KR20190047959A - Apparatus for Stiffness Measurement - Google Patents

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이승백
설원제
최은석
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a hardness measurement apparatus. According to the present invention, the hardness measurement apparatus comprises: a pressing unit including a pressing needle pressing a material to be measured and a force sensor measuring a force applied to the material to be measured by the pressing needle; one or more contact sensors spaced apart from the front end part of the pressing needle at a predetermined distance; and a controller reading a force value of the force sensor to derive the hardness of the material to be measured when the force sensor senses contact with the material to be measured; a contact unit for supporting the contact sensor; and a distance adjustment unit adjusting a horizontal distance between the contact unit and the pressing unit. Accordingly, the horizontal distance can be adjusted in accordance with a predicted hardness of the material to be measured, thereby performing hardness measurement in a high-sensitive operation area of the force sensor.

Description

경도 측정장치{Apparatus for Stiffness Measurement}[0001] Apparatus for Stiffness Measurement [

본 발명은 경도 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 접촉하는 물체에 일정한 크기의 압축 변위를 만들기 위해 필요한 압축 힘을 측정하여 연성이 있는 물질의 경도를 측정 가능한 경도 측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to a hardness measuring apparatus, and more particularly, to a hardness measuring apparatus capable of measuring a hardness of a soft material by measuring a compressive force required to make a compressive displacement of a certain size on a contacting object.

직물, 가죽, 고무 및 고분자와 같은 탄성이 있는 물질은 우리 생활의 여러 분야에서 사용되고 있다. 특히 피부 또는 근조직의 경도 및 탄성은 우리 몸의 노화나 건강 상태에 대하여 다양한 정보를 나타낸다. 따라서 의료 및 미용 분야에서는 탄성 물질뿐 아니라, 피부와 조직의 경도를 측정할 필요가 있다. 또한, 최근 로봇 기술의 발전으로 의수, 의료용 로봇의 손에 적용되는 촉각 센서의 일부로 이용하기 위하여 소형화, 고집적화가 가능한 경도 측정장치에 대한 필요가 존재한다.Elastic materials such as fabrics, leather, rubber and polymers are used in many areas of our life. In particular, the hardness and elasticity of the skin or muscle tissue present various information about the aging or health condition of the body. Therefore, in the medical and cosmetic fields, it is necessary to measure hardness of skin and tissues as well as elastic substances. In addition, there is a need for a hardness measuring device capable of miniaturization and high integration to be used as a part of a tactile sensor applied to a hand of a medical robot or a medical robot due to the recent development of robot technology.

이러한 탄성이 있는 물질은 탄성변형을 측정함으로써 경도를 측정할 수 있다. 즉, 압축된 거리에 비례하는 복원력을 측정하여 경도 값을 도출해내는 것이다. 따라서, 종래의 경도 측정장치들은 대부분 측정 물질이 압축되는 거리를 측정하기 위한 변위센서를 요구한다. 별도의 변위센서를 필요로 하는 경도 측정장치는 소형화 및 고집적화가 어렵다. 따라서 변위센서를 가속도 센서로 대체하려는 시도가 있었으나, 미소변위에 대한 가속도 센서의 출력신호 대비 노이즈 값이 매우 커 정확한 변위를 산출할 수 없어 경도 측정 시 오차가 발생하였다.Such an elastic material can measure the hardness by measuring elastic deformation. That is, the hardness value is derived by measuring the restoring force proportional to the compressed distance. Therefore, conventional hardness measurement devices require a displacement sensor for measuring the distance over which the measurement substance is compressed. A hardness measuring apparatus requiring a separate displacement sensor is difficult to be miniaturized and highly integrated. Therefore, there has been an attempt to replace the displacement sensor with an acceleration sensor. However, since the noise value of the output signal of the acceleration sensor relative to the minute displacement is too large, accurate displacement can not be calculated.

또한, 복원력을 측정하기 위한 힘 센서 또는 압력 센서는 측정되는 힘 또는 압력 값이 포화(saturation)되는 문턱값이 존재하여, 문턱값 이상의 힘이 인가되는 경우 측정되는 경도의 민감도가 감소되는 문제가 존재한다. 경도가 낮은 물질을 측정하기 위하여 낮은 힘 값에서 측정을 할 경우 힘 센서 또는 압력 센서에 발생하는 노이즈로 인하여 마찬가지로 정확한 경도를 도출할 수 없다. 따라서 서로 다른 경도를 갖는 물질을 측정하기 위하여 각각의 경우에 적합한 센서를 구비한 경도 측정장치가 요구되었다. In addition, a force sensor or a pressure sensor for measuring the restoring force has a threshold at which a force or a pressure value to be measured is saturated, and there is a problem that the sensitivity of a hardness measured when a force of a threshold value or more is applied is reduced do. When measuring at low force values in order to measure low hardness materials, it is impossible to obtain the exact hardness due to the noise generated in the force sensor or pressure sensor. Therefore, in order to measure materials having different hardness, there is a demand for a hardness measuring apparatus equipped with a sensor suitable for each case.

따라서, 소형화, 고집적화 되어 의수, 의료용 로봇 등에 사용 가능하며 다양한 물질들의 경도를 측정할 수 있는 경도 측정장치가 요구된다.Accordingly, there is a need for a hardness measuring device that can be used in a water-reducing and medical robot, and can measure the hardness of various materials.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 힘 센서를 포함하는 압착부와 접촉 센서를 포함하는 접촉부들을 구비함으로써 다양한 경도를 가진 물질들의 경도 값을 정밀하게 측정할 수 있는 경도 측정장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a hardness measuring device capable of precisely measuring hardness values of materials having various hardnesses by having contact portions including a pressing portion including a force sensor and a contact sensor.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 측정 물질을 압착하는 압침과 상기 압침이 상기 측정 물질에 가하는 힘을 측정하는 힘 센서를 포함하는 압착부, 상기 압침의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격되어 배치되는 1개 이상의 접촉 센서 및 상기 접촉 센서가 상기 측정 물질과의 접촉을 감지하였을 때, 상기 힘 센서의 힘 값을 읽어 상기 측정 물질의 경도를 도출하는 컨트롤러를 포함하는 경도 측정 장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a pressure measuring apparatus comprising: a pressing unit including a pressure needle for pressing a measuring material and a force sensor for measuring a force applied to the measuring material; And a controller for reading the force value of the force sensor to derive the hardness of the measurement substance when the contact sensor senses contact with the measurement substance.

본 발명의 일 실시예에 따라 경도 측정 장치는 상기 접촉 센서를 지지하기 위한 접촉부 및 상기 접촉부와 상기 압착부 사이의 수평 거리를 조절하는 거리 조절부를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hardness measuring apparatus may further include a contact portion for supporting the contact sensor and a distance adjusting portion for adjusting a horizontal distance between the contact portion and the pressing portion.

이 때 상기 접촉부는 상기 압착부를 중심으로 동일한 수평 거리에 대칭적으로 2개 이상 배치될 수 있으며, 2개 이상의 접촉부가 배치될 경우 상기 접촉부가 상기 측정 물질에 접촉하는 순간 상기 힘 센서가 측정한 각각의 힘 값으로부터 오차가 최소화된 최종 경도를 도출할 수 있다.At this time, two or more contact portions may be symmetrically disposed at the same horizontal distance with respect to the pressing portion, and when two or more contact portions are disposed, The final hardness at which the error is minimized can be derived.

