KR101274249B1 - 스포크형 광학 토크 센서 및 이를 포함하는 로봇 - Google Patents

스포크형 광학 토크 센서 및 이를 포함하는 로봇 Download PDF

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김경수
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Abstract

본 발명은 보스부와 림부와, 상기 림부에 형성되어 발광부와 수광부를 포함하는 포토 인터럽트와, 상기 보스부에서 림부로 연결되며 외력에 의해 발생하는 상기 보스부와 상기 림부의 상대적 변위차에 의해 탄성 변형하는 적어도 하나의 스포크와 상기 보스부에 고정되어 상기 림부를 향하여 형성되며 상기 스포크의 변형에 연동하여 상기 발광부와 수광부의 사이에 위치함에 따라 상기 수광부의 수광량을 조절하는 가림부를 포함하는 토크 센서를 제공하여, 잡음에 강하고 두께가 얇은 토크 센서를 구현하여 소형인 군사용 또는 서비스 로봇 등의 관절에 적용할 수 있는 유리한 효과를 제공한다.

Description

스포크형 광학 토크 센서 및 이를 포함하는 로봇{Spoke type optical torque sensor and Robot comprising the same}
본 발명은 토크 센서 및 이를 포함하는 로봇에 관한 것으로, 스포크형 탄성체의 변형을 활용해 토크를 측정하는 스포크형 광학 토크 센서 및 이를 포함하는 로봇에 관한 것이다.
토크 센서는 관절뿐만 아니라 관절 이외의 부분에서 외력을 감지하기 위한 센서로 유용하다. 특히, 군사용 또는 서비스용 로봇에 있어서, 정밀한 움직임을 요하는 용도나 사람의 안전을 최우선시 하는 움직임을 요하는 용도로서 유용하게 사용된다. 특히, 군사용 로봇의 경우, 전투 또는 작전이 수행되는 기동 환경과 같이, 통제되지 않는 험지에서 토크 센서를 통해 로봇의 안정성과 정밀성을 높일 수 있다.
이러한 토크센서는 통상적으로, 강체의 비틀림을 스트레인 게이지를 통해 측정한다. 그러나 스트레인 게이지를 사용하는 방식은 스트레인 게이지의 측정값을 보정, 증폭 및 잡음 제거 등의 부가적인 작업이 수반되어 번거로운 문제점이 있다. 또한 다른 방식의 토크 센서 또한, 크기가 크고 고가여서 소형인 군사용 또는 서비스 로봇에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 소형이며 두께가 얇아 소형의 군사용 또는 서비스 로봇의 관절 등에 적용할 수 있는 토크 센서 및 이를 포함하는 로봇을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 보스부와 림부와, 상기 가림부에 형성되어 발광부와 수광부를 포함하는 포토 인터럽트와, 상기 보스부에서 림부로 연결되며 외력에 의해 발생하는 상기 보스부와 상기 림부의 상대적 변위차에 의해 탄성 변형하는 적어도 하나의 스포크와, 상기 보스부에 고정되어 상기 림부를 향하여 형성되며 상기 스포크의 변형에 연동하여 상기 발광부와 수광부의 사이에 위치함에 따라 상기 수광부의 수광량을 조절하는 가림부를 포함하는 토크 센서를 제공한다.
바람직하게는, 상기 포토 입터럽트는 상기 림부의 내주면에 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 발광부와 상기 수광부는 상기 보스부와 림부의 회전축 방향으로 이격 형성되며, 상기 스포크는 외력에 의해 원주 방향으로 탄성 변형될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 발명은, 보스부와 림부와, 상기 림부에 형성되어 발광부와 수광부를 포함하는 포토 인터럽트와, 상기 보스부에서 림부로 연결되며 외력에 의해 발생하는 상기 보스부와 상기 림부의 상대적 변위차에 의해 탄성 변형하는 적어도 하나의 스포크와, 상기 보스부에 고정되어 상기 림부를 향하여 형성되며 상기 스포크의 변형에 연동하여 상기 발광부와 수광부의 사이에 위치함에 따라 상기 수광부의 수광량을 조절하는 가림부를 포함하는 토크 센서를 포함하는 로봇을 제공한다.
바람직하게는, 상기 포토 입터럽트는 상기 림부의 내주면에 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 발광부와 상기 수광부는 상기 보스부와 림부의 회전축 방향으로 이격 형성되며, 상기 스포크는 외력에 의해 원주 방향으로 탄성 변형될 수 있다.
본 발명에 따른 토크 센서 및 이를 포함하는 로봇에 따르면, 스포크의 탄성 변위를 측정하는 포토 인터럽트를 구비함으로써, 잡음에 강하고 두께가 얇은 토크 센서를 구현하여 소형인 군사용 또는 서비스 로봇 등의 관절에 적용할 수 있는 유리한 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 토크 센서의 구성을 도시한 도면,
도 2는 도 1에서 도시한 가림부와 포토 인터럽트의 구성을 도시한 도면,
도 3은 외력에 의해 도 1에서 도시한 가림막이 이동하는 상태를 도시한 도면,
도 4는 가림막의 이동에 의해 포토 인터럽트의 수광량이 조절되는 상태를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 토크 센서의 구성을 도시한 도면이다.
이러한, 도 1은 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 토크 센서(100)는, 보스부(110)와 림부(120), 상기 림부(120)에 형성되는 포토 인터럽트(130)와, 상기 보스부(110)와 림부(120) 사이에 형성되는 복수 개의 스포크(140)와, 상기 포토 인터럽트(130)의 수광량을 조절하는 가림부(150)를 포함한다.
