KR101250592B1 - 토크 센서 및 이 토크 센서가 채용된 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토크 센서와 관한 것이다. 본 발명에 의한 토크 센서는, 회전체에 결합됨으로써 그 회전체와 함께 고정부에 대해 회전되는 토크 발생부; 상기 토크 발생부와 고정부 사이에 배치되고, 상기 토크 발생부 및 고정부와 함께 일체로 형성되며, 상기 토크 발생부의 고정부에 대한 회전을 허용하도록 변형이 가능하고 변형 후 원래의 위치로 복원될 수 있도록 탄성변형 가능한 재질로 이루어지는 변형부; 및 상기 토크 발생부의 고정부에 대한 변형 정도를 센싱하기 위한 센서부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

토크 센서 및 이 토크 센서가 채용된 로봇{Torque sensor and robot comprising the torque sensor}

본 발명은 토크 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전체의 회전운동시에 발생하는 토크를 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 토크 센서에 관한 것이다.

일반적으로 토크 센서는 회전체의 토크를 측정할 수 있도록 그 회전체의 회전되는 정도를 센싱하기 위한 것으로, 빛의 수광여부에 따라 상기 회전체의 비틀림 정도를 센싱하는 광센서(130) 등을 예로 들 수 있다.

상기 토크 센서에 기초한 회전체의 토크 측정 원리는, 상기 광센서(130)에 의해 센싱된 신호값과 토크의 관계를 정의한 수학식에 기초한다.

이러한 토크 센서는, 도 1 및 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 회전체(미도시)와 함께 회전되는 제1플레이트(110)와, 변형이 가능한 변형부(122)를 구비하는 제2플레이트(120)와, 상기 제2플레이트(120)에 설치되는 광센서(130)를 구비한다. 여기서, 상기 제1플레이트(110)는 상기 광센서(130)의 수광여부를 좌우하는 인터럽터(112)를 구비한다.

즉, 상기 토크 센서는, 외력이 작용하는 회전체의 회전에 따라 상기 제1플레이트(110)가 회전하게 되고, 그 제1플레이트(110)와 함께 상기 변형부(122)가 회전되며, 이러한 회전동작시에 상기 제1플레이트(110)에 마련된 인터럽터(112)가 상기 광센서(130)의 수광여부를 결정함에 따라 도 3에 도시된 바와 같은 신호를 송출시킨다. 이러한 토크 센서가 채용된 로봇의 경우, 상기 신호값에 기초하여 상기 제1회전체의 토크를 측정함으로써, 로봇의 비이상적인 동작을 감지할 수 있고 힘/토크 피드백을 이용한 힘 제어를 할 수 있게 된다.

상술한 바와 같은 종래기술에 의한 토크 센서는, 상기 제1플레이트(110)와 제2플레이트(120)는, 별개로 제작된 후 볼트(B)체결 방식으로 서로 결합됨으로써, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 부품 간의 공차로 인하여 체결부위에 공극(A)을 발생시킨다.

이러한 체결부위의 공극(A)은, 도 4와 도시된 바와 같이 이미 검증 상용센서중 하나인 스트레인 게이지 타입의 토크 센서와 오차를 발생시키는 것과 같이 상기 회전체의 회전변위의 정밀측정을 불가능하게 하고, 측정 범위가 수십 마이크로 단위인 광센서나 스트레인게이지의 측정 범위를 고려할 때, 그 미세한 오차로 인하여 로봇의 정밀제어를 불가능하게 하는 단점을 초래하게 된다.

