ES2358655A1 - Three-axis touchscreen sensor. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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ES2358655A1 ES200901904A ES200901904A ES2358655A1 ES 2358655 A1 ES2358655 A1 ES 2358655A1 ES 200901904 A ES200901904 A ES 200901904A ES 200901904 A ES200901904 A ES 200901904A ES 2358655 A1 ES2358655 A1 ES 2358655A1
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Raul Martin Delgado
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Abstract

The present invention relates to a three-axis touch sensor comprising an elastic body inside which a permanent magnet is located, said elastic body being placed on a rigid support, and three hall effect sensors located below said support rigid and placed so that they are inside the projection of the area of the magnet forming a triangle around the perpendicular axis of said magnet, so that when a force is applied on the elastic body a displacement of the magnet occurs causing a magnetic field that it is detected by the hall effect sensors, said magnetic field being indicative of the magnitude and direction of the displacement. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

Sensor táctil de tres ejes.Three axis touch sensor.

Campo de la invenciónField of the Invention

La presente invención se enmarca dentro del campo de la robótica y, en particular, se refiere a sensores táctiles de tres ejes capaces de medir las deformaciones en objetos causadas por las fuerzas que actúan sobre el pie de un robot humanoide.The present invention is framed within the field of robotics and, in particular, refers to sensors three-axis tactile devices capable of measuring deformations in objects caused by the forces acting on the foot of a robot humanoid

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Antecedentes Background

Los robots, tanto los denominados industriales como los robots humanoides, necesitan conocer información de sí mismos y del entorno que les rodea. En este sentido, los sensores propioceptivos son aquellos que permiten la medición del estado interno del robot, posición angular de cada uno de los grados de libertad, carga de las baterías, etc. Por su parte, los sensores exteroceptivos se emplean para la percepción y medida de aspectos externos al robot, como por ejemplo, la temperatura, presión y localización de objetos.The robots, both the so-called industrial like humanoid robots, they need to know information about each other themselves and the environment around them. In this sense, the sensors proprioceptives are those that allow the measurement of the state internal robot, angular position of each of the degrees of freedom, battery charge, etc. On the other hand, the sensors exteroceptives are used for the perception and measurement of aspects external to the robot, such as temperature, pressure and Object location

Un aspecto muy importante es la medición de fuerzas que actúan sobre la suela del pie del robot humanoide. Para ello, y dentro del área de los sensores exteroceptivos, se han ido desarrollando diversos sensores táctiles que permiten medir las deformaciones causadas en los objetos como consecuencia de las mencionadas fuerzas. Según su comportamiento físico, estos sensores táctiles artificiales se clasifican en sensores piezoeléctricos, sensores capacitivos, sensores resistivos, sensores de celda de carga, galgas extensiométricas, sensores de efecto magnético, acelerómetros, sensores biopotenciales, sensores basados en análisis de color, etc.A very important aspect is the measurement of forces acting on the sole of the humanoid robot's foot. For this, and within the area of exteroceptive sensors, they are gone developing various touch sensors that allow measuring deformations caused on objects as a result of mentioned forces. According to their physical behavior, these sensors Artificial tactiles are classified into piezoelectric sensors, capacitive sensors, resistive sensors, cell sensors load, strain gauges, magnetic effect sensors, accelerometers, biopotential sensors, analysis based sensors of color, etc.

No obstante, las principales limitaciones que presentan estos sensores es que algunos sólo miden las fuerzas perpendiculares a la superficie en la que se encuentran y otros, aunque sí son capaces de medir fuerzas en los tres ejes, no soportan las fuerzas a las que se ve sometida la suela del pie de un robot humanoide.However, the main limitations that present these sensors is that some only measure the forces perpendicular to the surface they are in and others, although they are capable of measuring forces on all three axes, they do not support the forces to which the sole of a robot's foot is subjected humanoid

Así, se han desarrollado varios sensores de tres ejes para intentar detectar el desplazamiento o medir la fuerza en los tres ejes. Kobayashi et al. [IEICE Transactions on Electronics, 1991, J74-C-II, 5, 427-433] desarrollaron un prototipo de sensor táctil de tres ejes utilizando un array bidimensional de estructuras de silicona con celdas de carga fijas. No obstante, la fabricación de este tipo de sensores, además de ser laboriosa, es excesivamente cara. Ohka et al. [Advances Information Storage Systems, 1999, 10, 313-325] propusieron un método que medía un vector de fuerza utilizando la variación del índice de refracción en una guía de ondas óptica con forma de yema de dedo. La aplicación de este sensor táctil en el dedo de un robot es bastante sencilla pero el sistema sensor requiere adicionalmente un dispositivo de imagen. Shinoda et al. [In Proc. of the 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, 2001, 2, 1430-1433] propusieron un elemento sensor táctil de tres ejes basado en una cavidad ultrasónica y comprobaban la capacidad para detectar el coeficiente de fricción mediante la medida de la frecuencia resonante de la cavidad. Sin embargo, este sensor permitía medir el coeficiente de fricción sólo en el momento del contacto, y además se hacía difícil reducir el tamaño del elemento sensor.Thus, several three-axis sensors have been developed to try to detect displacement or measure the force on all three axes. Kobayashi et al . [ IEICE Transactions on Electronics , 1991, J74-C-II, 5, 427-433] developed a three-axis touch sensor prototype using a two-dimensional array of silicone structures with fixed load cells. However, the manufacture of this type of sensors, besides being laborious, is excessively expensive. Ohka et al . [ Advances Information Storage Systems , 1999, 10, 313-325] proposed a method that measured a force vector using the variation of the index of refraction in a fingertip-shaped optical waveguide. The application of this touch sensor on the finger of a robot is quite simple but the sensor system additionally requires an imaging device. Shinoda et al . [ In Proc. of the 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators , 2001, 2, 1430-1433] proposed a three-axis touch sensor element based on an ultrasonic cavity and tested the ability to detect the coefficient of friction by frequency measurement resonant of the cavity. However, this sensor allowed to measure the coefficient of friction only at the time of contact, and it was also difficult to reduce the size of the sensor element.

