KR20230017187A

KR20230017187A - 힘 및 토크 변환기

Info

Publication number: KR20230017187A
Application number: KR1020227040101A
Authority: KR
Inventors: 클라즈드 리카
Original assignee: 보타 시스템즈 아게
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2021-05-26
Publication date: 2023-02-03
Also published as: WO2021240389A1; EP4158297A1; CN115427776A; US20210372872A1; US11846557B2; JP2023534575A

Abstract

6축 힘 토크 변환기(force torque transducer; FTT)는 허브 및 허브에 배치되고 허브로부터 외측으로 연장되는 적어도 하나의 굴곡 빔을 포함한다. 적어도 하나의 굴곡 빔 각각은 실질적으로 U자형 단면을 갖는 U 빔 및 허브로부터 이격되어 있는 U 빔의 일 부분에서 U 빔에 부착되는 적어도 하나의 빔 플레이트를 포함한다. 적어도 하나의 스트레인 게이지를 포함하는, 제1 스트레인 게이지 캐리어는 적어도 하나의 U 빔의 외부 표면에 장착된다. 적어도 하나의 스트레인 게이지를 포함하는, 제2 스트레인 게이지 캐리어는 적어도 하나의 빔 플레이트의 외부 표면에 장착된다. 연결 요소는 제1 스트레인 게이지 캐리어의 스트레인 게이지 및 상기 제2 스트레인 게이지 캐리어의 스트레인 게이지를 브리지 형태로 전기적으로 연결한다.

Description

힘 및 토크 변환기

개시되는 실시는 변형 가능한 구조에 부착되는 스트레인 게이지를 사용하는 힘 측정 분야에 관한 것이다. 구체적으로, 개시되는 실시는 3개의 직교 힘 및 3개의 직교 토크를 측정하는 데 사용될 수 있는 힘 토크 변환기(force torque transducer; FTT) 및 측정 방법에 관한 것이다.

종래의 6축 힘 토크 변환기는 작용되는 힘과 토크를 전압, 저항, 정전용량 또는 전류로 변환한다. 변형 가능한 기계적 구조가 사용되고 하중이 가해지면, 구조의 표면이 변형된다. 스트레인 게이지 센서는 변형을 저항, 전압, 커패시턴스 또는 전류의 변화로 변환하는 데 사용된다. 신호의 이러한 변화는 알려진 방식으로 컴퓨터에서 처리하기 위해 아날로그 신호를 디지털화하는 전자 장치("A/D 변환기"로 알려짐)에 의해 측정된다. 이러한 힘 토크 변환기는, 예를 들어, 다양한 로봇 공학 응용에서 사용될 수 있다. 센서에 가해지는 3개의 직교 힘과 3개의 직교 토크를 추출하기 위하여, 힘 토크 변환기의 변형 가능한 구조의 다른 위치에서 최소 6개의 변형 측정이 얻어져야만 한다. 각각의 변형 측정은 일반적으로 "저항 스트레인 게이지"(resistive strain gauge; SG)라고도 하는, 저항 스트레인 센서에 의해 수집된다. 기계적 구조에 대한 스트레인 게이지의 배열 및 기계적 구조의 기하학적 구조는 힘 토크 변환기의 생산 비용과 품질에 직접적인 영향을 준다. 6축 힘 토크 변환기의 센싱 요소는 일반적으로 작용되는 하중을 견디는 2개의 고강성 허브로 구성되고, 방사상으로 균일하게 이격되는 하나 이상의 직사각형 굴곡 빔을 통해 연결된다. 굴곡 빔 및 하나 또는 2개의 고강성 허브 사이에는, 작용되는 힘의 기계적 분리를 위한 순응(compliant) 섹션이 존재한다. 스트레인 게이지는 굴곡 빔의 표면에 부착된다.

