KR102183179B1 - Multi-axis force-torque sensor using straingauges - Google Patents

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KR102183179B1 KR1020190067998A KR20190067998A KR102183179B1 KR 102183179 B1 KR102183179 B1 KR 102183179B1 KR 1020190067998 A KR1020190067998 A KR 1020190067998A KR 20190067998 A KR20190067998 A KR 20190067998A KR 102183179 B1 KR102183179 B1 KR 102183179B1
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강철구
하만돈
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건국대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a strain-gauge type multiaxial force-torque sensor. The strain-gauge type multiaxial force-torque sensor includes: an upper cover; a cylindrical lower cover; an elastic body forming multiple points for sensing a surface strain rate by including an upper plate fastened with a lower part of the upper cover, a lower plate mounted inside the lower cover and having a larger diameter than the upper plate, and a plurality of beams connecting the upper and lower plates; and a circuit board part mounted between the lower cover and the elastic body and processing the surface strain rate of the elastic body measured through a strain gauge into an analogue signal and a digital signal. Each of the plurality of beams includes: a horizontal member connected with the lower plate; and a vertical member extended vertically from the center of the horizontal member and having an end bent to be connected to the upper plate. A groove is formed inside the vertical member so as to increase the surface strain rate. Therefore, the present invention can expand use in industrial fields by lowering sensor prices through an elastic body structure, which is easy to machine and increases a surface strain rate, can enable convenient use, and can perform real time force control by measuring force components in three directions and torque components in three directions at the same time.

Description

스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서 {MULTI-AXIS FORCE-TORQUE SENSOR USING STRAINGAUGES}Strain gauge type multi-axis force torque sensor {MULTI-AXIS FORCE-TORQUE SENSOR USING STRAINGAUGES}

본 발명은 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상하판 사이를 복수의 빔들로 연결한 탄성체에 스트레인게이지를 부착하여 표면변형률을 감지함으로써, 탄성체의 가공이 용이하고 다지점에서 힘감지를 효과적으로 할 수 있는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서에 관한 것이다.The present invention relates to a strain gauge type multi-axis force torque sensor, and more particularly, by attaching a strain gauge to an elastic body connected by a plurality of beams between the upper and lower plates to sense the surface strain, the processing of the elastic body is easy and multi-point It relates to a strain gauge type multi-axis force torque sensor that can effectively detect force in

로봇 머니퓰레이터를 정밀 조립이나 그라인딩, 연마, 디버링과 같은 기계 가공, 또는 육류와 어류가공 등의 자동화 분야에 이용하기 위해서는 로봇 머니퓰레이터의 위치뿐만 아니라 말단장치에 작용하는 힘과 토크를 측정하고, 이를 되먹임 제어하는 것이 필요하다. 즉, 복잡하고 섬세한 작업을 자동화하기 위해서는 위치제어와 함께 힘 제어를 동시에 수행할 수 있어야 하며, 로봇과 외부 작업물 사이에 작용하는 힘을 감지해야 할 필요성이 증가하고 있다.In order to use the robot manipulator for precision assembly, machining such as grinding, polishing, deburring, or automation such as meat and fish processing, the position of the robot manipulator, as well as the force and torque acting on the end devices are measured and feedback control. It is necessary to do. That is, in order to automate complex and delicate tasks, it is necessary to be able to simultaneously perform position control and force control, and there is an increasing need to detect the force acting between the robot and the external work piece.

이러한 힘과 토크는 3차원 공간에서 임의의 방향으로 작용하기 때문에 종래에 사용하던 일자유도의 힘센서와 토크센서를 사용하면, 여러 개의 센서를 동시에 사용하여야 하나 이는 공간상의 제약 등으로 인하여 바람직하지 못하므로, 세 방향의 힘과 세 방향의 토크를 동시에 측정할 수 있는 6축 힘토크센서가 필요하다.Since these forces and torques act in arbitrary directions in the three-dimensional space, when using the conventional force sensor and torque sensor with a linear degree of freedom, several sensors must be used simultaneously, but this is not desirable due to space limitations. Therefore, a 6-axis force torque sensor is needed that can measure the force in three directions and the torque in three directions at the same time.

로봇 작업에서 힘의 측정 방법은 측정위치에 따라 로봇의 관절에 토크센서를 설치하여 측정하는 방법과, 로봇 머니퓰레이터의 손목 또는 손에 힘토크센서를 설치하여 측정하는 방법과, 공작물의 조립대에 힘토크센서를 설치하여 측정하는 방법이 있다.The method of measuring force in robot work includes measuring by installing a torque sensor on the joint of the robot according to the measuring position, measuring by installing a force torque sensor on the wrist or hand of the robot manipulator, and measuring the force on the assembly table of the work piece. There is a method of measuring by installing a torque sensor.

이중에서 로봇 손목에 작용하는 힘과 토크를 측정하는 것이 일반적으로 가장 유리하다고 알려져 있고, 이를 위하여 로봇 손목에 장착할 수 있는 6축 힘토크센서가 많이 연구되어져 오고 있다.Among them, it is known that it is generally most advantageous to measure the force and torque acting on the robot wrist, and for this purpose, a number of six-axis force torque sensors that can be mounted on the robot wrist have been studied.

스트레인게이지(straingauge)를 이용한 6축 힘토크센서에 사용되는 탄성요소는 작용하는 힘과 토크를 효과적으로 측정해 내기 위하여 충분한 탄성 변형이 있어야 하나, 로봇 말단장치의 위치 및 방향을 크게 변화시키지 않기 위하여 작은 부분에서만 탄성 변형이 일어나는 것이 바람직하다. 또한 센서에 작용할 수 있는 과부하나 충격 등으로부터 센서가 파손되는 것을 방지할 수 있도록 구조적으로 설계되어야 한다.The elastic element used in the 6-axis force torque sensor using a strain gauge must have sufficient elastic deformation to effectively measure the applied force and torque, but it is small in order not to significantly change the position and direction of the robot end device. It is desirable that elastic deformation occurs only in the part. In addition, it must be structurally designed to prevent damage to the sensor from overload or impact that may act on the sensor.

1970년대 중반 Scheinmman에 의해 고안된 6축 힘토크센서는 직교하는 4개의 탄성보(deflection bar)의 각 면당 1개씩 모두 16개의 반도체 스트레인게이지를 부착하고, 각각을 브리지로 구성함으로써, 그것의 출력전압은 스트레인게이지들의 면에 수직된 방향의 힘 성분에 비례하도록 되어 있다. 이들 출력을 적절히 산술적으로 가감하면 세 방향의 힘과 토크 성분을 측정할 수 있다. 이 방법은 제작이 비교적 용이한 장점이 있으나 오차가 5% 정도로 정확도가 떨어지고 힘이나 토크를 직접 측정하는 것이 아니라 산술적인 방법으로 계산해야 하므로 측정속도가 떨어진다.The six-axis force torque sensor designed by Scheinmman in the mid-1970s attaches 16 semiconductor strain gauges, one per each side of four orthogonal deflection bars, and each of them is composed of a bridge, so that its output voltage is It is designed to be proportional to the force component in the direction perpendicular to the plane of the strain gauges. By appropriately arithmetically adding or subtracting these outputs, the force and torque components in three directions can be measured. This method has the advantage of being relatively easy to manufacture, but the accuracy is low by about 5%, and the measurement speed is low because the force or torque must be calculated using an arithmetic method rather than measuring directly.

Yabaki는 여덟 개의 병렬 리프(leaf)스프링으로 구성된 직교형 탄성체 구조를 고안하였으나, 이 구조에서는 24개의 스트레인게이지로 6개의 휘스톤브리지가 구성되며 산술적인 계산없이 브리지의 출력으로부터 힘 및 토크 성분을 직접 측정할 수 있다. 이 로드셀의 오차는 힘 성분의 경우 2%, 토크 성분의 경우 3~5% 정도이다.Yabaki devised an orthogonal elastomer structure consisting of eight parallel leaf springs, but in this structure, six Wheatstone bridges are composed of 24 strain gauges, and force and torque components are directly derived from the output of the bridge without arithmetic calculations. Can be measured. The error of this load cell is about 2% for the force component and 3 to 5% for the torque component.

