KR102191285B1 - 힘과 모멘트 센서, 그러한 힘과 모멘트 센서용 힘 트랜스듀서 모듈 및 그러한 힘과 모멘트 센서를 포함하는 로봇 - Google Patents

힘과 모멘트 센서, 그러한 힘과 모멘트 센서용 힘 트랜스듀서 모듈 및 그러한 힘과 모멘트 센서를 포함하는 로봇 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 4개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')와 베이스 판(2)을 포함하는 힘과 모멘트 센서(1)로서; 4개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')는 힘을 검출하여 검출된 힘(F)에 대한 측정 신호를 생성하며; 힘과 모멘트 센서(1)는 커버 판(3)을 포함하고, 커버 판(3)은 경계면(31)을 포함하고, 경계면(31) 상에는 검출될 힘(F)이 작용하고; 힘과 모멘트 센서(1)는 평가 유닛(6)을 포함하고, 평가 유닛(6)은 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 측정 신호를 평가하고; 베이스 판(2)이 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')와 평가 유닛(6)을 수용하기 위한 적어도 1개의 공동(21 내지 21''', 22)을 포함하고, 공동(21 내지 21''', 22)에는, 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')와 평가 유닛(6)이 배치되며; 베이스 판(2)과 커버 판(3)은 기계적으로 연결되어 하우징을 형성하는, 힘과 모멘트 센서(1)에 관한 것이다.

Description

힘과 모멘트 센서, 그러한 힘과 모멘트 센서용 힘 트랜스듀서 모듈 및 그러한 힘과 모멘트 센서를 포함하는 로봇
본 발명은, 독립항의 전제부에 기재된 힘과 모멘트 센서에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 힘과 모멘트 센서용 힘 트랜스듀서 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 힘과 모멘트 센서를 포함하는 로봇에 관한 것이다.
로봇 공학은 대세이다. 로봇은 구성요소의 결합과 같은 복잡한 공정을 점점 더 실행할 수 있다. 센서 기술은 결합 힘을 측정하기 위한 핵심이다. 3축 결합 힘이 힘과 모멘트의 6개의 성분에 의해 기술된다. 그러한 결합 힘은 힘과 모멘트 센서에 의해 결정될 수 있다. 이를 위해, 힘과 모멘트 센서는, 예컨대 로봇 팔의 손목에서와 같이 로봇의 로봇 팔과 공구 사이의 힘 경로에 배치된다. 힘과 모멘트 센서는 결합 힘을 검출하여 검출된 결합 힘에 등가인 출력 신호를 버스 시스템의 인터페이스를 통해 로봇의 로봇 제어부에 송신한다.
문헌, US2016/0109311A1은 힘을 검출하기 위한 힘과 모멘트 센서를 개시한다. 4개의 압전 힘 트랜스듀서가 정사각형 형상의 베이스 판의 4개의 측표면에 기계적으로 체결된다. 압전 힘 트랜스듀서는 제1 및 제2 지지부의 경계면(delimiting surface)에 대항하여 초기 응력(prestressing force)을 기계적으로 초기에 받게 되며; 초기 응력의 효과적인 방향은 경계면에 수직이다. 각각의 압전 힘 트랜스듀서는 베이스 판의 중심에서 기준점에 동일 거리로 배치된다. 2개의 압전 힘 트랜스듀서가 각각 축 상에 있다. 2개의 축은 베이스 판의 측표면에 수직이며 서로 직각으로 연장한다. 제1 지지부는 제1 축의 압전 힘 트랜스듀서에 고정되며, 제2 지지부는 제2 축의 압전 힘 트랜스듀서에 고정된다.
4개의 압전 힘 트랜스듀서는 제1 및 제2 지지부의 경계면에 작용하는 힘의 3개의 성분을 검출한다. 4개의 압전 힘 트랜스듀서와 기준점 사이의 알려진 거리로부터, 좌표계에서 베이스 판에 작용하는 모멘트의 3개의 성분을 계산할 수 있다. 그에 따라, 힘과 모멘트 센서는 총 6개의 성분을 제공한다.
각각의 압전 힘 트랜스듀서는 3개의 압전 트랜스듀서 요소를 포함한다. 압전 트랜스듀서 요소는, 그에 작용하는 힘이 이 힘의 크기에 비례하는 양의 전기 분극 전하를 생성하는 결정학적 배향으로 배치된다. 각각의 압전 힘 트랜스듀서의 경우, 1개의 압전 트랜스듀서 요소는 수직력의 성분을 검출하며, 2개의 압전 트랜스듀서 요소는 전단력의 2개의 성분을 검출한다. 그에 따라, 검출된 힘의 경우, 4개의 힘 트랜스듀서는 전기 분극 전하 형태의 측정 신호를 생성한다. 각각의 압전 힘 트랜스듀서는 전하 증폭기와 아날로그-디지털 변환기를 포함한다. 각각의 전하 증폭기는 3개의 압전 트랜스듀서 요소 중 1개의 요소의 전기 분극 전하를 증폭하며, 각각의 아날로그-디지털 변환기는 3개의 증폭된 전기 분극 전하 중 하나를 변환하여 결국 총 3개의 디지털 출력 신호를 야기한다. 그에 따라, 12개의 디지털 출력 신호가 총 12개의 압전 트랜스듀서 요소에 대해 생성된다.
문헌, DE102012005555B3은, 행으로 배치되는 복수의 압전 힘 트랜스듀서를 포함하는 측정 판을 교시한다. 압력 피스(piece)가 각각의 압전 힘 트랜스듀서와 관련되며; 검출될 힘이 압력 피스를 통해 압전 힘 트랜스듀서에 작용한다. 각각의 압전 힘 트랜스듀서는 2개의 압전 트랜스듀서 요소, 즉 압축력을 검출하기 위한 1개의 압전 트랜스듀서 요소와, 전단력을 검출하기 위한 1개의 압전 트랜스듀서 요소를 포함한다. 압전 힘 트랜스듀서 각각의 압전 트랜스듀서 요소는 1개의 요소 위에 1개의 요소가 쌍으로 측정 판의 오목부에 배치된다. 총 8개의 압전 트랜스듀서 요소가 8개의 측정 신호를 생성하며, 이러한 측정 신호는 전기 연결을 통해 4개의 연결기에 송신된다. 신호 케이블이 연결기와 연결될 수 있어서 측정 신호를 외부 평가 유닛에 송신한다.
본 발명의 제1 목적은 로봇에 의해 실행되는 복잡한 동작과 간섭하지 않고 로봇 팔의 손목에 배치를 위해 가능한 작은 공간 확장을 갖도록 그러한 힘과 모멘트 센서를 또한 개발하는 것이다. 힘과 모멘트 센서의 제2 목적은, 기계적으로 가능한 강력해야 하며, 특히 휨 모멘트에 대해 큰 강성을 가져야 한다는 점이다. 힘과 모멘트 센서의 다른 목적은 로봇의 제조 비용에 적은 정도로만 기여하도록 저가이어야 한다는 점이다. 힘과 모멘트 센서의 또 다른 목적은, 로봇과 사람이 같은 공간에서 작업할 수 있도록 높은 수준의 직업 안전성을 보장하는 것이다.
이들 목적 중 적어도 하나는 독립항의 특성부에 의해 달성된다.
