KR20140002507A - 역각 센서 및 역각 센서를 구비한 로봇 암 - Google Patents

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KR20140002507A
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Abstract

외력을 검출하는 역각 센서는, 외장부와, 상기 외장부에 배치된 압압부재와, 상기 압압부재에 가해진 힘을 검출하는 센서부와, 브러시와 링과의 접점을 통해서 전력 공급 또는 신호 전달이 이루어지는 슬립 링부를 포함한다. 상기 센서부와 상기 슬립 링부가 상기 외장부의 내측에 수납되어 있고, 상기 슬립 링부와 상기 센서부와의 사이에서 전력 공급 또는 신호 전달이 행해진다.

Description

역각 센서 및 역각 센서를 구비한 로봇 암{FORCE SENSOR AND ROBOT ARM INCLUDING FORCE SENSOR}
본 발명은, 외력을 검출하는 역각 센서 및 역각 센서를 구비한 로봇 암에 관한 것이다.
최근, 로봇 기술이 발달하는 것에 의해, 제어 프로그램에 따라 자동적으로 가동하는 수직 다관절 로봇을 물품의 생산 용도에 사용하는 경향이 높아지고 있다. 정밀한 조립 동작이 요구되는 물품의 생산에 관해서는, 로봇 암에 대해서 로봇 암의 손목부에 해당하는 위치에, 외력을 검출하는 역각 센서를 탑재하고, 로봇 암에 연결된 로봇 핸드에 가해진 외력을 검출하면서 정밀한 조립 동작을 행할 수 있는 역각 센서 탑재형 로봇이 제안되어 있다.
외력을 검출하는 역각 센서로서, 자기식의 역각 센서가 알려져 있다(일본국 특개 2009-75083호). 자기식의 역각 센서는, 자속 발생원과 자전기 변환소자가 상대적으로 이동가능하게 보유되어 있는 구조를 가지고 있다. 외력에 의해 변화한 자속 발생원과 자전기 변환소자와의 거리에 따라 변화하는 자전기 변환소자에 유입하는 자속의 자속 밀도에 따라, 자속 발생원의 출력 전압이 변화한다. 이 출력 전압을 검출함으로써, 외력의 강약을 검출할 수 있다.
한편, "슬립 링(slip ring)"이라고 불리는, 정지체로부터 회전체에 대해 전력과 전기신호를 전달하는 것이 가능한 장치가 알려져 있다(일본국 특개평 06-310250호). 슬립 링은 간헐 또는 연속으로 회전하는데 필요한 전기기계 시스템에 있어서, 전력 및 데이터 신호를 전달할 경우에 사용된다. 굴곡에 의한 금속 피로(metal fatigue)에 의해 파손되기 쉬운 전송 케이블을 회전부에 배치하는 대신에, 슬립 링을 회전부에 배치하면, 시스템의 성능이 향상하고, 시스템의 동작을 간소화할 수 있다. 로봇의 경우에는, 그 가동 조인트부에서 파손되기 쉬운 배선을 없앨 수 있다. 슬립 링은, "로터리 일렉트리컬 조인트(rotary electrical joint)" 또는 "콜렉터(collector)"라고도 불리지만, 이하에서는 슬립 링이라고 간단히 칭한다. 정지체로부터 회전체에 대해 전력과 전기신호를 전달할 수 있는 장치에는 도전성 유체를 이용한 로터리 커넥터(rotary connector)도 있지만, 이하의 설명에서는 로터리 커넥터도 "슬립 링"이라고 칭한다. 또한, 슬립 링에 있어서의 브러시(brush)와 링 등, 서로 상대적으로 회전하는 부재를, 편의상 정지체 및 회전체라고 칭할 수도 있다.
로봇은 통상적으로 베이스(base)에 고정되어 있다. 로봇의 고정단은 역학적으로 견고하게 고정될 필요가 있기 때문에 로봇의 고정단은 두껍고 큰 부재로 구성되어 있다. 반면에, 넓은 가동 범위를 취하고, 충돌을 회피하면서 작업에 필요한 여러가지 자세를 설정하기 위해서, 고정단과 비교해, 로봇의 암(로봇 암)은 자유단측이 점점 얇아지도록 설계되어 있다. 따라서, 로봇 암의 자유단 근방의 위치에서는, 로봇 암의 링크 및 조인트부 이외에 추가 부품이 설치가능한 영역의 면적이 작다고 하는 설계상의 제한이 있다.
다관절 로봇의 로봇 암의 자유단 근방에 위치된 손목부분에는, 전기신호의 전송과 전력 공급을 위해서, 역각 센서뿐 아니라 슬립 링을 탑재한 경우, 역각 센서와 슬립 링을 개별적으로 설치한 구조가 되어, 바람직하지 않게 손목부분에 필요한 실장 체적이 증가해버린다.
