KR20150138991A - 하모닉 드라이브 토크 측정 장치 - Google Patents

하모닉 드라이브 토크 측정 장치 Download PDF

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문형필
정병진
김병철
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 하모닉 드라이브의 외부 토크를 측정하는 토크 측정 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 하모닉 드라이브 토크 측정 장치는 하모닉 드라이브의 플렉스 스플라인에 장착되어 시간에 따른 변형량(토크 리플)을 측정하는 스트레인 게이지 및 웨이브 제너레이터의 각속도를 측정하는 각속도 측정모듈을 포함하는 신호감지부 및 상기 측정된 토크 리플을 상기 각속도에 따라 샘플링 주기를 변경하여 주파수를 미리 정해진 영역에 고정시키는 오더 분석모듈 및 상기 오더 분석모듈로부터 샘플링 된 토크 리플과 미리 정해진 기준 토크 리플을 비교하여 하모닉 드라이브에 가해진 외부 토크를 검출하는 오더 필터를 포함하는 신호처리부를 포함하여 이루어짐으로써, 정밀한 토크 측정이 가능하며 구조가 단순해 진다.

Description

하모닉 드라이브 토크 측정 장치{HARMONIC DRIVE TORQUE SENSING DEVICE}
본 발명은 하모닉 드라이브 토크 측정 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 하모닉 드라이브의 플렉스 스플라인에서 발생하는 토크 리플을 제거하여 토크를 측정할 수 있는 하모닉 드라이브 토크 측정 장치에 관한 것이다.
로봇의 관절에 주로 사용되는 하모닉 드라이브에 가해지는 외부 토크를 측정하는 기존의 방법 중 대표적인 것인 토크 센서를 사용하는 것이다.
이는 액추에이터의 출력단과 링크 사이에 특정한 형상을 가지는 구조체를 장착하고, 상기 외부 토크에 의한 구조체의 비틀림을 측정하여 이를 외부 토크로 환산하는 것이 기준적인 원리이다.
이러한 토크 센서는 하모닉 드라이브에서 발생하는 토크 리플을 정밀하게 제거하기 위하여 구조체의 형상 가공과 스트레인 게이지 장착에 요구되는 작업 숙련도 및 정밀도가 매우 높고, 스트레인 게이지 신호를 외부 토크로 환산하는 캘리브레이션 과정에 요구되는 비용이 존재하여 대량 생산에 불리한 점이 존재한다.
따라서, 상기 하모닉 드라이브에 토크 리플을 정밀하게 측정하면서도 그 비용이 크지 않은 하모닉 드라이브 토크 측정 장치가 요구되었다.
한국공개특허 제10-2012-0125903호(2012년 11월 19일 공개)
본 발명의 목적은 하모닉 드라이브 토크 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하모닉 드라이브의 플렉스 스플라인에서 발생하는 토크 리플을 제거할 수 있는 하모닉 드라이브 토크 측정 장치를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명에 따른 하모닉 드라이브 토크 측정 장치는 하모닉 드라이브의 플렉스 스플라인에 장착되어 시간에 따른 변형량(토크 리플)을 측정하는 스트레인 게이지 및 웨이브 제너레이터의 각속도를 측정하는 각속도 측정모듈을 포함하는 신호감지부 및 상기 측정된 토크 리플을 상기 각속도에 따라 샘플링 주기를 변경하여 주파수를 미리 정해진 영역에 고정시키는 오더 분석모듈 및 상기 오더 분석모듈로부터 샘플링 된 토크 리플과 미리 정해진 기준 토크 리플을 비교하여 하모닉 드라이브에 가해진 외부 토크를 검출하는 오더 필터를 포함하는 신호처리부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 오더 분석 모듈 및 오더 필터를 이용해 토크 리플에 의한 노이즈를 제거함으로써, 외부 토크를 정밀하게 구할 수 있는 하모닉 드라이브 토크 측정 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하모닉 드라이브 토크 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 하모닉 드라이브의 구조도이다.
