KR101135426B1

KR101135426B1 - 사다리꼴 형상의 스포크를 구비한 1축 토크센서

Info

Publication number: KR101135426B1
Application number: KR1020090115343A
Authority: KR
Inventors: 이설희; 양광웅; 최무성; 박종환; 안상민
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2012-04-20
Also published as: KR20110058521A

Abstract

사다리꼴 형상의 스포크를 구비한 1축 토크센서에 관한 발명이 개시된다. 본 발명에 따른 1축 토크센서는 허브;와, 상기 허브를 중심에 두고 그 주위를 둘러싸도록 배치된 림;과, 상기 허브와 상기 림을 연결하는 연결부로서, 상기 허브로부터 상기 림을 향하는 방향을 따라 사각형 형상의 단면적이 점차로 감소하는 사다리꼴 형상을 갖는 적어도 하나 이상의 스포크; 및 상기 스포크의 양측면에 각각 부착되어 한 쌍을 이루는 스트레인 게이지;를 포함한다.

토크센서, 허브, 스포크, 림, 사다리꼴 형상의 스포크, 스트레인 게이지, 외팔보, 변형률, 하프브릿지 회로

Description

사다리꼴 형상의 스포크를 구비한 1축 토크센서{1-axis torque sensor with trapezoidal type spoke}

본 발명은 다양한 종류의 다관절 로봇에 공용화될 수 있고 소형화가 가능한 1축 토크센서에 관한 것으로서, 특히 스포크의 형상을 허브로부터 림을 향하는 방향을 따라 사각형 형상의 단면적이 점차로 감소하는 사다리꼴 형상을 갖도록 구성함에 따라 스포크의 중심에서 큰 변형률이 발생하기 때문에 스트레인 게이지가 부착되는 부위에서 보다 민감한 토크 측정이 가능한 1축 토크센서에 관한 것이다.

정형의 통제된 환경에서 작업하는 산업용 로봇의 경우, 일반적으로 로봇 팔에 장착된 공구가 작업대상에 가하는 힘을 측정하기 위하여 로봇 손목에 장착 가능한 형태의 6축 힘?토크 센서가 사용되어 왔다. 하지만, 로봇 팔의 다른 부분이 알려지지 않은 물체나 사람과 충돌하였을 때, 이의 감지가 불가능하고 능동적 대응을 통해 안전성을 확보하기 어려운 문제점이 있다. 현재의 지능형 로봇은 대부분 알려지지 않고 통제되지 않는 환경에서 작업을 수행하여야 하기 때문에, 산업용 로봇과 달리 로봇이나 사람의 안전을 최우선으로 고려하여 동작하여야 하는 특징이 있다.

로봇의 관절에 토크센서를 장착하여 측정하는 방식은 동역학적 해석이 복잡하고 오차가 누적될 수 있어 산업용 로봇에서는 불리하나, 최근들어 지능형 서비스 로봇 분야에서는 폭넓게 연구되고 있다.

Ceccarelli 등은 힘센서가 장착된 로봇 손가락을 제작하여 쥐는 방향의 힘을 측정하여 알려지지 않은 물체에 대하여 위치?힘 제어를 수행하였다(M. Ceccarelli, et al., "Grasp in two-finger: modeling and measuring", Proceedings of 5th International Workshoop on Robotics in Adria-Danbube Region, pp. 321-326, 1996).

그리고 Castro 등은 힘센서가 장착된 그리퍼를 제작하여 힘제어에 대한 연구를 수행하였으며(D. Castro, et al., "Tactile force control feedback in parallel jaw gripper", Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics, vol 3, V. 3, pp. 415-419, 1997), Tlale 등은 접촉센서가 장착된 지능형 그리퍼와 제어회로를 제안하였다(N.S. Tlale, et al., "Intelligent gripper using low cost industrial", Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics, vol 2, V. 2, pp. 415-419, 1998).

또한 Haddadin, Tsetserukou 등은 인간과 접촉이 많은 서비스용 로봇 팔의 관절에 토크센서를 삽입하여 안전성을 확보하고 힘 제어가 필요한 작업도 수행하기 위한 연구를 진행하였다(S. Haddadin, A. Albu-Schaffer, A. De Luca, and G. Hirzinger, "Collision detection and reaction: A contribution to safe physical Human-Robot Interaction", Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 3356-3363, 2008)(D. Tsetserukou, R. Tadakuma, H. Kajimoto, N. Kawakami, and S. Tachi, "Development of a Whole-Sensitive Teleoperated Robot Arm using Torque Sensing Technique", Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 476-481, 2007).

