KR100471642B1 - Small 6-axis force/moment sensor in size and capacity - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3개방향의 힘(Fx, Fy, Fz)와 3개방향의 모멘트(Mx, My, Mz)를 동시에 측정할 수 있고, 크기와 정격용량이 매우 작은, 즉 크기가 가로 및 세로의 길이가 각각 37 mm 이하, 높이가 70 mm 이하이며, 최소 정격용량이 힘 Fx=Fy=Fz=20 N 이하, 모멘트 Mx=My=Mz=1 Nm 이하인 소형 6축 힘/모멘트 센서에 관한 것으로, 상부 힘/모멘트 전달블록을 중심으로 전후 및 좌우에 각각 1개씩의 평행평판보가 십자형으로 연결되어 있고 각 평행평판보 끝에는 상부 고정블록이 각각 결합되어 힘 Fz, 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서와; 하부 힘/모멘트 전달블록 중앙에 수직으로 2개의 평행평판보가 일직선으로 결합되고 그 끝에 중앙 고정블록이 결합되어 힘 Fx, Fy 및 모멘트 Mz를 감지하는 하부감지센서로 이루어지되; 상기 상부감지센서와 하부감지센서가 분리되고 이것을 나사를 이용하여 고정하여 한 몸체로 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 본 발명에 따른 소형 6축 힘/모멘트 센서는 서로 독립되어 있는 상부감지센서와 하부감지센서로 구분되어 있고, 설계변수가 두께, 폭, 길이 중앙 중심블록의 수직축으로부터 각 평행평판보의 끝지점까기의 거리 및 평판보사이의 거리로 매우 많은 변수를 가지고 있으므로 같은 정격변형률을 갖고 각각의 힘(Fx, Fy, Fz)과 각각의 모멘트(Mx, My, Mz)의 같은 정격용량 혹은 각각 다른 정격용량을 갖는 소형 6축 힘/모멘트 센서를 설계할 수 있고, 아울러 상호간섭오차가 이론해석과 유한요소해석결과 모두 0인 우수한 센서로서 소형 6축 힘/모멘트 센서로 사용될 수 있다.The present invention can measure the forces in three directions (Fx, Fy, Fz) and the moments in three directions (Mx, My, Mz) at the same time, and the size and rated capacity are very small, that is, the size of the horizontal and vertical A small six-axis force / moment sensor having a length of 37 mm or less, a height of 70 mm or less, a minimum rated capacity of force Fx = Fy = Fz = 20 N or less, and a moment Mx = My = Mz = 1 Nm or less, Upper sensing sensor that detects the force Fz, Moment Mx, My by connecting the parallel flat beams at the front, rear, left and right sides of the upper force / moment transfer block, and each of the parallel flat beams. Wow; Two parallel flat beams are vertically coupled to the center of the lower force / moment transmission block and a central fixed block is coupled to the end thereof to constitute a lower sensing sensor for sensing the forces Fx, Fy and moment Mz; The upper detection sensor and the lower detection sensor is separated and characterized in that consisting of a body by fixing it using a screw. The small six-axis force / moment sensor according to the present invention as described above is divided into upper and lower sensing sensors that are independent of each other, and the design parameters of the parallel flat beams from the vertical axis of the thickness, width and length of the central block The distance between the end point and the distance between the plate beams has very many variables, so they have the same rated strain and the same rated capacity of each force (Fx, Fy, Fz) and each moment (Mx, My, Mz) or different It is possible to design a small 6-axis force / moment sensor with rated capacity, and can be used as a compact 6-axis force / moment sensor as an excellent sensor with mutual interference error of 0 for both theoretical and finite element analysis results.
Description
본 발명은 3개 방향의 힘(Fx, Fy, Fz)와 3개 방향의 모멘트(Mx, My, Mz)를 동시에 측정할 수 있고, 크기와 정격용량이 매우 작은, 즉 크기가 가로 및 세로의 길이가 각각37 mm 이하, 높이가 70 mm 이하이며, 최소 정격용량이 힘 Fx=Fy=Fz=10 N 이하, 모멘트 Mx=My=Mz=1 Nm 이하인 소형 6축 힘/모멘트 센서에 관한 것으로, 특히 소형 6축 힘/모멘트 센서의 각 센서(힘 Fx 센서, Fy 센서, Fz 센서, 모멘트 Mx 센서, My 센서, Mz 센서)의 모두 같은 정격출력을 갖고 정격용량(정격힘 및 모멘트)를 모두 같게(힘 Fx=Fy=Fz=20 N, 모멘트 Mx=My=Mz=1 Nm) 혹은, 모두 다르게(힘 Fx=20 N, Fy=30 N, Fz=15 N, 모멘트 Mx=1 Nm, My=1.5 Nm, Mz=2 Nm) 설계할 수 있는 구조를 가진 소형 6축 힘/모멘트 센서에 관한 것이다. The present invention can simultaneously measure the forces in three directions (Fx, Fy, Fz) and the moments in three directions (Mx, My, Mz), and the size and rated capacity are very small, i. A small six-axis force / moment sensor having a length of 37 mm or less, a height of 70 mm or less, a minimum rated capacity of force Fx = Fy = Fz = 10 N or less, and a moment Mx = My = Mz = 1 Nm or less, In particular, each sensor (force Fx sensor, Fy sensor, Fz sensor, moment Mx sensor, My sensor, Mz sensor) of the small 6-axis force / moment sensor has the same rated output and the rated capacity (rated force and moment) are the same. (Force Fx = Fy = Fz = 20 N, moment Mx = My = Mz = 1 Nm) or all differently (force Fx = 20 N, Fy = 30 N, Fz = 15 N, moment Mx = 1 Nm, My = 1.5 Nm, Mz = 2 Nm) A compact six-axis force / moment sensor with a design that can be designed.
