KR20160147035A - 토크 센서 및 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 방법 - Google Patents

토크 센서 및 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 특히 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한, 토크 센서 (10) 에 관한 것이다. 상기 센서는 토크의 작용하에 변형되도록 설계된 다수의 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4); 및 다수의 스트레인 게이지들 (DR11, DR12, DR21, DR22, DR31, DR32, DR41, DR42) 을 구비하고, 이때 각각 2개의 스트레인 게이지들은 상기 다수의 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 의 2개의 마주 보고 있는 측들에 배치된다. 이때, 다수의 스트레인 게이지들은 각각 적어도 2개의 브리지 회로들 중 하나 안에서 상호접속된다.

Description

토크 센서 및 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 방법 {TORQUE SENSOR AND METHOD FOR DETECTING TORQUES OCCURRING ON OR IN A JOINT OF AN ARTICULATED ARM ROBOT}
본 발명은 토크, 특히 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 센서, 상응하는 방법, 및 이를 갖춘 로봇에 관한 것이다.
여러 가지 산업적 분야들에서 이용될 수 있는 로봇들, 예컨대 관절식 암 로봇들은 예정된 적용 분야에 상응하여 관절들을 통하여 움직일 수 있는 다수의 부재를 가지며, 상기 부재들은 여러 가지로 배치될 수 있다. 이 로봇들의 중요한 구성요소는 상기 움직일 수 있는 부재들의 토크를 검출하기 위한 토크 센서들이다. 대부분의 경우들에서 이 토크 센서들은 상기 로봇의 모든 움직일 수 있는 부재들 안에 또는 상기 부재들에 설치된다.
토크를 검출하기 위해 선행기술에는 여러 가지 시스템들이 공지되어 있다. WO 2009/083111 은 예컨대 스트레인 게이지들 (strain gauges) 을 사용하는, 토크 검출을 위한 시스템을 기술한다. 이 스트레인 게이지들은 평가하기 위해 2개의 휘트스톤 브리지들 (Wheatstone bridges) (휘트스톤 측정 브리지 또는 브리지 회로) 안에서 상호접속된다. 각각 2개의 스트레인 게이지들의 저항들은 움직일 수 있는 부재와 연결된 한 부품의 2개의 상이한 부위들에 배치되고, 각각 하나의 하프 브리지 (half bridge) 를 형성하기 위해 상호접속된다. 이 두 하프 브리지들은 각각 하나의 브리지 회로를 형성한다. 그 밖의 브리지 회로는 2개의 그 밖의 스트레인 게이지들의 저항들에 의해 형성되고, 상기 스트레인 게이지들은 상기 부품의 2개의 그 밖의 상이한 부위들에 배치된다. 상기 스트레인 게이지들의 리던던트 (redundant) 설계를 통해 2개의 토크값이 검출된다. 동작을 안전하게 하기 위해, 비교 장치는 동일한 모멘트의, 상기 두 브리지 회로들에 의해 출력된 신호들을 비교하고, 상기 두 신호가 특정한 허용오차 범위를 넘어서 구별되면 로봇을 스위칭 오프한다.
그러나, 토크 검출을 위한 선행기술에 공지된 시스템과 방법들은, 예컨대 횡력들, 축방향 힘들 및 굽힘 모멘트들에 근거한 스트레인 게이지의 압축을 통해 초래될 수 있는, 토크 부하 (torque load) 와 관련 없는 상기 스트레인 게이지의 변형이 오류가 존재하지 않을지라도 상이한 신호들을 초래할 수 있다는 단점을 갖는다. 상이한 신호들은 측정 부정확을 야기시키고, 이 편차는, 특정한 한계값을 초과하면, 이유 없이 로봇의 비상 스위칭 오프를 초래할 수 있다.
그러므로 본 발명의 목적은 상기 언급된 단점들이 방지될 수 있는 그리고 이로써 토크의 보다 정확한 그리고 오류가 덜 나는 검출이 가능한 센서 및 상응하는 방법을 제공하는 것이다. 그 밖의 목적은 상응하여 개선된 로봇을 제공하는 것이다.
이 목적들은 청구항 1 항에 따른 시스템, 청구항 10 항에 따른 토크를 검출하기 위한 방법 및 청구항 11 항에 따른 로봇을 통해 달성된다.
특히 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하는 데에 쓰이는 본 발명에 따른 토크 센서는 토크의 작용하에 변형되도록 설계된 다수의 측정 스파이크들 (measuring spikes) 을 구비한다.
