KR20070084807A - 6-axis force/moment sensor for robot's wrist - Google Patents

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KR20070084807A
KR20070084807A KR1020060017025A KR20060017025A KR20070084807A KR 20070084807 A KR20070084807 A KR 20070084807A KR 1020060017025 A KR1020060017025 A KR 1020060017025A KR 20060017025 A KR20060017025 A KR 20060017025A KR 20070084807 A KR20070084807 A KR 20070084807A
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Abstract

A six-axis force/moment sensor for a robot wrist is provided to reduce the thickness of the sensor and to accurately and simultaneously measure force and moment in three directions by reducing an interference error. A six-axis force/moment sensor for a robot wrist includes square parallel sensors(1~4) connected in a cross shape about a center force/moment transmitting block(13); a right movable block(14), a left movable block(15), an upper movable block(16), and a lower movable block(17) coupled to the respective ends of the square parallel sensors; and parallel plates(5~12) coupled to both ends of the movable blocks. The parallel plates have one ends to which parallel plate fixing blocks(19~22) are coupled, and each parallel fixing block is coupled to a sensor fixing block(18).

Description

로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서{6-axis force/moment sensor for robot's wrist}6-axis force / moment sensor for robot's wrist}

도 1은 본 발명에 따른 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서의 구성을 나타낸 분리 및 결합 사시도들,1 is an exploded and combined perspective view showing the configuration of the robot arm six-axis force / moment sensor according to the present invention,

도 2a는 본 발명의 사각고정블록과 사각힘/모멘트전달블록을 가진 센서의 설계치수를 나타낸 도면들,Figure 2a is a view showing the design dimensions of the sensor having a rectangular fixed block and a square force / moment transfer block of the present invention,

도 2b는 본 발명의 원형고정블록과 원형힘/모멘트전달블록을 가진 센서의 설계치수를 나타낸 도면들,Figure 2b is a view showing the design dimensions of the sensor having a circular fixed block and a circular force / moment transfer block of the present invention,

도 3a는 본 발명의 사각고정블록과 사각힘/모멘트전달블록을 가진 센서의 스트레인게이지의 부착위치를 나타낸 도면들,Figure 3a is a view showing the attachment position of the strain gauge of the sensor having a rectangular fixed block and a square force / moment transfer block of the present invention,

도 3b는 본 발명의 원형고정블록과 원형힘/모멘트전달블록을 가진 센서의 스트레인게이지의 부착위치를 나타낸 도면들,Figure 3b is a view showing the attachment position of the strain gauge of the sensor having a circular fixed block and a circular force / moment transfer block of the present invention,

도 4는 본 발명의 사각테이퍼감지부를 나타낸 도면들, Figure 4 is a view showing a rectangular tapered detector of the present invention,

도 5 내지 도 8는 종래 6축 힘/모멘트 센서의 실시 예들을 나타낸 도면들이다.5 to 8 are views showing embodiments of a conventional six-axis force / moment sensor.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 --Explanation of symbols for the main parts of the drawings-

1(1a,1b,1c,1d) : 힘 Fx, Fz와 모멘트 Mx, Mz를 감지하는 사각평행감지센서( 혹은 사각테이퍼감지센서), 1 (1a, 1b, 1c, 1d): Square parallel sensor (or square taper sensor) that detects force Fx, Fz and moment Mx, Mz,

2(2a,2b,2c,2d) : 힘 Fx, Fz와 모멘트 Mx, Mz를 감지하는 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서),2 (2a, 2b, 2c, 2d): Square parallel sensor (or square taper sensor) that detects force Fx, Fz and moment Mx, Mz,

3(3a,3b,3c,3d) : 힘 Fy와 모멘트 My를 감지하는 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서),3 (3a, 3b, 3c, 3d): Square parallel sensor (or square taper sensor) that detects force Fy and moment My,

4(4a,4b,4c,4d) : 힘 Fy와 모멘트 My를 감지하는 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서),4 (4a, 4b, 4c, 4d): Square parallel sensor (or square taper sensor) that detects force Fy and moment My,

5 : 사각관통홀이 있는 평행평판보1,5: Parallel flat beam 1 with square through hole

6 : 사각관통홀이 있는 평행평판보2,6: parallel plate beam with square through hole 2,

7 : 사각관통홀이 있는 평행평판보3,7: parallel plate beam with square through hole 3,

8 : 사각관통홀이 있는 평행평판보4,8: parallel flat beam with square through hole 4,

9 : 사각관통홀이 있는 평행평판보5,9: parallel plate beam with square through hole 5,

10 : 사각관통홀이 있는 평행평판보6,10: parallel flat beam with square through hole 6,

11 : 사각관통홀이 있는 평행평판보7,11: parallel flat beam with square through hole 7,

12 : 사각관통홀이 있는 평행평판보8,12: parallel flat beam with square through hole 8,

13 : 중앙힘/모멘트전달블록13: center force / moment transfer block

14 : 우측이동블록14: right moving block

15 : 좌측이동블록15: left moving block

16 : 상부이동블록16: upper moving block

17 : 하부이동블록17: lower moving block

18 : 센서고정블록(사각링 혹은 원형링)18: sensor fixing block (square ring or round ring)

