KR101591252B1

KR101591252B1 - 역각 센서

Info

Publication number: KR101591252B1
Application number: KR1020157030082A
Authority: KR
Inventors: 마사미치 우에노
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2016-02-04
Also published as: KR20150123341A; US20140041461A1; WO2012153643A1; KR20140018378A; EP2707684B1; EP2707684A1; US9200969B2; JP2012237570A; JP5836633B2

Abstract

축간의 상호간섭에 의한 검출 오차를 작게 하고, 대상으로 하는 힘 및 모멘트를 고정밀도로 검출할 수 있는 역각 센서를 제공한다. 역각 센서는, 대좌부재에 대향하도록 배치되어, 가해진 외력에 의해 변위되는 작용부재와, 상기 대좌부재에 배치된 자속발생원과 상기 작용부재에 배치된 자전변환소자를 포함하고, 상기 작용부재의 변위를 검출하는 변위검출부를 구비한다. 역각 센서는, 상기 대좌부재에 대향하도록 배치된 강성부재를 구비한다. 역각 센서는, 상기 대좌부재에 수직한 방향으로 연장되고, 축을 중심으로 동일한 간격을 두고서 배치되고, 상기 대좌부재와 상기 강성부재를 연결하는 주상 탄성부재를 구비한다. 역각 센서는, 상기 축을 중심으로 동일한 간격을 두고서 배치되고, 상기 작용부재와 상기 강성부재를 연결하는 탄성부들을 구비한다. 상기 각 탄성부는, 상기 대좌부재에 대하여 수평방향으로 연장되는 한 쌍의 빔 형상 탄성부재를 구비하고, 상기 한 쌍의 빔 형상 탄성부재는 2개의 판스프링으로 이루어진다.

Description

역각 센서{FORCE SENSOR}

본 발명은, 서로 직교하는 X축, Y축, Z축에 의해 정해진 3차원 좌표공간에 있어서의 각 축의 병진 방향의 힘Fx, Fy, Fz 및 각 축의 회전 방향의 모멘트Mx, My, Mz를 검출하는 6축의 역각 센서에 관한 것이다.

6축의 역각 센서는, 예를 들면 부품을 조립하는 조립 로보트에 사용된다. 6축의 역각 센서는, 로보트 암의 손목에 취부되고, 조립작업시에 생성된 힘과 모멘트 성분을 검출하고, 핸드부의 자세제어를 행하기 위해 사용된다. 이 역각 센서는, 예를 들면 로보트 암에 고정되는 대좌부재와, 예를 들면 핸드부에 고정되어, 대좌부재에 대하여 외력에 따라 변위되는 작용부재를 구비하고 있다. 대좌부재와 작용부재는 탄성체로 연결되어 있다.

작용부재에 가해진 멘트는, 작용부재의 변위로서 변위검출부에 의해 검출된다. 이 종류의 변위검출부는, 작용부재에 인가된 힘에 의해 탄성체에 생긴 왜곡에 의한 왜곡 게이지의 저항변화로부터 작용부재의 변위를 검출하는 것을 구비한다(특허문헌1 참조). 또한, 자속발생원 및 자전변환소자로 이루어진 자기식의 변위검출부도 제안되어 있다(특허문헌2 참조). 이 자기식의 변위검출부를 사용함으로써 왜곡 게이지를 사용했을 경우보다도 내구성이 향상한다. 따라서, 자기식 역각 센서의 조립 로봇에의 적용으로, 신뢰성이 향상한다.

일본국 공개특허공보 특개평1-262431호 일본국 공개특허공보 특개2009-75083호

최근, 조립 로보트에 있어서는, 정밀작업이 요구되고 있다. 따라서, 역각 센서에 의한 힘 및 모멘트의 검출 정밀도가 더욱 향상이 요구되고 있다. 그러나, 역각 센서는, (예를 들면, X축방향으로 외력을 작용부재에 가했을 경우에, 모멘트 성분My도 동시에 생성되는 현상), 자기식 역각 센서에서 특히 눈에 띄는 타축 간섭의 문제가 있다. 따라서, 힘 및 모멘트의 검출 정밀도를 향상시키기 위해서는, 타축 간섭에 의한 검출 오차를 최소화할 필요가 있다.

상기 상황하에서, 본 발명의 목적은, 축간의 상호 간섭에 의한 검출 오차를 작게 해, 대상으로 하는 힘 및 모멘트를 고정밀도로 검출할 수 있는 역각 센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 역각 센서는, 평판형의 대좌부재; 상기 대좌부재에 대향하도록 배치되어, 가해진 외력에 의해 상기 대좌부재에 대하여 변위되는 작용부재; 상기 대좌부재에 배치된 자속발생원과 상기 작용부재에 배치된 자전변환소자를 포함하고, 상기 대좌부재에 대한 상기 작용부재의 변위를 검출하는 변위검출부; 상기 대좌부재에 대향하도록 배치된 강성부재; 상기 대좌부재의 평판부에 수직한 축을 중심으로 간격을 두고서 배치되고, 상기 대좌부재와 상기 강성부재를 연결하는 적어도 3개의 주상 탄성부재; 및 상기 축 둘레에 간격을 두고서 배치되고, 상기 작용부재와 상기 강성부재를 연결하는 탄성부들을 구비하고, 상기 각 탄성부는, 상기 대좌부재에 대하여 수평방향으로 연장되는 한 쌍의 빔 형상 탄성부재를 구비하고, 상기 한 쌍의 빔 형상 탄성부재는 2개의 판스프링으로 이루어진다.

