KR102291610B1 - 힘 센서 및 상기 힘 센서를 제작하는 방법 - Google Patents

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박찬훈
도현민
정희연
박동일
김휘수
최태용
박종우
김두형
경진호
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 힘 센서 및 상기 힘 센서를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 힘 센서를 제작하는 방법은 평판 모듈로부터 이격된 위치에 기판부를 지지하기 위한 제 1 스페이서를 배치시키는 단계, 그라운드부와 기판부 사이에 형성되어 그라운드부가 외력에 의해 기판부에 대하여 위치가 변화하도록 하는 탄성체층을 형성하기 위해, 평판 모듈 상에 탄성체 액을 도포하고, 삽입 모듈을 홀에 삽입시키며 기판부를 제 1 스페이서 상에 안착시키는 단계, 홀과 삽입 모듈 사이에 제 2 스페이서를 배치시키는 단계 및 탄성체 액을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

힘 센서 및 상기 힘 센서를 제작하는 방법{FORCE SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE FORCE SENSOR}
본 발명은 힘 센서 및 상기 힘 센서를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정전용량 값을 이용하여 정밀한 외력 측정이 가능하며 소형으로 제작이 가능한 (다축) 힘 센서 및 상기 힘 센서를 제작하는 방법에 관한 것이다.
산업용 로봇과 같은 기계 장치에는 작업 도중 가해지는 힘이나 토크를 측정하기 위한 센서가 구비된다. 이때, 기계 장치에는 다양한 방향으로 힘과 토크가 가해지면서 기계 장치의 동작에 영향을 미치므로, 기계 장치의 정확한 제어를 위해서는 이러한 힘과 토크를 측정할 수 있는 센서가 요구되었다.
한국 등록특허 제10-1470160호는 다양한 방향의 힘과 토크를 측정할 수 있는 평판형 힘/토크 센서에 관한 것으로, 센서 셀에 수직으로 외력이 가해지면 제 1 전극 과 제 2 전극 사이의 거리가 줄어들면서 정전용량(커패시턴스) 값이 증가하고, 센서 셀에 수평으로 외력이 가해지면 제1 전극과 제2 전극 사이의 대향 면적이 줄어들게 되면서 정전용량 값이 줄어드는 원리를 이용하여 수직항력과 수평항력을 측정할 수 있는 센서가 개시되었다.
하지만 상기와 같은 전극 구조의 경우 전극 사이의 거리 변화에 따른 정전용량 값의 변동은 크지만, 대향 면적의 변화에 따른 정전용량 값은 변동은 크지 않아 정밀한 수평항력의 측정이 어려운 문제점이 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 시도가 있었지만, 정전용량의 방법으로 측정 정밀도가 높고, 특히 다축의 힘(직교 좌표계에서의 힘과 토크(Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz))을 측정하는 다축 힘 센서를 제작하는 것이 까다롭다는 문제점이 있어왔다.
특히, 종래의 다축 힘 센서의 경우 소형으로 제작하기가 까다롭다는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1470160호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기판부와 그라운드부 사이에 별도의 탄성 이동을 위한 구조물을 배치시키지 않고 탄성체층을 구비하여 외력이 가해질 때 탄성체층의 변형으로 기판부에 대하여 그라운드부가 이동하도록 제작하여, 소형의 힘 센서를 제작할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
또한, 상기 방법에 의해 제작되는 힘 센서를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 평판 형태의 평판 모듈 및 상기 평판 모듈의 일측면에 원기둥 형태로 돌출 형성되는 삽입 모듈을 포함하는 그라운드부; 평판 형태의 기판으로, 상기 평판 모듈과 이격 배치되고, 상기 삽입 모듈이 이격 삽입될 수 있는 원형의 홀이 형성된 기판부; 및 상기 홀의 측면 및 상기 기판부의 적어도 일측면의 홀 가장자리에 형성되는 전극으로서, 전원을 인가 받아 상기 그라운드부와 함께 정전용량을 형성하는 전극부를 포함하는 힘 센서를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 상기 평판 모듈로부터 이격된 위치에 상기 기판부를 지지하기 위한 제 1 스페이서를 배치시키는 단계; 상기 그라운드부와 상기 기판부 사이에 형성되어 상기 그라운드부가 외력에 의해 상기 기판부에 대하여 위치가 변화하도록 하는 탄성체층을 형성하기 위해, 상기 평판 모듈 상에 탄성체 액을 도포하고, 상기 삽입 모듈을 상기 홀에 삽입시키며 상기 기판부를 상기 제 1 스페이서 상에 안착시키는 단계; 상기 홀과 상기 삽입 모듈 사이에 제 2 스페이서를 배치시키는 단계; 및 상기 탄성체 액을 경화시키는 단계를 포함하는 힘 센서를 제작하는 방법에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 상기 제 1 스페이서는 상기 평판 모듈에 형성된 적어도 하나 이상의 스페이서 삽입홀에 삽입되어 상기 평판 모듈 상에 돌출 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제 1 스페이서는 상기 스페이서 삽입홀에 삽입되는 볼트일 수 있다.
