KR102488210B1 - 사형 또는 나선형 변형 가능한 빔 및 과부하 빔을 갖는 힘/토크 센서 - Google Patents

사형 또는 나선형 변형 가능한 빔 및 과부하 빔을 갖는 힘/토크 센서 Download PDF

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Abstract

힘/토크 센서(110, 130, 140, 150)는 TAP(112)와 MAP(114)를 연결하는 복수의 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142) 또는 나선형 변형 가능한 빔(152)을 포함한다. 이러한 부류의 형상은 변형 가능한 빔(116, 132, 142, 152)의 전체 길이를 증가시켜 그 강성을 감소시킨다. 변형 가능한 빔(116, 132, 142, 152)에 추가하여, 복수의 직선형 과부하 빔(118)이 있으며, 각각의 과부하 빔은 제1 단부에서 TAP(112) 및 MAP(114) 중 하나에 연결되고, 제2 단부에서 미리 결정된 폭의 과부하 간극(120)에 의해 TAP(112) 및 MAP(114) 중 다른 하나로부터 분리된다. 제1 범위의 힘과 토크에 걸쳐, 변형 가능한 빔(116, 132, 142, 152) 상의 변형계(134)는 압축 및 인장 변형률을 전기 신호로 변환시키고, 이 신호는 처리되어 힘과 토크를 결정한다. 제1 범위보다 큰 제2 범위의 힘과 토크에 걸쳐, 과부하 빔(118)은 과부하 간극(120)을 폐쇄하여, TAP(112)와 MAP(114) 모두에 대한 견고한 접촉을 확립한다. 힘 및 토크의 제2 범위에서 센서(110, 130, 140, 150)의 강성은 제1 범위보다 크다.

Description

사형 또는 나선형 변형 가능한 빔 및 과부하 빔을 갖는 힘/토크 센서
관련 출원
본 출원은 2019년 3월 10일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/816,191호 및 2019년 11월 13일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/682,475호에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 전반적으로 힘/토크 센서에 관한 것으로, 특히 사형(serpentine) 또는 나선형 변형 가능한 빔 및 과부하 빔의 사용에 의해 과부하 활성화 후의 강성 대 과부하 활성화 전의 강성의 비율이 높은 콤팩트한 센서에 관한 것이다.
로봇 공학은 산업, 의료, 항공 우주, 과학 및 기타 용례에서 성장하고 있으며 점점 더 중요한 분야이다. 로봇 아암 또는 로봇 아암에 부착된 도구가 작업편과 같은 표면이나 물체에 접촉하는 많은 경우에, 인가되는 힘 및/또는 토크는 면밀히 모니터링되어야 한다. 따라서, 힘/토크 센서는 많은 로봇 시스템의 중요한 부분이다.
로봇 용례를 위한 힘/토크 센서는 본 기술 분야에 공지되어 있다. 예를 들어, 로봇 도구 힘/토크 센서는 미국 특허 제10,422,707호 및 10,067,019호에 설명되어 있다. 전자의 도 1 및 도 2는 변형계 기반 힘/토크 센서의 개념에 대한 소개로서 본 명세서에 포함된다. 이러한 부류의 센서 내에서, 많은 변형이 본 기술 분야에 알려져 있고, 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 특정 설계는 대표적이너가 제한적인 것으로 의도되지 않는다.
위에 언급된 특허에 설명된 바와 같이, 그리고 도 1을 참조하면, 한 유형의 힘/토크 센서(10)는 변형계(1-6)를 사용하여 2개의 기계 부품 - 하나는 로봇 아암에 연결되고 다른 하나는 로봇 도구(또는 도구에 대한 기계적 커플링) 또는 다른 엔드 이펙터에 연결됨 - 을 연결하는 작은 빔(16a-c)의 변형을 측정한다. 예를 들어, 도구 어댑터 플레이트(Tool Adapter Plate)(TAP)(12)로서 본 기술 분야에서 지칭되는 중앙 "허브"가 도구에 연결될 수 있다. TAP 주위에 환형으로 배열되고 TAP로부터 이격되어 있으며 본 기술 분야에서 장착 어댑터 플레이트(Mounting Adapter Plate)(MAP)(14)로서 지칭되는 다른 본체는 로봇 아암에 연결될 수 있다(또는 그 반대도 마찬가지임). TAP(12)와 MAP(14)는 TAP(12) 주위에 반경방향으로 배열된 복수의 비교적 얇은(따라서 기계적으로 변형 가능한) 빔(16a, 16b, 16c)에 의해 서로 연결된다 - 이 설계에서는 휠의 스포크와 유사하다. TAP(12)와 MAP(14)에 각각 부착된 물체 사이의 상대적인 힘 또는 토크는 TAP(12)에 대해 MAP(14)를 이동시키려고 하여, 도 2(실척이 아님)에 도시된 바와 같이 빔(16)의 적어도 일부의 약간의 변형 또는 굴곡을 초래한다. 변형은 각각의 빔(16)을 MAP(14)에 연결하는 매우 얇은 굴곡부(17)에 의해 개선된다.
변형계(1-6)는 각각의 빔(16)의 하나 이상의 표면에 고정된다. 변형계(1-6)는 빔의 기계적 변형에 의해 유발된 빔 표면의 변형률을 전기 신호로 변환한다. 예를 들어, 변형계(1-6)는 연신 또는 수축에 응답하여 그 저항을 변경함으로써 인장, 압축, 및 전단 변형률의 일부 조합에 응답하는 변형계일 수 있다. 일단 교정되면, 모든 빔(16) 상의 변형계(1-6)로부터의 신호는 함께 처리되어 로봇 아암과 부착된 도구 사이의 상대 힘 및/또는 토크의 크기와 방향을 결정한다. 본 명세서에 사용될 때, "변형계"라는 용어는 재료의 기계적 변형에 예측 가능하게 응답하는 임의의 센서 또는 변환기(또는 센서들 또는 변환기들의 조합)를 지칭하며, 이러한 응답은 변형을 유발하는 힘 또는 토크를 결정하는 데 검출, 정량화 및 사용될 수 있다. 앞서 언급한 특허는 본 발명의 개선이 설명되는 특정 힘/토크 센서(10)의 특정 양태에 대한 세부 사항을 더 상세하게 제공한다.
이 일반적인 유형의 힘/토크 센서는 힘 및/또는 토크 값의 제한된 범위 내에서 잘 작동한다. 통상적인 센서는 알루미늄이나 강철과 같은 강성 재료로 형성되어, 매우 낮은 힘을 인가해도 전혀 변형되지 않는다. 제한된 범위의 힘/토크 값에 걸쳐, 빔 또는 기타 변형 가능한 부재가 약간 변형되고, 결과적인 인장 및 압축력은 변형계에 의해 검출되고 측정 전자 기기에 의해 정량화된다. 그러나, 인가된 힘 또는 토크의 크기가 증가함에 따라, 변형 가능한 부재가 상당히 짧고 매우 뻣뻣하기 때문에, 부재는 금속 피로 또는 항복을 겪기 전에 추가 변위가 거의 발생하지 않는다 - 이는 센서의 유효 수명을 각각 감소시키거나 종결시킨다. 힘/토크 센서는 통상적으로 다양한 크기로 제조되며, 각각의 특정 범위 내에서 힘/토크 값만 발생하는 작업에 대해 특정된다. 그러나, 모든 로봇 용례가 제어된 환경을 즐기는 것은 아니다. 예를 들어, 법 집행, 군대, 우주 개발 등과 같은 실제 환경에 배치된 로봇은 그 설계 등급을 초과하는 일시적인 또는 심지어는 지속적인 힘 및 토크에 직면할 수 있다.