본 발명은 4개의 압전 힘 트랜스듀서와 베이스 판을 포함하는 힘과 모멘트 센서로서; 4개의 압전 힘 트랜스듀서는 힘을 검출하여 검출된 힘에 대한 측정 신호를 생성하고; 힘과 모멘트 센서는 커버 판을 포함하고, 이 커버 판은 경계면을 포함하고, 경계면 상에는 검출될 힘이 작용하고; 힘과 모멘트 센서는 평가 유닛을 포함하고, 이 평가 유닛은 압전 힘 트랜스듀서의 측정 신호를 분석하고; 베이스 판은 압전 힘 트랜스듀서와 평가 유닛을 수용하기 위한 적어도 하나의 공동을 포함하고, 이 공동에는, 압전 힘 트랜스듀서와 평가 유닛이 배치되며; 베이스 판과 커버 판은 기계적으로 연결되어 하우징을 형성하는, 힘과 모멘트 센서에 관한 것이다.
문헌, US2016/0109311A1과 대조적으로, 본 발명에 따른 힘과 모멘트 센서는 4개의 압전 힘 트랜스듀서를 수용하며, 베이스 판의 공동에서의 압전 힘 트랜스듀서의 측정 신호를 평가하기 위한 평가 유닛을 또한 수용한다. 더 나아가, 검출될 힘은 커버 판의 경계면에 작용한다. 그러므로 오직 2개의 구성요소, 베이스 판과 커버 판이 압전 힘 트랜스듀서를 수용하기 위해 그리고 힘을 가하기 위해 필요하다. 베이스 판과 커버 판은 연결되어 하우징을 형성한다. 문헌, US2016/0109311A1에 따르면, 이것은 2개의 지지부와 1개의 베이스 판을 필요로 하며, 문헌, DE102012005555B3에 따르면, 이것은 측정 판과 4개의 압력 피스를 필요로 한다. 베이스 판의 공동에서의 압전 힘 트랜스듀서와 평가 유닛의 이러한 공간적으로 콤팩트한 구성과 커버 판의 경계면에서의 힘의 도입은 힘과 모멘트 센서의 상당한 크기 감소를 야기한다.
본 발명의 일 실시예에서, 각각의 압전 힘 트랜스듀서는 복수의 압전 트랜스듀서 요소를 포함하며, 각각의 압전 힘 트랜스듀서는 적어도 1개의 제1 압전 트랜스듀서 요소에 의해 수직력의 정확히 1개의 성분을 검출하며; 각각의 압전 힘 트랜스듀서는 적어도 1개의 제2 압전 트랜스듀서 요소에 의해 전단력의 정확히 1개의 성분을 검출한다.
또한, 문헌, US2016/0109311A1과 대조적으로, 본 발명에 따른 힘과 모멘트 센서는 단지 8개의 압전 트랜스듀서 요소를 포함한다. 이것은 압전 트랜스듀서 요소의 개수의 33.3%의 감소이다. 그러나 힘과 모멘트 센서는 또한 힘의 3개의 성분과 모멘트의 3개의 성분을 검출할 수 있다. 압전 트랜스듀서 요소의 개수를 감소시키면, 힘과 모멘트 센서 크기를 추가로 감소시킨다. 게다가, 힘과 모멘트 센서의 제조 비용은 매우 감소한다.
본 발명은 또한 힘과 모멘트 센서용의 힘 트랜스듀서 모듈에 관한 것이며, 힘 트랜스듀서 모듈은, 전기 도체에 의해 평가 유닛과 전기 접촉하는 4개의 압전 힘 트랜스듀서에 의해 형성된다.
본 발명에 따른 힘 트랜스듀서 모듈은 힘 검출, 측정 신호 생성 및 측정 신호 평가 기능을 합친다. 이것은 작은 치수를 가지며, 힘과 모멘트 센서의 베이스 판의 공동에 배치될 수 있다. 결국, 이 힘과 모멘트 센서의 제조는 특히 비용-효과적이며, 이는 힘 트랜스듀서 모듈이 공동에 배치되면, 베이스 판과 커버 판을 기계적으로 연결하여 하우징을 형성하는 것만이 필요하기 때문이다.
더 나아가, 본 발명은 또한 그러한 힘과 모멘트 센서를 포함하는 로봇에 관한 것이며, 힘과 모멘트 센서의 베이스 판의 경계면은 로봇의 손목의 표면에 기계적으로 연결되며; 힘과 모멘트 센서의 커버 판의 경계면은 공구에 기계적으로 연결된다.
본 발명의 일 실시예에서, 각각의 압전 힘 트랜스듀서는 커버 판의 경계면에 대항하여 초기 응력을 기계적으로 초기에 받게 되며; 초기 응력의 효과적인 방향은 경계면에 수직이며; 공구의 휨 모멘트가 압전 힘 트랜스듀서에 수직력으로서 작용한다.
이것은 또한, 압전 힘 트랜스듀서가 제1 및 제2 지지부의 경계면에 대항하여 초기 응력을 기계적으로 초기에 받게 되며, 초기 응력의 효과적인 방향은 경계면에 수직인 점에서 문헌, US2016/0109311A1과 대조된다. 이 경우에, 공구의 휨 모멘트가 전단력으로서 압전 힘 트랜스듀서에 작용할 것이다. 전단력은 경계면으로부터 압전 힘 트랜스듀서로 마찰력으로서 전달된다. 마찰력의 전달을 위해, 상대적으로 큰 초기 응력을 경계면에 대항하여 압전 힘 트랜스듀서에 기계적으로 초기에 가해야 한다. 그러나 압전 힘 트랜스듀서의 압전 소재는 파괴 한계치까지 초기 응력을 단지 인내할 것이며, 이 파괴 한계치를 초과하면, 압전 소재의 손상과 파괴가 발생할 것이다. 본 발명에서, 공구의 휨 모멘트가 초기 응력에 평행하게 연장하는 수직력으로서 작용하기 때문에 그러한 큰 초기 응력을 가할 필요는 없다. 그러므로 큰 초기 응력을 본 발명에 따른 힘과 모멘트 센서에 기계적으로 초기에 가해야 할 필요는 없어서, 이 센서는 상당히 더 큰 휨 모멘트를 견딜 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 로봇의 힘과 모멘트 센서는 2개의 힘 트랜스듀서 모듈을 포함하고; 제1 힘 트랜스듀서 모듈의 제1 압전 힘 트랜스듀서는 첫 번째로 힘을 검출하고 첫 번째로 검출한 힘에 대한 제1 측정 신호를 생성하고; 제2 힘 트랜스듀서 모듈의 제2 압전 힘 트랜스듀서는 두 번째로 동일한 힘을 검출하며, 두 번째로 검출한 힘에 대한 제2 측정 신호를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에서, 로봇의 힘과 모멘트 센서는 2개의 힘 트랜스듀서 모듈을 포함하고; 제1 힘 트랜스듀서 모듈의 제1 평가 유닛은 제1 측정 신호를 평가하고 이들 신호를 제1 디지털 출력 신호로서 제공하고; 제2 힘 트랜스듀서 모듈의 제2 평가 유닛은 제2 측정 신호를 평가하고 이들 신호를 제2 디지털 출력 신호로서 제공하고; 힘과 모멘트 센서는 제1 디지털 출력 신호를 버스 시스템을 통해 로봇의 로봇 제어부에 송신하고; 힘과 모멘트 센서는 제2 디지털 출력 신호를 버스 시스템을 통해 로봇의 로봇 제어부에 송신하며; 로봇의 로봇 제어부는 송신된 제1 디지털 출력 신호를 송신된 제2 디지털 출력 신호와 비교한다.
