KR101262554B1 - 힘 센서 및 이를 이용한 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 힘 센서 및 이를 이용한 로봇에 관한 것이다. 본 발명에 의한 힘 센서는, 외력에 의해 변형이 되는 변형부를 구비하는 변형블럭; 상기 변형블럭에 축방향에서의 외력이 가해진 경우에 상기 변형부의 변형에 따라 각각 동일한 벡터 방향의 전압 신호를 송출하고, 상기 축방향에 대해 직교하는 방향에서의 전단력이 가해진 경우에 서로 다른 벡터 방향의 전압 신호를 송출하도록 배치되는 한 쌍의 광센서들; 및 상기 한 쌍의 광센서들을 폐쇄시킬 수 있도록, 상기 변형블럭에 결합되는 커버 유니트;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 로봇은, 상술한 바와 같은 힘 센서를 구비하는 센싱부; 상기 센싱부로부터 센싱된 신호를 기초로 하여 가해진 외력의 크기를 연산하는 연산부; 및 상기 연산부의 연산결과에 기초하여 로봇의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

힘 센서 및 이를 이용한 로봇{Force sensor and Robot utilizing the force sensor}

본 발명은 힘 센서 및 이를 이용한 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 소형화 설계가 가능하고, 저렴한 비용으로 제작할 수 있으며, 내구성이 우수하며, 물체에 가해진 2축 방향의 힘의 크기를 정밀하게 측정할 수 있도록 구조가 개선된 힘 센서 및 이를 이용한 로봇에 관한 것이다.

일반적으로, 물체에 가해진 힘의 크기를 측정하기 위한 센서로는 스트레인게이지 타입의 센서가 주로 사용되어 왔다.

그러나, 이러한 스트레인지 타입의 센서의 경우 크기에 따라 용량이 커지도록 설계됨에 따라 소형이면서 대용량 센서의 제작이 불가능하고, 증폭기를 사용하여야 하기 때문에 비용이 증대되는 단점이 있으며, 스트레인 게이지에 힘이 직접 작용하기 때문에 그 스트레인 게이지의 반복적인 변형으로 내구성 약화 등의 문제를 초래하는 단점과, 1축이 아니라 다축 방향의 힘을 측정하는 경우 각 축방향의 힘 사이에 간섭이 발생되지 않도록 하기 위하여 복잡한 형상의 구조 설계가 이루어져야 하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 제작이 용이하고 제품의 설계비용을 절감할 수 있으며 내구성을 향상시킬 수 있으며, 물체에 가해진 적어도 2축 방향의 힘을 정밀하게 측정할 수 있는 힘 센서 및 이를 이용한 로봇을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 힘 센서는, 외력에 의해 변형이 되는 변형부를 구비하는 변형블럭; 상기 변형블럭에 축방향에서의 외력이 가해진 경우에 상기 변형부의 변형에 따라 각각 동일한 벡터 방향의 전압 신호를 송출하고, 상기 축방향에 대해 직교하는 방향에서의 전단력이 가해진 경우에 서로 다른 벡터 방향의 전압 신호를 송출하도록 배치되는 한 쌍의 광센서들; 및 상기 한 쌍의 광센서들을 폐쇄시킬 수 있도록, 상기 변형블럭에 결합되는 커버 유니트;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 변형부는, 상기 광센서들의 각 광슬릿부 내에 배치되는 인터럽트를 구비하고, 상기 각 광센서는, 상기 인터럽트의 광슬릿부 내에 위치변화에 따른 전압 신호를 송출하도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 변형부는, 상기 인터럽트를 사이에 두고 양측에 형성되어 있는 한 쌍의제1관통공과, 상기 인터럽트의 하측에 상기 한 쌍의 제1관통공과 소통가능하게 형성되어 있고 상기 광센서의 몸체부가 배치되는 제2관통공을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 각 제1관통공은, 외력에 의한 변형부의 원활하고 균일한 변형을 위하여, 상기 인터럽트를 기준으로 한 중심선에서 그 제1관통공을 한정하는 내면 사이의 폭이, 상기 제2관통공의 폭보다 더 크게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제1관통공과 제2관통공을 한정하는 내면의 모서리 부분은, 곡면 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 커버 유니트는, 상기 변형블럭을 사이에 두고 서로 반대측에 위치하는 한 쌍의 커버부재를 구비하고, 상기 각 커버부재를 관통하는 체결수단이 상기 변형블럭에 결합됨으로써, 상기 각 커버부재와 변형블럭 간의 대향면들이 서로 밀착되도록 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명은, 상기 광센서의 전극에 전기적으로 연결되는 와이어가 통과될 수 있도록, 상기 각 커버부재에 형성된 통과구멍; 및 상기 통과구멍을 통과하는 와이어를 상기 각 커버부재에 위치고정시킬 수 있도록, 상기 통과구멍에 결합되는 고정부재;를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 고정부재를 상기 통과구멍에 견고히 위치고정시키기 위한 위치고정수단을 구비하되, 상기 위치고정수단은, 상기 각 커버부재에, 상기 통과구멍과 소통가능하게 형성되어 있는 위치고정구멍; 및 선단이 상기 위치고정구멍을 통해 상기 고정부재에 밀착되는 위치고정부재;를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 로봇은,상술한 바와 같은 구성을 가지는 힘 센서를 구비하는 센싱부; 상기 센싱부로부터 센싱된 신호를 기초로 하여 가해진 외력의 크기를 연산하는 연산부; 및 상기 연산부의 연산결과에 기초하여 로봇의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 힘 센서는, 인터럽트를 구비하는 변형블럭과 광슬릿부를 구비하는 광센서를 이용하여 힘의 크기를 측정할 수 있도록 하여, 간소한 구성으로 센서를 제작할 수 있고 불필요한 부품에 의해 비용이 증대되는 것을 방지할 수 있으며, 반복적인 외력이 작용한다 하더라도 스트레인지 게이지 타입의 센서와 같이 센서부에 피로가 집중되는 것과는 달리 피로 집중도가 현저히 제거됨으로써 제품의 내구성을 향상시킬 수 있는 장점을 도출한다.

