KR101595300B1 - 구동축의 외력 측정 장치 및 방법, 그를 갖는 로봇 관절 - Google Patents

구동축의 외력 측정 장치 및 방법, 그를 갖는 로봇 관절 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구동축의 외력 측정 장치 및 방법, 그를 갖는 로봇 관절에 관한 것으로, 로봇 관절에 구비된 구동기의 구동축에 작용하는 외력을 측정하여 로봇과 작업자의 협업 시 발생될 수 있는 충돌로 인한 안전사고를 억제하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 구동축의 외력 측정 장치는 제1 엔코더, 제2 엔코더 및 제어기를 포함한다. 제1 엔코더는 구동기의 구동축 일측에 설치되며, 구동축의 회전에 따른 제1 펄스 신호를 출력한다. 제2 엔코더는 제1 엔코더에서 일정 간격 이격된 구동기의 구동축에 설치되며, 구동축의 회전에 따른 제2 펄스 신호를 출력한다. 그리고 제어기는 제1 및 제2 엔코더로부터 제1 및 제2 펄스 신호를 수신하고, 구동기의 구동축에 작용하는 외력에 따른 비틀림이 발생되면, 제1 및 제2 엔코더로부터 수신한 제1 및 제2 펄스 신호의 차이로부터 토크(τ)를 측정한다.

Description

구동축의 외력 측정 장치 및 방법, 그를 갖는 로봇 관절{Apparatus and method for measuring external force of driving shaft, robot joint having the same}
본 발명은 구동축을 구비하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇 관절에 구비된 구동기의 구동축에 작용하는 외력을 복수의 증분형 엔코더를 이용하여 측정하는 구동축의 외력 측정 장치 및 방법, 그를 갖는 로봇 관절에 관한 것이다.
모터나 액추에이터와 같은 구동축이 있는 구동기는 다양한 장치에 활용되고 있다. 특히 이러한 구동기는 로봇에 활용되고 있으며, 로봇의 손가락, 관절 부분에 컴팩트한 구조의 구동기가 요구되고 있다.
로봇의 분야가 다양해지면서 로봇과 사람이 협업을 하는 경우도 많이 생겨나고 있다. 대부분의 경우 로봇은 지정된 공간을 움직이고 작업자는 그 주변에서 로봇이 하지 못하는 일을 하게 된다. 이때 가장 중요한 것은 안전이다. 작업자는 로봇을 보고 피할 수 있지만, 로봇은 보고 피하는 것이 불가능하기 때문이다.
대부분의 로봇은 금속으로 만들어지기 때문에, 약한 충돌로도 위험한 상황이 발생할 수 있다. 작업자의 안전을 위해 로봇, 특히 사람과 협업하는 로봇의 경우 안전 기능이 반드시 필요하다.
이러한 안전 기능으로는 산업용 로봇에서 주로 쓰이는 장애물과 공간, 시간을 구분하는 침입감지, 비접촉센서를 이용하는 존재감지, 마지막 최종수단으로 쓰이는 접촉감지가 있다.
특히 접촉감지 방식은 침입감지와 존재감지 방식으로 장애물 감지를 실패 했을 때 사용되는 마지막 수단으로, 로봇과 장애물이 직접 접촉하는 것을 대비한 감지 방식이다.
이런 접촉감지 방식은 세 가지가 주로 사용되어 왔는데, 첫 번째는 토크 센서와 스트레인 게이지를 이용한 로봇 관절의 토크 측정 방식. 두 번째 로봇 관절의 모터에서 사용하는 전류량을 측정하여 토크를 계산하는 방식. 마지막으로 접촉에 예상되는 로봇의 외부에 압력 센서를 부착하여 충돌을 감지하는 방식으로 나눌 수 있다.
먼저 로봇 관절의 토크 측정 방식은 로봇 관절에 외력이 발생했을 때 변형을 일으키는 토크 센서와, 이에 설치된 스트레인 게이지를 통하여 쉽게 측정할 수 있는 장점이 있지만, 토크 센서의 기구적인 특징으로 인해 노이즈가 발생하는 단점을 갖고 있다.
다음으로 전류 측정 방식은 회로만 구성하면 쉽게 토크를 계산할 수 있는 장점이 있지만, 전류가 노이즈를 많이 발생시키기 때문에 정밀한 측정이 필요한 시스템의 로봇 관절에는 사용할 수 없는 단점을 갖고 있다.
