KR20120119172A - 다축 힘토크 센서 - Google Patents

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KR20120119172A
KR20120119172A KR1020110036968A KR20110036968A KR20120119172A KR 20120119172 A KR20120119172 A KR 20120119172A KR 1020110036968 A KR1020110036968 A KR 1020110036968A KR 20110036968 A KR20110036968 A KR 20110036968A KR 20120119172 A KR20120119172 A KR 20120119172A
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torque sensor
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KR1020110036968A
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정광목
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한국로봇융합연구원
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Abstract

본 발명에 따른 다축 힘토크센서는 베이스부와, 상기 베이스부의 일면에 결합되는 센서 프레임과, 상기 센서 프레임에 설치되는 복수 개의 스트레인 측정센서 및 상기 베이스부와 상기 센서 프레임 사이에 위치하며, 일면에는 상기 각각의 스트레인 측정센서와 전기적으로 연결되는 접속부가 구비되고, 타면에는 상기 접속부와 전기적으로 연결되는 케이블연결부가 소정의 패턴으로 형성되는 인쇄회로기판을 포함하며, 배선 형태를 적용한 인쇄회로기판을 센서 내부에 구비하여 배선 작업이 간편하고, 이에 따라 배선 작업의 오류 가능성도 낮아져 제품 신뢰성이 높아질 수 있고, 센서 프레임에 부착되는 센서의 개수를 줄이면서 센서 프레임의 변형이 용이한 센서 프레임을 구비하여 제작단가를 낮추고 외력에 민감하게 반응할 수 있는 센서를 제공할 수 있다.

Description

다축 힘토크 센서{MULTI-AXIS FORCE-TORQUE SENSOR}
본 발명은 다축 힘토크 센서에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 3방향의 힘(FX, FY, FZ)과 3방향의 토크(MX, MY, MZ)를 측정할 수 있는 소형 다축 힘토크 센서에 관한 것이다.
로봇이나 매니퓰레이터(manipulator)의 정밀제어를 위해서는 작업대상물과 로봇/매니퓰레이터 사이에 작용하는 외력을 측정하며 피드백을 통해 로봇/매니퓰레이터를 제어하게 된다. 이를 위해 로봇/매니퓰레이터의 말단, 즉 엔드이펙터(end effector)에는 6축 힘(FX, FY, FZ)/토크(MX, MY, MZ)를 측정하는 다축 힘토크 센서를 설치하여 로봇/매니퓰레이터의 말단에 작용하는 외력을 측정하게 된다.
종래의 다축 힘토크 센서는 다수 개의 스트레인 게이지(strain gauge)센서를 외력에 의해 변형되는 프레임에 부착하고 외부에 위치하는 신호처리부와 배선을 연결하여 설치된다.
스트레인 게이지 센서 측에 연결되는 배선의 일단은 프레임에 접착하여 연결되는데, 소형의 다축 힘토크 센서를 제작하는 경우, 프레임 사이즈가 작아 배선 연결 작업을 정확히 하기 어려운 문제와 이로 인한 배선 연결 오류 가능성의 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 다축 힘토크 센서를 구성하기 위해 필요한 배선 형태를 적용한 인쇄회로기판을 센서 내부에 구비하여 배선 작업이 간편한 다축 힘토크 센서를 제공하기 위함이다.
전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 다축 힘토크센서는 베이스부와, 상기 베이스부의 일면에 결합되는 센서 프레임과, 상기 센서 프레임에 설치되는 복수 개의 스트레인 측정센서 및 상기 베이스부와 상기 센서 프레임 사이에 위치하며, 일면에는 상기 각각의 스트레인 측정센서와 전기적으로 연결되는 접속부가 구비되고, 타면에는 상기 접속부와 전기적으로 연결되는 케이블연결부가 소정의 패턴으로 형성되는 인쇄회로기판을 포함한다.