지금까지 인공지능 로봇의 그리퍼를 제작하는 힘센서는 한 방향 힘감지센서(로드셀)로서, 이것은 로봇의 그리퍼가 잡는 방향의 힘만 측정할 수 있는 것이다. 미지물체를 파괴하거나 떨어지지 않도록 안전하게 잡기 위해서는 물체의 잡는 방향의 힘과 물체의 무게를 측정할 수 있는 힘들을 측정해야 하고, 또한 물체가 그리퍼 내의 어느 위치에 있는지를 파악하기 위해서는 3방향의 모멘트를 측정해야 한다. 그러나 위에서 설명한 로봇의 그리퍼는 한 방향의 힘만 측정하므로 미지물체를 안전하게 잡을 수 없을 뿐만 아니라, 그리퍼 내에서 물체의 위치를 정확하게 파악할 수 없었다.Until now, the force sensor that manufactures the gripper of an artificial intelligence robot is a one-way force sensor (load cell), which can measure only the force in the direction of the gripper of the robot. In order to safely grasp the unknown object, it is necessary to measure the force of the holding direction of the object and the force that can measure the weight of the object, and to measure the moment in three directions to determine where the object is in the gripper. Should be. However, the gripper of the robot described above cannot measure the unknown object safely because it only measures the force in one direction, and also cannot accurately locate the object in the gripper.
따라서 미지물체를 깨뜨리거나 떨어뜨리지 않도록 안전하게 잡고, 물체의 위치를 로봇 그리퍼 내에서의 위치를 파악하기 위해서는 로봇 그리퍼를 로봇 그리퍼용 6축 힘/모멘트 센서로 로봇의 그리퍼를 구성하여 제작해야 한다. 따라서 로봇 그리퍼는 물체를 잡는 방향의 힘과 물체의 무게를 측정할 수 있는 힘들 및 그리퍼 내에서 물체의 위치를 파악하기 위한 모멘트들의 정격용량이 각각 다르기 때문에 같은 정격출력을 갖고 다른 정격용량을 갖는 6축 힘/모멘트 센서로 구성되어야 한다. Therefore, in order to securely hold the unknown object so as not to break or drop it, and to grasp the position of the object within the robot gripper, the robot gripper should be manufactured by constructing the gripper of the robot with a 6-axis force / moment sensor for the robot gripper. Therefore, the robot gripper has the same rated power and different rated capacity because the force in the direction of holding the object, the force to measure the weight of the object, and the moment capacity of the moments to locate the object in the gripper are different. It must consist of an axial force / moment sensor.
즉 로봇 그리퍼용 6축 힘/모멘트 센서의 구조는 같은 정격출력을 갖고 다양한 정격용량을 갖는 6축 힘/모멘트 센서로 설계되어야 한다. That is, the structure of the 6-axis force / moment sensor for the robot gripper should be designed as a 6-axis force / moment sensor with the same rated power and various rated capacities.
한편, 종래에도 다양한 구조의 로봇 그리퍼용 6축 힘/모멘트 센서들이 제안되었는바, 그중 도 4(a)와 같은 일본특허 제3,044,233호에 나타난 6분력 로드셀은 힘 Fz과 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부 감지센서와, 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지하는 하부 감지센서로 구성되어 있다. 상부 감지센서 및 하부 감지센서 모두 감지부의 폭(b), 두께(t), 길이(l)의 크기를 조절하여 각 센서를 설계하기 때문에 힘 Fx 센서, Fy 센서, Fz 센서 혹은 모멘트 Mx 센서, My 센서, Mz 센서의 정격용량을 모두 같도록 설계 혹은 원하는 정격용량으로 6축 힘/모멘트 센서로 설계할 수 없기 때문에 도 4(a)에 나타낸 6축 로드셀은 로봇 그리퍼용 센서로 부적합하였다.Meanwhile, six-axis force / moment sensors for robot grippers having various structures have been proposed in the related art. Among them, the six-component load cell shown in Japanese Patent No. 3,044,233 as shown in FIG. 4 (a) is used to detect the force Fz and the moments Mx and My. It consists of an upper sensing sensor and a lower sensing sensor that senses the forces Fx, Fy and moment Mz. Both the upper and lower sensing sensors design each sensor by adjusting the width (b), thickness (t), and length (l) of the sensing unit, so the force Fx sensor, Fy sensor, Fz sensor, or moment Mx sensor, My The six-axis load cell shown in Fig. 4 (a) was not suitable as a robot gripper sensor because it could not be designed to have the same rated capacity of the sensor and the Mz sensor or to design the six-axis force / moment sensor at the desired rated capacity.