상기 거리 조절부는 상기 측정 물질의 예상 경도가 높을 때 상기 압착부와 상기 접촉부 사이의 수평 거리를 작게 조절하고, 상기 측정 물질의 예상 경도가 낮을 때 상기 압착부와 상기 접촉부 사이의 수평 거리를 크게 조절하여 힘 센서의 고감도 구동 영역 내에서 힘 값을 측정하여 보다 민감하게 경도를 측정 가능하다.Wherein the distance adjusting unit adjusts the horizontal distance between the pressing unit and the contacting unit to be small when the expected hardness of the measuring material is high and controls the horizontal distance between the pressing unit and the contacting unit to be large when the expected hardness of the measuring material is low So that the force value can be measured in the high sensitivity driving area of the force sensor, and the hardness can be measured more sensitively.

본 발명의 다른 실시예에 따라 별도의 접촉부를 구성하지 아니하고, 상기 접촉센서는 상기 압침의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격되어 상기 압침의 몸체 표면에 1개 이상 배치될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, one or more contact sensors may be disposed on the surface of the body of the pressure ulcer, with the touch sensor being spaced a certain distance around the tip of the pressure ulcer.

압침은 측정 물질의 탄성 및 소성 등에 따라 반구형, 원뿔형, 원기둥형, 원통형 및 다각뿔형과 같은 다양한 형태 중 어느 하나를 선택할 수 있다.The pressing may be selected from various forms such as a hemispherical shape, a conical shape, a cylindrical shape, a cylindrical shape, and a polygonal shape depending on the elasticity and plasticity of the measurement material.

상기 압침의 일 단에는 상기 측정 물질의 반발력에 의해 수축되는 탄성체가 부착될 수 있으며, 상기 탄성체는 경도 측정 장치의 주요 사용 용도에 따른 측정 물질의 예상 경도에 따라 다른 탄성 계수를 가지도록 조절할 수 있다.An elastic body contractible by the repulsive force of the measurement material may be attached to one end of the pressure probe, and the elastic body may be adjusted to have a different elastic modulus depending on the expected hardness of the measurement material according to the main use purpose of the hardness measurement apparatus .

본 발명은 접촉부의 접촉 센서가 측정 물질에 접촉하는 순간 압착부의 힘 센서에 인가되는 힘을 측정함으로써 측정 물질이 압착된 거리를 측정하는 별도의 변위 센서 없이도 정밀한 경도 값을 도출할 수 있다.The present invention can obtain a precise hardness value without a separate displacement sensor for measuring the distance the measured material is pressed by measuring the force applied to the force sensor of the pressed portion at the moment when the contact sensor of the contact portion contacts the measured substance.

본 발명의 일 실시예에 따르면 접촉 센서를 지지하는 접촉부는 압착부를 중심으로 거리 조절부에 의하여 일정한 수평 거리를 가지고 이격될 수 있다. 힘센서는 낮은 힘 영역에서 발생하는 노이즈 및 문턱값(threshold)을 넘는 높은 힘 영역에서 출력 특성의 포화(saturation)에 의한 정확도 감소 문제가 존재한다. 접촉부와 압착부 사이의 수평 거리를 조절함으로써 접촉부가 측정물질과 접촉 시 측정되는 힘을 조절할 수 있으며, 따라서 필요한 경우 거리 조절부를 조절하여 정확한 힘이 측정 가능한 센서 동작 범위 내에서 경도 값을 측정 가능하다.According to an embodiment of the present invention, the contact portion supporting the contact sensor can be spaced apart by a certain horizontal distance by the distance adjusting portion about the pressing portion. There is a problem in that it is difficult to reduce the accuracy due to the saturation of the output characteristic in the high force region exceeding the threshold value and the noise generated in the low force region. By adjusting the horizontal distance between the contact part and the crimping part, it is possible to adjust the force measured when the contact part contacts with the measuring material, and therefore, when necessary, the hardness value can be measured within the sensor operating range .

일 실시예에서 상기 접촉부는 압착부를 중심으로 일정 거리 이격되어 2개 이상이 대칭적으로 배치될 수도 있다. 경도 측정장치가 휴대용으로 제작되거나 소형으로 제작될 경우 측정 물질 상에 접촉시켜 가압할 때 측정 물질의 표면으로부터 수직인 방향과 일정한 각을 이루며 접촉할 수 있다. 각 접촉부가 측정 물질의 표면에 접촉하는 순간의 경도 값의 평균을 이용하여 비틀림에 의한 오차를 최소화한 최종 경도 값을 도출할 수 있다.In one embodiment, the contact portions may be spaced apart from each other by a predetermined distance about the crimping portion, and two or more of the contacting portions may be symmetrically disposed. When the hardness measuring device is made portable or small, it can be in contact with the measuring material at a constant angle with the direction perpendicular to the surface of the measuring material when it is pressed against the measuring material. The final hardness value that minimizes the error due to the twist can be derived by using the average of the hardness values at the moment when each contact portion contacts the surface of the measurement material.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 구성요소를 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 측정 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 힘 센서의 구동 영역을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치를 도시하는 단면도이다.
도 6은 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 측정 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 압착부와 접촉부의 수평 거리 조절에 따른 경도 차이를 도시하는 그래프이다.
1 is a sectional view showing a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing components of a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view for explaining a measuring method of the hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph for explaining a driving region of the force sensor.
5 is a sectional view showing a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic view for explaining a measuring method of a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the hardness difference according to the adjustment of the horizontal distance between the pressing portion and the contact portion according to an embodiment of the present invention.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. Rather, the intention is not to limit the invention to the particular forms disclosed, but rather, the invention includes all modifications, equivalents and substitutions that are consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. It will be appreciated that when an element such as a layer, region or substrate is referred to as being present on another element "on," it may be directly on the other element or there may be an intermediate element in between .

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and / or regions, such elements, components, regions, layers and / And should not be limited by these terms.

이하 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하 도면상의 동일한 구성 요소에 대하여는 동일한 참조 부호를 사용하고, 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings. In the following description, the same reference numerals are used for the same constituent elements in the drawings and redundant explanations for the same constituent elements are omitted.

실시예 1Example 1

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치를 도시하는 단면도이다.1 is a sectional view showing a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치는 측정 물질과 접촉하는 표면에 접촉 센서(11)를 포함하는 접촉부(10), 상기 접촉부(10)의 단부에서 수직으로 일정 높이 돌출되어 상기 측정 물질을 압착하고 상기 측정 물질에 가하는 힘을 측정하는 압착부(20), 상기 접촉부(10)와 상기 압착부(20)의 수평 거리를 조절하는 거리 조절부(30) 및 상기 접촉 센서(11)가 상기 측정 물질과의 접촉을 감지하였을 때, 상기 힘 값을 읽어 상기 측정 물질의 경도를 도출하는 컨트롤러(미도시)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention includes a contact portion 10 including a contact sensor 11 on a surface contacting with a measurement material, A distance adjusting unit 30 for adjusting the horizontal distance between the contact unit 10 and the pressing unit 20, and a distance adjusting unit 30 for adjusting the distance between the contact unit 10 and the contact unit 20, And a controller (not shown) that reads the force value to derive the hardness of the measurement material when the sensor 11 detects contact with the measurement material.

상기 접촉부(10)는 거리 조절부(30)와 연결되는 지지부(13) 및 지지부(13)와 측정 물질이 접촉하는 접촉면에 형성되는 접촉 센서(11)를 포함한다.The contact portion 10 includes a support portion 13 connected to the distance control portion 30 and a contact sensor 11 formed on a contact surface where the measurement material contacts the support portion 13.

