Ottimizzazione della misurazione della coppia nelle applicazioni di robotica

Il mercato globale della robotica mobile è in rapida espansione. Con l’avvento di robot a basso costo, più facili ed economici da implementare, i robot collaborativi o cobot stanno trovando nuove applicazioni industriali e di consumo. I cobot utilizzano il rilevamento della posizione e della coppia incorporato nelle loro articolazioni per consentire il controllo automatizzato e il loro funzionamento sicuro. ISO 10218-1 è uno standard internazionale che stabilisce i requisiti per le linee guida di sicurezza e progettazione nei robot industriali.

Ciò richiede in genere l'utilizzo di almeno un sensore di coppia e forza oltre al monitoraggio dei motori elettrici nei giunti. Alcuni cobot più recenti sono dotati di rilevamento della coppia in ogni giunto, come i cobot realizzati da Doosan e le ultime macchine KUKA LBR iiwa.

Oltre a contribuire a soddisfare lo standard di sicurezza ISO 10218-1, l'uso di più sensori di coppia consente inoltre al produttore del robot di migliorare il controllo del sistema con una cinematica avanzata utilizzando gli input dei sensori di coppia per compensare la massa degli arti del robot e il carico utile da fornire movimenti rapidi, controllati e sicuri del robot.

Esiste anche un mercato per i sistemi di sensori come accessori o integrati in strumenti robotici per aiutare a controllare il funzionamento dello strumento. Attualmente esistono due tecnologie chiave per la misurazione della coppia nelle applicazioni di robotica: sensori estensimetrici e sensori di spostamento.

Questo è il metodo convenzionale per misurare la coppia rotante utilizzando un estensimetro collegato a una piastra flessibile nel giunto del robot. Le variazioni di deformazione, dovute alla coppia, vengono registrate come variazioni di un segnale elettrico.

I vantaggi degli estensimetri sono che sono relativamente economici e semplici da applicare in volumi ridotti come in un laboratorio di prova. Tuttavia, ci sono anche degli svantaggi degli estensimetri nei giunti robotici, tra cui:

Richiedono l'uso di strutture flessibili e quattro indicatori disposti in un circuito a ponte di Wheatstone per fornire una deformazione misurabile. Ciò compromette l’integrità meccanica del sistema rendendo il braccio robotico meno rigido di quanto potrebbe essere senza i sensori.

Gli estensimetri in genere non sono robusti o resistenti agli ambienti difficili e il loro rendimento è influenzato dalla temperatura.

Sono suscettibili alle interferenze derivanti dalla radiazione elettromagnetica di fondo e dai campi magnetici.

Questo metodo utilizza tipicamente una coppia di dischi di misurazione fissati alle estremità opposte di un albero. L'angolo di torsione dell'albero viene misurato dalla differenza di fase tra loro attraverso una misurazione ottica o magnetica. Ciò consente di calcolare la coppia.

Il vantaggio principale è la capacità di sovraccaricare il sensore fino alla capacità di carico massima dell'"albero rotante". Gli svantaggi di questo metodo includono:

Richiede una sezione dell'albero a diametro ridotto denominata barra di torsione per aumentare l'angolo di torsione (alcuni gradi al massimo per un rapporto lunghezza/diametro L/D = 5) che può avere un effetto negativo sulla stabilità meccanica dell'albero. sistema.

E' sensibile alla temperatura.

La precisione della misurazione è limitata.

Richiede un volume di imballaggio maggiore a causa della necessità di misurare la torsione dell'albero lungo la lunghezza della barra di torsione.

Entrambe queste tecnologie esistenti richiedono un elemento di torsione o flessione nei giunti del robot, il che significa che il braccio robotico si fletterà durante il funzionamento. Questo può essere un fattore che limita le prestazioni e la ripetibilità del cobot.

La tecnologia dei sensori SAW (Surface Acoustic Wave) di Transense fornisce un modo migliore per misurare la coppia, la rotazione e la temperatura in un sistema robotico, eliminando la flessione dei giunti e creando robot più performanti e più ripetibili con giunti più compatti. La tecnologia SAW è un sistema di rilevamento wireless, passivo e senza contatto costituito da due componenti principali:

Il lettore crea un segnale di interrogazione che viene trasmesso all'albero rotante attraverso l'accoppiatore RF. Gli elementi di rilevamento sull'albero non richiedono altra fonte di alimentazione e funzionano come un dispositivo passivo che riflette un segnale di interrogazione all'elettronica del lettore. La frequenza di oscillazione dei segnali retrodiffusi è influenzata da misurazioni fisiche come deformazione e temperatura.