6개의 힘 및 토크 구성 요소를 모두 측정하기 위해, 가장 일반적인 힘 토크 변환기는 동일한 접평면에 있지 않고 일반적으로 한 축에 대해 서로 90도 오프셋된 표면에 스트레인 게이지를 부착한다. 하프 또는 풀 휘트스톤 브리지("브리지")를 형성하기 위해 이러한 스트레인 게이지는 전선과 같은, 전기 연결로 연결된다. 가장 일반적인 배열은 스트레인 게이지가 4면 모두에 부착되어 있는 직사각형 단면 빔이다. 빔은 더 높은 기계적 유연성을 제공하기 위해 속이 비어 있을 수 있다.

3개의 직교 힘과 3개의 직교 토크를 해결하기 위해 충분한 수의 신호(최소 6개)를 생성하려면 이러한 빔 중 최소 3개가 요구된다. 이러한 방법을 사용하면 굴곡 빔의 모든 사용 가능한 표면이 변형 측정에 활용되기에 매우 컴팩트한 힘 토크 변환기를 설계할 수 있다. 그러나, 이러한 설계에서는 스트레인 게이지용 와이어를 부착하고 납땜하기 위해 표면에 접근하기가 어렵다. 따라서, 일반적으로 수동 취급 및 맞춤형 도구가 필요하고 제조 비용이 높아진다. 일반적으로, 스트레인 게이지 부착은 수동 조작, 특수 도구 및 장비 그리고 고도로 숙련된 인력이 필요한 시간 소모적인 과정이다.

어떤 경우에서는, 동일하거나 약간 경사진 평면에 있는 오직 하나 또는 2개의 표면 섹션이 2개의 수직력을 해결하기에 충분히 민감한 적절한 신호를 생성하기에 충분하다. 이 경우 스트레인 게이지는 쿼터 브리지 및/또는 하프 브리지로 결합되고 각각의 빔에 필요한 2가지 구성 요소를 해결한다. 이러한 디자인은 힘 토크 변환기의 생산이 자동화와 더 잘 호환되도록 하고 숄더링을 위해 스트레인 게이지 연결 패드에 더 쉽게 접근할 수 있게 해주므로 비용을 크게 줄어든다. 어떤 경우에는, 숄더링 와이어를 대신하여, PCB가 사용되어 스트레인 게이지의 단자 패드를 만지기만 하면 그에 따라 스트레인 게이지를 연결한다. 그러나 스트레인 게이지는 수직 스트레인을 측정하는 데 사용되며 신호의 디커플링은 빔의 중립 축으로부터의 거리에 비례한다. 따라서, 상술한 첫 번째 예시의 센서의 정확도와 감도 수준에 도달하려면, 동일한 스트레인 게이지에 대하여 빔이 더 넓은 경우에 더 큰 직경의 힘 토크 변환기가 생성된다.

또한, 온도 보상은 오직 응력이 가해지지 않은 표면에 외부 센서를 부착함으로써 달성된다. 이러한 외부 센서 부착의 단점은, 2개의 표면 사이의 열 전달이 상대적으로 느리다는 것이다. 따라서 이러한 2개의 표면의 온도는 동기화되지 않고 변화하여 문제가 된다. 또한, 방열은 대칭적이지 않고 외부 경계 온도 조건의 영향을 많이 받는다.

다른 예에서, 변형 측정은 부분적으로는 수직이고 부분적으로는 전단일 수 있다. 이러한 경우, 스트레인 게이지는 모두 하나의 표면 위에 배치되어 보다 쉽게 제조할 수 있다. 그러나, 이 경우 기계적 구조가 복잡해지고 비용이 더 많이 든다.

일반적으로, 스트레인 게이지를 준수하여 힘 토크 변환기를 계측하는 것은 생산과 관련된 비용의 가장 중요한 부분의 하나이다. 힘 토크 변환기는 제조를 위해 맞춤형 기계가 필요하기 때문에 비용이 많이 소요된다. 또한 온도 영향을 보상하기 위해 특수 알고리즘이 개발되었으며 작은 장치에 많은 와이어를 숄더링하면 생산된 센서의 품질 관리가 어려워진다.