또한 종래 상기 일본특허 제3,044,233호는 도 4(b)에 도시된 바와 같이 다수의 스트레인게이지가 부착되어 있는 수평방향으로 사각 수평관통홀이 있는 평행평판 4개가 상부 힘/모멘트 전달블록(101)을 중심으로 십자형으로 결합하여 힘 Fz와 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부센서(100), 다수의 스트레인게이지가 부착되어 있는 수직방향으로 사각 수평관통홀이 있는 평행평판 4개가 하부 힘/모멘트 전달블록(102)을 중심으로 십자형으로 결합하여 모멘트 Mz를 감지하는 하부센서 (103), 상부센서(100)와 하부센서(103)를 연결하며 다수의 스트레인게이지가 부착되어 있는 4개의 수직보로 힘 Fx와 Fy를 감지하는 중간부센서(104)로 구성되어 있는데, 이와 같은 종래 센서는 상부센서와 하부센서를 고정하는 수직보의 크기가 작으면 스트레인게이지를 부착할 수 없을 뿐만 아니라, 힘 Fx 센서와 Fy 센서의 강성도가 매우 작아져 동적인 상태에서의 힘 및 모멘트 측정이 불가능해 진다. 그리고, 이와 같은 구조의 특성상 힘 Fx 센서와 Fy 센서의 정격용량을 100 N이하로는 설계할 수 없다. In addition, conventional Japanese Patent No. 3,044,233, as shown in FIG. 4 (b), has four parallel flat plates having a rectangular horizontal through hole in a horizontal direction in which a plurality of strain gauges are attached to the upper force / moment transfer block 101. The upper sensor 100 that detects the force Fz and the moment Mx, My by combining crosswise to the center, and four parallel flat plates with a rectangular horizontal through-hole in the vertical direction to which a plurality of strain gauges are attached Four vertical beams force Fx and a plurality of strain gauges attached to the lower sensor 103, the upper sensor 100, and the lower sensor 103, which are coupled to each other in a cross shape to detect the moment Mz. It consists of a middle sensor 104 for detecting Fy, such a conventional sensor can not be attached to the strain gauge if the size of the vertical beam fixing the upper sensor and the lower sensor is small. The stiffness of the force Fx sensor and Fy sensor is very small, making dynamic force and moment measurements impossible. In addition, the rated capacity of the force Fx sensor and Fy sensor cannot be designed to be 100 N or less due to the characteristics of such a structure.
따라서 상기와 같은 종래 6축 힘/모멘트 감지센서는 3개의 힘센서의 용량 및 3개의 모멘트센서의 용량을 모두 다르게 설계할 수 없는 단점을 가지고 있다.Therefore, the conventional six-axis force / moment detection sensor as described above has the disadvantage that the capacity of the three force sensors and the capacity of the three moment sensors can not all be designed differently.
한편, 도 5로 제안된 종래 미국특허 제4,763,531호의 6축 힘/모멘트센서는 도면에 도시된 바와 같이 외부링(112)(112')과 허브(111)(111')의 사이에 스트레인게이지가 부착된 4개의 빔(114~117)(114'∼117')을 각각 90˚ 간격으로 연결하여 상부센서(110)와 하부센서(110')를 형성하고, 이 상부센서(110)와 하부센서(110')를 보울트로 연결하여 다분력 로드셀로 구성되었다.On the other hand, the six-axis force / moment sensor of the conventional US Patent No. 4,763,531 proposed in Figure 5 has a strain gauge between the outer ring 112, 112 'and the hub 111, 111' as shown in the figure The four beams 114 to 117 (114 'to 117') are attached to each other at 90 ° intervals to form the upper sensor 110 and the lower sensor 110 ', and the upper sensor 110 and the lower sensor. The 110 'was connected to the bowl to form a multi-component load cell.
이와 같은 종래 로드셀은 상부센서(110)와 하부센서(110')가 서로 분리되어 있음에 따라 가공이 용이하다는 장점을 가지고 있으나, 각각의 힘과 모멘트를 측정하기 위한 감지부가 사각형의 빔(114~117)(114'∼117')으로 형성되어 있음에 따라 힘 Fx 센서, Fy 센서, Fz 센서 혹은, 모멘트 Mx 센서, My 센서, Mz 센서의 정격용량을 모두 같도록 설계 혹은 원하는 정격용량으로 6축 힘/모멘트 센서를 설계할 수 없는 단점이 있었다.Such a conventional load cell has an advantage that the upper sensor 110 and the lower sensor 110 'is easy to process as it is separated from each other, but the sensing unit for measuring the respective force and moment of the rectangular beam 114 ~ 117) (114 'to 117'), so that the rated capacity of the force Fx sensor, Fy sensor, Fz sensor, or moment Mx sensor, My sensor, and Mz sensor are all the same or 6 axes with the desired rated capacity. The disadvantage was the inability to design force / moment sensors.