El desplazamiento sobre el suelo puede medirse utilizando dispositivos piezoeléctricos. Así, Son et al. [In Proc. of the 1994 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1994, 471-476] desarrollaron un sensor táctil con tiras de film piezoeléctrico para detectar el desplazamiento incipiente y el de contacto. Sin embargo, el vector fuerza no era capaz de medirlo adecuadamente. Jockusch et al. [In Proc. of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1997, 3080-3086] prototiparon un sensor táctil utilizando también un dispositivo piezoresistivo y un dispositivo piezoeléctrico colocados en capas para realizar la medida simultánea de la fuerza de contacto y la posición y detectar el desplazamiento, no obstante, este sensor híbrido resultaba excesivamente complicado y su estructura periférica muy voluminosa.Ground displacement can be measured using piezoelectric devices. Thus, Son et al . [ In Proc. of the 1994 IEEE International Conference on Robotics and Automation , 1994, 471-476] developed a touch sensor with strips of piezoelectric film to detect incipient and contact displacement. However, the force vector was not able to measure it properly. Jockusch et al . [ In Proc. of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation , 1997, 3080-3086] prototyped a touch sensor using also a piezoresistive device and a piezoelectric device placed in layers to simultaneously measure the contact force and position and detect displacement However, this hybrid sensor was excessively complicated and its peripheral structure was very bulky.

Recientemente, Takenawa [Proc. of the 2009 IEEE International Conference on Mechtronics, 2009] ha desarrollado un sensor táctil para la medida de fuerzas en tres direcciones basado en el campo magnético. Dicho sensor está basado en la inducción electromagnética y su estructura consiste en un cuerpo elástico que contiene un imán permanente ubicado sobre un sustrato rígido y cuatro bovinas encapsuladas. La tensión es generada por cada bobina en respuesta a la aplicación de un vector fuerza que deforma el cuerpo elástico y produce un desplazamiento en el imán. No obstante, la principal desventaja que presenta este sensor es que depende de la variación del campo magnético, por lo que, para conseguir una señal o una tensión adecuada cuando la variación del campo es pequeña se necesita aumentar el tamaño de las bobinas o el número de espirales que las constituyen, lo que condiciona enormemente el tamaño final del sensor.Recently, Takenawa [ Proc. of the 2009 IEEE International Conference on Mechtronics , 2009] has developed a touch sensor for the measurement of forces in three directions based on the magnetic field. Said sensor is based on electromagnetic induction and its structure consists of an elastic body that contains a permanent magnet located on a rigid substrate and four encapsulated bovines. The tension is generated by each coil in response to the application of a force vector that deforms the elastic body and produces a displacement in the magnet. However, the main disadvantage of this sensor is that it depends on the variation of the magnetic field, so, in order to achieve an adequate signal or voltage when the field variation is small, it is necessary to increase the size of the coils or the number of spirals that constitute them, which greatly conditions the final size of the sensor.

A la vista de los inconvenientes que presentan los sensores propuestos hasta la fecha, se hace necesario el desarrollo de sensores táctiles de tres ejes que permitan medir la fuerza en tres direcciones adecuadamente y con un tamaño más reducido para una mejor implementación en la estructura de un robot.In view of the inconveniences they present the sensors proposed to date, the development of three-axis touch sensors that allow measuring the force in three directions properly and with one more size reduced for better implementation in the structure of a robot.

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Breve descripción de la invenciónBrief Description of the Invention

Los autores de la presente invención han observado que la sustitución de cuatro bobinas encapsuladas, como las empleadas en el sensor de Takenawa, por tres sensores de efecto Hall permite no sólo efectuar una medida adecuada de la fuerza en tres direcciones, sino además reducir en gran medida las dimensiones finales del sensor táctil. Esto se debe fundamentalmente a que, a diferencia de las mencionadas bobinas, la tensión generada en los sensores de tipo Hall depende del valor del campo magnético y no de su variación, por lo que no se requiere que dichos sensores o celdas sensores tengan un mayor tamaño cuando las variaciones de dicho campo son reducidas. Además, mediante el sensor táctil de la invención se reduce a tres el número de celdas sensores y dado que éstas se ubican dentro de la proyección del área del imán, con esta disposición se consigue ocupar el mínimo espacio y con ello obtener una mayor densidad de sensores. Una ventaja adicional que presenta el sensor de la invención es ser un sensor estático, es decir, no necesita una variación de la posición del imán para medir una fuerza, lo que permite por ejemplo la medida de fuerzas constantes. Asimismo, el algoritmo de medida se basa en una tabla precalculada que realiza operaciones simples, lo que conlleva un menor coste computacional.The authors of the present invention have noted that the replacement of four encapsulated coils, such as those used in the Takenawa sensor, for three effect sensors Hall allows not only to make an adequate measure of the force in three directions, but also greatly reduce the dimensions Touch sensor end. This is mainly due to the fact that Unlike the aforementioned coils, the voltage generated in the Hall type sensors depend on the value of the magnetic field and not their variation, so that these sensors or cells are not required sensors have a larger size when the variations of said Field are reduced. In addition, using the touch sensor of the invention is reduced to three the number of sensor cells and since these are located within the projection of the area of the magnet, with this provision is achieved occupy the minimum space and thereby obtain higher sensor density An additional advantage that it presents the sensor of the invention is to be a static sensor, that is, not you need a variation of the position of the magnet to measure a force, which allows for example the measurement of constant forces. Also, the measurement algorithm is based on a precalculated table that performs simple operations, which entails a lower cost computational

