KR101470160B1 - 평판형 힘/토크 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형화가 가능한 평판형 힘/토크 센서를 개시한다. 본 발명에 따른 힘/토크 센서는 N개(N은 자연수)의 제1 전극을 포함하는 제1 기판, 상기 제1 전극과 마주하는 N개의 제2 전극을 포함하는 제2 기판 및 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하는 유전체를 포함하여 이루어지고, 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 및 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 유전체가 N개의 센서셀을 이루며, 각 센서셀에서 측정된 커패시턴스에 의해 센서에 가해지는 힘을 측정함으로써, 센서에 가해지는 힘/토크의 크기와 방향을 확인할 수 있다.

Description

평판형 힘/토크 센서{PLATE TYPE FORCE/TORQUE SENSOR}

본 발명은 평판형 힘/토크 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 전하량 측정방법을 이용하여 제작비용과 설치공간을 줄이는 평판형 힘/토크 센서에 관한 것이다.

기술의 발전에 따라 로봇은 점점 인간과 유사한 구조를 가지고 인간의 동작을 모방할 수 있게 되었다. 상기와 같은 로봇을 만드는데 있어서 가장 중요한 것 중 하나는 상황에 따라 로봇에 정확한 힘을 배분하여 원하는 동작을 실행하는 것이다.

로봇에 정확한 힘을 배분하기 위해서는 로봇의 프레임 간에 가해지는 힘/토크를 정밀하게 측정되어야 한다. 따라서, 상기 힘/토크를 측정할 수 있는 다양한 장치가 제안되어 왔다.

도 1은 기존의 저항 방식 힘/토크 센서를 도시한 것이다.

도면에 도시한 것과 같이 저항 방식 힘/토크 센서는 3차원의 구조물을 만들고 그 구조물에 여러 개의 스트레인 게이지(Strain Gage)를 부착한 형태로 구성된다. 상기와 같은 저항 방식 힘/토크 센서의 구조물에 외력이 가해지면 스트레인 게이지의 길이가 변하고, 그에 비례하여 바뀌는 저항값을 측정하여 이를 힘/토크 값으로 계산한다.

또한, 상기와 같은 저항 방식 힘/토크 센서 외에, 스프링 방식 힘/토크 센서도 제안되어 왔다. 스프링 방식의 힘/토크 센서는 스프링을 가진 구조물을 형성하고, 상기 구조물에 외력이 가해졌을 때 변화하는 스프링의 변위량을 측정하여 이를 힘/토크로 환산하는 장치이다.

이와 같은 기존의 센서들은 복잡한 3차원 형태의 구조물을 필요로 하기 때문에 센서를 작고 얇게 만들기 어려워, 공간상의 제약을 가진 부분에 적용하기 어려운 문제점이 있었다.