이것은 유리하다. 2번 검출된 힘의 디지털 출력 신호의 본 발명에 따른 그러한 비교는, 특히 로봇과 사람이 동일한 공간에서 함께 작업하며 안전 펜스와 같은 안전 조치에 의해 공간적으로 서로로부터 분리되지 않을 때, 작업 안전을 이유로 필요할 수 있다. 이 경우에, 사람은, 로봇 팔의 빠르고 강력한 움직임으로 인해 심각하거나 심지어 치명적인 부상의 위험에 있게 된다. 로봇의 로봇 제어부는 검출되어 송신된 힘을 비교하며, 검출되어 송신된 2개의 힘 사이의 차이를 검출하면, 로봇을 안전 모드로 전환할 수 있으며, 이러한 안전 모드에서, 로봇과 사람의 협력은 중단되며 사람은 안전한 거리로 이동할 수 있다.
다음에서, 본 발명은 도면을 참조하여 예를 들어 설명될 것이다.
도 1은, 1개의 힘 트랜스듀서 모듈을 포함하는 힘과 모멘트 센서의 제1 실시예의 일부분의 분해도이다.
도 2는, 2개의 힘 트랜스듀서 모듈을 포함하는 힘과 모멘트 센서의 제2 실시예의 일부분의 분해도이다.
도 3은, 도 2에 따른 힘과 모멘트 센서의 제2 실시예의 일부분을 관통하는 횡단면도를 도시한다.
도 4는, 도 1 또는 도 2에 따른 힘과 모멘트 센서에 대한 힘 트랜스듀서 모듈의 실시예의 일부분의 평면도를 도시한다.
도 5는, 도 4에 따른 힘 트랜스듀서 모듈의 실시예의 일부분의 도면이다.
도 6은, 도 1 또는 도 2에 따른 힘과 모멘트 센서를 포함하는 로봇의 실시예의 일부분의 도면을 도시한다.
도 1 및 도 2는, 베이스 판(2)과 커버 판(3)을 포함하는 힘과 모멘트 센서(1)의 2개의 실시예의 부품들을 도시한다. 힘과 모멘트 센서(1)의 중심(0)이 좌표(x, y, z)를 갖는 직각 좌표계의 원점에 위치한다. 힘과 모멘트 센서(1)의 중심(0)은 또한 베이스 판(2)의 중심(0)이며, 또한 중심(0)으로서 지칭된다. z 축을 따른 방향이 또한 길이 방향으로서 지칭되는 반면, xy-평면에서의 방향이 방사 방향으로서 지칭된다.
베이스 판(2)과 커버 판(3)은 길이 방향에서보다 xy 평면에서 더 큰 치수를 갖는다. xy 평면에서, 베이스 판(2)과 커버 판(3)은 직경이 150mm, 바람직하게는 직경이 100mm 이하인 원형 횡단면을 갖는다. 베이스 판(2)은 30mm, 바람직하게는 20mm 이하인 길이 방향의 두께를 갖는다. 커버 판(3)은 10mm, 바람직하게는 5mm 이하인 길이 방향의 두께를 갖는다. 본 발명의 교훈을 알고 있다면, 베이스 판(2)과 커버 판(3)은 다각형 횡단면과 같은 비원형 횡단면을 또한 가질 수 있다.
베이스 판(2)은 포트(pot) 형상인 반면, 커버 판(3)은 뚜껑으로서 형성된다. 베이스 판(2)의 측방향 에지는 방사 방향에서 하우징의 경계를 정한다. 베이스 판(2)의 측방향 에지는 임의의 개구 없이 폐쇄된다. 베이스 판(2)의 경계면(24)은 길이 방향에서 하우징의 경계를 정한다. 베이스 판(2)의 경계면(24)은 폐쇄되지 않으며, 초기 응력 부재(5 내지 5''')에 대한 복수의 개구를 포함한다. 커버 판(3)의 경계면(31)은 길이 방향에서 하우징의 경계를 정한다. 커버 판(3)의 경계면(31)은 임의의 개구 없이 폐쇄된다. 커버 판(3)의 방사상 외부 에지는 베이스 판(2)의 측방향 에지와 동일한 높이이다.
베이스 판(2)은 적어도 하나의 공동(21 내지 21''', 22)을 포함한다. 공동(21 내지 21''', 22)은, 커버 판(3)에 면하는 베이스 판(2)의 측 상에 배치된다. 힘과 모멘트 센서(1)의 구성요소는 공동(21 내지 21''', 22)에 배치된다.
베이스 판(2)과 커버 판(3)은 기계적 저항 소재로 만든다. 베이스 판(2)과 커버 판(3)은 기계적으로 연결되어 하우징을 형성한다. 이러한 기계적 연결은, 나사 연결부에 의해 바람직하게는 힘-끼워맞춤 방식으로 초기 응력 부재(5 내지 5''')를 통해 실행된다. 초기 응력 부재(5 내지 5''')는 볼트로서 형성될 수 있다. 커버 판(3)은, 베이스 판(2)에 면하는 측 상에 나사 연결부를 구축하기 위한 나사 나사산을 포함한다. 바람직하게도, 4개의 초기 응력 부재(5 내지 5''')는 베이스 판(2)의 4개의 개구를 통해 돌출하며 커버 판(3)의 4개의 나사산에 나사 결합된다. 초기 응력 부재(5 내지 5''')가 안으로 나사 결합되면, 베이스 판(2)과 커버 판(3)은 서로에 대항하여 초기 응력을 받는다. 이를 위해, 각각의 초기 응력 부재(5 내지 5''')의 볼트 헤드는 베이스 판(2)에 정착한다. 바람직하게도, 각각의 볼트 헤드는 베이스 판(2)의 오목부에 정착하며, 베이스 판(2)의 경계면(24)을 초과하여 돌출하지 않는다. 기계적 연결은 기밀(gas-tight) 및 수밀(water-tight)하다. 기밀 및 수밀 시일링이 시일링 요소(13a, 13b 내지 13b''', 13c)에 의해 달성된다. 하우징은, 동작 동안 일어나는 충격과 충돌로부터 공동(21 내지 21''')에 위치한 구성요소를 보호한다. 그러나 하우징은, 오염물(먼지, 습기 등)과 같은 유해 환경 조건으로부터 공동(21 내지 21''') 내의 구성요소를 또한 보호한다. 마지막으로, 하우징은 전자기 방사선의 형태의 전기 및 전자기 간섭 효과로부터 공동(21 내지 21''', 22) 내의 구성요소를 보호한다.
