KR100347334B1 - 고정밀 6축 힘/모멘트 감지센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3개 방향의 힘과 3개 방향의 모멘트를 동시에 측정할 수 있는 고정밀 6축 힘/모멘트 감지센서에 관한 것으로, 특히 수평방향으로 사각형의 수평관통홀이 각각 형성되고 다수의 스트레인 게이지가 부착된 4개의 수평보를 상부 힘/모멘트 전달블럭을 중심으로 십자형으로 결합시켜 힘 Fz과 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서와; 수직방향으로 사각형의 수직관통홀이 각각 형성되고 다수의 스트레인 게이지가 부착된 4개의 수평보를 하부 힘/모멘트 전달블럭을 중심으로 십자형으로 결합시켜 모멘트 Mz를 감지하는 하부감지센서; 및 다수의 스트레인 게이지가 부착된 4개의 수직보를 통해 상하측으로 평행하게 위치한 상기 상부감지센서의 수평보와 하부감지센서의 수평보를 서로 결합시켜 힘 Fx와 Fy를 감지하는 중간부 감지센서를 구비하되; 상기 상부감지센서와 중간부 감지센서 및 하부감지센서는 모두 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기와 같이 본 발명에 따른 힘/모멘트 감지센서는 상부감지센서와 중간부 감지센서 및 하부감지센서가 서로 독립되어 있음에 따라 넓은 범위의 힘/모멘트비(5:1∼40:1)를 갖도록 설계할 수 있으며, 아울러 상호간섭오차가 이론해석 및 유한요소해석 결과 모두 0인 우수한 센서로 정밀측정이 가능하다.

Description

고정밀 6축 힘/모멘트 감지센서 {precision 6-axis force/moment sensor}
본 발명은 3개 방향의 힘과 3개 방향의 모멘트를 동시에 측정할 수 있는 6축 힘/모멘트 감지센서에 관한 것으로, 특히 넓은 범위의 힘/모멘트비를 가지며 상호간섭오차가 매우 낮은 고정밀 6축 힘/모멘트 감지센서에 관한 것이다.
일반적으로 힘을 측정하기 위한 센서로 로드셀(load cell)이 사용되고 있는데, 이 로드셀은 한 방향의 힘만을 측정하도록 설계되어 있다.
그러나, 기계설비의 자동화와 공작기계의 고급화 등으로 인해 한 방향의 힘 뿐만 아니라 여러 방향의 힘과 모멘트를 동시에 측정할 필요성이 증가하고 있다. 이를 위해 로드셀을 다수개 설치하여 힘과 모멘트를 동시에 측정할 수도 있으나 이는 공간상의 제약과 조립오차가 크기 때문에 바람직한 방법이라고 말할 수 없다.
따라서 여러 방향의 힘과 모멘트를 동시에 측정할 수 있는 힘측정 센서인 다분력 로드셀이 요구되는데, 종래의 6축 힘/모멘트 감지센서는 감지부의 구조상 힘/모멘트의 비를 다양하게 설계할 수 없으며, 이로인해 힘과 모멘트를 정확하게 측정할 수 없다는 문제점이 있다.
도 4는 종래의 힘/모멘트 감지센서의 일예를 나타낸 도면으로, Dietrich(미국특허 7,763,531)에 의해 제안된 다분력 로드셀을 나타낸 도면이다.
도면에 도시된 것처럼, 외부링(112)(112')과 허브(111)(111')의 사이에 스트레인 게이지가 부착된 4개의 빔(114∼117)(114'∼117')을 각각 90°간격으로 연결하여 상부센서(110)와 하부센서(110')를 형성하고, 이 상부센서(110)와 하부센서 (110')를 보울트로 연결하여 다분력 로드셀을 구성하였다.
이와같은 로드셀은 상부센서(110)와 하부센서(110')가 서로 분리되어 있음에 따라 가공이 용이하다는 장점을 가지고 있으나, 각각의 힘과 모멘트를 측정하기 위한 감지부가 사각형의 빔(114∼117)(114'∼117')으로 형성되어 있음에 따라 힘/모멘트의 비를 다양하게 설계할 수 없다는 단점을 갖고 있다.
도 5는 종래의 힘/모멘트 감지센서의 다른 일예를 나타낸 도면으로, Kim(일본특허 3044233)에 의해 제안된 다분력 로드셀을 나타낸 도면이다.
도면에 도시된 6분력 로드셀은 힘 Fz과 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서와 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지하는 하부감지센서로 구성되어 있는데, 상부감지센서를 구성하는 4개의 평판보가 각각 하중전달블럭을 기준으로 십자형으로 형성되어 있음에 따라 힘 Fz의 용량을 기준으로 감지부를 설계하면 모멘트 Mx, My의 용량을 수용하지 못하게 된다.