본 발명은, 로봇 암의 회전부에 실장되는 데 적합하고, 전력 공급, 외력의 검출, 및 실장 체적의 감소가 가능한 역각 센서를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 역각 센서를 갖는 로봇 암을 제공한다.
본 발명은, 외력을 검출하는 역각 센서를 제공한다. 역각 센서는, 외장부와, 상기 외장부에 설치되도록 구성된 압압부재(pressure member)와, 상기 압압부재에 가해진 힘을 검출하도록 구성된 센서부와, 정지체와 회전체와의 접점을 통해서 전력 공급 또는 신호 전달을 행하도록 구성된 슬립 링부를 포함한다. 상기 센서부와 상기 슬립 링부가 모두 상기 외장부의 내측에 수납되어 있고, 상기 슬립 링부와 상기 센서부와의 사이에서 전력 공급 또는 신호 전달이 행해진다.
또한, 본 발명은, 복수의 링크와 외력을 검출하는 역각 센서를 갖는 로봇 암을 제공한다. 상기 역각 센서는, 외장부와, 상기 외장부 위에 설치되도록 구성된 압압부재와, 상기 압압부재에 가해진 힘을 검출하도록 구성된 센서부와, 정지체와 회전체와의 접점을 통해서 전력 공급 또는 신호 전달을 행하도록 구성된 슬립 링부를 포함한다. 상기 센서부와 상기 슬립 링부는 모두 상기 외장부의 내측에 수납되어 있고, 상기 슬립 링부와 상기 센서부와의 사이에서 전력 공급 또는 신호 전달이 행해진다.
본 발명의 또 다른 특징들은 첨부도면을 참조하면서 이하의 예시적인 실시예의 설명으로부터 분명해질 것이다.
도 1a 및 1b는 각각 본 발명에 있어서의 역각 센서의 단면도 및 분해 사시도다.
도 2는 본 발명에 있어서의 역각 센서의 개략의 단면도다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 있어서의 역각 센서의 회로 구성을 나타내는 전기기능 블록도다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 역각 센서를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 역각 센서를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 역각 센서를 도시한 도면이다.
도 7은 슬립 링부를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 역각 센서를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 있어서의 역각 센서를 탑재한 로봇 암을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명을, 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1a 및 1b는 각각 본 발명에 있어서의 역각 센서의 단면도 및 분해 사시도다.
본 발명에 있어서의 역각 센서에 설치된 센서부들 중의 하나의 센서부에 대해 설명한다.
스테인레스 스틸 등의 금속으로 형성된 압압부재(1)는, 천면(top surface)부(4)와, 저면(bottom surface)부(5)와, 천면부(4)와 저면부(5)를 연결하는 4개의 지주(3a, 3b, 3c, 3d)로 형성되어 있는 외장부(2) 위에 탑재되도록 구성되어 있다. 도 1b에 있어서, 압압부재(1)는 십자형의 부재로서 도시되어 있지만, 압압부재(1)의 형상은, 외장부(2) 위에 압압부재(1)가 탑재될 수 있고, 외력이 가해졌을 때 압압부재(1)가 파손되지 않도록 충분한 강성을 갖는 한, 특히 한정되지 않는다.
천면부(4), 저면부(5) 및 지주(3a, 3b, 3c, 3d)도 압압부재(1)와 같이 금속으로 형성되어 있다. 지주(3a, 3b, 3c, 3d)는 각각 정방형의 정점에 대응하는 위치에서 천면부(4)와 저면부(5)를 서로 연결한다.
예를 들면, 외장부(2)의 천면부(4)에 노치(notches)를 배치하고, 그 노치에 대응하는 피감합(被嵌合;projection)부를 압압부재(1) 위에 배치해서, 천면부(4)와 압압부재(1)를 서로 끼워 맞춘다. 도 1a 및 1b에 있어서, 외장부(2)의 내측에는 하부 기판(8)과 상부 기판(9)이 배치된다. 하부 기판(8)에는 자속 발생원(11)이 배치되고, 상부 기판(9)에는 자전기 변환소자(10)가 배치되어 있다. 도 1a 및 1b에 나타낸 구성에 있어서는, 자전기 변환소자(10)를 거의 같은 간격으로 상부 기판(9) 위에 배치하고, 이 자전기 변환소자(10)에 대응하는 자속 발생원(11)을 하부 기판(8) 위에 배치한다. 이하의 설명에 있어서, 설명의 편의상, "상부" 기판 및 "하부" 기판이라고 하는 용어를 사용하지만, 특별한 기술적인 한정 사항은 없다.