19 : 평행평판고정블록119: parallel plate fixing block 1

20 : 평행평판고정블록220: parallel plate fixing block 2

21 : 평행평판고정블록321: parallel plate fixing block 3

22 : 평행평판고정블록422: parallel plate fixing block 4

23 : 중앙힘/모멘트전달블록 나사홀23: center force / moment transfer block screw hole

24 : 센서고정블록 나사홀24: Sensor fixing block screw hole

S1~S24 : 스트레인게이지 S1 ~ S24: Strain Gage

본 발명은 3개방향의 힘(Fx, Fy, Fz)와 3개방향의 모멘트(Mx, My, Mz)를 동시에 측정할 수 있고, 센서의 두께(높이)가 얇으며, 즉 두께가 30 mm 이하이며, 강성도가 강한 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서에 관한 것으로, 특히 사각평행감지센서 혹은 사각테이퍼감지센서를 가짐으로서, 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서의 각 센서(힘 Fx 센서, Fy 센서, Fz 센서, 모멘트 Mx 센서, My 센서, Mz 센서)의 모두 같은 정격출력을 갖고 정격용량(정격힘 및 모멘트)를 모두 같게(힘 Fx=Fy=Fz=20 N, 모멘트 Mx=My=Mz=1 Nm) 혹은, 모두 다르게(힘 Fx=20 N, Fy=30 N, Fz=15 N, 모멘트 Mx=1 Nm, My=1.5 Nm, Mz=2 Nm) 설계할 수 있는 구조를 가진 로봇팔목 6축 힘/모멘 트 센서에 관한 것이다. The present invention can simultaneously measure the forces in three directions (Fx, Fy, Fz) and the moments in three directions (Mx, My, Mz), the thickness of the sensor (height) is thin, that is, 30 mm thick The robot arm 6-axis force / moment sensor with high rigidity is described below. In particular, each sensor (force Fx sensor, Fy sensor) of the robot arm 6-axis force / moment sensor has a square parallel sensor or a square taper sensor. , Fz sensor, moment Mx sensor, My sensor, Mz sensor) all have the same rated output and the rated capacity (rated force and moment) are all the same (force Fx = Fy = Fz = 20 N, moment Mx = My = Mz = 1 Nm) or all differently (force Fx = 20 N, Fy = 30 N, Fz = 15 N, moment Mx = 1 Nm, My = 1.5 Nm, Mz = 2 Nm) Axial force / moment sensor.

상기와 같은 본 발명에 따른 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서는 설계변수가 사각평행감지센서 혹은 사각테이퍼감지센서의 감지부의 두께, 폭, 길이로 각각의 힘(Fx, Fy, Fz)과 각각의 모멘트(Mx, My, Mz)의 같은 정격용량 혹은 각각 다른 정격용량을 갖는 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서를 설계할 수 있고, 아울러 상호간섭오차가 이론해석과 유한요소해석결과 모두 0인 우수한 센서로서 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서로 사용될 수 있다.The robot arm 6-axis force / moment sensor according to the present invention as described above, the design variable is the thickness, width, and length of the sensing unit of the square parallel sensor or the square taper sensor, respectively, each force (Fx, Fy, Fz) and Robot cuff 6-axis force / moment sensor with the same rated capacity or different rated capacity of moments (Mx, My, Mz) can be designed, and the superior sensor with mutual interference error of 0 for both theoretical and finite element analysis results The robot arm can be used as a six-axis force / moment sensor.

최근에 인공지능 로봇의 완전한 팔을 위해 로봇의 팔목에 6축 힘/모멘트센서를 부착한다. 팔목에 부착된 6축 힘/모멘트센서는 힘센서를 가진 그리퍼가 미지물체를 안전하게 잡기 위해 물체의 무게를 측정할 때 사용되고, 로봇 손으로 물체를 밀거나 끌을 때 손목에 작용되는 힘 및 모멘트를 측정할 때 사용된다. 이와 같은 기능을 하는 로봇팔목 6축 힘/모멘트센서는 크기가 로봇의 팔에 부착하기 적당해야 한다. Recently, a six-axis force / moment sensor is attached to the robot's wrist for the complete arm of an AI robot. The six-axis force / moment sensor attached to the wrist is used by the gripper with force sensor to weigh an object to safely grasp an unknown object, and the force and moment applied to the wrist when the object is pushed or dragged by the robot hand. It is used when measuring. The robot arm six-axis force / moment sensor that performs this function must be sized to fit the arm of the robot.

즉 지능로봇의 팔목 6축 힘/모멘트 센서의 구조는 로봇의 팔목에 부착할 수 있는 적당한 크기로, 즉 높이가 30 mm 이하, 직경이 100 mm 이하로, 6축 힘/모멘트 센서로 설계되어야 한다. In other words, the structure of the six-axis force / moment sensor of an intelligent robot should be designed as a six-axis force / moment sensor with a suitable size to attach to the arm of the robot, that is, 30 mm or less in height and 100 mm or less in diameter. .

