KR102148023B1

KR102148023B1 - 토크 감지 장치

Info

Publication number: KR102148023B1
Application number: KR1020190057357A
Authority: KR
Inventors: 구자춘; 이승호; 백지민; 이혁진; 이경하
Original assignee: 성균관대학교 산학협력단
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2020-08-25

Abstract

토크 감지 장치에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 토크 감지 장치는: 회전 가능하게 설치되는 회전 프레임; 회전 프레임의 내부에 직선방향을 따라 이동 가능하게 설치되고, 구름면부가 형성되는 요크부; 요크부를 탄성 지지하도록 설치되는 탄성 서포터부; 요크부에 결합되고, 출력 로드부가 연결되는 디스크부; 및 디스크부와 함께 회전되도록 디스크부에 설치되고, 구름면부에 구름 접촉되게 설치되며, 출력 로드부에 외력이 가해지면 디스크부와 함께 회전되면서 구름면부를 가압함에 따라 요크부를 직선방향을 따라 이동시키는 가압유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

토크 감지 장치{TORQUE SENSING APPARATUS}

본 발명은 토크 감지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부 토크와 출력축의 각도 사이의 관계를 용이하게 산출할 수 있고, 출력축의 회전각을 측정함에 따라 외부 토크를 용이하게 측정할 수 있는 토크 감지 장치에 관한 것이다.

산업 로봇 이외에도 인간을 대신하여 다양한 작업을 수행할 수 있는 지능형 로봇에 대한 필요성이 대두되고 있으며, 이에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.

지능형 로봇을 개발하기 위해서는 기계, 전자 등 전통 기술과 함께, 신소재, 반도체, 인공지능 및 소프트웨어 등의 첨단 기술이 요구된다. 지능형 로봇은 기존 산업용 로봇과 달리 미래 시장에서 요구하는 기능과 성능을 가진 로봇이라고 할 수 있다.

지능형 로봇은 인간과 가까운 곳에서 다양한 작업들을 수행할 수 있으며, 인간과의 협업 과정 등에서 발생할 수 있는 문제를 해결할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 토크 감지 장치가 로봇에 적용되는 것이 필요하다.

토크 감지 장치는 탄성을 이용해 힘과 위치를 함께 제어한다. 토크 감지 장치는 인간의 근육과 같이 로봇 관절 등의 위치와 힘을 함께 제어한다. 이러한 토크 감지 장치는 로봇이 울퉁불퉁한 바닥처럼 험난한 곳에서 작동하도록 하거나 또는 외압에 적응하여 동작하도록 할 수 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2017-0135119호(2017. 12. 08 공개, 발명의 명칭: 순응형 구동모듈)에 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 외부 토크와 출력축의 각도 사이의 관계를 용이하게 산출할 수 있고, 출력축의 회전각을 측정함에 따라 외부 토크를 용이하게 측정할 수 있는 토크 감지 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 토크 감지 장치는: 회전 가능하게 설치되는 회전 프레임; 상기 회전 프레임의 내부에 직선방향을 따라 이동 가능하게 설치되고, 구름면부가 형성되는 요크부; 상기 요크부를 탄성 지지하도록 설치되는 탄성 서포터부; 상기 요크부에 결합되고, 출력 로드부가 연결되는 디스크부; 및 상기 디스크부와 함께 회전되도록 상기 디스크부에 설치되고, 상기 구름면부에 구름 접촉되게 설치되며, 상기 출력 로드부에 외력이 가해지면 상기 디스크부와 함께 회전되면서 상기 구름면부를 가압함에 따라 상기 요크부를 직선방향을 따라 이동시키는 가압유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 요크부는 상기 요크부의 이동축의 양측에 상기 구름면부가 형성되는 요크 바디부; 상기 요크 바디부의 상기 이동축과 평행하도록 상기 요크 바디부에서 연장되고, 상기 회전 프레임에 직선 이동 가능하게 삽입되는 요크 가이드부; 및 상기 요크 바디부에서 상기 요크 가이드부와 수직한 방향으로 연장되고, 상기 탄성 서포터부에 의해 탄성 지지되는 연장 리브를 포함할 수 있다.

