KR20190007477A - 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서 - Google Patents

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KR20190007477A
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elastic beam
beams
center
cylindrical housing
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천 리
주위루 요우
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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 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서는, 원통형 하우징(1), 원통형 하우징(1) 내벽에 설치되는 베이스(2), 베이스(2)와 연결되는 8 개의 크기와 구조가 동일한 제 1 탄성빔(4), 원통형 하우징(1) 중심에 설치되는 중심 보스(3), 중심 보스(3)와 제 1 탄성빔(4)에 연결되는 4 개의 크기와 구조가 동일한 제 2 탄성빔(5)을 포함하되, 4 개의 제 2 탄성빔(5)은 십자형으로 설치되고, 8 개의 제 1 탄성빔(4)과 4 개의 제 2 탄성빔(5)에는 다수의 스트레인 게이지(7)가 각각 부착되어, 각각 풀 브리지 회로를 구성한다. 이 센서는 구조가 간단하고, 부피가 작으며, 6 개 방향으로 구조가 자가 디커플링될 수 있어, 현재 산업 시스템에 조립사용되기 적합하고; 또한 원통형 하우징(1), 베이스(2), 중심 보스(3), 제 1 탄성빔(4)과 제 2 탄성빔(5)은 일체화된 부품으로서, 조립할 필요가 없고, 강도가 높고, 강성이 크며, 고유 주파수가 높고, 선형도, 중복성과 지연성이 모두 이상적인 장점이 있다.

Description

컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서
본 발명은 자동화 기술분야에 관한 것으로, 특히 컴팩트 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 힘과 토크 센서는 탄성체 크기가 작아 부피가 줄어들지만, 이에 부착되는 스트레인 게이지의 개수도 비교적 적어, 임의의 하나의 방향이거나 임의의 몇가지 방향의 힘 또는 토크는 기타 방향의 출력과 구조의 크기에 의하여 추산해야 하되, 이는 시스템 오차가 커지게 되고;
기존의 6 차원 힘과 토크 RSS 센서의 탄성체는 구형 힌지에 의하여 각 탄성빔을 연결시켜, 자가 디커플링되고, 정도가 높은 등 디자인 수요를 충족시킬 수 있으나, 탄성체 자체가 조립공정에 대한 요구가 높고, 조립의 정도 역시 탄성체의 정도와 디커플링에 영향을 주고, 이밖에, 이러한 센서의 고유 주파수 또한 그다지 높지 않으며;
기존의 비커플링 6 차원 힘과 토크 센서는 대부분 조립에 의하여 결합되어야 하되, 조립 공정에 대한 요구가 비교적 높다.
이를 감안하여, 본 발명은 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서를 제공하는 것으로, 이는 6 개 방향으로 구조가 자가 디커플링될 수 있고, 강도가 높고, 강성이 크며, 고유 주파수가 높고, 동적 측정이 가능하며, 정도가 높고, 구조 크기가 작은 특징을 구비한다.
본 발명은 이하 기술적 해결수단을 통하여 상기 문제를 해결한다.
본 발명의 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서는, 원통형 하우징, 상기 원통형 하우징 내벽에 설치되는 베이스, 상기 베이스와 연결되는 8 개의 크기와 구조가 동일한 제 1 탄성빔, 상기 원통형 하우징 중심에 설치되는 중심 보스, 상기 중심 보스와 상기 제 1 탄성빔에 연결되는 4 개의 크기와 구조가 동일한 제 2 탄성빔을 포함하되, 4 개의 상기 제 2 탄성빔은 십자형으로 설치되고, 8 개의 상기 제 1 탄성빔과 4 개의 상기 제 2 탄성빔에는 다수의 스트레인 게이지가 각각 부착되어, 각각 풀 브리지 회로를 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중심 보스는 원형을 이루되, 원형의 상기 중심 보스의 중간에는 연결 고정하기 위한 M 2.5의 제 1 나사홀과 Φ 1.5의 핀홀이 구비된다.
또한, 상기 제 1 나사홀은 4 개 있고, 상기 핀홀은 2 개 있으며, 4 개의 상기 제 1 나사홀은 직사각형을 이루면서 상기 중심 보스에 분포되고, 2 개의 상기 핀홀은 직사각형을 이루면서 분포되는 4 개의 상기 제 1 나사홀의 양측에 각각 설치된다.
또한, 상기 제 2 탄성빔의 최상부는 상기 제 1 탄성빔의 최상부보다 높고, 상기의 제 2 탄성빔의 저부는 상기의 제 1 탄성빔의 저부보다 낮다.
또한, 매 하나의 상기 제 2 탄성빔은 이와 연결되는 두개의 상기 제 1 탄성빔과 각각 수직되게 설치된다.