과부하 상황에서 힘/토크 센서의 손상을 방지하는 한 가지 방법은 과부하 피처를 제공하는 것이다. 과부하 피처의 한가지 유형은 본 명세서에서 "과부하 빔" (계측될 수 있는 "변형 가능한 빔"과 구별됨)으로서 지칭된다. 하나의 예는 중국 공개 출원 CN 103528726호의 도 1에 도시되어 있으며, 본 명세서에는 도 3으로 포함된다. 이 센서에서, 변형 가능한 빔(2)은 +/- x 및 y 방향으로 TAP(1)를 MAP(4)에 연결한다. 변형 가능한 빔(2)은 각각의 빔(2)의 대향 측면에 있는 변형계(R17-R20, R21-R24, R25-R28, R29-R32)로 계측된다. 변형 가능한 빔(2) 사이에서 반경방향으로 45도 각도로 산재된 과부하 빔(3) 세트가 있다. 과부하 빔(3)은 변형계로 계측되지 않는다. 과부하 빔(3)은 일 단부가 TAP(1)에 연결되지만, 다른 단부에서는 MAP(4)와의 접촉으로부터 좁은 간극, 예를 들어 수천분의 1인치에 의해 분리되어 있다. 이 간극의 폭은 변형 가능한 빔(2)의 정상적인 변형 범위에 걸쳐 과부하 빔(3)의 자유로운 이동을 허용하도록 설계되며 - 즉, TAP(1)와 MAP(4)를 연결하는 변형 가능한 빔(2)이 그 설계된 움직임 범위에 걸쳐 이동(변형)하게 하여 TAP(1)와 MAP(4) 사이에 약간의 상대 움직임을 허용한다. 그러나, 인가된 힘 또는 토크가 센서가 설계된 최대값에 도달하고 변형 가능한 빔(2)이 최대 설계된 양만큼 변형됨에 따라, 하나 이상의 과부하 빔(3)이 간극을 폐쇄하고 MAP(4)와 강하게 접촉하게 된다. 과부하 빔(3)은 변형 가능한 빔(2)보다 더 뻣뻣하고/강하다; 따라서, 과부하 빔(3)이 과도한 힘을 흡수하고 TAP(1)와 MAP(4) 사이의 임의의 추가 상대 움직임을 방지하기 때문에, 추가로 인가된 힘/토크는 변형 가능한 빔(2)을 추가로 변형시키지 않는다.
중국 공개 출원 CN 1283985호의 도 4는 상이한 형태의 과부하 피처를 도시한다. 변형 가능한 빔(2)은 TAP(6)를 MAP(9)에 연결한다. 변형 가능한 빔(2)의 변형 한계에서 TAP(6) 및 MAP(9)의 상대적인 수평 이동은 MAP(9)에 견고하게 부착되고 TAP(6)의 보어(8) 내에 배치된 핀(5)에 의해 제한된다. 보어(8)는 핀(5)보다 δ1만큼 약간 큰 반경을 갖는다. TAP(6) 및 MAP(9)의 상대적인 수직 이동은 그 간격에 의해 제한된다 - TAP(6) 및 MAP(9)는 폭(δ2)을 갖는 간극에 의해 분리된다. 과부하 피처의 다른 구성은 본 기술 분야에 알려져 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 간극과 같은 종래의 과부하 피처는 정합하는 과부하 피처 사이에 매우 엄격한 공차를 유지해야 한다. 이는 힘/토크 센서의 비용을 증가시킬 수 있다. 또한, 매우 엄격한 공차를 달성하는 것은 센서에 조립한 후 구성요소를 기계 가공/정렬해야 할 수 있으며, 이는 센서를 손상시킬 위험이 있고 제조 프로세스에 별개의 단계를 추가하기 때문에 기계 가공된 부품의 리드 타임을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 공차가 엄격하고 센서가 그 예상되는 무부하 위치로부터 약간 오프셋되면, 센서가 정확하게 측정할 수 있는 범위가 무부하 위치를 중심으로 센터링되지 않아, 센서의 조기 고장으로 이어지거나 센서가 그 언급된 전체 범위에 걸쳐 정확하게 측정할 수 없게 될 수 있다.
과부하 피처(즉, 도 3의 과부하 빔(3) 또는 도 4의 핀(5))를 포함하는 부재의 강성은 통상적으로 감지되고, 측정되며, 힘 및 토크로 변환되는 변형을 겪은 센서의 변형 가능한 부재의 강성보다 다소 크다. 이상적으로는, 과부하 피처가 활성화되면 - 예를 들어, 간극이 제거되고 과부하 피처가 TAP와 MAP 사이에서 강하게 접촉하게 되면 -, 변형 가능한 부재의 모든 추가 변형(변형률로 측정됨)이 증가를 중단해야 한다. 그러나, 실제로, 과부하 피처의 강성이 변형 가능한 부재의 강성과 유사하면, 센서에 더 많은 하중을 인가하면 변형계에 의해 측정되는 응력이 계속 증가된다. 이 사실은 과부하 피처에도 불구하고 센서 구조가 산출하기 전에 과부하 활성화 지점 이후에 센서에 인가될 수 있는 힘 또는 토크에 대한 제한을 설정한다.
본 문서의 배경기술 섹션은 본 발명의 실시예를 기술적 및 작동적 문맥에 배치하여 본 기술 분야의 숙련자가 그 범위 및 유용성을 이해하는 것을 돕기 위해 제공된다. 배경기술 섹션에 설명된 접근법은 추구될 수 있지만, 반드시 이전에 구상되거나 추구된 접근법은 아니다. 그와 같이 명시적으로 식별되지 않는 한, 본 명세서의 어떠한 언급도 배경기술 섹션에 포함된다는 것만으로 종래 기술로 인정되지 않는다.
다음은 본 기술 분야의 숙련자에게 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 개시내용의 단순화된 요약을 제시한다. 이 요약은 본 개시내용의 광범위한 개요가 아니며 본 발명의 실시예의 핵심/중요 요소를 식별하거나 본 발명의 범위를 설명하도록 의도되지 않는다. 이 요약의 유일한 목적은 나중에 제시되는 보다 상세한 설명에 대한 서문으로서 본 명세서에 개시된 일부 개념을 단순화된 형태로 제시하는 것이다.
