[논문]일체형 구조를 갖는 1축 광학 토크 센서 개발

구광민; 장평훈

doi:10.5302/j.icros.2011.17.3.218

일체형 구조를 갖는 1축 광학 토크 센서 개발
Development of a Single-Joint Optical Torque Sensor with One Body Structure 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.17 no.3, 2011년, pp.218 - 222

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a single-joint optical torque sensor with one body structure. Conventional optical torque sensors consist of three parts, two plates and an elastic structure. They have slightly slipping problem between plates and elastic structure due to the manufacturing tolerance. Since the order of measurement range of optical sensor is about ten micrometers, the slipping problem causes large measurement error, especially in the case of vibrational or high speed plant. This problem does not occur in the proposed design due to the one body structure. The proposed sensor has advantage of low cost, light weight, and small size. And it is easy to design and manufacture. Simulation works that analysis of stress and strain are performed accurately. To demonstrate the performance of proposed sensor, experiments were implemented to compare with a commercial force/torque sensor (ATI Mini45).

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 논문에서는 광학토크센서의 장점을 모두 수용하고 단점을 개선하는 센서를 제안하고자 한다. 제안하는 센서는 상용센서의 경제적 부담을 줄일 수 있으며 기존 광학토크센서의 미끄러짐 유발을 방지할 수 있는 일체형 구조로 설계 되었다.

가설 설정

(1)과 같이 전압과 토크가 선형관계라고 가정하고 최소자승법(least square method)을 이용하여 ADC로 측정된 출력전압 V와 상용센서로 측정한 토크 τMini45 를 이용하여 각 계수를 추정한다.

제안 방법

[6] 논문에서는 그림 1에서와 같이 센서의 구조를 판-탄성체-판으로 구성하여 각각의 파트를 볼트를 이용해 조립하는 형태로 설계하였다. 이렇게 각각 분리하여 가공하고 조립할 경우 다양한 형상의 탄성체를 설계할 수 있지만 볼트와 홀의 가공오차 등으로 인해 조립한 후에 각각의 파트 사이에 상대적인 미끄러짐 현상을 피할 수 없다.
제안하는 센서는 상용센서의 경제적 부담을 줄일 수 있으며 기존 광학토크센서의 미끄러짐 유발을 방지할 수 있는 일체형 구조로 설계 되었다. 또한 사용자가 쉽게 설계할 수 있도록 센서의 구조를 단순화 하고 조립 구성품을 최소화하였다. 제안하는 센서는 일체형 구조의 탄성체와 탄성체의 비틀림을 측정하는 광센서 및 인터럽터로 구성된다.
상용센서의 경우 가격이 고가이며 규격도 크기 때문에 산업용 로봇이 아닌 의료 로봇 등의 다양한 서비스 로봇에 적용하기에는 많은 한계점을 가지고 있다. 본 논문에서 제안하는 일체형 토크센서는 구조가 간단하여 d1, h1 두개의 설계 변수만을 이용하여 사용자가 원하는 용량과 크기로 맞춤형 설계를 수행할 수 있고 가공성도 좋다. 또한 광센서는 시중에서 저가에 구매가 가능하며 별도의 증폭장치 없이 사용할 수 있기 때문에 저가형 토크센서를 구현할 수 있다는 장점을 갖는다.
그림 10. 센서 교정 후 광학토크센서의 추정값 비교.
따라서 본 논문에서는 광학토크센서의 장점을 모두 수용하고 단점을 개선하는 센서를 제안하고자 한다. 제안하는 센서는 상용센서의 경제적 부담을 줄일 수 있으며 기존 광학토크센서의 미끄러짐 유발을 방지할 수 있는 일체형 구조로 설계 되었다. 또한 사용자가 쉽게 설계할 수 있도록 센서의 구조를 단순화 하고 조립 구성품을 최소화하였다.
또한 사용자가 쉽게 설계할 수 있도록 센서의 구조를 단순화 하고 조립 구성품을 최소화하였다. 제안하는 센서는 일체형 구조의 탄성체와 탄성체의 비틀림을 측정하는 광센서 및 인터럽터로 구성된다.
측정 관련 부분은 탄성체의 비틀림 정도에 따라 광센서의 감지부를 가로막는 인터럽터와 이 비틀림 양을 측정하는 광센서로 구성된다.

대상 데이터

탄성체 재질에 따라 영률(Young’s modulus)이 작을수록 작은 탄성계수를 갖게 된다. 따라서 용량이 큰 토크센서(100Nm이상)에는 영률이 큰 철 합금(steel alloy) 재질을 사용하고 용량이 작은(100Nm 이하) 토크센서에는 알루미늄 합금(aluminum alloy) 재질을 사용한다. 그림 2에 표시된 일체형 광학토크센서의 탄성체 형상과 관련된 설계 변수는 탄성체의 지름(d1), 판의 지름(d2), 탄성체 높이(h1), 판의 높이(h2), 그리고 판에 위치하는 홀의 지름과 개수이다.
모델명은 CNA1311K Photo Interrupter(Panasonic) [8]이고, 크기는 2.6×4.0×3.3mm 이며 최대 측정 범위는 50µm 이다.
세팅한 광학토크센서를 교정하기 위해서 상용센서를 이용해야 한다. 상용센서는 Mini45 (ATI 6축 토크센서, z방향 토크 용량 20Nm) [9]를 이용하였다. 광학토크센서와 Mini45를 그림 8과 같이 직렬로 연결하고 토크를 가하면 동일한 토크가 각각의 센서에 걸리게 된다.

