[논문]4축 힘/토크 센서의 구조 설계

이경준; 김갑순

doi:10.5302/j.icros.2014.14.0082

4축 힘/토크 센서의 구조 설계
Design of Structure of Four-Axis Force/Torque Sensor with Parallel Step Plate Beams 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.11, 2014년, pp.1147 - 1152

이경준 (경상대학교 제어계측공학과, ERI) , 김갑순 (경상대학교 제어계측공학과, ERI)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the design of a four-axis force/torque sensor with PSPBs (Parallel Step Plate Beams). The sensor is composed of eight PSPBs, a force/torque transmitting block, and fixing blocks. It is designed by using the FEM(Finite Element Method), and fabricated by using strain gages. The characteristic tests of the sensor are carried out, and the interference error, repeatability error, and non-linearity error are less than 2.21%, 0.03% and 0.03%. Furthermore, the structure of the four-axis force/torque sensor with PSPBs has a larger rated capacity than that of the four-axis force/torque sensor with PPBs under the same overall sensor size and the same rated output. It is thought that the developed four-axis force/torque sensor with PSPBs can be used for measuring the forces and torques in an intelligent robot, automation devices, etc.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 보다 넓은 범위로 정격용량을 쉽게 설계할 수 있는 평형계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 구조를 설계하였다. 새롭게 고안한 평행계단평판보를 가진 4축 힘/ 토크 센서의 구조가 평행평판보를 가진 4축 힘/토크 센서를 구조보다 센서의 전체 크기와 정격출력(정격변형률)이 같을 경우, 보다 넓은 범위의 정격용량으로 설계가 용이한 구조임 을 확인하였다.
본 논문에서는 보다 넓은 범위의 정격용량으로 설계할 수 있는 평형계단평판보(parallel step plate beam)를 가진 4축 힘/토크 센서의 구조를 설계하였다. 새롭게 고안한 평형계단평판 보를 가진 4축 힘/토크 센서의 구조와 평행평판보(parallel plate beam)를 가진 4축 힘/토크 센서의 구조를 유한요소법을 이용하여 각 센서의 정격용량 변화를 비교하였고, 평형계단 평판보를 가진 4축 힘/토크 센서를 설계 및 제작하였다.

제안 방법

그리고 그림 8(b)는 z방향의 힘을 가하는 모습, (c)는 x방향 혹은 y방향의 토크, (d)는 z방향의 토크를 가하는 모습을 각각 나타내고 있다. 4축 힘/토크 센서는 정격 하중인 Fz=300 N, Tx=Ty=15.0Nm, Tz=40.0Nm을 가하고 정격 출력을 측정 하였고, 총 세 번을 실시하여 평균값을 각 센서 의 정격출력으로 결정하였다. 상호간섭오차는 센서의 정격힘 혹은 토크를 가할 때, 가하지 않은 힘센서 혹은 토크 센서로부터 발생되는 오차이다.
개발된 6축 힘/토크 센서[1-4]는 각 센서의 감지부를 쌍안 경형태(binocular type)으로 모델링하고, 설계 및 제작하였다. 이와 같은 형태의 구조는 정격출력과 센서의 전체 크기를 결정한 후, 쌍안경형태로 두 개의 같은 크기의 홀을 가공하여 설계(감지부 두께만을 변경)하므로 보다 넓은 범위의 정격용량으로 설계하기가 매우 어렵다.
그리고 평행평판보를 가진 4축 힘/토크 센서 의 설계변수는 PPB1~4의 보의 크기인 두께 t1, 길이 l1, 폭 b1, PPB5~8의 보의 크기는 두께 t2-1과 t2-2, 길이 l2 -1과 l2 -2, 폭 b2이다. 그러나 평행계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서와 평행평판보를 가진 4축 힘/토크 센서를 비교하기 위해 센서의 전체 크기, PSPB의 보의 길이(두개 합)와 PPB의 보의 길이, 폭을 모두 같게 하고, 평행계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 보의 두께 t1-1, t1-2, t2-1, t2-2와 평행평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 보의 두께 t1, t2만을 변경시켜 설계한다.
새롭게 고안한 평형계단평판 보를 가진 4축 힘/토크 센서의 구조와 평행평판보(parallel plate beam)를 가진 4축 힘/토크 센서의 구조를 유한요소법을 이용하여 각 센서의 정격용량 변화를 비교하였고, 평형계단 평판보를 가진 4축 힘/토크 센서를 설계 및 제작하였다. 그리고 4축 힘/토크 센서의 특성실험을 실시하였다.
이와 같은 형태의 구조는 정격출력과 센서의 전체 크기를 결정한 후, 쌍안경형태로 두 개의 같은 크기의 홀을 가공하여 설계(감지부 두께만을 변경)하므로 보다 넓은 범위의 정격용량으로 설계하기가 매우 어렵다. 또한 개발된 6축 힘/토크 센 서[5-11]는 평행평판보(parallel plate beam) 혹은 단일평판보(one plate beam)를 사용하여 모델링하고 설계하였다. 단일평판보를 이용하여 설계한 경우에는 정격힘과 정격토크를 가할 때 처짐(displacement)이 크게 발생되어 로봇 및 자동화시스템에 부착하여 사용할 때 제어 등에 문제가 발생될 수 있다.
새롭게 고안한 평형계단평판 보를 가진 4축 힘/토크 센서의 구조와 평행평판보(parallel plate beam)를 가진 4축 힘/토크 센서의 구조를 유한요소법을 이용하여 각 센서의 정격용량 변화를 비교하였고, 평형계단 평판보를 가진 4축 힘/토크 센서를 설계 및 제작하였다.
유한요소해석 결과를 토대로 평행계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서와 평행평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 각 센서의 스트레인게이지 부착위치를 결정하였으며, 그것을 그림 6에 나타내고 있다. Fz 센서의 스트레인게이지 부착위치는 S1~S4, Tx 센서는 S5~S8, Ty 센서는 S9~S12, Tz 센서는 S13~S16이다.
평행계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서는 그림 6(a)에 나타낸 각 센서의 게이지부착위치에 스트레인게이지(N2A-13- S1452-350, 게이지 상수 2.03, 크기 3×5.2 mm)를 부착하고 휘스톤 브리지를 구성하여 제작하였으며, 그림 7은 제작된 평행 계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 사진을 보이고 있다.
평행계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서를 설계하기 위한 설계변수의 정격출력은 약 0.5 mV/V, 정격용량은 Fz 센서가 300 N, Tx 센서와 Ty 센서가 모두 15.0Nm, Tz 센서가 30.0Nm, 센서의 크기가 100×100×24 mm, 스트레인게이지의 부착위치는 보의 길이 방향으로는 1.5 mm, 폭 방향으로는 1/2, 스트레인게이지 부착위치에서의 총 정격변형률은 약 1000 μm/m로 결정하였다.
5 mm, 폭 방향으로는 1/2, 스트레인게이지 부착위치에서의 총 정격변형률은 약 1000 μm/m로 결정하였다. 평행계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용 하여 설계하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성 계수가 210 GPa, 프와송의비가 0.
평행평판보를 가진 4축 힘/토크 센서를 설계하기 위한 설계변수의 정격출력은 약 0.5 mV/V, 정격용량은 Fz 센서가 300 N, 센서의 크기가 100×100×24 mm, 보의 폭이 모두 12mm, 보의 전체 길이가 모두 10mm, 스트레인게이지의 부착위치는 보의 길이 방향으로는 1.5 mm, 폭 방향으로는 1/2, 스트레인 게이지 부착위치에서의 총 정격변형률은 약 1000 μm/m로 결정하였다.

