KR100295331B1 - 3분력힘/모멘트센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 여러개의 평판보들을 이용하여 힘(Fx,Fy)과 모멘트(Mz)를 동시에 감기할 수 있는 3분력 힘/모멘트 센서에 관한 것으로서, 힘 Fx를 감지하는 보의 길이(l1), 보의 폭(b1), 보의 높이(h1)가 서로 같은 보(1~4), 힘 Fy를 감지하는 보(5~8)가 사각형을 이루도록 구성하는 힘 Fx와 Fy를 감지하는 센서의 감지부와, 보의 길이(l2), 보의 폭(b2), 보의 높이(h2)가 서로 같은 보(9~12)를 상기 힘 감지부를 구성한 사각형 안에 하중전달블록(24)을 중심으로 십자형을 이루도록 구성하여 모멘트 Mz를 감지하는 센서의 감지부인 힘/모멘트 감지부(30)로 구성하여, 상기 힘 Fx와 Fy 및 모멘트 Mz를 동시에 감지할 수 있도록 평판보(1~12)를 수직으로 세워서 한 몸체(40)로 구성하며, 상기 몸체(40)와 각각의 보(1~12)는 고정블록(B1~B4)으로 고정되는 것을 특징으로 하는 것이다.
Description
본 발명은 여러개의 평판보들을 이용하여 힘(Fx,Fy)과 모멘트(Mz)를 동시에 감지할 수 있는 3분력 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 방사평행판(radial plate)을 이용하여 6분력 힘/모멘트센서를 고안하였다. 여러 번에 걸쳐 병렬평판과 방사평판을 이용하여 5분력 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 부부네서 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.
선진국에서 개발하여 사용중인 기존의 다분력 힘/모멘트 센서는 센서의 정밀정확도를 나타내는 상호간섭오차가 3~37% 정도이다. 이와 같이 상호간섭오차가 큰다분력 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. 병렬평판이나 병렬방사평판을 이용하여 설계한 다분력 힘/모멘트 센서는 같은 힘과 모멘트의 용량에서 처짐이 크게 발생한다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 같은 힘과 모멘트의 용량에서 상호간섭오차와 처짐을 기존의 다분력 힘/모멘트 센서보다 작게하기 위한 3분력 힘/모멘트 센서를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 보의 길이, 보의 폭, 보의 높이가 서로 같은 8개의 평판보가 사각형을 이루도록 구성하는 힘 Fx, Fy를 감지하는 센서의 감지부와, 보의 길이, 보의 폭, 보의 높이가 서로 같은 4개의 평판보를 상기 힘 감지부를 구성한 사각형 안에 하중전달블록을 중심으로 십자형을 이루도록 구성하는 모멘트 Mz를 감지하는 센서의 감지부로 구성하여, 상기 힘 Fx와 Fy 및 모멘트 Mz를 동시에 감지할 수 있도록 평판보를 수직으로 세워서 한 몸체로 구성하며, 몸체와 각각의 보는 블록으로 고정되는 것을 특징으로 하는 3분력 힘/모멘트 센서에 의하여 달성되는 것이다.
도 1은 본 발명 3분력 힘/모멘트 센서의 감지부.
도 2는 보(1)과 보(12) 사이에 있는 하중전달블록에 힘 Fy를 -y방향으로 가했을 때 변형된 상태.
도 3는 보(1)과 보(12) 사이에 있는 하중전달블록에 힘 Mz를 -z방향으로 가했을 때 변형된 상태.
도 4는 몸체와 고정되는 케이스의 분해 사시도.
도 5는 스트레인 게이지 부착위치도.
도 6은 선정된 스트레인 게이지들을 이용하여 구성된 완전결선회로.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
1~12 : 평판보
B1~B4 : 고정블록
S1~S40 : 스트레인 게이지
24 : 하중전달블록
30 : 힘/모멘트 감지부
40 : 몸체
41 : 몸체와 보의 간격
50 : 케이스
본 발명에서는 여러 개의 평판보들을 이용하여 힘 Fx,Fy, 모멘트 Mz를 동시에 감지할 수 있는 감지부(30)를 몸체(40)와 일체형으로 구성하였다.
센서는 힘 Fx와 Fy를 감지하는 감지부는 8개의 평판보(1~8)를 z방향으로 세워서 사각형 모양을 가지도록 구성하였다. 그리고 모멘트 Mz를 감지하는 감지부는 힘 Fx와 Fy의 감지부를 구성한 사각형 안에 4개의 평판보(9~12)를 z방향으로 세워서 하중전달블록(24)을 중심으로 십자형으로 구성하였다.
각각의 힘 혹은 모멘트를 감지하는 평판보(1~12)에 각각의 센서로써 미지의 저항을 측정하는 회로 또는 측정기인 통상의 휘스턴 브리지(Wheatstone bridge)가 구성되는 것으로, 이는 도 8에 도시된 바와같이 금속 등 재질의 신축량을 전기 저항 등으로 변환하여 미소 변위를 검출하는 4개의 스트레인 게이지(C1, C2, T1, T2)를 부착하여 휘스턴 브리지를 구성한다. 이를 이용한 각각의 힘과 모멘트 측정은 하중전달블록(24)에 힘 혹은 모멘트를 개별적으로 혹은 동시에 가하게 되면, 이의 입력값이 한다. 가해진 힘과 모멘트를 각 힘과 모멘트를 감지부(30)에서 센서로 측정한다.
이하 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 힘 Fx와 Fy 및 모멘트 Mz를 동시에 감지할 수 있도록 평판보(1~12)를 수직으로 세워서 구성하여 3분력 힘/모멘트 센서의 감지부(30)를 도 1과 같이 몸체(40)와 일체를 이루도록 모델링 하였다.