그리고 압력 센서 방식은 노이즈 없이 충돌을 감지할 수 있는 장점이 있다. 하지만 압력 센서가 외부에 노출되어 있기 때문에, 실제 충돌이 발생했을 때, 압력 센서가 파손될 위험이 있다.
한국등록특허공보 제10-1302746호(2013.08.26.)
따라서 본 발명의 목적은 노이즈 없이 구동기의 구동축에 작용하는 외력을 측정할 수 있는 구동축의 외력 측정 장치 및 방법, 그를 갖는 로봇 관절을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 토크 센서와 같이 구동축에 작용하는 외력에 따른 비틀림을 측정할 수 있는 구동축의 외력 측정 장치 및 방법, 그를 갖는 로봇 관절을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 구동축이 설치되는 로봇 관절에 작용하는 외력에 의해 구동축의 회전 측정 장치가 손상되는 것을 억제할 수 있는 구동축의 외력 측정 장치 및 방법, 그를 갖는 로봇 관절을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 제1 엔코더, 제2 엔코더 및 제어기를 포함하는 구동축의 외력 측정 장치를 제공한다. 상기 제1 엔코더는 구동기의 구동축 일측에 설치되며, 상기 구동축의 회전에 따른 제1 펄스 신호를 출력한다. 상기 제2 엔코더는 상기 제1 엔코더에서 일정 간격 이격된 상기 구동기의 구동축에 설치되며, 상기 구동축의 회전에 따른 제2 펄스 신호를 출력한다. 그리고 상기 제어기는 상기 제1 및 제2 엔코더로부터 제1 및 제2 펄스 신호를 수신하고, 상기 구동기의 구동축에 작용하는 외력에 따른 비틀림이 발생되면, 상기 제1 및 제2 엔코더로부터 수신한 제1 및 제2 펄스 신호의 차이로부터 토크(τ)를 측정한다.
본 발명에 따른 구동축의 외력 측정 장치에 있어서, 상기 제어기는 외력 미작용시 상기 제1 및 제2 엔코더에서 출력되는 동기화된 펄스 신호에 대해서, 외력 작용시 상기 제1 및 제2 엔코더에서 출력되는 펄스 신호의 시간 차이로부터 상기 구동축의 토크를 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 구동축의 외력 측정 장치에 있어서, 상기 제어기는
Figure 112014043405971-pat00001
의 수학식으로 상기 구동축의 토크를 측정할 수 있다. 여기서, σ은 구동축의 강성계수, ω는 구동축의 각속도,
Figure 112014043405971-pat00002
는 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호의 시간 차이를 나타낸다.
본 발명에 따른 구동축의 외력 측정 장치에 있어서, 상기 제어기는
Figure 112015100132164-pat00003
의 수학식으로 상기 구동축의 토크를 측정할 수 있다. 여기서 σ은 강성계수,
Figure 112015100132164-pat00004
는
Figure 112015100132164-pat00005
동안 샘플링한 개수,
Figure 112015100132164-pat00006
는
Figure 112015100132164-pat00007
동안 샘플링한 개수, η은 펄스 신호의 개수를 각도로 변환하는 각도변환상수, R은 엔코더 분해능,
Figure 112015100132164-pat00008
는 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호의 시간 차이,
Figure 112015100132164-pat00009
는 펄스 신호의 주기 중 하이(hi)인 시간을 나타낸다.
본 발명은 또한, 구동축을 구비하는 구동기, 상기 구동축의 일단에 체결되는 관절 및 전술된 구동축의 외력 측정 장치를 포함하는 로봇 관절을 제공한다.
그리고 본 발명은 외력 측정 장치는 구동기의 구동축에 작용하는 외력에 따른 비틀림이 발생되면, 상기 구동축에 일정 간격으로 설치된 제1 엔코더 및 제2 엔코더로부터 출력되는 제1 및 제2 펄스 신호를 수신하는 단계와, 상기 외력 측정 장치는 수신한 상기 제1 및 제2 펄스 신호의 차이로부터 토크(τ)를 측정하는 단계를 포함하는 구동축의 외력 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 외력에 따른 비틀림이 발생되는 구동축에 일정 간격을 두고 두 개의 엔코더를 설치하고, 해당 구동축에 비틀림이 발생 했을 때, 두 개의 엔코더에서 측정되는 펄스 신호의 차이로부터 구동축에 작용하는 토크 즉 외력을 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 구동축의 외력 측정 장치는 구동기의 구동축에 설치된 두 개의 엔코더를 이용하여 토크를 측정하기 때문에, 노이즈 없이 구동축에 작용하는 외력을 측정할 수 있다.
