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KR20190066627A - 토크 센서 장치 및 토크를 측정하기 위한 방법 - Google Patents

토크 센서 장치 및 토크를 측정하기 위한 방법 Download PDF

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KR20190066627A
KR20190066627A KR1020197013935A KR20197013935A KR20190066627A KR 20190066627 A KR20190066627 A KR 20190066627A KR 1020197013935 A KR1020197013935 A KR 1020197013935A KR 20197013935 A KR20197013935 A KR 20197013935A KR 20190066627 A KR20190066627 A KR 20190066627A
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South Korea
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flange
measuring
spokes
segment
torque
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니클라스 뵈메
팀 로카흐
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프랜카 에미카 게엠바하
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Abstract

본 발명은, 움직이는 요소 내에 발생하는 토크를 감지하기 위해 움직이는 요소와 협동할 수 있도록 설계된 측정 플랜지(1)를 포함하는 토크 센서에 관한 것이며, 측정 플랜지(1)는 플랜지 외측 링(3) 및 플랜지 내측 링(4)을 포함하며, 플랜지 외측 링(3) 및 플랜지 내측 링(4)은 토크의 영향 하에서 변형될 수 있도록 설계된 적어도 2 개의 측정 스포크(7)에 의해 연결되며, 측정 스포크(7)는 측정 스포크(7)에 회전 방향으로 작용하는 힘에 대하여 디커플링(7)할 수 있도록 설계된다. 나아가, 본 발명은 토크 센서 장치가 구현 될 수 있는 조인트들 중 하나에 적어도 하나의 구동 유닛을 포함하는 로봇을 위한 매니퓰레이터와 관련된다.

Description

토크 센서 장치 및 토크를 측정하기 위한 방법
본 발명은 특히 로봇의 매니퓰레이터의 조인트 내 또는 조인트에 발생하는 토크를 측정하기 위한 토크 센서 장치 뿐만 아니라 토크 센서 장치와 같은 수단으로 토크를 측정하는 방법에 관한 것이다.
로봇, 특히 경량 건축(the lightweight construction)에서는 조인트를 통하여 연결되는 복수의 암 부재 또는 링크로 구성되는 관절 모양의 암(articulated arm) 또는 매니퓰레이터를 가지며, 암 부재에 서로 접하는 매니퓰레이터의 암 부재의 관계로 암 부재를 선택적으로 돌리기 위하여(in order to selectively turn) 대응되는 드라이브 유닛의 수단에 의해 관절 또는 조인트가 구동된다. 이러한 로봇의 중요한 요소는 링크의 움직임 또는 외부에서 작용하는 힘들에 의해 야기되는 토크를 측정하기 위한 센서이다. 대부분의 경우, 이러한 토크 센서는 매니퓰레이터의 컴플라이언트 제어(the compliant control)를 가능하게 하는 로봇의 모든 움직이는 링크(movable links) 또는 링크 내에 설치된다.
종래기술로부터 토크를 측정하기 위한 다양한 시스템이 알려져 있다. 일반적인 방법은 구성요소(components)의 작은 변형에도 전기적 저항이 달라지는 센서 요소로 변형률 게이지의 사용이다. 대체로, 브릿지 회로(휘트스톤 측정 브릿지- wheatstone measuring bridge)가 평가(evaluation)에 사용되며, 그 내에서 온도의 영향이 보상될 수 있으며, 이는 변형률 게이지들을 이용한 측정 방법이 정밀 측정에 특히 적합한 이유이다. 일 예로, WO 2009/083111 A2는 센서 요소로서 스트레인 게이지들을 구비하는 토크 센서 장치에 대하여 개시하며, 이들은 평가를 위해 두 개의 휘트스톤 브릿지 내에 연결되며, 그 안에 두 개의 스트레인 게이지의 저항들은 움직이는 부재에 연결되고, 각각 하프-브릿지(a half-bridge) 내에 연결되는 요소들의 두 개의 다른 지점에 다른 지점에 각각 배치되며, 그 안에 두 하프 브릿지가 각각 브릿지 회로를 형성한다. 추가 브릿지 회로는 구성요소의 다른 추가 위치에 배치되는 두 개의 추가 변형률 게이지의 저항에 의해 형성된다. 출력된 토그 값은 서로 비교된다.
나아가, 측정 플렌지 또는 구성요소 또는 구성요소 내부에서 발생하는 토크를 측정하기 위한 움직이는 요소(a movable component)와 상호작용하는 유사한 장치가 알려져 있다. 그러한 측정 플랜지는 예를 들어 드라이브 유닛의 조인트를 포함하는 관절 모양의 암 로봇에 연결되거나, 그 내부에 통합(integrated)될 수 있다.
측정 플랜지들을 포함하는 토크 센서 장치는 예를 들어 EP 0 575 634 B1 또는 DE 36 05 964 A1으로 알려져 있다.
원칙적으로, 종래 기술에서의 토크를 측정하기 위한 전술한 시스템 및 방법은 예를 들어, 측정 플랜지(the measuring flange)에 작용하는 횡 방향 힘(transverse forces), 축 방향 힘(axial forces) 및 굽힘 모멘트(bending moments)으로부터 기인하는 변형률 게이지의 압축에 의해, 변형률 게이지의 변형이 오차가 실질적으로 없더라도, 신호들은 신호 평가에 측정 오류들을 입력하고, 독립적으로 측정되는 토크 부하의 다양한 신호를 초래할 수 있다. 그러한 신호 평가에서 부정확성과 편차를 방지하기 위해, DE 10 2014 210 371 A1은 예를 들어, 측정 플렌지의 회전 방향에서 볼 때, 측정 스포크의 두 개의 반대 측에, 안에 각각 2개의 변형률 게이지가 배치되는, 4개의 균등하게 분배된 측정 스포크(spokes)를 갖는, 측정 플렌지를 포함하는 토크 센서 장치를 제안한다. 변형률 게이지들은 적어도 두 개의 브릿지 회로안에서 각각 스위치(switched) 또는 연결(connected)된다.