본 명세서에 설명되고 청구된 하나 이상의 실시예에 따르면, 힘/토크 센서는 TAP 및 MAP를 연결하는 복수의 사형 또는 나선형 변형 가능한 빔을 포함한다. 각각의 사형 변형 가능한 빔에 대해, TAP에 대한 부착 지점으로부터 MAP에 대한 부착 지점까지(또는 그 반대의 경우도 마찬가지) 사형 변형 가능한 빔의 중심선 아래에서 취한 적어도 하나의 지향 경로는 순간적인 직선으로부터 좌측으로 적어도 한 번 그리고 우측으로 적어도 한 번 연속적으로 벗어난다. 각각의 나선형 변형 가능한 빔에 대해, TAP에 대한 부착 지점으로부터 MAP에 대한 부착 지점까지(또는 그 반대의 경우도 마찬가지) 나선형 변형 가능한 빔의 중심선 아래에서 취한 적어도 하나의 지향 경로는 순간적인 직선으로부터 좌측 또는 우측 중 하나로 벗어나고, 이러한 편차의 누적 합은 90도보다 크다. 이러한 부류의 형상은 사형 또는 나선형 변형 가능한 빔의 전체 길이를 증가시켜, 그 강성을 감소시킨다. 직선형일 수 있는 복수의 과부하 빔 사이에 사형 또는 나선형 변형 가능한 빔이 산재되어 있다. 각각의 과부하 빔은 제1 단부에서 TAP 및 MAP 중 하나에 연결되고, 제2 단부에서 TAP 및 MAP 중 다른 하나로부터 미리 결정된 폭의 과부하 간극만큼 분리된다. 힘과 토크의 제1 범위 동안, 사형 또는 나선형 변형 가능한 빔은 TAP와 MAP 사이의 상대 움직임 하에 변형되고, 그 위의 변형계는 변형을 전기 신호로 변환하며, 전기 신호는 처리되어 힘과 토크를 결정한다. 제1 범위보다 큰 제2 범위의 힘과 토크에서, 하나 이상의 과부하 빔이 과부하 간극을 폐쇄하고, TAP와 MAP 모두에 대해 견고하게 접촉되어, 명목상 TAP와 MAP 사이의 추가 상대 움직임을 정지시킨다. 힘과 토크의 제2 범위에서 센서의 강성은 제1 범위보다 크다. 이 높은 강성 비율은 과부하 구동 지점에서 변형률/힘 곡선에 급격한 변화를 초래하고, 증가하는 하중이 인가됨에 따라 기울기가 낮아진다. 이는 센서가 금속에 피로를 주기 전에 과부하 상태가 될 수 있는 사이클의 수를 증가시키고, 센서가 항복 또는 파손 없이 견딜 수 있는 최대 힘/토크를 증가시킨다.
일 실시예는 힘/토크 센서에 관한 것이다. 센서는 제1 물체에 연결되도록 작동하는 TAP 및 제2 물체에 연결되도록 작동하는 MAP를 포함한다. 센서는 또한 TAP를 MAP에 연결하는 하나 이상의 사형 변형 가능한 빔을 포함하고, TAP에 대한 부착 지점으로부터 MAP에 대한 부착 지점까지 사형 변형 가능한 빔의 중심선 아래에서 취한 적어도 하나의 지향 경로는 순간적인 직선으로부터 좌측으로 적어도 한 번 그리고 우측으로 적어도 한 번 연속적으로 벗어난다. 변형계는 사형 변형 가능한 빔의 적어도 일부의 하나 이상의 표면에 고정된다. 변형계는 빔의 변형에 의해 유발되는 사형 변형 가능한 빔의 변형률을 전기 신호로 변환하도록 작동한다. 측정 회로는, 모든 변형계로부터의 전기 신호에 응답하여, 제1 물체와 제2 물체 사이의 힘과 토크의 방향과 크기를 측정하도록 작동한다.
다른 실시예는 힘/토크 센서에 관한 것이다. 센서는 제1 물체에 연결되도록 작동하는 TAP 및 제2 물체에 연결되도록 작동하는 MAP를 포함한다. 센서는 또한 TAP를 MAP에 연결하는 하나 이상의 나선형 변형 가능한 빔을 포함하고, TAP에 대한 부착 지점으로부터 MAP에 대한 부착 지점까지 나선형 변형 가능한 빔의 중심선 아래에서 취한 적어도 하나의 지향 경로는 순간적인 직선으로부터 좌측 또는 우측 중 하나로 벗어나고, 이러한 편차의 누적 합은 90도보다 크다. 변형계는 나선형 변형 가능한 빔 중 적어도 일부의 하나 이상의 표면에 고정된다. 변형계는 빔의 변형에 의해 유발되는 나선형 변형 가능한 빔의 변형률을 전기 신호로 변환하도록 작동한다. 측정 회로는, 모든 변형계로부터의 전기 신호에 응답하여, 제1 물체와 제2 물체 사이의 힘과 토크의 방향과 크기를 측정하도록 작동한다.
본 발명은 이제 본 발명의 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여 이하에서 더욱 완전하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 본 명세서에 기재된 실시예에 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시내용이 철저하고 완전하게 되며, 본 기술 분야의 숙련자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하도록 제공된다. 동일한 번호는 전체에 걸쳐 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 종래 기술의 힘/토크 센서의 평면도(US 10,422,707 및 10,067,019의 도 1)이다.
도 2는 빔의 변형을 보여주는 도 1의 센서의 확대도(US 10,422,707의 도 2)이다.
도 3은 과부하 빔을 갖는 종래 기술의 힘/토크 센서의 평면도(CN 103528726의 도 1)이다.
도 4는 과부하 핀을 갖는 종래 기술의 힘/토크 센서의 단면도(CN 1283985의 도 1)이다.
도 5는 과부하 활성화 이후 대 이전의 강성의 비율이 낮은 센서의 변형률 대 하중의 그래프이다.
도 6은 과부하 활성화 이후 대 이전의 강성의 비율이 높은 센서의 변형률 대 하중의 그래프이다.
도 7은 외팔보식 빔의 정적 힘 분석을 위한 그래프와 수학식을 도시한다.
도 8은 일 실시예에 따른 사형 변형 가능한 빔을 갖는 힘/토크 센서의 평면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 사형 변형 가능한 빔을 갖는 힘/토크 센서의 평면도이다.
도 10은 도 9의 힘/토크 센서의 하나의 사형 변형 가능한 빔의 사시도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 사형 변형 가능한 빔을 갖는 힘/토크 센서의 평면도이다.
도 12a 내지 도 12c는 다양한 사형 변형 가능한 빔 형상을 도시한다.
도 13a 내지 도 13c는 다양한 나선형 변형 가능한 빔 형상을 도시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 나선형 변형 가능한 빔을 갖는 힘/토크 센서의 평면도이다.
단순성 및 예시적인 목적을 위해, 본 발명은 주로 예시적인 실시예를 참조하여 설명된다. 다음 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 기재된다. 그러나, 본 발명이 이들 특정 세부사항에 제한되지 않고 실시될 수 있음은 본 기술 분야의 숙련자에게 쉽게 명백할 것이다. 본 설명에서, 널리 공지된 방법 및 구조는 본 발명을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 상세히 설명하지 않는다.
