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KR20210002278A - 오토 캘리브레이션이 가능한 6축 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법 - Google Patents

오토 캘리브레이션이 가능한 6축 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법 Download PDF

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KR20210002278A
KR20210002278A KR1020190078229A KR20190078229A KR20210002278A KR 20210002278 A KR20210002278 A KR 20210002278A KR 1020190078229 A KR1020190078229 A KR 1020190078229A KR 20190078229 A KR20190078229 A KR 20190078229A KR 20210002278 A KR20210002278 A KR 20210002278A
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South Korea
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force
torque
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sensor
value
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최혁렬
김용범
석동엽
이승연
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 힘/토크 센서는, 3축 힘과 3축 토크를 측정하는 제1 센서부; 3축 가속도, 3축 자이로 및 3축 콤파스를 측정하는 제2 센서부; 및 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 상기 힘/토크 센서에 부착된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거한 값을 측정된 힘/토크 값으로 제공하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

오토 캘리브레이션이 가능한 6축 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법{FORCE/TORQUE SENSOR CAPABLE OF AUTO CALIBRATION AND AUTO CALIBRATION METHOD}
본 발명은 6축 힘/토크 센서에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 센서에 부착된 도구의 무게에 의한 영향을 제거하는 오토 캘리브레이션이 가능한 6축 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법에 관한 것이다.
6축 힘/토크 센서는 센서에 작용하는 외력(3축 힘과 3축 토크)을 측정할 수 있다. 특허 제10-1477120호와 같은 6축 힘/토크 센서를 로봇, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같은 매니퓰레이터의 끝단에 위치시키고 그 앞단에 도 2에 도시된 바와 같은 다양한 도구(그리퍼 등)를 부착시킴으로써 기존의 위치 제어만으로 불가능했던 많은 작업들을 수행할 수 있게 되었다.
다만 6축 힘/토크 센서에 외력이 작용하지 않더라도 센서의 앞단에 부착된 도구의 무게에 의한 힘/토크가 센서의 측정값에 영향을 미치기 때문에 6축 힘/토크 센서를 이용한 정밀 작업에 어려움을 야기하고 있다.
이에 지금까지의 6축 힘/토크 센서의 경우 센서에 부착되는 도구의 무게 및 무게 중심 값을 미리 알고, 로봇 끝단의 회전행렬의 값과 도구의 무게 및 무게 중심 값을 이용하여 도구로 인해 가해지는 6축 힘/토크 값을 구한 다음 6축 힘/토크 센서의 측정값으로부터 장치에 인해 가해지는 6축 힘/토크 값을 제거하는 방법으로 도구에 의한 영향을 제거하는 방법을 사용하였다.
그러나 이러한 방법은 사전에 도구의 무게와 무게 중심 값을 알고 있어야 하나 조립에 의한 무게 중심의 변화 등의 영향은 계산이 불가능하여 모든 도구에 적용되기 어려운 방법이다.
또한 로봇 끝단의 회전행렬을 매번 연산을 통해 제거하기 때문에 연산부(메인컨트롤러)의 연산속도를 저하시키는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제1 센서부와 제2 센서부의 측정값을 통해 도구의 무게에 의한 힘/토크를 도출해 내고 이를 이용하여 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 도구를 교체하기 전까지는 한번 도출된 도구의 무게에 의한 힘/토크를 계속 이용하여 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법에 의해 모두 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서는 3축 힘과 3축 토크를 측정하는 제1 센서부; 3축 가속도, 3축 자이로 및 3축 콤파스를 측정하는 제2 센서부; 및 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 상기 힘/토크 센서에 부착된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거한 값을 측정된 힘/토크 값으로 제공하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제2 센서부는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서로 이루어질 수 있다.
제1 센서부는 상기 도구의 움직임에 따라 위치가 변형되는 변형 영역과 상기 도구의 움직임에 따라 위치가 변형되지 않는 고정 영역으로 이루어지며, 상기 변형 영역에 위치한 제1 전극부와 상기 고정 영역에 위치한 제2 전극부 사이의 정전용량 변화로 상기 3축 힘과 3축 토크를 측정하며, 상기 제2 센서부는 상기 고정 영역에 위치한다.
