Evaluación experimental de sensores para la medida de deflexión articular

Abstract

Este documento recoge el análisis, desarrollo y evaluación experimental de posibles soluciones para la medida de deflexión en las articulaciones flexibles de brazos robóticos de muy bajo peso diseñados para aplicaciones de manipulación aérea. El objetivo es estimar y controlar las fuerzas y pares ejercidos sobre el manipulador a partir de la deformación de un elemento elástico introducido en las articulaciones. La importancia de este trabajo reside la necesidad de obtener una medida fiable, precisa y rápida sin comprometer la característica de bajo peso de los brazos, realizando las menores modificaciones estructurales posibles. Se han propuesto distintas soluciones que pueden emplearse para este propósito, realizando pruebas extensivas sobre los dispositivos más adecuados para el montaje y decidiendo en última instancia la mejor de ellas en base a los resultados de los distintos tests. Se han considerado en un estudio preliminar diversos sensores entre los que se incluyen potenciómetros, codificadores magnéticos y sensores de distancia laser por tiempo de vuelo. Tras comparar sus características y considerar los requisitos de diseño impuestos por la aplicación, se ha decidido evaluar en profundidad los codificadores magnéticos AS5047D y los sensores de distancia VL6180X. En particular, se han obtenido resultados experimentales en diferentes condiciones de medida sobre el nivel de ruido, rango de operación, resolución, tasa máxima de lectura, o efecto de perturbaciones externas.

This document includes the analysis, development and experimental evaluation of possible solutions for the measurement of the deflection in the flexible joints of very low weight robotic arms designed for aerial manipulation applications. The objective is to estimate and control the forces and torques exerted on the manipulator from the deformation of an elastic element introduced into the joints. The relevance of this work resides in the need to obtain a reliable, precise and fast measurement without compromising the low weight feature of the arms, making as few structural modifications as possible. Different solutions have been proposed to achive this purpose, carrying out extensive tests on the most suitable devices for assembly and ultimately deciding the best one based on the results of the different tests. Several sensors including potentiometers, magnetic encoders and time-of-flight laser distance sensors have been considered in a preliminary study. After comparing their characteristics and considering the design requirements imposed by the application, it was decided to evaluate in depth the AS5047D magnetic encoder and VL6180X distance sensors. In particular, experimental results have been obtained under different measurement conditions on noise level, operating range, resolution, maximum reading rate, or effect of external disturbances.