KR101280899B1 - 1-axis torque sensor for robot joint - Google Patents

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KR101280899B1
KR101280899B1 KR1020110143355A KR20110143355A KR101280899B1 KR 101280899 B1 KR101280899 B1 KR 101280899B1 KR 1020110143355 A KR1020110143355 A KR 1020110143355A KR 20110143355 A KR20110143355 A KR 20110143355A KR 101280899 B1 KR101280899 B1 KR 101280899B1
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torque sensor
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김봉석
황정훈
박창우
최승윤
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전자부품연구원
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Abstract

PURPOSE: A shaft torque sensor for a robot joint is provided to precisely measure the torque generated in the predetermined direction by structurally offsetting the torque by a different external force except the torque of one shaft direction in which a driving shaft rotates. CONSTITUTION: A shaft torque sensor for a robot joint comprises a first joint connecting unit (20), a gauge installing unit (30), and a second joint connecting unit (40). The gauge installing unit includes a plurality of beam parts (31) with a pair of beams inclined to the opposite direction in the outer circumference surface. The gauge installing unit includes strain gauges (S1,S2,S3,S4) in the pair of beams. The gauge installing unit connects between the beams and includes a connection stand (37) connecting the first joint connecting unit and the second joint connecting unit.

Description

로봇 관절용 1축 토크 센서{1-axis torque sensor for robot joint}1-axis torque sensor for robot joint

본 발명은 토크 센서를 이용한 로봇 관절에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정하고자 하는 1축 방향의 토크 이외의 다른 외력에 의한 토크를 구조적으로 상쇄시켜 해당 방향에서 발생되는 토크를 정밀하게 측정할 수 있는 로봇 관절용 1축 토크 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a robot joint using a torque sensor, and more particularly, it is possible to precisely measure the torque generated in the corresponding direction by structurally canceling the torque caused by an external force other than the torque in the uniaxial direction to be measured. A single axis torque sensor for a robotic joint.

통제되어 있는 환경에서 작업하는 산업용 로봇의 경우, 로봇 암에 장착된 공구가 작업 대상에 가하는 힘을 측정하기 위하여 로봇 손목에 장착 가능한 형태의 6축 힘/토크(Force/Torque; F/T) 센서가 사용되어 왔다.In the case of an industrial robot working in a controlled environment, a six-axis Force / Torque (F / T) sensor that can be mounted on the robot's wrist to measure the force applied by the tool mounted on the robot arm Has been used.

하지만, 로봇 암의 다른 부분이 알려지지 않은 물체나 사람과 충돌하였을 때, 이의 감지가 불가능하고 능동적 대응을 통해 안전성을 확보하기 어려운 문제점이 있다. 현재의 지능형 로봇(또는 휴머노이드 로봇)은 대부분 알려지지 않고 통제되지 않는 환경에서 작업을 수행하여야 하기 때문에, 산업용 로봇과 달리 로봇이나 사람의 안전을 최우선으로 고려하여 동작하여야 하는 특징이 있다.However, when another part of the robot arm collides with an unknown object or a person, it is impossible to detect it and it is difficult to ensure safety through active countermeasure. Currently, intelligent robots (or humanoid robots) have to be operated in consideration of safety of robots or humans as the top priority, unlike industrial robots, since most tasks must be performed in an unknown and uncontrolled environment.

로봇의 관절에 토크 센서를 장착하여 측정하는 방식은 동역학적 해석이 복잡하고 오차가 누적될 수 있어 산업용 로봇에서는 불리하나, 최근 들어 지능형 서비스 로봇 분야에서는 폭넓게 연구되고 있다.The method of measuring by mounting a torque sensor on the joint of the robot is disadvantageous in the industrial robot because of complicated dynamic analysis and cumulative errors, but recently, it has been widely studied in the field of intelligent service robot.

특히 로봇의 관절에 사용되는 1축 토크 센서는 1축 방향으로 발생되는 토크를 측정하는 센서로서, 1축 방향으로의 변형률을 측정한다. 이러한 1축 토크 센서는 6축 힘/토크 센서와는 달리 1축 방향의 측정하고자 하는 위치에 스트레인게이지가 설치되고, 1축 방향으로 작용하는 변형을 스트레인게이지가 측정한다.In particular, the 1-axis torque sensor used in the joint of the robot measures the torque generated in the uniaxial direction, and measures the strain in the uniaxial direction. Unlike the 6-axis force / torque sensor, the one-axis torque sensor is provided with a strain gauge at a position to be measured in one axis direction, and the strain gauge measures deformation acting in the one axis direction.

