KR102081374B1

KR102081374B1 - 토크 센서 디바이스

Info

Publication number: KR102081374B1
Application number: KR1020180100578A
Authority: KR
Inventors: 배강태; 배준규; 조인자; 배민지
Original assignee: 배강태; 배준규; 조인자; 배민지
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2020-02-25

Abstract

본 발명은 토크 센서 디바이스를 개시한다. 본 발명은 제1 커버와, 상기 제1 커버와 마주보도록 배치되는 제2 커버와, 제1 방향으로 연장되게 배치되며, 일단이 상기 제1 커버에 연결되고, 타단이 상기 제2 커버에 연결되는 제1 로드셀, 및 상기 제1 로드셀와 평행하게 배치되고 상기 제1 방향으로 연장되며, 일단이 상기 제2 커버에 연결되고, 타단이 상기 제1 커버에 연결되는 제2 로드셀을 포함한다.

Description

토크 센서 디바이스{Torque sensor device}

본 발명의 실시예들은 장치에 관한 것으로, 더 상세하게 토크 센서 디바이스에 관한 것이다.

통제되어 있는 환경에서 작업하는 산업용 로봇의 경우, 로봇 암에 장착된 공구가 작업 대상에 가하는 힘을 측정하기 위하여 로봇 손목에 장착 가능한 형태의 6축 힘/토크(Force/Torque; F/T) 센서가 사용되어 왔다.

하지만, 로봇 암의 다른 부분이 알려지지 않은 물체나 사람과 충돌하였을 때, 이의 감지가 불가능하고 능동적 대응을 통해 안전성을 확보하기 어려운 문제점이 있다. 현재의 지능형 로봇(또는 휴머노이드 로봇)은 대부분 알려지지 않고 통제되지 않는 환경에서 작업을 수행하는 특징이 있다. 결국 통제되지 않는 환경에서 자주 그리고 쉽게 지능형 로봇 등에게 발생할 수 있는 상술한 충돌 상황은 해당 로봇 운전자의 안전을 위협하는 요소로 작용하게 된다.

한편, 로봇의 관절에 토크 센서를 장착하여 측정하는 방식은 동역학적 해석이 복잡하고 오차가 누적될 수 있어 산업용 로봇에서는 불리하나, 최근 들어 지능형 서비스 로봇 분야에서는 폭넓게 연구되고 있다. 특히 로봇의 관절에 사용되는 1축 토크 센서는 1축 방향으로 발생되는 토크를 측정하는 센서로서, 1축 방향으로의 변형률을 측정한다. 이러한 1축 토크 센서는 6축 힘/토크 센서와는 달리 1축 방향의 측정하고자 하는 위치에 스트레인 게이지가 설치되고, 1축 방향으로 작용하는 변형을 스트레인 게이지가 측정한다.

1축 토크 센서가 정확히 1축 방향의 토크를 측정하기 위해서, 측정하고자 하는 1축 방향의 토크 외에 다른 외력, 예컨대 2방향 토크, 3방향 힘에 따른 변형률이 측정하고자 하는 특정 토크에 비해 거의 무시할 수 있는 수준이 될 필요가 있다. 하지만 통상적인 1축 토크 센서는 측정하고자 하는 1축 방향의 토크 외에 다른 외력에 의한 상호간섭오차(crosstalk-error)가 발생하기 때문에 1축 방향의 토크를 정확히 측정하는 데 한계가 있다.

본 발명의 실시예들은 간단하고 정확하게 토크를 측정할 수 있는 토크 센서 디바이스를 제공한다.

본 발명의 일 측면은, 제1 커버와, 상기 제1 커버와 마주보도록 배치되는 제2 커버와, 제1 방향으로 연장되게 배치되며, 일단이 상기 제1 커버에 연결되고, 타단이 상기 제2 커버에 연결되는 제1 로드셀, 및 상기 제1 방향으로 연장되어 상기 제1 로드셀와 평행하게 배치되고, 일단이 상기 제2 커버에 연결되고, 타단이 상기 제1 커버에 연결되는 제2 로드셀을 포함하는 토크 센서 디바이스를 제공한다.