또한, 상기 제 1 탄성빔의 상면과 하면은 상기 스트레인 게이지를 부착하기 위한 제 1 부착 영역이다.
또한, 상기 제 2 탄성빔의 중심에는 관통되는 홈이 상기 제 2 탄성빔의 높이방향으로 개구설치되고, 상기 홈은 상기 제 2 부착영역의 스트레인을 증가하기 위한 것이다.
또한, 상기 제 2 탄성빔의 상기 제 1 탄성빔과 연결되는 일단은 제 2 조정 영역이고, 상기 홈이 위치하는 영역의 제 2 빔 외측면은 상기 스트레인 게이지를 부착하기 위한 제 2 부착 영역이며, 상기 제 2 조정 영역은 상기 제 1 부착 영역의 스트레인과 상기 제 2 탄성빔의 강도를 증가하기 위한 것이다.
본 발명의 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서는, 상기 중심 보스가 힘과 토크를 작용할 때, 상기 베이스와 상기 중심 보스는 강성으로서, 변형되지 않고, 8 개의 상기 제 1 탄성빔과 4 개의 상기 제 2 탄성빔은 모두 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 간단하고, 부피가 작으며, 6 개 방향으로 구조가 자가 디커플링될 수 있어, 현재 산업 시스템에 조립사용되기 적합하고; 또한 상기 원통형 하우징, 상기 베이스, 상기 중심 보스, 상기 제 1 탄성빔과 상기 제 2 탄성빔은 일체화된 부품으로서, 조립할 필요가 없고, 강도가 높고, 강성이 크며, 고유 주파수가 높고, 선형도, 중복성과 지연성이 모두 이상적인 장점이 있다. 이밖에, 상기 제 1 탄성빔과 상기 제 2 탄성빔의 크기를 변화시켜 센서의 레인지를 임의로 변화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서에 스트레인 게이지를 부착하기 전의 구조 모식도이다.
도 2는 본 발명의 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서에 스트레인 게이지를 부착한 후의 구조 모식도이다.
도 3은 본 발명의 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서의 스트레인 게이지의 분포 모식도이다.
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 묘사를 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 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서는, 원통형 하우징(1), 상기 원통형 하우징(1) 내벽에 설치되는 베이스(2), 4 개의 상기 베이스(2)와 각각 연결되는 8 개의 크기와 구조가 동일한 제 1 탄성빔(4), 상기 원통형 하우징(1) 중심에 설치되는 중심 보스(3), 상기 중심 보스(3)와 상기 제 1 탄성빔(4)에 연결되는 4 개의 크기와 구조가 동일한 제 2 탄성빔(5), 4 개의 상기 제 2 탄성빔(5)은 십자형으로 설치되고, 8 개의 상기 제 1 탄성빔(4)과 4 개의 상기 제 2 탄성빔(5)에는 다수의 스트레인 게이지(7)가 각각 부착되어, 각각 풀 브리지 회로를 구성한다.
본 실시예에 따른 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서는, 상기 중심 보스(3)가 힘과 토크를 작용할 때, 상기 베이스(2)와 상기 중심 보스(3)는 강성으로서 변형되지 않고, 8 개의 상기 제 1 탄성빔(4)과 4 개의 상기 제 2 탄성빔(5)은 모두 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 간단하고, 부피가 작으며, 6 개 방향으로 구조가 자가 디커플링될 수 있어, 현재 산업 시스템에 조립사용되기 적합하고; 또한 상기 원통형 하우징(1), 상기 베이스(2), 상기 중심 보스(3), 상기 제 1 탄성빔(4)과 상기 제 2 탄성빔(5)은 일체화된 부품으로서, 조립할 필요가 없고, 강도가 높고, 강성이 크며, 고유 주파수가 높고, 선형도, 중복성과 지연성이 모두 이상적인 장점이 있다. 이밖에, 상기 제 1 탄성빔(4)과 상기 제 2 탄성빔(5)의 크기를 변화시켜 센서의 레인지를 임의로 변화시킬 수 있다.
본 실시예에서, 상기 중심 보스(3)는 원형으로서, 원형의 상기 중심 보스(3)의 중간에는 연결 고정하기 위한 M 2.5의 제 1 나사홀(31)과 Φ 1.5의 핀홀(32)이 구비되고, 상기 제 1 나사홀(31)과 상기 핀홀(32)은 연결 플랜지와 간격없이 긴밀하게 결합될 수 있어, 동적측정(예, 왕복운동)을 구현할 수 있다.