도 6은 종래의 힘/모멘트 감지센서의 또 다른 일 예를 나타낸 미국특허 5,889,214호로서, 도면에 도시된 것처럼, 십자형 빔(213, 213', 213")과, 상기 빔(213, 213')의 끝점을 연결하는 상부링(210)과, 상기 빔(213, 213")의 끝점을 연결하는 하부링(220)으로 구성되어 있다. 이와 같은 로드셀은 힘 Fx 센서와 모멘트 Mz 센서의 감지부, 힘 Fy 센서와 모멘트 Mz 센서의 감지부, 힘 Fz 센서와 모멘트 Mx 센서의 감지부와 My 센서의 감지부가 각각 공유하므로 힘/모멘트의 비를 10:1(3개의 힘센서의 정격용량을 100 N, 3개의 모멘트센서의 용량을 10 Nm)부터 20:1까지로 설계 가능하지만, 3개의 힘센서의 용량 및 3개의 모멘트센서의 용량을 모두 다르게 설계할 수 없다. 그리고 힘 Fx 가 가해질 때 My 감지센서로부터 출력되는 상호간섭오차와 힘 Fy가 가해질 때 Mx 감지센서로부터 출력되는 상호간섭오차가 5~10%로, 이같이 상호간섭오차가 매우 큼에 따라 힘 Fx, Fy, Fz과 모멘트 Mx, My, Mz의 정밀측정에 사용할 수 없다는 문제점이 있다. FIG. 6 is a U.S. Patent No. 5,889,214 showing another example of a conventional force / moment sensor, as shown in the figure, a cross beam (213, 213 ', 213 ") and the beam (213, 213'). It consists of an upper ring 210 for connecting the end of the lower ring 220 for connecting the end of the beam (213, 213 "). These load cells share the sensing part of the force Fx sensor and the moment Mz sensor, the sensing part of the force Fy sensor and the moment Mz sensor, the sensing part of the force Fz sensor and the moment Mx sensor, and the sensing part of the My sensor, respectively. Can be designed from 10: 1 (the rated capacity of three force sensors to 100 N and the capacity of three moment sensors to 10 Nm) to 20: 1, but the capacity of three force sensors and the capacity of three moment sensors Not all can be designed differently. And when the force Fx is applied, the interference interference output from My sensor and the force Fy is applied, the interference interference output from Mx sensor is 5 ~ 10%. , Fz and moments Mx, My, Mz can not be used for precise measurement.
따라서 상기와 같이 종래의 6축 힘/모멘트 센서들의 구조는 같은 정격출력을 갖고 다양한 정격용량을 갖는 6축 힘/모멘트 센서를 설계할 수 없고 센서의 작은 크기와 적은 정격용량을 설계할 수 없는 문제점을 가지고 있다. 예를 들면, 정격출력은 모두 0.5 mV/V이고, 힘 Fx 센서의 정격용량은 10 N, Fy 센서는 15 N, Fz 센서는 20 N, 모멘트 Mx 센서는 1 Nm, My 센서는 2 Nm, Mz 센서는 1.5 Nm인 소형 6축 힘/모멘트 센서를 설계 및 제작할 수 없다. 따라서 상기 6축 힘/모멘트 센서는 각 센서의 다양한 정격용량 및 센서의 작은 크기와 적은 정격용량을 가진 소형 6축 힘/모멘트 센서의 구조로 적당하지 않다.Therefore, as described above, the conventional six-axis force / moment sensors have a problem in that they cannot design a six-axis force / moment sensor having the same rated output and various rated capacities, and cannot design a small size and a small rated capacity of the sensor. Have For example, the rated output is all 0.5 mV / V, the rated capacity of the force Fx sensor is 10 N, Fy sensor is 15 N, Fz sensor is 20 N, moment Mx sensor is 1 Nm, My sensor is 2 Nm, Mz The sensor cannot design and build a compact 6-axis force / moment sensor with 1.5 Nm. Therefore, the six-axis force / moment sensor is not suitable as a structure of a small six-axis force / moment sensor having various rated capacities of each sensor and small size and small rated capacities of the sensor.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 같은 정격출력을 가지고 3개의 힘센서의 용량이 모두 같게 그리고 3개의 모멘트센서의 용량이 모두 같게 설계할 수 있을 뿐만 아니라 3개의 힘센서 및 3개의 모멘트센서를 모두 다르게 설계할 수 있고, 크기와 정격용량이 매우 작은, 즉 크기가 가로 및 세로의 길이가 각각37 mm 이하, 높이가 70 mm 이하이며, 최소 정격용량이 힘 Fx=Fy=Fz=10 N 이하, 모멘트 Mx=My=Mz=1 Nm 이하이며, 상호간섭오차가 매우 작아 3개 방향의 힘과 3개 방향의 모멘트를 동시에 정확하게 측정할 수 있는 소형 6축 힘/모멘트 센서를 제공함에 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, it is possible to design the same capacity of the three force sensors with the same rated power and the capacity of all three moment sensors as well as three force sensors And all three moment sensors can be designed differently, and the size and rated capacity are very small, that is, the size is 37mm or less in length and width and 70mm or less in height, respectively, and the minimum rated capacity is force Fx = Fy Compact 6-axis force / moment sensor with = Fz = 10 N or less, moment Mx = My = Mz = 1 Nm or less, and the mutual interference error is very small to accurately measure the force in three directions and the moment in three directions at the same time The purpose is to provide.