KR101653914B1 - 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수평 방향 및 수직 방향으로 가해지는 외력을 정밀하게 측정할 수 있는 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 힘 센서는 외력에 따라 위치가 변화하는 접지된 도전체로서, 평판 형태의 도전체인 평판 모듈과, 상기 평판 모듈의 하면에 돌출되게 형성된 도전체인 돌출 모듈을 포함하여 형성되는 그라운드부, 평판 형태의 기판으로서, 상기 평판 모듈의 하면으로부터 미리 정해진 간격 이상 이격되어 형성되되, 상기 돌출 모듈이 삽입될 수 있는 홀이 형성된 기판부, 상기 기판부의 상면에 형성되는 전극으로서, 전원을 인가받으면 상기 평판 모듈과 함께 정전용량을 형성하는 제1 전극부 및 상기 기판부의 홀에 인접하게 형성된 전극으로서, 전원을 인가받으면 상기 돌출 모듈과 함께 정전용량을 형성하는 제2 전극부를 포함하여 이루어짐으로써, 정전용량의 변화를 이용하여 수평 방향 및 수직 방향으로 가해지는 외력을 정밀하게 측정할 수 있다.

Description

힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치{FORCE SENSOR AND MULTYAXIAL FORCE/TORQUE SENSOR USING THE SAME}

본 발명은 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 정밀한 외력 측정이 가능한 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치에 관한 것이다.

산업용 로봇과 같은 기계 장치에는 작업 도중 가해지는 힘이나 토크를 측정하기 위한 센서가 구비된다.

이때, 기계 장치에는 다양한 방향으로 힘과 토크가 가해지면서 기계 장치의 동작에 영향을 미치므로, 기계 장치의 정확한 제어를 위해서는 이러한 힘과 토크를 측정할 수 있는 센서가 요구되었다.

한국 등록특허 제10-1470160호는 다양한 방향의 힘과 토크를 측정할 수 있는 평판형 힘/토크 센서에 관한 것으로, 센서셀에 수직으로 외력이 가해지면 제1 전극과 제2 전극 사이의 거리가 줄어들면서 커패시턴스 값이 증가하고, 센서셀에 수평으로 외력이 가해지면 제1 전극과 제2 전극 사이의 대향 면적이 줄어들게 되면서 커패시턴스 값이 줄어드는 원리를 이용하여 수직항력과 수평항력을 측정할 수 있는 센서가 개시되었다.

하지만 상기와 같은 전극 구조의 경우 전극 사이의 거리에 따른 커패시턴스 값의 변동은 크지만, 대향 면적에 따른 커패시턴스 값은 변동은 크지 않아 정밀한 수평항력의 측정이 어려운 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수직 방향 및 수평 방향의 외력을 정밀하게 측정할 수 있는 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 정전 용량의 변화가 크고 외부의 충격에 쉽게 탈락되지 않는 전극 구조를 형성하는 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치를 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명에 따른 힘 센서는, 외력에 따라 위치가 변화하는 접지된 도전체로서 평판 형태의 도전체인 평판 모듈과, 상기 평판 모듈의 하면에 돌출되게 형성된 도전체인 돌출 모듈을 포함하여 형성되는 그라운드부, 평판 형태의 기판으로서, 상기 평판 모듈의 하면으로부터 미리 정해진 간격 이상 이격되어 형성되되, 상기 돌출 모듈이 삽입될 수 있는 홀이 형성된 기판부, 상기 기판부의 상면에 형성되는 전극으로서, 전원을 인가받으면 상기 평판 모듈과 함께 정전용량을 형성하는 제1 전극부 및 상기 기판부의 홀에 인접하게 형성된 전극으로서, 전원을 인가받으면 상기 돌출 모듈과 함께 정전용량을 형성하는 제2 전극부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 돌출 모듈과 상기 제2 전극부 사이의 이격 거리는 상기 평판 모듈과 상기 제2 전극부 사이의 이격 거리보다 더 작도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 평판 모듈은 상기 제2 전극부와 평면적으로 중첩되는 영역에 홈을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 평판 모듈과 상기 제1 전극부 사이의 이격 거리는 상기 돌출 모듈과 상기 제1 전극부 사이의 이격 거리보다 더 작도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 전극부는 상기 기판부의 홀 일측면에 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 전극부는 상기 기판부의 홀 일측면, 상면 및 하면을 ㄷ자 형태로 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 전극부는 상기 기판부를 관통하여 I자 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 평판 모듈과 상기 기판부 사이에 형성되는 탄성체를 더 포함하며, 상기 탄성체는 외력에 따라 수축하고 상기 외력이 제거되면 원복되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기판부에 형성되어 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 정전용량을 측정하는 정전용량 측정부를 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명에 따른 다축 힘/토크 측정 장치는 세 개 이상의 힘 센서 및 상기 힘 센서에 작용하는 힘과 토크를 구하는 연산부를 포함하고, 상기 힘 센서는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 센서로서 서로 다른 방위각을 갖도록 결합되며, 상기 연산부는 상기 세 개 이상의 힘 센서의 제1 전극부와 제2 전극부로부터 측정된 정전용량 값을 이용하여 다축 힘과 토크를 구하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 평판 모듈 및 제1 전극부 사이의 정전용량과, 돌출 모듈 및 제2 전극부 사이의 정전 용량의 변화 이용하여 수평 방향의 힘과 수직 방향의 힘을 정밀하게 측정할 수 있는 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치가 제공된다.

