KR102666609B1 - 힘/토크 센서 - Google Patents

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    • G01L5/0061—Force sensors associated with industrial machines or actuators

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, 제1 XY 평면 상에 배치되는 제1 상부 센서 수용부, 제2 상부 센서 수용부 및 제3 상부 센서 수용부와, 제2 XY 평면 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 좌우에는, 상기 제1 XY 평면을 따라 연장되는 한 쌍의 상부 힌지가 형성되고, 상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부 각각의 상하에는, 상기 제1 XY 평면에 수직한 방향으로 연장되는 한 쌍의 하부 힌지가 형성될 수 있다.

Description

힘/토크 센서{FORCE/TORQUE SENSOR}
개시 내용은 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, 제1 XY 평면 상에 배치되는 제1 상부 센서 수용부, 제2 상부 센서 수용부 및 제3 상부 센서 수용부와, 제2 XY 평면 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 좌우에는, 상기 제1 XY 평면을 따라 연장되는 한 쌍의 상부 힌지가 형성되고, 상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부 각각의 상하에는, 상기 제1 XY 평면에 수직한 방향으로 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 수용부는 상기 제1 XY 평면 상에서 정삼각형을 이루도록 형성되고, 상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부는 상기 제2 XY 평면 상에서 정삼각형을 이루도록 형성될 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 제1 상부 센서 수용부와 상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 상부 센서 수용부와 상기 제2 하부 센서 수용부, 및 상기 제3 상부 센서 수용부와 상기 제3 하부 센서 수용부는 각각 상기 제1 XY 평면에 대해 수직인 동일 축 상에 배치될 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 다리부는, 상기 제1 상부 센서 수용부 상부에 형성된 제1 발을 통해 상기 상단 플랫폼에 고정되고, 상기 제2 하부 센서 수용부 하부에 형성된 제2 발을 통해 상기 하단 플랫폼에 고정될 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 제1 하부 센서 수용부와 상기 제3 하부 센서 수용부는 제1 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되고, 상기 제2 상부 센서 수용부와 상기 제3 상부 센서 수용부는 제2 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결될 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 제1 중간 연결 프레임의 상면은, 상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부의 중심점들을 지나는 원의 일부에 대응하는 호 형상일 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 제2 중간 연결 프레임의 상면은, M자 형상 또는 W자 형상일 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 상부 힌지 및 상기 하부 힌지는 십자형 힌지를 포함할 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 상기 제1 상부 센서 수용부의 개방면에 대한 제1 수선의 방향과, 상기 제1 하부 센서 수용부의 개방면에 대한 제2 수선의 방향은 상기 제1 XY 평면 상에서 서로 직교하고, 상기 제2 상부 센서 수용부의 개방면에 대한 제3 수선의 방향과, 상기 제2 하부 센서 수용부의 개방면에 대한 제4 수선의 방향은 상기 제1 XY 평면 상에서 서로 직교하고, 상기 제3 상부 센서 수용부의 개방면에 대한 제5 수선의 방향과, 상기 제3 하부 센서 수용부의 개방면에 대한 제6 수선의 방향은 상기 제1 XY 평면 상에서 서로 직교할 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 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 일 방향에서 본 제1 정면도이다.
도 3 및 도 4는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서에 사용되는 힌지를 나타낸 도면들이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 다른 방향에서 본 제2 정면도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 또 다른 방향에서 본 제3 정면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서의 다리부를 나타낸 사시도이다.
도 8 내지 도 11은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서에서 구성 요소들 간의 기하학적 배치 관계에 대해 설명하기 위한 도면들이다.
도 12는 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 사시도이다.
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, 도 1에 도시된 것과 같이, 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.
이하에서는 도 2 내지 도 11을 참조하여, 실시 예들에 따른 힘/토크 센서의 상세 구조에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서(1A)를 나타낸 일 방향에서 본 제1 정면도이다. 즉, 도 2는 도 1에서 "1A"로 표시된 화살표 방향에서 본 힘/토크 센서(1)에 대한 정면도이다. 도 3 및 도 4는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서에 사용되는 힌지를 나타낸 도면들이다.