그리고 구동기의 구동축 부분은 로봇 관절의 내부에 설치되기 때문에, 로봇 관절에 작용하는 외력에 따라 구동축의 외력 측정 장치가 손상되는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구동축의 외력 측정 장치를 구비한 로봇 관절을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동축의 외력 측정 방법에 따른 흐름도이다.
도 3은 무부하시 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호를 보여주는 파형도이다.
도 4는 부하시 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호를 보여주는 파형도이다.
도 5는 제1 엔코더의 펄스 신호에 대한 샘플링을 도시한 파형도이다.
도 6은 부하시 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호로부터 외력을 측정할 때 측정 오차를 처리하는 제1 예를 보여주는 파형도이다.
도 7은 부하시 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호로부터 외력을 측정할 때 측정 오차를 처리하는 제2 예를 보여주는 파형도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 구동축의 외력 측정 장치의 시뮬레이션을 통해 외력을 측정하는 과정을 보여주는 그래프들이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 구동축의 외력 측정 방법에 있어서, 속도와 분해능의 관계를 알아보기 위한 시뮬레이션을 보여주는 그래프들이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 구동축의 외력 측정 장치를 구비한 로봇 관절을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 로봇 관절(100)은 구동기(10), 관절(50) 및 구동축(13)의 외력 측정 장치(90; 이하 '외력 측정 장치'라 함)를 포함한다. 구동기(10)는 일측으로 돌출된 구동축(13)을 구비한다. 관절(50)은 구동축(13)의 일단에 체결된다. 그리고 외력 측정 장치(90)는 구동기(10)의 구동축(13)에 설치되며, 관절(50)에 작용하는 외력에 따른 구동축(13)에 발생되는 비틀림에 따른 토크(τ)를 측정한다.
여기서 구동기(10)는 구동축(13)을 통하여 관절(50)에 회전력을 전달하는 기구로서, 예컨대 모터 또는 액추에이터일 수 있다. 이러한 구동기(10)는 구동기 몸체(11)와, 구동기 몸체(11)에서 일측으로 돌출된 구동축(13)을 구비할 수 있다. 구동축(13)은 토크가 측정되는 부분이기 때문에, 토크바 또는 토션바에 해당된다.
관절(50)은 구동축(13)의 단부에 체결되어 설치되며, 구동기(10)의 구동에 따라 회전할 수 있다.
그리고 외력 측정 장치(90)는 관절(50)에 작용하는 외력에 따른 비틀림(토크)이 발생되는 구동축(13)에 일정 간격을 두고 설치된 제1 및 제2 엔코더(20,30)을 구비한다. 외력 측정 장치(90)는 해당 구동축(13)에 비틀림이 발생 했을 때, 제1 및 제2 엔코더(20,30)에서 출력되는 엔코드 값의 차이로부터 작용하는 토크 즉 외력을 측정한다. 예컨대 제1 및 제2 엔코더(20,30)에서 출력되는 엔코드 값은 펄스 신호로 출력되기 때문에, 외력 측정 장치(90)는 제1 및 제2 엔코더(20,30)에서 출력되는 펄스 신호의 시간 차이로부터 구동축(13)에 작용하는 토크 즉 외력을 측정한다.
이러한 외력 측정 장치(90)는 제1 엔코더(20), 제2 엔코더(30) 및 제어기(40)를 포함한다. 제1 엔코더(20)는 구동기(10)의 구동축(13) 일측에 설치되며, 구동축(13)의 회전에 따른 제1 펄스 신호를 출력한다. 제2 엔코더(30)는 제1 엔코더(20)에서 일정 간격 이격된 구동기(10)의 구동축(13)에 설치되며, 구동축(13)의 회전에 따른 제2 펄스 신호를 출력한다. 그리고 제어기(40)는 제1 및 제2 엔코더(20,30)로부터 제1 및 제2 펄스 신호를 수신한다. 제어기(40)는 구동기(10)의 구동축(13)에 작용하는 외력에 따른 비틀림이 발생되면, 제1 및 제2 엔코더(20,30)로부터 수신한 제1 및 제2 펄스 신호의 차이로부터 토크를 측정한다.