또한, 제2 전극부의 형태를 ㄷ 또는 I 형태로 형성함으로써, 정전 용량의 변화를 크게 하고 외부의 충격에 쉽게 탈락되지 않도록 하는 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 힘 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 힘 센서의 단면도이다.
도 3은 개선된 제2 전극부의 형태를 도시한 것이다.
도 4는 그라운드부에 수직방향으로 외력이 가해졌을 때 제1 전극부와 제2 전극부의 정전용량 변화를 도시한 것이다.
도 5는 그라운드부에 수평방향으로 외력이 가해졌을 때 제1 전극부와 제2 전극부의 정전용량 변화를 도시한 것이다.
도 6은 개선된 평판 모듈의 형태를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘 센서의 구조를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 다축 힘/토크 측정 장치를 도시한 것이다.

본 발명은 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치에 관한 것으로 도 1 내지 도 8을 참고로 본 발명에 따른 장치를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 힘 센서의 사시도이고, 도 2는 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서는 그라운드부(100), 기판부(200), 제1 전극부(300) 및 제2 전극부(400)를 포함하여 구성된다.

그라운드부(100)는 외력을 전달받으면 그에 따라 위치가 변화하는 접지된 도전체로서, 도면에 도시된 것과 같이 평판 형태의 도전체인 평판 모듈(110)과 상기 평판 모듈 하면에 돌출되게 형성된 돌출 모듈(120)을 포함하여 구성된다.

기판부(200)는 상기 평판 모듈(110)의 하면으로부터 미리 정해진 간격 이상 이격되어 형성되는 평판 형태의 기판으로, 예를 들어 PCB(PRINTED CIRCUIT BOARD)로 구성될 수 있다.

또한, 기판부는 도면에 도시된 것과 같이 일부분에 홀을 형성하여 상기 돌출 모듈(120)이 홀에 삽입될 수 있도록 구성된다.

제1 전극부(300)는 도 2에 도시된 것과 같이 상기 기판부(200)의 상면에 형성되는 전극으로, 전원을 인가받으면 인접되게 형성된 상기 평판 모듈(110)과 함께 정전용량을 형성하게 된다.

이때, 상기 제1 전극부(300)가 상기 평판 모듈(110)보다 상기 돌출 모듈(120) 쪽에 더 가깝게 형성될 경우, 제1 전극부(300)와 돌출 모듈(120) 사이에 정전 용량이 형성되는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 상기 평판 모듈(110)과 상기 제1 전극부(300) 사이의 이격 거리는 상기 돌출 모듈(120)과 상기 제1 전극부(300) 사이의 이격 거리보다 더 작도록 형성되며, 이는 상기 그라운드부(100)가 외력을 전달받아 그 위치가 변화하더라도 유지될 수 있도록 형성된다.

제2 전극부(400)는 도 2에 도시된 것과 같이 기판부(200)의 홀에 인접하게 형성되는 전극으로, 전원을 인가받으면 돌출 모듈(120)과 함께 정전용량을 형성하게 된다.