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 소형 6축 힘/모멘트 센서에 있어서, 상부 힘/모멘트 전달블록을 중심으로 전후 및 좌우에 각각 1개씩의 감지평판보가 십자형으로 연결되어 있고 각 감지평판보 끝에는 상부 고정블록이 각각 결합되어 힘 Fz, 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서와; 하부 힘/모멘트 전달블록 중앙에 2개의 감지평판보가 일직선으로 결합되고 그 끝에 중앙 고정블록이 결합되어 힘 Fx, Fy 및 모멘트Mz를 감지하는 하부감지센서로 이루어지되; 상기 상부감지센서와 하부감지센서가 분리되고 이것을 나사를 이용하여 고정하여 한 몸체로 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a small six-axis force / moment sensor, wherein one sensing plate beam is connected to each other at the front, rear, left, and right sides of the upper force / moment transfer block in a cross shape, and at the end of each sensing plate beam. An upper detecting sensor coupled to the upper fixing block to detect a force Fz, a moment Mx, My; In the center of the lower force / moment transfer block, two sensing plate beams are combined in a straight line, and the center fixed block is coupled to the end thereof, and the lower sensing sensor senses the forces Fx, Fy and moment Mz; The upper detection sensor and the lower detection sensor is separated and characterized in that consisting of a body by fixing it using a screw.
이하, 본 발명을 첨부된 예시 도면에 의거 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 3개 방향의 힘과 3개 방향의 모멘트를 동시에 측정하는 소형 6축 힘/모멘트 센서구조에 있어서, 상부 힘/모멘트 전달블록(50)을 중심으로 전후 및 좌우에 각각 1개씩의 감지평판보(30a~30d)가 십자형으로 연결되어 있고 각 평행평판보 끝에는 상부 고정블록(60a~60d)이 각각 결합되어 힘 Fz, 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서와; 하부 힘/모멘트 전달블록(70a) 중앙에 수직으로 2개의 감지평판보(40a, 40b)가 일직선으로 결합되고 그 끝에 중앙 고정블록(70b)이 결합되어 힘 Fx, Fy 및 모멘트 Mz를 감지하는 하부감지센서(20)로 이루어지되; 상기 상부감지센서(10)와 하부감지센서(20)가 분리되고 이것을 나사를 이용하여 고정하여 한 몸체로 구성되어 있다.The present invention is a small six-axis force / moment sensor structure for measuring the force in three directions and the moment in three directions at the same time, one sensing each of the front and rear and left and right around the upper force / moment transfer block 50 Flat beams (30a ~ 30d) is cross-connected and the upper fixed block (60a ~ 60d) is coupled to the end of each parallel plate beam, respectively, the upper sensing sensor for detecting the force Fz, moment Mx, My; Two sensing flat beams 40a and 40b are vertically coupled to the center of the lower force / moment transfer block 70a, and the center fixed block 70b is coupled to the bottom to sense forces Fx, Fy and moment Mz. Consisting of a sensor 20; The upper detecting sensor 10 and the lower detecting sensor 20 are separated and fixed to each other using screws to form a body.
한편, 도 1은 본 발명에 따른 소형 6축 힘/모멘트 센서의 구성도(도 1a는 분리된 상부감지센서와 하부 감지센서를 나타낸 도면, 도 1b는 조립된 상부감지센서와 하부 감지센서를 나타낸 도면)를 나타낸 도면으로서, 상부 힘/모멘트 전달블록(50)을 중심으로 전후 및 좌우에 각각 1개씩의 감지평판보(30a~30d)가 수평방향으로 십자형으로 연결되어 있고 각 감지평판보 끝에는 상부 고정블록(60a~60d)이 각각 결합되어 힘 Fz, 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서(10)를 형성하는데, 이 감지평판보(30a~30d)는 두개의 크기가 같은 평판보를 결합한 것으로 사각형을 수평방향으로 관통된 형상으로 되어 있다. On the other hand, Figure 1 is a block diagram of a small six-axis force / moment sensor according to the present invention (Fig. 1a is a view showing a separate upper sensor and a lower sensor, Figure 1b shows an assembled upper and lower sensor) The sensing plate beams 30a to 30d are connected to each other in the horizontal direction in the horizontal direction, and each sensing plate beam is crosswise connected at the ends of the upper and lower force / moment transfer blocks 50. The fixed blocks 60a to 60d are coupled to each other to form an upper sensing sensor 10 for sensing force Fz, moment Mx and My. The sensing flat beams 30a to 30d combine two flat plates of the same size. The quadrangles have a shape penetrating in the horizontal direction.
