KR20110098070A - 6축 힘-모멘트 감지센서 - Google Patents

6축 힘-모멘트 감지센서 Download PDF

Info

Publication number
KR20110098070A
KR20110098070A KR1020100017495A KR20100017495A KR20110098070A KR 20110098070 A KR20110098070 A KR 20110098070A KR 1020100017495 A KR1020100017495 A KR 1020100017495A KR 20100017495 A KR20100017495 A KR 20100017495A KR 20110098070 A KR20110098070 A KR 20110098070A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
force
outer ring
frame
moment
horizontal beams
Prior art date
Application number
KR1020100017495A
Other languages
English (en)
Inventor
김경환
정재화
주진원
Original Assignee
주식회사 엔티리서치
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엔티리서치 filed Critical 주식회사 엔티리서치
Priority to KR1020100017495A priority Critical patent/KR20110098070A/ko
Publication of KR20110098070A publication Critical patent/KR20110098070A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/1627—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2206—Special supports with preselected places to mount the resistance strain gauges; Mounting of supports

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

본 발명은 수평보 사이의 상호간섭오차를 최소화함으로써 외력을 정확하게 측정할 수 있도록 구조가 개선된 6축 힘-모멘트 감지센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 6축 힘-모멘트 감지센서는 고리 형상으로 형성되는 외부링과, 외부링의 내부에 배치되는 내부블럭과, 일단부는 외부링에 연결되고 타단부는 내부블럭에 연결되며 상호 간에 90도 각도로 이격되어 십자형으로 배치되는 4개의 수평보를 포함하는 프레임과, 프레임에 결합되는 복수의 스트레인게이지와, 스트레인게이지에서 출력되는 데이터를 기초로 프레임에 인가되는 외력을 산출하는 제어부를 포함한다.