Hatamura는 힘 성분을 측정하는 병렬평판(parallel plate)과 토크를 측정하는 방사평판(radial plate)을 이용하여 6축 힘토크센서를 고안하였다. 이 센서의 오차는 힘 성분의 경우 2%, 토크 성분의 경우 3% 정도로 비교적 좋은 특성을 가지고 있으나 제작이 상당히 어려운 단점을 가지고 있다.Hatamura devised a 6-axis force torque sensor using a parallel plate to measure force components and a radial plate to measure torque. The error of this sensor is about 2% in the case of the force component and 3% in the case of the torque component.

한국등록특허 제10-0199691 (1999.03.05)호는 세방향의 힘성분과 세방향의 모멘트 성분을 동시에 측정할 수 있는 6분력 로드셀에 있어서, 직교되는 방향으로 연결부와 돌출턱을 형성하는 상 하부 링과, 가로 세로 빔으로 구분되며 빔의 상 하 좌 우로 쌍안경 구조의 관통구와 4개의 홀을 형성하며 다수의 스트레인게이지가 부착되는 십자형 빔으로 구성되는 감지부와; 상기 감지부 상 하부 링의 돌출턱에 대응되는 개수로 장공과, 다수의 조립공을 형성한 상 하부 케이스로 구성되며, 하부 게이스 일측으로 입 출력선을 인출하기 위한 인출 홀을 형성한 외부 케이스로 구성되는 것을 특징으로 하는 6분력 로드셀에 관한 것이다.Korean Patent Registration No. 10-0199691 (1999.03.05) is a six-component load cell capable of simultaneously measuring a force component in three directions and a moment component in three directions, the upper and lower parts forming a connection part and a protruding jaw in an orthogonal direction A sensing unit consisting of a cross-shaped beam divided into a ring and a horizontal and vertical beam, forming a through hole of a binocular structure and four holes in the upper and lower left and right sides of the beam, and to which a plurality of strain gauges are attached; Consists of an open path corresponding to the protruding jaws of the upper and lower rings of the sensing unit, and an upper and lower case having a plurality of assembly holes, and an outer case having a lead-out hole for drawing input and output lines to one side of the lower gate It relates to a 6-component load cell, characterized in that the.

한국공개특허 제10-2011-0098070 (2011.09.01)호는 6축 힘-모멘트 감지센서에 관한 것으로, 고리 형상으로 형성되는 외부링과, 상기 외부링의 내부에 배치되는 내부블럭과, 일단부는 상기 외부링에 연결되고 타단부는 상기 내부블럭에 연결되며 상호 간에 90도 각도로 이격되어 십자형으로 배치되는 4개의 수평보를 포함하는 프레임; 상기 프레임에 결합되는 복수의 스트레인게이지; 및 상기 스트레인게이지에서 출력되는 데이터를 기초로 상기 프레임에 인가되는 외력을 산출하는 제어부;를 포함하여, 수평보 사이의 상호간섭오차를 최소화함으로써 외력을 정확하게 측정할 수 있도록 한다.Korean Patent Publication No. 10-2011-0098070 (2011.09.01) relates to a six-axis force-moment sensor, an outer ring formed in a ring shape, an inner block disposed inside the outer ring, and one end A frame including four horizontal beams connected to the outer ring, the other end connected to the inner block, and spaced apart from each other at a 90 degree angle and arranged in a cross shape; A plurality of strain gauges coupled to the frame; And a control unit that calculates an external force applied to the frame based on the data output from the strain gauge, so that the external force can be accurately measured by minimizing a mutual interference error between horizontal beams.

그러나 기존 스트레인게이지방식의 6축 힘토크센서는 가격이 너무 높아 산업현장에서 널리 사용되지 못하고 있다. 또한, 무선통신 방식의 6축 힘토크센서의 경우는 부속품이 많아 사용시 불편하고, 또 측정시간이 길어 실시간 힘제어시 어려움이 있다.However, the conventional strain gauge type 6-axis force torque sensor is too expensive to be widely used in industrial fields. In addition, in the case of the 6-axis force torque sensor of the wireless communication method, it is inconvenient to use due to the large number of accessories, and it is difficult to control real-time force due to a long measurement time.

한국등록특허 제10-0199691 (1999.03.05)호Korean Patent Registration No. 10-0199691 (1999.03.05) 한국공개특허 제10-2011-0098070 (2011.09.01)호Korean Patent Publication No. 10-2011-0098070 (2011.09.01)

본 발명의 일 실시예는 상하판 사이를 복수의 빔들로 연결한 탄성체에 스트레인게이지를 부착하여 표면변형률을 감지함으로써, 탄성체의 가공이 용이하고 다지점에서 힘감지를 효과적으로 할 수 있는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서를 제공하고자 한다.According to an embodiment of the present invention, a strain gauge is attached to an elastic body connected by a plurality of beams between the upper and lower plates to sense the surface strain, thereby making it easy to process the elastic body and effectively sensing force at multiple points. We want to provide a multi-axis force torque sensor.

본 발명의 일 실시예는 탄성체의 상판을 하판에 비해 상대적으로 작게 형성하고 이들 사이를 T형의 수직부재와 수평부재로 된 복수의 빔들로 연결하여 기계 가공성이 뛰어날 수 있고 복수의 빔들 중 수직부재 내측에 원형 또는 타원형의 홈을 형성하여 표면 변형률을 증가시킬 수 있는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서를 제공하고자 한다.According to an embodiment of the present invention, the upper plate of the elastic body is formed relatively smaller than the lower plate, and by connecting them with a plurality of beams of a T-shaped vertical member and a horizontal member, the machinability can be excellent, and the vertical member of the plurality of beams It is intended to provide a strain gauge type multi-axis force torque sensor capable of increasing the surface strain by forming a circular or elliptical groove inside.

본 발명의 일 실시예는 배터리를 센서에 내장하고 안테나를 센서 외부에 설치함으로써, 제어기와 무선 통신으로 송수신할 수 있는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a strain gauge type multi-axis force torque sensor capable of transmitting and receiving via wireless communication with a controller by embedding a battery in a sensor and installing an antenna outside the sensor.

실시예들 중에서, 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서는 상부커버, 원통형의 하부커버, 상기 상부커버의 하부에 체결되는 상판과 상기 하부커버의 내부에 장착되고 상기 상판 보다 큰 직경을 갖는 하판 및 상기 상판과 상기 하판 사이를 연결하는 복수의 빔들을 포함하여 표면변형률 감지를 위한 다지점을 형성하는 탄성체, 및 상기 하부커버와 상기 탄성체 사이에 장착되고 스트레인게이지를 통해 측정되는 상기 탄성체의 표면변형률을 아날로그 및 디지털 신호처리하는 회로기판부를 포함하되, 상기 복수의 빔들은 각각 상기 하판에 연결되는 수평부재와 상기 수평부재의 중심부에서 수직 연장되고 단부가 절곡되어 상기 상판에 연결되는 수직부재를 포함하고, 표면변형률이 증가되도록 상기 수직부재의 내측에 홈을 형성하는 것을 특징으로 한다.Among the embodiments, the strain gauge type multi-axis force torque sensor includes an upper cover, a cylindrical lower cover, an upper plate fastened to a lower portion of the upper cover, and a lower plate having a diameter larger than that of the upper plate. An elastic body including a plurality of beams connecting between the upper plate and the lower plate to form multiple points for detecting the surface strain, and the surface strain of the elastic body mounted between the lower cover and the elastic body and measured through a strain gauge are analogue And a circuit board for digital signal processing, wherein each of the plurality of beams includes a horizontal member connected to the lower plate and a vertical member extending vertically from the center of the horizontal member and bent at an end thereof to be connected to the upper plate, It characterized in that the groove is formed inside the vertical member to increase the strain rate.

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상기 탄성체는 3개 또는 4개의 빔으로 상기 상판과 상기 하판을 연결하고, 상기 빔의 상기 수평부재와 상기 수직부재를 통해 형성되는 T형 부위에서 표면변형률이 높은 지점에 표면변형률을 감지하는 복수개의 스트레인게이지들을 분산하여 부착할 수 있다.The elastic body connects the upper plate and the lower plate with 3 or 4 beams, and detects the surface strain at a point where the surface strain is high in the T-shaped portion formed by the horizontal member and the vertical member of the beam. Strain gauges can be distributed and attached.