또한, 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지하는 하부감지센서도 상부감지센서와 마찬가지로 다수개의 평판보를 조합한 구조로 구성되어 있음에 따라 상부감지센서와 같이 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz의 비, 즉 넓은 범위의 힘/모멘트의 비를 갖도록 감지부를 설계할 수 없다는 문제점이 있다.
도 6은 종래의 힘/모멘트 감지센서의 또 다른 일예를 나타낸 도면으로, Kang (미국특허 5,889,214)에 의해 제안된 다분력 로드셀을 나타낸 도면이다.
도면에 도시된 것처럼, 십자형 빔(213,213',213")과, 상기 빔(213,213')의 끝점을 연결하는 상부링(210)과, 상기 빔(213,213")의 끝점을 연결하는 하부링 (220)으로 구성되어 있다. 이와같은 로드셀은 힘/모멘트의 비를 10:1부터 20:1까지로 설계가능 하지만, 힘 Fx가 가해질 때 My감지센서로 부터 출력되는 상호간섭오차와 힘 Fy가 가해질 때 Mx감지센서로 부터 출력되는 상호간섭오차가 5∼10%로, 상호간섭오차가 매우 큼에 따라 힘 Fx, Fy, Fz과 모멘트 Mx, My, Mz의 정밀측정에 사용할 수 없다는 문제점이 있다.
상기와 같이 종래의 다분력 로드셀인 6축 힘/모멘트 감지센서들은 감지부의 구조상 힘/모멘트의 비를 다양하게 설계할 수 없으므로, 힘과 모멘트의 비가 크거나 작은, 다시말해 힘/모멘트의 비가 10:1 혹은 20:1이 아닌 힘/모멘트 감지센서를 제작할 수 없었다. 이로인해 측정하려는 힘/모멘트의 비가 10:1 이하 혹은 20:1 이상인 곳에서는 힘과 모멘트를 정확하게 측정하기는 어렵다는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 넓은 범위의 힘/모멘트의 비를 갖도록 제작이 가능할 뿐만 아니라 상호간섭오차가 우수하여 여러방향의 힘과 모멘트를 동시에 정확하게 측정할 수 있는 고정밀 6축 힘/모멘트 감지센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 6축 힘/모멘트 감지센서에 있어서: 수평방향으로 사각형의 수평관통홀이 각각 형성되고 다수의 스트레인 게이지가 부착된 4개의 수평보를 상부 힘/모멘트 전달블럭을 중심으로 십자형으로 결합시켜 힘 Fz과 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서와; 수직방향으로 사각형의 수직관통홀이 각각 형성되고 다수의 스트레인 게이지가 부착된 4개의 수평보를 하부 힘/모멘트 전달블럭을 중심으로 십자형으로 결합시켜 모멘트 Mz를 감지하는 하부감지센서; 및 다수의 스트레인 게이지가 부착된 4개의 수직보를 통해 상하측으로 평행하게 위치한 상기 상부감지센서의 수평보와 하부감지센서의 수평보를 서로 결합시켜 힘 Fx와 Fy를 감지하는 중간부 감지센서를 구비하되; 상기 상부감지센서와 중간부 감지센서 및 하부감지센서는 모두 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고정밀 6축 힘/모멘트 감지센서의 구성도,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 감지센서의 평면, 정면 및 저면도,
도 3a 내지 도 3c는 스트레인 게이지의 장착위치를 나타낸 본 발명에 따른
감지센서의 평면, 정면 및 저면도,
도 4는 종래의 힘/모멘트 감지센서의 일예를 나타낸 도면,
도 5는 종래의 힘/모멘트 감지센서의 다른 일예를 나타낸 도면,
도 6은 종래의 힘/모멘트 감지센서의 또 다른 일예를 나타낸 도면.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 상부감지센서 11 : 상부 힘/모멘트 전달블럭
12∼15 : 수평보 12a∼15a : 수평관통홀
20 : 중간부 감지센서 21∼24 : 수직보
30 : 하부감지센서 31 : 하부 힘/모멘트 전달블럭
32∼35 : 수평보 32a∼35a : 수직관통홀
S1∼S24 : 스트레인 게이지
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 고정밀 6축 힘/모멘트 감지센서를 나타낸 도면으로, 사각형의 상부 힘/모멘트 전달블럭(11)을 중심으로 4개의 수평보(12∼15)가 십자형으로 결합되어 힘 Fz과 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서(10)를 형성하는데, 상기 수평보(12∼15)에는 수평방향으로 사각형의 수평관통홀(12a∼15a)이 각각 형성되어 있다.
