KR20200062588A - 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치 - Google Patents

6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치에 관한 것으로, X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점이 정의되는 고정프레임과, 상기 고정프레임의 상방으로 이격되어 상기 고정프레임의 고정좌표계를 기준으로 이동 가능하게 설치되고, x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점이 정의되는 이동프레임과, 상기 고정프레임에 대하여 상기 이동프레임을 지지하도록 상기 고정프레임과 이동프레임 사이에 설치되고, 상기 고정프레임의 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 외력이 작용하여 위치 이동하는 경우 탄성 변형하는 순응기구부와, 상기 순응기구부의 변형량을 감지하여 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘과 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정하는 감지측정부를 포함하고, 상기 순응기구부는, 상기 고정프레임과 이동프레임 사이에 각각이 120도 각도의 간격으로 대각화되어 설치된 3개의 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈을 포함하고, 상기 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈 각각은, 'ㄴ'자 형상의 판상으로 형성된 제1 탄성변형부재 및 제2 탄성변형부재가 서로 직렬로 연결 설치된 것을 특징으로 한다.

Description

6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치{6-AXIS COMPLIANCE DEVICE WITH FORCE/TORQUE SENSING CAPABILITY}
본 발명은 작업로봇의 중심축에 형성된 순응중심을 이용하여 작업로봇에 결합된 작업공구가 대상물을 가공 또는 조립하는 경우 일정한 압력으로 접촉하여 대상물 및 작업공구의 파손을 방지하도록 3축 방향에 작용하는 3개의 힘과 3축의 중심을 기준으로 회전하여 발생하는 3개의 모멘트를 측정하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치에 관한 것이다.
현대 산업 사회에서 다양한 분야에 산업용 로봇이 사용되고 있다. 초기 산업용 로봇의 경우 단순히 무거운 짐을 옮기는 역할만 수행했지만, 3차원 환경 인식이 가능해지면서 물류 이송 작업뿐만 아니라 주요 공정라인에 설치되어 다양한 작업들을 수행하고 있다. 점차 산업의 자동화가 진행됨에 따라 생산성 향상, 비용 절감, 다품종 소량생산 등 다양한 요구사항이 생겨나고, 이러한 요구사항들을 충족시키기 위해 주요 공정라인 뿐만 아니라 전체 공정라인에 산업용 로봇을 투입할 필요성이 생겨났다.
예컨대, 디버링, 버핑, 폴리싱, 글라인딩, 샌딩 등과 같은 가공작업은 물론, 각 부품을 조립하는 제품조립작업에 산업용 로봇을 투입시킨다면 많은 비용절감 효과를 볼 수 있다. 이러한 작업들의 공통점은 작업공구를 작업물의 표면에 일정한 접촉력을 유지하면서 작업물의 표면을 따라 이동해야 된다. 따라서, 작업로봇의 위치 제어뿐만 아니라 힘 제어도 필요해졌다. 상술한 문제점들을 해결하기 위해 강성을 알 수 있는 장치를 작업로봇의 끝단 즉, 손목부위에 결합하여 위치 및 힘을 동시에 제어하는 방법이 사용되고 있다.
종래 기술에 따른 힘 제어 방식은 힘 측정이 가능한 F/T 센서(Force/Torque Sensor)를 작업로봇의 손목부위에 부착하여 힘 제어가 필요한 작업에 사용되고 있다. 하지만, F/T 센서의 경우 작업을 수행하는 장치가 아닌 필요한 정보를 신호로 전달하는 장치이기 때문에 힘/모멘트를 측정하여 제어하는데 도움은 주지만, 일정한 힘으로 작업용 공구를 단단한 대상물 표면에 접촉 및 유지하기가 매우 어렵다.
즉, 대상물의 표면에 일정한 압력을 유지하기 위해선 유연성(Flexible)을 가진 작업공구를 사용해야되고, F/T 센서의 내부 구조가 십자형태의 탄성 구조물로 이루어져 있어 횡민감도(Cross Sensitivity)를 최소화하는데 한계가 있다는 문제점이 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 힘/모멘트를 감지함과 동시에 유연성을 가진 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 장치를 개발하였다.