상기 구름면부는 상기 요크부의 중심부에서 상기 요크부의 이동방향 양측으로 갈수록 곡률이 감소될 수 있다.

상기 요크 가이드부가 슬라이딩 가능하게 결합되도록 상기 요크 바디부에 설치되는 슬라이드 부시부를 더 포함할 수 있다.

상기 회전 프레임의 양측에는 상기 연장 리브가 이동되도록 상기 이동축과 평행하게 단차홈부가 형성될 수 있다.

상기 탄성 서포터부는 상기 연장 리브에 관통되고, 상기 요크 바디부의 상기 이동축에 평행하게 설치되는 서포터 로드부; 및 상기 서포터 로드부가 삽입되고, 상기 연장 리브를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함할 수 있다.

상기 탄성부재는 상기 연장 리브의 일측을 탄성 지지하도록 상기 서포터 로드부의 일측에 배치되는 제1 코일 스프링; 및 상기 연장 리브의 타측을 탄성 지지하도록 상기 서포터 로드부의 타측에 배치되는 제2 코일 스프링을 포함할 수 있다.

상기 디스크부는 상기 요크 바디부의 일측면에 접촉되도록 배치되는 제1 디스크; 상기 요크 바디부의 타측면에 접촉되도록 배치되고, 상기 출력 로드부가 연결되는 제2 디스크; 및 상기 요크 바디부의 내부를 관통하고, 상기 제1 디스크와 상기 제2 디스크의 중심부를 연결하는 디스크 축부를 포함할 수 있다.

상기 가압유닛은 상기 디스크 축부의 일측에 편심되게 배치될 수 있다.

상기 가압유닛은 상기 제1 디스크와 상기 제2 디스크에서 편심되게 배치되고, 상기 구름면부에 구름 접촉되는 가압 롤러부; 상기 가압 롤러부의 일측을 회전 가능하게 지지하도록 상기 제1 디스크에 설치되는 제1 롤러 베어링부; 및 상기 가압 롤러부의 타측을 회전 가능하게 지지하도록 상기 제2 디스크에 설치되는 제2 롤러 베어링부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 가압유닛이 요크부의 중심부에서 요크부의 이동방향 일측 또는 타측으로 선회되면서 구름면부와 구름 접촉될 때에, 요크부가 가압유닛에 의해 가압됨에 따라 일측 또는 타측으로 이동된다. 따라서, 외부 토크에 의해 가압유닛과 디스크부가 회전운동되고, 가압유닛과 디스크부의 회전운동이 요크부를 직선 운동시킨다. 또한, 외부 토크와 요크부의 변위 관계를 선형적으로 구현할 수 있고, 외부의 상황과 조건에 맞도록 탄성부재의 강성을 다양하게 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 가압유닛이 디스크부의 중심부를 기준으로 회전되는 각도에 따라 요크부의 이동 거리가 정확하게 산출될 수 있으므로, 가압유닛의 회전 각도에 따라 가해지는 외부 토크를 정확하게 측정할 수 있다. 따라서, 측정되는 외부 토크와 가압유닛의 회전각을 측정하여 토크 감지 장치의 강성을 탄력적으로 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장에서 제2 디스크와 디스크 축부가 분리된 상태를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 요크부의 구름면부에 가압유닛이 구름 접촉되면서 이동되는 상태를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 요크부의 구름면부를 따라 가압유닛이 이동되는 상태를 도시한 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 요크부의 구름면부에서 가압유닛이 회전되는 과정을 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 비틀림 상수에 대응되는 외부 토크값의 변화를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 비틀림 상수가 180일 때에 n값의 변화에 따른 외부 토크값의 변화를 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 토크 감지 장치의 일 실시예를 설명한다. 토크 감지 장치를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장에서 제2 디스크와 디스크 축부가 분리된 상태를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 요크부의 구름면부에 가압유닛이 구름 접촉되는 상태를 도시한 평면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 요크부의 구름면부를 따라 가압유닛이 이동되는 상태를 도시한 확대도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 요크부의 구름면부에서 가압유닛이 회전되는 상태를 도시한 평면도이다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치(100)는 회전 프레임(10), 요크부(20), 탄성 서포터부(30), 디스크부(40) 및 가압유닛(50)을 포함한다.