이러한 유형의 토크 센서는 DE 36 05 964 A1 에 기술되어 있고, 예컨대 외부링, 내부링 또는 허브 (hub), 및 외부링과 허브를 연결하는, 굽힘 탄성적인 다수의 스파이크들 (측정 스파이크들) 을 갖는 스파이크 휠을 포함한다. 상기 측정 스파이크들은 토크 부하에 있어서 일 측에서는 회전되고, 상기 동일한 측정 스파이크의 상기 측과 마주 보고 있는 측에서는 압축된다. 토크 센서는 예컨대, DE 36 05 964 A1 에 나타내져 있는 바와 같이, 중앙 허브 부품과 외부 가장자리로 구성될 수 있고, 상기 중앙 허브 부품과 상기 외부 가장자리는 90°만큼 옮겨진 4개의 측정 스파이크들을 이용해 서로 연결된다 (즉, 상기 측정 스파이크들은 동일한 각도로 상기 허브 둘레에 배치된다). 그러나 예컨대 더 많은 또는 더 적은 측정 스파이크들이 사용되는 것도 가능하다.
본 발명에 따르면 토크 센서는 다수의 스트레인 게이지들을 구비한다.
각각 2개의 스트레인 게이지들은 측정 스파이크의 일 측이 토크의 작용하에 회전될 정도로, 그러나 마주 보고 있는 측은 압축될 정도로 상기 측정 스파이크의 2개의 마주 보고 있는 측들에 또는 측들 위에 배치된다.
상기 스트레인 게이지들의 도움으로, 상기 측정 스파이크들의 형태 변화를 통해 토크가 검출될 수 있다. 유리하게는, 상기 스트레인 게이지들은 약간의 회전 또는 압축에 있어서 이미 그들의 저항값을 변화시킨다. 예컨대, 상기 측정 스파이크들과 함께 변형 가능할 수 있기 위해 이 스트레인 게이지들은 상기 측정 스파이크들 위에 접착될 수 있다. 예컨대, 상기 스트레인 게이지는 저항 와이어 (resistance wire) 의 꼬불꼬불한 배열체로 구성된다. 상기 배열체는 반도체들로도 구성될 수 있고, 따라서 상기 배열체의 부피 변화는 상기 스트레인 게이지의 고유저항 안의 변화를 야기시킨다.
본 발명에 따르면 다수의 스트레인 게이지들은 각각 적어도 2개의 브리지 회로들 중 하나 안에서 상호접속된다. 이 브리지 회로들은 바람직하게는 휘트스톤 브리지 회로로서 설계되고, 상기 휘트스톤 브리지 회로는 2개의 병렬 분압기들 (voltage dividers) 로 구성되고, 따라서 각각 하나의 분압기는 하나의 하프 브리지를 형성한다. 상기 분압기는 각각 직렬로 연결된 2개의 저항에 의해 형성된다. 상기 브리지 회로의 출력신호는 브리지 전압이라고 불리운다. 상기 브리지 전압은 상기 브리지 회로 안의 두 분압기 사이에서 측정되는 전압 차이이다. 상기 브리지 전압의 측정을 위한 측정점들이 각각 상기 두 분압기 안의 두 저항 사이에 있기 때문에, 상기 브리지 전압은 자주 횡방향 전압이라고도 불리운다. 이상적으로는 픽오프는 각각 정확히 상기 분압기들 안의 상기 2개의 저항 사이에 있다. 모든 저항들이 예컨대 동일한 값을 가지면 상기 브리지는 균형이 맞춰졌다고 여겨진다. 이는 상기 두 분압기 사이의 전압 차이가 0 V 라는 것을 의미한다. 상기 개별적인 분압기들 안의 저항들이 서로 달리 변하는 경우, 상기 브리지는 균형이 맞춰지지 않았다고 여겨지고 브리지 전압이 측정될 수 있다.
상기 스트레인 게이지들은 상기 브리지 회로 안에서 가변 저항들을 형성한다. 브리지 회로의 이웃한 스트레인 게이지들의 저항 변화들은 대립적인 방식으로 브리지 전압에 작용한다. 상응하여, 마주 보고 있는 스트레인 게이지들의 저항 변화들은 동일한 방식으로 브리지 전압에 작용한다.
본 발명에 따르면 상기 적어도 2개의 브리지 회로들의 각각 안에서 적어도 3개의 스트레인 게이지들은 각각 상이한 측정 스파이크들 위에 배치된다. 상기 브리지 회로는 바람직하게는 풀 브리지 (full bridge) 에 관한 것이다. 안전을 이유로 토크 측정은 2개의 브리지 회로들을 이용하여 실행된다. 이로써 각각의 브리지 회로는 신호를 제공하고, 상기 신호를 통하여 현재의 토크가 검출될 수 있다. 두 신호가 동일하면 측정 시스템 안의 오류들이 배제될 수 있다.
