Design and Manufacturing of an Ultra-Low-Cost Custom Torque Sensor for Robotics

[EN] This article describes a new, very low-cost torque sensor. It was designed to obtain a geometric shape suitable for very affordable manufacturing by machining. The torque sensor was developed under the principle of measurement by strain gauges. It has been designed in order to make manufacturing operations as simple as possible. Optimization was achieved through finite element analysis. Three test sensors for 1, 5, and 20 Nm were designed and machined. Calibration of the three sensors has been carried out obtaining excellent results. An analysis of the dimensional quality of the product and associated costs demonstrates that manufacturing is possible with very simple machining operations, standard tools, and economic equipmentThe authors are grateful for the financial support of the Spanish Ministry of Economy and European Union, grant DPI2016-81002-R (AEI/FEDER, UE).Pérez-Ubeda, RA.; Gutiérrez, SC.; Zotovic Stanisic, R.; Perles Ivars, A. (2018). Design and Manufacturing of an Ultra-Low-Cost Custom Torque Sensor for Robotics. Sensors. 18(6):1-18. https://doi.org/10.3390/s18061786S11818

Propuesta de inclusión de esfuerzos en el control de un brazo robot para asegurar el cumplimiento de la rugosidad superficial durante operaciones de lijado en diferentes materiales