먼저, 고정좌표계의 고정원점이 정의되는 고정프레임(10)과, 상기 고정프레임(10)으로부터 상방으로 이격되어 설치되고, 이동좌표계의 이동원점이 정의되는 이동프레임(20)과, 상기 고정프레임(10)과 이동프레임(20) 사이에 설치되어 상기 고정프레임(10)에 대해 상기 이동프레임(20)을 지지하고, 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임(10)의 이동원점에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘 및 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정하는 순응기구부(30)로 이루어진다.
여기서, 순응기구부(30)는 일단이 고정프레임(10)과 볼조인트 결합되고, 타단이 이동프레임(20)과 볼조인트 결합된다. 또한, 이동프레임(20)에 외력이 작용하여 이동프레임의 이동좌표계가 위치 이동하는 경우 충격을 완화하도록 완충실린더가 구비된다. 완충실린더는 내부에 스프링이 설치되어 미소변위를 형성하여 장치에 유연성을 갖게 한다.
더욱이, 완충실린더의 외측면에 설치된 광학센서를 통해 이동프레임(20)에 외력이 작용해 완충실린더의 내부에 설치된 스프링이 압축되어 형성되는 미소변위를 측정하여 이동프레임(20)에 작용하는 외력의 방향과 크기를 측정하게 된다. 하지만, 광학센서의 경우 고가이기 때문에 장치의 비용이 높다는 문제점과 광학센서의 특성상 외부로부터 들어오는 이물질에 취약하여 사용할 수 있는 환경이 제한적이라는 단점이 있다.
상술한 문제점을 보완하기 위해 본 출원인이 출원 및 등록한 특허등록 제10-1876676호의 '6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치'에서 도 2에 도시된 바와 같이 스트레인게이지를 이용하여 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 장치를 개발하였다. 즉, 고정프레임(10)과 이동프레임(20) 및 순응기구부(30)는 동일하게 가지지만, 순응기구부(30)의 구조를 종래의 스프링-실린더 구조로부터 링크부재 및 탄성편이라는 새로운 구조로 변경하고, 탄성편에 스트레인게이지를 부착하여 변형량을 감지함으로써 고정좌표계를 기준으로 이동원점에 작용하는 3개의 힘과 3개의 모멘트를 측정하여 장치의 비용을 확연히 줄이면서도 작업물과 작업공구의 손상 및 파손을 방지할 수 있게 되었다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술인 실린더-스프링 구조 및 링크-탄성편 구조는 높은 강성을 필요로 하는 작업이나 중대형의 로봇작업에는 적합하지만, 구조적으로 소형화시키기에는 한계가 있다. 물론, 매우 작은 크기로 제작할 수도 있겠지만 보다 소형화 및 정밀화에 맞는 새롭고도 단순한 구조의 순응장치가 필요하다.
상기와 같은 관점에서 안출된 본 발명의 목적은, 소형화 및 정밀화에 더욱 적합하고, 제작비용을 절감시킬 수 있으면서도 외부로부터 유입되는 이물질에 영향을 받지 않아 다양한 작업환경에 적용 가능하고, 간단한 힘 제어 방식을 사용하여 3개의 힘 및 3개의 모멘트를 측정할 수 있는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점이 정의되는 고정프레임과, 상기 고정프레임의 상방으로 이격되어 상기 고정프레임의 고정좌표계를 기준으로 이동 가능하게 설치되고, x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점이 정의되는 이동프레임과, 상기 고정프레임에 대하여 상기 이동프레임을 지지하도록 상기 고정프레임과 이동프레임 사이에 설치되고, 상기 고정프레임의 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 외력이 작용하여 위치 이동하는 경우 탄성 변형하는 순응기구부와, 상기 순응기구부의 변형량을 감지하여 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘과 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정하는 감지측정부를 포함하고, 상기 순응기구부는, 상기 고정프레임과 이동프레임 사이에 각각이 120도 각도의 간격으로 대각화되어 설치된 3개의 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈을 포함하고, 상기 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈 각각은, 각각이 'ㄴ'자 형상의 판상으로 형성된 제1 탄성변형부재 및 제2 탄성변형부재가 서로 직렬로 연결 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 탄성변형부재는, 세로변인 제1 고정편보다 가로변인 제1 탄성편의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제1 탄성편이 상기 고정프레임과 평행이 되도록 상기 제1 고정편의 시작단이 상기 