그런데, 아직까지는 로봇의 각 관절에 사용될 수 있는 1축 토크센서가 일반적으로 산업용으로 개발되었기 때문에 크기가 크고 상대적으로 고가여서 서비스 로봇에 사용하기에는 적당하지 않다는 문제가 있다.

그리고 기존의 토크센서는 고정된 측정 대상물과의 연결부를 가지고 있어서 센서의 크기에 따라서 관절의 크기에 제약을 받기도 하며, 아울러 기존의 토크센서에서는 측정하는 부위에 다양한 구멍을 뚫음으로써 가공비가 증가하게 되는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 지능형 로봇의 팔이나 다리 등의 각 관절에 삽입하여 토크를 측정할 수 있는 소형의 1축 토크센서를 제공함으로써, 로봇의 작업 안전성을 확보하고 힘 제어기 필요한 작업을 원활히 수행할 수 있도록 하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 기존의 토크센서와는 달리 측정부위에 구멍을 형성하는 가공이 불필요하여 가공비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 토크에 따른 변형률이 측정부분의 어느 한쪽으로 치우치는 것을 방지할 수 있는 구조를 가지는 저가의 공용화 가능한 1축 토크센서를 제공하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명에 따른 1축 토크센서는 허브;와, 상기 허브를 중심에 두고 그 주위를 둘러싸도록 배치된 림;과, 상기 허브와 상기 림을 연결하는 연결부로서, 상기 허브로부터 상기 림을 향하는 방향을 따라 사각형 형상의 단면적이 점차로 감소하는 사다리꼴 형상을 갖는 적어도 하나 이상의 스포크; 및 상기 스포크의 양측면에 각각 부착되어 한 쌍을 이루는 스트레인 게이지;를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 허브는 정삼각형 형상을 이루고, 상기 스포크는 상기 정삼각형 허브의 각변의 중앙에 위치하며, 상기 정삼각형 허브의 각 변과 마주보는 상기 림의 일부분은 직선을 이루며, 특히 상기 정삼각형 허브의 각변과 마주보는 상기 림의 일부분이 탄성변형되는 판으로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 스트레인 게이지는 상기 스포크 양측면의 중앙부분에 각각 부착된다.

한편 상기 스트레인 게이지는 하프브릿지 회로를 이루는데, 상기 하프브릿지 회로의 출력단에는 증폭기와 AD 컨버터 및 연산부가 순차적으로 연결될 수 있다.

바람직하게는 상기 AD 컨버터와 상기 연산부 사이에 연결된 디지털 필터가 더 포함된다.

그리고, 상기 디지털 필터는 IIR(Infinite Impulse Response) 필터일 수 있다.

상기 연산부는 아래의 식(1)에 따라 상기 한 쌍의 스트레인 게이지 사이의 변형률의 차분값을 연산하고, 아래의 식(2) 및 식(3)에 의하여 상기 변형률의 차분값으로부터 토크를 연산한다.

.............................(1)

삭제

.....................(2)

T = P×3d..........................................(3)

(여기서 V는 입력전압, V₀는 출력전압, K는 스트레인 게이지의 게이트 팩터, E는 재료의 탄성계수, P는 외력, t는 스포크의 두께, L은 스포크의 길이, bo는 허브측 스포크 단부의 폭, be는 림측 스포크 단부의 폭, x는 스포크의 길이방향 상에서의 임의의 지점)

또한 상기 연산부는 아래의 식(4)에 따라 상기 변형률의 차분값으로부터 토크를 연산한다.

(여기서 a, b, c는 상수)............(4)

본 발명에 따른 1축 토크센서는 측정부위에 구멍을 형성하는 가공이 불필요하여 가공비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 토크센서의 크기도 소형화시킬 수 있어 안드로이드 로봇이나 서비스 로봇 등을 포함하는 다양한 종류의 다관절 로봇에 공용화될 수 있다는 장점이 있다.

아울러 본 발명은 스포크의 형상을 허브로부터 림을 향하는 방향을 따라 사각형 형상의 단면적이 점차로 감소하는 사다리꼴 형상을 갖도록 구성함에 따라 스포크의 중심에서 큰 변형률이 발생하기 때문에, 스트레인 게이지가 부착되는 부위 에서 보다 민감한 토크 측정이 가능하다는 이점을 가진다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 1축 토크센서(10)의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1a와 도 1b는 본 발명에 따른 1축 토크센서(10), 특히 사다리꼴 형상의 스포크(300)를 구비한 1축 토크센서(10)의 바람직한 실시예를 보여준다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 1축 토크센서(10)는 허브(100), 림(200), 상기 허브(100)와 상기 림(200)을 연결하는 스포크(300) 및 스트레인 게이지(400)를 포함한다.

