KR101856310B1

KR101856310B1 - 굽힘 센서

Info

Publication number: KR101856310B1
Application number: KR1020160028603A
Authority: KR
Inventors: 조규진; 정우석
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2018-05-10
Also published as: WO2017155347A1; KR20170106526A

Abstract

본 발명은 굽힘 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇의 관절과 같은 구성에 있어서 그 관절의 구부러진 각도를 측정하는 굽힘 센서에 관한 것이다.
본 발명의 굽힘 센서는, 구조가 간단하여 낮은 원가로 제조할 수 있으면서도 선형성이 높고 물체의 굽힘 각도를 높은 곡률에서도 효과적으로 측정할 수 있는 굽힘 센서를 제공하는 효과가 있다.

Description

굽힘 센서{Deflection Bend Sensor}

본 발명은 굽힘 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇의 관절과 같은 구성에 있어서 그 관절의 구부러진 각도를 측정하는 굽힘 센서에 관한 것이다.

물체의 구부러진 정도를 측정하는 굽힘 센서는 여러 산업 분야에 사용된다. 특히 로봇과 관련된 분야에서 관절의 구부러진 정도를 측정하거나 카테터 (catheter) 형태의 수술 도구의 굽힘 측정을 위한 용도로 굽힘 센서가 널리 사용된다.

종래의 굽힘 센서는 전도성 잉크를 사용하여 굽힘의 정도에 따라 전기 저항의 변화를 측정하거나 광섬유의 구부러짐에 따른 빛의 강도 및 스펙트럼 변화를 측정하는 방법 등이 사용되었으나 높은 제조 원가, 복잡한 신호 처리, 높은 비선형성, 길이 조절의 용이성 및 높은 곡률에 대한 측정이 불가한 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 간단한 구조, 낮은 제조 원가, 높은 선형성 및 높은 곡률의 굽힘 변형의 정도를 측정할 수 있는 굽힘 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명의 굽힘 센서는, 코일 스프링; 상기 코일 스프링의 내부를 경유하도록 배치되어 일단이 상기 코일 스프링에 고정되는 와이어; 상기 외이어의 타단에 연결되어 상기 와이어에 장력을 제공하는 탄성 유닛; 상기 코일 스프링의 굽힘 변형에 따른 상기 와이어의 이동 변위를 측정하는 변위 측정 모듈; 및 상기 변위 측정 모듈에서 측정된 상기 와이어의 이동 변위를 이용하여 상기 코일 스프링의 굽힘 각도를 계산하는 제어부;를 포함하는 점에 특징이 있다.

본 발명의 굽힘 센서는, 구조가 간단하여 낮은 원가로 제조할 수 있으면서도 높은 선형성을 보장하고 높은 곡률의 물체의 굽힘 각도를 효과적으로 측정할 수 있는 굽힘 센서를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 굽힘 센서의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 굽힘 센서의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 굽힘 센서의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 굽힘 센서의 개략도이다.

이하, 본 발명에 따른 굽힘 센서를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 굽힘 센서의 개략도이다.

도 2는 도 1에 도시된 굽힘 센서의 작동을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 굽힘 센서는 코일 스프링(10)과 와이어(20)와 변위 측정 모듈(41)과 제어부(50)를 포함한다.

코일 스프링(10)의 일단부에는 고정 캡(12)이 결합되고 타단부에는 지지부(11)가 결합된다.

코일 스프링(10)의 내부에는 와이어(20)의 마찰을 줄이기 위한 탄성 재질로 형성된 원통형의 쉬스 부재(13)가 배치된다. 와이어(20)는 원통형 쉬스 부재(13)의 중심을 경유하여 고정 캡(12)에 결합됨으로써, 코일 스프링(10)의 한쪽 끝에 고정된다. 외력에 의해 코일 스프링(10)이 구부러지면 코일 스프링(10) 중심부의 길이가 늘어나므로 와이어(20)가 당겨지게 된다.

