KR20210002278A - Force/torque sensor capable of auto calibration and auto calibration method - Google Patents

Force/torque sensor capable of auto calibration and auto calibration method Download PDF

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KR20210002278A
KR20210002278A KR1020190078229A KR20190078229A KR20210002278A KR 20210002278 A KR20210002278 A KR 20210002278A KR 1020190078229 A KR1020190078229 A KR 1020190078229A KR 20190078229 A KR20190078229 A KR 20190078229A KR 20210002278 A KR20210002278 A KR 20210002278A
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Abstract

The present invention relates to a force/torque sensor capable of auto calibration and an auto calibration method. According to the present invention, the force/torque sensor comprises: a first sensor unit for measuring triaxial force and triaxial torque; a second sensor unit for measuring the triaxial acceleration, triaxial gyro, and triaxial compass; and a calculating unit providing a value obtained by subtracting a force/torque value due to the weight of a tool attached to the force/torque sensor from a force/torque value measured by the first sensor unit as a measured force/torque value.

Description

오토 캘리브레이션이 가능한 6축 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법{FORCE/TORQUE SENSOR CAPABLE OF AUTO CALIBRATION AND AUTO CALIBRATION METHOD}6-axis force/torque sensor capable of automatic calibration and automatic calibration method {FORCE/TORQUE SENSOR CAPABLE OF AUTO CALIBRATION AND AUTO CALIBRATION METHOD}

본 발명은 6축 힘/토크 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 센서에 부착된 도구의 무게에 의한 영향을 제거하는 오토 캘리브레이션이 가능한 6축 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a six-axis force/torque sensor. More specifically, the present invention relates to a six-axis force/torque sensor capable of auto-calibration and an auto-calibration method that eliminates the influence of the weight of a tool attached to the sensor.

6축 힘/토크 센서는 센서에 작용하는 외력(3축 힘과 3축 토크)을 측정할 수 있다. 특허 제10-1477120호와 같은 6축 힘/토크 센서를 로봇, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같은 매니퓰레이터의 끝단에 위치시키고 그 앞단에 도 2에 도시된 바와 같은 다양한 도구(그리퍼 등)를 부착시킴으로써 기존의 위치 제어만으로 불가능했던 많은 작업들을 수행할 수 있게 되었다. The 6-axis force/torque sensor can measure external forces (3-axis force and 3-axis torque) acting on the sensor. A six-axis force/torque sensor such as Patent No. 10-1477120 is placed at the end of a robot, for example a manipulator as shown in FIG. 1, and various tools (grippers, etc.) as shown in FIG. 2 are placed at the front end thereof. By attaching it, it became possible to perform many tasks that were not possible only with the existing position control.

다만 6축 힘/토크 센서에 외력이 작용하지 않더라도 센서의 앞단에 부착된 도구의 무게에 의한 힘/토크가 센서의 측정값에 영향을 미치기 때문에 6축 힘/토크 센서를 이용한 정밀 작업에 어려움을 야기하고 있다.However, even if no external force is applied to the 6-axis force/torque sensor, the force/torque due to the weight of the tool attached to the front end of the sensor affects the measured value of the sensor, making it difficult to perform precise work using the 6-axis force/torque sensor. Is causing.

이에 지금까지의 6축 힘/토크 센서의 경우 센서에 부착되는 도구의 무게 및 무게 중심 값을 미리 알고, 로봇 끝단의 회전행렬의 값과 도구의 무게 및 무게 중심 값을 이용하여 도구로 인해 가해지는 6축 힘/토크 값을 구한 다음 6축 힘/토크 센서의 측정값으로부터 장치에 인해 가해지는 6축 힘/토크 값을 제거하는 방법으로 도구에 의한 영향을 제거하는 방법을 사용하였다. Therefore, in the case of the conventional 6-axis force/torque sensor, the weight and center of gravity of the tool attached to the sensor are known in advance, and the value of the rotation matrix at the end of the robot and the weight and center of gravity of the tool are used. The 6-axis force/torque value was obtained, and then the 6-axis force/torque value applied by the device was removed from the measured value of the 6-axis force/torque sensor.

그러나 이러한 방법은 사전에 도구의 무게와 무게 중심 값을 알고 있어야 하나 조립에 의한 무게 중심의 변화 등의 영향은 계산이 불가능하여 모든 도구에 적용되기 어려운 방법이다.However, this method requires knowing the weight and center of gravity of the tool in advance, but it is difficult to apply to all tools because it is impossible to calculate the effect of the change of the center of gravity due to assembly.

또한 로봇 끝단의 회전행렬을 매번 연산을 통해 제거하기 때문에 연산부(메인컨트롤러)의 연산속도를 저하시키는 문제가 있다.In addition, since the rotation matrix at the end of the robot is removed through calculation every time, there is a problem of lowering the calculation speed of the calculation unit (main controller).

본 발명의 목적은 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a force/torque sensor capable of auto-calibration and an auto-calibration method.

본 발명의 다른 목적은 제1 센서부와 제2 센서부의 측정값을 통해 도구의 무게에 의한 힘/토크를 도출해 내고 이를 이용하여 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a force/torque sensor and an auto calibration method capable of auto-calibration by deriving a force/torque due to the weight of a tool through measurement values of the first sensor unit and the second sensor unit.

본 발명의 또 다른 목적은 도구를 교체하기 전까지는 한번 도출된 도구의 무게에 의한 힘/토크를 계속 이용하여 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a force/torque sensor and an auto-calibration method capable of auto-calibration by continuously using the force/torque by the weight of the tool once derived until the tool is replaced.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법에 의해 모두 달성될 수 있다.The above and other objects of the present invention can be achieved both by the force/torque sensor capable of auto-calibration and the auto-calibration method according to the present invention.

본 발명에 따른 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서는 3축 힘과 3축 토크를 측정하는 제1 센서부; 3축 가속도, 3축 자이로 및 3축 콤파스를 측정하는 제2 센서부; 및 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 상기 힘/토크 센서에 부착된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거한 값을 측정된 힘/토크 값으로 제공하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The force/torque sensor capable of auto-calibration according to the present invention includes: a first sensor unit for measuring a three-axis force and a three-axis torque; A second sensor unit that measures 3-axis acceleration, 3-axis gyro, and 3-axis compass; And a calculating unit that provides a value obtained by removing the force/torque value due to the weight of the tool attached to the force/torque sensor from the force/torque measurement value by the first sensor unit as the measured force/torque value. do.

제2 센서부는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서로 이루어질 수 있다.The second sensor unit may be formed of an IMU (Inertial Measurement Unit) sensor.