사용의 편리를 위하여, 상기 기술적 해결수단을 더욱 개선함에 있어서, 상기 제 1 나사홀(31)은 4 개 있고, 상기 핀홀(32)은 2 개 있으며, 4개의 상기 제 1 나사홀(31)은 직사각형을 이루면서 상기 중심 보스(3)에 분포되고, 2 개의 상기 핀홀(32)은 직사각형을 이루면서 분포되는 4 개의 상기 제 1 나사홀(31)의 양측에 각각 설치된다.
본 실시예에서, 4 개의 상기 베이스(2)에는 하우징을 장착하고 보호하기 위한 제 2 나사홀(6)이 각각 구비된다.
이 탄성체의 성능을 향상시키기 위하여, 상기 기술적 해결수단을 더욱 개선함에 있어서, 상기 제 2 탄성빔(5)의 최상부는 상기 제 1 탄성빔(4)의 최상부보다 높고, 상기 제 2 탄성빔(5)의 저부는 상기 제 1 탄성빔(4)의 저부보다 낮다.
이 탄성체의 성능을 향상시키기 위하여, 상기 기술적 해결수단을 더욱 개선함에 있어서, 매 하나의 상기 제 2 탄성빔(5)은 이와 연결되는 두개의 상기 제 1 탄성빔(4)과 각각 수직되게 설치되고, 상기 제 1 탄성빔(4)의 높이는 상기 제 2 탄성빔(5)의 높이의 1/3이다.
구체적으로, 상기 제 1 탄성빔(4)의 상면과 하면은 상기 스트레인 게이지(7)를 부착하기 위한 제 1 부착영역이다.
본 실시예에서, 상기 제 2 탄성빔(5)의 중심에는 관통되는 홈(51)이 상기 제 2 탄성빔(5)의 높이방향으로 개구설치되고, 상기 홈(51)은 상기 제 2 부착영역의 스트레인을 증가하기 위한 것이다.
본 실시예에서, 상기 홈(51)에는 수요에 따라 직사각형 요홈이 개구설치되고, 통상적으로, 상기 홈(51)은 '土'자형 구조이다.
구체적으로, 상기 제 2 탄성빔(5)의 상기 제 1 탄성빔(4)과 연결되는 일단은 제 2 조정 영역이고, 상기 홈(51)이 위치하는 영역의 제 2 빔 외측면은 상기 스트레인 게이지를 부착하기 위한 제 2 부착영역이며, 상기 제 2 부착영역은 구체적으로 상기 제 2 탄성빔(5)과 상기 홈(51)으로 형성된 벽두께가 비교적 좁은 부분의 외측면에 위치하고, 상기 제 2 조정 영역은 상기 제 1 부착영역의 스트레인과 상기 제 2 탄성빔(5)의 강도를 증가하기 위한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 8 개의 상기 제 1 탄성빔(4)은 각각 제 1 탄성빔(401), 제 1 탄성빔(402), 제 1 탄성빔(403), 제 1 탄성빔(404), 제 1 탄성빔(405), 제 1 탄성빔(406), 제 1 탄성빔(407), 제 1 탄성빔(408)이고, 4 개의 상기 제 2 탄성빔(5)은 각각 제 2 탄성빔(501), 제 2 탄성빔(502), 제 2 탄성빔(503), 제 2 탄성빔(504)이며, 상기 제 1 탄성빔(401)과 상기 제 1 탄성빔(402)은 상기 제 2 탄성빔(501)에 대칭되게 설치되고, 상기 제 1 탄성빔(403)과 상기 제 1 탄성빔(404)은 상기 제 2 탄성빔(502)에 대칭되게 설치되며, 상기 제 1 탄성빔(405)과 상기 제 1 탄성빔(406)은 상기 제 2 탄성빔(503)에 대칭되게 설치되고, 상기 제 1 탄성빔(407)과 상기 제 1 탄성빔(408)은 상기 제 2 탄성빔(504)에 대칭되게 설치되며;
다수의 상기 스트레인 게이지(7)는 각각 Rn(n＝1, 2, 3, 4……)으로 표시되는 바,
도 2, 도 3에 도시된 바와 같이, R1은 상기 제 1 탄성빔(401)의 상면에서의 상기 베이스(2)와 근접하는 일단에 설치되고, R2는 상기 제 1 탄성빔(401)의 하면에서의 상기 제 2 탄성빔(501)과 근접하는 일단에 설치되며, R3은 상기 제 1 탄성빔(402)의 상면에서의 상기 제 2 탄성빔(501)과 근접하는 일단에 설치되고, R4는 상기 제 1 탄성빔(402)의 하면에서의 상기 베이스(2)와 근접하는 일단에 설치되며, R5는 상기 제 1 탄성빔(403)의 상면에서의 상기 베이스(2)와 근접하는 일단에 설치되고, R6은 상기 제 1 탄성빔(404)의 하면에서의 상기 베이스(2)와 근접하는 일단에 설치되며, R7은 상기 제 1 탄성빔(405)의 상면에서의 상기 베이스(2)와 근접하는 일단에 설치되고, R8은 상기 제 1 탄성빔(405)의 하면에서의 상기 제 2 탄성빔(503)과 근접하는 일단에 설치되며, R9는 상기 제 1 탄성빔(406)의 상면에서의 상기 제 2 탄성빔(503)과 근접하는 일단에 설치되고, R10은 상기 제 1 탄성빔(406)의 하면에서의 상기 베이스(2)와 근접하는 일단에 설치되며, R11은 상기 제 1 탄성빔(407)의 상면에서의 상기 베이스(2)와 근접하는 일단에 설치되고, R12는 상기 제 1 탄성빔(408)의 하면에서의 상기 베이스(2)와 근접하는 일단에 설치되며;
R13, R14와 R16, R15는 각각 상기 제 2 탄성빔(501)의 중심선에 대칭되게 설치되고, R17과 R18은 상기 제 2 탄성빔(502)의 중심선에 대칭되게 설치되며, R19, R20과 R22, R21은 각각 상기 제 2 탄성빔(503)의 중심선에 대칭되게 설치되고, R23과 R24는 상기 제 2 탄성빔(504)의 중심선에 대칭되게 설치된다.