그러나, 이러한 토크 센서 장치는 다수의 변형률 게이지에 의해 복잡한 평가 전기 부품(electronics)을 수반하며, 또한 로봇 설계의 결과에 의해 일정한 회전력이 작용하는 관절 모양의 암 로봇 내의 구동 유닛에 적합하지 않다.
예를 들어, 독일 특허 출원 No. 10 2015 012 960.0 에 도시된 매니퓰레이터에는, 관절 모양의 암이, 조립중에, 관절 모양의 암의 부재/링크 사이에 조인트 내의 구동 유닛을 죄는(clamp) 두 개의 half-shell-like 하우징 구조를 형성한다. 일정한 강인성 조건(tolerance conditions) 하에서, 조립 이후에, 측정 플랜지 내로 가이드 되므로, 반경 방향(radial direction)을 갖는 측정 스포크 내로 가이드되고, 따라서 흡수되는, 즉, 센서 요소에 의해 측정되는 측정 스포크의 변형을 왜곡시키는, 영구적으로 또는 반경 방향으로 작용하는 힘이 발생할 수 있다.
게다가, 예를 들어 매니퓰레이터의 사중(dead weight)에 의해 발생되는, 지렛대의 원리에 의해 야기되는, 측정 플렌지에 작용하는 힘이 발생할 수 있으며, 이에 하중은 특히 완전히 확장되거나 펼쳐진(extended, stretched-out) 매니퓰레이터에 의해 최대의 영향을 포함할 수 있다. 또한 전기 구동 모터로부터 필수적 감소(necessary reduction)를 제공하는, 구동 유닛에 사용되는 트랜스 미션 또는 기어 메커니즘은, 대응되는 축방향으로 작용하는 힘을 측정 플랜지, 특히 링크의 축의 부근에 발생시킬 수 있다.
토크의 고 정밀 측정 과정에서, 그리고 나아가, 메니퓰레이터의 오차없는 컴플라이언스 제어(error-free compliance control)를 달성하기 위해, 특히 저중량 건설의 로봇에서, 매니퓰레이터의 제어에 영향을 미치는 부정적인 요소들을 가능한 멀리 줄이거나 제거하는 것이 필요하다. 이는 예를 들어 독일 특허 출원 No. 10 2015 012 960.0에 도시된 바와 같이, 특히, 저중량 건설 매니퓰레이터에 적용된다.
토크의 고 정밀 측정 과정에서, 그리고 나아가, 매니퓰레이터의 오차없는 컴플라이언스 제어(error-free compliance control)를 달성하기 위해, 특히 저중량 건설의 로봇에서, 매니퓰레이터의 제어에 영향을 미치는 부정적인 요소들을 가능한 크게 줄이거나 제거하는 것이 필요하다. 이는 예를 들어 독일 특허 출원 No. 10 2015 012 960.0에 도시된 바와 같이, 특히, 저중량 건설 매니퓰레이터에 적용된다.
그러므로 본 발명의 목적인 전술한 단점을 회피하며, 토크의 더 정확하며 낮은 오류 경향의 감지하는 토크 센서 장치 및 이에 따라 토크를 감지하기 위한 방법을 제공하는 것이 가능하다. 추가적인 목적은 관절 모양의 암 또는 로봇과 같은 상응하는 로봇을 위한 그에 상응하는 향상된 매니퓰레이터를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1 항 및 청구항 2 항에 따른 토크 센서 장치, 청구항 18 항 및 청구항 19 항에 따른 토크 측정을 위한 방법, 청구항 20 항에 따른 매니퓰레이터, 청구항 21 항에 따른 로봇에 의한 본 발명으로 달성될 수 있다.
토크를 측정하기 위한 본 발명에 따른 토크를 측정하기 위한 방법과 마찬가지로 토크 센서 장치는 움직이는 구성요소에서 발생되는 토크들이 감지될 수 있도록 근본적으로 가능한 모든 적용으로 유도될 수 있다. 이들은 특히, 그러나 독점적이지 않으면서, 예를 들어, 경량 건설 로봇의 관절 모양의 암과 연결되는, 그리고 특히 전술한 바와 같이, 다중부분 하우징 구조(multi-part housing structures)의 매니퓰레이터에서 적용과 같은 로봇의 적용에 대하여 적합하다.
제1 실시예에서, 본 발명은 플랜지 외측 링(a flange outer ring) 및 플랜지 내측 링(a flange inner ring)을 포함하는 측정 플랜지에 또는 측정플랜지 위에 발생하는 토크를 측정하기 위한 움직이는 요소와 협동할 수 있도록(to cooperate) 구성 및 설계되는 측정 플랜지를 갖는 토크 센서 장치를 제안하며, 상기 플랜지 외측 링 및 상기 플랜지 외측 링들은 토크의 영향 하에서 변형될 수 있도록 설계 및 구성되는 적어도 두 개의 측정 스포크(two measuring spokes)와 연결될 수 있다. 상기 측정 스포크들은 반경 방향으로 상기 측정 스포크에 작용하는 힘에 대하여 디커플링되는 수단을 갖거나, 디자인 및 설계될 수 있다.
