KR102147064B1 - 새로운 6 차원 힘과 토크 센서 - Google Patents

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난징 리-항 인더스트리 인스티튜트 오브 바이오닉 테크놀로지 리미티드 컴퍼니
난징 바이오-인스파이어드 인텔리전트 테크놀로지 컴퍼니.,리미티드.
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Abstract

본 발명의 6 차원 힘과 토크 센서는 중심 보스(2), 중심 보스(2) 외측에 설치되는 원통형 하우징(1), 상기 중심 보스(2)와 상기 원통형 하우징(1)을 연결하기 위한 12 개의 탄성빔을 포함하되, 12 개의 상기 탄성빔에는 수요에 따라 각각 스트레인 게이지(4)가 배치되고, 상기 중심 보스(2)의 저부에는 신호 처리 모듈(5)을 장착하기 위한 장착홀이 개구 설치된다. 본 발명은 구조가 자가 디커플링되고, 강성이 크며, 고유 주파수가 높고, 선형도, 중복성과 지연성이 이상적인 특징이 있어, 비교적 큰 토크를 측정할 수 있다. 이밖에, 각 상기 탄성빔의 크기 변화는 상이한 레인지와 민감도를 갖는 센서를 설계할 수 있다.

Description

새로운 6 차원 힘과 토크 센서
본 발명은 자동화 기술분야에 관한 것으로, 특히 새로운 6 차원 힘과 토크 센서에 관한 것이다.
다차원 힘과 토크 센서는 두개의 방향 이상의 힘 또는 토크 무게를 동시에 측정할 수 있는 센서로서, 데카르트 좌표계에서 힘과 토크는 각각 3 개의 무게로 분해될 수 있기에 다차원 힘이 가장 완전한 형식은 6 차원 힘과 토크 센서인 바, 즉 3 개의 힘 무게와 3 개의 토크 무게를 동시에 측정가능한 센서이다. 다차원 힘과 토크 센서는 로봇, 산업 자동화, 군수 산업 등 분야에 광범위하게 적용된다.
금속박 부착형 6 차원 힘과 토크 센서는 기술이 성숙되었기에 압전식과 반도체식 센서에 비해 안정 성능이 좋고, 작업환경에 대한 요구가 높지않는 등 특징이 있어 광범위하게 적용된다. 그러나 선행기술의 금속박 부착형 6 차원 센서는 많은 흠결이 존재한다.
기존의 다차원 힘 센서의 구조 자체는 구조의 자가 디커플링이 불가능 하고, 일부 다차원 힘 센서는, 임의의 하나의 방향이거나 임의의 몇가지 방향의 힘(토크)을 기타 방향의 출력과 구조의 크기에 의해 추산해야 하되, 이는 시스템 오차가 커지게 되고; 기존의 3개 빔 구조를 갖는 다차원 힘 센서는 구조가 상대적으로 간단하지만, 구조의 자가 디커플링이 불가능하고; 이밖에, 상기의 금속박 부착형 6 차원 센서가 토크를 측정하는 레인지가 보편적으로 낮아지는데, 이의 주요원인은 토크가 커짐에 따라 탄성체의 강도와 강성에 대한 요구가 모두 높아지고, 연결용의 핀 또는 기타 위치결정 소자에 대해서도 강도와 강성 요구가 매우 높다.
이를 감안하여, 본 발명은 새로운 6 차원 힘과 토크 센서를 제공하는 것으로, 이는 큰 토크를 측정가능하고, 구조가 자가 디커플링되며, 강도가 높고, 강성이 크며, 고유 주파수고 높고, 동적 측정이 가능하며, 해상도와 정밀도가 높은 등 특징이 있다.
본 발명은 이하 기술적 해결수단을 통하여 상기 문제를 해결한다.
본 발명의 새로운 6 차원 힘과 토크 센서는, 중심 보스, 중심 보스 외측에 설치되는 원통형 하우징, 상기 중심 보스와 상기 원통형 하우징을 연결하기 위한 12 개의 탄성빔을 포함하되, 12 개의 상기 탄성빔에는 수요에 따라 각각 스트레인 게이지가 배치되고, 상기 중심 보스의 저부에는 신호 처리 모듈을 장착하기 위한 장착홀이 개구 설치되며;
12 개의 상기 탄성빔은 제 1 빔군과 제 2 빔군으로 분할되되, 상기 제 1 빔군은 8 개의 크기와 구조가 동일한 제 1 빔을 포함하고, 상기 제 2 빔군은 4 개의 크기와 구조가 동일한 제 2 빔을 포함하며, 8 개의 상기 제 1 빔은 4 개 군으로 분할되어 각각 상기 중심 보스의 상단, 하단, 왼쪽과 오른쪽에 설치되고, 4 개의 상기 제 2 빔은 동일한 군의 두개의 상기 제 1 빔 사이에 각각 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중심 보스는 사각 기둥형 구조이다.