도2를 참조하면, 다리부(30)는 상부 센서 수용부(320) 및 하부 센서 수용부(330)를 포함할 수 있다. 상부 센서 수용부(320) 및 하부 센서 수용부(330)는 힘/토크 센서(1A)의 강성 조인트에 대응할 수 있다. 이에 따라, 힘/토크 센서(1A)는 강성 조인트에 대응하도록 상부 센서 수용부(320) 및 하부 센서 수용부(330)에 수용되는 센서를 이용하여, 강성 조인트의 회전(또는 뒤틀림)을 측정하고, 이로부터 6축 중 2개 축에 대한 힘/토크 측정을 수행할 수 있다.
본 실시 예에서, 상부 센서 수용부(320) 및 하부 센서 수용부(330)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 좌우에는 한 쌍의 상부 힌지(322, 324)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 상부 힌지(322, 324)는 XY 평면을 따라 연장되도록 형성되어, 그 힌지 축이 XY 평면 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, XY 평면 상에 배치(도면에서 수평 방향으로 배치)되는 제1 축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
XY 평면을 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 3을 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 축을 중심으로 일어나는 외력에 의한 상부 센서 수용부(320)의 회전이, 충분한 센서 측정이 가능할 정도로 이루어질 수 있다.
하부 센서 수용부(330)는 상부 센서 수용부(320)의 하부에 형성될 수 있다. 하부 센서 수용부(330)의 상하에는 한 쌍의 상부 힌지(332, 334)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 하부 힌지(332, 334)는 XY 평면에 수직한 방향으로 연장되도록 형성되어, 그 힌지 축이 Z 축과 평행하도록 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, Z 축과 평행하도록 배치(도면에서 수직 방향으로 배치)되는 제2 축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
XY 평면에 수직한 방향으로 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(334)는 그 단면이 십자형으로 형성된 십자형 힌지로 구현될 수 있다. 하부 힌지(334)가 도시된 것과 같은 십자형 힌지로 구현됨에 따라, 제2 축을 중심으로 일어나는 외력에 의한 하부 센서 수용부(330)의 회전이, 충분한 센서 측정이 가능할 정도로 이루어질 수 있다.
물론, 상부 힌지(322, 324) 및 하부 힌지(332, 334)의 형상은 도 3 및 도 4에 도시된 것으로 제한되는 것은 아니다. 센서의 민감도, 해상도 등을 고려하여, 외력에 의한 센서 수용부(320, 330)의 회전 정도가 충분히 확보되는 범위에서, 상부 힌지(322, 324) 및 하부 힌지(332, 334)의 형상, 예를 들어, 단면 형상, 두께, 길이, 면들 사이의 각도 등 세부적인 형상이 달라질 수 있다.
본 실시 예에서, 상부 센서 수용부(320)와 하부 센서 수용부(330)는, XY 평면에 대해 수직인 동일 축 상에 배치될 수 있다. 즉, 상부 센서 수용부(320)에 대응하는 강성 조인트와 하부 센서 수용부(330)에 대응하는 강성 조인트는, Z 축과 평행한 하나의 축 상에 배치될 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 5는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 다른 방향에서 본 제2 정면도이다. 즉, 도 5는 도 1에서 "1B"로 표시된 화살표 방향에서 본 힘/토크 센서(1)에 대한 정면도이다.
도 5를 참조하면, 다리부(30)는 상부 센서 수용부(340) 및 하부 센서 수용부(350)를 포함할 수 있다. 상부 센서 수용부(340) 및 하부 센서 수용부(350)는 힘/토크 센서(1B)의 강성 조인트에 대응할 수 있다. 이에 따라, 힘/토크 센서(1B)는 강성 조인트에 대응하도록 상부 센서 수용부(340) 및 하부 센서 수용부(350)에 수용되는 센서를 이용하여, 강성 조인트의 회전(또는 뒤틀림)을 측정하고, 이로부터 6축 중 다른 2개 축에 대한 힘/토크 측정을 수행할 수 있다. 도 2와 관련하여 전술한 바와 마찬가지로, 상부 센서 수용부(340) 및 하부 센서 수용부(350)에 수용되는 센서는 비제한적으로 마그네틱 인코더를 포함할 수 있다.
