KR20190120949A - 다축 외력 감지센서 및 이를 구비하는 다축 외력 감지 시스템 - Google Patents

다축 외력 감지센서 및 이를 구비하는 다축 외력 감지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유연한 재질로 구성되고 방사형 공기 챔버의 형상으로 구성되어, 재질적인 특성 및 형상의 기하적 특성을 이용하여 외부에서 가해지는 다축 힘성분으로 구성되는 힘을 각각의 축방향으로 구별하여 측정이 가능한 다축 외력 감지센서 및 이를 구비한 다축 외력 감지 시스템에 관한 것이다.

Description

다축 외력 감지센서 및 이를 구비하는 다축 외력 감지 시스템{MultiAxis Force Sensor And MultiAxis Force Sensing System}
본 발명은 다축 외력 감지센서 및 이를 구비한 다축 외력 감지 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 유연한 재질로 구성되고 방사형 공기 챔버의 형상으로 구성되어, 재질적인 특성 및 형상의 기하적 특성을 이용하여 외부에서 가해지는 다축 힘성분으로 구성되는 힘을 각각의 축방향으로 구별하여 측정이 가능한 다축 외력 감지센서 및 이를 구비한 다축 외력 감지 시스템에 관한 것이다.
일반적인 힘센서는 스트레인 게이지 타입의 로드셀을 사용한다. 로드셀은 외부 힘에 의한 스트레인 변화를 감지하는 가변저항 타입의 측정센서이다. 이와 같은 로드셀은 정밀도가 높은 장점이 있지만, 스트레인에 의한 미소 전압 변화를 측정하기 위해 추가적인 증폭회로가 필요하고, 이와 같은 로드셀은 단단한 재질로 구성되는 경우가 많고, 이와 같은 로드셀을 신체에 가해지는 힘 또는 신체에 의하여 가해지는 힘 등을 측정하기 위하여 신체 또는 피부와 접촉하도록 장착되는 힘센서로 사용되는 경우 그 단단한 재질 또는 구조에 의하여 사용자는 불편함 및 부상의 위험이 있다는 단점이 있다. 특히 최근에는 착용형 하체 보조로봇 등이 소개되고 있으며, 이와 같은 착용형 하체 보조로봇의 경우 보행주기 등을 판단하기 위하요 족저압 또는 지면반력 등을 측정할 필요에 의하여 신발 또는 깔창 등에 센서들을 장착하는 경우가 많다.
한편, 유연한 재질의 다양한 촉각 및 압력센서들이 소개되고 있다. 소프트한 재질 속에 가변저항의 성질을 갖는 액체금속 등을 내장하여 외력 또는 굴곡에 의한 저항 값 변화를 이용하는 방식이다. 이러한 소프트 압력센서들은 약 1N 내외의 작은 힘 범위 까지만 측정할 수 있다는 한계로 인하여 착용형 로봇의 제어정보를 위한 족저압 또는 지면반력 등의 측정에는 적합하지 않다.
본 발명은 유연한 재질로 구성되고 방사형 공기 챔버의 형상으로 구성되어, 재질적인 특성 및 형상의 기하적 특성을 이용하여 외부에서 가해지는 다축 힘성분으로 구성되는 힘을 각각의 축방향으로 구별하여 측정이 가능한 다축 외력 감지센서 및 이를 구비한 다축 외력 감지 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 유연한 재질의 하우징; 상기 하우징 내에 구비되는 상호 분리된 복수 개의 에어챔버; 복수 개의 상기 에어챔버에 각각 구비되는 압력센서; 및, 상기 하우징 상부에서 가해지는 외력을 일정 면적으로 분포시키기 위하여 상기 하우징 상면 중 복수 개의 상기 에어챔버 중심 위치에 배치되는 외력 분산부재;를 포함하는 다축 외력 감지센서를 제공할 수 있다.
이 경우, 각각의 상기 에어챔버 내부에 구비되는 압력센서는 에어챔버의 저면 중심에 배치될 수 있다.
또한, 각각의 상기 에어챔버는 인접한 양 에어챔버를 향하도록 연장된 연장부가 형성될 수 있다.
여기서, 복수 개의 상기 에어챔버는 원통형으로 구성되며, 상기 에어챔버의 연장부는 각각의 에어챔버의 내측 단부에서 인접한 에어챔버 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.