또한, 상기 제 1 빔의 최상부는 상기 제 2 빔의 최상부보다 높고, 상기 제 1 빔의 저부는 상기 제 2 빔의 저부보다 낮으며, 상기 제 1 빔과 상기 제 2 빔의 중심 단면은 동일한 평면에 있다.
또한, 상기 제 1 빔은 L 형 구조이고, 상기 제 1 빔은 상기 중심 보스와 근접하는 제 1 부착 영역과 상기 원통형 하우징과 근접하는 제 1 조정 영역을 포함한다.
또한, 상기 제 2 빔은 3 단식 구조이고, 양측으로 두개의 요홈이 대칭되게 개구 설치되는 제 2 부착 영역 및 상기 중심 보스와 상기 원통형 하우징에 근접하는 제 2 조정 영역을 포함한다.
또한, 상기 스트레인 게이지는 24 개로서, 각각 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24이고, 24 개의 상기 스트레인 게이지는 수요에 따라 4 개씩 하나의 풀 브리지 회로를 구성하고, 매 하나의 상기 풀 브리지 회로는 각각 상기 신호 처리 모듈의 입력단에 연결되고, 상기 신호 처리 모듈의 출력단은 단말기에 연결되는 바, 즉:
상기 R1과 상기 R2, 상기 R3과 상기 R4, 상기 R5와 상기 R6, 상기 R7과 상기 R8, 상기 R9와 상기 R10, 상기 R11과 상기 R12는 각각 대칭되게 상기 제 1 빔의 상면과 하면의 상기 제 1 부착 영역에 배치되고, 상기 R15과 상기 R16, 상기 R13과 상기 R14는 각각 상기 중심 보스의 수직 중심선에 대칭되게 상기 제 1 빔의 두 외측에 배치되고, 상기 R17과 상기 R18, 상기 R19와 상기 R20, 상기 R21과 상기 R22, 상기 R23과 상기 R24는 각각 대칭되게 상기 제 2 빔의 상면과 하면의 상기 제 2 부착 영역에 배치된다.
또한, 상기 중심 보스의 상단에는 사각형 테이퍼가 구비되되, 상기 사각형 테이퍼는 연결 플랜지와 결합되고, 상기 사각형 테이퍼의 최상부에는 하나의 M10 나사홀이 구비되되, 상기 나사홀은 상기 사각형 테이퍼와 상기 연결 플랜지를 체결 연결시키기 위한 것이다.
본 발명의 새로운 6 차원 힘과 토크 센서에 있어서, 12 개의 상기 탄성빔에 분포되는 다수의 스트레인 게이지는 수요에 따라 풀 브리지 검출회로를 구성하고, 커플링 방향의 브리지 회로 중의 4 개의 상기 스트레인 게이지는 브리지 암 전압이 서로 상쇄되어 구조가 자가 디커플링될 수 있고; 상기 중심 보스가 힘과 토크를 작용할 때, 12 개의 상기 탄성빔은 인장 압축 변형되거나 절곡변형됨으로써 각 풀 브리지 회로가 출력하는 전압신호가 변하게 되고, 이러한 신호를 분석처리하여 각 방향에서 받게 되는 작용력 또는 토크를 간편하게 얻게 된다. 따라서, 본 발명은 구조가 자가 디커플링되고, 강성이 크며, 고유 주파수가 높고, 선형도, 중복성과 지연성이 이상적인 특징이 있어, 비교적 큰 토크(50Nㆍm)를 측정할 수 있고, 이밖에, 각 상기 탄성빔의 크기 변화는 상이한 레인지와 민감도를 갖는 센서를 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명의 새로운 6 차원 힘과 토크 센서의 스트레인 게이지의 미부착시의 구조 모식도이다.
도 2는 본 발명의 새로운 6 차원 힘과 토크 센서의 스트레인 게이지 부착시의 구조 모식도이다.
도 3은 본 발명의 새로운 6 차원 힘과 토크 센서의 전기회로 원리 블록도이다.