따라서, 디커플링은, 예를 들어, 특정 환경하에서 암 부재의 하우징 구조의 조립 과정에서 발생될 수 있는 반경 방향으로 측정에 필수적으로 작용하는 힘을 뜻하는 것으로 이해되어야 하며, 토크 감지가 이루어지는 동안 그들의 변형이 그러한 방해하는 힘(interfering forces)에 의해 영향을 받지 않을 수 있도록, 측정 스포크 내로 전달(introduced in to the measuring spokes)되지 못한다.
제2 실시예에서, 본 발명은 플랜지 외측 링 및 플랜지 내측 링을 포함하는 측정 플랜지에 발생하는 토크를 감지하기 위한 움직이는 요소와 협동하기 위해 구성되는 측정 플랜지를 포함하는 토크 센서를 제안하며, 상기 플랜지 외측 링 및 플랜지 외측 링은 토크의 영향 하에서 변형될 수 있도록 설계된 적어도 두 개의 측정 스포크에 의해 연결된다. 상기 측정 스포크는 반경 방향으로부터 이탈하는 방향으로(in a direction deviating from the radial direction) 플랜지 외측 링과 연결되는 수단을 갖거나 설계될 수 있다.
디커플링을 위해 또는 반경 방향에 이심(eccentric)인 플랜지 외측 링과의 관계에서 측정 스포크의 연결의 현실화를 위해, 토크 센서 장치는 본 발명에 따른 전술한 실시예에서 설계되어, 측정 스포크는 플랜지 내측 링으로부터 반경방향으로 연장되는, 변형의 감지를 위한 적어도 하나의 센서 요소(a sensor elements)가 배치되는 세그먼트(a segment)를 포함할 수 있으며, 센서 요소를 위한 세그먼트(segment) 다음으로, 측정 스포크(measuring spoke)가 플랜지 외측 링을 향하는 적어도 두 개의 연결 스트럿(at least two connecting struts) 내로 퍼지거나 분절된다.
이는 연결 스트럿이 나머지 측정 스포크, 즉, 적어도 하나의 센서 요소를 위한 세그먼트의 반경방향 연장으로 배치되지 않는 지점들에서 플랜지 외측 링과 체결(engeage)되는 것을 뜻한다.
바람직하게, 상기 연결 스트럿은 센서 요소를 위한 세그먼트에 의해 형성되는 대칭축에 대하여 거울 대칭(mirror-symmetrically)으로 배치되거나, 서로 다른 하나에 둔각을 형성하도록 배치될 수 있다.
이와 같이 배치된 연결 스트럿들은 외측으로부터 직교하게, 즉, 반경방향으로 센서 요소의 세그먼트에 작용하는 힘에 순응적(compliant)이다. 따라서, 이러한 반경 방향 힘은 측정 스포크의 세그먼트에 전달되지 않거나, 단지 작은 정도로만 작용하므로, 이에 후반은(the latter) 플랜지 외측 링에 대하여 반경 방향 외측으로 디커플링된다. 좌측 또는 우측으로부터 센서 요소를 위한 세그먼트에 전달(introduce)되는 힘들은 이러한 힘들이 센서 요소를 통과(bypass)할 수 있도록 연결 스트럿에 의해 수용되거나 지지된다.
반경 방향 힘에 대하여 측정 스포크의 추가 디커플링은 적어도 하나의 지지 스포크가, 플랜지 내측 링과 플랜지 외측 링 사이에서 반경 방향으로 연장되는 두 개의 측정 스포크 사이에 배치되어 달성될 수 있으며, 상기 지지 스포크는 두 개의 측정 스포크로부터 동일한 거리(equidistantly)에 배치되며, 바람직하게는 연결 스트럿과 실질적으로 동일한 벽 두께를 포함할 수 있다. 상기 지지 스포크는 각각의 경우, 연결 스트럿에 회전방향으로 인접하는 오목부(a recess)를 한정하며, 상기 오목부들은 지지 스포크에 대하여 거울 대칭으로 배열된다.
옆으로와 마찬가지로, 센서 요소를 위한 세그먼트의 레벨에서 반경 방향으로 직접 작용하는 힘의 경우, 일측 핸드 위의 연결 스트럿인 측정 스포크와 타측의 지지 스포크의 특수한 배열은 힘의 전달의 과반이 외측으로부터 내측으로 지지 스포크를 통하여 발생되는 것을 확보한다. 센서 요소에 작용하는 토크를 위하여, 세그먼트는 방해하는 힘으로부터 영향을 받지 않는 상태로 유지(remain free)되며, 센서 요소는 토크에 의한 변형에만 민감하다.
상기 세그먼트의 부재(material of this segment)는 센서 요소를 위한 측정 스포크의 섹션에 하중이 작용될 때(loaded) 변형될 수 있고, 감지될 토크에 의해서일 수 있고, 또한 교란(disturbing), 방해(interfering) 힘일 수 있다. 결과로서, 부재의 표면은 단지 압축되거나 늘어나지 않으나, 측정 스포크 또는 센서 요소를 위한 세그먼트의 제한된(finite) 길이와 압력에 의해 곡률 또한 발생(produced)한다. 그러나, 그러한 곡률은 센서 요소의 측정 거동(the measuring behavior)에 부정적인 영향을 미친다.
