KR20220107836A - 3-axis joint torque cell of collaborated robots - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 리프 스프링을 이용한 3축 토크셀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로봇 팔에 작용되는 3축의 토크 사이의 출력을 같은 수준으로 측정할 수 있도록 상호 간섭 오차를 제거하여 설계한 토크셀에 관한 것이다.The present invention relates to a three-axis torque cell using a leaf spring, and more particularly, to a torque cell designed by removing a mutual interference error so that the output between the three-axis torque applied to a robot arm can be measured at the same level. will be.
현재 산업에 있어서 가장 많이 사용되는 힘 센서는 토크셀이라고 말할 수 있다. 최근 급격히 발전하고 있는 빅데이터를 연계한 자동화 산업으로 인해 토크셀 역시 많은 연구를 통해 전문적이고 다양하게 발전하고 있다. 이러한 토크셀은 정밀 작업을 하기 위해 힘과 토크를 더 많은 분력으로 나누어 측정할 수 있도록 개발되었다.Currently, the most used force sensor in the industry can be said to be a torque cell. Due to the rapidly developing automation industry connected with big data, the talk cell is also developing professionally and in various ways through many researches. This torque cell was developed to measure force and torque by dividing it into more components for precision work.
이러한 발전을 토대로 다축 토크셀을 설계할 수 있다. 다축 토크셀의 경우 단축 토크셀의 외형을 기준으로 설계할 경우 필요한 방향의 모멘트 출력 외에 다른 출력이 측정될 가능성이 매우 높다. Based on these developments, multi-axis torque cells can be designed. In the case of a multi-axis torque cell, if it is designed based on the external shape of the single-axis torque cell, there is a very high possibility that an output other than the moment output in the required direction will be measured.
이런 문제를 해결하기 위해 리프 스프링으로 구성된 탄성체 구조를 가진 6축 로드셀이 등록특허공보 제0199691호에 개시되어 있다. 이러한 로드셀은 각각의 하중을 측정하는 감지부가 나뉘어 져 있기 때문에 전술한 필요한 출력 외에 다른 출력이 측정되는 상호 간섭 오차를 감소시킬 수 있다. 하지만 이러한 로드셀은 크기가 커지며 실제 로봇에 적용하기는 어렵다는 단점이 있다.To solve this problem, a 6-axis load cell having an elastic structure composed of a leaf spring is disclosed in Korean Patent No. 0199691. In such a load cell, since the sensing unit for measuring each load is divided, it is possible to reduce the mutual interference error in which an output other than the above-described required output is measured. However, these load cells have a drawback in that they are large in size and difficult to apply to real robots.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 중앙의 하중 전달부와 외측의 외측링체 사이를 4개의 사각 보로 연결, Mx, My는 사각 보의 측면에서 감지하고, Mz는 사각 보의 앞뒷면에서 감지하도록 구성하는 한편 하중이 가해지지 않는 휘스스톤 브리지 회로의 출력이 0이 되도록 회로를 구성하였다. 또한 외측링체에 리프 스프링을 구성하는 홀을 가공하여 모멘트 Mx, My, Mz 사이의 출력 정도를 조절하였다. Therefore, the present invention is devised to solve the problems as described above, connecting the central load transfer part and the outer outer ring body with four square beams, Mx, My are sensed from the side of the square beam, and Mz is a square beam The circuit is configured so that the output of the Wheatstone bridge circuit without load is 0 while it is configured to detect from the front and back sides of the beam. Also, by machining the hole constituting the leaf spring in the outer ring body, the degree of output between the moments Mx, My, and Mz was adjusted.
상술한 목적은 3축 방향의 모멘트를 측정할 수 있는 3축 토크셀에 있어서, 링 형상의 외측링체; 외측링체 바깥에 로봇과 연결되는 볼트 체결부; 외측링체의 내부에 구비되는 하중 전달부; 하중 전달부의 외측면에 십자형으로 이격 형성되는 사각 보; 사각 보에 구비되어 3축 방향의 모멘트를 측정하는 스트레인 게이지;를 포함하는 3축 토크셀에 의해 달성된다.In the three-axis torque cell capable of measuring the moment in the three-axis direction, the above object, the outer ring body of the ring shape; Bolt fastening part connected to the robot outside the outer ring body; a load transmission unit provided inside the outer ring body; Square beams spaced apart from each other in a cross shape on the outer surface of the load transfer unit; It is achieved by a three-axis torque cell comprising a; strain gauge provided on the square beam to measure the moment in the three-axis direction.
