KR20160084031A - Method for measuring 6-axis force using a hydraulic touch sensor - Google Patents
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Abstract
내부에 유체를 포함하여 대상물과 접촉하는 경우 변형되는 터치패드, 및 상기 터치패드의 변형된 형상을 촬영하는 측정부를 포함하는 유체형 촉각센서를 이용한 6축력 측정방법에서, 상기 측정부에서 촬영된 상기 터치패드의 형상에 관한 정보, 및 상기 터치패드에 작용하는 압력에 관한 정보를 입력받는다. 상기 터치패드를 미소 면소로 분할한다. 상기 분할된 각각의 미소 면소에서 힘 평형 방정식(force balance equation)을 적용하여 각 미소 면소에 작용하는 좌우, 상하 방향의 힘을 각각 산출한다. 상기 각 미소 면소에 작용하는 좌우, 상하 방향의 힘으로부터 각 미소 면소에서의 X, Y, Z 축 방향의 힘을 산출한다. 상기 각 미소 면소에서의 X, Y, Z 축 방향의 힘을 합산하여 상기 터치패드 전체에 작용하는 X, Y, Z 축 방향의 힘을 산출한다. A six-axis force measuring method using a fluid-type tactile sensor including a fluid tactile sensor including a fluid inside the touch pad, the touch pad being deformed when the fluid touches the object, and the measuring unit photographing the deformed shape of the touch pad, Information about the shape of the touch pad, and information about the pressure acting on the touch pad. The touch pad is divided into a minute surface area. The force balance equations are applied to each of the divided minute surfaces to calculate the left and right force acting on each fine surface, respectively. The forces in the X, Y, and Z axes at the respective minute facets are calculated from the forces in the left and right and upward and downward directions acting on the respective minute facets. The forces in the X, Y, and Z axes at the respective minute facets are summed to calculate the forces in the X, Y, and Z axes acting on the entire touch pad.
Description
본 발명은 6축력 측정방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 터치패드를 포함하는 유체형 촉각센서를 이용하여 상기 터치패드에 인가되는 6축력을 측정하는 유체형 촉각센서를 이용한 6축력 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a six-axis force measuring method, and more particularly, to a six-axis force measuring method using a fluid tactile sensor for measuring a six-axis force applied to the touch pad using a fluid tactile sensor including a touch pad .
로봇이나 매니퓰레이터(manipulator)의 정밀제어를 위해서는 작업대상물과 로봇이나 매니퓰레이터 사이에 작용하는 외력의 측정이 필요하며, 일반적으로 로봇이나 매니퓰레이터의 끝단, 즉 엔드이펙터(end effector)에 3축 힘과 3축 모멘트를 포함한 6축력을 측정할 수 있는 측정센서가 설치되어, 상기 외력을 측정한다. In order to precisely control a robot or a manipulator, it is necessary to measure an external force acting between a workpiece and a robot or a manipulator. Generally, an end effector or end effector of a robot or a manipulator has a three- A measurement sensor capable of measuring a six-axis force including a moment is provided, and the external force is measured.
이러한 로봇이나 매니퓰레이터의 끝단의 6축력을 측정하기 위한 기술로, 대한민국 특허출원 제10-2011-0036967호에서는 로봇의 손가락 끝에 위치하여 6축력의 연산을 수행하는 연산처리부를 내장하여 스트레인 게이지의 개수를 줄이는 기술을 개시하고 있다. Korean Patent Application No. 10-2011-0036967 discloses a technology for measuring the six-axis force of the end of such a robot or a manipulator. In Korean Patent Application No. 10-2011-0036967, an arithmetic processing unit for performing a calculation of a six- And the like.
이외에도, 종래의 대부분의 6축력 측정의 경우, 스트레인 게이지 등이 포함되어 힘과 모멘트를 직접 측정하는 측정센서를 설치하는 것을 핵심으로 하며, 상기 대한민국 특허출원 제10-2011-0036967호와 같이 개선된 측정기술에서도 직접적으로 힘/모멘트를 측정하기 위한 측정센서를 포함하는 것이 일반적이다. In addition, in the case of most conventional six-axis force measurement, a strain gauge or the like is included to provide a measurement sensor for directly measuring force and moment, and as described in Korean Patent Application No. 10-2011-0036967, It is common in measurement technology to include measurement sensors for directly measuring force / moment.
그러나, 최근 물건을 파지하기 위한 로봇의 개발에서, 인간의 손가락 등과 같은 부드러운 유연성 소재로 로봇의 파지부를 제작하는 기술적 요구가 증가하고 있으며, 이에 따라, 유연성 소재로 물건을 파지하면서도 정확하고 세밀한 파지를 위한 6축력의 측정기술의 필요성도 증가하고 있다. However, recently, in the development of robots for gripping objects, there has been an increasing technical demand for manufacturing grip parts of robots using soft flexible materials such as human fingers. Accordingly, while grasping objects with a flexible material, There is a growing need for a six-axis force measurement technique.