상기 탄성체는 상기 상판과 상기 하판 중 하나는 원판형으로 형성하여 상기 상부 커버와 상기 하부 커버 중 하나와 면 접촉하여 연결하고, 상기 상판과 상기 하판 중 나머지 하나는 링형으로 형성하여 상기 상부 커버와 상기 하부 커버 중 나머지 하나와 가장자리 접촉하여 연결할 수 있다.In the elastic body, one of the upper plate and the lower plate is formed in a circular plate shape to be connected in surface contact with one of the upper cover and the lower cover, and the other one of the upper plate and the lower plate is formed in a ring shape. It can be connected by making edge contact with the other of the lower covers.

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실시예들 중에서, 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서는 상기 상부 커버와 상기 탄성체의 사이 공간 또는 상기 하부 커버와 상기 탄성체의 사이 공간 중 하나에 신호처리회로기판을 개재하여 해당되는 커버에 고정 설치할 수 있다.Among the embodiments, the strain gauge type multiaxial force torque sensor may be fixedly installed on a corresponding cover through a signal processing circuit board in one of the space between the upper cover and the elastic body or between the lower cover and the elastic body. have.

상기 신호처리회로기판은 상기 복수개의 스트레인게이지들과 연결된 휘스톤브리지회로와 증폭회로, 영점조정회로, 마이크로컨트롤러 및 통신단자가 설치될 수 있다.The signal processing circuit board may include a Wheatstone bridge circuit connected to the plurality of strain gauges, an amplifying circuit, a zero adjustment circuit, a microcontroller, and a communication terminal.

실시예들 중에서, 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서는 상기 하부 커버의 일측면에 무선안테나 또는 USB연결포트가 형성되고, 상기 무선안테나 또는 USB연결포트를 통해 상기 신호처리회로기판에 설치된 통신단자와 연결되어 무선통신 또는 USB통신 가능하게 구성할 수 있다.Among the embodiments, the strain gauge type multi-axis force torque sensor has a wireless antenna or USB connection port formed on one side of the lower cover, and a communication terminal installed on the signal processing circuit board through the wireless antenna or USB connection port It can be connected to enable wireless communication or USB communication.

실시예들 중에서, 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서는 상기 탄성체와 상기 신호처리회로기판의 사이 공간에 배터리를 설치할 수 있다.Among the embodiments, the strain gauge type multi-axial force torque sensor may install a battery in a space between the elastic body and the signal processing circuit board.

실시예들 중에서, 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서는 캡 형상의 상부커버, 일측면에 무선안테나 또는 USB 연결포트가 형성되는 원통형의 하부커버, 상기 상부커버에 고정 결합되는 판상의 상판, 상기 하부커버에 고정 결합되고 상기 상판의 직경 보다 큰 직경을 갖는 링상의 하판, 상기 상판과 상기 하판을 연결한 4개의 빔으로 형성되되, 상기 4개의 빔 각각은 상기 하판에 연결되는 수평부재와 상기 수평부재의 중심부에서 수직 연장되고 단부가 절곡되어 상기 상판에 연결되는 수직부재를 구비하고 상기 수직부재의 내측에 원형 또는 타원형의 홈이 형성되는 탄성체, 및 상기 4개의 빔에 각각 부착되어 표면변형률을 감지하는 스트레인게이지를 포함하고, 상기 하부커버와 상기 탄성체 사이의 공간에 신호처리회로기판을 개재하여 상기 하부커버에 고정 설치하고, 상기 스트레인게이지의 감지신호를 신호처리하여 x,y,z축으로 가해지는 힘성분 및/또는 토크성분을 측정하고, 측정결과를 상기 무선안테나 또는 상기 USB 연결포트를 통해 무선통신 또는 USB 통신으로 송신할 수 있다.Among the embodiments, the strain gauge type multi-axis force torque sensor includes a cap-shaped upper cover, a cylindrical lower cover having a wireless antenna or USB connection port formed on one side thereof, a plate-shaped upper plate fixedly coupled to the upper cover, and the lower part. A ring-shaped lower plate fixedly coupled to the cover and having a diameter larger than the diameter of the upper plate, and formed of four beams connecting the upper plate and the lower plate, wherein each of the four beams is a horizontal member connected to the lower plate and the horizontal member An elastic body having a vertical member extending vertically from the center of the upper plate and connected to the upper plate, and having a circular or elliptical groove formed inside the vertical member, and each attached to the four beams to detect surface strain It includes a strain gauge, fixedly installed on the lower cover through a signal processing circuit board in the space between the lower cover and the elastic body, and applied to the x, y, and z axes by signal processing of the detection signal of the strain gauge. The force component and/or the torque component may be measured, and the measurement result may be transmitted through wireless communication or USB communication through the wireless antenna or the USB connection port.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The disclosed technology can have the following effects. However, since it does not mean that a specific embodiment should include all of the following effects or only the following effects, it should not be understood that the scope of the rights of the disclosed technology is limited thereby.

본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서는 3개 또는 4개의 빔으로 상하판을 연결한 탄성체에 스트레인게이지를 부착함으로써, 표면 변형률이 높은 다지점에서 힘성분 및/또는 토크성분을 검출할 수 있다.The multiaxial force torque sensor of the strain gauge method according to an embodiment of the present invention attaches a strain gauge to an elastic body connecting the upper and lower plates with three or four beams, so that the force component and/or torque at multiple points having a high surface strain Ingredients can be detected.

본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서는 T형의 수직부재와 수평부재로 된 복수의 빔들 중 수직부재 내측에 원형 또는 타원형의 홈을 파내어 표면 변형률을 증가시켜 힘감지를 효과적으로 할 수 있고, 복수의 빔들에 의해 연결되는 상하판의 크기를 서로 다르게 하고 상하판의 한쪽은 가운데를 채워 커버판을 연결하고 다른 한쪽은 가운데를 비워 테두리를 통해 커버판을 연결할 수 있게 하여 탄성체의 기계가공이 용이할 수 있다.The strain gauge type multi-axis force torque sensor according to an embodiment of the present invention detects force by digging a circular or elliptical groove inside the vertical member among a plurality of beams composed of a T-shaped vertical member and a horizontal member to increase the surface strain. It can be effectively done, and the sizes of the upper and lower plates connected by a plurality of beams are different, and one of the upper and lower plates is filled in the middle to connect the cover plate, and the other side is empty to connect the cover plate through the rim. Can be easily machined.