바람직하게도, 베이스 판(2)은, 복수의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')를 수용하기 위한 복수의 공동(21 내지 21''')을 포함한다. 바람직하게도, 4개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')는 4개의 공동(21 내지 21''')에 배치된다. 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 각각의 공동(21 내지 21''')은 중심(0)에 대해 방사상 거리(r)에 배치된다. 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 공동(21 내지 21''')은 또한 방사상 이격 공동(21 내지 21''')으로 불린다. 방사상 이격 공동(21 내지 21''')은 중심(0)으로부터 동일한 방사상 거리(r)에 배치된다. 방사상 이격 공동(21 내지 21''')은 동일하다. 각각의 방사상 이격 공동(21 내지 21''')은 길이 방향에서 볼 때 원형 횡단면을 갖는다. 2개의 방사상 이격 공동(21, 21'')은 x축 상에 있으며, 2개의 방사상 이격 공동(21', 21''')은 y축 상에 있다. 2개의 바로 인접한 방사상 이격 공동(21 내지 21''')은 거리(a)만큼 이격된다. 각각의 방사상 이격 공동(21 내지 21''')은 적어도 1개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')를 수용한다. 도 1에 따른 실시예에서, 각각의 방사상 이격 공동(21 내지 21''')은 정확히 1개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')를 수용한다. 도 2에 따른 실시예에서, 각각의 방사상 이격 공동(21 내지 21''')은 정확히 2개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')를 수용한다. 2개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')는 z축을 따라 볼 때 하나가 다른 하나 위에 배치된다.
바람직하게도, 베이스 판(2)은 평가 유닛(6)용 공동(22)을 포함한다. 평가 유닛(6)의 공동(22)은 중심(0)에 배치된다. 평가 유닛(6)의 공동(22)은 또한 중심 공동(22)으로 불린다. 도 1에 따른 실시예에서, 중심 공동(22)은 정확히 1개의 평가 유닛(6)을 수용한다. 도 2에 따른 실시예에서, 중심 공동(22)은 정확히 2개의 평가 유닛(6)을 수용한다. 2개의 평가 유닛(6)은 z축을 따라 볼 때 하나가 다른 하나 위에 배치된다. 중심 공동(22)은 중심(0) 주위에서 십자가 형상이며 방사 방향으로 연장하는 4개의 레그(leg)를 포함한다. 2개의 바로 인접한 레그는 서로 수직이다. 4개의 레그는 중심(0)에서 4개의 방사상 이격 공동(21 내지 21''')에 대해 45°만큼 오프셋된다. 방사상 이격 공동(21 내지 21''')은 2개의 바로 인접한 레그 사이에 배치된다. 이로 인해, 베이스 판(2)에서 이용 가능한 공간은 최적으로 활용한다. 2개의 바로 인접한 레그는 전환 영역에서 서로와 접촉한다. 각 전환 영역에서, 베이스 판(2)은 관통 구멍(23 내지 23''')을 포함한다. 베이스 판(2)의 관통 구멍(23 내지 23''')은 동일하다. 베이스 판(2)의 각 관통 구멍(23 내지 23''')은 중심 공동(22)으로부터 방사상 이격 공동(21 내지 22''')까지 방사 방향으로 연장한다. 그에 따라, 공동(21 내지 21''', 22)은 관통 구멍(23 내지 23''')을 통해 서로와 연결된다.
바람직하게도, 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')는 정확히 2개의 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')를 포함한다. 각각의 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')는 디스크 형상이며, 석영(SiO2 단결정), 칼슘 갈로 게르마네이트(Ca3Ga2Ge4O14, 즉 CGG), 랑가사이트(langasite)(La3Ga5SiO14, 즉 LGS), 투르말린(tourmaline), 갈륨 오르토인산염(gallium orthophosphate), 피에조세라믹스(piezoceramics) 등과 같은 압전 소재로 구성된다. 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')는 길이 방향에서보다 xy 평면에서 더 큰 치수를 갖는다. 각각의 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')는 20mm 직경, 바람직하게는 10mm 이하의 직경의 원형 횡단면을 갖는다. 각각의 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')는 1.0mm 이하, 바람직하게는 0.8mm 이하의 길이 방향의 두께를 갖는다.
압전 트랜스듀서 요소(8, 8') 각각의 결정 배향은, 검출될 힘(F)에 대해 높은 민감도를 갖게 되게 한다. 힘(F)의 검출은 kHz 범위의 측정 주파수에 따라 역동적이다. 높은 민감도는, 힘(F)의 각각의 변화에 따라 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')가 가능한 많은 전기 분극 전하(Q)를 생성하는 민감도로서 규정된다. 힘(F)은 힘 성분(Fx, Fy, Fz)을 포함하며, 여기서 첨자(x, y, z)는, 힘 성분(Fx, Fy, Fz)이 작용하는 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')의 요소 표면을 지칭한다. 첨자(x, y, z)는 좌표(x, y, z)에 대응한다.
힘(F)은 수직력이나 전단력 중 어느 하나로 요소 표면에 작용한다. 수직력은, 요소 표면에 수직인 표면에 평행한 효과적인 축을 따라 작용한다. 전단력은, 요소 표면에 수직인 표면에 수직인 효과적인 축을 따라 작용한다. 각각의 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')에 대해, z축이 표면에 수직이다. 수직 힘(Fz)을 검출하는 경우, 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)는, 전기 분극 전하(Qz)가 요소 표면 상에서 생성되게 하도록 결정학적 배향을 가지며, 이 요소 표면의 수직 표면은 수직 힘(Fz)의 z축에 평행이다. 압전 전단 효과의 경우, 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')는, 전기 분극 전하(Qx 또는 Qy)가 요소 표면 상에서 생성되게 하도록 결정학적 배향을 가지며, 이 요소 표면의 수직 표면은 전단력(Fx)의 x축에 수직이거나 전단력(Fy)의 y 축에 수직이다. 전단력(Fx)을 검출하는 경우, 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')는, x축을 따라 높은 민감도의 결정학적 배향으로 배치된다. 전단력(Fy)을 검출하는 경우, 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')는, y축을 따라 높은 민감도의 결정학적 배향으로 배치된다. 이러한 방식으로, 동일한 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')는 그에 따라 x축을 따른 높은 민감도의 결정학적 배향으로 전단력(Fx)을 검출하는 경우에서나 y축을 따른 높은 민감도의 결정학적 배향으로 전단력(Fy)을 검출하는 경우 중 어느 것에 대해서도 xy 평면에 배치될 수 있다. 즉 단지 90°만큼 회전해야 한다. 각각의 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')는 2개의 요소 표면을 갖는다. 압전 트랜스듀서 요소(8, 8') 각각의 요소 표면 상의 전기 분극 전하(Q)는 반대 극성을 갖는다. 그러나 본 발명을 알고 있는 당업자는 상이한 형상을 갖는 압전 트랜스듀서 요소를 또한 사용할 수 있다. 그에 따라 봉-형상의 압전 트랜스듀서 요소가, 전기 분극 전하(Qz)가 요소 표면 상에서 생성되게 하는 결정학적 배향에서 절단되는 압전 횡단 효과에 사용될 수 있으며, 이 요소 표면의 수직 표면은 수직 힘(Fz)의 z축에 수직이다.