자속 발생원(11)의 바로 아래에는 자속 발생원(11)의 위치에 대해 위치가 고정된 고정 자전기 변환소자가 배치되어 있다. 고정 자전기 변환소자는 자속 발생원(11)의 자력의 변화를 항상 모니터할 수 있는 구성을 가지고 있다. 자속 발생원(11)으로서, 영구자석을 사용한 경우, 배선 등을 통해서 흐르는 전류에 의해서 생긴 열에 의한 온도 상승의 영향을 받아서 자속 발생원(11)에 의해 발생되는 자장의 강도가 감소할 수 있다. 이 자장의 변동을 고정 자전기 변환소자를 이용해서 센싱함으로써, 그 변동을 후술하는 외력의 검출 시의 보정계수로서 사용할 수 있다.
또한, 자속 발생원(11)이 상부 기판(9) 위에 배치되고, 자전기 변환소자(10)가 하부 기판(8) 위에 배치되어 있어도 된다. 상부 기판(9)과 하부 기판(8)이 외장부(2)의 내부에 배치되고, 각 기판에 배치된 자속 발생원(11)과 자전기 변환소자(10)의 위치가 상대적으로 변위가능하도록 자속 발생원(11)과 자전기 변환소자(10)가 일정한 간격으로 배치되어 있다. 상부 기판(9)은, 압압부재(1) 또는 외장부(2)에 대해 고정되어 있고, 하부 기판(8)은 저면부(5)에 대해 고정되어 있다.
상술한 바와 같이 각 부재를 배치함으로써, 압압부재(1)에 외력이 가해질 때, 하부 기판(8)에 배치된 자속 발생원(11)의 위치에 대해 상부 기판(9)에 배치된 자전기 변환소자(10)의 위치가 변위할 수 있다. 천면부(4)에, 도 1a에 기재된 X방향의 성분을 주로 갖는 힘이 가해졌을 경우에, 외장부(2)의 지주(3a, 3b, 3c, 3d)가 저면부(5)에 대해 X방향으로 약간 경사져 있으며, 상부 기판(9)의 위치와 하부 기판(8)의 위치가 상대적으로 변위한다. 또한, 도 1a에 나타내지 않은 도 1a의 깊이방향인 Y방향의 힘이 천면부(4)에 가해진 경우에, 지주(3a, 3b, 3c, 3d)가 저면부(5)에 대해 Y방향으로 경사져 있다.
한편, 천면부(4)에 대해 Z방향의 네거티브(negative)의 방향의 힘이 가해진 경우에는, 지주(3a, 3b, 3c, 3d)가 탄성 변형해서 Z방향으로 약간 압축된다. 그 결과, 천면부(4)와 저면부(5)와의 거리가 감소하는 방향으로, 상부 기판(9)의 위치와 하부 기판(8)의 위치가 상대적으로 변위한다.
이상과 같은 구성을 취함으로써, 압압부재(1)에 가해진 외력에 의해 야기된 자속 발생원(11)과 자전기 변환소자(10)와의 거리의 변화에 따라 자전기 변환소자(10)에 유입하는 자속의 크기가 변화하고, 이것에 의해 자속의 크기의 변화에 따라 자전기 변환소자(10)의 출력이 변화한다. 이 자전기 변환소자(10)의 출력의 변화를 검출함으로써, 외력의 크기를 검출할 수 있다.
이하의 식 1 및 식 2에 기재되어 있는 것과 같이, 자전기 변환소자(10)에 유입하는 자속의 자속밀도 B에 따라 변화하는 자전기 변환소자(10)의 출력 전압 V가 검출되고, 출력 전압 V을 이용해서 외력 F가 산출된다. 비례 계수를 α, β로 나타내면, 다음과 같은 식이 취득된다.
V = αB ...식 1
F = βV ...식 2
다음에, 본 발명의 역각 센서에 설치되는 슬립 링부에 대해 설명한다. 상부 기판(9) 및 하부 기판(8)에는, 실제로는 배선 등이 배치되어 있지만, 번잡을 피하기 위해, 그것의 설명을 일부 생략한다. 슬립 링부는 회전체인 링(7)과, 정지체인 브러시(6)를 가지고 있다. 또한, 링(7)을 회전체라고 칭하고, 브러시(6)를 정지체라고 칭했지만, 어느 것이든 회전체라고 불러도 된다. 로터리 커넥터에 있어서의 하우징과 하우징에 대해 회전가능한 샤프트(shaft)에 관해서도 같다.
링(7)으로서는, 전기 전도 가능한 관 모양의 금속부재와 관 모양의 절연재를 축심 부재 주위에 교대로 적층해서 얻은 다층의 구성소자를 사용한다. 도 7은 슬립 링부의 개략적인 구성을 나타낸다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 전기 전도 가능한 관 모양의 금속 부재인 링(7)과 관 모양의 절연재를 축심 부재 주위에 교대로 적층해서 얻은 다층의 구성소자가 사용된다. 브러시(6)는 브러시 고정부에 고정되어, 링(7)에 접촉하도록 배치되어 있다. 브러시 고정부는, 하부 기판(8)에 고정되어 있다.