1축 토크 센서가 정확히 1축 방향의 토크를 측정하기 위해서, 측정하고자 하는 1축 방향의 토크 외에 다른 외력, 예컨대 2방향 토크, 3방향 힘에 대해서는 변형률이 측정하고자 하는 특정 토크에 비해 거의 무시할 수 있는 수준을 요구하고 있다.In order for the 1-axis torque sensor to accurately measure the torque in the 1-axis direction, in addition to the torque in the 1-axis direction to be measured, other external forces, such as 2-way torque and 3-way force, are almost negligible compared to the specific torque to be measured. It is demanding level.

하지만 통상적인 1축 토크 센서는 측정하고자 하는 1축 방향의 토크 외에 다른 외력에 의한 상호간섭오차(crosstalk-error)가 발생하기 때문에 1축 방향의 토크를 정확히 측정하는 데 한계가 있다.However, the conventional one-axis torque sensor has a limitation in accurately measuring the torque in the uniaxial direction because a mutual interference error (crosstalk-error) due to external forces other than the one-axis torque to be measured occurs.

따라서 본 발명의 목적은 1축 토크 센서의 구조를 개선하여 구조적으로 측정하고자 하는 1축 방향의 토크 이외의 다른 외력에 의한 토크를 구조적으로 상쇄시켜 해당 방향에서 발생되는 토크를 정밀하게 측정할 수 있는 로봇 관절용 1축 토크 센서를 제공하는 데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to improve the structure of the single-axis torque sensor to structurally cancel the torque caused by external forces other than the torque in the one-axis direction to be structurally measured to accurately measure the torque generated in the corresponding direction It is to provide a one-axis torque sensor for robot joints.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1 관절 체결부, 게이지 설치부 및 제2 관절 체결부를 포함하는 로봇 관절용 1축 토크 센서를 제공한다. 상기 제1 관절 체결부는 원판 형태로, 제1 관절의 구동축이 결합되는 구동축 체결구멍이 중심에 형성된다. 상기 게이지 설치부는 상기 제1 관절 체결부의 가장자리 둘레에서 축 방향으로 일정 높이로 형성되어 상기 제1 관절의 구동축 부분을 둘러싸며, 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔을 갖는 빔부가 복수 형성되고, 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 상기 빔부의 경사진 한 쌍의 빔에 각각 스트레인 게이지가 설치된다. 그리고 상기 제2 관절 체결부는 상기 게이지 설치부에서 연장되어 형성되며, 외측면에 제2 관절이 체결된다.In order to achieve the above object, the present invention provides a robot joint 1-axis torque sensor including a first joint fastening portion, a gauge mounting portion and a second joint fastening portion. The first joint coupling portion has a disc shape, and a driving shaft coupling hole to which the driving shaft of the first joint is coupled is formed at the center thereof. The gauge mounting portion is formed at a predetermined height in the axial direction around the edge of the first joint fastening portion surrounds the drive shaft portion of the first joint, a plurality of beam portions having a pair of beams inclined opposite to each other on the outer peripheral surface, Strain gauges are respectively provided on a pair of inclined beams of the beam portion, which are respectively located on opposite sides with respect to the axial direction. The second joint fastening part extends from the gauge mounting part, and the second joint fastening part is fastened to an outer surface thereof.

본 발명에 따른 로봇 관절용 1축 토크 센서에 있어서, 상기 게이지 설치부는 상기 복수의 빔부는 짝수 개이며, 축 방향에 대해서 방사형으로 배치되어 형성될 수 있다.In the uniaxial torque sensor for a robot joint according to the present invention, the gauge mounting part may have an even number of the plurality of beam parts, and may be disposed radially with respect to the axial direction.

본 발명에 따른 로봇 관절용 1축 토크 센서에 있어서, 상기 게이지 설치부는 상기 복수의 빔부 사이를 연결하고, 상기 제1 관절 체결부와 상기 제2 관철 체결부를 연결하는 연결대를 포함할 수 있다.In the uniaxial torque sensor for a robot joint according to the present invention, the gauge mounting portion may include a connecting rod connecting the plurality of beam portions and connecting the first joint coupling portion and the second tube fitting portion.

본 발명에 따른 로봇 관절용 1축 토크 센서에 있어서, 상기 빔부는 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔이 "V"자형으로 형성될 수 있다.In the uniaxial torque sensor for a robot joint according to the present invention, a pair of beams inclined opposite to each other may be formed in a "V" shape.

본 발명에 따른 로봇 관절용 1축 토크 센서에 있어서, 상기 스트레인 게이지는 상기 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 상기 한 쌍의 경사진 빔의 안쪽에 각각 설치될 수 있다.In the uniaxial torque sensor for a robot joint according to the present invention, the strain gauges may be respectively installed inside the pair of inclined beams respectively located on the side facing each other with respect to the axial direction.