림(200)은 허브(100)를 중심에 두고 그 주위를 둘러싸도록 배치되고, 스포크(300)는 허브(100)와 림(200)을 연결하는 연결부의 역할을 한다. 이러한 본 발명의 1축 토크센서(10)는 이른바 허브-스포크 타입이라고 할 수 있는데, 허브(100)와 림(200) 중 어느 하나는 외부에서 작용하는 토크의 입력단으로, 그리고 다른 하나는 출력단으로 연결되고, 스포크(300)는 입력단과 출력단 사이의 토크전달을 담당한다. 상기 스포크(300)는 적어도 하나 이상 구비되는데, 바람직하게는 허브(100), 림(200) 및 스포크(300)는 일체로 형성된다.

그리고 스트레인 게이지(400)는 상기 스포크(300)의 양측면에 각각 부착되어 한 쌍을 이루며, 스포크(300)가 다수개 있을 때에는 각각의 스포크(300)에 쌍을 이 루는 스트레인 게이지(400)가 부착된다.

이와 같이 스트레인 게이지(400)를 사용하는 토크센서는 일반적으로 내측구조(허브)와 외측구조(림)를 연결하는 곳(스포크)에 스트레인 게이지(400)를 부착하여 굽힘으로써 표면에 발생되는 변형률을 측정하고 이를 토크로 환산한다. 이때 토크센서는 측정 토크에는 민감하고 나머지 힘 성분에는 둔감해야 하는데, 본 발명의 1축 토크센서(10)가 바퀴와 같이 형상을 가진 허브-스포크 타입으로 구성된 것은 이를 위해서이다. 특히 본 발명은 스포크(300)에 스트레인 게이지(400)를 부착하기 용이하고 소형으로 제작하는 것이 가능하다는 것이 장점이다.

여기에서 입력단과 출력단인 허브(100)와 림(200)을 연결하는 스포크(300)는 외팔보와 같이 한 쪽은 고정이 되고 다른 한쪽에서 토크를 걸어주는 것과 같은 상태에 있다. 스포크(300)에 토크가 걸리는 상태를 FEM으로 해석하면 내측(허브)으로부터 외측(림)으로 변형률이 전파되는 것을 확인할 수 있으며, 따라서 스트레인 게이지(400)를 허브(100) 쪽에 가깝게 부착하는 것이 변형률 측정에 유리함을 알 수 있다. 그러나 스트레인 게이지(400)의 형상을 고려하였을 때 내측 깊숙히 위치시키기에는 한계가 따른다.

본 발명은 이러한 한계를 해결하기 위하여, 스포크(300)의 형상을 허브(100)로부터 림(200)을 향하는 방향을 따라 사각형 형상의 단면적이 점차로 감소하는 사다리꼴 형상으로 구성하였다. 이러한 사다리꼴 형상의 스포크(300)에 의하면 내측에서의 단면적이 외측보다 넓고, 따라서 토크에 따른 스포크(300)의 변형률이 내측 단부보다 중심 영역에서 더 많이 발생하게 된다. 이는 스트레인 게이지(400)를 스포크(300) 양측면의 중앙부분에 부착하여도 변형률에 민감하게 반응할 수 있다는 것을 의미한다.

그리고, 본 발명의 바람직한 실시예에서 허브(100)는 정삼각형 형상을 이루고 스포크(300)는 상기 정삼각형 허브(100)의 각변의 중앙에 위치한다. 즉 스포크(300)는 모두 세 개로 이루어지되 각각의 스포크(300)는 120ㅀ의 등각을 이룬다. 그리고, 정삼각형 허브(100)의 각변과 마주보는 림(200)의 일부분은 직선을 이루도록 하였는데, 이에 따라 스포크(300)의 양단이 허브(100) 및 림(200)과 각각 수직으로 만나게 됨으로써 외팔보의 거동을 충실히 따라갈 수 있게 된다.

더 나아가 정삼각형 허브(100)의 각변과 마주보는 상기 림(200)의 직선을 이루는 일부분을 탄성변형되는 판(210)으로 구성하는 것이 더욱 바람직하다. 이는 림(200)과 연결된 스포크(300)의 단부가 외팔보의 자유단의 거동을 보다 확실히 추종하도록 하기 위함이다.

한편 설명되지 않은 도번 110은 허브 홀을, 그리고 220은 림 홀을 나타낸다. 상기 허브 홀(110)과 림 홀(220)은 1축 토크센서(10)를 입력단 또는 출력단과 연결하기 위하여 마련된 결합부이다.

