KR100295330B1

KR100295330B1 - 6분력힘/모멘트센서

Info

Publication number: KR100295330B1
Application number: KR1019980021560A
Authority: KR
Inventors: 김갑순; 강대임
Original assignee: 정명세; 한국표준과학연구원
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 2001-11-22
Also published as: JP2000009564A; KR20000001346A; JP3044233B2

Abstract

본 발명은 여러개의 평판보들을 이용하여 힘(Fx,Fy,Fz)과 모멘트(Mx,My,Mz)를 동시에 감지할 수 있는 6분력 힘/모멘트 센서에 관한 것으로서, 같은 크기의 평판보(1~4)를 상부에 위치한 하중전달블록(24)을 중심으로 십자형을 이루도록 구성한 힘 Fz 및 모멘트 Mx와 My를 감지하는 센서의 감지부(30)와; 같은 크기의 평판보(5~12)를 사각형을 이루도록 구성하여 힘 Fx와 Fy를 감지하며 같은 크기의 평판보(13~16)를 하부에 위치한 하중전달블록(24')을 중심으로 십자형을 이루도록 구성하여 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지하는 센서의 감지부(40)로 구성되어 고정블록(B1~B8)으로 몸체(50)와 각각의 보(1~16)를 고정하여 한 몸체를 이루도록 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

6분력 힘/모멘트 센서(6-component force/moment sensor)

본 발명은 여러개의 평판보들을 이용하여 힘(Fx,Fy,Fz)과 모멘트(Mx,My,Mz)를 동시에 감지할 수 있는 6분력 힘/모멘트 센서에 관한 것이다.

공지된 힘/모멘트 감지센서로서, Yabuki(참고문헌 : A. Yabuki, "Six-axis force/torque sensor for assembly robots,"Fujitsu Sci. Tche. J., 26, 1, pp. 41-47, April 1990)는 8개의 병렬 리프(leaf)스프링으로 구성된 직교형 탄성체 구조를 고안하였다. 이 구조에서는 24개의 박 스트레인 게이지로 6개의 휘스톤 브리지가 구성되며 산술적인 계산 없이 힘 및 모멘트 성분을 직접 측정할 수 있다. 이 센서의 상호간섭오차는 힘 성분인 경우 2%이고, 모멘트인 경우 3~6%이다.

Hatamura(참고문헌 : K. Ozo and Y. Hatamura, "A new design for 6-component force/torque sensor", Pro. of the 11th Int. con. on measurement of force and mass, Amsterdarm, The Netherlands, pp. 39-48, May 1986. and US Patent 4,485,681 and 4,674,339)는 힘성분을 측정하는 병렬평행판(parallel plate)과 모멘트를 측정하는 병렬방사판(radial plate)을 이용하여 6분력 힘/모멘트 센서를 고안하였다. 여러 번에 걸쳐 병렬평형판과 병렬방사판을 이용하여 6분력 힘/모멘트 센서를 개발하였으며, 최종 모델인 경우 상호간섭오차가 37%이었다. 그래서 개발한 6분력 힘/모멘트 센서를 실제 사용할 때 상호간섭오차를 줄이기 위하여 컴퓨터를 이용하여 보상하였다. 이와 같은 경우 보상시간이 소요되므로 로봇, 공작기계 등의 정밀한 힘제어에 사용할 수 없다.

Dietrich(미국특허 7,763,531)는 외부 실린더와 내부 허브(hub) 사이에 4개의 빔을 90°간격으로 연결하여 상부구조를 구성하였고, 하부구조도 상부구조와 마찬가지로 외부 실린더와 내부 허브(hub) 사이에 4개의 빔을 90°간격으로 연결하여 구성하였으며, 이들 상부와 하부구조의 허브를 보올트로 체결하여 6분력 힘/모멘트센서를 고안하였다. 이 6분력 힘/모멘트 센서는 두 부분으로 나누어져 있으므로 가공은 용이하나 센서에 힘 혹은 모멘트가 가해졌을 때 조립 부분에서 큰 변형이 발생되며, 또한 이 구조는 병렬평판과 달리 상부구조와 하부구조가 개별적으로 변형되므로 변형량이 크다. 따라서 힘 혹은 모멘트가 가해졌을 때 본 센서의 총 변형량은 위의 두 가지 변형량을 합한 것이 된다. 이와 같이 변형량이 큰 센서는 로봇 및 공작기계의 힘제어를 정밀하게 할 수 없다. 본 센서의 상호간섭오차는 상부와 하부구조의 조립에서 x, y, z측을 정확히 일치시킬 수 없으므로 일체형으로 설계된 센서보다 매우 크게 발생된다.