Así, en un primer aspecto la presente invención se relaciona con un sensor táctil de tres ejes que comprende:Thus, in a first aspect the present invention It is related to a three-axis touch sensor comprising:

--
un cuerpo elástico que comprende una primera cara y una segunda cara, donde ambas caras son sustancialmente paralelas;a elastic body comprising a first face and a second face, where both faces are substantially parallel;

--
un imán permanente ubicado en el interior del cuerpo elástico, o bien fuera de él ubicado de forma adyacente a la primera cara del cuerpo elástico, de manera que el imán se encuentra dispuesto paralelamente a la primera y segunda cara del cuerpo elástico;a permanent magnet located inside the elastic body, or outside it located adjacent to the first face of the body elastic, so that the magnet is arranged in parallel to the first and second sides of the elastic body;

--
tres sensores de efecto Hall ubicados de forma adyacente a la segunda cara del cuerpo elástico formando un plano paralelo a dicha segunda cara del cuerpo elástico, y colocados de manera que se encuentran dentro de la proyección del área del imán formando un triángulo alrededor del eje de dicho imán,three Hall effect sensors located adjacent to the second elastic body face forming a plane parallel to said second elastic body face, and positioned so that they meet inside the projection of the magnet area forming a triangle around the axis of said magnet,

de manera que cuando se aplica una fuerza sobre el cuerpo elástico se produce un desplazamiento del imán provocando un campo magnético que es detectado por los sensores de efecto Hall, siendo dicho campo magnético indicativo de la magnitud y dirección del desplazamiento.so that when a force is applied on the elastic body produces a displacement of the magnet causing a magnetic field that is detected by the Hall effect sensors, said magnetic field being indicative of the magnitude and direction of displacement.

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En un segundo aspecto, la invención se dirige a un sistema robótico que comprende un sensor táctil como se ha definido previamente.In a second aspect, the invention is directed to a robotic system comprising a touch sensor as has been previously defined.

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Breve descripción de las figurasBrief description of the figures

Figura 1: Distribución física de los elementos que constituyen el sensor táctil de tres ejes.Figure 1: Physical distribution of the elements which constitute the three-axis touch sensor.

Figura 2: Representación de la evolución del error: (a) representación del error en la medida; b) evolución del error en la medida con respecto a la distancia al plano del imán para un punto concreto.Figure 2: Representation of the evolution of the error: (a) representation of the error in the measure; b) evolution of error in the measurement with respect to the distance to the plane of the magnet For a specific point.

Figura 3: Evolución del campo magnético con la distancia al eje del imán para distintas distancias al plano del imán: (a) para todo el espacio representado y (b) en la zona cercana al imán.Figure 3: Evolution of the magnetic field with the distance to the magnet axis for different distances to the plane of the magnet: (a) for all the space represented and (b) in the nearby area to the magnet

Figura 4: Diagrama de bloques de un CI sensor Hall.Figure 4: Block diagram of a sensor IC Hall.

Figura 5. Gráficas de las pruebas realizadas para una celda sensora de desplazamientos en distintos ejes: (a) respuesta del sensor ante un desplazamiento en z; (b) respuesta del sensor ante un desplazamiento en x; (c) respuesta del sensor ante un desplazamiento en y; (d) respuesta del sensor ante un desplazamiento en xy.Figure 5. Graphs of the tests performed for a displacement sensing cell in different axes: (a) sensor response to a z- shift; (b) sensor response to an x offset; (c) sensor response to a shift in y ; (d) sensor response to an xy offset.

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Descripción detallada de la invenciónDetailed description of the invention

En un primer aspecto, la invención se dirige a un sensor táctil de tres ejes que comprende un cuerpo elástico que comprende una primera cara y una segunda cara, donde ambas caras son sustancialmente paralelas; un imán permanente ubicado en el interior del cuerpo elástico, o bien fuera de él ubicado de forma adyacente a la primera cara del cuerpo elástico, de manera que el imán se encuentra dispuesto paralelamente a la primera y segunda cara del cuerpo elástico; tres sensores de efecto Hall ubicados de forma adyacente a la segunda cara del cuerpo elástico formando un plano paralelo a dicha segunda cara del cuerpo elástico, y colocados de manera que se encuentran dentro de la proyección del área del imán formando un triángulo alrededor del eje de dicho imán.In a first aspect, the invention is directed to a three-axis touch sensor comprising an elastic body that it comprises a first face and a second face, where both faces are substantially parallel; a permanent magnet located inside of the elastic body, or outside it located adjacent to the first face of the elastic body, so that the magnet is is arranged parallel to the first and second faces of elastic body; three Hall effect sensors located so adjacent to the second face of the elastic body forming a plane parallel to said second face of the elastic body, and placed of way they are within the projection of the magnet area forming a triangle around the axis of said magnet.

