KR101194009B1

KR101194009B1 - 3축 방향 힘 측정장치

Info

Publication number: KR101194009B1
Application number: KR1020100025634A
Authority: KR
Inventors: 남형도
Original assignee: 포테닛 주식회사
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2012-10-24
Also published as: KR20110106551A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 3축 방향 힘 측정장치는 내부에 유체가 충진되는 항온 몸체(10)와, 움직임에 따라 상기 항온 몸체(10)의 내부에 충진된 유체를 3축방향으로 가압하는 가압체(22)를 구비하여 상기 항온 몸체(10) 내에 장착되는 가압용 노브(20)와, 상기 가압체(22)에 의한 상기 유체의 가압력을 감지하도록 상기 항온 몸체(10)의 상기 3축 방향에 각각 부착되는 3개의 유공압셀(30a)(30b)(30c)과, 상기 가압용 노브(20)의 가압체(22)의 움직임에 따라 상기 내부 충진 유체를 상기 유공압셀(30a)(30b)(30c)의 각각으로 전달하도록 부착된 3개의 멤브레인셀(40a)(40b)(40c)과, 상기 가압용 노브(20)를 원 위치로 복원하는 스프링(50)을 포함함에 따라, 종래의 3축 방향 힘 센서에 비해 비교적 간단한 구성으로 저렴하게 소형화가 가능하므로, 사용할 수 없었던 분야와 기구 구조물에도 적용가능한 효과를 가진다.

Description

3축 방향 힘 측정장치{THREE-AXIS DIRECTIONAL FORCE MEASURING APPARATURS}

본 발명은 3축 방향 힘 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유압 및 공압셀에 의해 중앙의 정사면체 가압용 노브를 가압하여 3개의 축방향 힘을 측정함으로써 소형화가 가능한 3축 방향 힘 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 지능형 로봇을 구현하는데 필수적인 요소의 하나인 FT 센서(Force Torque sensor)는 로봇팔의 힘제어를 위해 사용되는 것으로, 기존에는 보통의 스트레인 게이지를 구조물에 직교하도록 접착하여 전기저항의 변화량을 계측한 후, 그 값을 이용하여 적절하게 변환시켜 사용하는 방식과, 반도체 제조공정을 이용한 실리콘칩 형태의 소자를 마찬가지로 구조물에 접착하여 사용하는 방식, 또는 스프링 시스템을 가지는 구조물을 구성한 후에, 외력에 따른 스프링의 변위량을 길이측정/LVDT 등의 센서로 계측하고, 그것을 힘으로 변환시켜 사용하는 방식 등이 주류를 이루고 있다.

대표적인 예로서, 우리나라의 KIST 휴머노이드 로봇의 발목부위에 부착한 FT 센서는 미국 ATI사의 제품을 사용한 것으로, ATI사의 FT 센서는 고급형의 반도체식 스트레인 게이지 소자를 사용하고 있다.

이와 같은 종래의 FT 센서는 비교적 센서 모듈의 크기가 커서 사용 분야 또는 기구 구조물에 따라서 그 사용이 제한될 수 밖에 없었으며, 고가의 외국산 제품밖에 없었으므로, 이러한 외국산 제품의 수입에 의존해야만 하는 문제가 있다.

본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 그 목적은 유압 및 공압셀에 의해 중앙의 정사면체 가압용 노브를 가압하여 3개의 축방향 힘을 측정함으로써 그 구조가 간단하여 저렴하게 소형화가 가능한 3축 방향 힘 측정장치를 제공하는 것이다.

이상의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 3축 방향 힘 측정장치는 3축 힘 측정장치에 있어서, 내부에 유체가 충진된 항온 몸체와, 움직임에 따라 상기 항온 몸체의 내부에 충진된 유체를 3축방향으로 가압하는 가압체를 구비하여 상기 항온 몸체 내에 장착되는 가압용 노브와, 상기 가압체에 의한 상기 유체의 가압력을 감지하도록 상기 항온 몸체의 상기 3축 방향에 각각 부착되는 복수개의 유공압셀과, 상기 가압용 노브의 가압체의 움직임에 따라 상기 내부 충진 유체를 상기 유공압셀의 각각으로 전달하도록 부착된 복수의 멤브레인셀과, 상기 가압용 노브를 원 위치로 복원하는 스프링을 포함한다.

가압용 노브의 가압체는 역으로된 절두 정사면체 형상으로, 상기 절두 정사면체의 절두면에 대향하는 대향면에 부착된 외부 프레임 고정축과, 상기 절두면에 부착된 스프링 고정부를 포함한다.