한편, 상기 스트레인 게이지 타입의 토크 센서는 회전체에 작용하는 토크의 정밀측정은 가능하게 하나, 스트레인 게이지에 토크가 직접 작용하기 때문에 그 스트레인 게이지의 반복적인 변형으로 내구성 약화 등의 문제를 초래하는 단점을 가진다. 또한 스트레인 게이지 타입의 경우 측정 범위를 초과하는 외력 토크가 발생시 스트레인 게이지가 파괴 될 수 있기 때문에 별도의 멈춤 구조(stopper)설계가 필요하게 되어 전체적인 설계 구조가 복잡하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점인 조립시 발생하는 공극에 의한 측정 오차 및 스트레인 게이지 타입의 접촉식 측정 방식이 갖는 내구성 약화 및 복잡한 구조로 인한 설계의 어려움 등을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 간소한 구성으로 회전체의 토크를 정밀하게 측정할 수 있도록 하고 내구성을 향상시킬 수 있는 토크 센서 및 이 토크 센서가 채용된 로봇을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 토크 센서는, 회전체에 결합됨으로써 그 회전체와 함께 고정부에 대해 회전되는 토크 발생부; 상기 토크 발생부와 고정부 사이에 배치되고, 상기 토크 발생부 및 고정부와 함께 일체로 형성되며, 상기 토크 발생부의 고정부에 대한 회전을 허용하도록 변형이 가능하고 변형 후 원래의 위치로 복원될 수 있도록 탄성변형 가능한 재질로 이루어지는 변형부; 및 상기 토크 발생부의 고정부에 대한 변형 정도를 센싱하기 위한 센서부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 센싱부는, 빛의 수광여부에 따라 상기 변형 정도를 센싱하기 위한 광센서를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 광센서는, 발광부, 수광부 및 그 발광부와 수광부 사이에 마련되어 상기 빛의 이동경로를 제공하는 슬릿부를 구비하고, 본 발명은, 상기 수광부의 상기 발광부로부로터 조사되는 빛의 수신 정도에 따라 상기 토크 발생부의 토크를 측정할 수 있도록, 상기 토크 발생부와 함께 회전가능하게 그 토크 발생부에 결합되고 상기 슬릿부에 배치되는 인터럽터;를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 인터럽터를 상기 토크 발생부에 고정시키기 위한 것으로, 상기 인터럽터를 상기 토크 발생부 측에 밀착시키는 마운트부재와, 상기 마운트부재를 상기 토크 발생부 측에 밀착시키기 위한 밀착수단;을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 밀착수단은, 상기 마운트부재와 토크 발생부 사이에 상기 인터럽터를 배치시킨 상태에서, 그 마운트부재를 관통하여 상기 토크 발생부에 체결되는 볼트부재인 것이 바람직하다.

상기 마운트부재는, 상기 인터럽터의 슬릿부에 대한 위치조절이 가능하도록, 상기 인터럽터의 이동을 가능하게 하는 위치조절홈을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 토크 센서는, 회전체에 결합됨으로써 그 회전체와 함께 고정부에 대해 회전되는 토크 발생부; 상기 토크 발생부와 고정부 사이에 배치되고, 일측이 상기 토크 발생부와 공극 발생 없이 연결되고 타측이 상기 고정부에 공극 발생 없이 연결되며, 상기 토크 발생부의 고정부에 대한 회전을 허용하도록 변형이 가능한 재질로 이루어지는 변형부; 및 상기 토크 발생부의 고정부에 대한 변형 정도를 센싱하기 위한 것으로, 빛의 수광여부에 따라 상기 변형 정도를 센싱하는 광센서;를 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.

본 발명은, 상기 공극이 발생되지 않도록, 상기 토크 발생부와 고정부와 변형부는 일체로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 토크 발생부와 변형부 간의 연결부위 및 상기 변형부와 고정부 간의 연결부위는 라운드 처리된 라운드면을 구비하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 토크 센서는, 토크 발생부에서 발생된 토크를, 부품 간의 공차로 인하여 발생되는 오차 없이 정밀 측정을 가능하게 하는 장점을 가짐은 물론, 예컨대 환자 치료를 위한 재활 로봇의 경우 외부로부터 가해지는 예기치 못한 외력의 작용을 정밀하게 센싱함으로써 환자에게 불측의 피해를 주는 것을 방지할 수 있는 장점을 가진다.

또환, 본 발명에 의한 토크 센서는, 비접촉 측정 방법으로 센싱부에 직접적인 부하가 작용하지 않는 구조가 채택됨으로써, 내구성이 약화되지 않으며 설계 구조가 간소한 장점을 가진다.

도 1은 종래기술에 의한 토크 센서의 분리 사시도.
도 2는 종래기술에 의한 토크 센서의 측면도.
도 3은 일반적인 토크 센서의 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 종래기술에 의한 토크 센서의 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서의 분리 사시도.
도 6은 본 발명 일실시예의 결합사시도.
도 7은 본 발명 일실시예의 부분단면 측면도.
도 8은 본 발명 일실시예의 장점을 설명하기 위한 도면.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 토크 센서의 분리 사시도이고, 도 6은 본 발명 일실시예의 결합사시도이며, 도 7은 본 발명 일실시예의 부분단면 측면도이며, 도 8은 본 발명 일실시예의 장점을 설명하기 위한 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 토크 센서는, 토크 발생부(10)와 변형부(20)와 센서부(40)를 포함하여 이루어진다.

상기 토크 발생부(10)는, 회전체와 함께 회전가능하도록 그 회전체에 결합된다. 즉, 상기 토크 발생부(10)는, 상기 변형부(20)를 사이에 두고 반대측에 위치한 고정부(30)에 대하여 상기 회전체와 함께 회전된다.

본 발명의 일실시예에서 상기 변형부(20)는, 상기 토크 발생부(10)와 고정부(30) 사이에 배치되고, 상기 토크 발생부(10) 및 고정부(30)와 함께 일체로 형성된다. 상기 토크 발생부(10)와 변형부(20)와 고정부(30)는, 경량이면서 성형이 용이한 알루미늄 재질로 이루어진 것이 바람직하고, 상기 변형부(20)의 변형 이후에 탄성복원이 가능하도록 탄성이 좋은 마그네슘이 첨가된 알루미늄 합금 재질로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.