Mediante el sensor de la invención es posible medir el movimiento de un plano en contacto con otro inicialmente paralelo, obteniéndose así una imagen de los diferenciales de fuerzas de contacto en las tres direcciones del espacio cartesiano. Esto no sólo permite registrar irregularidades o contornos sobre las que presiona el sensor, sino también direcciones de las fuerzas aplicadas, posibles cambios de material, deslizamientos, etc.Through the sensor of the invention it is possible measure the movement of a plane in contact with another initially parallel, thus obtaining an image of the differentials of contact forces in the three directions of the Cartesian space. This not only allows to register irregularities or contours on the which presses the sensor but also directions of the forces applied, possible material changes, landslides, etc.

El funcionamiento del sensor desarrollado consiste en la medición en cada celda o cada sensor Hall (unidad de medida) del movimiento relativo del imán, también denominado chivato, provocado por la aparición de una fuerza sobre el material elástico que lo sustenta. La variación del campo magnético causado por el movimiento del imán es registrado por los tres sensores Hall ubicados en el plano fijo y rígido del sensor, los cuales producen una señal eléctrica.The functioning of the sensor developed consists of the measurement in each cell or each Hall sensor (unit of measurement) of the relative movement of the magnet, also called sneak, caused by the appearance of a force on the material elastic that sustains it. The variation of the magnetic field caused by the movement of the magnet is recorded by the three Hall sensors located in the fixed and rigid plane of the sensor, which produce An electrical signal

La figura 1 recoge la estructura de un sensor como el que se describe en la presente invención con la disposición de los diferentes elementos que constituyen dicho sensor. En concreto, muestra la disposición de estos elementos cuando el imán se encuentra ubicado de forma adyacente a la primera cara del cuerpo elástico.Figure 1 shows the structure of a sensor as described in the present invention with the arrangement of the different elements that constitute said sensor. In concrete, shows the arrangement of these elements when the magnet It is located adjacent to the first face of the body elastic.

El diámetro del imán debe ser tal que cubra los tres sensores Hall, los cuales están dispuestos de tal manera que las áreas de detección están localizadas sobre los vértices de un triángulo que rodea el eje o centro del imán.The diameter of the magnet should be such that it covers the three Hall sensors, which are arranged in such a way that the detection areas are located on the vertices of a triangle surrounding the axis or center of the magnet.

Aprovechando la linealidad del campo con esta disposición se puede calcular la posición del imán con respecto a los sensores mediante trilateración en el plano. La medida mediante trilateración en tres dimensiones no sería la más adecuada dado que el campo magnético no tiene una simetría esférica sino una simetría cilíndrica. Para realizar la medida, se ha simulado el campo magnético generado por el imán y guardado los datos en una matriz. Con el valor de los tres sensores Hall y buscando en la matriz de datos simulada anteriormente se reduce el problema de tres dimensiones a dos dimensiones.Taking advantage of the linearity of the field with this arrangement you can calculate the position of the magnet with respect to the sensors by plane trilateration. The measure by three-dimensional trilateration would not be the most appropriate given that the magnetic field does not have a spherical symmetry but a symmetry cylindrical To perform the measurement, the field has been simulated Magnetic generated by the magnet and saved the data in a matrix. With the value of the three Hall sensors and looking at the matrix of simulated data above reduces the problem of three dimensions to two dimensions.

La medida consiste por tanto en un algoritmo de optimización. Se tienen tres sensores Hall en un mismo plano y en posiciones conocidas. Al tomar una medida estos sensores proporcionan el campo magnético en cada uno de los tres puntos. Obtenida la medida del campo magnético se resuelven dos incógnitas: la distancia del plano de sensores Hall al plano del imán y la distancia de cada uno de los sensores Hall al eje del imán. Considerando la situación de que la distancia al plano del imán es máxima, la búsqueda de datos en la matriz se restringe a una única fila, la fila m. En esta fila, cada valor de campo magnético medido corresponde con una distancia al eje, es decir, con una posición en la fila entre 1 y n, ó entre 0 y (n-1) según el lenguaje de programación que se emplee. Se dispone así de un plano (el plano que dista una distancia m del plano del imán), tres puntos, que son los puntos en los que se sitúan cada uno de los sensores de efecto Hall y tres distancias, calculadas mediante la lectura de la matriz en la fila m. De esta manera, con dos de los sensores y sus dos respectivas distancias establecemos la posición del eje del imán, y con el tercer sensor y tercera distancia se mide el error cometido. En el mejor de los casos, el eje del imán distará del sensor tres una distancia R_{3}, entonces el error será 0. En el resto de casos, el modo de proceder es realizar los pasos anteriores pero con una distancia al plano del imán de (m-1) y calcular el error. Se vuelve a repetir con una distancia (m-2) y así hasta una distancia 1. En definitiva, realizando una abstracción sería recorrer la matriz por cada una de sus filas desde m hasta 1, comprobando el error que devuelve al cotejar los datos proporcionados por los tres sensores con la información que se encuentra en cada fila de la matriz.The measure therefore consists of an optimization algorithm. There are three Hall sensors in the same plane and in known positions. When taking a measurement, these sensors provide the magnetic field at each of the three points. Once the magnetic field is measured, two unknowns are solved: the distance from the Hall sensor plane to the magnet plane and the distance from each Hall sensor to the magnet axis. Considering the situation that the distance to the plane of the magnet is maximum, the search for data in the matrix is restricted to a single row, row m . In this row, each measured magnetic field value corresponds to a distance from the axis, that is, with a position in the row between 1 and n , or between 0 and ( n-1 ) according to the programming language used. There is thus a plane (the plane that is a distance m from the plane of the magnet), three points, which are the points where each of the Hall effect sensors are located and three distances, calculated by reading the matrix in row m . In this way, with two of the sensors and their two respective distances we establish the position of the axis of the magnet, and with the third sensor and third distance the error is measured. In the best case, the axis of the magnet will distract from the sensor three a distance R 3, then the error will be 0. In the rest of the cases, the procedure is to perform the previous steps but with a distance to the plane of the magnet of ( m -1) and calculate the error. It is repeated with a distance ( m -2) and thus up to a distance 1. In short, performing an abstraction would be to travel the matrix through each of its rows from m to 1, checking the error that returns when collating the data provided by the three sensors with the information found in each row of the matrix.