그리고, 복수 개의 상기 에어챔버의 각각의 연장부는 상기 하우징의 z축 단면방향으로 하나의 원의 분리된 원호를 형성하는 형태로 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 하우징은 원기둥 형태로 구성되고, 상기 외력 분산부재는 원판 형태로 상기 하우징의 상면 중심에 설치될 수 있다.
이 경우, 상기 외력 분산부재의 반경은 상기 하우징 상면의 중심에서 상기 에어챔버의 연장부까지의 크기일 수 있다.
또한, 복수 개의 에어챔버는 원기둥 형태로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 에어챔버는 120도 간격으로 3개가 배치되고, 제1 내지 제3 압력센서는 각각의 에어챔버의 저면 중심에 배치되어, 상기 제1 내지 제3 압력센서는 x-y 평면상의 정삼각형의 꼭지점 상에 배치될 수 있다.
그리고, x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 하나의 축방향 성분을 갖는 외력이 상기 외력 분산부재에 인가되는 경우, 복수 개의 상기 에어챔버는 각각 압축 또는 팽창 변형되고, 각각의 에어챔버 내에 설치된 압력센서는 각각의 에어챔버의 압축 또는 팽창에 따라 양의 측정값 또는 음의 측정값을 출력할 수 있다.
이 경우, 상기 외력 인가부재에 외력이 가해지지 않는 상태에서 상기 제1 내지 제3 압력센서가 되도록 에어챔버 내부압은 대기압과 동일하게 세팅될 수 있다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 유연한 재질의 하우징; 상기 하우징 내에 구비되는 상호 분리된 복수 개의 에어챔버; 복수 개의 상기 에어챔버에 각각 구비되는 압력센서; 상기 하우징 상부에서 가해지는 외력을 일정 면적으로 분포시키기 위하여 상기 하우징 상면 중 복수 개의 상기 에어챔버 중심 위치에 배치되는 외력 분산부재; 및, 상기 외력 분산부재에 인가되는 외력에 의한 각각의 상기 압력센서에서 측정된 압력값을 통해 외력의 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 성분을 결정하는 제어부;를 포함하는 다축 외력 감지 시스템을 제공할 수 있다.
여기서, x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 하나의 축방향 성분을 갖는 외력이 상기 외력 분산부재에 인가되는 경우, 복수 개의 상기 에어챔버는 각각 압축 또는 팽창 변형되고, 각각의 에어챔버 내에 설치된 압력센서는 에어챔버의 압축 또는 팽창에 따라 양의 측정값 또는 음의 측정값을 출력할 수 있다.
그리고, 상기 에어챔버는 120도 간격으로 3개가 배치되고, 제1 내지 제3 압력센서는 에어챔버의 저면 중심에 설치되며, 상기 제1 내지 제3 압력센서는 제2 압력센서와 제3 압력센서를 연결하는 밑변이 X축과 평행하고, 상기 제1 압력센서가 상기 밑변 상부에 배치되는 x-y 평면상의 정삼각형의 꼭지점 상에 배치되며,
상기 외력 분산부재에 인가되는 다축 외력이 인가되면, 상기 다축 외력의 x축, y축 및 z축 방향 성분(Fx, Fy 및 Fz)은 상기 제1 내지 제3 압력센서의 측정값(S1, S2 및 S3)과 아래의 관계로부터 계산될 수 있다.
- 아래 -
Figure pat00001
, (또는
Figure pat00002
)
　* 여기서 α 및 β는 상관계수　
본 발명에 따른 다축 외력 감지센서 및 이를 구비한 다축 외력 감지 시스템에 의하면, 다축 외력을 감지하기 위한 감지센서를 유연한 재질로 구성하여 인체에 접하는 부위에 사용을 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서 및 이를 구비한 다축 외력 감지 시스템에 의하면, 다축 외력을 감지하기 위한 감지센서를 복수 개의 에어챔버를 동일 평면상에 배치하여 납작한 형태로 구성하는 방법으로 신발 등에 장착이 가능하도록 할 수 있으므로, 보행분석 또는 착용형 로봇 제어기술 등에 활용이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서 및 이를 구비한 다축 외력 감지 시스템에 의하면, 유연한 재질의 하우징 내에 구비된 에어챔버 내부에 구비된 공압센서를 사용하여 측정한 압력을 외력으로 변환 도출하므로 시스템의 구성을 간소화하고 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서의 평면도와 단면도를 도시한다.
