A Novel 6-axis Force/Torque Sensor Using Inductance Sensors

要約

このペーパーでは、誘導センシング技術に基づいた新しい6軸力/トルク（F/T）センサーを紹介します。
直接接触と外部増幅を必要とする従来のひずみゲージベースのセンサーとは異なり、提案されたセンサーは非接触誘導測定を利用して、導電性ターゲットの変位を介して力を推定します。
CAN-FDベースの信号処理モジュールをPCBに直接組み込み、外部DAQシステムなしで最大4 kHzで高速データ収集を可能にすることにより、コンパクトで完全に統合されたアーキテクチャが達成されます。
センシングメカニズムは、合理的な関数フィッティングアプローチを通じてモデル化および較正され、他の非線形モデルと比較して、ルート平均平方根誤差（RMSE）、測定係数（$ r^2 $）、および直線性誤差に関して優れた性能を示しました。
静的および再現性の実験は、センサーの精度を検証し、0.03〜Nの解像度と55,000ステップを超える量子化レベルを達成し、市販のセンサーのそれを上回ります。
センサーは、低いクロストーク、高感度、堅牢なノイズ特性も示します。
そのパフォーマンスと構造により、特にコンパクトさ、非接触操作、統合処理が不可欠なシナリオでは、精密ロボットアプリケーションに適しています。

要約(オリジナル)

This paper presents a novel six-axis force/torque (F/T) sensor based on inductive sensing technology. Unlike conventional strain gauge-based sensors that require direct contact and external amplification, the proposed sensor utilizes non-contact inductive measurements to estimate force via displacement of a conductive target. A compact, fully integrated architecture is achieved by incorporating a CAN-FD based signal processing module directly onto the PCB, enabling high-speed data acquisition at up to 4~kHz without external DAQ systems. The sensing mechanism is modeled and calibrated through a rational function fitting approach, which demonstrated superior performance in terms of root mean square error (RMSE), coefficient of determination ($R^2$), and linearity error compared to other nonlinear models. Static and repeatability experiments validate the sensor’s accuracy, achieving a resolution of 0.03~N and quantization levels exceeding 55,000 steps, surpassing that of commercial sensors. The sensor also exhibits low crosstalk, high sensitivity, and robust noise characteristics. Its performance and structure make it suitable for precision robotic applications, especially in scenarios where compactness, non-contact operation, and integrated processing are essential.

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