Otimizando a medição de torque em aplicações robóticas

O mercado global de robótica móvel está se expandindo rapidamente. Com o advento de robôs de baixo custo que são mais fáceis e baratos de implantar, os robôs colaborativos ou cobots estão encontrando novas aplicações industriais e de consumo. Os cobots usam sensores de posição e torque embutidos em suas juntas para permitir o controle automatizado e sua operação segura. ISO 10218-1 é um padrão internacional que estabelece requisitos para diretrizes de segurança e design em robôs industriais.

Isso normalmente requer o uso de pelo menos um sensor de torque de força além do monitoramento dos motores elétricos nas juntas. Alguns cobots mais recentes têm detecção de torque em todas as juntas, como os cobots fabricados pela Doosan e as mais recentes máquinas KUKA LBR iiwa.

Além de ajudar a atender ao padrão de segurança ISO 10218-1, o uso de vários sensores de torque também permite que o fabricante do robô melhore o controle do sistema com cinemática avançada usando entradas dos sensores de torque para compensar a massa dos membros do robô e a carga útil para entregar movimentos rápidos, controlados e seguros do robô.

Há também um mercado para sistemas de sensores como acessórios ou embutidos em ferramentas robóticas para ajudar a controlar a operação da ferramenta. Atualmente, existem duas tecnologias principais para medição de torque em aplicações de robótica - sensores de medidores de tensão e sensores de deslocamento.

Este é o método convencional para medir o torque de rotação usando um extensômetro preso a uma placa flexível na junta do robô. Mudanças na deformação, por causa do torque, são registradas como variações em um sinal elétrico.

As vantagens dos medidores de tensão são que eles são de custo relativamente baixo e simples de aplicar em baixo volume, como um laboratório de teste. No entanto, também existem desvantagens de extensômetros em juntas robóticas, incluindo:

Eles exigem o uso de estruturas flexíveis e quatro medidores dispostos em um circuito de ponte de Wheatstone para fornecer uma tensão mensurável. Isso compromete a integridade mecânica do sistema tornando o braço robótico menos rígido do que poderia ser sem os sensores.

Strain gauges normalmente não são robustos ou resilientes a ambientes hostis e sua saída é afetada pela temperatura.

Eles são suscetíveis à interferência de radiação eletromagnética de fundo e campos magnéticos.

Esse método geralmente usa um par de discos de medição presos nas extremidades opostas de um eixo. O 'ângulo de torção' do eixo é medido a partir da diferença de fase entre eles por meio de uma medição óptica ou magnética. Isso permite que o torque seja calculado.

A principal vantagem é a capacidade de sobrecarregar o sensor até a capacidade máxima de carga do "eixo de torção". As desvantagens deste método incluem:

Requer uma seção de diâmetro reduzido do eixo conhecida como barra de torção para aumentar o ângulo de torção (vários graus no máximo para uma relação comprimento-diâmetro L/D = 5) que pode ter um efeito negativo na estabilidade mecânica do sistema.

É sensível à temperatura.

Há uma precisão de medição limitada.

Requer um volume de embalagem maior devido à necessidade de medir a torção do eixo ao longo do comprimento da barra de torção.

Ambas as tecnologias existentes requerem um elemento de torção ou flexão nas articulações do robô, o que significa que o braço robótico se flexionará durante a operação. Isso pode ser um fator que limita o desempenho e a repetibilidade do cobot.

A tecnologia de sensor Surface Acoustic Wave (SAW) da Transense fornece uma maneira aprimorada de medir torque, rotação e temperatura em um sistema robótico, eliminando a flexão das juntas e criando um robô de desempenho mais alto e mais repetível com juntas mais compactas. A tecnologia SAW é um sistema de detecção sem fio, passivo e sem contato que consiste em dois componentes principais:

O leitor cria um sinal de interrogação que é transmitido ao eixo rotativo através do acoplador de RF. Os elementos sensores no eixo não requerem nenhuma outra fonte de energia e funcionam como um dispositivo passivo refletindo um sinal de interrogação de volta para a eletrônica do leitor. A frequência de oscilação dos sinais retroespalhados é afetada por uma medição física, como deformação e temperatura.