이때 제1 엔코더(20)는 구동기 몸체(11)에 가까운 구동축(13) 부분에 설치되며, 토크 측정 시 기준이 되는 베이스 엔코더(base encoder)이다. 제1 엔코더(20)는 구동축(13)에 결합되는 제1 엔코더 디스크(21)와, 제1 엔코더 디스크(21)의 회전량을 측정하여 제1 펄스 신호로 출력하는 제1 엔코더 리시버(23)를 포함한다. 제1 엔코더(20)로는 증분형 엔코더(incremental encoder)가 사용될 수 있다.
제2 엔코더(30)는 구동기 몸체(11)를 기준으로 제1 엔코더(20)가 설치된 곳 보다는 먼 구동축(13) 부분에 설치되며, 외력에 따른 비틀림이 발생되는 부분에 설치되는 토크 엔코더(torque encoder)이다. 즉 제2 엔코더(30)는 외력이 작용하는 관절(50)에 가까운 쪽의 구동축(13) 부분에 설치된다. 이러한 제2 엔코더(30)는 구동축(13)에 결합되는 제2 엔코더 디스크(31)와, 제2 엔코더 디스크(31)의 회전량을 측정하여 제2 펄스 신호로 출력하는 제2 엔코더 리시버(33)를 포함한다. 제2 엔코더(30)로는 증분형 엔코더가 사용될 수 있다.
그리고 제어기(40)는 외력 측정 장치(90)의 전반적인 제어 동작을 수행한다. 제어기(40)는 구동기(10)의 구동 제어와 더불어 로봇 관절(100)의 구동을 제어할 수 있다.
특히 제어기(40)는 구동축(13)에 작용하는 외력에 따른 토크를 제1 및 제2 엔코더(20,30)로부터 수신하는 제1 및 제2 펄스 신호의 시간 차이로부터 측정한다. 즉 구동축(13)이 외력을 받게 되면 비틀리게 되고, 구동축(13)이 비틀리게 되면 동기화되었던 제1 및 제2 엔코더(20,30)의 제1 및 제2 펄스 신호가 시간 차이를 가지고 출력되는 것을 이용하여 제어기(40)는 구동축(13)에 작용하는 토크를 측정한다.
이때 구동축(13)의 비틀리는 각도는 매우 작지만, 제어기(40)는 제1 및 제2 펄스 신호의 시간 차이에 해당하는 펄스 신호를 고속으로 샘플링할 수 있기 때문에, 제1 및 제2 펄스 신호의 시간 차이로부터 구동축(13)의 토크를 측정할 수 있다.
이러한 구동축(13)의 토크는 수학식 3 또는 수학식 8을 이용하여 측정할 수 있다. 수학식 3 또는 수학식 8에 대해서 후술하도록 하겠다.
이와 같은 본 실시예에 따른 외력 측정 장치(90)를 이용하여 구동축(13)의 외력을 측정하는 방법에 대해서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동축(13)의 외력 측정 방법에 따른 흐름도이다.
먼저 S91단계에서 구동축(13)에 외력이 작용하면, S93단계에서 구동축(13)에 일정 간격으로 설치된 제1 및 제2 엔코더(20,30)로부터 제1 및 제2 펄스 신호를 수신한다.
그리고 S95단계에서 외력 측정 장치(90)는 수신한 제1 및 제2 펄스 신호의 시간 차이로부터 토크를 측정한다.
본 실시예에 따른 외력 측정 장치(90)는 아래와 같은 방식으로 제1 및 제2 엔코더(20,30)로부터 수신한 제1 및 제2 펄스 신호를 이용하여 구동축(13)에 작용하는 외력에 따른 토크를 측정할 수 있다.
먼저 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 구동축(13)에 외력이 미작용시, 즉 무부하시 제1 및 제2 엔코더(20,30)에서 출력되는 제1 및 제2 펄스 신호는 동기화된 것을 확인할 수 있다. 이때 외력 측정 장치(90)는 무부하시 제1 및 제2 엔코더(20,30)에서 출력되는 제1 및 제2 펄스 신호를 동기화시킬 수 있다. 동기화된 제1 및 제2 펄스 신호의 주기 중 하이(hi)인 시간은
Figure 112014043405971-pat00010
로 표시한다.
