KR101633287B1 - 케이블 구동장치의 토크측정장치 및 토크측정방법 - Google Patents

Abstract

케이블을 사용하는 구동장치의 토크를 측정하는 장치 및 방법을 개시한다. 토크측정장치는 케이블과, 상기 케이블의 일측에서 회전 가능하게 설치되는 아이들풀리와, 상기 케이블의 타측에서 회전 가능하게 설치되는 아웃풋풀리를 포함하는 구동장치에 적용되는 것으로서, 상기 케이블의 장력을 측정하기 위하여 상기 아이들풀리와 상기 아웃풋풀리 사이에 설치되는 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

케이블 구동장치의 토크측정장치 및 토크측정방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING TORQUE OF CABLE ACTUATOR}

본 발명은 케이블 구동장치의 토크를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

로봇 등의 관절을 구동하는 방식으로 모터 및 모터에 연결된 감속기를 이용하여 관절을 구동하는 방식과 케이블을 이용하여 관절을 구동하는 방식이 있다.

이 중 케이블을 이용하여 관절을 구동하는 방식의 일 예는 인간의 근육과 같은 구조의 구동장치를 구비하는데, 모터에 연결된 풀리에 케이블을 감아 당김으로써 회전 가능하게 설치된 관절을 회전시켜 이와 연결된 링크를 동작시킨다.

구동장치가 구동할 때 관절에 가해지는 토크를 감지하고 측정하는 것이 필요하다. 이를 위하여 종래에는 관절의 안쪽에 토크센서를 장착하고 모터의 구동력이 이 토크센서를 거침으로써 토크를 측정하는 방법을 이용하였다.

그러나 이러한 방법은 토크센서가 고가라는 점, 토크센서로 측정하고자 하는 방향 외의 토크나 힘을 차단하기 위한 별도의 장치가 필요하다는 점, 토크센서의 장착을 위하여 관절 내부에 공간이 필요하다는 점이 문제가 된다.

본 발명의 일 측면은 별도의 토크센서를 사용하지 않고, 로드셀이 측정한 케이블의 장력을 이용하여 관절에 작용하는 토크를 측정하는 장치 및 방법을 개시한다.

본 발명의 사상에 따른 토크측정장치는 케이블과, 상기 케이블의 일측에 연결되는 아이들풀리와, 상기 케이블의 타측에 연결되며 상기 아이들풀리와 연동하여 상기 케이블의 운동에 따라 구동되는 아웃풋풀리를 포함하는 케이블 구동장치에 적용되는 것으로서, 상기 케이블의 장력을 측정하기 위하여 상기 아이들풀리와 상기 아웃풋풀리 사이에 설치되는 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

토크측정장치는 상기 아이들풀리와 상기 아웃풋풀리 사이에 설치되는 하나 이상의 피봇수단을 더 포함할 수 있다.

상기 피봇수단은 스틸볼일 수 있다.

또한 본 발명의 사상에 따른 토크측정방법은 케이블과, 상기 케이블의 일측에 연결되는 아이들풀리와, 상기 케이블의 타측에 연결되며 상기 아이들풀리와 연동하여 상기 케이블의 운동에 따라 구동되는 아웃풋풀리를 포함하는 케이블 구동장치에 적용되는 것으로서, 상기 아이들풀리와 상기 아웃풋풀리 사이에 로드셀을 설치하고; 상기 케이블 구동장치가 구동 할 때 상기 로드셀을 이용하여 상기 아이들풀리에 연결된 상기 케이블의 장력을 측정하고; 상기 케이블의 장력 측정 값을 이용하여 상기 아웃풋풀리에 작용하는 토크를 계산하는 것을 특징으로 한다.

백래쉬를 방지하기 위하여 상기 케이블에 초기장력을 작용할 수 있다.

상기 아이들풀리와 상기 아웃풋풀리 사이에 피봇수단을 더 포함하여 상기 케이블의 장력을 측정할 수 있다.

상기 피봇수단은 스틸볼일 수 있다.