한편, 종래에도 다양한 구조의 지능형 로봇의 팔목으로 사용이 가능한 6축 힘/모멘트 센서들이 제안되었는바, 그중 도 5(a), (b)와 같은 대한민국 특허 제 0471642호에 나타난 로봇팔목 6축 힘/모멘트센서는 3개 방향의 힘과 3개 방향의 모멘트를 동시에 측정하는 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서구조에 있어서, 상부 힘/모멘 트 전달블록(50)을 중심으로 전후 및 좌우에 각각 1개씩의 감지평판보(30a~30d)가 십자형으로 연결되어 있고 각 평행평판보 끝에는 상부 고정블록(60a~60d)이 각각 결합되어 힘 Fz, 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서와; 하부 힘/모멘트 전달블록(70a) 중앙에 수직으로 2개의 감지평판보(40a, 40b)가 일직선으로 결합되고 그 끝에 중앙 고정블록(70b)이 결합되어 힘 Fx, Fy 및 모멘트 Mz를 감지하는 하부감지센서(20)로 이루어지되; 상기 상부감지센서(10)와 하부감지센서(20)가 분리되고 이것을 나사를 이용하여 고정하여 한 몸체로 구성되어 있다. 이 6축 힘/모멘트센서는 3개의 힘센서(힘 Fx 센서, 힘 Fy 센서, 힘 Fz 센서)와 3개의 모멘트 센서(모멘트 Mx 센서, 모멘트 My 센서, 모멘트 Mz 센서)로 구성되어 있어 지능형 로봇의 그리퍼 센서로 사용할 수 있으나, 높이가 70 mm 이상으로 지능형 로봇의 팔목으로 사용하기에는 너무 긴 단점을 가지고 있다. Meanwhile, a six-axis force / moment sensor that can be used as a cuff of an intelligent robot having various structures has been proposed in the past, and among them, the robot cuff six-axis force shown in Korean Patent No. 0471642 as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). The / moment sensor is a six-axis force / moment sensor structure of the robot wrist that measures the force in three directions and the moment in three directions at the same time. A sensing plate beam 30a to 30d connected to each other in a cross shape, and the upper fixing sensor 60a to 60d is coupled to each end of the parallel plate beam to detect force Fz, moment Mx, and My; Two sensing flat beams 40a and 40b are vertically coupled to the center of the lower force / moment transfer block 70a, and the center fixed block 70b is coupled to the bottom to sense forces Fx, Fy and moment Mz. Consisting of a sensor 20; The upper detecting sensor 10 and the lower detecting sensor 20 are separated and fixed to each other using screws to form a body. This 6-axis force / moment sensor consists of three force sensors (force Fx sensor, force Fy sensor, force Fz sensor) and three moment sensors (moment Mx sensor, moment My sensor, moment Mz sensor). It can be used as a gripper sensor, but its height is over 70 mm, which is too long to be used as the cuff of an intelligent robot.

그중 도 6(a)와 같은 일본특허 제3,044,233호에 나타난 6분력 로드셀은 힘 Fz과 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부 감지센서와, 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지하는 하부 감지센서로 구성되어 있다. 상부 감지센서 및 하부 감지센서 모두 감지부의 폭(b), 두께(t), 길이(l)의 크기를 조절하여 각 센서를 설계하기 때문에 힘 Fx 센서, Fy 센서, Fz 센서 혹은 모멘트 Mx 센서, My 센서, Mz 센서의 정격용량을 모두 같도록 설계 혹은 원하는 정격용량으로 6축 힘/모멘트 센서로 설계할 수 없고, 높이가 80 mm 이상으로 지능형 로봇의 팔목으로 사용하기에는 너무 긴 단점을 가지고 있다. Among them, the six-component load cell shown in Japanese Patent No. 3,044,233 as shown in Fig. 6 (a) is composed of an upper sensing sensor for detecting force Fz and moment Mx, My, and a lower sensing sensor for detecting force Fx, Fy and moment Mz. have. Both the upper and lower sensing sensors design each sensor by adjusting the width (b), thickness (t), and length (l) of the sensing unit, so the force Fx sensor, Fy sensor, Fz sensor, or moment Mx sensor, My The sensor and Mz sensor cannot be designed to have the same rated capacity or the 6-axis force / moment sensor with the desired rated capacity, and its height is over 80 mm and it is too long to be used as the cuff of an intelligent robot.

또한 종래 상기 일본특허 제3,044,233호는 도 6(b)에 도시된 바와 같이 다수 의 스트레인게이지가 부착되어 있는 수평방향으로 사각 수평관통홀이 있는 평행평판 4개가 상부 힘/모멘트 전달블록(101)을 중심으로 십자형으로 결합하여 힘 Fz와 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부센서(100), 다수의 스트레인게이지가 부착되어 있는 수직방향으로 사각 수평관통홀이 있는 평행평판 4개가 하부 힘/모멘트 전달블록(102)을 중심으로 십자형으로 결합하여 모멘트 Mz를 감지하는 하부센서(103), 상부센서(100)와 하부센서(103)를 연결하며 다수의 스트레인게이지가 부착되어 있는 4개의 수직보로 힘 Fx와 Fy를 감지하는 중간부센서(104)로 구성되어 있는데, 이와 같은 종래 센서는 상부센서와 하부센서를 고정하는 수직보의 크기가 작으면 스트레인게이지를 부착할 수 없을 뿐만 아니라, 힘 Fx 센서와 Fy 센서의 강성도가 매우 작아져 동적인 상태에서의 힘 및 모멘트 측정이 불가능해 진다. 그리고, 이와 같은 구조의 특성상 힘 Fx 센서와 Fy 센서의 정격용량을 100 N이하로는 설계할 수 없고, 높이가 80 mm 이상으로 지능형 로봇의 팔목으로 사용하기에는 너무 긴 단점을 가지고 있다. In addition, conventional Japanese Patent No. 3,044,233, as shown in FIG. 6 (b), has four parallel flat plates having rectangular horizontal through-holes in a horizontal direction in which a plurality of strain gauges are attached to the upper force / moment transfer block 101. The upper sensor 100 that detects the force Fz and the moment Mx, My by combining crosswise to the center, and four parallel flat plates with a rectangular horizontal through-hole in the vertical direction to which a plurality of strain gauges are attached Four vertical beams force Fx and a plurality of strain gauges attached to the lower sensor 103, the upper sensor 100 and the lower sensor 103, which are coupled to each other in a cross shape to detect the moment Mz. It consists of a middle sensor 104 for detecting Fy, such a conventional sensor can not be attached to the strain gauge if the size of the vertical beam fixing the upper sensor and the lower sensor is small. The stiffness of the force Fx sensor and Fy sensor is very small, making dynamic force and moment measurements impossible. In addition, due to the characteristics of such a structure, the rated capacity of the force Fx sensor and the Fy sensor cannot be designed to be 100 N or less, and the height is 80 mm or more, which is too long to be used as the cuff of an intelligent robot.