바람직하게도, 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')는 복수의 트랜스듀서 전극(9, 9')과 복수의 상대 전극(10 내지 10'')을 포함한다. 트랜스듀서 전극(9, 9')과 상대 전극(10 내지 10'')은 알루미늄, 구리, 금 등과 같은 전기 전도성 소재로 만들며, 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')의 요소 표면으로부터 전기 분극 전하(Q)를 수집한다. 트랜스듀서 전극(9, 9')과 상대 전극(10 내지 10'')은 xy 평면에 있으며, 20mm 직경, 바람직하게는 10mm 이하의 직경의 원형 횡단면을 갖는다. 트랜스듀서 전극(9, 9')은 0.2mm 이하, 바람직하게는 0.05mm 이하의 길이 방향에서의 두께를 갖는다. 상대 전극(10 내지 10'')은 2.0mm 이하, 바람직하게는 1.0mm 이하의 길이 방향에서의 두께를 갖는다. 그러나 본 발명을 알고 있는 당업자는 트랜스듀서 전극과 동일한 두께를 갖는 상대 전극을 또한 사용할 수 있다.
각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')는 수직힘(Fz)을 검출하기 위한 적어도 1개의 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)와 전단력(Fx 또는 Fy)을 검출하기 위한 적어도 1개의 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')를 포함한다. 도 3에 따른 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 실시예는 수직력(Fz)을 검출하기 위한 정확히 2개의 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)와 전단력(Fx 또는 Fy)을 검출하기 위한 정확히 2개의 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')를 포함한다. 제1의 2개의 압전 트랜스듀서 요소(8)는 쌍으로 배치되며, 2개의 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')는 또한 쌍으로 배치된다. 도 3에 도시한 도면에서, 2개의 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)는 z축을 따라서 볼 때 2개의 제2 압전 트랜스듀서 요소(8') 위에 배치된다. 제1 트랜스듀서 전극(9)이 z축을 따라 볼 때 2개의 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)의 요소 표면 사이에 위치한다. 제2 트랜스듀서 전극(9')이 z축을 따라 볼 때 2개의 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')의 요소 표면 사이에 자리한다. 상대 전극(10 내지 10'')은, 트랜스듀서 전극(9, 9')으로부터 멀리 면하는 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')의 요소 표면에 대항하여 정착한다. 제1 상대 전극(10)은, z축에 대해 상부 표면이며 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)의 제1 트랜스듀서 전극(9)으로부터 멀리 면하는 요소 표면에 대항하여 정착한다. 제2 상대 전극(10')이 z축을 따라 볼 때 2개의 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)와 2개의 제2 압전 트랜스듀서 요소(8') 사이에 배치된다. 제2 상대 전극(10')은, z축을 따라 볼 때 하부 표면이며 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)의 제1 트랜스듀서 전극(9)으로부터 멀리 면하는 요소 표면에 대항하여 정착하며, z축을 따라 볼 때 상부 표면이며 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')의 제2 트랜스듀서 전극(9')으로부터 멀리 면하는 요소 표면에 대항하여 정착한다. 제3 상대 전극(10'')은, z축을 따라 볼 때 하부 표면이며 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')의 제2 트랜스듀서 전극(9')으로부터 멀리 면하는 요소 표면에 대항하여 정착한다.
압전 트랜스듀서 요소(8, 8')의 트랜스듀서 전극(9, 9')에 대항하여 정착하는 요소 표면은 동일한 극성을 가지며, 트랜스듀서 전극(9, 9')에 의해 평행하게 전기적으로 연결된다. 더 나아가, 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')의 상대 전극(10)에 대항하여 정착하는 요소 표면은 또한 동일한 극성을 가지며 상대 전극(10 내지 10'')에 의해 평행하게 전기적으로 연결된다. 동일한 극성을 갖는 전기 분극 전하(Q)는 평행하게 연결되는 요소 표면 상의 힘(F)의 작용 하에서 생성된다. 그에 따라 트랜스듀서 전극(9, 9')과 상대 전극(10 내지 10'') 각각은 합하여 동일한 극성을 갖는 전기 분극 전하(Q)를 야기한다. 바람직하게도, 상대 전극(10 내지 10'')은 힘과 모멘트 센서(1)의 하우징과 동일한 접지 전위에 있다.
트랜스듀서 전극(9, 9')과 상대 전극(10 내지 10'')의 전기 분극 전하(Q)는 전기 도체(11 내지 11'')에 의해 수신된다. 전기 도체(11 내지 11'')는 와이어 형상이며 알루미늄, 구리, 금 등과 같은 전기 전도성 소재로 만든다. 제1 전기 도체(11)는 제1 트랜스듀서 전극(9)으로부터 전기 분극 전하(Q)를 수신한다. 제2 전기 도체(11')는 제2 트랜스듀서 전극(9')으로부터 전기 분극 전하(Q)를 수신한다. 제3 전기 도체(11'')는 상대 전극(10 내지 10'')으로부터 전기 분극 전하(Q)를 수신한다. 전기 분극 전하(Q)는 전기 도체(11 내지 11'')에 의해 평가 유닛(6)에 송신된다.
각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')는 초기 응력 부재(5 내지 5''')에 의해 기계적으로 초기 응력을 받는다. 방사상 이격 공동(21 내지 21''')에 배치되는 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')는 초기 응력을 커버 판(3)에 대항하여 베이스 판(2)의 초기 응력 부재(5 내지 5''')에 의해 기계적으로 초기에 받는다. 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 초기 응력 부재(5 내지 5''')는 베이스 판(2)의 개구를 통해 돌출하며 커버 판(3)의 나사산에 나사 결합된다. xy 평면에 대하여, 각각의 개구는 방사상 이격 공동(21 내지 21''')의 중심에 배치된다. 개구는, 베이스 판(2)에 장착된 소켓에 의해 방사상 이격 공동(21 내지 21''')으로부터 분리된다. 커버 판(3)에 대항하여 베이스 판(2)이 초기 응력을 받은 상태에서, 소켓은 방사상 이격 공동(21 내지 21''')을 초기 응력 부재(5 내지 5''')로부터 분리한다. 기계적인 초기 응력은 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')와, 트랜스듀서 전극(9, 9')과 상대 전극(10 내지 10'') 사이의 뛰어난 전기 접촉을 보장하여, 큰 국부적 전기 응력과 전기 누출 전류를 갖는 비접촉 구역이 발생하지 않을 것이며, 게다가, 접촉 표면 상의 표면 거칠기 또한 균일하여, 힘과 모멘트 센서(1)의 뛰어난 선형성을 야기할 것이다. 이러한 선형성은 검출될 힘 성분(Fx, Fy, Fz)과 전기 분극 전하(Q) 사이의 비례로부터의 편차이다.
베이스 판(2)의 적어도 1개의 공동(21 내지 21''', 22)은 적어도 1개의 시일링 요소(13a, 13b 내지 13b''', 13c)에 의해 기밀 및 수밀 방식으로 시일링된다. 시일링 요소(13a, 13b 내지 13b''', 13c)는 플라스틱, 금속 등으로 만든다. 도 1에 따른 실시예에서, 힘과 모멘트 센서(1)는 환상 시일링 요소(13a)를 포함한다. 환상 시일링 요소(13a)는 베이스 판(2)의 측방향 에지와 커버 판(3)의 방사상 외부 에지 사이에 배치된다. 환상 시일링 요소(13)는 커버 판(3)에 대항하여 베이스 판(2)이 초기 응력을 받는 상태로 압축되어, 시일이 제공된다. 도 2에 따른 실시예에서, 힘과 모멘트 센서(1)는 복수의 디스크 형상의 시일링 요소(13b 내지 13b''', 13c)를 포함한다. 제1 디스크 형상의 시일링 요소(13b 내지 13b''')는 복수의 방사상 이격 공동(21 내지 21''')을 시일링한다. 제2 디스크 형상 시일링 요소(13.3)가 중심 공동(22)에 대해 시일을 제공한다. 바람직하게도, 디스크 형상 시일링 요소(13b 내지 13b''', 13c)는 소재 본딩에 의해 공동(21 내지 21''', 22)의 에지와 접촉한다. 소재 본딩은 용접, 확산 본딩, 열압축 본딩, 납땜 등에 의해 달성된다.