토크 감지 장치(100)는 로봇암(미도시)의 관절 부위 등에 설치된다. 토크 감지 장치(100)는 로봇암의 관절 부위 등에 가해지는 토크와 변위 사이의 관계를 조정하여 로봇암의 힘과 위치를 용이하게 제어할 수 있게 한다. 토크 감지 장치(100)가 로봇암의 관절 부위 등에서 힘과 위치를 제어함으로써, 인간의 연골 등의 역할을 적절하게 수행하고, 로봇암에 가해지는 외부 충격에 대하여 로봇암이 탄력적으로 대응할 수 있다.

회전 프레임(10)은 구동부(미도시)에 의해 회전 가능하게 설치된다. 구동부로는 회전 프레임(10)에 축결합되는 모터부를 제시한다. 회전 프레임(10)은 전체적으로 환형으로 형성될 수 있다. 회전 프레임(10)의 내부에는 요크부(20), 탄성 서포터부(30), 디스크부(40) 및 가압유닛(50)이 설치된다.

요크부(20)는 회전 프레임(10)의 내부에 직선방향을 따라 이동 가능하게 설치되고, 구름면부(22)가 형성된다. 요크부(20)는 요크 바디부(21), 요크 가이드부(23) 및 연장 리브(25)를 포함한다. 요크 바디부(21)에는 요크부(20)의 이동축(X)의 양측에 구름면부(22)가 형성된다. 이동축(X)은 요크 바디부(21)의 직경방향과 동축을 이룬다.

요크 가이드부(23)는 요크 바디부(21)의 이동축(X)과 평행하도록 요크 바디부(21)에서 연장되고, 회전 프레임(10)에 직선 이동 가능하게 삽입된다. 요크 가이드부(23)는 이동축(X)과 나란하게 한 쌍이 연장될 수 있다. 요크 가이드부(23)가 이동축(X)과 평행하게 연장되므로, 요크 바디부(21)가 이동축(X)을 따라 이동되도록 요크 가이드부(23)가 요크 바디부(21)를 지지한다.

연장 리브(25)는 요크 바디부(21)에서 요크 가이드부(23)와 수직한 방향으로 연장되고, 탄성 서포터부(30)에 의해 탄성 지지된다. 연장 리브(25)가 탄성 서포터부(30)에 의해 탄성 지지되므로, 요크 바디부(21)가 이동축(X)을 따라 이동될 때에 흔들리지 않고 원활하게 이동될 수 있다. 또한, 외부 충격이 요크부(20)에 전달될 때에 요크부(20)의 충격을 흡수하고, 요크부(20)가 수직한 방향으로 이동축(X)을 따라 이동됨에 따라 출력 로드부(45)가 요크부(20)와 상대적으로 회전될 수 있다.

구름면부(22)는 요크부(20)의 중심부에서 요크부(20)의 이동방향 양측으로 갈수록 곡률이 감소된다. 이때, 구름면부(22)는 구름면부(222)의 중심부에서 양측으로 대칭되는 곡률로 형성된다. 가압유닛(50)이 요크부(20)의 중심부에서 요크부(20)의 이동방향 일측 또는 타측으로 선회되면서 구름면부(22)와 구름 접촉될 때에, 요크부(20)가 가압유닛(50)에 의해 가압됨에 따라 일측 또는 타측으로 이동된다. 따라서, 외부 토크에 의해 가압유닛(50)과 디스크부(40)가 회전운동되고, 가압유닛(50)과 디스크부(40)의 회전운동이 요크부(20)를 직선 운동시킨다. 또한, 외부 토크와 요크부(20)의 변위 관계를 선형적으로 구현할 수 있고, 외부의 상황과 조건에 맞도록 탄성부재(33)의 강성(탄성 계수값)을 다양하게 구현할 수 있다. 따라서, 토크 감지 장치(100)가 외부 충격에 대하여 탄력적으로 대응할 수 있으므로, 로봇암의 힘과 위치 조절이 보다 용이하게 제어될 수 있다.