제1 센서부는 상기 도구의 움직임에 따라 위치가 변형되는 변형 영역과 상기 도구의 움직임에 따라 위치가 변형되지 않는 고정 영역으로 이루어지며, 상기 변형 영역에 위치한 제1 전극부와 상기 고정 영역에 위치한 제2 전극부 사이의 정전용량 변화로 상기 3축 힘과 3축 토크를 측정하며, 상기 제2 센서부는 상기 고정 영역에 위치한다.The first sensor unit includes a deformable region in which the position is deformed according to the movement of the tool and a fixed region in which the position is not deformed according to the movement of the tool. The three-axis force and the three-axis torque are measured by a change in capacitance between the two electrode parts, and the second sensor part is located in the fixed area.

상기 연산부는 상기 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값과 상기 제2 센서부에 의한 측정값을 이용하여 상기 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산할 수 있다.The calculation unit may calculate a force/torque value due to the weight of the tool by using the force/torque measurement value by the first sensor unit and the measurement value by the second sensor unit.

상기 연산부는 아래 수식을 이용하여 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 상기 힘/토크 센서에 부착된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거할 수 있다.The calculation unit may remove the force/torque value due to the weight of the tool attached to the force/torque sensor from the force/torque measurement value by the first sensor unit using the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, FGC는 무게 보상된 힘, τGC는 무게 보상된 토크, FWS는 제1 센서부에 의해 측정된 힘, τWS는 제1 센서부에 의해 측정된 토크, RST는 센서 프레임에서 도구 프레임으로의 회전행렬,

Figure pat00003
는 도구의 무게중심 벡터(PT)에 대한 대칭행렬, FWT는 도구의 무게중심에서의 힘, τWT는 도구의 무게중심에서의 토크이다.Here, F GC is the weight compensated force, τ GC is the weight compensated torque, F WS is the force measured by the first sensor unit, τ WS is the torque measured by the first sensor unit, and R ST is the sensor frame. Rotation matrix to the tool frame,
Figure pat00003
Is the symmetric matrix about the tool's center of gravity vector (P T ), F WT is the force at the tool's center of gravity, and τ WT is the torque at the tool's center of gravity.

상기 수식에서

Figure pat00004
는 상기 도구의 무게에 의한 힘,
Figure pat00005
는 상기 도구의 무게에 의한 토크이다.In the above formula
Figure pat00004
Is the force by the weight of the tool,
Figure pat00005
Is the torque by the weight of the tool.

상기 연산부는 상기 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산한 후 연산된 결과값을 저장하고, 상기 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘/토크 값을 제공할 때 상기 제1 센서부에 의해 측정된 힘/토크 값에서 저장된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거하여 제공할 수 있다.The calculation unit calculates the force/torque value by the weight of the tool, stores the calculated result value, and measures the force/torque value measured by the force/torque sensor by the first sensor unit when providing the force/torque value measured by the force/torque sensor. It can be provided by removing the force/torque value by the weight of the stored tool from the stored force/torque value.

본 발명의 일 실시예에 따른 오토 캘리브레이션 방법은 로봇의 일단부에 제1항에 따른 힘/토크 센서를 부착하는 센서 부착 단계; 상기 힘/토크 센서에 제1 도구를 연결하는 도구 연결 단계; 상기 제1 도구에 중력 이외의 외력을 작용하지 않은 상태에서 상기 힘/토크 센서의 제1 센서부 및 제2 센서부가 측정한 측정값을 이용하여 상기 힘/토크 센서의 연산부가 상기 제1 도구의 무게에 의한 제1 힘/토크 값을 연산하는 제1 힘/토크 값 연산 단계; 연산된 상기 제1 힘/토크 값을 저장하는 제1 힘/토크 값 저장 단계; 및 상기 제1 도구에 작용된 외력에 대한 상기 힘/토크 센서의 센싱값으로서 상기 제1 센서부에 의한 힘/토크 값에서 상기 제1 힘/토크 값을 제거한 값을 도출하는 센싱값 도출 단계를 포함하여 이루어진다.An auto calibration method according to an embodiment of the present invention includes a sensor attaching step of attaching the force/torque sensor according to claim 1 to one end of a robot; A tool connecting step of connecting a first tool to the force/torque sensor; Using the measured values measured by the first sensor unit and the second sensor unit of the force/torque sensor in a state in which no external force other than gravity is applied to the first tool, the calculation unit of the force/torque sensor A first force/torque value calculating step of calculating a first force/torque value by weight; A first force/torque value storing step of storing the calculated first force/torque value; And a sensing value derivation step of deriving a value obtained by removing the first force/torque value from the force/torque value by the first sensor unit as a sensing value of the force/torque sensor with respect to the external force applied to the first tool. Including.

또한 상기 제1 도구를 제2 도구로 교체하는 도구 교체 단계; 상기 제2 도구에 중력 이외의 외력을 작용하지 않은 상태에서 상기 힘/토크 센서의 제1 센서부 및 제2 센서부가 측정한 측정값을 이용하여 상기 힘/토크 센서의 연산부가 상기 제2 도구의 무게에 의한 제2 힘/토크 값을 연산하는 제2 힘/토크 값 연산 단계; 및 연산된 상기 제2 힘/토크 값을 저장하는 제2 힘/토크 값 저장 단계를 더 포함하고, 상기 센싱값 제공 단계에서 상기 제1 힘/토크 값 대신 상기 제2 힘/토크 값을 제거한 값을 센싱값으로 제공할 수 있다.In addition, a tool replacement step of replacing the first tool with a second tool; Using the measured values measured by the first sensor unit and the second sensor unit of the force/torque sensor in a state in which no external force other than gravity is applied to the second tool, the calculation unit of the force/torque sensor A second force/torque value calculating step of calculating a second force/torque value by weight; And a second force/torque value storing step of storing the calculated second force/torque value, wherein the second force/torque value is removed instead of the first force/torque value in the sensing value providing step. Can be provided as a sensing value.

도구의 무게에 의한 힘은

Figure pat00006
로 연산하고, 도구의 무게에 의한 토크는
Figure pat00007
로 연산하며, 여기서 RST는 센서 프레임에서 도구 프레임으로의 회전행렬,
Figure pat00008
는 도구의 무게중심 벡터(PT)에 대한 대칭행렬, FWT는 도구의 무게중심에서의 힘, τWT는 도구의 무게중심에서의 토크이다.The force by the weight of the tool is
Figure pat00006
And the torque by the weight of the tool is
Figure pat00007
Where R ST is the rotation matrix from the sensor frame to the tool frame,
Figure pat00008
Is the symmetric matrix about the tool's center of gravity vector (P T ), F WT is the force at the tool's center of gravity, and τ WT is the torque at the tool's center of gravity.