본 발명을 기술함에 있어서 이해해야 할 것은, 용어 '중심', '상', '하', '전', '후', '좌', '우', '수직', '수평', '최상부', '저부', '내', '외' 등 지시하는 방향과 위치관계는 도면에 도시된 방향 또는 위치관계로서, 본 발명을 기술하기 위한 것과 간단하게 기술하기 위한 것일 뿐, 장치나 소자가 반드시 특정된 방향을 가지고 특정된 방향으로 구성되고 조작된다고 지시하거나 암시하는 것이 아니므로 본 발명이 이에 한정된다고 이해해서는 아니된다.
용어 '제 1', '제 2'는 기술을 위한 목적일 뿐, 상대적인 중요성을 지시하거나 암시하거나 지시된 기술적 특징의 개수를 은연중 지적한다고 이해해서는 아니된다. 이로써 '제 1', '제 2'의 특징을 한정하는 것은 하나 또는 더욱 많은 특징을 명시하거나 은연중 내포할 수 있다. 본 발명을 기술함에 있어서, 별다른 설명이 없는 한, '다수의' 뜻은 두개 또는 그 이상을 의미한다.
이하, 도면을 결합하여 본 발명을 상세하게 설명하는 바, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 새로운 6 차원 힘과 토크 센서는, 중심 보스(2), 중심 보스(2) 외측에 설치되는 원통형 하우징(1), 상기 중심 보스(2)와 상기 원통형 하우징(1)을 연결하기 위한 12 개의 탄성빔을 포함하되, 12 개의 상기 탄성빔에는 수요에 따라 각각 스트레인 게이지(4)가 배치되고, 상기 중심 보스(2)의 저부에는 신호 처리 모듈(5)을 장착하기 위한 장착홀(미도시)이 개구 설치되며, 장착시 신호 처리 모듈(5)을 상기 장착홀에 의하여 상기 중심 보스(2)의 하단에 장착하고;
구체적으로, 12 개의 상기 탄성빔은 제 1 빔군과 제 2 빔군으로 분할되되, 상기 제 1 빔군은 8 개의 크기와 구조가 동일한 제 1 빔(31)을 포함하고, 상기 제 2 빔군은 4 개의 크기와 구조가 동일한 제 2 빔(32)을 포함하며, 8 개의 상기 제 1 빔(31)은 4 개의 군으로 분할되어 각각 상기 중심 보스(2)의 상단, 하단, 왼쪽과 오른쪽에 설치되고, 4 개의 상기 제 2 빔(32)은 동일한 군의 두개의 상기 제 1 빔(31) 사이에 각각 설치되어, 힘, 토크를 측정하는 구조형식을 구현하는 동시에 구조강도, 강성과 고유 주파수를 향상시켰다.
본 실시예에 따른 새로운 6 차원 힘과 토크 센서에 있어서, 12 개의 상기 탄성빔에 분포되는 다수의 스트레인 게이지(4)는 수요에 따라 풀 브리지 검출회로를 구성하고, 커플링 방향의 브리지 회로 중의 4 개의 상기 스트레인 게이지(4)는 브리지 암 전압이 서로 상쇄되어 구조가 자가 디커플링될 수 있고; 상기 중심 보스(2)가 힘과 토크를 작용할 때, 12 개의 상기 탄성빔은 인장 압축 변형되거나 절곡변형됨으로써 각 풀 브리지 회로가 출력하는 전압신호가 변하게 되고, 이러한 신호를 분석처리하여 각 방향에서 받게 되는 작용력 또는 토크를 간편하게 얻게 된다. 따라서, 본 발명은 구조가 자가 디커플링되고, 강성이 크며, 고유 주파수가 높고, 선형도, 중복성과 지연성이 이상적인 특징이 있어, 비교적 큰 토크(50Nㆍm)를 측정할 수 있고, 이밖에, 각 상기 탄성빔의 크기 변화는 상이한 레인지와 민감도를 갖는 센서를 설계할 수 있다.
탄성체 강성을 향상시키기 위하여, 상기 기술적 해결수단의 더 나은 개선에 있어서, 상기 중심 보스(2)는 사각 기둥형 구조이다.
탄성체 강도를 향상시키기 위하여, 상기 기술적 해결수단의 더 나은 개선에 있어서, 상기 제 1 빔(31)의 최상부는 상기 제 2 빔(32)의 최상부보다 높고, 상기 제 1 빔(31)의 저부는 상기 제 2 빔(32)의 저부보다 낮다.