본 발명에 따른 로봇 관절용 1축 토크 센서에 있어서, 상기 빔부는 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔이 좌우 대칭되게 형성되며, 상기 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔이 만나는 부분은 제1 및 제2 관절 체결부 중에 하나에 연결될 수 있다.In the uniaxial torque sensor for a robot joint according to the present invention, the beam portion is a pair of beams inclined opposite to each other is formed symmetrically, the portion where the pair of inclined beams opposite to each other meet the first and second It may be connected to one of the joint fastening.

본 발명은 또한, 구동축이 결합되는 면과 마주보는 쪽이 개방된 관형으로, 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔이 연속적으로 형성되고, 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 상기 경사진 한 쌍의 빔에 각각 스트레인 게이지가 설치되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절용 1축 토크 센서를 제공한다.The present invention also has a tubular shape in which the side facing the drive shaft is open to the open side, a pair of beams inclined opposite to each other on the outer circumferential surface is formed continuously, the inclined side respectively located on the side facing each other in the axial direction Provided is a one-axis torque sensor for a robot joint, characterized in that each strain gauge is installed on a pair of beams.

그리고 본 발명에 따른 로봇 관절용 1축 토크 센서에 있어서, 상기 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔은 "V"자형으로 형성될 수 있다.In the uniaxial torque sensor for a robot joint according to the present invention, the pair of inclined beams opposite to each other may be formed in a “V” shape.

본 발명에 따른 1축 토크 센서는 구동축이 결합되는 면과 마주보는 쪽이 개방된 관형으로, 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔이 연속적으로 형성되고, 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 한 쌍의 경사진 빔에 각각 설치된 스트레인 게이지를 이용하여 보상회로를 구성함으로써, 구동축이 회전하는 1축 방향의 토크 이외의 다른 외력에 의한 토크를 구조적으로 상쇄시켜 해당 방향에서 발생되는 토크를 정밀하게 측정할 수 있다. 즉 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 구동축이 회전하는 1축 방향 이외의 다른 방향으로 작용하는 외력에 따른 토크는 상쇄되는 것을 확인할 수 있다.The single-axis torque sensor according to the present invention has a tubular shape in which a side opposite to the side on which the drive shaft is coupled is opened, and a pair of beams inclined opposite to each other are continuously formed on the outer circumferential surface thereof, respectively located on the side facing each other in the axial direction. Compensation circuits are constructed using strain gauges installed on a pair of inclined beams, thereby structurally canceling torques caused by external forces other than the torque in the uniaxial direction in which the drive shaft rotates to precisely correct the torque generated in the corresponding direction. Can be measured. That is, as can be seen in Figure 6, it can be seen that the torque due to the external force acting in a direction other than the one axis direction in which the drive shaft is rotated.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서를 보여주는 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서를 매개로 설치된 로봇의 관절을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서를 매개로 설치된 로봇의 관절을 보여주는 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서에 6축 방향으로 발생하는 힘에 따른 4개의 스트레인 게이지에서 측정된 토크 값을 보여주는 표이다.1 is a perspective view showing a one-axis torque sensor according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are cross-sectional views of FIG. 1.
4 is a view showing a joint of a robot installed through a 1-axis torque sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a partial cross-sectional view showing a joint of a robot installed through a 1-axis torque sensor according to an embodiment of the present invention.
6 is a table showing torque values measured in four strain gauges according to a force generated in a six-axis direction in the one-axis torque sensor according to an embodiment of the present invention.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.In the following description, only parts necessary for understanding the embodiments of the present invention will be described, and the description of other parts will be omitted so as not to obscure the gist of the present invention.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and the inventor is not limited to the meaning of the terms in order to describe his invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely preferred embodiments of the present invention, and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention, so that various equivalents And variations are possible.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하자고 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서를 보여주는 사시도이다. 도 2 및 도 3은 도 1의 단면도이다. 이때 1축 토크 센서(10)의 구동축 체결구멍(21)은 X축 방향으로 형성되며, 여기서 1축은 X축을 의미한다.1 is a perspective view showing a one-axis torque sensor according to an embodiment of the present invention. 2 and 3 are cross-sectional views of FIG. 1. At this time, the drive shaft fastening hole 21 of the one-axis torque sensor 10 is formed in the X-axis direction, where one axis means the X-axis.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서(10)는 구동축이 결합되는 면과 마주보는 쪽이 개방된 관형으로, 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔(33,35)이 연속적으로 형성되고, 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 경사진 한 쌍의 빔(33,35)에 각각 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 설치된 구조를 갖는다.1 to 3, the one-axis torque sensor 10 according to the embodiment of the present invention has a tubular shape in which a side opposite to a surface on which a driving shaft is coupled is opened, and a pair of beams inclined opposite to each other on an outer circumferential surface thereof ( 33, 35 are formed continuously, and have a structure in which strain gauges S1, S2, S3, and S4 are provided on a pair of inclined beams 33 and 35, respectively located on the side facing each other in the axial direction. .