또한, 구조물의 가공, 게이지의 부착 및 측정치의 교정에 고도의 기술을 요하므로 센서의 가격이 비싸지는 문제점이 생겼고, 상기와 같은 문제점에 의하여 상용화가 어려웠다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 작고 얇은 힘/토크 센서를 제공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 구조가 간단하고 가격이 비싸지 않은 힘/토크 센서를 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명에 따른 평판형 힘/토크 센서는 N개(N은 자연수)의 제1 전극을 포함하는 제1 기판, 상기 제1 전극과 마주하는 N개의 제2 전극을 포함하는 제2 기판 및 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하는 유전체를 포함하여 이루어지고, 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 및 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 유전체가 N개의 센서셀을 이루며, 각 센서셀에서 측정된 커패시턴스에 의해 센서에 가해지는 힘을 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서셀은 수직 방향 힘을 측정하는 수직항력 센서셀 또는 수평 방향 힘을 측정하는 전단력 센서셀인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 N개의 센서셀 중 1/2은 상기 수직항력 센서셀이고, 나머지 1/2은 상기 전단력 센서셀인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서는 원형판 형태이며, 상기 센서의 외주면에 상기 수직항력 센서셀과 상기 전단력 센서셀이 교번하여 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 N개의 센서셀은 3개의 수직항력 센서셀과 3개의 전단력 센서셀로 구성되고 상기 센서의 중심을 기준으로 60°간격으로 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 PCB기판이며, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 PCB 기판에 직접 형성된 전극 패턴인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수직항력 센서셀은 상기 수직항력 센서셀을 이루는 제1 전극이 제2 전극 보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수직항력 센서셀은 상기 센서에 전단력이 가해지더라도 상기 수직항력 센서셀을 이루는 제1 전극이 제2 전극의 범위를 벗어나지 않는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수직항력 센서셀을 이루는 제1 전극과 제2 전극의 너비 1 : 2인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유전체의 두께와 상기 수직항력 센서셀을 이루는 제1 전극의 너비의 비는 1 : 8인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전단력 센서셀은 상기 전단력 센서셀을 이루는 제1 전극과 제2 전극이 수평 방향에 있어서 서로 전극 편차를 두고 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전단력 센서셀을 이루는 제1 전극과 제2 전극은 일정한 간격을 두고 배치된 두 개 이상의 바(bar) 형태로 형성되며, 상기 간격은 상기 바의 너비보다 큰 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극 편차와 상기 바의 비는 9 : 10인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유전체의 두께와 상기 바의 너비의 비는 1 : 3인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수직항력 센서셀 및 전단력 센서셀에 의해 측정된 커패시턴스를 이용하여 센서에 가해진 수직항력 및 전단력을 구하는 계산부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 전하량 측정 방식을 이용하여 힘 및 토크 측정센서를 형성함으로써, 작고 얇은 힘/토크 센서가 제공된다.

또한, 유전체에 전극을 적층되어 형성된 구조로, 구조가 간단하고 가격이 비싸지 않은 힘/토크 센서가 제공된다.

도 1은 기존의 저항 방식 힘/토크 센서이다.
도 2는 본 발명에 따른 평판형 힘/토크 센서의 측정 원리를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 힘/토크 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 힘/토크 센서의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 힘/토크 센서의 정면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 수직항력 센서셀이다.
도 7은 전단력이 수직항력 센서셀에 미치는 감도를 시뮬레이션 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 전단력 센서셀이다.
도 9는 전단력 센서셀을 시뮬레이션 한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 평판형 힘/토크 센서이다.
도 11은 평판형 힘/토크 센서의 각 센서셀에 가해진 힘에 따라 변화하는 커패시턴스를 측정한 결과를 그래프이다.

본 발명은 평판형 힘/토크 센서로써, 기존 힘/토크 센서의 구조에서 발생하였던 두꺼운 크기, 고 비용 등의 문제점을 해결하는 것을 특징으로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 평판형 힘/토크 센서에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 평판형 힘/토크 센서의 측정 원리를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 힘/토크를 측정하기 위한 센서셀(Sencer Cell)은 유전체(D), 제1 전극(E1) 및 제2 전극(E2)으로 구성된다.

상기 유전체(D)는 외력에 의해 형태가 변하더라도 외력이 해제되면 다시 원상태로 복구되는 탄성을 가진 유전체이고, 제1 전극(E1) 및 제2 전극(E2)은 상기 유전체(D)를 사이에 두고 마주하여 상, 하면에 실장 된 전극이다. 따라서, 상기 유전체가 외력에 의해 형태가 변할 경우 유전체의 상, 하면에 실장 된 전극 간의 거리와 대향되는 면적이 변하며, 외력이 강해질수록 상기 거리와 면적의 변화도 더 커지게 된다.

상기와 같이 구성된 센서셀의 각 전극에 전압을 걸면 전극에 전하가 쌓이며, 이 전하의 양을 전압으로 나눈 것이 커패시턴스(Capacitance)이다. 이때, 상기 커패시턴스 값을 구하기 위한 수학식은 아래와 같다.