또한, 가압유닛(50)이 디스크 축부(43)의 중심부를 기준으로 회전되는 각도(공전 각도)에 따라 요크부(20)의 이동 거리가 정확하게 산출될 수 있으므로, 가압유닛(50)의 회전 각도에 따라 가해지는 외부 토크를 정확하게 측정할 수 있다. 따라서, 측정되는 외부 토크를 감안하여 로봇암의 관절 부위 등에서 힘과 위치를 탄력적으로 제어할 수 있다.

회전 프레임(10)의 양측에는 연장 리브(25)가 이동되도록 이동축(X)과 평행하게 단차홈부(12)가 형성된다. 단차홈부(12)는 이동축(X)과 나란하게 형성된다. 단차홈부(12)가 이동축(X)과 평행하게 형성되므로, 요크부(20)의 이동시 연장 리브(25)가 회전 프레임(10)에 걸리는 것을 방지할 수 있다.

요크부(20)는 요크 가이드부(23)가 슬라이딩 가능하게 결합되도록 요크 바디부(21)에 설치되는 슬라이드 부시부(24)를 더 포함한다. 이때, 회전 프레임(10)에는 이동축(X) 방향의 양측에 돌출되도록 수용부(14)가 형성되고, 수용부(14)의 내부에는 슬라이드 부시부(24)가 설치된다. 요크 가이드부(23)가 슬라이드 부시부(24)에 슬라이딩 가능하게 결합되므로, 요크부(20)의 직선 이동시 슬라이드 부시부(24)가 요크 가이드부(23)를 안정되게 지지할 수 있다.

탄성 서포터부(30)는 요크부(20)를 탄성 지지하도록 설치된다. 탄성 서포터부(30)가 요크부(20)를 탄성 지지하므로, 요크부(20)에 탄성 서포터부(30)의 탄성력 보다 큰 외력이 가해지면 직선방향을 따라 이동된다. 또한, 요크부(20)에 가해지는 외력이 해제되면 요크부(20)가 원위치로 복귀된다.

탄성 서포터부(30)는 서포터 로드부(31) 및 탄성부재(33)를 포함한다. 서포터 로드부(31)는 연장 리브(25)를 관통하고, 요크 바디부(21)의 이동축(X)에 평행하게 설치된다. 서포터 로드부(31)는 연장 리브에 이동 가능하게 결합된다. 서포터 로드부(31)는 이동축(X)의 양측에 한 쌍이 설치된다. 탄성부재(33)는 서포터 로드부(31)가 삽입되고, 연장 리브(25)의 양측을 탄성 지지한다. 탄성부재(33)가 서포터 로드부(31)에 삽입되므로, 탄성부재(33)가 길이방향으로 신장되거나 수축될 때에 탄성부재(33)가 길이방향으로 구부러지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 탄성부재(33)가 연장 리브(25)의 양측을 탄성 지지하므로, 요크부(20)가 이동축(X)을 따라 이동될 때에 탄성부재(33)가 길이방향으로 수축 및 신장되면서 연장 리브(25)를 안정되게 지지할 수 있다.