Comprobando cada uno de los errores se observa una característica muy importante que queda reflejada en la figura 2. Si se representa en el eje x la distancia al plano del imán y en el eje y el módulo del error calculado anteriormente se observa un mínimo relativo de la función entre 1 y m. En el mínimo, el error cometido es mínimo y se puede tomar como medida válida. De esta forma queda totalmente definida la distancia al plano del imán y la posición del eje del mismo.Checking each of the errors a very important characteristic is observed that is reflected in figure 2. If the distance to the plane of the magnet is represented on the x- axis and on the axis and the error module calculated above a relative minimum of the function between 1 and m . In the minimum, the error made is minimal and can be taken as a valid measure. In this way the distance to the plane of the magnet and the position of the axis of the magnet is completely defined.

Una vez estudiado cómo evoluciona el error en la medida conforme se producen desplazamientos en planos paralelos al plano del imán, se debe estudiar a continuación la evolución del campo magnético al alejarse del eje del imán en cada uno de los planos. Realizar este análisis es lo mismo que analizar la evolución de las filas de la matriz creada y, en una forma de realización particular, se crea una gráfica como se representa en la figura 3. En esta gráfica se relaciona la distancia al eje del imán, que queda representada en el eje x, con el módulo del campo magnético en la dirección del eje z del imán que irá representado en el eje y. Se realiza esta representación para distintas distancias al plano del imán con lo que se obtiene una familia de curvas. La curva 1 es la que está más cercana al plano del imán y la curva 30 la más alejada.Once the error in the measurement evolves as displacements occur in planes parallel to the plane of the magnet, the evolution of the magnetic field must be studied next when moving away from the axis of the magnet in each of the planes. Performing this analysis is the same as analyzing the evolution of the rows of the created matrix and, in a particular embodiment, a graph is created as shown in Figure 3. In this graph the distance to the axis of the magnet is related, which is represented on the x- axis, with the magnetic field module in the direction of the z- axis of the magnet that will be represented on the y- axis. This representation is made for different distances to the plane of the magnet with which a family of curves is obtained. Curve 1 is the one closest to the plane of the magnet and curve 30 the farthest.

Se observa en la figura 3 que el campo magnético decrece a medida que el sensor se aleja del eje del imán, no obstante, esto no se cumple en todos los casos. En la figura 3(a) se observa, y en la figura 3(b) con más claridad, que para distancias cercanas al plano del imán el campo magnético crece conforme nos acercamos al borde cilíndrico del imán, decrece bruscamente en las proximidades del borde (tanto por un lado como por el otro) para después volver a crecer suavemente. Este inconveniente puede verse superado si se restringe la zona de movimiento del sensor a zonas lo suficientemente alejadas del plano del imán.It is observed in figure 3 that the magnetic field decreases as the sensor moves away from the axis of the magnet, not However, this is not true in all cases. In the figure 3 (a) is observed, and in Figure 3 (b) more clearly, that for distances close to the plane of the magnet the magnetic field grows as we approach the cylindrical edge of the magnet, decreases sharply near the edge (both on one side and on the other) and then grow back gently. This inconvenience can be overcome if the area of sensor movement to areas far enough from the plane of the magnet.

En consecuencia y en una realización preferente de la invención, la distancia mínima entre cada uno de los sensores y el plano del imán se encuentra comprendida entre 3 y 5 mm. No obstante, esta distancia depende del tamaño del imán empleado y de la relación de aspecto. Un experto en la materia sabría cómo seleccionar la distancia mínima con el fin de evitar el mencionado inconveniente.Consequently and in a preferred embodiment of the invention, the minimum distance between each of the sensors and the plane of the magnet is between 3 and 5 mm. Do not However, this distance depends on the size of the magnet used and the aspect ratio. A subject matter expert would know how to select the minimum distance in order to avoid the aforementioned inconvenient.

De este modo, el módulo del campo magnético es decreciente conforme el punto se aleja del eje del imán y de esa forma los datos en las filas de la matriz están ordenados de mayor a menor. El hecho de tener ordenados todos estos valores conlleva la ventaja de poder emplear estrategias que permitan el ahorro de mucho tiempo de procesamiento, es decir, de algoritmos mucho más rápidos.Thus, the magnetic field module is decreasing as the point moves away from the axis of the magnet and that way the data in the rows of the array are ordered from greater to Minor. The fact of having all these values ordered implies the advantage of being able to use strategies that allow saving a lot processing time, that is, much more algorithms rapid.