와이어(20)의 다른 쪽 끝은 탄성 유닛(30)에 연결된다. 본 실시예의 탄성 유닛(30)은 도 1에 도시한 것과 같이 스프링이 사용된다. 탄성 유닛(30)은 탄성에 의해 와이어(20)에 장력을 제공하여 와이어(20)가 항상 팽팽한 상태를 유지하도록 한다. 코일 스프링(10)이 구부러지면 와이어(20)가 당겨지면서 스프링이 늘어나고 코일 스프링(10)이 펴지면 스프링이 줄어들면서 와이어(20)를 당기게 된다.

변위 측정 모듈(41)은 코일 스프링(10)의 굽힘 변형에 따른 와이어(20)의 이동 변위를 측정한다. 본 실시예의 경우 와이어(20)의 이동 변위를 측정하는 변위 측정 센서가 변위 측정 모듈(41)로 사용된다.

제어부(50)는 변위 측정 모듈(41)에서 측정된 와이어(20)의 이동 변위를 이용하여 상기 코일 스프링(10)의 굽힘 각도를 계산한다.

본 발명의 굽힘 센서는 코일 스프링(10)이 펴져서 직선 상태일 때 코일 스프링(10)의 길이가 가장 짧고 코일 스프링(10)이 구부러졌을 때 코일 스프링(10)의 길이가 늘어나는 성질을 이용하여 코일 스프링(10)의 굽힘 각도를 계산하는 것에 특징이 있다.

도 1와 같이 코일 스프링(10)이 직선인 상태에서 코일 스프링(10)의 모든 피치는 서로 밀착되어 있으므로 코일 스프링(10)의 길이는 가장 짧은 상태이다.

도 2와 같이 코일 스프링(10)이 굽혀지면 코일 스프링(10)의 곡률 중심에 대해 멀어지는 방향에 배치된 피치들의 간격이 벌어지게 된다. 쉬스 부재(13)에 의해 와이어(20)가 코일 스프링(10)의 중심에 위치하는 경우를 가정하면 수학식 1에 의해 코일 스프링(10)의 굽혀진 각도와 와이어(20)의 이동 변위 사이의 관계를 표현할 수 있다.

[수학식 1]

도 3을 참고하면, 위 식의 기호들은 각각 다음을 의미한다.

: 와이어(20)의 이동 변위,

: 코일 스프링(10)의 피치수, x: 각 피치 사이에서 발생하는 와이어 이동 변위,

: 코일 스프링(10) 각 피치 사이의 각도,

: 코일 스프링(10)의 전체 굽힘 각도, a: 코일 스프링 와이어의 직경, L: 코일 스프링의 전체 길이, d: 코일 스프링의 외경
도 3을 참고하면 수학식 1은 다음과 같은 과정을 통해 얻어진다.

라고 가정하면,

가 되고

가 된다.
위 식으로부터

을 얻을 수 있다. 또한 코일 스프링의 피치수에 코일 스프링 와이어 직경을 곱한 값은 코일 스프링의 전체 길이에 해당하므로

의 관계로부터

을 얻을 수 있다.
결과적으로 와이어(20)의 이동 변위

과 코일 스프링(20)의 전체 굽힘 각도

사이에는 수학식 1과 같은 관계가 있는 것을 알 수 있다.
수학식 1에서 센서의 측정값인

와 센서의 출력값인

사이의 관계는 비선형이지만 수학식 2를 통하여 측정값과 출력값 사이의 관계를 선형화 할 수 있으며 선형화 된 비례 상수는 센서 이득 값으로서 사용될 수 있다. 수학식 2에서

으로 정의된다.
[수학식 2]

코일 스프링 와이어의 직경(a)이 코일 스프링의 전체 길이(L)에 비하여 매우 작은 경우 A는 0에 수렴한다. 수학식 2는 A가 0에 수렴할 경우

와

의 관계가 선형적임을 보여준다. 따라서

는 센서 이득으로서 사용할 수 있으며 선형성을 이용하여 간편하게 센서 신호로부터 센서 굽힘 각도를 계산할 수 있다.

제어부(50)는 변위 측정 모듈(41)에서 측정한 와이어(20)의 이동 변위를 이용하여 코일 스프링(10)의 굽혀진 각도를 위 수학식 1을 이용하여 계산할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 굽힘 센서의 개략도이다.