여기서, C는 커패시턴스, d는 전극 간의 거리, ε는 유전체의 유전율, A는 전극 간 대향 면적이다. 상기 수학식 1과 같이 커패시턴스의 값은 전극 간의 거리와 전극의 면적에 따라 변하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 센서셀에 외력이 가해졌을 때 제1 전극(E1) 과 제2 전극(E2) 간의 거리 변화에 따른 커패시턴스 값의 변화를 측정함으로써, 상기 커패 시턴스 값에 따라 센서셀에 가해지는 외력을 도출하는 것을 특징으로 한다.

도 2의 (a)는 센서셀에 수직항력(NF : Normal Force)이 가해졌을 때를 도시한 것이다.

도 2의 (a)에 도시한 것과 같이 센서셀에 수직항력(NF)이 가해지면 유전체(D)가 압착되면서 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2) 사이의 거리가 줄어들게 된다. 그에 따라 센서셀의 커패시턴스 값은 증가하게 되고, 이러한 커패시턴스 변화량을 이용하여 센서셀에 가해진 수직항력을 도출한다.

도 2의 (b)는 센서셀에 전단력(SF :Shear Force)이 가해졌을 때를 도시한 것이다.

도 2의 (b)에 도시한 것과 같이 센서셀에 전단력(SF)이 가해지면 유전체(D)는 비틀림이 발생하면서 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2) 간의 대향 면적은 줄어들게 된다. 그에 따라 센서셀의 커패시턴스 값도 줄어들게 되고, 이러한 커패시턴스 변화량을 이용하여 센서셀에 가해진 전단력을 도출한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 평판형 힘/토크 센서의 사시도, 도 4는 분해사시도, 도 5는 정면도이다.

도 4에 도시한 분해사시도를 바탕으로 본 발명에 따른 평판형 힘/토크 센서를 더욱 자세히 설명하면, 평판형 힘/토크 센서는 N개(N은 자연수)의 제1 전극(E1)을 포함하는 제1 기판(100)과, 상기 제1 전극과 마주하는 N개의 제2 전극(E2)을 포함하는 제2 기판(200) 및 상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하는 유전체(D)를 포함하여 이루어져 있다.

또한, 상기 제1 기판(100) 및 제2 기판(200)은 PCB기판으로 이루어지며, 상기 제1 전극(E1) 및 제2 전극(E2)은 유전체와 맞닿는 PCB 기판의 면 쪽에 형성되어, 도 3에 도시한 것과 같이 유전체와 각 기판을 결합하였을 때 전극이 유전체와 밀착되도록 한다.

그리고, 서로 마주하는 제1 전극(E1)과 제2 전극(E2), 및 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치한 유전체(D)가 N개의 센서셀(Sencer Cell)을 이루게 된다.

상기와 같이 형성된 센서셀은 도 5에 도시한 것과 같이 수직 방향의 힘을 측정하는 수직항력 센서셀(NFSC : Normal Force Sencer Cell)과 수평 방향의 힘을 측정하는 전단력 센서셀(SFSC : Shear Force Sencer Cell)로 나누어진다.

그리고, 상기 수직항력 센서셀(NFSC)과 전단력 센서셀(SFSC)은 N개의 센서셀에서 각각 절반씩 형성되고, 원형판 형태의 유전체(D) 및 기판(100,200)의 외주면에 각각의 센서셀이 교번하여 위치한다.

본 발명에 따른 일반적인 센서셀의 형태는 도 5에 도시한 것과 같이 3개의 수직항력 센서셀(NFSC)과 3개의 전단력 센서셀(SFSC)이 센서의 중심을 기준으로 60°간격으로 교번하여 각각의 기판(100, 200)에 배치되었지만, 더 효율적인 센서셀의 형태가 있을 경우 변경하여도 무방하다.