Description

6축 힘-모멘트 감지센서{Six axis force-moment sensor}
본 발명은 3축 방향의 힘과, 3축 방향의 모멘트를 측정하는 6축 힘/모멘트 감지센서에 관한 것이다.
일반적으로 힘을 측정하기 위한 센서로 로드셀(load)이 사용되고 있는데, 이 로드셀은 한 방향의 힘만을 측정하도록 설계되어 있다. 그러나 기계설비의 자동화와 공작기계의 고급화 등으로 인해 한 방향의 힘 QNs만 아니라 여러 방향의 힘과 모멘트를 동시에 측정할 필요성이 증가하고 있다. 이를 위해 로드셀을 다수개 설치하여 힘과 모멘트를 동시에 측정할 수도 있으나, 이는 공간상의 제약과 조립오차가 크기 때문에 바람직한 방법이라고 말할 수 없다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 여러 방향의 힘과 모멘트를 동시에 측정할 수 있는 다분력 로드셀이 제안되었다. 하지만, 종래의 다분력 로드셀(6축 힘-모멘트 감지센서)은 로드셀 사이의 상호간섭오차에 의해 힘과 모멘트가 부정확하게 측정되는 문제점이 있다. 따라서, 로드셀(수평보) 사이의 상호간섭오차를 최소화하여 정확한 데이터를 확보할 수 있는 6축 힘-모멘트 감지센서의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 수평보 사이의 상호간섭오차를 최소화함으로써 외력을 정확하게 측정할 수 있도록 구조가 개선된 6축 힘-모멘트 감지센서를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 6축 힘-모멘트 감지센서는 6축 힘/모멘트 감지센서에 있어서, 고리 형상으로 형성되는 외부링과, 상기 외부링의 내부에 배치되는 내부블럭과, 일단부는 상기 외부링에 연결되고 타단부는 상기 내부블럭에 연결되며 상호 간에 90도 각도로 이격되어 십자형으로 배치되는 4개의 수평보를 포함하는 프레임과, 상기 프레임에 결합되는 복수의 스트레인게이지와, 상기 스트레인게이지에서 출력되는 데이터를 기초로 상기 프레임에 인가되는 외력을 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 수평보 사이의 상호간섭오차가 최소화 되므로 외부로부터 가해지는 힘 및 모멘트를 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/모멘트 감지센서의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 6축 힘/모멘트 감지센서의 개략적인 분리사시도이다.
도 3은 스트레인게이지의 부착위치를 설명하기 위한 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/모멘트 감지센서에 관하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘-모멘트 감지센서의 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 6축 힘/모멘트 감지센서의 개략적인 분리사시도이며, 도 3은 스트레인게이지의 부착위치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 6축 힘-모멘트 감지센서(100)는 프레임(10)과, 스트레인 게이지와, 상부 플레이트(20)와, 보드 케이스(30)와, 하부 플레이트(40)와, 제어부(도면 미도시)를 포함한다.
프레임(10)은 후술할 스트레인 게이지가 결합되는 곳이다. 기본적으로 6축 힘-모멘트 감지센서는 외력에 의해 프레임에 결합된 스트레인게이지가 변형되는 양을 통해서 외력을 측정하는 것이다. 따라서, 각 축 방향으로 변형량의 간섭이 최소화 될수 있고, 외력에 민감하게 반응하여 외력을 정확하게 측정하기 위해서는 프레임의 구조가 매우 중요한 요소이다. 본 실시예의 경우 프레임(10)은 4발보 형태로서, 외부링(11)과, 내부블럭(12)과, 수평보(13)를 가진다.
외부링(11)은 전체적으로 소정의 두께를 가지는 원형의 고리 형상으로 형성된다. 외부링(11)에는 4개의 평판부(111)가 마련되어 있다. 이 평판부(111)는 후술하는 바와 같이 수평보(13)가 결합되는 곳으로 평판 형태로 이루어지는데, 외부링의 외면을 가공기구로 절삭함으로써 제작된다. 그리고, 이 평판부(111)는 외력이 수평보로 잘 전달되어 변형이 잘 발생하도록 얇은 두께로 형성되는데, 바람직하게는 평판부(111)가 탄성을 가질 수 있을 만큼 얇은 두께로 형성되어야 한다.
내부블럭(12)은 외부링(11)의 내부에 배치된다. 그리고, 내부블럭(12)에는 후술할 상부 플레이트(20)와의 결합을 위한 복수의 나사공(121)이 관통 형성되어 있다.
수평보(13)는 외력 인가시 이에 결합된 스트레인게이지와 함께 변형되는 것으로, 본 실시예의 경우 4개의 수평보(13)가 구비된다. 각 수평보(13)는 직육면체 형상으로 형성되며, 각 수평보의 일단부는 내부블럭(12)에 결합되고 타단부는 외부링의 평판부(111)에 결합된다. 4개의 수평보는 90도 간격으로 서로 이격되어 십자형으로 배치된다.