그럼에도, 종래의 측정센서를 이용한 6축력의 측정기술은 유연성 소재의 로봇의 파지부를 제작하는데 적용하기에는 기술적 한계가 있으며, 이에 따라 유연성 소재의 파지부를 제작하면서도 별도의 측정센서를 생략하고 6축력을 측정할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다. Nevertheless, there is a technical limitation in applying the measuring technique of the six-axis force using the conventional measuring sensor to the manufacture of the grip portion of the flexible material. Thus, while manufacturing the grip portion of the flexible material, a separate measuring sensor is omitted, It is required to develop a technique capable of measuring the temperature of the liquid.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 유체형 촉각센서를 이용하여 6축력을 정확하게 측정하여 별도의 측정센서를 생략할 수 있는 6축력 측정방법에 관한 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and an object of the present invention is to provide a six-axis force measuring method capable of precisely measuring six-axis force using a fluid tactile sensor and omitting a separate measuring sensor.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 유체형 촉각센서를 이용한 6축력 측정방법에서 측정부에서 촬영된 터치패드의 형상에 관한 정보, 및 상기 터치패드에 작용하는 압력에 관한 정보를 입력받는다. 상기 터치패드를 미소 면소로 분할한다. 상기 분할된 각각의 미소 면소에서 힘 평형 방정식(force balance equation)을 적용하여 각 미소 면소에 작용하는 좌우, 상하 방향의 힘을 각각 산출한다. 상기 각 미소 면소에 작용하는 좌우, 상하 방향의 힘으로부터 각 미소 면소에서의 X, Y, Z 축 방향의 힘을 산출한다. 상기 각 미소 면소에서의 X, Y, Z 축 방향의 힘을 합산하여 상기 터치패드 전체에 작용하는 X, Y, Z 축 방향의 힘을 산출한다. In the 6-axis force measuring method using the fluid tactile sensor according to one embodiment for realizing the object of the present invention, information about the shape of the touch pad photographed by the measuring unit, information about the pressure acting on the touch pad . The touch pad is divided into a minute surface area. The force balance equations are applied to each of the divided minute surfaces to calculate the left and right force acting on each fine surface, respectively. The forces in the X, Y, and Z axes at the respective minute facets are calculated from the forces in the left and right and upward and downward directions acting on the respective minute facets. The forces in the X, Y, and Z axes at the respective minute facets are summed to calculate the forces in the X, Y, and Z axes acting on the entire touch pad.
일 실시예에서, 상기 각 미소 면소에 작용하는 좌우, 상하 방향의 힘을 각각 산출하는 단계에서, In one embodiment, in the step of calculating the left and right vertical force acting on each fine face,
식 (2) Equation (2)
(Fl: 미소 면소에 작용하는 좌측방향 힘, Fr: 미소 면소에 작용하는 우측방향 힘, Fu: 미소 면소에 작용하는 상측방향 힘, Fd: 미소 면소에 작용하는 하측방향 힘, p: 미소 면소에 작용하는 압력, S: 미소 면소의 면적)(F l : leftward force acting on fine face, F r : rightward force acting on fine face, F u : upward force acting on fine face, F d : downward force acting on fine face, p : Pressure acting on fine cotton, S: area of fine cotton)
상기 식 (2)의 힘 평형 방정식을 적용할 수 있다. The force equilibrium equation of the above equation (2) can be applied.
일 실시예에서, 상기 식 (2)의 힘 평형 방정식은, In one embodiment, the force equilibrium equation of equation (2)
식 (6) Equation (6)
식 (7) Equation (7)
식 (8) Equation (8)
((i,j): 임의의 미소면소, θxy: XY 평면에서 미소면소의 접선방향과 X축이 이루는 각, θz: XZ 평면에서 미소면소의 접선방향과 X축이 이루는 각, Sx: 미소면소의 X축 방향의 면적, Sy: 미소면소의 Y축 방향의 면적, Sz: 미소면소의 Z축 방향의 면적)( x , y) is an angle formed by the tangential direction of the minute surface in the XY plane and the X axis, and θ z is an angle formed by the tangential direction of the fine surface in the XZ plane and the X axis, S x : Area in the X-axis direction of the fine cotton, S y : area in the Y-axis direction of the fine cotton, S z : area in the Z-axis direction of the fine cotton)
각 미소 면소에서 X, Y, Z 축 방향의 성분으로 각각 상기 식 (6) 내지 (8)로 산출될 수 있다. (6) to (8) as the components in the X, Y, and Z-axis directions at the respective minute facets.
일 실시예에서, 상기 식 (6)의 미소 면소에서의 X축 방향의 성분은, In one embodiment, the component in the X-axis direction in the micro face of the formula (6)
식 (9) Equation (9)
식 (10) Equation (10)
미소 면소가 XY 평면에서 제1 및 제2 사분면에 해당되면 식 (9), 제3 및 제4 사분면에 해당되면 식 (10)을 이용할 수 있다. Equation (9) can be used if the minute surface area corresponds to the first and second quadrants in the XY plane, and Equation (10) can be used if it corresponds to the third and fourth quadrants.
일 실시예에서, 상기 식 (7)의 미소 면소에서의 Y축 방향의 성분은, In one embodiment, the component in the Y-axis direction in the micro face of the formula (7)
식 (11) Equation (11)
식 (12) Equation (12)
미소 면소가 XY 평면에서 제1 및 제4 사분면에 해당되면 식 (11), 제2 및 제3 사분면에 해당되면 식 (12)을 이용할 수 있다. Equation (11) can be used if the minute surface is in the first and fourth quadrants in the XY plane, and Equation (12) can be used if it is in the second and third quadrants.
일 실시예에서, 상기 식 (8)의 미소 면소에서의 Z축 방향의 성분은, In one embodiment, the component in the Z-axis direction at the micro face of the equation (8)
식 (13) Equation (13)
식 (14) Equation (14)
상기 식 (13) 및 식 (14)을 이용할 수 있다. The above equations (13) and (14) can be used.
