KR20120075087A - 힘 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서로 수직한 제1 및 제2축을 따라 이동 가능하게 형성되는 중심체와, 상기 제1축상에서 상기 중심체를 사이에 두고 각각 배치되고 상기 제2축 방향을 따라 상기 중심체와 함께 이동 가능하게 형성되는 제1 및 제2이동체, 및 상기 중심체와 상기 제1이동체 및 상기 중심체와 상기 제2이동체에 각각 결합되며 상기 중심체가 상기 제1축 방향으로 이동됨에 따라 각각 압축 및 인장되도록 형성되고 상기 중심체에 가해지는 힘을 측정하도록 이루어지는 제1 및 제2측정체를 포함하는 힘 측정 장치를 제공한다.

Description

힘 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING FORCE}
본 발명은 2축 방향(X축 및 Y축)의 힘을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
기계 장치의 제어에 있어서 힘의 측정은 근본적이면서도 필수적이다. 힘은 각각의 축에 작용하는 힘으로 분리될 수 있다. 힘을 측정하기 위하여 각각의 축에 하중을 감지할 수 있는 센서를 부착하는 것이 일반적이다.
일반적인 힘 측정 장치는 힘 또는 하중 등의 물리량을 전기적 신호로 변환시켜 힘이나 하중을 측정하는 하중감지센서를 이용한다. 물체는 힘 또는 하중에 의하여 이에 비례하는 변형이 발생하며, 변형률을 이용한 센서가 스트레인 게이지이다. 스트레인 게이지는 "물체의 전기 저항값은 길이에 비례하고, 단면적에 반비례한다."라는 원리를 기초로 한다.
이전의 힘 측정 장치들은 측정대상인 중심체가 힘의 방향으로 움직이지 않는 구조로서 직관적으로 힘을 측정할 수 없다는 문제가 있다. 또한, 실제로 힘은 중심체가 아니라 이와 연결된 축에서 발생한다는 점에서 힘을 정확하게 측정할 수 없었다.
본 발명의 일 목적은 정밀도와 신뢰성을 보다 향상시킨 힘 측정 장치를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 2축 방향으로 자유롭게 움직이면서 힘을 측정할 수 있는 힘 측정 장치를 제시하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 수직한 제1 및 제2축을 따라 이동 가능하게 형성되는 중심체와, 상기 제1축상에서 상기 중심체를 사이에 두고 각각 배치되고 상기 제2축 방향을 따라 상기 중심체와 함께 이동 가능하게 형성되는 제1 및 제2이동체, 및 상기 중심체와 상기 제1이동체 및 상기 중심체와 상기 제2이동체에 각각 결합되며 상기 중심체가 상기 제1축 방향으로 이동됨에 따라 각각 압축 및 인장되도록 형성되고 상기 중심체에 가해지는 힘을 측정하도록 이루어지는 제1 및 제2측정체를 포함하는 힘 측정 장치를 개시한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 힘 측정 장치는 상기 제2축상에서 상기 중심체를 사이에 두고 각각 배치되며 상기 제1축 방향을 따라 상기 중심체와 함께 이동 가능하게 형성되는 제3 및 제4이동체, 및 상기 중심체와 상기 제3이동체 및 상기 중심체와 상기 제4이동체에 각각 결합되고 상기 중심체가 상기 제2축 방향으로 이동됨에 따라 각각 압축 및 인장되도록 형성되며 상기 중심체에 가해지는 힘을 측정하도록 이루어지는 제3 및 제4측정체를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 힘 측정 장치는 상기 제1 내지 제4이동체 중 어느 하나의 이동체가 상기 중심체와 이루는 축방향과 수직한 방향을 따라 이동될 수 있도록 상기 어느 하나의 이동체의 이동을 가이드하는 가이드부를 더 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 가이드부는 상기 어느 하나의 이동체에 상기 축방향과 수직한 방향을 따라 관통되게 형성되는 가이드홀, 및 상기 축방향과 수직한 방향을 따라 배치되고 상기 어느 하나의 이동체의 이동을 가이드할 수 있도록 상기 가이드홀에 삽입되는 가이드부재를 포함한다.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 중심체, 상기 제1 내지 제4이동체 및 상기 제1 내지 제4측정체는 동일 평면상에 배치된다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 중심체는 힘의 방향으로 이동 가능하게 이루어지므로, 직관적으로 힘을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 실제 힘이 중심체에 작용한다는 점에서 정밀도와 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 힘 측정 장치는 이동체가 중심체와 이루는 축 방향과 수직한 방향을 따라 이동될 수 있도록 이동체의 이동을 가이드하는 가이드부를 구비함으로써, 2축 방향으로 자유롭게 움직이면서 힘을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 측정 장치를 보인 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 가이드부의 확대도.