상기 연산부는 상기 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값과 상기 제2 센서부에 의한 측정값을 이용하여 상기 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산할 수 있다.
상기 연산부는 아래 수식을 이용하여 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 상기 힘/토크 센서에 부착된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
여기서, FGC는 무게 보상된 힘, τGC는 무게 보상된 토크, FWS는 제1 센서부에 의해 측정된 힘, τWS는 제1 센서부에 의해 측정된 토크, RST는 센서 프레임에서 도구 프레임으로의 회전행렬,
Figure pat00003
는 도구의 무게중심 벡터(PT)에 대한 대칭행렬, FWT는 도구의 무게중심에서의 힘, τWT는 도구의 무게중심에서의 토크이다.
상기 수식에서
Figure pat00004
는 상기 도구의 무게에 의한 힘,
Figure pat00005
는 상기 도구의 무게에 의한 토크이다.
상기 연산부는 상기 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산한 후 연산된 결과값을 저장하고, 상기 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘/토크 값을 제공할 때 상기 제1 센서부에 의해 측정된 힘/토크 값에서 저장된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거하여 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오토 캘리브레이션 방법은 로봇의 일단부에 제1항에 따른 힘/토크 센서를 부착하는 센서 부착 단계; 상기 힘/토크 센서에 제1 도구를 연결하는 도구 연결 단계; 상기 제1 도구에 중력 이외의 외력을 작용하지 않은 상태에서 상기 힘/토크 센서의 제1 센서부 및 제2 센서부가 측정한 측정값을 이용하여 상기 힘/토크 센서의 연산부가 상기 제1 도구의 무게에 의한 제1 힘/토크 값을 연산하는 제1 힘/토크 값 연산 단계; 연산된 상기 제1 힘/토크 값을 저장하는 제1 힘/토크 값 저장 단계; 및 상기 제1 도구에 작용된 외력에 대한 상기 힘/토크 센서의 센싱값으로서 상기 제1 센서부에 의한 힘/토크 값에서 상기 제1 힘/토크 값을 제거한 값을 도출하는 센싱값 도출 단계를 포함하여 이루어진다.
또한 상기 제1 도구를 제2 도구로 교체하는 도구 교체 단계; 상기 제2 도구에 중력 이외의 외력을 작용하지 않은 상태에서 상기 힘/토크 센서의 제1 센서부 및 제2 센서부가 측정한 측정값을 이용하여 상기 힘/토크 센서의 연산부가 상기 제2 도구의 무게에 의한 제2 힘/토크 값을 연산하는 제2 힘/토크 값 연산 단계; 및 연산된 상기 제2 힘/토크 값을 저장하는 제2 힘/토크 값 저장 단계를 더 포함하고, 상기 센싱값 제공 단계에서 상기 제1 힘/토크 값 대신 상기 제2 힘/토크 값을 제거한 값을 센싱값으로 제공할 수 있다.
도구의 무게에 의한 힘은
Figure pat00006
로 연산하고, 도구의 무게에 의한 토크는
Figure pat00007
로 연산하며, 여기서 RST는 센서 프레임에서 도구 프레임으로의 회전행렬,
Figure pat00008
는 도구의 무게중심 벡터(PT)에 대한 대칭행렬, FWT는 도구의 무게중심에서의 힘, τWT는 도구의 무게중심에서의 토크이다.
본 발명의 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법는 센서에 도구를 조립한 후 제1 센서부와 제2 센서부의 측정값을 통해 도구의 무게 및 무게중심을 도출해 내고 이를 오토 캘리브레이션에 이용함으로써 도구의 조립 과정에서의 영향까지 고려한 정확한 오토 캘리브레이션이 가능하며, 도구를 교체하기 전까지는 한번 도출된 도구의 무게 및 무게중심을 계속 이용하여 오토 캘리브레이션이 가능한 것을 특징으로 한다.