본 발명의 범위에서, 놀랍게도, 한 측정 스파이크에 배치된 스트레인 게이지들이 상이한 브리지 회로들 안에서 상호접속되어 있으면 토크가 특히 확실히 결정될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 유리하게는, 이로써, 변형을 초래하는 방해 영향들은 상기 브리지 회로 안에서의 상이한 스트레인 게이지들에 의해 보상되고, 이때 적어도 하나는 압축되고 적어도 하나의 다른 것은 회전된다. 이로써, 측정 전압 안의 방해 영향들이 보이지 않는다. 그렇기 때문에, 본 발명에 따르면 상기 적어도 2개의 브리지 회로들의 각각은 상기 토크 센서의 상이한 측정 스파이크들 위에 배치된 적어도 3개의 스트레인 게이지들을 구비한다. 그렇기 때문에 상기 브리지 전압들의 비교는 작은 허용오차범위 내에서 발생할 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 상기 적어도 2개의 브리지 회로들의 각각은 브리지 전압을 가지며, 안전한 신호는 상기 두 브리지 회로들의 상기 브리지 전압들의 교차 비교로부터 형성된다. 이 안전한 신호는, 각각 서로 의존하지 않고 토크 신호를 제공하는 상기 두 브리지 회로들이 오류 없이 작동한다는 것을 나타낸다. 상기 교차 비교는 상기 두 브리지 전압들의 직접적인 비교로 형성된다. 유리하게는, 이는 확정된 허용오차를 넘어선 신호들의 편차에 있어서 오류를 밝혀낼 수 있기 위해 두 리던던트 신호들 (redundant signals) 의 기능의 효율적인 컨트롤을 가능하게 한다. 실제로 이 비교는 예컨대 상기 두 신호의 차이 형성을 통해 수행될 수 있다. 대안적으로, 한 브리지 회로는 양의 전압을 제공하도록 맞춰져 있고 다른 브리지는 음의 전압을 제공하도록 맞춰져 있으면, 이는 상기 두 신호의 덧셈을 통해서도 수행될 수 있다. 정상적인 경우 상기 비교의 결과는 0 V 이어야 한다.
바람직한 실시형태에서, 각각의 브리지 회로 안에서 상호접속되는 모든 4개의 스트레인 게이지들은 상기 토크 센서의 상이한 스파이크들 위에 배치된다. 유리하게는, 이렇게, 이미 위에서 기술된 바와 같이 상기 측정 스파이크들의 압축에 의한, 그리고 내부 측정 허브에서 작용하는 횡력들, 축방향 힘들 또는 굽힘 모멘트들에 의한, 토크 부하와 관련 없는 상기 측정 스파이크들의 변형이 보상될 수 있는데, 왜냐하면 각각의 측정 스파이크 위의 스트레인 게이지들이 각각의 브리지 회로 안에서 상호접속되어 있기 때문이다.
그 밖의 바람직한 실시형태에서, 이웃한 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들은 제 1 하프 브리지 안에서 상호접속되고, 다른 이웃한 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들은 제 2 하프 브리지 안에서 상호접속된다.
이로써 모든 4개의 측정 스파이크들 위에 각각 하나의 스트레인 게이지가 있는 것이 보장된다. 유리하게는, 이러한 분배는 모든 4개의 스트레인 게이지들이 각각의 브리지 회로 안에서 상기 토크 센서의 상이한 측정 스파이크들 위에 배치될 수 있는 것도 가능하게 한다.
일 실시형태에서, 마주 보고 있는 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들은 각각 하나의 하프 브리지를 형성하기 위해 상호접속되고, 다른 마주 보고 있는 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들은 각각 하나의 제 2 하프 브리지를 형성하기 위해 상호접속된다. 이 실시형태는, 상기 이전의 실시형태에 대해 대안적으로, 상기 토크 센서의 상이한 스파이크들 위에서 각각의 브리지 회로 안의 4개의 스트레인 게이지들의 균일한 분배도 보장한다.
그 밖의 실시형태에서, 이웃한 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들은 제 1 하프 브리지 안에서 상호접속되고, 이웃한 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들은 제 2 하프 브리지 안에서 상호접속되고, 이때 상기 제 1 하프 브리지의 스트레인 게이지와 상기 제 2 하프 브리지의 스트레인 게이지는 동일한 측정 스파이크 위에 배치되고, 다른 두 스트레인 게이지들은 그와 다른 측정 스파이크들 위에 배치된다.
일반적으로 선호하여, 상기 토크 센서는 외부링, 내부링 또는 허브, 및 외부링과 허브를 연결하는, 굽힘 탄성적인 다수의 측정 스파이크들을 갖는 스파이크 휠을 포함한다. 상기 외부링과 상기 내부링은 각각의 적합한 지오메트리를 구비할 수 있고, 예컨대 둘 다 원 모양이거나 또는 정방형일 수 있다. 바람직하게는, 상기 토크 센서는 정확히 3개의 또는 정확히 4개의 측정 스파이크들을 구비하고, 상기 측정 스파이크들은 동일한 각도로 상기 내부링 또는 상기 허브 둘레에 배치되고, 즉 4개의 스파이크에 있어서는 90°만큼 옮겨지고, 3개의 스파이크에 있어서는 각각 120°만큼 옮겨진다.
