KR101455307B1 - 감지부 분리형 6축 로드셀 - Google Patents

Abstract

감지부 분리형 6축 로드셀이 개시되어 있다. 본 발명은, 상판과 4개의 기둥으로 구성되어, 상판 감지부에서는 Fz와 모멘트 Mx, My를 감지하고, 기둥감지부에서는 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지할 수 있도록 구성된 6축 로드셀에 있어서, 상판에 중괄호 모양의 4개의 슬릿을 형성하여 중심에서 가해진 하중이 슬릿 사이의 변형보로 나누어 전달되도록 하고, 4개의 변형보를 고정단 역할을 하는 4개의 기둥 사이에 배치하고, 상기 각각의 변형보에는 측방향으로 좌우 2개씩, 구석에 라운딩이 있는 사각형 모양의 홀을 총 8개를 형성하고, 상기 기둥에는 쌍안경 형상의 홀을 2개씩 총 8개를 형성하며, 상기 쌍안경 형상의 홀의 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 구조가 되도록 함으로써, 상판에 있는 4개의 변형 보는 양단이 고정되고 중앙에 하중이 가해져서 굽힘변형이 일어나도록 유도하여 힘 Fz와 모멘트 Mx, My를 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

감지부 분리형 6축 로드셀{Divided sensing part 6-components load-cell}

본 발명은 6축의 힘 및 모멘트(힘 Fx, Fy, Fz와 모멘트 Mx, My, Mz) 성분을 동시에 측정할 수 있는 6축 로드셀에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 감지부를 기둥부분과 판부분의 2 부분으로 분리하여 각 세 방향의 하중을 측정하고 각 감지부에는 스트레인게이지를 부착하여 브리지회로를 구성함으로써 정확도를 향상시키고 구조를 간단히 하기 위한 6축 로드셀에 관한 것이다.

3차원의 공간에서 임의의 방향으로 작용하는 힘과 모멘트를 측정하기 위해서는 여러 개의 센서를 동시에 사용하여야 하나 이러한 측정방법은 공간상의 제약 등으로 인해 바람직하지 못하다. 따라서 3축의 힘과 3축의 모멘트를 동시에 측정하는 6축 로드셀이 필요하다. 6축 로드셀은 한 몸체에서 여러 축의 하중을 동시에 측정하기 때문에 각 축의 감지부가 서로의 변형을 제한하거나 겹치는 등의 이유로 설계가 어려워지고 그 구조가 복잡해지게 된다.

도 7은 힘/모멘트 로드셀의 종래기술 중 일예를 나타낸 도면으로, Lu-ping chao등이 제안한 십자형 보 구조(cross beam type)의 6축 힘/모멘트 로드셀이다. 사람이 보행할 때 발에 발생되는 힘과 모멘트를 측정하기 위하여 2개의 힘/모멘트 센서를 조합하여 적용하였다. 하지만 이러한 십자형 보 구조(cross beam type)의 6축 로드셀은 구조가 간단하여 제작이 용이하나 힘의 감도가 모멘트의 감도에 비해 현저히 낮게 발생되어 축마다 큰 차이를 보이고, 이로 인해 힘 축의 상호간섭오차가 다른 축에 비해 크게 발생하는 문제점이 있다.

특허 제0199691호는 힘 성분을 측정하는 병렬평판(parallel plate)과 모멘트를 측정하는 방사평판(radial plate)을 이용한 6분력 로드셀로써, 각 하중을 감지하는 감지부를 각각 배치함으로 상호간섭오차를 줄일 수 있지만 구조가 너무 복잡하고 제작비용이 고가이며 상호간섭오차를 줄이기 위한 브리지 회로구성이 복잡해지는 단점을 가지고 있다.

대한민국 등록특허 제10-0199691호

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 기둥형 구조, 십자형 보 구조, 쌍안경 구조와 같은 다축 로드셀의 기본적인 구조를 복합적으로 이용하여 감지부 분리형 로드셀의 구조를 고안하였다.

