The presented work demonstrates the process of designing a cheap, low cost three axis
force sensor. Further it describes its integration in an array of multiple sensors to measure
the distribution of forces acting on the sole of a prosthetic foot. The focus will be on
easy manufacturing and common materials since the sensor will be integrated in a low
cost prosthesis for lower limp amputees. Using the knowledge from bio mechanics and
some basic assumptions for the later use, requirements for the project are derived. After
a presentation of some state of the art sensor principles, suitable concepts are collected.
Than, the concepts are compared using a comparison table to find the one the fits the requirements
the best. A very compelling concept using barometers casted in silicone rubber
is tested using a simple prototype to try out whether it is a good candidate or not. The
tests show that the concept is capable of measuring forces but due to its disadvantageous
susceptibility for temperature changes it is rejected for the further development process.
The concepts are reevaluated and a new concept is chosen. Afterwards the design process
is described. Beginning with the mechanical design explaining the working principle. The
calculation of the dimensions is presented. After that a circuit to work with a capacitive
measurement as well as a version for resitive measurement is developed and a layout for
a prototype board using capacitive measurement is proposed. To prove the functionality,
the capacitive system is built up as a prototype. To try the measurement behavior and
to measure its repeatability a test stand is designed. It uses commercial available load
cells to conduct a reference measurement. The output of the sensor is compared to the
reference measurement. With various different test procedures the curves mapping the
measured values to the force for normal and shear force measurement are determined.
During the tests, different aspects of performance like creep behavior or hysteresis are investigated.
Also the repeatability is measured various times under different loads to make
reliable estimations of the precision of the measurement. Further on, a resistive force
sensor which could be used instead of the capacitive sensing elements is tested regarding
its curve and performance to have a comparison of the advantages and disadvantages of
either designing the future sensor with resistive or capacitive sensing elements. With both
concepts a repeatability of a few percent uncertainty can be achieved. Further on ways to
improve future versions of the sensor are described based on the experiences made during
the work with the prototype. Finally a possible way to integrate multiple sensors into a
sensing array is proposed. The design as well as possible electrics to acquire the data are
discussed. This way a solid basis for further developments of a sensing array measuring
the force distribution is given. / Die vorgestellte Arbeit zeigt den Prozess der Konstruktion eines preiswerten, kostengünstigen
Dreiachs-Kraftsensors. Weiterhin wird eine Integration der Sensoren in ein Array,
zur Messung der Verteilung von Kräften auf der Fußsohle besprochen. Der Schwerpunkt
soll dabei auf einer einfachen und günstigen Herstellung, sowie der Verwendung handelsüblicher
Materialien liegen, da der Sensor in ein kostengünstiges Prothesenkonzept integriert
werden soll. Ausgehend von den Erkenntnissen der Biomechanik und einigen grundlegenden
Annahmen für die Nutzung des Sensors, werden verschiedene Anforderungen
abgeleitet. Im Folgenden wird der Stand der Technik anhand einiger aktueller Forschungsarbeiten
und Sensorprinzipien vorgestellt. Daraufhin werden geeignete Konzepte gesammelt,
die zur Entwicklung des Sensors eingesetzt werden können. Anschließend werden
die Konzepte anhand einer Vergleichstabelle verglichen, um das bestgeeignetste Konzept
zu finden. Eine sehr überzeugende Variante, bei der Barometerchips in Silikon eingegossen
werden, wird mit einem einfachen Prototyp getestet, um herauszufinden, ob es
sich um einen guten Kandidaten für die weitere Entwicklung handelt, oder nicht. Die
Versuche zeigen, dass der Prototyp in der Lage ist, Kräfte zu messen, jedoch zeigt sich
eine große Anfälligkeit für Temperaturschwankungen. Das Konzept wird deshalb nicht
weiter verfolgt. Die Konzepte werden neu bewertet und anschließend ein Neues ausgewählt.
Daraufhin wird der Entwurfsprozess beschrieben. Das Funktionsprinzip und die
Auslegung der Abmessungen werden erläutert. Anschließend wird eine Schaltung zum
Arbeiten mit einer kapazitiven Messung, sowie eine Schaltung für eine resitive Messung
entwickelt und ein Layout für eine Platine zur kapazitiven Kraftmessung vorgeschlagen.
Zum Nachweis der Funktionalität wird das kapazitive System als Prototyp aufgebaut. Um
das Messverhalten zu testen und seine Wiederholbarkeit nachzuweisen, wird ein Prüfstand
entworfen. Zur Durchführung einer Referenzmessung werden handelsübliche Wägezellen
verwendet. Der Ausgang des Sensors wird mit der Referenzmessung verglichen. Mit verschiedenen
Prüfverfahren werden die Kurven bestimmt, die die Messwerte der Normalund
Querkraft zuordnen. Während des Tests werden verschiedene Leistungsaspekte wie
Kriechverhalten oder Hysterese untersucht. Auch die Wiederholbarkeit wird mehrmals
unter verschiedenen Belastungen gemessen, um zuverlässige Schätzungen der Genauigkeit
der Messung vorzunehmen. Weiterhin wird ein resistiver Kraftsensor, der anstelle der
kapazitiven Sensorelemente verwendet werden könnte, hinsichtlich seiner Kurve und Leistung
getestet, um einen Vergleich der Vor- und Nachteile der Konstruktion des zukünftigen
Sensors mit resistiven oder kapazitiven Sensorelementen zu erhalten. Mit beiden
Konzepten kann eine gute Wiederholgenauigkeit mit nur wenigen Prozent Unsicherheit erreicht werden. Weiterhin werden Möglichkeiten zur Verbesserung der zukünftigen Version
des Sensors auf Grundlage der gesammelten Erfahrungen beschrieben. Schließlich wird
ein möglicher Weg zur Integration mehrerer Sensoren in eine Sensoranordnung vorgeschlagen.
Das Design, sowie die mögliche Elektrik zur Erfassung der Daten werden diskutiert.
Damit wird eine solide Grundlage für die Weiterentwicklung einer Sensoranordnung zur
Messung der Kraftverteilung geschaffen. / Tesis
| Identifer | oai:union.ndltd.org:PUCP/oai:tesis.pucp.edu.pe:20.500.12404/17068 |
| Date | 18 September 2020 |
| Creators | Kubisch, Jörg |
| Contributors | Fröhlich, Thomas, Elías Giordano, Dante Ángel |
| Publisher | Pontificia Universidad Católica del Perú, PE |
| Source Sets | Pontificia Universidad Católica del Perú |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | Atribución-NoComercial 2.5 Perú, info:eu-repo/semantics/openAccess, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.5/pe/ |
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