KR0138568B1 - 힘/모멘트 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 힘-모멘트 측정장치에 관한 것으로, 임의의 구조물에 고정되는 하부면과, 임이의 힘-모멘트가 전달되는 상부판과, 하부판과 상부판을 각 양단에서 3자유도를 갖는 구면축수을 통해 연결하는 6개의 축을 갖는 스튜어트 플랫폼과, 상기 6개의 축에 각각 설치되어 각 축에 작용되는 축력에 의한 축의 변형을 저항값 변화로 감지하여 그 감지 값을 전압으로 출력하는 축력감지부와, 상기 축력감지부로 부터 출력된 전압을 증폭시켜 출력하는 증폭부와, 상기 증폭부로 부터 출력된 아날로그전압을 상응하는 디지탈 전압값으로 변환출력하는 아날로그/디지탈 변환부와, 상기 출력된 디지탈 전압값을 연산하여 상기 임의의 힘-모멘트를 산출하는 마이크로 프로세서와, 상기 산출된 힘-모멘트를 출력하여 외부에 표시하도록 하는 출력부로 구성된다.

Description

힘/모멘트 측정장치

제1도는 종래의 힘/모멘트 측정장치의 사시도.

제2도는 본 발명의 힘/모멘트 측정장치의 전체구성도.

제3도 (a)(b)는 각각 본 발명의 힘/모멘트 측정장치의 스튜어트 플랫폼의 사시도, 평면도.

제4도 (a)(b)(c)는 각각 임의로 작용하는 힘/모멘트 작용상태도, 힘성분의 분력 작용 상태도, 모멘트 성분의 분력작용 상태도.

제5도 (a)(b)는 축방향의 인장압축력의 측정개념을 나타내기 위한 도면으로,

(a)는 원형감지부의 변형상태도.

(b)는 사각형감지부의 변형상태도.

제6도 (a)(b)는 각각 본 발명의 힘/모멘트측정장치 원형감지부의 상세도, 사각형감지부의 상세도.

제7도는 본 발명의 힘/모멘트측정장치의 감지부의 휘스톤 브리지회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1:하부판 2:상부판

3:축6:보호벽

7:과부하보호봉E1~E6, e1~e6:구면축수

S1~S4:측정소자10:스튜어트 프랫폼

20:축력감지부30:증폭부

40:A/D 변환기50:마이크로 프로세서

60:출력부

본 발명은 힘/모멘트측정장치에 관한 것으로, 특히 공간상의 구조물에 작용하는 임의의 힘과 모멘트를 크기 및 방향까지 정확하게 측정할 수 있는 힘/모멘트 측정장치에 관한 것이다.

산업용로봇을 이용한 정밀 조립분야, 가공분야, 일반기계분야, 인간공학분야등에 사용되는 종래의 힘/모멘트 측정장치는, 제1도에 도시된 바와 같이, 임의의 힘과 모멘트가 작용하는 중앙의 축(a)과 원주형태의 벽(b)과 상기 축을 중심으로 반경방향으로 배치되어 상기축과 벽을 연결하는 3개의 보 또는 감지부(c)와 감지부에 부착된 스트레인게이지(d)로 구성되어 있다.

이와 같은 구조의 힘-모멘트 측정장치가 외부의 힘 또는 모멘트를 받을 때, 변형을 감지하는 감지부의 갯수가 4개인구조도 상용화되었으나 3개의 감지부로 제작된 측정장치가 구조적으로 간단하고, 각축의 힘과 모멘트를 계산하는 과정이 간략화되고 현재 힘-모멘트 측정장치의 구조로서 주종을 이루고 있다. 현재 상용화된 측정 장치는 구조는힘-모멘트를 측정하는 전형적인 보 형태를 이용한 것들이며, 보가 힘 또는 모멘트에 의하여 변형이 되는 것을 이용한다. 경우에 따라서 측정장치의 감지부인보는 실제로 앞에서 언급한 형태의 하중을 동시에 받는 경우도 빈번하다. 따라서 감지부의 하중의 형태는 다양하고, 특정힘과 모멘트를 정확하게 측정하기 위해서는 스트레인 게이지를 감지부의 특별한 곳에 정확히 접착하여, 원하지 않는 힘과 모멘트를 서로 상세하도록 한다.