Tesis por compendio[ES] El mecanizado con brazos robots ha sido estudiado aproximadamente desde los años 90, durante este tiempo se han llevado a cabo importantes avances y descubrimientos en cuanto a su campo de aplicación. En general, los robots manipuladores tienen muchos beneficios y ventajas al ser usados en operaciones de mecanizado, tales como, flexibilidad, gran área de trabajo y facilidad de programación, entre otras, frente a las Máquinas Herramientas de Control numérico (MHCN) que necesitan de una gran inversión para trabajar piezas muy grandes o incrementar sus grados de libertad. Como desventajas, frente a las MHCN, los brazos robóticos poseen menor rigidez, lo que combinado con las altas fuerzas producidas en los procesos de mecanizado hace que aparezcan errores de precisión, desviaciones en las trayectorias, vibraciones y, por consiguiente, una mala calidad en las piezas fabricadas. Entre los brazos robots, los brazos colaborativos están en auge debido a su programación intuitiva y a sus medidas de seguridad, que les permiten trabajar en el mismo espacio que los operadores sin que estos corran riesgos. Como desventaja añadida de los robots colaborativos se encuentra la mayor flexibilidad que estos tienen en sus articulaciones, debido a que incluyen reductores del tipo Harmonic drive. El uso de un control de fuerza en procesos de mecanizado con brazos robots permite controlar y corregir en tiempo real las desviaciones generadas por la flexibilidad en las articulaciones del robot. Utilizar este método de control es beneficioso en cualquier brazo robot; sin embargo, el control interno que incluyen los robots colaborativos presenta ventajas que permiten que el control de fuerza pueda ser aplicado de una manera más eficiente. En el presente trabajo se desarrolla una propuesta real para la inclusión del control de esfuerzos en el brazo robot, así como también, se evalúa y cuantifica la capacidad de los robots industriales y colaborativos en tareas de mecanizado. La propuesta plantea cómo mejorar la utilización de un control de fuerza por bucle interior/exterior aplicado en un brazo colaborativo cuando se desconocen los pares reales de los motores del robot, así como otros parámetros internos que los fabricantes no dan a conocer. Este bucle de control interior/exterior ha sido utilizado en aplicaciones de pulido y lijado sobre diferentes materiales. Los resultados indican que el robot colaborativo es factible para realizar tales operaciones de mecanizado. Sus mejores resultados se obtienen cuando se utiliza un bucle de control interno por velocidad y un bucle de control externo de fuerza con algoritmos, Proporcional-Integral-Derivativo o Proporcional más Pre-Alimentación de la Fuerza.[CA] El mecanitzat amb braços robots ha estat estudiat aproximadament des dels anys 90, durant aquest temps s'han dut a terme importants avanços i descobriments en el que fa al seu camp d'aplicació. En general, els robots manipuladors tenen molts beneficis i avantatges al ser usats en operacions de mecanitzat, com ara, flexibilitat, gran àrea de treball i facilitat de programació, entre d'altres, davant de Màquines Eines de Control Numèric (MECN) que necessiten d'una gran inversió per treballar peces molt grans o incrementar els seus graus de llibertat. Com a desavantatges, enfront de les MECN, els braços robòtics posseeixen menor rigidesa, el que combinat amb les altes forces produïdes en els processos de mecanitzat fa que apareguin errors de precisió, desviacions en les trajectòries, vibracions i, per tant, una mala qualitat en les peces fabricades. Entre els braços robots, els braços col·laboratius estan en auge a causa de la seva programació intuïtiva i a les seves mesures de seguretat, que els permeten treballar en el mateix espai que els operadors sense que aquests corrin riscos. Com desavantatge afegida als robots col·laboratius es troba la major flexibilitat que aquests tenen en les seves articulacions, a causa de que inclouen reductors del tipus Harmonic drive. L'ús d'un control de força en processos de mecanitzat amb braços robots permet controlar, i corregir, en temps real les desviacions generades per la flexibilitat en les articulacions del robot. Utilitzar aquest mètode de control és beneficiós en qualsevol braç robot, però, el control intern que inclouen els robots col·laboratius presenta avantatges que permeten que el control de força es puga aplicar d'una manera més eficient. En el present treball es desenvolupa una proposta real per a la inclusió del control d'esforços en el braç robot, així com s'avalua i quantifica la capacitat dels robots industrials i col·laboratius en tasques de mecanitzat. La proposta planteja com millorar la utilització d'un control de força per bucle interior/exterior aplicat en un braç col·laboratiu, quan es desconeixen els parells reals dels motors del robot, així com altres paràmetres interns que els fabricants no donen a conèixer. Aquest bucle de control interior/exterior ha estat utilitzat en aplicacions de polit sobre diferents materials. Els resultats indiquen que el robot col·laboratiu és factible de realitzar aquestes operacions de mecanitzat. Els seus millors resultats s'obtenen quan s'utilitza un bucle de control intern per velocitat i un bucle de control extern de força amb els algoritmes Proporcional-Integral-Derivatiu o Proporcional més Pre-alimentació de la Força.[EN] Machining with robot arms has been studied approximately since the 90s; during this time, important advances and discoveries have been made in its field of application. In general, manipulative robots have many benefits and advantages when they are used in machining operations, such as flexibility, large work area, and ease of programming, among others, compared to Numerical Control Machine Tools (NCMT) that need a great investment to work very large pieces or increase their degrees of freedom. As for disadvantages, compared to NCMT, robotic arms have lower rigidity, which, combined with the high forces produced in machining processes, causes precision errors, path deviations, vibrations, and, consequently, poor quality in the manufactured parts. Among robot arms, collaborative arms are on the rise due to their intuitive programming and safety measures, which allow them to work in the same space without risk for the operators. An added disadvantage of collaborative robots is their flexibility in their joints because they include Harmonic drive type reducers. The use of force control in machining processes with robot arms makes possible to control and correct, in real-time, the deviations generated by the flexibility in the robot's joints. The use of this control method is beneficial for any robot arm. However, the internal control included in collaborative robots has advantages that allow the force control to be applied more efficiently. In this work, a real proposal is developed to include effort control in the robot arm. The capacity of industrial and collaborative robots in machining tasks is evaluated and quantified. The proposal recommends how to improve the use of an inner/outer force control loop applied in a collaborative arm, when the real torques of the robot's motors are unknown and other internal parameters that manufacturers do not disclose. This inner/outer control loop has been used in polishing and sanding applications on different materials. The results indicate that the collaborative robot is feasible to perform such machining operations. Best results are obtained using an internal velocity control loop and external force control loop with Proportional-Integral-Derivative or Proportional plus Feed Forward.The authors are grateful for the financial support of the Spanish Ministry of Economy and European Union, grant DPI2016-81002-R (AEI/FEDER, UE). This work was funded by the CONICYT PFCHA/DOCTORADO BECAS CHILE/2017 – 72180157.Pérez Ubeda, RA. (2022). Propuesta de inclusión de esfuerzos en el control de un brazo robot para asegurar el cumplimiento de la rugosidad superficial durante operaciones de lijado en diferentes materiales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182000TESISCompendi

Вимірювання крутного моменту для дослідження енергетичних характеристик приводів електромобілей