상기와 같은 기존의 6분력 힘/모멘트 센서에 있어서, 첫째; 선진국에서 개발하여 사용중인 기존의 6분력 힘/모멘트 센서는 센서의 정밀정확도를 나타내는 상호 간섭오차가 3~37% 정도이다. 이와 같이 상호간섭오차가 큰 6분력 힘/모멘트 센서를 현장에서 사용하기 위해서는 컴퓨터를 이용하여 보상하여야 한다. 컴퓨터를 이용하여 보상할 경우에는 보상하는 시간이 소요되므로 로봇이나 공작기계 등과 같이 빠르고 정밀한 제어를 할 경우에는 많은 문제점이 발생한다.

둘째; 병렬평행판이나 병렬방사평판을 이용하여 설계한 6분력 힘/모멘트 센서는 힘 Fx가 가해질 경우 모멘트 My, 그리고 힘 Fy가 가해질 경우 모멘트 Mx가 발생할 때 상호간섭오차가 5% 이상 크게 발생하며, 또한 같은 힘과 모멘트의 용량에서 처짐이 크게 발생한다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 같은 힘과 모멘트의 용량에서 상호간섭오차와 처짐을 기존의 6분력 힘/모멘트 센서보다 작게 하는 6분력 힘/모멘트 센서를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 같은 크기의 평판보를 상부에 위치한 하중전달 블록을 중심으로 십자형을 이루도록 구성한 힘 Fz 및 모멘트 Mx와 My를 감지하는 센서의 감지부와; 같은 크기의 평판보를 사각형을 이루도록 구성하여 힘 Fx와 Fy를 감지하며, 같은 크기의 평판보를 하부에 위치한 하중전달블록을 중심으로 십자형을 이루도록 구성하여 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지하는 센서의 감지부로 구성되어 블록으로 몸체와 각각의 보를 고정하여 일체형을 이루도록 구성한 6분력 힘/모멘트 센서를 제공하여 달성되는 것이다.

도 1은 본 발명 6분력 힘/모멘트 센서의 감지부의 구성도.

도 2는 보(1)과 보(2) 사이에 있는 하중전달블록에 힘 Fz를 -z방향으로 가했을 때 변형된 상태.

도 3는 보(3)과 보(4) 사이에 있는 하중전달블록에 모멘트 Mx를 x방향으로 가했을 때 변형된 상태.

도 4는 보(5) 내지 보(16) 사이에 있는 하중전달블록에 힘 Fy를 -y방향으로 가했을 때 변형된 상태.

도 5는 보(5)과 보(16) 사이에 있는 하중전달블록에 모멘트 Mz를 -z방향으로 가했을 때 변형된 상태.

도 6은 몸체와 고정되는 케이스의 분해 사시도.

도 7은 스트레인 게이지를 부착하여 센서를 구성할 수 있는 스트레인 게이지 부착위치

도 8은 선정된 스트레인 게이지들을 이용하여 구성한 완전결선회로.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

1~16 : 평판보

B1~B8 : 고정블록

S1~S56 : 스트레인 게이지

24, 24' : 하중전달블록

30 : 힘 Fz와 모멘트 Mx, My를 감지하는 감지부

40 : 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지하는 감지부

50 : 몸체

51 : 몸체와 보의 간격

60, 70 : 상, 하부 케이스

본 발명에서는 여러 개의 평판보들을 이용하여 힘 Fx,Fy,Fz 모멘트 Mx,My,Mz를 동시에 감지할 수 있는 6분력 힘/모멘트 센서를 일체형으로 구성한 것이다.

힘 Fz 모멘트 Mx,My를 감지하는 감지부(30)는 6분력 힘/모멘트 센서의 상부에 위치하며, 4개의 평판보(1~4)를 z방향과 수직으로 눕혀서 상부에 위치한 하중전달블록(24)을 중심으로 십자형으로 구성하였다.

힘 Fx,Fy와 모멘트 Mz를 감지하는 감지부(40)는 6분력 힘/모멘트 센서의 하부에 위치하며, 힘 Fx와 Fy를 감지하는 감지부는 8개의 평판보(5~12)를 z방향으로 세워서 사각형 모양을 가지도록 구성하였다. 그리고 모멘트 Mz를 감지하는 감지부는 힘 Fx와 Fy의 감지부를 구성한 사각형 안에 4개의 평판보(13~16)를 z방향으로 세워서 하부에 위치한 하중전달블록(24')을 중심으로 십자형으로 구성하였다.

