KR20230071318A - 단일구조 플렉셔 기반 3축 힘센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일 플렉셔로 이루어진 3축 힘센서에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 복잡한 구조를 가지는 변형체를 설계하지 않고도, 간단한 형태의 단일 구조 플렉셔를 설계하여 3축의 힘을 측정할 수 있는 3축 힘센서를 개발하는 효과가 있다. 플렉셔의 크기와 재료를 변화시키는 간단한 방식을 통해 센서의 측정 힘 범위를 응용 분야에 맞도록 자유롭게 설계할 수 있는 센서를 제안하고자 한다. 또한, 간단한 구조를 가짐으로써 작고 가벼운 센서를 개발하고자 한다. 제안하는 센서의 변형체로서 사용되는 원형의 단면을 가지는 플렉셔는 수평힘에 대해 압축되고, 수평힘에 의해 굽힘이 일어난다. 외력에 대한 플렉셔의 압축 및 굽힘을 정전용량 측정 방식 등으로 측정하여 변형과 힘의 관계를 도출할 수 있고, 이를 통해 작용한 힘을 구할 수 있다. 제안하는 3축 힘센서는 가해진 외력을 플렉셔에 효과적으로 전달하기 위한 돔 형태의 작용부와, 센서의 유일한 변형체인 플렉셔, 변형을 측정하는 측정부, 그리고 센서를 고정하는 고정부로 구성된다.

Description

단일구조 플렉셔 기반 3축 힘센서{Monolithic flexure-based three-axis force sensor}

본 발명은 단일구조 플렉셔 기반 3축 힘센서에 관한 것이다.

본 발명은 3축 힘센서에 관한 것으로, 힘센서를 필요로 하는 다양한 분야와 연관이 있다. 3축 힘센서를 필요로 하는 적용 분야로는, 지면 반력의 측정, 그리퍼의 파지력 측정, 외골격 로봇의 제어 등 다양한 분야가 있다.

이러한 분야에 적용되는 3축 힘센서에서 가장 중요한 구성요소는 변형체이다. 변형체는 작용한 외력에 의해 변형되고, 이 변형을 측정 회로를 통해 측정한다. 따라서 변형체 설계는 3축 힘센서의 설계에서 가장 중요한 부분을 차지한다. 전형적인 변형체의 구조는 선행기술 출원번호 10-1996-0025128 와 같이, 리지드한 부분과 탄성이 있는 부분이 반복되는 복잡한 구조를 가지며, 탄성체에 다수의 스트레인 게이지를 부착하여 탄성체의 변형을 측정하여 이를 3축의 힘으로 변환한다. 이는 기계적으로 디커플된(mechanically decoupled) 구조를 설계하여 센서에 작용하는 다축의 힘을 한 축씩 분리하여 측정하기 위함이다. 기계적으로 디커플된 센서는 단축의 힘이 작용할 때 측정부의 출력이 단일 신호로 나타나므로, 측정부의 신호를 처리하여 힘으로 변환하는 과정에 복잡한 알고리즘을 요하지 않는다는 장점이 있다. 그러나, 이러한 구조는 다소 복잡한 설계 형상을 가진다는 단점이 있다. 또한, 대개 금속 소재로 변형체를 제작하기 때문에 센서의 경량화, 소형화에 한계가 있다. 그 뿐 아니라, 완벽하게 기계적으로 디커플된 구조를 설계하는 것은 불가능하므로, 언제나 일정량의 누화 에러(crosstalk error)가 수반된다.

본 발명은 단일 플렉셔 기반의 3축 힘센서를 제안하고자 한다. 본 발명에서 제안하는 3축 힘센서는 변형체가 단 하나의 플렉셔로 이루어져 있는 것이 특징이다. 플렉셔의 크기와 재료를 변화시키는 간단한 방식을 통해 센서의 측정 힘 범위를 응용 분야에 맞도록 자유롭게 설계할 수 있는 센서를 개발하고자 한다. 또한, 간단한 구조를 가짐으로써 소형화, 경량화 및 제작 비용 절감이 가능한 센서를 개발하고자 한다.

