Geometrical, mechanical and transduction techniques for designing multi-axis force-torque sensors for robotic applications

Résumé

Ce projet s’inscrit dans l’effort initié par Vincent Duchaine, professeur au laboratoire de Commande et de Robotique (CoRo), afin d’améliorer l’interaction physique entre les humains et les robots. Un aspect important de ce projet concerne le retour de force et la capacité du robot à sentir les forces qui lui sont appliquées. Afin de mesurer les forces exercées par exemple sur le poignet d’un robot humanoïde, les capteurs de force et de couple multi-axes sont essentiels. À l’aide de ces capteurs, le robot peut détecter les obstacles, éviter les collisions et faire le travail en toute sécurité. Nous émettons l’hypothèse qu’une meilleure qualité de mesure de la force associée à une strategie de commande en force pourrait contribuer à améliorer la dextérité de ces robots. À cette fin, nous visons à élaborer de nouvelles méthodes pour concevoir les structures compliantes qui forment le coeur de ces capteurs de force et de couple multi-axes. Les capteurs qui en résulte doivent être sensibles, avec un spectre de force suffisant et capable de mesurer des forces dans toutes les directions. En outre, ils doivent être abordable et compact pour être intégré facilement dans des systèmes robotiques. Cette thèse tente de répondre à trois questions fondamentales: 1) Quel est le meilleur indice de performance pour évaluer la géométrie de la structure compliante? 2) Quelle est la meilleure méthode systématique pour concevoir la structure mécanique? et 3) Quelle est la meilleure technique de transduction pour une meilleure compacité du capteur? Nous avons commencé notre recherche en examinant le modèle géométrique du capteur pour comprendre les équations par lequel la force et le couple sont calculés. En se basant sur cette analyse, deux indices de performance sont proposées et validées. Nous avons ensuite examiné comment le comportement et les propriétés mécaniques de la structure compliante peuvent être utilisées pour transmettre une estimation précises des forces. Grâce à une méthode de conception systématique avancée basée sur une formulation symbolique de la relation force déplacement, nous avons conçu un capteur de force triaxial compacte et économique. Notre capteur utilise un seul élement sensible basée sur la technologie capacitive pour détecter efficacement les différentes forces. Afin d’améliorer la conception de l’élément sensible, nous avons proposé une nouvelle technique de transduction. Cette technique nous a permis de construire un élement sensible multiaxial capable de détecter les composantes de la contrainte mécanique–à savoir la contrainte normale, contrainte de cisaillement et de couple. Cette utilisation innovante d’un élement sensible multiaxial nous a permis de réduire la taille du réseau des éléments sensibles et par conséquent de réduire les dimensions globale et le coût du capteur de force et de couple multi-axes. Dans une série d’expériences, nous avons vérifié que notre élement sensible multiaxial peut mesurer avec succès plusieurs forces, prouvant qu’il est prêt à être utilisé dans de nombreuses applications robotiques.

Date	14 déc. 2015
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vincent Duchaine (Directeur(-trice)) & Philippe Cardou (Codirecteur(-trice))