KR20100075073A - 보정기구, 보정방법 및 이를 이용한 3축 힘토크센서 - Google Patents

보정기구, 보정방법 및 이를 이용한 3축 힘토크센서 Download PDF

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Abstract

위성체의 반작용 휠의 미소진동 측정을 위한 보정기구, 보정방법 및 이를 이용한 3축 힘토크센서가 개시된다. 보정치구는 3축 힘토크센서에 구비된 장착홀에 삽입되어 고정되는 고정부, 상기 고정부와 연결되되, 상기 고정부와 일정 각도를 이루도록 기울어진 가격부를 포함하며, 상기 가격부의 일단을 충격해머로 가진함에 있어서, 가격부의 기울어짐으로 인하여 인가되는 힘이 직교 좌표축에 대한 복합력인 경사진 힘이 되도록 하여 상기 힘토크센서를 보정하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 인공위성 반작용휠 등의 진동측정 장치인 3축 힘토크센서의 간편하면서도 정확한 보정을 수행할 수 있으며, 기존에는 최소 3번 이상의 시험을 거쳐야만 보정하였던 6 자유도 3축 힘토크센서를 한번의 시험으로 보정할 수 있게 되며, 아울러, 3축이 동시에 가진되는 상태에서 보정이 수행되므로, 상호 직교방향으로 가격하여 보정을 수행하는 종래의 방법에 비해 가격하는 위치도 바뀌지 않고, 일정하여 종래보다 정확한 보정이 이루어지게 된다.
3축 힘토크센서, 보정치구, 보정방법

Description

보정기구, 보정방법 및 이를 이용한 3축 힘토크센서 {CALIBRATION FIXTURE, CALIBRATION METHOD AND 3 AXIS FORCE-TORQUE SENSOR USING THE SAME}
본 발명은 보정기구, 보정방법 및 이를 이용한 3축 힘토크센서에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 인공위성 반작용휠 등의 진동측정 장치인 3축 힘토크센서의 간편하면서도 정확한 보정을 수행할 수 있으며, 기존에는 최소 3번 이상의 시험을 거쳐야만 보정하였던 6 자유도 3축 힘토크센서를 한번의 시험으로 보정할 수 있게 되며, 아울러, 3축이 동시에 가진되는 상태에서 보정이 수행되므로, 상호 직교방향으로 가격하여 보정을 수행하는 종래의 방법에 비해 가격하는 위치도 바뀌지 않고, 일정하여 종래보다 정확한 보정이 이루어지게 되는 보정기구, 보정방법 및 이를 이용한 3축 힘토크센서에 관한 것이다.
일반적으로 인공위성에서 미세진동을 측정하기 위해서는 3축의 힘과 토크를 측정할 수 있는 힘토크 센서를 사용한다. 힘토크 센서에는 12개의 내장센서가 구비되어 있으며, 충격 해머를 센서에 가격한 후, 해머에 발생한 힘과 센서가 측정한 힘을 이용하여 이들 사이의 전달함수를 계산함으로써 이루어진다. 이때, 보정하고자 하는 힘 또는 토크의 종류와 방향에 대해, 최소 3군데 이상의 위치에서 서로 다 른 방향으로 충격 해머를 가격하여 6 자유도(Degree of freedom)의 측정치를 보정해야 하는 불편함이 있다.
또한, 종래에는 상호 직교하는 방향으로 가격하여 보정을 수행하게 되는데, 이러한 조건이 만족하지 않을 경우에는 정확한 보정이 이루어지지 않아서, 인공위성의 미세진동의 측정의 정확성이 떨어진다는 문제가 있다.