이와 같은 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(10)는 제1 관절 체결부(20), 게이지 설치부(30) 및 제2 관절 체결부(40)를 포함하며 일체로 형성된 구조를 갖는다. 이때 1축 토크 센서(10)의 소재로는 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 1축 토크 센서(10)의 소재로 알루미늄 합금을 사용하는 이유는 다음과 같다. 1축 토크 센서(10)의 소재로 철을 사용하는 경우, 강성을 높여 복원 응력을 확보함으로써 일종의 히스테리시스(hysteresis) 현상을 없앨 수 있는 장점이 있다. 하지만 철 소재는 알루미늄 소재보다 같은 부피 대비 3배 이상 무겁기 때문에, 로봇 관절용 1축 토크 센서(10)로 사용하기에는 적합하지 않다. 1축 토크 센서(10)의 소재로 순수 알루미늄을 사용하는 경우, 가벼운 이점이 있지만 강성이 철보다 낮기 때문에 토크가 가해졌다가 무부하 상태 시 히스테리시스 현상이 발생할 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 1축 토크 센서(10)의 소재로 알루미늄 합금, 예컨대 알루미늄 70계열인 합금을 사용함으로써, 무게도 가볍게 하면서 강성을 높여 철 및 알루미늄 소재가 갖는 장점을 갖춘 1축 토크 센서(10)를 제공할 수 있다.This one-axis torque sensor 10 according to the present embodiment includes a first joint fastening portion 20, the gauge mounting portion 30 and the second joint fastening portion 40 has a structure formed integrally. In this case, an aluminum alloy may be used as the material of the single-axis torque sensor 10. The reason why the aluminum alloy is used as the material of the uniaxial torque sensor 10 is as follows. In the case of using iron as the material of the single-axis torque sensor 10, there is an advantage of eliminating a kind of hysteresis by securing rigidity and restoring stress. However, the iron material is three times heavier than the same volume than the aluminum material, it is not suitable for use as a single-axis torque sensor 10 for the robot joint. When pure aluminum is used as the material of the single-axis torque sensor 10, there is a light advantage, but since the rigidity is lower than iron, hysteresis may occur when a torque is applied and no load is applied. Therefore, in the present embodiment, by using an aluminum alloy, for example, an aluminum 70 series alloy as a material of the uniaxial torque sensor 10, the uniaxial torque sensor 10 having the advantages of iron and aluminum materials while increasing the rigidity while reducing the weight is also light. ) Can be provided.

제1 관절 체결부(20)는 원판 형태를 가지며, 중심 부분에 제1 관절의 구동축이 결합되는 구동축 체결구멍(21)이 형성되어 있다.The first joint fastening portion 20 has a disc shape, and a drive shaft fastening hole 21 is formed in the center portion to which the driving shaft of the first joint is coupled.

게이지 설치부(30)는 제1 관절 체결부(20)의 가장자리 둘레에서 축 방향으로 일정 높이로 형성되어 제1 관절의 구동축 부분을 둘러싸는 형태를 갖는다. 게이지 설치부(30)는 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔(33,35)을 갖는 빔부(31)가 복수 형성된다. 게이지 설치부(30)는 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 빔부(31)의 한 쌍의 경사진 빔(33,35)에 각각 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 설치된다.Gauge mounting portion 30 is formed at a predetermined height in the axial direction around the edge of the first joint fastening portion 20 has a form surrounding the drive shaft portion of the first joint. The gauge mounting portion 30 is provided with a plurality of beam portions 31 having a pair of beams 33 and 35 inclined opposite to each other on the outer circumferential surface thereof. Strain gauges S1, S2, S3, and S4 are respectively installed on the pair of inclined beams 33 and 35 of the beam portion 31 positioned on the side facing each other with respect to the axial direction. .

그리고 제2 관절 체결부(40)는 게이지 설치부(30)에서 연장되어 형성되며, 외측면에 제2 관절이 체결된다.And the second joint fastening portion 40 is formed to extend from the gauge installation portion 30, the second joint is fastened to the outer surface.

