KR20230128746A - 힘센서 - Google Patents

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KR20230128746A
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강대희
양준모
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주식회사 에이엘로봇
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Abstract

베이스 바닥판과, 상기 베이스 바닥판에서 상측으로 돌출되어 형성된 베이스 지지부를 포함하는 고정 베이스; 상기 베이스 지지부에 맞닿아 고정되는 감지판 고정부와, 일단이 상기 감지판 고정부에 연결되며 표면에 변형량을 측정할 수 있는 센서가 부착된 탄성변형부와 상기 탄성변형부의 타단에 연결된 감지판 이동부를 포함하는 외력 감지판; 상기 감지판 이동부에 고정되며, 외력이 가해지는 외력 입력단; 상기 고정 베이스에 형성된 베이스측 스톱퍼; 및 상기 베이스측 스톱퍼에 대응하여, 상기 감지판 이동부의 과도한 이동을 제한하는 감지판 스톱퍼;를 포함하고, 상기 베이스측 스톱퍼 및 상기 감지판 스톱퍼 중 적어도 어느 하나는 중공이 형성된 파이프 형상이며, 다른 하나는 상기 중공에 삽입되는 기둥 형상으로 형성되며, 상기 베이스측 스톱퍼와 상기 감지판 스토퍼 사이에는 간극이 형성된 것을 특징으로 하는 힘센서가 제공된다. 따라서, 센서의 파손 혹은, 탄성변형부의 범위를 벗어나는 변형을 예방하여, 힘센서의 고장을 방지할 수 있다.