도 6은 본 발명에 따른 수직항력 센서셀(NFSC)을 도시한 것이다.

도 6의 (a)는 수직항력 센서셀의 사시도로써, 도면에 도시한 것과 같이 수직항력 센서셀은 제1 전극(NE1)이 제2 전극(NE2)보다 작은 것을 특징으로 한다. 수직항력 센서셀이 수직항력을 측정하는데 있어서 가장 큰 문제점 중 하나는 수직항력과 함께 가해지는 전단력을 분리하여 측정하는 것인데, 본 발명에서는 제1 전극을 제2 전극보다 작게 형성하여 이를 해결한다.

상기 수직항력 센서셀의 단면을 도시한 도 4의 (b)와, 상기 수직항력 센서셀에 전단력(SF)을 가하였을 때의 단면을 도시한 도 4의 (c)를 바탕으로 더욱 자세히 설명하면 아래와 같다.

도 4의 (b)와 같은 수직항력 센서셀에 있어서, 도 4의 (c)와 같이 수직항력 센서셀에 전단력(SF)이 발생하여 제1 전극(NE1)이 편차(O) 만큼 수평이동 하더라도 크기가 작은 제1 전극(NE1)은 제2 전극(NE2)의 수직 범위를 벗어나지 않음으로써, 대향 면적의 변화가 없어 수직항력 센서셀에서 커패시턴스의 변화는 크지 않다. 즉, 전단력이 수직항력 센서셀의 커패시턴스에 미치는 영향이 적어진다.

이때, 제2 전극의 폭(NE2w) 보다 제1 전극의 폭(NE1w)이 작아질수록 전단력(SF)이 수직항력 센서셀의 커패시턴스에 미치는 영향이 줄어든다. 하지만, 제1 전극의 폭(NE1w)이 작아질수록 수직항력 센서셀의 커패시턴스 값이 낮아지고, 그에 따라 수직항력에 따른 커패시턴스 값의 변화 범위도 줄어들면서, 정밀하게 수직항력을 측정하는데 어려움이 발생한다. 또한, 제2 전극의 폭(NE2w)이 클수록 수직항력 센서셀의 면적이 커져 장치의 소형화에 어려움이 발생하였다.

따라서, 전단력의 영향을 적게 받으면서 수직항력에 대한 측정감도가 좋도록 하는 수직항력 센서셀(NFSC)을 제작하기 위하여, 수직항력 센서셀의 제1 전극(NE1), 제2 전극(NE2) 및 유전체의 두께(Dt) 비율을 달리해서 시뮬레이션을 실시하였다.

시뮬레이션에 사용되는 변수인 S 및 T는 아래의 수학식 2, 3과 같다.

여기서, NE1w은 제1 전극의 폭, NE2w는 제2 전극의 폭이다.

여기서, NE1은 제1 전극의 폭, Dt는 유전체의 두께이다.

그리고, 전단력이 수직항력 센서셀에 미치는 영향 즉, 감도(Sensitivity)는 아래의 수학식 4과 같다.

여기서, C_max는 수직항력 센서셀에 전단력이 가해졌을 때 변화하는 커패시턴스의 최대값, C_min는 수직항력 센서셀에 전단력이 가해졌을 때 변화하는 커패시턴스의 최소값, C_init는 수직항력 센서셀에 전단력이 가해지기 전 커패시턴스의 값이다. 상기 감도가 낮을수록 수직항력 센서셀이 전단력의 영향을 적게 받는 것이므로 좋은 결과 값이라고 할 수 있다.

도 7은 상기와 같은 변수를 이용하여 전단력이 수직항력 센서셀에 미치는 감도를 시뮬레이션 한 결과를 그래프로 도시한 것이다.

상기 그래프에서 x축인 전단 변형률(Shear strain)은 도 6의 (c)에 도시한 것과 같이 수직항력 센서셀에 전단력이 가해짐에 따라 제1 전극과 제2 전극 간에 변형이 일어난 각도이고, y축은 수직항력 센서셀의 커패시턴스 값이다.