이와 같은 구조의 감지부를 갖는 힘-모멘트 측정장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 제작상의 문제로,

-측정장치의 구조의 가공 공정이 복잡하다.(가공공정 자체에 많은 경비가 소요되어 비 경제적).

-감지부의 가공시 가공오차로 인한 측정장치 상호 간섭과 비직선성이 유발된다.

-가공시 감지부와 축부, 외벽 부분의 정확한 가공이 불가능하여 감도가 저하되고, 비직선성이 증가 또는 발생한다.

-저항식 스트레인 게이지 부착시 작업공간이 협소하여 이로 인한 생산성 감소와 저항식 스트레인 게이지와 감지부의 중심선의 불일치로 인한 감도, 출력 저하 및 비직선성의 발생가능성이 높아진다.

둘째, 보정상의 문제로,

-상호 간섭 효과(coupling, cross effect)를 피할 수 없어 실제는 한 방향의 힘 또는 작용할 또 다른 방향의 출력을 발생시키는 불리한 구조이다.

셋째, 구조적인 한계로,

-일반적으로 측정 장치가 부분적으로 파손되거나 일부를 교체할 필요가 있을 때에도 부분적인 수리가 곤란하다. 따라서 보수 자체가 불가능하여 보통 측정 장치를 폐기하여 실질적으로 보수가 불가능하다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기위한 것으로, 제작상의 문제, 보정상의 문제와 구조적인 한계를 극복하고, 제조 공정에서 측정소자 부착시 생산성 향상과 상호 간섭소자(cross effect)의 최소화 및 양산에 대비한 경제성의 향상을 꾀할 수 있는 힘-모멘트측정장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 힘-모멘트 측정장치는 임의의 구조물에 고정되는 하부판과 임의의 힘-모멘트가 전달되는 상부판과, 하부판과 각 양단에서 3자 유도를 갖는 구면축수을 통해 연결하는 6개의 축을 갖는 스튜어트 플랫폼과, 상기 6개의 축에 각각 설치되어 각 축에 작용되는 축력에 의한 축의 변형을 저항값변화로 감지하여 그 감지값을 전압으로 출력하는 축력감지부와, 상기 축력감지부로 부터 출력된 전압을 증폭시켜 출력하는 증폭부와, 상기 증폭부로 부터 출력된 아날로그전압을 상응하는 디지탈 전압값으로 변환출력하는 아날로그/디지탈 변환부와, 상기 출력된 디지탈 전압값을 연산하여 상기 임의의 힘-모멘트를 산출하는 마이크로 프로세서와, 상기 산출된 힘-모멘트를 출력하여 외부에 표시하도록 하는 출력부로 구성됨을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명하낟.

제2도는 본 발명의 힘-모멘트 측정장치의 전체구성을 나타낸 것으로 스튜어트플랫폼(10)은, 임의의 구조물에 고정되는 하부판(1)과, 임의의 힘-모멘트가 전달되는 상부판(2)과, 각 양단에서 3자유도를 갖는 구면축수(e1~e6, E1~E6)를 통해 상기 하부판(1)과 상기 상부판(2)를 연결하는 6개의 축(3)를 가지며,

축력감지부(20)는 상기 6개의 축(3)에 각각 설치되어 상기 각 축(3)에 작용되는 축력에 의한 축의 변형을 저항값의 변화로 감지하여 그 감지값을 전압으로 출력하며, 증폭부(30)는, 상기 축력감지부(20)로 부터 출력된 전압을 증폭시켜 출력하며,

아날로그/디지탈 변환부(40)는 상기 증폭부(30)로 부터 출력된 아날로그 전압값을 상응하는 디지탈 전압값으로 변환출력하며, 마이크로 프로세서(50)는, 상기 출력된 디지탈 전압값을 연산하여 상기 임의의 힘-모멘트를 산출하며, 출력부(60)는 상기 출력된 힘-모멘트를 출력하여 외부에 표시한다.

스튜어트 플랫폼(Stewart Platform)(10)은, 예를 들면 피쳐(Fichter)의 A Stewart Platform-Based Manipulator: General Theory and Practical Construction (The International Journal of Robotics Research, Vol.5, No. 2, 1986)에 설명되어 잘 알려져 있으므로, 그 상세한 설명은 생략하고 여기서는 일반적인 설명만을 제공하낟.