인공위성체는 매우 정밀하며, 안전성이 요구되기 때문에, 이러한 측정장비의 비정확성은 치명적인 설계상 오류나 실험 평가상 오류를 유발할 수 있어서, 시급히 해결되어야 할 과제이다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 인공위성 반작용휠 등의 진동측정 장치인 3축 힘토크센서의 간편하면서도 정확한 보정을 수행할 수 있는 3축 힘토크센서의 보정기구, 보정방법 및 이를 이용한 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 기존에는 최소 3번 이상의 시험을 거쳐야만 보정하였던 6 자유도 3축 힘토크센서를 한번의 시험으로 보정할 수 있는 3축 힘토크센서의 보정기구, 보정방법 및 이를 이용한 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 보정치구는 3축 힘토크센서에 구비된 장착홀에 삽입되어 고정되는 고정부, 상기 고정부와 연결되되, 상기 고정부와 일정 각도를 이루도록 기울어진 가격부를 포함하며, 상기 가격부의 일단을 충격해머로 가진하여 상기 힘토크센서를 보정하는 것을 특징으로 한다.
상기 고정부와 상기 가격부를 연결하며, 상기 고정부에 대하여 상기 가격부가 회전할 수 있도록 하는 연결블럭을 더 포함하며, 상기 연결블럭은 치차 형태로 상기 가격부와 연결되어, 상기 가격부의 불연속적인 회전을 제공할 수 있다.
상기 충격 해머로 가진한 힘을 F라 할 때, 상기 센서에서 측정된 힘은 F measured 은 F measured = [Fx Fy Fz]T = [-Fcosα·cosβ -Fcosα·sinβ Fsinα]T 로 계산되고, 상기 센서에서 측정되는 3축 토크 T measured 는 T measured = d x F measured = F [ bsinα+c·cosα·sinβ -c·cosα·cosβ-asinα b·cosα·cosβ-a·cosα·sinβ]T로 계산되는 것을 특징으로 한다(여기서, a는 상기 센서의 중심으로부터의 x축방향 이격거리, b는 상기 센서의 중심으로부터의 y축방향 이격거리, c는 상기 센서의 중심으로부터의 z축방향 이격거리, α는 상기 가격부가 지평과 이루는 각도, β는 가격부가 z축을 중심으로 회전한 각도이다.)
또한, 본 발명에 따른 3축 힘토크센서는 장착홀을 구비한 3축 힘토크센서에 있어서, 보정치구를 포함하며, 상기 보정치구는 장착홀에 삽입되어 고정되는 고정부, 상기 고정부와 연결되되, 상기 고정부와 일정 각도를 이루도록 기울어진 가격부를 포함하며, 상기 가격부의 일단을 충격해머로 가진하여 상기 힘토크센서를 보정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 3축 힘토크센서의 보정방법은 장착홀이 구비된 3축 힘토크센서를 제공하는 단계, 상기 장착홀에 가격부와 연결된 고정부를 삽입하는 단계, 상기 가격부의 일단을 충격 해머로 가격하는 단계, 상기 센서에서 측정된 힘은 F measured 은 F measured = [Fx Fy Fz]T = [-Fcosα·cosβ -Fcosα·sinβ Fsinα]T 로 계산하고, 상기 센서에서 측정되는 3축 토크 T measured 는 T measured = d x F measured = F [ bsinα+c·cosα·sinβ -c·cosα·cosβ-asinα b·cosα·cosβ-a·cosα·sinβ]T 로 계산하는 단계를 포함한다.
상기 계산하는 단계 이전에, 상기 고정부와 상기 가격부를 연결하며, 상기 고정부에 대하여 상기 가격부가 회전할 수 있도록 하는 연결블럭을 이용하여 상기 가격부를 상기 고정부에 대하여 회전하는 단계를 더 포함하며, 상기 연결블럭은 치차 형태로 상기 가격부와 연결되어, 상기 가격부의 불연속적인 회전을 제공하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 인공위성 반작용휠 등의 진동측정 장치인 3축 힘토크센서의 간편하면서도 정확한 보정을 수행할 수 있으며, 기존에는 최소 3번 이상의 시험을 거쳐야만 보정하였던 6 자유도 3축 힘토크센서를 한번의 시험으로 보정할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따르면 인공위성 반작용휠 등의 진동측정 장치인 3축 힘토크센서의 간편하면서도 정확한 보정을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존에는 최소 3번 이상의 시험을 거쳐야만 보정하였던 6 자유도 3축 힘토크센서를 한번의 시험으로 보정할 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 3축 힘토크 센서의 측정원리를 설명하기 위한 개략도이다.