도 7에 도시한 것과 같이 수직항력 센서셀의 전단 변형률이 0rad 에서 0.3rad 만큼 발생하였을 때 커패시턴스 값의 변화를 측정하여 상기 감도(Sensitivity)를 구한 결과, T 값이 작아지고 S 값이 커질수록 전단력이 수직항력 센서셀에 미치는 감도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다.

도 7의 시뮬레이션 결과 중, 도 7의 (c) 그래프에서 T 값이 1/8, S 값이 2일 때의 감도 값이 0.023%로 나왔는데, 이는 전단력이 수직항력 센서셀에 미치는 영향이 없다고 가정할 수 있을 정도의 낮은 값으로, 수직항력 센서셀은 상기 T, S 값의 비율에 맞도록 형성되는 것이 바람직하다.

물론, 상기 감도를 더 줄이기 위하여 상기 시뮬레이션 보다 T 값을 줄이고 S 값을 크게 할 수도 있지만, 감도의 감소 폭이 점점 작아지며 수직항력의 측정 정밀도가 낮아지므로 바람직하지 않다.

도 8은 본 발명에 따른 전단력 센서셀(SFSC)을 도시한 것이다.

도 8의 (a)에 도시한 전단력 센서셀의 사시도와 같이, 전단력 센서셀이 전단력을 측정하는데 있어서 가장 큰 문제점 중 하나는, 전단력의 크기뿐만 아니라 방향도 측정되어야 한다는 것이다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 도 8의 (b)에 도시한 것과 같이 전단력 센서셀은 동일한 폭(SEw)의 제1 전극(SE1)과 제2 전극(SE2)이 수평방향으로 전극 편차(EO : Electrode Offset)를 두고 형성된 것을 특징으로 한다.

따라서, 도 8의 (c)와 같이 전단력 센서셀에 SFa 방향으로 전단력이 가해질 경우, 제1 전극(SE1)과 제2 전극(SE2) 간의 대향 면적이 줄어들게 됨으로써, 전단력 센서셀의 커패시턴스는 점점 작아진다.

그리고, 도 8의 (d)와 같이 전단력 센서셀에 SFb 방향으로 전단력이 가해질 경우, 제1 전극(SE1)과 제2 전극(SE2) 간의 대향 면적이 커짐으로써 전단력 센서셀의 커패시턴스도 점점 커진다.

상기와 같이 전단력 방향에 따른 커패시턴스 값의 변화를 이용하여 전단력의 크기 뿐만 아니라 방향을 측정할 수 있게 된다.

만약, 전단력 센서셀(SFSC)의 제1 전극(SE1)과 제2 전극(SE2)이 대칭되게 즉, 상기 전극 편차(E0)가 O이 되도록 형성될 경우, 전단력 센서셀에 전단력이 가해졌을 때 상기 두 전극은 전단력 방향과 관계없이 수평 방향으로 편차(O)가 커지면서 대향 면적이 줄어들게 되고 커패시턴스도 점점 줄어든다. 따라서, 전단력의 크기는 구할 수 있지만 방향은 알 수 없게 되는 문제가 발생한다.

상기 전극 편차를 가진 전단력 센서셀은 전단력 측정 감도를 높이기 위하여 여러 가지를 고려해야 한다.

먼저, 전극의 폭(SEw)과 상기 전극 편차(EO)의 비를 고려해야 한다. 상기 전극의 폭이 상기 전극 편차보다 너무 크거나 작을 경우 전단력의 방향을 측정하는데 문제가 발생할 수 있다.

또한, 전극의 폭(SEw)과 유전체의 두께(Dt)의 비도 고려해야 한다. 상기 유전체의 두께가 전극의 폭 보다 너무 클 경우 전단력의 방향을 측정하는데 문제가 발생할 수 있으며, 유전체의 두께가 전극의 폭보다 너무 작을 경우 편차(O)가 너무 적어 전단력의 변화를 정밀하게 측정하기 어려워진다.

