WO2017155347A1 - 굽힘 센서 - Google Patents

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WO2017155347A1
WO2017155347A1 PCT/KR2017/002605 KR2017002605W WO2017155347A1 WO 2017155347 A1 WO2017155347 A1 WO 2017155347A1 KR 2017002605 W KR2017002605 W KR 2017002605W WO 2017155347 A1 WO2017155347 A1 WO 2017155347A1
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coil spring
wire
displacement
bending
sensor
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조규진
정우석
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서울대학교산학협력단
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    • G01D11/16—Elements for restraining, or preventing the movement of, parts, e.g. for zeroising
    • G01D11/18—Springs

Definitions

  • the present invention relates to a bending sensor, and more particularly, to a bending sensor for measuring the bent angle of the joint in a configuration such as a joint of the robot.
  • Bending sensors that measure the degree of bending of objects are used in many industries. Especially in the field related to robots, bending sensors are widely used for measuring the degree of bending of a joint or for measuring the bending of a catheter type surgical instrument.
  • the present invention has been made to solve the problems described above, and an object of the present invention is to provide a bending sensor capable of measuring a simple structure, low manufacturing cost, high linearity, and a high degree of bending deformation.
  • the bending sensor of the present invention for solving the above object, the coil spring; A wire disposed to pass through the coil spring and having one end fixed to the coil spring; An elastic unit connected to the other end of the wire to provide tension to the wire; A displacement measuring module measuring a displacement of the wire according to the bending deformation of the coil spring; And a control unit for calculating a bending angle of the coil spring by using the displacement of the wire measured by the displacement measuring module.
  • the bending sensor of the present invention has the effect of providing a bending sensor that is simple in structure and can be manufactured at low cost, yet ensures high linearity and effectively measures the bending angle of a high curvature object.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a bending sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the operation of the bending sensor shown in FIG.
  • FIG. 3 is a view for explaining the operating principle of the bending sensor shown in FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a bending sensor in accordance with another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a bending sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the operation of the bending sensor shown in FIG.
  • the bending sensor of the present embodiment includes a coil spring 10, a wire 20, a displacement measuring module 41, and a controller 50.
  • the fixing cap 12 is coupled to one end of the coil spring 10, and the support 11 is coupled to the other end.
  • a cylindrical sheath member 13 formed of an elastic material for reducing friction of the wire 20 is disposed inside the coil spring 10.
  • the wire 20 is fixed to one end of the coil spring 10 by being coupled to the fixing cap 12 via the center of the cylindrical sheath member 13.
  • the coil spring 10 is bent by an external force, the length of the center portion of the coil spring 10 is increased, so that the wire 20 is pulled.
  • the other end of the wire 20 is connected to the elastic unit 30.
  • the elastic unit 30 of this embodiment uses a spring as shown in FIG.
  • the elastic unit 30 provides tension to the wire 20 by elasticity so that the wire 20 is always in a tense state.
  • the coil spring 10 is bent, the wire 20 is stretched while the spring is stretched, and when the coil spring 10 is extended, the spring is reduced and the wire 20 is pulled.
  • the displacement measuring module 41 measures the displacement of the wire 20 according to the bending deformation of the coil spring 10.
  • a displacement measuring sensor for measuring the displacement of the wire 20 is used as the displacement measuring module 41.
  • the controller 50 calculates the bending angle of the coil spring 10 by using the displacement of the wire 20 measured by the displacement measuring module 41.
  • the coil spring 10 is unfolded when the coil spring 10 is straight and the length of the coil spring 10 is shortest. It is characterized by calculating the bending angle of the spring 10.
  • the length of the coil spring 10 is the shortest.
  • ⁇ l movement displacement of wire 20
  • n pitch number of coil spring 10
  • x wire movement displacement occurring between each pitch
  • ⁇ angle between each pitch of coil spring 10
  • ⁇ coil spring Total bending angle of 10
  • a diameter of coil spring wire
  • L total length of coil spring
  • d outer diameter of coil spring
  • Equation 1 is obtained through the following process.
  • Equation 1 there is a relationship as shown in Equation 1 between the movement displacement ⁇ l of the wire 20 and the overall bending angle ⁇ of the coil spring 20.
  • Equation 1 the relationship between the measured value ⁇ of the sensor and ⁇ l, the output value of the sensor, is nonlinear, but through Equation 2, the relationship between the measured value and the output value can be linearized. have.
  • equation (2) Is defined.
  • Equation 2 shows that when A converges to 0, the relationship between ⁇ l and ⁇ is linear. therefore Can be used as sensor gain, and linearity can be used to easily calculate the sensor bend angle from the sensor signal.
  • the controller 50 may calculate the bending angle of the coil spring 10 by using the displacement of the wire 20 measured by the displacement measuring module 41 by using Equation 1 above.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a bending sensor in accordance with another embodiment of the present invention.
  • the bending sensor of the present embodiment has the same configuration except for the configurations of the bending sensor and the displacement measuring module 42 of the embodiment described with reference to FIG. 1.
  • the same configuration is shown with the same member number as in the embodiment shown in FIG. 1 and the detailed description is omitted.
  • the displacement measuring module 42 of the present embodiment includes a spool 421 and an angular displacement sensor 422. As shown in FIG. 4, the spool 421 is rotatably configured, and the wire 20 is wound around the spool 421.
  • the angular displacement sensor 422 is installed in the spool 421 to sense the angular displacement of the spool 421 and transmits the value to the controller 50.
  • the controller 50 calculates the displacement of the wire 20 using the rotation angle of the spool 421 and the outer diameter of the spool 421 detected by the angular displacement sensor 422. As described above, the displacement of the wire 20 may be calculated by the displacement measuring module 42, and the bending angle of the coil spring 10 may be calculated using the equation as described above.
  • the elastic unit 30 pulls the wire 20 to maintain the tensioned state of the wire 20.