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 1에 도시된 바와 같이,
1: 원통형 하우징, 2: 베이스, 3: 중심 보스, 31: 제 1 나사홀, 32: 핀홀, 4: 제 1 탄성빔, 5: 제 2 탄성빔, 51: 홈, 6: 제 2 나사홀, 7: 스트레인 게이지;
도 2에 도시된 바와 같이,
401: 제 1 탄성빔, 402: 제 1 탄성빔, 403: 제 1 탄성빔, 404: 제 1 탄성빔, 405: 제 1 탄성빔, 406: 제 1 탄성빔, 407: 제 1 탄성빔, 408: 제 1 탄성빔;
도 2에 도시된 바와 같이,
501: 제 2 탄성빔, 502: 제 2 탄성빔, 503: 제 2 탄성빔, 504: 제 2 탄성빔.

Claims (8)

  1. 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서에 있어서,
    이는 원통형 하우징, 상기 원통형 하우징 내벽에 설치되는 베이스, 상기 베이스와 연결되는 8 개의 크기와 구조가 동일한 제 1 탄성빔, 상기 원통형 하우징 중심에 설치되는 중심 보스, 상기 중심 보스와 상기 제 1 탄성빔에 연결되는 4 개의 크기와 구조가 동일한 제 2 탄성빔을 포함하되, 4 개의 상기 제 2 탄성빔은 십자형으로 설치되고, 8 개의 상기 제 1 탄성빔과 4 개의 상기 제 2 탄성빔에는 다수의 스트레인 게이지가 각각 부착되어, 각각 풀 브리지 회로를 구성하는 것을 특징으로 하는 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심 보스는 원형을 이루되, 원형의 상기 중심 보스의 중간에는 연결 고정하기 위한 M 2.5의 제 1 나사홀과 Φ 1.5의 핀홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 나사홀은 4 개 있고, 상기 핀홀은 2 개 있으며, 4 개의 상기 제 1 나사홀은 직사각형을 이루면서 상기 중심 보스에 분포되고, 2 개의 상기 핀홀은 직사각형을 이루면서 분포되는 4 개의 상기 제 1 나사홀의 양측에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 탄성빔의 최상부는 상기 제 1 탄성빔의 최상부보다 높고, 상기의 제 2 탄성빔의 저부는 상기 제 1 탄성빔의 저부보다 낮은 것을 특징으로 하는 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    매 하나의 상기 제 2 탄성빔은 이와 연결되는 두개의 상기 제 1 탄성빔과 각각 수직되게 설치되는 것을 특징으로 하는 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 탄성빔의 상면과 하면은 상기 스트레인 게이지를 부착하기 위한 제 1 부착 영역인 것을 특징으로 하는 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 탄성빔의 중심에는 관통되는 홈이 상기 제 2 탄성빔의 높이방향으로 개구설치되는 것을 특징으로 하는 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 탄성빔의 상기 제 1 탄성빔과 연결되는 일단은 제 2 조정 영역이고, 상기 홈이 위치하는 영역의 제 2 빔 외측면은 상기 스트레인 게이지를 부착하기 위한 제 2 부착 영역이며, 상기 제 2 조정 영역은 상기 제 1 부착 영역의 스트레인과 상기 제 2 탄성빔의 강도를 증가하기 위한 것임을 특징으로 하는 컴팩트 6 차원 힘과 토크 센서.
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