도 2 및 도 3은 발명에 따른 다축 외력 감지센서에 외력이 가해지는 경우의 변형상태의 평면도를 도시한다.
도 4는 외력의 크기에 따른 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서를 구성하는 각각의 압력센서의 압력 측정값 및 3축 방향 로드셀에 의한 축방향 힘의 측정값을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서에 외력이 가해지는 경우의 변형상태의 단면도를 도시한다.
도 6는 각각의 축방향 외력의 크기에 따른 본 발명의 다축 외력 감지센서의 각각의 압력센서의 압력 측정값을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서를 통해 측정된 외력과 가해지는 외력의 관계를 도시한다.
도 8은 다축 성분을 포함하는 15N 이하의 범위의 외력을 인가하고, 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서와 전술한 3축 로드셀을 사용하여 축방향 외력을 측정한 비교결과이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도 1은 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)의 평면도와 단면도를 도시한다.
본 발명에 따른 다축 외력 감지 시스템은 다축 성분을 구성하는 외력의 축방향 힘의 크기를 도출하기 위하여 새로운 구조의 다축 외력 감지센서(100)를 사용하여 적어도 3지점의 압력을 측정하고, 다축 외력 감지 시스템을 구성하는 제어부는 이를 다축 성분을 구성하는 외력의 축방향 힘의 크기를 도출하는 방법을 사용한다. 이하 다축 외력 감지센서(100)에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)는 유연한 재질의 하우징(10); 상기 하우징(10) 내에 구비되는 상호 분리된 복수 개의 에어챔버(20); 복수 개의 상기 에어챔버(20)에 각각 구비되는 압력센서(30); 및, 상기 하우징(10) 상부에서 가해지는 외력을 일정 면적으로 분포시키기 위하여 상기 하우징(10) 상면 중 복수 개의 상기 에어챔버(20) 중심 위치에 배치되는 외력 분산부재(40);를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 상기 하우징(10)은 납작한 원통 형상으로 구성되고 상기 하우징(10)은 실리콘 또는 고무 등의 유연한 재질로 구성될 수 있다.
상기 하우징(10) 내에는 복수 개의 에어챔버(20)가 구비될 수 있다. 각각의 에어챔버(20)는 하우징(10) 내에서 상호 구획되어 구성될 수 있다. 상기 에어챔버(20)는 바람직하게 3개 이상 구비되는 것이 바람직하다.
도 1(a)와 같이 유연한 재질의 방사형으로 배열된 복수 개의 에어챔버(20)에 각각 압력센서(30)를 내장한다. 3개의 센서는 동일 원주 상에 120도의 간격으로 배열되고, 이러한 기하적 특성을 이용하여 후술하는 바와 같이 다축 외력을 측정할 수 있다. 상기 압력센서(30)는 공압센서 등일 수 있다.
도 1(b)에 도시된 바와 같이, 상기 각각의 에어챔버(20)에 구비된 압력센서(30)는 각각의 에어챔버(20) 내부의 저면에 부착되어 구성될 수 있다.
각각의 상기 에어챔버(20)는 기본적으로 원통형으로 구성될 수 있으나, 도 1(a)에 도시된 바와 같이, 상기 에어챔버(20)는 인접한 에어챔버(20)를 향하여 원호 형태로 구성되는 연장부(21)가 구비될 수 있다.
도 1에서 각각의 에어챔버(20)는 삼각형 형태로 이격되어 배치되나 인접한 에어챔버(20)로 외력의 축방향 성분이 잘 분산되도록 하기 위하여 각각의 에어챔버(20)의 내측에 원호 형태로 연장부(21)가 구성될 수 있다. 각각의 연장부(21)는 하나의 원의 원주 상에 배치되도록 구성될 수 있다. 이 경우, 복수 개의 상기 에어챔버(20)의 각각의 연장부(21)는 상기 하우징(10)의 z축 단면방향으로 하나의 원의 분리된 원호를 형성할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예는 원통형 에어챔버(20)에 연장부(21)가 구비되는 형태로 구성되나, 그 형태는 다양하게 변경될 수 있다.
그리고, 상기 하우징(10) 상부에서 가해지는 외력을 일정 면적으로 분포시키기 위하여 상기 하우징(10) 상면 중 복수 개의 상기 에어챔버(20) 중심 위치에 배치되는 외력 분산부재(40)를 더 구비할 수 있다.