본 실시예의 굽힘 센서는 도 1을 참조하여 설명한 실시예의 굽힘 센서와 변위 측정 모듈(42)의 구성을 제외한 나머지 구성은 모두 동일하다. 동일한 구성에 대해서는 도 1에 도시된 실시예와 동일한 부재 번호를 부여하여 도시하고 구체적인 설명은 생략한다.

본 실시예의 변위 측정 모듈(42)은 스풀(421)과 각변위 센서(422)를 포함한다. 도 4에 도시한 것과 같이 스풀(421)은 회전 가능하게 구성되고, 와이어(20)는 스풀(421)에 감긴다. 각변위 센서(422)는 스풀(421)에 설치되어 스풀(421)의 각변위를 센싱하고 그 값을 제어부(50)로 전달한다.

제어부(50)는 각변위 센서(422)가 감지한 스풀(421)의 회전 각도와 스풀(421)의 외경의 크기를 이용하여 와이어(20)의 이동 변위를 계산한다. 이와 같이 변위 측정 모듈(42)에 의해 와이어(20)의 이동 변위를 계산하고, 앞에서 설명한 것과 같은 수식을 이용하여 코일 스프링(10)의 굽힘 각도를 계산할 수 있다.

굽혀졌던 코일 스프링(10)이 펴지면서 와이어(20)가 코일 스프링(10)으로부터 이완되면, 탄성 유닛(30)이 와이어(20)를 당겨주어 와이어(20)에 장력이 걸린 상태가 유지되도록 한다.

10: 코일 스프링 11: 지지부
12: 고정 캡 20: 와이어
30: 탄성 유닛 41, 42: 변위 측정 모듈
50: 제어부 421: 스풀
422: 각변위 센서 13: 쉬스 부재

Claims

코일 스프링;
상기 코일 스프링의 내부를 경유하도록 배치되어 일단이 상기 코일 스프링에 고정되는 와이어;
상기 와이어의 타단에 연결되어 상기 와이어에 장력을 제공하는 탄성 유닛;
상기 코일 스프링의 굽힘 변형에 따른 상기 와이어의 이동 변위를 측정하는 변위 측정 모듈; 및
상기 변위 측정 모듈에서 측정된 상기 와이어의 이동 변위를 이용하여 상기 코일 스프링의 굽힘 각도를 계산하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 변위 측정 모듈에서 측정된 상기 와이어의 이동 변위와 상기 코일 스프링의 외경과 상기 와이어가 상기 코일 스프링을 경유하는 구간의 상기 코일 스프링의 피치수를 이용하여 수학식 1 및 수학식 2에 의해 상기 코일 스프링의 굽힘 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
[수학식 1]

: 와이어의 이동 변위,
: 코일 스프링의 피치수, x: 각 피치 사이에서 발생하는 와이어 이동 변위,
: 코일 스프링의 전체 굽힘 각도, d: 코일 스프링의 외경
[수학식 2]
제1항에 있어서,
상기 변위 측정 모듈은 상기 와이어의 이동 변위를 측정하는 변위 센서를 이용하여 상기 와이어의 이동 변위를 측정하고,
상기 제어부는 상기 변위 센서에서 측정한 이동 변위를 이용하여 상기 코일 스프링의 굽힘 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
제1항에 있어서,
상기 변위 측정 모듈은, 상기 와이어의 이동에 따라 회전하도록 형성되어 상기 와이어가 감긴 스풀과, 상기 스풀의 회전 각변위를 측정하는 각변위 센서를 포함하고,
상기 제어부는 상기 스풀의 반지름과 상기 각변위 센서가 측정한 상기 스풀의 각변위를 이용하여 상기 와이어의 이동 변위와 상기 코일 스프링의 굽힘 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일 스프링의 내부에 설치되어 상기 코일 스프링의 탄성 굽힘 변형을 허용하면서 상기 와이어를 내부에 수용하여 상기 와이어가 상기 코일 스프링의 중심에 위치하도록 하는 쉬스 부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일 스프링의 단부에 설치되는 스프링 캡;을 더 포함하고,
상기 와이어는 상기 스프링 캡에 결합됨으로써 상기 코일 스프링에 결합되는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 와이어에 의해 상기 스프링에 전달되는 장력에 대해 상기 스프링을 지지하도록 상기 스프링에 연결되는 지지부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.