이동프레임에 고정 결합되고, 상기 제2 탄성변형부재는, 세로변인 제2 고정편보다 가로변인 제2 탄성편의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제2 탄성편이 상기 제1 탄성변형부재의 제1 탄성평과 수직이 되도록 상기 제2 고정편의 시작단이 상기 고정프레임에 고정 결합되고, 상기 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈 각각은, 상기 제1 탄성변형부재의 제1 탄성편 끝단 및 제2 탄성변형부재의 제2 탄성편 끝단을 각각 연결하는 연결조인트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연결조인트는, 볼조인트인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 감지측정부는, 상기 제1 탄성편 및 제2 탄성편 각각의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나의 일면에 각각 부착되어 상기 제1 탄성편 및 제2 탄성편 각각의 변형량을 감지하는 복수의 스트레인게이지와, 상기 스트레인게이지 각각의 신호를 전송받아 상기 스트레인게이지 각각의 변형량으로부터 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 작용하는 X축 방향에 대한 FX, Y축 방향에 대한 FY, Z축 방향에 대한 FZ 각각의 3개의 힘 및 X축 방향을 회전중심으로 하는 MX, Y축 방향을 회전중심으로 하는 MY, Z축 방향을 회전중심으로 하는 MZ 각각의 3개의 모멘트를 계산하는 마이콤을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정프레임 및 이동프레임은 상호 평행하게 수평으로 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정프레임은, 하부가 폐쇄된 원통 형상이고, 상기 이동프레임은, 상기 고정프레임의 내경보다 작은 직경을 가진 원판 형상으로 상기 고정프레임의 개방된 상부에 유동가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, 고정프레임 및 이동프레임과 순응기구부를 가지되, 순응기구부의 구성을 대각화된 3개의 모듈로 구성하고, 각 모듈을 'ㄴ'자 형상으로 된 판상의 제1 탄성변형부재 및 제2 탄성변형부재를 직렬로 연결 설치하는 새로운 구조를 통해 순응기구부를 획기적으로 간소화시켜 제작비용을 절감시키면서도 정밀화 및 소형화에 보다 적합한 효과를 가진다.
또한, 제1 탄성변형부재의 제1 탄성편 및 제2 탄성변형부재의 제2 탄성편이 상호 수직의 구조를 가지므로 3축 방향의 3개의 힘과 3개의 모멘트를 제1 탄성편 및 제2 탄성편에 부착된 스트레인게이지를 통해 측정할 수 있고, 외부로부터 유입되는 이물질에도 강건하여 다양한 작업환경에서 사용 가능한 효과가 있다.
또한, 고정프레임과 이동프레임을 상호 평행하게 설치함으로써, 이동프레임의 이동원점에 걸리는 힘 제어 방향과 위치 제어 방향이 서로 수직이 되도록 만들어 힘제어를 간단하고도 용이하게 할 수 있는 특징이 있다.
또한, 고정프레임을 원통 형상으로 형성하고, 이동프레임을 고정프레임의 개방된 상부에 유동 가능하게 결합하여 작업로봇의 암이나 손목, 어느 부위든 용이하게 삽입하여 설치할 수 있고, 이동프레임에도 작업공구를 편리하게 설치할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 일 실시예를 도시한 사시도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 다른 실시예를 도시한 사시도이며,
도 3은 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 일 실시예를 도시한 사시도이고,
도 4는 도 3의 실시예 중 제1 순응장치모듈을 도시한 요부 사시도이며,
도 5는 도 4의 실시예와 비교하여 제1 순응장치모듈의 다른 실시예를 도시한 요부 사시도이고,
도 6은 도 3의 실시예 중 순응기구부 및 감지측정부를 도시한 구성도이며,
도 7은 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 다른 실시예를 도시한 분해도이고,
도 8은 도 7의 실시예의 결합 사시도이며,
도 9는 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치를 작업로봇에 설치하여 사용하는 상태를 도시한 측면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같이 고정프레임(100), 이동프레임(200), 순응기구부(300) 및 감지측정부(400)를 포함하여 이루어지고, 상기 순응기구부(300)는 제1 순응장치모듈(310), 제2 순응장치모듈(320) 및 제3 순응장치모듈(330)을 포함하며, 각각의 순응장치모듈(310)(320)(330)은 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350)를 포함한다.