스트레인게이지(strain gage)는 수평보(13)의 스트레인 즉 변형량을 측정하기 위한 것이다. 이러한 스트레인 게이지는, 전기식으로 측정하는 전기식 스트레인게이지(electrical strain gage)와, 기계식으로 측정하는 기계식 스트레인게이지(mechanical strain gage)가 있다. 본 실시예의 경우에는 전기적 저항이 변하는 것을 이용하여 변형률을 측정하는 전기식 스트레인게이지가 이용된다. 이 스트레인게이지는 4개의 수평보(13)에 복수로 설치되어, 프레임에 작용하는 외력, 즉 X,Y,Z축 방향의 힘과, X,Y,Z축 방향의 모멘트를 측정하는데, 본 실시예의 경우에는 총 24개의 스트레인게이지가 이용된다. 이하, 스트레인게이지의 부착위치에 관하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 설명의 편의를 위해 도 3에 도시된 바와 같이 4개의 수평보를 각각 1번수평보(1), 2번수평보(2), 3번수평보(3) 및 4번수평보(4)라 한다. X축 방향으로 작용하는 힘을 측정하기 위해, 1,3번수평보(1,3)의 양측면의 내측(중심에서부터 후술하는 '외측' 보다 상대적으로 안쪽)에 각각 스트레인게이지(Fx)가 부착된다. Y축 방향으로 작용하는 힘을 측정하기 위해, 2,4번수평보(2,4)의 양측면의 내측에 각각 스트레인게이지(Fy)가 부착된다. Z축 방향으로 작용하는 힘을 측정하기 위해, 2,4번수평보(2,4)의 상측 및 하측면의 내측에 각각 스트레인게이지(Fz)가 부착된다(하측면에 배치된 스트레인게이지는 도면상에서는 나타나지 않음). X축 방향의 모멘트를 측정하기 위해, 1,3번수평보(1,3)의 상측 및 하측면의 외측(중심에서부터 '내측'보다 상대적으로 바깥쪽)에 스트레인게이지(Mx)가 부착된다. Y축 방향의 모멘트를 측정하기 위해, 2,4번수평보(2,4)의 상측 및 하측면의 외측에 스트레인게이지(My)가 부착된다. 그리고, Z축 방향의 모멘트를 측정하기 위해, 1,3번수평보(1,3)의 양측면의 외측에 스트레인게이지(Mz)가 부착된다. 이와 같이, 총 24개의 스트레인게이지가 부착되며, 각 스트레인게이지의 변형량(저항값의 변화)은 제어부로 출력된다.
상부 플레이트(20)는 프레임(10)에 대응되는 원형의 평판 형상으로 형성된다. 상부 플레이트(20)에는 프레임(10)과의 결합을 위한 복수의 결합공(21)과, 후술할 하부 플레이트(40)와의 결합을 위한 체결공(22)이 관통 형성되어 있다.
보드 케이스(30)는 중공의 형상으로 형성되며, 프레임(10)의 하단부에 결합된다. 보드 케이스에는 하부 플레이트(40)와의 결합을 위한 복수의 결합홀(31)이 관통 형성되어 있다. 그리고, 보드 케이스의 측면에 형성된 삽입공(32)에는 커넥터(C)가 삽입되며, 이 커넥터(C)를 통해 스트레인게이지의 변형량이 제어부로 출력된다.
하부 플레이트(40)는 보드 케이스(30)에 대응되는 원형의 판상으로 형성되며, 보드 케이스의 하단에 결합된다. 하부 플레이트(40)에는 보드 케이스(30)와의 체결을 위한 복수의 결합홀(41)과, 상부 플레이트(20)와의 결합을 위한 체결공(42)이 관통 형성된다.
제어부(도면 미도시)는 커넥터(C)를 통해 스트레인게이지의 변형량을 입력받으며, 이 변형량을 통해 외력을 산출한다. 이때, 힘-모멘트 감지센서의 성능에 있어서 가장 중요한 특성인 상호간섭오차를 최소화하기 위하여, 각 축 방향으로의 힘 또는 모멘트를 측정하기 위한 4개의 스트레인게이지, 예를 들어 X축 방향으로의 힘을 측정하기 위한 4개의 스트레인게이지(Fx)로 휘스톤 브리지 회로를 구성한다. 그리고, 이와 같이 구성된 휘스톤 브리지 회로들을 적절하게 조합함으로써, 다른 축 하중을 감지하는 부분에 변형률이 발생하더라도, 하기식 (1)을 통하여 상호간섭오차를 보상한다.
Eo / Ei = K/4 * (ε1 - ε2 + ε3 - ε4) = Kετ / 4 ...(1)
상술한 바와 같이, 본 실시예에서는 외부링에 얇은 두께로 인하여 탄성을 가지는 평판부(111)가 마련되어 있으며, 이 평판부에 수평보가 결합되어 있다. 따라서, 수평보에 외력이 효율적으로 전달되며 전달된 외력에 따라 수평보가 변형되게 된다. 그리고, 반복실험 및 시뮬레이션 결과를 통해 상호간섭오차를 최소화할 수 있는 위치에 24개의 스트레인게이지를 부착하였다. 또한, 각 축의 하중을 측정하는 4개의 스트레인게이지를 이용하여 휘스톤 브리지 회로를 구성하고, 구성된 휘스톤 브리지 회로를 적절하게 조합함으로써, 다른 축 하중을 감지하는 부분에 변형률이 발생하더라도 이를 보상하였다. 그리고, 이러한 전체적인 구성 즉 프레임의 구조와, 스트레인게이지의 수 및 부착위치와, 휘스톤 브리지 회로를 이용한 제어과정을 통해 매우 정확하게 힘과 모멘트를 측정할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100...6축 힘/모멘트 감지센서 10...프레임
11...외부링 12...내부블럭
13...수평보 20...상부 플레이트
30...보드 케이스 40...하부 플레이트