일 실시예에서, 상기 분할된 각각의 미소 면소에서 모멘트 평형 방정식(moment balance equation)을 적용하여 각 미소 면소에 작용하는 좌우, 상하 방향의 모멘트를 각각 산출하는 단계, 상기 각 미소 면소에 작용하는 좌우, 상하 방향의 모멘트로부터 각 미소 면소에서의 X, Y, Z 축 방향의 모멘트를 산출하는 단계, 및 상기 각 미소 면소에서의 X, Y, Z 축 방향의 모멘트를 합산하여 상기 터치패드 전체에 작용하는 X, Y, Z 축 방향의 모멘트를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, a moment balance equation is applied to each of the divided minute surfaces so as to calculate respective moments in the left and right and upward and downward directions acting on the respective fine surface areas, Calculating a moment in the X, Y, and Z-axis directions at each fine surface from the moment in the up-and-down direction, and summing moments in the X, Y, and Z- And calculating a moment in the X, Y, and Z axial directions.
본 발명의 실시예들에 의하면, 유체가 포함된 터치패드를 통해 대상물과 접촉시 상기 터치패드에 작용되는 6축력을 산출할 수 있으므로, 종래의 6축력 산출을 위한 전자/기계 센서를 사용하지 않으면서도 6축력의 산출이 가능하다. 그리하여, 로봇을 이용한 물건의 파지 등의 상황에서, 로봇의 파지부를 유체가 포함된 터치패드로 대체할 수 있어 실제 인간이 물건을 파지하는 것과 유사한 매커니즘을 구현할 수 있으며, 물건의 파지 등의 상황에서 작용되는 힘과 모멘트를 측정하여 최적의 힘과 모멘트를 인가하도록 제어할 수 있다. According to the embodiments of the present invention, since the six-axis force acting on the touch pad can be calculated when the touch pad is in contact with the object through the touch pad including the fluid, if the conventional electronic / mechanical sensor for calculating the six- It is also possible to calculate the axial force. Thus, in a situation such as grasping a product using a robot, the grip portion of the robot can be replaced by a touch pad including a fluid, thereby realizing a mechanism similar to that of an actual human being grasping a product, It is possible to control to apply the optimum force and moment.
특히, 상기 터치패드를 미소 면소로 분할한 후, 힘 또는 모멘트 평형 방정식을 통해 미소면소에 작용하는 힘 또는 모멘트를 산출하여 전체 터치패드에 작용하는 6축력을 산출하는 것으로, 종래에 터치패드의 끝단부에 edge marker 등의 마킹을 통한 측면 끝단부의 변위 계측을 수행하지 않고도, 터치패드에 작용하는 6축력을 산출할 수 있다. In particular, after calculating the force or moment acting on the minute surface by the force or moment equilibrium equation after dividing the touch pad into a minute surface area, a six-axis force acting on the entire touch pad is calculated. Conventionally, The six-axis force acting on the touch pad can be calculated without performing displacement measurement of the side end portion through marking such as an edge marker on the portion.
즉, 상기 터치패드의 끝단부에 작용하는 장력이나 힘의 정보를 측정하지 않으면서도, 전체 터치패드에 인가되는 압력, 터치패드의 형상 및 면적에 관한 정보만으로 터치패드가 대상물과 접촉함에 따라 터치패드에 인가되는 6축력을 산출할 수 있다. That is, without measuring tension or force information acting on the end portion of the touch pad, only the information about the pressure applied to the entire touch pad, the shape and area of the touch pad, The six-axis force applied to the rotor can be calculated.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 6축력 측정방법에 사용되는 유체형 촉각센서를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 6축력 측정방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 도 1의 유체형 촉각센서의 터치패드에 대상물이 접촉된 상태를 도시한 모식도이다.
도 4는 도 2에서 터치패드를 미소 면소로 분할한 상태를 도시한 모식도이다.
도 5는 도 2에서 각 미소 면소에서의 평형 방정식을 도출하기 위한 모식도이다.
도 6은 XY 평면상에서 도 2의 각 미소 면소에 작용하는 힘을 도시한 모식도이다.
도 7은 XZ 평면상에서 도 2의 각 미소 면소에 작용하는 힘을 도시한 모식도이다. 1 is a perspective view illustrating a fluid tactile sensor used in a six-axis force measuring method according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a six-axis force measuring method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state where an object is in contact with a touch pad of the fluid tactile sensor of FIG. 1. FIG.
Fig. 4 is a schematic diagram showing a state in which the touch pad is divided into minute facets in Fig. 2. Fig.
FIG. 5 is a schematic diagram for deriving the equilibrium equation at each fine surface in FIG.
Fig. 6 is a schematic diagram showing forces acting on the respective fine surface areas in Fig. 2 on the XY plane.