또한, 외부의 토크가 출력 로드부(45)를 통해 디스크부(40)에 전달되면, 디스크부(40)가 요크부(20)와 상대적으로 회전되고, 요크부(20)가 이동축(X)을 따라 이동되므로, 탄성부재(33)의 길이가 요크부(20)의 이동 거리만큼 변경된다. 이때, 탄성부재(33)의 반력(탄성력)은 출력 로드부(45)에 전달되고, 출력축(출력 로드부(45) 또는 디스크부(40)의 중심부)의 회전각(θ)이 측정되므로, 외부 토크와 요크부(20)의 변위에 관한 관계식([수식 4])에 출력축의 회전각(θ)을 대입하면 외부에서 가해지는 토크와 요크부(20)의 변위를 측정하는 토크 센서 장치(100)의 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 로봇암의 관절 부위에서 힘과 위치를 정확하게 제어할 수 있다.

탄성부재(33)는 제1 코일 스프링(33a)과 제2 코일 스프링(33b)을 포함한다. 제1 코일 스프링(33a)은 연장 리브(25)의 일측을 탄성 지지하도록 서포터 로드부(31)의 일측에 한 쌍이 배치된다. 제2 코일 스프링(33b)은 연장 리브(25)의 타측을 탄성 지지하도록 서포터 로드부(31)의 타측에 한 쌍이 배치된다. 제1 코일 스프링(33a)과 제2 코일 스프링(33b)은 동일한 스프링 상수 k를 갖는다.

요크부(20)가 일측으로 이동될 때에, 제1 코일 스프링(33a)은 길이방향으로 수축되고, 제2 코일 스프링(33b)은 길이방향으로 신장된다. 요크부(20)가 타측으로 이동될 때에, 제1 코일 스프링(33a)은 길이방향으로 신장되고, 제2 코일 스프링(33b)은 길이방향으로 수축된다. 이때, 제1 코일 스프링(33a)의 수축 길이 또는 신장 길이, 제2 코일 스프링(33b)의 수축 길이 또는 신장 길이는 요크부(20)의 이동 거리와 동일하다.

디스크부(40)는 요크부(20)의 양측에 결합되고, 출력 로드부(45)가 연결된다. 디스크부(40)는 요크부(20)의 내측을 관통하도록 설치된다.

디스크부(40)는 제1 디스크(41), 제2 디스크(42) 및 디스크 축부(43)를 포함한다. 제1 디스크(41)는 요크 바디부(21)의 일측면에 접촉되도록 배치된다. 제2 디스크(42)는 요크 바디부(21)의 타측면에 접촉되도록 배치되고, 출력 로드부(45)가 연결된다. 디스크 축부(43)는 요크 바디부(21)의 내부를 관통하고, 제1 디스크(41)와 제2 디스크(42)의 중심부를 연결한다. 따라서, 출력 로드부(45)에 외력이 가해지면, 제1 디스크(41), 제2 디스크(42) 및 디스크 축부(43)가 함께 회전된다. 이때, 회전 프레임(10)은 디스크부(40)와 상대적으로 이동된다.

가압유닛(50)은 디스크부(40)와 함께 회전되도록 디스크부(40)에 설치되고, 구름면부(22)에 구름 접촉되게 설치되며, 출력 로드부(45)에 외력이 가해지면 디스크부(40)와 함께 회전되면서 구름면부(22)를 가압함에 따라 요크부(20)를 이동시킨다. 가압유닛(50)이 구름면부(22)와 구름 접촉되므로, 가압유닛(50)이 구름면부(22)를 가압함에 따라 요크부(20)가 부드럽고 원활하게 밀려 이동될 수 있다.

가압유닛(50)은 디스크 축부(43)의 일측에 편심되게 배치된다. 가압유닛(50)이 디스크 축부(43)와 편심되게 배치되므로, 디스크부(40)가 외력에 의해 회전될 때에 가압유닛(50)이 디스크 축부(43)를 중심으로 일정 반경을 따라 이동되면서 구름면부(22)를 가압한다. 따라서, 요크부(20)가 이동축(X)을 따라 밀려 이동된다.