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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
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Abstract

본 발명은 굽힘 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇의 관절과 같은 구성에 있어서 그 관절의 구부러진 각도를 측정하는 굽힘 센서에 관한 것이다. 본 발명의 굽힘 센서는, 구조가 간단하여 낮은 원가로 제조할 수 있으면서도 선형성이 높고 물체의 굽힘 각도를 높은 곡률에서도 효과적으로 측정할 수 있는 굽힘 센서를 제공하는 효과가 있다.

Description

굽힘 센서
본 발명은 굽힘 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇의 관절과 같은 구성에 있어서 그 관절의 구부러진 각도를 측정하는 굽힘 센서에 관한 것이다.
물체의 구부러진 정도를 측정하는 굽힘 센서는 여러 산업 분야에 사용된다. 특히 로봇과 관련된 분야에서 관절의 구부러진 정도를 측정하거나 카테터 (catheter) 형태의 수술 도구의 굽힘 측정을 위한 용도로 굽힘 센서가 널리 사용된다.
종래의 굽힘 센서는 전도성 잉크를 사용하여 굽힘의 정도에 따라 전기 저항의 변화를 측정하거나 광섬유의 구부러짐에 따른 빛의 강도 및 스펙트럼 변화를 측정하는 방법 등이 사용되었으나 높은 제조 원가, 복잡한 신호 처리, 높은 비선형성, 길이 조절의 용이성 및 높은 곡률에 대한 측정이 불가한 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 간단한 구조, 낮은 제조 원가, 높은 선형성 및 높은 곡률의 굽힘 변형의 정도를 측정할 수 있는 굽힘 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명의 굽힘 센서는, 코일 스프링; 상기 코일 스프링의 내부를 경유하도록 배치되어 일단이 상기 코일 스프링에 고정되는 와이어; 상기 외이어의 타단에 연결되어 상기 와이어에 장력을 제공하는 탄성 유닛; 상기 코일 스프링의 굽힘 변형에 따른 상기 와이어의 이동 변위를 측정하는 변위 측정 모듈; 및 상기 변위 측정 모듈에서 측정된 상기 와이어의 이동 변위를 이용하여 상기 코일 스프링의 굽힘 각도를 계산하는 제어부;를 포함하는 점에 특징이 있다.
본 발명의 굽힘 센서는, 구조가 간단하여 낮은 원가로 제조할 수 있으면서도 높은 선형성을 보장하고 높은 곡률의 물체의 굽힘 각도를 효과적으로 측정할 수 있는 굽힘 센서를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 굽힘 센서의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 굽힘 센서의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 굽힘 센서의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 굽힘 센서의 개략도이다.
이하, 본 발명에 따른 굽힘 센서를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 굽힘 센서의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 굽힘 센서의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 굽힘 센서는 코일 스프링(10)과 와이어(20)와 변위 측정 모듈(41)과 제어부(50)를 포함한다.
코일 스프링(10)의 일단부에는 고정 캡(12)이 결합되고 타단부에는 지지부(11)가 결합된다.
코일 스프링(10)의 내부에는 와이어(20)의 마찰을 줄이기 위한 탄성 재질로 형성된 원통형의 쉬스 부재(13)가 배치된다. 와이어(20)는 원통형 쉬스 부재(13)의 중심을 경유하여 고정 캡(12)에 결합됨으로써, 코일 스프링(10)의 한쪽 끝에 고정된다. 외력에 의해 코일 스프링(10)이 구부러지면 코일 스프링(10) 중심부의 길이가 늘어나므로 와이어(20)가 당겨지게 된다.
와이어(20)의 다른 쪽 끝은 탄성 유닛(30)에 연결된다. 본 실시예의 탄성 유닛(30)은 도 1에 도시한 것과 같이 스프링이 사용된다. 탄성 유닛(30)은 탄성에 의해 와이어(20)에 장력을 제공하여 와이어(20)가 항상 팽팽한 상태를 유지하도록 한다. 코일 스프링(10)이 구부러지면 와이어(20)가 당겨지면서 스프링이 늘어나고 코일 스프링(10)이 펴지면 스프링이 줄어들면서 와이어(20)를 당기게 된다.
변위 측정 모듈(41)은 코일 스프링(10)의 굽힘 변형에 따른 와이어(20)의 이동 변위를 측정한다. 본 실시예의 경우 와이어(20)의 이동 변위를 측정하는 변위 측정 센서가 변위 측정 모듈(41)로 사용된다.