개시되는 실시는 3개의 직교 힘 성분 및 그것에 작용되는 3개의 직교 토크 성분을, 6개 이상의 전기 신호로 변환하는 힘 토크 변환기를 포함한다. 실시를 통해 특수 장비 및 도구 없이도 소형의 6축 힘 토크 변환기를 설계 및 제조할 수 있다. 힘 토크 변환기는, 예를 들어, 작은 핑거팁 센싱 또는 힘 감도와 제어가 중요한 대규모 힘 조작 작업을 위한 로봇의 힘 피드백에 사용될 수 있다.

본 발명의 핵심 구성요소는 공구 장착 강성 허브, 하나 이상의 강성 장착 고정구, 기계적으로 변형할 수 있는 구조("굴곡 빔"이라고 함)이다. 굴곡 빔은 2개의 직선 플레이트 빔에 부착된 단면이 실질적으로 U자형 프로파일을 갖는 빔으로 구성된다. 전단 변형률을 측정할 수 있는 풀 브리지 스트레인 게이지 그룹 전기 회로는 U 프로파일 외부 표면에 배치되고, 함께 연결되어 전단 변형률을 측정할 수 있는 2개의 하프 브리지 스트레인 게이지 그룹이 직선 플레이트 빔에 배치된다. 필요한 전자 장치 및/또는 연결을 포함하도록 인쇄 회로 기판(PCB)이 제공된다.

상술한 구성 요소는 다음과 같이 구성할 수 있다: 강성 허브는 방사상으로 배열되는 3개의 굴곡 빔에 의해 강성 장착 고정구와 연결된다. 이들은 밀링(milling) 또는 다른 기술로 제조할 수 있는 하나의 모놀리식(monolithic) 구조를 형성한다. 풀 브리지 스트레인 게이지 그룹은 굴곡 빔의 U 프로파일 빔에 부착된다. 일 실시에서, 풀 브리지 대신 하프 브리지 전단 스트레인 게이지 그룹이 사용되며 브리지의 나머지 부분은 저항기로 완성된다. 2개의 하프 브리지 스트레인 게이지 그룹은 풀 브리지를 형성하기 위해 굴곡 빔의 2개의 직선 플레이트 빔에 부착된다. 일 실시에서, 단일 전단 스트레인 게이지 세트는 하프 브리지에서 직선 플레이트 빔에 부착되고 브리지의 나머지 부분은 저항기에 의해 완성된다. 스트레인 게이지는 PCB를 통해 전기적으로 연결되어 상술한 하프 브리지 및 풀 브리지를 형성할 수 있다. 스트레인 게이지가 부착된 굴곡 빔의 외부 표면은 2가지 작용되는 수직력에 의해 생성되는 전단 변형을 측정하는 데 사용된다. 이러한 표면은 접근하기 쉬우므로 표면에 접근하기 위한 특수 장비 없이도 스트레인 게이지를 수동으로 부착할 수 있다. 또한, 표면은 힘 토크 변환기 기준 프레임의 작용되는 힘을 기계적으로 분리하는 데 필요한 센서의 준수를 위해 사용된다. 따라서 모든 이용 가능하고 접근 가능한 표면이 가장 효율적인 방식으로 활용되고 제조가 쉽고 경제적이며 결과적으로 힘 토크 변환기가 매우 소형화된다.

2가지 힘 각각에 대한 스트레인 게이지는 구조의 온도 변동을 보상하는 방식으로 전기적으로 연결된다. 특히, 스트레인 게이지는 동일한 굴곡 빔에 대칭적으로 배열되고 서로 매우 가깝기 때문에 매우 작은 지연/델타로 동일한 온도를 공유한다. 또한 스트레인 게이지는 부착된 재료에 대응하여 온도가 보상된다.