상부 센서 수용부(340)의 좌우에는, XY 평면을 따라 연장되도록 형성되어 그 힌지 축이 XY 평면 상에 배치되는 한 쌍의 상부 힌지(342, 344)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 상부 힌지(342, 344)는 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)을 통해 전달되는 외력에 의해 변형되고, 상부 센서 수용부(340)에 탑재되는 센서가 상부 센서 수용부(340)의 회전을 측정하면, XY 평면 상에 배치(도면에서 수평 방향으로 배치)되는 제3 축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
하부 센서 수용부(350)는 상부 센서 수용부(340)의 하부에 형성될 수 있다. 하부 센서 수용부(350)의 상하에는, XY 평면에 수직한 방향으로 연장되도록 형성되어 그 힌지 축이 Z 축과 평행하도록 배치되는 한 쌍의 하부 힌지(352, 354)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 하부 힌지(352, 354)는 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)을 통해 전달되는 외력에 의해 변형되고, 하부 센서 수용부(350)에 탑재되는 센서가 하부 센서 수용부(350)의 회전을 측정하여, Z 축과 평행하도록 배치(도면에서 수직 방향으로 배치)되는 제4 축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
상부 힌지(342, 344) 및 하부 힌지(352, 354)의 형상에 대해서는 도 2와 관련하여 전술한 내용을 참조할 수 있으므로, 여기에서 중복되는 설명을 생략하도록 한다.
본 실시 예에서, 상부 센서 수용부(340)와 하부 센서 수용부(350)는, XY 평면에 대해 수직인 동일 축 상에 배치될 수 있다. 즉, 상부 센서 수용부(340)에 대응하는 강성 조인트와 하부 센서 수용부(350)에 대응하는 강성 조인트는, Z 축과 평행한 하나의 축 상에 배치될 수 있다.
본 실시 예에서, 하부 센서 수용부(350)의 하부에는 제2 발(312)이 형성될 수 있다. 제2 발(312)에 의해, 하부 센서 수용부(350)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(350)만 하단 플랫폼(20)에 고정되고, 하부 센서 수용부(340, 360)는 상단 플랫폼(10)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(350)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.
도 6은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 또 다른 방향에서 본 제3 정면도이다. 즉, 도 6은 도 1에서 "1C"로 표시된 화살표 방향에서 본 힘/토크 센서(1)에 대한 정면도이다.
도 6을 참조하면, 다리부(30)는 상부 센서 수용부(360) 및 하부 센서 수용부(370)를 포함할 수 있다. 상부 센서 수용부(360) 및 하부 센서 수용부(370)는 힘/토크 센서(1C)의 강성 조인트에 대응할 수 있다. 이에 따라, 힘/토크 센서(1C)는 강성 조인트에 대응하도록 상부 센서 수용부(360) 및 하부 센서 수용부(370)에 수용되는 센서를 이용하여, 강성 조인트의 회전(또는 뒤틀림)을 측정하고, 이로부터 6축 중 또 다른 2개 축에 대한 힘/토크 측정을 수행할 수 있다. 도 2와 관련하여 전술한 바와 마찬가지로, 상부 센서 수용부(360) 및 하부 센서 수용부(370)에 수용되는 센서는 비제한적으로 마그네틱 인코더를 포함할 수 있다.
상부 센서 수용부(360)의 좌우에는, XY 평면을 따라 연장되도록 형성되어 그 힌지 축이 XY 평면 상에 배치되는 한 쌍의 상부 힌지(362, 364)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 상부 힌지(362, 364)는 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)을 통해 전달되는 외력에 의해 변형되고, 상부 센서 수용부(360)에 탑재되는 센서가 상부 센서 수용부(360)의 회전을 측정하면, XY 평면 상에 배치(도면에서 수평 방향으로 배치)되는 제5 축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
하부 센서 수용부(370)는 상부 센서 수용부(360)의 하부에 형성될 수 있다. 하부 센서 수용부(370)의 상하에는, XY 평면에 수직한 방향으로 연장되도록 형성되어 그 힌지 축이 Z 축과 평행하도록 배치되는 한 쌍의 하부 힌지(372, 374)가 형성될 수 있다. 한 쌍의 하부 힌지(372, 374)는 상단 플랫폼(10) 및 하단 플랫폼(20)을 통해 전달되는 외력에 의해 변형되고, 하부 센서 수용부(370)에 탑재되는 센서가 하부 센서 수용부(370)의 회전을 측정하여, Z 축과 평행하도록 배치(도면에서 수직 방향으로 배치)되는 제6 축에 대한 힘/토크의 측정이 이루어질 수 있다.