본 발명의 목적은 감지부를 상판과 기둥으로 분리하여 상판에서는 힘 Fz와 모멘트 Mx, My를 측정하고 기둥에서는 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz, 각 세 방향의 하중을 감지함으로써 구조를 간단히 하고 스트레인게이지 부착 공간을 충분히 확보하여 브리지 회로를 구성함으로써 상호간섭오차를 최소화 하고 안정적인 출력을 얻을 수 있도록 한 감지부 분리형 6축 로드셀을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 제작 시 스트레인 게이지의 부착 오차를 최소화 할 수 있도록 한 감지부 분리형 6축 로드셀을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 감지부 분리형 6축 로드셀은, 상판과 4개의 기둥으로 구성되어, 상판 감지부에서는 Fz와 모멘트 Mx, My를 감지하고, 기둥감지부에서는 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지할 수 있도록 구성된 6축 로드셀에 있어서,

상판에 중괄호 모양의 4개의 슬릿을 형성하여 중심에서 가해진 하중이 슬릿 사이의 변형보로 나누어 전달되도록 하고, 4개의 변형보를 고정단 역할을 하는 4개의 기둥 사이에 배치하고, 상기 각각의 변형보에는 측방향으로 좌우 2개씩, 구석에 라운딩이 있는 사각형 모양의 홀을 총 8개를 형성하고, 상기 기둥에는 쌍안경 형상의 홀을 2개씩 총 8개를 형성하며, 상기 쌍안경 형상의 홀의 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 구조가 되도록 함으로써, 상판에 있는 4개의 변형 보는 양단이 고정되고 중앙에 하중이 가해져서 굽힘변형이 일어나도록 유도하여 힘 Fz와 모멘트 Mx, My를 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

4개의 기둥 단면을 정사각형으로 하고, 단면의 한 변이 원주방향과 평행이 되도록 배치함으로써 모멘트 Mz에 대한 출력을 안정시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

한 방향의 하중을 측정하는 브리지 회로를 스트레인 게이지 4개 혹은 8개로 유연하게 구성하고 6분력에 총 36개의 스트레인 게이지를 사용하여 브리지 회로를 구성함으로써 상호간섭 출력을 상쇄시키는 것을 특징으로 한다.

상판 감지부에는 사각 모양의 홀과 기둥 감지부에는 쌍안경 모양의 홀을 둠으로써 쌍안경 형상의 가장 얇은 부분을 스트레인 게이지 부착위치로 선정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 감지부를 2개의 부분으로 분리하여 상판 감지부에서는 힘 Fz와 모멘트 Mx, My를 측정하고 기둥 감지부에서는 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 측정함으로써 구조를 간단히 하고 출력의 수준을 같은 수준으로 조정하기 용이하며 상호간섭 오차를 획기적으로 줄일 수 있었다.

또한 쌍안경 구조를 이용하여 높은 출력변형률을 얻을 수 있으며 구조적으로도 제작이 용이한 특징을 가지고 있고 스트레인게이지 부착위치를 충분히 확보하여 실제 제작 시 게이지 부착 오차와 실험적 오차의 영향을 완화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 감지부 분리형 로드셀이다.
도 2(a)는 힘 Fx에 대한 변형거동 도면이다.
도 2(b)는 모멘트 My에 대한 변형거동 도면이다.
도 2(c)는 힘 Fz에 대한 변형거동 도면이다.
도 2(d)는 모멘트 Mz에 대한 변형거동 도면이다.
도 3은 윗면감지부의 스트레인게이지 부착위치이다.
도 4(a)는 1번 기둥의 스트레인게이지 부착위치이다.
도 4(b)는 2번 기둥의 스트레인게이지 부착위치이다.
도 4(c)는 3번 기둥의 스트레인게이지 부착위치이다.
도 4(d)는 4번 기둥의 스트레인게이지 부착위치이다.
도 5(a)는 스트레인 게이지 4개를 사용했을 때의 휘스톤 브리지 회로 도면이다.
도 5(b)는 스트레인 게이지 8개를 사용했을 때의 휘스톤 브리지 회로 도면이다.
도 6(a)는 본 발명에 따른 기둥 단면의 배치와 모멘트가 Mz가 가해진 상태를 도시한 도면이다.
도 6(b)는 기둥 단면의 배치를 달리하여 본 발명과 45도 방향으로 회전시켜 배치한 도면이다.
도 6(c)는 도 6(a)와 같이 기둥의 단면이 배치된 상태에서 모멘트 Mz가 가해질 때의 굽힘변형 형상과 변형률 분포를 나타낸 도면이다.
도 6(d)는 기둥의 단면이 6(b)와 같이 배치된 상태에서 모멘트 Mz가 가해질 때의 굽힘변형 형상과 변형률 분포를 나타낸 도면이다.
도 7은 종래의 6축 힘/모멘트센서이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 감지부 분리형 6축 로드셀에 대하여 상세히 설명한다.