이러한 측정 결과에 미치는 영향을 회피하기 위해, 본 발명은, 더 바람직한 실시예에서, 측정 플랜지의 두께(dimension)에 비교하여 더 작은 측정 플랜지의 축 방향(axial direction) 두께을 가진다. 센서 요소를 위한 세그먼트의 두께은 측정 플랜지의 두께의 절반이어야 하며, 따라서 포켓을 형성하는 것이 특히 바람직하다. 이 시점에서, 곡률은, 가능한 작게 나타날 수 있고(if it appears at all, as small as possible), 변형의 감지에 극히 미미한 영향(the slightest influence)을 가질 수 있다.
측정 플랜지는 바람직하게는 캐스팅(cast) 및/또는 밀링(milled)된 하나의 구성요소이며, 예를 들어 알루미늄으로 만들어질 수 있으며, 이로써 포켓이 측정 스포크의 세그먼트로 되도록 실질적으로 밀링될 수 있다(the pockets can subsequently be milled into the segments of the measuring spokes.).
본 발명에 따른 더 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 센서 요소가 측정 스포크의 세그먼트의 축방향 표면에 배열된다. 센서 요소는 대응하는 방식으로 측정 플랜지에 연결되는 PCB(a printed circuit board)의 측정(measuring) 및 평가(evaluation) 장치의 단부와 마주보도록 평면의 방식으로 세그먼트의 표면 위에 배치된다.
바람직하게는, 센서 요소는 변형률 게이지(a strain gauge)이며, 특히 바람직하게는 변형률 게이지 로제트(a strain gauge rosette) 또는 다중 전단 변형률 게이지 배열(a multiple shear strain gauge arrangement). 이러한 변형률 게이지들은 측정 스포크와 함께 변형될 수 있도록, 포일 구조(foil structure)로 나타나며, 간단한 방법으로 포켓의 표면에 접착결합될 수 있다. 또한 본딩 수단(means of bonding)에 의해 표면에 변형률 게이지를 붙이거나 고정하는 것이 가능하다. 변형률 게이지는 변형률 게이지가 이미 낮은 팽창과 압축에도 저항 값이 이미 달라지기 때문에, 이하에서 설명될 브릿지 회로에 연결된 토크의 고 정확 측정에 적합하다.
그러나, 대안적으로, 적어도 하나의 센서 요소는 측정 스포크의 세그먼트의 축방향 표면에 통합(integrated)되는 것 또한 가능하다. 예를 들어, 상응하는 측정 구조를, 예를 들어, lasering, scraping, etching 또는 이와 같은, 삽입(inserting) 또는 진공 증착(evaporation deposition)으로 세그먼트의 표면에 적용시킬 수 있다. 그러나, 원칙적으로, 통합된 앰프(an integrated amplifier) 및/또는 평가 전기 부품(evaluation electronics)이 구비된 보다 복잡한 센서 유닛 또한 사용될 수 있다.
센서 요소의 선택과 무관하게, 본 발명에 따라 센서 전기 부품에 연결되기 위한 센서 요소의 접촉표면들이 동일한 반경으로 배열되므로, 센서 전기 부품들(sensor electronics)은 항상 PCB(the printed circuit board)위의 센서 요소의 중심(the centor of the sensor element)으로부터 동일한 거리에 있는 한 점에서 배열되는 것이 제공된다. 이러한 방식에서, 예를 들어, 이러한 위치는 센서 요소와 동일한 정도로 변형되기 때문에, 예를 들어 연결이 인장력 또는 압축력에 의해 측정 결과에 부정적인 영향이 미치지 않으므로, 센서 부품 요소는 센서 요소에 대하여 항상 고정적(stationary)으로 확보할 수 있다.
센서 요소의 선택과 독립적으로, 본 발명에 따른 보다 바람직한 실시예에서, 각각 2개의 센서 요소를 위한 세그먼트가 구비된 4개의 측정 스포크가 구비되며, 상기 측정 스포크는 회전 방향으로 동일한 거리(equidistantly)로 배열되며, 그 안에 서로 반경방향으로 배면하는 세그먼트의 센서 요소가 브릿지 서킷 내에서 연결된다.
대안적으로, 또한 각각 두개의 센서 요소를 위한 세그먼트를 구비한 4개의 측정 스포크의 경우, 회전 방향으로 인접하는 두개의 세그먼트의 센서 요소들은 각각 브릿지 회로 내에서 각각 연결되는 것 또한 가능하다.
이러한 브릿지 회로들은 바람직하게 두 개의 병렬 분압기를 포함하는 휘트스톤 브릿지 회로로 구성될 수 있으며, 분압기(a voltage divider)들은 각각의 경우에 half-bridge를 형성할 수 있도록 구성될 수 있다. 상기 분압기들은, 차례로, 각각의 경우에 직렬로 배열되는 두개의 저항으로 구성된다. 센서 요소들은, 특히 변형률 게이지는, 브릿지 회로 내에서 대응하는 가변 저항을 형성하며, 인접한 센서 요소의 저항 변화는 브릿지 회로에서 반대 영향(an opposite effect)을 미친다. 따라서, 배면하는 센서 요소의 저항 변화는 브릿지 전압에 동일한 영향을 미친다.
두 경우 모두, 세그먼트의 센서 요소는 full-bridge 내에서 분압기(a voltage divider)를 형성하는 a half-bridge에서 각각의 경우에 연결된다.
