KR19990079228A

KR19990079228A - Force / Moment Sensor Using Contact Sensing

Info

Publication number: KR19990079228A
Application number: KR1019980011719A
Authority: KR
Inventors: 최명환
Original assignee: 최명환
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 1999-11-05
Also published as: KR100424147B1

Abstract

본 발명은 X, Y, Z 축으로 구성된 공간 좌표계상에서 접촉에 의하여 발생하는 상기 3축 방향의 힘과 상기 3축을 중심으로 회전하는 모멘트를 각각 검출하기위한 힘/모멘트 센서에 관한 것으로서,The present invention relates to a force / moment sensor for detecting the force in the three-axis direction generated by the contact on the spatial coordinate system consisting of the X, Y, Z axis and the moment to rotate about the three axes, respectively,

외부 지지체에 고정되는 직육면체형의 고정수단(1) ; 상기 고정수단의 각 면에 위치하여 외부 물체와의 접촉을 감지하는 감지수단 ; 을 포함하여 구성되되, 상기 감지수단은 중앙감지수단(2)과 주변감지수단(3)으로 구성되며, 상기 중앙감지수단은 상기 각 면의 중앙에 위치하는 접촉센서로 구성되며, 상기 주변감지수단은 상기 각 면에 상기 각 면의 중앙을 중심으로하여 그 주변에 분포되는 다수의 접촉센서로 구성되는 것을 특징으로 하는, 기구적으로 매우 간단하여 적은 비용으로 외부에서 작용하는 힘 및 모멘트를 검출해 낼 수 있는 매우 유용한 발명이다.Cuboid fixing means 1 fixed to an outer support; Sensing means positioned on each side of the fixing means to sense contact with an external object; It is configured to include, the sensing means is composed of a central sensing means (2) and the peripheral sensing means (3), the central sensing means is composed of a contact sensor located in the center of each surface, the peripheral sensing means Is characterized by consisting of a plurality of contact sensors distributed around the center around the center of each of the surfaces, the mechanically very simple to detect external forces and moments at a low cost It is a very useful invention.

Description

Force / Moment Sensor Using Contact Sensing

본 발명은 X, Y, Z축으로 구성된 공간좌표계상에서 상기 3축 방향의 힘 성분과 상기 3축을 중심으로 회전하는 모멘트의 성분을 각각 검출하기 위한 힘/모멘트 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고정수단의 외면에 구비된 다수의 접촉센서에서 감지하는 외부 접촉의 정보를 이용하여 외부 접촉에 의해 발생하는 힘 및 모멘트를 검출할수 있도록 한 힘/모멘트 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a force / moment sensor for detecting the components of the force in the three-axis direction and the component of the moment to rotate around the three axes on a spatial coordinate system composed of X, Y, Z axes, more specifically fixed The present invention relates to a force / moment sensor capable of detecting force and moment generated by an external contact by using information of an external contact sensed by a plurality of contact sensors provided on an outer surface of the means.

힘/모멘트 센서의 사용분야 중의 하나는 로봇의 교시(teach) 작업으로서, 종래에는 로봇을 교시하기 위하여 교시상자(teach pendant)를 이용하는 방법이 많이 사용되었었다. 이 방법은 사용자가 교시상자에 위치한 6방향(X방향 병진, X방향회전, Y방향 병진, Y방향 회전, Z방향 병진, Z방향 회전) 운동 명령스위치를 눌러서 원하는 방향의 로봇운동을 발생시키는 방법이었다. 그러나, 상기 교시상자를 사용하는 방법은 간단하고 경제적이었지만, 사용자가 X-Y-Z의 3방향을 공간상에서 인식하기가 어려웠기 때문에, 원하는 방향으로의 로봇운동을 정확히 발생시키는데 어려움이 있다는 문제점이 있었다.One of the fields of use of the force / moment sensor is teaching work of a robot, and in the past, a method of using a teach pendant has been used to teach a robot. This method is to generate the robot motion in the desired direction by pressing the motion command switch in 6 directions (X direction translation, X direction rotation, Y direction translation, Y direction rotation, Z direction translation, Z direction rotation) located on the teaching box. It was. However, the method of using the teaching box was simple and economical, but it was difficult for the user to recognize three directions of X-Y-Z in space, and thus there was a problem in that the robot motion in the desired direction was accurately generated.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 로봇의 몸체에 힘/모멘트 센서를 부착한 후 사람이 직접 힘 및 모멘트 센서를 손으로 밀거나 당겨서 로봇을 이동시킴으로써, 원하는 방향으로의 로봇운동을 정확히 발생시키는 방법이 사용되고 있다.In order to solve this problem, after attaching the force / moment sensor to the body of the robot and moving the robot by pushing or pulling the force and moment sensor by hand, a method of accurately generating the robot motion in the desired direction is used. have.

