KR102645890B1 - 사면체 구조를 갖는 힘/토크 센서 - Google Patents

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Abstract

힘/토크 센서가 제공된다. 힘/토크 센서는, 상단 플랫폼; 하단 플랫폼; 및 상기 상단 플랫폼과 상기 하단 플랫폼 사이에 형성된 다리부를 포함하고, 상기 다리부는, 사면체의 일 꼭지점에서 밑면의 꼭지점들을 향해 각각 연장되는 제1 경사축, 제2 경사축 및 제3 경사축 상에 배치되는 제1 상부 센서 수용부, 제2 상부 센서 수용부 및 제3 상부 센서 수용부와, 상기 밑면을 이루는 모서리를 따라 각각 연장되는 제1 수평축, 제2 수평축 및 제3 수평축 상에 배치되는 제1 하부 센서 수용부, 제2 하부 센서 수용부 및 제3 하부 센서 수용부를 포함하고, 상기 제1 상부 센서 수용부, 상기 제2 상부 센서 수용부 및 상기 제3 상부 센서 수용부 각각의 상하에는, 상기 제1 경사축, 상기 제2 경사축 및 상기 제3 경사축을 따라 연장되는 한 쌍의 상부 힌지가 형성되고, 상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부 각각의 좌우에는, 상기 제1 수평축, 상기 제2 수평축 및 상기 제3 수평축을 따라 연장되는 한 쌍의 하부 힌지가 형성될 수 있다.

Description

사면체 구조를 갖는 힘/토크 센서{FORCE/TORQUE SENSOR WITH TETRAHEDRAL STRUCTURE}
개시 내용은 사면체 구조를 갖는 힘/토크 센서에 관한 것이다.
힘/토크 센서는 여러 방향에서 인가되는 힘과 토크를 측정하기 위한 장치로서, 로봇, 의료기구 등 여러 분야에서 사용되는 기계 장치에 대한 정밀한 관절 운동을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 힘/토크 센서는 제조용 로봇, 서비스 로봇, 필드 로봇 등 로봇 분야에서 널리 사용될 수 있다. 특히, 힘/토크 센서를 이용하면, 공간 상 하나의 질점에 가해지는 모든 힘/토크 성분의 측정이 가능하여, 연마 공정, 정밀 삽입, 휴먼 로봇 협업 등이 가능하도록 할 수 있다. 힘/토크 센서는, 구비된 축에 외력이 작용할 때 발생하는 변형률(strain)에 따른 탄성체의 변형을 이용하여 힘과 토크를 측정하는 방식, 정전 용량 측정 방식, 광학 수단을 이용하는 방식 등 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
해결하고자 하는 일 과제는, 강성 조인트의 회전을 측정하여 6축 모두에 대해 힘/토크를 정확하게 측정할 수 있고, 사용자가 원하는 범위의 강성을 갖도록 유연하게 설계될 수 있는 힘/토크 센서를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 힘/토크 센서는, 상단 플랫폼; 하단 플랫폼; 및 상기 상단 플랫폼과 상기 하단 플랫폼 사이에 형성된 다리부를 포함하고, 상기 다리부는, 사면체의 일 꼭지점에서 밑면의 꼭지점들을 향해 각각 연장되는 제1 경사축, 제2 경사축 및 제3 경사축 상에 배치되는 제1 상부 센서 수용부, 제2 상부 센서 수용부 및 제3 상부 센서 수용부와, 상기 밑면을 이루는 모서리를 따라 각각 연장되는 제1 수평축, 제2 수평축 및 제3 수평축 상에 배치되는 제1 하부 센서 수용부, 제2 하부 센서 수용부 및 제3 하부 센서 수용부를 포함하고, 상기 제1 상부 센서 수용부, 상기 제2 상부 센서 수용부 및 상기 제3 상부 센서 수용부 각각의 상하에는, 상기 제1 경사축, 상기 제2 경사축 및 상기 제3 경사축을 따라 연장되는 한 쌍의 상부 힌지가 형성되고, 상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부 각각의 좌우에는, 상기 제1 수평축, 상기 제2 수평축 및 상기 제3 수평축을 따라 연장되는 한 쌍의 하부 힌지가 형성될 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 제1 상부 센서 수용부, 상기 제2 상부 센서 수용부 및 상기 제3 상부 센서 수용부 각각은 상기 제1 경사축, 상기 제2 경사축 및 상기 제3 경사축 상에서 상기 사면체의 2 개 꼭지점에 의해 정의되는 각각의 선분의 중앙에 배치될 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부 각각은 상기 제1 수평축, 상기 제2 수평축 및 상기 제3 수평축 상에서 상기 사면체의 2 개 꼭지점에 의해 정의되는 각각의 선분의 중앙에 배치될 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 다리부는, 상기 제1 상부 센서 수용부 상부에 형성된 제1 발을 통해 상기 상단 플랫폼에 고정되고, 상기 제1 하부 센서 수용부 하부에 형성된 제2 발을 통해 상기 하단 플랫폼에 고정될 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 제1 상부 센서 수용부와 상기 제3 하부 센서 수용부는 제1 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되고, 상기 제3 하부 센서 수용부와 상기 제3 상부 센서 수용부는 제2 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되고, 상기 제3 상부 센서 수용부와 상기 제2 하부 센서 수용부는 제3 