브러시(6)는 브러시 고정부에 포함된 배선을 통해서 제1 입출력 커넥터와 연결되어 있다. 또한, 축심 부재에는 링(7)과 전기적으로 접속된 배선이 설치되어 있고, 제2 입출력 커넥터와 연결되어 있다.
링(7)인 관 모양의 금속부재와 브러시(6)가 서로 접촉함으로써 접점을 통해서 서로 전기적으로 접속되고, 그 결과, 전력 공급 및 신호 전달이 행해진다.
브러시(6)는 브러시 고정부를 통해서 하부 기판(8)에 배치되거나, 또는 하부 기판(8)에 직접 배치되어도 된다. 또한, 브러시(6)는 배선에 연결되어 있고, 그 배선을 통해서 상부 기판(9)과 하부 기판(8)에 전력 공급 및 신호 전달이 행해진다. 도 7에 있어서는, 제1 입출력 커넥터로서 브러시(6)에 연결된 배선의 단부에 커넥터를 배치한 구성을 묘사하고 있지만, 제1 입출력 커넥터를 설치하지 않고 하부 기판(8)에 설치된 전력 공급 또는 신호 전달에 사용되는 배선과 일체로 브러시(6)에 연결된 배선을 설치해도 된다. 또한, 역각 센서의 외부에 배치된 외부 케이블에 연결되는 외부 출력 커넥터를 더 배치하고, 센서부 이외의 기기에 전력 공급 혹은 신호 전달을 행해도 된다.
링(7)은 역각 센서의 외장부(2)에 대해 회전가능하게 지지된다. 도 1b에 있어서는, 저면부(5)에 개구가 설치되고, 그 개구 내에는 링(7)의 축심 부재가 회전가능하게 수납되어 있다.
도 1b에 도시한 바와 같이, 개구가 설치된 상부 기판(9) 및 개구가 설치된 하부 기판(8)을 채용하고, 링(7)이 상대적으로 회전가능하게 유지되는 구성을 이용해도 된다. 도 2는, 본 발명에 있어서의 역각 센서의 단면도를 간략화해서 나타낸 것이다. 본 발명의 역각 센서에서는, 천면부(4)에 설치된 노치에는 십자형의 압압부재(1)가 끼워 맞춰져 있다. 도 2에 있어서, 도 2의 깊이방향으로 빔(beam)과 같이 십자형의 압압부재(1)의 일부가 천면부(4)에 지탱되어 있다. 역각 센서 내부에 실장된 브러시(6)와, 브러시(6)에 접촉하면서 브러시(6)에 관하여 회전하는 링(7)을 포함하는 슬립 링부를 외장부(2)의 내측에 구비하고 있다. 역각 센서는 베이스(12)(예를 들면, 산업용 로봇의 자유단) 위에 실장되어 있다. 역각 센서의 외장부(2)에 삽입된 슬립 링부의 축심은, 역각 센서의 외장(2)에 대해 회전가능하기 때문에, 역각 센서를 베이스(12)에 실장한 후에도, 베이스(12)에 대해 회전가능하다.
이 때문에, 예를 들면, 다관절 로봇의 2개의 링크 사이의 조인트 부분 등의 회전자에 본 발명의 역각 센서를 설치함으로써, 외력의 검출과, 회전자에 대한 전력 공급 또는 신호 전달을 본 발명의 역각 센서 1개로만 컴팩트하게 달성할 수 있다.
각 센서부로서는 왜(歪)게이지식(strain gauge type), 정전용량식, 자기식 등 사용자의 희망에 따라 여러가지 종류의 역각 센서가 사용가능하다.
자기식의 역각 센서를 선택한 경우에는, 자속 발생원(11)으로서는 영구자석 또는 전자석을 사용해도 된다. 자속 발생원(11)은 Nd-Fe-B 자석, Sm-Co 자석, Sm-Fe-N 자석, 및 페라이트(ferrite) 자석으로 대표되는 영구자석이어도 되고, 자성체 주변에 코일을 감고, 통전함으로써 자력을 발생시키는 전자석이어도 된다. 자전기 변환소자(10)는 Hall 소자, MR(magnetoresistive) 소자, 자기임피던스 소자, 플럭스게이트(fluxgate) 소자, 권선 코일로부터 선택된다.
이렇게, 본 발명의 역각 센서는, 역각 센서의 외장부의 내측에 센서부와 슬립 링부를 모두 포함하고 있다.