이때, 힘/모멘트는 통상 X, Y, Z 축으로 불리우는 서로 직각인 좌표축으로 구성된 공간좌표계를 기준으로 표현된다.In this case, the force / moment is expressed based on a spatial coordinate system composed of coordinate axes perpendicular to each other, commonly called X, Y, and Z axes.

상기 방법에 사용되는 힘/모멘트 센서에는 다양한 종류의 것이 있으나, 대부분의 경우 외부로부터 가해진 힘과 모멘트에 의해서 발생하는 센서의 변형을 스트레인 게이지(strain gauge) 등을 이용하여 검출함으로써 가해진 힘과 모멘트의 값을 계산하는 방법을 사용하고 있다. 그러나, 상기 스트레인에 기초한 센서는 여러가지 문제점이 있어서 이를 해결하기 위한 다양한 방법이 고안되었는 바, 이러한 예로는 미국 특허 제5,490,427호 "Six Axis Force Sensor Employing Multiple Shear Strain Gages"와 한국 특허공고 제96-6311호 "힘/모멘트 센서"가 있다.Although there are various types of force / moment sensors used in the above method, in most cases, the deformation of the sensor caused by an external force and moment is detected by using a strain gauge or the like. I'm using a method to calculate a value. However, the strain-based sensor has a number of problems, and various methods have been devised to solve this problem. There is an arc "force / moment sensor".

상기 미국 특허 제5,490,427호는 그 길이방향의 축이 상호 직각인 팔(arm)을 적어도 두개 이상 갖고 있는 L자형 또는 T자형 다리(leg)위에 장착된 쉬어(shear) 스트레인 게이지만을 이용해서 스트레인을 측정하는 것을 주요 내용으로 한다. 상기 다리에는 서로 직각인 방향으로 작용하는 힘을 측정할 수 있도록, 서로 직각인 상기 팔에 적어도 두개의 쉬어 스트레인 개이지를 장착하고 있다. 상기 L자형 또는 T자형 다리(leg) 3개 또는 그 이상이, 일반적으로 중공이 형성된 원통형 몸체에 구현됨으로써 힘센서를 형성하게 된다. 상기와 같은 구조로된 팔로부터 출력되는 쉬어 스트레인 게이지 출력이 디지탈 신호 처리부에 전송되면, 이를 원통형 몸체에 가해진 힘/모멘트의 크기 및 방향을 결정하게 되는 것이다. 또한, 상기 쉬어 스트레인 게이지는 이를 장착할 수 있도록 별도로 형성된 공간부내에 장착됨으로써, 쉬어 스트레인(전단변형)에 보다 민감하게 반응할 수있도록 되어 있다.U.S. Patent No. 5,490,427 measures strain using only shear strain gauges mounted on an L-shaped or T-shaped leg having at least two arms perpendicular to each other in the longitudinal axis thereof. The main thing is to do. The legs are equipped with at least two shear strain gages on the arms perpendicular to each other so that forces acting in directions perpendicular to each other can be measured. Three or more of the L-shaped or T-shaped legs (leg) is generally implemented in a hollow cylindrical body to form a force sensor. When the shear strain gage output from the arm having the structure described above is transmitted to the digital signal processor, it determines the magnitude and direction of the force / moment applied to the cylindrical body. In addition, the shear strain gauge is mounted in a space formed separately so as to mount the shear strain gauge, so that the shear strain gauge may be more sensitive to shear strain (shear deformation).