이때 게이지 설치부(30)에 형성된 복수의 빔부(31)는 축 방향에 대해서 방사형으로 배치되어 형성된다. 복수의 빔부(31)는 축 방향에 대해서 서로 마주보게 빔부(31)가 배치될 수 있도록 짝수 개이다. 게이지 설치부(30)는 복수의 빔부(31) 사이를 연결하고, 제1 관절 체결부(20)와 제2 관철 체결부(40)를 연결하는 복수의 연결대(37)를 구비한다. 연결대(37)는 제1 관절 체결부(20)와 제2 관절 체결부(30)를 연결하여 1축 토크 센서(10)에 강성을 제공하는 뼈대 역할을 한다.In this case, the plurality of beam parts 31 formed in the gauge mounting part 30 are disposed radially with respect to the axial direction. The plurality of beam parts 31 are even in number so that the beam parts 31 may be arranged to face each other in the axial direction. The gauge mounting unit 30 includes a plurality of connecting rods 37 that connect between the plurality of beam units 31 and connect the first joint coupling unit 20 and the second ferrule coupling unit 40 to each other. Connecting rod 37 serves as a skeleton to provide rigidity to the 1-axis torque sensor 10 by connecting the first joint coupling portion 20 and the second joint coupling portion 30.

빔부(31)는 복수의 연결대(37) 사이의 공간에 형성된다. 빔부(31)는 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔(33,35)이 "V"자형으로 형성될 수 있다. 이때 빔부(31)는 제1 빔(33)과 제2 빔(35)을 포함한다. 제1 빔(31)과 제2 빔(33)이 만나는 부분은 연결대(37) 사이의 공간의 중심 부분이다. 제1 및 제2 빔(33,35)은 좌우 대칭되게 형성되며, 제1 및 제2 빔(33,35)이 만나는 부분은 제1 및 제2 관절 체결부(20,30) 중에 하나에 연결된다. 본 실시예에서는 제1 및 제2 빔(33,35)이 만나는 일단은 제1 관절 체결부(20)의 외주면에 연결되고, 제1 및 제2 빔(33,35)의 타단은 각각 연결대(37)와 제2 관절 체결부(30)의 만나는 지점에 연결된다.The beam part 31 is formed in the space between the plurality of connecting tables 37. The beam part 31 may have a pair of beams 33 and 35 inclined to each other in a “V” shape. In this case, the beam part 31 includes a first beam 33 and a second beam 35. The portion where the first beam 31 and the second beam 33 meet is a central portion of the space between the connecting rods 37. The first and second beams 33 and 35 are symmetrically formed, and a portion where the first and second beams 33 and 35 meet is connected to one of the first and second joint coupling parts 20 and 30. do. In this embodiment, one end where the first and second beams 33 and 35 meet is connected to the outer circumferential surface of the first joint coupling part 20, and the other ends of the first and second beams 33 and 35 are connected to the connecting table ( 37) is connected to the meeting point of the second joint coupling portion 30.

이때 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)는 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 한 쌍의 빔부(31)의 안쪽에 설치된다. 즉 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)는 경사진 한 쌍의 빔(33,35)의 안쪽에 각각 설치된다. 즉 4개의 스트레인 게이지가 구동축 체결구멍(21)을 중심으로 마주보는 두 개의 빔부(31)에 설치되고, 반시계 방향으로 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 순차적으로 설치된다.At this time, the strain gauges (S1, S2, S3, S4) are installed inside the pair of beam portions 31 respectively located on the side facing each other in the axial direction. That is, strain gauges S1, S2, S3, and S4 are provided inside the inclined pair of beams 33 and 35, respectively. That is, four strain gauges are installed in two beam portions 31 facing the drive shaft fastening hole 21, and the first to fourth strain gauges S1, S2, S3, and S4 are sequentially disposed in the counterclockwise direction. Is installed.

이와 같이 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(10)는 구동축이 결합되는 면과 마주보는 쪽이 개방된 관형으로, 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔(33,35)이 연속적으로 형성되고, 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 경사진 한 쌍의 빔(33,35)에 각각 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 설치된 구조를 갖기 때문에, 구동축이 회전하는 X축 방향의 토크(Mx) 이외의 다른 외력에 의한 토크를 구조적으로 상쇄시켜 해당 방향에서 발생되는 토크(Mx)를 정밀하게 측정할 수 있다. 즉 X축 방향에 대한 모멘트 하중이 발생되면, 1축 토크 센서(10)의 게이지 설치부(30)의 빔부(31)가 변형된다. 빔부(31)의 변형량을 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 감지하고, 감지한 변형량에 따른 토크를 측정한다. 이때 X축, Y축 및 Z축의 토크(Mx,My,Mz)는 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)에서 측정된 변형량이 S1, S2, S3 및 S4라고 할 때, (S1-S2+S3-S4) 식으로 산출할 수 있다. 즉 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)를 이용한 보상회로, 예컨대 풀브리지 회로를 이용하여 X축, Y축 및 Z축의 토크(Mx,My,Mz)를 산출한다.As described above, the uniaxial torque sensor 10 according to the present exemplary embodiment has a tubular shape in which a side facing the driving shaft is open, and a pair of beams 33 and 35 inclined opposite to each other are formed continuously on the outer circumferential surface thereof. X-axis direction in which the drive shaft rotates because the strain gauges S1, S2, S3, and S4 are respectively provided in a pair of inclined beams 33 and 35 positioned on the side facing each other with respect to the axial direction. It is possible to precisely measure the torque Mx generated in the corresponding direction by structurally canceling a torque caused by an external force other than the torque Mx. That is, when the moment load in the X-axis direction is generated, the beam part 31 of the gauge mounting part 30 of the uniaxial torque sensor 10 is deformed. The strain gauges S1, S2, S3, S4 detect the amount of deformation of the beam portion 31 and measure the torque according to the detected deformation amount. At this time, when the amounts of deformation measured in the first to fourth strain gauges S1, S2, S3 and S4 are S1, S2, S3 and S4, the torque Mx, (S1-S2 + S3-S4). That is, torques Mx, My, and Mz of the X, Y, and Z axes are calculated using a compensation circuit using the first to fourth strain gauges S1, S2, S3, and S4, for example, a full bridge circuit.