6개의 신호 출력은, 변환기의 선택된 기준 프레임에서, 접지 정보(ground truth) 측정을 사용하여 교정 프로세스를 통한 교정 프로세서를 통하여 인가되는 3개의 힘과 3개의 토크를 재구성하는 데 사용된다. 개시된 실시는 현재 산업용 로봇 시스템과 호환되는 기성품 스트레인 게이지가 있는 초-소형의 고성능 6축 힘 토크 변환기를 제조하는 데 사용될 수 있다. 또한, 개시된 실시는, 낮은 제조 비용을 초래하도록, 특별한 조립 기술 또는 도구를 필요로 하지 않는다는 점에 유의해야 한다.

개시되는 실시는 6축 힘 토크 변환기로서, 이는 허브; 허브에 배치되고 허브로부터 외측으로 연장되는 적어도 하나의 굴곡 빔으로서 적어도 하나의 굴곡 빔 각각은 실질적으로 U자형 단면을 갖는 U 빔 및 허브로부터 이격되어 있는 U 빔의 일 부분에서 U 빔에 부착되는 적어도 하나의 빔 플레이트를 포함하는, 적어도 하나의 굴곡 빔; 적어도 하나의 U 빔의 외부 표면에 장착되고, 적어도 하나의 스트레인 게이지를 포함하는, 제1 스트레인 게이지 캐리어; 적어도 하나의 빔 플레이트의 외부 표면에 장착되고, 적어도 하나의 스트레인 게이지를 포함하는, 제2 스트레인 게이지 캐리어; 및 제1 스트레인 게이지 캐리어의 스트레인 게이지 및 제2 스트레인 게이지 캐리어의 스트레인 게이지를 브리지 형태로 전기적으로 연결하기 위한 연결 요소를 포함한다.

허브로부터 방사상으로 연장되는 3개의 U 빔이 존재할 수 있고, U 빔 각각은 이에 부착되는 2개의 빔 플레이트를 포함할 수 있다. 복수의 장착 고정구는 빔 플레이트 각각의 말단부를 상기 U 빔 중 인접하는 하나에 부착되는 상기 빔 플레이트 중 대응하는 하나의 말단부에 각각 결합할 수 있다.

적어도 하나의 U 빔의 각각은 2개의 실질적으로 평행하는 플레이트 및 직교하는 연결 플레이트를 포함할 수 있다. 제1 스트레인 게이지 캐리어는 직교하는 연결 플레이트에 장착될 수 있다. 제2 스트레인 게이지 캐리어는 적어도 하나의 빔 플레이트의 외부 표면에 의해 정의되는 평면과 직각으로 교차하는 평면에 배치될 수 있다.

본 발명은 유사한 참조 번호가 유사한 요소를 나타내는 첨부된 도면에 제한되지 않고 예시의 방식으로 예시된다.
도 1은 개시된 실시에 따른 3개의 굴곡 빔, 이들의 고강성 허브, 스트레인 게이지 배열 및 PCB, 및 데카르트 기준 프레임을 갖는 6축 힘 토크 변환기의 사시도이다.
도 2는 도 1에 따르는 개시되는 실시의 굴곡 빔의 상세 사시도이다.
도 3a는 도 2의 굴곡 빔의 평면도이다.
도 3b는 개시되는 실시에 따르는, 굴곡 빔의, 그 위에 스트레인 게이지가 있는, U 프로파일 부분의 단면도이다.
도 4a는 데카르트 기준 프레임을 포함하고 개시된 실시들에 따른 6축 힘 토크 변환기의 평면도이다.
도 4b는 데카르트 참조 프레임을 포함하는 도 4a의 힘 토크 변환기의 측면도이다.
도 5a, 5b, 5c, 5d는 개시된 실시에 따른 스트레인 게이지의 조합의 예의 개략도이다.
도 6은 개시되는 실시에 따라 사용될 수 있는 캐리어 상의 스트레인 게이지의 여러 배열의 개략적인 평면도이다.