그리고, 상기 외측링체는 그 내부에 일정 두께를 가지는 리프 스프링을 구성하는 복수의 홈부를 더 포함하고, 상기 하중 전달부와 외측링체는 두께의 차이를 주어 로드셀 전후에 부착되는 감속기 및 모터의 탈부착이 용이하게 설계하였다. 상기 사각 보는 상하의 높이보다 좌우 폭을 더 길계 형성하여 전단 변형률 출력을 증대시킴이 바람직하다. In addition, the outer ring body further includes a plurality of grooves constituting a leaf spring having a predetermined thickness therein, and the load transmission unit and the outer ring body give a difference in thickness so that attachment and detachment of the reducer and the motor attached before and after the load cell is possible. Designed for ease of use. It is preferable to increase the shear strain output by forming the left and right widths longer than the upper and lower heights of the rectangular beams.
또한, 상기 스트레인 게이지는, 북동남서 방향의 차례대로 구비되는 제 1 내지 제 4 사각 보에 각각 구비되고, 모멘트 Mx를 측정하기 위해 제 1 사각 보 양 측면에 Mx1 게이지와 Mx3 게이지를 구비하고, 제 3 사각 보 양 측면에 Mx2 게이지와 Mx4 게이지를 구비하며, 모멘트 My를 측정하기 위해 제 2 사각 보 양 측면에 My1 게이지와 My3 게이지를 구비하고, 제 4 사각 보 양 측면에 My2 게이지와 My4 게이지를 구비하며, 모멘트 Mz를 측정하기 위해 제 1 사각 보 앞쪽 면에 Mz1 게이지와 제 2 사각 보 앞쪽 면에 Mz2 게이지를 구비하고, 제 3 사각 보 앞쪽 면에 Mz3 게이지와 제 4 사각 보 앞쪽 면에 Mz4 게이지를 구비하였다. In addition, the strain gauge is provided in each of the first to fourth rectangular beams provided in order in the northeast-southwest direction, and Mx1 gauge and Mx3 gauge are provided on both sides of the first square beam to measure the moment Mx, 3 Gauges Mx2 and Mx4 are provided on both sides of the square beam, and gauges My1 and My3 are provided on both sides of the second square beam to measure the moment My, and gauges My2 and My4 are installed on both sides of the fourth square beam. In order to measure the moment Mz, Mz1 gauge and Mz2 gauge are provided on the front face of the first square beam and Mz2 gauge on the front face of the second square beam, Mz3 gauge on the front face of the third square beam, and Mz4 gauge on the front face of the fourth square beam Gauges were provided.
또한, 상기 스트레인 게이지는 컴팩트한 토크셀에 유리하도록 45˚기울어진 저항이 2개 붙어있는 전단 스트레인 게이지를 사용하였고, 전단 변형률의 정확한 측정을 위해 제 1 내지 제 4 사각 보의 양쪽 중립축과 앞쪽 중립축에 부착하였다. In addition, as the strain gauge, a shear strain gauge with two 45˚ inclined resistances was used to be advantageous for a compact torque cell, and for accurate measurement of shear strain, both neutral axes and front neutral axes of the first to fourth rectangular beams were used. attached to
구체적으로 각 분력의 모멘트는 각각 하중이 가해지지 않는 감지부의 출력이 0이 되도록 4개의 전단 변형률(ε1, ε2, ε3, ε4)로 구성되는 2개의 브리지 회로를 구성하였다. 2개의 브리지 회로를 사용하여 모멘트를 측정할 경우 2개의 브리지 회로 중 높은 성능의 브리지 회로를 사용하여 우수한 측정을 할 수 있으며, 1개의 브리지 회로에 문제가 발생할 경우 나머지 하나의 브리지 회로를 통해 측정이 가능하다는 장점이 있다. 이와 같은 브리지 회로를 이용하여 출력값을 구하는 출력식을 산출할 수 있다.Specifically, two bridge circuits composed of four shear strains (ε1, ε2, ε3, and ε4) were constructed so that the moment of each component forces the output of the sensing unit to which no load is applied becomes 0. When measuring a moment using two bridge circuits, excellent measurements can be made using a bridge circuit with higher performance among the two bridge circuits. The advantage is that it is possible. An output expression for obtaining an output value can be calculated using such a bridge circuit.