또한 상기 센서 프레임은 외곽 림과, 상기 외곽 림의 중앙에 위치하는 허브와, 상기 허브와 상기 림을 연결하는 복수 개의 스포크를 구비할 수 있다.
또한 상기 복수 개의 스트레인 측정센서는 상기 복수 개의 스포크에 각각 설치될 수 있다.
또한 상기 스포크는 사각단면을 갖도록 형성되고, 상기 스트레인 측정센서는 상기 스포크의 외측면마다 적어도 하나 이상이 설치될 수 있다.
또한 상기 스포크의 외측 일면에 설치되는 상기 스트레인 측정센서는 상기 외측 일면과 인접하는 상기 스포크의 외측 측면에 설치되는 상기 스트레인 측정센서와 반대방향으로 설치될 수 있다.
또한 상기 외곽 림은 상기 스포크와 연결되는 부분의 두께가 다른 부분의 두께보다 얇게 형성될 수 있다.
또한 상기 케이블연결부는 상기 스포크와 대응되는 패턴으로 형성될 수 있다.
또한 상기 베이스부는 일면에 상기 센서 프레임이 삽입 고정되는 센서프레임체결구가 형성되고, 중앙부에는 상기 케이블연결부에 접속되는 케이블을 외부로 유도하는 관통홀이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 다축 힘토크 센서는 배선 형태를 적용한 인쇄회로기판을 센서 내부에 구비하여 배선 작업이 간편하고, 이에 따라 배선 작업의 오류 가능성도 낮아져 제품 신뢰성이 높아질 수 있다.
또한 센서 프레임에 부착되는 센서의 개수를 줄이면서 센서 프레임의 변형이 용이한 센서 프레임을 구비하여 제작단가를 낮추고 외력에 민감하게 반응할 수 있는 센서를 제공할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 기술적 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다축 힘토크 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다축 힘토크 센서의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서 프레임의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서 프레임에 스트레인 측정센서가 부착된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 센서 프레임에 Z방향 힘(FZ)이 작용한 상태에 대한 FEM 해석 결과를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 센서 프레임에 Z방향 토크(MZ)가 작용한 상태에 대한 FEM 해석 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄회로기판의 정면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄회로기판의 배면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 실시예는 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 위하여 과장되게 표현된 부분이 있을 수 있으며, 도면 상에서 동일 부호로 표시된 요소는 동일 요소를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다축 힘토크 센서의 사시도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다축 힘토크 센서의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다축 힘토크 센서(100)는 베이스부(110), 베이스부(110)의 일면에 결합되는 센서 프레임(130), 센서 프레임(130)에 설치되는 복수 개의 스트레인 측정센서(151), 베이스부(110)와 센서 프레임(130) 사이에 위치하는 인쇄회로기판(120), 센서 프레임(130)의 일단에 결합되는 헤드부(140)를 포함한다.
베이스부(110)의 외관은 대략 원기둥과 유사하게 형성될 수 있다.
베이스부(110)의 일단에는 후술할 센서 프레임(130)의 일부를 수용할 수 있도록 수용홈(111a, 111b, 111c)이 형성될 수 있다. 그리고 수용홈(111a, 111b, 111c)에는 센서프레임체결구(112a, 112b, 112c)가 형성되어 수용홈(111a, 111b, 111c)에 수용된 센서 프레임(130)을 고정되도록 할 수 있다.
베이스부(110)의 중앙부에는 관통홀(113)이 형성될 수 있다. 관통홀(113)은 후술할 인쇄회로기판(120)에 연결된 케이블(160)이 다축 힘토크 센서(100)의 외부로 나갈 수 있는 공간이다.