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El hecho de que los sensores se encuentren siempre dentro de la proyección del área del imán se debe a que fuera de esa zona, el campo magnético empieza a variar de forma brusca y ocurre que para dos distancias al plano del imán diferentes se obtiene el mismo valor de campo magnético. Esta situación no es deseable pues el algoritmo de medida se basa, como hemos visto, en comprobaciones del campo en distintas distancias al plano del imán y si hay puntos que coinciden podría ocurrir que las soluciones sean múltiples.The fact that the sensors are always within the projection of the area of the magnet is because outside that area, the magnetic field begins to vary in shape abrupt and it happens that for two distances to the plane of the different magnet the same magnetic field value is obtained. This situation is not desirable because the measurement algorithm is based, as we have seen, on field checks at different distances to the magnet plane and if there are points that coincide it could happen that the solutions are multiple.

En una realización particular de la invención, los sensores Hall se disponen de tal manera que las áreas de detección están localizadas sobre los vértices de un triángulo equilátero cuyo circuncentro coincide con el eje o centro del imán.In a particular embodiment of the invention, Hall sensors are arranged in such a way that the areas of detection are located on the vertices of a triangle equilateral whose circumcenter coincides with the axis or center of the magnet.

Mediante la distribución de los sensores en forma de triángulo equilátero se consigue un ahorro considerable en el gasto computacional dado que los datos generados pueden ser menores consiguiendo la misma sensibilidad. Para ilustrar esta ventaja se tomará el ejemplo de que la distancia al centro del imán varía entre 1 mm y 3 mm para el sensor 1, la del sensor 2 varía entre 2 mm y 3 mm y la del sensor 3 entre 3 mm y 5 mm. Para ello, se debe guardar una tabla que contemple los valores entre 1 y 5 mm, si tomamos 256 muestras, la sensibilidad será de 5 mm/256 lo que supone 0.02 mm/muestra o, de otra forma, para conseguir una sensibilidad de 0.05 mm/muestra, el número de muestras a guardar será de 100 muestras (5 mm/0.05 mm). Si el imán se sitúa en el circuncentro del triángulo equilátero que forman los tres sensores Hall, las distancias variarán por ejemplo entre 2 mm y 4 mm, por lo que para obtener una sensibilidad de 0.05 mm se necesitan únicamente 40 muestras en lugar de las 100 anteriores.By distributing the sensors in equilateral triangle shape achieves considerable savings in the computational expense given that the data generated can be minors getting the same sensitivity. To illustrate this advantage will be taken the example that the distance to the center of the magnet varies between 1 mm and 3 mm for sensor 1, sensor 2 varies between 2 mm and 3 mm and that of sensor 3 between 3 mm and 5 mm. To do this, it you must save a table that includes values between 1 and 5 mm, if We take 256 samples, the sensitivity will be 5 mm / 256 which means 0.02 mm / sample or, otherwise, to achieve a sensitivity of 0.05 mm / sample, the number of samples to be saved will be 100 samples (5 mm / 0.05 mm). If the magnet is placed in the circumcenter of the equilateral triangle formed by the three Hall sensors, the distances will vary for example between 2 mm and 4 mm, so for to obtain a sensitivity of 0.05 mm, only 40 are needed samples instead of the previous 100.

Por otra parte, y como se ha comentado anteriormente, conforme disminuye la distancia al eje del imán, la variación del campo magnético en el eje z disminuye con respecto a este desplazamiento, lo que provoca que la sensibilidad del sensor con respecto a estos desplazamientos en la zona indicada sea más pequeña. Por lo tanto, en una realización preferente de la invención, la distancia mínima entre cada uno de los sensores y el eje del imán es de al menos el 7% del radio del imán.On the other hand, and as mentioned above, as the distance to the magnet axis decreases, the variation of the magnetic field in the z axis decreases with respect to this displacement, which causes the sensor sensitivity with respect to these displacements in The indicated area is smaller. Therefore, in a preferred embodiment of the invention, the minimum distance between each of the sensors and the axis of the magnet is at least 7% of the radius of the magnet.

En una realización particular de la invención, se pueden utilizar sensores de efecto Hall con salida digital PWM, sensores con salida analógica o sensores programables con salida analógica. En la figura 4 se muestra un esquema con los bloques funcionales que componen un sensor de efecto Hall. Estos sensores comprenden además unos elementos de compensación de temperatura, de compensación de los esfuerzos mecánicos y amplificación de señal, dado que el sensor Hall es muy dependiente de la temperatura y de los esfuerzos mecánicos.In a particular embodiment of the invention, Hall effect sensors with PWM digital output can be used, sensors with analog output or programmable sensors with output analogue A diagram with the blocks is shown in Figure 4 functional components of a Hall effect sensor. These sensors they also comprise temperature compensation elements, of compensation of mechanical stress and signal amplification, since the Hall sensor is very dependent on temperature and mechanical stresses

En una realización preferente de la invención, el sensor Hall es un sensor Hall con salida analógica, más preferentemente es un sensor Al322 de Allegro. Estos sensores proporcionan una tensión de salida proporcional al campo magnético aplicado. Tienen una tensión de salida a campo 0 Gauss del 50% de la tensión de alimentación Vcc y una sensibilidad de entre 2,5 y 5 mV/G. Cada dispositivo integra un elemento Hall con compensación de temperatura, un amplificador con baja impedancia de salida y un sistema de cancelación de offset con un reloj de alta frecuencia que permite frecuencias de muestreo superiores que resultan en mayor precisión y mayor rapidez en la capacidad del procesamiento de la señal. Esta técnica produce un dispositivo con una tensión de salida muy estable e inmune al estrés mecánico.In a preferred embodiment of the invention, the Hall sensor is a Hall sensor with analog output, more preferably it is an Allegro Al322 sensor. These sensors provide an output voltage proportional to the applied magnetic field. They have a 0 Gauss field output voltage of 50% of the Vcc supply voltage and a sensitivity of between 2.5 and 5 mV / G. Each device integrates a Hall element with temperature compensation, an amplifier with low output impedance and an offset cancellation system with a high frequency clock that allows higher sampling frequencies that result in greater accuracy and faster processing capacity Of the signal. This technique produces a device with a very stable output voltage and immune to mechanical stress.