상기 외력 분산부재(40)는 외부에서 가해지는 외력이 3방향, 즉 각각의 에어챔버(20)로 분산되도록 하기 위함이다.
상기 외력 분산부재(40)는 판재 형태로 구성될 수 있고 도 1에 도시된 바와 같이 원판 형태로 제한되지 않는다.
상기 하우징(10)은 유연한 재질로 구성되므로 외력이 에어챔버(20) 내부의 압력변화를 유도하여 축방향 외력을 측정하기 위해서는, 외력이 가해지는 면적이 작은 경우에도 이를 각각의 에어챔버(20)로 분산시킬 수 있어야 한다.
따라서, 상기 외력 분산부재(40)의 저면은 각각의 에어챔버(20)의 일부분 상부까지 연장되는 구조를 가질 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 상기 외력 분산부재(40)는 3개의 에어챔버(20)의 원형 영역까지 확장되지 않으나 상기 연장부(21)의 일부를 덮도록 구성되어 외력 분산부재(40) 상부에 외력이 인가되는 경우 외력의 방향에 따라 각각의 에어챔버(20)로 균일하게 힘을 분산시킬 수 있다.
도 2 및 도 3은 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)에 외력이 가해지는 경우의 변형상태의 평면도를 도시한다.
구체적으로 도 2(a)는 -y축 방향 외력(-Fy) 인가된 경우의 다축 외력감지센서의 변형상태의 평면도를 도시하며, 도 2(b)는 +x축 방향 외력(+Fx)이 인가된 경우의 다축 외력 감지센서(100)의 변형상태의 평면도를 도시하며, 도 3(a)는 +z축(하방) 방향 외력(+Fz)이 인가된 경우의 다축 외력감지센서의 변형상태의 평면도를 도시하며, 도 3(b)는 [-x축 방향, +y축 방향 및 +z축] 방향 외력(F)이 가해진 경우의 다축 외력 감지센서(100)의 변형상태의 평면도를 도시한다.
각각의 경우, 가해지는 외력에 의하여 유연한 재질의 하우징(10)은 외력의 반대방향으로 변형되며 변형되는 방향의 에어챔버(20) 내부의 압력을 증가시켜 압력센서(30)가 변화된 압력을 감지하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)의 경우, 외력이 가해지지 않은 상태에서는 각각의 3개의 밀폐된 에어챔버(20) 내부의 내부압과 하우징(10) 외측의 대기압이 일치되도록 구성하는 것이 바람직하다.
일반적으로 벡터 형태의 힘을 x축, y축 및 z축으로 분해하기 위해서는 각각의 축방향 센서를 구비해야 하지만 본 발명은 동일 평면 상에 120도 각도로 배치된 압력센서(30)를 통해 x축, y축 및 z축 방향 힘을 도출하는 방법을 사용한다.
예를 들어, -y축 방향 외력(-Fy) 인가된 도 2(a)의 경우 가해지는 외력은 거의 제1 에어챔버(20a) 내부의 압력센서(30)의 압력 증가를 유발하지만, 도 2(b), 도 3(a) 및 도 3(c)의 경우에는 가해지는 외력에 의하여 적어도 2개 이상의 압력센서(30)의 압력변화가 발생될 수 있다.
도 4는 외력의 크기에 따른 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)를 구성하는 각각의 압력센서(30)의 압력 측정값 및 3축 방향 로드셀에 의한 축방향 힘의 측정값을 도시한다.
구체적으로, 도 4(a)는 외력이 가해지는 경우 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)에 구비된 제1 에어챔버(20a) 내지 제3 에어챔버(20c) 내부에 구비된 제1 압력센서(30a) 내지 제3 압력센서(30c)에 의한 압력 측정값을 도시하며, 도 4(b)는 본 발명의 다축 외력 감지센서(100)에 가해지는 외력을 3축 방향(x, y, z) 로드셀(TechGihan 사의 USL08-H6)을 사용하여 측정한 결과를 도시한다.
시험과정에서 0초 내지 23초 구간에서는 주로 x축 방향 또는 y축 방향 왕복 전단력이 시험적으로 인가되고 전단력의 방향 및 압력센서(30)의 기준 방향 등을 고려하는 경우, 도 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)의 삼각형으로 배치된 제1 압력센서(30a) 내지 제3 압력센서(30c)는 각각 주된 영향을 받는 압력센서(30)의 압력 변화가 발생됨을 확인할 수 있다.