가압유닛(50)은 가압 롤러부(51), 제1 롤러 베어링부(53) 및 제2 롤러 베어링부(54)를 포함한다. 가압 롤러부(51)는 제1 디스크(41)와 제2 디스크(42)에서 편심되게 배치되고, 구름면부(22)에 구름 접촉된다. 가압 롤러부(51)는 디스크 축부(43)와 일정 반경 이격된 위치에 배치된다. 제1 롤러 베어링부(53)는 가압 롤러부(51)의 일측을 회전 가능하게 지지하도록 제1 디스크(41)에 설치된다. 제2 롤러 베어링부(54)는 가압 롤러부(51)의 타측을 회전 가능하게 지지하도록 제2 디스크(42)에 설치된다. 제1 롤러 베어링부(53)와 제2 롤러 베어링부(54)가 가압 롤러부(51)의 양측을 지지하므로, 가압 롤러부(51)가 구름면부(22)와 구름 접촉되면서 이동될 때에 안정되게 회전될 수 있다.

아래에서는 출력 로드부(45)를 통해 요크부(20)에 전달되는 외부 토크와, 출력 로드부(45)(출력축)의 회전각을 계산하기 위한 수식을 예를 들어 설명한다.

[수식 1]

[수식 2]

[수식 3]

[수식 4]

요크부(20)의 중심부와 가압유닛(50)의 회전중심 사이의 거리를 R이라고 하고, 구름면부(22)의 내측면 중 특정 지점과 요크부(20)의 중심부 사이의 거리를 r이라고 한다. 이때, R은 가압유닛(50)의 위치에 관계없이 항상 동일한 길이를 가지며, r은 구름면부(22)의 중심부에서 양측으로 갈수록 길이가 감소된다.

암의 길이(r)는 디스크부(40)의 중심축(입력축)(43)의 회전 각도(θ)에 따라 달라지므로, 암의 길이 값은

이다. 또한, 가압유닛(50)이 특정 각도(θ) 만큼 회전된 경우, 가압유닛(50)의 회전중심을 지나는 수평축(H)을 긋고, 이때의 수평축(H)과 구름면부(22)와 만나는 지점과 r 선을 연결한다. 이때, 수평축(H)과 r 선이 이루는 각도를 α라고 정의하면,

이 된다. 또한, 수평축(H) 상에서 가압유닛(50)의 수평 이동 거리와, 요크부(20)에서 구름면부(22) 궤적의 수평 거리의 차이를 코일 스프링(33a,33b)의 변위(x)라고 할 수 있으므로, 코일 스프링(33a,33b)의 변위(x)는

가 된다. 따라서, 상기 [수식 4]에 P(코일 스프링(33a,33b)의 비틀림 상수)와 n 값을 부여한 후 토크 변위 관계를 대입하면, r이 입력축의 회전 각도(θ)에 대한 식으로 도출되며, 이를 이용하여 요크부(20)에서 구름면부(22)의 형상을 설계할 수 있다. [수식 4]에서 n값이 증가할수록 외부 토크의 비선형성이 증가하므로, n값을 적절하게 선택하여 토크 감지 장치(100)가 외부 토크의 선형성과 비선형성에 적절하게 대응하도록 설계할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치의 작동에 관해 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 요크부의 구름면부를 따라 가압유닛이 이동되는 상태를 도시한 확대도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 요크부의 구름면부에서 가압유닛이 회전되는 과정을 도시한 평면도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 비틀림 상수에 대응되는 외부 토크값의 변화를 도시한 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 감지 장치에서 비틀림 상수가 180일 때에 n값의 변화에 따른 외부 토크값의 변화를 도시한 그래프이다.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 로봇암이 구동되면, 구동부의 구동력에 의해 회전 프레임(10)이 일정 각도 회전된다. 이때, 디스크부(40)는 가압유닛(50)과 탄성부재(33)의 탄성력에 의해 회전 프레임(10)과 함께 회전된다. 따라서, 로봇암이 회전되면서 해당 작업을 수행할 수 있다.