그리고, 본 발명에 의한 힘센서는, 한 쌍의 광센서들의 각 전압 신호에 기초하여 그 전압 신호들에 기초한 전압의 크기를 합산한 후 평균값을 산출하는 방식에 의해 외력의 크기를 측정할 수 있도록 구성됨으로써, 하나의 광센서에 기초한 측정치보다 더욱 정밀한 측정이 가능하게 되고, 이에 따라 축방향 외력 및 전단력을 더욱 정밀하게 측정할 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 힘 센서의 사시도.
도 2는 본 발명 일실시예의 분리 사시도.
도 3은 본 발명 일실시예에 채용된 변형블럭 내에 광센서들이 배치된 상태를 보인 도면.
도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 단면도.
도 5는 본 실시예에 의한 힘 센서와 상용 센서 간의 축방향 외력 측정치에 관한 그래프를 보인 도면.
도 6은 본 실시예에 의한 힘 센서와 상용 센서 간의 전단력 측정치에 관한 그래프를 보인 도면.

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

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 힘 센서의 사시도이고, 도 2는 본 발명 일실시예의 분리 사시도이며, 도 3은 본 발명 일실시예에 채용된 변형블럭 내에 광센서들이 배치된 상태를 보인 도면이며, 도 4는 도 1의 Ⅳ-Ⅳ 단면도이며, 도 5는 본 실시예에 의한 힘 센서와 상용 센서 간의 축방향 외력 측정치에 관한 그래프를 보인 도면이며, 도 6은 본 실시예에 의한 힘 센서와 상용 센서 간의 전단력 측정치에 관한 그래프를 보인 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 힘 센서는 변형블럭(1)과 광센서들(3)과 커버 유니트를 포함하여 이루어진다.

상기 변형블럭(1)은, 알루미늄과 같은 경량 소재로 이루어지는 것이 바람직하고, 외력이 작용하는 가압부(11)와 그 가압부(11)와 일체로 형성된 변형부(12)를 구비한다. 본 실시예에서 상기 가압부(11)는 상기 변형부(12)로부터 외측으로 돌출되도록 형성되어 있다.

상기 변형부(12)는 다양하게 구현이 가능하나, 본 실시예에서는 한 쌍의 제1관통공(122)들과 제2관통공(123)이 형성되도록 구성된다. 이와 같이, 상기 변형부(12)는, 제1관통공(122)들과 제2관통공(123)을 구비하여서, 상기 변형블럭(1)의 변형을 가능하게 한다.