토크 센서로 토크, 특히 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 본 발명에 따른 방법은 하기의 단계들을 갖는다:
우선 토크는, 위에서 기술된 바와 같이, 토크 센서의 다수의 측정 스파이크들에서의 스트레인 게이지들의 도움으로 측정되고, 이때 각각 2개의 스트레인 게이지들은 상기 다수의 측정 스파이크들 중 하나의 마주 보고 있는 측들에 배치되어 있다.
그 후, 상기 스트레인 게이지들에 의해 제공된 신호들은 적어도 2개의 브리지 회로들의 도움으로 평가되고, 이때 상기 2개의 브리지 회로들의 각각 안에는, 상이한 측정 스파이크들 위에 배치되어 있는 적어도 3개의 스트레인 게이지들이 상호접속되어 있다.
본 발명은 또한 관절을 통하여 움직일 수 있게 로봇의 다른 부품에 배치된, 그리고 특히 안전한 그리고 정확한 작동을 허용하기 위해 상기 기술된 토크 센서를 사용하는 적어도 하나의 로봇암 (robot arm) 을 갖는 상기 관절식 암 로봇에 관한 것이다. 본 발명에 따라 설계된 상기 토크 센서는 이를 위해 그 자체가 알려져 있는 방식으로 상기 관절에 또는 상기 관절 안에 배치된다.
이하, 토크, 특히 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 본 발명에 따른 센서, 및 상응하는 방법, 그리고 이를 갖춘 로봇은 예시적으로 아래의 도면들에 도시된 예시적인 실시형태들을 근거로 상세히 설명된다.
도 1a 는 제 1 실시형태에 따른, 측정 스파이크들에 배치된 스트레인 게이지들을 갖는 상기 측정 스파이크들의 도식적인 묘사의 도면을 나타내고,
도 1b, 도 1c 는 도 1a 에 도시된 제 1 실시형태에 따른 2개의 브리지 회로들 안에서의 스트레인 게이지들의 저항들의 상호접속을 나타내고,
도 2a 는 제 2 실시형태에 따른, 측정 스파이크들에 배치된 스트레인 게이지들을 갖는 상기 측정 스파이크들의 도식적인 묘사의 도면을 나타내고,
도 2b, 도 2c 는 도 2a 에 도시된 제 2 실시형태에 따른 2개의 브리지 회로들 안에서의 스트레인 게이지들의 저항들의 상호접속을 나타내고,
도 3a 는 제 3 실시형태에 따른, 측정 스파이크들에 배치된 스트레인 게이지들을 갖는 상기 측정 스파이크들의 도식적인 묘사의 도면을 나타내고,
도 3b, 도 3c 는 도 3a 에 도시된 제 3 실시형태에 따른 2개의 브리지 회로들 안에서의 스트레인 게이지들의 저항들의 상호접속을 나타낸다.
도면들 (1a, 2a, 3a) 은 4개의 스파이크 (측정 스파이크들) (1, 2, 3, 4) 와 그들에 배치된 스트레인 게이지들 (DR11, DR12, DR21, DR22, DR31, DR32, DR41, DR42) 의 도식적인 도면을 각각 나타내며, 이때 상기 스트레인 게이지들은 2개의 브리지 회로들을 형성하기 위해 상호접속된다. 상기 측정 스파이크들은 토크 센서 (10) 의 부품을 형성하고, 상기 토크 센서는 도시된 실시형태에서 외부링 (11) 과 내부링 또는 허브 (측정 허브) (12) 를 구비하며, 상기 외부링과 상기 허브는 상기 측정 스파이크들을 통하여 연결된다. 토크 센서 (10) 의 공간적 설계는 도면들에서 파선들을 통해 순전히 도식적으로만 도시되는데, 왜냐하면 그의 상세한 설계는 본 발명에 있어 중요하지 않기 때문이다. 이 이외에, 예컨대 도입부에서 언급된 DE 36 05 964 A1 에서와 같이 이러한 유형의 토크 센서들의 근본적인 구성은 당업자에게 익히 알려져 있고, 따라서 이 점에서는 상세한 설명이 생략된다. 도면들은 또한 각각의 브리지 회로들 안의 브리지 전압들을 결정하기 위한 측정 장치들 (A, B) 을 나타낸다. 도시된 실시형태들에서 한 브리지 회로는 음의 전압을 제공하도록 맞춰져 있고, 다른 브리지 회로는 음의 전압을 제공하도록 맞춰져 있고, 따라서 정상적인 경우 두 브리지 전압들의 비교의 결과는 0 V 이다. 이에 대해 대안적으로, 두 브리지 회로들은 양의 전압을 제공할 수 있거나 또는 둘 다 음의 전압을 제공할 수도 있다.