본 발명의 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법는 센서에 도구를 조립한 후 제1 센서부와 제2 센서부의 측정값을 통해 도구의 무게 및 무게중심을 도출해 내고 이를 오토 캘리브레이션에 이용함으로써 도구의 조립 과정에서의 영향까지 고려한 정확한 오토 캘리브레이션이 가능하며, 도구를 교체하기 전까지는 한번 도출된 도구의 무게 및 무게중심을 계속 이용하여 오토 캘리브레이션이 가능한 것을 특징으로 한다.The force/torque sensor and auto-calibration method capable of auto-calibration of the present invention, after assembling the tool to the sensor, derives the weight and center of gravity of the tool through the measured values of the first sensor unit and the second sensor unit, and uses this for auto calibration. It is possible to perform accurate auto-calibration taking into account the effect of the tool assembly process, and it is characterized in that auto-calibration is possible by continuously using the weight and center of gravity of the tool once derived until the tool is replaced.

도 1은 예시적인 매니퓰레이트를 보여주는 도면이다.
도 2는 매니퓰레이트의 끝단에 부착될 수 있는 다양한 장치를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘/토크 센서의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘/토크 센서의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘/토크 센서의 변형 플레이트의 구조와 움직임을 보여주는 도면이다.
도 7은 PCB상의 전극과 센싱 플레이트 사이의 배치 관계를 보여주는 도면이다.
도 8은 제2 센서부의 예시적인 위치를 보여주는 도면이다.
도 9는 베이스 프레임, 센서 프레임 및 도구 프레임의 관계를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 오토 캘리브레이션 방법의 순서도이다.
도 11과 도 12는 이미 알고 있는 값을 이용한 참조 데이터, 제1 센서부에 의한 측정 데이터, 오토 캘리브레이션된 본 발명의 데이터를 보여주는 도면이다.
1 is a diagram showing an exemplary manipulator.
2 is a diagram showing various devices that can be attached to the end of a manipulator.
3 is a block diagram of a force/torque sensor capable of auto calibration according to the present invention.
4 is a perspective view of a force/torque sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is an exploded perspective view of a force/torque sensor according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing the structure and movement of the deformation plate of the force / torque sensor according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing an arrangement relationship between an electrode on a PCB and a sensing plate.
8 is a diagram illustrating an exemplary position of a second sensor unit.
9 is a diagram showing a relationship between a base frame, a sensor frame, and a tool frame.
10 is a flowchart of an auto calibration method according to an embodiment of the present invention.
11 and 12 are views showing reference data using already known values, measurement data by a first sensor unit, and auto-calibrated data of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 힘/토크 센서에 대해 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a force/torque sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 힘/토크 센서를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.In the following description, only portions necessary to understand the force/torque sensor according to the exemplary embodiment of the present invention are described, and descriptions of other portions may be omitted so as not to distract the gist of the present invention.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.In addition, terms or words used in the present specification and claims described below should not be construed as being limited to conventional or dictionary meanings, and meanings consistent with the technical idea of the present invention so that the present invention can be most appropriately expressed. And should be interpreted as a concept.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.

여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.In various embodiments, components having the same configuration will be representatively described in one embodiment by using the same reference numerals, and in other embodiments, configurations different from the one embodiment will be described.

도 3에는 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서의 구성도가 도시되어 있다.3 is a block diagram of a six-axis force/torque sensor according to the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)는 제1 센서부(10), 제2 센서부(20), 연산부(30), 저장부(40)를 포함하여 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 3, the six-axis force/torque sensor 100 according to the present invention includes a first sensor unit 10, a second sensor unit 20, an operation unit 30, and a storage unit 40. Can be done.

제1 센서부(10)는 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)에 인가된 외력을 측정한다. The first sensor unit 10 measures an external force applied to the 6-axis force/torque sensor 100 according to the present invention.

제1 센서부(10)는 3개축(X, Y, Z축)의 힘과, 3개축(X, Y, Z축)에 대한 토크를 측정할 수 있고, 이러한 제1 센서부를 구비한 본 발명의 힘/토크 센서는 3개축 방향으로 인가된 힘과 3개축을 중심으로 한 토크를 감지하고 감지된 값을 제공할 수 있는 6축 힘/토크 센서가 된다.The first sensor unit 10 can measure the force of the three axes (X, Y, Z axes) and the torque on the three axes (X, Y, Z axes), and the present invention having such a first sensor unit The force/torque sensor of is a 6-axis force/torque sensor that can detect the force applied in the direction of three axes and the torque around the three axes and provide the detected values.

본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)는 부착되는 도구(200)의 움직임에 따라 위치가 변경되는 이동영역(A)과 도구의 움직임에 따라 위치가 변경되지 않는 고정영역(B)을 포함하여 이루어질 수 있으며, 제1 센서부는 서로 마주보되 이동영역에 위치한 제1 전극과 고정영역에 위치한 제2 전극 사이의 정전용량 변화로 도구에 작용하는 힘/토크를 측정할 수 있다.The six-axis force/torque sensor 100 according to the present invention includes a moving area A whose position is changed according to the movement of the attached tool 200 and a fixed area B whose position is not changed according to the movement of the tool. The first sensor unit may be configured to face each other and measure a force/torque acting on the tool due to a change in capacitance between the first electrode located in the moving area and the second electrode located in the fixed area.

다음으로, 제2 센서부(20)는 3축 가속도, 3축 자이로(Gyro) 및 3축 콤파스(Compass)를 측정할 수 있는 센서로 이루어진다. 이러한 센서로서 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서가 사용될 수 있다.Next, the second sensor unit 20 is composed of a sensor capable of measuring a 3-axis acceleration, a 3-axis gyro, and a 3-axis compass. As such a sensor, an IMU (Inertial Measurement Unit) sensor may be used.

이러한 제2 센서부는 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 전체적인 움직임 내지 위치를 감지할 수 있으며, 제2 센서부는 예를 들어 제1 센서부의 고정영역에 위치할 수 있다. 여기서 제1 센서부의 고정영역에 위치한다는 것은 도구(200)의 움직임에 영향을 받지 않는 곳에 위치한다는 의미일 뿐 반드시 제1 센서부의 고정영역에 직접 연결되어야 함을 의미하는 것은 아니다.The second sensor unit may detect the overall movement or position of the 6-axis force/torque sensor 100 according to the present invention, and the second sensor unit may be located in, for example, a fixed area of the first sensor unit. Here, being positioned in the fixed area of the first sensor unit means that it is located in a place not affected by the movement of the tool 200, but does not necessarily mean that the first sensor unit must be directly connected to the fixed area.