따라서, 상기 제1 전극부(300)와는 반대로 상기 제2 전극부(400)는 상기 돌출 모듈(120)과의 이격 거리가 상기 평판 모듈(110)과의 이격 거리보다 더 작도록 형성되며, 이는 상기 그라운드부(100)가 외력을 전달받아 그 위치가 변화하더라도 유지되도록 한다.

그리고, 제2 전극부(400)는 도 2에 도시된 것과 같이 상기 기판부(200)의 홀 일측면에만 형성될 수 있지만, 이러한 형태는 제2 전극부의 면적을 넓게 형성할 수 없어 정전 용량을 높게 형성하기 어렵고, 외부의 충격에 쉽게 탈락되는 문제가 발생할 수 있다.

도 3은 상기와 같은 문제를 해결할 수 있는 제2 전극부의 형태를 도시한 것이다.

먼저, 도 3의 (a)에 도시된 것과 같이 전극부(410)의 형태를 기판부(200)의 홀 일측면, 상면 및 하면에 ㄷ자 형태로 감싸도록 형성함으로써, 전극부의 면적을 늘려 정전 용량을 높게 형성하고 외부의 충격에 쉽게 탈락되지 않도록 할 수 있다.

또한, 도 3의 (b)와 같이 전극부(420)의 형태를 기판부(200)를 관통하여 I자 형태가 되도록 형성함으로써, 전극부의 면적을 늘리고 외부 충격에 따른 탈락을 방지할 수도 있다.

위와 같은 제2 전극부(400)의 형태는 예시적인 형태일 뿐이며 돌출 모듈(120)과의 사이에서 정전 용량을 형성할 수 있도록 기판부(200)에 형성된 어떤 형태의 전극도 제2 전극부(400)로서 사용될 수 있다.

도 4는 그라운드부에 수직방향으로 외력이 가해졌을 때 제1 전극부와 제2 전극부의 정전용량 변화를 도시한 것이다.

도면에 도시된 것과 같이 그라운드부(100)에 수직방향으로 외력이 가해짐에 따라 그 위치가 변화하게 되면서 평판 모듈(110)과 제1 전극부(300) 사이의 거리(PL1)는 점점 줄어들게 되어 평판 모듈(110)과 제1 전극부(300) 사이에 형성되는 정전용량은 점점 커지게 되고, 돌출 모듈(120)과 제2 전극부(400) 사이의 거리(QL1)는 일정하게 유지되면서 돌출 모듈(120)과 제2 전극부(400) 사이에 형성되는 정전용량은 변화가 발생하지 않는다.

따라서, 평판 모듈(110)과 제1 전극부(300)에 형성되는 정전용량의 변화를 이용하면 그라운드부(100)에 수직방향으로 가해지는 외력의 크기를 유추할 수 있다.

도 5는 그라운드부에 수평방향으로 외력이 가해졌을 때 제1 전극부와 제2 전극부의 정전용량 변화를 도시한 것이다.

도면에 도시된 것과 같이 그라운드부(100)에 수평방향으로 외력이 가해짐에 따라 위치가 변화하게 되면서 평판 모듈(110)과 제1 전극부(300) 사이의 거리(PL2)는 일정하게 유지되어 평판 모듈(110)과 제1 전극부(300) 사이에 형성되는 정전용량은 변화가 없지만, 돌출 모듈(120)과 제2 전극부(400) 사이의 거리(QL2)는 늘어나게 되면서 돌출 모듈(120)과 제2 전극부(400) 사이에 형성되는 정전용량은 점점 작아지게 된다.

따라서, 돌출 모듈(120)과 제2 전극부(400)에 형성되는 정전용량의 변화를 이용하면 그라운드부(100)에 수평방향으로 가해지는 외력의 크기를 유추할 수 있다.

도 6은 개선된 평판 모듈의 형태를 도시한 것이다.

도 4에 도시된 것과 같이 그라운드부(100)에 수직 방향으로 외력이 가해질 경우 평판 모듈(110)은 점점 제2 전극부(400)와 가까워지게 되는데, 그에 따라 평판 모듈(110)과 제2 전극부(400) 사이의 거리가 돌출 모듈(120)과 제2 전극부(400) 사이의 거리보다 더 가까워질 경우, 평판 모듈(110)과 제2 전극부(400) 사이에 정전 용량이 형성되면서 수평방향으로 가해지는 외력을 확인할 수 없는 문제가 발생한다.