지지부(13)는 압착부(20)가 측정 물질의 표면에 수직으로 도입되는 것을 돕기 위하여 넓은 접촉면을 가질 수 있다.The support portion 13 may have a wide contact surface to help the crimping portion 20 be introduced perpendicularly to the surface of the measurement material.

접촉 센서(11)는 측정 물질과 접촉부(10)의 접촉면의 접촉을 인식하고 신호를 발생할 수 있는 센서로, 공지의 터치 센서를 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들면, 접촉 센서(11)는 저항막(resistive) 방식 접촉 센서, 정전용량(capacitive) 방식 접촉 센서, 적외선(Infra-Red) 방식 접촉센서 및 초음파(surface acoustic wave) 방식 접촉 센서일 수 있다.The touch sensor 11 can use a known touch sensor as a sensor capable of recognizing the contact between the measurement material and the contact surface of the contact portion 10 and generating a signal. For example, the touch sensor 11 may be a resistive touch sensor, a capacitive touch sensor, an Infra-Red touch sensor, and a surface acoustic wave touch sensor .

선택적으로 접촉 센서(11)는 미세 거리 조절을 위하여 지지부(13) 하부에 형성된 리니어 베어링에 연결될 수 있다. 접촉 센서(11)는 리니어 베어링을 따라 이동하여 압착부(20)와의 수평 거리를 추가적으로 조절할 수 있다.Optionally, the contact sensor 11 may be connected to a linear bearing formed at the bottom of the support 13 for fine distance adjustment. The contact sensor 11 can move along the linear bearing and further adjust the horizontal distance to the crimping portion 20. [

상기 압착부(20)는 상기 측정 물질에 접촉하여 힘을 인가하는 압침(21), 상기 압침(21)의 일 단에 부착되고 상기 측정 물질의 반발력에 의하여 수축되는 탄성체(23) 및 상기 압침(21), 상기 탄성체(23)에 의하여 상기 측정 물질에 가해지는 힘을 측정하는 힘 센서(25) 및 상기 압침(21), 탄성체(23) 및 힘 센서(25)를 고정하는 보조부(27)를 포함한다.The pressing part 20 includes a pressing part 21 for applying a force to the measuring material in contact with the measuring material, an elastic body 23 attached to one end of the pressing part 21 and contracted by a repulsive force of the measuring material, A force sensor 25 for measuring a force applied to the measurement material by the elastic body 23 and a supporter 27 for fixing the pressure hand 21, the elastic body 23 and the force sensor 25 .

상기 압침(21)은 상기 접촉부(10)가 상기 측정 물질과 접촉하는 접촉면으로부터 일정 거리(xi)만큼 돌출될 수 있다. 따라서 접촉부(10)가 아직 측정 물질에 접촉하기 전에 압침(21)은 측정 물질에 접촉하여 힘을 인가하고 측정 물질이 압착되게 된다.The pressure ulcer 21 may protrude a predetermined distance x i from the contact surface where the contact portion 10 is in contact with the measurement substance. Therefore, before the contact portion 10 contacts the measuring material yet, the pressing tool 21 contacts the measuring material to apply a force and the measuring material is squeezed.

상기 탄성체(23)의 일 단은 압침(21)과 보조부(27) 사이에 선택적으로 배치된다. 상기 탄성체(23)는 탄성력을 갖는 다양한 물질을 사용할 수 있다. 예를 들면 탄성체(23)는 스프링, 고무 및 고분자 화합물일 수 있으며, 경우에 따라 일정한 힘을 갖는 밀폐된 기체를 사용할 수도 있다. 또한 전자기적 장치를 이용하여 반발력을 인가할 수 있는 솔레노이드 등의 장치를 사용할 수도 있다. 탄성체(23)는 압침(21)이 측정 물질을 압착할 때 측정 물질의 복원력에 의하여 수축함으로써 측정 물질이 소성 변형 또는 영구 변형이 일어나지 않도록 한다. 따라서, 탄성체(23)는 측정하고자 하는 물질의 종류에 따라 선택될 수 있다. 측정하고자 하는 물질이 쉽게 소성 변형되는 물질인 경우 탄성체(23)는 매우 약한 탄성 계수를 가져 쉽게 변형되는 물질로 선택될 수 있다.One end of the elastic body 23 is selectively disposed between the pressure ulcer 21 and the auxiliary portion 27. The elastic body 23 can use various materials having elasticity. For example, the elastic body 23 may be a spring, a rubber and a polymer compound, and in some cases, a sealed gas having a constant force may be used. It is also possible to use an apparatus such as a solenoid capable of applying a repulsive force by using an electromagnetic device. The elastic body 23 contracts by the restoring force of the measuring material when the pressing tool 21 presses the measuring material so that the measuring material does not undergo plastic deformation or permanent deformation. Therefore, the elastic body 23 can be selected according to the type of the substance to be measured. When the material to be measured is easily plastic-deformed, the elastic body 23 may have a very low modulus of elasticity and be easily deformed.

상기 힘 센서(25)는 상기 압침(21)과 상기 탄성체(23)에 의하여 상기 측정 물질에 가해지는 힘을 측정한다. 따라서, 힘 센서(25)는 상기 압침(21)과 상기 탄성체(23)에 의하여 인가되는 힘을 측정할 수 있는 위치에 형성될 수 있다. 즉 도면에 도시된 것과 같이 힘 센서(25)는 탄성체(23)와 보조부(27)의 사이에 위치할 수도 있지만, 압침(21)과 탄성체(23)의 사이 또는 측정 물질과 접촉하는 압침(21)의 접촉면에 위치할 수도 있다. 상기 힘 센서(25)는 압력 센서로 대체될 수 있다. 압력 센서를 사용 할 때 압력 센서의 접촉 면적 A에 측정된 압력 값 P를 곱하여 힘 값 F로 변환할 수 있다. 상기 힘 센서(25)는 압저항형(Piezoresistive) 힘 센서, 정전용량형(Capacitive) 힘 센서, 광학식 힘 센서, 공진방식 힘 센서 및 전기 유도 방식 힘 센서 중 하나일 수 있다.The force sensor 25 measures a force applied to the measurement material by the pressure ulcer 21 and the elastic body 23. Therefore, the force sensor 25 can be formed at a position capable of measuring the force applied by the pressing tool 21 and the elastic body 23. [ That is, as shown in the figure, the force sensor 25 may be positioned between the elastic body 23 and the auxiliary portion 27, but may be located between the pressure hand 21 and the elastic body 23 or between the pressure hand 21 As shown in FIG. The force sensor 25 may be replaced by a pressure sensor. When using a pressure sensor, the contact area A of the pressure sensor can be converted to a force value F by multiplying the measured pressure value P. The force sensor 25 may be one of a Piezoresistive force sensor, a capacitive force sensor, an optical force sensor, a resonance force sensor, and an electric inductive force sensor.