다축 로드셀은 하나의 몸체에서 세 방향의 힘과 세 방향의 모멘트를 측정하기 때문에 그 구조가 복잡해지고 서로의 변형을 제한하거나 겹치는 등의 이유로 설계가 어려워진다.

도 1은 기둥형 구조, 십자형 보 구조, 쌍안경형 구조를 복합적으로 이용하여 설계한 감지부 분리형 6축 로드셀의 모습이다. 여기서 감지부 분리형이라고 하는 것은 상판은 Mx, My, Fz를 측정하는 감지부로 사용하고 상판과 하판 사이의 4개의 기둥은 Fx, Fy, Mz를 측정하는 감지부로 사용하기 때문이다.

상판(1)은 상하방향으로 4개의 중괄호 모양의 슬릿(3)을 뚫어 중심에서 가해진 하중이 슬릿 사이의 4개의 변형보(5)로 나누어 전달되도록 하였고, 4개의 변형보(5)가 고정단 역할을 하는 4개의 기둥(7) 사이에 위치하는 구조가 되도록 하였다. 따라서 상판(1)에 있는 4개의 변형보(5)는 양단이 고정되고 중앙에 하중이 가해지는 하중 조건을 가진다. 각 변형 보(5)에는 측면 방향으로 좌우 2개씩, 구석에 라운딩이 있는 사각형 모양의 홀(9)을 만들어 높은 출력과 안정적인 신호를 감지할 수 있도록 하였다.

기둥(7)은 90도 간격으로 4개를 두어 상판에서 가해지는 하중을 받아 변형을 하도록 하였다. 기둥의 단면은 정사각형이며 단면의 한 변이 원주방향과 평행이 되도록 배치하였다. 기둥(7)에는 상하 2군데에 쌍안경 모양의 홀(10)을 만들어 높은 출력과 안정적인 신호를 감지할 수 있도록 하였다. 상부의 쌍안경 모양의 홀(10)은 하부의 홀과 90도 회전하여 위치하도록 하여서 상부와 하부는 다른 방향의 하중을 감지할 수 있도록 하였다.

각 축에 하중이 가해졌을 때의 변형 거동을 유한요소법을 이용하여 도 2의 (a), (b), (c), (d)에 나타내었다. 도 2(a)에서 보는 바와 같이 힘 Fx를 가하게 되면 각 4개의 기둥에 있는 쌍안경부분의 얇은 부분에서 인장과 압축의 굽힘변형이 일어나게 되고 이중 상부 2개의 쌍안경 부분을 감지부로 하여 여기에 부착된 스트레인 게이지로 이루어진 브리지 회로의 출력을 이용하여 가해진 힘을 측정하게 된다. 힘 Fy는 힘 Fx의 경우를 90도 회전시켜 생각하면 같은 변형 거동을 가진다는 것을 알 수 있다.

힘 Fz를 가하게 되면 도 2(b)에서 보는 바와 같이 상판 감지부의 중심부가 하중방향으로 내려가면서 상판의 옆면에 있는 사각 홀의 가장 얇은 부분에서 인장과 압축 굽힘변형이 일어나 이를 스트레인 게이지로 감지하여 가해진 힘을 측정하게 된다.

모멘트 My를 가하게 도 2(c)에서 보는 바와 같이 힘 Fz와 같은 원리로 상판 감지부의 옆면에 있는 사각 홀 부분에서 인장과 압축 굽힘변형이 일어나 이를 스트레인 게이지로 감지하여 가해진 모멘트를 측정할 수 있다. 모멘트 Mx는 모멘트 My의 경우를 90도 회전시켜 생각하면 같은 변형 거동을 가진다는 것을 알 수 있다.

도 2(d)는 모멘트 Mz가 가해졌을 때의 변형거동 모습이며 Mz를 가하게 되면 상판이 회전하면서 기둥감지부에 힘으로 전달되고 기둥감지부에서 회전 방향으로 인장과 압축 굽힘변형이 일어나면서 이를 스트레인 게이지로 감지하여 가해진 모멘트를 측정할 수 있다.