하지만 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이, 구동축(13)에 외력이 작용하는 경우, 즉 부하시 제1 및 제2 엔코더(20,30)에서 출력되는 펄스 신호의 시간 차이(
Figure 112014043405971-pat00011
)가 발생한다.
이것을 수식으로 풀어보면, 수학식 1이다.
[수학식 1]
Figure 112014043405971-pat00012
여기서
Figure 112014043405971-pat00013
는 토크 발생 시 생기는 구동축(13)의 각도 변화량이고, ω는 각속도를 나타낸다. 제1 및 제2 엔코더(20,30)의 시간 차이에 각속도를 곱하면 제1 및 제2 엔코더(20,30) 사이의 각도 변화량을 수학식 2와 같이 알 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112014043405971-pat00014
τ는 토크, σ는 강성계수를 나타내는데, 일정한 강성계수를 가지는 기구물은 토크와 각도변화량이 비례한다는 것을 알 수 있다. 수학식 1 및 2를
Figure 112014043405971-pat00015
를 이용해 정리하면, 수학식 3이 된다.
[수학식 3]
Figure 112014043405971-pat00016
(여기서, σ은 구동축의 강성계수, ω는 구동축의 각속도,
Figure 112014043405971-pat00017
는 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호의 시간 차이)
한편 수학식 3의 경우, 구동축(13)이 회전하지 않는 경우(
Figure 112014043405971-pat00018
), 언제나
Figure 112014043405971-pat00019
으로 토크 측정이 불가능하다. 또한 수학식 3에 따르면 각속도를 모르면 토크 계산이 불가능하지만, 다음과 같은 수학식을 이용해 토크 계산이 가능하다.
먼저 펄스 신호의 주기 중 하이(hi)인 시간인
Figure 112014043405971-pat00020
를 각속도로 표시하면 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure 112014043405971-pat00021
(수식4)
여기서 R은 엔코더 분해능, η는 펄스 신호의 개수를 각도로 변환하는 각도변환 상수이다. 수학식 4는 하드웨어 상에서 정해지는 것이기 때문에,
Figure 112015100132164-pat00022
는 ω에 따라 다르게 계산된다. 그리고
Figure 112015100132164-pat00023
는 다음 식을 이용해 제어기에서 계산 가능하다.
제어기(40)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 펄스 신호를 고속으로 샘플링할 수 있다. 도 5에서
Figure 112014043405971-pat00024
는
Figure 112014043405971-pat00025
동안 샘플링한 개수이고, S는 샘플링 시간을 나타낸다. 이때
Figure 112014043405971-pat00026
는 아래의 수학식 5로 계산할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112014043405971-pat00027
수학식 5를 수학식 3에 대입하면, 수학식 6-1 및 수학식 6-2로 정리할 수 있고, 이를 통해 각속도를 계산하여 구할 수 있음을 알 수 있다.
[수학식 6-1]
Figure 112014043405971-pat00028
[수학식 6-2]
Figure 112014043405971-pat00029
똑같은 방식으로
Figure 112014043405971-pat00030
를 측정해 보면, 수학식 7로 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112014043405971-pat00031
여기서
Figure 112014043405971-pat00032
는
Figure 112014043405971-pat00033
동안 샘플링한 개수이다.
수학식 6과 수학식 7을 수학식 3에 대입해서 풀어보면, 수학식 8과 같이 토크를 측정할 수 있음 알 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112014043405971-pat00034
(여기서 σ은 강성계수,
Figure 112015100132164-pat00035
는
Figure 112015100132164-pat00036
동안 샘플링한 개수,
Figure 112015100132164-pat00037
는
Figure 112015100132164-pat00038
동안 샘플링한 개수, η은 펄스 신호의 개수를 각도로 변환하는 각도변환상수, R은 엔코더 분해능,
Figure 112015100132164-pat00039
는 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호의 시간 차이,
Figure 112015100132164-pat00040
는 펄스 신호의 주기 중 하이(hi)인 시간)
수학식 8은 계속 변화하는 속도값을 외부에서 들어오지 않아도 내부에서 속도를 계산하고, 그것을 이용해 토크를 측정할 수 있음을 의미한다.