상기 압침(21), 상기 탄성체(23) 및 상기 힘 센서(25)를 고정하기 위하여 보조부(27)를 포함할 수 있다. 상기 보조부(27)의 단부는 측정 물질의 표면으로부터 상기 접촉부(10)의 접촉면과 동일한 높이에 있거나, 그보다 더 높이 있을 수 있다. 상기 보조부(27)는 상기 압침(21) 및 상기 탄성체(23)의 외주면을 감싸 상기 압침(21) 및 상기 탄성체(23)가 수직 방향으로 한정된 운동을 하도록 가이드 할 수 있다. 따라서 탄성체(23)가 수평 방향으로 휨으로 인하여 생기는 경도의 오차를 최소화할 수 있다.And may include an auxiliary portion 27 for fixing the pressure needle 21, the elastic body 23, and the force sensor 25. The end of the auxiliary portion 27 may be at the same height as or higher than the contact surface of the contact portion 10 from the surface of the measurement material. The auxiliary portion 27 may guide the pusher 21 and the elastic body 23 to move in the vertical direction by covering the outer circumferential surfaces of the pusher 21 and the elastic body 23. Therefore, the error of the hardness caused by the flexure of the elastic body 23 in the horizontal direction can be minimized.

상기 거리 조절부(30)는 상기 접촉부(10)와 상기 압착부(20)를 일정한 거리로 이격하여 고정시킨다. 측정 물질에 인가되는 힘이 힘 센서의 적정 구동 영역 내에 위치하도록 상기 접촉부(10)와 상기 압착부(20)의 수평 거리가 조절될 수 있다. 상기 거리 조절부(30)는 정해진 궤도 위를 따라 움직일 수 있는 리니어 베어링을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 접촉부(10)는 상기 압착부(20)와의 수평 거리 조절을 위하여 리니어 베어링을 이용하여 원하는 위치로 이동 가능하다.The distance adjusting unit 30 fixes the contact unit 10 and the pressing unit 20 at a predetermined distance. The horizontal distance between the contacting portion 10 and the pressing portion 20 can be adjusted so that the force applied to the measuring material is located within the optimum driving region of the force sensor. The distance adjuster 30 may include a linear bearing that can move along a predetermined orbit. In this case, the contact portion 10 can be moved to a desired position using a linear bearing to adjust the horizontal distance to the contact portion 20.

본 발명의 일 실시예에 따라 경도 측정장치는 복수 개의 접촉부(10a, 10b)를 구비할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hardness measuring apparatus may include a plurality of contact portions 10a and 10b.

복수 개의 접촉부(10a, 10b)는 압착부(20)를 중심으로 동일한 수평 거리에 대칭적으로 배치될 수 있다. 즉 접촉부(10)가 2개 일 때 각각의 접촉부(10a, 10b)는 압착부(20)와 동일한 수평 거리만큼 이격 되고, 접촉부들(10a, 10b)와 압착부(20)는 동일한 직선 상에 배치될 수 있다. 접촉부(10)가 3개 이상일 경우, 각각의 접촉부(10)는 상기 압착부(20)로부터 동일한 수평 거리를 갖는 점들이 이루는 원을 동일한 각도로 분할하도록 위치할 수 있다. The plurality of contact portions 10a and 10b may be arranged symmetrically at the same horizontal distance about the press portion 20. The contact portions 10a and 10b are spaced apart from each other by the same horizontal distance as the contact portion 20 and the contact portions 10a and 10b and the contact portion 20 are on the same straight line . When there are three or more contact portions 10, each contact portion 10 may be positioned so as to divide the circle formed by points having the same horizontal distance from the contact portion 20 at the same angle.

본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치는 각각의 접촉부(10)가 측정 물질의 표면에 접촉하는 순간의 힘으로부터 도출된 경도의 값을 평균하거나 산술적으로 처리하여 경도 측정장치가 측정 물질의 표면에 수직으로 도입되지 않아 생기는 경도의 오차를 최소화할 수 있다.The hardness measuring apparatus according to the embodiment of the present invention averages or arithmetically processes the values of hardness derived from the moment when each contact portion 10 contacts the surface of the measuring material so that the hardness measuring apparatus measures the surface It is possible to minimize an error in the hardness caused by not being introduced perpendicularly.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 구성요소를 도시하는 블록도이다.2 is a block diagram showing components of a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치는 힘 센서(25)를 포함하는 압착부(20), 제1 접촉센서(11a)를 포함하는 접촉부(10a), 제2 접촉센서(11b)를 포함하는 접촉부(10b) 및 컨트롤러(40)를 포함한다.2, a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention includes a pressing portion 20 including a force sensor 25, a contact portion 10a including a first contact sensor 11a, A contact portion 10b including a sensor 11b and a controller 40. [

컨트롤러(40)는 접촉센서들(11a, 11b)의 접촉 신호 및 힘 센서(25)의 힘 값을 수신하고 경도를 연산하여 송신하는 연산부(41), 경도 측정장치에 전원을 공급하는 전원부(43), 도출된 경도를 출력하는 디스플레이부(45)를 포함한다. 경도 측정장치가 휴대용 장치일 경우 외부 기기로 값을 송신하기 위한 통신모듈(47)을 디스플레이부(45) 대신 포함하거나, 디스플레이부(45)와 함께 포함할 수 있다. 또한, 힘 센서(25)의 힘 측정을 보다 민감하게 하기 위한 증폭기(49)를 더 포함할 수 있다.The controller 40 includes an operation unit 41 that receives the contact signals of the contact sensors 11a and 11b and the force value of the force sensor 25 and computes and transmits the hardness value and a power source unit 43 And a display unit 45 for outputting the derived hardness. In the case where the hardness measuring apparatus is a portable apparatus, the communication module 47 for transmitting a value to an external apparatus may be included in the display unit 45 or may be included together with the display unit 45. It may further comprise an amplifier 49 for making the force measurement of the force sensor 25 more sensitive.

제1 접촉센서(11a)가 제1 접촉부(10a)가 측정 물질의 표면에 접촉한 것을 알리는 신호를 발생하면 연산부(41)는 이를 수신하고, 접촉 신호가 발생한 순간의 힘 센서(25)의 제1 힘 값을 저장한다. 저장된 제1 힘 값으로부터 제1 경도를 연산하고 그 값을 저장한다.When the first contact sensor 11a generates a signal indicating that the first contact portion 10a contacts the surface of the measurement material, the calculation portion 41 receives the signal and outputs the signal to the force sensor 25 1 Stores the force value. Calculates the first hardness from the stored first force value and stores the value.

제2 접촉센서(11b)가 제2 접촉부(10b)가 측정 물질의 표면에 접촉한 것을 알리는 신호를 발생하면 연산부(41)는 동일하게 힘 센서(25)로부터 제2 힘 값을 수신 받아 저장하고, 이로부터 제2 경도를 연산한다.When the second contact sensor 11b generates a signal indicating that the second contact portion 10b contacts the surface of the measurement material, the calculation unit 41 similarly receives and stores the second force value from the force sensor 25 , And calculates a second hardness therefrom.

선택적으로, 상기 연산부(41)는 상기 경도 값들을 기초로 하여 거리 조절부를 조절하여 압착부(20)와 접촉부(10) 사이의 수평 거리가 적절한 거리를 갖도록 할 수 있다.Alternatively, the calculating unit 41 may adjust the distance adjusting unit based on the hardness values so that the horizontal distance between the pressing unit 20 and the contact unit 10 has an appropriate distance.