Fig. 7 is a schematic diagram showing forces acting on the respective minute surface areas of Fig. 2 on the XZ plane.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. In the present application, the term "comprises" or "comprising ", etc. is intended to specify that there is a stated feature, figure, step, operation, component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 6축력 측정방법에 사용되는 유체형 촉각센서를 도시한 사시도이다. 1 is a perspective view illustrating a fluid tactile sensor used in a six-axis force measuring method according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 6축력 측정방법에 사용되는 유체형 촉각센서(10)는 몸체부(100), 터치패드부(110), 측정부(130), 영상 처리부(140) 및 산출부(150)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the fluid
상기 몸체부(100)는 내부에 수납공간(1)을 형성하며, 상기 측정부(130)가 상기 수납공간(1)으로 위치한다. The
상기 터치패드부(110)는 플레이트부(111) 및 터치패드(112)를 포함하며, 상기 몸체부(100)의 하부에 고정된다. 상기 플레이트부(111)는 상기 몸체부(100)의 수납공간(1)과 상기 터치패드(112)를 구분하며, 상기 터치패드(112)의 내부에는 유체가 봉입된다. The
상기 터치패드(112)는 소정의 탄성력을 가지는 재질로 형성되며, 내부에 유체가 봉입된 상태이므로, 외면에 대상물(1)이 접촉하는 경우 상기 터치패드(112)의 형상은 변형된다. Since the
특히, 상기 터치패드(112)의 내부에 유체가 채워져 있으므로, 상기 터치패드(112)는 상기 유체에 의해 외측 방향으로 압력을 받는 상태이다. 따라서, 상기 외면에 대상물(1)이 접촉하여 상기 유체가 외부로 작용하는 압력보다 큰 압력을 받는 경우 상기 터치패드(112)는 형상이 변형된다. Particularly, since the interior of the
상기 측정부(130)는 상기 터치패드(112)의 변형된 형상을 촬영하며, 이를 위해 한 쌍의 카메라들(131, 132)이 상기 터치패드(112)를 향하도록 배치된다. 이 경우, 상기 측정부(130)는 하나의 카메라만 포함할 수도 있으며, 한 쌍의 카메라를 포함하는 경우 스테레오 방식으로 상기 터치패드(112)의 변형된 형상을 촬영할 수 있다. The
이와 같이, 상기 측정부(130)에서 촬영된 상기 터치패드의 변형된 형상에 관한 정보는 상기 영상 처리부(140)로 제공되어 촬영 데이터가 처리되어, 상기 터치패드의 변형된 형상이 도출된다. In this way, the information about the deformed shape of the touch pad photographed by the measuring
한편, 상기 산출부(150)는 정보 입력부(151) 및 연산부(152)를 포함하며, 상기 정보 입력부(151)는 상기 연산부(152)에 상기 터치패드의 형상에 관한 정보, 상기 터치패드에 작용하는 압력에 관한 정보 등을 제공한다. The
상기 연산부(152)는 상기 정보 입력부(151)로부터 제공받은 상기 터치패드의 형상에 관한 정보, 상기 터치패드에 작용하는 압력에 관한 정보를 바탕으로 상기 터치패드가 상기 대상물(1)에 접촉한 경우 상기 터치패드에 작용하는 6축력을 측정한다. When the touch pad contacts the
이하에서는, 상기 연산부(152)에서의 6축력 측정방법에 대하여 상술한다. Hereinafter, the six-axis force measuring method in the calculating
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 6축력 측정방법을 도시한 흐름도이다. 도 3은 도 1의 유체형 촉각센서의 터치패드에 대상물이 접촉된 상태를 도시한 모식도이다. 도 4는 도 2에서 터치패드를 미소 면소로 분할한 상태를 도시한 모식도이다. 도 5는 도 2에서 각 미소 면소에서의 평형 방정식을 도출하기 위한 모식도이다. 도 6은 XY 평면상에서 도 2의 각 미소 면소에 작용하는 힘을 도시한 모식도이다. 도 7은 XZ 평면상에서 도 2의 각 미소 면소에 작용하는 힘을 도시한 모식도이다. 2 is a flowchart illustrating a six-axis force measuring method according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a schematic diagram showing a state where an object is in contact with a touch pad of the fluid tactile sensor of FIG. 1. FIG. Fig. 4 is a schematic diagram showing a state in which the touch pad is divided into minute facets in Fig. 2. Fig. FIG. 5 is a schematic diagram for deriving the equilibrium equation at each fine surface in FIG. Fig. 6 is a schematic diagram showing forces acting on the respective fine surface areas in Fig. 2 on the XY plane. Fig. 7 is a schematic diagram showing forces acting on the respective minute surface areas of Fig. 2 on the XZ plane.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 연산부(152)는 상기 정보 입력부(151)로부터, 상기 대상물(1)이 상기 터치패드(112)에 접촉함에 따라 상기 터치패드(112)가 변형된 형상에 관한 정보를 입력받으며, 상기 터치패드(112)의 변형전의 형상, 면적(S) 및 상기 터치패드(112)의 내부에 채워진 유체에 의해 상기 터치패드(112)가 받는 압력(p)에 관한 정보를 입력받는다(단계 S10).2 and 3, the
한편, 도 3의 경우, 터치패드(112)의 수평한 바닥부(base)에 대하여, 상기 대상물(1)에 의해 상기 유체가 상기 터치패드의 바닥부에 인가하는 압력과 상기 터치패드(112)의 모서리부에 인가되는 힘의 총합이 상기 터치패드(112)의 바닥부(base)에 인가되는 힘으로 정의되며, 이를 힘 평형 방정식(force balance equation)으로 표현하면 하기 식 (1)과 같다. 3, the pressure applied to the bottom of the touch pad by the
식 (1) Equation (1)
이 후, 도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 터치패드(112)를 도 4에 도시된 바와 같이 미소면소로 분할한다(단계 S20). 이 경우, Z축 방향으로 m개의 라인으로 상기 터치패드(112)를 분할하는 경우, 상기 분할된 미소면소에 대하여 Z축 방향의 모든 미소면소에 대한 힘(F1, F2, F3, ..., Fm -2, Fm -1, Fm)을 합하면 상기 터치패드(112)에 작용하는 Z축 방향의 합력을 산출할 수 있다. 2 and 4, the
이와 같이 분할된 상기 터치패드(112)의 임의의 미소면소는 도 5에 도시된다. An arbitrary minute surface area of the
이 후, 도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 미소면소들 각각에 대하여 힘 평형 방정식을 적용하여 Fr, Fl, Fu, Fd를 각각 산출한다(단계 S30). Next, referring to FIGS. 2 and 5, F r , F l , F u , and F d are calculated by applying a force equilibrium equation to each of the fine surfaces (step S30).