평가 유닛(6)은, 바람직하게는 폼 끼워맞춤, 마찰 또는 소재 본딩 연결에 의해 베이스 판(2)에 기계적으로 연결된다. xy 평면에서의 평가 유닛(6)의 팽창은 길이 방향에서보다 더 크다. 평가 유닛(6)은 150mm 미만, 바람직하게는 100mm 미만의 직경을 갖는 디스크 형상이다. 도 1, 도 2 및 도 4에 도시된 실시예에서, 평가 유닛(6)은 십자가 형상의 디스크이다. 길이 방향에서의 평가 유닛(6)의 두께는 20mm 이하이다.
평가 유닛(6)은 전기 회로 기판을 포함한다. 전기 회로 기판은 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드, Al2O3 세라믹스, 하이드로카본-세라믹 라미네이트 등과 같은 전기 절연 지지 소재로 만든다. 전기 회로 기판은 전기 저항, 전기 커패시터, 반도체 소자, 프로세서 등과 같은 전자 구성요소가 구비된다. 전기 회로 기판은 전기 신호 도체를 포함한다. 전기 신호 도체는 순수 금속, 니켈 합금, 코발트 합금, 철 합금 등과 같은 전기 전도성 소재로 만든다. 전기 전도성 도체는 전기 회로 기판의 지지 소재 상에 편평하게 있으며, 전자 구성요소 사이에 전기 연결을 제공한다. 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 전기 도체(11 내지 11'')는 전기 회로 기판에 안내된다. 하나의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 전기 도체(11 내지 11'')는 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 방사상 외부 공동(21 내지 21''')으로부터 베이스 판(2)의 관통 구멍(23 내지 23''')을 통해 베이스 판(2)의 중심 공동(22) 내로 연장한다. 중심 공동(22)에서, 전기 도체(11 내지 11'')의 단부는 하부 경계면 반대편의 전기 회로 기판의 표면 상에서 전기 신호 도체와 전기 접촉한다. 중심 공동(22)에서, 전기 도체(11 내지 11'')는 접촉용 공구로 쉽게 접근할 수 있다. 바람직하게도, 전기 도체(11 내지 11'')는 소재 본딩에 의해 전기 신호 도체와 접촉한다. 소재 본드는 용접, 확산 본딩, 열압축 본딩, 납땜 등에 의해 달성된다. 이런 식으로, 베이스 판(2)의 관통 구멍(23 내지 23''')은 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 전기 도체(11 내지 11'')가 평가 유닛(6)의 전기 회로 기판에 간단하고 신속하며 확고하게 전기 접촉할 수 있게 한다.
전자 구성요소로서, 평가 유닛(6)은 적어도 1개의 전하 증폭기와 적어도 1개의 아날로그-디지털 변환기를 포함한다. 바람직하게도, 평가 유닛(6)은 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')에 대해 적어도 1개의 전하 증폭기와 적어도 1개의 아날로그-디지털 변환기를 포함한다. 평가 유닛(6)은 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 측정 신호를 분석한다. 제1 전하 증폭기는 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)로부터의 전기 분극 전하(Q)를 증폭하며, 제1 아날로그-디지털 변환기는 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)로부터의 증폭된 전기 분극 전하(Q)를 디지털화한다. 제2 전하 증폭기는 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')로부터의 전기 분극 전하(Q)를 증폭하며, 제1 아날로그-디지털 변환기는 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')로부터의 증폭된 전기 분극 전하(Q)를 디지털화한다.
4개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''') 각각은 전기 도체(11 내지 11''')를 통해 평가 유닛(6)에 전기 접촉하며 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')을 형성한다. 도 1에 따른 실시예에서, 힘과 모멘트 센서(1)는 1개의 힘 트랜스듀서 모듈(14)을 포함하는 반면, 도 2에 따른 실시예에서, 힘과 모멘트 센서(1)는 2개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')을 포함한다. 길이 방향에서의 1개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')의 치수는 베이스 판(2)과 비교하여 작아서, 길이 방향에서 베이스 판(2)에 2개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')을 서로의 위에 배치할 수 있다.
그러므로 베이스 판(2)과 커버 판(3)은 힘과 모멘트 센서(1)의 두 실시예에 대해 동일한 치수를 가질 수 있다. 힘과 모멘트 센서(1)가 단지 1개의 힘 트랜스듀서 모듈(14)을 포함한다면, 단지 1개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 각각의 방사상 이격 공동(21 내지 21''')에 배치될 것이다. 이때, 검출될 힘이 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''') 상에 작용하기 위해, 상대 전극(10 내지 10'')의 길이 방향에서의 두께는, 방사상 이격 공동(21 내지 21''')이 완전히 채워지게 하도록 하는 것이 된다. 힘과 모멘트 센서(1)가 2개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')을 포함한다면, 각각의 방사상 이격 공동(21 내지 21''')은, 하나가 다른 하나 위에 배치되며 상대 전극(10 내지 10'')을 통해 동일한 접지 전위에 있는 각각의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')의 2개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')를 하우징할 것이다. 그에 따라, 검출될 힘이 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')에 작용하기 위해, 상대 전극(10 내지 10'')은 길이 방향에서 얇게 되어 방사상 이격 공동(21 내지 21''')이 완전히 채워지게 된다. 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')의 2개의 평가 유닛(6)은 서로로부터 공간 거리를 두고 하나 위에 다른 하나가 있게 중심 공동(22)에 배치된다. 2개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')은 서로 독립적으로 동일한 힘을 검출한다. 2개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')은 서로 독립적으로 측정 신호를 평가한다.
도 1과 도 2에 따른 힘과 모멘트 센서(1)의 실시예의 경우, 평가 유닛(6)은, 8개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 디지털화된 전기 분극 전하(Qx 내지 Qx''', Qy 내지 Qy''', Qz 내지 Qz''')로부터 힘(F)의 3개의 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트(M)의 3개의 성분(Mx, My, Mz)을 계산할 수 있다. 각각의 수학식은 다음과 같다:
Fx = +Qx' -Qx'''
Fy = +Qy'' -Qy
Fz = +Qz +Qz' +Qz'' +Qz'''
Mx = a/2 * (+Qz +Qz') - a/2 * (+Qz'' +Qz''')
My = a/2 * (+Qz' +Qz'') - a/2 * (+Qz +Qz''')
Mz = a/2 * (+Qy +Qx' +Qy'' +Qx''')
힘(F)의 3개의 계산된 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트(M)의 3개의 계산된 성분(Mx, My, Mz)에 대해, 평가 유닛(6)은 디지털 출력 신호를 생성하여 제공한다. 6개의 성분의 디지털 출력 신호는 3축 결합 힘을 기재할 것이다.