한편, 도 7로 제안된 종래 미국특허 제4,763,531호의 6축 힘/모멘트센서는 도면에 도시된 바와 같이 외부링(112)(112')과 허브(111)(111')의 사이에 스트레인게이지가 부착된 4개의 빔(114~117)(114'∼117')을 각각 90˚ 간격으로 연결하여 상부센서(110)와 하부센서(110')를 형성하고, 이 상부센서(110)와 하부센서(110')를 보울트로 연결하여 다분력 로드셀로 구성되었다.On the other hand, the six-axis force / moment sensor of the conventional U.S. Patent No. 4,763,531 proposed in Figure 7 has a strain gauge between the outer ring 112, 112 'and the hub 111, 111' as shown in the figure The four beams 114 to 117 (114 'to 117') are attached to each other at 90 ° intervals to form the upper sensor 110 and the lower sensor 110 ', and the upper sensor 110 and the lower sensor. The 110 'was connected to the bowl to form a multi-component load cell.

이와 같은 종래 로드셀은 상부센서(110)와 하부센서(110')가 서로 분리되어 있음에 따라 가공이 용이하다는 장점을 가지고 있으나, 각각의 힘과 모멘트를 측정 하기 위한 감지부가 사각형의 빔(114~117)(114'∼117')으로 형성되어 있음으로 두께가 80 mm 이상으로 지능형 로봇의 팔목으로 사용하기에는 너무 긴 단점을 가지고 있다. Such a conventional load cell has an advantage that the upper sensor 110 and the lower sensor 110 'is easy to process as it is separated from each other, but the sensing unit for measuring the respective force and moment of the rectangular beam 114 ~ 117) (114 'to 117') has a drawback of being too long to be used as the cuff of an intelligent robot with a thickness of 80 mm or more.

도 8은 종래의 힘/모멘트 감지센서의 또 다른 일예를 나타낸 미국특허 5,889,214호로서, 도면에 도시된 것처럼, 십자형 빔(213, 213', 213")과, 상기 빔(213, 213')의 끝점을 연결하는 상부링(210)과, 상기 빔(213, 213")의 끝점을 연결하는 하부링(220)으로 구성되어 있다. 이와 같은 로드셀은 힘 Fx 센서와 모멘트 Mz 센서의 감지부, 힘 Fy 센서와 모멘트 Mz 센서의 감지부, 힘 Fz 센서와 모멘트 Mx 센서의 감지부와 My 센서의 감지부가 각각 공유하므로 힘/모멘트의 비를 10:1(3개의 힘센서의 정격용량을 100 N, 3개의 모멘트센서의 용량을 10 Nm)부터 20:1까지로 설계 가능하지만, 3개의 힘센서의 용량 및 3개의 모멘트센서의 용량을 모두 다르게 설계할 수 없다. 그리고 힘 Fx 가 가해질 때 My 감지센서로부터 출력되는 상호간섭오차와 힘 Fy가 가해질 때 Mx 감지센서로부터 출력되는 상호간섭오차가 5~10%로, 이같이 상호간섭오차가 매우 큼에 따라 힘 Fx, Fy, Fz과 모멘트 Mx, My, Mz의 정밀측정에 사용할 수 없고, 직경이 180 mm 이상으로 지능형 로봇의 팔목으로 사용하기에는 너무 크다는 단점을 가지고 있다. FIG. 8 is a U.S. Patent 5,889,214 showing another example of a conventional force / moment sensor, and as shown in the figure, the cross beams 213, 213 ', and 213 "of the beams 213 and 213'. It consists of an upper ring 210 connecting the end points, and a lower ring 220 connecting the end points of the beams (213, 213 "). These load cells share the sensing part of the force Fx sensor and the moment Mz sensor, the sensing part of the force Fy sensor and the moment Mz sensor, the sensing part of the force Fz sensor and the moment Mx sensor, and the sensing part of the My sensor, respectively. Can be designed from 10: 1 (the rated capacity of three force sensors to 100 N and the capacity of three moment sensors to 10 Nm) to 20: 1, but the capacity of three force sensors and the capacity of three moment sensors Not all can be designed differently. And when the force Fx is applied, the interference interference output from My sensor and the force Fy is applied, the interference interference output from Mx sensor is 5 ~ 10%. , Fz and moments Mx, My, Mz can not be used for precise measurement, the diameter of more than 180mm has the disadvantage that it is too large to be used as the cuff of the intelligent robot.