본 발명에 의하면, 대좌부재에 대하여 수직한 수직방향의 외력이 작용부재에 인가되었을 때에는, 주상 탄성부재가 대좌부재에 대하여 수직방향으로 연장되어 있으므로, 주상 탄성부재는 거의 휘지 않고 강체로서 작용한다. 이때, 각 빔 형상 탄성부재는, 대좌부재에 대하여 수직방향으로 휘고, 작용부재가 수직방향으로 변위한다. 대좌부재에 대하여 수평방향으로 외력이 인가되었을 때에는, 빔 형상 탄성부재가 수평방향으로 연장되어 있으므로, 빔 형상 탄성부재는 거의 휘지 않고 강체로서 작용한다. 이때, 각 주상 탄성부재는, 대좌부재에 대하여 수평방향으로 휘고, 작용부재가 수평방향으로 변위한다. 대좌부재에 대하여 수직한 축에 대한 모멘트의 발생시에도, 작용부재에는 대좌부재에 대하여 수직방향의 외력이 인가되므로, 주상 탄성부재는 거의 휘지 않고, 빔 형상 탄성부재는 휘어진다. 따라서, 작용부재에는, 대좌부재에 대하여 수평한 축에 대한 변위가 생긴다. 마찬가지로, 대좌부재에 대하여 수평한 축에 대한 모멘트의 발생시에도, 작용부재에는 대좌부재에 대한 수평방향의 외력이 인가되므로, 빔 형상 탄성부재는 거의 휘지 않고, 주상 탄성부재는 휘어진다. 따라서, 작용부재에는, 대좌부재에 대하여 수직한 축에 대한 변위가 생긴다. 이에 따라, 축간의 상호간섭에 의한 검출 오차를 작게 하고, 대상으로 하는 힘 및 모멘트를 고정밀도로 검출할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징들은, 첨부도면을 참조하여 이하의 예시적 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 역각 센서의 사시도다.
도 1b는 도 1a의 방향과 다른 방향으로 도시된 것과 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 역각 센서의 사시도다.
도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 역각 센서의 정면도다.
도 2b는 본 발명의 제1실시예에 따른 역각 센서의 단면도다.
도 3a는 X축방향으로 작용부재에 힘Fx가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 단면도다.
도 3b는 Y축방향으로 작용부재에 힘Fy가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 단면도다.
도 3c는 Z축방향으로 작용부재에 힘Fz가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 단면도다.
도 4a는 X축에 대해 작용부재에 모멘트Mx가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 단면도다.
도 4b는 Y축에 대해 작용부재에 모멘트My가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 단면도다.
도 4c는 Z축에 대해 작용부재에 모멘트Mz가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 사시도다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 역각 센서의 개략적인 구성을 나타내는 사시도다.
도 6a는 X축방향으로 작용 기체(action base)에 힘Fx가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 단면도다.
도 6b는 Y축방향으로 작용 기체에 힘Fy가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 단면도다.
도 6c는 Z축방향으로 작용 기체에 힘Fz가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 단면도다.
도 7a는 X축에 대해 작용 기체에 모멘트Mx가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 단면도다.
도 7b는 Y축에 대해 작용 기체에 모멘트My가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 단면도다.
도 7c는 Z축에 대해 작용 기체에 모멘트Mz가 인가되었을 경우, 센서 본체의 변형 상태를 도시한 상기 센서 본체의 사시도다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

제1실시예

도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 제1실시예에 따른 역각 센서의 개략적인 구성을 설명하는 도면이다. 도 1a는 역각 센서의 사시도, 도 1b는 도 1a의 방향과 다른 방향으로 본 것처럼, 역각 센서의 사시도다. 본 발명에 따른 역각 센서는, 대좌부재와, 그 역각 센서에 인가된 외력에 의한 작용부재간의 변위에 따라 출력된 검출값을 검출하고, 그 검출값으로부터 힘을 검출한다. 먼저, 이하 본 발명에 따른 역각 센서의 기계적 구성을 설명한다.

도 1a 및 도 1b에 나타낸 역각 센서(100)는, X축, Y축 및 Z축의 병진 방향의 힘Fx, Fy, Fz 및 X축, Y축 및 Z축의 회전 방향의 모멘트Mx, My, Mz를 검출하는 6축의 역각 센서다. 역각 센서(100)는, 한 쌍의 피측정 대상(도면에 나타내지 않는다)의 사이에 배치된다. 예를 들면, 한 쌍의 피측정 대상 중 한쪽의 피측정 대상은 로보트 암이며, 다른쪽의 피측정 대상은 핸드부다. 로보트 암의 선단에는, 역각 센서(100)를 거쳐서 핸드부가 설치된다.

역각 센서(100)는, 평판형의 대좌부재(101)와, 그 대좌부재(101)에 대향해서 배치되어, 외력이 평판형의 작용부재(102)에 가해질 때 대좌부재(101)에 대하여 변위되는 상기 작용부재(102)를 구비하고 있다. 대좌부재(101)는 한쪽의 피측정 대상에 고정되고, 작용부재(102)는, 다른쪽의 피측정 대상에 고정된다. 변위가 없는 상기 작용부재(102)는, 대좌부재(101)와 평행하다. 대좌부재(101) 및 작용부재(102) 각각은, 가해진 외력으로 쉽게 변형하지 않는 강체로 만들어져 있다. 대좌부재(101)가 원판모양으로 형성되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 대좌부재(101)는, 사각형의 판자 모양등, 어떤 형상의 평판이어도 된다.