위와 같은 구조를 갖는, 특히 허브(100)가 정삼각형 형상을 이루고 사다리꼴 형상의 스포크(300)는 상기 정삼각형 허브(100)의 각변의 중앙에 위치하는 1축 토 크센서(10)에 외력이 작용하였을 때의 변형률은 아래와 같이 해석된다.

본 발명에 따른 1축 토크센서(10)는 스포크(300)가 허브(100)와 림(200)을 연결하고 있고, 특히 정삼각형 허브(100)의 각변과 마주보는 상기 림(200)의 직선을 이루는 일부분이 탄성변형되는 판(210)으로 구성되어 있기 때문에 양단 지지형 보가 아닌 한쪽 부분만 고정이 된 외팔보 형태로 가정을 할 수 있으며, 이에 따라 외력(P)가 가해진 지점에서 회전각을 고정시키려는 모멘트를 무시할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 모델링된 스포크(300)의 단면 2차모멘트 I(x)는 스포크(300)의 단면적이 스포크(300) 길이(x)에 대한 함수이므로 다음과 같이 주어진다.

.................(1)

여기서 t는 스포크의 두께, L은 스포크의 길이, bo는 허브측 스포크 단부의 폭, be는 림측 스포크 단부의 폭, b(x)는 스포크 길이방향의 임의의 지점(x)에 있어서의 스포크의 폭을 말한다.

수직변위가 작을 때, 단면의 수직응력(σ)과 굽힘모멘트(M) 및 단면 2차모멘트(I)의 관계는 다음과 같은 굽힘식(flexure formular)에 의하여 주어진다.

...............................................(2)

여기서 y는 중립축에서 보 단면 임의의 점까지의 거리를 나타낸다. 1축 토크센서(10) 전체에 걸리는 토크가 T일 때, 힘의 평형식으로부터 P=T/3d (여기서 d는 허브(100)의 중심으로부터 스포크(300) 말단까지의 거리, 도 1b 참조)를 얻을 수 있고, 이에 따라 임의의 위치 x에서의 굽힘모멘트는 M=P(L-x)가 된다.

따라서, 1축 토크센서(10)에 걸린 토크가 T일 때, 외팔보 표면, 즉 y=b(x)/2 에서의 수직응력(σ)은 다음과 같다.

.................................(3)

또한 변형률은 다음과 같다.

...........................(4)

여기서 E는 재료의 탄성계수(modulus of elasticity)를 나타낸다.

한편 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 1축 토크센서(10)에 구비된 쌍을 이루는, 다시 말하면 도 3a에 도시된 것처럼 하나의 스포크(300) 양측면에 부착된 두 개의 스트레인 게이지(400)는 도 3b의 하프브릿지 회로(500)를 이룬다. 하프브릿지 회로(500)는 온도보정 및 잡음제거 효과를 가진다.

이와 같이 하프브릿지 회로(500)를 구성하였을 경우 다음과 같은 입력전압(V)과 출력전압(V₀) 사이의 관계식으로부터 변형률을 구할 수 있다.

...................................(5)

즉, 식(5)에 의하여 구해진 한 쌍의 스트레인 게이지(400) 사이의 변형률의 차분값(ε₁-ε₂)을 식(5)에 대입하면 외력(P)을 구할 수 있고, 이 외력과 토크는 P=T/3d 의 관계를 이루므로, 결과적으로 하프브릿지 회로(500)의 입력전압(V)과 출력전압(V₀)은 토크값으로 환산될 수 있다. 여기서 K는 스트레인 게이지(400)의 게이트 팩터(gate factor)이다.

실제에 있어서, 하프브릿지 회로(500)로부터 얻어지는 입력전압(V)과 출력전압(V₀)을 토크값으로 환산하기 위해서는 몇 가지 구성이 필요하다. 즉, 상기 하프브릿지 회로(500)의 출력단에는 신호를 증폭하기 위한 증폭기(510)와, 증폭된 전압의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 AD 컨버터(520) 및 변환된 디지털 신호를 연산처리하여 최종 목적으로 하는 토크값으로 계산하는 연산부(540)가 순차적으로 연결된다. 필요하다면 상기 AD 컨버터(520)와 상기 연산부(540) 사이에 디지털 필터(530)가 더 포함될 수 있으며, 예를 들어 상기 디지털 필터(530)로는 IIR(Infinite Impulse Response) 필터를 사용할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 사다리꼴 형상의 스포크(300)를 구비한 1축 토크센서(10)에 의해 측정된 토크를 입력된 토크와 비교한 그래프가 도 4에 나타나 있다. 도 4로부터 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 1축 토크센서(10)의 토크 추종성과 선형성은 매우 뛰어나다. 실험에서 취득된 변형률의 데이터를 토크에 대하여 3차 다항식으로 커브피팅(curve fitting)한 결과는 아래의 식(6)과 같다.

