Em quase um mês, descobrimos que alguns clientes se concentravam apenas na força de contato da ferramenta final do robô, levando-os a acreditar que o sensor de força de 3 eixos é suficiente para uso.
Frequentemente nos deparamos com situações semelhantes. Na verdade, a fabricação do sensor de força de 6 eixos é mais difícil do que a do sensor de força de 3 eixos. Nossa empresa pode fornecer múltiplos intervalos de sensores de força de 6 eixos e de 3 eixos, mas ainda há muitas limitações no uso dos sensores de força de 3 eixos. Sugerimos que precisamos usar o sensor de força de seis eixos se o ponto de aplicação da força estiver longe do sensor e a direção da força for aleatória, mesmo que você precise apenas da informação da força em três direções e não necessite conhecer o intervalo do momento fletor.
Para explicar esse problema com mais clareza, vamos analisar os cenários de aplicação do sensor de força de 1 eixo.
Sabemos que a força é um vetor, portanto possui tanto amplitude quanto direção. Somente quando a direção da força coincide completamente com o eixo de medição do sensor de força de 1 eixo é possível medir com precisão (Fig.1). O eixo de medição geralmente é a linha central geométrica do sensor.
Quando a direção da força é paralela ao eixo de medição do sensor, mas não coincide com ele, os resultados de medição do sensor terão um grande erro. Segundo o princípio da equivalência de translação da força na mecânica teórica, isso equivale a uma força e um momento fletor atuando simultaneamente sobre o sensor (Fig.2). Após a equivalência de translação, a amplitude e a direção da força permanecem as mesmas para o sensor, mas há um momento fletor adicional FL. Esse momento fletor produzirá um certo efeito de deformação por flexão no sensor, e o modo de deformação se desvia do estado de calibração do sensor, levando a um grande erro do sensor. É claro que algumas estruturas de sensores unidimensionais de força possuem certa capacidade anti-eccentricidade, mas quando a distância de excentricidade é grande e o momento fletor é elevado, também haverá erros de medição evidentes.
Vamos discutir o sensor de força tridimensional. O centro de calibração do sensor de força de 3 eixos geralmente está no próprio sensor ou muito próximo dele. Portanto, pela mesma razão, desde que o ponto de aplicação da força esteja afastado do sensor, após a decomposição ortogonal e a translação até o centro de calibração do sensor de força de 3 eixos, o sensor estará suportando as três componentes Fx/Fy/Fz da força, mas também os três momentos fletores Mx/My/Mz (Fig.3). Mx/My/Mz inevitavelmente interferirão na precisão da medição de Fx/Fy/Fz; quanto maior o momento fletor, mais imprecisa será a medição do sensor de força de 3 eixos. A razão para esse fenômeno é que, ao carregar e calibrar o sensor de força de 3 eixos, é impossível considerar a variável do momento fletor. Nesse momento, o modelo matemático e os parâmetros calibrados não conseguem corrigir nem eliminar a interferência do momento fletor sobre a força.
Ainda na semana passada, enviamos dois tipos de sensores de força para um conhecido cliente corporativo que produz robôs cirúrgicos para testes, incluindo um sensor de força de 3 eixos de estrutura comum e um sensor de força de 6 eixos Kunwei. Para economizar custos, esse cliente optou pelo sensor de força de 3 eixos para alcançar o desempenho do produto. Após comparar os resultados dos dois sensores em testes, esse cliente acabou escolhendo o sensor de força de seis eixos.
O algoritmo de desacoplamento do sensor F/T de seis eixos baseado em carga conjunta de seis dimensões pode corrigir com precisão o erro de acoplamento entre a força nas três direções e os três momentos fletores, eliminando amplamente a interferência do momento fletor na medição da força, de modo que a precisão da medição da força seja muito superior à do sensor de força de 3 eixos. Isso se baseia num método de calibração de alta precisão de carga conjunta de seis dimensões para obter um modelo matemático desacoplado com forte capacidade de ajuste não linear.
Se você enfrentar problemas semelhantes, especialmente em aplicações de controle de força em robôs, não há necessidade de pensar se deve usar um sensor de força de 3 eixos ou de 6 eixos (Fig.5). Usar o sensor F/T de seis eixos não só permite medir com maior precisão o valor da força, como também monitorar em tempo real o momento fletor para prevenir danos irreversíveis causados pela sobrecarga do momento fletor, além de poder ser utilizado para controlar a orientação do efetor final através dos dados do momento fletor. Quando a força de contato no extremo é muito pequena, o momento fletor correspondente a essas forças será relativamente mais sensível, podendo-se utilizar o momento fletor para monitorar indiretamente a força de contato, já que o braço da força funciona como um amplificador da força. Esse método é mais comum na aplicação de controle de força do robô de amostragem de papel de teste faríngeo.
Os sensores de força de 3 eixos também podem ser usados em algumas situações, como quando o ponto de aplicação está próximo ao centro de calibração do sensor e a exigência de precisão na medição não é alta, ou quando vários sensores de força de 3 eixos são utilizados ao mesmo tempo. Isso envolve ajustes e processamentos de dados mais profissionais, que apresentaremos em artigos futuros.