한편, 헤드부(140)는 후술할 센서 프레임(130)과 스트레인 측정센서(151)를 외부로부터 보호하고 헤드부(140)에 작용하는 외력을 센서 프레임(130)에 전달하는 구성요소로서, 센서 프레임(130)의 일면 및 일측을 수용함과 동시에 외력을 센서 프레임(130)에 전달할 수 있도록 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서 프레임의 정면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 센서 프레임에 스트레인 측정센서가 부착된 상태를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 센서 프레임(130)은 외곽 림(131)과, 외곽 림(131)의 중앙에 위치하는 허브(132)와, 허브(132)를 중심으로 방사형으로 배치되며 허브(132)와 외곽 림(131)을 연결하는 복수 개의 스포크(133a, 133b, 133c)를 구비할 수 있다. 스포크(133a, 133b, 133c)는 사각단면을 갖도록 형성될 수 있다. 스포크(133a, 133b, 133c)는 3개가 일정간격으로 방사형으로 구비될 수 있다. 또한 외곽 림(131)에는 센서프레임체결구(112a, 112b, 112c)와 대응하는 고정구(134a, 134b, 134c)가 형성되어 나사결합 등에 의해 베이스부(110)에 센서 프레임(130)이 고정되게 할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 스포크(133a, 133b, 133c)의 각 외측면에는 스트레인 측정센서(151)가 하나씩 설치될 수 있다. 따라서 사각단면을 갖는 스포크(133a, 133b, 133c)의 각 측면에 스트레인 측정센서(151)가 하나씩 설치되므로 스포크(133a, 133b, 133c) 하나에 4개의 스트레인 측정센서(151)가 설치되고, 3개의 스포크(133a, 133b, 133c)가 구비되는 경우 센서 프레임(130)에는 총 12개의 스트레인 측정센서(151)가 설치될 수 있다.
일반적으로 6축 힘/모멘트(FX, FY, FZ, MX, MY, MZ)를 센싱하기 위한 센서프레임에는 90도 간격으로 4방향의 스포크가 배열된다. 따라서 16개 이상의 스트레인 측정센서가 설치되게 되는데, 스트레인 측정센서가 많아질수록 제조단가가 상승하고, 각 측정센서에서 나오는 케이블을 연결해야하므로 제조과정이 어려워진다.
초소형 센서의 경우는 제조 난이도가 더욱 높아지는데, 본 발명의 실시예와 같이 3방향의 스포크(133a, 133b, 133c)만을 구비하여 12개의 스트레인 측정센서(151)만으로 6축 힘/모멘트를 측정하므로 센서의 제조효율을 향상시키는 효과가 있다.
한편, 스트레인 측정센서(151)로는 스트레인 게이지(strain gauge)를 이용하는 방법이나 편광을 이용하여 스트레인 패턴을 측정하는 방법 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 스트레인 측정센서(151)로 스트레인 게이지를 이용하나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
스트레인 게이지는 대상 물체의 변화하는 스트레인 크기에 비례하여 전기 저항이 달라지는 디바이스로서, 일반적으로 브릿지 회로를 이용하여 대상 물체에 작용하는 스트레인의 크기를 전압 변화량으로 전환하여 측정할 수 있게 한다.
브릿지 회로로는 4개의 스트레인 게이지를 연결하는 휘트스톤 브릿지와, 한 개의 스트레인 게이지와 3개의 저항으로 구성되는 쿼터 브릿지와, 2개의 스트레인 게이지와 2개의 저항으로 구성되는 하프 브릿지 등을 이용할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 스포크(133a, 133b, 133c)의 외측면 중 일면(135a)과 그 마주보는 면(미도시)에 설치되는 스트레인 측정센서(151a)는 동일한 방향으로 설치되고, 일면(135a)에 인접하는 양 측면(135b)에 설치되는 스트레인 측정센서(151b)는 일면(135a)에 설치된 스트레인 측정센서(151a)와 반대방향으로 설치될 수 있다.