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되고, 상기 제2 하부 센서 수용부와 상기 제2 상부 센서 수용부는 제4 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되고, 상기 제2 상부 센서 수용부와 상기 제1 하부 센서 수용부는 제5 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결될 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 제1 상부 센서 수용부와 상기 제1 하부 센서 수용부는 서로 직접 연결되지 않을 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 상부 힌지 및 상기 하부 힌지는 십자형 힌지를 포함할 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 상부 센서 수용부 및 상기 하부 센서 수용부에는 마그네틱 인코더가 삽입될 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 일 방향에서 본 정면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서에 사용되는 힌지를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 다른 방향에서 본 정면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서에 사용되는 힌지를 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 또 다른 방향에서 본 정면도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 또 다른 방향에서 본 정면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 또 다른 방향에서 본 정면도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 또 다른 방향에서 본 정면도이다.
도 9 및 도 10은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서에서 구성 요소들 간의 기하학적 배치 관계에 대해 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 사시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서에 사용되는 힌지를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서(1)는 상단 플랫폼(10), 하단 플랫폼(20) 및 다리부(30)를 포함할 수 있다.
상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)은 외부에서 작용하는 외력을 받고 이를 다리부(30)에 전달할 수 있다. 외력에 대응하여 다리부(30)에 변형이 발생되면, 그 변형 정도를 측정함으로써, 힘/토크 센서(1)에 구비된 축 방향에 대한 힘과 토크를 산출할 수 있다. 몇몇 실시 예에서, 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)은 외력의 방향과 크기를 다리부(30)에 정확하게 전달하기 위해, 폭 길이에 비해 높이가 낮도록 형성된 실린더 형상으로 제조될 수 있다.
다리부(30)는 상단 플랫폼(10)과 하단 플랫폼(20) 사이에 형성되고, 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)을 통해 제공되는 외력의 방향과 크기에 따라 변형될 수 있다. 다리부(30)는 2 개의 발(310, 312)을 포함할 수 있다. 제1 발(310)은 다리부(30)의 상부와 상단 플랫폼(10)을 연결하고 제2 발(312)은 다리부(30)의 하부와 하단 플랫폼(20)을 연결할 수 있다. 즉, 다리부(30)는 제1 발(310)을 통해 상단 플랫폼(10)에 고정되고, 제2 발(312)을 통해 하단 플랫폼(20)에 고정될 수 있다.
다리부(30)는 상부 센서 수용부(320)를 포함할 수 있다. 상부 센서 수용부(320)는 힘/토크 센서(1)의 강성 조인트 중 하나에 대응할 수 있다. 이에 따라, 힘/토크 센서(1)는 강성 조인트에 대응하도록 상부 센서 수용부(320)에 수용되는 센서를 이용하여, 강성 조인트의 회전(또는 뒤틀림)을 측정하고, 이로부터 6축 중 1개 축에 대한 힘/토크 측정을 수행할 수 있다.
다리부(30)에는, 도 9에 도시된 바와 같이, 가상의 사면체가 정의될 수 있다. 도 9를 함께 참조하면, 가상의 사면체는, 사면체의 일 꼭지점(A)에서 밑면의 꼭지점들(B, C, D)을 향해 각각 연장되는 3 개의 경사축(제1 경사축, 제2 경사축 및 제3 경사축)과, 밑면을 이루는 모서리를 따라 각각 연장되는 3 개의 수평축(제1 수평축, 제2 수평축 및 제3 수평축)을 포함할 수 있다. 본 실시 예에서, 상부 센서 수용부(320)에 수용되는 센서가 힘/토크 측정을 수행하는 상기 1개 축은 제1 경사축에 대응할 수 있다. 이에 따라, 상부 센서 수용부(320)는 제1 경사축 상에 배치될 수 있다.
본 실시 예에서, 상부 센서 수용부(320)에 수용되는 센서는 마그네틱 인코더(magnetic encoder)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니며, 강성 조인트의 회전을 측정할 수 있는 임의의 센서를 포함할 수 있다.