또한, 상기 한국 특허공고 제96-6311호에 제안된 힘/모멘트 센서는, 로봇 팔에 접속되는 원형의 상부 플레이트와 작업공구를 부착하는 원형의 하부 플레이트 및 상기 양 플레이트를 상호 연결하는 다수의 브릿지 요소를 포함하여 구성되되, 상기 브릿지 요소를 평면판으로 하고, 상기 브릿지 요소의 센서 중심축에 연한 외측면과 상기 중심축에 대해 경사진 외측면에, 상기 중심구멍의 곡률과 동일한 곡률을 갖는 면을 설치함으로써, 상기 중심구멍의 구성벽면과 오목형상 원호면에 장착된 왜곡게이지의 온도에 의한 저항변화가 동일해져서 온도에 의한 보상정도를 향상시킬 수 있도록 된 것이다.In addition, the force / moment sensor proposed in the Korean Patent Publication No. 96-6311, a circular upper plate connected to the robot arm and a circular lower plate for attaching the work tool and a plurality of bridges interconnecting both plates An element having a curvature equal to the curvature of the central hole, the element being a flat plate and having an outer surface that is soft to the sensor central axis of the bridge element and an outer surface that is inclined with respect to the central axis. By providing a, the resistance change due to the temperature of the distortion gauge mounted on the constitution wall surface of the center hole and the concave circular arc surface becomes equal, so that the degree of compensation due to temperature can be improved.

그러나, 상기와 같이 구성된 외력에 의한 센서의 변형에 근거한 종래의 힘/모멘트 센서는, 외부로부터 상기 센서에 작용하는 힘/모멘트를 연속적인 값으로 매우 정확하게 검출할 수는 있으나, 비교적 높은 가격 때문에 산업체에서의 보편적인 사용이 어렵다는 문제점이 있었다.However, the conventional force / moment sensor based on the deformation of the sensor by the external force configured as described above can detect the force / moment acting on the sensor from the outside with a continuous value very accurately, but due to the relatively high price, There was a problem that it is difficult to use universally.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 보다 적은 비용으로도 외부에서 가해지는 6방향의 힘 및 모멘트를 검출해낼 수 있는 힘/모멘트 센서를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.The present invention was made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a force / moment sensor capable of detecting a force and a moment in six directions applied from the outside at a lower cost.

도 1 은 본 발명에 따른 힘/모멘트 센서의 실시예를 도시한 사시도 이고,1 is a perspective view showing an embodiment of a force / moment sensor according to the present invention,

도 2 는 도 1 의 A-A 선 단면도이다.2 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 고정수단1: fixing means

2 : 중앙감지수단2: central sensing means

3 : 주변감지수단3: surrounding detection means

S1,S2,S2,..... : 접촉스위치S1, S2, S2, .....: Contact switch

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 힘/모멘트 센서는, 외부 지지체에 고정되는 직육면체의 고정수단 ; 상기 고정수단의 각 면에 위치하여 외부 물체와의 접촉을 감지하는 감지수단 ; 을 포함하여 구성되되, 상기 감지수단은 중앙감지수단과 주변감지수단으로 구성되며, 상기 중앙감지수단은 상기 각 면의 중앙에 위치하는 접촉센서로 구성되며, 상기 주변감지수단은 상기 각 면에 상기각 면의 중앙을 중심으로하여 그 주변에 분포되는 다수의 접촉센서로 구성되는것에 특징이 있는 것이며,Force / moment sensor according to the present invention for achieving the above object, the fixing means of the rectangular parallelepiped is fixed to the external support; Sensing means positioned on each side of the fixing means to sense contact with an external object; It is configured to include, wherein the sensing means is composed of a central sensing means and the peripheral sensing means, the central sensing means is composed of a contact sensor located in the center of each surface, the peripheral sensing means is the It is characterized by consisting of a plurality of contact sensors distributed around the center of the center of each surface,

본 발명에 따른 힘/모멘트 센서는, 상기 주변감지수단은 상기 각 면에 상기 각면의 중앙을 중심으로하는 원주 상에 등간격으로 분포되는 2의 배수 갯수의 접촉센서로구성되는 것에 또 다른 특징이 있는 것이며The force / moment sensor according to the present invention is characterized in that the peripheral sensing means is composed of a contact sensor having a multiple of 2, which is distributed at equal intervals on the circumference centering the center of each face on each face. Is

본 발명에 따른 힘/모멘트 센서는, 상기 접촉센서는 접촉스위치인 것에 또 다른 특징이 있는것이며,Force / moment sensor according to the invention, the contact sensor is another feature that the contact switch,

본 발명에 따른 힘/모멘트 센서는, 상기 접촉센서는 근접센서인 것에 또 다른 특징이 있는 것이다.Force / moment sensor according to the invention is another feature that the contact sensor is a proximity sensor.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 힘/모멘트 센서에서는, 상기 고정수단을 외부 가동지지체에 고정시킨 후, 상기 고정수단을 손으로 직접 밀고 당기게 되면, 작용한 접촉힘의 위치와 방향에 따라 상기 접촉센서들이 동작하며, 다수의 접촉센서들 중 동작한 센서의 위치와 접촉센서의 출력값을 분석하면 외부에서 가해진 힘 및 모멘트의 검출이 가능하다.In the force / moment sensor according to the present invention configured as described above, after the fixing means is fixed to an external movable support, when the fixing means is directly pushed and pulled by the hand, the contact sensor according to the position and direction of the acting contact force Of the plurality of touch sensors, an external force and moment can be detected by analyzing the position of the operated sensor and the output value of the touch sensor.