따라서 상기와 같이 종래의 6축 힘/모멘트 센서들의 구조는 지능형 로봇의 팔목으로 사용하기에는 높이가 너무 길거나 직경이 너무 크다는 문제점을 가지고 있다. 지능형 로봇의 팔목 6축 힘/모멘트센서의 높이가 크면 손가락으로 물체를 잡거나 밀 때 발생하는 x와 y방향의 모멘트 Mx와 My가 크게 되어 센서가 파손될 가능 성이 높아지고, 센서의 직경이 크게 되면 로봇의 팔의 직경이 너무 크게 된다. 따라서 상기 6축 힘/모멘트 센서들은 지능로봇의 팔목에 부착하기 위한 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서의 구조로 적당하지 않다.Therefore, the structure of the conventional six-axis force / moment sensors as described above has a problem that the height is too long or too large diameter to be used as the cuff of the intelligent robot. If the height of the six-axis force / moment sensor of the intelligent robot is large, the moments Mx and My in the x- and y-directions that occur when the user grabs or pushes an object with a finger become large, which increases the possibility that the sensor may be damaged. The arm's diameter becomes too large. Therefore, the six-axis force / moment sensors are not suitable as a structure of the robot wrist six-axis force / moment sensor for attaching to the wrist of the intelligent robot.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 같은 정격출력을 가지고 3개의 힘센서의 용량이 모두 같게 그리고 3개의 모멘트센서의 용량이 모두 같게 설계할 수 있을 뿐만 아니라 3개의 힘센서 및 3개의 모멘트센서를 모두 다르게 설계할 수 있고, 지능로봇의 팔목에 부착하기 적당한 크기, 즉 두께가 30 mm 이하, 직경 100 mm 이하이며, 상호간섭오차가 매우 작아 3개 방향의 힘과 3개 방향의 모멘트를 동시에 정확하게 측정할 수 있는 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서를 제공함에 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, it is possible to design the same capacity of the three force sensors with the same rated power and the capacity of all three moment sensors as well as three force sensors And all three moment sensors can be designed differently, and the size suitable for attaching to the cuff of the intelligent robot, that is, the thickness is 30 mm or less, the diameter is 100 mm or less, and the mutual interference error is very small. The aim is to provide a six-axis force / moment sensor for the robot wrist that can simultaneously measure the moment in the direction.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서에 있어서, 중앙힘/모멘트 전달블록을 중심으로 전후 및 좌우에 각각 1개씩의 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)가 십자형으로 연결되어 있고 각 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서) 끝에는 우측이동블록, 좌측이동블록, 상부이동블록, 하부이동블록이 각각 결합되며; 이들 이동블록 양 끝에는 수직방향으로 사각관통홀이 있는 평행평판보1~8가 각각 결합되고 각 평행평판보의 한쪽 끝에는 평행평판고정블록1,2,3,4와 각각 결합되어 정사각형을 이루고 각 평형평판고정블록1,2,3,4들은 센서고정블록(사각링 혹은 원형링)과 결합되어 한 몸체로 구성되는 것 을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a six-axis force / moment sensor for the robot arm, wherein one square parallel sensor (or square taper sensor) is provided at each of the front, rear, left, and right sides of the center force / moment transmission block. Connected crosswise, and each of the parallel antiparallel sensors (or rectangular taper detection sensors) has a right moving block, a left moving block, an upper moving block, and a lower moving block, respectively; At each end of these moving blocks, parallel flat beams 1 to 8 with rectangular through-holes are coupled to each other, and one end of each parallel flat beam is combined with parallel flat fixing blocks 1, 2, 3 and 4 to form a square. The plate fixing blocks 1, 2, 3, and 4 are characterized in that the sensor fixed block (square ring or circular ring) is combined with one body.

이하, 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 3개 방향의 힘과 3개 방향의 모멘트를 동시에 측정하는 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서구조에 있어서, 중앙힘/모멘트 전달블록(13)을 중심으로 전후 및 좌우에 각각 1개씩의 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4)가 십자형으로 연결되어 있고 각 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4) 끝에는 우측이동블록(14), 좌측이동블록(15), 상부이동블록(16), 하부이동블록(17)이 각각 결합되며; 이들 이동블록 양 끝에는 수직방향으로 사각관통홀이 있는 평행평판보1~8(5~12)가 각각 결합되고 각 평행평판보(5~12)의 한쪽 끝에는 평행평판고정블록1,2,3,4(19~22)와 각각 결합되어 정사각형을 이루고 각 평형평판고정블록1,2,3,4(19~22)들은 센서고정블록(사각링 혹은 원형링)(18)과 결합되어 한 몸체로 구성되어 있다.The present invention is a robot arm six-axis force / moment sensor structure for measuring the force in three directions and the moment in three directions at the same time, each of the center force / moment transmission block 13, one each in front and rear and left and right Square parallel sensor (or square taper sensor) (1 ~ 4) is connected in cross shape, and right parallel block (14), left moving block at the end of each square parallel sensor (or square taper sensor) (1 ~ 4) (15), the upper movable block 16, the lower movable block 17 is combined; Parallel flat beams 1 to 8 (5 to 12) having rectangular through holes in the vertical direction are respectively coupled to both ends of these moving blocks, and parallel flat fixing blocks 1, 2 and 3, respectively at one end of the parallel flat beams 5 to 12, respectively. 4 (19 ~ 22) are combined to form a square, and each flat plate fixing block 1,2,3,4 (19 ~ 22) is combined with a sensor fixing block (square ring or circular ring) 18 to form a body. Consists of.