상부 센서 수용부(320)의 상하에는 한 쌍의 상부 힌지(322, 324)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 상부 힌지(322, 324)는, 사면체의 일 꼭지점에서 밑면의 꼭지점을 향해 연장되는 제1 경사축을 따라 연장되도록 형성되어, 그 힌지 축이 제1 경사축 상에 배치될 수 있다. 즉, 한 쌍의 상부 힌지(322, 324)가 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)을 통해 전달되는 외력에 의해 변형되면, 상부 센서 수용부(320)에 탑재되는 센서가 상부 센서 수용부(320)의 회전을 측정하여, 제1 경사축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
제1 경사축을 따라 연장되도록 형성되는 상부 힌지(322, 324)는 외력에 의한 뒤틀림 변형이 상부 센서 수용부(320)에 수용되는 센서에 의해 측정이 가능할 정도로 일어나도록, 그 구체적인 형상이 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 함께 참조하면, 상부 힌지(322)는 그 단면이 십자형으로 형성된 십자형 힌지로 구현될 수 있다. 상부 힌지(322)가 도시된 것과 같은 십자형 힌지로 구현됨에 따라, 제1 경사축을 중심으로 일어나는 외력에 의한 상부 센서 수용부(320)의 회전이, 충분한 센서 측정이 가능할 정도로 이루어질 수 있다.
물론, 상부 힌지(322, 324)의 형상은 도 2에 도시된 것으로 제한되는 것은 아니다. 센서의 민감도, 해상도 등을 고려하여, 외력에 의한 상부 센서 수용부(320)의 회전 정도가 충분히 확보되는 범위에서, 상부 힌지(322, 324)의 형상, 예를 들어, 단면 형상, 두께, 길이, 면들 사이의 각도 등 세부적인 형상이 달라질 수 있다.
본 실시 예에서, 상부 센서 수용부(320)의 상부에는 제1 발(310)이 형성될 수 있다. 제1 발(310)에 의해, 상부 센서 수용부(320)는 상단 플랫폼(10)에 고정될 수 있고, 제1 발(310)은 상단 플랫폼(10)으로부터 전달되는 외력을 다리부(30)에 제공할 수 있다. 특히, 상단 플랫폼(10)과 다리부(30)의 연결은 제1 발(310)에 의해서만 이루어질 수 있다. 바꾸어 말하면, 상부 센서 수용부(320)만 상단 플랫폼(10)에 고정되고, 후술할 상부 센서 수용부(340, 360)는 상단 플랫폼(10)에 고정되지 않을 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 다른 방향에서 본 정면도이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서에 사용되는 힌지를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 다리부(30)는 하부 센서 수용부(330)를 포함할 수 있다. 하부 센서 수용부(330)는 힘/토크 센서(1)의 강성 조인트 중 다른 하나에 대응할 수 있다. 이에 따라, 힘/토크 센서(1)는 강성 조인트에 대응하도록 하부 센서 수용부(330)에 수용되는 센서를 이용하여, 강성 조인트의 회전(또는 뒤틀림)을 측정하고, 이로부터 6축 중 다른 1개 축에 대한 힘/토크 측정을 수행할 수 있다. 여기서, 하부 센서 수용부(330)에 수용되는 센서가 힘/토크 측정을 수행하는 상기 1개 축은 제1 수평축에 대응할 수 있다. 이에 따라, 하부 센서 수용부(330)는 제1 수평축 상에 배치될 수 있다. 도 1과 관련하여 전술한 바와 마찬가지로, 하부 센서 수용부(330)에 수용되는 센서는 비제한적으로 마그네틱 인코더를 포함할 수 있다.
하부 센서 수용부(330)의 좌우에는 한 쌍의 하부 힌지(332, 334)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 하부 힌지(332, 334)는, 사면체의 밑면을 이루는 모서리를 따라 연장되는 제1 수평축을 따라 연장되도록 형성되어, 그 힌지 축이 제1 수평축 상에 배치될 수 있다. 즉, 한 쌍의 하부 힌지(332, 334)가 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)을 통해 전달되는 외력에 의해 변형되면, 하부 센서 수용부(330)에 탑재되는 센서가 하부 센서 수용부(330)의 회전을 측정하여, 제1 수평축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
제1 수평축을 따라 연장되도록 형성되는 하부 힌지(332, 334)는 외력에 의한 뒤틀림 변형이 하부 센서 수용부(330)에 수용되는 센서에 의해 측정이 가능할 정도로 일어나도록, 그 구체적인 형상이 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 4를 함께 참조하면, 하부 힌지(332)는 그 단면이 십자형으로 형성된 십자형 힌지로 구현될 수 있다. 하부 힌지(332)가 도시된 것과 같은 십자형 힌지로 구현됨에 따라, 제1 수평축을 중심으로 일어나는 외력에 의한 하부 센서 수용부(330)의 회전이, 충분한 센서 측정이 가능할 정도로 이루어질 수 있다.