이하, 본 발명에 따른 힘/모멘트 센서의 실시예의 구성 및 동작에 대해, 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of the embodiment of the force / moment sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도1은 본 발명에 따른 힘/모멘트 센서의 실시예를 도시한 사시도이고, 도2는 도1의 A-A선 단면도로서, 본 발명에 따른 힘/모멘트 센서는 상기 도면에 도시된 바와 같이, 외부 지지체에 고정되는 직육면체의 고정수단(1) ; 상기 고정수단의 각 면에 위치하여 외부 물체와의 접촉을 감지하는 감지수단 ; 을 포함하여 구성되되, 상기 감지수단은 중앙감지수단(2)과 주변감지수단(3)으로 구성되며, 상기중앙감지수단은 상기 각 면의 중앙에 위치하는 접촉스위치로 구성되며, 상기 주변감지수단은 상기 각 면에 상기 각 면의 중앙을 중심으로 하는 원주 상에 등간격으로 위치한 4개의 접촉스위치로 구성되며, 고정수단의 각 면에서 직선상에 위치하는 3개의 접촉스위치는 고정수단의 내부에 가상으로 존재하는 X-Y-Z 직교좌표계의 각 축 방향과 평행하도록 배치되어 있다.Figure 1 is a perspective view showing an embodiment of the force / moment sensor according to the invention, Figure 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of Figure 1, the force / moment sensor according to the invention is shown in the figure, the external support Fastening means (1) of a rectangular parallelepiped to be fixed to it; Sensing means positioned on each side of the fixing means to sense contact with an external object; The sensing means is composed of a central sensing means (2) and the peripheral sensing means (3), the central sensing means is composed of a contact switch located in the center of each surface, the peripheral sensing means Is composed of four contact switches located at equal intervals on the circumference centering the center of each surface on each side, and the three contact switches located on a straight line at each side of the fixing means are located inside the fixing means. It is arrange | positioned so that it may be parallel to each axis direction of the XYZ rectangular coordinate system which exists virtually.

이하에서는, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 힘/모멘트 센서의 동작에 대하여 상기 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation of the force / moment sensor according to the present invention configured as described above will be described in detail with reference to the drawings.

일단, 본 발명에 따른 힘/모멘트 센서를 상기 고정부(1)를 이용하여 로봇의 몸체 또는 사용자가 원하는 공간상의 소정 위치에 고정시킨다.First, the force / moment sensor according to the present invention is fixed to a predetermined position on the body of the robot or a space desired by the user using the fixing part 1.

먼저, 외부의 접촉에 의해 발생한 X-Y-Z 축 방향의 힘 성분의 검출을 설명한다. 고정부에 외부의 접촉이 발생하여 접촉스위치 S1 이 눌려지면 이는 +X 방향의 힘이 가해진 경우를 의미한다. 같은 원리를 이용하면, 접촉스위치 S7 이 동작하면 이는 -X 방향의 힘이 가해진 경우를 의미하며, 접촉스위치 S10이 동작하면 +Y 방향의 힘이 가해진 경우를 의미하며, 접촉스위치 S4 가 동작하면 -Y방향의 힘이 가해진 경우를 의미한다.First, the detection of the force component in the X-Y-Z axis direction caused by external contact will be described. When external contact occurs in the fixed part and the contact switch S1 is pressed, this means that a force in the + X direction is applied. Using the same principle, if the contact switch S7 is in operation, this means that the force in the -X direction is applied, and if the contact switch S10 is in operation, the force is applied in the + Y direction, and if the contact switch S4 is- It means the case that the force in Y direction is applied.