또한, 동일한 구간에서는 3축 방향(x, y, z) 로드셀로 측정된 힘 역시 비슷한 추세를 가지며 측정될 수 있음을 확인할 수 있다.
그러나 23초가 초과되는 구간에서는 힘의 방향이 복잡한 복합적인 외력이 인가되었고 그 구간에서는 다축 외력 감지센서(100)의 압력센서(30)와 다축 외력 감지센서(100)에서 측정된 압력과 힘의 선형적 상관관계 또는 패턴을 찾기 어려워짐을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)에 외력이 가해지는 경우의 변형상태의 단면도를 도시한다.
구체적으로, 도 5(a)는 외력이 인가되지 않는 경우를 도시하며, 도 5(b)는 +z축 방향 외력(Fz)이 가해지는 경우를 도시하며, 도 5(c)는 +x축 방향 외력(Fx)이 가해지는 경우를 도시하며, 도 5(d)는 +x축 및 +z축 방향 외력(Fx)이 가해지는 경우를 도시한다.
상기 외력 분산부재(40)에 가해지는 외력이 z축 방향 힘의 성분을 포함하는 경우, 도 5(b) 및 도 5(d)에 도시된 바와 같이 에어챔버(20)의 부피가 줄어들어 3개의 에어챔버(20)에 구비된 압력센서(30)의 압력 증가를 유발하게 되고, x축 방향 또는 y축 방향 힘의 성분을 포함하는 외력이 가해지는 경우, 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)에는 압력센서(30)가 정삼각형으로 배치되므로 압력센서(30) 배열의 기하적 특성에 의하여 압력의 증가값과 감소값의 합이 일정한 양상을 보임을 확인하였다.
본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)에 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 하나의 축방향 성분을 갖는 외력이 인가되는 경우, 복수 개의 상기 에어챔버(20)는 각각 압축 또는 팽창 변형되고, 각각의 에어챔버(20) 내에 설치된 압력센서(30)는 에어챔버(20)의 압축 또는 팽창에 따라 양의 측정값 또는 음의 측정값을 출력할 수 있다.
본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)를 통해 측정된 복수 개의 압력센서(30)를 통해 측정된 각각의 압력값을 통해 다축 성분을 포함하는 외력의 축방향 힘의 크기와 선형적인 관계를 바로 도출할 수 없으므로, 본 발명에 따른 다축 외력 감지 시스템은 제어부를 통해 각각의 압력값을 사용하여 다축 성분을 포함하는 외력의 축방향 힘의 크기를 도출한다. 구체적인 방법을 설명한다.
도 6는 각각의 축방향 외력의 크기에 따른 본 발명의 다축 외력 감지센서(100)의 각각의 압력센서(30)의 압력 측정값을 도시한다.
본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)를 구성하는 에어챔버(20)는 120도 간격으로 3개가 배치되고, 제1 내지 제3 압력센서(30c)는 에어챔버(20)의 저면 중심에 설치되며, 상기 제1 내지 제3 압력센서(30c)는 제2 압력센서(30)와 제3 압력센서(30c)를 연결하는 밑변이 X축과 평행하고, 상기 제1 압력센서(30a)가 상기 밑변 상부에 배치되는 x-y 평면상의 정삼각형의 꼭지점 상에 배치된다.
본 발명에 따른 다축 외력 감지 시스템의 제어부는 전술한 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)의 측정값을 사용하여 아래와 같이 계산하여 다축 외력의 x축, y축 및 z축 방향 성분(Fx, Fy 및 Fz)을 도출될 수 있다.
즉, 각각의 x축 방향 외력(Fx), y축 방향 외력(Fy) 및 z축 방향 외력(Fz)이 가해짐에 따라 제1 압력센서(30a) 내지 제3 압력센서(30c)에서 측정되는 압력 측정값 P(30a), P(30b)및 P(30c)의 관계가 도 7에 도시된 바와 같이 선형적 패턴을 가짐을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)에 x축, y축 및/또는 y축 성분을 포함하는 다축 외력이 인가되면, 상기 다축 외력의 x축, y축 및 z축 방향 성분(Fx, Fy 및 Fz)은 상기 제1 내지 제3 압력센서(30c)의 측정값(S1, S2 및 S3)과 아래의 관계가 있음을 확인할 수 있다.