따라서, 전단력에 대한 측정 감도가 좋은 전단력 센서셀을 만들기 위하여, 전단력 센서셀의 전극 및 유전체의 크기와 전극 편차의 비율을 달리해서 시뮬레이션을 실시하였다.

시뮬레이션에 사용되는 변수인 O 및 T는 아래의 수학식 5, 6과 같다.

여기서, EO는 전극 편차이고, SEw은 전극의 폭이다.

여기서, Dt는 유전체의 두께, SEw은 전극의 폭이다.

그리고, 전단력을 측정하는 전단력 센서셀의 감도(Sensitivity)는 아래의 수학식 7과 같다.

여기서, C_max는 전단력 센서셀에 전단력이 가해졌을 때 변화하는 커패시턴스의 최대값, C_min는 전단력 센서셀에 전단력이 가해졌을 때 변화하는 커패시턴스의 최소값, C_init는 전단력 센서셀에 전단력이 가해지기 전 커패시턴스의 값이다. 상기 감도가 높을수록 전단력에 대한 측정감도가 좋다는 의미이므로, 좋은 결과 값이라고 할 수 있다.

도 9는 상기와 같은 변수를 이용하여 전단력 센서셀을 시뮬레이션 한 결과를 그래프로 도시한 것이다.

도 9의 (a)에 도시한 것과 같이, 변수 O 및 T 값을 사용하여 측정한 커패시턴스 값을 바탕으로, 각 변수에 따른 전단력 센서셀의 감도를 계산할 결과 도 9의 (b)와 같은 그래프가 도출되었다.

도 9의 (b)에 도시된 것과 같이 변수 T 값이 1/3이고, O 값이 0.9일 때 전단력 센서셀의 감도는 14%로 가장 높다는 계산 결과가 도출되었고, 따라서 상기와 같은 변수의 값을 만족하는 전극 편차(EO), 전극의 폭(SEw) 및 유전체의 두께(Dt)를 만족하는 전단력 센서셀을 형성하는 것이 바람직하다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 평판형 힘/토크 센서를 도시한 것이다.

도 10의 (a)는 다른 실시예에 따른 평판형 힘/토크 센서의 평면도로써, 일 실시예에 따른 평판형 힘/토크 센서를 도시한 도 3과 비교하였을 때, 전단력 센서셀(SFSC)의 제1 전극(SE3)과 제2 전극(SE4)의 형태가 다른 것을 특징으로 한다.

상기 전단력 센서셀들의 단면을 도시한 도 10의 (b)를 바탕으로 더욱 자세히 설명하면, 상기 전단력 센서셀의 전극(SE3, SE4)은 일정한 간격을 두고 배치된 두 개 이상의 바(bar) 형태로 동일하게 형성되며, 상기 간격은 상기 바의 너비보다 큰 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 다른 실시예에 따른 전단력 센서셀의 형태는 본 발명의 일실시예에 따른 전단력 센서셀과 비교하였을 때, 동일한 비틀림에도 더 큰 커패시턴스 변화가 발생하는 효과가 있다.

그리고, 이러한 평판형 힘/토크 센서는 측정된 커패시턴스 값을 이용하여 외부에서 가해지는 힘을 도출하는 계산부를 더 포함하며, 상기 계산부에서 외력의 값을 구하는 방법과 그에 따른 수학식을 도 10에 도시된 평판형 힘/토크 센서를 이용하여 설명하면 아래와 같다.

상기 수학식 8은 평판형 힘/토크 센서에서 측정된 값을 이용하여 힘의 크기와 방향을 구하기 위한 매트릭스로, r은 평판형 힘/토크 센서의 반지름이다.