위와 같은 구성을 가지는 토크측정장치 및 토크측정방법은 고가의 토크센서 대신 저가의 로드셀을 사용하기 때문에 케이블 구동장치의 생산 비용을 줄일 수 있고, 출력단에 토크센서 설치 공간을 필요로 하지 않는 이점이 있고, 외부에서 케이블 구동장치로 전달되는 힘으로 인한 회전력의 측정오류를 줄일 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크측정장치를 구비하는 케이블 구동장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 토크측정장치를 구비하는 케이블 구동장치를 분해하여 나타낸 사시도이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동장치(1)는 정, 역회전 가능하게 마련된 구동모터(20)와, 구동모터(20)와 결합하여 구동모터(20)의 회전에 따라 직선 운동하는 이동부재(35)를 구비하는 볼스크류장치(30)와, 볼스크류장치(30) 연결되는 케이블(40)과, 케이블(40)의 일측에 회전 가능하게 설치되는 아이들풀리(50)와, 케이블(40)의 타측에서 회전 가능하게 설치되는 아웃풋풀리(60)와, 아이들풀리(50)와 아웃풋풀리(60) 사이에 설치되는 토크측정장치를 포함하여 구성된다.

구동모터(20)는 정,역 방향으로 회전 가능한 것으로 마련된다. 구동모터(20) 는 모터브라켓(25)에 설치되어 프레임(10)에 체결될 수 있다.

볼스크류장치(30)는 구동모터(20)가 정방향 또는 역방향으로 회전하는 경우 상하로 직선 운동하는 이동부재(35)를 구비한다.

케이블(40)은 구동모터(20)의 구동력으로 아웃풋풀리(60)를 회전시킬 수 있도록 소정의 장력을 유지하면서 아이들풀리(50)와 아웃풋풀리(60)에 연결된다. 케이블(40)은 바람직하게는 스틸재질로 마련되어, 원반형의 아이들풀리(50)와 아웃풋풀리(60)를 감싸도록 설치된다.

케이블(40)은 조절유닛을 통하여 그 일측단의 오른나사부와 타측단의 왼나사부를 결합하여 두 가닥이 나란히 배치된 형태로 조립될 수 있다. 조립이 완료된 케이블(40)은 아이들풀리(50)의 외주 상측과 아웃풋풀리(60)의 외주 하측을 감싸도록 설치된다. 즉, 케이블(40)의 일단부는 아웃풋풀리(60)가 구동모터(20)의 동력을 전달받을 수 있도록 아웃풋풀리(60)에 감기도록 설치되고, 케이블(40)의 타단부는 케이블(40)의 장력 조절을 위해 별도로 설치되는 아이들풀리(50)에 감기도록 설치된다.

아이들풀리(50)는 아이들풀리브라켓(55)과 결합된 상태로 프레임(10)에 체결될 수 있다.

토크측정장치는 버튼 타입의 로드셀(110)을 포함하여 구성된다. 로드셀(110)은 아이들풀리(50)와 아웃풋풀리(60) 사이에 설치되어 아이들풀리(50)에 감긴 케이블(40)에 작용하는 장력을 측정한다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크측정장치를 구비하는 케이블 구동 장치에서 토크측정장치를 확대하여 도시한 도면이고, 도 3b는 도 3a를 간략하게 도시한 도면이다.

토크측정장치는 아이들풀리(50)에 연결된 케이블(40)의 장력을 측정하기 위하여 버튼 타입의 로드셀(110)을 포함하여 구성된다.

로드셀(110)은 아이들풀리(50)와 아웃풋풀리(60) 사이에 설치된다.

케이블 구동장치에 아이들풀리브라켓(55)이 구비되어 있는 경우 로드셀(110)은 아이들풀리브라켓(55)과 프레임(10) 사이에 설치될 수 있다.

아이들풀리브라켓(55) 내지 프레임(10)의 어느 하나에는 로드셀 장착홈(115)이 마련되는 것이 바람직하다. 아이들풀리브라켓(55)에 로드셀 장착홈(115)이 마련된 경우 로드셀(110)의 바닥면을 아이들풀리브라켓(55)의 로드셀 장착홈(115)에 삽입하고 로드셀(110)의 버튼(111)을 프레임(10)에 맞닿도록 설치한다. 프레임(10)에 로드셀 장착홈(115)이 마련된 경우 로드셀(110)의 바닥면을 프레임(10)의 로드셀 장착홈(115)에 삽입하고 로드셀(110)의 버튼(111)을 아이들풀리브라켓(55)에 맞닿도록 설치한다.

케이블 구동장치가 구동하면 아이들풀리(50)에 작용하는 케이블(40)의 장력과 로드셀(110)이 아이들풀리(50)를 밀어내는 항력이 평형을 이루기 때문에 로드셀(110)의 출력값을 이용하여 케이블(40)의 장력을 측정할 수 있다.

