Modeling piezoresistive force sensors and usage of a dataglove interface towards the impedance control of robotic manipulators

Résumé

Se presenta una interfaz basada en guantes de datos para el control de impedancia en manipuladores robóticos. La interfaz comprende un guante de datos comercial de 16 GDL para medir la posición de los dedos, una Unidad de Medidas Inerciales (UMI) para medir la orientación de la mano en el espacio y por último, un total de 11 sensores piezoresistivos encargados de medir la fuerza aplicada por el operador. El banco de pruebas de la interfaz incluyó un manipulador de 6 GDL dotado de una celda de carga instalada cerca de su elemento final. El desempeño de la interfaz se evaluó inicialmente mediante pruebas estáticas, en la cuales las lecturas de fuerza de la celda de carga fueron usadas como referencia. La prueba final de la interfaz comprendió la implementación de un algoritmo de control de impedancia, en el cual las lecturas de fuerza arrojadas por la interfaz fueron usadas para controlar el movimiento del manipulador. Adicionalmente se presenta el modelado del sensor piezoresistivo FlexiForce modelo A201-100. El sensor, usado en la interfaz basada en guantes de datos, fue ampliamente caracterizado en condiciones de excitación de Corriente Continua (CC) y Alterna (CA) bajo múltiples fuerzas y empleando diferentes concentradores de fuerza con diferentes áreas. Se encontraron tres nuevas propiedades que amplían las capacidades del sensor y mejoran su desempeño. La primera mejora abarca el estudio de la no linealidad de amplitud bajo condiciones de excitación inferiores a 1 V. Específicamente se encontró que el sensor muestra una respuesta del tipo arco-tangente hiperbólica para variaciones en la amplitud de entrada respecto a la tensión de salida del dispositivo. El estudio detallado de la no linealidad de amplitud, también conocida como no linealidad resistiva, permitió formular un método para estimar la sensibilidad del sensor bajo condiciones de excitación inferiores a 1 V. La segunda mejora abarca el descubrimiento y uso de la propiedad piezocapacitiva para disminuir el error de estimación de fuerza. Se demostró que combinando las variaciones de capacitancia con las de resistencia es posible aumentar la precisión y la exactitud en las lecturas de fuerza. Dicha combinación fue realizada mediante tres diferentes métodos detallados en la memoria de tesis. La reducción del error de estimación de fuerza fue en promedio igual a 64% para los 8 sensores bajo estudio. En tercer y último lugar se demostró que mediante una estimación que abarque lecturas de capacitancia y conductancia es posible estimar tanto la fuerza aplicada como el área de esfuerzo. Este resultado es de gran relevancia para el desarrollo de pieles robóticas que emulen la funcionalidad de las pieles humanas.