또한, 상기 제1 로드셀 및 상기 제2 로드셀은 상기 제1 커버의 회전축과 상기 제2 커버의 회전축에서 이격되어 배치될 수 있다.

또한, 상기 제1 로드셀의 일단과 상기 제2 로드셀의 타단은 대각 방향으로 상기 제1 커버에 고정되고, 상기 제1 로드셀의 타단과 상기 제2 로드셀의 일단은 대각 방향으로 상기 제2 커버에 고정될 수 있다.

또한, 상기 제1 로드셀에 가해지는 힘과 상기 제2 로드셀에 가해지는 힘의 차이를 기초로 토크를 산출하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 컨트롤러는 상기 제1 로드셀 및 상기 제2 로드셀에 가해지는 힘의 방향을 기초로 돌림힘의 적용을 식별할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명에 따른 토크 센서 디바이스는 나란하게 배치된 제1 로드셀과 제2 로드셀에서 측정된 힘의 차를 평균내어, 토크 센서 디바이스에 작용하는 돌림힘의 크기를 산출할 수 있다. 토크 센서 디바이스에 회전 성분이 없는 힘이 작용하더라고, 회전 성분이 없는 힘은 돌림힘의 크기에 영향을 미치지 않으므로, 돌림힘의 크기를 정확하게 산출할 수 있다.

본 발명에 따른 토크 센서 디바이스는 2개의 빔형 로드셀을 평행하게 배치하여, 간단하고 정확하게 토크를 산출할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 토크 센서 디바이스는 빔형 로드셀을 포함하고 있으므로, 스포크 타입의 토크 센서보다 저렴하므로, 제조 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 센서 디바이스를 도시하는 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 일부 구성을 각각 도시하는 사시도이다.
도 4a는 도 1의 토크 센서 디바이스를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4b는 회전력이 가해지는 도 1의 토크 센서 디바이스를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4c는 일 축 방향으로 힘이 가해지는 도 1의 토크 센서 디바이스를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4d는 타 축 방향으로 힘이 가해지는 도 1의 토크 센서 디바이스를 개략적으로 도시하는 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 토크 센서 디바이스(100)에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예예 따른 토크 센서 디바이스(100)를 도시하는 사시도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 일부 구성을 각각 도시하는 사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 토크 센서 디바이스(100)는 제1 커버(10), 제2 커버(20), 제1 로드셀(30), 제2 로드셀(40) 및 컨트롤러(50)를 구비할 수 있다.

제1 커버(10)와 제2 커버(20)는 토크 센서 디바이스(100)의 외관을 형성하며, 토크 센서 디바이스(100)가 장착되는 외부 장치에 설치될 수 있다. 예컨대, 제1 커버와 제2 커버는 로봇 암의 조인트에 각각 장착되어 로봇 암의 토크를 측정할 수 있다. 다른 실시예로, 제1 커버와 제2 커버는 차량의 조향 장치의 조향 축에 각각 장착되어, 조향 축에 가해지는 토크를 측정할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며 다양한 장치에 설치될 수 있다.

제1 커버(10)와 제2 커버(20) 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)이 장착될 수 있는 내부 공간을 가질 수 있다. 제1 커버(10)와 제2 커버(20)는 나사와 같은 결합부재로 연결될 수 있다.

토크 센서 디바이스(100)는 고정된 제1 커버(10)에 대해서 회전하는 제2 커버(20)에 작용하는 상대적인 토크를 측정하는 것으로 가정한다. 따라서, 제1 커버(10)는 제1 로드셀(30)의 일단 및 제2 로드셀(40)의 타단이 고정되고, 제2 커버(20)는 제1 로드셀(30)의 타단 및 제2 로드셀(40)의 일단이 고정될 수 있다.

