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Geometrical, mechanical and transduction techniques for designing multi-axis force-torque sensors for robotic applications

Bekhti, Rachid (2015). Geometrical, mechanical and transduction techniques for designing multi-axis force-torque sensors for robotic applications. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This project is part of the effort initiated by Vincent Duchaine, Professor at the laboratory of Control and Robotics (CoRo), to enhance the physical interaction between humans and robots. An important aspect of this initiative concerns the force feedback and the ability of the robot to feel the forces that are applied to it. To measure the forces that are exerted on, for instance, a humanoid robot’s wrist, multi-axis force-torque sensors are essential. With these sensors, the robot can detect obstacles, avoid collisions, and get the job safely done. We hypothesize that the ability to accurately detect the force measurements that are associated with force control will help to improve the dexterity of such robots.

To this end, we aim to develop new methods for designing the compliant structures that form the core of multi-axis force-torque sensors. The resulting sensors must be highly sensitive to a sufficient range of forces, and they must be capable of measuring forces in all directions. Moreover, they must be compact, so that they can be easily integrated within robotic structures; and of course, they must be cost-effective. This thesis attempts to answer three questions: 1)What is the best performance index for evaluating the geometry of the compliant structure? 2)What is the best systematic method to use for designing the mechanical structure? and 3) What is the best transduction technique for achieving a compact sensor design?

We began our research by investigating the geometric model of the sensor, to better understand the equations by which the force and torque are computed. Based on this analysis, we proposed two performance indices, which we then validated. We next investigated how the behavior and the mechanical proprieties of the structure can be used to convey accurate estimates of the forces. Through an advanced systematic design method, based on a symbolic formulation of the wrench-displacement relationship, we designed a compact and cost-effective triaxial force sensor. Our sensor uses a single capacitive sensing element to detect several forces efficiently. In order to improve the design of the sensing element, we proposed a new transduction technique. This technique allowed us to build a multi-axial sensing element that is able to separate stress components of normal stress, shear stress, and torque. This innovative use of a single multi-axial sensing element allowed us to reduce the size of the network of sensing elements, and consequently lower the total dimensions and cost of the multi-axis force-torque sensor. In a series of experiments, we verified that our multi-axial sensing element can successfully measure multiple forces, proving that it is ready for use in numerous robotic applications.

Titre traduit

Aspects géométriques, mécaniques et de transduction pour la conception de capteurs de force et de couple multi-axes pour des applications en robotique

Résumé traduit

Ce projet s’inscrit dans l’effort initié par Vincent Duchaine, professeur au laboratoire de Commande et de Robotique (CoRo), afin d’améliorer l’interaction physique entre les humains et les robots. Un aspect important de ce projet concerne le retour de force et la capacité du robot à sentir les forces qui lui sont appliquées. Afin de mesurer les forces exercées par exemple sur le poignet d’un robot humanoïde, les capteurs de force et de couple multi-axes sont essentiels. À l’aide de ces capteurs, le robot peut détecter les obstacles, éviter les collisions et faire le travail en toute sécurité. Nous émettons l’hypothèse qu’une meilleure qualité de mesure de la force associée à une strategie de commande en force pourrait contribuer à améliorer la dextérité de ces robots.

À cette fin, nous visons à élaborer de nouvelles méthodes pour concevoir les structures compliantes qui forment le coeur de ces capteurs de force et de couple multi-axes. Les capteurs qui en résulte doivent être sensibles, avec un spectre de force suffisant et capable de mesurer des forces dans toutes les directions. En outre, ils doivent être abordable et compact pour être intégré facilement dans des systèmes robotiques. Cette thèse tente de répondre à trois questions fondamentales: 1) Quel est le meilleur indice de performance pour évaluer la géométrie de la structure compliante? 2) Quelle est la meilleure méthode systématique pour concevoir la structure mécanique? et 3) Quelle est la meilleure technique de transduction pour une meilleure compacité du capteur?

Nous avons commencé notre recherche en examinant le modèle géométrique du capteur pour comprendre les équations par lequel la force et le couple sont calculés. En se basant sur cette analyse, deux indices de performance sont proposées et validées. Nous avons ensuite examiné comment le comportement et les propriétés mécaniques de la structure compliante peuvent être utilisées pour transmettre une estimation précises des forces. Grâce à une méthode de conception systématique avancée basée sur une formulation symbolique de la relation force déplacement, nous avons conçu un capteur de force triaxial compacte et économique. Notre capteur utilise un seul élement sensible basée sur la technologie capacitive pour détecter efficacement les différentes forces. Afin d’améliorer la conception de l’élément sensible, nous avons proposé une nouvelle technique de transduction. Cette technique nous a permis de construire un élement sensible multiaxial capable de détecter les composantes de la contrainte mécanique–à savoir la contrainte normale, contrainte de cisaillement et de couple. Cette utilisation innovante d’un élement sensible multiaxial nous a permis de réduire la taille du réseau des éléments sensibles et par conséquent de réduire les dimensions globale et le coût du capteur de force et de couple multi-axes. Dans une série d’expériences, nous avons vérifié que notre élement sensible multiaxial peut mesurer avec succès plusieurs forces, prouvant qu’il est prêt à être utilisé dans de nombreuses applications robotiques.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 107-111.
Mots-clés libres: Capteurs tactiles Conception et construction. Couple (Mécanique) Analyse géométrique. Capteurs tactiles Matériaux Propriétés mécaniques. Contraintes (Mécanique) Robotique. multi-axe, transduction, capteur force-couple, processus de conception, optimisation structurelle, techniques de transduction
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Duchaine, Vincent
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Cardou, Philippe
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 03 mars 2016 15:04
Dernière modification: 10 déc. 2016 16:48
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1628

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