도 3은 시간에 따른 토크 리플의 주파수를 도시한 것이다.
본 발명은 하모닉 드라이브 토크 측정 장치에 관한 것으로 도 1 내지 도 3을 참고로 본 발명에 따른 장치를 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도 1에 본 발명의 일 실시예에 따른 하모닉 드라이브 토크 측정 장치의 구성이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 장치는 신호 감지부(100) 및 신호 처리부(200)를 포함하여 이루어진다.
신호 감지부(100)는 후술할 신호 처리부(200)가 하모닉 드라이브에 가해지는 외부 토크를 계산하는데 필요한 정보를 측정하는 장치로 스트레인 게이지(110) 및 각속도 측정모듈(120)을 포함하여 이루어진다.
하모닉 드라이브의 구조를 도시한 도 2를 참조하여 상기 신호 감지부(100)를 설명하면 다음과 같다.
하모닉 드라이브(10)는 기준적으로 웨이브 제너레이터(11), 플렉스 스플라인(12) 및 서큘러 스플라인(13)으로 구성된다.
웨이브 제너레이터(11)은 타원형의 회전체로 회전 운동을 하면서 후술할 플렉스 스플라인(200)의 측면을 탄성 변형 시킨다. 상기 웨이브 제너레이터(100)는 상기 플렉스 스플라인(200)의 내측에 위치하게 된다.
플렉스 스플라인(12)은 탄성체로 형성되어 상기 웨이브 제너레이터(11)의 회전력에 의해 탄성 변형을 하게 된다. 상기 플렉스 스플라인(12)은 외측면의 원주면을 따라 제1 기어가 형성되며, 후술할 서큘러 스플라인(13)의 내측면에 원주면을 따라 형성된 제2 기어와 두 지점에서 맞물려진다.
서큘러 스플라인(13)은 원형의 강성체로 구성되며 내측면에 원주면을 따라 형성된 제2 기어와 맞물려진 상기 플렉스 스플라인(12)의 제1 기어로부터 회전력을 받아 회전하는 장치이다.
이때, 상기 서큘러 스플라인(13)의 회전 속도는 상기 제1 기어와 상기 제2 기어의 기어 비에 따라 비례하게 된다.
상기와 같이 구성된 하모닉 드라이브(10)에 있어서 플렉스 스플라인(12)은 웨이브 제네레이터의 회전 운동에 의해 탄성 변형을 하면서 발생하는 상기 플렉스 스플라인(12)의 시간에 따른 변형량을 토크 리플(Torque Ripple)이라고 한다.
본 상기 스트레인 게이지(110)는 상기 토크 리플을 측정하는 장치로서, 상기 플렉스 스플라인(12)의 일측면에 장착된다.
각속도 측정모듈(120)은 상기 웨이브 제너레이터(12)의 각속도를 측정하는 장치로서, 시간에 따른 웨이브 제너레이터(12)의 각속도를 측정하게 된다.
신호 처리부(200)는 상기 신호 감지부에서 측정된 토크 리플과 각속도를 이용하여 하모닉 드라이브(10)에 가해진 외부 토크를 측정하는 장치이다.
상기 신호 처리부(200)는 오더 분석모듈(210) 및 오더 필터(220)를 포함하여 구성된다.
오더 분석모듈(210)은 상기 측정된 토크 리플을 상기 각속도에 따라 샘플링 주기를 변경하여 토크 리플의 주파수를 미리 정해진 영역에 고정시키는 것을 특징으로 한다.