여기서, 상기 제 2 스페이서는 내주면이 상기 삽입 모듈의 외주면에 밀착되고 상기 홀의 내주면에 밀착될 수 있다.
여기서, 상기 탄성체는 유전체 물질로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 기판부에 베이스부를 고정시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기판부와 상기 베이스부 사이에 탄성체층이 형성되도록 상기 기판부 위에 탄성체 액을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 스페이서를 제거하는 단계; 및 상기 삽입 모듈의 단부에 상기 삽입 모듈의 반경 바깥으로 돌출되는 헤드부를 가지는 고정부를 고정시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 베이스부와 상기 그라운드부를 관통하는 접지홀에 접지를 위한 와이어를 삽입하고, 상기 와이어가 상기 접지홀에 삽입된 상태에서 상기 접지홀을 막는 마감부를 삽입하여 고정시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 평판 형태의 평판 모듈 및 상기 평판 모듈의 일측면에 원기둥 형태로 돌출 형성되는 삽입 모듈을 포함하는 그라운드부; 평판 형태의 기판으로, 상기 평판 모듈과 이격 배치되고, 상기 삽입 모듈이 이격 삽입될 수 있는 원형의 홀이 형성된 기판부; 상기 기판부와 상기 평판 모듈 사이에 배치되어 상기 기판부에 대하여 상기 그라운드부의 위치가 변화하도록 탄성체로 형성되는 탄성체층; 상기 홀의 측면 및 상기 기판부의 적어도 일측면의 홀 가장자리에 형성되는 전극으로서, 전원을 인가 받아 상기 그라운드부와 함께 정전용량을 형성하는 전극부; 및 상기 정전용량 값을 이용하여 상기 그라운드부에 가해지는 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 구하는 힘측정부를 포함하는 힘 센서에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 홀의 측면 및 상기 기판부 상면의 홀 가장자리에 형성되는 전극은 일체로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 전극부는 상기 홀의 원주 방향을 따라 분리 형성될 수 있다.
여기서, 상기 전극부는 상기 홀의 원주 방향을 따라 두 개 이상으로 등분될 수 있다.
여기서, 상기 삽입 모듈 및 상기 전극부가 형성되는 홀을 각각 세 개 이상 형성되고, 상기 힘측정부에서 측정된 수직 방향의 힘 및 수평 방향의 힘을 이용하여 상기 그라운드부에 가해지는 다축 힘과 다축 토크를 구하는 연산부를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 힘 센서 및 상기 힘 센서를 제작하는 방법에 따르면 외력이 가해질 때 그라운드부가 이동하도록 그라운드부와 베이스부 사이에 복수의 지점을 연결하는 별도의 탄성 구조물을 설치하지 않고 탄성체층을 구비하도록 하여 직경 10mm 이하의 소형 다축 힘 센서를 제작할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 스페이서를 이용하여 탄성체층을 형성하되 전극과 삽입 모듈 사이의 간격을 정밀하게 제작할 수 있어서 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다는 장점도 있다.
또한, 그라운드부와 베이스부 사이에 접지를 위한 와이어가 관통하도록 하여 접지 구조를 간단하게 제작할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 원형의 홀 측면에 형성되는 전극과 원기둥 형태의 접지극 사이는 곡면의 형태로 이격 배열되므로, 두 평판이 평면으로 이격 배열되는 경우와 비교하여 센싱 단면적을 증가시킬 수가 있어서, 센서의 민감도를 향상시킬 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 힘 센서의 기본 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1에서 기판부의 원형의 홀에 형성된 전극부를 확대하여 도시하는 사시도이다.
도 3은 도 1의 힘 센서에 있어서 수직의 힘(normal force)이 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 1의 힘 센서에 있어서 수직의 힘(normal force)이 도 3과는 다른 위치에서 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이다.
도 5는 도 1의 힘 센서에 있어서 수평의 힘(shear force)가 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따라 6축의 힘을 측정하는 힘 센서의 기본 구조를 도시하는 분리 사시도이다.
도 7은 도 6의 결합 사시도이다.
도 8과 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서의 분리 사시도이다.
도 10은 도 8 및 도 9에서 결합된 힘 센서의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서를 제작하는 방법을 도시하는 도면이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 힘 센서 및 상기 힘 센서를 제작하는 방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 힘 센서 및 상기 힘 센서를 제작하는 방법을 설명하기에 앞서, 본 발명의 기본 힘 센서의 구조 및 원리에 대해서 도 1 내지 도 7을 참조로 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 힘 센서의 기본 구조를 도시하는 단면도이고, 도 2는 도 1에서 기판부의 원형의 홀에 형성된 전극부를 확대하여 도시하는 사시도이고, 도 3은 도 1의 힘 센서에 있어서 수직의 힘(normal force)이 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이고, 도 4는 도 1의 힘 센서에 있어서 수직의 힘(normal force)이 도 3과는 다른 위치에서 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이고, 도 5는 도 1의 힘 센서에 있어서 수평의 힘(shear force)가 가해질 때 그라운드부의 이동을 도시하는 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따라 6축의 힘을 측정하는 힘 센서의 기본 구조를 도시하는 분리 사시도이고, 도 7은 도 6의 결합 사시도이다.