한편 제어기(40)는 샘플링 주기 단위로 토크를 측정하기 때문에, 측정 오차(e)가 발생하게 된다. 제어기(40)는 측정 오차(e)를 아래와 같이 처리할 수 있다.
먼저 측정 오차(e)를 포함한 실제 시간
Figure 112014043405971-pat00041
과
Figure 112014043405971-pat00042
은 수학식 9 및 10으로부터 표현할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112014043405971-pat00043
Figure 112014043405971-pat00044
(수식9)
[수학식 10]
Figure 112014043405971-pat00045
Figure 112014043405971-pat00046
(수식10)
여기서 제어기(40)는 측정 오차(e)를 아래의 두 가지 방법으로 처리할 수 있다.
도 6은 부하시 제1 및 제2 엔코더(20,30)의 펄스 신호로부터 외력을 측정할 때 측정 오차(e)를 처리하는 제1 예를 보여주는 파형도이다.
도 6을 참조하면, 측정 오차(e)를 처리하는 첫 번째 방법은 수학식 11과 같다.
[수학식 11]
Figure 112014043405971-pat00047
Figure 112014043405971-pat00048
Figure 112014043405971-pat00049
Figure 112014043405971-pat00050
여기서
Figure 112014043405971-pat00051
는 측정 오차(e)의 평균값이다.
도 7은 부하시 제1 및 제2 엔코더(20,30)의 펄스 신호로부터 외력을 측정할 때 측정 오차(
Figure 112014043405971-pat00052
)를 처리하는 제2 예를 보여주는 파형도이다.
도 7을 참조하면, 측정 오차(
Figure 112014043405971-pat00053
)를 처리하는 두 번째 방법은 수학식 12와 같다.
[수학식 12]
Figure 112014043405971-pat00054
Figure 112014043405971-pat00055
Figure 112014043405971-pat00056
Figure 112014043405971-pat00057
여기서
Figure 112014043405971-pat00058
는 측정 오차(
Figure 112014043405971-pat00059
)의 평균값이다.
측정된
Figure 112014043405971-pat00060
의 일정 개수를 평균을 통해 구한다고 가정 했을 때, 위 두 가지 방식을 각각 수학식 8에 적용을 해보면 다음과 같이 정리할 수 있다.
먼저 첫 번째 방법에 적용한 경우, 수학식 13으로 정리할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112014043405971-pat00061
Figure 112014043405971-pat00062
두 번째 방법에 작용한 경우, 수학식 14로 정리할 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112014043405971-pat00063
Figure 112014043405971-pat00064
수학식 13과 수학식 14를 비교해 보았을 때, 두 번째 방법으로 에러(e)를 처리하는 것이 더 효율적임을 알 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 외력 측정 장치(90)가 구동축(13)에 작용하는 외력을 측정하는 예를 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같은 시뮬레이션을 통하여 확인할 수 있다. 여기서 도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 구동축의 외력 측정 장치의 시뮬레이션을 통해 외력을 측정하는 과정을 보여주는 그래프들이다. 여기서 도 9는 도 8의 A 부분의 확대도이다. 시뮬레이션은 매트랩으로 실행하였다.
먼저 속도가 일정하게 유지된다고 가정 했을 때, 제1 및 제2 엔코더 사이의 펄스 신호의 시간 차이를 변화시켜 보았다. 샘플링 간격은 200ns, 최소 시간 단위는 10ns로 펄스 신호의 시간 차이를 10ns씩 증가시켜 토크가 어떤 식으로 나오는지 확인해 보았다.
시뮬레이션에서 x축은 제1 및 제2 엔코더 사이의 시간 차이를 나타내며, y축은 발생한 시간 차이 동안 몇 번의 샘플링을 했는지 카운트 한 것이다. 구동축에 작용하는 토크는 수학식 8, 즉
Figure 112014043405971-pat00065
으로부터 측정할 수 있다.