본 출원은 2020년 5월 29일에 출원된 제63/031,77호의 미국 가출원의 이익을 주장하며, 그 전체 개시 내용이 참조로서 본 문서에 포함된다.

다양한 개시되는 실시가 후술할 세부사항을 참조하여 설명될 것이고, 첨부 도면은 다양한 실시를 예시할 것이다. 아래의 설명 및 도면은 본 발명을 예시하는 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 다양한 개시되는 실시의 철저한 이해를 제공하기 위해 다수의 특정한 세부사항이 설명된다. 그러나, 특정한 경우에, 공지된 실시의 간결한 논의를 제공하기 위해 잘 알려진 또는 통상적인 세부사항은 설명되지 않는다. "상부", "하부" 및 "측면"과 같은 위치 용어는 본 명세서에서 상대 서술자로 사용되며 실시는 임의의 방향 및/또는 기준 프레임으로 위치될 수 있다.

도 1은 개시되는 실시에 따른 힘 토크 변환기(100)의 사시도이다. 힘 토크 변환기(100)는 공구 장착 강성 허브(109), 3개의 강성 장착 고정구(110), 및 적어도 하나의 금속성 또는 비금속성 구조물(200)을 포함하며, 기계적으로 변형될 수 있는 것(본 문서에서 "굴곡 빔(200)"으로 지칭됨) 중 하나만이 도 1에 표시되어 있다. 굴곡 빔(200)은 아래에서 도 2와 관련하여 더 상세히 설명된다. 작용되는 힘의 기계적 분리를 위하여 설계되는 굴곡 빔(200)의 순응 섹션(107)은, 허브(109)에 연결되는 굴곡 빔(200)의 일부에 정의된다. 전단 유형 스트레인 게이지의 스트레인 게이지 세트(101a, 101b)는 각각의 굴곡 빔(200)은 공지된 방식으로 하프 브리지 또는 풀 브리지 연결을 정의하는 적절한 전기 요소를 포함하는 PCB(103)에 전기적으로 연결된다.

도 2는 도 1의 굴곡 빔(200) 중 하나를 더 자세하게 도시한다. 굴곡 빔(200)은 요소(106)에 의해, 2개의 직선 플레이트 빔(107)에, 견고하게 부착되는 U 프로파일 단면(도 3a 참조)을 갖는 U 빔(108)으로 구성된다. 4개의 스트레인 게이지(111, 112, 113, 114)의 풀 브리지는, U 빔(108)의 전단 변형을 측정하도록 구성된 방식으로 캐리어(102)를 통해, U 빔(108)의 상면에 부착된다. 2개의 하프 브리지 스트레인 게이지 캐리어(101a, 101b)는 스트레인 게이지(115, 116)를 사용하여 직선 플레이트 빔(107)에 대한 전단 변형을 측정할 수 있는 방식으로 부착된다. 스트레인 게이지는 와이어를 포함할 수 있는 전기 연결부(104, 105)를 통해 PCB(103)에 전기적으로 연결된다. 허브(109)는 방사상으로 배열되는, 3개의 굴곡 빔(107)에 의해 각각 강성 장착 고정구(110)에 연결된다. 따라서, 이러한 요소는 밀링 또는 주조 기술과 같은 기존 기술을 통해 제조될 수 있는 하나의 일체형 구조를 형성한다.

도 3a는 굴곡 빔(200)의 평면도를 도시한다. 도 3b는 단면의 U 빔(108)을 도시한다. U 빔(108)은 단면이 실질적으로 U자형이라는 점에 유의한다. 본 문서에서 사용되는, "실질적으로 U자형"이라는 표현은, 실질적으로 직교하는 요소에 의해 연결된 2개의 실질적으로 평행한 요소를 갖는 구조를 지칭한다. 이는 도 3b에 도시된 바와 같이 90도의 각도로 연결된 평평한 요소 또는 단면 형상에서 문자 U에 근접하도록 연결된 약간의 곡선 요소를 포함할 수 있다.