상부 힌지(362, 364) 및 하부 힌지(372, 374)의 형상에 대해서는 도 2와 관련하여 전술한 내용을 참조할 수 있으므로, 여기에서 중복되는 설명을 생략하도록 한다.
본 실시 예에서, 상부 센서 수용부(360)와 하부 센서 수용부(370)는, XY 평면에 대해 수직인 동일 축 상에 배치될 수 있다. 즉, 상부 센서 수용부(360)에 대응하는 강성 조인트와 하부 센서 수용부(370)에 대응하는 강성 조인트는, Z 축과 평행한 하나의 축 상에 배치될 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서의 다리부를 나타낸 사시도이고, 도 8 내지 도 11은 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서에서 구성 요소들 간의 기하학적 배치 관계에 대해 설명하기 위한 도면들이다.
도 7 내지 도 11을 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 제1 XY 평면 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 제1 XY 평면 상에 배치될 수 있다.
제1 XY 평면으로 다리부(30)를 자른 단면을 나타낸 도 9를 함께 참조하면, 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 각각 제1 XY 평면 상에서 점 E, F, D에 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 여기서, 점 E, F, D는 제1 XY 평면 상에서 정삼각형을 이루므로, 제1 상부 센서 수용부(320), 제2 상부 센서 수용부(340) 및 제3 상부 센서 수용부(360)는 제1 XY 평면 상에서 정삼각형을 이루도록 형성된 것들일 수 있다.
한편, 제1 하부 센서 수용부(330), 제2 하부 센서 수용부(350) 및 제3 하부 센서 수용부(370)는 제2 XY 평면 상에 배치될 수 있다. 여기서 제2 XY 평면은, 제1 XY 평면과 평행하되, Z 축 방향의 높이가 다른 평면일 수 있다. 또는, 제1 하부 센서 수용부(330)에 대응하는 강성 조인트, 제2 하부 센서 수용부(350)에 대응하는 강성 조인트, 및 제3 하부 센서 수용부(370)에 대응하는 강성 조인트는 제2 XY 평면 상에 배치될 수 있다.
제2 XY 평면으로 다리부(30)를 자른 단면을 나타낸 도 10을 함께 참조하면, 제1 하부 센서 수용부(330)에 대응하는 강성 조인트, 제2 하부 센서 수용부(350)에 대응하는 강성 조인트, 및 제3 하부 센서 수용부(370)에 대응하는 강성 조인트는 각각 제2 XY 평면 상에서 점 E, F, D에 대응되는 위치에 배치될 수 있다. 여기서, 점 E, F, D는 제2 XY 평면 상에서 정삼각형을 이루므로, 제1 하부 센서 수용부(330), 제2 하부 센서 수용부(350) 및 제3 하부 센서 수용부(370)는 제2 XY 평면 상에서 정삼각형을 이루도록 형성된 것들일 수 있다.
한편, 제1 상부 센서 수용부(320)와 제1 하부 센서 수용부(330), 제2 상부 센서 수용부(340)와 제2 하부 센서 수용부(350), 및 제3 상부 센서 수용부(360)와 제3 하부 센서 수용부(370)는 각각 제1 XY 평면에 대해 수직인 동일 축 상에 배치될 수 있다. 구체적으로, 제1 상부 센서 수용부(320)와 제1 하부 센서 수용부(330)는 도 7의 축(Z1) 상에 배치되고, 제2 상부 센서 수용부(340)와 제2 하부 센서 수용부(350)는 도 7의 축(Z2) 상에 배치되고, 제3 상부 센서 수용부(360)와 제3 하부 센서 수용부(370)는 도 7의 축(Z3) 상에 배치될 수 있다.
한편, 제1 하부 센서 수용부(330)와 제3 하부 센서 수용부(370)는, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 중간 연결 프레임(380)에 의해 서로 연결될 수 있다. 전술한 바와 같이, 다리부(30)에서, 상부 센서 수용부(320)만 제1 발(310)을 통해 상단 플랫폼(10)에 고정되고, 하부 센서 수용부(350)만 제2 발(312)을 통해 하단 플랫폼(20)에 고정될 수 있다. 이에 따라, 축(Z3) 상에 배치되는 제3 상부 센서 수용부(360)와 제3 하부 센서 수용부(370)는 상단 플랫폼(10) 또는 하단 플랫폼(20)에 직접 연결되지 않으며, 제3 하부 센서 수용부(370)는 제1 중간 연결 프레임(380), 제1 하부 센서 수용부(330), 제1 상부 센서 수용부(320) 및 제1 발(310)을 통해 상단 플랫폼(10)에 연결될 수 있다. 몇몇 실시 예에서, 제1 중간 연결 프레임(380)의 상면은, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 하부 센서 수용부(330), 제2 하부 센서 수용부(350) 및 제3 하부 센서 수용부(370)의 중심점들을 지나는 원의 일부에 대응하는 호 형상일 수 있다.