힘/토크 센서의 과부하 피처는 통상적으로 변형률을 측정하는 변형 가능한 부재보다 약간 더 큰 강성을 갖지만, 실제로는 그 정상 작동 범위에서 센서 강성에 대한 과부하 피처가 활성화된 후 센서의 강성의 비율이고, 이는 과부하 피처 효율성을 평가하는 데 중요하다. 이러한 비율이 높을수록 과부하 피처가 활성화된 후 센서에 가해지는 응력이 증가하는 비율이 감소되고, 이는 차례로 고장이 발생하기 전에 센서에 인가될 수 있는 최대 힘을 더욱 증가시킨다.
전술한 바와 같이, 이상적으로 모든 센서 움직임(즉, TAP와 MAP 사이의 상대 움직임)은 과부하 피처가 활성화되면 - 즉, 간극이 폐쇄되고 과부하 빔 또는 다른 부재가 관련 대향 표면과 강하게 접촉하면 - 중지된다. 그러나, 실제로, 증가된 힘이나 토크가 인가되면, 간극의 2개의 면 사이의 접촉이 무한히 뻣뻣하지 않기 때문에, 센서 부품은 과부하 피처의 활성화 이전만큼 뿐 아니라 계속 움직인다. 따라서, 과부하 피처 활성화 후 센서 강성 대 그 이전의 센서 강성 비율이 중요한 메트릭이다.
도 5 및 도 6은 이를 입증한다. 이들 도면은 x축에 인가된 하중(힘 또는 토크) 및 y축에 센서에 의해 관찰된 최대 응력을 나타내는, 2개의 상이한 센서의 그래프이다. 힘의 단위는 센서의 크기에 따라 조절되므로 중요하지 않다는 점에 유의한다. 제1 센서(도 5)에서, 과부하 피처의 구동 후 강성은 이러한 활성화 전보다 훨씬 크지 않다 - 즉, k_과부하/k_센서 ~= 1. 제2 센서에서, 과부하 피처의 구동 후 강성은 이러한 활성화 전보다 상당히 크다 - 즉, k_과부하/k_센서 ~= 10.
도 5 및 도 6을 검사에 의해, 두 센서가 그 설계된 범위를 통해 선형으로 응답한다는 것을 알 수 있다 - 최대 5의 인가된 하중의 경우, 두 센서 모두 최대 5의 대응 응력을 보고한다. 과부하 피처가 활성화되는 지점인 5의 인가된 힘 초과에서, 두 그래프 모두 기울기가 변경된다. 도 5에 도시된 제1 센서에서, 센서는 과부하가 활성화된 후에도 이전보다 훨씬 더 뻣뻣하지 않으며, 응력 출력은 과부하가 활성화되기 전과 마찬가지로 하중이 계속 증가함에 따라 거의 빠르게 증가한다.
대조적으로, 도 6에 도시된 제2 센서는 과부하가 활성화된 후가 이전보다 상당히 더 뻣뻣하고, 부하가 계속 증가함에 따라 응력 출력은 훨씬 더 느리게 증가한다 - 즉, 과부하 피처 활성화 지점 이후의 그래프는 훨씬 더 낮은 기울기를 갖는다.
효과적인 과부하 피처를 설계하는 한 가지 목표는 - 특히 힘/토크 센서가 제어되지 않은 환경에 배치되는 경우 - 센서가 금속 피로, 항복, 파손 또는 단편으로의 파괴를 겪기 전에 센서에 큰 힘/토크를 인가하는 능력이다. 제2 센서(도 6)가 제1 센서(도 5)보다 훨씬 더 큰 정도로 이 목표를 충족한다는 것이 분명하다. 예를 들어, 두 센서가 모두 7의 응력 수준에서 파괴되면, 제2 센서는 파괴되기 전에 최대 27의 하중을 받을 수 있는 반면, 제1 센서는 단지 9의 하중에서 파괴된다.
따라서, 정상 작동 범위에서의 센서 강성보다 훨씬 더 큰 과부하 피처 활성화 후 강성을 갖는 센서는 과부하 상태에서 훨씬 더 양호하다. 달리 말하면, 과부하 피처가 있는 힘/토크 센서를 작동 범위에서 덜 뻣뻣하게 만들면 고장이 발생하기 전에 견딜 수 있는 최대 힘이 증가하게 된다.
변형 가능한 빔 유형의 힘/토크 센서를 작동 범위에서 덜 뻣뻣하게 만드는 한 가지 방법은 (과부하 빔 또는 다른 과부하 피처의 높은 강성을 유지하면서) 변형 가능한 빔의 강성을 감소시키는 것이다. 빔의 응력을 증가시키지 않으면서 빔의 강성을 감소시키는 간단한 방법은 그 길이를 증가시키는 것이다. 빔의 편향은 그 길이의 세제곱에 비례하고; 그러나, 빔의 응력은 그 길이에만 비례한다. 도 7은 길이 L의 외팔보 빔에 대한 관련 수학식, 및 전단 V 및 모멘트 M에 대한 그래프를 도시한다.
전체 직경이 제한된 도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같은 많은 센서 설계에서는 변형 가능한 빔의 길이를 직접 늘리는 것이 불가능하다. 더욱이, 이는 또한 도 3의 과부하 빔의 길이를 필연적으로 증가시켜, 그 강성을 감소시키고 활성화 이전 강성에 대한 과부하 이후 피처 활성화 강성의 비율의 원하는 증가를 무효화할 것이다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 예를 들어 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 변형 가능한 빔의 길이 - 과부하 빔은 아님 - 는 사형 변형 가능한 빔을 형성함으로써 증가된다. 본 명세서에서 사용될 때, "사형"이라는 용어는 일 측면과 이후에 타 측면으로 교대로 만곡시키거나 굴곡시킴으로써 직선으로부터 벗어나는 형상을 의미한다. 즉, TAP에 대한 부착 지점으로부터 MAP에 대한 부착 지점까지(또는 그 반대의 경우도 마찬가지) 그 길이를 따라 사형 변형 가능한 빔의 중심선 아래에서 취한 지향 경로는 좌측(또는 우측)으로 적어도 한 번 선회시키거나, 만곡시키거나, 각형성시킴으로써 직선으로부터 벗어나고, 이후에 우측(또는 좌측)으로 적어도 한 번 선회시키거나, 만곡시키거나, 각형성시킴으로써 직선으로부터 추가로 벗어난다. 물론, 사형 변형 가능한 빔은 TAP로부터 MAP에 대한 부착 지점까지 그 범위를 따라 좌측과 우측 양쪽으로 여러 번 벗어날 수 있다. 교대 편차는 연속적일 필요는 없다 - 즉, 사형 변형 가능한 빔은 동일한 방향으로 여러 번 선회하게 한 다음, 반대 방향으로 선회하게 할 수 있다. 직선으로부터의 편차는 예각의 형태일 수 있거나, 점진적인 곡선일 수도 있다. 직선으로부터 단 하나의 편차, 즉, 좌측 또는 우측으로만 편차를 경험하고 양쪽 모두(예를 들어, 도 1의 변형 가능한 빔(16))의 편차를 경험하지 않는 지향 경로는 용어가 본 명세서에 사용될 때 "사형"의 의미 내에 포함되지 않는다는 점에 유의한다.