캐리어(102)는 굴곡 빔(200)의 U 빔(108)에 부착된다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 캐리어(102)는 U 빔(108)의 외부 상부 표면에 부착된다. 캐리어(102)가 부착되는 표면의 전단 변형 필드는 대략 균질하다. 스트레인 게이지의 주요 변형 방향에서 45도인 전단력 F1(그림 2 참조)이 힘 토크 변환기에 작용될 때 균일한 전단 변형장이 생성된다. 스트레인 게이지는 주요 변형으로 정렬된다. 연결된 풀 브리지 세트의 4개의 스트레인 게이지 각각은 동일한 변형 크기를 경험하고 있다. 그 중 2개는 압축되고 2개는 인장된다. 도 5a는 힘 F1이 굴곡 빔에 작용될 때 전기 신호를 생성할 수 있는 휘트스톤 브리지 전기 연결을 도시한다.

다른 실시에서, 캐리어(102)는 U 빔의 U 프로파일의 하부 표면에 부착될 수 있다. 다른 실시에서, 2개의 스트레인 게이지만이 도 5c에 도시된 바와 같이 캐리어(102)에 하프 브리지를 형성하는데 사용된다. 이러한 배열은 작용되는 힘 F1이 작용되는 전기 신호를 생성할 수 있다. 이러한 실시에서, 동일한 감도의 스트레인 게이지는 신호 크기의 절반을 생성한다. 이 실시는 더 높은 감도의 스트레인 게이지를 사용할 때 유리하며 더 소형화된 힘 토크 변환기를 이룰 수 있다. 그림 5b는 F1 힘을 측정하기 위해 U 빔에 사용된 하나의 하프 브리지와 F2 힘을 측정하기 위해 직사각형 빔에 부착된 두 개의 하프 브리지의 다른 조합을 도시한다.

다른 실시에서, 2개의 하프 브리지 전단 스트레인 게이지 캐리어가 U 빔(108)의 반대 면에 부착될 수 있다. 이러한 실시예는 토크 M1가 작용하는 경우 발생하는 결합을 제거하고 힘 F1이 작용하고 토크 M1가 제거되는 경우 빔은 신호만을 생성할 수 있는 단축(uniaxial) 로드 셀로만 동작하기 때문에 유리할 수 있다.

스트레인 게이지는 알려진 방식으로 굴곡 빔의 재료에 대해 온도 일치 및 보상될 수 있다. 또한, 스트레인 게이지가 센서의 동일한 영역에 부착된 경우, 즉 물리적으로 서로 근접한 경우, 온도 차이는 일반적으로 무시할 수 있다. 따라서, 전체 힘 토크 변환기의 U 프로파일 빔 신호 각각은 스트레인 게이지가 배열되고 전기적으로 연결되는 방식에 의해 온도 보상된다.