힘 Fx와 Fy를 감지하는 센서의 감지부는 같은 크기의 평판보, 즉 보의 보의 길이(l1), 보의 폭(b1), 보의 높이(h1)가 서로 같은 보(1~4)을 사각형을 이루도록 구성 하였다.
그리고 모멘트 Mz를 감지하는 센서의 감지부는 같은 크기의 평판보, 즉 보의 길이(l2), 보의 폭(b2), 보의 높이(h2)가 서로 같은 보(9~12)를 하중전달블록(24)을 중심으로 십자형을 이루도록 구성하였다.
여기서 보(1~4)는 힘 Fx, 보(5~8)은 힘 Fy, 보(9~12)는 모멘트 Mz를 감지하는 감지부이다.
그리고 하중전달블록(24)은 케이블 인출구(42)가 형성된 몸체(40)와 각각의 보(1~12)들을 고정한 것으로서 감지부위 평판부(1~12)는 몸체(40)와는 직접 접촉되지 않고 일정한 간격(41)을 유지하고 있으며, 하중전달블록(24)이 4방향에서 몸체(40)와 연결되어진다.
도 2는 보(1)과 (12) 사이에 있는 하중전달블록(24)에 힘 Fy를 -y방향으로 가했을 때 변형된 상태이며,
도 3는 보(1)과 보(12) 사이에 있는 하중전달블록(24)에 힘 Mz를 -z방향으로 가했을 때 변형된 상태를 각각 나타낸 것이다.
도 4는 하중전달블록을 포함한 몸체와 고정되는 케이스의 분해 사시도이다.
즉, 케이스(50)는 중앙으로 조립공(21)을 형성하며 바깥쪽으로는 외부기기에 결합하기 위한 다수의 체결홈(22)과 핀 홀(23)을 형성하고, 힘과 모멘트 감지부(30)가 고정된 몸체(40)의 하중전달블록(24)와 조립공(21)을 통한 고정수단으로 체결되어 감지부(30)를 수납하도록 구성되는 것이다.
도 5는 스트레인 게이지(S1~S40)를 부착하여 센서를 구성할 수 있는 스트레인 게이지 부착위치를 나타낸 것으로서, 각각의 센서를 구성하는 스트레인 게이지는 Fx 감지용 센서인 경우 S1, S4, S5, S8, Fy인 경우 S9, S12, S13, S16, Mz인 경우 S33, S37, S36, S40으로 선정하였다.
선정된 스트레인 게이지들을 이용하여 도 6과 같이 완전결선회로를 구성하여 각각의 센서를 제작하였다. 즉 C1은 S1, S9, S33, C2는 S4, S12, S37, T1은 S5, S13, S36, T2는 S8, S16, S40으로 구성된다.
3분력 힘/모멘트 센서를 이용한 힘 및 모멘트 측정은 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 Mz 감지용 센서가 1.7%, 힘 Fy인 경우에는 Mz 감지용 센서가 1.7%, 힘 Fz인 경우에는 Fy 감지용 센서가 0.05%, 모멘터 Mx인 경우에는 Mz 감지용 센서가 0.2%, 모멘트 My인 경우에는 Mz 감지용 센서가 0.3%, 모멘트 Mz인 경우에는 Fy 감지용 센서가 1.5%이었다. 따라서 개발한 3분력 힘/모멘트 센서의 상호간섭오차는 최대 1.7% 이내로 현재 선진국에서 개발되어 산업에서 사용되고 있는 기존의 다분력 힘/모멘트 센서의 상호간섭오차 3% 이상보다 우수한 것으로 평가되었다.
상술한 바와 같은 본 발명의 3분력 힘/모멘트 센서는 정밀한 3분력의 힘과 모멘트를 측정할 수 있으며, 로봇 등 빠르고 정밀도가 높은 실시간 제어가 가능한 효과가 있는 것이다.
Claims (4)
- 서로 같은 크기를 갖으며 힘 Fx를 감지하는 평판보(1~4), 힘 Fy를 감지하는 평판보(5~8)가 하중전달블록(24)을 중심으로 사각형을 이루도록 구성하는 힘 Fx와 Fy를 감지하는 센서의 감지부와, 같은 크기의 평판보(9~12)를 상기 힘 감지부를 구성한 사각형 안에 하중전달블록(24)을 중심으로 십자형을 이루도록 구성하여 모멘트 Mz를 감지하는 센서의 힘/모멘트 감지부(30)로 구성하여, 상기 힘 Fx와 Fy 및 모멘트 Mz를 동시에 감지할 수 있도록 평판보(1~12)를 수직으로 세워서 고정블록(B1~B4)에 고정되며, 상기 고정블록(B1~B4)이 몸체(40)에 고정되어 일체형을 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 3분력 힘/모멘트 센서.
- 제1항에 있어서, 각각의 힘과 모멘트를 감지하도록 수직으로 세워진 평판보(1~12)는 몸체(40)에 직접 고정되지 않도록 일정간격(41)을 가지는 것을 특징으로하는 3분력 힘/모멘트 센서.
- 제1항에 있어서, 하중전달블록(24)에 힘이나 모멘트를 가하여 각 힘과 모멘트를 측정하는 것을 특징으로 하는 3분력 힘/모멘트 센서.
- 중앙으로는 조립공(21)을 형성하며 바깥쪽으로는 외부기기에 결합하기 위한 다수의 체결홈(22)과 핀 홀(23)을 형성하고 힘과 모멘트 감지부(30)가 고정된 몸체(40)의 하중전달블록(24)와 조립공(21)을 통한 고정수단으로 체결되어 감지부(30)를 수납하는 것을 특징으로 하는 3분력 힘/모멘트 센서의 케이스.
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