도면들 (1a, 2a, 3a) 에 도시된 실시형태들에서 4개의 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 이 제공된다. 상기 측정 스파이크들은 이 실시형태들에서 각각 약 90°만큼 옮겨지고, 즉 동일한 각도로 허브 (12) 둘레에 배치된다. 운전중 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 은 외부 부하, 예컨대 토크의 작용에 근거하여 탄성적으로 변형된다. 도면들 (1a, 2a, 3a) 에 도시된 실시형태들에서 상기 측정 스파이크들 안에는 각각 개구부들도 있고, 상기 개구부들은 변형 구역을 만드는 데에 쓰인다.
상기 부하는 예컨대 외부링 (11) 을 통하여 도입될 수 있고, 이때 허브 (12) 는 고정되어 있고, 또는 그 반대의 경우이다. 상기 작용하는 부하에 의존하여 상기 측정 스파이크들은 서로 다른 강도로 변형된다. 본 실시예들에서 스트레인 게이지들 (DR11, DR12, DR21, DR22, DR31, DR32, DR41, DR42) 이 사용된다. 그들은 상기 측정 스파이크들 위에, 예컨대 접착 연결을 통해, 고정되고, 따라서 스트레인 게이지들 (DR11, DR12, DR21, DR22, DR31, DR32, DR41, DR42) 은 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 과 유사하게/상기 측정 스파이크들과 함께 변형된다. 상기 스트레인 게이지들은 이 변형을 그들의 전기적 저항 (R11, R12, R21, R22, R31, R32, R41, R42) 의 변화로써 나타낸다. 통례적으로 스트레인 게이지들은 저항 와이어로 구성되고, 상기 저항 와이어는 예컨대 플라스틱으로 구성되는 얇은 캐리어 요소 위에 있다. 공칭 저항, 즉 부하가 없는 상기 스트레인 게이지의 저항은 전형적으로 100 Ω 와 1000 Ω 사이에 있다.
도시된 실시형태들에서 각각 2개의 스트레인 게이지들이 한 측정 스파이크의 마주 보고 있는 측들에 부착된다. 예컨대 측정 스파이크 (1) 에서 스트레인 게이지 (DR12) 는 상기 측정 스파이크의 일 측에 배치되고, 그러나 스트레인 게이지 (DR11) 는 상기 측정 스파이크의 마주 보고 있는 측에 배치된다. 이로써, 한 측정 스파이크측에서의 스트레인 게이지는 토크에 있어서 회전되고, 그러나 마주 보고 있는 측정 스파이크측에서의 스트레인 게이지는 압축된다. 이 대립적인 압축/회전으로 인해 또한 각각의 저항값의 대립적인 변화가 생긴다. 보다 잘 이해하기 위해, 압축/회전시의 측정 전압에의 저항 변화들의 영향은 도면들에서 각각의 회로들 안의 +/- 로 도시된다.
도면 1a 에 도시된 제 1 실시형태에서, 브리지 회로를 위해, 이웃한 측정 스파이크들 (1, 2) 위의 스트레인 게이지들 (DR11, DR22) 은 제 1 하프 브리지 안에서 상호접속되고, 이웃한 측정 스파이크들 (1, 4) 위의 스트레인 게이지들 (DR12, DR41) 은 제 2 하프 브리지 안에서 상호접속되고, 이때 상기 제 1 하프 브리지의 스트레인 게이지 (DR11) 와 상기 제 2 하프 브리지의 스트레인 게이지 (DR12) 는 동일한 측정 스파이크 (1) 위에 배치되고, 다른 두 스트레인 게이지들 (DR22, DR41) 은 그와 다른 측정 스파이크들 (2, 4) 위에 배치된다.
도면 1b 와 도면 1c 에는, 도면 1a 에 도시된 제 1 실시형태에 따른 브리지 회로들 안에서의 스트레인 게이지들의 저항들의 상호접속이 도시된다.