다음에, 본 발명의 역각 센서의 회로 구성을 도 3a에 나타낸 전기기능 블록도를 참조하여 설명한다. 본 발명의 역각 센서에서는, 외부입력으로서, 전원으로부터 공급되는 전력 및 도면에 나타내지 않은 연산부로부터 입력된 신호들이, 회전부인 슬립 링부를 거쳐 전달된다. 전원으로부터의 입력으로서 공급된 전력이나 연산부에서 전달된 신호 중 한쪽은, 배선을 통해서 외부 출력 커넥터에 공급되어서 역각 센서의 외부에 출력되고, 다른 한쪽은 하부 기판(8)에 설치된 검출 소자부, 연산부, 및 기판간 커넥터에 공급된다. 하부 기판(8)과 상부 기판(9)은 기판간 커넥터를 통해서 전기적으로 서로 연결되어 있고, 전력 공급이나 신호 전달이 행해진다. 하부 기판(8) 위에 배치된 제１ 검출 소자부나 상부 기판(9) 위에 배치된 제2 검출 소자부 중 한쪽은 자속 발생원(11)이며, 다른 한쪽은 자전기 변환소자(10)이다. 한쪽이 다른 한쪽에 대하여 상대적으로 이동가능하게 배치되어 있는 한, 자속 발생원(11)과 자전기 변환소자(10)가 반대로 배치되어도, 외력을 검출하는데 있어서 큰 차이가 없다. 또한, 연산부는 반드시 하부 기판(8) 위에 배치하지 않아도 된다.
도 3b는 상술한 제１검출 소자부 및 제2 검출 소자부의 회로도다.
본 발명의 역각 센서에 있어서의 신호 전달에 대해서 도 3b를 참조하면서 설명한다.
제１검출 소자부 및 제2 검출 소자부 위에는, 복수의 자전기 변환소자(10)가 설치되어 있다. 한층 더, 복수의 자전기 변환소자(10)의 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭부가 구비되어, 개개의 자전기 변환소자(10)에 접속되어 있다. 덧붙여, 자전기 변환소자(10)의 출력 신호를 연산부에 입력하기 위한 AD(analog-to-digital) 변환기 등의 신호의 변환기가 구비되어, 대응하는 신호 증폭부에 접속되어 있다. 한층 더, 연산부가 행한 연산 결과를 자전기 변환소자(10)의 출력으로 피드백하는 조정기를 구비하고 있다. 조정기는 자전기 변환소자(10)의 출력이 변환기에 입력되기 전에 보정처리를 행하기 위한 신호를 출력할 수 있는 구성으로 되어 있다.
온도 변동이나 경년(over time) 변화 등에 의해, 자속 발생원(11)에 의해 발생된 자장이 변동되었을 때, 고정 자전기 변환소자의 출력 전압이 변화될 수도 있다. 발생된 자장의 변동분의 검출값으로부터 보정 처리를 행한다.
예를 들면, 로봇 암의 단부에 본 발명의 역각 센서를 배치하고, 한층 더, 그 역각 센서에 대해 로봇 핸드와 같은 엔드 에펙터(end effector)를, 로봇 암과 로봇 핸드 사이의 "손목 부분"이 선회 가능하게 설치할 수 있다. 이러한 구성의 경우, 역각 센서는, 로봇 암에 포함된 전원으로부터 전력 공급을 받는 것이 가능해지고, 로봇 암에 포함된 연산부에 대하여 신호를 송수신하는 것이 가능해진다. 따라서, 역각 센서의 추가 외부출력으로서 엔드 에펙터에의 전력 공급이 가능해지고 엔드 에펙터에 대하여 신호의 송수신이 가능해진다.
[제1 실시예]
본 발명의 1개의 구체적인 실시예를, 도 4을 참조해서 이하에 설명한다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 역각 센서에 배치된 하부 기판(8)을 z방향의 위쪽에서 관찰한 도면이다. 파선으로 나타낸 십자형은, 도 4의 앞(즉, Z방향의 위쪽)에 배치된 압압부재(1)의 형상의 사영(射影)을 나타낸다.
하부 기판(8)의 중앙에는 개구가 설치되어 있고, 링(7)이 그 개구에 수납되어 있다. 또한, 자속 발생원(11a, 1lb, 11c, 11d)이 개구를 둘러싸도록 배치되어 있고, 각각의 자속 발생원에 대응하는 위치에서 상부 기판(9) 위에 도 4에는 나타내지 않은 자전기 변환소자(10a, 10b, 10c, 10d)가 배치되어 있다. 자속 발생원(11) 중의 하나와 자전기 변환소자(10) 중의 하나를 각각 갖는 복수의 센서부가, 링(7)을 둘러싸도록 배치되어 있다.
