KR102240791B1 - 다차원 모션 정보 제공 장치 - Google Patents

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KR102240791B1
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    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
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Abstract

본 발명은 다차원 모션 정보 제공 장치 에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 다차원 모션 정보 제공 장치는 외력에 의해 위치가 변화하는 접지된 도전체로서, 평판 형태의 평판 모듈 및 상기 평판 모듈의 하면에 돌출 형성되는 삽입 모듈을 포함하는 그라운드부, 평판 형태의 기판으로, 상기 평판 모듈과 이격 형성되고, 상기 삽입 모듈이 이격 삽입될 수 있는 홀이 형성된 센서 기판부, 상기 홀의 측면 및 상기 센서 기판부 상면의 홀 가장자리에 형성되는 전극으로서, 전원을 인가 받아 상기 그라운드부와 함께 정전용량을 형성하는 전극부, 상기 정전용량 값을 이용하여 상기 그라운드부에 가해지는 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 구하는 연산 장치인 힘측정부, 상기 평판 모듈의 아래에 이격되어 위치가 고정되는 베이스 모듈 및 상기 베이스 모듈로부터 돌출되어 상기 평판 모듈로부터 이격된 상부에 상기 센서 기판부를 고정시키는 고정 모듈을 포함하는 고정부 및 상기 고정부와 그라운드부 사이에 고정되어 상기 그라운드부를 탄성 지지하는 탄성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다차원 모션 정보 제공 장치{APPARATUS FOR PROVIDING MULTIDIMENSIONAL MOTION INFORMATION}
본 발명은 다차원 모션 정보 제공 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 정전용량의 값을 이용하며 다차원의 변위 또는 힘/토크와 같은 정보를 제공하는 다차원 모션 정보 제공 장치에 관한 것이다.
컴퓨터에서 사용되는 마우스는 버튼을 제외할 때 평면 상에서의 이차원 운동을 감지하여 모니터에 표시해 준다. 이와 같이 컴퓨터 마우스는 이차원의 변위 정보를 제공하므로 제공하는 정보에 한계가 있다.
공간상의 하나의 점에서 최대한 표현할 수 있는 힘과 토크의 다차원 정보는 직교 좌표계에서의 직교한 세 축 방향으로 작용하는 힘(Fx, Fy, Fz)과 직교한 세 축을 중심으로의 토크(Tx, Ty, Tz)인 6축 정보이다. 따라서, 이러한 다축의 힘 및 토크를 감지하는 센서를 이용하여 6차원의 정보를 사용자에게 제공할 수가 있다. 이러한 다차원의 정보 제공 장치는 로봇 교시, 게임 조이스틱, 조그 셔틀, 또는 다차원 마우스 등으로의 활용이 가능하다.
종래 정전용량의 변화를 이용한 6축의 힘/토크 센서가 알려져 있는데, 구성 요소가 복잡하고 각 파트의 조립이 어렵다는 문제가 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1470160호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기판부의 홀에 전극을 형성하고 접지극인 그라운드부에 돌출 형성되어 상기 홀에 삽입되는 삽입 모듈을 형성하고, 상기 기판부를 고정시키는 고정부와 그라운드부 사이에 고정되어 그라운드부를 탄성 지지하는 탄성부에 의해 조립이 간단하고 센서의 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 다차원 모션 정보 제공 장치를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 외력에 의해 위치가 변화하는 접지된 도전체로서, 평판 형태의 평판 모듈 및 상기 평판 모듈의 하면에 돌출 형성되는 삽입 모듈을 포함하는 그라운드부; 평판 형태의 기판으로, 상기 평판 모듈과 이격 형성되고, 상기 삽입 모듈이 이격 삽입될 수 있는 홀이 형성된 센서 기판부; 상기 홀의 측면 및 상기 센서 기판부 상면의 홀 가장자리에 형성되는 전극으로서, 전원을 인가 받아 상기 그라운드부와 함께 정전용량을 형성하는 전극부; 상기 정전용량 값을 이용하여 상기 그라운드부에 가해지는 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 구하는 연산 장치인 힘측정부; 상기 평판 모듈의 아래에 이격되어 위치가 고정되는 베이스 모듈 및 상기 베이스 모듈로부터 돌출되어 상기 평판 모듈로부터 이격된 상부에 상기 센서 기판부를 고정시키는 고정 모듈을 포함하는 고정부; 및 상기 고정부와 그라운드부 사이에 고정되어 상기 그라운드부를 탄성 지지하는 탄성부를 포함하는 다차원 모션 정보 제공 장치에 의해 달성될 수가 있다.
여기서, 상기 홀은 원형의 홀이고, 상기 삽입 모듈은 원기둥 형태일 수 있다.