도 3을 참조하면, 수직 플레이트 빔(107)은 수직력 F2(121)를 측정하는 데 필요한 스트레인 게이지를 장착하는 데 사용된다. 개시된 실시는 모든 인가된 힘 및 토크 성분, 특히 Fx, Fy 및 Mz의 성분을 분리하기 위하여 힘 토크 변환기에 의해 요구되는 순응성을 위해 직선 플레이트 빔(107)을 사용할 수 있다. 이러한 조합은 사용 가능한 모든 표면을 사용하여 스트레친 게이지를 장착하고 결과적으로 매우 소형화된 6축 힘 토크 변환기를 이룰 수 있다. 이러한 표면에 장착된 스트레인 게이지 캐리어(101a, 101b)(도 1 참조)도 전단 유형이고 굴곡 빔에 수직력이 가해질 때 신호를 생성한다. 각각의 캐리어는 2개의 스트레인 게이지(115, 116)(도 2 참조)를 운반할 수 있으며, 이는 도 2에 도시된 바와 같이 일반적으로 수평선(120)으로부터 45도만큼 기울어지는, 힘으로부터 유도되는 주요 변형으로 정렬되고 배열되는 하프 브리지 전단 스트레인 게이지 세트를 형성한다. 스트레인 게이지는 서로 90도로 정렬될 수 있다. 힘 F2가 가해지면 이전 단락에서 상술한 102의 스트레인 게이지 세트와 동일한 방식으로 스트레인 게이지 2개가 압축되고 2개가 인장된다. 차이점은 이러한 스트레인 게이지 세트는 PCB(103)를 통해 상호 전기적으로 연결된다는 것이다. 이들은 부착된 재료와 일치하도록 온도 보상되며 힘 토크 변환기의 고강성 부품(109, 110) 사이에 배치된다. 이들은 대칭적으로 배치되며 하나의 표면에서 다른 표면으로의 온도 차이는 무시할 수 있다. 또한, 이들은 굴곡 빔의 온도 변화로 인한 변형을 거부하기 위해 전기적으로 연결된다.

다른 실시에서, 캐리어(101a, 101b)는 수평 라인(120)으로부터 45도 정렬되거나 힘으로부터 유도된 주 스트레인을 교차하여 배향되는 각각 하나의 스트레인 게이지만을 포함할 수 있다. 이들은 도 5d에 도시된 바와 같이 PCB(103)와 하프 브리지 형태로 연결될 수 있다.

도 4a는 완전한 6축 힘 토크 변환기를 형성하기 위하여 연결되는 3개의 굴곡 빔(108)을 갖는 상술한 실시의 평면도를 도시한다. 힘 토크 변환기는 작용되는 힘의 측면으로 고강성 하우징 또는 어댑터(109)에 장착되는 강성 장착 고정구(110)를 사용할 수 있다. 이러한 실시예에서 3개의 힘 및 토크에 대한 기준 프레임(117)은 하우징 또는 어댑터(109)의 상부 표면에 있도록 선택된다. 도 4b는 기준 프레임 x축 및 z축이 도시된 도 4a의 실시의 측면도이다.

도 5는 논의된 굴곡 빔에 사용된 스트레인 게이지의 가능한 조합을 갖는 본 발명의 다른 실시예의 전개도를 도시한다. 굴곡 빔에 가해지는 2개의 수직력에서 유도되는 전단 변형을 측정하기 위해 5가지 이상의 가능한 조합이 있음을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에서 사용될 수 있는 다양한 유형의 스트레인 게이지 캐리어 및 이들의 스트레인 게이지의 도면을 도시한다. 스트레인 게이지는 서로 90도의 각도로 배열될 수 있으며 작용하는 전단 응력에서 유도된 주요 변형으로 정렬된다. 하나의 스트레인 게이지 캐리어에 1개, 2개, 3개 또는 4개의 스트레인 게이지가 있을 수 있다. 스트레인 게이지는 도 6에 표시된 패턴으로 배열할 수 있다. 알려진 금속 호일 또는 반도체 호일 저항성 스트레인 게이지는 변형을 전기 저항 변화로 변환하기 위해 사용될 수 있다. 금속 스트레인 게이지는 더 경제적이고 일반적으로 더 큰 변형을 측정할 수 있고, 더 강력하지만 이득 계수가 작다. 반도체 스트레인 게이지는 비싸고 깨지기 쉽고 다루기 어려울 수 있지만 높은 이득 계수를 가지고 있기 때문에 감도가 중요한 문제일 때 선호된다. 이들의 접착성으로 인해, 특수 장비가 요구되지 않는다. 높은 감도로 인해 전자 장치를 최소화하여 매우 소형화된 힘 토크 변환기를 이룰 수 있다.