다음으로, 연산부(30)는 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서가 감지한 3축 힘과 3축 토크 값을 연산하고 그 결과를 제공한다. 이를 위해 연산부(30)는 제1 센서부(10)의 제1 전극과 제2 전극 사이의 정전용량 변화를 계산하고 그 결과를 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서의 앞단에 부착된 도구에 작용한 외력(힘/토크)에 대한 센싱값으로서 제공한다. Next, the calculation unit 30 calculates the 3-axis force and 3-axis torque values sensed by the 6-axis force/torque sensor according to the present invention and provides the result. To this end, the calculation unit 30 calculates the change in capacitance between the first electrode and the second electrode of the first sensor unit 10 and converts the result to a tool attached to the front end of the six-axis force/torque sensor according to the present invention. It is provided as a sensing value for the applied external force (force/torque).

이때 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 앞단에 연결된 도구(200)에 외력이 작용하지 않더라도 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크가 발생하고 도구의 무게에 의한 힘/토크가 센서의 센싱값에 영향을 미친다.At this time, even if an external force does not act on the tool 200 connected to the front end of the 6-axis force/torque sensor 100 according to the present invention, force/torque occurs due to the weight of the tool 200, and force/torque due to the weight of the tool Affects the sensing value of the sensor.

이에 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서의 연산부(30)는 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거한 값을 센싱된 힘/토크 값으로 제공함으로써 도구(200)에 작용한 외력을 정확히 감지할 수 있게 하며, 이로 인해 도구를 이용한 정밀한 작업을 가능하게 한다.Accordingly, the calculation unit 30 of the six-axis force/torque sensor according to the present invention calculates the sensed force/torque value by removing the force/torque value due to the weight of the tool 200 from the force/torque measurement value by the first sensor unit. By providing it as a value, it is possible to accurately detect the external force acting on the tool 200, thereby enabling precise work using the tool.

이를 위해 연산부(30)는 제1 센서부(10)에 의한 힘/토크 측정값과 제2 센서부(20)에 의한 측정값을 이용하여 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산한다.To this end, the calculation unit 30 calculates the force/torque value by the weight of the tool 200 using the force/torque measurement value by the first sensor unit 10 and the measurement value by the second sensor unit 20 do.

또한 한 번 측정된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 저장부(40)에 저장하고, 이후의 연산에선 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 저장된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거하고 그 결과를 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서의 센싱값으로 출력할 수 있다. In addition, the force/torque value by the weight of the tool once measured is stored in the storage unit 40, and in subsequent calculations, the force/torque value by the weight of the tool stored in the force/torque measurement value by the first sensor unit Can be removed and the result can be output as a sensing value of the 6-axis force/torque sensor according to the present invention.

그런 다음, 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서의 앞단에 연결된 도구(200)를 다른 도구(200')로 교체할 경우 연산부(30)는 교체된 도구(200')의 무게에 의한 힘/토크 값을 다시 연산하여 저장부(40)에 저장하고 이후의 연산에서는 새로 저장된 값을 이용하여 교체된 도구(200')의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거함으로써 도구에 인가된 순수 외력에 대한 힘/토크 센싱값을 제공할 수 있다.Then, when replacing the tool 200 connected to the front end of the six-axis force/torque sensor according to the present invention with another tool 200 ′, the operation unit 30 is a force/power by the weight of the replaced tool 200 ′. The torque value is recalculated and stored in the storage unit 40, and in subsequent calculations, the force/torque value due to the weight of the replaced tool 200' is removed using the newly stored value. Force/torque sensing values can be provided.

이러한 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)를 구현한 일 실시예가 도 4 내지 도 7에 도시되어 있다.An embodiment implementing the six-axis force/torque sensor 100 according to the present invention is illustrated in FIGS. 4 to 7.

도 4 내지 도 7을 참고로 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The six-axis force/torque sensor 100 according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 4 to 7 as follows.

도 4에 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 사시도가 도시되어 있고 도 5에는 분해사시도가 도시되어 있다.4 is a perspective view of a six-axis force/torque sensor 100 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an exploded perspective view.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)는 상부 플레이트(1), 변형 플레이트(2), 센싱 플레이트(3), PCB(4), 하부 플레이트(5)를 포함하여 이루어질 수 있다.As shown in Figure 5, the six-axis force/torque sensor 100 according to an embodiment of the present invention includes an upper plate 1, a deformation plate 2, a sensing plate 3, a PCB 4, and a lower plate. (5) can be included.

본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)는 상부 플레이트(1)와 하부 플레이트(5) 사이에 변형 플레이트(2), 센싱 플레이트(3), PCB(4)를 도 5에 도시된 바와 같이 차례로 적층시켜 연결하는 간단한 조립 방법으로 완성할 수 있다.The 6-axis force/torque sensor 100 according to an embodiment of the present invention shows a deformation plate 2, a sensing plate 3, and a PCB 4 between the upper plate 1 and the lower plate 5 in FIG. 5. It can be completed by a simple assembling method of sequentially stacking and connecting as shown in.

이때 도 6에 도시된 바와 같은 변형 플레이트(2)의 중심 영역(2-1)은 상부 플레이트(1)에 형성된 홀(H)을 통해 도구(200)와 연결될 수 있다. 따라서 중심 영역(2-1)은 도구(200)와 일체로 움직일 수 있는 이동영역(A)이다.At this time, the central region 2-1 of the deformable plate 2 as shown in FIG. 6 may be connected to the tool 200 through a hole H formed in the upper plate 1. Accordingly, the central area 2-1 is a moving area A that can move integrally with the tool 200.