한편, 도 1은 본 발명에 따른 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서의 구성도를 나타낸 도면으로서, 중앙힘/모멘트 전달블록(13)을 중심으로 전후 및 좌우에 각각 1개씩의 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4)가 십자형으로 연결되어 있고 각 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4) 끝에는 우측이동블록(14), 좌측이동블록(15), 상부이동블록(16), 하부이동블록(17)이 각각 결합되며; 이들 이동블록 양 끝에는 사각홀을 가진 평행평판보1~8(5~12)가 각각 결합되고 각 평행평 판보(5~12)의 한쪽 끝에는 평행평판고정블록1,2,3,4(19~22)와 각각 결합되어 정사각형을 이루고 각 평형평판고정블록1,2,3,4(19~22)들은 센서고정블록(사각링 혹은 원형링)(18)과 결합되어 한 몸체로 구성되어 있다. 그리고 외부와 본 센서의 결합을 위해 중앙힘/모멘트전달블록 나사홀(23)과 센서고정블록 나사홀(24)가 있다. On the other hand, Figure 1 is a view showing the configuration of the robot arm six-axis force / moment sensor according to the present invention, each one of the parallel parallel detection sensor in the front and rear and left and right around the center force / moment transmission block (13) Alternatively, a rectangular taper sensor (1 to 4) is connected in a cross shape, and at the end of each rectangular parallel sensor (or square taper sensor) (1 to 4), a right moving block 14, a left moving block 15, and an upper part The moving block 16 and the lower moving block 17 are respectively coupled; Parallel flat beams 1 to 8 (5 to 12) having square holes are coupled to both ends of these moving blocks, and parallel flat plate fixing blocks 1, 2, 3 and 4 (19 to 19) at one end of each parallel flat beam (5 to 12). 22) are combined with each other to form a square, and each of the flat plate fixing blocks 1, 2, 3, and 4 (19 to 22) are combined with a sensor fixing block (square ring or circular ring) 18 to constitute a body. In addition, there is a center force / moment transfer block screw hole 23 and a sensor fixing block screw hole 24 for coupling the sensor with the outside.

도 2(A)는 본 발명의 사각고정블록과 사각힘/모멘트전달블록을 가진 센서의 설계치수를 나타낸 도면, 그리고 도 2(B)는 본 발명의 원형고정블록과 원형힘/모멘트전달블록을 가진 센서의 설계치수를 나타낸 도면으로, 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4)의 설계변수가 두께 h, 폭 b, 길이 l이고, 사각관통홀이 있는 평행평판보(5~12)의 설계변수가 두께 h1, 폭 b1, 길이 l1로 형상되어 있다. Figure 2 (A) is a view showing the design dimensions of the sensor having a rectangular fixed block and a square force / moment transfer block of the present invention, and Figure 2 (B) is a circular fixed block and a circular force / moment transfer block of the present invention The design dimensions of the excitation sensor are shown.The design parameters of the parallel antiparallel sensor (or rectangular taper detection sensor) (1 ~ 4) are thickness h, width b, length l, and parallel flat beam with rectangular through hole (5 The design variables ˜12) are shaped as thickness h1, width b1, and length l1.

도 3(A)는 본 발명의 사각고정블록과 사각힘/모멘트전달블록을 가진 센서의 스트레인게이지의 부착위치를 나타낸 도면, 그리고 도 3(B)는 본 발명의 원형고정블록과 원형힘/모멘트전달블록을 가진 센서의 스트레인게이지의 부착위치를 나타낸 도면으로, 힘 Fx를 감지하는 4개의 스트레인 게이지(S1~S4)와 모멘트 Mz를 감지하는 4개의 스트레인 게이지(S21~S24)는 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1,2)의 좌우측면(1a,1b,2a,2b)에 각각 부착되고, 힘 Fy를 감지하는 4개의 스트레인 게이지(S5~S8)는 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(3,4)의 앞뒤면(3a,3b,4a,4b)에 부착되며, 힘 Fz과 모멘트 Mx를 감지하는 4개의 스트레인 게이지(S9~S12)와 4개의 스트레인 게이지(S13~S16)는 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1,2)의 상하면(1c,1d,2c,2d)에 부착된다. 그리고 모멘트 My를 감지하는 4개의 스트레인 게이지(S17~S20)는 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서 )(3,4)의 상하면(3c,3d,4c,4d)에 부착된다. Figure 3 (A) is a view showing the mounting position of the strain gage of the sensor having a rectangular fixed block and a square force / moment transfer block of the present invention, and Figure 3 (B) is a circular fixed block and a circular force / moment of the present invention This figure shows the attachment position of the strain gauge of the sensor with the transfer block.The four strain gauges (S1 ~ S4) for detecting the force Fx and the four strain gauges (S21 ~ S24) for detecting the moment Mz are the square parallel sensor. Four strain gauges S5 to S8 attached to the left and right sides 1a, 1b, 2a, and 2b of the (or rectangular taper detection sensors) 1 and 2, respectively, for detecting the force Fy, are rectangular parallel detection sensors (or It is attached to the front and back surfaces (3a, 3b, 4a, 4b) of the rectangular taper sensor (3, 4), and four strain gauges (S9 to S12) and four strain gauges (S13) for detecting the force Fz and the moment Mx. S16 is attached to the upper and lower surfaces 1c, 1d, 2c, and 2d of the square parallel detection sensor (or square taper detection sensor) 1,2. Four strain gauges S17 to S20 for detecting the moment My are attached to the upper and lower surfaces 3c, 3d, 4c, and 4d of the parallel parallel detection sensor (or square taper detection sensor) 3 and 4.