제1 경도와 제2 경도의 값을 평균하여 압착부(20)가 측정 물질의 표면에 수직하게 도입되지 않음으로 생기는 오차를 최소화한 최종 경도를 도출할 수 있다. 연산부(41)는 최종 경도를 디스플레이부(45) 또는 통신모듈(47)로 송신한다.The values of the first hardness and the second hardness are averaged to obtain the final hardness that minimizes the error caused by the fact that the crimping portion 20 is not introduced perpendicularly to the surface of the measurement material. The calculation unit 41 transmits the final hardness to the display unit 45 or the communication module 47. [

디스플레이부(45) 또는 통신모듈(47)은 수신한 최종 경도 값을 디스플레이 또는 외부 기기로 출력할 수 있다.The display unit 45 or the communication module 47 may output the received final hardness value to a display or an external device.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 측정 방법을 설명하기 위한 개략도이다.3 is a schematic view for explaining a measuring method of the hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 상기 접촉 센서(11)가 측정 물질(50)의 표면에 접촉할 때, 상기 압착부(20)의 돌출된 압침(21)에 의하여 측정 물질(50)이 일정 깊이 압입된 것을 확인할 수 있다.3, when the contact sensor 11 is brought into contact with the surface of the measurement material 50, the measurement material 50 is pressed by the protruding pressure needle 21 of the press portion 20 to a predetermined depth .

측정 물질(50)이 압착됨에 따라 측정 물질(50)의 표면이 만드는 굴곡, 즉 압침의 중심부로부터 d 만큼 떨어진 측정 물질(50) 표면과 압착되기 전의 원래 표면과의 수직 거리 u(d,0)는 다음의 식을 통하여 계산할 수 있다.The vertical distance u (d, 0) between the surface of the measuring material 50 and the original surface before being compressed is defined by the curvature of the surface of the measuring material 50 as the measuring material 50 is squeezed, Can be calculated by the following equation.

(식 1)(Equation 1)

Figure pat00001
Figure pat00001

a압침 : 압침(21)의 반지름a pressure : the radius of the pressure needle 21

h : 측정 물질(50)이 압침(21)에 의하여 압착된 깊이h: Depth at which the measuring substance 50 is pressed by the pressing tool 21

스네든 법칙(Sneddon solution)에 의하면 h는 측정 물질(50)의 고유한 물리적 특성에 의하여 아래와 같이 결정된다.According to the Sneddon solution, h is determined by the inherent physical properties of the measuring substance 50 as follows.

(식 2)(Equation 2)

Figure pat00002
Figure pat00002

P : 측정 물질(50)에 가해진 압력P: pressure applied to the measuring substance 50

ν : 측정 물질(50)의 푸와송 비(Poisson ratio)ν: Poisson ratio of the measuring substance (50)

E : 측정 물질(50)의 영의 계수(Young's modulus)E: Young's modulus of the measuring substance (50)

상기 식의 ν는 푸와송 비(Poisson ratio)로, 재료가 인장력의 작용에 따라 그 방향으로 늘어날 때 수직 방향 변형도와 수평 방향 변형도 사이의 비율을 나타낸다. 상기 식의 E는 영의 계수로 측정 물질(50)에서 일어나는 변형과 힘 사이의 관계를 나타내는 탄성 계수이다.Where v is the Poisson ratio and represents the ratio between the vertical strain and the horizontal strain when the material is stretched in that direction due to the action of the tensile force. E in the above equation is a modulus of elasticity, which is a modulus of elasticity indicating the relationship between strain and force occurring in the measuring material 50.

식 2에 힘과 영률에 관한 일반 식인 아래의 식을 적용하여, 접촉 센서(11)가 측정 물질(50)과 접촉하는 위치의 깊이 u(d접촉센서,0)를 계산할 수 있다.The following equation (2), which is a general equation relating to the force and the Young's modulus, can be applied to Formula 2 to calculate the depth u (d contact sensor , 0) of the position where the contact sensor 11 contacts the measuring material 50.

(식 3)(Equation 3)

Figure pat00003
Figure pat00003

압침(21)이 측정 물질(50)의 압착에 의한 반발력과 평형을 이루는 상태에서는, 압침(21)은 초기 돌출 길이 xi에서 탄성체(23)가 압축된 거리 x탄성체를 뺀 길이만큼 접촉 센서(11)가 위치한 접촉부(10)의 표면으로부터 돌출되어 있다. 따라서 압침(21)에 의하여 측정 물질(50)이 압착된 깊이 h는 접촉 센서(11)의 깊이 u(d접촉센서,0)와 다음의 관계를 가진다.Apchim 21 in the state in which forming a repulsive force and the balanced by the compression of the test substance (50), apchim 21 is a touch sensor as in the initial protruding length x i elastic body 23 is obtained by subtracting the compressed distance x elastomers length ( 11 protrude from the surface of the contact portion 10 where the contact portion 10 is located. Therefore, the depth h at which the measuring material 50 is pressed by the pressing tool 21 has the following relationship with the depth u (d contact sensor , 0) of the touch sensor 11:

(식 4)(Equation 4)

Figure pat00004
Figure pat00004

훅의 법칙(Hook's law)와 뉴턴의 제3법칙에 따라, 압침(21)을 누르는 탄성체(23)의 힘과 과 측정 물질(50)의 압착에 의한 반발력은 다음과 같은 관계로 근사할 수 있다.According to Hook's law and Newton's third law, the force of the elastic body 23 pressing the pressing tool 21 and the repulsive force due to the pressing of the measuring material 50 can be approximated by the following relation .

(식 5)(Equation 5)

Figure pat00005
Figure pat00005

식 3, 식 4 및 식 5를 h에 대하여 정리하면 하기의 식과 같이 표현할 수 있다.Expression 3, Expression 4 and Expression 5 can be expressed as follows in the expression for h.

(식 6)(Equation 6)

Figure pat00006
Figure pat00006

F힘센서 : 접촉 센서(11)가 접촉하였을 때 힘 센서(25)가 측정한 힘 값F force sensor : a force value measured by the force sensor 25 when the contact sensor 11 is contacted

xi : 압침(21)이 측정 물질(50)과 접촉하기 전의 초기 돌출 길이x i : the initial protrusion length before the pressing tool 21 contacts the measuring material 50

a압침 : 압침(21)의 반지름a pressure : the radius of the pressure needle 21

d접촉센서 : 접촉부(10)가 압착부(20)의 중심점으로부터 수평으로 이격된 수평 거리d touch sensor : the contact portion 10 is horizontally spaced from the center point of the pressing portion 20 by a horizontal distance

k탄성체 : 탄성체(23)의 탄성계수k Elastic body : The modulus of elasticity of the elastic body (23)

k물질(부분) : 측정물질(50)의 압착 지점의 탄성계수k material (part) : the modulus of elasticity of the point of compression of the measuring material (50)

식 6을 k물질(부분)에 대하여 정리하면, 측정 물질(50)의 경도를 하기의 식과 같이 계산할 수 있다.When Equation 6 is summarized for the k material (portion) , the hardness of the measurement material 50 can be calculated by the following equation.

(식 7)(Equation 7)

Figure pat00007
Figure pat00007

따라서 상기 식을 이용하여 접촉 센서(11)로부터 접촉 신호가 발생하였을 때의 힘 센서(25)가 측정한 힘(F힘센서)으로부터 측정물질의 압착 부위의 부분 경도를 도출해낼 수 있다.Therefore, the partial hardness of the pressed portion of the measured material can be derived from the force (F force sensor ) measured by the force sensor 25 when a contact signal is generated from the contact sensor 11 using the above equation.