각각의 힘 혹은 모멘트를 감지하는 평판보(1~16)에 스트레인 게이지 4개를 부착하고 휘스턴 브리지를 구성하여 각각의 센서를 제작하였다.

각각의 힘과 모멘트 측정은 우선 하부에 위치한 하중전달블록(24')을 고정하고 상부에 위치한 하중전달블록(24)에 힘 혹은 모멘트를 개별적으로 혹은 동시에 가한다. 가해진 힘과 모멘트를 각 힘과 모멘트를 감지하는 센서로 측정한다.

이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 힘 Fz 및 모멘트 Mx와 My를 동시에 감지할 수 있도록 평판보(1~4)를 수평으로 눕혀서 구성하고, 힘 Fx와 Fy 및 모멘트 Mz를 동시에 감지할 수 있도록 평판보(5~16)를 수직으로 세워서 구성하여 6분력 힘/모멘트 센서의 감지부를 도 1과 같이 한 몸체로 모델링하였다.

힘 Fz 및 모멘트 Mx와 My를 감지하는 센서의 감지부(30)는 같은 크기의 평판보, 즉 보의 보의 길이(l₁), 보의 폭(b₁), 보의 높이(h₁)가 서로 같은 보(1~4)을 상부에 위치한 하중전달 블록(24)을 중심으로 십자형을 이루도록 구성하였다.

힘 Fx와 Fy 및 모멘트 Mz를 감지하는 센서의 감지부(40)에 있어서, 힘 Fx와 Fy를 감지하는 센서의 감지부는 같은 크기의 평판보, 즉 보의 길이(l₂), 보의 폭(b₂), 보의 높이(h₂)가 서로 같은 평판보(5~12)를 사각형을 이루도록 구성하였다.

그리고 모멘트 Mz를 감지하는 센서의 감지부는 같은 크기의 평판보, 즉 보의 길이(l₃), 보의 폭(b₃), 보의 높이(h₃)가 서로 같은 평판보(13~16)를 하부에 위치한 하중전달블록(24')을 중심으로 십자형을 이루도록 구성하였다.

상기에서 보 (1)과 (2)는 힘 Fz과 모멘트 My를 감지하는 감지부로 사용되고 보 (3)과 (4)는 모멘트 Mx를 감지하는 감지부로 사용된다. 보 (5~8)은 힘 Fx, 보 (9~12)는 힘 Fy, 보 (13~16)은 모멘트 Mz를 감지하는 감지부이다. 그리고 하중전달블록(24,24')은 케이블 인출구(52)를 형성한 몸체(50)와 각각의 보(1~16) 들을 고정한 것이다.

그리고 몸체(50)와 일체를 이루고 있는 감지부(30,40)는 하중전달블록(24,24')이 몸체(50)와 연결되고 각각의 평판보(1~16)은 몸체(50)와 떨어져 일정한 간격(51)을 가지고 있다.

도 2는 보 (1)과 (2) 사이에 있는 하중전달블록(24)에 힘 Fz를 -z방향으로 가했을 때 변형된 상태이며,

도 3는 보 (3)과 보(4) 사이에 있는 하중전달블록(24)에 모멘트 Mx를 x방향으로 가했을 때 변형된 상태이며,

도 4는 보 (5)과 보(16) 사이에 있는 하중전달블록(24')에 힘 Fy를 -y방향으로 가했을 때 변형된 상태이며,

도 5는 보 (5)과 보(16) 사이에 있는 하중전달블록(24')에 모멘트 Mz를 -z방향으로 가했을 때 변형된 상태를 각각 나타낸 것이다.

도 6는 각각 하부 하중전달블록과 상부 하중전달블록을 포함한 몸체와 고정되는 케이스의 분해 사시도이다.

도시한 바와 같이 케이스는 상부 케이스(60)와 하부 케이스(70)로 구분되어 감지부가 고정된 몸체(50)에 조립되는 것으로, 각각 중앙부위로 조립공(21)이 형성되며 바깥쪽으로는 외부기기와 체결되는 체결공(22) 및 핀 홀(23)이 형성되어 상기 조립공(21)을 통하여 고정수단으로 몸체(50)의 하중전달블록(24,24')에 체결되도록 하는 것이다.

도 7은 스트레인 게이지를 부착하여 센서를 구성할 수 있는 스트레인 게이지 부착위치를 나타낸 것으로서, 각각의 센서를 구성하는 스트레인 게이지는 Fx 감지용 센서인 경우 S17, S19, S21, S23, Fy인 경우 S25, S27, S29, S31, Fz인 경우 S9~S12, MX인 경우 S5~S8, My인 경우 S1~S4, Mz인 경우 S33~S36으로 선정하였다.