간편하게 사용하고 탄성체 강도를 향상시키기 위하여, 상기 기술적 해결수단의 더 나은 개선에 있어서, 상기 중심 보스(2)의 상단에는 사각형 테이퍼(6)가 구비되고, 상기 사각형 테이퍼(6)는 비교적 큰 지탱능력을 가지며, 상기 사각형 테이퍼(6)와 연결 플랜지(미도시)는 결합되되, 구체적으로, 상기 사각형 테이퍼(6)의 최상부에는 하나의 M10 나사홀이 구비되는 바, 상기 나사홀은 상기 사각형 테이퍼(6)와 상기 연결 플랜지를 체결 연결시키기 위한 것이고, 상기 사각형 테이퍼(6)는 상기 연결 플랜지와 결합되어 간격없이 움직일 수 있어, 동적 측정(예 왕복운동)이 가능한 동시에, 상기 사각형 테이퍼(6)와 연결 플랜지 조립 방식의 강성과 강도는 모두 큰 토크의 작용조건을 충족시킨다.
본 실시예에서, 상기 제 1 빔(31)은 L 형 구조이고, 상기 제 1 빔(31)은 상기 중심 보스(2)와 근접하는 제 1 부착 영역(311)과, 상기 원통형 하우징(1)과 근접하는 제 1 조정 영역(312)을 포함하며;
상기 제 2 빔(32)은 3 단식 구조이고, 양측으로 두개의 요홈이 대칭되게 개구 설치되는 제 2 부착 영역(321) 및 상기 중심 보스와 상기 원통형 하우징에 근접하는 제 2 조정 영역(322)을 포함한다.
구체적으로, 상기 제 1 조정 영역(312)과 상기 제 2 조정 영역(322)은 각각 상기 제 1 부착 영역(311)과 상기 제 2 부착 영역(321)의 스트레인을 향상시키고, 상기 제 1 빔(31)과 상기 제 2 빔(32)의 강도와 탄성체의 전반적인 강성을 향상시키기 위한 구조이다.
다수의 상기 스트레인 게이지(4)는 각각 Rn(n＝1, 2, 3, 4……)으로 표시되고, 본 실시예에서, 상기 스트레인 게이지(4)는 24 개로서, 각각 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24이고, 24 개의 상기 스트레인 게이지(4)는 수요에 따라 4 개씩 하나의 풀 브리지 회로를 구성하고, 매 하나의 상기 풀 브리지 회로는 각각 상기 신호 처리 모듈(5)의 입력단에 연결되고, 상기 신호 처리 모듈의 출력단은 단말기에 연결되는 바, 즉:
상기 R1과 상기 R2, 상기 R3과 상기 R4, 상기 R5와 상기 R6, 상기 R7과 상기 R8, 상기 R9와 상기 R10, 상기 R11과 상기 R12는 각각 대칭되게 상기 제 1 빔(31)의 상면과 하면의 상기 제 1 부착 영역(311)에 배치되고, 상기 R13과 상기 R14, 상기 R16과 상기 R15는 각각 상기 중심 보스(2)의 수직 중심선에 대칭되게 상기 제 1 빔(31)의 두 외측에 배치되고, 상기 R17과 상기 R18, 상기 R19와 상기 R20, 상기 R21과 상기 R22, 상기 R23과 상기 R24는 각각 대칭되게 상기 제 2 빔(32)의 상면과 하면의 상기 제 2 부착 영역(321)에 배치된다.
구체적으로, 상기 R1과 상기 R2, 상기 R7과 상기 R8은 각각 대칭되게 상기 제 1 빔(31)의 상면과 하면에 배치되고, 상기 R1과 상기 R7, 상기 R2와 상기 R8은 각각 반대로 대칭되게 배치된다.
상기 R3과 상기 R4, 상기 R5와 상기 R6, 상기 R9와 상기 R10, 상기 R11과 상기 R12는 각각 대칭되게 상기 제 1 빔(31)의 상면과 하면에 배치되고, 상기 R3과 상기 R9, 상기 R4와 상기 R10는 각각 상기 중심 보스(2)의 수직 방향 중심선에 대칭되게 설치되고, 상기 R5와 상기 R11, 상기 R6과 상기 R12는 각각 상기 중심 보스(2)의 수평방향 중심선에 대칭되게 설치되며;
상기 R17과 상기 R21, 상기 R18과 상기 R22는 각각 상기 중심 보스(2)의 수직방향 중심선에 대칭되게 설치되고, 상기 R19와 상기 R23, 상기 R20과 상기 R24는 각각 상기 중심 보스(2)의 수평방향 중심선에 대칭되게 설치되며, 상기 R17과 상기 R18, 상기 R19와 상기 R20, 상기 R21과 상기 R22, 상기 R23과 상기 R24는 각각 대칭되게 상기 제 2 빔(32)의 상면과 하면에 배치된다.