복수의 스트레인 게이지는 PCB를 통해 연결되어 공지된 방식으로 전술한 하프 브리지 및 풀 브리지를 형성할 수 있다. 스트레인 게이지는 2개의 작용되는 수직력에 의해 생성되는 전단 변형률을 측정하기 위해 굴곡 빔의 외부 표면에 부착될 수 있다. 이러한 표면은, 특수 장비 없이도, 수동으로 접착제를 사용하여 스트레인 게이지를 장착하고 부착하는 것에 쉽게 접근할 수 있다. 빔은 또한 힘 토크 변환기 기준 프레임의 작용되는 힘을 기계적으로 분리하는 데 필요한 센서의 준수를 위해 사용된다. 따라서 모든 표면이 가장 효율적인 방식으로 활용되고 제조가 간단하며 결과적으로 힘 토크 변환기가 경제적이고 소형화된다.

스트레인 게이지는 구조의 온도 변동을 보상하는 방식으로 전기적으로 연결될 수 있다. 스트레인 게이지는 물리적 근접성으로 인한 매우 작은 지연으로 동일한 온도를 공유하기 위해 동일한 빔에 대칭적으로 배열될 수 있다. 더욱이, 본 발명에서 사용되는 스트레인 게이지는 그들이 부착되는 재료에 대해 온도 보상된다. 6개의 신호 출력은 최소 자승법을 사용하여 변환기의 선택된 기준 프레임(117)에 대해 접지 정보 측정을 통한 교정 프로세스를 통해 인가되는 3개의 힘과 3개의 토크를 재구성하는 데 사용될 수 있다. 실시는 현재 산업용 로봇 시스템과 호환되는 기성품 스트레인 게이지가 있는 초소형 고성능 6축 힘 토크 변환기를 제조하는 데 사용할 수 있다.

본 발명은 다양한 실시와 관련하여 설명되었다. 당업자는 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

6축 힘 토크 변환기(force torque transducer; FTT)에 있어서,
허브;
상기 허브에 배치되고 상기 허브로부터 외측으로 연장되는 적어도 하나의 굴곡 빔으로서, 상기 적어도 하나의 굴곡 빔 각각은 실질적으로 U자형 단면을 갖는 U 빔 및 상기 허브로부터 이격되어 있는 상기 U 빔의 일 부분에서 상기 U 빔에 부착되는 적어도 하나의 빔 플레이트를 포함하는, 상기 적어도 하나의 굴곡 빔;
상기 적어도 하나의 U 빔의 외부 표면에 장착되고, 적어도 하나의 스트레인 게이지를 포함하는, 제1 스트레인 게이지 캐리어;
상기 적어도 하나의 빔 플레이트의 외부 표면에 장착되고, 적어도 하나의 스트레인 게이지를 포함하는, 제2 스트레인 게이지 캐리어; 및
상기 제1 스트레인 게이지 캐리어의 스트레인 게이지 및 상기 제2 스트레인 게이지 캐리어의 스트레인 게이지를 브리지 형태로 전기적으로 연결하기 위한 연결 요소를 포함하는, 힘 토크 변환기.
제1항에 있어서,
상기 허브로부터 방사상으로 연장되는 3개의 U 빔이 존재하고 U 빔 각각은 이에 부착되는 2개의 빔 플레이트를 포함하고 상기 빔 플레이트 각각의 말단부를 상기 U 빔 중 인접하는 하나에 부착되는 상기 빔 플레이트 중 대응하는 하나의 말단부에 각각 결합하는 복수의 장착 고정구를 더 포함하는, 힘 토크 변환기.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 U 빔의 각각은 2개의 실질적으로 평행하는 플레이트 및 직교하는 연결 플레이트를 포함하고 상기 제1 스트레인 게이지 캐리어는 상기 직교하는 연결 플레이트에 장착되는, 힘 토크 변환기.
제3항에 있어서,
상기 제2 스트레인 게이지 캐리어는 상기 적어도 하나의 빔 플레이트의 외부 표면에 의해 정의되는 평면과 직각으로 교차하는 평면에 배치되는, 힘 토크 변환기.