도 3은 상판 감지부의 스트레인게이지 부착위치를 나타내고 있다. 상판 감지부에서는 모멘트 Mx, My와 힘 Fz를 감지하는 스트레인게이지가 부착되도록 되어 있다. 스트레인 게이지의 위치는 도2의 각 하중에 대한 변형거동을 파악하여 결정하였으며, 각 스트레인 게이지는 구석에 라운딩이 있는 사각형 모양의 홀의 두께가 얇은 부분의 양끝의 평면 쪽에 부착하도록 되어 있다.

도 4의 (a), (b), (c), (d)는 순서대로 각 기둥의 번호에 해당하는 기둥감지부의 스트레인게이지 부착위치이다. 도 4에서 앞면은 로드셀의 중심을 안쪽으로 기준을 정했을 때 바깥쪽에서 보이는 부분이고 양옆 부분을 옆면으로 표시하였다. 기둥감지부에서는 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz의 감지하는 스트레인게이지가 부착되어 있다. 각 기둥에는 쌍안경구조의 구멍을 만들어 하중 발생 시 나타나는 출력변형률을 높일 수 있도록 하였다. 쌍안경 형상의 가장 얇은 부분을 스트레인 게이지 부착위치로 선정하여 가장 안정적이고 가장 큰 변형을 감지하도록 하였다.

쌍안경 구조는 이중 외팔보 혹은 병렬평판구조와 변형거동이 비슷하나, 제작 시 가공이 용이하고 같은 변형률이 발생될 때 처짐이 더 작게 나타나며 스트레인게이지 부착부분의 변형률분포가 비교적 완만하게 변화하여 안정성의 관점에서 유리한 구조이다.

다축 로드셀의 정확도를 평가하는데 중요하게 고려되어야 할 사항 중 하나는 힘 또는 모멘트 간의 상호 간섭 오차이다. 다축 로드셀에서는 한방향의 하중을 측정할 시 다른 방향의 하중 감지부에서 나타나는 출력값이 0이 되어야 하며, 0이 되지 않을 때 생기는 출력값을 상호간섭 오차라고 한다. 상호간섭 오차를 최소화하기 위해서 임의의 방향에 하중을 가했을 시 다른 감지부에서 나타나는 출력이 0이 되는 부분에 부착을 하는 방법이 있지만 6축 로드셀의 경우 다른 5축의 감지부에서 출력값이 모두 0이 되도록 하는 것은 실제 구조적으로 불가능하기 때문에 스트레인게이지로 구성된 브리지 회로를 이용하여 출력을 상쇄시키는 방법이 있다.

각 하중에 대한 브리지 회로의 출력은 다음 식으로 표현할 수 있다.

.......... (1)

......... (2)

여기서 E_i와 E_o는 각각 브리지회로의 입력전압과 출력전압이고, ε₁, ε₃, ε₅, ε₇은 인장변형률이고, ε₂, ε₄, ε₆, ε₈은 압축변형률이며, K는 스트레인게이지의 게이지 상수이다.

4개의 스트레인 게이지를 사용하여 브리지 회로를 구성하여 상호간섭 오차가 상쇄 되지 않을 경우 스트레인 게이지를 8개를 사용하여 상쇄시킬 수 있다. 모멘트 Mx, My 및 Mz에 대해서는 스트레인게이지 4개를 이용하여 브리지 회로를 구성하였고 힘 Fx, Fy 및 Fz에 대해서는 스트레인게이지 8개를 이용하여 브리지 회로를 구성하였다.

도 5에 각 하중에 대한 브리지 회로의 스트레인게이지 구성도를 나타내었다. 스트레인 게이지를 4개를 사용하는 각각의 모멘트에 대해서는 도 5(a)의 휘스톤 브리지 회로를 사용하고 (1)의 식을 이용하여 출력을 예측할 수 있다. 스트레인 게이지 8개를 사용하는 각각의 힘에 대해서는 도 5(b)의 휘스톤 브리지 회로를 사용하고 (2)의 식을 이용하여 출력을 예측할 수 있다.