마지막으로 설명할 것은, 이상 실시예는 본 발명의 기술적 해결수단을 설명하기 위한 것일 뿐 이를 한정하는 것이 아니며, 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명할 지라도 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자들이 이해해야 할 것은 본 발명의 기술적 해결수단을 수정하거나 등가적으로 대체할 수 있고, 본 발명의 기술적 해결수단의 취지와 범위를 벗어나지 않을 경우, 모두 본 발명의 청구범위에 속할 것이다.
도 1, 도 2, 도 3에 도시된 바와 같이,
1: 원통형 하우징, 2: 중심 보스, 31: 제 1 빔, 311: 제 1 부착 영역, 312: 제 1 조정 영역, 32: 제 2 빔, 321: 제 2 부착 영역, 322: 제 2 조정 영역, 4: 스트레인 게이지, 5: 신호 처리 모듈, 6: 사각형 테이퍼.

Claims (7)

  1. 새로운 6 차원 힘과 토크 센서에 있어서,
    이는 중심 보스, 중심 보스 외측에 설치되는 원통형 하우징, 상기 중심 보스와 상기 원통형 하우징을 연결하기 위한 12 개의 탄성빔을 포함하되, 12 개의 상기 탄성빔에는 수요에 따라 각각 스트레인 게이지가 배치되고, 상기 중심 보스의 저부에는 신호 처리 모듈을 장착하기 위한 장착홀이 개구 설치되며;
    12 개의 상기 탄성빔은 제 1 빔군과 제 2 빔군으로 분할되되, 상기 제 1 빔군은 8 개의 크기와 구조가 동일한 제 1 빔을 포함하고, 상기 제 2 빔군은 4 개의 크기와 구조가 동일한 제 2 빔을 포함하며, 8 개의 상기 제 1 빔은 4 개 군으로 분할되어 각각 상기 중심 보스의 상단, 하단, 왼쪽과 오른쪽에 설치되고, 4 개의 상기 제 2 빔은 동일한 군의 두개의 상기 제 1 빔 사이에 각각 설치되고,
    상기 제 1 빔의 최상부는 상기 제 2 빔의 최상부보다 높고, 상기 제 1 빔의 저부는 상기 제 2 빔의 저부보다 낮은 것을 특징으로 하는 새로운 6 차원 힘과 토크 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심 보스는 사각 기둥형 구조인 것을 특징으로 하는 새로운 6 차원 힘과 토크 센서.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 빔은 L 형 구조이고, 상기 제 1 빔은 상기 중심 보스와 근접하는 제 1 부착 영역과, 상기 원통형 하우징과 근접하는 제 1 조정 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 새로운 6 차원 힘과 토크 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 빔은 3 단식 구조이고, 양측으로 두개의 요홈이 대칭되게 개구 설치되는 제 2 부착 영역 및 상기 중심 보스와 상기 원통형 하우징에 근접하는 제 2 조정 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 새로운 6 차원 힘과 토크 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스트레인 게이지는 24 개로서, 각각 R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23, R24이고, 24 개의 상기 스트레인 게이지는 수요에 따라 4 개씩 하나의 풀 브리지 회로를 구성하고, 매 하나의 상기 풀 브리지 회로는 각각 상기 신호 처리 모듈의 입력단에 연결되고, 상기 신호 처리 모듈의 출력단은 단말기에 연결되는 바, 즉:
    상기 R1과 상기 R2, 상기 R3과 상기 R4, 상기 R5와 상기 R6, 상기 R7과 상기 R8, 상기 R9와 상기 R10, 상기 R11과 상기 R12는 각각 대칭되게 상기 제 1 빔의 상면과 하면의 상기 제 1 부착 영역에 배치되고, 상기 R13과 상기 R14, 상기 R16과 상기 R15는 각각 상기 중심 보스의 수직 중심선에 대칭되게 상기 제 1 빔의 두 외측에 배치되며, 상기 R17과 상기 R18, 상기 R19와 상기 R20, 상기 R21과 상기 R22, 상기 R23과 상기 R24는 각각 대칭되게 상기 제 2 빔의 상면과 하면의 상기 제 2 부착 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 새로운 6 차원 힘과 토크 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심 보스의 상단에는 사각형 테이퍼가 구비되되, 상기 사각형 테이퍼는 연결 플랜지와 결합되고, 상기 사각형 테이퍼의 최상부에는 하나의 M10 나사홀이 구비되되, 상기 나사홀은 상기 사각형 테이퍼와 상기 연결 플랜지를 체결 연결시키기 위한 것임을 특징으로 하는 새로운 6 차원 힘과 토크 센서.
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