일 실시예에서, 사형 변형 가능한 빔은 다양한 각도로 연결된 복수의 직선형 빔 세그먼트를 포함할 수 있고, 이들 세그먼트의 일부는 서로 평행하게 연장되어, 더 큰 전체 변형 가능한 빔 길이를 달성하면서 사형 변형 가능한 빔을 작은 공간으로 제한할 수 있다. 일부 실시예에서, 사형 변형 가능한 빔의 세그먼트 또는 일부는 "뒤로 절첩될 수" 있거나, 빔의 이전 세그먼트 또는 일부와 반대 방향으로 연장될 수 있다.
도 8은 도구에 연결될 수 있는 도구 어댑터 플레이트(TAP)(112), 및 로봇 아암에 연결될 수 있는 장착 어댑터 플레이트(MAP)(114)를 포함하는 힘/토크 센서(110)를 도시한다(또는 그 반대도 마찬가지임). MAP(114)는 TAP(114) 주위에 대체로 환형으로 배열된다. 일정 각도로 연결된 복수의 변형 가능한 빔 세그먼트를 각각 포함하는 복수의 사형 변형 가능한 빔(116a, 116b, 116c)은 TAP(112)를 MAP(114)에 연결한다. 도 8에 도시된 실시예에서, 각각의 사형 변형 가능한 빔(116)은 TAP(112)에 연결되는 제1 부분을 포함한다. 이 제1 부분은 "T" 연결을 통해 제2 부분에 연결된다. 제2 부분의 각각의 단부에서, 사형 변형 가능한 빔은 사형 방식으로 "절첩"된다. 이때, 이들 사형 섹션 각각은 MAP(114)에 연결된다. 따라서, 이 실시예에서, 각각의 사형 변형 가능한 빔(116)은 TAP(112)에 대한 부착 지점으로부터 MAP(114)에 대한 2개의 상이한 부착 지점까지의 2개의 개별 지향 경로를 포함한다. 이들 지향 경로 각각은 그 용어가 본 명세서에서 정의되고 사용되는 바와 같이 사형 형상을 획정한다.
연장된 전체 길이로 인해, 사형 변형 가능한 빔(116)은 TAP(112)와 MAP(114) 사이에서 상대적으로 낮은 강성으로 x-y 평면에서 뿐만 아니라 z-방향(종이 밖)으로 약간의 상대 움직임을 허용한다. 즉, 센서(110)는, 예를 들어 도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 종래 기술 설계의 직선 또는 T-형 변형 가능한 빔을 갖는 유사한 크기의 센서보다 그 작동 범위 내에서 더 큰 정도의 "느슨함" 또는 "유격"을 갖는다. 사형 변형 가능한 빔(116)은 하나 이상의 측면에 변형계(도시되지 않음)가 장착되어 있으며, 이 변형계는 사형 변형 가능한 빔(116)의 표면(들)에서의 압축력 및 인장력을 전기 신호로 변환한다. 변형계는 본 기술 분야에 알려진 바와 같이 전체, 절반 또는 1/4 휘트스톤 브리지 구성으로 배선될 수 있다. 데이터 취득 및 처리 시스템(도시되지 않음)은 변형계 출력을 처리하여 예를 들어 본 기술 분야에 공지된 바와 같이 TAP(112)와 MAP(114)(Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz) 사이에 작용하는 6개의 힘과 토크를 결정한다.
힘/토크 센서(110)는 또한 제1 단부에서 TAP(112)로부터 제2 단부에서 MAP(114) 근처까지 - 단, 접촉하지 않음 - 연장하는(또는 그 반대도 마찬가지임) 복수의 과부하 빔(118a, 118b, 118c)을 포함한다. 과부하 빔(118)은 사형 변형 가능한 빔(116) 사이에 반경방향으로 산재되어 있다. 예를 들어, 수 만분의 1 인치에서 수천분의 1 인치까지의 좁은 과부하 간극(120a, 120b, 120c)은 각각의 개별 과부하 빔(118a, 118b, 118c)을 MAP(114)로부터 분리시킨다. 실제로, 과부하 간극(120)은 각각의 과부하 빔(118)의 제2(연결되지 않은) 단부를 획정한다. 일부 실시예에서, TAP(112), 사형 변형 가능한 빔(118), 과부하 빔(118), 및 MAP(114)는 과부하 피처 제조로부터 적층 공차를 제거하는 단일 단편의 금속으로 기계 가공된다.
일 실시예에서, 각각의 과부하 간극(120)은 실질적으로 원형이다. 도시되어 있는 바와 같이 3개의 과부하 빔의 경우, 원형 간극(120)은 원의 원주의 270도 초과로 연장되어야 하므로, TAP(112)가 상이한 간극 거리로 이동할 수 있는 방향이 없음을 보장하기에 충분한 배향으로 접촉하게 된다. 균일한 간극 거리, 또는 예를 들어 4개의 과부하 빔을 사용하여 Fxy/Tz에서 상이한 활성화 거리를 허용하기 위해 상이한 방향으로 특별히 오프셋된 간극 거리는 과부하 빔(118)이 MAP(114)와 접촉할 때의 구동 요인이다. 간극(120)이 따르는 정확한 경로, 즉, 원형, 타원형 등은 과부하 빔(118)이 MAP(114)와 접촉할 때 국소 접촉 응력을 결정한다. 일 실시예에서, 과부하 간극(120)은 엄격한 공차로 간극(120)의 용이한 기계 가공을 허용하는 와이어 전기 방전 기계 가공(electrical discharge machining)(EDM)을 사용하여 형성될 수 있다. 사형 변형 가능한 빔(116)과 대조적으로, 과부하 빔(118)은 굴곡부 또는 각도가 없는 직선형이며, 사형 변형 가능한 빔(116)보다 짧고 두껍다. 결과적으로, 훨씬 더 높은 강성을 나타낸다.
과부하 빔(118)과 MAP(114) 사이의 과부하 간극(120)은 x-y 평면에서 MAP(114)에 대해 TAP(112)를 이동시키는 힘(Fxy) 및 토크(Tz)에 대한 과부하 구동 또는 정지를 제공한다. z-방향(페이지 밖)으로의 움직임에 대한 과부하 정지를 제공하기 위해, 각각의 과부하 빔(118)이 MAP(114)와 만나는 영역의 위와 아래에 - 즉, 과부하 간극(120) 위와 아래에 - 작은 간극 폭을 획정하는 심 스톡과 함께 평탄한 플레이트가 부착된다. 대안적으로, 이 영역을 덮는 플레이트에 정밀한 단계가 기계 가공될 수 있다. 따라서, 모든 과부하 정지부는 센서(110)를 손상시킬 위협이 없고 제조 프로세스에 눈에 띄게 추가되지 않는 쉽게 이용 가능한 기술을 사용하여 작은 간극과 엄격한 공차로 생성된다. z-방향에 대한 과부하 정지 피처의 대안 실시예는 감지 요소의 위와 아래에 플레이트로 기계 가공된 평면과 테이퍼를 모두 갖는 것이다. 평면은 변환기의 중심에 더 근접하게 배치될 수 있고 테이퍼는 평면으로부터 계속 나오므로 순수 힘 과부하 및 토크 과부하는 모두 과부하 이벤트 동안 큰 접촉 면적을 갖고, 이는 접촉 응력을 감소시키며 피로 수명/강도를 다시 개선시킨다.