이때 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(10)와 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)를 이용한 보상회로를 사용할 경우, X축 방향의 토크(Mz) 이외의 다른 외력에 의한 토크는 상쇄시킬 수 있다. 즉 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(10)는 X축 방향의 토크(Mx) 외에 다른 외력에 의한 상호간섭오차를 상쇄시킬 수 있다.At this time, when using the compensation circuit using the one-axis torque sensor 10 and the first to fourth strain gauges (S1, S2, S3, S4) according to this embodiment, the external force other than the torque (Mz) in the X-axis direction The torque by can be canceled. That is, the uniaxial torque sensor 10 according to the present exemplary embodiment may cancel the mutual interference error due to other external force in addition to the torque Mx in the X-axis direction.

이와 같이 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(10)가 1축 방향 이외의 다른 방향으로 작용하는 외력에 따른 토크는 상쇄되는 것을 확인하기 위해서, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 1축 토크 센서(10)를 이용하여 로봇 관절(100)에 작용하는 부하에 따른 모의 실험하였으며, 모의 실험 결과는 도 6과 같다. 여기서 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서(10)를 매개로 설치된 로봇 관절(100)을 보여주는 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서(10)를 매개로 설치된 로봇 관절(100)을 보여주는 부분 단면도이다.As described above, in order to confirm that the torque due to the external force acting in the direction other than the one axis direction of the one axis torque sensor 10 according to the present embodiment is canceled, as shown in FIGS. Simulation using the torque sensor 10 according to the load acting on the robot joint 100, the simulation results are shown in FIG. 4 is a view showing the robot joint 100 installed through the one-axis torque sensor 10 according to an embodiment of the present invention. 5 is a partial cross-sectional view showing the robot joint 100 installed through the one-axis torque sensor 10 according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 로봇 관절(100)은 1축 토크 센서(10)를 매개로 연결된 제1 관절(60)과 제2 관절(70)이 연결된 구조를 갖는다. 제1 관절(60)은 일측에 X축 방향으로 회전하는 구동축(63)을 갖는 구동 모터(61)가 설치되어 있다. 구동 모터(61)의 구동축(63)을 포함하는 일부가 1축 토크 센서(10)의 내부 공간(13)으로 삽입되어, 구동 모터(61)의 구동축(63)은 1축 토크 센서(10)의 구동축 체결구멍(21)에 삽입되어 제1 관절 체결부(20)에 체결된다. 그리고 제2 관절(70)은 1축 토크 센서(10)의 제2 관절 체결부(40)의 외주면에 결합된다.1 to 5, the robot joint 100 according to the present exemplary embodiment has a structure in which the first joint 60 and the second joint 70 are connected to each other via the one-axis torque sensor 10. The first joint 60 is provided with a drive motor 61 having a drive shaft 63 rotating in the X-axis direction on one side. A part including the drive shaft 63 of the drive motor 61 is inserted into the internal space 13 of the single-axis torque sensor 10, so that the drive shaft 63 of the drive motor 61 is the single-axis torque sensor 10. Is inserted into the drive shaft fastening hole 21 and fastened to the first joint fastening portion 20. The second joint 70 is coupled to the outer circumferential surface of the second joint fastening portion 40 of the one-axis torque sensor 10.