도 3은 도 1의 힘 측정 장치가 조종기에 설치된 것을 보인 개념도.
도 4 및 5는 도 3에 도시된 중심체가 각각 제1 및 제2축 방향을 따라 이동된 것을 보인 작동 상태도.
도 6은 도 3의 중심체가 제1 및 제2축 방향을 따라 이동된 것을 보인 작동 상태도.
이하, 본 발명에 관련된 힘 측정 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일?유사한 구성에 대해서는 동일?유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 측정 장치(100)를 보인 개념도이다.
도 1을 참조하면, 힘 측정 장치(100)는 중심체(110), 이동체(120 / 120a, 120b, 120c, 120d) 및 측정체(130 / 130a, 130b, 130c, 130d)를 포함한다.
중심체(110)는 측정하려는 힘이 작용하는 부분으로서, 힘의 방향으로 이동 가능하게 이루어진다. 중심체(110)는 평면상의 2축(X축 및 Y축) 즉, 서로 수직한 제1 및 제2축을 따라 이동 가능하게 형성된다. 중심체(110)는 힘 측정 장치(100)의 중심부분에 배치될 수 있다.
이동체(120)는 제1 및 제2축상에서 중심체(110)를 사이에 두고 각각 배치되는 복수의 이동체(120a, 120b, 120c, 120d)들을 포함한다. 구체적으로, 제1 및 제2이동체(120a, 120b)는 제1축상에서 중심체(110)를 사이에 두고 각각 배치되고, 제3 및 제4이동체(120c, 120d)는 제2축상에서 중심체(110)를 사이에 두고 각각 배치된다.
제1 및 제2이동체(120a, 120b)는 제2축 방향을 따라 중심체(110)와 함께 이동 가능하게 형성된다. 제1 및 제2이동체(120a, 120b)는 중심체(110)와 일직선을 유지한 상태로 이동될 수 있다. 상기 구조에 의할 때, 제2축 방향의 힘은 제1축 방향의 힘에 영향을 미치지 않으며, 각 축 방향의 힘이 독립적으로 측정될 수 있다. 마찬가지로, 제3 및 제4이동체(120c, 120d)는 제1축 방향을 따라 중심체(110)와 함께 이동 가능하게 이루어진다.
측정체(130)는 중심체(110)와 이동체(120)에 각각 결합되고, 중심체(110)와 이동체(120) 사이에 가해지는 힘을 측정하도록 이루어진다. 측정체(130)는 스트레인 게이지를 포함하는 탄성 소재로 형성될 수 있다. 측정체(130)는 중심체(110)가 제1 및 제2축 방향으로 이동됨에 따라 각각 압축 및 인장되도록 형성된다.