도 6에 도시된 평판 모듈은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 개선된 형태로, 상기 제2 전극부와 평면적으로 중첩되는 상기 평판 모듈의 영역에 홈(h)을 형성함으로써 평판 모듈(110)과 제2 전극부(400)가 근접하더라도 제2 전극부(400)와 평판 모듈(100) 사이의 거리가 제2 전극부(400)와 돌출 모듈(120) 사이의 거리보다 크도록 하여 제2 전극부(400)와 평판 모듈(100) 사이에 정전 용량이 형성되지 않도록 한다.

위와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서는 힘 센서에 작용하는 외력에 따라 제1 전극부와 평판 모듈 사이의 정전 용량 및 제2 전극부와 돌출 모듈 사이의 정전 용량이 변한다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서에서의 정전용량 변화를 예를 들어 기판부(200)에 형성되는 정전용량 측정부(미도시)에서 측정하고 이를 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서를 이용하는 시스템에 제공하고 시스템은 미리 저장된 정전용량에 따른 외력 테이블을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서에 작용한 외력을 측정할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 힘 센서의 구조를 도시한 것이다.

도면에 도시된 것과 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치는 평판 모듈(110)과 기판부(200) 사이에 탄성체(500)를 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 탄성체는 도 7의 (b)에 도시된 것과 같이 외력에 따라 수축하고 상기 외력이 제거되면 원복하도록 형성됨으로써, 그라운드부(100)에 가해지는 외력이 제거되면 그라운드부(100)가 원래의 위치로 돌아갈 수 있도록 한다.

또한, 상기 탄성부의 탄성력을 조절함으로써 본 발명에 따른 힘 센서가 측정할 수 있는 외력의 크기를 조절할 수 있다.

예를 들어 더욱 상세히 설명하면, 10의 힘이 가해졌을 때 10㎜만큼 수축하는 탄성체를 10의 힘이 가해졌을 때 5㎜만큼 수축하는 탄성력이 더 강한 탄성체로 교체할 경우, 그라운드부(100)에 동일한 외력이 가해지더라도 위치의 변동이 절반으로 줄어들게 되므로 이전과 동일하게 그라운드부의 위치가 변동하더라도 더 큰 외력의 측정이 가능해 진다.

하지만, 상기와 같이 탄성체의 탄성력을 강하게 할 경우 외력의 변화에 따른 탄성체의 수축이 작게 발생하면서 전극부에 형성된 정전 용량의 변화도 작게 발생하게 되므로 정밀한 외력의 변화를 측정하는 것은 어렵게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 힘 센서는 현장에 따라 상기 탄성체의 탄성력을 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.

도 8은 본 발명에 따른 다축 힘/토크 측정 장치를 도시한 것이다.

도면에 도시된 것과 같이 본 발명에 따른 다축 힘/토크 측정 장치는 3개 이상의 힘 센서가 서로 다른 방위각을 갖도록 결합되며, 상기 힘 센서에 작용하는 힘과 토크를 구하는 연산부(미도시)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 힘 센서들을 서로 결합하는데 있어서 서로 다양한 방위각을 형성하도록 결합할 수도 있지만, 가장 바람직하게는 도 8에 도시된 것과 같이 각각의 힘 센서를 동일 평면상에 배치하되 동일 원주 상에 동일한 간격으로 서로 이격되도록 배치함으로써 다양한 방향에서 가해지는 힘과 토크가 각 센서에 균등하게 분배되도록 하는 것이 좋다.

그리고, 본 발명에 따른 다축 힘/토크 측정 장치는 다양한 방향으로 가해지는 힘과 토크에 따라 각각의 힘 센서에 포함된 제1 전극부 및 제2 전극부에 형성되는 정전용량이 변화하게 되므로, 상기 연산부는 이와 같이 변화되는 정전 용량 값을 미리 저장된 테이블에 대입함으로써 다축 힘/토크를 계산할 수 있다.