Description

힘센서{Force sensor}
본 발명은 힘센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로봇 또는 액추에이터 등에 부착되어 다양한 방향으로 가해지는 힘 및 토크를 측정할 수 있는 힘센서에 관한 것이다.
산업용 다관절 로봇 또는 액추에이터에는, 토크 센서 및 힘센서 등이 사용될 수 있다. 이외에도 다양한 산업분야에서 토크 센서 및 힘센서가 사용된다. 이러한, 힘센서 중에는 6축센서 즉, 여러 방향의 힘과, 여러 방향의 힘에 의하여 발생하는 토크(회전 모멘트)를 측정하는 센서가 구비될 수 있다. 보다 상세히 설명하며, x, y, z축 방향의 힘과 x, y, z축에 대한 회전 모멘트를 측정할 수 있는 센서가 있다.
이러한, 6축 센서를 포함하는 힘센서는, 고정부와, 힘이 가해지면 이동이 가능한 가동부와, 고정부와 가동부 사이에 탄성변형부가 있으며, 탄성변형부에 부착된 스트레인 게이지를 포함한다. 따라서, 힘센서의 가동부에 힘이 가해지면, 탄성변형부가 탄성 변형되며, 탄성변형부의 변형량을 스트레인 게이지가 측정하여 가해진 힘을 측정하게 된다.
이때, 가동부에 과도한 힘이 가해지면, 탄성변형부가 과도하게 변형될 수 있다. 탄성변형부가 과도하게 변형되는 경우, 스트레인 게이지가 정확하게 측정할 수 있는 측정치를 벗어나거나, 심하면, 스트레인 게이지의 파손 혹은 탄성변형부의 영구변형 등의 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 과도한 힘이 가해져도 과도한 변형이 방지되어 파손의 우려가 없는 힘센서를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 베이스 바닥판과, 상기 베이스 바닥판에서 상측으로 돌출되어 형성된 베이스 지지부를 포함하는 고정 베이스; 상기 베이스 지지부에 맞닿아 고정되는 감지판 고정부와, 일단이 상기 감지판 고정부에 연결되며 표면에 변형량을 측정할 수 있는 센서가 부착된 탄성변형부와 상기 탄성변형부의 타단에 연결된 감지판 이동부를 포함하는 외력 감지판; 상기 감지판 이동부에 고정되며, 외력이 가해지는 외력 입력단; 상기 고정 베이스에 형성된 베이스측 스톱퍼; 및 상기 베이스측 스톱퍼에 대응하여, 상기 감지판 이동부의 과도한 이동을 제한하는 감지판 스톱퍼;를 포함하고, 상기 베이스측 스톱퍼 및 상기 감지판 스톱퍼 중 적어도 어느 하나는 중공이 형성된 파이프 형상이며, 다른 하나는 상기 중공에 삽입되는 기둥 형상으로 형성되며, 상기 베이스측 스톱퍼와 상기 감지판 스토퍼 사이에는 간극이 형성된 것을 특징으로 하는 힘센서를 제공한다.
상기 베이스측 스톱퍼 및 상기 감지판 스톱퍼의 길이방향을 가로지르는 단면의 형상이 비원형으로 형성된 것이 바람직하다.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 파이프는 상기 기둥의 측면 및 일단을 감싸도록 형성된다.
상기 감지판 고정부의 상기 베이스 지지부 반대면에 고정되는 외측 커버;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
과도한 하중이 가해져서, 감지판 이동부가 과도하게 이동하는 경우, 감지판 스톱퍼와 베이스측 스톱퍼가 서로 맞닿게 되어서, 감지판 이동부의 이동을 제한하게 된다.
그 결과, 센서의 파손 혹은, 탄성변형부의 범위를 벗어나는 변형을 예방하여, 힘센서의 고장을 방지할 수 있다.
또한, 파이프와 기둥 형상인 아주 간단한 구성만을 사용하여, 감지판 이동부의 상측 이동을 제외한 모든 방향의 과도한 이동과 비틀림을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 힘센서의 사시도
도 2는 도 1의 분해 사시도
도 3은 도 1의 절단선 III-III에 따른 단면도
도 4는 도 1의 절단선 IV-IV에 따른 단면도
도 5는 도 2의 외력 감지판의 정면도
도 6은 도 2의 외력 감지판의 평면도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 힘센서의 사시도, 도 2는 도 1의 분해 사시도, 도 3은 도 1의 절단선 III-III에 따른 단면도, 도 4는 도 1의 절단선 IV-IV에 따른 단면도, 도 5는 도 2의 외력 감지판의 정면도, 도 6은 도 2의 외력 감지판의 평면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 힘센서는, 베이스 바닥판(110)과, 상기 베이스 바닥판(110)에서 상측으로 돌출되어 형성된 베이스 지지부(120)를 포함하는 고정 베이스(100)와, 상기 베이스 지지부(120)에 맞닿아 고정되는 감지판 고정부(210)와, 일단이 상기 감지판 고정부(210)에 연결되며 표면에 변형량을 측정할 수 있는 센서가 부착된 탄성변형부(230)와 상기 탄성변형부(230)의 타단에 연결된 감지판 이동부(220)를 포함하는 외력 감지판(200)과, 상기 감지판 이동부(220)에 고정되며, 외력이 가해지는 외력 입력단(300)과, 상기 감지판 고정부(210)의 상기 베이스 지지부(120) 반대면에 고정되는 외측 커버(400)를 포함한다.
고정 베이스(100)는 전술한 원형의 베이스 바닥판(110)과, 바닥판(110)의 외주부에서 상측으로 돌출된 베이스 지지부(120)와, 상기 고정 베이스(100) 중앙에서 돌출 형성된 베이스측 스톱퍼(130)를 포함한다. 베이스 바닥판(110)에는 외부에 고정할 수 있도록 베이스 바닥판(110)에 관통되어 형성된 외부 결합 관통홀(111)이 형성된다. 베이스 지지부(120)의 상단에는 외력 감지판(200)을 고정하기 위한 지지부 결합공(121)이 관통되어 형성된다. 베이스측 스톱퍼(130)는, 중공(131)이 형성된 파이프(132) 형상으로 형성된다. 즉, 파이프(132)의 하단은 베이스 바닥판(110)에 의해 밀폐된다. 상기 베이스측 스톱퍼(130)는 길이방향을 가로지르는 단면의 형상이 비원형으로 형성된다. 본 발명에서는 장방형 사각 파이프 형상으로 형성된다.
외력 감지판(200)은, 링형상의 감지판 고정부(210)와, 감지판 고정부(210)의 중앙에 위치한 원판 형상의 감지판 이동부(220)와, 감지판 고정부(210)와 감지판 이동부(220)를 연결하는 스트립 형태의 탄성변형부(230)를 포함한다.
감지판 고정부(210)는 지지부 결합공(121)과 연통되어 볼트에 의해 체결되는 고정부 결합공(211)과, 외측 커버(400)를 고정 결합하기 위한 커버 고정용 결합공(212)이 관통되어 형성된다.
감지판 이동부(220)는, 상측에 결합되는 외력 입력단(300)과 결합을 위한 이동부 결합공(221)이 관통되어 형성되며, 상측면에 돌출되어, 외력 입력단(300)의 중심 위치를 가이드 하는 위치 고정부(250)와, 상기 베이스측 스톱퍼(130)에 대응하여, 상기 감지판 이동부(220)의 과도한 이동을 제한하도록 하측면에 돌출된 감지판 스톱퍼(240)를 포함한다.
감지판 스톱퍼(240)는, 상기 중공(131)에 삽입되는 기둥 형상으로 형성되며, 상기 베이스측 스톱퍼(130)와 상기 감지판 스톱퍼(240) 사이에는 간극이 형성될 수 있는 크기로 형성된다. 즉, 감지판 스톱퍼(240)는 길이방향을 가로지르는 단면의 형상이 비원형, 본 발명의 실시예에서는 장방형 사각 기둥 형상으로 형성되며, 중공(131)에 끼워진 상태에서, 파이프(132)의 내벽과 감지판 스톱퍼(240) 사이에 간극(g)이 형성된다. 상기 간극(g)은 베이스 바닥판(110)과 감지판 스톱퍼(240)의 끝단면 사이에도 형성된다. 즉, 상기 파이프(132)는 상기 기둥인 감지판 스톱퍼(240)의 측면 및 일단을 감싸도록 형성된다.
본 발명의 실시예에서는, 상기 베이스측 스톱퍼(130)가 중공(131)이 형성된 파이프(132)이며, 상기 감지판 스톱퍼(240)는 상기 중공(131)에 삽입되는 기둥 형상으로 형성된 것으로 예시되어 있으나, 이 둘은 반대로 형성될 수도 있음은 당연하다.
탄성변형부(230)는 스트립 형태로 형성되며, 탄성변형부(230)의 표면에 스트레인게이지와 같은 센서가 부착되어, 탄성변형부(230)의 변형량을 측정하게 된다. 이때, 표면에 설치되는 스트레인 게이지의 수와 부착 위치 등으로 측정할 수 있는 힘 및 토크의 양이 결정되게 된다. 본 발명의 실시예에서는 6 축 센서를 예시하고 있다.
외력 입력단(300)은 디스크 형상으로 형성되며, 위치 고정부(250)가 끼워져 정확한 중심을 맞출 수 있도록 위치 고정홈(310)이 형성되며, 이동부 결합공(221)과 연통되어 볼트에 의해 체결되는 외력 입력단 결합공(320)과, 피측정체가 고정되는 외부물체 결합공(330)이 관통되어 형성된다.
외측 커버(400)는 링형상으로 형성되며, 커버 고정용 결합공(212)과 결합되기 위한 커버측 결합공(410)을 포함한다.
상기와 같이 본 발명의 실시예의 힘센서는, 서로 상대 운동하는 외부 물체 중 어느 하나가 고정 베이스(100)의 외부 결합 관통홀(111)에 고정되고, 외부 물체 중 다른 하나가 외력 입력단(300)의 외부물체 결합공(330)에 고정된다.
이와 같은 상태에서 외무 물체가 서로 상대 운동을 하게 되면, 외력 입력단(300)에 하중이 가해지며, 이 하중은 외력 감지판(200)의 감지판 이동부(220)로 전달되게 된다. 감지판 이동부(220)가 이동하게 됨에 따라서, 탄성변형부(230)는 탄성변형하게 되고, 탄성변형부(230)의 변형량을 센서가 측정하여, 다양한 하중 성분을 분석할 수 있게 된다.
이때, 감지판 스톱퍼(240)와, 베이스측 스톱퍼(130)가 서로 맞닿지 않는 범위 내에서 측정을 수행하나, 과도한 하중이 가해져서, 감지판 이동부(220)가 과도하게 이동하는 경우, 감지판 스톱퍼(240)와 베이스측 스톱퍼(130)가 서로 맞닿게 되어서, 감지판 이동부(220)의 이동을 제한하게 된다. 그 결과, 센서의 파손 혹은, 탄성변형부(230)의 범위를 벗어나는 변형을 예방하여, 힘센서의 고장을 방지할 수 있다.
또한, 파이프와 기둥 형상인 아주 간단한 구성만을 사용하여, 감지판 이동부(220)의 상측 이동(Z축 양의 방향)을 제외한 모든 방향의 과도한 이동과 비틀림을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
100: 고정 베이스
110: 베이스 바닥판
120: 베이스 지지부
130: 베이스측 스톱퍼
200: 외력 감지판
210: 감지판 고정부
230: 탄성변형부
240: 감지판 스톱퍼
300: 외력 입력단