본 발명은 회전 방향으로 탄성 변형하는 스포크(140)에 연동하여 회전 방향으로 이동하는 가림부(150)를 통해 포토 인터럽트(130)의 수광량을 조절함으로써 토크의 세기를 측정하는 기술적 특징이 있다. 이러한 본 발명은 가림부(150)가 회전 방향으로 이동하고 가림부(150)의 이동 경로상에 포토 인터럽트(130)가 배치되기 때문에, 림부(120)의 두께(도 1의 D)를 줄일 수 있다. 이에, 토크센서(100)를 전체적으로 얇게 구성하는 것이 가능하다.
먼저, 보스부(110)와 림부(120)와 스포크(140)에 대해 설명한다.
림부(120)는 환형의 바퀴 형태를 가진다. 그리고 보스부(110)는 림부(120)의 중심에 배치되며, 스포크(140)는 보스부(110)와 림부(120)를 연결하여 바퀴살과 같은 형태를 갖는다.
스포크(140)는 외력에 의해 일정한 탄성 변형률을 갖는 탄성체로 구성된다. 구체적으로 외부에서 유래하는 토크가 발생하는 경우, 회전 방향으로 변형되어 보스부(110)와 림부(120)의 상대적 위치를 변경시킨다. 이러한 스포크(140)는 복수 개가 일정한 간격으로 형성되어 보스부(110)를 중심으로 방사 방향으로 림부(120)에 연결 형성된다.
다음으로 포토 인터럽트(130)와 가림부(150)에 대해 설명한다.
포토 인터럽터(130)는 외력에 의해 토크가 발생하는 경우, 상술한 보스부(110)와 림부(120)의 상대적 위치 변화를 전기적 정보로 감지하는 역할을 한다.
도 2는 도 1에서 도시한 가림부와 포토 인터럽트의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 포토 인터럽트(130)는 발광부(131)와 수광부(132)로 구성된다. 발광부(131)와 수광부(132)는 림부(120)의 두께 방향으로 대향하여 이격 형성된다. 발광부(131)는 수광부(132)를 향하여 발광하며, 수광부(132)는 발광된 빛을 감지한다.
가림부(150)는 포토 인터럽터(130)의 수광부(132)의 영역을 차단하여 수광량을 조절하는 역할을 한다. 가림부(150)는 보스부(110)의 이동에 따라 발광부(131)와 수광부(132) 사이의 이격 공간에 위치한다.
일실시예에 있어서, 포토 인터럽터(150)는, 가림부(150)의 이동 경로상에 발광부(131)와 수광부(132)의 이격 공간이 위치하도록 림부(120) 내주면에 형성된다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 상술한 토크 센서(100)를 이용한 토크 측정 과정을 설명한다.
도 3은 외력에 의해 도 1에서 도시한 가림막이 이동하는 상태를 도시한 도면이고, 도 4는 가림막의 이동에 의해 포토 인터럽트의 수광량이 조절되는 상태를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 외력이 부가되는 경우, 스포크(140)가 탄성 변형하여 보스부(110)가 뒤틀린다. 즉, 림부(120)와 보스부(110)의 상대적 위치가 변경된다. 보스부(110)가 뒤틀림에 따라 보스부(110)에 고정 형성된 가림부(150)가 이동하게 된다. 도 3에서 보스부(110)의 뒤틀림, 스포크(140)의 변형 방향, 가림부(150)의 이동 방향을 반시계 방향을 기준으로 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
가림부(150)가 보스부(110)의 이동에 연동하여 움직이면, 포토 인터럽트(130)의 발광된 빛을 가리는 영역의 면적이 변경된다. 도 4를 참조하면, 일실시예 있어서, 가림부(150)가 발광된 빛을 가리는 영역이 도 4의 A에서 도 4의 B로 확장됨을 알 수 있다. 이에 포토 인터럽트(130)의 수광부(132)의 수광량이 변화된다. 포토 인터럽트(130)의 수광부(132)의 수광량이 변화되면 출력 전압이 달라지며 이러한 전기적 정보에 기초하여 토크를 측정한다. 측정된 토크는 로봇의 액츄에이터를 구동시키기 위한 정보로 활용될 수 있다.
상술한 토크 센서(100)는 잡음에 강하고 얇게 구성되어 소형화된 군사용 로봇 및 서비스 로봇에 적용하는데 유용하다. 특히, 사람이 착용하는 착용 로봇의 관절 등에 유용하게 적용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 보스부
120 : 림부
130 : 포토 인터럽트
131 ; 발광부
132 : 수광부
140 : 스포크
150 : 가림부

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 보스부와 림부와, 상기 림부의 내주면에 형성되되 상기 림부의 두께 방향으로 대향하여 상호 이격 형성되는 발광부와 수광부를 포함하는 포토 인터럽트와, 상기 보스부에서 림부로 연결되며 외력에 의해 발생하는 상기 보스부와 상기 림부의 상대적 변위차에 의해 회전 방향으로 탄성 변형되는 적어도 하나의 스포크와, 상기 보스부에 고정되어 상기 림부를 향하여 형성되며 상기 스포크의 변형에 의한 상기 보스부의 이동에 따라 상기 발광부와 수광부 사이에 위치하여 상기 발광부에서 발광된 빛을 가림으로써 상기 수광부의 수광량을 조절하는 가림부를 포함하는 토크 센서를 포함하는 로봇.

  5. 삭제
  6. 삭제
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