Por lo que respecta a la composición del imán, y en una realización particular, éste puede ser un imán de ferrita, un imán de neodimio o un imán de samario.As regards the composition of the magnet, and In a particular embodiment, this may be a ferrite magnet, a Neodymium magnet or samarium magnet.

Las ferritas se caracterizan por presentar una gran remanencia después de su magnetización, proporcionan un flujo magnético moderado en función del volumen. Están compuestas por aleaciones de ferrita, cobalto y bario. Por su parte, los imanes de neodimio están compuestos por tierras raras, aleación de neodimio, hierro y boro y recubiertos por un baño estándar de níquel, plata o zinc para evitar su corrosión. Los imanes de samario son una aleación por sinterizado de hierro, samario y cobalto y otros elementos secundarios.Ferrites are characterized by presenting a great remanence after magnetization, provide a flow Moderate magnetic depending on volume. They are composed of ferrite, cobalt and barium alloys. On the other hand, the magnets of Neodymium are composed of rare earths, neodymium alloy, iron and boron and coated by a standard nickel, silver or bath Zinc to prevent corrosion. Samarium magnets are a sintered alloy of iron, samarium and cobalt and others secondary elements

Las condiciones esenciales que debe cumplir el imán son la de no saturar el sensor de efecto Hall en ningún momento y la de que su peso sea el menor posible. En este sentido, el imán que presenta un mejor balance de las propiedades mencionadas es el imán de ferrita por lo que se propone como realización preferente de la invención.The essential conditions that the magnet are not to saturate the Hall effect sensor at any time and that your weight is as low as possible. In this sense, the magnet that presents a better balance of the mentioned properties is the ferrite magnet for what is proposed as a preferred embodiment of the invention.

En un aspecto adicional, la presente invención se dirige a un sistema robótico que comprende un sensor táctil de tres ejes como se ha definido previamente.In a further aspect, the present invention It is aimed at a robotic system comprising a touch sensor three axes as previously defined.

En una realización particular, el sensor de la invención puede aplicarse al pie de un robot humanoide. El pie realiza un contacto con el suelo cada vez que realiza una pisada por lo que, ubicando el sensor en la suela del pie, el material elástico absorbe el contacto y de esta manera se puede conocer cuál irregular es el suelo, qué porción del área del pie realiza el contacto, información complementaria para localizar el punto de equilibrio debido a la mejor información de la distribución de fuerzas, si el contacto está resbalando por la ausencia de fuerzas tangenciales esperadas, etc.In a particular embodiment, the sensor of the invention can be applied to the foot of a humanoid robot. The foot make a contact with the ground every time you step on what, placing the sensor in the sole of the foot, the elastic material absorbs contact and in this way you can know which irregular it is the ground, what portion of the foot area makes the contact, complementary information to locate the breakeven point due to the better information of the distribution of forces, if the contact is slipping by the absence of tangential forces expected, etc.

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Ejemplo de realizaciónExecution Example

Se muestra a continuación una prueba de funcionamiento de un sensor de posición/fuerza como el descrito en la presente invención. Las figura 5 muestra los resultados obtenidos para este sensor. Ante cada una de las perturbaciones originadas se muestran las trazas para la coordenada x en la que se encuentra el centro del imán, la coordenada y y la coordenada z.A functional test of a position / force sensor as described in the present invention is shown below. Figure 5 shows the results obtained for this sensor. Before each of the originated disturbances, the traces for the x coordinate in which the center of the magnet is located, the y coordinate and the z coordinate are shown.

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Se ha procedido a deformar el sensor en cada una de las tres direcciones del espacio cartesiano. Todas estas medidas se han realizado de forma manual, siendo los elementos de medida un pie de rey, folio, bolígrafo y vista ortogonal del ojo humano.The sensor has been deformed in each of the three directions of the Cartesian space. All these measures they have been carried out manually, the measuring elements being a King's foot, folio, pen and orthogonal view of the human eye.

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Desplazamiento único en z Single offset in z

En reposo, la coordenada z tiene un valor de 18,7 mm. Se ejerce una fuerza de modo que la coordenada z disminuya hasta 15 mm, esto supone un \Deltaz=-3,7 mm. Los resultados se muestran en la figura 5a. Se observa que está midiendo un mínimo de 11,75 mm, mientras que la coordenada x varía entre 0 y -1,07 mm y la coordenada varía entre 5,20 y 3,60 mm.At rest, the z coordinate has a value of 18.7 mm. A force so that the z coordinate decreases to 15 mm is exerted, this is a \ Delta z = -3.7 mm. The results are shown in Figure 5a. It is observed that it is measuring a minimum of 11.75 mm, while the x coordinate varies between 0 and -1.07 mm and the coordinate varies between 5.20 and 3.60 mm.

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Desplazamiento único en x Unique offset in x

En esta prueba se realiza un desplazamiento en el eje x intentando mantener constante la distancia y y la distancia z. El desplazamiento en x, \Deltax=+3 mm se muestra en la figura 5b.In this test a displacement is made on the x axis trying to keep the distance y and the distance z constant. The displacement in x, \ Delta x = + 3 mm shown in Figure 5b.