물론, 하부 힌지(332, 334)의 형상은 도 4에 도시된 것으로 제한되는 것은 아니다. 센서의 민감도, 해상도 등을 고려하여, 외력에 의한 하부 센서 수용부(330)의 회전 정도가 충분히 확보되는 범위에서, 하부 힌지(332, 334)의 형상, 예를 들어, 단면 형상, 두께, 길이, 면들 사이의 각도 등 세부적인 형상이 달라질 수 있다.
본 실시 예에서, 하부 센서 수용부(330)의 하부에는 제2 발(312)이 형성될 수 있다. 제2 발(312)에 의해, 하부 센서 수용부(330)는 하단 플랫폼(20)에 고정될 수 있고, 제2 발(312)은 하단 플랫폼(20)으로부터 전달되는 외력을 다리부(30)에 제공할 수 있다. 특히, 하단 플랫폼(20)과 다리부(30)의 연결은 제2 발(312)에 의해서만 이루어질 수 있다. 바꾸어 말하면, 하부 센서 수용부(330)만 하단 플랫폼(20)에 고정되고, 후술할 하부 센서 수용부(350, 370)는 하단 플랫폼(20)에 고정되지 않을 수 있다. 이와 같이, 제1 발(310)을 통해 상부 센서 수용부(320)만 상단 플랫폼(10)에 고정되고, 제2 발(312)을 통해 하부 센서 수용부(330)만 하단 플랫폼(20)에 고정되어, 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)으로부터 전달되는 외력으로 인한 다리부(30)의 변형이 충분한 센서 측정이 가능할 정도로 이루어질 수 있다. 한편, 하부 센서 수용부(330)와, 도 1과 관련하여 전술한 상부 센서 수용부(320)는 서로 직접 연결되지 않을 수 있다.
도 5는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 또 다른 방향에서 본 정면도이다.
도 5를 참조하면, 다리부(30)는 상부 센서 수용부(340)를 포함할 수 있다. 상부 센서 수용부(340)는 힘/토크 센서(1)의 강성 조인트 중 또 다른 하나에 대응할 수 있다. 이에 따라, 힘/토크 센서(1)는 강성 조인트에 대응하도록 상부 센서 수용부(340)에 수용되는 센서를 이용하여, 강성 조인트의 회전(또는 뒤틀림)을 측정하고, 이로부터 6축 중 또 다른 1개 축에 대한 힘/토크 측정을 수행할 수 있다. 여기서, 상부 센서 수용부(340)에 수용되는 센서가 힘/토크 측정을 수행하는 상기 1개 축은 제2 경사축에 대응할 수 있다. 이에 따라, 상부 센서 수용부(340)는 제2 경사축 상에 배치될 수 있다. 도 1과 관련하여 전술한 바와 마찬가지로, 상부 센서 수용부(340)에 수용되는 센서는 비제한적으로 마그네틱 인코더를 포함할 수 있다.
상부 센서 수용부(340)의 상하에는 한 쌍의 상부 힌지(342, 344)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 상부 힌지(342, 344)는, 사면체의 일 꼭지점에서 밑면의 꼭지점을 향해 연장되는 제2 경사축을 따라 연장되도록 형성되어, 그 힌지 축이 제2 경사축 상에 배치될 수 있다. 즉, 한 쌍의 상부 힌지(342, 344)가 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)을 통해 전달되는 외력에 의해 변형되면, 상부 센서 수용부(340)에 탑재되는 센서가 상부 센서 수용부(340)의 회전을 측정하여, 제2 경사축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
상부 힌지(342, 344)의 형상에 대해서는 도 2와 관련하여 전술한 내용을 참조할 수 있으므로, 여기에서 중복되는 설명을 생략하도록 한다.
한편, 상부 센서 수용부(340)와, 도 3과 관련하여 전술한 하부 센서 수용부(350)는 중간 연결 프레임(385)에 의해 서로 연결될 수 있다. 상부 센서 수용부(340)는 상단 플랫폼(10)에 직접 연결되지 않으며, 상부 센서 수용부(340)는 중간 연결 프레임(384), 하부 센서 수용부(350), 중간 연결 프레임(383), 상부 센서 수용부(360), 중간 연결 프레임(382), 하부 센서 수용부(370), 중간 연결 프레임(381), 상부 센서 수용부(320) 및 제1 발(310)를 통해 간접적으로 상단 플랫폼(10)에 연결될 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 또 다른 방향에서 본 정면도이다.