여기서, 상기 그라운드부는 상기 탄성부를 통해 접지될 수 있다.
여기서, 평판 형태의 기판으로 상기 베이스 모듈에 고정되고, 유선 또는 무선으로 모션 정보를 사용자에게 전송하는 MCU 기판부를 더 포함하고, 상기 MCU 기판부의 접지극은 상기 탄성부와 전기적으로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 홀의 측면 및 상기 센서 기판부 상면의 홀 가장자리에 형성되는 전극은 일체로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 전극부는 상기 홀의 원주 방향을 따라 분리 형성될 수 있다.
여기서, 상기 전극부는 상기 홀의 원주 방향을 따라 두 개 이상으로 등분될 수 있다.
여기서, 상기 평판 모듈과 상기 센서 기판부 사이의 이격 공간 및 상기 홀과 삽입 모듈 사이의 이격 공간에는 유전체가 형성될 수 있다.
여기서, 상기 유전체는 폴리머, 공기, 물 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
여기서, 상기 삽입 모듈은 상기 평판 모듈 하면에 세 개 이상으로 돌출 형성되고, 상기 삽입 모듈에 대응되도록 상기 센서 기판부에 형성되는 상기 홀은 세 개 이상으로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 삽입 모듈 및 상기 홀은 동일 원주 상에 동일한 간격으로 서로 이격되도록 배치될 수 있다.
여기서, 상기 힘측정부에서 측정된 수직 방향의 힘 및 수평 방향의 힘을 이용하여 상기 그라운드부에 가해지는 다축 힘과 다축 토크를 구하는 연산 장치인 연산부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 그라운드부에 고정되어 사용자가 파지하여 상기 그라운드부를 이동시키는 핸들부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고정부는 상기 그라운드부를 향하여 돌출된 스토퍼 모듈을 더 포함하고, 상기 평판 모듈에는 상기 스토퍼 모듈의 단부가 이격 삽입되는 홈 또는 홀이 형성되어 상기 그라운드부가 이동할 때 상기 스토퍼 모듈과 접촉하여 상기 그라운드부의 이동 범위를 제한하는 접촉 모듈을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 그라운드부는 상기 고정부를 향하여 돌출된 스토퍼 모듈을 더 포함하고, 상기 베이스 모듈에는 상기 스토퍼 모듈의 단부가 이격 삽입되는 홈 또는 홀이 형성되어 상기 그라운드부가 이동할 때 상기 스토퍼 모듈과 접촉하여 상기 그라운드부의 이동 범위를 제한하는 접촉 모듈을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 스토퍼 모듈의 단부는 반경 방향으로 돌출 형성될 수 있다.
여기서, 상기 스토퍼 모듈은 상기 고정 모듈의 상단에서 연장 형성될 수 있다.
여기서, 상기 스토퍼 모듈과 상기 접촉 모듈은 상기 그라운드부가 이동할 때 상기 그라운드부와 상기 전극부 사이의 접촉을 막을 수 있다.
여기서, 상기 고정 모듈은 원주 방향을 따라 등 간격으로 복수 개 형성되고, 상기 탄성부는 원주 방향을 따라 상기 고정 모듈 사이에 배치될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘 및 토크 센서에 따르면 기판상에 전극이 형성되는 원형의 홀에 이보다 작은 직경의 원기둥 형태의 접지극을 삽입하여 간극을 형성하므로 원의 크기와 중심만 맞추면 간극을 형성할 수가 있으므로 센서의 조립이 용이하다는 장점이 있다.
또한, 원형의 홀 측면에 형성되는 전극과 원기둥 형태의 접지극 사이는 곡면의 형태로 이격 배열되므로, 두 평판이 평면으로 이격 배열되는 경우와 비교하여 센싱 단면적을 증가시킬 수가 있어서, 센서의 민감도를 향상시킬 수 있다는 장점도 있다.
또한, 탄성부를 통해 그라운드부를 용이하게 접지시킬 수가 있다는 장점도 있다.
또한, 스토퍼 모듈과 접촉 모듈에 의해 그라운드부의 이동을 제한하여 전극부가 그라운드부와 접촉하여 쇼트가 발생하는 것을 방지할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다차원 모션 정보 제공 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 분리 사시도이다.
도 3은 센싱 파트의 분리 사시도이다.
도 4는 도 3의 결합 사시도이다.
도 5는 도 3의 센싱 파트에 핸들부가 결합된 상태를 도시하는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 센싱 구조를 설명하는 단면도이다.
도 7은 도 6에서 센서 기판부의 원형의 홀에 형성된 전극부를 확대하여 도시하는 사시도이다.
도 8은 도 6에 있어서 수직의 힘(normal force)이 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이다.