상기 스튜어트플랫폼(10)의 하부판(1)은 구조물, 로봇의 경우 마지막 관절부에 고정되고, 상부판(2)위에는 임의의 힘과 모멘트를 전달하는 구조부, 로봇의 경우 그립퍼등 작업을 수행하는 작동부가 고정되고, 상기 하부판(1)과 상부판(2)를 연결하는 6개의 축(3)에는 3자 유도의 회전운동이 가능한 구면축수(e1~e6, E1~E6), 예를 들면 볼소케쇼ㅈ인트가 양단에 각각 부착되고 상기 구면축수(e1~e6, E1~E6)는 각 축의 단부에서의 운동을 구속하되 상부판에 작용하는 모멘트를 상쇄시켜, 축이 인장압축력의 순수축력만을 받도록 한다.

상기 6개의 축(3)는쌍를 이루어 배치되고, 가장 단순한 경우 축(3)는 고정길이를 갖는 강체이고, 이 경우 하부판(1)과 상부판(2)는 서로에 대하여 위치상으로 고정된다.

또한 상기 축(3)는 신축자재로울 수도 있고, 길이상 가변일 수 있다.

또한 축(3)의 길이를 변화시키기 위해 공지시스템, 예를 들면 유압실린더가 사용될 수 있고, 축(3)의 길이를 변화시킴으로서, 하부판(1)과 상부판(2)의 거리를 변화시킬 수도 있다.

각 축(3)에 각각 설치된 축력감지부(20)는, 제5도 내지 제7도에 도시된 바와 같이, 각 축(3)에 작용하는 축력에 의한 축(3)의 변형에 따라 저항값이 변화되는 측정소자(S1~S4)의 저항값의 변화를 전압의 변화로 변환하는 휘스톤브리지회로를 포함한다.

상기 측정소자(S1~S4)는 박막 또는 반도체 저항식 스트레인 게이지일 수 있다.

스튜어트프랫폼의 구조를 이용한 힘-모멘트를 측정하는 기본 원리는 다음과 같다.

스튜어트프랫폼의 구조는 각 감지부의 임의의 모든 방향의 상호 상대 운동을 허용하지 않는 고정된 구조를 이룬다. 즉 공간 자유도가 존재하지 않는다. 일반적으로 특정 구조물의 상호 상대운동에 대한 자유도를 공간 자유도라 칭하며, 이는 구조물의 갯수와 수동 자유도, 개별 자유도, 연결부의 갯수의 함수이다. 이와 같은 특정 구조물의 공간 자유도를 쿠츠바크(Kutzbach)의 법칙을 통해서 표현하면 다음 식과 같다.

공간 자유도=λ×(구조물 변수-연결수 갯수-1)+연결부 갯수×개별 자유도-수동 자유도

앞식에서 계수 λ는 3차원 운동인 경우 6이며, 2차원 운동인 경우는 3이다. 수동 자유도에서 축의 길이방향 회전자유도는 공간 자유도에 영향을 미치지 않는다. 그러므로 본 스튜어트 플랫폼의 공간자유도는 다음과 같이 표현된다.

공간자유도=6×(6+2)-(6×2)-1)+(6×2×3)-(6×1)=0

위의 식으로 부터 제3도의 구조물의 경우는 공간 자유도가 0이므로 서로 상대운동을 하지 않는 고정된 구조로 이루어져 있다.

제3도에 있어서,

수평면 중 가로 방향은 x축, 세로 방향은 y축, 수직 방향은 z축이며, 상부판(2)의 중심을 O_H, 하부판(1)의 중심은 O_L로 설정하고, 상부구면 축수(e1, e6)가 서로 근접한 2개의 중심선을 x축에 고정시키고, x축과 상부 구면 축수(e1)와 상부판의 중심 O_H과 이루는 각도를 B, X축과 하부 구면 축부(B1)와 하부판의 중심 O_L과 이루는 각도를 A, 중심(O_H)에서 상부 구면 축수까지 반경이 r, 하부의 구면 축수까지의 거리를 R, 도시되지 않았으나 상하부판의 거리를 Z_C, 감지부(20)의 길이는 이라고 한다.