발명에서 제안하는 3축 힘센서는 변형체가 단일 플렉셔로 이루어져 매우 간단한 구조와, 가벼운 무게를 가진다. 더욱이, 플렉셔의 재료 및 크기를 조절하여 응용 분야의 필요 조건에 맞는 측정 힘 범위를 갖도록 설계할 수 있다. 따라서 넓은 측정 범위가 필요함과 동시에 가벼운 무게, 컴팩트한 사이즈를 요구하는 다양한 적용 분야에 보급되어 사용할 수 있다.

도1은 단일구조 플렉셔 기반 3축 힘센서의 구조 분해도이며,
도2는 3축 힘센서의 변형체인 원형 단면을 가진 플렉셔의 상세도이며,
도3은 3축 힘센서의 수직힘과 수평힘 하에서의 거동 상세도이며,
도4는 정전용량 측정 방식을 이용한 3축 힘 측정 원리이며,
도5는 3축 힘센서를 걷기, 달리기, 점프 동작의 분석 중 발생하는 지면반력 측정에 이용하는 방법에 관한 실시 예이다.

이하 본 발명에 따른 단일구조 플렉셔를 변형체로 이용하는 3축 힘센서를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상 지식을 가진 이가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 같으며 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략함. 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.

본 발명은 단일구조 플렉셔를 변형체로 이용하는 3축 힘센서에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 플렉셔의 디자인 파라미터를 변경하는 간단한 방법을 통해 센서의 측정 힘 범위를 이용하고자 하는 적용 분야에 따라 조절하는 것이 가능하다.

본 발명에서 제안하는 3축 힘센서는 힘이 작용하는 돔 형태의 작용부와, 작용부와 연결되어 있으며 힘에 의해 변형되는 단일 플렉셔, 플렉셔의 변형을 측정하는 측정부와, 센서를 지지하는 고정부로 구성된다. 이 때, 플렉셔의 변형을 측정하는 방식은 정전용량 측정, 광학 기반 측정 방식 등 다양한 방식을 이용할 수 있다. 그 중 한가지 방식인 정전용량 측정 방식을 예로 들어 설명한다.

본 발명의 상세한 설명을 위하여 도면과 함께 설명한다.

도1은 본 발명에서 제안하는 단일구조 플렉셔 기반 3축 힘센서의 구조 분해도이다.

도1에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 3축 힘센서는 플렉셔 기반의 변형부 (101), 플렉셔의 변형 측정을 위한 측정부 (102), 그리고 센서를 지지하는 고정부 (103)로 크게 세 가지 파트로 구성된다. 이 중 플렉셔 기반의 변형부는 다시 센서의 보호 및 절연을 위한 얇은 고무 레이어 (104), 외부에서 작용한 힘을 변형체인 플렉셔로 효과적으로 전달하기 위한 돔 구조의 작용부 (105), 외력에 의해 변형되는 변형체인 단일 구조 플렉셔 (106), 그리고 고정부와의 간단한 조립을 위한 나사산이 나 있는 형태의 조립부 (107) 로 이루어져 있다. 본 발명에서 제안하는 3축 힘센서는 간단한 두 단계의 조립 과정을 통해 완성된다. 첫번째로 고정부 (103) 에 측정부 (102) 를 끼워맞춤을 통해 조립하고, 다음으로 플렉셔 기반의 변형부 (101)의 나사산 구조를 이용하여 앞서 조립된 파트에 나사를 조립하듯이 돌려서 조립한다.

도2는 3축 힘센서의 변형체인 원형 단면을 가진 플렉셔의 상세도이다.

도2는 본 발명에서 제안하는 3축 힘센서에서 유일한 변형체로 사용된 원형 단면을 가지는 플렉셔 (106)의 상세도이다. 도2와 같은 플렉셔는 z축 방향으로의 압축이 가능하고, x축과 y축 방향으로의 굽힘이 가능하다. 플렉셔의 디자인 파라미터로는 플렉셔의 높이(h), 최장직경(a), 최단직경(b) 와 플렉셔 재료의 탄성계수 (E, Young's modulus) 가 있다. 플렉셔의 디자인 파라미터가 정해지면, 플렉셔 윗면의 중심점에 하중이 가해졌을 때 이 점에서의 변위(x1, y1, z1)를 구할 수 있다. 그러므로, 외력이 작용하였을 때 플렉셔의 변형으로 인한 중심점의 변위를 계산하여 플렉셔에 작용한 힘을 역산할 수 있다.