즉, 도 2a 및 도 2b에 도시된 것처럼 상부 힘/모멘트 전달블럭(11)의 중심에서 d2의 거리만큼 이격된 b1의 폭을 갖는 수평보(12∼15)에 길이가 ℓ1이고 높이가 d1인 수평관통홀(12a∼15a)이 수평방향으로 각각 형성되어 있다. 이때, 상하측으로 t1의 살두께를 갖도록 상기 수평관통홀(12a∼15a)이 수평보(12∼15)에 각각 형성된다.
또한, 사각형의 하부 힘/모멘트 전달블럭(31)을 중심으로 4개의 수평보(32 ∼35)가 십자형으로 결합되어 모멘트 Mz를 감지하는 하부감지센서(30)를 형성하는데, 상기 수평보(32∼35)에는 수직방향으로 사각형의 수직관통홀(32a∼35a)이 각각 형성되어 있다.
즉, 도 2b 및 도 2c에 도시된 것처럼 하부 힘/모멘트 전달블럭(31)의 중심에서 d4의 거리만큼 이격된 b3의 높이를 갖는 수평보(32∼35)에 길이가 ℓ3이고 폭이 d3인 수직관통홀(32a∼35a)이 수직방향으로 각각 형성되어 있다. 이때, 좌우측으로 t3의 살두께를 갖도록 상기 수직관통홀(32a∼35a)이 수평보(32∼35)에 각각 형성된다.
또한, 상기 상부감지센서(10)의 수평보(12∼15)와 하부감지센서(30)의 수평보(32∼35)는 상하측으로 평행하게 위치하는데, 이들은 힘 Fx와 Fy를 감지하는 중간부 감지센서(20)를 형성하는 b2의 폭과 t2의 두께 및 ℓ2의 길이를 갖는 4개의 수직보(21∼24)에 의해 서로 결합된다.
다시말해, 상부감지센서(10)의 제1 수평보(12)의 단부측 저면과 하부감지센서(30)의 제1 수평보(32)의 단부측 상면이 중간부 감지센서(20)의 제1 수직보(21)에 의해 결합되는 방식으로 상부감지센서(10)의 4개의 수평보(12∼15)와 하부감지센서(30)의 4개의 수평보(32∼35)가 중간부 감지센서(20)의 4개의 수직보(21∼24)에 의해 각각 결합되는데, 상기 상부감지센서(10)와 중간부 감지센서(20) 및 하부감지센서(30)는 모두 일체로 형성된다.
한편, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 것처럼 힘 Fx를 감지하는 스트레인 게이지 (S1∼S4)가 중간부 감지센서(20)를 구성하는 제3 수직보(23)의 좌우측면에 각각 부착되어 있고, 힘 Fy를 감지하는 스트레인 게이지(S5∼S8)가 중간부 감지센서(20)를 구성하는 제2 및 제4 수직보(22,24)의 상단부와 하단부의 좌우측면에 각각 부착되어 있다.
또한, 힘 Fz을 감지하는 스트레인 게이지(S9∼S12)가 상부감지센서(10)를 구성하는 제2 및 제4 수평보(13,15)의 단부측 상하면에 각각 부착되어 있으며, 모멘트 Mx를 감지하는 스트레인 게이지(S13∼S16)가 상부감지센서(10)를 구성하는 제1 및 제3 수평보(12,14)의 힘/모멘트 전달블럭측 상하면에 각각 부착되어 있다.
아울러, 모멘트 My를 감지하는 스트레인 게이지(S17∼S20)가 상부감지센서 (10)를 구성하는 제2 및 제4 수평보(13,15)의 힘/모멘트 전달블럭측 상하면에 각각 부착되어 있고, 모멘트 Mz을 감지하는 스트레인 게이지(S21∼S24)가 하부감지센서 (30)를 구성하는 제2 및 제4 수평보(33,35)의 힘/모멘트 전달블럭측 좌우측면에 각각 부착되어 있다.
따라서, 하부 힘/모멘트 전달블럭(31)을 고정하고 상부 힘/모멘트 전달블럭 (11)에 힘/모멘트를 가하면 상부감지센서(10)를 구성하는 수평보(12∼15)와 중간부 감지센서(20)를 구성하는 수직보(21∼24) 및 하부감지센서(30)를 구성하는 수평보 (32∼35)에 힘/모멘트가 전달된다. 즉, 상부와 하부 및 중간부 감지센서(10∼30)를 구성하는 각 수평보(12∼15)(32∼35)와 수직보(21∼24)에 부착된 스트레인 게이지 (S1∼S24)가 힘(Fx,Fy,Fz)과 모멘트(Mx,My,Mz)를 검출하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 고정밀 6축 힘/모멘트 감지센서중 힘 Fz과 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서(10)의 크기를 나타내는 ℓ1, b1, t1, d1, d2는 다음의 [식1]과 [식2]에 의해 결정된다. [식1]은 힘 Fz을 감지하기 위한 스트레인 게이지의 부착위치 변형률을 계산하는 식이고, [식2]는 모멘트 Mx와 My를 산출하기 위한 식이다.