도 1은 예시적인 매니퓰레이트를 보여주는 도면이다.
도 2는 매니퓰레이트의 끝단에 부착될 수 있는 다양한 장치를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘/토크 센서의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 힘/토크 센서의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 힘/토크 센서의 변형 플레이트의 구조와 움직임을 보여주는 도면이다.
도 7은 PCB상의 전극과 센싱 플레이트 사이의 배치 관계를 보여주는 도면이다.
도 8은 제2 센서부의 예시적인 위치를 보여주는 도면이다.
도 9는 베이스 프레임, 센서 프레임 및 도구 프레임의 관계를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 오토 캘리브레이션 방법의 순서도이다.
도 11과 도 12는 이미 알고 있는 값을 이용한 참조 데이터, 제1 센서부에 의한 측정 데이터, 오토 캘리브레이션된 본 발명의 데이터를 보여주는 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 힘/토크 센서에 대해 상세히 설명하도록 한다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 힘/토크 센서를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.
또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 일 실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
도 3에는 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서의 구성도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)는 제1 센서부(10), 제2 센서부(20), 연산부(30), 저장부(40)를 포함하여 이루어질 수 있다.
제1 센서부(10)는 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)에 인가된 외력을 측정한다.
제1 센서부(10)는 3개축(X, Y, Z축)의 힘과, 3개축(X, Y, Z축)에 대한 토크를 측정할 수 있고, 이러한 제1 센서부를 구비한 본 발명의 힘/토크 센서는 3개축 방향으로 인가된 힘과 3개축을 중심으로 한 토크를 감지하고 감지된 값을 제공할 수 있는 6축 힘/토크 센서가 된다.
본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)는 부착되는 도구(200)의 움직임에 따라 위치가 변경되는 이동영역(A)과 도구의 움직임에 따라 위치가 변경되지 않는 고정영역(B)을 포함하여 이루어질 수 있으며, 제1 센서부는 서로 마주보되 이동영역에 위치한 제1 전극과 고정영역에 위치한 제2 전극 사이의 정전용량 변화로 도구에 작용하는 힘/토크를 측정할 수 있다.
다음으로, 제2 센서부(20)는 3축 가속도, 3축 자이로(Gyro) 및 3축 콤파스(Compass)를 측정할 수 있는 센서로 이루어진다. 이러한 센서로서 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서가 사용될 수 있다.
이러한 제2 센서부는 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 전체적인 움직임 내지 위치를 감지할 수 있으며, 제2 센서부는 예를 들어 제1 센서부의 고정영역에 위치할 수 있다. 여기서 제1 센서부의 고정영역에 위치한다는 것은 도구(200)의 움직임에 영향을 받지 않는 곳에 위치한다는 의미일 뿐 반드시 제1 센서부의 고정영역에 직접 연결되어야 함을 의미하는 것은 아니다.
다음으로, 연산부(30)는 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서가 감지한 3축 힘과 3축 토크 값을 연산하고 그 결과를 제공한다. 이를 위해 연산부(30)는 제1 센서부(10)의 제1 전극과 제2 전극 사이의 정전용량 변화를 계산하고 그 결과를 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서의 앞단에 부착된 도구에 작용한 외력(힘/토크)에 대한 센싱값으로서 제공한다.
이때 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 앞단에 연결된 도구(200)에 외력이 작용하지 않더라도 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크가 발생하고 도구의 무게에 의한 힘/토크가 센서의 센싱값에 영향을 미친다.
이에 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서의 연산부(30)는 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거한 값을 센싱된 힘/토크 값으로 제공함으로써 도구(200)에 작용한 외력을 정확히 감지할 수 있게 하며, 이로 인해 도구를 이용한 정밀한 작업을 가능하게 한다.
이를 위해 연산부(30)는 제1 센서부(10)에 의한 힘/토크 측정값과 제2 센서부(20)에 의한 측정값을 이용하여 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산한다.
또한 한 번 측정된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 저장부(40)에 저장하고, 이후의 연산에선 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 저장된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거하고 그 결과를 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서의 센싱값으로 출력할 수 있다.