도 9은 도 6에 있어서 수직의 힘(normal force)이 도 8과는 다른 위치에서 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이다.
도 10은 도 6에에 있어서 수평의 힘(shear force)가 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이다.
도 11은 도 5의 평면도이다.
도 12는 도 4의 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 다차원 모션 정보 제공 장치의 다양한 모션을 도시한다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘 및 토크 센서를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다차원 모션 정보 제공 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분리 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다차원 모션 정보 제공 장치(100)는 그라운드부(110), 센서 기판부(120), 전극부(130), 힘측정부(미도시), 고정부(150) 및 탄성부(160)를 포함하여 구성될 수가 있다. 또한, 핸들부(190)를 더 포함할 수가 있다.
도 2에 도시되어 있는 것과 같이 그라운드부(110), 센서 기판부(120), 전극부(130), 및 고정부(150)를 포함하는 센싱 파트(180)는 조립된 상태로 베이스 바디(195)에 고정될 수가 있다. 또한, 그라운드부(110)의 상부에는 핸들부(190)가 고정되어, 후술하는 바와 같이 베이스 바디(195)에 고정부(150)가 고정된 상태에서 사용자가 핸들부(190)를 파지하여 그라운드부(110)를 이동시킬 수가 있다. 그라운드부(110)가 이동할 때 본 발명에 따른 다차원 모션 정보 제공 장치(100)는 다차원의 정보를 얻을 수가 있는데, 본 실시예에서는 6차원의 정보를 얻는 것을 중심으로 설명하기로 한다. 여기서, 6차원이라고 하면 직교 좌표계에서의 직교한 세 축 방향으로 작용하는 힘(Fx, Fy, Fz)과 직교한 세 축을 중심으로의 토크(Tx, Ty, Tz)인 6축의 힘 정보를 의미할 수가 있다. 또한, 그라운드부(110)에 힘 또는 토크가 작용할 때 힘 또는 토크의 크기에 그라운드부(110)의 직선 이동 변위 또는 회전 이동 변위가 비례하므로 상기 정보는 변위 정보를 의미할 수도 있다.
이하, 도 3 내지 도 12를 참조로, 센싱 파트에 관하여 설명하기로 한다.
도 3은 센싱 파트의 분리 사시도이고, 도 4는 도 3의 결합 사시도이고, 도 5는 도 3의 센싱 파트에 핸들부가 결합된 상태를 도시하는 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 센싱 구조를 설명하는 단면도이고, 도 7은 도 6에서 센서 기판부의 원형의 홀에 형성된 전극부를 확대하여 도시하는 사시도이고, 도 8은 도 6에 있어서 수직의 힘(normal force)이 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이고, 도 9은 도 6에 있어서 수직의 힘(normal force)이 도 8과는 다른 위치에서 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이고, 도 10은 도 6에에 있어서 수평의 힘(shear force)가 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이고, 도 11은 도 5의 평면도이고, 도 12는 도 4의 단면도이다.
그라운드부(110)는 사용자가 핸들부(190)를 파지하여 이동시키는 방법으로 외력이 가해지면 그에 따라 위치가 변화한다. 그라운드부(110)의 저면과 후술하는 고정부(150)의 상면 사이에는 스프링과 같은 탄성부(160)가 고정되는데, 따라서 그라운드부(110)를 탄성 지지하는 탄성부(160)에 의해 고정부(150)를 기준으로 그라운드부(110)는 수평 방향으로의 이동 및 회전 이동이 가능할 수가 있다. 이때, 그라운드부(110)에 가해지는 외력이 제거되면, 탄성부(160)의 탄성력에 의해 다시 그 위치가 복귀될 수 있다.
그라운드부(110)는 접지된 도전체로 구성되어, 그라운드부(110), 후술하는 전극부(130) 및 그라운드부(110)와 전극부(130) 사이에 형성되는 유전체(140)에 의해 정전용량을 형성하게 된다.
그라운드부(110)는 도시되어 있는 것과 같이 원형의 평판 형태의 평판 모듈(112) 및 평판 모듈(112)의 하면에 돌출 형성되는 삽입 모듈(114)로 구성될 수가 있다. 이때, 삽입 모듈(114)은 원기둥 형태로 돌출 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 평판 모듈(112)은 후술하는 센서 기판부(120)와 소정 간격 이격된 상태로 수평 배치되며, 삽입 모듈(114)은 센서 기판부(120)에 형성되는 홀(122)의 측면에 이격되도록 삽입 배치된다.