또한, 역각 센서(100)는, 대좌부재(101)에 대향해서 배치된 강성부재(103)를 구비하고 있다. 이 강성부재(103)는, 고리 형상(제1실시예에서는 원환형)으로 형성된 강성기체(103a)를 구비한다. 이 강성기체(103a)는, 대좌부재(101)로부터 임의의 거리를 두고 배치되고, 대좌부재(101)에 평행하게 대향해서 배치되어 있다. 강성기체(103a)는, 외주의 형상이 대좌부재(101)의 외주의 형상과 동일하게 설정되어 있다. 강성기체(103a)의 내측에 작용부재(102)가 배치되어 있다. 또한, 강성부재(103)는, 대좌부재(101)의 평면에 수직한 축L을 중심으로 간격을 두고서 배치되어, 강성기체(103a)로부터 내측으로 돌출하는 4개의 강성돌출편(103b, 103c, 103d, 103e)을 구비한다. 본 제1실시예에서는, 상기 축L은, 대좌부재(101)의 중심을 통과하는 Z축에 평행한 선이다. 본 제1실시예에서는, 4개의 강성돌출편(103b, 103c, 103d, 103e)은, 대좌부재(101)의 평면에 수직한 축L을 중심으로 동일한 간격(90°의 간격)으로 배치되어 있다. 그 강성부재(103)와 작용부재(102)는 일체로 형성되어도 된다.

강성돌출편(103b∼103e)은, 강성기체(103a)에 고정되어 있다.

역각 센서(100)는, 작용부재(102)와 강성부재(103)의 강성돌출편(103b∼103e)을 연결하는 4개의 탄성부(104A, 104B, 104C, 104D)를 더 구비하고 있다. 본 제1실시예에서는, 4개의 탄성부(104A, 104B, 104C, 104D)는, 축L을 중심으로 동일한 간격(90°의 간격)으로 배치되어 있다.

탄성부(104A∼104D) 각각은, 대좌부재(101)에 대하여 수평한 수평방향으로 연장되는 적어도 1개의 빔 형상 탄성부재를 구비한다. 본 제1실시예에서, 그 탄성부는, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재로 이루어진다. 보다 구체적으로는, 탄성부104A는, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재104a, 104b로 이루어진다. 탄성부104B는, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재104c, 104d로 이루어진다. 탄성부104C는, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재104e, 104f로 이루어진다. 탄성부104D는, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재104g, 104h로 이루어진다. 각 빔 형상 탄성부재의 일단이 작용부재(102)에 고정되고, 타단이 대응한 강성돌출편에 고정되어 있다.

각 빔 형상 탄성부재(104a∼104h)는, 작용부재(102)의 두께보다도 얇은 두께가 되도록 형성되어 있다. 즉, 작용부재(102)와 강성부재(103)의 강성돌출편을 연결하는 빔 형상 탄성부재(104a∼104h)는, 판스프링 모양으로 형성되어 있고, 대좌부재(101)에 수직한 수직방향으로 휘어지게 변형 가능해진다.

각 탄성부(104A∼104D)의 한 쌍의 빔 형상 탄성부재는, 축L의 방향으로 배치되어 있다. 이때, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재는, 임의의 간격으로 배치되어도 되고, 본 제1실시예에서는 그 간격이 작용부재(102)의 두께와 거의 같게 설정되어 있다. 본 실시예에서는, 빔 형상 탄성부재104a와 빔 형상 탄성부재104b 사이의 간격, 빔 형상 탄성부재104c와 빔 형상 탄성부재104d 사이의 간격, 빔 형상 탄성부재104e와 빔 형상 탄성부재104f 사이의 간격, 빔 형상 탄성부재104g와 빔 형상 탄성부재104h 사이의 간격이, 모두 동일하다.

본 제1실시예에서는, 십자형의 강체의 4방향으로 연장되는 강체편의 각각에 관통공을 형성함으로써, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재가 작용부재(102) 및 각 강성돌출편(103b∼103e)과 일체로 형성되어 있는 구성이 가능하다. 이때, 이 관통공이 도 1a 및 도 1b에 나타나 있는 바와 같이 정방형으로 형성되어 있지만, 그 관통공은 원형형상이나 장방형상으로 형성되어도 된다.

역각 센서(100)는, 대좌부재(101)에 대하여 수직방향으로 연장되고, 대좌부재(101)와 강성부재(103)의 강성기체(103a)를 연결하는 적어도 3개(본 제1실시예에서는 4개)의 주상 탄성부재(105a, 105b, 105c, 105d)를 구비하고 있다. 4개의 주상 탄성부재(105a∼105d)는, 축L을 중심으로 동일한 간격(90°의 간격)으로 배치되어 있다. 즉, 강성기체(103a)는, 대좌부재(101)에 대하여 3점이상으로 지지되어도 되고, 본 제1실시예에서는 4점으로 지지되어 있다. 이렇게 대좌부재(101)와 강성기체(103a)를 연결한 주상 탄성부재(105a∼105d)는, 대좌부재(101)에 수평한 수평방향으로 휘어지게 변형 가능해진다.

주상 탄성부재(105a∼105d)는, 원 기둥이나 다각 기둥등, 어떠한 주상의 부재이어도 되고, 본 제1실시예에서는 4각 기둥이다. 주상 탄성부재(105a∼105d) 각각의 하나의 면이 축L을 향하여 대향하도록, 주상 탄성부재(105a∼105d)는, 도 1a 및 도 1b의 X축 및 Y축에 대하여 비스듬히 배치되어 있다. 이때, 각 주상 탄성부재(105a∼105d)의 하나의 면이 X축 또는 Y축에 대하여 평행한 다각 기둥이어도 좋다.

상기 대좌부재(101), 작용부재(102), 강성부재(103), 탄성부(104A∼104D) 및 주상 탄성부재(105a∼105d)에 의해 센서 본체가 구성된다.

이하, 본 발명에 따른 역각 센서의 변위검출부를 설명하겠다. 도 2a 및 도 2b는, 본 발명의 제1실시예에 따른 역각 센서의 변위검출부를 설명하는 도면이다. 도 2a는 역각 센서(100)의 정면도, 도 2b는 역각 센서(100)의 단면도다. 역각 센서(100)는, 대좌부재(101)에 대한 작용부재(102)의 변위를 검출하는 변위검출부(300)를 구비하고 있다.