3축 힘센서의 응용 분야가 특정되면 센서의 측정 힘 범위 요구조건이 결정된다. 본 발명에서 제안한 3축 힘센서는, 플렉셔의 설계를 변경하여 특정한 측정 범위요구조건을 만족하는 센서를 쉽게 설계하는 것이 가능하다. 수직힘과 수평힘의 측정 범위가 다른 경우에도 복잡한 형태의 변형체를 설계하지 않고, 플렉셔의 디자인 파라미터만을 조절하여 축마다 다른 측정 범위를 가지도록 설계하는 것 역시 가능하다.

도3은 센서의 작용부에 화살표와 같이 수직힘과 수평힘이 각각 작용하였을 때의 센서의 형상을 보여준다. 점선으로 그려진 것은 외력이 작용하지 않은 초기 상태의 작용부의 위치를 나타낸다. 도3 (a)는 센서에 수직힘이 작용한 경우로, 이 경우 플렉셔가 압축되어 작용부가 외력과 같은 방향인 아래 방향으로 움직인다. 반면 수평힘이 작용하였을 경우 도3 (b) 과 같이, 플렉셔가 y축에 대해 굽힘(bending)이 일어난다. 따라서 작용부가 y축에 대해 기울어지게 된다.

도3과 같이 나타나는 외력에 대한 플렉셔의 압축 및 굽힘을 측정하여 변형과 힘의 관계를 도출할 수 있다면, 같은 방식으로 힘에 의해 변형이 일어났을 때 작용한 힘을 구할 수 있다. 변형을 측정하는 방식으로는 광학 기반, 정전용량식, 스트레인 게이지를 이용한 방식 등 여러가지가 가능하다. 각각의 측정 방식은 장단점을 가진다. 광학 기반의 측정 방식은 전자기파의 간섭에 로버스트 하다는 장점이 있지만, 측정 기기의 설치가 쉽지 않다는 단점이 있다. 스트레인 게이지를 이용한 방식은, 민감도가 높지만 스트레인 게이지의 부착이 매우 어렵고 내구성이 떨어진다. 정전용량 측정 방식은 전자기파의 간섭에 취약하다는 단점이 있으나, 민감도가 매우 높으며 신호의 증폭을 위한 추가적인 회로가 필요하지 않다는 장점이 있다. 본 발명에서 제안하는 3축 힘센서에는 다양한 방식의 측정 방식이 사용될 수 있으나, 정전용량 측정 방식을 예로 들어 설명한다.

도4는 정전용량 측정 방식을 이용한 3축 힘 측정 원리를 나타낸다. 도4의 (a)는 외력이 작용하지 않은 초기 상태의 배치를 보여준다. 외력이 작용하지 않은 상태에서, 변형을 측정하는 측정부 (102) 는 고정부 (103)에 고정되어 있으며(명확한 표현을 위하여 도4에서 고정부는 생략하였음), 측정부와 작용부는 d 만큼의 초기 간격을 가진다. 또한 측정부는 3축의 힘을 모두 측정하기 위하여 세 개의 합동인 전극(401, 402, 403) 으로 이루어져 있다. 이 때, 각각의 전극과 센서의 작용부, 그리고 그 사이에 있는 공기층이 각각 하나의 축전기의 역할을 한다. 따라서, 측정부와 작용부가 세 개의 축전기를 이룬다(C1, C2, C3). 두 전극이 평행하게 배치되어 있는 평행판 축전기의 정전용량을 구하는 식은 다음과 같다.