본 실시예에서는 삽입 모듈(114)이 세 개 형성되고, 이에 대응되도록 센서 기판부(120)에는 홀(122)이 세 개 배치된다. 또한, 삽입 모듈(114)은 평판 모듈(112)의 중심을 기준으로 동일 원주 상에 동일한 간격으로 서로 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 삽입 모듈(114)은 평판 모듈(112)의 중심을 기준으로 동일 원주 상에 120도의 간격으로 이격 배치될 수가 있다. 이에 대응되도록 센서 기판부(120)에 형성되는 홀(122)도 동일 원주 상에 동일한 간격으로 서로 이격 배치된다.
도 4 및 도 11에 도시되어 있는 것과 같이 평판 모듈(112)의 가장자리에는 스토퍼 모듈의 상단부가 이격 삽입될 수 있도록 상하 관통하는 홀인 접촉 모듈(116)이 형성된다. 본 실시예에서는 평판 모듈(112)의 가장자리에 형성되어 홀의 가장자리 측면이 개방된 형태로 반원에 가까운 홀로 형성되어 있으나, 평판 모듈(112)의 내부에 형성되어 개방된 측면을 가지지 않은 형태인 원형의 홀로 형성될 수도 있다. 또한, 본 실시예에서는 평판 모듈(112)을 상하 관통하는 홀의 형태로 형성되어 있으나, 상단은 밀폐된 형태의 홈으로 형성될 수가 있다.
접촉 모듈(116)의 하단에는 홀의 내측면에서 반경 방향 반대 방향으로 플랜지 형태로 돌출된 플랜지 모듈(117)이 형성될 수가 있다.
센서 기판부(120)는 평판 형태의 기판으로 예를 들어 PCB(PRINTED CIRCUIT BOARD)로 구성될 수가 있다. 센서 기판부(120)는 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 그라운드부(110)의 평판 모듈(112)과 소정 간격 이격되도록 평행하게 배치된다. 평판 모듈(112)의 상면으로부터 수직 아래 방향으로 힘이 가해지면 평판 모듈(112)과 센서 기판부(120) 사이의 거리가 변화될 수가 있다. 이때, 본 발명에서는 외력이 가해지더라도 후술하는 스토퍼 모듈(155) 및 접촉 모듈(116)을 포함하는 구성에 의해 센서 기판부(120)와 평판 모듈(112) 사이는 서로 접촉하지 않는다.
또한, 센서 기판부(120)에는 홀(122)이 형성되는데, 상기 홀(122)은 원형으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 홀(122)에는 전술한 그라운드부(110)의 삽입 모듈(114)이 삽입된다. 이때, 홀(122)의 측면과 삽입 모듈(114)의 외측면은 서로 이격되도록 배치되어 그라운드부(110)에 수평 방향으로 힘이 가해지면 홀(122)의 측면과 삽입 모듈(114) 사이의 거리가 변화될 수가 있다. 이때, 본 발명에서는 외력이 가해지더라도 스토퍼 모듈(155) 및 접촉 모듈(116)을 포함하는 구성에 의해 홀(122)의 측면과 삽입 모듈(114) 사이는 서로 접촉하지 않는다.
이때, 도 6 및 도 7에 도시되어 있는 것과 같이 홀(122)의 측면 및 센서 기판부(120) 상면의 홀(122) 가장자리에는 일체로 형성되는 전극부(130)가 형성될 수가 있다. 즉, PCB 기판에 부품을 삽입하지 않고 상층과 하층 사이의 층간을 접속하기 위한 도금 도통홀을 비아홀(Via_Hole)이라고 하는데, 비아홀의 형태로 센서 기판부(120)에 전극부(130)가 형성될 수가 있다. 도 6의 도면에서는 센서 기판부(120)의 하면 상에도 전극이 형성되어 전극부(130) 전체의 단면의 형태가 'ㄷ'자 형태를 가지고 있으나, 센서 기판부(120)의 하면에는 전극이 반드시 형성될 필요는 없다.
설명의 편이를 위해서 홀(122)의 측면에 형성되는 전극부(130)를 측면 전극부(131), 센서 기판부(120)의 상면의 홀(122) 가장자리에 형성되는 전극부(130)를 상면 전극부(132)라고 하며 후술하기로 한다. 전술한 바와 같이 측면 전극부(131)와 상면 전극부(132)는 전기적으로 분리되지 않고 일체로 형성될 수 있다. 전극부(130)에 전원이 인가되면, 인접하게 형성되는 측면 전극부(131)와 삽입 모듈(114) 사이에 정전용량을 형성하게 되고 상면 전극부(132)와 평판 모듈(112) 사이에 정전용량을 형성하게 된다.