여기서, 제1 압력센서(30a) 내지 제3 압력센서(30c)에서 측정되는 압력 측정값 P(30a), P(30b)및 P(30c)은 각각 S1, S2 및 S3로 표기하며, α 및 β는 상관계수로 실험적으로 결정될 수 있다.
- 제1식 -
Figure pat00003
, (또는
Figure pat00004
)
또한, 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)를 통해 측정된 제1 압력센서(30a) 내지 제3 압력센서(30c)의 압력 측정값 S1, S2 및 S3을 다축 외력의 x축, y축 및 z축 방향 성분(Fx, Fy 및 Fz)으로 변환하기 위한 위 변환행렬의 각각의 행과 열의 값은 시험적으로 결정되는 α 및 β 값에 의하여 계산될 수 있으나, 에어챔버(20) 또는 압력센서(30)의 정렬 상태 또는 각각의 에어챔버(20)의 부피 등에 따라 계산된 값과 편차가 발생될 수 있으므로, 로드셀 등의 측정값을 사용하여 변환행렬을 구성하는 각각의 행과 열의 값은 미세하게 조절될 수도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)는 에어챔버(20)와 압력센서(30)가 각각 정삼각형태로 배치되는 것으로 가정하여 위 변환행렬이 결정되었으므로 에어챔버(20)와 압력센서(30)의 배치형태를 변경하는 경우, 위 변환행렬은 변경될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)를 통해 측정된 외력과 가해지는 외력의 관계를 도시한다.
즉, 도 7의 수평축은 로드셀에 의하여 측정되는 축방향 외력의 크기이며, 수직축은 각각의 제1 압력센서(30a) 내지 제3 압력센서(30c)에서 측정된 압력 측정값 S1, S2 및 S3을 사용하여 위 제1 식을 통해 계산된 축방향 외력의 크기를 도시한다.
적색 기준선은 로드셀에 의하여 측정된 외력의 크기와 제1식을 통해 계산된 축별 외력의 크기가 동일한 경우의 기준선이며, 계산결과 제1 압력센서(30a) 내지 제3 압력센서(30c)에서 측정된 압력 측정값 S1, S2 및 S3을 사용하여 위 제1 식을 통해 계산된 외력의 축별 크기와 로드셀에 의하여 측정된 외력의 크기가 대체로 일치되어, 제1 압력센서(30a) 내지 제3 압력센서(30c)에서 측정된 압력 측정값 S1, S2 및 S3을 위 제1 식을 통해 계산하여 다축 성분을 포함하는 다축 외력의 x축 y축 및 z축 방향 힘의 크기를 결정할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 8은 다축 성분을 포함하는 15N 이하의 범위의 외력을 인가하고, 본 발명에 따른 다축 외력 감지센서(100)와 전술한 3축 로드셀을 사용하여 축방향 외력을 측정한 비교결과이다.
비교결과 다축 성분을 포함하는 임의의 외력이 인가되는 경우 3축 로드셀을 사용하여 측정한 각각의 축방향 외력과 본 발명의 다축 외력 감지센서(100)를 통해 측정된 압력값을 위 제1식을 활용하여 도출한 축방향 외력의 크기의 x축 방향 외력, y축 방향 외력 및 z축 방향 외력의 평균 제곱근 오차(RMSE)는 0.2N, 0.23N 및 0.5N에 불과함을 확인하였다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
1000 : 다축 외력 감지센서
20 : 에어챔버
30 : 압력센서
40 : 외력 분산부재

Claims (14)

  1. 유연한 재질의 하우징;
    상기 하우징 내에 구비되는 상호 분리된 복수 개의 에어챔버;
    복수 개의 상기 에어챔버에 각각 구비되는 압력센서;
    상기 하우징 상부에서 가해지는 외력을 일정 면적으로 분포시키기 위하여 상기 하우징 상면 중 복수 개의 상기 에어챔버 중심 위치에 배치되는 외력 분산부재; 및,
    상기 외력 분산부재에 인가되는 외력에 의한 각각의 상기 압력센서에서 측정된 압력값을 통해 외력의 x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 성분을 결정하는 제어부;를 포함하는 다축 외력 감지 시스템.　