Purpose. Development of a torque measuring unit as part of a laboratory complex for studying the energy characteristics of electric drives for the purpose of mathematical modeling of the dynamic operating modes of an electric vehicle drive. Research methods. Physical experiment, regression analysis, interpolation. Findings. A torque measuring unit has been developed as part of a laboratory complex for studying the energy characteristics of electric vehicle drives, the design of which allows creating a torque on the shaft of the engine under study using a load and measuring it with a strain gauge force sensor. The laboratory stand together with the developed torque measuring unit corresponds to the required range and measurement accuracy. The experimental data obtained at the test bench make it possible to determine the dependence of the energy consumed by the drive on the mechanical power on the shaft of the engine under study, which makes it possible to analytically describe the drive under study and carry out mathematical modeling in the context of studying the influence of mechanical parameters on the consumed energy in dynamic modes of operation. Originality. A method for measuring torque on the motor shaft for studying the energy characteristics of electric vehicle drives has been developed. This method is based on the contact method of measurement, which uses 2 motors (loading and testing) and strain gauge force sensor and differs from others in the design that creates a moment on the shaft of the test motor.The result of processing the experimental data obtained by this method is the analytical dependence of the energy consumed by the drive on the value of the mechanical power on the shaft, the parameters of which are the angular speed and torque of the engine. The specified energy characteristic of the drive makes it possible, by means of mathematical modeling, to determine the electromechanical parameters of the drive, minimizing its energy consumption in dynamic modes of operation. Practical value. A method for measuring the moment on the motor shaft is proposed, with the help of which the dependence of the energy consumed by the drive on the mechanical power on the motor shaft is determined in an analytical form, which allows by mathematical modeling to find the electromechanical parameters of the system that increase the energy efficiency of the drive of an electric vehicle.Цель работы. Разработка узла измерения крутящего момента в составе лабораторного комплекса для исследования энергетических характеристик электроприводов с целью математического моделирования динамических режимов работ привода электрического транспортного средства. Методы иссследования. Физический эксперимент, регрессионный анализ, интерполяция. Полученные результати. Разработан узел измерения крутящего момента в составе лабораторного комплекса исследования энергетических характеристик приводов электрических транспортных средств, конструкция которого позволяет создавать крутящий момент на валу исследуемого двигателя с помощью нагрузочного и измерять его тензометрическим датчиком силы. Лабораторный стенд совместо с разработанным узлом измерения момента соответствует требуемому диапазону и точности измерений. Полученные на стенде экспериментальные данные позволяют определить зависимость потребляемой приводом энергии от механической мощности на валу исследуемого двигателя, что дает возможность аналитически описать исследуемый привод и провести математическое моделирование в контексте исследования влияния механических параметров на потребленную энергию в динамических режимах работы. Научная новизна. Разработан способ измерения крутящего момента на валу двигателя для исследования энергетических характеристик приводов электрических транспортных средств. Указанный способ базируется на контактном методе измерения, который использует 2 двигателя (нагрузочный и исследуемый) и тензометрический датчик силы и отличается от других конструкцией, что создает момент на валу исследующего двигателя. Результатом обработки экспериментальных данных, полученных данным способом, является аналитическая зависимость потребляемой приводом энергии от значения механической мощности на валу, параметрами которой являются угловая скорость и крутящий момент двигателя. Указанная энергетическая характеристика привода позволяет путем математического моделирования определить электромеханические параметры привода, минимизирующие его энергопотребление в динамических режимах работы. Практическая ценность. Предложен способ измерения момента на валу двигателя, с помощью которого определена в аналитическом виде зависимость потребляемой приводом энергии от механической мощности на валу двигателя, что позволяет путем математического моделирования найти электромеханические параметры системы, повышающие энергоэффективность привода электрического транспортного средства.Мета роботи. Розробка вузла вимірювання крутного моменту, у складі лабораторного комплексу для дослідження енергетичних характеристик електроприводів з метою математичного моделювання динамічних режимів роботи приводу електричного транспортного засобу. Методи дослідження . Фізичний експеримент, регресійний аналіз, інтерполяція. Отримані результати. Розроблено вузол вимірювання крутного моменту у складі лабораторного комплексу дослідження енергетичних характеристик приводів електричних транспортних засобів, конструкція якого дозволяє створювати крутний момент на валу досліджуваного двигуна за допомогою навантажувального і вимірювати його тензометричним датчиком сили. Лабораторний стенд разом із розробленим вузлом вимірювання моменту відповідає необхідному діапазону та точності вимірювань. Отримані на стенді експериментальні дані дозволяють визначити залежність споживаної електроприводом енергії від механічної потужності на валу досліджуваного двигуна, що дає можливість аналітично описати досліджуваний привод і провести математичне моделювання в контексті дослідження впливу механічних параметрів на спожиту енергію в динамічних режимах роботи. Наукова новизна. Розроблено спосіб вимірювання крутного моменту на валу двигуна для дослідження енергетичних характеристик приводів електричних транспортних засобів. Вказаний спосіб базується на контактному методі вимірювання, який використовує 2 двигуна (навантажувальний і досліджувальний) та тензометриичний датчик сили, відрізняється від інших конструкцією, що створює момент на валу досліджувального двигуна. Результатом обробки експериментальних даних, отриманих даним способом, є аналітична залежність споживаної приводом енергії від значення механічної потужності на валу, параметрами якої є кутова швидкість і крутний момент двигуна. Зазначена енергетична характеристика приводу дозволяє шляхом математичного моделювання визначити електромеханічні параметри приводу, що мінімізують його енергоспоживання у динамічних режимах роботи. Практична цінність. Запропоновано спосіб вимірювання моменту на валу двигуна, за допомогою якого визначена в аналітичному вигляді залежність енергії, що споживається приводом, від механічної потужності на валу двигуна. Це дозволяє шляхом математичного моделювання знайти електромеханічні параметри системи, що підвищують енергоефективність приводу електричного транспортного засобу