임의의 측정하고자하는 힘과 모멘트를 각각이라고 할 때 그 힘과 모멘트는 벡터이므로 각 축에 대하여 크기는 x, y, z의 방향으로 다음과 같이 분해된다.

이에 대한 도식적인 설명은 제4도의 (a)(b)(c)에 제시되었고, 여기서 i, j, k는 x, y, z방향의 단위 벡타이며 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz는 각각 x, y, z방향의 힘과 모멘트들이 하부판(1)을 임의의 구조물에 고정시킨 상태에서 측정장치의 상부판(2)에 측정하고자하는 임의의 힘과 모멘트 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz가 가해지면 임의의 구조물에는 이 힘과 모멘트의 반력이 발생하며 이 분력들이 각 축에 분포된다.

여기서 각 분력들은 축(3)의 양단에 부착된 구면 축수(e1~e6, E1~E6)의 작용에 의하여 오직 축방향의 인장력과 압축력으로서만 축(3)에 작용하게 되며 휨력이나 비틀림력은 작용하지 않고 분포된다.

축(3)에 작용되는 인장 또는 압축력이 각각 f1, f2, f3, f4, f5, f6 일때 이를 이용하여 임의의 힘 Fx, Fy, Fz와 모멘트 Mx, My, Mz를 계산하는 과정을 다음과 같이 같다. 먼저 상하부판의 구면 축수부의 자코비안 행렬(Jacobian matrix)를 구하고, 각 축의 힘과 모멘트를 변환한다. 먼저 하부판(1)의 구면 축수의 위치 Bi는 다음과 같다.

또한 상부판(2)의 5개의 구면축수의 위치 Ei는 다음과 같다.

여기서, 1xi=Exi-Bxi, 1yi=Eyi-Byi, 1zi=Ezi-Bzi 이며, 1i=이다.

식(5)와 식(6)을 이용하여 자코바인의 각 요소를 다음과 같이 표현한다.

최종적으로,

이다. 그러므로 작용하는힘 Fx, Fy, Fz과 Mx, My, Mz를 직접 측정하는 대신 f1, f2, f3, f4, f5, f6를 측정하고 계산 자코바인 행렬(J)을 곱하여 임의의 힘과 모멘트를 측정한다.

한편 축(3)에 작용되는 축력인 f1, f2, f3, f4, f5, f6를 측정하는 방법을 설명한다.

각 축의 감지부에 작용하는힘은 굽힘 모멘트와 비틀림 모멘트 및 전단력이 작용하지 않는 순수한 인장 압축력이므로 이 힘은 측정소자(S1~S4)인 박막 또는 반도체 저항식 스트레인 게이지를 이용하여 측정이 가능하다. 각축(3)의 감지부(20)는, 축력 f1, f2, f3, f4, f5, f6에 의해서 탄성 한도내에서 미소한 변형을 한다. 이 변형을 저항식 스트레인 게이지의 저항 변환하여 감지부의 변형을 검출하여 궁극적으로 f1, f2, f3, f4, f5, f6에 해당하는 각각의 전압을 측정한다.

특정 축에 제5도의 (가), (나)와 같이 축방향의 힘 F가 작용하면, 축은 이에 따라 탄성 변형을 하는 데 그 응력 σ와 변형율 ε과의 관계는 다음과 같다.

σ=E·ε

응력과 변형율의 정의에 의해서 다음과 같이 정리된다.

여기서, F는 감지부에 작용하는 축방향의 힘, A는 감지부의 단면적, E는 영(Young) 탄성계수, L은 변형전 감지부의 길이,L는 감지부가 힘을 받은 후 변형한 길이이다. 탄성체인 감지부의 변형율 ε를 측정하는 방법은 다음과 같다. 먼저, 제6도의 (a), (b)과 같이 감지부(20)의 중심부에 박막 또는 반도체 저항식 스트레인 게이지(S1~S4)를 접착시킨다. 부착된 저항식 스트레인 게이지는 감지부의 변형에 따라 함께 변형을 하며 저항식 스트레인 게이지는 기본적으로 저항체이므로 그 저항값은 저항식 스트레인 게이지의 길이에 비례한다. 본래 저항식 스트레인 게이지의 저항 R은

이다. 여기서, ρ는 저항식 스트레인 게이지의 비저항(specific esistance)이며, l은 저항식 스트레인 게이지의 변형전의 길이, a는 저항식 스트레인 게이지의 단면적이다. 저항식 스트레인 게이지가 변형될 때, 길이 변화에 따른 저항 변화량은

이다. 여기서, a의 변화는 매우 작아 그 변화량은 무시하였다. 식(12) 식(11)로 나누면 다음 식으로 표현된다.