상술한 식 1 및 식 2는 압침(21)이 원통형일 때 적용되는 식으로, 압침(21)은 원뿔, 반구형, 원통형 및 다각뿔형 등 다양항 형태를 가질 수 있으며, 이러한 경우 식 1 및 식 2는 적절하게 변형되어 측정물질의 경도를 도출할 수 있다.The above-described formula 1 and formula 2 are applied when the pressure hand 21 is cylindrical, and the pressure hand 21 can have various forms such as a cone, a hemisphere, a cylinder and a polygonal pyramid. In this case, Can be appropriately modified to derive the hardness of the measured material.

식 7에서 도출한 측정 물질의 부분 경도를 통하여 측정 물질의 영률 및 물질의 전체 경도를 도출할 수 있다.The partial hardness of the measured material derived from Equation 7 can be used to derive the Young's modulus of the measured material and the overall hardness of the material.

(식 8)(Expression 8)

Figure pat00008
Figure pat00008

힘과 압력의 관계는 식 8과 같이 나타낼 수 있다. A는 힘이 가해진 면적으로, 본 경도 측정 시스템에서는 압침(21)의 반지름(a)을 통해 산출할 수 있다.The relationship between force and pressure can be expressed as Eq. (8). A is the area to which the force is applied. In the present hardness measuring system, it can be calculated through the radius (a) of the bob 21.

식 8을 식 3에 대입하여 하기의 식을 유도할 수 있다.The following equation can be derived by substituting equation (8) into equation (3).

(식 9)(Equation 9)

Figure pat00009
Figure pat00009

식 7의 k물질(부분)을 이용하여 h의 값을 얻을 수 있다. 따라서 도출된 h 값을 식 9에 적용하면 측정 물질의 영률을 계산할 수 있다. 스네든 법칙은 측정 물질이 반 무한 구체일 경우를 가정하나, 측정 물질의 두께가 3 cm 이상인 경우 적용 가능하다. 일반적인 물질들에서 푸와송 비(ν)는 0 내지 0.5의 값을 가지며, 본 발명에서는 계산의 편의성을 위하여 (1-ν2)을 0.8 내지 0.9 사이의 값으로 고정하여 적용할 수 있다.The value of h can be obtained using the k material (portion) of Equation 7. Therefore, applying the derived h value to Eq. 9 can calculate the Young's modulus of the measured material. Snellen's law assumes that the material to be measured is semi-infinite, but it is applicable if the thickness of the material is greater than 3 cm. In general materials, the Poisson's ratio (v) has a value of 0 to 0.5. In the present invention, (1-v 2 ) can be fixed to a value between 0.8 and 0.9 for convenience of calculation.

(식 10)(Equation 10)

Figure pat00010
Figure pat00010

A물질 : 측정 물질의 전체 면적A substance : total area of the substance to be measured

T : 측정 물질의 두께T: thickness of the measuring material

식 9를 통해 도출된 영률을 대입하여 물질 전체의 경도 k물질(전체)를 도출할 수 있다.The hardness k material (total) of the entire material can be derived by substituting the Young's modulus derived from Equation 9.

도 4는 힘 센서의 구동 영역을 설명하기 위한 그래프이다.4 is a graph for explaining a driving region of the force sensor.

도 4를 참조하면, 현재 이용되고 있는 힘 센서들은 대부분 그래프와 같이 고감도 구동 영역을 갖는다. 고감도 구동 영역이란 가해지는 힘에 의하여 센서 출력이 민감하게 변화하는 영역으로, 그래프 상에서 높은 기울기를 갖는 영역이다.Referring to FIG. 4, most force sensors currently used have a high sensitivity driving area as shown in the graph. The high sensitivity drive area is a region where the sensor output sensitively changes due to the applied force, and is a region having a high slope on the graph.

힘 센서에 가해지는 힘이 너무 낮을 경우 힘 센서의 노이즈로 인하여 적절한 출력을 나타낼 수 없다. 또한, 힘 센서에 가해지는 힘이 너무 높은 경우, 힘 센서의 출력 값이 포화 그래프를 나타내므로 힘의 증가를 민감하게 측정할 수 없다.If the force applied to the force sensor is too low, the output of the force sensor will not be adequate due to the noise. Also, when the force applied to the force sensor is too high, the output of the force sensor shows a saturated graph, so that the increase in force can not be measured sensitively.

본 발명에서는 압착부(20)와 접촉부(10)의 수평 거리를 조절함으로써 힘 센서의 고감도 구동 영역 내에서 측정 물질의 경도를 측정할 수 있다.In the present invention, the hardness of the measurement material can be measured in the high-sensitivity driving region of the force sensor by adjusting the horizontal distance between the pressing portion 20 and the contact portion 10. [

상기 식 7을 F힘센서에 대하여 정리하면 다음과 같다.Equation (7) is summarized for the F force sensor as follows.

(식 11)(Expression 11)

Figure pat00011
Figure pat00011

arcsin(a/d접촉센서)는 d접촉센서의 크기가 커질수록 감소하고, 작아질수록 급격하게 증가한다. 따라서, 측정 물질의 경도가 높은 경우 압착부(20)와 접촉부(10)의 수평 거리가 가깝도록 조절하고, 측정물질의 경도가 낮은 경우 압착부(20)와 접촉부(10)의 수평 거리가 멀도록 조절함으로써 힘 센서의 적정 구동 영역 내에서 경도를 측정할 수 있다.The arcsin (a / d contact sensor ) decreases as the size of the d contact sensor increases, and increases sharply as it decreases. Therefore, when the hardness of the measurement material is high, the horizontal distance between the crimping portion 20 and the contact portion 10 is adjusted to be close to the horizontal distance between the crimping portion 20 and the contact portion 10, The hardness of the force sensor can be measured within an appropriate driving range.

실시예 2Example 2

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 경도 측정장치는 접촉센서(11)를 지지하기 위한 접촉부를 별도로 설치하지 아니하고, 압침(21)의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격된 압침의 몸체에 접촉센서(11)를 직접 설치한다. 이러한 구조는 경도 측정장치의 소형화에 적합하다.The hardness measuring apparatus according to another embodiment of the present invention may be provided with a contact sensor 11 (not shown) on the body of the pressure hand, which is spaced a certain distance around the tip of the pressure hand 21, ) Directly. This structure is suitable for miniaturization of the hardness measuring apparatus.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치를 도시하는 단면도이다.5 is a sectional view showing a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치는 측정 물질을 압착하는 압침(21)과 상기 압침(21)이 상기 측정 물질에 가하는 힘을 측정하는 힘센서(25)를 포함하는 압착부(20), 상기 압침(21)의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격되어 배치되는 1개 이상의 접촉 센서(11) 및 상기 접촉 센서(11)가 상기 측정 물질과의 접촉을 감지하였을 때, 상기 힘 센서(25)의 힘 값을 읽어 상기 측정 물질의 경도를 도출하는 컨트롤러(미도시)를 포함한다. 이 때 상기 접촉 센서(11)는 압침(21)의 선단부를 중심으로 압침(21)의 몸체에 1개 이상이 배치될 수 있다.5, a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention includes a pressing tool 21 for pressing a measuring material and a force sensor 25 for measuring a force applied to the measuring material by the pressing tool 21 At least one contact sensor 11 disposed at a distance from the tip of the pressure probe 21 and spaced a predetermined distance from the tip of the pressure probe 21 and when the contact sensor 11 senses contact with the measurement material, And a controller (not shown) for reading the force value of the force sensor 25 and deriving the hardness of the measurement material. At this time, the contact sensor 11 may be disposed on the body of the pressure ulcer 21 around the tip of the pressure ulcer 21.