우측의 NFSC1 ~ SFSC3은 도 10에 도시한 수직항력 센서셀(NFSC)과 전단력 센서셀(SFSC)에서 측정된 외력의 값이고, 좌측의 Fx ~ Mx는 매트릭스에 의해 구해진 6축 힘/토크의 값이다.

그리고 상기 매트릭스에 따라 Fx 값이 도출되는 과정을 예를 들어 설명하면, 평판형 힘/토크 센서에 가해지는 힘의 방향(direction of force)이 x축 방향일 경우, 전단력 센서셀인 SFSC1에서 측정된 전단력은 100% x축 방향 성분이다. 그리고, SFSC2에서 측정된 전단력 중에서 x축 방향 성분은 SFSC2/Sin30이다. 또한 SFSC3셀에서 측정된 전단력 중 x축 방향 성분은 SFSC3/Sin30이다.

이는 상기 수학식 8의 매트릭스에서 1행의 5, 6열 성분의 분모가 Sin30이 나오는 것을 설명한다. 1행 4열과 5, 6열의 부호가 반대인 것은 힘이 x축 방향으로 작용할 때, 전단력 센서셀의 전극 편차에 의해 SFSC1은 커패시턴스가 감소하지만 SFSC2, SFSC3은 증가하기 때문이다. 그리고 1행 4, 5, 6열을 공통적으로 3으로 나눈 이유는 각 전단력 센서셀(SFSC1, SFSC2, SFSC3)에서 측정된 x 방향 힘 성분의 평균치를 Fx로 본 것이기 때문이다. 또한, 수직항력 센서셀(NFSC1, NFSC2, NFSC3)에서 측정된 값의 경우 전단력 값인 Fx에 영향을 미치지 않으므로, 1행 1, 2, 3열 값은 0으로 한다.

상기 Fx 외에, 나머지 힘(Fy, Fz)과 토크(Mx, My, Mz)도 위와 같은 방식으로 각 센서셀에서 측정된 값에서 대응되는 성분의 양을 구한 후 이를 합하고 평균치를 구하는 방식으로 상기 매트릭스를 이용하여 얻을 수 있다.

그리고, 상기 매트릭스와 평판형 힘/토크 센서를 이용하여 외부에서 가해진 미지의 외력을 측정하기 위한 방법을 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

힘 측정을 위하여 사용된 평판형 힘/토크 센서의 반지름(r)은 0.0017m, 유전체(D)의 두께는 0.0001m 이며, 상기 평판형 힘/토크 센서의 각 센서셀에 가해진 힘에 따라 변화하는 커패시턴스를 측정한 결과 도 11과 같은 그래프가 나왔다.

도 11의 (a)는 각 수직항력 센서셀(NFSC)에 가해진 수직항력에 따른 커패시턴스의 변화를 그래프로 도시한 것이고, 도 11의 (b)는 전단력 센서셀(SFSC)에 가해진 전단력에 따른 커패시턴스의 변화를 그래프로 도시한 것이다.

상기 그래프를 기준으로 하여, 각 센서셀의 커패시턴스 값을 측정할 경우, 센서셀마다 가해진 힘을 도출할 수 있게 된다.

그리고, 상기 평판형 힘/토크 센서에 미지의 외력을 가하였을 때, 각 셀의 커페시턴스 값은 아래 수학식 9와 같이 측정되었다.

여기서, Cn1, Cn2, Cn3은 각각 수직항력 센서셀인 NFSC1, NFSC2, NFSC3에서 측정된 커패시턴스 값이고, Cs1, Cs2, Cs3은 각각 전단력 센서셀인 SFSC1, SFSC2, SFSC3에서 측정된 커패시턴스 값이다.

상기 측정된 커패시턴스 값을 도 11의 그래프에 대입하여 각 센서셀에 가해진 힘을 구하면 아래의 수학식 10과 같다.