.............(6)

결국 본 발명에 따른 1축 토크센서(10)에 의하여 취득되는 스트레인 게이 지(400)의 변형률값은 3차 다항식으로 커브피팅되어 사용될 수 있다.

..........................................(7)

여기서 a, b, c는 각각 상수이고, 상기 상수들은 1축 토크센서(10)의 구체적인 설계사양에 따라 실험에 의하여 얻어지는 값들이다. 당연히 동일한 형상과 크기를 갖는 1축 토크센서(10)라면 동일한 상수 a, b, c를 갖는다.

이상 본 발명을 특정의 실시형태와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의하여 나타난 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것은, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 사다리꼴 형상의 스포크를 구비한 1축 토크센서에 대한 사시도.

도 1b는 도 1a에 도시된 1축 토크센서의 평면도.

도 2는 도 1a에 도시된 1축 토크센서의 스포크를 외팔보로 모델링한 도면.

도 3a는 도 1a에 "A"로 표시된 부분을 확대도시한 도면.

도 3b는 도 3a에 도시된 한 쌍의 스트레인 게이지를 하프브릿지 회로로 구성한 회로도.

도 4는 본 발명에 따른 1축 토크센서에 의하여 측정된 변형률로부터 연산된 토크값을 입력된 토크값과 비교 도시한 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 1축 토크센서

100 : 허브 110 : 허브 홀

200 : 림 210 : 탄성변형 판

220 : 림 홀 300 : 스포크

400 : 스트레인 게이지 500 : 하프브릿지 회로

510 : 증폭기 520 : AD 컨버터

530 : 디지털 필터 540 : 연산부

Claims

허브;

상기 허브를 중심에 두고 그 주위를 둘러싸도록 배치된 림;

상기 허브와 상기 림을 연결하는 연결부로서, 상기 허브로부터 상기 림을 향하는 방향을 따라 사각형 형상의 단면적이 점차로 감소하는 사다리꼴 형상을 갖는 적어도 하나 이상의 스포크; 및

상기 스포크의 양측면에 각각 부착되어 한 쌍을 이루는 스트레인 게이지;

를 포함하되,

상기 허브는 정삼각형 형상을 이루고, 상기 스포크는 상기 정삼각형 허브의 각변의 중앙에 위치하며, 상기 정삼각형 허브의 각변과 마주보는 상기 림의 일부분은 직선을 이루는 것을 특징으로 하는 1축 토크센서.
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 정삼각형 허브의 각변과 마주보는 상기 림의 일부분이 탄성변형되는 판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 1축 토크센서.
청구항 1에 있어서,

상기 스트레인 게이지는 상기 스포크 양측면의 중앙부분에 각각 부착되는 것을 특징으로 하는 1축 토크센서.
청구항 1에 있어서,

상기 스트레인 게이지는 하프브릿지 회로를 이루는 것을 특징으로 하는 1축 토크센서.
청구항 5에 있어서,

상기 하프브릿지 회로의 출력단에는 증폭기와 AD 컨버터 및 연산부가 순차적으로 연결된 것을 특징으로 하는 1축 토크센서.
청구항 6에 있어서,

상기 AD 컨버터와 상기 연산부 사이에 연결된 디지털 필터가 더 포함된 것을 특징으로 하는 1축 토크센서.
청구항 7에 있어서,

상기 디지털 필터는 IIR(Infinite Impulse Response) 필터인 것을 특징으로 하는 1축 토크센서.
청구항 6에 있어서,

상기 연산부는 아래의 식(1)에 따라 상기 한 쌍의 스트레인 게이지 사이의 변형률의 차분값을 연산하고, 아래의 식(2) 및 식(3)에 의하여 상기 변형률의 차분값으로부터 토크를 연산하는 것을 특징으로 하는 1축 토크센서.

.............................(1)

.....................(2)

T = P×3d...........................................(3)

(여기서 V는 입력전압, V₀는 출력전압, K는 스트레인 게이지의 게이트 팩터, E는 재료의 탄성계수, P는 외력, t는 스포크의 두께, L은 스포크의 길이, bo는 허브측 스포크 단부의 폭, be는 림측 스포크 단부의 폭, x는 스포크의 길이방향 상에서의 임의의 지점)
청구항 9에 있어서,

상기 연산부는 아래의 식(4)에 따라 상기 변형률의 차분값으로부터 토크를 연산하는 것을 특징으로 하는 1축 토크센서.

(여기서 a, b, c는 상수)............(4)