도면 1b 에는, 브리지 전압들 (UA, UB) 의 교차 비교를 위해 제 1 브리지 전압 (UA) 을 제공하는 제 1 브리지 회로가 도시된다. 도면 1a 에 도시된 바와 같이, 이 브리지 회로를 위해 3개의 스트레인 게이지들은 각각 상이한 측정 스파이크들 위에 배치된다. 상기 예에서 나타난 바와 같이, DR12 와 DR11 은 측정 스파이크 (1) 의 마주 보고 있는 측들에 배치되고, 그러나 DR41 은 측정 스파이크 (4) 위에 배치되고 DR22 는 측정 스파이크 (2) 위에 배치된다. 한 하프 브리지는 측정 스파이크 (2) 위의 DR22 와 함께 측정 스파이크 (1) 위의 DR11 로 형성되고, 이때 DR22 는 DR11 이 배치된 측정 스파이크 (1) 측과 마주 보고 있는 측정 스파이크 (2) 측에 배치된다. 다른 말로 하자면, DR11 과 DR22 는 이웃한 측정 스파이크들 위에 배치되고, 보다 정확히 말하면 상기 이웃한 측정 스파이크들의 마주 보고 있는 측들에 배치된다. 이는 DR12 와 DR41 에게 유사하게 적용된다.
도면 1c 는 제 1 브리지 회로의 브리지 전압 (UA) 과의 교차 비교를 위해 제 2 브리지 전압 (UB) 을 제공하는 제 2 브리지 회로의 상호접속을 나타낸다. 상기 브리지 회로의 상호접속은 도면 1b 에 도시된 제 1 브리지 회로와 유사하다.
도 1a 에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 브리지 회로 안에도 3개의 스트레인 게이지들은 각각 상이한 측정 스파이크들 위에 배치된다. 여기에서, DR32 와 DR31 은 측정 스파이크 (3) 위에 배치되고, 그러나 DR42 는 측정 스파이크 (4) 위에 배치되고 DR21 은 측정 스파이크 (2) 위에 배치된다. 한 하프 브리지는 측정 스파이크 (2) 위의 DR21 와 측정 스파이크 (3) 위의 DR32 의 저항들로 형성되고, 이때 DR21 은 측정 스파이크 (3) 위의 DR32 의 마주 보고 있는 측정 스파이크측에서 측정 스파이크 (2) 위에 배치된다. 제 2 하프 브리지는 측정 스파이크 (3) 위의 DR31 과 측정 스파이크 (4) 위의 DR42 의 저항들로 형성된다.
도면 2a 는 제 2 실시형태에 따른, 측정 스파이크들에 배치된 스트레인 게이지들과, 브리지 전압을 결정하기 위한 측정 장치들을 갖는 상기 측정 스파이크들의 도식적인 묘사의 도면을 나타낸다. 상기 제 2 실시형태에서, 마주 보고 있는 측정 스파이크들 (1, 3) 위의 2개의 스트레인 게이지들 (DR11, DR32) 은 하나의 하프 브리지를 형성하기 위해 상호접속되고, 다른 마주 보고 있는 두 측정 스파이크들 (2, 4) 위의 2개의 스트레인 게이지들 (DR22, DR41) 은 하나의 제 2 하프 브리지를 형성하기 위해 상호접속된다.
도면 2b 에는, 브리지 전압들 (UA, UB) 의 교차 비교를 위해 브리지 전압 (UA) 을 제공하는 제 1 브리지 회로가 도시된다. 도 2b 에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 브리지 회로 안에서 4개의 스트레인 게이지들은 각각 상이한 측정 스파이크들 위에 배치된다. 도시된 실시형태에서 DR11 은 측정 스파이크 (1) 위에 배치되고, DR32 는 측정 스파이크 (3) 위에 배치되고, DR22 는 측정 스파이크 (2) 위에 배치되고, DR41 은 측정 스파이크 (4) 위에 배치된다.
한 하프 브리지는 마주 보고 있는 측정 스파이크 (3) 위의 DR32 와 측정 스파이크 (1) 위의 DR11 의 저항들로 형성된다. 제 2 하프 브리지는 측정 스파이크 (2) 위의 DR22 와 측정 스파이크 (4) 위의 DR41 로 형성된다.
도면 2c 는 제 1 브리지 회로의 브리지 전압 (UA) 과의 교차 비교를 위해 제 2 브리지 전압 (UB) 을 제공하는 제 2 브리지 회로의 상호접속을 나타낸다. 상기 브리지 회로의 상호접속은 도면 2b 에 도시된 제 1 브리지 회로와 유사하다.
도면 2a 에 도시된 바와 같이, DR21 은 측정 스파이크 (2) 위에 배치되고, DR42 는 측정 스파이크 (4) 위에 배치되고, DR12 는 측정 스파이크 (1) 위에 배치되고, DR31 은 측정 스파이크 (3) 위에 배치된다.