이러한 맥락에서, 따라서 본 발명은 측정 플랜지를 구비한 토크 센서 장치의 수단에 의해 토크를 감지하는 방법에 관한 것이며, 측정 플랜지는, 움직이는 요소에 발생하는 토크를 감지하기 위해, 움직이는 요소와 상호작용할 수 있도록 설계되며, 플랜지 외측 링 및 플랜지 내측 링을 포함하며, 측정 플렌지의 회전 방향으로 동일한 거리(equidistantly)로 배열되는 4개의 측정 스포크를 포함하며, 플랜지 외측 링 및 플랜지 내측 링을 포함하며, 측정 스포크는, 토크의 영향 하에서 변형될 수 있도록 설계되며, 플랜지 내측 링으로부터 반경 방향으로 연장되며, 변형을 감지하기 위한 두 개의 센서 요소가 배열되는 세그먼트가 구비되며, 상기 방법은 이하를 포함한다;
- 센서 요소의 수단에 의해 측정 스포크의 변형을 감지하며, 그리고
- 두개의 브릿지 회로의 수단에 의한 센서 요소에 의해 발생되는 신호를 평가하며, 상기 반경 방향으로 반대인 세그먼트의 센서 요소는 각각 하나의 브릿지 회로로 연결되며, 상기 세그먼트의 센서 요소들이 브릿지 회로의 a half-bridge로 서로 연결된다.
다른 실시예에서, 본 발명은 측정 플랜지를 구비한 토크 센서 장치의 수단에 의해 토크를 감지하는 방법을 제안하며, 측정 플랜지는, 움직이는 요소에 발생하는 토크를 감지하기 위해, 움직이는 요소와 협동(cooperate)할 수 있도록 설계되며, 플랜지 외측 링 및 플랜지 내측 링을 포함하며, 측정 플렌지의 회전 방향으로 동일한 거리(equidistantly)로 배열되는 4개의 측정 스포크를 포함하며, 플랜지 외측 링 및 플랜지 내측 링을 포함하며, 측정 스포크는, 토크의 영향 하에서 변형될 수 있도록 설계되며, 플랜지 내측 링으로부터 반경 방향으로 연장되며, 변형을 감지하기 위한 두 개의 센서 요소가 배열되는 세그먼트가 구비되며, 상기 방법은 이하를 포함한다;
- 센서 요소의 수단에 의해 측정 스포크의 변형을 감지하며, 그리고
- 두개의 브릿지 회로의 수단에 의한 센서 요소에 의해 발생되는 신호를 평가하며, 회전 방향으로 인접하는 세그먼트의 센서 요소들은 하나의 브릿지 회로로 서로 연결되며, 상기 세그먼트의 센서 요소는 브릿지 회로의 half-bridge로 서로 연결된다.
추가로, 본 발명은 조인트를 통해 연결되는 복수의 링크를 포함하는 로봇의 매니퓰레이터와 관련되며, 회전 구동부의 수단으로 움직이는 적어도 하나의 링크는 매니퓰레이터의 제1 링크를 매니퓰레이터의 제2 링크에 연결하며, 그리고, 조인트는 조인트 내 또는 조인트에 발생하는 토크를 감지하기 위한 전술한 실시예 중 어느 하나에 따른 토크 센서 장치를 포함하며, 적어도 하나의 그러한 매니퓰레이터를 포함하는 로봇에 관한 것이다.
본 발명의 추가 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 도시된 예시적인 실시예의 설명으로부터 나타날 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 토크 센서 장치의 분해 사시도이며;
도 2는 플랜지의 센서 측 표면의 평면도이며;
도 3은 플랜지의 구동부 측 표면의 평면도이며;
도 4a는 본 발명에 따른 제 1스위칭 배치를 개략적으로 도시하며;
도 4b는 제 1 스위칭 배치를 참조하여 제1 브릿지 회로를 도시하며;
도 4c는 제1 스위칭 배치를 참조하여 제2 브릿지 회로를 도시하며;
도 5a는 본 발명에 따른 제2 스위칭 배치를 개략적으로 도시하며;
도 5b는 제2 스위칭 배치를 참조하여 제1 브릿지 회로를 도시하며; 그리고
도 5c는 제2 스위칭 배치를 참조하여 제2 브릿지 회로를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 토크 센서 장치의 일 실시예를 분해도로 도시한다.
PCB(a printed circuit board, 2)는 센서와 평가 소자(evaluation electronics)를 수용하며, 측정 플랜지(10)의 반대측에 위치하며, 로봇의 매니퓰레이터의 조인트를 위한 구동 유닛(미도시)의 움직이는 요소에 회전되지 않는 연결로 제공된다. PCB(2)는 측정 플랜지(1)에 회전되지 않게 연결(non-rotatably connected)된다.
도 2는 측정 플랜지(1)의 센서 측 표면의 평면도이며, 도 3은 구동 유닛을 바라보는(facing) 측정 플랜지(10)의 반대 표면(the opposite surface)을 재현한다.
측정 플랜지(1)는 바람직하게 단일 알루미늄 부재 요소로 밀링될 수 있으며, 본 발명에 따라 정의된 기하학적 구조를 포함한다.
이 목적을 위해, 측정 플랜지(1)는 플랜지 외측 링(3) 및 플랜지 내측 링(4)를 포함하며, 허브(a hub, 5)는 플랜지 내측 링(4)으로부터 구동 유닛까지 축 방향(in the axial direction)으로 연장된다.
복수의 연결 요소(a plurality of connecting elements)는 플랜지 내측 링(4) 및 플랜지 외측 링(3) 사이에 구비된다. 일 예로, 측정 플랜지(1)는 90°의 균일한 간격의, 플랜지 내측 링(4) 및 플랜지 외측 링(3) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 4개의 지지 스포크(four supporting spokes, 6)를 포함한다.
4개의 측정 스포크(four measuring spokes, 7)는 지지 스포크(6) 사이에, 각각 동일한 거리로 구비되며, 즉 90°의 차이(offset)를 두어 두비된다.