본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서는 배터리를 센서에 내장하고 안테나를 센서 외부에 설치함으로써 제어기와 무선 통신으로 송수신할 수 있다.The strain gauge type multi-axis force torque sensor according to an embodiment of the present invention can transmit/receive via wireless communication with a controller by embedding a battery in the sensor and installing an antenna outside the sensor.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서는 저비용으로 쉽게 제작할 수 있는 구조 설계를 통해 센서의 가격을 낮출 수 있어 산업현장에서의 사용을 확대시킬 수 있다.Therefore, the multi-axis force torque sensor of the strain gauge method according to an embodiment of the present invention can reduce the cost of the sensor through a structure design that can be easily manufactured at low cost, thereby expanding its use in industrial sites.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서를 나타내는 사시도 및 부분 절개 사시도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1에 있는 탄성체를 나타내는 사시도, 부분 절개 사시도 및 저면 사시도이다.
도 3은 도 2에 있는 탄성체에서 빔의 수평 및 수직부재에 스트레인게이지가 부착된 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2에 있는 탄성체에서 빔의 수평부재의 두께에 따른 표면 변형률을 측정한 그래프이다.
도 5는 도 2에 있는 탄성체에서 빔의 수직부재의 두께에 따른 표면 변형률을 측정한 그래프이다.
도 6은 도 1에 있는 회로기판에 실장된 신호처리회로 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서에서 z축 방향의 계단모양 정적부하(Fz)에 대한 힘측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명과 종래의 힘토크센서에서 세(x,y,z)축 방향의 동적부하에 대한 힘측정 결과를 보여주는 비교 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서의 선형성 및 히스테리스를 보여주는 그래프이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서의 실제 제작된 모형을 보여주는 사진이다.
1A and 1B are perspective and partially cut-away perspective views illustrating a strain gauge type multi-axis force torque sensor according to an embodiment of the present invention.
2A to 2C are perspective views, partially cut-away perspective views, and a bottom perspective view showing the elastic body in FIG. 1.
3 is a view showing a state in which a strain gauge is attached to horizontal and vertical members of the beam in the elastic body of FIG. 2.
4 is a graph measuring the surface strain according to the thickness of the horizontal member of the beam in the elastic body of FIG. 2.
FIG. 5 is a graph illustrating a measurement of surface strain according to the thickness of a vertical member of a beam in the elastic body of FIG. 2.
6 is a diagram showing a configuration of a signal processing circuit mounted on the circuit board of FIG. 1.
7 is a graph showing force measurement results for a step-shaped static load (Fz) in the z-axis direction in the strain gauge type multi-axis force torque sensor according to an embodiment of the present invention.
8A to 8C are comparative graphs showing force measurement results for dynamic loads in the three (x, y, z) directions in the present invention and the conventional force torque sensor.
9 is a graph showing linearity and hysteresis of a strain gauge multi-axis force torque sensor according to an embodiment of the present invention.
10A to 10C are photographs showing a model actually manufactured of a strain gauge type multi-axis force torque sensor according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Since the description of the present invention is merely an embodiment for structural or functional description, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, since the embodiments can be variously changed and have various forms, the scope of the present invention should be understood to include equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only those effects, the scope of the present invention should not be understood as being limited thereto.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meaning of terms described in the present application should be understood as follows.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as "first" and "second" are used to distinguish one component from other components, and the scope of rights is not limited by these terms. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may be referred to as a first component.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions are to be understood as including plural expressions unless the context clearly indicates otherwise, and terms such as “comprise” or “have” refer to implemented features, numbers, steps, actions, components, parts, or It is to be understood that it is intended to designate that a combination exists and does not preclude the presence or addition of one or more other features or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the field to which the present invention belongs, unless otherwise defined. Terms defined in commonly used dictionaries should be construed as having meanings in the context of related technologies, and cannot be construed as having an ideal or excessive formal meaning unless explicitly defined in the present application.

도 1a-1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서를 나타내는 사시도 및 부분 절개 사시도이다.1A-1B are a perspective view and a partially cut-away perspective view illustrating a strain gauge type multi-axis force torque sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1a 및 1b를 참조하면, 다축 힘토크센서(100)는 상부 커버(110), 탄성체(130), 회로기판부(150) 및 하부 커버(170)를 포함한다.1A and 1B, the multi-axial force torque sensor 100 includes an upper cover 110, an elastic body 130, a circuit board portion 150, and a lower cover 170.

상부커버(110)는 캡 형상으로 이루어지며, 상면의 테두리를 따라 일정간격으로 나사 연결공(111)을 마련하여 하부에 배치되는 탄성체(130)와 나사(113)를 통해 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 상부커버(110)에는 6개의 나사 연결공(111)이 등간격으로 배치될 수 있고, 나사 연결공(111)의 개수는 이에 한정되지 않고 상부커버(110)와 탄성체(130) 사이를 고정 체결할 수 있는 적정 개수로 마련될 수 있다.The upper cover 110 has a cap shape, and may be connected through an elastic body 130 and a screw 113 disposed at the bottom by providing screw connection holes 111 at regular intervals along the rim of the upper surface. In one embodiment, six screw connection holes 111 may be disposed at equal intervals in the upper cover 110, and the number of screw connection holes 111 is not limited thereto, and the upper cover 110 and the elastic body 130 ) It can be provided in an appropriate number that can be fixed and fastened between.

탄성체(130)는 상부커버(110)와 하부커버(170) 사이에 설치될 수 있다. 일 실시예에서, 탄성체(130)의 상부는 상부커버(110)에 체결되고 하부는 하부커버(170)에 체결될 수 있다. 여기에서, 탄성체(130)와 체결된 상부커버(110)와 하부커버(170) 사이에는 간극이 형성되어 탄성체(130)에 과부하가 작용할 경우 상부커버(1100가 하부커버(170)에 닿아 더 이상 변형이 일어나지 않게 함으로써 탄성체(130)의 파손을 방지할 수 있다.The elastic body 130 may be installed between the upper cover 110 and the lower cover 170. In one embodiment, the upper part of the elastic body 130 may be fastened to the upper cover 110 and the lower part may be fastened to the lower cover 170. Here, a gap is formed between the upper cover 110 and the lower cover 170 fastened to the elastic body 130, so that when an overload acts on the elastic body 130, the upper cover 1100 contacts the lower cover 170 and no longer By preventing deformation from occurring, damage to the elastic body 130 can be prevented.

회로기판부(150)는 하부커버(170)와 탄성체(130)의 사이 공간에 고정 설치되되, 하부커버(170)의 내측 하단부에 PCB 설치대(151)가 설치되고 PCB 설치대(151)에 회로기판(153)이 설치되고, 회로기판(153) 상부에 배터리(155)가 설치될 수 있다. 여기에서, 회로기판(153)에는 아날로그 및 디지털 신호처리회로가 형성될 수 있다. 배터리(155)는 회로기판(153)에 형성된 신호처리회로에 동작전원을 제공할 수 있다.The circuit board part 150 is fixedly installed in the space between the lower cover 170 and the elastic body 130, and the PCB mounting base 151 is installed at the inner lower end of the lower cover 170, and the circuit board on the PCB mounting base 151 153 may be installed, and a battery 155 may be installed on the circuit board 153. Here, analog and digital signal processing circuits may be formed on the circuit board 153. The battery 155 may provide operation power to the signal processing circuit formed on the circuit board 153.

하부커버(170)는 원통 형상으로 이루어지며 내부에 회로기판부(150)와 탄성체(130)가 설치될 수 있다. 일 실시예에서, 하부커버(170)는 일측면에 배터리(155)의 충전 상태를 LED 점등으로 나타내는 충전 표시등(171)과 배터리(155)의 충전을 위한 배터리 충전 포트(173)를 포함할 수 있고, 무선 안테나(175)가 설치될 수 있다. 하부커버(170)는 다른 일측면에 다축 힘토크센서(100)의 상태를 LED 점등으로 나타내는 상태 표시등(177)을 포함할 수 있다.The lower cover 170 has a cylindrical shape, and a circuit board portion 150 and an elastic body 130 may be installed therein. In one embodiment, the lower cover 170 includes a charging indicator 171 indicating the state of charge of the battery 155 by LED lighting on one side and a battery charging port 173 for charging the battery 155. In addition, a wireless antenna 175 may be installed. The lower cover 170 may include a status indicator 177 indicating the state of the multi-axis force torque sensor 100 by LED lighting on the other side.

일 실시예에서, 다축 힘토크센서(100)는 탄성체(130)에 스트레인게이지를 부착하여 표면 변형률을 감지하고 회로기판(153)에 형성된 신호처리회로를 통해 감지신호를 신호처리하여 작용하는 힘 및/또는 토크를 측정하고 측정결과를 무선 안테나(175)를 통해 제어기(미도시)와 무선통신으로 송수신할 수 있다.In one embodiment, the multi-axial force torque sensor 100 detects the surface strain by attaching a strain gauge to the elastic body 130 and processes the sensing signal through a signal processing circuit formed on the circuit board 153 to act on force and / Or it is possible to measure the torque and transmit and receive the measurement result through wireless communication with a controller (not shown) through the wireless antenna 175.

일 실시예에서, 다축 힘토크센서(100)는 무선 안테나(175) 대신 하부 커버(170)의 일측면에 USB연결포트를 형성하여 무선통신 대신 USB통신을 수행하게 구성할 수 있다.In one embodiment, the multi-axis force torque sensor 100 may be configured to perform USB communication instead of wireless communication by forming a USB connection port on one side of the lower cover 170 instead of the wireless antenna 175.