항온 몸체는 유공압셀의 각각을 고정하도록 외면에 형성된 외면 고정부와, 멤브레인셀의 각각을 고정하도록 내면에 형성된 내면 고정부와, 상기 고정부들을 연통하는 연통관을 포함하되, 상기 고정부들과 연통관내에 유체가 충진된다.

본 발명에 있어서, 멤브레인셀은 상기 가압용 노브의 가압체의 일면에 대응하는 형상의 날개부와, 상기 날개부의 중앙에 돌출되는 돌기부를 포함한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 종래의 3축 방향 힘 센서에 비해 비교적 간단한 구성으로 저렴하게 소형화가 가능하므로, 사용할 수 없었던 분야와 기구 구조물에도 적용가능한 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3축 방향 힘 측정장치의 구성을 나타내고자 일부 절결 사시도이고,
도 2는 도 1의 A-A선을 따라 취한 단면도이고,
도 3은 도 1의 B-B선을 따라 취한 단면도이고,
도 4는 도 1 의 가압용 노브의 사시도이고,
도 5는 도 1의 항온 몸체를 나타내는 사시도이고,
도 6은 도 1의 멤브레인 셀 덮개를 나타내는 사시도이고,
도 7은 본 발명의 3축 방향 힘 측정장치의 작동을 나타내는 개념도이고,
도 8 내지 도 10은 각각 도 7에서 x, y, z 축방향 힘에 의한 셀 각각의 압력변화를 나타내는 작동도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하였다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3축 방향 힘 측정장치의 구성을 나타내고자 일부 절결 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선을 따라 취한 단면도이고, 도 3은 도 1의 B-B선을 따라 취한 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 3축 방향 힘 측정장치는 내부에 유체가 충진된 항온 몸체(10)와, 움직임에 따라 상기 항온 몸체(10)의 내부에 충진된 유체를 3축방향으로 가압하는 가압체(22)를 구비하여 상기 항온 몸체(10) 내에 장착되는 가압용 노브(20)와, 상기 가압체(22)에 의한 상기 유체 의 가압력을 감지하도록 상기 항온 몸체(10)의 상기 3축 방향에 각각 부착되는 3개의 유공압셀(30a)(30b)(30c)과, 상기 가압용 노브(20)의 가압체(22)의 움직임에 따라 상기 내부 충진 유체를 상기 유공압셀(30a)(30b)(30c)의 각각으로 전달하도록 부착된 3개의 멤브레인셀(40a)(40b)(40c)과, 상기 가압용 노브(20)를 원 위치로 복원하는 스프링(50)을 포함한다. 유공압셀(30)의 각각은 서로 120도를 유지하며, 덮개(70)에 의해 덮여있다. 유공압셀(30a)(30b)(30c) 마다 유체판막(100a)(100b)(100c)이 부착되어 유체가 누설되는 것을 방지한다.

가압용 노브(20)의 가압체(22)는 도 4에 도시된 바와 같이, 역으로 된 절두 정사면체(reversed truncated regular tetrahedron) 형상으로, 그 절두면에 대향하는 대향면에 외부 프레임 고정축(24)이 부착되고, 절두면에 스프링 고정부(26)가 부착되며, 스프링 고정부(26)의 단부에는 스프링(50)의 일단에 삽입되는 돌기(28)가 제공된다. 스프링(50)의 타단은 항온 몸체(10)의 하면에 부착되는 스프링 고정용 덮개(80)의 돌기(82)에 삽입된다. 외부 프레임 고정축(24)과 덮개(60)의 사이에는 자세고정용 충진재(90)가 삽입되어, 가압용 노브(20)의 움직임을 제한한다.

또한 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 항온 몸체(10)에는 유공압셀(30)의 각각을 고정하도록 외면에 형성된 외면 고정부(12)와, 멤브레인셀(40)의 각각을 고정하도록 내면에 형성된 내면 고정부(14)와, 상기 고정부(12)(14)들을 연통하는 연통관(16)을 포함하며, 고정부(12)(14)들과 연통관(16)내에는 유체가 충진된다. 항온 몸체(10)의 상면에는 노브 고정용 덮개(60)가 부착된다.

멤브레인셀(40)의 각각은 도 6에 도시된 바와 같이, 절두 정사면체 형상인 가압체(22)의 일면에 대응하는 형상의 날개부(42)와, 상기 내면 고정부(14)에 대향하여 상기 날개부(42)의 중앙에 돌출되는 돌기부(44)를 포함한다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 3축 방향 힘 측정장치의 작동을 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 의한 3축 방향 힘 측정장치는 도 7에 도시된 바와 같이, 가압용 노브(20)에 가해지는 힘의 방향에 따라 각각의 유공압셀(30)에 가해지는 압력을 감지한다. 이와 같이 힘의 방향을 측정함에 있어서 자세고정용 충진재(90)의 균일한 압축과 정상복귀의 범위에서 가압용 노브(20)의 움직임의 범위가 정해진다.