본 발명에 따르면, 각 측정 스포크(7)는 플랜지 내측 링(4)으로부터 반경 방향으로 연장되며, 다중 전단 변형률 게이지(strain gauge)로서 디자인되는 센서 요소(9)를 수용하는 역할을 하는 세그먼트(8)를 포함한다.
플랜지 외측 링(3)에, 측정 스포크(7)의 세그먼트(8)는 세그먼트(8)에 대하여 거울-대칭적으로 배열되며, 서로 둔각, 바람직하게는 대략 120 - 150°의 범위를 형성하는 두 개의 연결 스트럿(10)으로 전개(spread)된다. 연결 스트럿(10)은 플랜지 외측 링(3)은 반경 방향으로부터 멀어지는 방향으로 플랜지 외측 링(3)에 연결된다.
이런 방식으로, 변형률 게이지(9)를 갖는 세그먼트(8)는 반경 방향으로 작용하는 임의의 힘으로부터 디커플링(decoupling)될 수 있다. 그러면, 반경 방향의 힘은 플랜지 외측 링(3) 및 플랜지 내측 링(4) 사이의 지지 스포크(6)를 통하여 주로 전달된다.
연결 스트럿(10) 및 지지 스포크(6)는 동일한 벽 두께를 가지며, 각각의 경우에서 공동으로 오목부(11)의 한계를 정하며, 이후 측정 플랜지(1)의 회전 방향으로 대칭적이고 균일하게 분배(distributed)된다. 연결 스트럿(10) 및 플랜지 외측 링(3)은 또한 상응하는 오목부(12)를 포함한다.
이러한 오목부(11,12)의 기하학(the geometry) 및 분포(the distribution), 특히 그 내부 반지름들(radii)은, 세그먼트(8)들이 변형률 게이지(9)의 수단에 의해 감지될 수 있는 토크 유래 변형(torques-induced deformations)에 독점적인 대상(subjected exclusively)이 될 수 있도록, 측정 스포크(7)들의 세그먼트(8)들에 작용하는 모든 교란되는(disturbing), 방해하는(interfering) 힘이 회피되거나 적어도 크게 감쇠된(at least largely attenuated)하는 방식으로 선택된다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 측정 결과에 세그먼트(8)의 표면에 곡률의 부정적인 영향을 피하기 위해, 세그먼트(8)는 변형률 게이지(9)를 수용하는 포켓(13)을 형성하는 측정 플랜지(1)의 부재의 두께와 비교하여 축 방향으로 감소된 부재 두께로 구비된다.
도 4a 내지 도 4c 는 본 발명에 따라, 그리고 포켓(13) 내에 배치되어 있는 변형률 게이지(9)에 따른 측정 플랜지(10)과 연결되는 연결관계 또는 회로의 제1 실시예를 도시한다.
4 개의 측정 스포크(7)들이 각각 4개의 센서 요소(9)를 포함하는 경우, 2 개의 측정 스포크(7) 각각은 서로 반대측에 위치되며, 변형률 게이지(9)는 서로 반대측에 위치되는 2 개의 half bridge를 포함하며, 정확하게 2 개의 full bridge를 통하여 스위치(switched)되거나, 상호 연결(interconnected)된다.
쿼터 브릿지들(the quater bridges)은 센서 전기소자(the sensor electronics)에 의해 감지되는 신호가 총 합이 동일하게 유지되는 방식으로 각각 여기(excited)되므로, 그러한 full bridge 내에 “squeezing” 배열에 의해, 즉, 측정 플랜지(10)의 축에 대하여 양 측에서 방향이 다른 세그먼트(8)의 변형의 방향이 이미 크게 보상받는다.
전단 변형률 게이지 각각은 D11 및 D12, D21 및 D22, D31 및 D32 그리고, D41 및 D42 으로 호칭되는 서로 직각을 이루어 이격되는 두 개의 변형률 게이지 배열을 포함하며, 정점(the apex point)은 반경 방향으로 향한다. 도 4b, 4c 및 도 5b, 5c 에서, 이러한 명칭(designations)은 분압기 내에서 저항의 변화에 상응한다.
제1 full bridge(도 4b)가 제1 half bridge 로서 D11 및 D12, 그리고 제2 half bridge 로서 D31 및 D32를 포함하는 반경 방향으로 반대되는 변형률 게이지(9) 사이의 브릿지 회로에 의해 형성된다. 유사한 방식으로 제2 full bridge(도 4c)는 제1 half bridge 로서 D21 및 D22, 그리고 제2 half bridge 로서 D41 및 D4 사이의 브릿지 회로로 형성된다. 제1 및 제2 full bridge 들은 측정 스포크(7)과 유사하게 서로 90°로 이격된다.
전술한 바와 같이, 관절 모양의 암 로봇의 매니퓰레이터에서의 문제는, 특히, 매니퓰레이터의 확장된, 펼쳐진 상태에서, 기울어진 모멘트(tilting moments)가 측정 스포크(7)의 변형에 영향을 미칠 수 있고, 따라서 측정 결과에 영향을 미칠 수 있는 측정 플렌지(1)에 영향을 미칠 수 있다는 것이다.