변위검출부(300)는, 대좌부재(101) 및 작용부재(102) 중 한쪽의 부재, 본 제1실시예에서는 대좌부재(101)에 설치된 자속발생원(307)을 구비한다. 또한, 변위검출부(300)는, 그 자속발생원(307)에 대향하도록 다른쪽의 부재, 본 제1실시예에서는 작용부재(102)에 설치된 자전변환소자(306a∼306d)(도 2a 및 2b에 306c가 도시되지 않음)를 구비한다.

자전변환소자(306a∼306d)는, 회로기판(308)에 소정의 간격으로 실장되어 있다. 회로기판(308)은 회로기판 취부부재(309)를 거쳐서 작용부재(102)에 고정되어 있다.

자속발생원(307)은, 대좌부재(101)의 한쪽의 피측정 대상이 고정되는 면과는 반대측의 면, 즉 대좌부재(101)의 내측의 면에 고정되어 있다. 회로기판(308)은, 작용부재(102)의 다른쪽의 피측정 대상이 고정되는 면과는 반대측의 면, 즉 작용부재(102)의 내측의 면에 고정되어 있다. 자속발생원(307)과 자전변환소자(306a∼306d)가 대향하도록 배치되어 있다.

이때, 자속발생원(307)과 자전변환소자(306a∼306d)가 거꾸로 배치되어도 된다. 이 경우에, 자속발생원(307)은 작용부재(102)에 배치되고, 자전변환소자(306a∼306d)는 대좌부재(101)에 배치된다.

이때, 변위검출부(300)로서 자기를 이용한 부를 설명했지만, 이 변위검출부(300)는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 정전용량의 변화를 이용한 변위검출부 또는 광학식의 변위검출부를 사용해도 된다.

역각 센서(100)의 동작에 관해서 도 3a 내지 도 3c와 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명한다. 이때, 도 3a 내지 도 3c와 도 4a 내지 도 4c에는, 변위검출부(300)가 도시되어 있지 않다. 도 3a 내지 도 3c는, X축, Y축 및 Z축의 각각의 병진 방향으로 작용부재(102)에 힘이 인가되었을 경우의 센서 본체의 변형 상태를 도시한 도면이다. 도 3a는 X축방향으로 작용부재(102)에 힘Fx가 인가되었을 경우, 도 3b는 Y축방향으로 작용부재(102)에 힘Fy가 인가되었을 경우, 도 3c는 Z축방향으로 작용부재(102)에 힘Fz가 인가되었을 경우를 나타내는 센서 본체의 단면도다.

도 4a 내지 도 4c는, X축, Y축 및 Z축에 대한 각각의 회전 방향으로 작용부재(102)에 모멘트가 인가되었을 경우의 센서 본체의 변형 상태를 도시한 도면이다. 도 4a는 X축을 중심으로 작용부재(102)에 모멘트Mx가 인가되었을 경우, 도 4b는 Y축을 중심으로 작용부재(102)에 모멘트My가 인가되었을 경우를 나타내는 센서 본체의 단면도다. 도 4c는 Z축을 중심으로 작용부재(102)에 모멘트Mz가 인가되었을 경우를 나타내는 센서 본체의 사시도다.

도 3a에 나타나 있는 바와 같이, 작용부재(102)에, 대좌부재(101)에 대하여 수평방향(X축방향)으로 힘Fx가 인가되면, 탄성부(104A∼104D)의 빔 형상 탄성부재(104a∼104h)는, 수평방향의 힘에 의해 거의 휘지 않고 강체로서 작용한다. 이에 대하여, 주상 탄성부재(105a∼105d)는, 수평방향(X축방향)으로 휜다. 따라서, 작용부재(102)는, 탄성부(104A∼104D) 및 강성부재(103)와 함께 수평방향으로 변위한다. 마찬가지로, 도 3b에 나타나 있는 바와 같이, 작용부재(102)에, 대좌부재(101)에 대하여 수평방향(Y축방향)으로 힘Fy가 인가되면, 탄성부(104A∼104D)의 빔 형상 탄성부재(104a∼104h)는, 수평방향의 힘에 의해 거의 휘지 않고 강체로서 작용한다. 이에 대하여, 주상 탄성부재(105a∼105d)는, 수평방향(Y축방향)으로 휜다. 따라서, 작용부재(102)는, 탄성부(104A∼104D) 및 강성부재(103)와 함께 수평방향으로 변위한다.

도 3c에 나타나 있는 바와 같이, 작용부재(102)에, 대좌부재(101)에 대하여 수직방향(Z축방향)으로 힘Fz가 인가되었을 경우에는, 주상 탄성부재(105a∼105d)는, Z축방향의 힘Fz에 대하여 거의 휘지 않고 강체로서 작용한다. 이에 대하여, 빔 형상 탄성부재(104a∼104h)는 Z축방향으로 휘고, 작용부재(102)는 Z축방향으로 변위한다. 물론, 주상 탄성부재는, 그 주상 탄성부재가 설치되는 상기 평판형의 대좌부재(101)의 평판부에 완전히 수직할 필요는 없다. 각 주상 탄성부재는, Z축방향의 힘Fz에 의해 그 주상 탄성부재가 거의 휘지 않으면 일부의 도(degree)로 경사져도 되고, 강체로서 작용하는 효과가 있다고 기대될 수 있다.

도 4a에 나타나 있는 바와 같이, 작용부재(102)에, X축을 중심으로 모멘트Mx가 인가되었을 경우에는, 주상 탄성부재(105a∼105d)는 거의 휘지 않는다. 이에 대하여, 빔 형상 탄성부재(104a∼104h)는 휜다. 이에 따라, X축을 중심으로 작용부재(102)가 변위하게 된다. 마찬가지로, 도 4b에 나타나 있는 바와 같이, 작용부재(102)에, Y축을 중심으로 모멘트My가 인가되었을 경우에, 주상 탄성부재(105a∼105d)는 거의 휘지 않는다. 이에 대하여, 빔 형상 탄성부재(104a∼104h)는 휜다. 이에 따라, Y축을 중심으로 작용부재(102)가 변위하게 된다.