상기 변형부(12)는, 상기 제1관통공(122)들을 2분할하는 위치에 형성된 인터럽트(121)를 구비한다. 상기 인터럽트(121)는, 상기 광센서들(3)의 광슬릿부(31) 내에 위치됨으로써, 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 그 위치변화(D)에 따른 광센서들(3)의 출력 신호를 달라지게 한다. 여기서, 상기 광센서들(3)의 출력 신호는 전압 신호이다.

본 실시예에서 상기 인터럽트(121)은, 상기 변형부(12)와 함께 일체로 형성되나, 본 발명은 반드시 이에 한정되지 않고, 예컨대 상기 변형부(12)와 별개로 성형된 후 본딩 등에 의해 그 변형부(12)에 결합되도록 구성될 수 있음은 물론이다.

이러한 광센서들(3)의 출력 전압은 상기 변형블럭(1)에 가해지는 외력과 비례하는 수학식이 성립하고, 이러한 수학식에 기초하여 그 변형블럭(1)에 가해지는 외력의 크기를 광센서들(3)을 이용하여 측정할 수 있는 것이다.

본 발명에서는, 상기 한 쌍의 광센서들이 구비됨으로써, 도 3과 같이 상기 변형블럭에 축방향에서의 외력이 가해진 경우에, 상기 변형부의 변형에 따라 각각 동일한 벡터 방향의 전압 신호를 송출하게 된다.

즉, 한 쌍의 광센서들의 각 전압 신호에 기초하여 그 전압 신호들에 기초한 전압의 크기를 합산한 후 평균값을 산출하게 되면, 하나의 광센서에 기초한 전압 측정치보다 더욱 정밀한 전압측정이 가능하게 된다. 결국, 본 발명은 한 쌍의 광센서들에 의해 정밀한 전압측정이 가능하게 됨에 따라 전압값에 비례하는 상기 축방향 외력의 크기를 정밀하게 측정할 수 있는 것이다.

본 발명에 의한 정밀도에 대한 그래프가 도 5에 잘 도시되어 있다. 이 도면에 도시된 그래프는, 본 발명에 의한 힘 센서(Proposed;도 5에서 실선 부분)와 현재 상용화되고 있는 센서(Commercial;도 5에서 점선 부분) 간의 힘의 측정치가 0.3% 이내의 오차를 가짐으로써, 상기 변형블럭에 가해진 축방향 외력의 크기를 정밀하게 측정할 수 있음을 보여 준다.

한편, 상기 제1관통공(122)들은, 상기 인터럽트(121)를 사이에 두고 양측에 형성되어 있고, 상기 제2관통공(123)은, 상기 인터럽트(121)의 하측에 상기 한 쌍의 제1관통공(122)들과 소통가능하게 형성되어 있고, 상기 광센서들(3)의 몸체부(12)가 배치되는 부분이다.

본 실시예에서 상기 제1관통공(122)들은, 상기 인터럽트(121)를 기준으로 한 중심선에서 그 제1관통공(122)을 한정하는 내면 사이의 폭이, 상기 제2관통공(123)의 폭보다 더 크게 형성됨으로써, 상기 가압부(11)에 가해지는 외력이 변형부(12)에 골고루 분산 작용하게 하여 상기 변형부(12)의 원활하고 균일한 변형을 가능하게 한다.

그리고, 상기 제1관통공(122)들과 제2관통공(123)을 한정하는 내면의 모서리 부분은, 곡면 형상으로 형성됨으로써, 상기 변형부(12)의 반복적인 변형에 의한 피로에 대한 강인성이 그 모서리 부분이 직각인 경우의 비교예에 비하여 우수하다.

이와 같이 변형블럭(1)과 광센서들(3)를 구비하는 본 실시예는, 도 3 및 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 변형블럭(1)의 가압부(11)에 외력이 작용하게 되면, 상기 변형부(12)에 마련된 인터럽트(121)가 그 변형부(12)와 함께 광센서들(3)의 광슬릿부(31) 내에서 변형됨에 따라 광슬릿부(31)에 대한 인터럽트(121)의 위치변화(도 3;D, 도 4;D1,D2)를 초래하고, 그 위치변화에 따라 광센서들(3)의 출력 신호가 달라지게 됨으로써 그 출력 신호에 따른 힘의 크기를 측정할 수 있게 한다.