도 8에 도시된 것과 같이 3개의 힘 센서가 동일 원주 상에 동일한 간격으로 서로 이격되도록 배치된 다축 힘/토크 측정 장치를 예를 들어 힘과 토크를 측정하는 방법을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도면에 도시된 것과 같이 다축 힘/토크 장치에 F방향으로 수평한 힘이 가해질 때 힘 센서 A의 그라운드부(100)가 L 만큼 위치가 이동할 경우, 힘 센서 B 및 C의 그라운드부는 각각 L×Sin30 만큼 이동하게 되므로, 힘 센서 A,B,C의 제1 전극부의 정전 용량 값은 변화가 없지만 제2 전극부의 정전 용량 값은 이동 거리의 차이에 따라 각각 서로 다른 값으로 변화하게 된다.

상기 연산부는 상기와 같은 힘 센서의 특징을 이용한 장치로, 다양한 외력에 따라 변화되는 각 전극부의 정전 용량값을 테이블에 미리 저장함으로써, 각 전극부의 정전 용량 값을 이용하여 전극부에 가해진 다축 힘/토크를 도출할 수 있다.

이때, 다축 힘/토크장치가 노후화될 경우 노후화 전과 동일한 힘이 가해지더라도 전극부의 정전 용량 값에 차이가 발생할 수 있으므로, 일정 시간마다 캘리브레이션(calibration) 과정을 통해 연산부에 저장된 테이블을 갱신하는 것이 바람직하다.

지금까지 본 발명에 따른 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치를 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 : 그라운드부 110 : 평판 모듈
120 : 돌출 모듈 200 : 기판부
300 : 제1 전극부 400 : 제2 전극부

Claims (11)

1. 외력에 따라 위치가 변화하는 접지된 도전체로서, 평판 형태의 도전체인 평판 모듈과, 상기 평판 모듈의 하면에 돌출되게 형성된 도전체인 돌출 모듈을 포함하여 형성되는 그라운드부;
   평판 형태의 기판으로서, 상기 평판 모듈의 하면으로부터 미리 정해진 간격 이상 이격되어 형성되되, 상기 돌출 모듈이 삽입될 수 있는 홀이 형성된 기판부;
   상기 기판부의 상면에 형성되는 전극으로서, 전원을 인가받으면 상기 평판 모듈과 함께 정전용량을 형성하는 제1 전극부; 및
   상기 기판부에 형성된 전극으로서, 전원을 인가받으면 상기 돌출 모듈과 함께 정전용량을 형성하는 제2 전극부;
   를 포함하여 이루어지고, 외력에 따라 상기 그라운드부의 위치가 변화하더라도 상기 평판 모듈과 상기 제1 전극부 사이의 이격 거리는 상기 돌출 모듈과 상기 제1 전극부 사이의 이격 거리보다 더 작고, 상기 돌출 모듈과 상기 제2 전극부 사이의 이격 거리는 상기 평판 모듈과 상기 제2 전극부 사이의 이격 거리보다 더 작은 힘 센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 전극부와 평면적으로 중첩되는 상기 평판 모듈의 하면 영역에 홈이 형성되어 있는 힘 센서.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2 전극부는 상기 기판부의 홀 일측면에 형성되는 힘 센서.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 전극부는 상기 기판부의 홀 일측면, 상면 및 하면을 ㄷ자 형태로 감싸도록 형성되는 힘 센서.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 제2 전극부는 상기 기판부를 관통하여 I자 형태로 형성되는 힘 센서.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 평판 모듈과 상기 기판부 사이에 형성되는 탄성체를 더 포함하는 힘 센서.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 기판부에 형성되어 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 정전용량을 측정하는 정전용량 측정부;
   를 더 포함하여 형성되는 힘 센서.
   
8. 세 개 이상의 힘 센서; 및
   상기 힘 센서에 작용하는 힘과 토크를 구하는 연산부;
   를 포함하고, 상기 힘 센서는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 센서로서 서로 다른 방위각을 갖도록 결합되며, 상기 연산부는 상기 세 개 이상의 힘 센서의 제1 전극부와 제2 전극부로부터 측정된 정전용량 값을 이용하여 다축 힘과 토크를 구하는 다축 힘/토크 측정 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 세 개 이상의 힘 센서는 동일 평면상에 배치되되, 동일 원주 상에 동일한 간격으로 서로 이격되도록 배치되는 다축 힘/토크 측정 장치.
10. 삭제
11. 삭제

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