이때, 전극부(130)는 도 7에 도시되어 있는 것과 같이 홀(122)의 원주 방향을 따라 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)로 분리 형성될 수 있으며, 바람직하게는 이등분될 수가 있다. 본 실시예에서는 두 개로 분리되어 있는 것을 중심으로 설명을 하나 이에 한정되지 않고 더 많은 개수로 등분되어 분리될 수도 있다.
이와 같이, 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)는 물리적 및 전기적으로 분리되며, 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)에 대하여 각각 정전용량을 측정하게 되고, 제 1 전극부(130a) 및 제 2 전극부(130b)에서 측정되는 정전용량의 값을 이용하여 삽입 모듈(114)의 중심에 가해지는 수직 방향의 힘 및 수평 방향의 힘을 측정한다.
평판 모듈(112)과 센서 기판부(120) 사이의 이격 공간 및 홀(122)과 삽입 모듈(114) 사이의 이격 공간에는 유전체(140)가 형성될 수가 있는데, 상기 유전체(140)로는 폴리머, 공기, 물 중 어느 하나가 형성될 수가 있고, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
힘측정부(미도시)는 연산 장치로서, 그라운드부(110)에 외력이 가해질 때 전극부(130)와 그라운드부(110) 사이에 형성되는 정전용량의 값을 이용하여 삽입 모듈(114)의 중심에 가해지는 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 구한다. 바람직하게는 제 1 전극부(130a)에 가해지는 정전용량 값 및 제 2 전극부(130b)에 가해지는 정전용량 값을 각각 구하여 이로부터 삽입 모듈(114)의 중심에 가해지는 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 연산한다. 힘측정부는 센서 기판부(120)에 형성될 수 있는데, 또는 후술하는 MCU 기판부에 형성될 수도 있다.
유전체(140)를 사이에 두는 두 전극(110, 130) 사이의 정전용량 값은 두 전극(110, 130) 사이의 거리에 반비례한다. 도 8에 도시되어 있는 것과 같이 수직 방향의 힘에 의해 그라운드부(110)가 아래로 이동을 하게 되면 상면 전극부(132)와 평판 모듈(112) 사이의 거리가 감소하여 정전용량 값이 증가하게 된다.
이때, 도 8에서와 같이 삽입 모듈(114)이 위치하는 중앙에 힘이 가해져 평판 모듈(112)이 수평을 유지한 상태에서 아래로 이동하는 경우에는, 제 1 전극부(130a) 및 제 2 전극부(130b)에서 각각 평판 모듈(112)과의 거리(d1N, d2N)가 같으므로 측정되는 정전용량 값은 모두 같다.
하지만, 도 9에 도시되어 있는 것과 같이 삽입 모듈(114)의 중앙이 아닌 편심된 일측에 수직 방향의 힘이 가해지는 경우, 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)에서 상면 전극부(132) 각각은 평판 모듈(112)과의 거리(d1N, d2N)가 상호 달라지게 되어 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)에서의 정전용량 값이 각각 달라지게 된다. 이와 같이 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)에서의 정전용량 값의 변화를 함께 이용하여 힘측정부는 도시된 삽입 모듈(114)이 위치하는 곳에 가해지는 수직 방향의 힘을 구할 수가 있다.
또한, 도 10에 도시되어 있는 것과 같이 그라운드부(110)에 수평 방향의 힘이 가해져 그라운드부(110)가 수평으로 이동(도면 상에는 좌에서 우로)하는 경우에는 측면 전극부(131)와 삽입 모듈(114) 사이의 거리가 변화하여 정전용량 값이 변화하게 된다. 보다 자세히는, 제 1 전극부(130a)의 측면 전극부(131)와 삽입 모듈(114) 사이는 거리(d1s)가 멀어져서 정전용량 값이 작아지게 되고, 제 2 전극부(130b)의 측면 전극부(131)와 삽입 모듈(114) 사이는 거리(d2s)가 가까워져서 정전용량 값이 커지게 된다. 이와 같이, 힘측정부는 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)에서 변화하는 정전용량의 값을 이용하여 도시된 삽입 모듈(114)에 가해지는 수평 방향의 힘을 구할 수가 있다.
본 발명에서는 센서 기판부(120)에 형성된 원형의 홀(122) 크기보다 약간 작은 크기의 원기둥 형태의 삽입 모듈(114)이 삽입되어 홀(122)의 측면과 삽입 모듈(114) 사이에 간극이 형성되므로, 홀(122)과 삽입 모듈(114)의 중심 위치를 맞추면 수평 방향의 힘 측정을 위한 두 전극을 배치시킬 수가 있으므로, 가공이 편하고 가공오차가 적으며 조립이 쉬워지는 장점이 있다.