이러한 측정 플랜지(1)의 “경사(tilting)” 또는 “클램핑(claimping)”는 제2 로부터 제1 full bridge에 제1 full bridge에 영향을 미치며, 동일한 회로 구조를 갖는 제2 full bridge에 정확히 반대되는 효과를 미치는 동일한 힘으로 90°의 간격으로 이격되므로, 전술한 바와 같이, 두 개의 full bridge를 갖는 선택된 전기적 회로에 의해 보상될 수 있다. 따라서, 양측 full bridge로부터 중간값(mean value)을 형성하는 것 만으로도 충분하므로, 간단하게 기울어진 모멘트의 영향이 보상할 수 있다.
도 5a 내지 5c는 변형률 게이지(9)의 추가적으로 가능한 연결 또는 회로를 나타낸다.
여기서, 제1 half-bridge인 D11 및 D12는 제2 half-bridge인 D42 및 D41 과 제1 full bridge로 조합된다(도 5b). 제2 full bridge(도 5c)는 제1 hafg bridge인 D21 및 D22 와 제2 half bridge인 D32 및 D31에 의해 형성된다.
축 방향으로 축에 인접한 측정 플랜지(10)에 압력을 가하는 구동 유닛의 기어의 영향을 최소화하기 위하여, 모든 변형률 게이지(9)들에 균등하게 하중이 작용하므로, 전술한 회로들의 대칭이 적합하며, 이는 전체 신호의 발생에서 편향이 발생하지 않음을 의미하며, 모든 변형률 게이지(9)들이 저항의 증가를 야기하는 신장(stretched)이 이루어지거나, 모든 변형률 게이지(9)들이 저항에서의 감소를 이끌어내며, 모든 변형률 게이지(9)들이 적용된 기어의 압력(pressure force)에 의하여 동등한 각도이므로, 신장(stretching) 또는 압축(compression)의 확장(extent)은 항상 균일하다.

Claims (21)

  1. 토크 센서 장치에 있어서,
    움직이는 요소(a movable compoent)와 연결될 수 있도록 구성되며, 상기 요소에 발생하는 토크를 감지하며, 플랜지 외측 링(a flange outer ring, 3 ) 및 플랜지 내측 링(a flange inner ring, 4)를 포함하는 측정 플랜지(1);
    상기 플랜지 외측 링(3) 및 상기 플랜지 내측 링(4)은 토크의 영향 하에서 변형될 수 있도록 구성되는 적어도 두 개의 측정 스포크(measuring spoke, 7)를 포함하며,
    상기 측정 스포크(7)는 상기 측정 스포크(7)에 작용하는 힘에 대하여 상기 측정 스포크가 반경 방향으로 디커플링(decoupled)되는 방식으로 구성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서 장치.
  2. 움직이는 요소(a movable compoent)와 연결될 수 있도록 구성되며, 상기 요소에 발생하는 토크를 감지하며, 플랜지 외측 링(a flange outer ring, 3 ) 및 플랜지 내측 링(a flange inner ring, 4)를 포함하는 측정 플랜지(1);
    상기 플랜지 외측 링(3) 및 상기 플랜지 내측 링(4)은 토크의 영향 하에서 변형될 수 있도록 구성되는 적어도 두 개의 측정 스포크(measuring spoke, 7)를 포함하며,
    상기 측정 스포크(7)는 상기 플랜지 외측 링(3)과 반경 방향으로부터 이탈하는 방향으로 결합되는 것을 특징으로 하는 토크 센서 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 측정 스포크(7)는,
    상기 플랜지 내측 링(5)으로부터 반경 방향으로 연장되는 세그먼트(8; 13)을 포함하며,
    변형을 감지하기 위해 배치되는 적어도 하나의 센서 요소(9)를 포함하며,
    센서 요소(9)를 위한 세크먼트(8; 13) 다음으로 상기 측정 스포크(7)가 상기 플랜지 외측 링(3)을 향하여 적어도 두 개의 연결 스트럿(10)으로 전개(spread)되는 토크 센서 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 연결 스트럿(10)은 상기 센서 요소(9)를 위한 상기 세그먼트(8; 13)에 의해 형성되는 대칭적으로 형성된 상기 축에 의해 거울-대칭적(mirror-symmetrically)으로 배치되는 토크 센서 장치.
  5. 제3 항 또는 제4 항에 있어서,
    상기 연결 스트럿(10)은 서로 둔각을 형성하는 토크 센서 장치.
  6. 제3 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 요소(9)를 위한 상기 세그먼트(8; 13)는 상기 측정 플랜지(10)의 두께(dimension)보다 상기 측정 플랜지(1)의 축 방향으로 더 작은 두께를 갖는 토크 센서 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 센서 요소(9)를 위한 세크먼트(8; 13)의 두께는 상기 측정 플랜지(10)의 두께의 절반에 대응하는 토크 센서 장치.
  8. 제3 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 측정 스포크(7) 사이에 배치되며, 상기 플랜지 내측 링(4) 및 상기 플랜지 외측 링(3) 사이에서 반경 방향으로 연장되는 적어도 하나의 지지 스포크(6)를 포함하는 토크 센서 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 지지 스포크(6)는 상기 두 개의 측정 스포크(7)로부터 동일한 거리로 배치되는 토크 센서 장치.
  10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 지지 스포크(6)의 상기 벽 두께는 상기 연결 스트럿(10)의 상기 벽 두께에 본질적으로 일치(essentially corresponds)하는 토크 센서 장치.
  11. 제8 항, 제9 항 또는 제10 항에 있어서,
    상기 지지 스포크(9)는 회전 방향으로 인접하는 연결 스트럿(10)과 오목부(11)의 한계를 각각 정하며, 상기 오목부(11)는 상기 지지 스포크(6)에 대하여 거울-대칭적으로 배열되는 토크 센서 장치.