자속 발생원(11)으로서, xy 평면에 대해 5mm×5mm의 크기를 갖는 영구자석이 도 4와 같이 각각 배치되어 있다. 또한, 배치된 자속 발생원(11)에 대해 Z축 방향으로 1mm 떨어진 위치에 도 4에는 나타내지 않은 자전기 변환소자(10)가 각각 배치되어 있다.
자전기 변환소자(10)의 출력 전압을 각각 Va, Vb, Vc, Vd라고 하면, 외력 F에 의한 Z방향의 가중 Fz, X축에 대한 모멘트 Mx, y축에 대한 모멘트 My는, 비례 계수를 K1, K2, K3로 해서 각각 이하의 식 3, 식 4, 식 5으로 나타낸다. 비례계수 K1, K2, K3은, 고정 자전기 변환소자의 출력에 따라 결정된 보정계수가 연산부에 의해 산출되고, 조정기를 통해서 필요에 따라 자전기 변환소자(10)의 출력에 반영된다.
Fz = K1(Va + Vb + Vc + Vd) ... 식 3
Mx = K2(Vd - Vb) ... 식 4
My = K3(Vc - Va) ... 식 5
도 4에 나타낸 것과 같이, 센서부가 링(7)을 둘러싼 구성을 이용함으로써, 자속 발생원(11)과 도면에 나타내지 않은 자전기 변환소자(10)를 갖는 센서부를, 압압부재(1)를 구성하는 빔(beams)의 교차점 C으로부터의 거리 L이 길어지도록 배치할 수 있다. 거리 L이 길어질수록, 역각 센서에 가해진 힘 F에 의한 압압부재(1)에 대한 자전기 변환소자(10)의 위치의 변화가 커지고, 그에 따라 자속 발생원(11)의 위치에 대한 자전기 변환소자(10)의 위치의 변화가 커진다. 그 때문에 역각 센서에 가해진 같은 크기의 힘 F에 대한 출력 V가 커져서, 힘이나 모멘트의 검출 시에, 센서의 감도가 향상한다. 도 4에 나타낸 것과 같이, 압압부재(1)가 링(7)의 회전축과 실질적으로 동일 선상에 교차 배치된 두 개의 교차빔(intersecting beams)을 포함하고, 링(7)의 회전축에 대해 축대칭으로 복수의 센서부를 배치하면, 그 효과는 한층 더 향상한다. 이러한 구성을 이용함으로써, 회전부에 실장되는 데 적합한, 전력 공급과 외력의 검출이 가능한 실장시의 실장 체적이 작은 역각 센서를 제공할 수 있다.
[제2 실시예]
본 실시예에 있어서, 자전기 변환소자(10) 또는 자속 발생원(11)이 설치되는 하부 기판(8)의 표면부 혹은 하부 기판(8)의 이면부 위에 브러시(6)를 배치하는 것이 바람직하다.
브러시(6)는 약 1mm의 간격을 두고 서로 병렬로 배치된 몇 개 내지 10개의 도전성의 금속선을 갖는 빗형의 부재이며, 실장시 몇mm 내지 약 10mm의 길이를 차지한다. 따라서, 브러시(6)를 센서부와 같은 하부 기판(8)의 표면 위에 배치하면, 상기의 실장 길이를 확보하기 위해서 자전기 변환소자(10)와 자속 발생원(11)과의 거리를 크게 할 필요가 있는 경우가 있다. 한편, 브러시(6)를 하부 기판(8)의 센서부를 배치하고 있는 면과 반대측의 면에 실장할 경우, 상술한 경우와 비교해 자전기 변환소자(10)와 자속 발생원(11)과의 거리를 바람직하게 작게 할 수 있다.
도 5a는, 역각 센서에 가해진 외력 F에 의해 자속 발생원(11)과 자전기 변환소자(10)의 위치가 상대적으로 X축 방향으로 변위했을 때에 자전기 변환소자(10)에 유입하는 자속의 자속밀도 B의 거동을 나타내는 그래프다.
자속 발생원(11)으로서, 자석의 자극의 방향을 서로 반대로 해서 서로 부착된 같은 크기의 2개의 각주(角柱) 형상의 자석을 사용하고 있다. 이러한 자속 발생원(11)을 사용함으로써, 도 5b에 나타낸 것과 같이, 2개의 자석의 접촉면에 대해 X축의 방향으로 급경사도를 갖는 자장을 발생시킬 수 있다. 또한, 2개의 자석의 접촉면을 따라 z축을 채용하고, 자석끼리의 접촉면의 법선을 따라 X축을 채용하면서, z축 방향으로 자전기 변환소자(10)를 자극면으로부터 600㎛ 떨어진 위치에 배치하고, z축 방향으로 자전기 변환소자(10)를 자극면으로부터 800㎛ 떨어진 위치에 배치했을 때의 자속밀도의 변화를 도 5c에 나타낸다. 자극면으로부터 600㎛ 떨어진 위치와 자극면으로부터 800㎛ 떨어진 위치에 자전기 변환소자(10)를 배치한 도 5c에서는, 외력 F에 의해 자전기 변환소자(10)의 위치가 X축 방향으로 변위했을 때의 자속밀도의 변화를 나타내고 있다.