그리고 상기 하부 힘/모멘트 전달블록(70a) 중앙에 수직으로 2개의 감지평판보(40a, 40b)가 관통홀이 서로 직각이 되도록 일직선으로 결합되고 그 끝에 중앙 고정블록(70b)이 결합되어 힘 Fx, Fy 및 모멘트 Mz를 감지하는 하부감지센서(20)를 형성하는데, 이 감지평판보(40a, 40b)는 각각 두개의 크기가 같은 평판보를 결합한 것으로 사각형을 수직방향으로 관통된 형상으로 되어 있다.In addition, two sensing flat beams 40a and 40b are vertically coupled to each other so that the through holes are perpendicular to each other perpendicularly to the center of the lower force / moment transmission block 70a, and the center fixing block 70b is coupled to the force Fx. , Forming a lower sensing sensor 20 for detecting Fy and moment Mz, the sensing flat beams 40a and 40b are formed by combining two flat plates having the same size, respectively.
도 2는 본 발명은 설계변수(치수)를 나타낸 도면으로, 하부감지센서(20)의 감지평판보(40a)는 설계변수가 평판보의 두께 t1, 폭 b1, 길이l1, 힘/모멘트 작용점(실제로 힘/모멘트가 작용되는 지점이므로 도면에는 나타낼 수 없으며, 이것은 평형평단의 구조상 어느 위치든 출력은 변화되지 않으므로 편의상 도면과 같이 나타내었음)으로부터 각 보의 끝점까지의 거리 d1, 두 평판보 사이의 거리 d2의 크기로 형성되고, 감지평판보(40b)는 설계변수가 평판보의 두께 t2, 폭 b2, 길이l2, 힘/모멘트 작용점으로부터 각 보의 끝점까지의 거리 d3, 두 평판보 사이의 거리 d4의 크기로 형성되어 있다.2 is a view showing a design variable (dimension) of the present invention, the sensing flat beam 40a of the lower sensor 20 is a design variable thickness t1, width b1, length l1 of the flat beam, the force / moment working point ( In fact, the point where the force / moment is acting is not shown in the drawing, which is shown in the drawing for convenience because the output does not change anywhere in the balance plane structure), the distance from the end point of each beam d1, between two flat beams The sensing plate beam 40b is formed with the size of the distance d2, and the design variables include the thickness t2, the width b2, the length l2 of the plate beam, the distance d3 from the force / moment action point to the end point of each beam, and the distance between the two plate beams. It is formed in the size of d4.
상기 상부감지센서(10)의 감지평판보(30a)와 감지평판보(30b)는 설계변수가 평판보의 두께 t3, 폭 b3, 길이l3, 중앙 하부중심블록의 수직중심축으로부터 각 보의 끝점까지의 거리 d5, 두 평판보 사이의 거리 d6의 크기로 형성되고, 다른 감지평판보(30c)와 감지평판보(30d)는 설계변수가 평판보의 두께 t4, 폭 b4, 길이l4, 상부 힘/모멘트 전달블록(50)의 수직중심축으로부터 각 보의 끝점까지의 거리 d7, 두 평판보 사이의 거리 d8의 크기로 형성된다.The sensing flat beam 30a and the sensing flat beam 30b of the upper sensing sensor 10 have design variables such that the thickness of the flat beam is t3, width b3, length l3, and the end point of each beam from the vertical center axis of the central lower center block. The distance d5 to the distance between the two flat beams d6, and the other detection flat beams 30c and 30b have design variables such as thickness t4, width b4, length l4, and upper force of the flat beams. The distance d7 from the vertical center axis of the moment transfer block 50 to the end point of each beam, and the distance d8 between the two flat beams.
도 3은 스트레인게이지의 부착위치를 나타낸 도면으로, 힘 Fx를 감지하는 스트레인 게이지(S1~S4)와 모멘트 Mz를 감지하는 스트레인 게이지(S21~S24)는 감지평판보(40a)의 좌우면에 각각 부착되고, 힘 Fy를 감지하는 스트레인 게이지(S5~S8)는 감지평판보(40b)의 앞뒤면에 부착되며, 힘 Fz과 모멘트 Mx를 감지하는 스트레인 게이지(S9~S12)와 스트레인 게이지(S13~S16)는 감지평판보(30a)와 감지평판보(30b)의 상하면에 부착된다. 그리고 힘 Fz과 모멘트 My를 감지하는 스트레인 게이지(S9~S12)와 스트레인 게이지(S17~S20)는 다른 감지평판보(30c)와 감지평판보 (30d)의 상하면에 부착된다. 3 is a view showing the attachment position of the strain gauge, strain gauges (S1 ~ S4) for detecting the force Fx and strain gauges (S21 ~ S24) for detecting the moment Mz are respectively on the left and right sides of the sensing plate beam (40a) Strain gauges S5 to S8 for detecting force Fy are attached to the front and rear surfaces of the sensing plate beam 40b, and strain gauges S9 to S12 for detecting force Fz and moment Mx and strain gauges S13 to S8. S16 is attached to the upper and lower surfaces of the sensing flat beam 30a and the sensing flat beam 30b. And the strain gauge (S9 ~ S12) and the strain gauge (S17 ~ S20) for detecting the force Fz and the moment My is attached to the upper and lower surfaces of the other sensing flat beam 30c and the sensing flat beam (30d).