도 1에 도시되어 있는 것과 같이 본 발명에 따른 힘 센서(100)는 수직 방향의 힘(normal force)와 수평 방향의 힘(shear force)을 측정하기 위한 센서로, 그라운드부(110), 기판부(120), 전극부(130) 및 힘측정부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
그라운드부(110)는 외력을 전달받으면 기판부(120)에 대하여 위치가 변화하고, 외력이 제거되었을 때 다시 그 위치가 복귀될 수 있도록 구성될 수가 있다. 이때, 그라운드부(110)는 외력이 가해졌을 때 3차원 공간 상으로 소정의 범위 내에서 이동할 수가 있다.
그라운드부(110)는 접지된 도전체로 구성되어, 후술하는 전극부(130) 및 그라운드부(110)와 전극부(130) 사이에 형성되는 유전체(140)에 의해 정전용량을 형성하게 된다.
그라운드부(110)는 도 1에 도시되어 있는 것과 같이 평판 형태의 평판 모듈(112) 및 평판 모듈(112)의 하면에 원기둥 형태로 돌출 형성되는 삽입 모듈(114)로 구성될 수가 있다. 이때, 평판 모듈(112)은 후술하는 기판부(120)와 소정 간격 이격된 상태로 수평 배치되며, 삽입 모듈(114)은 기판부(120)에 형성되는 홀(122)의 측면에 이격되도록 삽입 배치된다.
기판부(120)는 평판 형태의 기판으로 예를 들어 PCB(PRINTED CIRCUIT BOARD)로 구성될 수가 있다. 기판부(120)는 그라운드부(110)의 평판 모듈(112)과 소정 간격 이격되도록 평행하게 배치된다. 평판 모듈(112)의 상면으로부터 수직 아래 방향으로 힘이 가해지면 그라운드부(110)가 이동하여 평판 모듈(112)과 기판부(120) 사이의 거리가 변화될 수가 있다. 이때 외력이 가해지더라도 기판부(120)와 평판 모듈(112) 사이는 접촉하지 않도록 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 기판부(120)에는 원형의 홀(122)이 형성되는데, 상기 홀(122)에는 전술한 그라운드부(110)의 삽입 모듈(114)이 삽입된다. 이때, 홀(122)의 내측면과 삽입 모듈(114)의 외측면은 서로 이격되도록 배치되어 그라운드부(110)에 수평 방향으로 힘이 가해지면 그라운드부(110)가 이동하여 홀(122)의 내측면과 삽입 모듈(114) 사이의 거리가 변화될 수가 있다. 이때, 외력이 가해지더라도 홀(122)의 내측면과 삽입 모듈(114) 사이는 접촉하지 않도록 배치하는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 홀(122)의 내측면 및 기판부(120) 상면의 홀(122) 가장자리에는 일체로 형성되는 전극부(130)가 형성될 수가 있다. 즉, PCB 기판에 부품을 삽입하지 않고 상층과 하층 사이의 층간을 접속하기 위한 도금 도통홀을 비아홀(Via_Hole)이라고 하는데, 비아홀의 형태로 기판부(120)에 전극부(130)가 형성될 수가 있다. 도 1의 도면에서는 기판부(120)의 하면 상에도 전극이 형성되어 전극부(130) 전체의 단면의 형태가 'ㄷ'자 형태를 가지고 있으나, 기판부(120)의 하면에는 전극이 반드시 형성될 필요는 없다.
설명의 편이를 위해서 홀(122)의 내측면에 형성되는 전극부(130)를 측면 전극부(131), 기판부(120)의 상면의 홀(122) 가장자리에 형성되는 전극부(130)를 상면 전극부(132)라고 하며 후술하기로 한다. 전술한 바와 같이 측면 전극부(131)와 상면 전극부(132)는 전기적으로 분리되지 않고 일체로 형성될 수 있다. 전극부(130)에 전원이 인가되면, 인접하게 형성되는 측면 전극부(131)와 삽입 모듈(114) 사이에 정전용량을 형성하게 되고 상면 전극부(132)와 평판 모듈(112) 사이에 정전용량을 형성하게 된다.
이때, 전극부(130)는 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 홀(122)의 원주 방향을 따라 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)로 분리 형성될 수 있으며, 바람직하게는 이등분될 수가 있다. 본 실시예에서는 두 개로 분리되어 있는 것을 중심으로 설명을 하나 이에 한정되지 않고 더 많은 개수로 등분되어 분리될 수도 있다.
이와 같이, 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)는 물리적 및 전기적으로 분리되며, 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)에 대하여 각각 정전용량을 측정하게 되고, 제 1 전극부(130a) 및 제 2 전극부(130b)에서 측정되는 정전용량의 값을 이용하여 그라운드부(110)에 가해지는 수직 방향의 힘 및 수평 방향의 힘을 측정한다.