결국, 본 발명에 의한 힘 센서는, 인터럽트(121)를 구비하는 변형블럭(1)과 광슬릿부(31)를 구비하는 광센서들(3)을 이용하여 힘의 크기를 측정할 수 있도록 하여, 간소한 구성으로 센서를 제작할 수 있고 불필요한 부품에 의해 비용이 증대되는 것을 방지할 수 있으며, 반복적인 외력이 작용한다 하더라도 스트레인지 게이지 타입의 센서와 같이 센서부에 피로가 집중되는 것과는 달리 피로 집중도가 현저히 제거됨으로써 제품의 내구성을 향상시킬 수 있는 장점을 도출한다.

또한, 본 발명에서는 상술한 바와 같이, 한 쌍의 광센서들이 구비됨으로써, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 변형블럭에 상기 축방향에 대해 직교하는 방향에서의 전단력이 가해진 경우, 각 광센서의 광슬릿부 내에서 상기 인터럽트가 서로 다른 위치변화를 초래하게 된다. 이와 같이 되면, 각 광센서로부터 송출되는 전압 신호는 서로 다른 벡터 방향을 가지게 됨에 따라, 각 벡터값을 서로 차감한 후 평균값을 산출하게 되면, 상기 인터럽트의 정밀한 위치변화량의 측정이 가능하게 되고, 결국 전단력의 정밀한 측정이 가능하게 된다.

본 발명에 의한 전단력 측정에 대한 정밀도에 대한 그래프가 도 6에 잘 도시되어 있다. 이 도면에 도시된 그래프는, 본 발명에 의한 힘 센서(Proposed;도 6에서 실선 부분)와 현재 상용화되고 있는 센서(Commercial;도 6에서 점선 부분) 간의 힘의 측정치가 0.3% 이내의 오차를 가짐으로써, 상기 변형블럭에 가해진 전단력의 크기를 정밀하게 측정할 수 있음을 보여 준다.

한편, 상기 커버 유니트는, 상기 변형블럭(1)에 결합됨으로써, 상기 광센서들(3)을 폐쇄시키는 역할을 한다.

상기 커버 유니트는, 일체로 성형이 가능하나, 본 실시예에서는 성형의 용이함 및 조립성 향상을 위해 한 쌍의 커버부재(41)(42)로 이루어져 있다.

상기 한 쌍의 커버부재(41)(42)들은, 상기 변형블럭(1)을 사이에 두고 서로 반대측에 위치하고, 상기 각 커버부재(41)(42)를 관통하는 볼트(B)와 같은 체결수단이 상기 변형블럭(1)에 나사결합됨으로써, 상기 변형블럭(1)에 밀착되도록 구성된다.

도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 각 커버부재(41)(42)에는 통과구멍(411)(421)이 형성되어 있고, 본 실시예는 상기 통과구멍(411)(421)에 결합되는 고정부재(5)를 구비한다.

즉, 상기 통과구멍(411)(421)은, 상기 광센서(3)의 전극(32)에 전기적으로 연결되는 와이어(W)가 외부 전력원에 연결될 수 있도록 하는 통로 역할을 하고, 상기 고정부재(5)는 상기 와이어(W)가 내측에 위치고정된 상태에서 상기 통과구멍(411)(421)에 결합됨으로서, 상기 와이어(W)를 변형블럭(1)에 견고히 위치고정시키는 역할을 한다.

그리고, 본 실시예는, 상기 고정부재를 상기 통과구멍에 견고히 위치고정시키기 위한 위치고정수단을 구비한다.

상기 위치고정수단은, 상기 통과구멍과 소통가능하도록, 상기 각 커버부재에 형성되어 있는 위치고정구멍과, 선단이 상기 위치고정구멍을 통해 상기 고정부재에 밀착되는 위치고정부재를 포함하여 이루어진다.

이러한 실시예에 의하면, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 위치고정부재가 상기 고정부재를 상기 통과구멍의 내측벽에 밀착되게 하여, 상기 고정부재 내에 위치된 와이어의 유동을 방지하여 줌으로써, 상기 와이어의 유동에 따른 오차를 최소화시킬 수 있게 된다.

한편, 상술한 바와 같은 본 발명에 의한 다양한 실시예들은, 로봇이나 광응용기기 또는 반도체 장비 등 다양한 기술분야에 적용이 가능하다.