도 2a 내지 도 2c는 도 1에 있는 탄성체를 나타내는 사시도, 부분 절개 사시도 및 저면 사시도이다.2A to 2C are perspective views, partially cut-away perspective views, and a bottom perspective view showing the elastic body in FIG. 1.

일 실시예에서, 탄성체(130)는 효과적인 변형률 감지 및 가공성을 위해 새로운 구조로 설계되었다. 여기에서, 탄성체(130)의 소재는 알루미늄 합금으로 형성될 수 있고 이에 한정되지 않고 탄성, 항복강도, 최종 강도, 선형성, 질량 및 가공성 등을 기준으로 선택될 수 있다.In one embodiment, the elastic body 130 is designed with a new structure for effective strain detection and workability. Here, the material of the elastic body 130 may be formed of an aluminum alloy, but is not limited thereto, and may be selected based on elasticity, yield strength, final strength, linearity, mass and workability.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 탄성체(130)는 상판(210), 하판(220), 상판(210)과 하판(220)을 연결하는 복수의 빔들(230) 및 복수의 빔들(230)의 다지점에 각각 부착되는 스트레인게이지(240)를 포함할 수 있다.2A to 2C, the elastic body 130 includes an upper plate 210, a lower plate 220, a plurality of beams 230 connecting the upper plate 210 and the lower plate 220, and a plurality of beams 230. It may include a strain gauge 240 attached to each of the multiple points.

일 실시예에서, 탄성체(130)는 상판(210)과 하판(220)의 크기를 서로 다르게 하고, 도 2c에 보여진 바와 같이, 상판(210)과 하판(220) 중 한쪽은 가운데를 채우고 나머지 한쪽은 가운데를 비우는 형태로 가공될 수 있다. 여기에서, 상판(210)과 하판(220)은 각각 상부커버(110)와 하부커버(170)를 연결할 수 있다.In one embodiment, the elastic body 130 has different sizes of the upper plate 210 and the lower plate 220, and as shown in Fig. 2c, one of the upper plate 210 and the lower plate 220 fills the center and the other Silver can be processed into a hollow shape. Here, the upper plate 210 and the lower plate 220 may connect the upper cover 110 and the lower cover 170, respectively.

일 실시예에서, 상판(210)은 원판형으로 형성하고 원판 상에 나사공(211)이 형성되어 나사를 통해 상부커버(110)와 면 접촉되어 부착될 수 있다. 하판(220)은 링형으로 형성하고 링 상에 나사공(221)이 형성되어 하부커버(170)와 직접 접촉하여 부착될 수 있다. 여기에서, 상판(210)은 하판(220)에 비해 상대적으로 직경이 작게 형성될 수 있다.In one embodiment, the upper plate 210 is formed in a disk shape, and a screw hole 211 is formed on the disk to be attached in surface contact with the upper cover 110 through a screw. The lower plate 220 is formed in a ring shape, and a screw hole 221 is formed on the ring to be attached in direct contact with the lower cover 170. Here, the upper plate 210 may have a relatively small diameter compared to the lower plate 220.

복수의 빔들(230)은 4개로 구성되어 상판(210)과 하판(220) 사이에서 서로 대향되게 배치될 수 있다. 여기에서, 복수의 빔들(230)은 4개로 형성하였지만 이에 한정되지 않고 3개로 형성할 수도 있다. 일 실시예에서, 복수의 빔들(230)은 제1 내지 제4 빔(230a,230b,230c,230d)을 통해 상판(210)과 하판(220)을 연결하여 다양한 힘과 모멘트에 대한 표면변형률(surface strain)을 효과적으로 검출할 수 있다. 도 2c에 나타낸 바와 같이, 복수의 빔들(230)은 각각 수평부재(Th)와 수평부재(Th)의 중심부에서 수직 연장되는 수직부재(Tv)를 통해 T형 성분을 형성할 수 있다. 여기에서, 수평부재(Th)는 하판(220) 사이에 연결될 수 있고, 수직부재(Tv)는 단부를 상판(210)을 향해 절곡하여 상판(210)과 연결될 수 있다. 이때, 수직부재(Tv)는 내측에 원형 또는 타원형의 홈(231)을 형성하여 표면변형률을 증가시킬 수 있다. The plurality of beams 230 may be configured of four and disposed between the upper plate 210 and the lower plate 220 to face each other. Here, the plurality of beams 230 is formed as four, but is not limited thereto and may be formed as three. In one embodiment, the plurality of beams 230 connects the upper plate 210 and the lower plate 220 through the first to fourth beams 230a, 230b, 230c, and 230d, so that the surface strain for various forces and moments ( surface strain) can be effectively detected. As shown in FIG. 2C, the plurality of beams 230 may form a T-shaped component through a horizontal member Th and a vertical member Tv extending vertically from the center of the horizontal member Th. Here, the horizontal member Th may be connected between the lower plate 220, and the vertical member Tv may be connected to the upper plate 210 by bending an end portion toward the upper plate 210. At this time, the vertical member Tv may increase the surface strain rate by forming a circular or elliptical groove 231 inside.

표면변형률의 검출 지점은 복수의 빔들(230)에서 가장 큰 표면변형률 지점을 의미한다. x 또는 y축 방향으로 작용하는 힘은 복수의 빔들(230)의 수직부재(Tv)의 더 큰 변형을 초래하고, z방향으로 작용하는 힘은 수평부재(Th)의 더 큰 변형을 초래한다. 높은 표면변형률 값을 얻고 탄성체(130)의 전체 높이를 줄이기 위해 수직부재(Tv)에는 상단에 있는 수직부재(Tv) 표면의 응력 농도를 증가시키는 홈(231)이 포함될 수 있다. The detection point of the surface strain refers to the point of the largest surface strain in the plurality of beams 230. The force acting in the x- or y-axis direction causes a greater deformation of the vertical member Tv of the plurality of beams 230, and the force acting in the z direction causes a greater deformation of the horizontal member Th. In order to obtain a high surface strain value and reduce the overall height of the elastic body 130, the vertical member Tv may include a groove 231 for increasing the stress concentration of the surface of the vertical member Tv at the top.

스트레인게이지(240)는 복수의 빔들(230)의 수평부재(Th)와 수직부재(Tv)에 각각 분산 부착되어 다지점에서 표면변형률을 검출하여 힘과 토크를 감지하도록 구성되어 있다.The strain gauge 240 is distributedly attached to each of the horizontal members Th and the vertical members Tv of the plurality of beams 230 and is configured to detect force and torque by detecting surface strain at multiple points.

도 3은 도 2에 있는 탄성체에서 빔의 수평 및 수직부재에 스트레인게이지가 부착된 상태를 보여주는 도면이다.3 is a view showing a state in which a strain gauge is attached to horizontal and vertical members of the beam in the elastic body of FIG. 2.

도 3을 참조하면, 모든 후보 감지지점은 복수의 빔들(230) 각각에 대해 지정될 수 있다. 여기에서, Sij의 첨자 i는 빔 번호(1-4)를 나타내고, 첨자 j는 스트레인게이지 위치(1-8)를 나타낸다. 예컨대, S41은 위치 1에서 제4 빔(230d)의 감지 지점을 의미한다. Sij에서 첨자 j가 2, 4, 6인 경우는 i번 빔의 수평부재(Th)의 하단 표면점을 명시한다.Referring to FIG. 3, all candidate detection points may be designated for each of the plurality of beams 230. Here, the subscript i of Sij represents the beam number (1-4), and the subscript j represents the strain gauge position (1-8). For example, S 41 denotes a detection point of the fourth beam 230d at position 1. In Sij, when the subscript j is 2, 4, 6, the bottom surface point of the horizontal member (Th) of the i-beam is specified.

일 실시예에서, 탄성체(130)는 복수의 빔들(230) 각각 마다 8개의 스트레인게이지를 분산하여 부착할 수 있고, 4개의 빔(230)의 경우 최대 32개의 스트레인게이지를 부착할 수 있어 다지점 중 표면변형률이 높은 지점에 스트레인게인지(240)를 적절히 배치 및 부착하여 6축의 힘성분과 토크성분을 감지함에 따라 스트레인게이지의 수를 줄여 센서 가격을 다운시킬 수 있음과 아울러, 가공이 용이해져 생산성을 높일 수 있다.In one embodiment, the elastic body 130 can attach eight strain gauges to each of the plurality of beams 230 by distributing it, and in the case of the four beams 230, up to 32 strain gauges can be attached, and thus multi-point By properly arranging and attaching the strain gauge 240 at the point where the surface strain rate is high, the number of strain gauges can be reduced and the cost of the sensor can be reduced, and processing becomes easy. It can increase productivity.