고정프레임(100)은 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이 X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점(110)이 정의된다. 보통 고정프레임(100)은 도 9에 도시된 바와 같이 작업로봇(R)의 끝단 즉, 작업로봇(R)의 손목부위에 설치되는데 여기서, 작업로봇(R)의 손목부위에 형성되는 작업좌표계와 상기 고정좌표계(110)의 위치가 일치하도록 설치하는 것이 좋다. 이는 이동프레임(200)의 위치변화 측정을 용이하게 함과 동시에 각각의 축 별로 작용하는 힘 및 모멘트로 나누어 연산을 단순화시키기 위함이다.
이동프레임(200)은 도 3, 7 및 8에 도시된 바와 같이 상기 고정프레임(100)의 상방으로 이격되어 상기 고정프레임(100)의 고정좌표계를 기준으로 이동 가능하게 설치되고, x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점(210)이 정의된다. 이동프레임(200)의 이동좌표계는 상기 고정프레임(100)의 고정좌표계를 기준으로 표현되는 좌표계이다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이 이동프레임(200)에 작업공구(T)가 설치되어 가공 또는 조립작업이 이루어지기 때문에 상기 이동좌표계의 이동원점(210)의 위치변화량이 작업공구(T)와 작업물 사이에 발생하는 접촉력을 발생하게 된다.
따라서, 이동좌표계의 이동원점(210)의 위치 이동에 대한 기준을 정의를 하기 위해 고정프레임(100)의 고정좌표계가 정의되어야 하고, 이때, 고정좌표계의 위치가 작업로봇(R)의 손목부위에 형성되면 작업로봇(R)을 기준으로 이동좌표계의 이동원점(210)의 위치 이동을 확인할 수 있게 되므로 제어가 용이하게 된다.
순응기구부(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 고정프레임(100)에 대하여 상기 이동프레임(200)을 지지하도록 상기 고정프레임(100)과 이동프레임(200) 사이에 설치되고, 상기 고정프레임(100)의 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임(200)의 이동원점(210)에 외력이 작용하여 위치 이동하는 경우 탄성 변형한다.
구체적으로, 순응기구부(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 고정프레임(100)과 이동프레임(200) 사이에 각각이 120도 각도의 간격으로 대각화되어 설치된 3개의 제1 지지변형모듈(310), 제2 지지변형모듈(320) 및 제3 지지변형모듈(330)을 포함하고, 제1 내지 제3의 지지변형모듈(310, 320, 330) 각각은 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 각각이 'ㄴ'자 형상의 판상으로 형성된 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350)가 서로 직렬로 연결 설치된다.
즉, 순응기구부(300)는 3개의 지지변형모듈(310)(320)(330)이 고정프레임(100)에 대하여 이동프레임(200)을 병렬적으로 탄성 지지하고, 각각의 지지변형모듈(310)(320)(330)은 한 쌍의 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350)가 직렬로 연결된 구조를 가진다. 이때, 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350) 각각이 세로변 및 가로변으로 이루어진 'ㄴ'자 형상의 판상으로 형성되는 이유는, 세로변 및 가로변 중 어느 하나의 변은 고정프레임(100) 또는 이동프레임(200)에 고정시키기 위한 것이며, 나머지 하나의 변은 탄성 변형되어 변형량을 측정하기 위한 것이다. 이때, 탄성 변형하는 변은 변형량을 측정할 수 있도록 판상으로 형성되어야 한다.