나아가, 홀(122)의 측면에 형성되는 측면 전극부(131)와 원기둥 형태의 삽입 모듈(114) 사이는 곡면의 형태로 이격 형성되므로 평면의 형태로 두 전극이 배치되는 경우와 비교하여 센싱 단면적을 증가시킬 수가 있으므로, 센서의 민감도를 더욱 향상시킬 수가 있다.
이와 같이, 삽입 모듈(114)과 센서 기판부(120)의 홀(122)에 형성되는 전극부(130)로 구성되는 센서 구조에 의해 대응하는 위치에 작용하는 수평 방향의 힘 및 수직 방향의 힘을 구할 수가 있다. 이때, 본 발명에 따른 다차원 모션 정보 제공 장치(100)는 상기 센서 구조를 세 개 이상 구비하고, 각각을 서로 다른 방위각을 갖도록 배치시킬 수가 있다. 이때, 복수의 힘 센서 구조를 배치시키는 데 있어서 서로 다양한 방위각을 형성하도록 배치시킬 수도 있지만, 동일 평면상에 배치하되 동일 원주상에 동일한 간격으로 서로 이격되도록 배치함으로써 다양한 방향에서 가해지는 힘과 토크가 각 센서에 균등하게 분배되도록 하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 삽입 모듈(114)과 센서 기판부(120)의 홀에 형성된 전극부(130)로 구성되는 센서 구조가 3개 형성된다. 즉, 평판 모듈(112)의 하면에 원기둥 형태의 삽입 모듈(114)이 3개 형성되고, 이에 대응되도록 센서 기판부(120)에 홀이 3개 형성된다. 나아가, 상기 홀(122)은 센서 기판부(120)의 중심을 기준으로 동일 원주 상에 120도의 간격으로 정삼각형의 꼭지점의 위치에 대응되는 곳에 각각 형성된다.
연산 장치인 연산부(미도시)는 힘측정부가 복수의 센서 구조에 대하여 측정한 수직 방향의 힘 및 수평 방향의 힘을 이용하여 그라운드부(110)의 중심에 가해지는 다축 힘과 다축 토크를 구한다. 이때, 각각의 센서 구조에서 측정된 값을 수학적 식에 따라 연산을 하여 다축 힘과 다축 토크를 구할 수 있다. 또는, 다양한 크기와 방향에 가해지는 힘과 토크에 따라서 각 센서 구조에 형성되는 정전용량의 값이 변화하게 되므로, 이와 같이 다양한 크기와 방향에 따라서 변화되는 정전용량 값을 미리 테이블에 저장하여 이를 비교하여 다축 힘 및 토크를 구할 수도 있다.
연산부는 센서 기판부(120)에 형성될 수 있는데, 또는 후술하는 MCU 기판부(170)에 형성될 수도 있다.
다시, 도 2를 참조하면, 고정부(150)는 센서 기판부(120)를 고정시키며, 그라운드부(110)가 이동할 때 기준이 되도록 위치가 고정된다. 고정부(150)는 베이스 바디(195)에 고정될 수가 있는데, 베이스 바디(195)와 고정부(150)는 일체로 형성될 수도 있으며, 경우에 따라서 베이스 바디의 구성은 생략될 수도 있다.
이때, 고정부(150)는 평판 모듈(112)의 아래에 이격되어 베이스 바디(195)에 고정되는 원형의 평판 형태의 베이스 모듈(152) 및 베이스 모듈(152)로부터 상부로 돌출되어 평판 모듈(112)로부터 이격된 상단부에 센서 기판부(120)를 고정시키는 고정 모듈(154)을 포함할 수가 있다.
이때, 고정 모듈(154)은 베이스 모듈(152)의 가장자리를 따라 등 간격으로 복수 개 배치될 수가 있다. 나아가, 도시되어 있는 것과 같이 전술한 탄성부(160)는 원주 방향을 따라 고정 모듈(154) 사이에 등 간격으로 복수 개 배치되는 것이 바람직하다.
고정모듈(154)의 상단부에는 하부보다 단면적이 작은 형태로 삽입돌출모듈(153)이 형성되어, 고정 모듈(154)의 상단에는 단턱이 형성된다. 센서 기판부(120)의 가장자리에는 상기 삽입돌출모듈(153)의 단면 형상에 대응되도록 삽입홀(124)이 형성되어, 상기 센서 기판부(120)의 삽입홀(124) 가장자리는 상기 단턱에 안착되어 그 위치가 고정될 수가 있다.
또한, 베이스 모듈(152)의 상면에는 평판 형태의 기판으로 연산부에서 구한 6차원 모션 정보를 사용자에게 전송하는 MCU 기판부(170)가 형성될 수가 있다. MCU 기판부(170)에는 접지를 위한 접지극이 형성될 수가 있는데, 상기 접지극은 탄성부(160)와 전기적으로 연결되어 탄성부(160)를 통해 전술한 그라운드부(110)는 접지될 수가 있다. 따라서, 전술한 탄성부(160)는 도전체로 구성되는 것이 바람직하다.