제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)은 빔 형상의 로드셀이며, 중앙에 홀이 형성될 수 있다. 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)에 장착된 스트레인 게이지(미도시)는 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)의 변형을 통해서 토크를 측정할 수 있다. 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)은 동일한 형상 및 작동을 하는 것이며, 제1 커버(10)와 제2 커버(20)에서의 배치나 고정 형태가 상이하다.

제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)은 제1 커버(10)와 제2 커버(20)의 내부 공간에 설치될 수 있다. 제1 로드셀(30)은 제1 방향을 길이 방향으로 연장하도록 배치된다.

제1 로드셀(30)은 양단이 각각 제1 커버(10)와 제2 커버(20)에 설치될 수 있다. 제1 로드셀(30)의 일단(31)은 제1 커버(10)에 연결되고, 제1 로드셀(30)의 타단(32)은 제2 커버(20)에 연결된다. 상세하게, 도 2를 보면, 제1 로드셀(30)의 일단(31)은 제1 커버(10)의 제1 연결단(11)에 고정될 수 있다. 도 3을 보면, 제1 로드셀(30)의 타단(32)은 제2 커버(20)의 제3 연결단(21)에 고정될 수 있다.

제2 로드셀(40)은 양단이 각각 제1 커버(10)와 제2 커버(20)에 설치될 수 있다. 제2 로드셀(40)의 일단(41)은 제2 커버(20)에 연결되고, 제2 로드셀(40)의 타단(42)은 제1 커버(10)에 연결된다. 상세하게, 도 3를 보면, 제2 로드셀(40)의 일단(41)은 제2 커버(20)의 제4 연결단(22)에 고정될 수 있다. 도 2을 보면, 제2 로드셀(40)의 타단(42)은 제1 커버(10)의 제2 연결단(12)에 될 수 있다.

즉, 제1 로드셀(30)의 일단(31)은 제2 로드셀(40)의 타단(42)과 대각 방향으로 제1 커버(10)에 고정되도록 배치되고, 제1 로드셀(30)의 타단(32)은 제2 로드셀(40)의 일단(41)과 대각 방향으로 제2 커버(20)에 고정되도록 배치된다.

이러한 배치로 인하여, 외부에서 회전 성분을 가지는 힘이 가해지면 제1 로드셀(30)의 타단(32)과 제2 로드셀(40)의 일단(41)은 서로 다른 방향으로 힘을 받을 수 있다. 또한, 외부에서 회전 성분이 없는 힘이 가해지면 제1 로드셀(30)의 타단(32)과 제2 로드셀(40)의 일단(41)은 서로 같은 방향으로 힘을 받을 수 있다. 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)에 측정하는 힘을 방향을 통해서 토크 센서 디바이스(100)에 가해지는 힘이 회전 성분이 있는 토크인지를 식별할 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 상세히 설명하기로 한다.

제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)은 토크 센서 디바이스(100)의 회전축(i)에서 이격되게 배치된다. 즉, 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)은 서로 마주 보도록 배치되나, 회전축(i)에서 기 설정된 거리만큼 동일하게 이격되게 배치된다.

컨트롤러(50)는 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)에서 측정된 정보를 이용하여, 토크 센서 디바이스(100)에 가해지는 힘이 회전 성분을 포함하는지 여부를 식별할 수 있다. 또한, 컨트롤러(50)는 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)에서 측정된 정보를 이용하여 토크 센서 디바이스(100)에 가해지는 토크를 측정할 수 있다.

컨트롤러(50)는 제1 커버(10)와 제2 커버(20)에서 이격되게 설치될 수 있다. 즉, 토크 센서 디바이스(100)가 장착되는 외부 장치에 컨트롤러(50)가 설치될 수 있다. 다른 실시예로 컨트롤러(50)는 제1 커버(10)와 제2 커버(20) 사이의 내부공간에 설치될 수 있다. 또 다른 실시예로, 컨트롤러(50)는 토크 센서 디바이스(100)가 장착되는 외부 장치에 프로그램으로 구현될 수 있다.