보다 구체적으로, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 상기 제1 탄성변형부재(340)는 세로변인 제1 고정편(341)보다 가로변인 제1 탄성편(342)의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제1 탄성편(342)이 상기 고정프레임(100)과 평행이 되도록 상기 제1 고정편(341)의 시작단이 상기 이동프레임(200)에 고정 결합된다. 즉, 제1 고정편(341)은 제1 탄성변형부재(340)의 고정부가 되고, 제1 탄성편(342)은 제1 탄성변형부재(340)의 변형량을 측정하는 변형부가 된다.
또한, 상기 제2 탄성변형부재(350)는 세로변인 제2 고정편(351)보다 가로변인 제2 탄성편(352)의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제2 탄성편(352)이 상기 제1 탄성변형부재(340)의 제1 탄성편(342)과 수직이 되도록 상기 제2 고정편(351)의 시작단이 상기 고정프레임(100)에 고정 결합된다. 즉, 제2 고정편(351)은 제2 탄성변형부재(350)의 고정부가 되고, 제2 탄성편(352)은 제2 탄성변형부재(350)의 변형량을 측정하는 변형부가 된다.
이때, 상기 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350)은 서로 직렬로 연결되는데, 서로 간의 연결은 3축에 대하여 자유 회전할 수 있는 연결조인트(360)가 필요하다. 즉, 제1 탄성변형부재(340)와 제2 탄성변형부재(350)가 서로 직렬로 연결되기 위해서는, 제1 탄성변형부재(340)의 제1 탄성편(342)의 끝단과 제2 탄성변형부재(350)의 제2 탄성편(352)의 끝단 사이에 상기 연결조인트(360)가 필요하다.
상기와 같은 조건의 연결조인트(360)는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 탄성편(342)의 끝단과 제2 탄성편(352)의 끝단이 미소하게 금속결합되어 유니버셜 또는 볼조인트와 같은 효과를 가지도록 결합될 수 있다. 또한, 상기 연결조인트(360)는 도 5에 간략하게 도시된 바와 같이 볼조인트일 수 있고, 볼과 소켓을 구체적으로 도시하지는 않았으나 상호 간에 볼-소켓을 설치하여 볼조인트로 구성할 수도 있다. 또한, 상기 연결조인트(360)는 도면에는 도시하지 않았으나 유니버셜 조인트나 힌지 조인트 등을 통해 구속 조건에 따라 설치될 수도 있다.
상술한 고정프레임(100), 이동프레임(200) 및 순응기구부(300)를 통해 고정프레임(100)에 대한 이동프레임(200)의 이동변화로부터 순응기구부(300)의 각 지지변형모듈(310)(320)(330)을 구성하는 각각의 제1 탄성변형부재(340)의 제1 탄성편(342) 및 제2 탄성변형부재(350)의 제2 탄성편(352)의 변형량을 통해 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘과 3개의 모멘트를 측정할 수 있고, 이는 감지측정부(400)를 통해 이루어진다.
감지측정부(400)는 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 상기 이동프레임(200)의 이동원점(211)에 외력이 작용하여 상기 고정프레임(100)의 고정원점(111)을 기준으로 상기 이동프레임(200)의 이동원점(211)이 위치 이동하는 경우 상기 순응기구부(300)로부터 탄성 변형량을 감지하여 상기 고정좌표계(110)를 기준으로 상기 이동프레임(200)의 이동원점(211)에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘과 X축 및 Y축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 2개의 모멘트를 측정한다.
이때, 감지측정부(400)는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 순응기구부(300)의 변형량을 감지하여 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임(200)의 이동원점(210)에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘과 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정한다. 이를 위하여, 상기 감지측정부(400)는 복수의 스트레인게이지(410) 및 마이콤(420)을 포함한다.
즉, 스트레인게이지(410)는 상기 제1 탄성편(342) 및 제2 탄성편(352) 각각의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나의 일면에 각각 부착되어 상기 제1 탄성편(342) 및 제2 탄성편(352) 각각의 변형량을 감지하고, 마이콤(420)은 상기 스트레인게이지(410) 각각의 신호를 전송받아 상기 스트레인게이지(410) 각각의 변형량으로부터 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임(200)의 이동원점(210)에 작용하는 X축 방향에 대한 Fx, Y축 방향에 대한 Fy, Z축 방향에 대한 Fz 각각의 3개의 힘 및 X축 방향을 회전중심으로 하는 Mx, Y축 방향을 회전중심으로 하는 My, Z축 방향을 회전중심으로 하는 Mz 각각의 3개의 모멘트를 계산한다.