그런 다음, 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서의 앞단에 연결된 도구(200)를 다른 도구(200')로 교체할 경우 연산부(30)는 교체된 도구(200')의 무게에 의한 힘/토크 값을 다시 연산하여 저장부(40)에 저장하고 이후의 연산에서는 새로 저장된 값을 이용하여 교체된 도구(200')의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거함으로써 도구에 인가된 순수 외력에 대한 힘/토크 센싱값을 제공할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 6축 힘/토크 센서(100)를 구현한 일 실시예가 도 4 내지 도 7에 도시되어 있다.
도 4 내지 도 7을 참고로 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4에 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 사시도가 도시되어 있고 도 5에는 분해사시도가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)는 상부 플레이트(1), 변형 플레이트(2), 센싱 플레이트(3), PCB(4), 하부 플레이트(5)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)는 상부 플레이트(1)와 하부 플레이트(5) 사이에 변형 플레이트(2), 센싱 플레이트(3), PCB(4)를 도 5에 도시된 바와 같이 차례로 적층시켜 연결하는 간단한 조립 방법으로 완성할 수 있다.
이때 도 6에 도시된 바와 같은 변형 플레이트(2)의 중심 영역(2-1)은 상부 플레이트(1)에 형성된 홀(H)을 통해 도구(200)와 연결될 수 있다. 따라서 중심 영역(2-1)은 도구(200)와 일체로 움직일 수 있는 이동영역(A)이다.
이에 반해 변형 플레이트(2)의 외주 영역(2-2)은 중심 영역(2-1)과 탄성 힌지(2-3)로 연결되어 있어 도구의 움직임에 연동하지 않는 고정영역(B)이다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 조립시 센싱 플레이트(3)를 변형 플레이트(2)의 중심 영역(2-1)과 연결시키고 PCB(4)를 변형 플레이트(2)의 외주 영역(2-2)에 연결시키면, 도 7에 도시된 바와 같이 센싱 플레이트(3)와 PCB(4)상의 전극(4-1) 사이의 거리가 도구(200)의 움직임에 따라 달라지며, 센싱 플레이트(3)와 PCB상의 전극(4-1) 사이에 발생하는 정전용량이 변화한다.
이에 PCB(4) 상에 위치된 메인컨트롤러는 이러한 정전용량의 변화를 이용하여 도구(200)에 인가된 힘/토크를 연산할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)는 도 8에 도시된 바와 같이 고정영역(B)에 해당하는 PCB(4)에 IMU센서(4-2)를 구비할 수 있으며, IMU센서에 의한 센싱값을 이용하여 메인컨트롤러는 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 앞단에 연결된 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크를 계산할 수 있다.
IMU센서에 의한 센싱값을 이용하여 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크를 계산하는 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
우선, 설명을 위해 도 9에 도시된 바와 같이 로봇이 위치하는 베이스를 원점으로 하는 좌표계를 베이스 프레임{B}, 센서(100)를 원점으로 하는 좌표계를 센서 프레임{S}, 도구(200)의 무게 중심을 원점으로 하는 좌표계를 도구 프레임{T}이라고 한다. 여기서 도구 프레임{T}은 도구(200)의 움직임에 따라 변화하는 것이 아닌 항상 하나의 축(Z'축)이 중력방향을 향하는 좌표계이며, 베이스 프레임과 동일한 좌표계이다.
RBS는 베이스 프레임{B}에서 센서 프레임{S}으로의 회전 행렬, RBT는 베이스 프레임{B}에서 도구 프레임{T}으로의 회전 행렬, RST는 센서 프레임{S}에서 도구 프레임{T}으로의 회전 행렬이며, RST는 RBT = RBS ·RST의 관계를 만족시킬 수 있는 회전행렬이어야 한다.