이 경우, Fr, Fl, Fu, Fd은 각각 상기 미소면소에 작용하는 우측(right)방향의 힘, 좌측(left)방향의 힘, 상부(upper)방향의 힘, 하부(lower)방향의 힘을 의미하며, 상기 미소면소의 면적은 S, 상기 미소면소에 작용하는 압력은 P로 표현된다. In this case, F r , F l , F u , and F d are forces in the right direction, force in the left direction, force in the upper direction, Direction, the area of the fine pattern area is represented by S, and the pressure acting on the fine pattern area is represented by P.
즉, 하기 식 (1)의 힘 평형 방정식을 상기 미소면소에 적용하면 하기 식 (2)와 같이 기술된다. That is, when the force equilibrium equation of the following equation (1) is applied to the micro face, it is described as the following equation (2).
식 (2) Equation (2)
도 6은, 임의의 XY 평면에서 미소면소를 도시한 것이고, 상기 임의의 미소면소에 대하여 XY 평면상에서 힘 평형 방정식을 기술하면 상기 식 (2)는 하기 식 (3) 및 식 (4)와 같이 표현할 수 있다. Fig. 6 is a diagram showing a micro pattern on an arbitrary XY plane, and when a force equilibrium equation is described on an XY plane with respect to the arbitrary fine pattern, the equation (2) is expressed by the following equations (3) and Can be expressed.
이 때, (i, j)cell은 힘 평형 방정식이 적용되는 해당 미소 면소이며 (i, j+1)cell 또는 (i, j-1)cell은 (i, j)cell에 인접한 미소면소로 정의된다. 이에 따라, θxy(i,j)는 XY평면상의 해당 미소면소 (i, j)cell의 일 끝단의 접선방향과 X축과 이루는 각으로 정의되고, θxy(i,j+1)은 XY평면상의 (i, j)cell에 인접한 (i, j+1)cell의 일 끝단의 접선방향과 X축이 이루는 각으로 정의된다. In this case, (i, j) cell is a corresponding micro-scale to which the equilibrium equations are applied, and (i, j + 1) do. Accordingly, θ xy (i, j) is the XY plane corresponding smile myeonso (i, j) of one end of the cell is defined as a tangential direction and the X axis and the angle, θ xy (i, j + 1) are XY on the Is defined as the angle formed by the tangential direction of one end of the (i, j + 1) cell adjacent to the (i, j) cell on the plane and the X axis.
식 (3) Equation (3)
식 (4) Equation (4)
또한, 도 7은, 임의의 XZ평면에서 미소면소를 도시한 것이고, 상기 임의의 미소면소에 대하여 XZ 평면상에서 힘 평형 방정식을 기술하면 상기 식 (2)는 하기 식 (5)와 같이 표현할 수 있다. Fig. 7 is a diagram showing a micro-pattern on an arbitrary XZ plane. When a force equilibrium equation is described on an XZ plane with respect to the arbitrary fine pattern, the equation (2) can be expressed by the following equation (5) .
마찬가지로, θz(i,j)는 XZ평면상의 해당 미소면소 (i, j)cell의 일 끝단의 접선방향과 X축과 이루는 각으로 정의되고, θz(i,j+1)은 XZ평면상의 (i, j)cell에 인접한 (i, j+1)cell의 일 끝단의 접선방향과 X축이 이루는 각으로 정의된다. Similarly, θ z (i, j) is defined as an angle formed by the tangential direction of one end of the corresponding fine surface (i, j) cell on the XZ plane and the X axis , Is defined as the angle formed by the tangential direction of one end of the (i, j + 1) cell adjacent to the (i, j) cell of the phase and the X axis.
식 (5) Equation (5)
상기 식 (3), 식 (4) 및 식 (5)를 각각 X축, Y축 및 Z축 성분으로 보다 구체적으로 표현하면 하기 식 (6), 식 (7) 및 식 (8)로 나타내진다. Expressions (6), (7), and (8) below are expressed more specifically as the X-axis, Y-axis, and Z- .
식 (6) Equation (6)
식 (7) Equation (7)
식 (8) Equation (8)
이 때, Sx는 해당 미소면소의 X축 방향의 면적, Sy는 해당 미소면소의 Y축 방향의 면적, Sz는 해당 미소면소의 Z축 방향의 면적에 해당된다. In this case, S x corresponds to the area in the X-axis direction of the corresponding micro face, S y corresponds to the area in the Y-axis direction of the corresponding micro face, and S z corresponds to the area in the Z axis direction of the corresponding micro face.
나아가, 상기 식 (6)은 해당 미소면소가 XY평면에서 제1 및 제2 사분면에 해당되면 식 (9)로, 해당 미소면소가 XY평면에서 제3 및 제4 사분면에 해당되면 식 (10)으로 수정된다. (9), and if the corresponding fine pattern is in the third and fourth quadrants in the XY plane, the equation (6) .
식 (9) Equation (9)
식 (10) Equation (10)
마찬가지로, 식 (7)은 해당 미소면소가 XY평면에서 제1 및 제4 사분면에 해당되면 식 (11)로, 해당 미소면소가 XY평면에서 제2 및 제3 사분면에 해당되면 식 (12)로 수정된다. Equation (7) can be expressed as Equation (11) if the corresponding fine surface is in the first and fourth quadrants in the XY plane, and Equation (12) is obtained if the corresponding fine surface is in the second and third quadrants in the XY plane. Is modified.