도 4a는 도 1의 토크 센서 디바이스(100)를 개략적으로 도시하는 도면이고, 도 4b는 회전력이 가해지는 도 1의 토크 센서 디바이스(100)를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 4a와 도 4b를 참조하면, 토크 센서 디바이스(100)에 회전 성분을 가지는 외력이 작용하면, 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)이 벤딩되어, 토크 센서 디바이스(100)에 작용하는 토크를 측정할 수 있다.

제2 커버(20)가 제1 커버(10)에 대해서 반시계 방향(ccw)으로 회전하면, 제1 로드셀(30)의 타단(32)과 제2 로드셀(40)의 일단(41)은 반시계 방향으로 이동한다. 제2 커버(20)와 연결된 제1 로드셀(30)의 타단(32)과 제2 로드셀(40)의 일단(41)은 서로 다른 방향인 +X방향과 -X방향으로 힘을 받는다.

이때, 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)은 Y축 방향으로는 힘을 받지 않는다. Y 축 방향으로의 힘이 측정되지 않으므로, 토크 센서 디바이스(100)는 1축 토크 센서로서 기능을 가질 수 있다.

제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)의 변형량으로부터, 제1 로드셀(30)의 타단(32)과 제2 로드셀(40)의 일단(41)에서 작용하는 힘을 산출하고, 상기 2개의 힘의 평균을 값을 토크를 계산하는데 사용할 수 있다. 상세하게, 방향이 고려되어 제1 로드셀(30)의 타단(32)과 제2 로드셀(40)의 일단(41)에서 작용하는 힘의 차이의 평균이 토크 센서 디바이스(100)에 작용하는 돌림힘(F)의 크기로 산출될 수 있다.

토크 센서 디바이스(100)에 작용하는 돌림힘(F)의 크기가 정확하게 산출되면, 회전 방향과 회전 축에서 작용지점 사이의 거리를 기초로 토크를 산출할 수 있다.

도 4c는 일 축 방향으로 힘이 가해지는 도 1의 토크 센서 디바이스(100)를 개략적으로 도시하는 도면이고, 도 4d는 타 축 방향으로 힘이 가해지는 도 1의 토크 센서 디바이스(100)를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도 4c와 도 4d를 참조하면, 본 발명의 토크 센서 디바이스(100)는 회전 성분을 가지는 외력과 회전 성분을 가지지 않는 외력을 식별할 수 있다.

도 4c는 Fy는 로드셀의 길이 방향을 따라 힘이 가해지므로, 외력에 회전성분이 없다. 제2 커버(20)에 작용하는 외력에 회전 성분이 없으므로 로드셀은 벤딩 되지 않는다. 로드셀의 길이 방향인 Y축 방향으로 힘이 가해지는 경우이며, 이는 1축 토크 센서 디바이스가 측정하려는 대상이 아니다.

따라서, 토크 센서 디바이스(100)에 회전 성분이 없는 Y축 방향으로의 힘이 가해지면, 토크 센서 디바이스(100)는 상기 힘을 토크로 인식하지 않는다.

도 4d는 Fx는 로드셀의 폭 방향으로 가해지는 힘이나, 회전축(i)을 통과하는 힘이므로 회전 성분이 없다. Fx는 로드셀을 벤딩시키지 않으므로 돌림힘으로 작용하지 않는다.

X축 방향으로 힘이 가해지므로 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)이 변형될 수 있다. 그러나, 컨트롤러(50)는 제1 로드셀(30)의 타단(32)과 제2 로드셀(40)의 일단에 작용하는 힘이 같은 방향임을 식별하고, 이를 통해서 제2 커버(20)에 작용하는 힘에 회전 성분이 없음을 식별할 수 있다.