이에 반해 변형 플레이트(2)의 외주 영역(2-2)은 중심 영역(2-1)과 탄성 힌지(2-3)로 연결되어 있어 도구의 움직임에 연동하지 않는 고정영역(B)이다.On the other hand, the outer circumferential region 2-2 of the deformable plate 2 is a fixed region B that is connected to the central region 2-1 and the elastic hinge 2-3, which is not interlocked with the movement of the tool.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 조립시 센싱 플레이트(3)를 변형 플레이트(2)의 중심 영역(2-1)과 연결시키고 PCB(4)를 변형 플레이트(2)의 외주 영역(2-2)에 연결시키면, 도 7에 도시된 바와 같이 센싱 플레이트(3)와 PCB(4)상의 전극(4-1) 사이의 거리가 도구(200)의 움직임에 따라 달라지며, 센싱 플레이트(3)와 PCB상의 전극(4-1) 사이에 발생하는 정전용량이 변화한다.Therefore, when assembling the 6-axis force/torque sensor 100 according to an embodiment of the present invention, the sensing plate 3 is connected to the center area 2-1 of the deformation plate 2 and the PCB 4 is connected to the deformation plate. When connected to the outer circumferential area 2-2 of (2), the distance between the sensing plate 3 and the electrode 4-1 on the PCB 4 is caused by the movement of the tool 200 as shown in FIG. 7. It varies, and the capacitance generated between the sensing plate 3 and the electrode 4-1 on the PCB changes.

이에 PCB(4) 상에 위치된 메인컨트롤러는 이러한 정전용량의 변화를 이용하여 도구(200)에 인가된 힘/토크를 연산할 수 있다.Accordingly, the main controller located on the PCB 4 can calculate the force/torque applied to the tool 200 using this change in capacitance.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)는 도 8에 도시된 바와 같이 고정영역(B)에 해당하는 PCB(4)에 IMU센서(4-2)를 구비할 수 있으며, IMU센서에 의한 센싱값을 이용하여 메인컨트롤러는 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 앞단에 연결된 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크를 계산할 수 있다. In addition, the 6-axis force/torque sensor 100 according to an embodiment of the present invention may include an IMU sensor 4-2 on the PCB 4 corresponding to the fixed area B as shown in FIG. 8. And, by using the sensing value by the IMU sensor, the main controller can calculate the force/torque by the weight of the tool 200 connected to the front end of the six-axis force/torque sensor 100 according to an embodiment of the present invention. .

IMU센서에 의한 센싱값을 이용하여 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크를 계산하는 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.A method of calculating the force/torque due to the weight of the tool 200 using the sensing value by the IMU sensor will be described in more detail as follows.

우선, 설명을 위해 도 9에 도시된 바와 같이 로봇이 위치하는 베이스를 원점으로 하는 좌표계를 베이스 프레임{B}, 센서(100)를 원점으로 하는 좌표계를 센서 프레임{S}, 도구(200)의 무게 중심을 원점으로 하는 좌표계를 도구 프레임{T}이라고 한다. 여기서 도구 프레임{T}은 도구(200)의 움직임에 따라 변화하는 것이 아닌 항상 하나의 축(Z'축)이 중력방향을 향하는 좌표계이며, 베이스 프레임과 동일한 좌표계이다.First, for explanation, as shown in FIG. 9, a coordinate system having a base on which a robot is positioned as an origin is a base frame {B}, a coordinate system having a sensor 100 as an origin is a sensor frame {S}, and the tool 200 is The coordinate system with the center of gravity as the origin is called the tool frame {T}. Here, the tool frame {T} is a coordinate system in which one axis (Z' axis) always faces the direction of gravity rather than changing according to the movement of the tool 200, and is the same coordinate system as the base frame.

RBS는 베이스 프레임{B}에서 센서 프레임{S}으로의 회전 행렬, RBT는 베이스 프레임{B}에서 도구 프레임{T}으로의 회전 행렬, RST는 센서 프레임{S}에서 도구 프레임{T}으로의 회전 행렬이며, RST는 RBT = RBS ·RST의 관계를 만족시킬 수 있는 회전행렬이어야 한다.R BS is the rotation matrix from the base frame {B} to the sensor frame {S}, R BT is the rotation matrix from the base frame {B} to the tool frame {T}, and R ST is the sensor frame {S} to the tool frame{ Is the rotation matrix to T}, where R ST is R BT = It must be a rotation matrix that can satisfy the relationship of R BS · R ST .

베이스 프레임{B}과 도구 프레임{T}은 같은 좌표계이므로, RST = RT BS ·I이고, 본 발명에서는 IMU센서에 의한 센싱값을 이용하여 RBS의 계산이 가능하므로 결론적으로 회전 행렬 RST를 구할 수 있고, 이를 이용하여 도구의 무게에 의한 힘과 토크를 구할 수 있으므로 결론적으로 도구의 무게에 의한 힘과 토크를 제거한 순수 외력에 대한 센싱값을 제공할 수 있다.Base frame {B} and tool frame {T} are in the same coordinate system, so R ST = R T BS · I, and in the present invention, since R BS can be calculated using the sensing value by the IMU sensor, the rotation matrix R ST can be obtained in conclusion, and the force and torque due to the weight of the tool can be calculated using this. As a result, it is possible to provide a sensing value for the pure external force by removing the torque and force caused by the weight of the tool.

이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.This is described in more detail as follows.

우선 IMU센서에 의한 센싱값을 이용하여 회전행렬 RBS를 도출하기 위해 가속도 값을 이용한 롤, 피치 각을 도출한다. 여기서, Ax, Ay, Az는 X, Y, Z축 방향 가속도 값이다.First, to derive the rotation matrix R BS using the sensing value by the IMU sensor, the roll and pitch angles using the acceleration value are derived. Here, Ax, Ay, and Az are acceleration values in the X, Y, and Z axes.

Figure pat00009
Figure pat00009

그리고 자이로 값을 이용하여 롤, 피치 각을 도출한다. 여기서 Gx, Gy, Gz는 X, Y, Z축 자이로 값이다.Then, the roll and pitch angles are derived using the gyro value. Here, Gx, Gy, Gz are the gyro values of the X, Y, and Z axes.

Figure pat00010
Figure pat00010

상보필터를 적용하여 롤, 피치 각을 도출하고, 이를 이용하여 요 각을 도출한다. 여기서 α, β의 값은 필터에 따라 결정되는 상수값이다.Apply the complementary filter to derive the roll and pitch angles, and use them to derive the yaw angle. Here, the values of α and β are constant values determined by the filter.

Figure pat00011
Figure pat00011

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

그런 다음, 도출된 롤, 피치, 요 각을 이용하여 회전행렬 RBS를 도출한다.Then, the rotation matrix R BS is derived using the derived roll, pitch, and yaw angle.

Figure pat00014
Figure pat00014

도 9를 참조하면, 도구(200)를 본 발명의 일 실시예에 따른 힘/토크 센서(100)의 앞단에 설치할 경우 센서 프레임{S}에서 측정되는 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크는 다음과 같다.9, when the tool 200 is installed at the front end of the force/torque sensor 100 according to an embodiment of the present invention, the force/torque by the weight of the tool 200 measured in the sensor frame {S} Is as follows.