도 4c에 나타나 있는 바와 같이, 작용부재(102)에, Z축을 중심으로 모멘트Mz가 인가되었을 경우에, 빔 형상 탄성부재(104a∼104h)는 거의 휘지 않고, 주상 탄성부재(105a∼105d)는 휜다. 주상 탄성부재(105a∼105d)의 휨 변형에 의하여, Z축을 중심으로 작용부재(102)가 변위하게 된다.

이에 따라서, X축, Y축 및 Z축에 의해 정해진 3차원 좌표공간에 있어서의 각 축의 병진 방향의 힘Fx, Fy, Fz와 각 축에 대한 회전방향의 모멘트Mx, My, M간의 상호간섭에 의해 생긴 검출 오차가 감소될 수 있다.

그 작용부재(102)의 변위는, 변위검출부(300)(도 2 참조)에 의해 검출된다. 보다 구체적으로, X축, Y축 및 Z축에 의해 정해진 3차원 좌표공간에 있어서의 각 축의 병진 방향의 힘Fx, Fy, Fz와 각 축에 대한 회전방향의 모멘트Mx, My, Mz의 발생시에, 도 3a 내지 도 3c와 도 4a 내지 도 4c에 나타낸 변위가 자전변환소자(306a∼306d)에 주어진다. 이에 따라, 대좌부재(101)에 설치된 자속발생원(307)과, 작용부재(102)에 설치된 자전변환소자(306a∼306d) 사이의 상대적인 변위량이, 자전변환소자(306a∼306d)에 있어서의 자속밀도의 변화로서 검출된다. 자전변환소자(306a∼306d)로부터, 자속발생원(307)과 자전변환소자(306a∼306d) 사이의 상대적인 변위량에 비례한 전기적 변위량을 얻는다. 상술한 것처럼, 힘Fx, Fy, Fz 및 모멘트Mx, My, Mz에 대응하는 작용부재(102)의 변위량은, 변위검출부(300)에 의해 검출된다. 변위검출부(300)는, 타축 간섭이 저감되어 있는 작용부재(102)의 변위를 검출하므로, 대상으로 하는 힘 및 모멘트를 고정밀도로 검출할 수 있다.

본 제1실시예에서는, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재104a, 104b, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재104c, 104d, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재104e, 104f, 및 한 쌍의 빔 형상 탄성부재104g, 104h는, 각각 소정의 간격으로서 평행하게 배치되어 있다. 주상 탄성부재(105a∼105d)는 4각 기둥이다. 따라서, 각기 한 쌍의 빔 형상 탄성부재의 두께나 간격, 4각 기둥의 X-Y평면을 따라서의 단면에서 직각으로 교차한 2변의 각각의 길이를 파라미터로서 설계함으로써 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz가 인가되었을 때의 작용부재(102)의 변위량을 독립적으로 설계할 수 있다.

제2실시예

본 발명의 제2실시예에 따른 역각 센서에 관하여 설명한다. 도 5는, 본 발명의 제2실시예에 따른 역각 센서의 개략적인 기계적 구성을 나타내는 사시도다. 도 5에 나타낸 역각 센서(200)는, X축, Y축 및 Z축을 따라서의 각각의 병진 방향의 힘Fx, Fy, Fz 및 X축, Y축 및 Z축에 대한 각각의 회전 방향의 모멘트Mx, My, Mz를 검출하는 6축의 역각 센서다. 역각 센서(200)는, 한 쌍의 피측정 대상(도면에 나타내지 않는다)의 사이에 배치된다. 예를 들면, 한 쌍의 피측정 대상 중 한쪽의 피측정 대상은 로보트 암이며, 다른쪽의 피측정 대상은 핸드부다. 로보트 암의 선단에는, 역각 센서(200)를 거쳐서 핸드부가 설치된다.

역각 센서(200)는, 평판형의 대좌부재(201)와, 작용부재(202)를 구비하고 있다. 대좌부재(201)는 한쪽의 피측정 대상에 고정되고, 작용부재(202)는 다른쪽의 피측정 대상에 고정된다. 대좌부재(201) 및 작용부재(202)는, 가해진 외력에 의해 쉽게 변형되지 않는 강체로 각각 만들어져 있다. 대좌부재(201)는 원판모양으로 형성되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 대좌부재(201)는, 사각형의 판자 모양등, 어떤 형상의 평판이어도 된다.

작용부재(202)는, 대좌부재(201)에 대향해서 배치되고, 외력이 작용부재(202)에 가해질 때 상기 대좌부재(201)에 대하여 변위되는 평판형의 작용 기체(202a)를 구비한다. 변위없는 상기 작용 기체(202a)는, 대좌부재(201)에 평행하다. 작용 기체(202a)는, 외주의 형상이 대좌부재(201)와 동일 형상으로 설정되어 있다. 본 제2실시예에서는, 작용 기체(202a)는, 고리 형상(본 제2실시예에서는 원환형)으로 형성되어 있다.

또한, 작용부재(202)는, 대좌부재(201)의 평면에 수직한 축L을 중심으로 배치되고 작용 기체(202a)로부터 대좌부재(201)의 방향(대좌부재측)으로 돌출하는 2개의 돌출편(202b, 202c)을 구비한다. 본 제2실시예에서는, 상기 축L은, 대좌부재(201)의 중심을 통과하는 Z축에 평행한 선이다. 본 제2실시예에서는, 2개의 돌출편(202b, 202c)은, 대좌부재(201)의 평면에 수직한 축L을 중심으로 동일한 간격(180°의 간격)으로 배치되어 있다.