베이스 프레임{B}과 도구 프레임{T}은 같은 좌표계이므로, RST = RT BS ·I이고, 본 발명에서는 IMU센서에 의한 센싱값을 이용하여 RBS의 계산이 가능하므로 결론적으로 회전 행렬 RST를 구할 수 있고, 이를 이용하여 도구의 무게에 의한 힘과 토크를 구할 수 있으므로 결론적으로 도구의 무게에 의한 힘과 토크를 제거한 순수 외력에 대한 센싱값을 제공할 수 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
우선 IMU센서에 의한 센싱값을 이용하여 회전행렬 RBS를 도출하기 위해 가속도 값을 이용한 롤, 피치 각을 도출한다. 여기서, Ax, Ay, Az는 X, Y, Z축 방향 가속도 값이다.
Figure pat00009
그리고 자이로 값을 이용하여 롤, 피치 각을 도출한다. 여기서 Gx, Gy, Gz는 X, Y, Z축 자이로 값이다.
Figure pat00010
상보필터를 적용하여 롤, 피치 각을 도출하고, 이를 이용하여 요 각을 도출한다. 여기서 α, β의 값은 필터에 따라 결정되는 상수값이다.
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
그런 다음, 도출된 롤, 피치, 요 각을 이용하여 회전행렬 RBS를 도출한다.
Figure pat00014
도 9를 참조하면, 도구(200)를 본 발명의 일 실시예에 따른 힘/토크 센서(100)의 앞단에 설치할 경우 센서 프레임{S}에서 측정되는 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크는 다음과 같다.
Figure pat00015
여기서, FWSO는 제1 센서부에 의해 측정된 힘, τWSO는 제1 센서부에 의해 측정된 토크이며, 도구(200)의 질량 중심을 원점으로 하는 도구 프레임{T}에서의 힘 토크는 다음과 같다(Z'축이 중력 방향).
Figure pat00016
그리고 센서 프레임{S}과 도구 프레임{T}에서의 힘/토크는 다음과 같은 관계를 갖는다.
Figure pat00017
여기서
Figure pat00018
는 도구의 무게중심 벡터(PT)에 대한 대칭행렬이다.
따라서 도구의 무게(mt)는 다음과 같은 관계를 이용하면 제1 센서부에서 측정된 힘/토크 값과 제2 센서부의 측정값을 통해 계산할 수 있음을 알 수 있다.
Figure pat00019
또한 무게중심도 아래 관계를 이용하면 제1 센서부에서 측정된 힘/토크 값과 제2 센서부의 측정값을 통해 계산할 수 있음을 알 수 있다. 즉, RST, RBS, FWSO, τWSO는 제1 센서부에서 측정된 힘/토크 값과 제2 센서부의 측정값으로부터 알 수 있는 값이므로 도구의 무게중심 벡터 PT를 도출해 낼 수 있다.
Figure pat00020
따라서 결론적으로 도구의 무게에 의한 힘과 토크를 제거한 보상된(오토 캘리브레이션된) 힘은 아래 수식(1)에 의해, 토크는 아래 수식 (2)에 의해 도출될 수 있다.
수식 (1) :
Figure pat00021
수식 (2) :
Figure pat00022
여기서, FWS는 제1 센서부에 의해 측정된 힘, τWS는 제1 센서부에 의해 측정된 토크,
Figure pat00023
는 도구의 무게에 의한 힘,
Figure pat00024
는 도구의 무게에 의한 토크이다.
따라서 연산부는 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산한 후 연산된 결과값을 저장부에 저장하고, 본 발명에 따른 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘/토크 값을 제공할 때 제1 센서부에 의해 측정된 힘/토크 값에서 저장된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거하여 제공함으로써 매번 복잡한 연산을 수행할 필요 없이 도구의 무게에 의한 힘/토크가 보상된 힘/토크 측정값을 제공할 수 있다.
도 10에 본 발명의 일 실시예에 따른 오토 캘리브레이션 방법의 순서도가 도시되어 있다.
도 10을 참고로 본 발명에 따른 힘/토크 센서를 사용하여 어떻게 오토 캘리브레이션을 수행하는지 다시 한번 설명한다. 다만 앞선 설명과 중복되는 설명은 설명의 명확성을 위해 앞선 설명으로 갈음하고 생략하기로 한다.