식 (11) Equation (11)
식 (12) Equation (12)
나아가, 식 (8)의 해당 미소면소에서의 Z축 방향의 성분은 방향성을 고려하여 식 (13)으로 수정되며, 추가로 식 (14)와 같은 Fr, Fl, Fu, Fd들 사이의 추가식이 도출된다. Further, the component in the Z-axis direction at the corresponding fine surface of the equation (8) is corrected to the equation (13) in consideration of the directionality, and further, F r , F l , F u , F d Lt; / RTI >
식 (13) Equation (13)
식 (14) Equation (14)
이상과 같이, 상기 식 (9) 내지 식 (14)를 이용하여, 해당 미소면소 (i, j)cell에서의 Fr, Fl, Fu, Fd들을 산출할 수 있다. 즉, 해당 미소면소에 작용하는 4방향의 힘을 모두 산출할 수 있다. As described above, F r , F l , F u , and F d in the corresponding small surface area (i, j) cell can be calculated using the above equations (9) to (14). That is, it is possible to calculate all of the forces in the four directions acting on the fine surface.
이와 같이, 해당 미소면소에 작용하는 4방향의 힘 Fr, Fl, Fu, Fd들을 산출하면, 상기 미소면소를 중심으로 한 4방향의 힘 Fr, Fl, Fu, Fd들을 X축, Y축 및 Z축 방향으로 변환한 Fx, Fy, Fz를 해당 미소면소에 대하여 산출한다(단계 S40). When the forces F r , F l , F u , and F d in the four directions acting on the fine surface are calculated, the forces F r , F l , F u , and F d F x , F y , and F z obtained by converting the X, Y, and Z axes to the X, Y, and Z axis directions (step S40).
이 후, 각각의 미소면소에서 산출된 X축, Y축 및 Z축 방향의 Fx, Fy, Fz를 모두 합산하면(단계 S50), X축, Y축 및 Z축 방향으로 상기 터치패드(112)에 작용하는 힘을 측정할 수 있다. 또한, 상기 X축, Y축 및 Z축 방향의 힘의 합력을 통해 상기 터치패드(112) 전체에 작용하는 힘의 방향 및 크기를 산출할 수 있다. Thereafter, all the F x , F y , and F z in the X axis, Y axis, and Z axis directions calculated in the respective fine face areas are summed (step S50) The force exerted on the
이와 같이, 본 실시예에서는 상기 터치패드(112)에 edge marker 등의 마커를 사용하여 상기 터치 패드(112) 측면의 변위를 계측하거나, 상기 터치 패드(112) 측면에 작용하는 힘에 관한 정보를 입력받지 않은 상태에서, 단순히 상기 터치 패드(112)의 변형된 형상, 상기 터치 패드(112)에 작용하는 압력에 관한 정보를 바탕으로, 상기 터치 패드(112)를 미소 면소로 분할하는 것으로 상기 터치패드(112)에 작용하는 힘을 산출할 수 있다. As described above, in this embodiment, a marker such as an edge marker is used for the
한편, 상기에서 설명한 것과 동일한 방법으로 상기 터치패드(112) 전체에 작용하는 모멘트의 방향 및 크기를 산출할 수 있으며, 상기 X축, Y축 및 Z축 방향의 모멘트는 각각 상기 X축, Y축 및 Z축 방향의 힘을 측정하는 방법과 동일하게 상기 터치 패드(112)의 변형된 형상, 상기 터치 패드(112)에 작용하는 압력에 관한 정보를 바탕으로, 상기 터치 패드(112)를 미소 면소로 분할하는 것으로 산출이 가능하다. Meanwhile, the direction and the magnitude of the moment acting on the
다만, 도 3을 다시 참조하면, 상기 터치패드(112)의 수평한 바닥부(base)에 대하여, 상기 대상물(1)에 의해 상기 유체가 상기 터치패드의 바닥부에 인가하는 압력에 의해 발생하는 모멘트와, 상기 터치패드(112)의 모서리부에 인가되는 힘에 의해 발생하는 모멘트의 총합이 상기 터치패드(112)의 바닥부(base)에 인가되는 모멘트로 정의되며, 이를 모멘트 평형 방정식(force balance equation)으로 표현하면 상기 식 (1)은 하기 식 (15)와 같이 변형된다. 3, the fluid is generated by the pressure applied to the bottom of the touch pad by the
식 (15) Equation (15)
즉, 상기 모멘트 평형 방정식을, 상기 터치패드(112)를 미소 면소로 나눈 각각의 미소면소에 적용하여, 해당 미소 면소에서의 X, Y, Z축 방향의 모멘트를 산출하고, 이를 합산하면 상기 터치패드(112) 전체에 작용하는 X, Y, Z축 방향의 모멘트를 측정할 수 있다. That is, the moment balance equation is applied to each of the minute surface areas divided by the minute surface area of the
그리하여, X, Y, Z축 방향의 힘과 모멘트를 모두 측정하여 상기 터치패드(112)에 작용하는 6축력을 측정할 수 있다. Thus, it is possible to measure the six-axis force acting on the
이러한, 터치패드를 이용한 6축력의 측정은, 물건을 파지하는 로봇의 손가락 등에 적용되는 경우, 로봇의 손가락 부분을 터치패드를 포함하는 유체형 촉각센서로 제작하고, 상기 터치패드에 작용하는 6축력을 측정함으로써 실제 물건을 정확하게 파지하기 위한 최적의 6축력을 상기 로봇의 손가락 부분으로 인가하도록 제어하는 기술에 응용될 수 있다. When the six-axis force measurement using the touch pad is applied to a finger or the like of a robot holding an object, the finger portion of the robot is made of a fluid tactile sensor including a touch pad, To the finger portion of the robot so that an optimal six-axis force for accurately grasping an actual object can be applied to the finger portion of the robot.