또한 각각의 힘과 모멘트를 감지하는 4개씩의 스트레인게이지는 휘스톤브리지를 구성한다.In addition, four strain gauges, each sensing force and moment, constitute a Wheatstone Bridge.
따라서 하부 힘/모멘트 전달블록(70a)를 고정홀(110)을 이용하여 고정하고 상부 힘/모멘트 전달블록(50)에 고정홀(80)을 이용하여 외부 힘/모멘트 블록과 고정하여 힘과 모멘트를 가하면, 상부감지센서(10)를 구성하는 감지평판보(30a~30d)와 하부감지센서(20)를 구성하는 감지평판보(40a, 40b)에 힘과 모멘트가 전달된다. 그러면 상부감지센서(10)를 구성하는 감지평판보(30a~30d)에 부착된 스트레인게이지(S9~S20)와 하부감지센서(20)를 구성하는 감지평판보(40a, 40b)에 부착된 스트레인게이지(S1~S8, S21~S24)로부터 가해지는 힘 및 모멘트에 상응하는 전압값이 출력된다. Therefore, the lower force / moment transmission block 70a is fixed using the fixing hole 110 and the upper force / moment transmission block 50 is fixed with the external force / moment block by using the fixing hole 80 in the force and moment. When applied, the force and moment are transmitted to the sensing flat beams 30a to 30d constituting the upper sensing sensor 10 and the sensing flat beams 40a and 40b constituting the lower sensing sensor 20. Then, the strain gauges S9 to S20 attached to the sensing flat beams 30a to 30d constituting the upper sensing sensor 10 and the strain flat beams 40a and 40b constituting the lower sensing sensor 20 are attached. Voltage values corresponding to the forces and moments applied from the gauges S1 to S8 and S21 to S24 are output.
상기와 같이 구성된 발명품에 따른 소형 6축 힘/모멘트 센서중 힘 Fx 및 모멘트 Mz를 감지하는 감지평판보(40a)의 크기를 나타내는 t1, b1, l1, d1, d2를 결정하는 식은 [식 1]과 [식 2]이며, 이것은 힘 Fx와 모멘트 Mz를 감지하기 위한 변형률을 계산하는 식이다. 그리고 힘 Fx 및 모멘트 Mz를 감지하는 감지평판보(30a)와 감지평판보(30b)의 크기를 나타내는 t3, b3, l3, d5, d6을 결정하는 식은 [식 3]과 [식 4]이며, 이것은 힘 Fz와 모멘트 Mx를 감지하기 위한 변형률을 계산하는 식이다.Equation 1 for determining the t1, b1, l1, d1, d2 representing the size of the sensing plate beam 40a for detecting the force Fx and the moment Mz of the small six-axis force / moment sensor according to the invention configured as described above [Equation 1] And Equation 2, which calculates the strain for detecting the force Fx and the moment Mz. And the equation for determining the t3, b3, l3, d5, d6 representing the size of the sensing plate beam 30a and the sensing plate beam 30b for detecting the force Fx and the moment Mz are [Equation 3] and [Equation 4], This is the formula for calculating the strain for detecting the forces Fz and moment Mx.
힘 Fy를 감지하는 감지평판보(40b)의 크기를 나타내는 t2, b2, l2, d3, d4를 결정하는 식은 감지평판보(40a)와 감지평판보(40b)이 형상이 같은 평판보를 단지 90°회전시켜 놓은 것만 다르므로 [식 1]을 사용할 수 있다. 즉 [식 1]에 크기를 나타내는 t1, b1, l1, d1, d2를 t2, b2, l2, d3, d4로 대치하면 감지평판보(40b)의 크기 t2, b2, l2, d3, d4를 결정할 수 있다. The equation for determining t2, b2, l2, d3, and d4, which indicates the size of the sensing flat beam 40b for detecting the force Fy, is only 90 ° for the flat plate having the same shape as the sensing flat beam 40a and the sensing flat beam 40b. Equation 1 can be used because it is different only by rotating. That is, when t1, b1, l1, d1, and d2 representing the size are replaced with t2, b2, l2, d3, and d4 in [Equation 1], the size t2, b2, l2, d3, and d4 of the sensing plate beam 40b is determined. Can be.
또한 힘 Fz과 모멘트 Mz를 감지하는 감지평판보(33c, 33d)의 크기를 나타내는 t4, b4, l4, d7, d8를 결정하는 식은 감지평판보(30a, 30b)을 90°회전시킨 것과 같으므로 [식 3]과 [식 4]을 사용할 수 있으며, [식 3]과 [식 4]에 크기를 나타내는 t3, b3, l3, d5, d6를 t4, b4, l4, d7, d7로 대치하면 감지평판보(30c, 30d)의 크기 t4, b4, l4, d7, d8을 결정할 수 있다.In addition, the equations for determining t4, b4, l4, d7, d8, which represent the magnitudes of the sensing flat beams 33c and 33d for detecting the force Fz and the moment Mz, are the same as rotating the sensing flat beams 30a and 30b by 90 °. [Equation 3] and [Equation 4] can be used, and when t3, b3, l3, d5 and d6 representing the magnitudes in [Equation 3] and [Equation 4] are replaced with t4, b4, l4, d7, d7 The sizes t4, b4, l4, d7, and d8 of the flat plates 30c and 30d can be determined.