도 6을 참조하면, 다리부(30)는 하부 센서 수용부(350)를 포함할 수 있다. 상부 센서 수용부(350)는 힘/토크 센서(1)의 강성 조인트 중 또 다른 하나에 대응할 수 있다. 이에 따라, 힘/토크 센서(1)는 강성 조인트에 대응하도록 하부 센서 수용부(350)에 수용되는 센서를 이용하여, 강성 조인트의 회전(또는 뒤틀림)을 측정하고, 이로부터 6축 중 또 다른 1개 축에 대한 힘/토크 측정을 수행할 수 있다. 여기서, 하부 센서 수용부(350)에 수용되는 센서가 힘/토크 측정을 수행하는 상기 1개 축은 제2 수평축에 대응할 수 있다. 이에 따라, 하부 센서 수용부(350)는 제2 수평축 상에 배치될 수 있다. 도 1과 관련하여 전술한 바와 마찬가지로, 하부 센서 수용부(350)에 수용되는 센서는 비제한적으로 마그네틱 인코더를 포함할 수 있다.
하부 센서 수용부(350)의 좌우에는 한 쌍의 하부 힌지(352, 354)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 하부 힌지(352, 354)는, 사면체의 밑면을 이루는 모서리를 따라 연장되는 제2 수평축을 따라 연장되도록 형성되어, 그 힌지 축이 제2 수평축 상에 배치될 수 있다. 즉, 한 쌍의 하부 힌지(352, 354)가 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)을 통해 전달되는 외력에 의해 변형되면, 하부 센서 수용부(350)에 탑재되는 센서가 하부 센서 수용부(350)의 회전을 측정하여, 제2 수평축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
하부 힌지(352, 354)의 형상에 대해서는 도 4와 관련하여 전술한 내용을 참조할 수 있으므로, 여기에서 중복되는 설명을 생략하도록 한다.
한편, 하부 센서 수용부(350)와, 도 5와 관련하여 전술한 상부 센서 수용부(340)는 중간 연결 프레임(384)에 의해 서로 연결될 수 있다. 하부 센서 수용부(350)는 하단 플랫폼(20)에 직접 연결되지 않으며, 하부 센서 수용부(350)는 중간 연결 프레임(384), 상부 센서 수용부(340), 중간 연결 프레임(385), 하부 센서 수용부(330) 및 제2 발(312)를 통해 간접적으로 하단 플랫폼(20)에 연결될 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 또 다른 방향에서 본 정면도이다.
도 7을 참조하면, 다리부(30)는 상부 센서 수용부(360)를 포함할 수 있다. 상부 센서 수용부(360)는 힘/토크 센서(1)의 강성 조인트 중 또 다른 하나에 대응할 수 있다. 이에 따라, 힘/토크 센서(1)는 강성 조인트에 대응하도록 상부 센서 수용부(360)에 수용되는 센서를 이용하여, 강성 조인트의 회전(또는 뒤틀림)을 측정하고, 이로부터 6축 중 또 다른 1개 축에 대한 힘/토크 측정을 수행할 수 있다. 여기서, 상부 센서 수용부(360)에 수용되는 센서가 힘/토크 측정을 수행하는 상기 1개 축은 제3 경사축에 대응할 수 있다. 이에 따라, 상부 센서 수용부(360)는 제3 경사축 상에 배치될 수 있다. 도 1과 관련하여 전술한 바와 마찬가지로, 상부 센서 수용부(360)에 수용되는 센서는 비제한적으로 마그네틱 인코더를 포함할 수 있다.
상부 센서 수용부(360)의 상하에는 한 쌍의 상부 힌지(362, 364)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 상부 힌지(362, 364)는, 사면체의 일 꼭지점에서 밑면의 꼭지점을 향해 연장되는 제3 경사축을 따라 연장되도록 형성되어, 그 힌지 축이 제3 경사축 상에 배치될 수 있다. 즉, 한 쌍의 상부 힌지(362, 364)가 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)을 통해 전달되는 외력에 의해 변형되면, 상부 센서 수용부(360)에 탑재되는 센서가 상부 센서 수용부(360)의 회전을 측정하여, 제3 경사축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
상부 힌지(362, 364)의 형상에 대해서는 도 2와 관련하여 전술한 내용을 참조할 수 있으므로, 여기에서 중복되는 설명을 생략하도록 한다.