토크측정장치는 아이들풀리(50)와 아웃풋풀리(60) 사이에 설치되는 하나 이상의 피봇수단(120)을 더 포함할 수 있다. 피봇수단(120)은 아이들풀리(50)에 장력이 작용할 때 피봇 역할을 하여, 피봇수단(120)과 로드셀(110)이 동시에 케이 블(40)의 장력을 지지하도록 한다.

케이블 구동장치에 아이들풀리브라켓(55)이 구비되어 있는 경우 피봇수단(120)은 아이들풀리브라켓(55)과 프레임(10) 사이에 설치될 수 있다.

피봇수단(120)으로는 피봇 역할을 수행할 수 있는 다양한 장치가 이용될 수 있고, 스틸볼 또는 힌지 일 수 있다. 피봇수단(120)이 스틸볼인 경우 스틸볼의 임의 이탈을 막기 위하여 아이들풀리브라켓(55) 내지 프레임(10)의 어느 하나에는 스틸볼 고정홈(125)이 마련될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크측정장치를 구비하는 케이블 구동장치에서 토크측정방법을 도시한 도면이다.

토크측정방법은 케이블(40)과, 케이블(40)의 일측에 연결되는 아이들풀리(50)와, 케이블(40)의 타측에 연결되며 아이들풀리(50)와 연동하여 케이블(40)의 운동에 따라 구동되는 아웃풋풀리(60)를 포함하는 케이블 구동장치에 적용되는 것으로서, 아이들풀리(50)와 아웃풋풀리(60) 사이에 로드셀(110)을 설치하고, 케이블 구동장치가 구동할 때 로드셀(110)을 이용하여 아이들풀리(50)에 연결된 케이블(40)의 장력을 측정하고, 케이블(40)의 장력 측정 값을 이용하여 아웃풋풀리(60)에 작용하는 토크를 계산한다.

케이블 구동장치는 케이블(40)을 아웃풋풀리(60)에 밀착 고정하여 케이블(40)이 아웃풋풀리(60)와 상대운동하지 않도록 하는 클램프(70)를 포함하는 것이 바람직하다.

케이블 구동장치에 로드셀(110)을 설치하는 과정은 중복 설명을 피하기 위하 여 생략한다.

토크측정방법은 케이블(40)에 초기장력이 작용하도록 하는 것을 포함할 수 있다. 케이블(40)에 초기장력을 작용하도록 하면, 케이블 구동장치가 정방향 또는 역방향으로 임의로 구동할 때 케이블(40)이 느슨해져서 백래쉬가 발생하는 현상을 방지할 수 있다.

도 4에 도시된 기호에 대하여 설명하면, Tp 는 케이블(40)에 작용하는 초기장력이고, Tp+T1 은 로드셀(110)을 이용하여 측정된 아이들풀리(50)의 장력이고, Tp-T2 는 클램프(70)를 기준으로 이동부재(35)와 연결되는 케이블(40)의 장력이고, m 은 아웃풋샤프트(80)의 무게에 의한 외부하중이고, R 은 아웃풋풀리(60)의 반경이고, L 은 아웃풋풀리(60)의 중심에서 외부하중의 작용점까지의 거리이고, F 는 외부하중에 의하여 아웃풋풀리(60)에 작용하는 토크이다.

케이블 구동장치가 구동할 때 케이블(40)은 정방향 또는 역방향으로 움직이게 되고, 아이들풀리(50)에 연결된 상기 케이블(40)에 장력이 작용한다. 이 때, 아이들풀리(50)에 작용하는 케이블(40)의 장력과 로드셀(110)이 아이들풀리(50)를 밀어내는 항력이 평형을 이루기 때문에 로드셀(110)의 출력값을 이용하여 케이블(40)의 장력 Tp+T1 을 측정할 수 있다.

그리고, 아웃풋풀리(60)에서 클램프(70)를 기준으로 아이들풀리(50)와 연결되는 일측 케이블(40)의 장력은 앞서 측정한 아이들풀리(50)의 장력 Tp+T1 과 동일하다.

케이블 구동장치가 구동할 때 아웃풋풀리(60)에 감긴 케이블(40)은 클램 프(70)에 의하여 아웃풋풀리(60)에 고정되어 있기 때문에 클램프(70)를 기준으로 일단 케이블(40)에 작용하는 장력과 타단 케이블(40)에 작용하는 장력은 서로 다른 값을 갖게 된다. 클램프(70)를 기준으로 이동부재(35)와 연결되는 타측 케이블(40)의 장력은 일측 케이블(40)의 장력 Tp+T1 과 비교하여 작은 값 Tp-T2 을 갖는다.