평판 모듈(112)과 기판부(120) 사이의 이격 공간 및 홀(122)과 삽입 모듈(114) 사이의 이격 공간에는 유전체(140)가 형성될 수가 있는데, 상기 유전체(140)로는 폴리머, 공기, 물 중 어느 하나가 형성될 수가 있고, 반드시 이에 한정되는 것은 아니나, 후술하는 바와 같이 본 발명에서는 유전체의 성질을 가지며 탄성의 성질을 갖는 폴리머로 형성된다. 이와 관련해서는 후술하기로 한다.
힘측정부(미도시)는 기판부(120)에 형성되는 연산 장치로서, 그라운드부(110)에 외력이 가해질 때 전극부(130)와 그라운드부(110) 사이에 형성되는 정전용량의 값을 이용하여 그라운드부(110)에 가해지는 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 구한다. 바람직하게는 제 1 전극부(130a)에 가해지는 정전용량 값 및 제 2 전극부(130b)에 가해지는 정전용량 값을 각각 구하여 이로부터 그라운드부(110)에 가해지는 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 연산한다.
유전체(140)를 사이에 두는 두 전극(110, 130) 사이의 정전용량 값은 두 전극(110, 130) 사이의 거리에 반비례한다. 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 수직 방향의 힘에 의해 그라운드부(110)가 아래로 이동을 하게 되면 상면 전극부(132)와 평판 모듈(112) 사이의 거리가 감소하여 정전용량 값이 증가하게 된다.
이때, 도 3에서와 같이 그라운드부(110)의 중앙에 힘이 가해져 평판 모듈(112)이 수평을 유지한 상태에서 아래로 이동하는 경우에는, 제 1 전극부(130a) 및 제 2 전극부(130b)에서 각각 평판 모듈(112)과의 거리(d1N, d2N)가 같으므로 측정되는 정전용량 값은 모두 같다.
하지만, 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 그라운드부(110)의 중앙이 아닌 편심된 일측에 수직 방향의 힘이 가해지는 경우, 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)에서 상면 전극부(132) 각각은 평판 모듈(112)과의 거리(d1N, d2N)가 상호 달라지게 되어 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)에서의 정전용량 값이 각각 달라지게 된다. 이와 같이 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)에서의 정전용량 값의 변화를 함께 이용하여 힘측정부는 그라운드부(110)에 가해지는 수직 방향의 힘 및 힘이 가해지는 위치에 관한 정보를 구할 수가 있다.
또한, 도 5에서와 같이 그라운드부(110)에 수평 방향의 힘이 가해져 그라운드부(110)가 수평으로 이동(도면 상에는 좌에서 우로)하는 경우에는 측면 전극부(131)와 삽입 모듈(114) 사이의 거리가 변화하여 정전용량 값이 변화하게 된다. 보다 자세히는, 제 1 전극부(130a)의 측면 전극부(131)와 삽입 모듈(114) 사이는 거리(d1s)가 멀어져서 정전용량 값이 작아지게 되고, 제 2 전극부(130b)의 측면 전극부(131)와 삽입 모듈(114) 사이는 거리(d2s)가 가까워져서 정전용량 값이 커지게 된다. 이와 같이, 힘측정부는 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)에서 변화하는 정전용량의 값을 이용하여 그라운드부(110)에 가해지는 수평 방향의 힘을 구할 수가 있다.
본 발명에 따른 힘 센서(100)는 기판부(120)에 형성된 원형의 홀(122) 크기보다 약간 작은 크기의 원기둥 형태의 삽입 모듈(114)이 삽입되어 홀(122)의 측면과 삽입 모듈(114) 사이에 간극이 형성되므로, 홀(122)과 삽입 모듈(114)의 중심 위치를 맞추면 수평 방향의 힘 측정을 위한 두 전극을 배치시킬 수가 있으므로, 가공이 편하고 가공오차가 적으며 조립이 쉬워지는 장점이 있다.
나아가, 홀(122)의 측면에 형성되는 측면 전극부(131)와 원기둥 형태의 삽입 모듈(114) 사이는 곡면의 형태로 이격 형성되므로 평면의 형태로 두 전극이 배치되는 경우와 비교하여 센싱 단면적을 증가시킬 수가 있으므로, 센서의 민감도를 더욱 향상시킬 수가 있다.
이하, 도 6 내지 도 7을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 힘 센서에 관하여 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5을 참조로 전술한 힘 센서(100)를 이용하여 그라운드부(110)에 가해지는 수직 방향의 힘 및 수평 방향의 힘을 구할 수가 있다. 이때, 본 발명에 따른 다축 힘 센서(200)는 상기 힘 센서(100)를 세 개 이상 구비하고, 각각의 힘 센서(100)를 서로 다른 방위각을 갖도록 결합시켜 구성될 수가 있다. 이때, 복수의 힘 센서(100)를 배치시키는 데 있어서 서로 다양한 방위각을 형성하도록 배치시킬 수도 있지만, 복수의 힘 센서(100)를 동일 평면상에 배치하되 동일 원주상에 동일한 간격으로 서로 이격되도록 배치함으로써 다양한 방향에서 가해지는 힘과 토크가 각 센서에 균등하게 분배되도록 하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 다축의 힘이라고 하면 직교 좌표계에서의 직교하는 세 축의 방향으로 작용하는 힘(Fx, Fy, Fz) 및 토크(Tx, Ty, Tz) 중 복수의 성분을 의미한다. 이하의 설명에서는 6축(Fx, Fy, Fz, Tx, Ty, Tz)의 힘 센서(200)에 대하여 설명하기로 한다.