한편, 상부 센서 수용부(360)와, 도 6과 관련하여 전술한 하부 센서 수용부(350)는 중간 연결 프레임(383)에 의해 서로 연결될 수 있다. 상부 센서 수용부(360)는 상단 플랫폼(10)에 직접 연결되지 않으며, 상부 센서 수용부(360)는 중간 연결 프레임(382), 하부 센서 수용부(370), 중간 연결 프레임(381), 상부 센서 수용부(320) 및 제1 발(310)를 통해 간접적으로 상단 플랫폼(10)에 연결될 수 있다.
도 8은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 또 다른 방향에서 본 정면도이다.
도 8을 참조하면, 다리부(30)는 하부 센서 수용부(370)를 포함할 수 있다. 하부 센서 수용부(370)는 힘/토크 센서(1)의 강성 조인트 중 또 다른 하나에 대응할 수 있다. 이에 따라, 힘/토크 센서(1)는 강성 조인트에 대응하도록 하부 센서 수용부(370)에 수용되는 센서를 이용하여, 강성 조인트의 회전(또는 뒤틀림)을 측정하고, 이로부터 6축 중 또 다른 1개 축에 대한 힘/토크 측정을 수행할 수 있다. 여기서, 하부 센서 수용부(370)에 수용되는 센서가 힘/토크 측정을 수행하는 상기 1개 축은 제3 수평축에 대응할 수 있다. 이에 따라, 하부 센서 수용부(370)는 제3 수평축 상에 배치될 수 있다. 도 1과 관련하여 전술한 바와 마찬가지로, 하부 센서 수용부(370)에 수용되는 센서는 비제한적으로 마그네틱 인코더를 포함할 수 있다.
하부 센서 수용부(370)의 좌우에는 한 쌍의 하부 힌지(372, 374)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 하부 힌지(372, 374)는, 사면체의 밑면을 이루는 모서리를 따라 연장되는 제3 수평축을 따라 연장되도록 형성되어, 그 힌지 축이 제3 수평축 상에 배치될 수 있다. 즉, 한 쌍의 하부 힌지(372, 374)가 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)을 통해 전달되는 외력에 의해 변형되면, 하부 센서 수용부(370)에 탑재되는 센서가 하부 센서 수용부(370)의 회전을 측정하여, 제3 수평축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
하부 힌지(372, 374)의 형상에 대해서는 도 4와 관련하여 전술한 내용을 참조할 수 있으므로, 여기에서 중복되는 설명을 생략하도록 한다.
한편, 하부 센서 수용부(370)와, 도 7과 관련하여 전술한 상부 센서 수용부(360)는 중간 연결 프레임(382)에 의해 서로 연결될 수 있다. 하부 센서 수용부(370)는 하단 플랫폼(20)에 직접 연결되지 않으며, 하부 센서 수용부(370)는 중간 연결 프레임(382), 상부 센서 수용부(360), 중간 연결 프레임(383), 하부 센서 수용부(350), 중간 연결 프레임(384), 상부 센서 수용부(340), 중간 연결 프레임(385), 하부 센서 수용부(330) 및 제2 발(312)를 통해 간접적으로 하단 플랫폼(20)에 연결될 수 있다. 한편, 하부 센서 수용부(370)와, 도 1과 관련하여 전술한 상부 센서 수용부(320)는 중간 연결 프레임(381)에 의해 서로 연결될 수 있다.
도 9 및 도 10은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서에서 구성 요소들 간의 기하학적 배치 관계에 대해 설명하기 위한 도면들이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서의 다리부(30)에서 제1 상부 센서 수용부(320), 제2 상부 센서 수용부(340) 및 제3 상부 센서 수용부(360)는 사면체의 일 꼭지점에서 밑면의 꼭지점들을 향해 각각 연장되는 제1 경사축, 제2 경사축 및 제3 경사축 상에 배치될 수 있다. 또는, 제1 상부 센서 수용부(320)에 대응되는 강성 조인트, 제2 상부 센서 수용부(340)에 대응되는 강성 조인트, 및 제3 상부 센서 수용부(360)에 대응되는 강성 조인트는 사면체의 일 꼭지점에서 밑면의 꼭지점들을 향해 각각 연장되는 제1 경사축, 제2 경사축 및 제3 경사축 상에 배치될 수 있다.
제1 상부 센서 수용부(320), 제2 상부 센서 수용부(340) 및 제3 상부 센서 수용부(360) 각각은 제1 경사축, 제2 경사축 및 제3 경사축 상에서 사면체의 2 개 꼭지점에 의해 정의되는 각각의 선분의 중앙에 배치될 수 있다.