MCU 기판부(170)는 도 1에서와 같이 유선의 케이블(197)을 통해 외부로 정보를 제공할 수가 있고, 또는 무선 통신을 통해 외부로 정보를 제공할 수가 있다.
이때, 고정부(150)에는 그라운드부(110)를 향하여 돌출된 스토퍼 모듈(155)이 형성될 수 있다. 바람직하게는, 도 2 및 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 고정 모듈(154)의 상단에 결합되어 고정 모듈(154)로부터 연장 형성되는 형태로 형성될 수가 있다.
전술한 바와 같이 그라운드부(110)의 평판 모듈(112)에는 상기 스토퍼 모듈(155)의 상단부가 이격 삽입되도록 상하 관통하는 홀인 접촉 모듈(116)이 형성된다. 이때, 스토퍼 모듈(155)의 상단부는 반경 방향으로 돌출된 형태를 가질 수가 있다.
따라서, 그라운드부(110)가 이동할 때 도 11에 도시되어 있는 것과 같이 스토퍼 모듈(155)의 상단부가 접촉 모듈(116)의 내측면과 접촉하여 그라운드부(110)의 수평 방향 이동을 제한시킬 수 있다.
또한, 도 12에 도시되어 있는 것과 같이 핸들부(190)의 저면에 스토퍼 모듈(155)의 상단면이 접촉하도록 하여 그라운드부(110)의 수직 아래 방향 이동을 제한시킬 수가 있다.
도시되어 있지 않지만, 접촉 모듈은 상하 관통하는 홀이 아닌 상단이 밀폐된 형태의 홈으로 형성될 수가 있다. 이 경우, 스토퍼 모듈(155)의 상단면은 접촉 모듈(116) 상단의 밀폐된 면의 하면과 접촉하도록 하여 그라운드부(110)의 수직 아래 방향 이동을 제한시킬 수가 있다.
또한, 스토퍼 모듈(155)의 상단부에 반경 방향으로 돌출된 부분의 저면이 플랜지 모듈(117)과 접촉하도록 하여 그라운드부(110)의 수직 위 방향 이동을 제한시킬 수도 있다.
이와 같이, 그라운드부(110)가 이동을 할 때 스토퍼 모듈(155)이 접촉 모듈(116) 또는 접촉 모듈(116) 상단에 형성되는 핸들부(190)의 저면과 접촉하도록 하여 그라운드부(110)의 이동을 제한시키게 된다. 그라운드부(110)가 이동을 하여 그라운드부(110)와 센서 기판부(120)의 전극부(130)와 접촉을 하게 되면 쇼트가 발생하거나 모션 측정이 이루어지지 않게 되는데, 스토퍼 모듈(155) 및 접촉 모듈(116)의 구성에 의해 그라운드부(110)의 이동 범위를 제한하여 상기와 같은 문제를 해결하도록 한다.
본 실시예에서는 스토퍼 모듈(155)이 고정부(150)에 형성되고 접촉 모듈(116)이 그라운드부(110)에 형성되어 있는 것을 중심으로 설명을 하였으나, 반대로 스토퍼 모듈이 그라운드부(110)의 하면에서 고정부(150)를 향하도록 돌출 형성되고, 고정부(150)의 베이스 모듈(152)에 홀 또는 홈의 형태로 접촉 모듈(116)이 형성되어 그라운드부(110)의 이동 범위를 제한시키도록 구성될 수도 있다.
도 13은 본 발명에 따른 다차원 모션 정보 제공 장치의 다양한 모션을 도시한다.