  2. 제1항에 있어서,
    x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 하나의 축방향 성분을 갖는 외력이 상기 외력 분산부재에 인가되는 경우, 복수 개의 상기 에어챔버는 각각 압축 또는 팽창 변형되고, 각각의 에어챔버 내에 설치된 압력센서는 에어챔버의 압축 또는 팽창에 따라 양의 측정값 또는 음의 측정값을 출력하는 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지 시스템.　
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에어챔버는 120도 간격으로 3개가 배치되고, 제1 내지 제3 압력센서는 에어챔버의 저면 중심에 설치되며, 상기 제1 내지 제3 압력센서는 제2 압력센서와 제3 압력센서를 연결하는 밑변이 X축과 평행하고, 상기 제1 압력센서가 상기 밑변 상부에 배치되는 x-y 평면상의 정삼각형의 꼭지점 상에 배치되며,
    상기 외력 분산부재에 인가되는 다축 외력이 인가되면, 상기 다축 외력의 x축, y축 및 z축 방향 성분(Fx, Fy 및 Fz)은 상기 제1 내지 제3 압력센서의 측정값(S1, S2 및 S3)과 아래의 관계로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지 시스템.
    - 아래 -
    Figure pat00005
    , (또는
    Figure pat00006
    )
    　* 여기서 α 및 β는 상관계수
  4. 유연한 재질의 하우징;
    상기 하우징 내에 구비되는 상호 분리된 복수 개의 에어챔버;
    복수 개의 상기 에어챔버에 각각 구비되는 압력센서; 및,
    상기 하우징 상부에서 가해지는 외력을 일정 면적으로 분포시키기 위하여 상기 하우징 상면 중 복수 개의 상기 에어챔버 중심 위치에 배치되는 외력 분산부재;를 포함하는 다축 외력 감지센서.
  5. 제4항에 있어서,
    각각의 상기 에어챔버 내부에 구비되는 압력센서는 에어챔버의 저면 중심에 배치되는 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지센서.
  6. 제4항에 있어서,
    각각의 상기 에어챔버는 인접한 양 에어챔버를 향하도록 연장된 연장부가 형성되는 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지센서.
  7. 제6항에 있어서,
    복수 개의 상기 에어챔버는 원통형으로 구성되며, 상기 에어챔버의 연장부는 각각의 에어챔버의 내측 단부에서 인접한 에어챔버 방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지센서.　
  8. 제7항에 있어서,
    복수 개의 상기 에어챔버의 각각의 연장부는 상기 하우징의 z축 단면방향으로 하나의 원의 분리된 원호를 형성하는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지센서.　
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하우징은 원기둥 형태로 구성되고, 상기 외력 분산부재는 원판 형태로 상기 하우징의 상면 중심에 설치되는 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지센서.　
  10. 제6항에 있어서,
    상기 외력 분산부재의 반경은 상기 하우징 상면의 중심에서 상기 에어챔버의 연장부까지의 크기인 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지센서.　
  11. 제6항에 있어서,
    복수 개의 에어챔버는 원기둥 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지센서.　
  12. 제4항에 있어서,
    상기 에어챔버는 120도 간격으로 3개가 배치되고, 제1 내지 제3 압력센서는 각각의 에어챔버의 저면 중심에 배치되어, 상기 제1 내지 제3 압력센서는 x-y 평면상의 정삼각형의 꼭지점 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지센서.
  13. 제12항에 있어서,
    x축 방향, y축 방향 및 z축 방향 중 적어도 하나의 축방향 성분을 갖는 외력이 상기 외력 분산부재에 인가되는 경우, 복수 개의 상기 에어챔버는 각각 압축 또는 팽창 변형되고, 각각의 에어챔버 내에 설치된 압력센서는 각각의 에어챔버의 압축 또는 팽창에 따라 양의 측정값 또는 음의 측정값을 출력하는 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지센서.　
  14. 제13항에 있어서,
    상기 외력 인가부재에 외력이 가해지지 않는 상태에서 상기 제1 내지 제3 압력센서가 되도록 에어챔버 내부압은 대기압과 동일하게 세팅되는 것을 특징으로 하는 다축 외력 감지센서.
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JP2017536291A (ja) * 2014-11-24 2017-12-07 イリノイ トゥール ワークス インコーポレイティド 自動車用タイヤパンク修理キットの圧力インジケーター装置

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