도 9를 참조하면, 샘플링 간격이 200ns 이므로,
Figure 112014043405971-pat00066
가 200ns 커질 때마다
Figure 112014043405971-pat00067
의 값도 같이 변하는 것을 볼 수 있다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 구동축의 외력 측정 방법에 있어서, 속도와 분해능의 관계를 알아보기 위한 시뮬레이션을 보여주는 그래프들이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 샘플링 간격은 100ns, S=2us , R=2500 이고, 0부터 일정 토크까지 도달시켜서
Figure 112014043405971-pat00068
에서 상수를 제외한
Figure 112014043405971-pat00069
에서 분모인
Figure 112014043405971-pat00070
의 값으로 특정 속도에서의 최대 분해능을 알아보았다.
구동축의 속도가 20, 10, 5 rpm 으로 변해도 측정되는 외력은 변화가 없지만, 분해능에는 차이가 있는 것을 볼 수 있다. 즉 분해능은 속도에 반비례하는 하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 외력 측정 장치(90)는 외력에 따른 비틀림(토크)이 발생되는 구동축(13)에 일정 간격을 두고 제1 및 제2 엔코더(20,30)를 설치하고, 해당 구동축(13)에 비틀림이 발생 했을 때, 제1 및 제2 엔코더(20,30)에서 측정되는 펄스 신호의 차이로부터 구동축(13)에 작용하는 토크 즉 외력을 측정할 수 있다.
본 실시예에 따른 외력 측정 장치는 구동기(10)의 구동축(13)에 설치된 제1 및 제2 엔코더(20,30)를 이용하여 토크를 측정하기 때문에, 노이즈 없이 구동축(13)에 작용하는 외력을 측정할 수 있다.
그리고 구동기(10)의 구동축 부분은 로봇 관절(100)의 내부에 설치되기 때문에, 로봇 관절(100)에 작용하는 외력에 따라 구동축(13)의 외력 측정 장치(90)가 손상되는 것을 억제할 수 있다.
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.
10 : 구동기
11 : 구동기 몸체
13 : 구동축
20 : 제1 엔코더
21 : 제1 엔코더 디스크
23 : 제1 엔코더 리시버
30 : 제2 엔코더
31 : 제2 엔코더 디스크
33 : 제2 엔코더 리시버
40 : 제어기
50 : 관절
90 : 외력 측정 장치
100 : 로봇 관절

Claims (10)

  1. 구동기의 구동축 일측에 설치되며, 상기 구동축의 회전에 따른 제1 펄스 신호를 출력하는 제1 엔코더;
    상기 제1 엔코더에서 일정 간격 이격된 상기 구동기의 구동축에 설치되며, 상기 구동축의 회전에 따른 제2 펄스 신호를 출력하는 제2 엔코더;
    상기 제1 및 제2 엔코더로부터 제1 및 제2 펄스 신호를 수신하고, 상기 구동기의 구동축에 작용하는 외력에 따른 비틀림이 발생되면, 상기 제1 및 제2 엔코더로부터 수신한 제1 및 제2 펄스 신호의 시간 차이로부터 토크(τ)를 측정하는 제어기;를 포함하되,
    상기 제어기는,
    아래의 수학식으로 상기 구동축의 토크를 측정하는 것을 특징으로 하는 구동축의 외력 측정 장치.
    Figure 112015100132164-pat00110
    (수학식)
    (여기서 σ은 강성계수,
    Figure 112015100132164-pat00111
    는
    Figure 112015100132164-pat00112
    동안 샘플링한 개수,
    Figure 112015100132164-pat00113
    는
    Figure 112015100132164-pat00114
    동안 샘플링한 개수, η은 펄스 신호의 개수를 각도로 변환하는 각도변환상수, R은 엔코더 분해능,
    Figure 112015100132164-pat00115
    는 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호의 시간 차이,
    Figure 112015100132164-pat00116
    는 펄스 신호의 주기 중 하이(hi)인 시간)
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
    외력 미작용시 상기 제1 및 제2 엔코더에서 출력되는 동기화된 펄스 신호에 대해서, 외력 작용시 상기 제1 및 제2 엔코더에서 출력되는 펄스 신호의 시간 차이로부터 상기 구동축의 토크를 측정하는 것을 특징으로 하는 구동축의 외력 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어기는,
    아래의 수학식으로 상기 구동축의 토크를 측정하는 것을 특징으로 하는 구동축의 외력 측정 장치.