한편, 제1 하부 센서 수용부(330), 제2 하부 센서 수용부(350) 및 제3 하부 센서 수용부(370)는 밑면을 이루는 모서리를 따라 각각 연장되는 제1 수평축, 제2 수평축 및 제3 수평축 상에 배치될 수 있다. 또는, 제1 하부 센서 수용부(330)에 대응되는 강성 조인트, 제2 하부 센서 수용부(350)에 대응되는 강성 조인트, 및 제3 하부 센서 수용부(370)에 대응되는 강성 조인트는 밑면을 이루는 모서리를 따라 각각 연장되는 제1 수평축, 제2 수평축 및 제3 수평축 상에 배치될 수 있다.
제1 하부 센서 수용부(330), 제2 하부 센서 수용부(350) 및 제3 하부 센서 수용부(370) 각각은 제1 수평축, 제2 수평축 및 제3 수평축 상에서 상기 사면체의 2 개 꼭지점에 의해 정의되는 각각의 선분의 중앙에 배치될 수 있다.
외부로부터 엔드 이펙터(end-effector)에 가해지는 렌치(wrench) 는 다음 식에 따라 얻어질 수 있다.
여기서, 는 각 축 방향의 힘을 나타내고, 는 각 축 방향의 모멘트를 나타낼 수 있다. 그리고 렌치 와 미소 변위(small displacement)의 관계는 다음과 같을 수 있다.
여기서, 는 강성 행렬(stiffness matrix), 는 미소 변위, 는 자코비안 행렬(Jacobian matrix), 는 강성 조인트의 강성, 는 강성 조인트에 대해 측정된 각도일 수 있다.
구체적으로, 자코비안 행렬 는 다음과 같이 강성 조인트 축의 위치 정보 로부터 얻어질 수 있다.
강성 행렬 는 다음 식에 따라 얻어질 수 있다.
여기서, 는 강성 조인트 각각의 강성을 나타낼 수 있다.
미소 변위 는 다음 식에 따라 얻어질 수 있다.
여기서, 는 상단 플랫폼의 선형 변위를 나타내고, 는 상단 플랫폼의 회전 변위를 나타내며, 는 각성 조인트 각각의 측정 각도를 나타낼 수 있다.
실시 예들에 따르면, 3 개의 강성 조인트의 축들이, 사면체의 일 꼭지점(A)에서 밑면의 꼭지점들(B, C, D)을 향해 각각 연장되는 3 개의 경사축 상에 높이고, 다른 3 개의 강성 조인트의 축들이, 밑면을 이루는 모서리를 따라 각각 연장되는 3 개의 수평축 상에 놓이도록 기하학적으로 배치됨에 따라, 강성이 서로 분리되고, 모든 방향에 동일하게 반응하는 등방성을 확보할 수 있어서, 임의의 방향으로 작용하는 외력에 대해 정확한 힘/토크의 검출을 보장할 수 있다.
도 11은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 사시도이다.
도 11을 참조하면, 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서의 상부 센서 수용부(320, 340, 360)에는 마그네틱 인코더(420, 440, 460)가 각각 삽입될 수 있다. 마그네틱 인코더(420, 440, 460)는 사면체의 일 꼭지점(A)에서 밑면의 꼭지점들(B, C, D)을 향해 각각 연장되는 3 개의 경사축에 대응하는 축들에 대한 힘/토크의 측정을 위해 사용될 수 있다.
한편, 하부 센서 수용부(330, 350, 370)에는 마그네틱 인코더(430, 450, 470)가 각각 삽입될 수 있다. 마그네틱 인코더(430, 450, 470)는 밑면을 이루는 모서리를 따라 각각 연장되는 3 개의 수평축에 대응하는 축들에 대한 힘/토크의 측정을 위해 사용될 수 있다.
본 실시 예에서, 마그네틱 인코더(420 내지 470)는 서로 직렬 연결될 수 있다. 예를 들어, 마그네틱 인코더(420)에는 전원 전압이 인가되고, 마그네틱 인코더(430)에는 접지 전압이 인가되고, 마그네틱 인코더(420)와 마그네틱 인코더(450) 사이에 마그네틱 인코더(470, 460, 450, 440)가 순차적으로 연결될 수 있다. 물론, 마그네틱 인코더(420 내지 470)가 전기적 접속을 형성하는 방식은 도 11에 도시된 방식으로 한정되는 것은 아니다.