이 때 압침(21)의 몸체는 반구 형태를 비롯하여 측정 물질의 경도 및 소성 정도에 따라 원기둥형, 원뿔형 및 다각뿔형의 다양한 형태를 적용할 수 있다.At this time, the body of the pressure probe 21 may be various shapes such as a cylinder shape, a cone shape and a polygonal shape depending on the hardness and the degree of plasticity of the measurement material as well as the hemispherical shape.

또한, 압침(21)의 일 단에는 선택적으로 경도를 알고 있는 탄성체(23)가 구비될 수 있다. 탄성체(23)는 압침(21)이 측정 물질에 힘을 인가할 때 측정 물질의 반발력으로 인하여 압축될 수 있다.Further, at one end of the pressure ulcer 21, an elastic body 23 having a known hardness may be provided. The elastic body 23 can be compressed due to the repulsive force of the measuring material when the pressing tool 21 applies a force to the measuring material.

상기 힘 센서(25)는 상기 압침(21)과 보조부(27)의 사이 또는 상기 압침(21)의 선단부에 배치될 수 있다.The force sensor 25 may be disposed between the pressure hand 21 and the auxiliary portion 27 or at the tip end of the pressure hand 21.

도 6은 발명의 일 실시예에 따른 경도 측정장치의 측정 방법을 설명하기 위한 개략도이다.6 is a schematic view for explaining a measuring method of a hardness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

헤르츠의 법칙(Hertzian solution)에 따르면, 반구 형태의 압침(21)을 채용하는 경우, 압침(21)과 접촉하는 측정 물질 표면의 변위는 하기 수식으로 표현할 수 있다.According to the Hertzian solution, when the hemispherical pressure ulcer 21 is employed, the displacement of the surface of the measuring substance in contact with the pressure ulcer 21 can be expressed by the following equation.

(식 12)(Expression 12)

Figure pat00012
Figure pat00012

a : 압침(21)과 측정 물질(50)이 접촉하는 면의 반지름a: radius of the surface where the pressing tool 21 and the measuring material 50 are in contact with each other

h : r=0인 점에서 물질의 변위h: Displacement of material at r = 0

경도 측정 장치가 측정 물질에 도입되어 접촉 센서(11)가 측정 물질(50)과 접촉할 때, 측정 물질(50)과 압침(21)이 접촉하는 면의 반지름(a)은 d접촉센서가 된다.When the hardness measuring device is introduced into the measuring material and the contact sensor 11 contacts the measuring material 50, the radius a of the surface with which the measuring material 50 contacts the pressing tool 21 becomes a d contact sensor .

따라서, 접촉 센서(11)가 접촉 신호를 발생 시킬 때 압침(21)에 의한 측정 물질(50)의 변위 u(r)은 아래와 같이 표현할 수 있다.Therefore, the displacement u (r) of the measurement material 50 by the pressure ulcer 21 when the contact sensor 11 generates the contact signal can be expressed as follows.

(식 13)(Expression 13)

Figure pat00013
Figure pat00013

따라서, 접촉 센서(11)의 위치(r=d접촉센서)에서 측정 물질(50)의 변위는 h/2이며, 압침(21)의 선단부와 접촉 센서(11)의 수직 거리 차이(xi)는 하기의 식으로 나타낼 수 있다.Therefore, the displacement of the measuring material 50 at the position of the contact sensor 11 (r = d contact sensor ) is h / 2 and the vertical distance difference x i between the tip end of the pusher 21 and the contact sensor 11, Can be expressed by the following equation.

(식 14)(Equation 14)

Figure pat00014
Figure pat00014

압침(21)에 의하여 변형된 측정 물질의 변위(x물질)은 압침(21)의 반구 형태를 고려할 때 아래와 같이 근사할 수 있다.The displacement (x material ) of the measuring material deformed by the pressing tool 21 can be approximated as follows in consideration of the hemispherical shape of the pressing tool 21.

(식 15)(Expression 15)

Figure pat00015
Figure pat00015

훅의 법칙에 따라 힘 센서서 감지하는 힘 F힘센서와 측정 물질의 경도는 아래의 관계를 가진다.The force, which is detected by the force sensor according to Hooke's law. F The hardness of the force sensor and the measured material has the following relationship.

(식 16)(Expression 16)

Figure pat00016
Figure pat00016

식 14와 식 16을 h에 대하여 정리하면 하기의 식으로 나타낼 수 있다.Equation (14) and Equation (16) can be summarized by the following equation.

(식 17)(Equation 17)

Figure pat00017
Figure pat00017

상술한 바와 같이 식 17은 압침(21)이 반구 형태일 때의 경도 도출 방법을 나타내며, 압침(21)의 형태에 따라 식 12 내지 식 15는 적절하게 변형되어 적용될 수 있다.As described above, Equation 17 shows a method of deriving the hardness when the pressure hand 21 is hemispherical, and Equations 12 to 15 can be suitably modified and applied depending on the shape of the pressure hand 21.

실험예Experimental Example

본 발명의 경도 측정원리를 시험하기 위하여 압착부 양 측에 일정한 수평 거리를 가지고 이격된 대칭적인 접촉부 쌍을 가지는 경도 측정장치를 제작하였다. 수평 거리를 조절하기 위한 거리 조절부로는 접촉 센서를 부착할 수 있는 조립식 모듈을 사용하였다. 상기 조립식 모듈을 이용하여 수평 거리를 6 mm 및 20 mm로 조절 하였다. 압착부에 삽입되는 탄성체로는 스프링 상수가 각각 2.1 N/mm 및 0.4 N/mm로 알려져 있는 2개의 스프링을 교대로 사용하여 측정하였다. 압침의 반지름은 5 mm이고, 접촉부로부터 압침이 돌출된 길이는 3 mm이다. In order to test the hardness measurement principle of the present invention, a hardness measuring device having symmetrical contact pairs spaced apart from each other with a constant horizontal distance on both sides of the crimping portion was manufactured. A prefabricated module capable of attaching a touch sensor was used as a distance control unit to adjust the horizontal distance. The horizontal distance was adjusted to 6 mm and 20 mm using the assembled module. As an elastic body to be inserted into the crimping portion, two springs, which are known as spring constants of 2.1 N / mm and 0.4 N / mm, respectively, were alternately used. The radius of the pusher is 5 mm, and the length of the pusher protruding from the contact is 3 mm.

서로 다른 경도를 가진 것으로 알려진 스폰지, 고무, 블랙폼, 블루폼 및 피부를 수평 거리 및 스프링의 스프링 상수를 바꾸어 3가지 조건에서 각각 측정하였다.Sponges, rubbers, black foams, blue foams and skin, which are known to have different hardnesses, were measured under three conditions by varying the horizontal distance and the spring constant of the springs.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 압착부와 접촉부의 수평 거리 조절에 따른 경도 차이를 도시하는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing the hardness difference according to the adjustment of the horizontal distance between the pressing portion and the contact portion according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 도 7a에서 압착부와 접촉부의 수평 거리가 6 mm로 작고, 스프링 상수가 2.1 N/mm인 경우, 5가지 물질의 경도 차이가 크게 나타나지 않는 반면, 스프링 상수가 동일하게 2.1 N/mm이고, 압착부와 접촉부의 수평 거리가 20 mm로 증가한 도 7b에서 각 물질 사이의 경도 차이가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, when the horizontal distance between the pressed portion and the contact portion is as small as 6 mm and the spring constant is 2.1 N / mm in FIG. 7A, the hardness difference of the five kinds of materials is not large, N / mm. In FIG. 7B where the horizontal distance between the pressed portion and the contact portion increased to 20 mm, it can be seen that the hardness difference between the respective materials was large.