제어부(50)는 변위 측정 모듈(41)에서 측정된 와이어(20)의 이동 변위를 이용하여 상기 코일 스프링(10)의 굽힘 각도를 계산한다.
본 발명의 굽힘 센서는 코일 스프링(10)이 펴져서 직선 상태일 때 코일 스프링(10)의 길이가 가장 짧고 코일 스프링(10)이 구부러졌을 때 코일 스프링(10)의 길이가 늘어나는 성질을 이용하여 코일 스프링(10)의 굽힘 각도를 계산하는 것에 특징이 있다.
도 1과 같이 코일 스프링(10)이 직선인 상태에서 코일 스프링(10)의 모든 피치는 서로 밀착되어 있으므로 코일 스프링(10)의 길이는 가장 짧은 상태이다.
도 2와 같이 코일 스프링(10)이 굽혀지면 코일 스프링(10)의 곡률 중심에 대해 멀어지는 방향에 배치된 피치들의 간격이 벌어지게 된다. 쉬스 부재(13)에 의해 와이어(20)가 코일 스프링(10)의 중심에 위치하는 경우를 가정하면 수학식 1에 의해 코일 스프링(10)의 굽혀진 각도와 와이어(20)의 이동 변위 사이의 관계를 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2017002605-appb-I000001
도 3을 참고하면, 위 식의 기호들은 각각 다음을 의미한다.
Δl: 와이어(20)의 이동 변위, n: 코일 스프링(10)의 피치수, x: 각 피치 사이에서 발생하는 와이어 이동 변위, α: 코일 스프링(10) 각 피치 사이의 각도, φ: 코일 스프링(10)의 전체 굽힘 각도, a: 코일 스프링 와이어의 직경, L: 코일 스프링의 전체 길이, d: 코일 스프링의 외경
도 3을 참고하면 수학식 1은 다음과 같은 과정을 통해 얻어진다.
Figure PCTKR2017002605-appb-I000002
라고 가정하면,
Figure PCTKR2017002605-appb-I000003
가 되고
Figure PCTKR2017002605-appb-I000004
가 된다.
위 식으로부터
Figure PCTKR2017002605-appb-I000005
을 얻을 수 있다. 또한 코일 스프링의 피치수에 코일 스프링 와이어 직경을 곱한 값은 코일 스프링의 전체 길이에 해당하므로
Figure PCTKR2017002605-appb-I000006
의 관계로부터
Figure PCTKR2017002605-appb-I000007
을 얻을 수 있다.
결과적으로 와이어(20)의 이동 변위 Δl과 코일 스프링(20)의 전체 굽힘 각도 φ사이에는 수학식 1과 같은 관계가 있는 것을 알 수 있다.
수학식 1에서 센서의 측정값인 φ와 센서의 출력값인 Δl사이의 관계는 비선형이지만 수학식 2를 통하여 측정값과 출력값 사이의 관계를 선형화할 수 있으며 선형화된 비례 상수는 센서 이득 값으로서 사용될 수 있다. 수학식 2에서
Figure PCTKR2017002605-appb-I000008
으로 정의된다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2017002605-appb-I000009
코일 스프링 와이어의 직경(a)이 코일 스프링의 전체 길이(L)에 비하여 매우 작은 경우 A는 0에 수렴한다. 수학식 2는 A가 0에 수렴할 경우 Δl와 φ의 관계가 선형적임을 보여준다. 따라서
Figure PCTKR2017002605-appb-I000010
는 센서 이득으로서 사용할 수 있으며 선형성을 이용하여 간편하게 센서 신호로부터 센서 굽힘 각도를 계산할 수 있다.
제어부(50)는 변위 측정 모듈(41)에서 측정한 와이어(20)의 이동 변위를 이용하여 코일 스프링(10)의 굽혀진 각도를 위 수학식 1을 이용하여 계산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 굽힘 센서의 개략도이다.
본 실시예의 굽힘 센서는 도 1을 참조하여 설명한 실시예의 굽힘 센서와 변위 측정 모듈(42)의 구성을 제외한 나머지 구성은 모두 동일하다. 동일한 구성에 대해서는 도 1에 도시된 실시예와 동일한 부재 번호를 부여하여 도시하고 구체적인 설명은 생략한다.
본 실시예의 변위 측정 모듈(42)은 스풀(421)과 각변위 센서(422)를 포함한다. 도 4에 도시한 것과 같이 스풀(421)은 회전 가능하게 구성되고, 와이어(20)는 스풀(421)에 감긴다. 각변위 센서(422)는 스풀(421)에 설치되어 스풀(421)의 각변위를 센싱하고 그 값을 제어부(50)로 전달한다.
제어부(50)는 각변위 센서(422)가 감지한 스풀(421)의 회전 각도와 스풀(421)의 외경의 크기를 이용하여 와이어(20)의 이동 변위를 계산한다. 이와 같이 변위 측정 모듈(42)에 의해 와이어(20)의 이동 변위를 계산하고, 앞에서 설명한 것과 같은 수식을 이용하여 코일 스프링(10)의 굽힘 각도를 계산할 수 있다.
굽혀졌던 코일 스프링(10)이 펴지면서 와이어(20)가 코일 스프링(10)으로부터 이완되면, 탄성 유닛(30)이 와이어(20)를 당겨주어 와이어(20)에 장력이 걸린 상태가 유지되도록 한다.