아웃풋풀리(60)에 작용하는 시계방향의 모멘트 (Tp-T2)*R, F 와 반시계방향의 (Tp+T1)*R 는 모멘트 평형을 이루기 때문에, 외부하중에 의하여 아웃풋풀리(60)에 작용하는 토크 F 는 (T1+T2)*R 이 된다.

T1 과 T2 는 그 값이 서로 비례한다고 볼 수 있으므로, T2 를 T1 으로 나눈 값 T2/T1 은 일정한 값을 갖게 되고, 이 값은 초기 교정(Calibration) 과정에서 케이블 구동장치에 규격회전력을 인가하여 계산할 수 있다

결국, T1 값을 측정하면 케이블 구동장치가 구동할 때 외부하중에 의하여 아웃풋풀리(60)에 작용하는 토크 F 를 계산할 수 있다

한편, 케이블(40)의 장력을 측정할 때 아이들풀리(50)와 아웃풋풀리(60) 사이에 피봇수단(120)을 더 포함하여 케이블(40)의 장력을 측정할 수 있다. 피봇수단(120)을 설치하는 공정 및 피봇수단(120)으로 사용될 수 있는 구조에 관하여는 이미 앞서 설명하였기 때문에 중복 설명을 피하기 위하여 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크측정장치를 구비하는 케이블 구동장치의 구성을 도시한 도면.

도 2는 도 1의 토크측정장치를 구비하는 케이블 구동장치를 분해하여 나타낸 사시도.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크측정장치를 구비하는 케이블 구동장치에서 토크측정장치를 확대하여 도시한 도면.

도 3b는 도 3a를 간략하게 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크측정장치를 구비하는 케이블 구동장치에서 토크측정방법을 도시한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

1 : 케이블 구동장치 10 : 프레임

20 : 구동모터 25 : 모터브라켓

30 : 볼스크류장치 35 : 이동부재

40 : 케이블 50 : 아이들풀리

55 : 아이들풀리브라켓 60 : 아웃풋풀리

70 : 클램프 80 : 아웃풋샤프트

110 : 로드셀 120 : 피봇수단

Claims (7)

1. 프레임과, 케이블과, 상기 케이블의 일측에 연결되는 아이들풀리와, 상기 아이들풀리를 지지하는 아이들풀리브라켓과, 상기 케이블의 타측에 연결되며 상기 아이들풀리와 연동하여 상기 케이블의 운동에 따라 구동되는 아웃풋풀리를 포함하는 케이블 구동장치에 적용되는 토크측정장치에 있어서,

   상기 케이블의 장력을 측정하기 위하여 상기 아이들풀리브라켓과 상기 프레임 사이의 일측에 설치되는 로드셀;과, 상기 아이들풀리브라켓과 상기 프레임 사이의 타측에 설치되는 하나 이상의 피봇수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크측정장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 피봇수단은 스틸볼인 것을 특징으로 하는 토크측정장치.
4. 프레임과, 케이블과, 상기 케이블의 일측에 연결되는 아이들풀리와, 상기 아이들풀리를 지지하는 아이들풀리브라켓과, 상기 케이블의 타측에 연결되며 상기 아이들풀리와 연동하여 상기 케이블의 운동에 따라 구동되는 아웃풋풀리를 포함하는 케이블 구동장치에 적용되는 토크측정방법에 있어서,

   상기 아이들풀리브라켓과 상기 프레임 사이의 일측에 로드셀을 설치하고;

   상기 아이들풀리브라켓과 상기 프레임 사이의 타측에 하나 이상의 피봇수단을 설치하고;

   상기 케이블 구동장치가 구동할 때 상기 로드셀을 이용하여 상기 아이들풀리에 연결된 상기 케이블의 장력을 측정하고;

   상기 케이블의 장력 측정 값을 이용하여 상기 아웃풋풀리에 작용하는 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 토크측정방법.
5. 제4항에 있어서,

   백래쉬를 방지하기 위하여 상기 케이블에 초기장력을 작용하는 것을 특징으로 하는 토크측정방법.
6. 삭제
7. 제4항에 있어서,

   상기 피봇수단은 스틸볼인 것을 특징으로 하는 토크측정방법.

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