한편, 제2 상부 센서 수용부(340)와 제3 상부 센서 수용부(360)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 중간 연결 프레임(390)에 의해 서로 연결될 수 있다. 축(Z3) 상에 배치되는 제3 상부 센서 수용부(360)와 제3 하부 센서 수용부(370)는 상단 플랫폼(10) 또는 하단 플랫폼(20)에 직접 연결되지 않으며, 제3 상부 센서 수용부(360)는 제2 중간 연결 프레임(390), 제2 상부 센서 수용부(340), 제1 하부 센서 수용부(350) 및 제2 발(312)을 통해 하단 플랫폼(20)에 연결될 수 있다. 몇몇 실시 예에서, 제2 중간 연결 프레임(390)의 상면은, M자 형상 또는 W자 형상일 수 있다.
이와 같이 축(Z3) 상에 배치되는 센서 수용부(360, 370)는 간접적으로 축(Z1) 상에 배치되는 제1 발(310)과 축(Z2) 상에 배치되는 제2 발(312)을 통해 플랫폼(10, 20)에 고정될 수 있다.
몇몇 실시 예에서, 제1 상부 센서 수용부(320)의 개방면에 대한 제1 수선의 방향과, 제1 하부 센서 수용부(330)의 개방면에 대한 제2 수선의 방향은 제1 XY 평면 상에서 서로 직교할 수 있다. 도 9를 참조하면, 제1 상부 센서 수용부(320)의 개방면에 대한 제1 수선은 Y 축 방향을 향하고, 도 10을 참조하면 제1 하부 센서 수용부(330)의 개방면에 대한 제2 수선은 X 축 방향을 향하며, 이들 수선들을 제1 XY 평면에 투영한다면, 서로 직교할 수 있다.
이와 마찬가지로, 도 9 및 도 10을 함께 참조하면, 제2 상부 센서 수용부(340)의 개방면에 대한 제3 수선의 방향과, 제2 하부 센서 수용부(350)의 개방면에 대한 제4 수선의 방향은 제1 XY 평면 상에서 서로 직교하고, 제3 상부 센서 수용부(360)의 개방면에 대한 제5 수선의 방향과, 제3 하부 센서 수용부(370)의 개방면에 대한 제6 수선의 방향은 제1 XY 평면 상에서 서로 직교할 수 있다.
도 8 및 도 11을 참조하면, 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 하나의 평면 상에 놓이고, 다른 3 개의 강성 조인트의 축이 해당 평면에 수직으로 위치하도록 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 12는 일 실시 예에 따른 힘/토크 센서를 나타낸 사시도이다.