도 9는 다른 실시예에 따른 힘/토크 센서(130)를 도시한다. 이 실시예에서, 사형 변형 가능한 빔(132a, 132b, 132c)은 TAP(112)와 MAP(114) 사이에 연결된다. 이 실시예에서 각각의 사형 변형 가능한 빔(132)은 한 지점에서만 TAP(112) 및 MAP(114) 각각에 연결된다. 사형 변형 가능한 빔(132)은 도 8의 실시예와 유사하게 "절첩"되어 연장된 전체 길이를 제공하지만 작은 공간 내에서 제공한다. MAP(114) 본체는 도 8의 실시예의 사형 변형 가능한 빔(116)의 다른 "절반"이 점유하는 공간의 일부를 차지할 수 있고, 전체 센서(130)의 과부하 이후 활성화 강성에 추가로 기여할 수 있다. 과부하 빔(118) 및 과부하 간극(120)은 앞서 설명한 바와 같이 구성된다.
도 10은 변형계(134)가 부착된 도 9의 실시예의 하나의 사형 변형 가능한 빔(132)의 세부 사항을 도시한다. 변형계 부착은 도 8의 실시예의 사형 변형 가능한 빔(116)에서 유사할 수 있다. 변형계의 배선은 명확성을 위해 도시하지 않는다. 한 표면에 도시되어 있지만, 변형계는 다수의 표면(예를 들어, 대향 면에서 쌍으로) 상에, 그리고 임의의 위치 또는 배향으로 사형 변형 가능한 빔(116, 132)에 부착될 수 있다.
도 8 내지 도 10에 도시된 사형 변형 가능한 빔(116, 132)이 빔(116, 132)의 세그먼트 길이의 평행한 연장선을 도시하지만, 반대쪽 단부에서 다음 연속 세그먼트에 연결되어, "부채꼴" 형상을 형성하지만, 이 형상은 예시일 뿐이며 제한적이지 않다.
도 11은 사형 변형 가능한 빔(142)을 갖는 힘/토크 센서(140)의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 경우에, 사형 변형 가능한 빔(142a, 142b, 142c)은 각각 TAP(112)의 부착 지점 이후 좌측으로 약간만 굴곡된 후, MAP(114)에 부착되기 전에 우측으로 여러 번 선회한다. 그러나, 빔(142) 각각은 일 측면(좌측) 및 그 다음 타측(반복적으로 우측)으로 교대로 만곡되거나 굴곡됨으로써 직선으로부터 벗어나기 때문에, 본 명세서에 사용될 때, "사형" 빔의 정의를 충족시킨다.
도 12는 다양한 변형 가능한 빔 형상을 도시하며, 그 용어가 본 명세서에서 정의된 바와 같이 모두 "사형" 형상이다.
변형 가능한 빔 형상(도 12a)은 도 9 및 도 10(또는 도 8의 실시예의 한 측면)에 도시된 것과 유사하다. TAP 부착 지점으로부터 MAP 부착 지점까지의 지향 선은 직선으로 진행한 다음, 직선으로부터 벗어나 90도 우측 선회한다. 그 후, 빔은 6번의 180도 방향 변경을 수행하는데, 각각은 동일한 측면으로 2개의 연속적인 90도 선회를 포함한다. 이는 직선으로부터 양방향으로 벗어나지만 연속적이지는 않은 사형 변형 가능한 빔의 예이다. 본 명세서에서 사용될 때, 변형 가능한 빔의 중심선 아래로 지향되는 선으로부터의 편차는 고려 지점이 빔을 따라 이동함에 따라 순간 중심선으로부터의 편차이다 - 편차가 반드시 초기 중심선의 어느 한쪽으로 벗어나는 것은 아니다.
형상(도 12b)은 변형 가능한 빔을 위한 사형 경로의 다른 실시예를 도시한다. TAP 부착 지점에서 시작하여, 빔이 직선으로 연장된 다음, 90도 미만의 좌측 선회, 90도 초과의 우측 선회, 90도 초과의 또 다른 좌측 선회, 이어서 90도 미만의 우측 선회를 한 후에, MAP 부착 지점까지 직선으로 계속 연장된다. 사형 변형 가능한 빔의 굴곡은 빔의 중심선 아래에서 지향되는 선으로부터 아치형, 직각 또는 둔각일 수 있다.
형상(도 12c)은 변형 가능한 빔을 위한 사형 경로의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 형상에는 하드 각도가 없다. 그러나, 빔의 중심선을 따른 지향 경로는 우측으로 90도 곡선을 겪은 다음 좌측, 우측, 및 좌측 곡선이 각각 총 180도의 편차를 발생시킨 후에, 우측으로 90도 곡선이 이어져 MAP 부착 지점과 만난다. 빔에는 하드 각도가 없지만, 그 지향 경로는 양방향으로 직선으로부터 벗어나므로, 본 명세서에서 사용되는 사형의 정의를 충족한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 변형 가능한 빔 - 과부하 빔은 아님 - 의 길이는 나선형 변형 가능한 빔을 형성함으로써 증가된다. 본 명세서에서 사용될 때, "나선형"이라는 용어는 90도를 초과하는 누계 동안 동일한 측면으로 반복적으로 또는 연속적으로 만곡되거나 굴곡됨으로써 직선으로부터 벗어나는 형상을 의미한다. 달리 말하면, TAP에 대한 부착 지점으로부터 MAP에 대한 부착 지점까지의 길이를 따라 나선형 변형 가능한 빔의 중심선 아래에서 취한 지향 경로는, 한 방향으로 - 즉 90도를 초과하는 누적 합을 통해 좌측 또는 우측으로 - 여러 번 또는 연속적으로 선회시키거나 만곡시키거나, 각형성시킴으로써 직선으로부터 벗어난다. 90도 이하(예를 들어, 도 1의 변형 가능한 빔(16))인 누계에 대해 한 방향으로 직선으로부터 편차를 경험하는 지향 경로는 용어가 본 명세서에 사용될 때 "나선형"의 의미 내에 포함되지 않는다는 점에 유의한다.
도 14는 나선형 변형 가능한 빔(152)을 갖는 힘/토크 센서(150)의 실시예를 도시한다. 이 경우, 나선형 변형 가능한 빔(152a, 152b, 152c) 각각은 총 180도에 대해 한 쪽 - 좌측 - 으로만 선회한다. 이는 본 명세서에서 사용된 나선형 변형 가능한 빔의 정의에 따라 90도보다 큰 한쪽에 대한 편차의 누적 최소 총계를 초과한다.
도 13은 용어가 본 명세서에 사용될 때, "나선형" 변형 가능한 빔 형상의 수많은 예를 도시한다.
