Conception d'un capteur de force / couple résonnant multi-axes pour la robotique

Design of Multi-Axis Resonant Force/Torque Sensor for Robotics

• Auteur / Autrice : Davinson Castano Cano
• Direction : Arnaud Hubert, Mathieu Grossard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologie industrielles
• Date : Soutenance le 09/11/2016
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-2024)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Balmès
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Hubert, Mathieu Grossard, Etienne Balmès, Pierre Duysinx, Philippe Poignet, Bernard Dulmet, Xavier Lamy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Duysinx, Philippe Poignet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Robotique

Capteurs de force

Mots clés libres

Robotique

Capteur de force

Patches piezoelectrique

Robotics

Force Sensor

Multi axis

Prestress

Frequency shift

Piezoelectric patches

Torque sensor

Résumé

Les capteurs de force / couple au poignet utilisés dans les applications robotiques augmentent les performances et la flexibilité des tâches automatisées. Ils offrent également de nouvelles possibilités dans le processus de fabrication, où un contact physique entre la pièce et l'environnement est requis. La large diffusion de ces capteurs est pour le moment limitée par leurs caractéristiques. En guise d'alternative aux capteurs de force existants dans le jeu de contraintes, notre travail présente une structure composite résonante, sensible aux multiples composantes de la force prises en compte via l'effet de précontrainte. Des patchs piézoélectriques liés structurellement sont utilisés pour amener la structure à sa résonance, qui est décalée en fonction des forces appliquées. La relation entre la force et le décalage de fréquence est modélisée en tenant compte de la multi-physique de cette structure intelligente. Un prototype a été testé et validé.

Wrist force/torque sensors used in robotic applications increase the performances and flexibility of the automated tasks. They also offer new possibilities in the manufacturing process, where physical contact between the work-piece and environment is required. The wide spreading of these sensors is for now restricted by their features. As an alternative to the existing strain­gauges force sensors, our work presents a resonant composite structure, which is sensitive to multiple components of force that are considered via the pre-stress effect. Structurally bonded piezoelectric patches are used to bring the structure to its resonance, which is shifted according to applied forces. The relationship between force and frequency shift is modelled considering the multi-physics of this smart structure. A prototype was tested and validated.