여기서 스트레인게이지(410)를 사용하는 이유는 탄성 변형량을 측정하는 센서 중 높은 민감도를 가지고, 비용이 낮기 때문이다. 따라서, 스트레인게이지(410)를 사용하게 되면 장치의 제작비용을 절감시킬 수 있다. 스트레인게이지(410)는 휘스톤 브릿지 회로를 구성하고 있으며, 마이콤(420)과 배선을 통해 연결되어 신호를 보낸다. 휘스톤 브릿지 회로는 연결방식에 따라서 탄성 변형량을 구하는 수학식이 달라지며, 본 발명의 스트레인게이지(410)는 굽힘 타입의 풀 브릿지 회로로 구성할 수 있다.
또한, 상기 마이콤(420)은 스트레인게이지(410)로부터 실시간으로 전송되는 탄성 변형량에 대한 데이터를 저장하기 위한 메모리부(미도시)가 마이콤(420)에 구비될 수 있고, 스트레인게이지(410)의 신호를 증폭하여 증폭된 신호를 처리해 각각의 힘과 모멘트 값으로 사용자에게 변환해 준다.
한편, 도 3, 7 및 8에 도시된 바와 같이 상기 고정프레임(100) 및 이동프레임(200)은 상호 평행하게 수평으로 설치된다. 이러한 고정프레임(100)과 이동프레임(200)을 상호 평행하게 설치함으로써, 이동프레임(200)의 이동원점(210)에 걸리는 힘 제어 방향과 위치제어 방향이 서로 수직이 되도록 만들어 수식이 간단해지고, 힘 제어를 더욱 용이하게 할 수 있는 특징이 있다.
또 한편, 도 7 및 8에 도시된 바와 같이 상기 고정프레임(100)은 하부가 폐쇄된 원통 형상으로 제작하고, 상기 이동프레임(200)은 상기 고정프레임(200)의 내경보다 작은 직경을 가진 원판 형상으로 상기 고정프레임(100)의 개방된 상부에 유동가능하게 설치할 수 있다. 이러한 구조는 본 발명의 순응기구부(300)의 간단하면서도 소형화시킬 수 있는 구조로부터 비롯된 것으로서, 전체적인 형상을 납작한 원반 형상으로 제작하여 작업로봇(R)의 어느 부위라도 용이하게 삽입 설치할 수 있는 장점이 된다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이 작업로봇(R)의 끝단인 작업공구(T)의 후방에 본 발명의 순응장치를 설치할 수도 있고, 보다 소형화시켜 작업공구(T)의 관절부위나 휴머노이드 로봇 등의 다리나 팔 등의 관절부위는 물론, 미세부위에도 설치할 수 있는 효과가 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, 고정프레임(100) 및 이동프레임(200)과 순응기구부(300)를 가지되, 순응기구부(300)의 구성을 대각화된 3개의 모듈(310)(320)(330)로 구성하고, 각 모듈을 'ㄴ'자 형상으로 된 판상의 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350)를 직렬로 연결 설치하는 새로운 구조를 통해 순응기구부(300)를 획기적으로 간소화시켜 제작비용을 절감시키면서도 정밀화 및 소형화에 보다 적합한 효과를 가진다.
또한, 제1 탄성변형부재(340)의 제1 탄성편(342) 및 제2 탄성변형부재(350)의 제2 탄성편(352)이 상호 수직의 구조를 가지므로 3축 방향의 3개의 힘과 3개의 모멘트를 제1 탄성편(342) 및 제2 탄성편(352)에 부착된 스트레인게이지(410)를 통해 측정할 수 있고, 외부로부터 유입되는 이물질에도 강건하여 다양한 작업환경에서 사용 가능한 효과가 있다.