특히, 상기 유체형 촉각센서는 별도의 전자/기계적 요소를 포함하는 센서부를 필요로하지 않으므로, 소형화 정밀화할 수 있으며, 이에 따라 의료용 로봇 등에 적용되어 물건의 파지 또는 대상물의 계측 등을 위한 최적의 힘을 제어하는 용도로 활용될 수 있다. Particularly, since the fluid tactile sensor does not require a sensor unit including a separate electronic / mechanical element, the fluid tactile sensor can be miniaturized and precisely applied. Therefore, the fluid tactile sensor can be applied to a medical robot or the like to provide an optimal force for gripping objects, As shown in FIG.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 유체가 포함된 터치패드를 통해 대상물과 접촉시 상기 터치패드에 작용되는 6축력을 산출할 수 있으므로, 종래의 6축력 산출을 위한 전자/기계 센서를 사용하지 않으면서도 6축력의 산출이 가능하다. 그리하여, 로봇을 이용한 물건의 파지 등의 상황에서, 로봇의 파지부를 유체가 포함된 터치패드로 대체할 수 있어 실제 인간이 물건을 파지하는 것과 유사한 매커니즘을 구현할 수 있으며, 물건의 파지 등의 상황에서 작용되는 힘과 모멘트를 측정하여 최적의 힘과 모멘트를 인가하도록 제어할 수 있다. According to the present embodiment, since the six-axis force acting on the touch pad can be calculated when the touch pad is in contact with the object through the touch pad including the fluid, if the conventional electronic / mechanical sensor for calculating the six- It is also possible to calculate the axial force. Thus, in a situation such as grasping a product using a robot, the grip portion of the robot can be replaced by a touch pad including a fluid, thereby realizing a mechanism similar to that of an actual human being grasping a product, It is possible to control to apply the optimum force and moment.
특히, 상기 터치패드를 미소 면소로 분할한 후, 힘 또는 모멘트 평형 방정식을 통해 미소면소에 작용하는 힘 또는 모멘트를 산출하여 전체 터치패드에 작용하는 6축력을 산출하는 것으로, 종래에 터치패드의 끝단부에 edge marker 등의 마킹을 통한 측면 끝단부의 변위 계측을 수행하지 않고도, 터치패드에 작용하는 6축력을 산출할 수 있다. In particular, after calculating the force or moment acting on the minute surface by the force or moment equilibrium equation after dividing the touch pad into a minute surface area, a six-axis force acting on the entire touch pad is calculated. Conventionally, The six-axis force acting on the touch pad can be calculated without performing displacement measurement of the side end portion through marking such as an edge marker on the portion.
즉, 상기 터치패드의 끝단부에 작용하는 장력이나 힘의 정보를 측정하지 않으면서도, 전체 터치패드에 인가되는 압력, 터치패드의 형상 및 면적에 관한 정보만으로 터치패드가 대상물과 접촉함에 따라 터치패드에 인가되는 6축력을 산출할 수 있다. That is, without measuring tension or force information acting on the end portion of the touch pad, only the information about the pressure applied to the entire touch pad, the shape and area of the touch pad, The six-axis force applied to the rotor can be calculated.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. It can be understood that it is possible.
본 발명에 따른 유체형 촉각센서를 이용한 6축력 측정방법은 손가락으로 물건을 파지하는 로봇 등에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다. The six-axis force measuring method using the fluid tactile sensor according to the present invention has industrial applicability that can be used for robots that hold objects with a finger.
10 : 유체형 촉각센서
1 : 대상물
100 : 몸체부
110 : 터치패드부
111 : 플레이트부
112 : 터치패드
130 : 측정부
140 : 영상 처리부
150 : 산출부
151 : 정보 입력부
152 : 연산부10: fluid tactile sensor 1: object
100: body part 110: touch pad part
111: plate portion 112: touch pad
130: measuring unit 140: image processing unit
150: Calculator 151: Information input unit
152:
Claims (7)
상기 측정부에서 촬영된 상기 터치패드의 형상에 관한 정보, 및 상기 터치패드에 작용하는 압력에 관한 정보를 입력받은 단계;
상기 터치패드를 미소 면소로 분할하는 단계;
상기 분할된 각각의 미소 면소에서 힘 평형 방정식(force balance equation)을 적용하여 각 미소 면소에 작용하는 좌우, 상하 방향의 힘을 각각 산출하는 단계;
상기 각 미소 면소에 작용하는 좌우, 상하 방향의 힘으로부터 각 미소 면소에서의 X, Y, Z 축 방향의 힘을 산출하는 단계; 및
상기 각 미소 면소에서의 X, Y, Z 축 방향의 힘을 합산하여 상기 터치패드 전체에 작용하는 X, Y, Z 축 방향의 힘을 산출하는 단계를 포함하는 유체형 촉각센서를 이용한 6축력 측정방법. A six-axis force measuring method using a fluid tactile sensor including a touch pad deformed when an object is in contact with a fluid and a measuring unit for photographing a deformed shape of the touch pad,
Information about a shape of the touch pad photographed by the measuring unit, and information about a pressure applied to the touch pad;
Dividing the touch pad into minute facets;
A force balance equation is applied to each of the subdivided areas to thereby calculate left and right and upward and downward forces acting on the respective minute facets;
Calculating force in the X, Y, and Z axial directions at the respective fine surface areas from the lateral force and the vertical force acting on each of the fine surface areas; And
And calculating a force in the X, Y, and Z axis directions acting on the entirety of the touch pad by summing the forces in the X, Y, and Z axis directions at the respective fine surface areas. Way.