연산 장치인 연산부(미도시)는 힘측정부에서 각 힘 센서(100)에 대하여 측정한 수직 방향의 힘 및 수평 방향의 힘을 이용하여 다축 힘을 구한다. 이때, 각각의 힘 센서(100)에서 측정된 값을 수학적 식에 따라 연산을 하여 다축 힘과 다축 토크를 구할 수 있다. 수직 방향의 힘과 수평 방향의 힘을 측정하는 힘 센서(100)를 복수 개 배치시켜 다축 힘을 측정하는 원리는 공지된 내용이기 때문에 이에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6 및 도 7에는 세 개의 힘 센서 구조를 이용한 다축 힘 센서(200)의 기본 구조를 도시하고 있다.
기판부(120)에는 세 개의 원형의 홀(122)이 형성되며, 상기 홀(122)은 동일 원주 상에 120도의 간격으로 정삼각형의 꼭지점의 위치에 대응되는 곳에 각각 형성된다. 각각의 홀(122)에는 전술한 바와 같이 홀(122)의 기판부(120)의 상면의 홀(122) 가장자리에 측면 전극부(131)와 상면 전극부(132)가 일체로 형성되며, 나아가 제 1 전극부(130a)와 제 2 전극부(130b)로 홀(122)의 원주 방향으로 분리된 형태로 전극부(130)가 형성된다.
또한, 그라운드부(110)는 외력에 의해 위치가 변화하는 접지된 도전체로서, 평판 형태의 평판 모듈(112)과 평판 모듈(112)의 하면에 원기둥 형태로 돌출 형성된 세 개의 삽입 모듈(114)이 형성되며, 각각의 삽입 모듈(114)은 기판부(120)에 형성된 홀(122)에 이격 삽입된다.
이와 같이 도 1 내지 도 5를 참조로 설명한 힘 센서(100)의 구조가 단일의 기판부(120)에 세 개 형성된 형태로 형성될 수가 있다.
그라운드부(110)에 외력이 가해질 때, 힘측정부는 각각의 힘 센서(100)의 구조에 대하여 정전용량 값을 이용하여 수직 방향의 힘 및 수평 방향의 힘을 측정하게 되고, 연산부는 힘측정부에서 측정된 수직 방향의 힘 및 수평 방향의 힘을 이용하여 그라운드부(110)의 중심에 가해지는 다축 힘을 구할 수가 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에서 그라운드부(110)는 외력이 가해졌을 때 전극부(130)가 배치되는 기판부(120)에 대하여 그 위치가 변하며 외력이 제거되면 원래의 위치로 복귀되어야 한다. 따라서, 그라운드부(110)가 이동 및 원래의 위치로 복귀할 수 있도록 하는 별도의 탄성 구조물을 배치하여야 한다. 이러한 탄성 구조물은 종래 그라운드부(110)의 복수의 지점을 탄성 지지하는 형태로 형성될 수가 있었다. 하지만, 본 발명에 따른 힘 센서의 크기를 소형화하는 경우 이러한 탄성 구조물을 크기가 작게 구성하여 배치시키는 것이 어렵고, 이를 배치시킨다고 하더라도 이는 힘 센서의 크기가 커지게 되는 요인이 된다.
이에, 본 발명에서는 전술한 구조의 힘 센서(100, 200)에 대하여 기판부(120)와 그라운드부(130) 사이에 폴리머와 같은 고무 재질로 형성되는 탄성체층(150)을 형성하여 탄성체층(150)의 변형에 의해 그라운드부(110)가 이동 및 탄성 복귀할 수 있도록 하는 힘 센서 및 상기 힘 센서의 제작 방법에 대해서 설명하기로 한다.
도 8과 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서의 분리 사시도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서를 제작하는 방법을 도시하는 도면이고, 도 11은 도 10의 방법으로 제작된 힘 센서의 단면도이다.