또한, 역각 센서(200)는, 대좌부재(201)에 대향해서 배치된 강성부재(203)를 구비하고 있다. 이 강성부재(203)는, 대좌부재(201)와 작용 기체(202a)와의 사이에 배치되고, 고리 형상(본 제2실시예에서는 원환형)으로 형성된 강성기체(203a)를 구비한다. 강성기체(203a)는, 대좌부재(201)로부터 임의의 거리에 배치되고, 대좌부재(201)에 평행하게 배치되어 있다. 강성기체(203a)는, 외주의 형상이 대좌부재(201)의 외주의 형상과 동일하게 설정되어 있다.

강성부재(203)는, 강성기체(203a)로부터 작용 기체(202a)의 방향(작용 기체측)으로 돌출하고, 돌출편(202b, 202c)과 엇갈리도록 축L을 중심으로 배치된 2개의 강성돌출편(203b, 203c)을 더 구비한다. 본 제2실시예에서는, 2개의 강성돌출편(203b, 203c)은, 강성기체(203a)로부터 작용 기체(202a)의 방향(작용 기체측)으로 돌출하고, 강성돌출편(203b, 203c)이 돌출편(202b, 202c)과 엇갈리도록 축L을 중심으로 동일한 간격(180°의 간격)으로 배치되어 있다.

강성기체(203a) 및 강성돌출편(203b, 203c)은, 가해진 외력에 의해 변형되지 않는 강체로 각각 만들어져 있다. 강성돌출편(203b, 203c)은, 강성기체(203a)에 고정되어 있다.

이 경우에, 작용 기체(202a)와 강성돌출편(203b, 203c)은, 작용 기체(202a)가 필요로 한 변위를 저해하지 않도록 서로로부터 소정의 거리에 있다. 마찬가지로, 강성기체(203a)와 돌출편(202b, 202c)은, 작용 기체(202a)가 필요로 하는 변위를 저해하지 않도록 서로로부터 소정의 거리에 있다.

역각 센서(200)는, 축L을 중심으로 간격을 두고서 배치되어, 작용부재(202)의 돌출편(202b, 202c)과 강성부재(203)의 강성돌출편(203b, 203c)을 연결하는 4개의 탄성부(204A, 204B, 204C, 204D)를 더 구비하고 있다. 보다 구체적으로는, 탄성부204A는 돌출편202b와 강성돌출편203b를 연결하고, 탄성부204B는 돌출편202b와 강성돌출편203c를 연결하고, 탄성부204C는 돌출편202c와 강성돌출편203c를 연결한다. 탄성부204D는 돌출편202c와 강성돌출편203b를 연결한다. 본 제2실시예에서는, 4개의 탄성부(204A, 204B, 204C, 204D)는, 축L을 중심으로 동일한 간격(90°의 간격)으로 배치되어 있다.

각 탄성부(204A∼204D)는, 대좌부재(201)에 대하여 수평한 수평방향으로 연장되는 적어도 1개의 빔 형상 탄성부재를 구비한다. 본 제2실시예에서는, 탄성부는 한 쌍의 빔 형상 탄성부재로 이루어진다. 보다 구체적으로는, 탄성부204A는 한 쌍의 빔 형상 탄성부재(204a, 204b)로 이루어진다. 탄성부204B는, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재(204c, 204d)로 이루어진다. 탄성부204C는, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재(204e, 204f)로 이루어진다. 탄성부204D는, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재(204g, 204h)로 이루어진다. 이것들 탄성부(204A∼204D)의 빔 형상 탄성부재(204a∼204h)는, 고리 모양으로 형성된 작용 기체(202a) 및 강성기체(203a)를 따라 원주방향으로 연장되도록 배치되어 있다. 각 빔 형상 탄성부재의 일단이 작용부재(202)의 대응한 돌출편에 고정되고, 타단이 강성부재(203)의 대응한 강성돌출편에 고정되어 있다.

각 빔 형상 탄성부재(204a∼204h)는, 작용부재(202)의 돌출편(202b, 202c)의 돌출량 및 강성부재(203)의 강성돌출편(203b, 203c)의 돌출량보다도 얇은 두께를 갖도록 형성되어 있다. 즉, 작용부재(202)의 돌출편(202b, 202c)과 강성부재(203)의 강성돌출편(203b, 203c)을 연결한 각 빔 형상 탄성부재(204a∼204h)는, 판스프링 모양으로 형성되어 있고, 대좌부재(201)에 수직한 수직방향으로 휘게 변형 가능하다.

각 탄성부(204A∼204D)의 한 쌍의 빔 형상 탄성부재는, 축L을 따른 방향으로 배치되어 있다. 빔 형상 탄성부재204a와 빔 형상 탄성부재204b간의 간격, 빔 형상 탄성부재204c와 빔 형상 탄성부재204d간의 간격, 빔 형상 탄성부재204e와 빔 형상 탄성부재204f간의 간격, 및 빔 형상 탄성부재204g와 빔 형상 탄성부재204h간의 간격은, 모두 동일하다.

역각 센서(200)는, 대좌부재(201)에 대하여 수직방향으로 연장되고, 대좌부재(201)와 강성부재(203)의 강성기체(203a)를 연결하는 적어도 3개(본 제2실시예에서는 4개)의 주상 탄성부재(205a, 205b, 205c, 205d)를 더 구비하고 있다. 4개의 주상 탄성부재(205a∼205d)는, 축L을 중심으로 간격을 두고서 배치되어 있다. 본 제2실시예에서는, 4개의 주상 탄성부재(205a∼205d)는, 축L을 중심으로 동일한 간격(90°의 간격)으로 배치되어 있다. 즉, 강성기체(203a)는, 대좌부재(201)에 대하여 3점이상으로 지지되어도 되고, 본 제2실시예에서는 4점으로 지지되어 있다. 이렇게 대좌부재(201)와 강성기체(203a)를 연결한 주상 탄성부재(205a∼205d)는, 대좌부재(201)에 수평한 수평방향으로 휘게 변형 가능하다.