도 7c에서 압착부와 접촉부의 수평 거리를20 mm로 유지하고 스프링 상수를 0.4 N/mm로 감소시키자 스프링 상수에 비하여 비교적 높은 경도를 가진 고무, 블랙 폼 및 블루 폼의 경도 차이는 줄어든 반면, 스펀지와 고무 사이의 경도 차이가 큰 폭으로 증가한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 주로 측정하게 되는 물질의 경도에 따라 스프링 상수를 결정하여 민감도를 향상시킬 수 있다.In FIG. 7C, when the horizontal distance between the crimping portion and the contact portion is maintained at 20 mm and the spring constant is reduced to 0.4 N / mm, the difference in hardness between rubber, black foam and blue foam having a relatively high hardness in comparison with the spring constant is reduced, And the difference in hardness between rubber and rubber increased significantly. Therefore, the sensitivity can be improved by determining the spring constant according to the hardness of the material to be measured.

13 : 지지부 20 : 압착부
21 : 압침 23 : 탄성체
25 : 힘 센서 27 : 보조부
30 : 거리 조절부 40 : 컨트롤러
43 : 전원부 45 : 디스플레이부
47 : 통신모듈 49 : 증폭기
50 : 측정 물질
13: Support part 20:
21: tumbler 23: elastomer
25: force sensor 27:
30: distance adjustment unit 40: controller
43: power supply unit 45: display unit
47: Communication module 49: Amplifier
50: Measuring material

Claims (8)

측정 물질을 압착하는 압침과 상기 압침이 상기 측정 물질에 가하는 힘을 측정하는 힘센서를 포함하는 압착부;
상기 압침의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격되어 배치되는 1개 이상의 접촉 센서; 및
상기 접촉 센서가 상기 측정 물질과의 접촉을 감지하였을 때, 상기 힘센서의 힘 값을 읽어 상기 측정 물질의 경도를 도출하는 컨트롤러를 포함하는 경도 측정 장치.
A pressing part including a pressing tool for pressing the measuring material and a force sensor for measuring a force applied to the measuring material by the pressing tool;
At least one contact sensor disposed at a predetermined distance from the tip of the pressure needle; And
And a controller for reading the force value of the force sensor to derive a hardness of the measurement substance when the contact sensor senses contact with the measurement substance.
제1항에 있어서,
상기 접촉 센서를 지지하기 위한 접촉부; 및
상기 접촉부와 상기 압착부 사이의 수평 거리를 조절하는 거리 조절부를 더 포함하는 경도 측정 장치.
The method according to claim 1,
A contact portion for supporting the contact sensor; And
And a distance adjusting unit for adjusting a horizontal distance between the contact unit and the crimping unit.
제2항에 있어서,
상기 접촉부는 상기 압착부를 중심으로 동일한 수평 거리에 대칭적으로 2개 이상 배치되고,
상기 접촉부가 상기 측정 물질에 접촉하는 순간 상기 힘센서가 측정한 각각의 힘 값으로부터 오차가 최소화된 최종 경도를 도출하는 경도 측정 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the contact portions are symmetrically disposed at equal horizontal distances centering on the crimping portions,
And derives a final hardness at which the error is minimized from each force value measured by the force sensor at the moment when the contact portion contacts the measurement material.
제2항에 있어서,
상기 거리 조절부는 상기 측정 물질의 예상 경도가 높을 때 상기 압착부와 상기 접촉부 사이의 수평 거리를 작게 조절하고,
상기 측정 물질의 예상 경도가 낮을 때 상기 압착부와 상기 접촉부 사이의 수평 거리를 크게 조절하는 경도 측정 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the distance adjuster adjusts the horizontal distance between the crimping portion and the contact portion to be small when the expected hardness of the measurement material is high,
And adjusts the horizontal distance between the pressing portion and the contact portion to be large when the expected hardness of the measurement material is low.
제1항에 있어서,
상기 접촉센서는 상기 압침의 선단부를 중심으로 일정 거리 이격되어 상기 압침의 몸체 표면에 1개 이상 배치되는 경도 측정 장치.
The method according to claim 1,
Wherein at least one of the contact sensors is disposed on a surface of a body of the pressing tool, the contact sensor being spaced a predetermined distance from the tip of the pressing tool.
제1항에 있어서,
상기 압침은 반구형, 원뿔형, 원기둥형, 원통형 및 다각뿔형 중 어느 하나의 형태를 가지는 경도 측정 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the pressing force has one of a hemispherical shape, a conical shape, a cylindrical shape, a cylindrical shape, and a polygonal pyramid shape.
제1항에 있어서,
상기 압침의 일 단에는 상기 측정 물질의 반발력에 의해 수축되는 탄성체가 부착되는 경도 측정 장치.
The method according to claim 1,
And an elastic body contracted by the repulsive force of the measurement material is attached to one end of the pressure probe.
제7항에 있어서,
상기 탄성체는 측정 물질의 예상 경도에 따라 다른 탄성 계수를 가질 수 있는 경도 측정 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the elastic body can have a different modulus of elasticity depending on the expected hardness of the measurement material.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115158113A (en) * 2022-07-26 2022-10-11 江铃汽车股份有限公司 Automobile seat with adjustable cushion rigidity and seat rigidity determination method

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10288577A (en) * 1997-04-15 1998-10-27 Olympus Optical Co Ltd Tactile sensor
KR20030060156A (en) * 2002-01-07 2003-07-16 주식회사 세화씨엔엠 hardness measurement device using load cell and product automatic sorting system using hardness measurement device
JP2007017243A (en) * 2005-07-06 2007-01-25 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Tactile sensor
JP2014228372A (en) * 2013-05-22 2014-12-08 株式会社島津製作所 Indenter unit and hardness testing machine
JP2015001402A (en) * 2013-06-13 2015-01-05 大起理化工業株式会社 Hardness meter
KR20150010351A (en) * 2013-07-19 2015-01-28 삼성중공업 주식회사 Load test device for rail
JP2016206094A (en) * 2015-04-27 2016-12-08 エス・ティー・セミコンダクター株式会社 Hardness measurement device
KR101767761B1 (en) * 2015-12-22 2017-08-14 주식회사 포스코 Space factor test Device

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10288577A (en) * 1997-04-15 1998-10-27 Olympus Optical Co Ltd Tactile sensor
KR20030060156A (en) * 2002-01-07 2003-07-16 주식회사 세화씨엔엠 hardness measurement device using load cell and product automatic sorting system using hardness measurement device
JP2007017243A (en) * 2005-07-06 2007-01-25 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Tactile sensor
JP2014228372A (en) * 2013-05-22 2014-12-08 株式会社島津製作所 Indenter unit and hardness testing machine
JP2015001402A (en) * 2013-06-13 2015-01-05 大起理化工業株式会社 Hardness meter
KR20150010351A (en) * 2013-07-19 2015-01-28 삼성중공업 주식회사 Load test device for rail
JP2016206094A (en) * 2015-04-27 2016-12-08 エス・ティー・セミコンダクター株式会社 Hardness measurement device
KR101767761B1 (en) * 2015-12-22 2017-08-14 주식회사 포스코 Space factor test Device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115158113A (en) * 2022-07-26 2022-10-11 江铃汽车股份有限公司 Automobile seat with adjustable cushion rigidity and seat rigidity determination method

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