평가 유닛(6)은 인터페이스 소켓(7)을 포함한다. 이더켓(Etercat), 이더넷(Ethernet) 파워링크 등과 같은 버스 시스템의 인터페이스 커넥터가 인터페이스 소켓(7)에 전기 연결될 수 있다. 인터페이스 커넥터와 버스 시스템은 도 1 또는 도 2에는 도시하지 않는다. 버스 시스템을 통해, 평가 유닛(6)은 로봇의 로봇 제어부와 통신하여 제공된 디지털 출력 신호를 로봇의 로봇 제어부에 전송한다. 이 통신은 적어도 1kHz, 바람직하게는 적어도 4kHz의 버스 레이트의 실시간 통신이다. 버스 레이트와 측정 주파수는, 측정 주파수가 버스 레이트보다 큰 방식으로 선택된다.
도 6은 힘과 모멘트 센서(1)를 갖는 로봇(15)의 실시예의 일부분을 도시한다. 로봇(15)은 로봇 팔을 포함한다. 로봇 팔은 구성요소의 결합과 같은 복잡한 동작을 실행하도록 되어 있다. 힘과 모멘트 센서(1, 1')는 로봇 팔의 손목에 배치된다. 힘과 모멘트 센서(1)의 베이스 판(2)의 경계면(24)은 로봇(15)의 손목의 표면에 기계적으로 연결된다. 바람직하게도, 기계적인 연결은 나사 연결에 의해 힘 끼워맞춤 방식으로 달성된다. 로봇(15)이 복잡한 기계 가공 또는 간단한 동작을 실행하기 위해 사용하는 공구(16)가 힘과 모멘트 센서(1)의 커버 판(3)의 경계면(31)에 기계적으로 연결된다. 기계적인 연결은 바람직하게는 나사 연결에 의해 힘 끼워맞춤 방식으로 달성된다.
공구(16)는 레버 팔을 형성할 수 있으며, 이 레버 팔에는 힘(F)이 작용하여 수직력으로서 z축을 따라 힘과 모멘트 센서(1)의 커버 판(3)의 경계면(31)에 작용하는 휨 모멘트를 야기한다. 이 수직력은 압전 힘 트랜스듀서(4, 4''')의 초기 응력에 평행하게 작용한다.
힘과 모멘트 센서(1)는 중복되게 힘(F)을 검출할 수 있다. 도 2에 따른 힘과 모멘트 센서(1)의 실시예에 도시한 바와 같이, 4개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')를 2번 포함하는 2개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')은 이를 위해 베이스 판(2)의 4개의 공동(21 내지 21''')에 배치된다. 제1 힘 트랜스듀서 모듈(14)이 첫 번째로 힘(F)을 검출하며 첫 번째로 검출된 힘(F)에 대한 제1 측정 신호를 생성하는 제1 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')를 포함한다. 제2 힘 트랜스듀서 모듈(14')이 두 번째로 동일한 힘(F)을 검출하며 두 번째로 검출된 힘(F)에 대한 제2 측정 신호를 생성하는 제2 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')를 포함한다. 2개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')에 의한 이러한 힘의 중복 검출은 동시에 시행된다. 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')은 서로와 독립적으로 동일한 힘을 검출한다. 각각의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')은 평가 유닛(6)을 포함한다. 2개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')의 2개의 평가 유닛(6)은 중심 공동(22)에 배치된다. 첫 번째로 검출된 힘(F)에 대응하는 제1 측정 신호가 전기 도체(11 내지 11''')를 통해 제1 힘 트랜스듀서 모듈(14)의 제1 평가 유닛(6)에 송신된다. 두 번째로 검출된 힘(F)의 제2 측정 신호가 전기 도체(11 내지 11''')를 통해 제2 힘 트랜스듀서 모듈(14')의 제2 평가 유닛(6)에 송신된다. 제1 평가 유닛(6)은 첫 번째로 검출된 힘(F)의 제1 측정 신호를 분석하여 그에 대한 제1 디지털 출력 신호를 제공한다. 제2 평가 유닛(6)은 두 번째로 검출된 힘(F)의 제2 측정 신호를 분석하여 그에 대한 제2 디지털 출력 신호를 제공한다. 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')은 첫 번째로 검출된 힘(F)과 두 번째로 검출된 힘(F)의 측정 신호를 서로와 독립적으로 평가한다.
힘과 모멘트 센서(1)는 첫 번째로 검출된 힘(F)의 제1 디지털 출력 신호와 두 번째로 검출된 힘(F)의 제2 디지털 출력 신호를 버스 시스템을 통해 로봇(15)의 로봇 제어부에 송신한다. 로봇 제어부는 첫 번째로 검출된 힘(F)의 송신된 제1 디지털 출력 신호를 두 번째로 검출된 힘의 송신된 제2 디지털 출력 신호에 비교할 수 있다.
O : 힘과 모멘트 센서의 중심
1 : 힘과 모멘트 센서
2 : 베이스 판
3 : 커버 판
4 내지 4''' : 압전 힘 트랜스듀서
5 내지 5''' : 초기 응력 부재
6 : 평가 유닛
7 : 인터페이스 소켓
8, 8' : 압전 트랜스듀서 요소
9, 9' : 트랜스듀서 전극
10 내지 10'' : 상대 전극
11 내지 11'' : 전기 도체
13a, 13b 내지 13b''', 13c : 시일링 요소
14, 14' : 힘 트랜스듀서 모듈
15 : 로봇
16 : 공구
21 내지 21''' : 방사상 외부 공동
22 : 중심 공동
23 내지 23''' : 관통 구멍
24 : 베이스 판의 경계면
31 : 커버 판의 경계면
a : 거리
r : 방사상 거리
x, y, z : 좌표

Claims (15)

  1. 4개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')와 베이스 판(2)을 포함하는 힘과 모멘트 센서(1)로서;
    상기 4개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')는 힘을 검출하여 검출된 힘에 대한 측정 신호를 생성하되;
    상기 힘과 모멘트 센서(1)가 커버 판(3)을 포함하고, 상기 커버 판(3)은 경계면(31)을 포함하고, 상기 경계면(31) 상에는 검출될 힘(F)이 작용하는 것과; 상기 힘과 모멘트 센서(1)가 평가 유닛(6)을 포함하고, 상기 평가 유닛(6)이 상기 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 측정 신호를 평가하는 것과; 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 복수의 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')를 포함하는 것과; 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 적어도 1개의 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)에 의해 수직력의 정확히 1개의 성분을 검출하는 것과; 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 적어도 1개의 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')에 의해 전단력의 정확히 1개의 성분을 검출하는 것과; 상기 베이스 판(2)이 상기 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')와 상기 평가 유닛(6)을 수용하기 위한 적어도 하나의 공동(21 내지 21''', 22)을 포함하고, 상기 공동(21 내지 21''', 22)에는, 상기 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')와 상기 평가 유닛(6)이 배치되는 것과; 상기 베이스 판(2)과 커버 판(3)이 기계적으로 연결되어 하우징을 형성하는 것을 특징으로 하는, 힘과 모멘트 센서(1).
  2. 제1항에 기재된 힘과 모멘트 센서(1)용 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')로서,
    전기 도체(11 내지 11'')를 통해 평가 유닛(6)에 전기 접촉하는 4개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 상기 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')을 형성하는 것을 특징으로 하는, 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14').