주상 탄성부재(205a∼205d)는, 원 기둥이나 다각 기둥등, 어떠한 주상의 부재이어도 되고, 본 제2실시예에서는 4각 기둥이다. 각 주상 탄성부재(205a∼205d)의 하나의 면이 축L을 향해 대향하도록, 주상 탄성부재(205a∼205d)는, 도 5의 X축 및 Y축에 대하여 비스듬히 배치되어 있다. 또한, 각 주상 탄성부재(205a∼205d)의 하나의 면이 X축 또는 Y축에 대하여 평행한 면을 갖는 다각 기둥이어도 된다.

상기 대좌부재(201), 작용부재(202), 강성부재(203), 탄성부(204A∼204D), 및 주상 탄성부재(205a∼205d)는, 센서 본체를 구성한다.

역각 센서(200)는, 상기 제1실시예에 따른 변위검출부(300)(도 2a 및 도 2b)와 같고 대좌부재(201)에 대한 작용 기체(202a)의 변위를 검출하는 변위검출부를 구비한다. 그 변위검출부는, 도 5에 도시되어 있지 않다.

이때, 본 제2실시예에서는 작용 기체(202a) 및 강성기체(203a)를 고리 형상(관통공이 있는 평판형상)으로 형성했지만, 본 발명은 이 형상에 한정되지 않는다. 작용 기체(202a) 및 강성기체(203a)는, 관통공이 없는 평판모양으로 형성되어도 된다. 이 경우, 대좌부재(201)를 고리모양으로 형성해도 된다. 센서 본체를 2개 이상 설치하는 경우에는, 관통공이 형성되지 않아도 된다.

역각 센서(200)의 동작에 대해서 도 6a 내지 도 6c와 도 7a 내지 도 7c를 참조하여 설명한다. 이때, 도 6a 내지 도 6c와 도 7a 내지 도 7c에는, 변위검출부가 도시되어 있지 않다. 도 6a 내지 도 6c는, X축, Y축 및 Z축을 따라서의 각각의 병진 방향으로 작용 기체(202a)에 힘이 인가되었을 경우의 센서 본체의 변형 상태를 도시한 도면이다. 도 6a는 X축방향으로 작용 기체(202a)에 힘Fx가 인가되었을 경우, 도 6b는 Y축방향으로 작용 기체(202a)에 힘Fy가 인가되었을 경우, 도 6c는 Z축방향으로 작용 기체(202a)에 힘Fz가 인가되었을 경우를 나타내는 센서 본체의 단면도다.

도 7a 내지 도 7c는, X축, Y축 및 Z축에 대한 각각의 회전 방향으로 작용 기체(202a)에 모멘트가 인가되었을 경우의 센서 본체의 변형 상태를 도시한 도면이다. 도 7a는 X축을 중심으로 작용 기체(202a)에 모멘트Mx가 인가되었을 경우, 도 7b는 Y축을 중심으로 작용 기체(202a)에 모멘트My가 인가되었을 경우를 나타내는 센서 본체의 단면도다. 도 7c는 Z축을 중심으로 작용 기체(202a)에 모멘트Mz가 인가되었을 경우를 나타내는 센서 본체의 사시도다.

도 6a에 나타나 있는 바와 같이, 작용 기체(202a)에, 대좌부재(201)에 대하여 수평방향(X축방향)으로 힘Fx가 인가되면, 탄성부(204A∼204D)의 빔 형상 탄성부재(204a∼204h)는, 수평방향의 힘에 의해 거의 휘지 않고 강체로서 작용한다. 이에 대하여, 주상 탄성부재(205a∼205d)는, 수평방향(X축방향)으로 휜다. 따라서, 작용부재(202)는, 탄성부(204A∼204D) 및 강성부재(203)와 함께 수평방향으로 변위된다. 마찬가지로, 도 6b에 나타나 있는 바와 같이, 작용 기체(202a)에, 대좌부재(201)에 대하여 수평방향(Y축방향)으로 힘Fy가 인가되면, 탄성부(204A∼204D)의 빔 형상 탄성부재(204a∼204h)는, 수평방향의 힘에 의해 거의 휘지 않고 강체로서 작용한다. 이에 대하여, 주상 탄성부재(205a∼205d)는, 수평방향(Y축방향)으로 휜다. 따라서, 작용부재(202)는, 탄성부(204A∼204D) 및 강성부재(203)와 함께 수평방향으로 변위된다.

도 6c에 나타나 있는 바와 같이, 작용 기체(202a)에, 대좌부재(201)에 대하여 수직방향(Z축방향)으로 힘Fz가 인가되었을 경우에는, 주상 탄성부재(205a∼205d)는, Z축방향의 힘Fz에 의해 거의 휘지 않고 강체로서 작용한다. 이에 대하여, 빔 형상 탄성부재(204a∼204h)는 Z축방향으로 휘고, 작용부재(202)는 Z축방향으로 변위된다.

도 7a에 나타나 있는 바와 같이, 작용 기체(202a)에, X축을 중심으로 모멘트Mx가 인가되었을 경우에는, 주상 탄성부재(205a∼205d)는 거의 휘지 않는다. 이에 대하여, 빔 형상 탄성부재(204a∼204h)는 휘어진다. 이에 따라 X축을 중심으로 작용부재(202)가 변위하게 된다. 마찬가지로, 도 7b에 나타나 있는 바와 같이, 작용 기체(202a)에, Y축을 중심으로 모멘트My가 인가되었을 경우에도, 주상 탄성부재(205a∼205d)는 거의 휘지 않는다. 이에 대하여, 빔 형상 탄성부재(204a∼204h)는 휘어진다. 이에 따라 Y축을 중심으로 작용부재(202)가 변위하게 된다.