또한 각각의 힘과 모멘트를 감지하는 4개씩의 스트레인게이지는 휘스톤브리지를 구성한다.In addition, four strain gauges, each sensing force and moment, constitute a Wheatstone Bridge.

도 4는 본 발명의 사각테이퍼감지부를 나타낸 도면으로, 사각평행감지센서(1~4)를 각각의 좌우면(1a,1b,2a,2b,3a,3b,4a,4b)과 상하면(1c,1d,2c,2d,3c,3d,4c, 4d)을 중앙힘/모멘트전달블록 혹은 좌.우.상.하이동블록 쪽으로 센서들의 설계를 용이하게 하기위해 사각테이퍼감지센서로 나타낸 것이다.4 is a diagram illustrating a rectangular taper detecting unit of the present invention, wherein the rectangular parallel sensing sensors 1 to 4 are disposed on the upper and lower surfaces 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a and 4b, respectively. 1d, 2c, 2d, 3c, 3d, 4c, and 4d) are shown as rectangular taper sensors to facilitate the design of the sensors towards the center force / moment transfer block or the left, right, up and down moving blocks.

따라서 사각링 혹은 원형링으로 형성된 센서고정블록(18)을 센서고정블록 나사홀(24)를 이용하여 고정하고 중앙힘/모멘트전달블록(13)을 중앙힘/모멘트전달블록 나사홀(23)을 이용하여 외부 힘/모멘트 블록과 고정하여 힘과 모멘트를 가하면, 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4)에 힘과 모멘트가 전달되고 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4)에 부착된 스트레인게이지(S1~S24)로부터 가해지는 힘 및 모멘트에 상응하는 전압값이 출력된다. Accordingly, the sensor fixing block 18 formed of the square ring or the circular ring is fixed using the sensor fixing block screw hole 24, and the center force / moment transfer block 13 is fixed to the center force / moment transfer block screw hole 23. When you apply force and moment by fixing with external force / moment block, force and moment are transmitted to square parallel sensor (or square taper sensor) (1 ~ 4) and square parallel sensor (or square taper sensor) Voltage values corresponding to the forces and moments applied from the strain gauges S1 to S24 attached to (1 to 4) are output.

상기와 같이 구성된 발명품에 따른 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서의 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4)의 크기를 나타내는 h, b, l를 결정하는 식과 사각관통홀이 있는 평행평판보(5~12)의 크기를 나타내는 h1, b1, l1를 결정하는 식은 [식 1~4]이며, [식 1]은 힘 Fx와 Fy, [식 2]는 힘 Fz, [식 3]은 모멘트 Mx와 My, [식 4]는 모멘트 Mz를 감지하기 위한 변형률을 계산하는 식이다. Equation for determining the h, b, l indicating the size of the square parallel sensor (or square taper sensor) (1 to 4) of the robot arm 6-axis force / moment sensor according to the invention configured as described above and has a rectangular through hole The equation for determining h1, b1, l1 representing the size of the parallel plate beams 5 to 12 is [Equations 1 to 4], [Equation 1] is the force Fx and Fy, [Equation 2] is the force Fz, [Equation 3] ] Is the moment Mx and My, [Equation 4] is the equation to calculate the strain for detecting the moment Mz.

[식 1][Equation 1]

Figure 112006012801743-PAT00001
Figure 112006012801743-PAT00001

[식 2][Equation 2]

Figure 112006012801743-PAT00002
Figure 112006012801743-PAT00002

[식 3] [Equation 3]

Figure 112006012801743-PAT00003
Figure 112006012801743-PAT00003

[식 4][Equation 4]

Figure 112006012801743-PAT00004
Figure 112006012801743-PAT00004

따라서 위의 [식 1~4]를 이용하여, 크기 h,b,l,h1,b1,l1를 결정하여 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4)와 사각관통홀이 있는 평행평판보(5~12)를 설계할 수 있다. Therefore, by using the above [Equation 1 ~ 4], the size h, b, l, h1, b1, l1 is determined to have a square parallel sensor (or square taper sensor) (1-4) and a square through hole. Parallel flat beams 5 to 12 can be designed.