[식1]
[식2]
상기된 [식1]과 [식2]를 비교해 보면 ℓ1, b1, t1는 공통으로 포함되어 있고, d1과 d2는 [식2]에만 포함되어 있다. 따라서, 상부감지센서(10)의 크기는 힘 Fz의 용량에 따라 [식1]에 의해 ℓ1, b1, t1을 결정하고 모멘트 Mx와 My의 용량에 따라 d1와 d2를 조절하면 넓은 범위의 힘/모멘트의 비를 갖도록 6축 힘/모멘트 감지센서를 설계할 수 있다.
일반적으로 힘 Fx와 Fy의 용량은 같게 설계하는데, 힘 Fx와 Fy를 감지하는 중간부 감지센서(20)는 상부감지센서(10) 및 하부감지센서(30)로 부터 독립되어 있음에 따라 수직보(21∼24)의 크기를 적절하게 조절하면 상부감지센서(10)와 하부감지센서(30)의 힘/모멘트의 비를 맞추어 설계할 수 있다.
아울러, 모멘트 Mz을 검출하기 위한 하부감지센서(30)는 하나의 모멘트(Mz)만을 감지하기 위한 센서인데, 상부감지센서(10)와 하부감지센서(30)가 서로 독립되어 있음에 따라 하부감지센서(30)의 크기를 나타내는 ℓ3, b3, t3, d3, d4를 변화시키면 상부감지센서(10)와 하부감지센서(30)의 힘/모멘트의 비를 맞추어 설계할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 따른 고정밀 6축 힘/모멘트 감지센서는 서로 독립되어 있는 상부감지센서와 중간부 감지센서 및 하부감지센서로 구분되어 있음에 따라 넓은 범위의 힘/모멘트비(5:1∼40:1)를 갖도록 설계할 수 있으며, 아울러 상호간섭오차가 이론해석 및 유한요소해석 결과 모두 0인 우수한 센서로 정밀측정이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (2)

  1. 6축 힘/모멘트 감지센서에 있어서:
    수평방향으로 사각형의 수평관통홀이 각각 형성되고 다수의 스트레인 게이지가 부착된 4개의 수평보를 상부 힘/모멘트 전달블럭을 중심으로 십자형으로 결합시켜 힘 Fz과 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서와;
    수직방향으로 사각형의 수직관통홀이 각각 형성되고 다수의 스트레인 게이지가 부착된 4개의 수평보를 하부 힘/모멘트 전달블럭을 중심으로 십자형으로 결합시켜 모멘트 Mz를 감지하는 하부감지센서; 및
    다수의 스트레인 게이지가 부착된 4개의 수직보를 통해 상하측으로 평행하게 위치한 상기 상부감지센서의 수평보와 하부감지센서의 수평보를 서로 결합시켜 힘 Fx와 Fy를 감지하는 중간부 감지센서를 구비하되;
    상기 상부감지센서와 중간부 감지센서 및 하부감지센서는 모두 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 고정밀 6축 힘/모멘트 감지센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중간부 감지센서의 제3 수직보의 좌우측면에 각각 부착되어 힘 Fx를 감지하는 제1 내지 제4 스트레인 게이지와;
    상기 중간부 감지센서의 제2 및 제4 수직보의 상단부와 하단부의 좌우측면에 각각 부착되어 힘 Fy를 감지하는 제5 내지 제8 스트레인 게이지와;
    상기 상부감지센서의 제2 및 제4 수평보의 단부측 상하면에 각각 부착되어 힘 Fz을 감지하는 제9 내지 제12 스트레인 게이지와;
    상기 상부감지센서의 제1 및 제3 수평보의 힘/모멘트 전달블럭측 상하면에 각각 부착되어 모멘트 Mx를 감지하는 제13 내지 제16 스트레인 게이지와;
    상기 상부감지센서의 제2 및 제4 수평보의 힘/모멘트 전달블럭측 상하면에 각각 부착되어 모멘트 My를 감지하는 제17 내지 20 스트레인 게이지; 및
    상기 하부감지센서의 제2 및 제4 수평보의 힘/모멘트 전달블럭측 좌우측면에 각각 부착되어 모멘트 Mz을 감지하는 제21 내지 제23 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정밀 6축 힘/모멘트 감지센서.
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