모든 4개의 스트레인 게이지들이 각각의 브리지 회로 안에서 토크 센서 (10) 의 상이한 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 위에 배치되는 도 2 에 도시된 실시형태는, 이미 위에서 기술한 바와 같이 예컨대 상기 측정 스파이크들의 압축에 의한, 그리고 상기 토크 센서의 내부 측정 허브 (12) 에서 작용하는 횡력들, 축방향 힘들 또는 굽힘 모멘트들에 의한, 토크 부하와 관련 없는 상기 측정 스파이크들의 변형이 최대로 보상될 수 있다는 장점을 갖는데, 왜냐하면 각각의 측정 스파이크 위의 스트레인 게이지들이 두 브리지 회로들 안에서 상호접속되어 있기 때문이다. 상기 두 브리지 회로들의 후속하는 교차 비교에 있어서, “보다 정확한”그리고 “보다 확실한”측정값이 검출될 수 있다. 또한, 오류 허용오차들은, “진짜”오류가 존재한다는 것을 인식하기 위해, 보다 좁게 선택될 수 있다.
도면 3 에는, 제 3 실시형태에 따른, 측정 스파이크들에 배치된 스트레인 게이지들과, 브리지 전압을 결정하기 위한 측정 장치들을 갖는 상기 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 의 도식적인 도면이 도시된다. 이 실시형태는 도 2 에 도시된 것에 대한 대안이고, 상기 대안에 있어서도 적어도 2개의 브리지 회로들의 각각 안에서 4개의 스트레인 게이지들은 토크 센서 (10) 의 각각 상이한 측정 스파이크들 위에 배치된다.
도면 3a 는 이웃한 측정 스파이크들 (1, 2) 위의 2개의 스트레인 게이지들 (DR11, DR22) 이 제 1 하프 브리지 안에서 상호접속되고, 다른 이웃한 측정 스파이크들 (3, 4) 위의 각각 2개의 스트레인 게이지들 (DR32, DR41) 의 저항들이 제 2 하프 브리지 안에서 상호접속되는 것을 나타낸다.
도면 3b 에는, 브리지 전압들 (UA, UB) 의 교차 비교를 위해 제 1 브리지 전압 (UA) 을 제공하는 제 1 브리지 회로가 도시된다. 도 3b 에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 브리지 회로 안에서 4개의 스트레인 게이지들은 각각 상이한 측정 스파이크들 위에 배치된다. 도시된 실시형태에서 DR11 은 측정 스파이크 (1) 위에 배치되고, DR22 는 측정 스파이크 (2) 위에 배치되고, DR32 는 측정 스파이크 (3) 위에 배치되고, DR41 은 측정 스파이크 (4) 위에 배치된다.
한 하프 브리지는 측정 스파이크 (2) 위의 DR22 와 측정 스파이크 (1) 위의 DR11 의 저항들로 형성되고, 이때 DR11 은 측정 스파이크 (2) 위의 DR22 의 마주 보고 있는 측정 스파이크측에서 측정 스파이크 (1) 위에 배치된다. 달리 말하면: DR11 은 DR22 의 상기 측과 마주 보고 있는 측정 스파이크 (1) 측에서 측정 스파이크 (1) 에 배치된다. 제 2 하프 브리지는 측정 스파이크 (3) 위의 DR32 와 측정 스파이크 (4) 위의 DR41 의 저항들로 형성된다.
도면 3c 는 제 1 브리지 회로의 브리지 전압 (UA) 과의 교차 비교를 위해 제 2 브리지 전압 (UB) 을 제공하는 제 2 브리지 회로의 상호접속을 나타낸다. 상기 브리지 회로의 상호접속은 도면 3b 에 도시된 제 1 브리지 회로와 유사하다.
도면 3a 에 도시된 바와 같이, DR12 는 측정 스파이크 (1) 위에 배치되고, DR21 은 측정 스파이크 (2) 위에 배치되고, DR31 은 측정 스파이크 (3) 위에 배치되고, DR42 는 측정 스파이크 (4) 위에 배치된다.
상기 제 2 브리지 회로의 한 하프 브리지는 측정 스파이크 (2) 위의 DR21 과 측정 스파이크 (1) 위의 DR12 의 저항들로 형성되고, 이때 DR12 는 측정 스파이크 (2) 위의 DR21 의 마주 보고 있는 측정 스파이크측에서 측정 스파이크 (1) 위에 배치된다. 제 2 하프 브리지는 DR12 와 마주 보고 있는 측정 스파이크 (3) 위의 DR31 와, 측정 스파이크 (4) 위의 DR42 로 형성되고, 이때 DR31 은 DR42 의 마주 보고 있는 측정 스파이크측에 있다.
도면 2 와 도면 3 에 도시된 회로들은 본질적으로 브리지 회로들 안에서의 스트레인 게이지들의 상호접속에 의해서만 구별된다. 상기 두 도면은 각각 4개의 스트레인 게이지들이 모든 4개의 측정 스파이크들 위에 배치되는 실시형태들을 나타낸다. 이 대안들 중 하나에 찬성하는 또는 반대하는 결정은 예컨대 브리지 전기공급의 가용성 및 회로 레이아웃 안의 질량에 의존한다.

