Трехкомпонентный датчик силы на базе упругого силиконового элемента и магнитометра

Наличие силомоментного очувствления робототехнических систем позволяет повысить качество взаимодействия робота с объектами внешней среды. Существует много способов обеспечения силомоментного очувствления, одним из которых является применение многокомпонентных датчиков силы. Однако их стоимость довольно высока, поэтому актуально проводить разработку более выгодных технических решений. В связи с этим создан трехкомпонентный датчик силы, построенный на основе упругого силиконового элемента (со встроенным постоянным магнитом) и магнитометра на эффекте Холла. Такое техническое решение является бюджетным. Описан технологический процесс производства трехкомпонентного датчика силы, основанный на 3D-печати корпуса фотополимерным принтером (что делает его производство дешевым) и литье двухкомпонентного силикона. Рассмотрен процесс пайки SMD-компонентов на платы с помощью паяльного фена, трафаретов и паяльной пасты. Показан стенд для калибровки изготовленных датчиков, состоящий из микрометрических винтов и деталей, напечатанных на 3D-принтере FDM. Математический аппарат для калибровки основан на методе наименьших квадратов. Приведены результаты калибровки трехкомпонентного датчика силы. Созданный датчик имеет следующие характеристики: разрешающая способность — 1 мН, чувствительность — 0,005 Тл/Н.

Литература

[1] Янушевич О.О., Базикян Э.А., Чунихин А.А., Воротников А.А., Климов Д.Д., Подураев Ю.В. Роботизированный мультифункциональный лазерный хирургический комплекс. Патент 2693216 C1 РФ, бюл. № 19, 2019.

[2] Мелешников А.М., Воротников А.А., Климов Д.Д., Подураев Ю.В. Концепция прототипа рабочего органа робототехнической системы разрезания для определения контакта с десной в хирургической стоматологии. СТИН, 2019, № 8, с. 31–33.

[3] Климов Д.Д., Воротников А.А., Соловьев М.А., Подураев Ю.В., Гринь А.А., Крылов В.В. Медицинская робототехника для нейрохирургии. Вестник МГТУ Станкин, 2019, № 1(48), с. 32–37.

[4] Базикян Э.А., Чунихин А.А., Янушевич О.О., Подураев Ю.В., Буйнов М.А., Климов Д.Д., Воротников А.А. Лазерная роботизированная медицинская установка. Патент 172817 U1 РФ, бюл. № 21, 2017.

[5] Буйнов М.А., Воротников А.А., Климов Д.Д., Малышев И.Ю., Миронов В.А., Парфенов В.А., Перейра Ф.Д.Д.С., Подураев Ю.В., Хесуани Ю.Д. Роботические технологии в медицине и биопринтинге: состояние проблемы и современные тенденции. Вестник МГТУ Станкин, 2017, № 1(40), с. 127–131.

[6] Vorotnikov A., Bashevskaya O., Ilyukhin Y., Romash E., Isaev A.V., Poduraev Y. Geometrical Approach for Industrial Robot Axis Calibration Using Laser Tracker. Proceedings of the 26th DAAAM International Symposium, Vienna, Austria, Published by DAAAM International, 2016, pp. 0897–0904, doi: 10.2507/26th.daaam.proceedings.125

[7] Воротников А.А., Подураев Ю.В., Ромаш Е.В. Оценка погрешности определения центров вращения звеньев кинематической цепи для методики калибровки промышленных роботов. Измерительная техника, 2015, № 8, с. 23–28.

[8] Гречишников В.А., Исаев А.В., Пивкин П.М., Илюхин Ю.В., Воротников А.А., Колесниченко Р.В., Бьянки Д.Д., Леонезио М. Инструментальные решения для роботизированного фрезерования. Вестник МГТУ Станкин, 2017, № 4(43), с. 73–78.

[9] Гречишников В.А., Илюхин Ю.В., Исаев А.В., Колесниченко Р.В., Пивкин П.М., Воротников А.А., Бьянки Д.Д., Педрокки П. Повышение точности и производительности роботизированного фрезерования на основе траекторно-импедансного управления. Вестник МГТУ Станкин, 2016, № 4(39), с. 8–16.

[10] Гречишников В.А., Исаев А.В., Илюхин Ю.В., Пивкин П.М., Воротников А.А., Харченко А.Н., Бьянки Д.Д., Леонезио М., Педрокки Н., Тосатти Л.М. Концепция построения робототехнических комплексов для металлообработки и системы их инструментального обеспечения. Вестник МГТУ Станкин, 2015, № 4(35), с. 46–51.

[11] Ilyukhin Y.V., Poduraev Y.V. Improving the precision of mechatronic robot drives. Russian Engineering Research, 2016, vol. 36, no. 4, pp. 328–334, doi: 10.3103/S1068798X16040067

[12] Илюхин Ю.В., Подураев Ю.В. Повышение точности мехатронных приводов технологических роботов. СТИН, 2015, № 9, с. 30–37.

[13] Гойдин О.П., Кураев Е.В., Подураев Ю.В. Робототехнический комплекс с силомоментным очувствлением для демонтажных работ. Вестник МГТУ Станкин, 2015, № 1(32), с. 78–82.

[14] Baki P., Szekely G., Kosa G. Miniature tri-axial force sensor for feedback in minimally invasive surgery. 4th IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronic, IEEE, 2012, pp. 805–810, doi: 10.1109/BioRob.2012.6290770

[15] Yu L., Yan Y., Li C., Zhang X. Three-dimensional nonlinear force-sensing method based on double microgrippers with E-type vertical elastomer for minimally invasive robotic surgery. Robotica, 2018, vol. 36, iss. 6, pp. 865–881, doi: https://doi.org/10.1017/S0263574718000085

[16] Мехеда В.А. Тензометрический метод измерения деформаций. Самара, Изд-во СГАУ, 2011. 57 с.

[17] Kim U., Kim Y.B., Seok D.-Y., So J., Choi H.R. A Surgical Palpation Probe with 6-Axis Force/Torque Sensing Capability for Minimally Invasive Surgery. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, vol. 65, pp. 2755–2765, doi: 10.1109/TIE.2017.2739681

[18] Yu Hui Feng. Development of a Force Sensor Prototype for Medical Devices. Journal of Medical Devices, 2016, vol. 10, pp. 1–2, doi: 10.1115/1.4033221

[19] Илюхин Ю.В., Зеленский А.А. Информационные устройства в мехатронике и робототехнике. Москва, МГТУ Станкин, 2018. 264 с.

[20] Wang H., De Boer G., Kow J., Alazmani A., Ghajari M., Hewson R., Culmer P. Design Methodology for Magnetic Field-Based Soft Tri-Axis Tactile Sensors. Sensors, 2016, no. 16, 1356, doi: 10.3390/s16091356

[21] MLX90393 DataSheet. URL: https://cdn.sparkfun.com/assets/learn_tutorials/5/7/7/MLX90393-Datasheet-Melexis.PDF (дата обращения 10 Мая 2020).

[22] Camacho J., Sosa V. Alternative method to calculate the magnetic field of permanent magnets with azimuthal symmetry. Revista Mexicana de Fisica E, 2013, vol. 59, pp. 8–17.

[23] Loweth E., De Boer G., Toropov V. Practical recommendations on the use of moving least squares metamodel building. Proceedings of the Thirteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, 6–9 September 2011, Crete, Greece, 2011, pp. 1–18, doi: 10.4203/ccp.96.150