로봇암에 외부 충격이 가해지면, 출력 로드부(45)는 외부 충격을 디스크부(40)에 전달한다. 이때, 가압유닛(50)이 디스크부(40)와 함께 회전 프레임(10)에서 상대적으로 회전된다. 가압유닛(50)이 디스크부(40)의 회전중심을 중심으로 회전되면서 구름면부(22)를 따라 이동된다. 또한, 탄성부재(33)가 탄성력에 의해 길이방향으로 신축됨에 따라 요크부(20)가 이동축(X)을 따라 일정 거리 이동된다. 따라서, 출력 로드부(45)의 회전운동을 요크부(20)의 직선운동으로 변환할 수 있다. 도 7에서 가압유닛(50)이 일정 각도 회전되면 요크부(20)는 m1만큼 이동되고, 가압유닛(50)이 더 회전되면 요크부(20)는 m2 만큼 이동되는 과정을 나타낸다.

이때, 디스크부(40)의 회전중심과 가압유닛(50)의 회전중심을 연결하는 선분이 일정 각도(θ) 회전되면, 가압유닛(50)의 변위는 수평방향으로 Rcos(θ) 만큼 이동된다. 또한, 가압유닛(50)이 요크부(20)의 구름면부(22)를 따라 이동되므로, 요크부(20)는

만큼 수평방향으로 이동된다. 이때, 요크부(20)의 이동 거리는 코일 스프링(33a,33b)의 수평방향 변위(x)와 동일하다. 따라서, 코일 스프링(33a,33b)의 수평방향 변위(x)는

가 된다.

제어부에는 코일 스프링(33a,33b)의 수평방향 변위, 요크부(20)의 구름면부(22)의 형상 및 가압유닛(50)의 회전 각도에 대응되는 토크의 관계가 미리 입력되어 있으므로, 상기한 인자들을 연산하여 디스크부(40)에 의해 전달되는 외부 토크를 정확하게 측정할 수 있다. 외부 토크가 정확하게 측정될 수 있으므로, 로봇암이 사용되는 상황과 조건에 맞게 적용되도록 토크 감지 장치(100)를 구현 및 조정할 수 있다. 또한, 토크와 변위 관계식에 가압유닛(50)의 회전각(θ)을 대입하면, 외부에서 가해지는 토크를 측정하는 토크 감지 장치(100)의 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 로봇암에 외부 충격이 가해지더라도 토크 감지 장치(100)에 의해 충격을 흡수할 수 있고, 외부 토크와 요크부(20)의 변위를 정확하게 측정함으로써, 로봇암의 관절 부위 등에서 위치와 힘을 정확하게 제어할 수 있다.

한편, 비틀림 상수(P)가 90, 180, 270, 360으로 각각 변경되면, 토크와 변위는 선형적인 관계를 나타낸다. 즉, 비틀림 상수(P)가 초기부터 0.8rad까지는 외부 토크 값이 선형을 나타낸다(도 7 참조). 또한, 비틀림 상수(P)가 90, 180, 270, 360으로 변경될 때에도 스프링 강성의 기울기가 선형을 나타내는 것을 알 수 있다. 스프링 강성의 기울기가 선형을 이루므로, 로봇암에 외부 충격이 가해질 때에 로봇암의 관절 부위에서 변위와 힘을 정확하게 제어할 수 있다.

또한, 비틀림 상수(P)가 180으로 동일하게 대입되고, 상기한 구름면부의 궤적에 대하여 [수식 4]에 n값을 대입하면, 초기부터 특정 범위까지 식에 대입한 대로 토크 감지 장치(100)의 목표 강성값을 나타낸다(도 8 참조).