이와 같이, 상기 토크 발생부(10)와 변형부(20)와 고정부(30)가 서로 일체로 형성됨으로써, 상기 토크 발생부(10)가 회전체와 함께 회전됨으로써 토크가 발생되는 경우에 그 회전체의 회전력이 상기 변형부(20)에 그대로 전달됨으로써 상기 센서부(40)의 정밀한 회전변위 센싱을 가능하게 한다.

이러한 구성을 가지는 본 발명에 의한 토크 센서는, 상기 토크 발생부(10)에서 발생된 토크를 부품 간의 공차로 인하여 발생되는 오차 없이 정밀 측정을 가능하게 하는 장점을 가짐은 물론, 예컨대 환자 치료를 위한 재활 로봇의 경우 외부로부터 가해지는 예기치 못한 외력의 작용을 정밀하게 센싱함으로써 환자에게 불측의 피해를 주는 것을 방지할 수 있는 장점을 도출한다.

한편, 본 발명은 종래기술인 부품 간의 공차로 인하여 발생하는 문제점을 극복하기 위한 기술적 과제를 달성하기 위한 것으로, 상기 토크 발생부(10)와 변형부(20)와 고정부(30)가 일체로 형성되는 것에 국한되는 것이 아니라 예컨대 접합 등을 통해 변형부(20)의 일측이 토크 발생부(10)와 공극 없이 연결되고 그 변형부(20)의 타측이 고정부(30)와 공극 없이 연결되도록 구성이 가능함은 물론이다.

또한, 상기 변형부(20)는 회전체의 반복적인 회전운동에 의한 토크를 반복적으로 측정할 수 있도록 탄성변형 가능한 재질로 이루어지는 것이 바람직하기는 하나, 예컨대 1회적인 측정을 위해 변형은 가능하되 탄성복원은 불가능한 재질로 형성되는 것도 가능하다.

상기 센싱부는, 상기 토크 발생부(10)의 고정부(30)에 대한 변형 정도를 센싱하기 위한 것으로, 본 실시예에서는 빛의 수광여부에 따라 변형 정도를 센싱하는 광센서가 채용되었다.

상기 광센서는 발광부(42), 수광부(44) 및 그 발광부(42)와 수광부(44) 사이에 마련되어 빛의 이동경로를 제공하는 슬릿부(46)를 구비한다.

이러한 슬릿부(46)에는, 상기 수광부(44)의 상기 발광부(42)로부로터 조사되는 빛의 수신 정도에 따라 상기 토크 발생부(10)의 토크를 측정할 수 있게 하는 인터럽터(50)가 배치된다.

상기 인터럽터(50)는, 상기 토크 발생부(10)와 함께 회전가능하게 그 토크 발생부(10)에 결합되고 상기 슬릿부(46)에 배치됨으로써, 상기 광센서로부터 송출되는 신호값을 결정하는 역할을 한다. 상기 신호값을 기초로 회전체의 토크를 측정하는 원리에 대해서는 앞에서 설명한 바 있으므로 그 설명은 생략하기로 한다.

본 실시예에서는, 상기 인터럽터(50)를 상기 토크 발생부(10)에 결합시키기 위한 마운트부재(60)와, 그 인터럽터(50)를 토크 발생부(10) 측으로 밀착고정시키기 위한 밀착수단을 구비한다.

상기 밀착수단으로는, 상기 마운트부재(60)와 토크 발생부(10) 사이에 상기 인터럽터(50)를 배치시킨 상태에서, 그 마운트부재(60)를 관통하여 상기 토크 발생부(10)에 체결되는 볼트부재(70)가 채용되었다.

상기 마운트부재(60)는, 그 마운트부재(60)와 토크 발생부(10) 사이에 인터럽터(50)가 배치된 상태에서 그 인터럽터(50)의 이동을 가능하게 하는 위치조절홈(62)을 구비한다. 즉, 상기 위치조절홈(62)은 상기 인터럽터(50)의 이동을 가능하게 하여, 사용자가 그 인터럽터(50)의 상기 슬릿부(46) 내에서의 위치를 조정할 수 있게 하는 기능을 발휘함으로써, 본 발명에 의한 토크 센서의 정밀도를 더욱 높일 수 있게 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 토크 센서는, 도 8에 잘 도시된 바와 같이, 측정의 정밀도가 우수한 스트레인 게이지 타입의 토크 센서의 측정값과 동일한 측정값을 갖게 됨에 따라 상용 스트레인 게이지 타입의 내구성 문제를 극복할 수 있음은 물론, 회전체의 토크를 정밀하게 측정할 수 있는 장점을 가진다.