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)를 로봇에 부착한다(S10).
그리고 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서(100)의 일단에 그리퍼 등의 도구(200)를 연결한다(S20).
단계 S10, S20의 조립을 통해 로봇은 말단에 설치된 도구가 받는 6축 힘/토크를 알 수 있으므로 도구를 이용한 정밀 작업을 수행할 수 있다.
다만, 6축 힘/토크 센서(100)에 의한 힘/토크 값에 도구(200)의 무게에 의한 힘/토크 값이 포함되어 실제로 도구에 인가된 외력의 정확한 측정에 방해가 된다.
이에 본 발명의 일 실시예에 따른 오토 캘리브레이션 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서의 제1 센서부(10) 및 제2 센서부(20)가 측정한 측정값을 이용하여 연산부(30)가 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산한다(S30).
그런 다음, 연산된 힘/토크 값은 저장부(40)에 저장된다(S40).
도구(200)에 외력이 작용하면 연산부(30)는 제1 도구(200)에 작용된 외력에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 6축 힘/토크 센서의 센싱값으로서 제1 센서부(10)에 의한 힘/토크 값에서 도구의 무게에 의한 저장된 힘/토크 값을 제거한 값을 제공한다(S50).
그런 다음, 본 발명의 일 실시예에 따른 오토 캘리브레이션 방법은 단계 S60에서 도구 교체되었는지를 판단하고, 도구가 교체되지 않았다면, 계속하여 저장된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 이용하여 오토 캘리브레이션된 힘/토크 값을 제공한다.
하지만 만약 단계 S60에서 도구가 교체된 것으로 판단되면, 단계 S30으로 돌아가 교체된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산하고, 연산된 힘/토크 값을 저장하며(S40), 이후의 센싱값 도출 단계에서는 새로 저장된 교체된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 측정된 힘/토크 값에서 제거하는 오토 캘리브레이션을 수행한다.
이러한 본 발명의 효과를 확인하기 위해, 사전에 알고 있는 도구의 무게와 무게중심, 그리고 로봇팔로부터 나오는 회전 매트릭스로 계산된 참조 데이터와 제1 센서부에 의해 측정된 힘/토크 값, 본 발명에 따른 힘/토크 값을 비교하였다.
그 결과, 도 11에 도시된 바와 같이 제1 센서부에 의해 측정된 힘(도 11의 측정 데이터)은 참조 데이터의 Z축 힘에 있어서 도구의 무게의 영향으로 노이즈가 많이 포함되어 있음을 확인할 수 있다. 이에 반해 도구의 무게의 영향을 제거한 본 발명의 데이터는 Z축 힘에 있어서도 참조 데이터와 유사한 값을 나타냄을 확인할 수 있었다.
또한 토크에 있어서도 도 12에 도시된 바와 같이 제1 센서부에 의해 측정된 토크(도 12의 측정 데이터)에 비해 본 발명에 따른 데이터가 참조 데이터와 유사한 값을 나타냄을 확인할 수 있었다.