도 12를 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 XY 평면 상에 배치(도면에서 수평 방향으로 배치)되는 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 Z 축과 평행하도록 배치(도면에서 수직 방향으로 배치)되는 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(450)에는 접지 전압이 인가되고, 마그네틱 인코더(420)와 마그네틱 인코더(450) 사이에 마그네틱 인코더(430, 470, 460, 440)가 순차적으로 연결될 수 있다. 물론, 마그네틱 인코더(420 내지 470)가 전기적 접속을 형성하는 방식은 도 12에 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 좌우 또는 상하에 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 하나의 평면 상에 놓이고, 다른 3 개의 강성 조인트의 축이 해당 평면에 수직으로 위치하도록 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
380, 390: 중간 연결 프레임

Claims (10)

  1. 상단 플랫폼;
    하단 플랫폼; 및
    상기 상단 플랫폼과 상기 하단 플랫폼 사이에 형성된 다리부를 포함하고,
    상기 다리부는,
    제1 XY 평면 상에 배치되는 제1 상부 센서 수용부, 제2 상부 센서 수용부 및 제3 상부 센서 수용부와,
    제2 XY 평면 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 좌우에는, 상기 제1 XY 평면을 따라 연장되는 한 쌍의 상부 힌지가 형성되고,
    상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부 각각의 상하에는, 상기 제1 XY 평면에 수직한 방향으로 연장되는 한 쌍의 하부 힌지가 형성되고,
    상기 다리부는,
    상기 제1 상부 센서 수용부 상부에 형성된 제1 발을 통해 상기 상단 플랫폼에 고정되고,
    상기 제2 하부 센서 수용부 하부에 형성된 제2 발을 통해 상기 하단 플랫폼에 고정되고,
    상기 제1 하부 센서 수용부와 상기 제3 하부 센서 수용부는 제1 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되고,
    상기 제2 상부 센서 수용부와 상기 제3 상부 센서 수용부는 제2 중간 연결 프레임에 의해 서로 연결되는,
    힘/토크 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 상부 센서 수용부, 상기 제2 상부 센서 수용부 및 상기 제3 상부 센서 수용부는 상기 제1 XY 평면 상에서 정삼각형을 이루도록 형성되고,
    상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부는 상기 제2 XY 평면 상에서 정삼각형을 이루도록 형성되는, 힘/토크 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 상부 센서 수용부와 상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 상부 센서 수용부와 상기 제2 하부 센서 수용부, 및 상기 제3 상부 센서 수용부와 상기 제3 하부 센서 수용부는 각각 상기 제1 XY 평면에 대해 수직인 동일 축 상에 배치되는, 힘/토크 센서.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 중간 연결 프레임의 상면은, 상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부의 중심점들을 지나는 원의 일부에 대응하는 호 형상인, 힘/토크 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 중간 연결 프레임의 상면은, M자 형상 또는 W자 형상인, 힘/토크 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상부 힌지 및 상기 하부 힌지는 십자형 힌지를 포함하는, 힘/토크 센서.
  9. 상단 플랫폼;
    하단 플랫폼; 및
    상기 상단 플랫폼과 상기 하단 플랫폼 사이에 형성된 다리부를 포함하고,
    상기 다리부는,
    제1 XY 평면 상에 배치되는 제1 상부 센서 수용부, 제2 상부 센서 수용부 및 제3 상부 센서 수용부와,
    제2 XY 평면 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 좌우에는, 상기 제1 XY 평면을 따라 연장되는 한 쌍의 상부 힌지가 형성되고,
    상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부 각각의 상하에는, 상기 제1 XY 평면에 수직한 방향으로 연장되는 한 쌍의 하부 힌지가 형성되고,
    상기 제1 상부 센서 수용부의 개방면에 대한 제1 수선의 방향과, 상기 제1 하부 센서 수용부의 개방면에 대한 제2 수선의 방향은 상기 제1 XY 평면 상에서 서로 직교하고,
    상기 제2 상부 센서 수용부의 개방면에 대한 제3 수선의 방향과, 상기 제2 하부 센서 수용부의 개방면에 대한 제4 수선의 방향은 상기 제1 XY 평면 상에서 서로 직교하고,
    상기 제3 상부 센서 수용부의 개방면에 대한 제5 수선의 방향과, 상기 제3 하부 센서 수용부의 개방면에 대한 제6 수선의 방향은 상기 제1 XY 평면 상에서 서로 직교하는, 힘/토크 센서.
  10. 상단 플랫폼;
    하단 플랫폼; 및
    상기 상단 플랫폼과 상기 하단 플랫폼 사이에 형성된 다리부를 포함하고,
    상기 다리부는,
    제1 XY 평면 상에 배치되는 제1 상부 센서 수용부, 제2 상부 센서 수용부 및 제3 상부 센서 수용부와,
    제2 XY 평면 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 좌우에는, 상기 제1 XY 평면을 따라 연장되는 한 쌍의 상부 힌지가 형성되고,
    상기 제1 하부 센서 수용부, 상기 제2 하부 센서 수용부 및 상기 제3 하부 센서 수용부 각각의 상하에는, 상기 제1 XY 평면에 수직한 방향으로 연장되는 한 쌍의 하부 힌지가 형성되고,
    상기 상부 센서 수용부 및 상기 하부 센서 수용부에는 마그네틱 인코더가 삽입되는, 힘/토크 센서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102088978B1 (ko) * 2019-04-16 2020-03-16 연세대학교 산학협력단 축 강성이 분리되고 등방성이 강화된 6축 힘/토크 센서

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