예컨대, 로봇의 경우 상기 실시예들에 의한 힘 센서를 포함하여 이루어지는 센싱부와, 그 센싱부로부터 센싱된 신호에 기초하여 외력의 크기를 연산하는 연산부와, 그 연산부의 연산결과에 기초하여 로봇의 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어지도록 구현됨으로써, 로봇에 가해진 힘의 크기를 측정하기 위한 구성의 간소화, 비용 절감 및 내구성 향상 등의 장점을 도출할 수 있는 로봇 설계가 가능하게 되는 것이다.

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.

1:변형블럭 11:가압부
12:변형부 121:인터럽트
122:제1관통공 123:제2관통공
3:광센서 31:광슬릿부
32:전극 41,42:커버부재
411,421:통과구멍 431:위치고정구멍
5:고정부재 6:위치고정부재 :
B:볼트 W:와이어

Claims (9)

1. 외력에 의해 변형이 되는 변형부를 구비하는 변형블럭;
   상기 변형블럭에 축방향에서의 외력이 가해진 경우에 상기 변형부의 변형에 따라 각각 동일한 벡터 방향의 전압 신호를 송출하고, 상기 축방향에 대해 직교하는 방향에서의 전단력이 가해진 경우에 서로 다른 벡터 방향의 전압 신호를 송출하도록 배치되는 한 쌍의 광센서들; 및
   상기 한 쌍의 광센서들을 폐쇄시킬 수 있도록, 상기 변형블럭에 결합되는 커버 유니트;를 포함하여 이루어지며,
   상기 커버 유니트는, 상기 변형블럭을 사이에 두고 서로 반대측에 위치하는 한 쌍의 커버부재를 구비하고,
   상기 광센서의 전극에 전기적으로 연결되는 와이어가 통과될 수 있도록, 상기 각 커버부재에 형성된 통과구멍; 및
   상기 통과구멍을 통과하는 와이어를 상기 각 커버부재에 위치고정시킬 수 있도록, 상기 통과구멍에 결합되는 고정부재;를 구비하는 것을 특징으로 하는 힘 센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 변형부는, 상기 광센서들의 각 광슬릿부 내에 배치되는 인터럽트를 구비하고,
   상기 각 광센서는, 상기 인터럽트의 광슬릿부 내에 위치변화에 따른 전압 신호를 송출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 힘 센서.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 변형부는, 상기 인터럽트를 사이에 두고 양측에 형성되어 있는 한 쌍의제1관통공과, 상기 인터럽트의 하측에 상기 한 쌍의 제1관통공과 소통가능하게 형성되어 있고 상기 광센서의 몸체부가 배치되는 제2관통공을 구비하는 것을 특징으로 하는 힘 센서.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 각 제1관통공은, 외력에 의한 변형부의 원활하고 균일한 변형을 위하여, 상기 인터럽트를 기준으로 한 중심선에서 그 제1관통공을 한정하는 내면 사이의 폭이, 상기 제2관통공의 폭보다 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 힘 센서.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 제1관통공과 제2관통공을 한정하는 내면의 모서리 부분은, 곡면 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 힘 센서.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 커버 유니트는, 상기 변형블럭을 사이에 두고 서로 반대측에 위치하는 한 쌍의 커버부재를 구비하고,
   상기 각 커버부재를 관통하는 체결수단이 상기 변형블럭에 결합됨으로써, 상기 각 커버부재와 변형블럭 간의 대향면들이 서로 밀착되도록 구성된 것을 특징으로 하는 힘 센서.
   
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 고정부재를 상기 통과구멍에 견고히 위치고정시키기 위한 위치고정수단을 구비하되,
   상기 위치고정수단은,
   상기 각 커버부재에, 상기 통과구멍과 소통가능하게 형성되어 있는 위치고정구멍; 및 선단이 상기 위치고정구멍을 통해 상기 고정부재에 밀착되는 위치고정부재;를 구비하는 것을 특징으로 하는 힘 센서.
   
9. 제1항 내지 제6항 및 제8항 중 어느 한 항의 힘 센서를 구비하는 센싱부;
   상기 센싱부로부터 센싱된 신호를 기초로 하여 가해진 외력의 크기를 연산하는 연산부; 및
   상기 연산부의 연산결과에 기초하여 로봇의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇.

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