이제까지 설명한 실시 예들에 따르면, 6 개의 강성 조인트들에 대응하는 센서 수용부들이 직렬로 연결되며 전술한 구조를 갖는 다리부를 채택함에 따라, 실시 예들에 따른 힘/토크 센서는 사용자가 원하는 범위의 강성을 갖도록 유연하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 센서 수용부들의 상하 또는 좌우에 형성된 힌지들의 형상을 원하는 강성 크기에 따라 변형되도록 정밀하게 조정할 수 있어서, 단순히 빔의 구조를 채택하여 큰 강성만을 제공하는 기존의 힘/토크 센서와 달리, 사용자 맞춤형으로 강성이 설계된 힘/토크 센서를 제조할 수 있다. 뿐만 아니라, 3 개의 강성 조인트의 축들이, 사면체의 일 꼭지점(A)에서 밑면의 꼭지점들(B, C, D)을 향해 각각 연장되는 3 개의 경사축 상에 높이고, 다른 3 개의 강성 조인트의 축들이, 밑면을 이루는 모서리를 따라 각각 연장되는 3 개의 수평축 상에 놓이도록 기하학적으로 배치됨에 따라, 강성이 서로 분리되고, 모든 방향에 동일하게 반응하는 등방성을 확보할 수 있어서, 임의의 방향으로 작용하는 외력에 대해 정확한 힘/토크의 검출을 보장할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되지 않으며, 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속한다.
1: 힘/토크 센서
10: 상단 플랫폼
20: 하단 플랫폼
30: 다리부
310, 312: 발
320, 340, 360: 상부 센서 수용부
322, 324, 342, 344, 362, 364: 상부 힌지
330, 350, 370: 하부 센서 수용부
332, 334, 352, 354, 372, 374: 하부 힌지
381, 382, 383, 384, 385: 중간 연결 프레임

Claims (8)

  1. 상단 플랫폼;
    하단 플랫폼; 및
    상기 상단 플랫폼과 상기 하단 플랫폼 사이에 형성된 다리부를 포함하고,
    상기 다리부는,
    사면체의 일 꼭지점에서 밑면의 꼭지점들을 향해 각각 연장되는 제1 경사축, 제2 경사축 및 제3 경사축 상에 배치되는 제1 상부 센서 수용부, 제2 상부 센서 수용부 및 제3 상부 센서 수용부와,
    상기 밑면을 이루는 모서리를 따라 각각 연장되는 제1 수평축, 제2 수평축 및 제3 수평축 상에 배치되는 제1 하부 센서 수용부, 제2 하부 센서 수용부 및 제3 하부 센서 수용부를 포함하고,
    상기 제1 상부 센서 수용부, 상기 제2 상부 센서 수용부 및 상기 제3 상부 센서 수용부 각각의 상하에는, 상기 제1 경사축, 상기 제2 경사축 및 상기 제3 경사축을 따라 연장되는 한 쌍의 상부 힌지가 형성되고,
    상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부 각각의 좌우에는, 상기 제1 수평축, 상기 제2 수평축 및 상기 제3 수평축을 따라 연장되는 한 쌍의 하부 힌지가 형성되는,
    힘/토크 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 상부 센서 수용부, 상기 제2 상부 센서 수용부 및 상기 제3 상부 센서 수용부 각각은 상기 제1 경사축, 상기 제2 경사축 및 상기 제3 경사축 상에서 상기 사면체의 2 개 꼭지점에 의해 정의되는 각각의 선분의 중앙에 배치되는, 힘/토크 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부 각각은 상기 제1 수평축, 상기 제2 수평축 및 상기 제3 수평축 상에서 상기 사면체의 2 개 꼭지점에 의해 정의되는 각각의 선분의 중앙에 배치되는, 힘/토크 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다리부는,
    상기 제1 상부 센서 수용부 상부에 형성된 제1 발을 통해 상기 상단 플랫폼에 고정되고,
    상기 제1 하부 센서 수용부 하부에 형성된 제2 발을 통해 상기 하단 플랫폼에 고정되는, 힘/토크 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 상부 센서 수용부와 상기 제3 하부 센서 수용부는 제1 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되고,
    상기 제3 하부 센서 수용부와 상기 제3 상부 센서 수용부는 제2 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되고,
    상기 제3 상부 센서 수용부와 상기 제2 하부 센서 수용부는 제3 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되고,
    상기 제2 하부 센서 수용부와 상기 제2 상부 센서 수용부는 제4 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되고,
    상기 제2 상부 센서 수용부와 상기 제1 하부 센서 수용부는 제5 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되는, 힘/토크 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 상부 센서 수용부와 상기 제1 하부 센서 수용부는 서로 직접 연결되지 않는, 힘/토크 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상부 힌지 및 상기 하부 힌지는 십자형 힌지를 포함하는, 힘/토크 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상부 센서 수용부 및 상기 하부 센서 수용부에는 마그네틱 인코더가 삽입되는, 힘/토크 센서.
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