이에 도시된 바와 같이, 3방향의 힘 Fx, Fy, Fz는 다음과 같이 식1으로 정의 된다.
Fx = Fx1+2 + Fx3+4
Fy = Fy1+4 + Fy2+3
Fz = Fz1 + Fz2 + Fz3 + Fz4 (식 1)
또한, 3방향의 토크 Mx, My, Mz는 다음과 같이 식 2로 정의된다.
Mx = L·(Fz1 + Fz2 - Fz3 - Fz4)
My = H·(-Fz1 + Fz2 + Fz3 - Fz4)
Mz = L·(-Fx1+2 + Fx3+4) + H·(Fy1+4 - Fy2+3) (식 2)
여기서, 1,2,3,4는 센서의 위치를 나타내는 것으로서, 3축 힘을 측정하는 센서라면 4개가 장착된다. 만약, 1축 힘을 측정하는 센서라면, 센서의 위치마다 3개씩 총 12개의 센서가 구비되게 된다. 식 1 및 식 2에서, Fij는 j 위치에서 센서가 측정한 i 방향의 힘을 의미하며, Fij+k는 j 위치 및 k 위치에서 i방향으로의 합성 힘, H는 센서에서 힘 작용위치까지의 x축 이격거리, L은 센서에서 힘 작용위치까지의 y축 이격거리이다.
식 1 및 2와 같이 센서의 보정은 충격 해머를 가격하여, 해머에 발생한 힘과 센서가 측정한 힘을 이용하여 이들 사이의 전달함수를 계산함으로써 이루어진다. 전술한 바와 같이, 종래에는 최소 3군데 이상의 위치에서 서로 다른 방향으로 충격 해머를 가격하여 6자유도의 측정치를 보정하게 되는데, 이때, 본 발명에서는 다음과 같이 보정치구를 제안한다.
도 2는 본 발명에 따른 보정치구를 도시한 정면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 보정치구(100)는 고정부(110)와 가격부(120)로 구성된다. 고정부(110)는 나사산(111)이 구비되어, 후술하는 3축 힘토크센서의 장착홀에 고정된다.
가격부(120)는 고정부(110)와 연결되는데, 일정 각도(α)만큼 기울어져 있다. 즉, 수평면과 가격부(120)가 이루는 각도(elevation angle)가 일정하다. 고정부(110)와 가격부(120)의 형상은 원기둥 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 가격부(120)의 끝단을 충격 해머로 가진하게 된다.
고정부(110)와 가격부(120)는 일체로 형성될 수도 있으나, 고정부(110)상에서 가격부(120)가 회전 가능하도록 조립 구성될 수도 있다. 이에 대한 보다 자세한 설명을 위하여 도 3 및 도 4를 제시한다.
도 3은 본 발명의 변형 실시예에 따른 보정치구를 도시한 정면도이고, 도 4는 도 3의 보정치구의 평면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 보정치구(300)는 고정부(310)와 가격부(320)로 구성된다. 이때, 고정부(310)와 가격부(320) 사이에는 고정부(310)에 대하여 가격부(320)가 회전 가능하도록 연결블럭(400)이 구비되어 있다. 고정부(310)는 후술 하는 장착홀에 보정치구(300)가 고정될 수 있도록 나사산(311)이 구비된다. 가격부(320)는 고정부(310)와 연결블럭(400)을 통해 연결되는데, 가격부(320)는 지면과 α각도만큼 이루도록 연결된다.
연결블럭(400)은 고정부(310)와 가격부(320)를 연결(혹은 조립)하는 동시에, 고정부(310)에 대하여 가격부(320)가 각도 β(azimuth angle)만큼 회전할 수 있도록 한다. 연결블럭(400)은 육각나사일 수 있으며, 이와 달리 불연속적인 가격부(320)의 회전이 가능하도록 치차(기어) 형태로 구성될 수도 있다. 즉, 가격부(320)와 연결블럭(400)은 서로 대응되는 치차 형태 또는 톱니 모양으로 형성되어, 일정 각도씩 가격부(320)가 회전되도록 구성할 수도 있다. 이와 같이 회전하는 모습을 도 4에 도시하였다.