  12. 제3 항 내지 제11 항 중 어느 하나에 있어서,
    적어도 하나의 센서 요소(11)는 상기 측정 스포크(7)의 상기 세그먼트(8; 13)의 축방향 표면에 배치되는 토크 센서 장치.
  13. 제3 항 내지 제11 항 중 어느 하나에 있어서,
    적어도 하나의 센서 요소(9)는 상기 측정 스포크(7)의 상기 세그먼트(8; 13)의 축방향 표면에 통합(integrated)되는 토크 센서 장치.
  14. 제12 항 또는 제13 항에 있어서,
    각각 2개의 센서 요소(9)를 위한 세그먼트(8; 13)를 포함하는 4개의 측정 스포크(7)가 구비되며, 상기 측정 스포크(7)는 회전 방향으로 서로 동일한 거리로 배치되며, 그리고 회전 방향으로 반대측의 세그먼트(8; 13)의 상기 센서 요소(9)는 각각 브릿지 회로(bridge circuit)로 연결되는 토크 센서 장치.
  15. 제12 항 또는 제13 항에 있어서,
    각각 2개의 센서 요소(9)를 위한 세그먼트(8; 13)를 포함하는 4개의 측정 스포크(7)가 구비되며, 상기 측정 스포크(7)는 회전 방향으로 서로 동일한 거리로 배치되며, 그리고 회전 방향으로 인접하는 두개의 세그먼트(8; 13)의 상기 센서 요소는 각각 브릿지 회로로 연결되는 토크 센서 장치.
  16. 제14 항 또는 제15 항에 있어서,
    세그먼트(8; 13)의 상기 센서 요소는 a half-bridge로 각각 연결되는 토크 센서 장치.
  17. 제12 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서 요소(9)는 적어도 두개의 변형률 게이지를 포함하는 다중 전단 변형률 게이지 배열로 구성되는 토크 센서 장치.
  18. 움직이는 요소에 작용하는 토크들(torques)를 감지하기 위해 상기 움직이는 요소와 상호작용할 수 있도록 구성되며, 플랜지 외측 링(3) 및 플랜지 내측 링(4)을 포함하는 측정 플랜지(1)를 포함하며, 상기 플랜지 외측 링(3) 및 상기 플랜지 내측 링(4)은 상기 측정 플랜지(1)의 회전 방향으로 동일 거리로 배열되는 4개의 측정 스포크(7)로 연결되며, 상기 측정 스포크(7)는, 토크의 영향 하에서 변형될 수 있도록 구성되며, 변형의 감지를 위한 두 개의 센서 요소(9)가 배치되며, 상기 플랜지 내측 링(4)으로부터 반경 방향으로 연장되는 세그먼트(8; 13)를 포함하며,
    - 센서 요소(9)의 수단에 의해 상기 측정 스포크(7)의 변형을 감지하며, 그리고,
    - 두개의 브릿지 회로의 수단에 의한 상기 센서 요소(9)에 의해 발생되는 상기 신호를 평가하며, 반경 방향으로 반대인 세그먼트(8; 13)의 상기 센서 요소(9)는 각각 하나의 브릿지 회로로 연결되며, 하나의 세그먼트(8; 13)의 상기 센서 요소(9) 각각은 상기 브릿지 회로의 a half-bridge로 서로 연결되는, 토크 센서 장치의 수단에 의한 토크를 감지하기 위한 방법.
  19. 움직이는 요소에 작용하는 토크(torque)를 감지하기 위해 상기 움직이는 요소와 협동할 수 있도록 구성되며, 플랜지 외측 링(3) 및 플랜지 내측 링(4)을 포함하는 측정 플랜지(1)를 포함하며, 상기 플랜지 외측 링(3) 및 상기 플랜지 내측 링(4)은 상기 측정 플랜지(1)의 회전 방향으로 동일 거리로 배열되는 4개의 측정 스포크(7)로 연결되며, 상기 측정 스포크(7)는, 토크의 영향 하에서 변형될 수 있도록 구성되며, 변형의 감지를 위한 두 개의 센서 요소(9)가 배치되며, 상기 플랜지 내측 링(4)으로부터 반경 방향으로 연장되는 세그먼트(8; 13)를 포함하며,
    - 센서 요소(9)의 수단에 의해 상기 측정 스포크(7)의 변형을 감지하며, 그리고,
    - 두개의 브릿지 회로의 수단에 의한 상기 센서 요소(9)에 의해 발생되는 상기 신호를 평가하며, 상기 회전 방향으로 인접하는 세그먼트(8; 13)의 상기 센서 요소(9)는 각각 하나의 브릿지 회로로 연결되며, 하나의 세그먼트(8; 13)의 상기 센서 요소(9)는 각각 상기 브릿지 회로의 a half-bridge로 서로 연결되는, 토크 센서 장치의 수단에 의한 토크를 감지하기 위한 방법.
  20. 구동부 수단에 의해 움직이는 적어도 하나의 조인트가 매니퓰레이터의 제1 링크와 상기 매니퓰레이터의 제2 링크를 회전가능하게 연결하며, 조인트를 통하여 연결되는 복수의 암 링크를 포함하는 로봇의 매니퓰레이터에 있어서, 적어도 상기 조인트 내에 또는 상기 조인트에 발생하는 토크를 감지하기 위한 청구항 제1 항 내지 제 17 항 중 어느 하나에 따른 토크 센서 장치를 포함하는 상기 조인트를 특징으로 하는 로봇의 매니퓰레이터.
  21. 청구항 제21 항에 따른 적어도 하나의 매니퓰레이터를 포함하는 로봇.
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