상판에 모멘트 Mz가 가해질 때에는 기둥 단면의 배치에 따라 출력의 크기와 안정성이 큰 영향을 받는다. 도 6(a)는 본 발명에 따른 기둥 단면의 배치와 모멘트가 Mz가 가해진 상태를 도시한 도면이고, 도 6(b)는 기둥 단면의 배치를 달리하여 본 발명과 45도 방향으로 회전시켜 배치한 도면이다. 도 6(c)는 기둥의 단면이 도 6(a)와 같이 배치된 상태에서 모멘트 Mz가 가해질 때의 굽힘변형 형상과 변형률 분포를 나타낸 도면이고, 도 6(d)는 기둥의 단면이 6(b)와 같이 배치된 상태에서 모멘트 Mz가 가해질 때의 굽힘변형 형상과 변형률 분포를 나타낸 도면이다.

도 6(a)와 같은 기둥 단면 배치에서 모멘트 Mz가 가해지게 되면 도 6(c)와 같이 기둥에는 평면에 수직 방향의 힘이 작용되어 감지부는 2차원적인 변형형상을 가지며 폭 방향으로는 변화가 없는 균일한 굽힘 변형이 발생하여 스트레인 게이지의 부착오차 등에도 안정적인 출력을 얻을 수 있는 것이다.

만약에 기둥 단면의 배치를 도 6(b)와 같이 하면 도 6(d)와 같이 기둥 단면의 대각선 방향으로 힘이 작용되어 감지부는 뒤틀리게 되며 모서리 부분에 변형률이 집중되고 분포가 급격하게 변화하게 되어 스트레인 게이지 부착부분에 변형률 분포 차이가 많이 나기 때문에 출력이 불안정하고 실제 제작 시에도 오차가 발생할 가능성이 크게 된다.

도 6(c)와 도 6(d)의 변형률 분포를 참조하면, 본 발명에 따른 기둥의 배치, 즉 기둥의 단면은 정사각형이며 단면의 한 변이 원주방향과 평행이 되도록 배치하는 구조를 가짐으로써, 안정된 변형률의 분포를 갖는 것을 알 수 있다.

본 발명에서와 같이 기둥 단면을 배치함으로써, 도 6(b)과 같이 기둥 단면을 배치하는 것에 비해 모멘트 Mz에 대한 출력값의 안정화를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 상판 감지부에 위치한 Mx, My 감지부의 출력 변형률 값이 약 1.5배 증가하였고, 기둥 단면의 배치에 따라 상판감지부의 구조를 본 발명과 같이 변경함으로써 상호간섭 오차를 감소시킬 수 있었다.

Claims (4)

1. 상판과 4개의 기둥으로 구성되어, 상판 감지부에서는 Fz와 모멘트 Mx, My를 감지하고, 기둥감지부에서는 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지할 수 있도록 구성된 6축 로드셀에 있어서,
   상판에 중괄호 모양의 4개의 슬릿을 형성하여 중심에서 가해진 하중이 슬릿 사이의 변형보로 나누어 전달되도록 하고, 4개의 변형보를 고정단 역할을 하는 4개의 기둥 사이에 배치하고,
   상기 각각의 변형보에는 측방향으로 좌우 2개씩, 구석에 라운딩이 있는 사각형 모양의 홀을 총 8개를 형성하고,
   상기 기둥에는 쌍안경 형상의 홀을 2개씩 총 8개를 형성하며, 상기 쌍안경 형상의 홀의 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 구조가 되도록 함으로써,
   상판에 있는 4개의 변형 보는 양단이 고정되고 중앙에 하중이 가해져서 굽힘변형이 일어나도록 유도하여 힘 Fz와 모멘트 Mx, My를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 감지부 분리형 6축 로드셀.
2. 제 1항에 있어서,
   4개의 기둥 단면을 정사각형으로 하고, 단면의 한 변이 원주방향과 평행이 되도록 배치함으로써 모멘트 Mz에 대한 출력을 안정시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 감지부 분리형 6축 로드셀.
3. 제 1항에 있어서,
   한 방향의 하중을 측정하는 브리지 회로를 스트레인 게이지 4개 혹은 8개로 유연하게 구성하고 6분력에 총 36개의 스트레인 게이지를 사용하여 브리지 회로를 구성함으로써 상호간섭 출력을 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 감지부 분리형 6축 로드셀.
4. 제 1항에 있어서,
   상판 감지부에는 사각 모양의 홀과 기둥 감지부에는 쌍안경 모양의 홀을 둠으로써 쌍안경 형상의 가장 얇은 부분을 스트레인 게이지 부착위치로 선정하는 것을 특징으로 하는 감지부 분리형 6축 로드셀.
   

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