Qu’est-ce qu’un capteur de force ?
Un capteur de force est un dispositif qui mesure l’ampleur et la direction d’une force ou d’un moment.
Les capteurs de force sont essentiellement du type à 6 axes et mesurent les valeurs de force et de moment dans les directions x, y et z, respectivement. En fonction de l’utilisation prévue, il existe également des capteurs de force à 3 axes.
Les capteurs de force mesurent l’ampleur et la direction de la déformation de l’objet mesuré. Il existe des méthodes de détection des déformations par jauge de contrainte, tension, optique, capacité et autres.
Utilisations des capteurs de force
Les capteurs de force sont principalement utilisés dans les robots industriels.
Les capteurs de force doivent être sélectionnés en tenant compte de la précision, du temps de réponse, de la plage de détection de la force et du moment, et de la durabilité, en fonction de l’environnement dans lequel ils sont utilisés.
Voici quelques exemples de capteurs de force utilisés.
- Détection de la force dans les robots effectuant des opérations de montage dans le processus d’assemblage
- Détection des forces du côté du robot et du côté de l’opérateur dans un robot chirurgical médical téléopéré
- Détection de la force pour le contrôle autonome d’un robot bipède
Principe des capteurs de force
Les capteurs de force détectent les forces et les moments en utilisant la déformation de l’objet de mesure causée par la force. La déformation est mesurée à l’aide d’une contrainte, d’un déplacement ou d’un changement de caractéristique.
Les capteurs de force peuvent être classés en fonction de la méthode de mesure, et les principes de fonctionnement des capteurs de force à jauge de contrainte, piézoélectriques, optiques et capacitifs, qui sont représentatifs parmi eux, sont expliqués ci-dessous.
1. Capteurs de force à jauge de contrainte
Détecte la déformation lorsque l’objet de mesure est soumis à une force de traction ou de compression et mesure la force appliquée à l’objet de mesure en combinaison avec le facteur de jauge de l’objet de mesure.
2. Capteurs de force piézoélectriques
Le cristal intégré dans les capteurs de force émet des électrons lorsqu’il est soumis à une force. L’ampleur de la force est détectée en mesurant la quantité de ces électrons. Il est nécessaire de faire attention au contact avec l’objet à mesurer.
3. Capteurs de force optiques
Les capteurs de force optiques mesurent la force et le moment en mesurant les changements dans un motif placé sur une cible de mesure à l’aide d’une caméra ou d’un laser et en analysant le facteur de jauge de la cible de mesure. Ils fonctionnent sans contact.
4. Capteurs de force capacitifs
Les capteurs de force capacitifs détectent la force en mesurant le changement de la quantité de charge électrostatique générée lorsqu’une force est appliquée à deux plaques parallèles et que la distance entre les plaques change. Ils se caractérisent par leur facilité de configuration.
Utilisation
Les capteurs de force sont des capteurs capables de détecter simultanément des forces et des moments en temps réel. Ils peuvent être fixés à l’extrémité d’un robot pour détecter les forces externes et les forces de réaction.
En faisant manipuler par une personne un robot équipé de capteurs de force, il est possible de réaliser un travail coopératif entre une personne et un robot.
De plus, l’utilisation de capteurs de force permet d’effectuer des travaux détaillés qui nécessitent des ajustements de force infimes.
En particulier, dans le domaine de la fabrication, l’utilisation de capteurs de force permet d’automatiser des tâches qui nécessitaient auparavant de la précision et n’étaient difficiles que pour des artisans qualifiés, améliorant ainsi la productivité.
Dans le domaine médical, les capteurs de force devraient être utilisés pour les traitements médicaux à distance, comme le diagnostic tactile pour comprendre l’état d’une zone affectée.
Capteurs de force HDR
Il existe des capteurs de force à gamme dynamique élevée (HDR). Les capteurs de force HDR ont une large gamme dynamique de force allant d’un poids de 10 grammes à un poids de 20 kilogrammes. En combinant l’IA et la technologie robotique avec les capteurs de force HDR, il est possible de réaliser des opérations d’assemblage fin tout en ajustant des forces infimes. De plus, la capacité de détecter l’achèvement des opérations d’assemblage de produits sur les sites de production par un mouvement de cliquetis devrait faire progresser les opérations d’assemblage robotisées.
Capteurs de force capacitifs
Parmi les capteurs de force, il existe un type de capteurs de force appelés capteurs de force capacitifs. Ces capteurs de force se caractérisent par leur capacité à détecter des composants à 6 axes à l’aide de deux ensembles de plaques parallèles (électrodes). Cela permet une structure simple et un faible coût.
Certains capteurs sont également équipés d’un mécanisme d’arrêt de prévention des surcharges à l’intérieur du capteur, ce qui l’empêche d’être détruit par une surcharge.
En ce moment, les capteurs de force sont largement utilisés dans le domaine de la robotique industrielle. La demande devrait croître de plus en plus à mesure que l’industrie manufacturière s’automatise.