도 4는 도 2에 있는 탄성체에서 빔의 수평부재의 두께에 따른 표면변형률의 변화를 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing a change in surface strain according to the thickness of a horizontal member of a beam in the elastic body shown in FIG. 2.

도 4의 (a) 내지 (f)에 나타낸 그래프는 힘토크센서(100)에 가해지는 힘에 따라, 가로축이 빔(230)의 수평부재(Th) 두께를 나타내고 세로축이 표면변형률을 나타낸다. (a)는 x축 방향으로 200N의 힘이 가해질 때 빔(230)의 수평부재(Th)의 두께에 따라 탄성체(130)의 빔(230)의 T형 부위가 변형된 것을 나타낸다. (b)는 y축 방향으로 200N의 힘이 가해질 때 빔(230)의 수평부재(Th)의 두께에 따라 탄성체(130)의 빔(230)의 T형 부위가 변형된 것을 나타내고, (c)는 z축 방향으로 200N의 힘이 가해질 때 빔(230)의 수평부재(Th)의 두께에 따라 탄성체(130)의 빔(230)의 T형 부위가 변형된 것을 나타낸다. (d)는 x축에 대해 10Nm의 토크가 가해질 때 빔(230)의 수평부재(Th)의 두께에 따라 탄성체(130)의 빔(230)의 T형 부위가 변형된 것을 나타낸다. (e)는 y축에 대해 10Nm의 토크가 가해질 때 빔(230)의 수평부재(Th)의 두께에 따라 탄성체(130)의 빔(230)의 T형 부위가 변형된 것을 나타내고, (f)는 z축에 대해 10Nm의 토크가 가해질 때 빔(230)의 수평부재(Th)의 두께에 따라 탄성체(130)의 빔(230)의 T형 부위가 변형된 것을 나타낸다.In the graphs shown in (a) to (f) of FIG. 4, according to the force applied to the force torque sensor 100, the horizontal axis represents the thickness of the horizontal member Th of the beam 230, and the vertical axis represents the surface strain. (a) shows that the T-shaped portion of the beam 230 of the elastic body 130 is deformed according to the thickness of the horizontal member Th of the beam 230 when a force of 200N is applied in the x-axis direction. (b) shows that the T-shaped portion of the beam 230 of the elastic body 130 is deformed according to the thickness of the horizontal member Th of the beam 230 when a force of 200N is applied in the y-axis direction, (c) Represents that the T-shaped portion of the beam 230 of the elastic body 130 is deformed according to the thickness of the horizontal member Th of the beam 230 when a force of 200N is applied in the z-axis direction. (d) shows that the T-shaped portion of the beam 230 of the elastic body 130 is deformed according to the thickness of the horizontal member Th of the beam 230 when a torque of 10 Nm is applied to the x-axis. (e) shows that the T-shaped portion of the beam 230 of the elastic body 130 is deformed according to the thickness of the horizontal member Th of the beam 230 when a torque of 10 Nm is applied to the y-axis, (f) Represents that the T-shaped portion of the beam 230 of the elastic body 130 is deformed according to the thickness of the horizontal member Th of the beam 230 when a torque of 10 Nm is applied to the z-axis.

도 5는 도 2에 있는 탄성체에서 빔의 수직부재의 두께에 따른 표면변형률의 변화를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the change in surface strain according to the thickness of the vertical member of the beam in the elastic body of FIG. 2.

도 5의 (a) 내지 (f)에 나타낸 그래프는 힘토크센서(100)에 가해지는 힘에 따라, 가로축이 빔(230)의 수직부재(Tv) 두께를 나타내고 세로축이 표면 변형률을 나타낸다. (a)는 x축으로 200N의 힘이 가해질 때 탄성체(130)의 빔(230)의 T형 부위가 변형된 것을 나타내고, (b)는 x축으로 200N의 힘이 가해질 때 탄성체(130)의 빔(230)의 T형 부위가 변형된 것을 나타내고, (c)는 z축으로 200N의 힘이 가해질 때 탄성체(130)의 빔(230)에 부착된 스트레인게이지(240)에 의해 감지된 표면변형률을 나타낸다. (d)는 x축에 대해 10Nm의 토크가 가해질 때 탄성체(130)의 빔(230)의 T형 부위가 변형된 것을 나타내고, (e)는 y축에 대해 10Nm의 토크가 가해질 때 탄성체(130)의 빔(230)의 T형 부위가 변형된 것을 나타내고, (f)는 z축에 대해 10Nm의 토크가 가해질 때 탄성체(130)의 빔(230)의 S43, S17, S14, S13, S41, S45 지점에 부착된 스트레인게이지(240)에 의해 감지된 표면변형률을 나타낸다.In the graphs shown in (a) to (f) of FIG. 5, according to the force applied to the force torque sensor 100, the horizontal axis represents the thickness of the vertical member Tv of the beam 230, and the vertical axis represents the surface strain. (a) shows that the T-shaped portion of the beam 230 of the elastic body 130 is deformed when a force of 200N is applied along the x-axis, and (b) is the elastic body 130 when a force of 200N is applied along the x-axis. It indicates that the T-shaped part of the beam 230 is deformed, and (c) is the surface strain detected by the strain gauge 240 attached to the beam 230 of the elastic body 130 when a force of 200N is applied along the z-axis. Represents. (d) shows that the T-shaped portion of the beam 230 of the elastic body 130 is deformed when a torque of 10 Nm is applied to the x-axis, and (e) is the elastic body 130 when a torque of 10 Nm is applied to the y-axis. ) Indicates that the T-shaped portion of the beam 230 is deformed, and (f) is S 43 , S 17 , S 14 , S of the beam 230 of the elastic body 130 when a torque of 10 Nm is applied to the z-axis. 13 , S 41 , S 45 represents the surface strain detected by the strain gauge 240 attached to the point.

일 실시예에 따른 다축 힘토크센서(100)는 도 4 및 도 5에 보여진 바와 같이, 탄성체(130)를 구성하는 빔(230)의 수평 및 수직부재의 두께를 적절하게 조절함에 따라 높은 표면변형률 값을 얻을 수 있다. 여기에서, 빔(230)의 수평부재(Th) 두께는 1.6mm이고, 수직부재(Tv) 두께는 1.8mm로 할 수 있다.The multiaxial force torque sensor 100 according to an embodiment has a high surface strain rate by appropriately adjusting the thickness of the horizontal and vertical members of the beam 230 constituting the elastic body 130, as shown in FIGS. 4 and 5 You can get the value. Here, the thickness of the horizontal member (Th) of the beam 230 may be 1.6 mm, and the thickness of the vertical member (Tv) may be 1.8 mm.

도 6은 도 1에 있는 회로기판에 형성된 신호처리구성을 나타내는 도면이다.6 is a diagram showing a signal processing configuration formed on the circuit board shown in FIG. 1.

도 6을 참조하면, 회로기판(153)에는 휘스톤브리지회로(310), 제1 저역통과필터(320), 1단 증폭기(330), 영점조정회로(340), 제2 저역통과필터(350), 2단 증폭기(360) 및 마이크로컨트롤러(370)를 포함할 수 있다.6, the circuit board 153 includes a Wheatstone bridge circuit 310, a first low pass filter 320, a first stage amplifier 330, a zero adjustment circuit 340, and a second low pass filter 350. ), a two-stage amplifier 360 and a microcontroller 370 may be included.