Claims (1)

  1. 6축 힘/모멘트 감지센서에 있어서,
    고리 형상으로 형성되는 외부링과, 상기 외부링의 내부에 배치되는 내부블럭과, 일단부는 상기 외부링에 연결되고 타단부는 상기 내부블럭에 연결되며 상호 간에 90도 각도로 이격되어 십자형으로 배치되는 4개의 수평보를 포함하는 프레임;
    상기 프레임에 결합되는 복수의 스트레인게이지; 및
    상기 스트레인게이지에서 출력되는 데이터를 기초로 상기 프레임에 인가되는 외력을 산출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 감지센서.
KR1020100017495A 2010-02-26 2010-02-26 6축 힘-모멘트 감지센서 KR20110098070A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100017495A KR20110098070A (ko) 2010-02-26 2010-02-26 6축 힘-모멘트 감지센서

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100017495A KR20110098070A (ko) 2010-02-26 2010-02-26 6축 힘-모멘트 감지센서

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20110098070A true KR20110098070A (ko) 2011-09-01

Family

ID=44951662

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100017495A KR20110098070A (ko) 2010-02-26 2010-02-26 6축 힘-모멘트 감지센서

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20110098070A (ko)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101330089B1 (ko) * 2013-04-18 2013-11-15 국방과학연구소 다분력 계측 시스템
EP2891870A4 (en) * 2012-08-30 2016-06-01 Nabtesco Corp DETECTOR FOR LOADING AND TORQUE MEASUREMENT AS WELL AS ARTICULAR LIMBS WITH THE DETECTOR
CN109141723A (zh) * 2018-10-15 2019-01-04 山东大学 一种特殊作业机器人多维力传感器
KR102015784B1 (ko) * 2019-01-28 2019-08-29 신창환 다축 로드 셀
CN110608824A (zh) * 2019-07-17 2019-12-24 台州中清科技有限公司 一种六维力传感器
KR102183179B1 (ko) 2019-06-10 2020-11-25 건국대학교 산학협력단 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서
KR102222889B1 (ko) * 2019-12-23 2021-03-04 한국항공우주연구원 위성체의 진동 환경 시험 방법

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2891870A4 (en) * 2012-08-30 2016-06-01 Nabtesco Corp DETECTOR FOR LOADING AND TORQUE MEASUREMENT AS WELL AS ARTICULAR LIMBS WITH THE DETECTOR
US9833340B2 (en) 2012-08-30 2017-12-05 Nabtesco Corporation Detection device of load and moment, and artificial limb including the detection device
KR101330089B1 (ko) * 2013-04-18 2013-11-15 국방과학연구소 다분력 계측 시스템
CN109141723A (zh) * 2018-10-15 2019-01-04 山东大学 一种特殊作业机器人多维力传感器
KR102015784B1 (ko) * 2019-01-28 2019-08-29 신창환 다축 로드 셀
KR102183179B1 (ko) 2019-06-10 2020-11-25 건국대학교 산학협력단 스트레인게이지 방식의 다축 힘토크센서
CN110608824A (zh) * 2019-07-17 2019-12-24 台州中清科技有限公司 一种六维力传感器
KR102222889B1 (ko) * 2019-12-23 2021-03-04 한국항공우주연구원 위성체의 진동 환경 시험 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100199691B1 (ko) 6분력 로드셀
US8966996B2 (en) Force sensor
KR101115418B1 (ko) 힘센서를 이용한 6축 힘센서 구조 및 그 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법
CN107044898B (zh) 一种具有弹性体结构的六维力传感器
US9200969B2 (en) Force sensor
KR20110098070A (ko) 6축 힘-모멘트 감지센서
US20130239701A1 (en) Multi-axis loadcell
CN103076131A (zh) 用于测量大型机械臂大力与小力矩的六维力与力矩传感器
JP2004301731A (ja) 力検出装置
JP6469447B2 (ja) 多次元力覚／トルクセンサ
US11085835B2 (en) Capacitive sensor
JP5117804B2 (ja) ６軸力センサ
KR101455307B1 (ko) 감지부 분리형 6축 로드셀
JP2767766B2 (ja) ６軸力覚センサ
CN105841857A (zh) 一种并联式五维力传感器
JPH0772026A (ja) 起歪体構造物およびこの起歪体構造物を用いた多軸力検出センサ
KR101542977B1 (ko) 스위칭 타입 육축 힘 토크 센서 및 이를 이용한 육축 힘 토크 측정장치
KR102088978B1 (ko) 축 강성이 분리되고 등방성이 강화된 6축 힘/토크 센서
KR102015784B1 (ko) 다축 로드 셀
EP3295141B1 (en) Multi axis load cell body
CN101825507B (zh) 双弯曲梁结构多轴力传感器
CN210293519U (zh) 一种六维力传感器
KR101759102B1 (ko) 회전 중 방향성 성능을 향상시킨 6축 휠 동력계
KR100942018B1 (ko) 콤팩트형 3축 로드 셀
KR100295331B1 (ko) 3분력힘/모멘트센서

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application