도 8 내지 도 10에서는 도 1의 힘 센서(100) 구조가 정삼각형의 형태로 배치되어 6축의 힘을 측정하는 힘 센서(200)에 대하여 설명을 한다. 도 1의 힘 센서(100) 구조가 하나만 형성되어 수직 방향의 힘 및 수평 방향의 힘을 측정하는 힘 센서도 하기 설명하는 내용을 참고로 당업자라면 용이하게 제작할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서(200)를 제작하는 방법은 평판 모듈(112)로부터 이격된 위치에 기판부(120)를 지지하기 위한 제 1 스페이서(170)를 배치시키는 단계, 그라운드부(110)와 기판부(120) 사이에 형성되어 그라운드부(110)가 외력에 의해 기판부(120)에 대하여 위치가 변화하도록 하는 탄성체층(150)을 형성하기 위해, 평판 모듈(112) 상에 탄성체 액을 도포하고, 삽입 모듈(114)을 홀(122)에 삽입시키며 기판부(120)를 상기 제 1 스페이서(170) 상에 안착시키는 단계, 내주면이 삽입 모듈(114)의 외주면에 밀착되는 제 2 스페이서(175)를 홀(122)과 상기 삽입 모듈(114) 사이에 배치시키는 단계 및 탄성체 액을 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 도 10의 (a)에 도시되어 있는 것과 같이 그라운드부(110)의 평판 모듈(112)로부터 이격된 위치에 기판부(120)를 지지할 수 있도록 제 1 스페이서(170)를 배치시킨다. 보다 자세히는 평판 모듈(112)에 적어도 하나 이상의 스페이서 삽입홀(115)이 형성되고, 스페이서 삽입홀(115)에 제 1 스페이서(170)인 볼트를 삽입시켜 볼트의 몸체 단부가 평판 모듈(112) 상에 돌출 형성되도록 제 1 스페이서(170)를 배치시킬 수 있다. 이때, 도시되어 있는 것과 같이 평판 모듈(112) 상에 스페이서 삽입홀(115)을 균등 위치에 복수 개 배분시켜 기판부(120)를 안정적으로 지지할 수가 있다. 본 실시예에서는 정삼각형의 형태로 3 개의 지점에서 스페이서 삽입홀(115)을 배치시킨다.
후술하는 바와 같이 탄성체 액을 경화시켜 탄성체층(150)을 형성한 이후에는 제 1 스페이서(170)는 그라운드부(110)로부터 쉽게 제거될 수 있다.
다음, 제 1 스페이서(170)의 단부가 돌출 형성되는 평판 모듈(112) 상에 탄성체 액을 도포하고, 기판부(120)를 제 1 스페이서(170) 상에 안착시킨다. 이때, 기판부(120)에 형성된 홀(122)에 그라운드부(110)의 삽입 모듈(114)이 삽입되며, 제 1 스페이서(170) 상에 기판부(120)가 안착된다. 따라서, 평판 모듈(112)로부터 제 1 스페이서(170)의 돌출되는 높이는 삽입 모듈(114)의 돌출 높이보다 낮게 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 제 1 스페이서(170)에 의해 평판 모듈(112)로부터 이격된 위치에 기판부(120)가 위치하도록 수직 방향으로 간격 조절을 할 수가 있다.
이때, 상기 탄성체 액은 경화되어 탄성체층(150)을 형성하게 되는데, 본 발명에서는 그라운드부(110)의 평판 모듈(112)과 기판부(120) 사이에 탄성체층(150)을 형성하여 그라운드부(110)에 외력이 인가될 때 탄성체층(150)의 탄성 변형에 그라운드부(110)는 이동할 수가 있으며, 외력이 제거되면 탄성체층(150)의 복원에 따라서 원래의 위치로 복귀할 수가 있다.
본 발명의 탄성체층(150)은 기판부(120)의 홀(122)에 형성되는 전극부(130)와 그라운드부(110) 사이에 개제되는 유전체의 역할도 할 수 있다. 따라서, 평판 모듈(112)에 도포되는 탄성체 액은 경화되었을 때 탄성의 성질을 가짐과 동시에 유전체의 성질을 가지는 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
다음, 도 10의 (c)에 도시되어 있는 것과 같이 내주면이 삽입 모듈(114)의 외주면에 밀착되고 외주면이 기판부(120)의 홀(122) 내주면에 밀착되도록 하는 삽입홈을 가지는 제 2 스페이서(175)를 삽입 모듈(114) 위에서 아래로 결합하여 홀(122)과 삽입 모듈(114) 사이에 제 2 스페이서(175)를 배치시키도록 한다. 이때, 제 2 스페이서(175)는 탄성체 액이 경화될 때 기판부(120)에 형성된 홀(122)의 중심과 삽입 모듈(114)의 중심을 일치시키도록 하여, 기판부(120)의 수평 방향 위치를 정하는 역할을 하게 된다.
이때, 제 2 스페이서(175) 상단부의 헤드부는 직경을 더 크게하여 기판부(120) 상에 안착되도록 하며, 제 2 스페이서(175)와 홀(122) 사이의 틈으로 탄성체 액이 상부로 유입되는 것을 차단시키는 것이 바람직하다.
다음, 도 10의 (d)에서와 같이 탄성체 액을 경화시키고, 탄성체 액의 경화가 완료된 다음에는 제 2 스페이서(175)를 제거한다.
제 2 스페이서(175)를 제거한 이후에, 홀(122)과 삽입 모듈(114) 사이에 제 2 스페이서(175)가 위치 했던 공간이 비워지게 되는데, 상기 공간에 탄성체 액을 소량 주입시켜 경화시키는 공정을 더 포함할 수 있다.