구체적으로, 제1측정체(130a)는 중심체(110)와 제1이동체(120a)에 각각 결합되며, 제2측정체(130b)는 중심체(110)와 제2이동체(120b)에 각각 결합된다. 제1 및 제2측정체(130a, 130b)는 중심체(110)가 제1축 방향, 예를 들어, 제1이동체(120a)에 가까워지는 방향으로 이동됨에 따라 각각 압축 및 인장되도록 이루어진다. 제1 및 제2측정체(130a, 130b)는 압축 및 인장에 따른 물리적 변형을 전기적 변화로 변환시켜 제1축상의 중심체(110)에 가해지는 힘을 측정하도록 형성된다.
마찬가지로, 제3측정체(130c)는 중심체(110)와 제3이동체(120c)에 각각 결합되며, 제4측정체(130d)는 중심체(110)와 제4이동체(120d)에 각각 결합된다. 제3 및 제4측정체(130c, 130d)는 중심체(110)가 제2축 방향으로 이동됨에 따라 각각 압축 및 인장되도록 이루어지며, 제2축상의 중심체(110)에 가해지는 힘을 측정하도록 형성된다.
구체적으로, 측정체(130)의 스트레인 게이지는 가해진 힘에 직접적으로 상응하는 전기 저항값의 변화를 일으킨다. 스트레인 게이지는 힘에 의해 압축 또는 인장됨으로써, 길이 및 단면적에 변화가 발생한다. 스트레인 게이지의 전기 저항값은 길이에 비례하고, 단면적에 반비례하게 변화된다.
힘 측정 장치(100)는 힘에 의한 물리적 변형을 전기 저항의 변화로 변환시키고, 전기 저항값 및 그에 따른 힘을 측정한다. 전기 저항값의 측정을 위하여 제1 내지 제4측정체(130a, 130b, 130c, 130d)가 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)를 구성할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 가이드부(140)의 확대도이다.
도 2를 참조하면, 힘 측정 장치(100)는 이동체(120)가 일방향으로 이동될 수 있도록 그 이동을 가이드하는 가이드부(140)를 더 구비한다. 가이드부(140)는 제1 내지 제4이동체(120a, 120b, 120c, 120d) 중 어느 하나의 이동체(120)가 중심체(110)와 이루는 축 방향과 수직한 방향을 따라 이동될 수 있도록 상기 어느 하나의 이동체(120)의 이동을 가이드한다.
가이드부(140)는 가이드홀(141) 및 가이드부재(142)를 포함한다.
이동체(120)에는 이동체(120)가 중심체(110)와 이루는 축 방향과 수직한 방향을 따라 관통되는 가이드홀(141)이 형성된다. 도 2를 앞선 도 1과 함께 참조하면, 제1 및 제2이동체(120a, 120b)에 형성되는 가이드홀(141)은 제2축 방향을 따라 관통되게 형성되고, 제3 및 제4이동체(120c, 120d)에 형성되는 가이드홀(141)은 제1축 방향을 따라 관통되게 이루어진다.
가이드부재(142)는 일방향으로 연장되게 형성되며, 이동체(120)가 중심체(110)와 이루는 축 방향과 수직한 방향을 따라 배치된다. 가이드부재(142)는 가이드홀(141)에 삽입되어 이동체(120)의 이동을 가이드한다.
구체적으로, 중심체(110)를 사이에 두고 제2축 방향을 따라 각각 배치되는 가이드부재(142)는 제1 및 제2이동체(120a, 120b)에 구비되는 가이드홀(141)에 각각 삽입된다. 제1 및 제2이동체(120a, 120b)는 제1 및 제2측정체(130a, 130b), 이와 연결되는 중심체(110)와 함께 가이드부재(142) 즉, 제2축 방향을 따라 이동된다.
마찬가지로, 제3 및 제4이동체(120c, 120d)는 제3 및 제4측정체(130c, 130d), 이와 연결되는 중심체(110)와 함께 가이드부재(142) 즉, 제1축 방향을 따라 이동된다.