본 발명의 소형 3축 토크셀에 따르면, 모멘트 Mx, My는 4개의 사각 보의 양 측면에서 감지되고, 모멘트 Mz는 4개의 사각 보의 앞면에서 감지하게 됨으로써, 전단 변형률을 활용한 브리지 회로 구성이 간단해지고, 외측링체의 리프 스프링 두께의 조정만으로도 출력 값 조정이 용이하기 때문에 보다 정확한 수치의 모멘트를 측정할 수 있다.According to the small three-axis torque cell of the present invention, the moments Mx and My are sensed from both sides of the four square beams, and the moment Mz is sensed from the front side of the four square beams, so that the bridge circuit configuration utilizing shear strain is It is simple, and since it is easy to adjust the output value only by adjusting the thickness of the leaf spring of the outer ring body, a more accurate numerical moment can be measured.
도 1은 본 발명에 따른 3축 토크셀의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 3축 토크셀의 평면 구성도이다.
도 3a은 본 발명에 따른 3축 토크셀의 정면 구성도이다.
도 3b은 본 발명에 따른 3축 토크셀의 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 3축 토크셀의 저면 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 3축 토크셀에 부착되는 스트레인 게이지의 설치 위치를 보인 도면이다.
도 6는 본 발명에 따른 3축 토크셀의 휘스스톤 브리지의 구성도이다.
도 7는 본 발명에 따른 3축 토크셀에 작용하는 모멘트 Mx에 대한 변형거동을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 3축 토크셀에 작용하는 모멘트 Mz에 대한 변형거동을 나타낸 도면이다.1 is a block diagram of a three-axis torque cell according to the present invention.
2 is a plan view of a three-axis torque cell according to the present invention.
3A is a front view of a three-axis torque cell according to the present invention.
Figure 3b is a cross-sectional configuration diagram of a three-axis torque cell according to the present invention.
4 is a bottom view of the three-axis torque cell according to the present invention.
5 is a view showing the installation position of the strain gauge attached to the three-axis torque cell according to the present invention.
6 is a configuration diagram of a Wheatstone bridge of a 3-axis torque cell according to the present invention.
7 is a view showing the deformation behavior with respect to the moment Mx acting on the three-axis torque cell according to the present invention.
8 is a view showing the deformation behavior with respect to the moment Mz acting on the three-axis torque cell according to the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
첨부도면 도 1 내지 도 8은 본 발명에 따른 리프 스프링이 포함된 외측링체를 가진 소형 3축 토크셀을 도시한 도면이다.1 to 8 are views showing a small 3-axis torque cell having an outer ring body including a leaf spring according to the present invention.
본 발명의 3축 토크셀(100)은 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 3축 방향의 모멘트를 동시에 측정할 수 있도록, 링 형상의 외측링체(130)와, 외측링체(130)의 외부에 구비되는 볼트 체결부(120)와, 외측링체(130)의 내부에 구비되는 하중 전달부(110)와, 하중 전달부(110)의 외측면에 십자형으로 이격 형성되는 제 1 내지 제 4 사각 보(140)(141)(142)(143)와, 외측링체(130)의 내부에 구비되는 홈(150)과, 제 1 내지 제 4 사각 보(140)(141)(142)(143)에 구비되어 3축 방향의 모멘트를 측정하는 전단 스트레인 게이지를 포함한다.The three-