선정된 스트레인 게이지들을 이용하여 도 8과 같이 완전결선회로를 구성하여 각각의 센서를 제작하였다. 즉 C₁은 S17, S25, S9, S5, S1, S33, C₂는 S19, S27, S10, S6, S2, S34, T₁은 S21, S29, S11, S7, S3, S35, T₂는 S23, S31, S12, S8, S4, S36으로 구성되어 진다.

6분력 힘/모멘트 센서를 이용한 힘 및 모멘트 측정은 하부에 위치한 하중전달블록(24')을 고정하고 상부에 위치한 하중전달블록(24)에 힘 혹은 모멘트를 개별적으로 혹은 동시에 가한 후 가해진 힘과 모멘트를 각 힘과 모멘트를 감지하는 센서로 감지한다.

표 1은 상호간섭오차를 백분율로 나타낸 것을 보이고 있다. 각각의 힘 혹은 모멘트가 가해졌을 경우 가장 큰 상호간섭오차는 힘 Fx가 가해졌을 경우에는 Mz 감지용 센서가 1.7%, 힘 Fy인 경우에는 Mx 감지용 센서가 2.0%, 힘 Fz인 경우에는 My 감지용 센서가 1.7%, 모멘트 Mx인 경우에는 Fz 감지용 센서가 0.8%, 모멘트 My인 경우에는 Mx 감지용 센서가 0.6%, 모멘트 Mz인 경우에는 Fy 감지용 센서가 1.5%이 었다. 특히 병렬평행판과 방사평판에서 상호간섭오차가 크게 나타나는 경우, 즉 힘 Fx가 가해졌을 때 모멘트 My 감지용 센서와 힘 Fy가 가해졌을 때 모멘트 Mx 감지용센서의 경우 각각 1.5%와 2.0%로 매우 작게 나타났다. 따라서 개발한 6분력 힘/모멘트 센서의 상호간섭오차는 최대 2.0% 이내로 현재 선진국에서 개발되어 산업에서 사용되고 있는 기존의 6분력 힘/모멘트 센서의 상호간섭오차 3% 이상보다 우수한 것으로 평가되었다.

상술한 바와 같은 본 발명의 6분력 힘/모멘트 센서는 상호간섭오차가 2%이내로 정밀한 6분력의 힘과 모멘트를 측정할 수 있으며, 로봇 등 빠르고 정밀도가 높은 실시간 제어가 가능한 효과가 있는 것이다.

Claims

같은 크기의 평판보(1~4)를 상부에 위치한 하중전달 블록(24)을 중심으로 십자형을 이루도록 구성한 힘 Fz 및 모멘트 Mx와 My를 감지하는 센서의 감지부(30)와; 같은 크기의 평판보(5~12)를 사각형을 이루도록 구성한 힘 Fx와 Fy를 감지하며, 같은 크기의 평판보(13~16)를 하부에 위치한 하중전달블록(24')을 중심으로 십자형을 이루도록 구성하여 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지하는 센서의 감지부(40)로 구성되어 각각의 평판보(1~16)는 하중전달블록(24,24')에 고정되며, 고정블록(B1~B8)이 몸체(50)와 고정되어 일체를 이루도록 구성한 것을 특징으로 하는 6분력 힘/모멘트 센서.
제1항에 있어서, 보(1,2)는 힘 Fz과 모멘트 My를 감지하는 감지부로 사용되고, 보(3,4)는 모멘트 Mx를 감지하는 감지부로 사용되며, 보(5~8)은 힘 Fx, 보(9~12)는 힘 Fy, 보(13~16)은 모멘트 Mz를 감지하는 감지부로 사용되는 것을 특징으로 하는 6분력 힘/모멘트 센서.
제1항에 있어서, 각각의 힘과 모멘트를 감지하도록 수직으로 세워진 평판보(1~16)는 몸체(50)에 직접 고정되지 않도록 일정간격(51)을 가지는 것을 특징으로 하는 6분력 힘/모멘트 센서.
케이스는 상부 케이스(60)와 하부 케이스(70)로 구분되어 감지부(30,40)가 고정된 몸체(50)와 조립되는 것으로, 각각 중앙부위로 조립공(21)이 형성되며 바깥쪽으로는 외부기기와 체결되는 체결공(22) 및 핀 홀(23)이 형성되어 상기 조립공(21)을 통하여 고정수단으로 몸체(50)의 하중전달블록(24,24')에 체결되어 감지부(30,40)를 수납하는 것을 특징으로 하는 6분력 힘/모멘트 센서의 케이스.