Claims (7)

  1. 코일 스프링;
    상기 코일 스프링의 내부를 경유하도록 배치되어 일단이 상기 코일 스프링에 고정되는 와이어;
    상기 외이어의 타단에 연결되어 상기 와이어에 장력을 제공하는 탄성 유닛;
    상기 코일 스프링의 굽힘 변형에 따른 상기 와이어의 이동 변위를 측정하는 변위 측정 모듈; 및
    상기 변위 측정 모듈에서 측정된 상기 와이어의 이동 변위를 이용하여 상기 코일 스프링의 굽힘 각도를 계산하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변위 측정 모듈은 상기 와이어의 이동 변위를 측정하는 변위 센서를 이용하여 상기 와이어의 이동 변위를 측정하고,
    상기 제어부는 상기 변위 센서에서 측정한 이동 변위를 이용하여 상기 코일 스프링의 굽힘 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 변위 측정 모듈, 상기 와이어의 이동에 따라 회전하도록 형성되어 상기 와이어가 감긴 스풀과, 상기 스풀의 회전 각변위를 측정하는 각변위 센서를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 스풀의 반지름과 상기 각변위 센서가 측정한 상기 스풀의 각변위를 이용하여 상기 와이어의 이동 변위와 상기 코일 스프링의 굽힘 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 변위 측정 모듈에서 측정된 상기 와이어의 이동 변위와 상기 코일 스프링의 외경과 상기 와이어가 상기 코일 스프링을 경유하는 구간의 상기 코일 스프링의 피치수를 이용하여 수학식 1 및 수학식 2에 의해 상기 코일 스프링의 굽힘 각도를 계산하는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
    [수학식 1]
    Figure PCTKR2017002605-appb-I000011
    Δl: 와이어의 이동 변위, n: 코일 스프링의 피치수, x: 각 피치 사이에서 발생하는 와이어 이동 변위, φ: 코일 스프링의 전체 굽힘 각도, d: 코일 스프링의 외경
    [수학식 2]
    Figure PCTKR2017002605-appb-I000012
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코일 스프링의 내부에 설치되어 상기 코일 스프링의 탄성 굽힘 변형을 허용하면서 상기 와이어를 내부에 수용하여 상기 와이어가 상기 코일 스프링의 중심에 위치하도록 하는 쉬스 부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코일 스프링의 단부에 설치되는 스프링 캡;을 더 포함하고,
    상기 와이어는 상기 스프링 캡에 결합됨으로써 상기 코일 스프링에 결합되는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 와이어에 의해 상기 스프링에 전달되는 장력에 대해 상기 스프링을 지지하도록 상기 스프링에 연결되는 지지부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 굽힘 센서.
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