변형 가능한 빔 형상(도 13a)은 모두 우측으로 일련의 8개의 90도 선회를 포함한다. TAP에 대한 부착 지점으로부터 MAP에 대한 부착 지점까지의 지향 선의 우측 누적 편차는 720도이다. 이 실시예에서, MAP의 적어도 일부는 그것에 부착하기 위해 나선형 변형 가능한 빔의 평면 밖에 위치 설정되어야 한다.
형상(도 13b)은 변형 가능한 빔에 대한 나선형 경로의 다른 실시예를 도시한다. TAP 부착 지점에서 시작하여, 빔은 직선으로 연장된 다음, 좌측으로 연속적인 만곡 편차를 만든다. 빔은 MAP에 부착되기 전에 1과 3/4의 완전한 원을 통해 권취된다. 방향의 총 편차 - 모두 동일한 쪽(이 경우 좌측)으로 - 는 630도이다. 이 실시예는 또한 MAP(또는 그것에 연결되는 아암 또는 다른 부재)가 나선형 변형 가능한 빔의 평면 밖에 위치 설정될 것을 요구한다.
형상(도 13c)은 변형 가능한 빔에 대한 나선형 경로의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 빔은 TAP에 대한 부착 지점으로부터 일련의 좌측 선회를 통해 MAP에 대한 부착 지점까지 연장된다. 이 복합 빔의 제1 세그먼트와 마지막 세그먼트가 평행하지 않기 때문에, TAP를 떠나는 직선으로부터 좌측으로의 총 각도 편차는 180도보다 다소 크므로, 본 명세서에서 90보다 큰 편차보다 큰 편차의 정의 내에 분명히 있다. 이 실시예에서, TAP 및 MAP는 나선형 변형 가능한 빔과 동일한 평면에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142) 또는 나선형 변형 가능한 빔(152)의 길이는 그 강성을 감소시키도록 증가되고; 그러나, 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150)의 전체 크기는 TAP(112)와 MAP(114) 사이의 공간 내에서 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142) 또는 나선형 변형 가능한 빔(152)을 "절첩하기" 때문에 증가하지 않는다. 이러한 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142) 또는 나선형 변형 가능한 빔(152)의 더 낮은 강성은 인가된 하중의 작동 범위 동안 강성에 대한 과부하 구동 후 센서 강성의 비율을 증가시키면서 비례 변형률 판독값을 산출한다. 이 배열은 쉽게 제조된 과부하 피처를 사용하게 한다.
힘/토크 센서(110, 130, 140, 150)의 설계 또는 정격 작동 범위 전반에 걸쳐, 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142) 또는 나선형 변형 가능한 빔(152)의 변형계는 TAP(112)와 MAP(114) 사이에 인가되는 힘 및/또는 토크에 의해 이들 부재에 유도된 압축력 및 인장력을 검출한다. 그 큰 전체 길이로 인해, 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142) 또는 나선형 변형 가능한 빔(152)은 TAP(112)와 MAP(114) 사이의 약간의 상대 이동을 허용하는 휨 또는 변형을 경험할 수 있다.
최대 설계된 힘 및/또는 토크가 센서(110, 130, 140, 150)에 인가되고 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142) 또는 나선형 변형 가능한 빔(152) 중 하나 이상이 변형되거나 휘어져, TAP(112)와 MAP(114) 사이에 최대 설계된 상대 움직임을 허용할 때, 하나 이상의 과부하 빔(118)은 관련 간극(120)을 폐쇄하고, MAP(114) 또는 센서(110, 130, 140, 150) 위 또는 아래에 위치 설정된 플레이트와 직접 접촉할 것이다. 이 지점에서, 추가의 상대 이동은 명목상 중지된다. 실제로, 과부하 빔(118) 및 MAP(114)가 무한히 뻣뻣하지 않기 때문에, 매우 약간의 움직임이 계속될 것이다. 그러나, 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142) 또는 나선형 변형 가능한 빔(152)에 대한 추가 변형률로서 검출되고 출력될 이러한 임의의 움직임은 인가된 힘/토크의 작동 범위 동안 경험한 것보다 적은 비율로 증가한다. 즉, 변형률/힘 출력 곡선은 도 5가 아니라 도 6과 유사하다.
본 발명의 실시예는 종래 기술의 힘/토크 센서에 비교하여 많은 이점을 제공한다. 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142) 또는 나선형 변형 가능한 빔(152)의 더 큰 전체 길이로 인해, 이들 부재의 강성은 그 변형률에 영향을 주지 않고 낮아진다. 이는 과부하 피처(118)의 강성에 상당한 차이를 제공하여, 과부하 구동 전의 센서 강성에 대한 과부하 구동 후의 센서 강성의 비율을 증가시킨다(즉, 정상 작동 범위 내). 이 높은 강성 비율은 과부하 구동 지점에서 변형률/힘 곡선에 급격한 변화를 초래하고, 증가하는 하중이 인가됨에 따라 기울기가 낮아진다. 이는 센서(110, 130, 140, 150)가 금속에 피로를 주기 전에 과부하 상태가 될 수 있는 사이클의 수를 증가시키고, 센서(110, 130, 140, 150)가 항복 또는 파손 없이 견딜 수 있는 최대 힘/토크를 증가시킨다. 변형 가능한 빔(116, 132, 142, 152)의 전체 길이를 사형 또는 나선형 형상으로 형성함으로써 증가시키는 접근법은 전체 센서 크기를 증가시키지 않는 효율적인 공간 활용을 초래한다. MAP(114)에 과부하 간극(120)을 형성함으로써 과부하 빔(118)의 연결되지 않은 단부를 획정하는 것은 종래 기술의 접근법과 비교하여 과부하 피처(118)에 대한 공차를 완화하고, 조립 후 부품을 기계 가공할 필요성을 제거한다.
물론, 본 발명은 본 발명의 본질적인 특징을 벗어나지 않으면서 본 명세서에 구체적으로 기재된 것과 다른 방식으로 수행될 수 있다. 본 실시예는 모든 면에서 예시적이며 제한적이지 않은 것으로 고려되어야 하며, 첨부된 청구범위의 의미 및 등가 범위 내에서 오는 모든 변경은 여기에 포함되도록 의도된다.