다음, 제 2 스페이서(175)를 제거한 후에 도 10의 (e)에서와 같이 삽입 모듈(114)의 단부에 고정부(160)를 고정시킨다. 이때, 상기 고정부(160)의 상단부에는 삽입 모듈(114) 반경 바깥으로 돌출되는 헤드부(161)를 가지기 때문에 강한 외력에 의해 그라운드부(110)가 당겨지는 경우 고정부(160)의 헤드부가 기판부(120)에 닿으면서 그라운드부(110)가 빠지는 것을 방지하는 역할을 하게 된다. 그라운드부(110)는 별도 구조물에 고정되지 않고 탄성체층(150)에 의해 기판부(120)에 대하여 탄성이동이 가능하도록 결합되는데, 강한 외력이 작용하면 그라운드부(110)가 쉽게 빠질 수 있기 때문이다.
또한, 힘 센서(200)의 하부를 형성하며 기판부(120)를 고정시키는 베이스부(180)를 더 포함할 수 있는데, 도 9에 도시되어 있는 것과 같이 베이스부(180)의 내측면에는 기판부(120)의 단부가 안착되는 홈(181)이 형성되며, 도 10의 (f)에 도시되어 있는 것과 같이 상기 홈(181)과 상기 홈(181)에 안착되는 기판부(120)의 단부 사이를 접착제로 본딩하여 고정시킬 수가 있다.
또한, 기판부(120)와 베이스부(180) 사이의 내부 공간에도 탄성체층을 형성할 수 있다. 이는 기판부(120)와 베이스부(180) 사이의 공간을 탄성체층으로 밀폐시켜 베이스부(180)와 그라운드부(110) 사이의 이격 공간을 통해 외부로부터 오염물질이 유입되어 힘 센서(200) 내부가 오염되는 것을 방지하는 역할을 한다. 참고로, 도 8, 도 9, 도 11에서는 기판부(120)와 베이스부(18) 사이에 형성되는 탄성체층은 도시되어 있지 않다.
따라서, 도 10의 (f)에 도시되어 있는 것과 같이 기판부(120)의 상면에 탄성체 액을 도포한 이후에 베이스부(180)와 기판부(120)를 접착제에 의해 고정시키는 것이 바람직하다. 다음, 그라운드부(110)와 베이스부(180) 사이를 접지시키는 구성을 더 포함할 수 있다.
도 10의 (g)에 도시되어 있는 것과 같이 베이스부(180)와 그라운드부(110)에는 각각 결합되었을 때 베이스부(180)와 그라운드부(110)를 관통하는 접지홀(116, 186)이 형성되며, 상기 접지홀(116, 186)을 통해 전도성의 와이어(190)를 삽입하고, 와이어(190)가 삽입된 상태에서 마감부(192)를 삽입하여 고정시킨다. 따라서, 마감부(192)에 의해 상기 와이어(190)는 그라운드부(110) 및 베이스부(180)와 접촉하게 되며, 상기 와이어부(190)를 접지시킴으로써 그라운드부(110) 및 베이스부(180) 전체를 접지시킬 수가 있다.
상기와 같은 방법으로 제작되는 힘 센서(100, 200)는 직경이 10mm 이하로 제작되어 핸드 로봇의 손가락 마디 사이에 장착되어 손가락 마디 단부 끝에서 작용하는 힘을 측정하는 센서로 사용될 수가 있다.
이와 같은 방법으로 제작되는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘 센서(100, 200)는 평판 형태의 평판 모듈(112) 및 평판 모듈(112)의 일측면에 원기둥 형태로 돌출 형성되는 삽입 모듈(114)을 포함하는 그라운드부(110), 평판 형태의 기판으로, 평판 모듈(112)과 이격 배치되고, 삽입 모듈(114)이 이격 삽입될 수 있는 원형의 홀(122)이 형성된 기판부(120), 기판부(120)와 평판 모듈(112) 사이에 배치되어 기판부(120)에 대하여 그라운드부(110)의 위치가 변화하도록 탄성체로 형성되는 탄성체층(150), 홀(122)의 측면 및 상기 기판부(120)의 적어도 일측면의 홀(122) 가장자리에 형성되는 전극으로서, 전원을 인가 받아 그라운드부(110)와 함께 정전용량을 형성하는 전극부(130) 및 정전용량 값을 이용하여 그라운드부(110)에 가해지는 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 구하는 힘측정부(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 기판부(120)에 전극부(130)가 형성되는 홀(122)을 세 개 이상 형성하고, 그라운드부(110)에는 각각의 홀(122)에 대응되도록 홀(122)에 삽입되어 전극부(130)와 함께 정전용량을 형성하는 접지된 복수의 삽입 모듈(114)을 형성하여 다축힘을 구할 수가 있다.