도 5c로부터 분명하게 나타나 있는 바와 같이, 자전기 변환소자(10)가 자석에 가깝게 위치되었을 때, 즉 z=600을 나타내는 라인의 경우에, 변위 x[㎛]에 대해 자속밀도의 변화량 [mT]이 크다. 전술한 식 1 및 식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 자전기 변환소자(10)가 자석에 가깝게 배치되었을 때, 같은 변위에 대해 출력 전압이 커지기 때문에, 힘의 검출을 고감도로 행하는 것이 가능해진다.
따라서, 자속 발생원(11) 혹은 자전기 변환소자(10)가 배치되어 있는 면의 반대측의 하부 기판(8)의 면에 브러시(6)를 배치하면, 자전기 변환소자(10)와 자속 발생원(11)가 서로 근접해 있는 구성을 취득할 수 있어, 힘의 검출의 감도 향상의 점에서 유리하다.
정전용량형 센서의 경우에는, 정전용량 C는 C =ε× (S/D)으로서 표현되는데, 여기서 ε은 유전율이고, S은 센서의 전극의 면적이며, D는 거리이다. 즉, 정전용량 C가 거리 D에 반비례인 그래프가 취득된다. 그 때문에, 정전용량형 센서의 경우에 있어서도, 센서의 전극 간의 거리가 근접해 있는 구성에서는 정전용량 C의 변화가 커지기 때문에 힘의 검출의 감도 향상의 점에서 유리하다.
[제3 실시예]
도 6은, 상부 기판(9) 및 하부 기판(8)에 각각 브러시(6)를 배치하고, 링(7)에 접촉시킨 구성의 역각 센서를 나타내는 도면이다. 하부 기판(8)은 외장부(2)의 저면부(5)에 대해 고정되어 있다. 전술한 구성과 같은 부재는 동일한 참조부호를 붙이고, 설명을 생략한다. 이러한 구성을 갖는 역각 센서에 대해 외력 F가 가해지고 자전기 변환소자(10)와 자속 발생원(11)과의 상대 위치가 변위되었을 때에, 상부 기판(9)에 배치된 브러시(6)의 위치는 링(7)의 위치에 대해 변위되기 때문에, 브러시(6)와 링(7)과의 접촉력이 변화되어서, 신호의 전달 및 전력 공급에 악영향을 줄 우려가 있다. 한편, 저면부(5)에 대해 위치가 고정된 하부 기판(8) 위에 설치된 브러시(6)에 대해서는, 외력 F가 가해진 전후에 브러시(6)와 링(7)이 서로 접촉해 있는 위치의 변화가 없거나 혹은 작다. 지지체로서의 하부 기판(8)의 위치는 외장부(2)의 저면부(5)의 위치에 대해 실질적으로 고정되어 있다.
따라서, 브러시(6)를 저면부(5)에 대해 위치가 고정된 지지체인 하부 기판(8) 위에 설치함으로써, 안정적인 방식으로 전력 공급 또는 신호의 전달이 가능하다.
[제4 실시예]
브러시(6)와 링(7) 간의 접촉력이 지나치게 강하면, 브러시(6)와 링(7)이 너무 일찍 마모해버려 내구성이 나빠지고, 브러시(6)와 링(7) 간의 접촉력이 지나치게 약하면, 안정적으로 전기신호를 보낼 수 없다. 즉, 브러시(6)와 링(7) 사이에 적절한 위치 관계가 존재한다. 그 때문에, 브러시(6)와 링(7)을 조립 시에 원하는 위치로 조정할 수 있는 것이 바람직하다.
한편, 자기식의 역각 센서에서는, 하부 기판(8) 위에 배치된 자전기 변환소자(10)와 자속 발생원(11)과의 위치 관계가 센서의 특성에 영향을 준다. 도 1a, 1b 및 도 2에 나타나 있는 것과 같은 브러시(6)가 하부 기판(8) 위에 배치된 구성에서는, 하부 기판(8)의 위치를 조정했을 때 자전기 변환소자(10)와 브러시(6)의 위치가 동시에 변해버리기 때문에, 자전기 변환소자(10)와 브러시(6)를 원하는 위치로 조정하는 것이 어려운 경우가 있다.