상기와 같이 본 발명에 따른 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서는 설계변수가 두께(h,h1), 폭(b,b1), 길이(l,l1)이고 사각평행감지센서 혹은 사각테이퍼감지센서의 구조로 구성될 수 있으므로 같은 정격변형률을 갖고 각각의 힘(Fx, Fy, Fz)와 각각의 모멘트(Mx, My, Mz)의 같은 용량을 갖거나, 혹은 각각 다른 정격용량을 갖으며, 크기가 높이 70 mm 이하, 직경 100 mm 이하인 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서를 설계할 수 있고, 아울러 상호간섭오차가 이론해석과 유한요소해석결과 모두 0인 우수한 센서로서 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서로 사용될 수 있다. As described above, the robot arm six-axis force / moment sensor according to the present invention has a design variable of thickness (h, h1), width (b, b1), length (l, l1), and a parallel parallel sensor or a square taper sensor. It can be composed of a structure so that it has the same rated strain and the same capacity of each force (Fx, Fy, Fz) and each moment (Mx, My, Mz), or each of the different rated capacity, The robot cuff 6 axis force / moment sensor with a height of 70 mm or less and a diameter of 100 mm or less can be designed, and a superior sensor with mutual interference error of 0 for both theoretical and finite element analysis results. Can be used.

Claims (2)

3개 방향의 힘과 3개 방향의 모멘트를 동시에 측정하는 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서구조에 있어서, 중앙힘/모멘트 전달블록(13)을 중심으로 전후 및 좌우에 각각 1개씩의 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4)가 십자형으로 연결되어 있고 각 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4) 끝에는 우측이동블록(14), 좌측이동블록(15), 상부이동블록(16), 하부이동블록(17)이 각각 결합되며; 이들 이동블록 양 끝에는 수직방향으로 사각관통홀이 있는 평행평판보1~8(5~12)가 각각 결합되고 각 평행평판보(5~12)의 한쪽 끝에는 평행평판고정블록1,2,3,4(19~22)와 각각 결합되어 정사각형을 이루고 각 평형평판고정블록1,2,3,4(19~22)들은 센서고정블록(사각링 혹은 원형링)(18)과 결합되어 한 몸체로 구성된 것을 특징으로 하는 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서.In the robot arm 6-axis force / moment sensor structure that simultaneously measures the force in three directions and the moment in three directions, one square parallel detection is performed on the front, rear, left, and right sides of the center force / moment transmission block 13. Sensors (or square taper detection sensors) (1 to 4) are connected in a cross shape, and at the end of each square parallel sensor (or square taper detection sensor) (1 to 4), the right moving block (14) and the left moving block (15) , The upper movable block 16, the lower movable block 17 is combined; Parallel flat beams 1 to 8 (5 to 12) having rectangular through holes in the vertical direction are respectively coupled to both ends of these moving blocks, and parallel flat fixing blocks 1, 2 and 3, respectively at one end of the parallel flat beams 5 to 12, respectively. 4 (19 ~ 22) are combined to form a square, and each flat plate fixing block 1,2,3,4 (19 ~ 22) is combined with a sensor fixing block (square ring or circular ring) 18 to form a body. Robot cuff six-axis force / moment sensor, characterized in that configured. 제 1항에 있어서, 중앙힘/모멘트전달블록(13)을 중심으로 전후 및 좌우에 각각 1개씩의 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1~4)의 힘 Fx를 감지하는 4개의 스트레인 게이지(S1~S4)와 모멘트 Mz를 감지하는 4개의 스트레인 게이지(S21~S24)는 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1,2)의 좌우측면(1a,1b,2a,2b)에 각각 부착되고, 힘 Fy를 감지하는 4개의 스트레인 게이지(S5~S8)는 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(3,4)의 앞뒤면(3a,3b,4a,4b)에 부착되며, 힘 Fz과 모멘트 Mx를 감지하는 4개의 스트레인 게이지(S9~S12)와 4개의 스 트레인 게이지(S13~S16)는 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(1,2)의 상하면(1c,1d,2c,2d)에 부착된다. 그리고 모멘트 My를 감지하는 4개의 스트레인 게이지(S17~S20)는 사각평행감지센서(혹은 사각테이퍼감지센서)(3,4)의 상하면(3c,3d,4c,4d)에 부착되는 총 24개의 스트레인게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇팔목 6축 힘/모멘트 센서.The method according to claim 1, wherein the four force sensing force Fx of one square parallel detection sensor (or square taper detection sensor) 1 to 4, respectively, on the front, rear, left and right sides of the center force / moment transfer block 13, respectively. The four strain gauges S21 to S24 that sense strain gauges S1 to S4 and the moment Mz are the left and right sides 1a, 1b, 2a, and 2b of the square parallel detection sensor (or square taper detection sensor) 1,2. 4 strain gauges (S5 to S8) respectively attached to) and sensing force Fy are attached to the front and rear surfaces (3a, 3b, 4a, 4b) of the parallel parallel detection sensor (or square taper detection sensor) 3,4. The four strain gauges (S9 to S12) and the four strain gauges (S13 to S16), which sense the force Fz and the moment Mx, are attached to the upper and lower surfaces of the square parallel sensor (or square taper sensor) (1, 2). (1c, 1d, 2c, 2d). In addition, the four strain gauges S17 to S20 that sense the moment My are 24 strains attached to the upper and lower surfaces 3c, 3d, 4c, and 4d of the parallel parallel sensor (or the square tapered sensor) 3 and 4. Robot cuff six-axis force / moment sensor comprising a gauge.
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