktora
İngilizce
2018
Havacılık Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
Tez No
353751
Control of virtual staubli RX160 manipulator by phantom premium haptic device
Sanal staublı RX160 manipülatörün phantom premıum haptıc cihaz ile kontrolü
AYKUT GÖREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Mekatronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU
Tez No
723041
High precision motion control of mechatronic systems in presence of general uncertainties: Application with a heavy-duty parallel robot
Genel belirsizliklerin olduğu mekatronik sistemlerin yüksek hassasiyetle kontrolü: Paralel robot uygulaması
KAMİL VEDAT SANCAK
Doktora
İngilizce
2022
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEKİ YAĞIZ BAYRAKTAROĞLU
Tez No
363546
Modelling, control and implementation of an unmanned vertical take-off and landing aircraft
Dikey iniş kalkış yapabilen bir insansız hava aracının modellenmesi, kontrolü ve gerçeklenmesi
FARABİ AHMED TARHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol İstanbul Teknik Üniversitesi
Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN TEMELTAŞ

Geri Dön