이때 1축 토크 센서(10)에 작용하는 힘에 따른 변형력을 아래와 같은 모의 실험 조건에서 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)를 통하여 측정하였다. 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)를 이용한 보상회로, 예컨대 풀브리지 회로를 이용하여 X축, Y축 및 Z축의 토크(Mx,My,Mz)를 산출한다.At this time, the deformation force according to the force acting on the uniaxial torque sensor 10 was measured through the first to fourth strain gauges (S1, S2, S3, S4) under the simulation conditions as follows. Torques Mx, My, and Mz of the X, Y, and Z axes are calculated using a compensation circuit using the first to fourth strain gauges S1, S2, S3, and S4, for example, a full bridge circuit.

전술된 바와 같이 1축 토크 센서(10)는 제1 관절(60) 및 제2 관절(70)을 연결한다. 제1 관절(60)에 대해서 제2 관절(70)이 구동 모터(61)의 구동축(63) 방향인 X축 방향으로 회전 중, 외부 물체의 부딪혀 움직이지 못하는 상태라고 가정한다. 이때 1축 토크 센서(10)의 제2 관절 체결부(40)는 제2 관절(70)에 체결되어 외부 물체에 의해 움직이지 않는다고 가정하여 고정 조건을 부여한다. 1축 토크 센서(10)의 제1 관절 체결부(20)는 제1 관절(60)에 설치된 구동 모터(61)의 구동축(63)에 연결되어 모멘트 하중 조건이 부여한다. 그리고 1축 토크 센서(10)의 재질 물성치는 표1과 같다.As described above, the one-axis torque sensor 10 connects the first joint 60 and the second joint 70. It is assumed that the second joint 70 does not collide with an external object while the second joint 70 rotates in the X-axis direction, which is the direction of the drive shaft 63 of the drive motor 61. At this time, the second joint fastening portion 40 of the one-axis torque sensor 10 is fastened to the second joint 70 and assumes that it is not moved by an external object to impart a fixed condition. The first joint coupling part 20 of the one-axis torque sensor 10 is connected to the drive shaft 63 of the drive motor 61 installed in the first joint 60 to impart a moment load condition. And the material properties of the single-axis torque sensor 10 is shown in Table 1.

재질material 7049 alloy7049 alloy 탄성계수(N/mm2)Modulus of elasticity (N / mm 2 ) 7180071800 프와송비Poisson's 0.3360.336 질량밀도(kg/mm2)Mass density (kg / mm 2 ) 2.86e-62.86e-6 극한응력Ultimate stress 인장(N/mm2)Tensile (N / mm 2 ) 482.5482.5 압축(N/mm2)Compression (N / mm 2 ) 403.5403.5

전술된 바와 같은 조건으로 모의 실험을 실행하면, 게이지 설치부(30)의 빔부(31)가 변형되고, 빔부(31)의 변형량을 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 감지하고, 감지한 변형량에 따른 토크를 측정한다.When the simulation is performed under the conditions as described above, the beam portion 31 of the gauge mounting portion 30 is deformed, and the strain gauges S1, S2, S3, and S4 detect the deformation amount of the beam portion 31, and detect it. Measure the torque according to the amount of deformation.

이러한 전술된 바와 같은 조건으로 모의 실험한 결과는 도 6과 같다. 여기서 도 6은 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(10)에 6축 방향으로 발생하는 힘에 따른 4개의 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)에서 측정된 토크 값이다. 이때, "effective strain-elastic 부터 (S1-S2+S3-S4)까지"의 필드값은 소숫점 아래 둘째 자리로 표시하였다.The simulation results under the conditions as described above are shown in FIG. 6. 6 is a torque value measured by four strain gauges S1, S2, S3, and S4 according to the force generated in the six-axis direction in the one-axis torque sensor 10 according to the present embodiment. At this time, the field value of "effective strain-elastic to (S1-S2 + S3-S4)" is represented by the second digit below the decimal point.

도 6을 참조하면, X축에 대한 모멘트 하중 즉 X축 방향의 토크(Mx)에 대해서 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)의 증폭효과를 확인할 수 있다. X축 방향에 대한 집중 하중(Fx)의 경우에도 변형률이 작게 측정되기 때문에, 구동 모터(61)를 포함한 로봇 관절(100)의 제어를 효율적으로 수행할 수 있다. 그리고 X축 방향을 제외한 Y축 및 Z축에 대한 모멘트 하중(My,Mz) 및 집중 하중(Fy,Fz)은 서로 상쇄되어 상호간섭오차가 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, the amplification effect of the strain gauges S1, S2, S3, and S4 may be confirmed with respect to the moment load on the X axis, that is, the torque Mx in the X axis direction. Even in the case of the concentrated load Fx in the X-axis direction, since the strain is measured small, the control of the robot joint 100 including the drive motor 61 can be efficiently performed. In addition, the moment loads (My, Mz) and the concentrated loads (Fy, Fz) on the Y-axis and the Z-axis except for the X-axis direction are canceled with each other, so that the mutual interference error hardly occurs.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments disclosed in the specification and drawings are merely presented specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.