위 식의

와

은 각각 진공의 유전율, 비유전율을 나타낸다. 본 발명에서 제안하는 센 서는 유전체로 공기를 이용하므로, 비유전율은 1의 값을 가진다. 또한, A는 평행한 두 전극이 겹쳐져 있는 면적을 의미하고, d는 전극 사이의 거리를 의미한다. 본 발명에서 제안하는 센서는 힘이 작용하였을 때도 두 전극이 쳐진 면적(A) 이 일정하게 유지되도록 설계되었다. 따라서, 측정부의 각 셀의 정전용량은 작용부와 측정부의 거리(d)에 반비례한다. 결과적으로, 측정부의 세 셀의 정전용량을 측정하면, 작용부와 측정부의 거리 변화를 구할 수 있다. 작용부와 측정부의 거리 변화는 곧 플렉셔의 변위를 의미하고, 외력이 가해졌을 때 플렉셔의 변위와 가해진 힘의 관계식을 도출할 수 있으므로 최종적으로 센서에 가해진 힘을 구할 수 있다.

도4 (b)처럼, 센서에 수직력이 가해진 경우, 도3에서 설명하였듯이 플렉셔가 압축되어 작용부가 아래로 움직인다. 따라서, 측정부와 작용부의 간격이 감소한다. 측정부와 작용부의 간격은 정전용량에 반비례하므로, 세 축전기의 정전용량이 모두 증가한다. 반면 도4 (c) 처럼 x축 방향의 수평힘이 가해진 경우, C1, C2는 전극 사이의 거리가 증가하였기 때문에 정전용량이 감소하고, C3는 전극 간 거리가 감소하여 정전용량은 증가한다. Y축 방향의 수평힘이 가해진 경우에는 C1은 증가하고, C2는 감소하며, C3은 거의 일정할 것이다. 이처럼 플렉셔의 변형을 정전용량의 변화를 통해 측정하고, 이를 3축의 힘으로 변환할 수 있다.

도5. 3축 힘센서를 걷기, 달리기, 점프 동작의 분석 중 발생하는 지면반력 측정에 이용하는 방법에 관한 실시 예

도5는 본 발명에서 제안한 3축 힘센서(502)를 걷기, 달리기, 점프 동작의 분석 중 발생하는 지면반력 측정을 위해 이용하는 방법에 관한 실시 예를 나타낸다. (501)은 발바닥에 작용하는 지면반력의 분포를 측정하기 위하여 제안한 3축 힘센서를 신발 밑창에 임베딩한 것이다. 지면반력의 측정은 보행 분석 등에서 매우 중요한 정보를 제공하기 때문에, (501)과 같이 지면반력 측정을 위한 아웃솔 측정 시스템에 관한 연구가 활발히 진행중이다.

걷기, 달리기, 점프 동작 중 발생하는 지면반력을 모두 측정하기 위해서는 센서가 70 kg의 성인 기준 수직힘 2400 N, 두 축의 수평힘은 240 N의 매우 높은 측정 범위를 가져야 한다. 그러나 동시에, 사람이 착용하고 운동을 할 때 자연스러운 보행에 방해가 되지 않으려면 가볍고 작은 사이즈를 가져야 한다. 두 조건을 동시에 만족시키는 것이 매우 어렵기 때문에, 상용화된 센서 중 위의 조건을 만족하는 센서는 존재하지 않는다. 많은 관련 연구들이 진행되고 있지만 상대적으로 복잡한 구조를 가져 무게와 내구성 등에서 단점을 가진다.

그러나 본 발명에서 제안하는 것처럼 플렉셔의 디자인 파라미터를 조절하여 수직방향으로 2400 N, 수평방향으로 240 N의 측정 범위를 가지는 센서를 설계할 경우, 센서의 직경은 30 mm, 두께는 13 mm, 무게는 14 g으로, 신발 밑창에 임베딩하기에 충분히 작고 가벼운 사이즈를 가지면서도 높은 측정 범위를 가지는 센서를 제작할 수 있다. 이와 같이 설계 요구 사항에 맞도록 플렉셔의 디자인 파라미터를 조절하는 방식으로, 간단한 구조를 가지는 작고 가벼운 센서를 제작할 수 있다.

Claims (1)

1. 단일구조 플렉셔 기반 3축 힘센서로,
   힘이 작용하는 돔 형태의 작용부;
   상기 작용부와 연결되어 있으며 힘에 의해 변형되는 단일 플렉셔;
   상기 플렉셔의 변형을 측정하는 측정부; 및
   상기 힘센서를 고정하기 위한 고정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일구조 플렉셔 기반 3축 힘센서.

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