[식 1][Equation 1]
여기서, here,
[식 2][Equation 2]
[식 3] [Equation 3]
[식 4][Equation 4]
여기서, here,
따라서 위의 [식 1~4]를 이용하여, 크기 t1, t2, b1, b2, l1, l2, d1, d2, d3, d4를 결정하여 하부감지센서(20)의 감지평판보(40a, 40b)와 크기 t3, b3, l3, d5, d6, t4, b4, l4, d7, d8을 결정하여 상부감지센서(10)의 감지평판보(30a~30b)를 설계할 수 있다. Therefore, using the above [Equation 1 ~ 4], the size t1, t2, b1, b2, l1, l2, d1, d2, d3, d4 to determine the detection flat beams 40a, 40b of the lower sensor 20 ) And size t3, b3, l3, d5, d6, t4, b4, l4, d7, d8 to design the sensing flat beams 30a to 30b of the upper sensing sensor 10.
상기와 같이 본 발명에 따른 소형 6축 힘/모멘트 센서는 서로 독립되어 있는 상부감지센서와 하부감지센서로 구분되어 있고, 설계변수가 두께(t1~t4), 폭(b1~b4), 길이(l1~l4), 힘/모멘트 작용점 혹은 상부 힘/모멘트 전달블록으로부터 각 평행평판보의 끝지점까기의 거리(d1, d3, d5) 및 평판보사이의 거리(d2, d4, d6)로 매우 많은 변수를 가지고 있으므로 같은 정격변형률을 갖고 각각의 힘(Fx, Fy, Fz)와 각각의 모멘트(Mx, My, Mz)의 같은 용량을 갖거나, 혹은 각각 다른 정격용량을 갖으며, 크기와 정격용량이 매우 작은, 즉 크기가 가로 및 세로의 길이가 각각 37 mm 이하, 높이가 70 mm 이하이며, 최소 정격용량이 힘 Fx=Fy=Fz=10 N 이하, 모멘트 Mx=My=Mz=1 Nm 이하인 소형 6축 힘/모멘트 센서를 설계할 수 있고, 아울러 상호간섭오차가 이론해석과 유한요소해석결과 모두 0인 우수한 센서로서 소형 6축 힘/모멘트 센서로 사용될 수 있다. As described above, the small six-axis force / moment sensor according to the present invention is divided into upper and lower sensing sensors that are independent of each other, and design variables include thickness (t1 to t4), width (b1 to b4), and length ( l1 to l4), the distance from the force / moment operating point or upper force / moment transfer block to the end of each parallel plate beam (d1, d3, d5) and the distance between the plate beams (d2, d4, d6). It has the same rated strain and has the same capacity of each force (Fx, Fy, Fz) and each moment (Mx, My, Mz), or different rated capacity, Very small, i.e. small in size with a length of 37 mm or less and a height of 70 mm or less, with a minimum rated capacity of force Fx = Fy = Fz = 10 N or less and moment Mx = My = Mz = 1 Nm or less A six-axis force / moment sensor can be designed, and the mutual interference error is zero, which is the result of both theoretical and finite element analysis. It can be used as a miniature 6-axis force / moment sensor as a sensor.
도 1(a),(b)는 본 발명에 따른 소형 6축 힘/모멘트 센서의 구성을 나타낸 분리 및 결합 사시도들,Figure 1 (a), (b) is a perspective view of the separation and coupling showing the configuration of the miniature six-axis force / moment sensor according to the present invention,
도 2는 본 발명의 설계치수를 나타낸 도면들,2 is a view showing the design dimensions of the present invention,
도 3은 본 발명에 스트레인게이지의 부착위치를 나타낸 도면들,3 is a view showing the attachment position of the strain gauge in the present invention,
도 4 내지 도 6은 종래 6축 힘/모멘트 센서의 실시예들을 나타낸 도면들이다.4 to 6 are diagrams showing embodiments of the conventional six-axis force / moment sensor.
-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-Explanation of symbols on the main parts of the drawing
10 : 힘 Fz와 모멘트 Mx, My를 감지하는 상부감지센서, 10: upper detection sensor for detecting force Fz and moment Mx, My,
20 : 힘 Fx, Fy와 모멘트 Mz를 감지하는 하부감지센서,20: lower sensing sensor for detecting forces Fx, Fy and moment Mz,
30a~30d : 상부감지센서의 감지 평판보, 30a ~ 30d: detection plate beam of upper sensing sensor,
40a, 40b : 하부감지센서의 감지 평판보,40a, 40b: detection plate beam of the lower detection sensor,
50 : 상부 힘/모멘트 전달블록50: Upper force / moment transfer block
60a~60d : 상부 고정블록60a ~ 60d: Upper fixed block
70a : 하부 힘/모멘트 전달블록70a: Lower force / moment transfer block
70b : 중앙고정블록70b: center block
80, 90, 100, 110 : 각 블록들의 나사홀 80, 90, 100, 110: screw holes for each block
S1~S24 : 스트레인게이지 S1 ~ S24: Strain Gage
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