A Low-Cost Digital Torquemeter Coordinated by Arduino Board

Lab based experimental procedure requires standardized instrument for data acquisition and analysis in which is costly. However, self-made and well calibrated instrument is cost effective in contrast to industrial grade scientific instrument. Therefore, a low-cost torquemeter system is developed to investigate the torque generated by wind turbine system. The presented torquemeter system comprises of two subsystems namely photointerrupter (primary) and load cell (secondary). The reliability of the developed system is analyzed by stages in order to verify the effectiveness in acquiring measurement namely RPM, weight (load) and torque. It is found that 5 kg load cell illustrated unsteady noise behavior relative to the defined calibration weight. Meanwhile, the percentage of accuracy (Pa) of final 3th reading is Pa = 94.709 %, 97.32 %, 98.826 % for 10 g, 20 g and 100 g respectively. Measurement acquired from torquemeter system is compared against 2D CFD numerical model under similar flow condition. Results shows that the measurement of torquemeter system is Mt = 0.731842 and as for CFD model is Mt = 0.82553 which results in error (%) of Pe = 11.35 %. However, the CFD numerical model has overpredicted moment value since it has compensated the blockage factor and external environmental factors. It is safe to say, that the presented instrument is applicable and feasible for WT torque acquisition

A Low-Cost Digital Torquemeter Coordinated by Arduino Board

Lab based experimental procedure requires standardized instrument for data acquisition and analysis in which is costly. However, self-made and well calibrated instrument is cost effective in contrast to industrial grade scientific instrument. Therefore, a low-cost torquemeter system is developed to investigate the torque generated by wind turbine system. The presented torquemeter system comprises of two subsystems namely photointerrupter (primary) and load cell (secondary). The reliability of the developed system is analyzed by stages in order to verify the effectiveness in acquiring measurement namely RPM, weight (load) and torque. It is found that 5 kg load cell illustrated unsteady noise behavior relative to the defined calibration weight. Meanwhile, the percentage of accuracy (Pa) of final 3th reading is Pa = 94.709 %, 97.32 %, 98.826 % for 10 g, 20 g and 100 g respectively. Measurement acquired from torquemeter system is compared against 2D CFD numerical model under similar flow condition. Results shows that the measurement of torquemeter system is Mt = 0.731842 and as for CFD model is Mt = 0.82553 which results in error (%) of Pe = 11.35 %. However, the CFD numerical model has overpredicted moment value since it has compensated the blockage factor and external environmental factors. It is safe to say, that the presented instrument is applicable and feasible for WT torque acquisition

A low-cost digital torquemeter coordinated by arduino board

Torquemeter is a transducer for measuring rotational force and converting it into electronic output signal. In this paper, the techniques to fabricate a low cost yet effective torquemeter system is introduced. The device is calibrated and tested to prove it effectiveness and robustness. The system is developed to investigate the torque generated by wind turbine system. The presented torquemeter system comprises of two subsystems namely photointerrupter (primary) and load cell (secondary). The reliability of the developed system is analyzed by stages in order to verify the effectiveness in acquiring measurement namely RPM, weight (load) and torque. It is found that 5 kg load cell illustrated unsteady noise behavior relative to the defined calibration weight. Meanwhile, the percentage of accuracy (Pa) of final 3th reading is Pa = 94.709 %, 97.32 %, 98.826 % for 10 g, 20 g and 100 g respectively. Measurement acquired from torquemeter system is compared against 2D CFD numerical model under similar flow condition. Results shows that the measurement of torquemeter system is Mt = 0.731842 and as for CFD model is Mt = 0.82553 which results in error (%) of Pe = 11.35 %. However, the CFD numerical model has overpredicted moment value since it has compensated the blockage factor and external environmental factors. It is safe to say, that the presented instrument is applicable and feasible for WT torque acquisitio