  3. 제1항에 있어서,
    전기 도체(11 내지 11'')를 통해 평가 유닛(6)에 전기 접촉하는 4개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 힘과 모멘트 센서(1)용 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')을 형성하며, 1개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')이 상기 베이스 판(2)에 배치되거나 2개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')이 상기 베이스 판(2)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 힘과 모멘트 센서(1).
  4. 제1항에 있어서, 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 상기 베이스 판(2)의 중심(0)으로부터 방사상으로 이격되는 공동(21 내지 21''')에 배치되는 것과; 상기 평가 유닛(6)이 상기 베이스 판(2)의 중심(0)에서 공동(22)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 힘과 모멘트 센서(1).
  5. 제4항에 있어서, 상기 베이스 판(2)의 중심(O)에 대해, 상기 평가 유닛(6)의 공동(22)이 십자가 형상이며 4개의 레그(leg)를 포함하며, 상기 레그는 방사 방향으로 연장하는 것과; 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 공동(21 내지 21''')이 2개의 바로 인접한 레그 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 힘과 모멘트 센서(1).
  6. 제5항에 있어서, 2개의 인접한 레그가 전환 영역에서 만나는 것과; 상기 베이스 판(2)이 각각의 전환 영역에서 관통 구멍(23 내지 23''')을 포함하는 것과; 각각의 관통 구멍(23 내지 23''')이 상기 평가 유닛(6)의 공동(22)으로부터 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 공동(21 내지 21''')으로 방사 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는, 힘과 모멘트 센서(1).
  7. 제1항에 있어서, 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 복수의 트랜스듀서 전극(9, 9')을 포함하고, 상기 복수의 트랜스듀서 전극(9, 9')이 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')의 요소 표면으로부터 전기 분극 전하를 측정 신호로서 수집하는 것과; 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 복수의 상대 전극(10 내지 10'')을 포함하는 것과, 상기 복수의 상대 전극(10 내지 10'')이 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')의 요소 표면으로부터 전기 분극 전하를 측정 신호로서 수집하는 것을 특징으로 하는, 힘과 모멘트 센서(1).
  8. 제7항에 있어서, 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 정확히 3개의 전기 도체(11 내지 11'')를 포함하는 것과; 제1 트랜스듀서 전극(9)이 적어도 1개의 제1 압전 트랜스듀서 요소(8)의 적어도 1개의 제1 요소 표면에 대항하여 정착하는 것과; 상기 제1 트랜스듀서 전극(9)이 제1 전기 도체(11)와 전기 접촉하는 것과; 제2 트랜스듀서 전극(9')이 적어도 1개의 제2 압전 트랜스듀서 요소(8')의 적어도 1개의 요소 표면에 대항하여 정착하는 것과; 상기 제2 트랜스듀서 전극(9')이 제2 전기 도체(11')와 전기 접촉하는 것과; 상대 전극(10 내지 10'')이 상기 트랜스듀서 전극(9, 9') 반대편의 상기 압전 트랜스듀서 요소(8, 8')의 요소 표면에 대항하여 정착하는 것과; 상기 상대 전극(10 내지 10'')이 제3 전기 도체(11'')와 전기 접촉하는 것을 특징으로 하는, 힘과 모멘트 센서(1).
  9. 제1항에 있어서, 상기 평가 유닛(6)이 전기 회로 기판을 포함하는 것과; 상기 전기 회로 기판이 지지 소재, 전자 구성요소 및 전기 신호 도체를 포함하는 것과; 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 상기 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 트랜스듀서 전극(9, 9') 및 상대 전극(10 내지 10'')과 전기 접촉하는 정확히 3개의 전기 도체(11 내지 11'')를 포함하는 것과; 상기 3개의 전기 도체(11 내지 11'')가 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 공동(21 내지 21''')으로부터 상기 평가 유닛(6)의 공동(22)으로 베이스 판(2)의 관통 구멍(23 내지 23''')을 통해 연장하는 것과; 상기 3개의 전기 도체(11 내지 11'')가 상기 전기 회로 기판의 일 측 상의 상기 평가 유닛(6)의 전기 신호 도체와 전기 접촉하는 것을 특징으로 하는, 힘과 모멘트 센서(1).
  10. 제9항에 있어서, 상기 평가 유닛(6)이 상기 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')의 측정 신호를 분석하여, 이들 신호를 디지털 출력 신호로서 제공하는 것과; 상기 평가 유닛(6)이 적어도 하나의 인터페이스 소켓(7)을 포함하고, 상기 인터페이스 소켓(7)에는, 버스 시스템의 인터페이스 플러그가 전기적으로 연결될 수 있는 것과; 상기 평가 유닛(6)이 상기 버스 시스템을 통해 제공되는 디지털 출력 신호를 로봇의 로봇 제어부에 송신하는 것을 특징으로 하는, 힘과 모멘트 센서(1).
  11. 제1항, 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 힘과 모멘트 센서(1)를 포함하는 로봇(15)으로서,
    상기 힘과 모멘트 센서(1)의 베이스 판(2)의 경계면(24)이 상기 로봇(15)의 손목의 표면에 기계적으로 연결되는 것과; 상기 힘과 모멘트 센서(1)의 커버 판(3)의 경계면(31)이 공구(16)에 기계적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 로봇(15).
  12. 제11항에 있어서, 각각의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 상기 커버 판(3)의 경계면(31)에 대항하여 초기 응력을 기계적으로 초기에 받게 되며, 상기 초기 응력의 효과적인 방향은 상기 경계면(31)에 수직인 것과; 상기 공구(16)의 휨 모멘트가 상기 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')에 수직력으로서 작용하는 것을 특징으로 하는, 로봇(15).
  13. 제11항에 있어서, 두 개의 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')을 포함하되 전기 도체(11 내지 11'')를 통해 평가 유닛(6)에 전기 접촉하는 4개의 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 상기 힘 트랜스듀서 모듈(14, 14')을 형성하며, 제1 힘 트랜스듀서 모듈(14)의 제1 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 첫 번째로 힘을 검출하여 첫 번째로 검출된 힘에 대한 제1 측정 신호를 생성하는 것과; 제2 힘 트랜스듀서 모듈(14')의 제2 압전 힘 트랜스듀서(4 내지 4''')가 두 번째로 동일한 힘을 검출하여 두 번째로 검출된 상기 힘에 대한 제2 측정 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는, 로봇(15).
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 힘 트랜스듀서 모듈(14)의 제1 평가 유닛(6)이 상기 제1 측정 신호를 평가하여, 이들 제1 측정 신호를 제1 디지털 출력 신호로서 제공하는 것과; 상기 제2 힘 트랜스듀서 모듈(14')의 제2 평가 유닛(6)이 상기 제2 측정 신호를 평가하여, 이들 제2 측정 신호를 제2 디지털 출력 신호로서 제공하는 것과; 상기 힘과 모멘트 센서(1)가 상기 제1 디지털 출력 신호를 버스 시스템을 통해 상기 로봇(15)의 로봇 제어부에 송신하는 것과; 상기 힘과 모멘트 센서(1)가 상기 제2 디지털 출력 신호를 상기 버스 시스템을 통해 상기 로봇(15)의 로봇 제어부에 송신하는 것과; 상기 로봇(15)의 로봇 제어부가 송신된 상기 제1 디지털 출력 신호를 송신된 상기 제2 디지털 출력 신호에 비교하는 것을 특징으로 하는, 로봇(15).
  15. 삭제
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