식 (2)
(Fl: 미소 면소에 작용하는 좌측방향 힘, Fr: 미소 면소에 작용하는 우측방향 힘, Fu: 미소 면소에 작용하는 상측방향 힘, Fd: 미소 면소에 작용하는 하측방향 힘, p: 미소 면소에 작용하는 압력, S: 미소 면소의 면적)
상기 식 (2)의 힘 평형 방정식을 적용하는 것을 특징으로 하는 유체형 촉각센서를 이용한 6축력 측정방법.2. The method according to claim 1, wherein, in the step of calculating the forces acting in the left and right direction and the up and down direction acting on the respective minute facets,
Equation (2)
(F l : leftward force acting on fine face, F r : rightward force acting on fine face, F u : upward force acting on fine face, F d : downward force acting on fine face, p : Pressure acting on fine cotton, S: area of fine cotton)
Wherein the force equilibrium equation of the formula (2) is applied.
식 (6)
식 (7)
식 (8)
((i,j): 임의의 미소면소, θxy: XY 평면에서 미소면소의 접선방향과 X축이 이루는 각, θz: XZ 평면에서 미소면소의 접선방향과 X축이 이루는 각, Sx: 미소면소의 X축 방향의 면적, Sy: 미소면소의 Y축 방향의 면적, Sz: 미소면소의 Z축 방향의 면적)
각 미소 면소에서 X, Y, Z 축 방향의 성분으로 각각 상기 식 (6) 내지 (8)로 산출되는 것을 특징으로 하는 유체형 촉각센서를 이용한 6축력 측정방법. 3. The method according to claim 2, wherein the force equilibrium equation of the equation (2)
Equation (6)
Equation (7)
Equation (8)
( x , y) is an angle formed by the tangential direction of the minute surface in the XY plane and the X axis, and θ z is an angle formed by the tangential direction of the fine surface in the XZ plane and the X axis, S x : Area in the X-axis direction of the fine cotton, S y : area in the Y-axis direction of the fine cotton, S z : area in the Z-axis direction of the fine cotton)
(6) to (8) as the components in the X, Y, and Z-axis directions at the respective minute surface areas, respectively.
식 (9)
식 (10)
미소 면소가 XY 평면에서 제1 및 제2 사분면에 해당되면 식 (9), 제3 및 제4 사분면에 해당되면 식 (10)을 이용하는 것을 특징으로 하는 유체형 촉각센서를 이용한 6축력 측정방법. 4. The method according to claim 3, wherein the component in the X-axis direction in the micro face of the formula (6)
Equation (9)
Equation (10)
(10) is used if the minute surface area corresponds to the first and second quadrants in the XY plane, and the equation (10) is used in the third and fourth quadrants.
식 (11)
식 (12)
미소 면소가 XY 평면에서 제1 및 제4 사분면에 해당되면 식 (11), 제2 및 제3 사분면에 해당되면 식 (12)을 이용하는 것을 특징으로 하는 유체형 촉각센서를 이용한 6축력 측정방법. The method according to claim 3, characterized in that the component in the Y-axis direction in the micro face of the formula (7)
Equation (11)
Equation (12)
(11) if the minute surface is in the first and fourth quadrants in the XY plane, and (12) is used in the second and third quadrants.
식 (13)
식 (14)
상기 식 (13) 및 식 (14)을 이용하는 것을 특징으로 하는 유체형 촉각센서를 이용한 6축력 측정방법. 4. The method according to claim 3, wherein the component in the Z-axis direction in the micropattern of the formula (8)
Equation (13)
Equation (14)
A method for measuring a six-axis force using a fluid tactile sensor, wherein the equation (13) and the equation (14) are used.
상기 분할된 각각의 미소 면소에서 모멘트 평형 방정식(moment balance equation)을 적용하여 각 미소 면소에 작용하는 좌우, 상하 방향의 모멘트를 각각 산출하는 단계;
상기 각 미소 면소에 작용하는 좌우, 상하 방향의 모멘트로부터 각 미소 면소에서의 X, Y, Z 축 방향의 모멘트를 산출하는 단계; 및
상기 각 미소 면소에서의 X, Y, Z 축 방향의 모멘트를 합산하여 상기 터치패드 전체에 작용하는 X, Y, Z 축 방향의 모멘트를 산출하는 단계를 더 포함하는 유체형 촉각센서를 이용한 6축력 측정방법. The method according to claim 1,
Calculating moments in left and right and upward and downward directions acting on the respective minute facets by applying a moment balance equation to each of the divided fine facets;
Calculating moments in the X, Y and Z axes at the respective fine surface areas from the moments in the left and right and up and down directions acting on the respective fine surface areas; And
And calculating a moment in the X, Y, and Z axial directions acting on the entire touch pad by summing the moments in the X, Y, and Z axial directions at the respective minute surface areas. How to measure.
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2015
- 2015-01-05 KR KR1020150000423A patent/KR20160084031A/en not_active Ceased
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