본 발명에 따른 다차원 모션 정보 제공 장치(100)는 도 13의 (a) 및 (b)에 도시되어 있는 것과 같이 수직 방향(Z)방향 및 수평 방향(XY)방향의 변위 정보를 얻을 수 있으며, 도 13의 (c) 및 (d)에 도시되어 있는 것과 같이 Z축 방향의 회전 변위 또는 X축 또는 Y축 방향의 회전 변위 정보를 얻을 수가 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: 다차원 모션 정보 제공 장치
110: 그라운드부
112: 평판 모듈
114: 삽입 모듈
116: 접촉 모듈
117: 플랜지 모듈
120: 센서 기판부
122: 홀
124: 삽입홀
130: 전극부
130a: 제 1 전극부
130b: 제 2 전극부
131: 측면 전극부
132: 상면 전극부
140: 유전체
150: 고정부
152: 베이스 모듈
153: 삽입돌출모듈
154: 고정 모듈
155: 스토퍼 모듈
160: 탄성부
170: MCU 기판부
180: 센싱 파트
190: 핸들부
195: 베이스 바디
197: 케이블

Claims (19)

  1. 외력에 의해 위치가 변화하는 접지된 도전체로서, 평판 형태의 평판 모듈 및 상기 평판 모듈의 하면에 세 개 이상으로 원기둥 형태로 돌출 형성되는 삽입 모듈을 포함하는 그라운드부;
    평판 형태의 단일 기판으로, 상기 평판 모듈과 이격 형성되고, 상기 삽입 모듈이 각각 이격 삽입될 수 있는 복수의 원형 홀이 형성된 센서 기판부;
    상기 홀의 측면 및 상기 센서 기판부 상면의 홀 가장자리에 형성되는 전극으로서, 전원을 인가 받아 상기 그라운드부와 함께 정전용량을 형성하는 전극부;
    단일의 삽입 모듈 및 상기 삽입 모듈이 삽입되는 홀에 형성되는 전극이 형성하는 단위 센서 구조 각각에 대하여 상기 평판 모듈과 상기 전극 사이의 거리 변화 및 상기 삽입 모듈과 상기 전극 사이의 거리 변화에 따른 정전용량 값을 이용하여 상기 단위 센서 구조에 작용하는 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 구하는 연산 장치인 힘측정부;
    상기 힘측정부에서 측정된 단위 센서 구조 각각의 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 이용하여 상기 그라운드부에 가해지는 다축 힘과 다축 토크를 구하는 연산 장치인 연산부;
    상기 평판 모듈의 아래에 이격되어 위치가 고정되는 베이스 모듈 및 상기 베이스 모듈로부터 돌출되어 상기 평판 모듈로부터 이격된 상부에 상기 센서 기판부를 고정시키는 고정 모듈을 포함하는 고정부; 및
    상기 고정부와 그라운드부 사이에 고정되어 상기 그라운드부를 탄성 지지하는 탄성부를 포함하는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 그라운드부는 상기 탄성부를 통해 접지되는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    평판 형태의 기판으로 상기 베이스 모듈에 고정되고, 유선 또는 무선으로 모션 정보를 사용자에게 전송하는 MCU 기판부를 더 포함하고,
    상기 MCU 기판부의 접지극은 상기 탄성부와 전기적으로 연결되는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀의 측면 및 상기 센서 기판부 상면의 홀 가장자리에 형성되는 전극은 일체로 형성되는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 홀의 원주 방향을 따라 분리 형성되는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 홀의 원주 방향을 따라 두 개 이상으로 등분되는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 평판 모듈과 상기 센서 기판부 사이의 이격 공간 및 상기 홀과 삽입 모듈 사이의 이격 공간에는 유전체가 형성되는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유전체는 폴리머, 공기, 물 중 적어도 어느 하나인 다차원 모션 정보 제공 장치.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 삽입 모듈 및 상기 홀은 동일 원주 상에 동일한 간격으로 서로 이격되도록 배치되는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 그라운드부에 고정되어 사용자가 파지하여 상기 그라운드부를 이동시키는 핸들부를 더 포함하는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정부는 상기 그라운드부를 향하여 돌출된 스토퍼 모듈을 더 포함하고,
    상기 평판 모듈에는 상기 스토퍼 모듈의 단부가 이격 삽입되는 홈 또는 홀이 형성되어 상기 그라운드부가 이동할 때 상기 스토퍼 모듈과 접촉하여 상기 그라운드부의 이동 범위를 제한하는 접촉 모듈을 더 포함하는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 그라운드부는 상기 고정부를 향하여 돌출된 스토퍼 모듈을 더 포함하고,
    상기 베이스 모듈에는 상기 스토퍼 모듈의 단부가 이격 삽입되는 홈 또는 홀이 형성되어 상기 그라운드부가 이동할 때 상기 스토퍼 모듈과 접촉하여 상기 그라운드부의 이동 범위를 제한하는 접촉 모듈을 더 포함하는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 스토퍼 모듈의 단부는 반경 방향으로 돌출 형성되는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 스토퍼 모듈은 상기 고정 모듈의 상단에서 연장 형성되는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  18. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 스토퍼 모듈과 상기 접촉 모듈은 상기 그라운드부가 이동할 때 상기 그라운드부와 상기 전극부 사이의 접촉을 막는 다차원 모션 정보 제공 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정 모듈은 원주 방향을 따라 등 간격으로 복수 개 형성되고,
    상기 탄성부는 원주 방향을 따라 상기 고정 모듈 사이에 배치되는 다차원 모션 정보 제공 장치.
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