도 8은, 브러시(6)가 브러시 고정부를 통해서 직접 저면부에 고정된 구성을 나타낸다. 이 구성에서는, 브러시(6)의 위치는, 링(7)에 관계없이 조정 가능하고, 자전기 변환소자(10)의 위치는 자속 발생원(11)에 관계없이 조정 가능하다. 또한, 브러시(6)와 하부 기판(8)을, 케이블을 이용해서 접속함으로써, 역각 센서에 전력 공급 또는 신호의 전달을 행할 수 있다.
[제5 실시예]
도 9는, 본 발명의 역각 센서를 탑재한 로봇 암을 나타낸다. 로봇 암(13)과 역각 센서와 로봇 핸드(14)가 서로 직렬로 연결되어 있다. 한층 더, 로봇 핸드(14)는 로봇 암(13)에 대해 회전가능하게 배치되어 있고, 역각 센서는 로봇 암(13)의 "손목"에 해당하는 위치에 배치되어 있다.
전원으로부터 공급된 전력 및 제어부로부터 전달된 신호는, 로봇 암(13)에 배치된 도면에 나타내지 않은 신호선 및 전력선을 통해서 본 발명의 역각 센서에 도달하고, 더나아가서 역각 센서를 통해서 로봇 핸드(14)에 도달한다. 본 발명의 역각 센서에는, 슬립 링부와 센서부가 일체로 형성되어 있기 때문에, 본 발명의 역각 센서를, 실장 체적이 크게 제한을 받는 로봇 암(13)의 자유단 근방에 배치할 수 있다.
본 발명의 역각 센서를 갖는 로봇 암은, 다관절 로봇에 적합하게 이용할 수 있고, 본 발명의 역각 센서를 갖는 다관절 로봇은 생산 용도에 적합하게 이용할 수 있다.
본 발명은 원활하게 전력 공급과 외력의 검출을 행할 수 있을 뿐만 아니라, 실장 체적을 줄이는 것이 가능한 역각 센서를 제공할 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시 예를 참조하면서 설명되었지만, 본 발명은 이 개시된 예시적인 실시 예에 한정되는 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 이하의 특허청구범위의 범주는 모든 변형 및 균등구조 및 기능을 포함하도록 가장 넓게 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 외력을 검출하는 역각 센서로서,
    외장부와,
    상기 외장부 위에 설치되도록 구성된 압압부재와,
    상기 압압부재에 가해진 힘을 검출하도록 구성된 센서부와,
    회전체와 정지체와의 접점을 통해서 전력 공급 또는 신호 전달을 행하도록 구성된 슬립 링부를 구비하고,
    상기 센서부와 상기 슬립 링부가 상기 외장부의 내측에 수납되어 있고, 상기 슬립 링부와 상기 센서부와의 사이에서 전력 공급 또는 신호 전달이 행해지는, 역각 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전체는 브러시이며, 상기 정지체는 링인, 역각 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    복수의 센서부가 존재하고, 상기 복수의 센서부는, 상기 링을 둘러싸는 식으로 지지체 위에 배치되어 있는, 역각 센서.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 외장부는, 저면부(bottom surface)와, 상기 압압부재가 설치되어 있는 천면부(top surface unit)와, 상기 저면부와 상기 천면부를 지지하는 지지체를 포함하고, 상기 지지체의 위치는, 상기 저면부의 위치에 대해 실질적으로 고정되어 있는, 역각 센서.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 브러시는, 상기 저면부 위에 배치되어 있는, 역각 센서
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 브러시는, 상기 센서부가 배치된 상기 지지체 위에 배치되어 있는, 역각 센서.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센서부는, 자속 발생원 및 자전기 변환소자를 포함하고,
    상기 자속 발생원 또는 상기 자전기 변환소자 중 한쪽은, 상기 압압부재에 의해 지지되고, 다른 쪽은 상기 지지체 위에 설치되며, 상기 자속 발생원과 상기 자전기 변환소자는 서로에 대하여 이동할 수 있게 배치되고, 상기 자전기 변환소자의 출력에 근거해서 외력이 검출되는, 역각 센서.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 압압부재는, 두 개의 빔(beams)이 교차하는 구조를 가지고 있고, 상기 두 개의 빔 간의 교차점과 상기 링의 회전축은 실질적으로 동일 직선상에 배치되며, 상기 링의 회전축에 대해 축대칭으로 복수의 센서부가 배치되어 있는, 역각 센서.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 브러시는, 상기 센서부가 배치되어 있는 면의 반대측의 면에 배치되어 있는, 역각 센서.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    외부 출력 커넥터를 더 구비하는, 역각 센서.
  11. 복수의 링크를 연결해서 구성된 로봇 암으로서,
    청구항 1 또는 2에 따른 역각 센서를 구비하는 로봇 암.
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