    Figure 112014043405971-pat00071
    (수학식)
    (여기서, σ은 구동축의 강성계수, ω는 구동축의 각속도,
    Figure 112014043405971-pat00072
    는 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호의 시간 차이)
  4. 삭제
  5. 구동축을 구비하는 구동기;
    상기 구동축의 일단에 체결되는 관절;
    상기 구동기의 구동축에 설치되며, 상기 관절에 작용하는 외력에 따른 상기 구동축에 작용하는 토크를 측정하는 구동축의 외력 측정 장치;를 포함하며,
    상기 외력 측정 장치는,
    상기 구동기의 구동축 일측에 설치되며, 상기 구동축의 회전에 따른 제1 펄스 신호를 출력하는 제1 엔코더;
    상기 제1 엔코더에서 일정 간격 이격된 상기 구동기의 구동축에 설치되며, 상기 구동축의 회전에 따른 제2 펄스 신호를 출력하는 제2 엔코더;
    상기 제1 및 제2 엔코더로부터 제1 및 제2 펄스 신호를 수신하고, 상기 구동기의 구동축에 작용하는 외력에 따른 비틀림이 발생되면, 상기 제1 및 제2 엔코더로부터 수신한 제1 및 제2 펄스 신호의 시간 차이로부터 토크(τ)를 측정하는 제어기;를 포함하되,
    상기 제어기는,
    아래의 수학식으로 상기 구동축의 토크를 측정하는 것을 특징으로 하는 구동축의 외력 측정 장치를 구비하는 로봇 관절.
    Figure 112015100132164-pat00117
    (수학식)
    (여기서 σ은 강성계수,
    Figure 112015100132164-pat00118
    는
    Figure 112015100132164-pat00119
    동안 샘플링한 개수,
    Figure 112015100132164-pat00120
    는
    Figure 112015100132164-pat00121
    동안 샘플링한 개수, η은 펄스 신호의 개수를 각도로 변환하는 각도변환상수, R은 엔코더 분해능,
    Figure 112015100132164-pat00122
    는 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호의 시간 차이,
    Figure 112015100132164-pat00123
    는 펄스 신호의 주기 중 하이(hi)인 시간)
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어기는,
    아래의 수학식으로 상기 구동축의 토크를 측정하는 것을 특징으로 하는 구동축의 외력 측정 장치를 구비하는 로봇 관절.
    Figure 112014043405971-pat00080
    (수학식)
    (여기서, σ은 구동축의 강성계수, ω는 구동축의 각속도,
    Figure 112014043405971-pat00081
    는 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호의 시간 차이)
  7. 삭제
  8. 외력 측정 장치는 구동기의 구동축에 작용하는 외력에 따른 비틀림이 발생되면, 상기 구동축에 일정 간격으로 설치된 제1 엔코더 및 제2 엔코더로부터 출력되는 제1 및 제2 펄스 신호를 수신하는 단계;
    상기 외력 측정 장치는 수신한 상기 제1 및 제2 펄스 신호의 시간 차이로부터 토크(τ)를 측정하는 단계;를 포함하되,
    상기 측정하는 단계에서,
    아래의 수학식으로 상기 구동축의 토크를 측정하는 것을 특징으로 하는 구동축의 외력 측정 방법.
    Figure 112015100132164-pat00124
    (수학식)
    (여기서 σ은 강성계수,
    Figure 112015100132164-pat00125
    는
    Figure 112015100132164-pat00126
    동안 샘플링한 개수,
    Figure 112015100132164-pat00127
    는
    Figure 112015100132164-pat00128
    동안 샘플링한 개수, η은 펄스 신호의 개수를 각도로 변환하는 각도변환상수, R은 엔코더 분해능,
    Figure 112015100132164-pat00129
    는 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호의 시간 차이,
    Figure 112015100132164-pat00130
    는 펄스 신호의 주기 중 하이(hi)인 시간)
  9. 제8항에 있어서, 상기 측정하는 단계에서,
    아래의 수학식으로 상기 구동축의 토크를 측정하는 것을 특징으로 하는 구동축의 외력 측정 방법.
    Figure 112014043405971-pat00089
    (수학식)
    (여기서, σ은 구동축의 강성계수, ω는 구동축의 각속도,
    Figure 112014043405971-pat00090
    는 제1 및 제2 엔코더의 펄스 신호의 시간 차이)
  10. 삭제
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