즉, 제1 로드셀(30)의 타단(32)과 제2 로드셀(40)의 일단(41)에서 작용하는 힘을 빼면, 2개의 힘은 같은 방향이므로 0이 된다. 따라서, 토크 센서 디바이스(100)는 작용하는 힘이 회전 성분을 가지고 있지 않음을 식별할 수 있으며, 토크는 0이 된다.

다른 실시예에서 컨트롤러는 X축 방향으로, 회전 성분이 없는 힘이 가해지면, 그 힘의 크기를 산출할 수 있다. 예컨대, 제1 로드셀의 타단과 제2 로드셀의 일단에 작용하는 힘이 같은 방향이면, 컨트롤러는 회전성분이 없는 힘이 작용하는 것을 인식하고, 2개의 힘의 크기를 합한 후에 평균을 내어 작용하는 힘의 크기를 계산할 수 있다. 즉, 컨트롤러는 2개의 로드셀의 단부에 작용하는 힘의 방향이 같으면 회전축을 통과하며 X축 방향으로 전달되는 힘의 크기를 산출할 수 있다.

본 발명에 따른 토크 센서 디바이스(100)는 나란하게 배치된 제1 로드셀(30)과 제2 로드셀(40)에서 측정된 힘의 차를 평균내어, 토크 센서 디바이스(100)에 작용하는 돌림힘의 크기를 산출할 수 있다. 토크 센서 디바이스(100)에 회전 성분이 없는 힘이 작용하더라고, 회전 성분이 없는 힘은 돌림힘의 크기에 영향을 미치지 않으므로, 돌림힘의 크기를 정확하게 산출할 수 있다.

본 발명에 따른 토크 센서 디바이스(100)는 2개의 빔형 로드셀을 평행하게 배치하여, 간단하고 정확하게 토크를 산출할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 토크 센서 디바이스(100)는 빔형 로드셀을 포함하고 있으므로, 스포크 타입의 토크 센서보다 저렴하므로, 제조 비용을 줄일 수 있다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 제1 커버
20: 제2 커버
30: 제1 로드셀
40: 제2 로드셀
100: 토크 센서 디바이스

Claims

제1 커버;
상기 제1 커버와 마주보도록 배치되며, 상기 제1 커버에 대해 회전 가능하도록 결합되는 제2 커버;
상기 제1 커버의 높이 방향에 수직인 제1 방향으로 연장되게 배치되며, 상기 제1 방향으로의 일단이 상기 제1 커버에 연결되고, 타단이 상기 제2 커버에 연결되는 제1 로드셀; 및
상기 제1 방향으로 연장되어 상기 제1 로드셀과 평행하게 배치되고, 상기 제1 방향으로의 일단이 상기 제2 커버에 연결되고, 타단이 상기 제1 커버에 연결되는 제2 로드셀;을 포함하고,
상기 제1 방향으로의 상기 제1 로드셀의 일단과 상기 제2 로드셀의 타단은 대각 방향으로 상기 제1 커버에 고정되고, 상기 제1 방향으로의 상기 제1 로드셀의 타단과 상기 제2 로드셀의 일단은 대각 방향으로 상기 제2 커버에 고정되고,
평면에서 보았을 때, 상기 제2 커버의 회전에 따라 상기 제1 방향으로의 상기 제1 로드셀의 타단 및 상기 제2 로드셀의 일단이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 벤딩되는, 토크 센서 디바이스.
제1 항에 있어서,
상기 제1 로드셀 및 상기 제2 로드셀은
상기 제1 커버의 회전축과 상기 제2 커버의 회전축에서 이격되어 배치되는, 토크 센서 디바이스.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제1 로드셀에 가해지는 힘과 상기 제2 로드셀에 가해지는 힘의 차이를 기초로 토크를 산출하는 컨트롤러;를 더 포함하는, 토크 센서 디바이스.
제4 항에 있어서,
상기 컨트롤러는
상기 제1 로드셀 및 상기 제2 로드셀에 가해지는 힘의 방향을 기초로 돌림힘의 적용을 식별하는, 토크 센서 디바이스.