Figure pat00015
Figure pat00015

여기서, FWSO는 제1 센서부에 의해 측정된 힘, τWSO는 제1 센서부에 의해 측정된 토크이며, 도구(200)의 질량 중심을 원점으로 하는 도구 프레임{T}에서의 힘 토크는 다음과 같다(Z'축이 중력 방향).Here, F WSO is the force measured by the first sensor unit, τ WSO is the torque measured by the first sensor unit, and the force torque at the tool frame {T} with the center of mass of the tool 200 as the origin is It is as follows (Z' axis is the direction of gravity).

Figure pat00016
Figure pat00016

그리고 센서 프레임{S}과 도구 프레임{T}에서의 힘/토크는 다음과 같은 관계를 갖는다.And the force/torque in the sensor frame {S} and the tool frame {T} has the following relationship.

Figure pat00017
Figure pat00017

여기서

Figure pat00018
는 도구의 무게중심 벡터(PT)에 대한 대칭행렬이다.here
Figure pat00018
Is the symmetric matrix about the tool's center of gravity vector (P T ).

따라서 도구의 무게(mt)는 다음과 같은 관계를 이용하면 제1 센서부에서 측정된 힘/토크 값과 제2 센서부의 측정값을 통해 계산할 수 있음을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the weight (m t ) of the tool can be calculated through the force/torque value measured by the first sensor unit and the measured value of the second sensor unit by using the following relationship.

Figure pat00019
Figure pat00019

또한 무게중심도 아래 관계를 이용하면 제1 센서부에서 측정된 힘/토크 값과 제2 센서부의 측정값을 통해 계산할 수 있음을 알 수 있다. 즉, RST, RBS, FWSO, τWSO는 제1 센서부에서 측정된 힘/토크 값과 제2 센서부의 측정값으로부터 알 수 있는 값이므로 도구의 무게중심 벡터 PT를 도출해 낼 수 있다.In addition, it can be seen that the center of gravity can be calculated through the force/torque value measured by the first sensor unit and the measured value by the second sensor unit by using the relationship below. That is, R ST , R BS , F WSO , τ WSO are values that can be known from the force/torque values measured by the first sensor unit and the measured values of the second sensor unit, so that the tool's center of gravity vector P T can be derived. .

Figure pat00020
Figure pat00020

따라서 결론적으로 도구의 무게에 의한 힘과 토크를 제거한 보상된(오토 캘리브레이션된) 힘은 아래 수식(1)에 의해, 토크는 아래 수식 (2)에 의해 도출될 수 있다.Therefore, in conclusion, the compensated (auto-calibrated) force by removing the force and torque due to the weight of the tool can be derived by the equation (1) below, and the torque by equation (2) below.

수식 (1) :

Figure pat00021
Equation (1):
Figure pat00021

수식 (2) :

Figure pat00022
Equation (2):
Figure pat00022

여기서, FWS는 제1 센서부에 의해 측정된 힘, τWS는 제1 센서부에 의해 측정된 토크,

Figure pat00023
는 도구의 무게에 의한 힘,
Figure pat00024
는 도구의 무게에 의한 토크이다. Here, F WS is the force measured by the first sensor unit, τ WS is the torque measured by the first sensor unit,
Figure pat00023
Is the force by the weight of the tool,
Figure pat00024
Is the torque due to the weight of the tool.

따라서 연산부는 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산한 후 연산된 결과값을 저장부에 저장하고, 본 발명에 따른 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘/토크 값을 제공할 때 제1 센서부에 의해 측정된 힘/토크 값에서 저장된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거하여 제공함으로써 매번 복잡한 연산을 수행할 필요 없이 도구의 무게에 의한 힘/토크가 보상된 힘/토크 측정값을 제공할 수 있다.Therefore, when the calculation unit calculates the force/torque value by the weight of the tool 200, stores the calculated result value in the storage unit, and provides the force/torque value measured by the force/torque sensor according to the present invention. Force/torque compensated for the force/torque due to the weight of the tool without the need to perform complex calculations each time by removing and providing the force/torque value due to the weight of the tool stored from the force/torque value measured by the first sensor unit Measures can be provided.

도 10에 본 발명의 일 실시예에 따른 오토 캘리브레이션 방법의 순서도가 도시되어 있다.10 is a flowchart of an auto calibration method according to an embodiment of the present invention.

도 10을 참고로 본 발명에 따른 힘/토크 센서를 사용하여 어떻게 오토 캘리브레이션을 수행하는지 다시 한번 설명한다. 다만 앞선 설명과 중복되는 설명은 설명의 명확성을 위해 앞선 설명으로 갈음하고 생략하기로 한다.Referring to FIG. 10, it will be described once again how to perform auto calibration using the force/torque sensor according to the present invention. However, descriptions overlapping with the previous description will be omitted and replaced with the previous description for clarity.

우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)를 로봇에 부착한다(S10).First, the six-axis force/torque sensor 100 according to an embodiment of the present invention is attached to the robot (S10).

그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 일단에 그리퍼 등의 도구(200)를 연결한다(S20).Then, a tool 200 such as a gripper is connected to one end of the six-axis force/torque sensor 100 according to an embodiment of the present invention (S20).

단계 S10, S20의 조립을 통해 로봇은 말단에 설치된 도구가 받는 6축 힘/토크를 알 수 있으므로 도구를 이용한 정밀 작업을 수행할 수 있다.Through the assembly of steps S10 and S20, since the robot can know the 6-axis force/torque received by the tool installed at the end, it can perform precision work using the tool.

다만, 6축 힘/토크 센서(100)에 의한 힘/토크 값에 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크 값이 포함되어 실제로 도구에 인가된 외력의 정확한 측정에 방해가 된다.However, the force/torque value by the weight of the tool 200 is included in the force/torque value by the 6-axis force/torque sensor 100, which interferes with accurate measurement of the external force actually applied to the tool.

이에 본 발명의 일 실시예에 따른 오토 캘리브레이션 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서의 제1 센서부(10) 및 제2 센서부(20)가 측정한 측정값을 이용하여 연산부(30)가 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산한다(S30).Accordingly, the auto calibration method according to an embodiment of the present invention uses the measured values measured by the first sensor unit 10 and the second sensor unit 20 of the 6-axis force/torque sensor according to an embodiment of the present invention. Thus, the calculation unit 30 calculates a force/torque value based on the weight of the tool (S30).

그런 다음, 연산된 힘/토크 값은 저장부(40)에 저장된다(S40). Then, the calculated force/torque value is stored in the storage unit 40 (S40).