10 : 토크 센서
20 : 제1 관절 체결부
21 : 구동축 체결구멍
30 : 게이지 설치부
31 : 빔부
33 : 제1 빔
35 : 제2 빔
37 : 연결대
40 : 제2 관절 체결부
s1,s2,s3,s4 : 스트레인 게이지
60 : 제1 관절
61 : 구동 모터
63 : 구동축
70 : 제2 관절
100 : 로봇 관절10: torque sensor
20: first joint fastening part
21: drive shaft fastening hole
30: gauge mounting
31: beam part
33: First beam
35: second beam
37: Links
40: second joint fastening part
s1, s2, s3, s4: strain gauge
60: 1st joint
61: drive motor
63: drive shaft
70: 2nd joint
100: robot joint

Claims (8)

제1 관절의 구동축이 결합되는 구동축 체결구멍이 중심에 형성된 원판 형태의 제1 관절 체결부;
상기 제1 관절 체결부의 가장자리 둘레에서 축 방향으로 일정 높이로 형성되어 상기 제1 관절의 구동축 부분을 둘러싸며, 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔을 갖는 빔부가 복수 형성되고, 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 상기 빔부의 경사진 한 쌍의 빔에 각각 스트레인 게이지가 설치되는 게이지 설치부;
상기 게이지 설치부에서 연장되어 형성되며, 외측면에 제2 관절이 체결되는 제2 관절 체결부;
를 포함하고,
상기 게이지 설치부는
상기 복수의 빔부 사이를 연결하고, 상기 제1 관절 체결부와 상기 제2 관철 체결부를 연결하는 연결대를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절용 1축 토크 센서.A first joint fastening portion having a disc shape having a driving shaft fastening hole to which the driving shaft of the first joint is coupled at the center thereof;
A plurality of beam parts are formed at a predetermined height in the axial direction around the edge of the first joint fastening part to surround the drive shaft portion of the first joint and have a pair of beams inclined opposite to each other on an outer circumferential surface thereof, A gauge mounting unit in which strain gauges are respectively installed on a pair of inclined beams respectively positioned on opposite sides of the beam unit;
A second joint fastening part extending from the gauge mounting part and having a second joint fastened to an outer surface thereof;
Lt; / RTI >
The gauge mounting portion
And a connecting rod connecting the plurality of beam parts and connecting the first joint fastening part and the second conduit fastening part. 제1항에 있어서, 상기 게이지 설치부는
상기 복수의 빔부가 짝수 개이며, 축 방향에 대해서 방사형으로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절용 1축 토크 센서.The method of claim 1, wherein the gauge mounting portion
The uniaxial torque sensor for a robotic joint, characterized in that the plurality of beam units are even and are arranged radially in the axial direction. 삭제delete 제2항에 있어서, 상기 빔부는
서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔이 "V"자형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절용 1축 토크 센서.The method of claim 2, wherein the beam portion
1-axis torque sensor for a robotic joint, characterized in that a pair of inclined beams are formed in a "V" shape. 제4항에 있어서,
상기 스트레인 게이지는 상기 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 상기 한 쌍의 경사진 빔의 안쪽에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절용 1축 토크 센서.5. The method of claim 4,
The strain gauge is a one-axis torque sensor for the robot joint, characterized in that each installed on the inside of the pair of inclined beams respectively located on the side facing each other in the axial direction. 제4항에 있어서, 상기 빔부는
서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔이 좌우 대칭되게 형성되며, 상기 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔이 만나는 부분은 제1 및 제2 관절 체결부 중에 하나에 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절용 1축 토크 센서.The method of claim 4, wherein the beam portion
A pair of beams inclined opposite to each other is formed symmetrically, wherein the portion where the pair of oppositely inclined beams meet is connected to one of the first and second joint fastening portion 1 axis for robot joints Torque sensor. 구동축이 결합되는 면과 마주보는 쪽이 개방된 관형으로, 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔이 연속적으로 형성되고, 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 상기 경사진 한 쌍의 빔에 각각 스트레인 게이지가 설치되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절용 1축 토크 센서.The tubular surface is open to the opposite side to the drive shaft is coupled to the outer circumferential surface, a pair of inclined beams are formed successively, the pair of inclined beams respectively located on the side facing each other in the axial direction Single axis torque sensor for the robot joint, characterized in that each strain gauge is installed. 제7항에 있어서,
상기 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔은 "V"자형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절용 1축 토크 센서.The method of claim 7, wherein
The pair of beams inclined opposite to each other is a one-axis torque sensor for a robot joint, characterized in that formed in the "V" shape.
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