그리고, 각 센서셀에 가해진 힘의 값을 이용하여 미지의 외력을 구하기 위해, 수학식 10의 값을 수학식 8에 대입하면 아래의 수학식 11과 같다.

상기 수학식 11에서 메트릭스를 이용해 구해진 (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) 값은 (51.3N, 53.1N, -1.5N, 0.006Nm, -0.029Nm, -0.011Nm)로 나왔는데, 이는 평판형 힘/토크 센서에 실제로 가해진 미지의 외력(50N, 50N, 0, 0, 0, 0)과 유사한 결과 값이 나오는 것으로 확인되었다.

지금까지 본 발명에 따른 평판형 힘/토크 센서를 첨부된 도면을 참조로 구체적인 실시예로 한정되게 설명하였으나 이는 하나의 실시예일 뿐이며, 첨부된 특허청구범위에서 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

100 : 제1 기판 200 : 제2 기판
D : 유전체 E1 : 제1 전극
E2 : 제2 전극 EO : 전극 편차
NFSC : 수직항력 센서셀 NE1 : 수직항력 센서셀의 제1 전극
NE2 : 수직항력 센서셀의 제2 전극 SFSC : 전단력 센서셀
SE1 : 전단력 센서셀의 제1 전극 SE2 : 전단력 센서셀의 제2 전극
O : 편차

Claims (15)

1. N개(N은 자연수)의 제1 전극을 포함하는 제1 기판;
   상기 제1 전극과 마주하는 N개의 제2 전극을 포함하는 제2 기판; 및
   상기 제1 기판과 제2 기판 사이에 위치하는 유전체;
   를 포함하여 이루어지고,
   서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 및 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하는 유전체가 N개의 센서셀을 이루며, 상기 센서셀은 제1 전극과 제2 전극이 수평 방향에 있어서 서로 전극 편차를 두고 형성되고 측정된 커패시턴스에 의해 수평 방향 힘을 측정하는 전단력 센서셀을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 센서셀은 측정된 커패시턴스에 의해 센서에 가해지는 수직 방향 힘을 측정하는 수직항력 센서셀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 N개의 센서셀 중 1/2은 상기 수직항력 센서셀이고, 나머지 1/2은 상기 전단력 센서셀인 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 센서는 원형판 형태이며, 상기 센서의 외주면에 상기 수직항력 센서셀과 상기 전단력 센서셀이 교번하여 위치하는 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 N개의 센서셀은 3개의 수직항력 센서셀과 3개의 전단력 센서셀로 구성되고 상기 센서의 중심을 기준으로 60°간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 기판 및 제2 기판은 PCB기판이며, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 PCB 기판에 직접 형성된 전극 패턴인 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
   
7. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 수직항력 센서셀은 상기 수직항력 센서셀을 이루는 제1 전극이 제2 전극 보다 작은 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 수직항력 센서셀은 상기 센서에 전단력이 가해지더라도 상기 수직항력 센서셀을 이루는 제1 전극이 제2 전극의 범위를 벗어나지 않는 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 수직항력 센서셀을 이루는 제1 전극과 제2 전극의 너비 1 : 2인 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 유전체의 두께와 상기 수직항력 센서셀을 이루는 제1 전극의 너비의 비는 1 : 8인 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
    
    
11. 삭제
12. 제1항에 있어서,
    상기 전단력 센서셀을 이루는 제1 전극과 제2 전극은 일정한 간격을 두고 배치된 두 개 이상의 바(bar) 형태로 형성되며, 상기 간격은 상기 바의 너비보다 큰 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 전극 편차와 상기 바의 비는 9 : 10인 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
    
14. 제12항에 있어서,
    상기 유전체의 두께와 상기 바의 너비의 비는 1 : 3인 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
    
15. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직항력 센서셀 및 전단력 센서셀에 의해 측정된 커패시턴스를 이용하여 센서에 가해진 수직항력 및 전단력을 구하는 계산부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 힘/토크 센서.
    
    

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