도구(200)에 외력이 작용하면 연산부(30)는 제1 도구(200)에 작용된 외력에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서의 센싱값으로서 제1 센서부(10)에 의한 힘/토크 값에서 도구의 무게에 의한 저장된 힘/토크 값을 제거한 값을 제공한다(S50).When an external force acts on the tool 200, the calculation unit 30 uses the first sensor unit 10 as a sensing value of the six-axis force/torque sensor according to an embodiment of the present invention for the external force applied to the first tool 200. A value obtained by removing the stored force/torque value by the weight of the tool from the force/torque value by) is provided (S50).

그런 다음, 본 발명의 일 실시예에 따른 오토 캘리브레이션 방법은 단계 S60에서 도구 교체되었는지를 판단하고, 도구가 교체되지 않았다면, 계속하여 저장된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 이용하여 오토 캘리브레이션된 힘/토크 값을 제공한다.Then, the auto-calibration method according to an embodiment of the present invention determines whether the tool has been replaced in step S60, and if the tool has not been replaced, the auto-calibrated force by using the force/torque value by the weight of the tool continuously stored. /Provides a torque value.

하지만 만약 단계 S60에서 도구가 교체된 것으로 판단되면, 단계 S30으로 돌아가 교체된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산하고, 연산된 힘/토크 값을 저장하며(S40), 이후의 센싱값 도출 단계에서는 새로 저장된 교체된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 측정된 힘/토크 값에서 제거하는 오토 캘리브레이션을 수행한다.However, if it is determined that the tool has been replaced in step S60, it returns to step S30 and calculates the force/torque value by the weight of the replaced tool, stores the calculated force/torque value (S40), and derives subsequent sensing values. In the step, auto calibration is performed to remove the force/torque value by the weight of the newly stored and replaced tool from the measured force/torque value.

이러한 본 발명의 효과를 확인하기 위해, 사전에 알고 있는 도구의 무게와 무게중심, 그리고 로봇팔로부터 나오는 회전 매트릭스로 계산된 참조 데이터와 제1 센서부에 의해 측정된 힘/토크 값, 본 발명에 따른 힘/토크 값을 비교하였다.In order to confirm the effect of the present invention, the reference data calculated by the weight and center of gravity of the tool known in advance, the rotation matrix from the robot arm, and the force/torque value measured by the first sensor unit, the present invention The corresponding force/torque values were compared.

그 결과, 도 11에 도시된 바와 같이 제1 센서부에 의해 측정된 힘(도 11의 측정 데이터)은 참조 데이터의 Z축 힘에 있어서 도구의 무게의 영향으로 노이즈가 많이 포함되어 있음을 확인할 수 있다. 이에 반해 도구의 무게의 영향을 제거한 본 발명의 데이터는 Z축 힘에 있어서도 참조 데이터와 유사한 값을 나타냄을 확인할 수 있었다.As a result, it can be confirmed that the force measured by the first sensor unit (measured data in Fig. 11) as shown in Fig. 11 contains a lot of noise due to the influence of the weight of the tool in the Z-axis force of the reference data. have. On the other hand, it was confirmed that the data of the present invention, which removed the effect of the weight of the tool, showed similar values to the reference data in the Z-axis force.

또한 토크에 있어서도 도 12에 도시된 바와 같이 제1 센서부에 의해 측정된 토크(도 12의 측정 데이터)에 비해 본 발명에 따른 데이터가 참조 데이터와 유사한 값을 나타냄을 확인할 수 있었다.In addition, in terms of torque, it was confirmed that the data according to the present invention exhibited similar values to the reference data compared to the torque measured by the first sensor unit (measured data in FIG. 12) as shown in FIG. 12.

지금까지 본 발명의 실시예에 따른 오토 캘리브레이션이 가능한 6축 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법을 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.So far, a six-axis force/torque sensor capable of auto-calibration according to an embodiment of the present invention and an auto-calibration method have been described with reference to specific embodiments. However, the present invention is not limited to these specific embodiments, and it should be understood that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention claimed in the claims.

1 : 상부 플레이트 2 : 변형 플레이트
3 : 센싱 플레이트 2-1 : 중심 영역
2-2 : 외주 영역 2-3 : 탄성 힌지
4 : PCB 4-1 : 전극
4-2 : IMU센서 5 : 하부 플레이트
10 : 제1 센서부 20 : 제2 센서부
30 : 연산부 40 : 저장부
100 : 오토 캘리브레이션이 가능한 6축 힘/토크 센서
200, 200' : 도구 H : 홀
1: upper plate 2: deformation plate
3: sensing plate 2-1: center area
2-2: outer circumferential area 2-3: elastic hinge
4: PCB 4-1: electrode
4-2: IMU sensor 5: lower plate
10: first sensor unit 20: second sensor unit
30: operation unit 40: storage unit
100: 6-axis force/torque sensor capable of auto calibration
200, 200': Tool H: Hole

Claims (10)

3축 힘과 3축 토크를 측정하는 제1 센서부;
3축 가속도, 3축 자이로 및 3축 콤파스를 측정하는 제2 센서부; 및
제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 상기 힘/토크 센서에 부착된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거한 값을 측정된 힘/토크 값으로 제공하는 연산부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
A first sensor unit that measures a 3-axis force and a 3-axis torque;
A second sensor unit that measures 3-axis acceleration, 3-axis gyro, and 3-axis compass; And
An operation unit configured to provide a value obtained by removing the force/torque value by the weight of the tool attached to the force/torque sensor from the force/torque measurement value by the first sensor unit as the measured force/torque value;
Force / torque sensor capable of auto-calibration, characterized in that it comprises a.
제1항에 있어서,
상기 제2 센서부는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
The method of claim 1,
The force/torque sensor capable of auto-calibration, wherein the second sensor unit is formed of an IMU (Inertial Measurement Unit) sensor.
제1항에 있어서,
상기 제1 센서부는 상기 도구의 움직임에 따라 위치가 변형되는 변형 영역과 상기 도구의 움직임에 따라 위치가 변형되지 않는 고정 영역으로 이루어지며, 상기 변형 영역에 위치한 제1 전극부와 상기 고정 영역에 위치한 제2 전극부 사이의 정전용량 변화로 상기 3축 힘과 3축 토크를 측정하며,
상기 제2 센서부는 상기 고정 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
The method of claim 1,
The first sensor unit includes a deformable region in which the position is deformed according to the movement of the tool and a fixed region in which the position is not deformed according to the movement of the tool, and the first electrode unit located in the deformable region and the fixed region are The three-axis force and the three-axis torque are measured as a change in capacitance between the second electrode parts,
The force/torque sensor capable of auto-calibration, wherein the second sensor unit is located in the fixed area.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연산부는 상기 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값과 상기 제2 센서부에 의한 측정값을 이용하여 상기 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The calculation unit calculates a force/torque value due to the weight of the tool using the force/torque measurement value by the first sensor unit and the measurement value by the second sensor unit. /Torque sensor.
제4항에 있어서,
상기 연산부는 아래 수식을 이용하여 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 상기 힘/토크 센서에 부착된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
Figure pat00025