지금까지 본 발명의 실시예에 따른 오토 캘리브레이션이 가능한 6축 힘/토크 센서 및 오토 캘리브레이션 방법을 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
1 : 상부 플레이트 2 : 변형 플레이트
3 : 센싱 플레이트 2-1 : 중심 영역
2-2 : 외주 영역 2-3 : 탄성 힌지
4 : PCB 4-1 : 전극
4-2 : IMU센서 5 : 하부 플레이트
10 : 제1 센서부 20 : 제2 센서부
30 : 연산부 40 : 저장부
100 : 오토 캘리브레이션이 가능한 6축 힘/토크 센서
200, 200' : 도구 H : 홀

Claims (10)

  1. 3축 힘과 3축 토크를 측정하는 제1 센서부;
    3축 가속도, 3축 자이로 및 3축 콤파스를 측정하는 제2 센서부; 및
    제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 상기 힘/토크 센서에 부착된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거한 값을 측정된 힘/토크 값으로 제공하는 연산부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 센서부는 IMU(Inertial Measurement Unit) 센서로 이루어진 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 센서부는 상기 도구의 움직임에 따라 위치가 변형되는 변형 영역과 상기 도구의 움직임에 따라 위치가 변형되지 않는 고정 영역으로 이루어지며, 상기 변형 영역에 위치한 제1 전극부와 상기 고정 영역에 위치한 제2 전극부 사이의 정전용량 변화로 상기 3축 힘과 3축 토크를 측정하며,
    상기 제2 센서부는 상기 고정 영역에 위치하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값과 상기 제2 센서부에 의한 측정값을 이용하여 상기 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연산부는 아래 수식을 이용하여 제1 센서부에 의한 힘/토크 측정값에서 상기 힘/토크 센서에 부착된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
    Figure pat00025

    Figure pat00026

    여기서, FGC는 무게 보상된 힘, τGC는 무게 보상된 토크, FWS는 제1 센서부에 의해 측정된 힘, τWS는 제1 센서부에 의해 측정된 토크, RST는 센서 프레임에서 도구 프레임으로의 회전행렬,
    Figure pat00027
    는 도구의 무게중심 벡터(PT)에 대한 대칭행렬, FWT는 도구의 무게중심에서의 힘, τWT는 도구의 무게중심에서의 토크임
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수식에서
    Figure pat00028
    는 상기 도구의 무게에 의한 힘,
    Figure pat00029
    는 상기 도구의 무게에 의한 토크인 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 연산한 후 연산된 결과값을 저장하고, 상기 힘/토크 센서에 의해 측정된 힘/토크 값을 제공할 때 상기 제1 센서부에 의해 측정된 힘/토크 값에서 저장된 도구의 무게에 의한 힘/토크 값을 제거하여 제공하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션이 가능한 힘/토크 센서.
  8. 로봇의 일단부에 제1항에 따른 힘/토크 센서를 부착하는 센서 부착 단계;
    상기 힘/토크 센서에 제1 도구를 연결하는 도구 연결 단계;
    상기 제1 도구에 중력 이외의 외력을 작용하지 않은 상태에서 상기 힘/토크 센서의 제1 센서부 및 제2 센서부가 측정한 측정값을 이용하여 상기 힘/토크 센서의 연산부가 상기 제1 도구의 무게에 의한 제1 힘/토크 값을 연산하는 제1 힘/토크 값 연산 단계;
    연산된 상기 제1 힘/토크 값을 저장하는 제1 힘/토크 값 저장 단계; 및
    상기 제1 도구에 작용된 외력에 대한 상기 힘/토크 센서의 센싱값으로서 상기 제1 센서부에 의한 힘/토크 값에서 상기 제1 힘/토크 값을 제거한 값을 도출하는 센싱값 도출 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 도구를 제2 도구로 교체하는 도구 교체 단계;
    상기 제2 도구에 중력 이외의 외력을 작용하지 않은 상태에서 상기 힘/토크 센서의 제1 센서부 및 제2 센서부가 측정한 측정값을 이용하여 상기 힘/토크 센서의 연산부가 상기 제2 도구의 무게에 의한 제2 힘/토크 값을 연산하는 제2 힘/토크 값 연산 단계; 및
    연산된 상기 제2 힘/토크 값을 저장하는 제2 힘/토크 값 저장 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 센싱값 제공 단계에서 상기 제1 힘/토크 값 대신 상기 제2 힘/토크 값을 제거한 값을 센싱값으로 제공하는 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    도구의 무게에 의한 힘은
    Figure pat00030
    로 연산하고, 도구의 무게에 의한 토크는
    Figure pat00031
    로 연산하며, 여기서 RST는 센서 프레임에서 도구 프레임으로의 회전행렬,
    Figure pat00032
    는 도구의 무게중심 벡터(PT)에 대한 대칭행렬, FWT는 도구의 무게중심에서의 힘, τWT는 도구의 무게중심에서의 토크인 것을 특징으로 하는 오토 캘리브레이션 방법.
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