Se observa el desplazamiento deseado en el eje x, dado que x varía entre -0,53 y 3,47 mm, es decir, \Deltax=4,1 mm, pero también se observan desplazamientos en los ejes y y z.The desired x - axis shift is observed, as x varies between -0.53 and 3.47 mm, ie, \? X = 4.1 mm, but displacements are also observed in the y and z axes.

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Desplazamiento único en y Single offset in y

Se realiza un desplazamiento en el eje y de 3 mm manteniendo constantes las coordenadas x y z, aunque debido a las restricciones físicas del material, al realizar el desplazamiento en y el material elástico obliga a realizar un pequeño desplazamiento en z. Los resultados se muestran en la figura 5c.A displacement is made on the y- axis of 3 mm keeping the x and z coordinates constant, although due to the physical constraints of the material, when performing the displacement in and the elastic material requires a small displacement in z . The results are shown in Figure 5c.

Se observa una variación deseada en el eje y, dado que éste varía entre 4,00 y 9,21 mm, es decir, \Deltay=5,21 mm, aunque también se observan variaciones en x y z.A desired variation in the y axis is observed, since it varies between 4.00 and 9.21 mm, that is, Δ y = 5.21 mm, although variations in x and z are also observed.

Desplazamiento conjunto en xy Joint offset in xy

Esta medida se ha realizado de manera aproximada para tener una gráfica cualitativa, más que cuantitativa. Los resultados se muestran en la figura 5d donde se observa una respuesta correcta ante este tipo de deformaciones.This measure has been carried out approximately to have a qualitative graph, rather than quantitative. The results are shown in figure 5d where a Correct response to this type of deformation.

Claims (10)

1. Un sensor táctil de tres ejes que comprende:1. A three-axis touch sensor that understands:
--
un cuerpo elástico que comprende una primera cara y una segunda cara, donde ambas caras son sustancialmente paralelas;a elastic body comprising a first face and a second face, where both faces are substantially parallel;
--
un imán permanente ubicado en el interior del cuerpo elástico, o bien fuera de él ubicado de forma adyacente a la primera cara del cuerpo elástico, de manera que el imán se encuentra dispuesto paralelamente a la primera y segunda cara del cuerpo elástico;a permanent magnet located inside the elastic body, or outside it located adjacent to the first face of the body elastic, so that the magnet is arranged in parallel to the first and second sides of the elastic body;
--
tres sensores de efecto Hall ubicados de forma adyacente a la segunda cara del cuerpo elástico formando un plano paralelo a dicha segunda cara del cuerpo elástico, y colocados de manera que se encuentran dentro de la proyección del área del imán formando un triángulo alrededor del eje de dicho imán,three Hall effect sensors located adjacent to the second elastic body face forming a plane parallel to said second elastic body face, and positioned so that they meet inside the projection of the magnet area forming a triangle around the axis of said magnet,
de manera que cuando se aplica una fuerza sobre el cuerpo elástico se produce un desplazamiento del imán provocando un campo magnético que es detectado por los sensores de efecto Hall, siendo dicho campo magnético indicativo de la magnitud y dirección del desplazamiento.so that when a force is applied on the elastic body produces a displacement of the magnet causing a magnetic field that is detected by the Hall effect sensors, said magnetic field being indicative of the magnitude and direction of displacement.
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2. Sensor táctil según reivindicación 1, en el que los tres sensores de efecto Hall se disponen formando un triángulo equilátero cuyo circuncentro coincide con el eje del imán.2. Touch sensor according to claim 1, in the that the three Hall effect sensors are arranged forming a equilateral triangle whose circumcenter coincides with the axis of the magnet. 3. Sensor táctil según reivindicaciones 1 ó 2, donde la distancia mínima entre cada uno de los sensores y el eje del imán es de al menos el 7% del radio del imán.3. Touch sensor according to claims 1 or 2, where the minimum distance between each of the sensors and the axis of the magnet is at least 7% of the radius of the magnet. 4. Sensor táctil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde la distancia máxima entre cada uno de los sensores y el eje del imán coincide con el radio del imán.4. Touch sensor according to any of the claims 1 to 3, wherein the maximum distance between each of the sensors and the axis of the magnet match the radius of the magnet. 5. Sensor táctil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde la distancia mínima entre cada uno de los sensores y el plano del imán está comprendida entre 3 y 5 mm.5. Touch sensor according to any of the claims 1 to 4, wherein the minimum distance between each of the sensors and the magnet plane are between 3 and 5 mm 6. Sensor táctil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde los sensores de efecto Hall son sensores no programables con salida analógica.6. Touch sensor according to any of the claims 1 to 4, wherein the Hall effect sensors are non-programmable sensors with analog output. 7. Sensor táctil según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el imán es un imán de ferrita.7. Touch sensor according to any of the claims 1 to 5, wherein the magnet is a ferrite magnet. 8. Un sistema robótico que comprende un sensor táctil de tres ejes como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.8. A robotic system comprising a sensor three-axis touch as defined in any of the claims 1 to 7. 9. Sistema robótico según reivindicación 8 que es un robot humanoide.9. Robotic system according to claim 8 which It is a humanoid robot. 10. Sistema robótico según reivindicación 9, donde el sensor táctil de tres ejes se ubica en el pie del robot humanoide.10. Robotic system according to claim 9, where the three-axis touch sensor is located at the foot of the robot humanoid
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