본 발명이 실시되는 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 3축 힘토크센서를 도시한 것이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 3축 힘토크센서(200)는 보정치구의 고정부가 삽입되어 고정될 수 있는 장착홀(211)을 구비한다. 장착홀(211)은 다수개 구비될 수 있다.
먼저, 보정치구의 고정부를 장착홀(211)에 삽입하여 고정시킨다. 만약, 도 3 및 4에 도시한 보정치구의 경우에는 고정부를 장착홀에 삽입시킨 후에, 가격부(210)를 원하는 각도로 돌린 다음, 연결블럭을 이용하여 고정부와 가격부를 단단히 고정시킨다.
다음, 가격부(210)의 끝단에 위치한 가격위치에 충격 해머로 가격한다. 전 술한 바와 같이 가격부는 지표로부터 α각도만큼 기울어져 있으며, β각도만큼 수평회전되어 있다.
이때, 충격 해머로 가진한 힘을 F라 하면, 센서에서 측정된 3축힘(F measured )은 다음과 같다.
F measured = [Fx Fy Fz]T = [-Fcosα·cosβ -Fcosα·sinβ Fsinα]T
센서에서 측정되는 3축 토크(T measured )는 다음의 식으로 표현된다.
T measured = d x F measured = F [ bsinα+c·cosα·sinβ -c·cosα·cosβ-asinα b·cosα·cosβ-a·cosα·sinβ]T
여기서, a는 3축 힘토크센서의 중심으로부터 가격위치까지 x축방향 이격거리, b는 3축 힘토크센서의 중심으로부터 가격위치까지 y축방향 이격거리, c는 3축 힘토크센서의 중심으로부터 가격위치까지 z축방향 이격거리이다.
따라서, 인공위성 반작용휠 등의 진동측정 장치인 3축 힘토크센서의 간편하면서도 정확한 보정을 수행할 수 있으며, 기존에는 최소 3번 이상의 시험을 거쳐야만 보정하였던 6 자유도 3축 힘토크센서를 한번의 시험으로 보정할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영 역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 3축 힘토크 센서의 측정원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 보정치구를 도시한 정면도이다.
도 3은 본 발명의 변형 실시예에 따른 보정치구를 도시한 정면도이다.
도 4는 도 3의 보정치구의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 3축 힘토크센서를 도시한 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 300 : 보정치구 110, 310：고정부
111, 311 : 나사산 120, 320： 가격부
200 : 힘토크센서 211 : 장착홀
400：연결블럭

Claims (11)

  1. 3축 힘토크센서에 구비된 장착홀에 삽입되어 고정되는 고정부;
    상기 고정부와 연결되되, 상기 고정부와 일정 각도를 이루도록 기울어진 가격부;
    를 포함하며, 상기 가격부의 일단을 충격해머로 가진하여 상기 힘토크센서를 보정하는 것을 특징으로 하는 보정치구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정부와 상기 가격부를 연결하며, 상기 고정부에 대하여 상기 가격부가 회전할 수 있도록 하는 연결블럭을 더 포함하는 보정치구.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결블럭은 치차 형태로 상기 가격부와 연결되어, 상기 가격부의 불연속적인 회전을 제공하는 것을 특징으로 하는 보정치구.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 충격 해머로 가진한 힘을 F라 할 때,
    상기 센서에서 측정된 힘은 F measured 은
    F measured = [Fx Fy Fz]T = [-Fcosα·cosβ -Fcosα·sinβ Fsinα]T
    로 계산되고,
    상기 센서에서 측정되는 3축 토크 T measured 는
    T measured = d x F measured = F [ bsinα+c·cosα·sinβ -c·cosα·cosβ-asinα b·cosα·cosβ-a·cosα·sinβ]T
    로 계산되는 것을 특징으로 하는 보정치구.