또한, 이러한 토크 센서가 채용된 재활 로봇은, 환자의 재활 치료시에 그 치료에 방해가 되는 예상치 못한 외력에 의한 충격을 정밀하게 측정할 수 있게 함으로써, 환자에게 불측의 피해가 발생하는 것을 방지할 수 있음은 물론 환자의 재활치료의 안정성을 높일 수 있는 장점을 가진다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명이 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.

10:토크 발생부 20:변형부
30:고정부 40:센서부
42:발광부 44:수광부
46:슬릿부 50:인터럽터
60:마운트부재 62:위치조절홈
70:볼트부재 R:라운드면

Claims (12)

1. 회전체에 결합됨으로써 그 회전체와 함께 고정부에 대해 회전되는 토크 발생부;
   상기 토크 발생부와 고정부 사이에 배치되고, 상기 토크 발생부 및 고정부와 함께 일체로 형성되며, 상기 토크 발생부의 고정부에 대한 회전을 허용하도록 변형이 가능하고 변형 후 원래의 위치로 복원될 수 있도록 탄성변형 가능한 재질로 이루어지는 변형부;
   상기 토크 발생부의 고정부에 대한 변형 정도를 센싱하기 위해 발광부, 수광부 및 발광부와 수광부 사이에 마련되는 슬릿부를 구비한 광센서; 및
   마운트부재에 의해 상기 토크 발생부에 결합되고 상기 슬릿부에 배치되는 인터럽터;를 포함하고,
   상기 마운트부재는, 상기 인터럽터의 슬릿부에 대한 위치조절이 가능하도록, 상기 인터럽터의 이동을 가능하게 하는 위치조절홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 수광부의 상기 발광부로부로터 조사되는 빛의 수신 정도에 따라 상기 토크 발생부의 토크를 측정할 수 있도록, 상기 인터럽터는 상기 토크 발생부에 결합되어 토크 발생부와 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
4. 제3항에 있어서,
   상기 마운트부재를 상기 토크 발생부 측에 밀착시키기 위한 밀착수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
5. 제4항에 있어서,
   상기 밀착수단은,
   상기 마운트부재와 토크 발생부 사이에 상기 인터럽터를 배치시킨 상태에서, 그 마운트부재를 관통하여 상기 토크 발생부에 체결되는 볼트부재인 것을 특징으로 하는 토크 센서.
6. 삭제
7. 회전체에 결합됨으로써 그 회전체와 함께 고정부에 대해 회전되는 토크 발생부;
   상기 토크 발생부와 고정부 사이에 배치되고, 일측이 상기 토크 발생부와 공극 발생 없이 연결되고 타측이 상기 고정부에 공극 발생 없이 연결되며, 상기 토크 발생부의 고정부에 대한 회전을 허용하도록 변형이 가능한 재질로 이루어지는 변형부; 및
   상기 토크 발생부의 고정부에 대한 변형 정도를 센싱하기 위한 것으로, 빛의 수광여부에 따라 상기 변형 정도를 센싱하는 광센서;를 포함하고,
   상기 광센서는 발광부, 수광부 및 그 발광부와 수광부 사이에 마련되어 상기 빛의 이동경로를 제공하는 슬릿부;,
   상기 수광부의 상기 발광부로부로터 조사되는 빛의 수신 정도에 따라 상기 토크 발생부의 토크를 측정할 수 있도록, 상기 토크 발생부와 함께 회전가능하게 그 토크 발생부에 결합되고 상기 슬릿부에 배치되는 인터럽터;
   상기 인터럽터를 상기 토크 발생부에 밀착하여 고정시키기 위한 것으로, 상기 인터럽터의 슬릿부에 대한 위치조절을 가능하게 하는 위치조절홈이 형성되어 있는 마운트부재; 및
   상기 마운트부재를 상기 토크 발생부 측에 밀착시키기 위한 밀착수단;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
8. 제7항에 있어서,
   상기 공극이 발생되지 않도록, 상기 토크 발생부와 고정부와 변형부는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
9. 제7항에 있어서,
   상기 토크 발생부와 변형부 간의 연결부위 및 상기 변형부와 고정부 간의 연결부위는 라운드 처리된 라운드면을 구비하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
10. 삭제
11. 제7항에 있어서,
    상기 밀착수단은,
    상기 마운트부재와 토크 발생부 사이에 상기 인터럽터를 배치시킨 상태에서, 그 마운트부재를 관통하여 상기 토크 발생부에 체결되는 볼트부재;를 구비하는 것을 특징으로 하는 토크 센서.
12. 제1항 또는 제7항의 토크 센서; 및
    상기 토크 센서로부터 송출되는 신호에 기초하여 상기 토크 발생부의 토크를 측정하는 측정 장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇.

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