Claims (26)

  1. 제1 물체에 연결되도록 작동하는 중앙 도구 어댑터 플레이트(Tool Adapter Plate), 즉 TAP(112) 및 제2 물체에 연결되도록 작동하고 TAP(112) 주위에 환형으로 배열되는 장착 어댑터 플레이트(Mounting Adapter Plate), 즉 MAP(114)를 포함하는 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150)에 있어서,
    TAP(112) 주위에 반경방향으로 각각 배열되고 TAP(112)를 MAP(114)에 연결하는 하나 이상의 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142)으로서, TAP(112)에 대한 부착 지점으로부터 MAP(114)에 대한 부착 지점까지 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142)의 중심선 아래에서 취한 적어도 하나의 지향 경로는 순간적인 직선으로부터 좌측으로 적어도 한 번 그리고 우측으로 적어도 한 번 연속적으로 벗어나는 것인 하나 이상의 사형 변형 가능한 빔;
    사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142) 중 적어도 일부의 하나 이상의 표면에 고정된 변형계(134)로서, 빔(116, 132, 142)의 변형에 의해 유발되는 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142)의 변형률을 신호로 변환하도록 작동하는 것인 변형계(134);
    사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142) 사이의 TAP(112) 주위에 반경방향으로 각각 배열되며 제1 단부에서 TAP(112) 및 MAP(114) 중 하나에 연결되고, 미리 결정된 폭의 과부하 간극(120)에 의해 제2 단부에서 TAP(112) 및 MAP(114) 중 다른 하나로부터 분리되는 하나 이상의 과부하 빔(118)으로서, 각각의 과부하 빔(118)은 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142)보다 더 큰 강성을 나타내는 것인 하나 이상의 과부하 빔; 및
    모든 변형계(134)로부터의 신호에 응답하여, 제1 물체와 제2 물체 사이의 힘과 토크의 방향과 크기를 측정하도록 작동하는 측정 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150).
  2. 제1항에 있어서, 각각의 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142)은,
    제1 세그먼트;
    제1 세그먼트와 MAP(114) 및 TAP(112) 중 하나의 개별 지점 사이에 각각 연결된 제1 및 제2 사형 섹션; 및
    제1 세그먼트와 MAP(114) 및 TAP(112) 중 다른 하나 사이에 연결된 제2 세그먼트를 포함하는, 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 과부하 빔(118)에 대해, 과부하 간극에 의해 과부하 빔(118)으로부터 분리된 MAP(114) 또는 TAP(112)의 위와 아래에 고정된 플레이트를 더 포함하고, 플레이트는 TAP(112), MAP(114), 및 과부하 빔(118)의 공통 평면에 수직인 과부하 빔(118) 이동을 제한하는 z-방향 간극을 획정하는, 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    TAP(112)와 MAP(114) 사이에 인가된 힘 또는 토크의 제1 범위 내에서, 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142)은 변형되도록 작동하고, MAP(114), 과부하 빔(118)의 제2 단부는 과부하 간극(120)으로 인해 TAP(112) 또는 MAP에 접촉하지 않고;
    제1 범위보다 큰 TAP(112)와 MAP(114) 사이에 인가되는 힘 또는 토크의 제2 범위 내에서, 적어도 하나의 과부하 빔(118)의 제2 단부는 과부하 간극(120)을 폐쇄하고 TAP(112) 또는 MAP(114)와 접촉하여, TAP(112)와 MAP(114) 사이의 추가 움직임을 방지하므로 명목상 사형 변형 가능한 빔(116, 132, 142)의 추가 변형을 방지하는, 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150).
  5. 제4항에 있어서, 센서(110, 130, 140, 150)는 제1 범위의 힘 또는 토크에 걸쳐 인가된 힘 또는 토크 하에서의 움직임에 대한 제1 강성 또는 저항, 및 제2 범위의 힘 또는 토크에서의 제2 강성을 나타내고, 제2 강성은 제1 강성보다 큰, 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150).
  6. 제1 물체에 연결되도록 작동하는 중앙 도구 어댑터 플레이트(Tool Adapter Plate), 즉 TAP(112) 및 제2 물체에 연결되도록 작동하고 TAP(112) 주위에 환형으로 배열되는 장착 어댑터 플레이트(Mounting Adapter Plate), 즉 MAP(114)를 포함하는 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150)에 있어서,
    TAP(112) 주위에 반경방향으로 각각 배열되고 TAP(112)를 MAP(114)에 연결하는 하나 이상의 나선형 변형 가능한 빔(152)으로서, TAP(112)에 대한 부착 지점으로부터 MAP(114)에 대한 부착 지점까지 나선형 변형 가능한 빔(152)의 중심선 아래에서 취한 적어도 하나의 지향 경로는 순간적인 직선으로부터 좌측 또는 우측 중 하나로 벗어나고, 이러한 편차의 누적 합은 90도보다 큰, 나선형 변형 가능한 빔;
    나선형 변형 가능한 빔(152) 중 적어도 일부의 하나 이상의 표면에 고정된 변형계(134)로서, 빔(152)의 변형에 의해 유발되는 나선형 변형 가능한 빔(152)의 변형률을 신호로 변환하도록 작동하는 것인 변형계(134);
    나선형 변형 가능한 빔(152) 사이의 TAP(112) 주위에 반경방향으로 각각 배열되며 제1 단부에서 TAP(112) 및 MAP(114) 중 하나에 연결되고, 미리 결정된 폭의 과부하 간극(120)에 의해 제2 단부에서 TAP(112) 및 MAP(114) 중 다른 하나로부터 분리되는 하나 이상의 과부하 빔(118)으로서, 각각의 과부하 빔(118)은 나선형 변형 가능한 빔(152)보다 더 큰 강성을 나타내는 것인 하나 이상의 과부하 빔; 및
    모든 변형계(134)로부터의 신호에 응답하여, 제1 물체와 제2 물체 사이의 힘과 토크의 방향과 크기를 측정하도록 작동하는 측정 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150).
  7. 제6항에 있어서, 과부하 간극(120)은, TAP(112) 또는 MAP(114) 중 하나에 견고하게 부착되고 TAP(112) 또는 MAP(114) 중 다른 하나와 과부하 간극(120)을 형성하는, TAP(112) 또는 MAP(114) 중 어느 하나와 별개인 부분에 의해 형성되는, 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150).
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 각각의 과부하 빔(118)에 대해, 과부하 간극에 의해 과부하 빔(118)으로부터 분리된 MAP(114) 또는 TAP(112)의 위와 아래에 고정된 플레이트를 더 포함하고, 플레이트는 TAP(112), MAP(114), 및 과부하 빔(118)의 공통 평면에 수직인 과부하 빔(118) 이동을 제한하는 z-방향 간극을 획정하는, 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150).
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    TAP(112)와 MAP(114) 사이에 인가되는 힘 또는 토크의 제1 범위 내에서, 나선형 변형 가능한 빔(152)은 변형되도록 작동하고, 과부하 빔(118)의 제2 단부는 과부하 간극(120)으로 인해 TAP(112) 또는 MAP(114)와 접촉하지 않으며;
    제1 범위보다 큰 TAP(112)와 MAP(114) 사이에 인가되는 힘 또는 토크의 제2 범위 내에서, 적어도 하나의 과부하 빔(118)의 제2 단부는 과부하 간극(120)을 폐쇄하고 TAP(112) 또는 MAP(114)와 접촉하여, TAP(112)와 MAP(114) 사이의 추가 움직임을 방지하므로 명목상 나선형 변형 가능한 빔(152)의 추가 변형을 방지하는, 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150).
  10. 제9항에 있어서, 센서(110, 130, 140, 150)는 제1 범위의 힘 또는 토크에 걸쳐 인가된 힘 또는 토크 하에서의 움직임에 대한 제1 강성 또는 저항, 및 제2 범위의 힘 또는 토크에서의 제2 강성을 나타내고, 제2 강성은 제1 강성보다 큰, 힘/토크 센서(110, 130, 140, 150).
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