    (여기서, a는 상기 센서의 중심으로부터의 x축방향 이격거리, b는 상기 센서의 중심으로부터의 y축방향 이격거리, c는 상기 센서의 중심으로부터의 z축방향 이격거리, α는 상기 가격부가 지평과 이루는 각도, β는 가격부가 z축을 중심으로 회전한 각도이다.)
  5. 장착홀을 구비한 3축 힘토크센서에 있어서,
    보정치구를 포함하며,
    상기 보정치구는 장착홀에 삽입되어 고정되는 고정부;
    상기 고정부와 연결되되, 상기 고정부와 일정 각도를 이루도록 기울어진 가격부;
    를 포함하며, 상기 가격부의 일단을 충격해머로 가진하여 상기 힘토크센서를 보정하는 것을 특징으로 하는 3축 힘토크센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고정부와 상기 가격부를 연결하며, 상기 고정부에 대하여 상기 가격부가 회전할 수 있도록 하는 연결블럭을 더 포함하는 3축 힘토크센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    제2항에 있어서,
    상기 연결블럭은 치차 형태로 상기 가격부와 연결되어, 상기 가격부의 불연속적인 회전을 제공하는 것을 특징으로 하는 3축 힘토크센서.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 충격 해머로 가진한 힘을 F라 할 때,
    상기 센서에서 측정된 힘은 F measured 은
    F measured = [Fx Fy Fz]T = [-Fcosα·cosβ -Fcosα·sinβ Fsinα]T
    로 계산되고,
    상기 센서에서 측정되는 3축 토크 T measured 는
    T measured = d x F measured = F [ bsinα+c·cosα·sinβ -c·cosα·cosβ-asinα b·cosα·cosβ-a·cosα·sinβ]T
    로 계산되는 것을 특징으로 하는 보정치구.
    (여기서, a는 상기 센서의 중심으로부터의 x축방향 이격거리, b는 상기 센서의 중심으로부터의 y축방향 이격거리, c는 상기 센서의 중심으로부터의 z축방향 이격거리, α는 상기 가격부가 지평과 이루는 각도, β는 가격부가 z축을 중심으로 회전한 각도이다.)
  9. 장착홀이 구비된 3축 힘토크센서를 제공하는 단계;
    상기 장착홀에 가격부와 연결된 고정부를 삽입하는 단계;
    상기 가격부의 일단을 충격 해머로 가격하는 단계;
    상기 센서에서 측정된 힘은 F measured 은
    F measured = [Fx Fy Fz]T = [-Fcosα?cosβ -Fcosα?sinβ Fsinα]T
    로 계산하고,
    상기 센서에서 측정되는 3축 토크 T measured 는
    T measured = d x F measured = F [ bsinα+c·cosα·sinβ -c·cosα·cosβ-asinα b·cosα·cosβ-a·cosα·sinβ]T
    로 계산하는 단계;
    를 포함하는 3축 힘토크센서의 보정방법.
    (여기서, a는 상기 센서의 중심으로부터의 x축방향 이격거리, b는 상기 센서 의 중심으로부터의 y축방향 이격거리, c는 상기 센서의 중심으로부터의 z축방향 이격거리, α는 상기 가격부가 지평과 이루는 각도, β는 가격부가 z축을 중심으로 회전한 각도이다.)
  10. 제9항에 있어서,
    상기 계산하는 단계 이전에, 상기 고정부와 상기 가격부를 연결하며, 상기 고정부에 대하여 상기 가격부가 회전할 수 있도록 하는 연결블럭을 이용하여 상기 가격부를 상기 고정부에 대하여 회전하는 단계;
    를 더 포함하는 3축 힘토크센서의 보정방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연결블럭은 치차 형태로 상기 가격부와 연결되어, 상기 가격부의 불연속적인 회전을 제공하는 것을 특징으로 하는 3축 힘토크센서의 보정방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102288340A (zh) * 2011-05-10 2011-12-21 哈尔滨工业大学 反作用飞轮输出力矩测量电路及其测量方法
CN108287049A (zh) * 2018-01-29 2018-07-17 北京卫星环境工程研究所 真空环境下星载飞轮扰振力测试的试验装置

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