상기와 같이 형성된 외측링체(130)은 외측링체(130)의 외부에 구비되는 볼트 체결부(120)와 함께 로드셀 전체의 고정단 역할을 하고, 하중 전달부(110)는 하중을 각 사각 보(140)(141)(142)(143) 측으로 전달하는 역할을 하며, 사각 보(140)(141)(142)(143)는 감지부의 역할을 하고, 외측링체(130)의 내부에 구비되는 홈(150)은 얇은 리프 스프링을 형성하는 역할을 한다.The
한편, 외측링체(130)와 하중 전달부(110)는 일정 높이의 차이를 두어 실제 협업 로봇의 구성품과 연결될 때 홈 역할을 하도록 설계되었다.On the other hand, the
또한, 모멘트 Mx, My와 Mz의 출력을 비슷한 수준으로 형성하기 위해 제 1 내지 제 4 사각 보(140)(141)(142)(143)의 좌우 폭을 상하 높이보다 크게 형성한다.In addition, the left and right widths of the first to fourth
한편, 상기와 같이 형성된 제 1 내지 제 4 사각 보(140)(141)(142)(143)에는 다수의 전단 스트레인 게이지가 부착되고, 도 2를 기준으로 북동남서 방향으로 제 1 내지 제 4 사각 보(140)(141)(142)(143)에 차례대로 구비된다.On the other hand, a plurality of shear strain gauges are attached to the first to fourth
이러한 스트레인 게이지는, 모멘트 Mx를 측정하기 위해서는, 제 1 사각 보(140)의 좌측면에 Mx1 게이지와 우측면에 Mx2 게이지가 구비되고, 제 3 사각 보(142)의 우측면에 Mx3 게이지와 좌측면에 Mx4 게이지가 구비된다. 모멘트 My를 측정하기 위해서는, 제 2 사각 보(141)의 좌측면에 My1 게이지와 우측면에 My2 게이지가 구비되고, 제 4 사각 보(143)의 우측면에 My3 게이지와 우측면에 My4 게이지가 구비된다. These strain gauges, in order to measure the moment Mx, an Mx1 gauge and an Mx2 gauge are provided on the left side of the first
모멘트 Mz를 측정하기 위해서는, 제 1 사각 보(140)의 앞면에 Mz1 게이지가 구비되고, 제 3 사각 보(142)의 앞면에 Mz2 게이지가 구비되고, 제 2 사각 보(141)의 앞면에 Mz3 게이지가 구비되고, 제 4 사각 보(143)의 앞면에 Mz4 게이지가 구비된다.In order to measure the moment Mz, the Mz1 gauge is provided on the front side of the first
그리고, 본 발명의 휘스스톤 브리지 회로는 도 6에서와 같이, 각 축의 모멘트는 각각 하중이 가해지지 않는 감지부의 출력이 0이 되도록 4개의 전단 변형률(ε1, ε2, ε3, ε4)로 구성되며 도 5에서 도시된 각 스트레인 게이지 당 2개씩의 저항을 포함한 4개의 저항은 도 6의 표와 같이 구성된다. And, as shown in FIG. 6, the Wheatstone bridge circuit of the present invention is composed of four shear strains (ε1, ε2, ε3, ε4) such that the moment of each axis makes the output of the sensing unit to which no load is applied becomes 0. Four resistors including two resistors for each strain gauge shown in 5 are configured as shown in the table of FIG. 6 .
한편, 도 6의 휘스스톤 브리지 회로를 이용한 출력값의 식은 다음과 같다.Meanwhile, the expression of the output value using the Wheatstone bridge circuit of FIG. 6 is as follows.
[수학식][Equation]
단, Ei, Eo는 각각 휘스스톤 브리지 회로의 입력전압과 출력전압이고, ε1, ε2, ε3, ε4는 2개의 스트레인 게이지에서 측정된 전단 변형률이며, K는 스트레인 게이지의 게이지 상수이다.However, Ei and Eo are the input voltage and output voltage of the Wheatstone bridge circuit, respectively, ε1, ε2, ε3, ε4 are the shear strains measured at two strain gauges, and K is the gauge constant of the strain gauge.
이상과 같은 본 발명에 따른 3축 로드셀의 변형거동을 설명하면 다음과 같다.The deformation behavior of the three-axis load cell according to the present invention as described above is as follows.
도 7과 도 8은 각각 모멘트 Mx와 모멘트 Mz를 주었을 때 유한요소 해석법을 이용하여 변형된 형상을 보인 것이다.7 and 8 show a deformed shape using the finite element analysis method when a moment Mx and a moment Mz are given, respectively.