소형 다축 힘토크 센서(100)의 경우, 스트레인 측정센서(151)는 매우 작은 스포크(133a, 133b, 133c)에 부착되게 된다. 스포크(133a, 133b, 133c)의 각 외측면에 스트레인 측정센서(151)를 동일방향으로 부착하는 경우 각 스트레인 측정센서(151)의 배선이 겹쳐 배선 작업에 상당한 곤란이 발생한다.
따라서 도 4에 도시된 바와 같이, 이웃하는 면(135a, 135b)에 설치되는 스트레인 측정센서(151a, 151b)를 서로 다른 방향으로 부착함으로서 배선을 위한 공간을 확보하여 배선 작업을 수월하게 할 수 있으며, 각 스트레인 측정센서(151a, 151b)와 연결되는 배선 간의 간섭에 의한 합선 가능성을 배제할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 센서 프레임에 Z방향 힘(FZ)이 작용한 상태에 대한 FEM 해석 결과를 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 센서 프레임에 Z방향 토크(MZ)가 작용한 상태에 대한 FEM 해석 결과를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 센서 프레임(130)의 외곽 림(131)은 스포크(133a, 133b, 133c)와 연결되는 부분이 다른 부분에 비해 두께가 얇게 형성될 수 있다. 두께라 함은, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 반경방향의 두께를 의미할 수 있고 또는 반경방향에 수직하는 센서 프레임(130)의 높이방향의 두께를 의미할 수 있다.
스포크(133a, 133b, 133c)와 연결되는 부분의 두께를 다른 부분에 비해 얇게 형성함으로서, 외력에 의한 스포크(133a, 133b, 133c)의 변형을 효과적으로 유도할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 외력의 한 예로 Z방향 힘(FZ)이 작용하는 경우 스포크(133a, 133b, 133c)에 변형이 집중되는 것을 관찰할 수 있다. 또한 도 6에 도시된 바와 같이, 외력의 한 예로 Z방향 토크(MZ)가 작용하는 경우에도 스포크(133a, 133b, 133c)에 변형이 집중되는 것을 관찰할 수 있다. 이 경우 적색 원으로 표시한 부분에 스트레인 측정센서(151)를 부착하는 것이 바람직하다.
상술한 센서 프레임(130)의 형상에 의해, 본 발명의 일실시예에 따른 다축 힘토크 센서(100)는 적은 수의 스트레인 측정센서(151)만으로도 외력을 효과적으로 측정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄회로기판의 정면도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 인쇄회로기판의 배면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(120)의 일면에는 스포크(133a, 133b, 133c)에 부착되는 각 스트레인 측정센서(151)와 전기적으로 연결되는 접속부(121)가 구비될 수 있다. 접속부()는 스트레인 측정센서(151)의 입력라인과 연결되는 제1 접속부(121a)와 출력라인과 연결되는 제2 접속부(121b)로 구성될 수 있다.
인쇄회로기판(120)은 센서 프레임(130)의 타면에 설치될 수 있으며, 접속부(121)는 각 스포크(133a, 133b, 133c)의 하부에 위치할 수 있도록 스포크(133a, 133b, 133c)의 배열 패턴과 유사한 패턴으로 구비될 수 있다. 즉, 접속부(121)는 삼각형의 중심과 삼각형의 세 꼭지점을 잇는 가상의 세 선분 상에 형성될 수 있고, 각 선분에는 각 스포크(133a, 133b, 133c)에 부착되는 스트레인 측정센서(151)의 수 만큼, 예를 들면 4개의 접속부(121)가 형성되어 각 스트레인 측정센서(151)와 연결될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(120)의 타면에는 일면에 형성된 각 접속부(121)와 전기적으로 연결된 케이블연결부(122)가 형성될 수 있다. 그리고 접속부(121)와 케이블연결부(122) 사이에는 배선에 필요한 배선회로가 형성될 수 있다.
케이블연결부(122)는 다축 힘토크 센서(100)의 외부에 위치하는 신호처리부(미도시)에 스트레인 측정센서(151)의 시그널을 전달하는 케이블(160)이 연결된다.