또한, 고정프레임(100)과 이동프레임(200)을 상호 평행하게 설치함으로써, 이동프레임(200)의 이동원점(210)에 걸리는 힘 제어 방향과 위치제어 방향이 서로 수직이 되도록 만들어 힘 제어를 간단하고도 용이하게 할 수 있는 특징이 있다.
또한, 고정프레임(100)을 원통 형상으로 형성하고, 이동프레임(200)을 고정프레임(100)의 개방된 상부에 유동 가능하게 결합하여 작업로봇(R)의 암이나 손목, 어느 부위든 용이하게 삽입하여 설치할 수 있고, 이동프레임(200)에도 작업공구(T)를 편리하게 설치할 수 있는 효과가 있다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
T : 작업공구
R : 작업로봇
100 : 고정프레임 110 : 고정원점
200 : 이동프레임 210 : 이동원점
300 : 순응기구부 310 : 제1 순응장치모듈
320 : 제2 순응장치모듈 330 : 제3 순응장치모듈
340 : 제1 탄성변형부재
341 : 제1 고정편 342 : 제1 탄성편
350 : 제2 탄성변형부재
351 : 제2 고정편 352 : 제2 탄성편
360 : 연결조인트
400 : 감지측정부
410 : 스트레인게이지 420 : 마이콤

Claims (6)

  1. X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점이 정의되는 고정프레임과, 상기 고정프레임의 상방으로 이격되어 상기 고정프레임의 고정좌표계를 기준으로 이동 가능하게 설치되고, x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점이 정의되는 이동프레임과, 상기 고정프레임에 대하여 상기 이동프레임을 지지하도록 상기 고정프레임과 이동프레임 사이에 설치되고, 상기 고정프레임의 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 외력이 작용하여 위치 이동하는 경우 탄성 변형하는 순응기구부와, 상기 순응기구부의 변형량을 감지하여 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘과 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정하는 감지측정부를 포함하고,
    상기 순응기구부는,
    상기 고정프레임과 이동프레임 사이에 각각이 120도 각도의 간격으로 대각화되어 설치된 3개의 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈을 포함하고,
    상기 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈 각각은,
    각각이 'ㄴ'자 형상의 판상으로 형성된 제1 탄성변형부재 및 제2 탄성변형부재가 서로 직렬로 연결 설치된 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄성변형부재는,
    세로변인 제1 고정편보다 가로변인 제1 탄성편의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제1 탄성편이 상기 고정프레임과 평행이 되도록 상기 제1 고정편의 시작단이 상기 이동프레임에 고정 결합되고,
    상기 제2 탄성변형부재는,
    세로변인 제2 고정편보다 가로변인 제2 탄성편의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제2 탄성편이 상기 제1 탄성변형부재의 제1 탄성평과 수직이 되도록 상기 제2 고정편의 시작단이 상기 고정프레임에 고정 결합되고,
    상기 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈 각각은,
    상기 제1 탄성변형부재의 제1 탄성편 끝단 및 제2 탄성변형부재의 제2 탄성편 끝단을 각각 연결하는 연결조인트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결조인트는,
    볼조인트인 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 감지측정부는,
    상기 제1 탄성편 및 제2 탄성편 각각의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나의 일면에 각각 부착되어 상기 제1 탄성편 및 제2 탄성편 각각의 변형량을 감지하는 복수의 스트레인게이지와,
    상기 스트레인게이지 각각의 신호를 전송받아 상기 스트레인게이지 각각의 변형량으로부터 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 작용하는 X축 방향에 대한 FX, Y축 방향에 대한 FY, Z축 방향에 대한 FZ 각각의 3개의 힘 및 X축 방향을 회전중심으로 하는 MX, Y축 방향을 회전중심으로 하는 MY, Z축 방향을 회전중심으로 하는 MZ 각각의 3개의 모멘트를 계산하는 마이콤을 포함하는 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 고정프레임 및 이동프레임은 상호 평행하게 수평으로 설치된 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고정프레임은,
    하부가 폐쇄된 원통 형상이고,
    상기 이동프레임은,
    상기 고정프레임의 내경보다 작은 직경을 가진 원판 형상으로 상기 고정프레임의 개방된 상부에 유동가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
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