Figure pat00026

여기서, FGC는 무게 보상된 힘, τGC는 무게 보상된 토크, FWS는 제1 센서부에 의해 측정된 힘, τWS는 제1 센서부에 의해 측정된 토크, RST는 센서 프레임에서 도구 프레임으로의 회전행렬,
Figure pat00027
는 도구의 무게중심 벡터(PT)에 대한 대칭행렬, FWT는 도구의 무게중심에서의 힘, τWT는 도구의 무게중심에서의 토크임
The method of claim 4,
The calculation unit removes the force/torque value due to the weight of the tool attached to the force/torque sensor from the force/torque measurement value by the first sensor unit using the following equation. Torque sensor.
Figure pat00025

Figure pat00026

Here, F GC is the weight compensated force, τ GC is the weight compensated torque, F WS is the force measured by the first sensor unit, τ WS is the torque measured by the first sensor unit, and R ST is the sensor frame. Rotation matrix to the tool frame,
Figure pat00027
Is the symmetric matrix about the tool's center of gravity vector (P T ), F WT is the force at the tool's center of gravity, and τ WT is the torque at the tool's center of gravity.
제5항에 있어서,
상기 수식에서
Figure pat00028
는 상기 도구의 무게에 의한 힘,
Figure pat00029
는 상기 도구의 무게에 의한 토크인 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
The method of claim 5,
In the above formula
Figure pat00028
Is the force by the weight of the tool,
Figure pat00029
Is a force/torque sensor capable of auto-calibration, characterized in that the torque by the weight of the tool.
제6항에 있어서,
상기 연산부는 상기 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산한 후 연산된 결과값을 저장하고, 상기 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘/토크 값을 제공할 때 상기 제1 센서부에 의해 측정된 힘/토크 값에서 저장된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거하여 제공하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
The method of claim 6,
The calculation unit calculates the force/torque value by the weight of the tool, stores the calculated result value, and measures the force/torque value measured by the force/torque sensor by the first sensor unit when providing the force/torque value measured by the force/torque sensor. Force/torque sensor capable of auto-calibration, characterized in that the force/torque value by the weight of the stored tool is removed from the stored force/torque value and provided.
로봇의 일단부에 제1항에 따른 힘/토크 센서를 부착하는 센서 부착 단계;
상기 힘/토크 센서에 제1 도구를 연결하는 도구 연결 단계;
상기 제1 도구에 중력 이외의 외력을 작용하지 않은 상태에서 상기 힘/토크 센서의 제1 센서부 및 제2 센서부가 측정한 측정값을 이용하여 상기 힘/토크 센서의 연산부가 상기 제1 도구의 무게에 의한 제1 힘/토크 값을 연산하는 제1 힘/토크 값 연산 단계;
연산된 상기 제1 힘/토크 값을 저장하는 제1 힘/토크 값 저장 단계; 및
상기 제1 도구에 작용된 외력에 대한 상기 힘/토크 센서의 센싱값으로서 상기 제1 센서부에 의한 힘/토크 값에서 상기 제1 힘/토크 값을 제거한 값을 도출하는 센싱값 도출 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션 방법.
A sensor attaching step of attaching the force/torque sensor according to claim 1 to one end of the robot;
A tool connecting step of connecting a first tool to the force/torque sensor;
Using the measured values measured by the first sensor unit and the second sensor unit of the force/torque sensor in a state in which no external force other than gravity is applied to the first tool, the calculation unit of the force/torque sensor A first force/torque value calculating step of calculating a first force/torque value by weight;
A first force/torque value storing step of storing the calculated first force/torque value; And
A sensing value derivation step of deriving a value obtained by removing the first force/torque value from the force/torque value by the first sensor unit as a sensing value of the force/torque sensor with respect to an external force applied to the first tool;
Auto calibration method comprising a.
제8항에 있어서,
상기 제1 도구를 제2 도구로 교체하는 도구 교체 단계;
상기 제2 도구에 중력 이외의 외력을 작용하지 않은 상태에서 상기 힘/토크 센서의 제1 센서부 및 제2 센서부가 측정한 측정값을 이용하여 상기 힘/토크 센서의 연산부가 상기 제2 도구의 무게에 의한 제2 힘/토크 값을 연산하는 제2 힘/토크 값 연산 단계; 및
연산된 상기 제2 힘/토크 값을 저장하는 제2 힘/토크 값 저장 단계;
를 더 포함하고,
상기 센싱값 제공 단계에서 상기 제1 힘/토크 값 대신 상기 제2 힘/토크 값을 제거한 값을 센싱값으로 제공하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션 방법.
The method of claim 8,
A tool replacement step of replacing the first tool with a second tool;
Using the measured values measured by the first sensor unit and the second sensor unit of the force/torque sensor in a state in which no external force other than gravity is applied to the second tool, the calculation unit of the force/torque sensor A second force/torque value calculating step of calculating a second force/torque value by weight; And
A second force/torque value storing step of storing the calculated second force/torque value;
Including more,
In the step of providing the sensing value, a value obtained by removing the second force/torque value instead of the first force/torque value is provided as a sensing value.
제8항 또는 제9항에 있어서,
도구의 무게에 의한 힘은
Figure pat00030
로 연산하고, 도구의 무게에 의한 토크는
Figure pat00031
로 연산하며, 여기서 RST는 센서 프레임에서 도구 프레임으로의 회전행렬,
Figure pat00032
는 도구의 무게중심 벡터(PT)에 대한 대칭행렬, FWT는 도구의 무게중심에서의 힘, τWT는 도구의 무게중심에서의 토크인 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션 방법.
The method according to claim 8 or 9,
The force by the weight of the tool is
Figure pat00030
And the torque by the weight of the tool is
Figure pat00031
Where R ST is the rotation matrix from the sensor frame to the tool frame,
Figure pat00032
Is a symmetric matrix about the tool's center of gravity vector (P T ), F WT is the force at the tool's center of gravity, and τ WT is the torque at the tool's center of gravity.
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