즉 도 8에 도시된 바와 같이, x 축 방향 힘이 가압용 노브(20)에 가해지면, 즉 화살표 A와 B 방향의 멤브레인셀(40a)(40b)을 가압하게 되고, 그 결과 내면 고정부(14)내에 충진된 유체가 연통로(16)를 거쳐 외면 고정부(12)로 전달되어 유공압셀(30a)(30b)에 감지되는 압력은 증가되지만, 반면 화살표 C 방향의 멤브레인셀(40c)에 가해지는 압력이 감소하여 유공압셀(30c)이 감지하는 압력이 감소하므로, 각각의 유공압셀(30)에 측정되는 압력 변화값을 이용하여 각 축에 발생하는 힘의 크기를 수치적으로 환산한다.

마찬가지로, y 축 방향 힘이 도 9에 도시된 바와 같이 가압용 노브(20)에 가해지면, 화살표 B와 C 방향의 멤브레인셀(40b)(40c)을 가압하여 유공압셀(30b)(30c)이 감지압력을 증가되지만, 반면 화살표 A 방향의 멤브레인셀(40a)의 압력이 감소하여 유공압셀(30a)의 감지압력을 감소하며, z 축 방향 힘이 도 10에 도시된 바와 같이 가해지면, 멤브레인셀(40)의 모두를 가압하여 모든 유공압셀(30)의 감지압력을 증가하므로, 각 유공압셀(30)에 측정되는 압력 변화값을 이용하여 각 축에 발생하는 힘의 크기를 수치적으로 환산한다.

이상과 같은 구성의 본 발명의 3축 방향 힘 측정장치는 비교적 간단한 정사면체 형상의 가압체에 의해 3축 방향으로 가해지는 힘의 압력변화를 측정함으로서, 소형 경량화가 가능하므로 가격을 대폭 낮출수 있게 된다.

이상 본 발명의 3축 방향 힘 측정장치는, 본 명세서에 개시된 기술적 요소가 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 하는 것으로, 당업자라면 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 용이하게 변경할 수 있다. 또한 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 구조를 채택할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

10 : 항온 몸체 12 : 외면 고정부
14 : 내면 고정부 16 : 연통로
20 : 가압용 노브 22 : 가압체
24 : 외부 프레임 고정축 26 : 스프링 고정부
28 : 돌기 30 : 유공압셀
40 : 멤브레인셀 42 : 날개부
44 : 돌기부 50 : 스프링
60 : 노브 고정용 덮개 70 : 유공압셀용 덮개
80 : 스프링 고정부 덮개 82 : 돌기
90 : 자세고정용 충진재 100 : 유체판막

Claims

3축 힘 측정장치에 있어서,
내부에 유체가 충진된 항온 몸체와,
움직임에 따라 상기 항온 몸체의 내부에 충진된 유체를 3축방향으로 가압하는 가압체를 구비하여 상기 항온 몸체 내에 장착되는 가압용 노브와,
상기 가압체에 의한 상기 유체의 가압력을 감지하도록 상기 항온 몸체의 상기 3축 방향에 각각 부착되는 복수개의 유공압셀과,
상기 가압용 노브의 가압체의 움직임에 따라 상기 내부 충진 유체를 상기 유공압셀의 각각으로 전달하도록 부착된 복수의 멤브레인셀과,
상기 가압용 노브를 원 위치로 복원하는 스프링을 포함하는
3축 방향 힘 측정장치.
제 1 항에 있어서,
상기 가압용 노브의 가압체는
역으로된 절두 정사면체 형상으로, 상기 절두 정사면체의 절두면에 대향하는 대향면에 부착된 외부 프레임 고정축과, 상기 절두면에 부착된 스프링 고정부를 포함하는
3축 방향 힘 측정장치.
제 1 항에 있어서,
상기 항온 몸체는
상기 유공압셀의 각각을 고정하도록 외면에 형성된 외면 고정부와,
상기 멤브레인셀의 각각을 고정하도록 내면에 형성된 내면 고정부와,
상기 고정부들을 연통하는 연통관을 포함하되,
상기 고정부들과 연통관내에 유체가 충진되는
3축 방향 힘 측정장치.
제 1 항에 있어서,
상기 멤브레인셀은 상기 가압용 노브의 가압체의 일면에 대응하는 형상의 날개부와,
상기 날개부의 중앙에 돌출되는 돌기부를 포함하는
3축 방향 힘 측정장치.