Claims (4)

  1. 베이스 바닥판(110)과, 상기 베이스 바닥판(110)에서 상측으로 돌출되어 형성된 베이스 지지부(120)를 포함하는 고정 베이스(100);
    상기 베이스 지지부(120)에 맞닿아 고정되는 감지판 고정부(210)와, 일단이 상기 감지판 고정부(210)에 연결되며 표면에 변형량을 측정할 수 있는 센서가 부착된 탄성변형부(230)와 상기 탄성변형부(230)의 타단에 연결된 감지판 이동부(220)를 포함하는 외력 감지판(200);
    상기 감지판 이동부(220)에 고정되며, 외력이 가해지는 외력 입력단(300);
    상기 고정 베이스(100)에 형성된 베이스측 스톱퍼(130); 및
    상기 베이스측 스톱퍼(130)에 대응하여, 상기 감지판 이동부(220)의 과도한 이동을 제한하는 감지판 스톱퍼(240);
    를 포함하고,
    상기 베이스측 스톱퍼(130) 및 상기 감지판 스톱퍼(240) 중 적어도 어느 하나는 중공(131)이 형성된 파이프(132)이며, 다른 하나는 상기 중공(131)에 삽입되는 기둥 형상으로 형성되며, 상기 베이스측 스톱퍼(130)와 상기 감지판 스토퍼(240) 사이에는 간극이 형성된 것을 특징으로 하는 힘센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스측 스톱퍼(130) 및 상기 감지판 스톱퍼(240)의 길이방향을 가로지르는 단면의 형상이 비원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 힘센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 파이프(132)는 상기 기둥의 측면 및 일단을 감싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 힘센서.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 감지판 고정부(210)의 상기 베이스 지지부(120) 반대면에 고정되는 외측 커버(400);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 힘센서.
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