시간에 따른 토크 리플의 주파수를 도시한 도 3을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 웨이브 제너레이터(11)의 각속도가 미리 정해진 기준 각속도일 경우 상기 플렉스 스플라인(12)도 상기 기준 각속도에 따라 회전하게 되며, 그에 따라 상기 스트레인 게이지(110)에서 측정되는 토크 리플도 도 3과 같이 상기 기준 각속도에 따른 진폭과 주기가 반복되는 주파수를 형성한다.
하지만, 상기 웨이브 제너레이터(11)의 회전 속도가 상기 기준 각속도보다 더 빨라 질 경우 상기 스트레인 게이지(110)에서 측정되는 토크 리플의 주파수 주기는 더 짧아지게 되며, 회전 속도가 상기 기준 가속도보다 더 느려 질 경우 상기 스트레인 게이지(110)에서 측정되는 토크 리플의 주파수 주기는 더 길어지게 된다.
오더 분석모듈(210)은 상기 웨이브 제너레이터(11)의 각속도에 따라 달라지게 되는 상기 토크 리플의 주파수를 상기 기준 각속도에 따라 샘플링 주기를 변경하여 고정시키는 것을 특징으로 한다.
따라서, 외부에서 가해지는 토크가 없을 경우 오더 분석모듈(210)은 상기 웨이브 제너레이터(11)의 회전 속도가 변하더라도 기준 각속도에 따른 진폭과 주기가 반복되는 주파수로 출력하게 된다.
오더 필터(220)는 상기 오더 분석모듈(210)에서 출력된 토크 리플과 미리 정해진 기준 토크 리플을 비교하여 토크를 검출하는 장치이다.
더욱 상세히 설명하면 도 3에 도시된 것과 같이 오더 필터(220)에서 출력되는 토크 리플은 일정한 주파수를 유지하다가, 하모닉 드라이브에 외부 토크가 가해지게 되면 A부분과 같이 토크 리플이 변하게 된다.
따라서, 상기 오더 필터(220)는 상기 일정한 주파수를 유지하는 토크 리플을 제거함으로서 상기 외부 토크에 신호만 추출할 수 있으며, 상기 신호의 진폭과 시간을 측정하여 외부 토크의 크기와 토크가 가해진 시간을 계산할 수 있다.
이를 위하여 상기 오더 필터(220)는 상기 기준 각속도에 따른 기준 토크 리플을 저장하며, 상기 오더 분석모듈(210)에서 출력된 토크 리플과 비교하여 외부 토크를 구하게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 토크 측정 장치는 외부 토크를 측정하기 위하여 스트레인 게이지의 개수와 배치에 큰 영향을 받는 기존 하드웨어적 보정의 필요성을 배제할 수 있다. 이로써 낮은 정밀도 및 숙련도와 적은 부품을 이용한 저가 토크 센싱 장치를 구성할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 하모닉 드라이브 토크 측정 장치를 첨부된 도면을 참조로 구체적인 실시예로 한정되게 설명하였으나 이는 하나의 실시예일 뿐이며, 첨부된 특허청구범위에서 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
10 : 하모닉 드라이브 11 : 웨이브 제너레이터
12 : 플렉스 스플라인 13 : 서큘러 스플라인
100 : 신호 감지부 110 : 스트레인 게이지
120 : 각속도 측정모듈 200 : 신호 처리부
210 : 오더 분석모듈 220 : 오더 필터

Claims (1)

  1. 하모닉 드라이브의 플렉스 스플라인에 장착되어 시간에 따른 변형량(토크 리플)을 측정하는 스트레인 게이지 및 웨이브 제너레이터의 각속도를 측정하는 각속도 측정모듈을 포함하는 신호감지부; 및
    상기 측정된 토크 리플을 상기 각속도에 따라 샘플링 주기를 변경하여 주파수를 미리 정해진 영역에 고정시키는 오더 분석모듈 및 상기 오더 분석모듈로부터 샘플링 된 토크 리플과 미리 정해진 기준 토크 리플을 비교하여 하모닉 드라이브에 가해진 외부 토크를 검출하는 오더 필터를 포함하는 신호처리부;
    를 포함하여 이루어진 하모닉 드라이브 토크 측정 장치.
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