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10: 회전 프레임 12: 단차홈부
14: 수용부 20: 요크부
21: 요크 바디부 22: 구름면부
23: 요크 가이드부 24: 슬라이드 부시부
25: 연장 리브 30: 탄성 서포터부
31: 서포터 로드브 33: 탄성부재
33a: 제1 코일 스프링 33b: 제2 코일 스프링
40: 디스크부 41: 제1 디스크
42: 제2 디스크 43: 디스크 축부
45: 출력 로드부 50: 가압유닛
51: 가압 롤러부 53: 제1 롤러 베어링부
54: 제2 롤러 베어링부 100: 토크 감지 장치
X: 이동축 H: 수평축

Claims

회전 가능하게 설치되는 회전 프레임;
상기 회전 프레임의 내부에 직선방향을 따라 이동 가능하게 설치되고, 구름면부가 형성되는 요크부;
상기 요크부를 탄성 지지하도록 설치되는 탄성 서포터부;
상기 요크부에 결합되고, 출력 로드부가 연결되는 디스크부; 및
상기 디스크부와 함께 회전되도록 상기 디스크부에 설치되고, 상기 구름면부에 구름 접촉되게 설치되며, 상기 출력 로드부에 외력이 가해지면 상기 디스크부와 함께 회전되면서 상기 구름면부를 가압함에 따라 상기 요크부를 직선방향을 따라 이동시키는 가압유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 감지 장치.
제1 항에 있어서,
상기 요크부는,
상기 요크부의 이동축의 양측에 상기 구름면부가 형성되는 요크 바디부;
상기 요크 바디부의 상기 이동축과 평행하도록 상기 요크 바디부에서 연장되고, 상기 회전 프레임에 직선 이동 가능하게 삽입되는 요크 가이드부; 및
상기 요크 바디부에서 상기 요크 가이드부와 수직한 방향으로 연장되고, 상기 탄성 서포터부에 의해 탄성 지지되는 연장 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 감지 장치.
제2 항에 있어서,
상기 구름면부는 상기 요크부의 중심부에서 상기 요크부의 이동방향 양측으로 갈수록 곡률이 감소되는 것을 특징으로 하는 토크 감지 장치.
제2 항에 있어서,
상기 요크 가이드부가 슬라이딩 가능하게 결합되도록 상기 요크 바디부에 설치되는 슬라이드 부시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 감지 장치.
제2 항에 있어서,
상기 회전 프레임의 양측에는 상기 연장 리브가 이동되도록 상기 이동축과 평행하게 단차홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 토크 감지 장치.
제2 항에 있어서,
상기 탄성 서포터부는,
상기 연장 리브에 관통되고, 상기 요크 바디부의 상기 이동축에 평행하게 설치되는 서포터 로드부; 및
상기 서포터 로드부가 삽입되고, 상기 연장 리브를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 감지 장치.
제6 항에 있어서,
상기 탄성부재는,
상기 연장 리브의 일측을 탄성 지지하도록 상기 서포터 로드부의 일측에 배치되는 제1 코일 스프링; 및
상기 연장 리브의 타측을 탄성 지지하도록 상기 서포터 로드부의 타측에 배치되는 제2 코일 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 감지 장치.
제2 항에 있어서,
상기 디스크부는,
상기 요크 바디부의 일측면에 접촉되도록 배치되는 제1 디스크;
상기 요크 바디부의 타측면에 접촉되도록 배치되고, 상기 출력 로드부가 연결되는 제2 디스크; 및
상기 요크 바디부의 내부를 관통하고, 상기 제1 디스크와 상기 제2 디스크의 중심부를 연결하는 디스크 축부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 감지 장치.
제8 항에 있어서,
상기 가압유닛은 상기 디스크 축부의 일측에 편심되게 배치되는 것을 특징으로 하는 토크 감지 장치.
제9 항에 있어서,
상기 가압유닛은,
상기 제1 디스크와 상기 제2 디스크에서 편심되게 배치되고, 상기 구름면부에 구름 접촉되는 가압 롤러부;
상기 가압 롤러부의 일측을 회전 가능하게 지지하도록 상기 제1 디스크에 설치되는 제1 롤러 베어링부; 및
상기 가압 롤러부의 타측을 회전 가능하게 지지하도록 상기 제2 디스크에 설치되는 제2 롤러 베어링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 감지 장치.