Claims (11)

  1. 특히 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 토크 센서 (10) 로서,
    상기 토크 센서는 토크의 작용하에 변형되도록 설계된 다수의 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4); 및
    다수의 스트레인 게이지들 (DR11, DR12, DR21, DR22, DR31, DR32, DR41, DR42) 을 구비하고,
    각각 2개의 스트레인 게이지들은 상기 다수의 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 의 2개의 마주 보고 있는 측들에 배치되고, 다수의 스트레인 게이지들은 각각 적어도 2개의 브리지 회로들 중 하나 안에서 상호접속되고,
    상기 적어도 2개의 브리지 회로들의 각각 안에서 적어도 3개의 스트레인 게이지들은 각각 상이한 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 위에 배치되는 것을 특징으로 하는, 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 토크 센서 (10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 브리지 회로들의 각각은 브리지 전압 (UA, UB) 을 가지며, 안전한 신호는 상기 2개의 브리지 회로들의 상기 브리지 전압들 (UA, UB) 의 교차 비교로부터 형성되는, 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 토크 센서 (10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 브리지 회로는 4개의 스트레인 게이지들을 가지며, 상기 4개의 스트레인 게이지들은 각각의 브리지 회로 안에서 상기 토크 센서 (10) 의 상이한 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 위에 배치되는, 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 토크 센서 (10).
  4. 제 3 항에 있어서,
    이웃한 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들 (DR11, DR22) 은 제 1 하프 브리지 안에서 상호접속되고, 다른 이웃한 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들 (DR42, DR31) 은 제 2 하프 브리지 안에서 상호접속되는, 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 토크 센서 (10).
  5. 제 3 항에 있어서,
    마주 보고 있는 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들 (DR11, DR32) 은 각각 하나의 하프 브리지를 형성하기 위해 상호접속되고, 다른 마주 보고 있는 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들 (DR22, DR41) 은 각각 하나의 제 2 하프 브리지를 형성하기 위해 상호접속되는, 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 토크 센서 (10).
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    이웃한 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들 (DR11, DR22) 은 제 1 하프 브리지 안에서 상호접속되고, 이웃한 측정 스파이크들 위의 2개의 스트레인 게이지들 (DR12, DR41) 은 제 2 하프 브리지 안에서 상호접속되고,
    상기 제 1 하프 브리지의 스트레인 게이지 (DR11) 와 상기 제 2 하프 브리지의 스트레인 게이지 (DR12) 는 동일한 측정 스파이크 위에 배치되고, 다른 두 스트레인 게이지들 (DR22, DR41) 은 그와 다른 측정 스파이크들 위에 배치되는, 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 토크 센서 (10).
  7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 하프 브리지와 상기 제 2 하프 브리지는 하나의 브리지 회로를 형성하기 위해 상호접속되는, 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 토크 센서 (10).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토크 센서 (10) 는 외부링 (11) 과 내부링 또는 허브 (12) 를 갖는 스파이크 센서로서 형성되고, 상기 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 은 외부링과 허브를 연결하는, 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 토크 센서 (10).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 토크 센서 (10) 는, 동일한 각도로 상기 내부링 또는 상기 허브 (12) 둘레에 배치되는 정확히 3개의 또는 정확히 4개의 측정 스파이크들을 구비하는, 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 토크 센서 (10).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 토크 센서 (10) 로 토크를 검출하기 위한, 특히 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    다수의 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 에서의 스트레인 게이지들 (DR11, DR12, DR21, DR22, DR31, DR32, DR41, DR42) 의 도움으로 토크를 측정하는 단계로서, 각각 2개의 스트레인 게이지들은 상기 다수의 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 중 하나의 마주 보고 있는 측들에 배치되어 있는, 상기 토크를 측정하는 단계; 및
    적어도 2개의 브리지 회로들의 도움으로, 상기 스트레인 게이지들 (DR11, DR12, DR21, DR22, DR31, DR32, DR41, DR42) 에 의해 제공된 신호들을 평가하는 단계로서, 상기 적어도 2개의 브리지 회로들의 각각 안에는, 상이한 측정 스파이크들 (1, 2, 3, 4) 위에 배치되어 있는 적어도 3개의 스트레인 게이지들이 상호접속되어 있는, 상기 제공된 신호들을 평가하는 단계를 포함하는, 토크 센서 (10) 로 토크를 검출하기 위한, 특히 관절식 암 로봇의 관절에서 또는 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 방법.
  11. 관절을 통하여 움직일 수 있게 로봇의 다른 부품에 배치된 적어도 하나의 로봇암을 갖는 상기 관절식 암 로봇으로서,
    상기 로봇은 상기 관절에서 또는 상기 관절 안에서 발생하는 토크를 검출하기 위한 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 토크 센서 (10) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 관절식 암 로봇.
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