도 7에서 보는 바와 같이, 하중 전달부(110)에 모멘트 Mx를 가하면, 제 1 사각 보(140)와 제 3 사각 보(142)에서는 전단 변형이 발생, 전단 변형률 출력이 발생된다.As shown in FIG. 7 , when a moment Mx is applied to the
도 8에서 보는 바와 같이, 하중 전달부(110)에 모멘트 Mz을 가하면, 제 1 내지 제 4 사각 보(140)(141)(142)(143)의 앞면은 모두 전단 변형이 일어나며 제 1 내지 제 4 사각 보(140)(141)(142)(143)의 앞면에 부착된 Mz1 게이지와, Mz2 게이지와, Mz3 게이지와, Mz4 게이지에서는 전단 변형률이 측정된다. As shown in FIG. 8 , when a moment Mz is applied to the
100 : 3축 로드셀
110 : 하중 전달부
120 : 볼트 체결부
130 : 외측링체
140,141,142,143 : 사각 보
150 : 홈부100: 3-axis load cell 110: load transmission part
120: bolt fastening unit 130: outer ring body
140,141,142,143: square beam 150: groove
Claims (5)
링 형상의 외측링체;
외측링체의 내부에 구비되는 링 형상의 하중 전달부;
하중 전달부의 외측면에 십자형으로 이격 형성되는 사각 보
사각 보의 3면에 구비되어 3축 방향의 모멘트를 측정하는 스트레인 게이지;를 포함하는 3축 토크셀.In the triaxial load cell capable of measuring the moment in the triaxial direction,
a ring-shaped outer ring body;
a ring-shaped load transmission unit provided inside the outer ring body;
Square beam formed in a cross shape on the outer surface of the load transfer part
A three-axis torque cell comprising a; strain gauge provided on three sides of the square beam to measure the moment in the three-axis direction.
상기 외측링체와 원호 형상의 구멍으로 인해 형성되는 얇은 두께의 리프 스프링(Leaf spring)The method according to claim 1,
A thin leaf spring formed by the outer ring body and the arc-shaped hole
상기 사각 보는 좌우 폭을 상하의 높이보다 더 길게 형성하여 전단 변형률의 출력을 증대시켜 측정하는 3축 토크셀The method according to claim 1,
A three-axis torque cell measuring the square beam by increasing the output of shear strain by forming the left and right widths longer than the vertical heights
상기 스트레인 게이지는, 45˚ 저항을 2개 가지고 있는 전단 스트레인게이지로 북동남서 방향의 차례대로 구비되는 제 1 내지 제 4 사각 보에 각각 구비되고,
모멘트 Mx를 측정하기 위해 제 1 사각 보 양 측면에 Mx1 게이지와 Mx3 게이지를 구비하고, 제 3 사각 보 양 측면에 Mx2 게이지와 Mx4 게이지를 구비하며,
모멘트 My를 측정하기 위해 제 2 사각 보 양 측면에 My1 게이지와 My3 게이지를 구비하고, 제 4 사각 보 양 측면에 My2 게이지와 My4 게이지를 구비하며,
모멘트 Mz를 측정하기 위해 제 1 사각 보 앞쪽 면에 Mz1 게이지와 제 2 사각 보 앞쪽 면에 Mz2 게이지를 구비하고, 제 3 사각 보 앞쪽 면에 Mz3 게이지와 제 4 사각 보 앞쪽 면에 Mz4 게이지를 구비하는 3축 토크셀. The method according to claim 1,
The strain gauges are shear strain gauges having two 45˚ resistances, respectively, provided in the first to fourth rectangular beams that are sequentially provided in the northeast-southwest direction,
To measure the moment Mx, an Mx1 gauge and an Mx3 gauge are provided on both sides of the first rectangular beam, and an Mx2 gauge and an Mx4 gauge are provided on both sides of the third rectangular beam,
To measure the moment My, My1 gauge and My3 gauge are provided on both sides of the second rectangular beam, My2 gauge and My4 gauge are provided on both sides of the fourth rectangular beam,
To measure the moment Mz, an Mz1 gauge and an Mz2 gauge are provided on the front face of the first square beam and an Mz3 gauge is equipped on the front face of the third square beam and an Mz4 gauge is installed on the front face of the fourth square beam 3-axis torque cell.
각 분력의 모멘트는 각각 하중이 가해지지 않는 감지부의 출력이 0이 되도록 4개의 전단 변형률(ε1, ε2, ε3, ε4)로 구성된 브리지 회로를 포함하는 3축 토크셀.The method according to claim 1,
The moment of each component is a 3-axis torque cell including a bridge circuit composed of four shear strains (ε1, ε2, ε3, ε4) so that the output of the sensing unit with no load applied is 0.
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WO2024093444A1 (en) * | 2022-11-03 | 2024-05-10 | 广东美的白色家电技术创新中心有限公司 | Elastomer of torque sensor and torque sensor |
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Legal Events
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E601 | Decision to refuse application |