상기 구조에 의하면, 힘 측정 장치(100)는 이동체(120)가 중심체(110)와 이루는 축 방향과 수직한 방향을 따라 이동될 수 있도록 형성됨으로써, 2축 방향으로 자유롭게 움직이면서 힘을 측정할 수 있다. 또한, 일 축 방향의 힘은 타 축 방향의 힘에 영향을 미치지 않고, 각 축 방향의 힘이 독립적으로 측정될 수 있다.
가이드부(140)는 2축 방향으로만 이동 가능하게 이루어져, 중심체(110)가 2축(X축 및 Y축)과 수직한 Z축 방향으로의 이동을 제한하여 Z축 방향의 힘이 발생하지 않도록 하는 역할을 한다.
다만, 가이드부(140)가 상기 구조에만 한정되는 것은 아니며, 이동체(120)의 이동을 가이드하도록 형성된다면 어떠한 구조도 적용될 수 있다. 예를 들어, 가이드부(140)는 이동체(120)에 형성되는 가이드홈 및 가이드홈에 삽입되어 이동체(120)의 이동을 가이드하는 가이드레일을 구비할 수 있다.
도 3은 도 1의 힘 측정 장치(100)가 조종기(200)에 설치된 것을 보인 개념도이다.
도 3을 참조하면, 조종기(200)는 힘 측정 장치(100), 프레임(210) 및 핸들(220)을 포함한다.
프레임(210)은 상기 힘 측정 장치(100)가 설치될 수 있는 공간을 구비한다. 가이드부재(142)는 프레임(210)에 결합되고, 중심체(110), 제1 내지 제4이동체(120) 및 제1 내지 제4측정체(130)는 프레임(210) 상에서 이동 가능하게 배치된다.
핸들(220)은 중심체(110)와 결합되며, 중심체(110)의 위치를 조종할 수 있도록 이루어진다. 핸들(220)은 프레임(210)의 일면상에서 적층된 상태로 이동 가능하게 형성될 수 있다. 핸들(220)의 조종에 따라 중심체(110)도 함께 이동되고, 중심체(110)의 이동에 따라 측정체(130)가 압축 또는 인장되어 중심체(110)에 가해지는 힘을 측정한다.
중심체(110), 제1 내지 제4이동체(120) 및 제1 내지 제4측정체(130)는 동일 평면상에 배치될 수 있다. 이와 같은 구조는 Z축 방향의 힘이 발생하지 않도록 하여 힘 측정 장치(100)의 정밀도와 신뢰성을 향상시킨다.
도 4 및 5는 도 3에 도시된 중심체(110)가 각각 제1 및 제2축 방향을 따라 이동된 것을 보인 작동 상태도이다.
도 4 및 5를 앞선 도 1과 함께 참조하면, 핸들(220)은 프레임(210) 상에서 제1축 및 제2축 방향을 따라 각각 이동된다. 핸들(220)의 이동에 따라 중심체(110)도 함께 이동되고, 중심체(110)의 이동에 따라 측정체(130)가 압축 또는 인장된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 중심체(110)가 제1축 방향, 예를 들어, 제1이동체(120a)에 가까워지는 방향으로 이동되면, 제1측정체(130a)는 압축되고, 제2측정체(130b)는 인장된다. 상기 과정에서 제2축 방향으로는 힘이 작용하지 않아 중심체(110)가 움직이지 않는다. 제3 및 제4이동체(120c, 120d)는 가이드부(140)를 통해 제3 및 제4측정체(130c, 130d), 중심체(110)와 일직선을 유지한 상태로 이동될 수 있다.
제1 및 제2측정체(130a, 130b)는 압축 및 인장에 따른 전기 저항값의 변화를 통하여 제1축에 가해지는 힘을 측정한다. 제1 및 제2측정체(130a, 130b)는 각각의 측정체(130)에 가해지는 힘의 증가와 감소를 측정하여 두 힘을 비교함으로써, 보다 정밀하고 정확하게 힘을 측정할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 중심체(110)가 제2축 방향으로 이동되고, 제3 및 제4측정체(130c, 130d)가 제2축에 가해지는 힘을 측정하는 것은 위의 설명으로 갈음한다.