도 7c에 나타나 있는 바와 같이, 작용 기체(202a)에, Z축을 중심으로 모멘트Mz가 인가되었을 경우에는, 빔 형상 탄성부재(204a∼204h)는 거의 휘지 않고, 주상 탄성부재(205a∼205d)는 휘어진다. 주상 탄성부재(205a∼205d)의 휨 변형에 의해, Z축을 중심으로 작용부재(202)가 변위하게 된다.

따라서, X축, Y축, Z축에 의해 정해진 3차원 좌표공간에 있어서의 각 축을 따라서의 병진 방향의 힘Fx, Fy, Fz 및 각 축에 대한 회전방향의 모멘트Mx, My, Mz간의 상호간섭에 의해 생긴 검출 오차가 감소될 수 있다. 변위검출부는, 타축 간섭이 저감되어 있는 작용부재(202)의 작용 기체(202a)의 변위를 검출하므로, 대상으로 하는 힘 및 모멘트를 고정밀도로 검출할 수 있다.

본 제2실시예에서는, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재204a, 204b, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재204c, 204d, 한 쌍의 빔 형상 탄성부재204e, 204f, 및 한 쌍의 빔 형상 탄성부재204g, 204h 각각은, 소정의 간격으로 평행하게 배치되어 있다. 주상 탄성부재(205a∼205d)는 4각 기둥이다. 따라서, 각기 한 쌍의 빔 형상 탄성부재의 두께나 간격, 4각 기둥의 X-Y평면을 따라서의 단면에서 직각으로 교차한 2변의 길이를 파라미터로서 설계함으로써 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz가 인가되었을 때의 작용부재(202)의 변위량을 독립적으로 설계할 수 있다.

본 제2실시예에서는, 작용 기체(202a) 및 강성기체(203a)가 고리모양으로 형성되고, 빔 형상 탄성부재(204a∼204h)가 고리모양으로 형성된 작용 기체(202a) 및 강성기체(203a)를 따라 배치되어 있다. 따라서, 작용 기체(202a)에 모멘트Mx, My가 인가될 때에, 작용 기체(202a)의 회전중심인 부분 또는 그 근방에 변위검출부를 배치할 수 있고, 상기 제1실시예에 따른 역각 센서(100)보다도 더 고정밀도로 힘 및 모멘트를 검출할 수 있다.

이때, 상기 실시예들의 맥락에서 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 예시적 실시예들을 참조하여 기재하였지만, 본 발명은 상기 개시된 예시적 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 알 것이다. 아래의 청구항의 범위는, 모든 변형예, 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 폭 넓게 해석해야 한다.

본 출원은, 여기서 전체적으로 참고로 포함된, 2011년 5월 10일에 제출된 일본국 특허출원번호 2011-104962의 이점을 청구한다.

100 역각 센서
101 대좌부재
102 작용부재
103 강성부재
103a 강성기체
103b∼103e 강성돌출편
104A∼104D 탄성부
104a∼104h 빔 형상 탄성부재
105a∼105d 주상 탄성부재
200 역각 센서
201 대좌부재
202 작용부재
202a 작용 기체
202b, 202c 돌출편
203 강성부재
203a 강성기체
203b, 203c 강성돌출편
204A∼204D 탄성부
204a∼204h 빔 형상 탄성부재
205a∼205d 주상 탄성부재
300 변위검출부

Claims

평판형의 대좌부재;
상기 대좌부재에 대향하도록 배치되어, 가해진 외력에 의해 상기 대좌부재에 대하여 변위되는 작용부재;
상기 대좌부재에 대한 상기 작용부재의 변위를 검출하는 변위검출부;
상기 대좌부재에 대향하도록 배치된 강성부재;
상기 대좌부재의 평판부에 수직한 축을 중심으로 간격을 두고서 배치되고, 상기 대좌부재와 상기 강성부재를 연결하는 적어도 3개의 주상 탄성부재; 및
상기 축 둘레에 간격을 두고서 배치되고, 상기 작용부재와 상기 강성부재를 연결하는 탄성부들을 구비하고,
상기 각 탄성부는, 상기 대좌부재에 대하여 수평방향으로 연장되는 한 쌍의 빔 형상 탄성부재를 구비하고,
상기 한 쌍의 빔 형상 탄성부재는 2개의 판스프링으로 이루어진, 역각 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 변위검출부는, 자전변환소자들과 자속발생원으로 이루어진 유닛을 구비한, 역각 센서.
평판형의 대좌부재;
상기 대좌부재에 대향하도록 배치되어, 가해진 외력에 의해 상기 대좌부재에 대하여 변위되는 고리 형상의 작용부재;
상기 대좌부재에 대한 상기 고리 형상의 작용부재의 변위를 검출하는 변위검출부;
상기 대좌부재의 평판부에 수직한 축을 중심으로 간격을 두고서 배치되고, 상기 고리 형상의 작용부재로부터 상기 대좌부재를 향하는 방향으로 돌출하는 적어도 2개의 돌출편;
상기 대좌부재와 상기 고리 형상의 작용부재의 사이에 배치된 강성 기체;
상기 강성 기체로부터 상기 고리 형상의 작용부재를 향하는 방향으로 돌출하고, 상기 돌출편과 엇갈리도록 상기 축을 중심으로 간격을 두고서 배치된, 적어도 2개의 강성 돌출편;
상기 축을 중심으로 간격을 두고서 배치되고, 상기 대좌부재와 상기 강성 기체를 연결하는 적어도 3개의 주상 탄성부재; 및
상기 돌출편과 상기 강성 돌출편을 연결하는 탄성부들을 구비하고,
상기 각 탄성부는, 상기 대좌부재에 대하여 수평방향으로 연장되는 빔 형상 탄성부재를 구비한, 역각 센서.