보통 저항식 스트레인 게이지의 변형율과 감지부의 변형율과의관계는 선형적으로 비례하고, 그 관계를 게이지 율(gage factor) G로 표현한다.

이때 게이지 율은 박막의 경우 1.8-2.0이며, 반도체의 경우 100-200 정도의 값을 갖는다. 식(14)를 (13)에 대입하여 정리하면,

이다. 앞의 식에서 G, A, E는 물성치이므로 알려진 값이며, 측정하려는힘 f를 저항식 스트레인 게이지를 통해서 저항의 변화로 변환시킨다. 변환된 저항의 변화를 정밀하게 측정하는 것은 현재까지도 기술적인 제약이 따르므로 휘스톤 브리지 회로를 이용하여 전압의 변화로 변환한다. 제7도는 휘스톤 브리지 회로이며 S1, S2, S3, S4는 저항식 스트레인 게이지, R1은 영점조정용 저항 R2는 온도변화에 따른 영점 변화 보상 저항 R3, R4은 온도 변화에 따른 출력 보상용 저항, R5, R6는 출력 조정용 저항으로 각각의 감지부에 개별적인 휘스톤 브리지를 구성한다. 본 휘스톤브리지를 이용한 저항변화에 따른 출력 전압 Eo은

이다. 여기서 v는 프와송 계수(Piosson's ratio:0.3)이며 Ein는 입력전압이다. (16)를 식(14)에 대입하여 정리하면

로 최종정리된다. 즉 감지부에 작용하는 힘 f는전압 Eo를 측정함으로서 알 수 있다. 같은 방법으로 나머지 5개의 감지부에서 측정한 힘 f2, f3, f4, f5, f6를 Eo2, Eo3, Eo4, Eo5, Eo6로 측정하고, 이에 따라 전술한 알고리즘에 의한 계산식을 통해서 최종적으로 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz을 측정한다.

이상, 설명한 바와 같이, 스튜어트 플랫폼구조를 이용한 본 발명의 힘-모멘트 측정장치에 따르면, 다음과같은 효과가 기대된다.

-가축부의 가공이 용이하며 제작 및 생산이 용이하며,

-별도의 공정으로 축부에 저항식 스트레인 게이지의 부착이 가능하여 생산에 있어서, 복합 공정이 가능하고,

-대용량의 6축 힘-모멘트의 제작이 용이하고 경량화되며

-제작공정이 간단하고 단순하여 양산이 가능하며 분업화가 용이하다.

-보수 및 유지가 편리하며 각 축부의 점검이 용이하고 교체시 한 축부만의 교체가 가능하여 대폭적인 경비가 절감된다.

Claims (1)

1. 임의의 구조물에 고정되는 하부판과, 임의의 힘-모멘트가 전달되는 상부판과, 하부판과 상부판을 각 양단에서 3자유도를 갖는 구면축수를 통해 연결하는 6개의 축을 갖는 스튜어트 플렛폼과,

   상기 6개의 축에 각각 설치되어 각 축에 작용되는 축력에 의한 축의 변형을 저항값 변화로 감지하여 그 감지 값을 전압으로 출력하는 축력감지부와,

   상기 축력감지부로부터 출력된 전압을 증폭시켜 출력하는 증폭부와,

   상기 증폭부로부터 출력된 아날로그전압값을 상응하는 디지탈 전압값으로 변환출력하는 아날로그/디지탈 변환부와,

   상기 출력된 디지탈 전압값을 연산하여 상기 임의의 힘-모멘트를 산출하는 마이크로 프로세서와,

   상기 산출된 힘-모멘트를 출력하여 외부에 표시하도록 하는 출력부로 구성됨을 특징으로 하는 힘-모멘트 측정장치.