다음은 외부의 접촉에 의해 발생한 X-Y-Z 축 방향의 모멘트 성분의 검출을 설명한다. 고정부에 외부의 접촉이 발생하여 접촉스위치 S3 이 눌려지면 이는 +Z 방향의 모멘트가 가해진 경우를 의미한다. 같은 원리를 이용하면, S3, S6,S9, S12 중 한 개 이상의 접촉스위치가 동작하면 이는 +Z 방향 모멘트가 가해진 경우를 의미하며, 반대로 S2, S5, S8, S11 중 한 개 이상의 접촉스위치가 동작하면 이는 -Z 방향 모멘트가 가해진 경우를 의미한다.The following describes the detection of the moment component in the X-Y-Z axis direction caused by external contact. If external contact occurs in the fixed part and contact switch S3 is pressed, this means that the moment in the + Z direction is applied. Using the same principle, when one or more contact switches of S3, S6, S9, and S12 operate, this means a moment in which the + Z direction is applied, and conversely, one or more contact switches of S2, S5, S8, and S11 operate. This means that the moment the -Z direction is applied.

이상의 힘 및 모멘트의 검출원리는 도1의 A-A선 단면도인 도2를 이용하여 +X,-X, +Y,-Y 방향의 힘과 +Z 방향의 모멘트에 대하여 설명하였으나, 상기검출원리를 도1의 직육면체에서 A-A 선 이외의 다른 단면에 적용하여 분석하면, +X,-X, +Y,-Y, +Z,-Z 방향의 힘과 모멘트를 모두 검출할수 있다.The detection principle of the above-mentioned force and moment has been described with respect to the force in the + X, -X, + Y, and -Y directions and the moment in the + Z direction using FIG. When applied to a cross section other than AA in the rectangular parallelepiped of 1, both force and moment in the + X, -X, + Y, -Y, + Z, and -Z directions can be detected.

상기에서는 본 발명에 대한 이해의 편의를 위하여 각 구성요소들의 형상 및 배치 위치를 한정하여 설명하였으나, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 본발명에 다양한 변화를 주는 것이 가능 할 것이다.In the above description for the convenience of understanding of the present invention by limiting the shape and arrangement position of the respective components, those skilled in the art to which the present invention belongs, without departing from the scope of the technical idea of the present invention It will be possible to make various changes to the present invention within the scope.

예를 들면, 상기에서는 직육면체의 고정수단의 경우에 대하여 설명하였으나, 상기 고정수단의 형태는 단순히 상기 감지수단의 위치를 지정하기 위한 것이므로, 사용의 편리성을 위해서 직육면체의 외면을 일부 변형하거나, 직육면체가 아닌 다면체를 사용할수 있고, 또한 접촉스위치 대신 접촉을 감지할수 있는 다른 형태의 접촉센서, 즉, 근접센서나 압전센서등을 이용 할 수도 있으며, 상기 주변감지수단은 상기 각 면의 중앙을 중심으로 하는 원주 상에 등간격으로 4개 위치하는 경우를 설명하였으나, 원주 대신 직사각형의 선을 따라 다수 위치하도록 할수도 있다.For example, in the above, the case of the fixing means of the rectangular parallelepiped has been described. However, since the shape of the fixing means is merely for designating the position of the sensing means, the outer surface of the rectangular parallelepiped may be partially modified or a rectangular parallelepiped for ease of use. It is also possible to use a polyhedron instead of the contact switch, and instead of a contact switch, another type of contact sensor capable of detecting a contact, that is, a proximity sensor or a piezoelectric sensor, may be used. Although the case where four are positioned at equal intervals on the circumference has been described, a plurality of positions may be located along a rectangular line instead of the circumference.

상기와 같이 구성되어 동작하는 본 발명에 따른 힘/모멘트 센서는, 보다 간단한 구조를 채택하여 적은 비용으로도 외부에서 작용하는 힘 및 모멘트의 방향을 검출해 낼 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.The force / moment sensor according to the present invention configured and operated as described above is a very useful invention that can detect the direction of force and moment acting from the outside at a low cost by adopting a simpler structure.

Claims

Rectangular parallelepiped fixing means fixed to an outer support;

Sensing means positioned on each outer surface of the fixing means to sense contact with an external object; Including but not limited to

The sensing means comprises a central sensing means and a peripheral sensing means,

The central sensing means is composed of a contact sensor located in the center of each surface,

The perimeter sensing means is a force / moment sensor, characterized in that composed of a plurality of contact sensors distributed around the center around the center of each surface on each surface

The force / moment sensor according to claim 1, wherein the peripheral sensing means comprises a contact sensor having a multiple number of two distributed on the surfaces at equal intervals on the circumference of the center of the respective surfaces.

The force / moment sensor according to any one of claims 1 to 2, wherein the contact sensor is a contact switch.

The force / moment sensor according to any one of claims 1 to 2, wherein the contact sensor is a proximity sensor.