이론/모형

시뮬레이션을 통해 설계 목표에 부합하는지 확인해야 할 사항은 변형률과 항복응력이다. SolidWorks 2010 Simulation을 이용하여 FEM을 수행하였다. 앞서 언급한 것과 같이 +τ가 가해졌을 때 25µm 이하의 변형이 발생해야 하며 –τd~ +τd 구간에서 탄성변형이 일어나야 한다(그림 5(a)).

성능/효과

이 값을 이용하여 (1)로 추정한 토크값은 Mini45의 측정값과 일치함을 확인할 수 있었다(그림 10). 측정값과 추정값의 RMS오차는 0.0016Nm이며 전압과 토크사이의 관계식 (1)에서 기울기에 해당하는 a 값(6.534)을 바탕으로 0.4%의 직진성을 갖는 것을 확인하였다. (직진성: a값의 평균에 대한 각 시행시 구한 a값의 평균오차로 정의함) 이는 스트레인게이지방식의 상용센서와 근사한 수준이다.

후속연구

상용센서가 없어도 센서를 교정할 수 있게 하기 위해서는 탄성체의 탄성계수를 II 장에서 언급한 설계 변수와 관련된 식으로 표현하는 것이 필요하다. 설계 변수와 탄성계수 사이의 관계식이 구해진다면 광학토크센서를 보다 효율적으로 설계 및 활용할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇 관절에 삽입되는 토크센서에 요구되는 것은 무엇인가	로봇의 관절에 삽입되는 토크센서는 구동축과 피동축 사이에 연결되는 비회전형 방식(reaction type)이다. 이 때 토크센서는 로봇의 동적(dynamic) 성능을 떨어트리지 않고 액추에이터의 동력을 잘 전달해야하며, 노이즈에 민감하지 않고 관절에 작용하는 토크를 정확하게 측정할 수 있어야 한다[5]. 이를 위해 측정방향으로만 비틀림이 잘 발생해야 하며 다른 방향으로는 변형률이 적어야 한다.
	토크센서의 원리는 무엇인가	힘/토크를 측정하기 위한 많은 종류의 상용센서가 존재한다. 일반적인 토크센서의 원리는 토크에 비례하여 비틀리는 비틀림 구조물인 탄성체(elastic structure)를 설계하고 그 비틀림 양을 측정하는 것이다. 이 측정 방식 중에 스트레인게이지 방식이 가장 많이 보급되어 있는데 스트레인게이지 방식은 직진성(linearity)이 높고 정밀하지만 노이즈에 민감하고 출력신호 값이 작아서 센서 외에 별도의 증폭장치(amplifier)를 함께 사용해야만 한다.
	힘/토크를 측정하기 위한 방식 중 스트레인게이지 방식의 특징은 무엇인가	일반적인 토크센서의 원리는 토크에 비례하여 비틀리는 비틀림 구조물인 탄성체(elastic structure)를 설계하고 그 비틀림 양을 측정하는 것이다. 이 측정 방식 중에 스트레인게이지 방식이 가장 많이 보급되어 있는데 스트레인게이지 방식은 직진성(linearity)이 높고 정밀하지만 노이즈에 민감하고 출력신호 값이 작아서 센서 외에 별도의 증폭장치(amplifier)를 함께 사용해야만 한다. 또한 스트레인게이지 방식은 탄성체에 스트레인게이지를 부착하여 측정하기 때문에 토크가 부하될 때마다 하중이 스트레인게이지에 직접적으로 전달된다. 즉, 스트레인게이지에도 피로(fatigue)가 누적되게 되며, 큰 토크가 부하될 때 스트레인게이지의 변형범위를 초과하여 스트레인게이지가 손상될 우려가 있다. 따라서 이를 방지하기 위한 추가의 하드웨어적 멈춤(stopper) 구조 설계가 필요하다.

참고문헌 (9)

D. E. Whitney, "Historical perspective and state of the art in robot force control," The International Journal of Robotics Research, vol. 6, no. 1, pp. 3-14, Mar. 1987.

상세보기
N. Horgan, "Impedance control: An approach to manipulation," Proc. of American Control Conference, San Diego, CA, USA, pp. 304-313, Jun. 1984.
T. Wimbock, C. Ott, and G. Hirzinger, "Impedance behaviors for two-handed manipulation: Design and experiments," Proc. of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Roma, Italy, pp. 4182-4189, Apr. 2007.
I. W. Park, J. Y. Kim, J. Lee, and J. H. Oh, "Mechanical design of humanoid robot platform KHR-3: HUBO," Proc. of 5th IEEE- RAS Int. Conf. on Humanoid Robots, pp. 321-326, 2005.
D. Vischer and O. Khatib, "Design and development of high-performance torque-controlled joints," IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 11, no. 4, pp. 537-544, Aug. 1995

상세보기
D. Tsetserukou, R. Tadakuma, H. Kajimoto, and S. Tachi, "Optical torque sensors for implementation of local impedance control of the arm of humanoid robot," Proc. of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Orlando, Florida, pp. 1674-1679, May 2006.
F. Aghili, M. Buehler, and J. M. Hollerbach, "Design of a hollow hexaform torque sensor for robot joints," The International Journal of Robotics Research, vol. 20, no. 12, pp. 967-976, Dec. 2001.

상세보기
http://www.alldatasheet.com, "CNA1311K".
http://www.ati-ia.com/products/ft/sensors.aspx, "Mini 45".

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증