휘스톤(Wheatstone)브리지회로(310)는 탄성체(130)의 4개의 빔(230)의 수평 및 수직부재에 분산 부착된 스트레인게이지(240)와 연결되어 표면변형률을 감지할 수 있다. 예컨대 두개의 스트레인게이지(S1,S2)와 두개의 고정도 저항(Rb1,Rb2)을 사용하여 휘스톤브리지회로(310)를 하프브리지 형태로 연결하였다. 예를 들어, 탄성체(130)에 힘이 가해져 변형되면 탄성체(130)의 표면변형률 신호를 변형 지점에 위치한 각 스트레인게이지(S1,S2)를 통해 감지한 후 휘스톤브리지회로(310)의 출력단을 통해 뒷단에 연결된 제1 저역통과필터(LPF)(320)로 출력하게 된다.The Wheatstone bridge circuit 310 is connected to the strain gauge 240 distributedly attached to the horizontal and vertical members of the four beams 230 of the elastic body 130 to detect the surface strain. For example, two strain gauges (S 1 , S 2 ) and two high-precision resistors (R b1 , R b2 ) were used to connect the Wheatstone bridge circuit 310 in the form of a half bridge. For example, when a force is applied to the elastic body 130 and deformed, the surface strain signal of the elastic body 130 is sensed through each strain gauge (S 1 , S 2 ) located at the deformation point, and then the Wheatstone bridge circuit 310 is It is output to the first low pass filter (LPF) 320 connected to the rear end through the output terminal.

일 실시예에서, 휘스톤브리지회로(310)는 4개의 스트레인게이지를 사용하여 구성할 수 있는 풀브리지 1개와 스트레인게이지 2개와 저항 2개로 구성된 하프브리지 5개로 14개의 스트레인게이지(240)로부터 표면변형률 값을 감지하여 6개의 힘성분(Fx,Fy,Fz, Mx, My, Mz)을 제공할 수 있다.In one embodiment, the Wheatstone bridge circuit 310 is a full bridge that can be configured using four strain gauges, and five half-bridges composed of two strain gauges and two resistors, and the surface strain from 14 strain gauges 240 By detecting the value, six force components (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) can be provided.

휘스톤브리지회로(310)를 통해 출력된 신호는 제1 저역통과필터(320)를 통과하면서 필터링되고 1단 증폭기(330)를 통해 일정크기로 증폭되게 된다. 1단 증폭기(330)의 출력 전압(Vu1out)은 다음 수학식 1과 같이 주어질 수 있다.The signal output through the Wheatstone bridge circuit 310 is filtered while passing through the first low pass filter 320 and amplified to a predetermined size through the first stage amplifier 330. The output voltage V u1out of the first stage amplifier 330 may be given by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019058929085-pat00001
Figure 112019058929085-pat00001

여기에서, VU1ref는 1단 증폭기(330)의 기준전압으로 영점조정회로(350)에 의해 생성되는 것으로,

Figure 112019058929085-pat00002
가 될 수 있다.Here, V U1ref is the reference voltage of the first stage amplifier 330 and is generated by the zero adjustment circuit 350,
Figure 112019058929085-pat00002
Can be.

따라서, 1단 증폭기(330)의 출력 전압(Vu1out)은 다음 수학식 2로 정리될 수 있다.Accordingly, the output voltage V u1out of the first stage amplifier 330 can be summarized by Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019058929085-pat00003
Figure 112019058929085-pat00003

영점조정회로(340)는 무부하에서 휘스톤브리지회로(310)의 출력신호를 증폭하고 필터링한 신호의 오프셋전압(offset voltage)을 "0(zero)"으로 만들기 위해 디지털 포텐시오미터(digital potentiometer)와 연산증폭기(operational amplifier)를 사용하여 구성한다.The zero adjustment circuit 340 is a digital potentiometer to amplify the output signal of the Wheatstone bridge circuit 310 under no load and make the offset voltage of the filtered signal to "0 (zero)" And an operational amplifier.

영점조정된 신호는 제2 저역통과필터(350)와 2단 증폭기(360)를 차례로 거치면서 신호처리된 후 세방향의 힘성분과 세방향의 토크성분을 얻도록 마이크로컨트롤러(370)로 전달된다.The zero-adjusted signal is processed through the second low-pass filter 350 and the two-stage amplifier 360 in sequence and then transmitted to the microcontroller 370 to obtain force components in three directions and torque components in three directions. .

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서에서 z축 방향의 계단모양 정적부하(Fz)에 대한 힘측정 결과를 보여주는 그래프이다.7 is a graph showing force measurement results for a step-shaped static load (Fz) in the z-axis direction in the strain gauge type multi-axis force torque sensor according to an embodiment of the present invention.

도 7을 보면, 일 실시예에 따른 힘토크센서(100)는 z축 방향으로 작용하는 힘이 주어진 경우에 Mx 성분에서 연결 효과 측면에서 우수한 성능을 보여주고 있다. 다른 방향에서 힘 또는 모멘트가 입력되는 경우에도 유사한 결과를 보였다.Referring to FIG. 7, when a force acting in the z-axis direction is given, the force torque sensor 100 according to an embodiment shows excellent performance in terms of a connection effect in the Mx component. Similar results were obtained when forces or moments were input from other directions.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명과 종래의 힘토크센서에서 세(x,y,z)축 방향의 동적부하에 대한 힘측정 결과를 보여주는 비교 그래프이다.8A to 8C are comparative graphs showing force measurement results for dynamic loads in the three (x, y, z) directions in the present invention and the conventional force torque sensor.

도 8a 내지 도 8c에서, x, y, z의 세축 방향에서 동적부하에 대한 힘측정 결과를 보면 본 발명은 종래와 유사한 결과를 보임으로써 그 성능이 검증되었다. 본 발명과 종래의 힘토크센서 사이의 힘 측정 결과의 최대 차이는 각각 1.8%, 2.0%, 2.0% 이었다.In FIGS. 8A to 8C, the performance of the present invention was verified by showing results similar to those of the prior art when looking at the force measurement results for the dynamic load in the three axes of x, y, and z. The maximum difference between the force measurement results between the present invention and the conventional force torque sensor was 1.8%, 2.0%, and 2.0%, respectively.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서의 선형성 및 히스테리스를 보여주는 그래프이다.9 is a graph showing linearity and hysteresis of a strain gauge multi-axis force torque sensor according to an embodiment of the present invention.

도 9에서, z축 방향으로 총 16kgf의 하중을 가한 다음 단계적으로 하역한 경우로, 히스테리시스 실험에서 1.6%의 최대 선형성 오류를 보였다.In FIG. 9, a total load of 16 kgf was applied in the z-axis direction and then unloaded in stages, and a maximum linearity error of 1.6% was shown in the hysteresis test.

도 10a 내지 도 10c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서의 실제 제작된 모형을 보여주는 사진이다.10A to 10C are photographs showing a model actually manufactured of a strain gauge type multi-axis force torque sensor according to an embodiment of the present invention.

도 10a는 일 실시예에 따른 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서(100)의 개발 제품 사진으로, 하부 커버(170)의 일측면에 안테나(175)가 장착된 상태를 보여준다. 이 경우에는 USB 무선 통신부를 통해 무선통신을 수행할 수 있다.10A is a photograph of a developed product of the strain gauge type multi-axis force torque sensor 100 according to an embodiment, and shows a state in which the antenna 175 is mounted on one side of the lower cover 170. In this case, wireless communication can be performed through the USB wireless communication unit.

도 10b는 도 10a에 보여진 다축 힘토크센서(100)에서 안테나(175) 대신 하부 커버(170)의 일측면에 USB연결포트를 형성하여 USB를 통해 유선통신을 수행할 수 있다.10B is a multi-axis force torque sensor 100 shown in FIG. 10A by forming a USB connection port on one side of the lower cover 170 instead of the antenna 175 to perform wired communication through USB.

도 10c는 도 10a에 보여진 다축 힘토크센서(100)의 내부 사진으로, 탄성체(130)와 하부 커버(170) 사이의 공간에 회로기판(PCB)(153)이 개재되고 회로기판(153) 상에 마이크로컨트롤러(370)가 실장될 수 있고, 배터리(155)가 내부에 설치될 수 있다.FIG. 10C is an internal picture of the multiaxial force torque sensor 100 shown in FIG. 10A, in which a circuit board (PCB) 153 is interposed in the space between the elastic body 130 and the lower cover 170, and on the circuit board 153 The microcontroller 370 may be mounted on, and the battery 155 may be installed therein.

상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiments of the present application, those skilled in the art will variously modify the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. And it will be appreciated that it can be changed.