도 6은 도 3의 중심체(110)가 제1 및 제2축 방향을 따라 이동된 것을 보인 작동 상태도이다.
도 6을 앞선 도 1과 함께 참조하면, 핸들(220)은 프레임(210) 상에서 제1 및 제2축 방향, 예를 들어, 도면상에서 좌측 상부로 이동될 수 있다. 핸들(220)의 이동에 따라 중심체(110)도 함께 이동되며, 중심체(110)의 이동에 따라 측정체(130)가 압축 또는 인장된다.
구체적으로, 중심체(110)의 이동은 제1 및 제2축 방향의 이동으로 나뉠 수 있다. 즉, 중심체(110)는 제1축 상에서 제1이동체(120a)에 가까워지는 방향으로 이동되고, 제2축 상에서 제3이동체(120c)에 가까워지는 방향으로 이동된다.
상기 과정에서 제1 및 제2이동체(120a, 120b)는 가이드부(140)를 통해 제2축 방향으로 이동되며, 제3 및 제4이동체(120c, 120d)는 가이드부(140)를 통해 제1축 방향으로 이동된다. 따라서 각각의 측정체(130)는 이와 결합되는 이동체(120)와 중심체(110)가 이루는 축 방향의 힘에 의해서만 압축 또는 인장되어 상기 축에 가해지는 힘을 측정한다.
제1 내지 제4측정체(130)는 압축 및 인장에 따른 전기 저항값의 변화를 통하여 제1 및 제2축에 가해지는 힘을 측정한다. 힘은 벡터로서 각 성분의 힘의 합으로 나타낼 수 있으므로, 제1 및 제2축에 가해지는 힘을 더함으로써, 중심체(110)에 가해지는 힘을 측정할 수 있다.
이상에서 설명한 힘 측정 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (5)

  1. 서로 수직한 제1 및 제2축을 따라 이동 가능하게 형성되는 중심체;
    상기 제1축상에서 상기 중심체를 사이에 두고 각각 배치되고, 상기 제2축 방향을 따라 상기 중심체와 함께 이동 가능하게 형성되는 제1 및 제2이동체; 및
    상기 중심체와 상기 제1이동체 및 상기 중심체와 상기 제2이동체에 각각 결합되며, 상기 중심체가 상기 제1축 방향으로 이동됨에 따라 각각 압축 및 인장되도록 형성되고, 상기 중심체에 가해지는 힘을 측정하도록 이루어지는 제1 및 제2측정체를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2축상에서 상기 중심체를 사이에 두고 각각 배치되며, 상기 제1축 방향을 따라 상기 중심체와 함께 이동 가능하게 형성되는 제3 및 제4이동체; 및
    상기 중심체와 상기 제3이동체 및 상기 중심체와 상기 제4이동체에 각각 결합되고, 상기 중심체가 상기 제2축 방향으로 이동됨에 따라 각각 압축 및 인장되도록 형성되며, 상기 중심체에 가해지는 힘을 측정하도록 이루어지는 제3 및 제4측정체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4이동체 중 어느 하나의 이동체가 상기 중심체와 이루는 축방향과 수직한 방향을 따라 이동될 수 있도록 상기 어느 하나의 이동체의 이동을 가이드하는 가이드부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 측정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가이드부는,
    상기 어느 하나의 이동체에 상기 축방향과 수직한 방향을 따라 관통되게 형성되는 가이드홀; 및
    상기 축방향과 수직한 방향을 따라 배치되고, 상기 어느 하나의 이동체의 이동을 가이드할 수 있도록 상기 가이드홀에 삽입되는 가이드부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 힘 측정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 중심체, 상기 제1 내지 제4이동체 및 상기 제1 내지 제4측정체는 동일 평면상에 배치되는 것을 특징으로 하는 힘 측정 장치.
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