케이블연결부(122)는 접속부(121)와 유사하게 스포크(133a, 133b, 133c)의 배열 패턴과 유사한 패턴으로 구비될 수 있다. 즉, 각 접속부(121)의 반대면에 케이블연결부(122)가 각각 형성될 수있다. 이는 제작과정에서 각 스포크(133a, 133b, 133c)에 부착되는 스트레인 측정센서(151)에 대응하는 케이블을 쉽게 구분하여 배선 작업을 용이하게 하고, 배선 오류를 줄이기 위함이다.
상기와 같은 구성에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 다축 힘토크 센서(100)는 배선 형태를 적용한 인쇄회로기판(120)을 센서 프레임(130)에 결합하여 다수 개의 스트레인 측정센서(151)에 대한 배선 작업을 간편하게 할 수 있고, 이에 따라 배선 작업의 오류 가능성도 낮아져 제품 신뢰성이 높아질 수 있다.
또한 센서 프레임(130)에 3개의 스포크(133a, 133b, 133c)를 구비하는 경우, 부착되는 스트레인 측정센서(151)의 개수를 줄여 제작단가를 낮추며 배선의 수를 줄여 다축 힘토크 센서(100) 제조의 편의성을 증대한다.
또한 스포크(133a, 133b, 133c)와 외곽 림(131)의 결합부 두께를 다른 부분에 비해 얇게 구성함으로서, 센서 프레임(130)의 변형이 용이하도록 하여 외력에 민감하게 반응할 수 있게 한다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100: 다축 힘토크 센서 110: 베이스부
111a, 111b, 111c: 수용홈 112a, 112b, 112c: 센서프레임체결구
113: 관통홀 120: 인쇄회로기판
121: 접속부 122: 케이블연결부
130: 센서 프레임 131: 외곽 림
132: 허브 133a, 133b, 133c: 스포크
134a, 134b, 134c: 고정구 140: 헤드부
151a, 151b: 스트레인 측정센서 160: 케이블

Claims (8)

  1. 베이스부;
    상기 베이스부의 일면에 결합되는 센서 프레임;
    상기 센서 프레임에 설치되는 복수 개의 스트레인 측정센서;
    상기 베이스부와 상기 센서 프레임 사이에 위치하며, 일면에는 상기 각각의 스트레인 측정센서와 전기적으로 연결되는 접속부가 구비되고, 타면에는 상기 접속부와 전기적으로 연결되는 케이블연결부가 소정의 패턴으로 형성되는 인쇄회로기판을 포함하는 다축 힘토크 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 프레임은 외곽 림과, 상기 외곽 림의 중앙에 위치하는 허브와, 상기 허브와 상기 림을 연결하는 복수 개의 스포크를 구비하는 것을 특징으로 하는 다축 힘토크 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수 개의 스트레인 측정센서는 상기 복수 개의 스포크에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 다축 힘토크 센서.
  4. 제3항에 있어서
    상기 스포크는 사각단면을 갖도록 형성되고, 상기 스트레인 측정센서는 상기 스포크의 외측면마다 적어도 하나 이상이 설치되는 것을 특징으로 하는 다축 힘토크 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스포크의 외측 일면에 설치되는 상기 스트레인 측정센서는 상기 외측 일면과 인접하는 상기 스포크의 외측 측면에 설치되는 상기 스트레인 측정센서와 반대방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 다축 힘토크 센서.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외곽 림은 상기 스포크와 연결되는 부분의 두께가 다른 부분의 두께보다 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 다축 힘토크 센서.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 케이블연결부는 상기 스포크와 대응되는 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다축 힘토크센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 베이스부는 일면에 상기 센서 프레임이 삽입 고정되는 센서프레임체결구가 형성되고, 중앙부에는 상기 케이블연결부에 접속되는 케이블을 외부로 유도하는 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 다축 힘토크 센서.
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