발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: 힘 센서 110: 그라운드부
112: 평판 모듈 114: 삽입 모듈
115: 스페이서 삽입홀 116: 접지홀
120: 기판부 122: 홀
130: 전극부 130a: 제 1 전극부
130b: 제 2 전극부 131: 측면 전극부
132: 상면 전극부 140: 유전체
150: 탄성체층 160: 고정부
170: 제 1 스페이서 175: 제 2 스페이서
180: 베이스부 181: 홈
186: 접지홀 190: 와이어
192: 마감부 200: 힘 센서

Claims (14)

  1. 평판 형태의 평판 모듈 및 상기 평판 모듈의 일측면에 원기둥 형태로 돌출 형성되는 삽입 모듈을 포함하는 그라운드부; 평판 형태의 기판으로, 상기 평판 모듈과 이격 배치되고, 상기 삽입 모듈이 이격 삽입될 수 있는 원형의 홀이 형성된 기판부; 및 상기 홀의 측면 및 상기 기판부의 적어도 일측면의 홀 가장자리에 형성되는 전극으로서, 전원을 인가 받아 상기 그라운드부와 함께 정전용량을 형성하는 전극부를 포함하는 힘 센서를 제작하는 방법에 관한 것으로서,
    상기 평판 모듈로부터 이격된 위치에 상기 기판부를 지지하기 위한 제 1 스페이서를 배치시키는 단계;
    상기 그라운드부와 상기 기판부 사이에 형성되어 상기 그라운드부가 외력에 의해 상기 기판부에 대하여 위치가 변화하도록 하는 탄성체층을 형성하기 위해, 상기 평판 모듈 상에 탄성체 액을 도포하고, 상기 삽입 모듈을 상기 홀에 삽입시키며 상기 기판부를 상기 제 1 스페이서 상에 안착시키는 단계;
    상기 홀과 상기 삽입 모듈 사이에 제 2 스페이서를 배치시키는 단계; 및
    상기 탄성체 액을 경화시키는 단계를 포함하는 힘 센서를 제작하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상기 제 1 스페이서는 상기 평판 모듈에 형성된 적어도 하나 이상의 스페이서 삽입홀에 삽입되어 상기 평판 모듈 상에 돌출 형성되는 힘 센서를 제작하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서는 상기 스페이서 삽입홀에 삽입되는 볼트인 힘 센서를 제작하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 스페이서는 내주면이 상기 삽입 모듈의 외주면에 밀착되고 상기 홀의 내주면에 밀착되는 힘 센서를 제작하는 방법
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성체는 유전체 물질로 형성되는 힘 센서를 제작하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판부에 베이스부를 고정시키는 단계를 더 포함하는 힘 센서를 제작하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 기판부와 상기 베이스부 사이에 탄성체층이 형성되도록 상기 기판부 위에 탄성체 액을 도포하는 단계를 더 포함하는 힘 센서를 제작하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 스페이서를 제거하는 단계; 및
    상기 삽입 모듈의 단부에 상기 삽입 모듈의 반경 바깥으로 돌출되는 헤드부를 가지는 고정부를 고정시키는 단계를 더 포함하는 힘 센서를 제작하는 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 베이스부와 상기 그라운드부를 관통하는 접지홀에 접지를 위한 와이어를 삽입하고, 상기 와이어가 상기 접지홀에 삽입된 상태에서 상기 접지홀을 막는 마감부를 삽입하여 고정시키는 단계를 더 포함하는 힘 센서를 제작하는 방법.
  10. 평판 형태의 단일의 평판 모듈 및 상기 평판 모듈의 일측면에 세 개 이상으로 원기둥 형태로 돌출 형성되는 삽입 모듈을 포함하는 그라운드부;
    평판 형태의 단일 기판으로, 상기 평판 모듈과 이격 배치되고, 상기 삽입 모듈이 각각 이격 삽입될 수 있는 복수의 원형의 홀이 형성된 기판부;
    상기 기판부와 상기 평판 모듈 사이에 배치되어 상기 기판부에 대하여 상기 그라운드부의 위치가 변화하도록 탄성체로 형성되는 탄성체층;
    상기 홀의 측면 및 상기 기판부의 적어도 일측면의 홀 가장자리에 형성되는 전극으로서 비아홀의 형태로 일체로 형성되며, 전원을 인가 받아 상기 그라운드부와 함께 정전용량을 형성하는 전극부;
    단일의 삽입 모듈 및 상기 삽입 모듈이 삽입되는 홀에 형성되는 전극이 형성하는 단위 센서 구조 각각에 대하여 상기 평판 모듈과 상기 전극 사이의 거리 변화 및 상기 삽입 모듈과 상기 전극 사이의 거리 변화에 따른 정전용량 값을 이용하여 상기 단위 센서 구조에 작용하는 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 구하는 힘측정부; 및
    상기 힘측정부에서 측정된 단위 센서 구조 각각의 수직 방향의 힘 또는 수평 방향의 힘을 이용하여 상기 그라운드부에 가해지는 다축 힘과 다축 토크를 구하는 연산부를 포함하는 힘 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 홀의 측면 및 상기 기판부 상면의 홀 가장자리에 형성되는 전극은 일체로 형성되는 힘 센서.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 홀의 원주 방향을 따라 분리 형성되는 힘 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 홀의 원주 방향을 따라 두 개 이상으로 등분되는 힘 센서.
  14. 삭제
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KR101266210B1 (ko) * 2011-09-22 2013-05-21 성균관대학교산학협력단 6축 힘/토크 센서
KR101653914B1 (ko) * 2015-03-11 2016-09-05 성균관대학교산학협력단 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치

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