100: 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서
110: 상부커버 130: 탄성체
150: 회로기판부 170: 하부커버
210: 상판 220: 하판
230: 복수의 빔들 231: 홈
Th: 수평부재 Tv: 수직부재
240: 스트레인게이지
310: 휘스톤브리지회로 320,350: 저역통과필터
330,360: 증폭기 340: 영점조정회로
370: 마이크로컨트롤러
100: strain gauge type multi-axis force torque sensor
110: upper cover 130: elastic body
150: circuit board part 170: lower cover
210: upper plate 220: lower plate
230: a plurality of beams 231: groove
Th: horizontal member Tv: vertical member
240: strain gauge
310: Wheatstone bridge circuit 320,350: low pass filter
330,360: amplifier 340: zero adjustment circuit
370: microcontroller

Claims (10)

상부커버;
원통형의 하부커버;
상기 상부커버의 하부에 체결되는 상판과 상기 하부커버의 내부에 장착되고 상기 상판 보다 큰 직경을 갖는 하판 및 상기 상판과 상기 하판 사이를 연결하는 복수의 빔들을 포함하여 표면변형률 감지를 위한 다지점을 형성하는 탄성체; 및
상기 하부커버와 상기 탄성체 사이에 장착되고 스트레인게이지를 통해 측정되는 상기 탄성체의 표면변형률을 아날로그 및 디지털 신호처리하는 회로기판부를 포함하되,
상기 복수의 빔들은 각각
상기 하판에 연결되는 수평부재와 상기 수평부재의 중심부에서 수직 연장되고 단부가 절곡되어 상기 상판에 연결되는 수직부재를 포함하고, 표면변형률이 증가되도록 상기 수직부재의 내측에 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서.
Upper cover;
A cylindrical lower cover;
Multi-points for detecting surface strain, including an upper plate fastened to a lower portion of the upper cover, a lower plate having a diameter larger than the upper plate and a plurality of beams connecting between the upper plate and the lower plate, mounted inside the lower cover. An elastic body to form; And
A circuit board part mounted between the lower cover and the elastic body and configured to process analog and digital signals on the surface strain of the elastic body measured through a strain gauge,
Each of the plurality of beams
A horizontal member connected to the lower plate and a vertical member extending vertically from the center of the horizontal member and bent at an end thereof to be connected to the upper plate, wherein a groove is formed inside the vertical member to increase a surface strain. Strain gauge type multi-axis force torque sensor.
제1항에 있어서, 상기 탄성체는
3개 또는 4개의 빔으로 상기 상판과 상기 하판을 연결하고, 상기 빔의 상기 수평부재와 상기 수직부재를 통해 형성되는 T형 부위에서 표면변형률이 높은 지점에 표면변형률을 감지하는 복수개의 스트레인게이지들을 분산하여 부착한 것을 특징으로 하는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서.
The method of claim 1, wherein the elastic body
A plurality of strain gauges that connect the upper plate and the lower plate with three or four beams, and detect the surface strain at a point where the surface strain is high in the T-shaped portion formed through the horizontal member and the vertical member of the beam. Multi-axis force torque sensor of a strain gauge method, characterized in that distributed and attached.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 탄성체는
상기 상판과 상기 하판 중 하나는 원판형으로 형성하여 상기 상부커버와 상기 하부커버 중 하나와 면 접촉하여 연결하고, 상기 상판과 상기 하판 중 나머지 하나는 링형으로 형성하여 상기 상부커버와 상기 하부커버 중 나머지 하나와 가장자리 접촉하여 연결하는 것을 특징으로 하는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서.
The method of claim 1, wherein the elastic body
One of the upper plate and the lower plate is formed in a disk shape to be connected to one of the upper cover and the lower cover by making surface contact, and the other of the upper and lower plates is formed in a ring shape, so that one of the upper cover and the lower cover Multi-axis force torque sensor of the strain gauge method, characterized in that the edge contact and connected with the other.
삭제delete 제2항에 있어서,
상기 상부 커버와 상기 탄성체의 사이 공간 또는 상기 하부 커버와 상기 탄성체의 사이 공간 중 하나에 신호처리회로기판을 개재하여 해당되는 커버에 고정 설치한 것을 특징으로 하는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서.
The method of claim 2,
A strain gauge type multi-axial force torque sensor, characterized in that the signal processing circuit board is interposed in one of the space between the upper cover and the elastic body or the space between the lower cover and the elastic body, and fixed to a corresponding cover.
제6항에 있어서, 상기 신호처리회로기판은
상기 복수개의 스트레인게이지들과 연결된 휘스톤브리지회로와 증폭회로, 영점조정회로, 마이크로컨트롤러 및 통신단자가 설치된 것을 특징으로 하는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서.
The method of claim 6, wherein the signal processing circuit board
A multi-axis force torque sensor of a strain gauge method, characterized in that a Wheatstone bridge circuit connected to the plurality of strain gauges, an amplifying circuit, a zero point adjustment circuit, a microcontroller, and a communication terminal are installed.
제7항에 있어서,
상기 하부 커버의 일측면에 무선안테나 또는 USB연결포트가 형성되고, 상기 무선안테나 또는 USB연결포트를 통해 상기 신호처리회로기판에 설치된 통신단자와 연결되어 무선통신 또는 USB통신 가능하게 구성한 것을 특징으로 하는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서.
The method of claim 7,
A wireless antenna or USB connection port is formed on one side of the lower cover, and is connected to a communication terminal installed on the signal processing circuit board through the wireless antenna or USB connection port to enable wireless or USB communication. Strain gauge type multi-axis force torque sensor.
제6항에 있어서,
상기 탄성체와 상기 신호처리회로기판의 사이 공간에 배터리를 설치한 것을 특징으로 하는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서.
The method of claim 6,
A strain gauge type multi-axis force torque sensor, characterized in that a battery is installed in a space between the elastic body and the signal processing circuit board.
캡 형상의 상부커버;
일측면에 무선안테나 또는 USB 연결포트가 형성되는 원통형의 하부커버;
상기 상부커버에 고정 결합되는 판상의 상판, 상기 하부커버에 고정 결합되고 상기 상판의 직경 보다 큰 직경을 갖는 링상의 하판, 상기 상판과 상기 하판을 연결한 4개의 빔으로 형성되되, 상기 4개의 빔 각각은 상기 하판에 연결되는 수평부재와 상기 수평부재의 중심부에서 수직 연장되고 단부가 절곡되어 상기 상판에 연결되는 수직부재를 구비하고 상기 수직부재의 내측에 원형 또는 타원형의 홈이 형성되는 탄성체; 및
상기 4개의 빔에 각각 부착되어 표면변형률을 감지하는 스트레인게이지를 포함하고,
상기 하부커버와 상기 탄성체 사이의 공간에 신호처리회로기판을 개재하여 상기 하부커버에 고정 설치하고, 상기 스트레인게이지의 감지신호를 신호처리하여 x,y,z축으로 가해지는 힘성분 및/또는 토크성분을 측정하고, 측정결과를 상기 무선안테나 또는 상기 USB 연결포트를 통해 무선통신 또는 USB 통신으로 송신하는 것을 특징으로 하는 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서.
Cap-shaped upper cover;
A cylindrical lower cover having a wireless antenna or USB connection port formed on one side thereof;
It is formed of a plate-shaped upper plate fixedly coupled to the upper cover, a ring-shaped lower plate fixedly coupled to the lower cover and having a diameter larger than the diameter of the upper plate, and four beams connecting the upper plate and the lower plate, the four beams Each has a horizontal member connected to the lower plate and a vertical member extending vertically from the center of the horizontal member and bent at an end thereof to be connected to the upper plate, and an elastic body having a circular or elliptical groove formed inside the vertical member; And
A strain gauge attached to each of the four beams to detect surface strain,
The force component and/or torque applied to the x, y, z axes by signal processing a signal processing circuit board interposed on the lower cover and fixed to the lower cover in the space between the lower cover and the elastic body A strain gauge type multi-axis force torque sensor, characterized in that the component is measured and the measurement result is transmitted through wireless communication or USB communication through the wireless antenna or the USB connection port.
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