대상 데이터

평행계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 각 감지부의 크기를 결정하기 위해 ANSYS 소프트웨어를 이용 하여 설계하였다. 유한요소해석을 위해 소프트웨어에 입력한 재료상수는 제작할 센서의 재질이 알루미늄이므로 종탄성 계수가 210 GPa, 프와송의비가 0.3이며, 8절점 6면체 블록을 선택하였다.

성능/효과

결론적으로 평행계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 구조는 센서의 전체 크기 100×100×24 mm, 정격출력(정격변형률) 약 0.5 mV/V, 보의 길이 10mm, 폭 12mm를 결정하고 설계할 경우, Tx 센서, Ty 센서의 정격용량은 8.8Nm부터 15.0Nm 이상으로 설계가 가능하다.
0Nm가 되도록 두 께(t1-1, t1-2, t2-1, t2-2)를 변경하여 설계할 수 있었다. 그러나 평행평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 구조는 표 1에서 보는 것과 같이 Tx 센서, Ty 센서의 정격용량이 8.8Nm로 평행 계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 그것들보다 매우 적게 나타났다. 이것은 Fz 센서의 정격용량을 먼저 결정한 상태에서 보의 두께를 설계하였으므로 Tx 센서, Ty 센서의 정격용량을 조절할 수 있는 변수가 없기 때문이다.
본 논문에서는 보다 넓은 범위로 정격용량을 쉽게 설계할 수 있는 평형계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 구조를 설계하였다. 새롭게 고안한 평행계단평판보를 가진 4축 힘/ 토크 센서의 구조가 평행평판보를 가진 4축 힘/토크 센서를 구조보다 센서의 전체 크기와 정격출력(정격변형률)이 같을 경우, 보다 넓은 범위의 정격용량으로 설계가 용이한 구조임 을 확인하였다. 제작한 평형계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 최대 상호간섭오차가 특성실험결과 2.
유한요소해석 결과의 정격출력은 표 2의 정격변형률을 식 (2) 에 적용하여 계산된 것이고, 실험에 의한 정격출력은 본 논문에서 특성실험한 결과를 나타내고 있다. 유한요소해석 결과를 기준으로 유한요소해석 결과의 오차는 최대 2.78 %이었다. 이들 오차는 스트레인게이지의 부착오차, 감지부의 가공 오차, 유한 요소 소프트웨어의 고유오차 등으로 생각된다.
새롭게 고안한 평행계단평판보를 가진 4축 힘/ 토크 센서의 구조가 평행평판보를 가진 4축 힘/토크 센서를 구조보다 센서의 전체 크기와 정격출력(정격변형률)이 같을 경우, 보다 넓은 범위의 정격용량으로 설계가 용이한 구조임 을 확인하였다. 제작한 평형계단평판보를 가진 4축 힘/토크 센서의 최대 상호간섭오차가 특성실험결과 2.21 %이었고, 최대 재현도오차와 최대 비직선성오차는 0.03 % 이내이었으며, 이 결과는 이미 판매하고 있는 다축 힘센서의 그것과 비슷한 수준이므로 손목재활로봇 뿐만 아니라 의료용로봇, 산업용로봇, 등 각종 산업에서 여러 방향의 힘과 토크를 측정하는데 유용하게 사용될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4축 힘/토크 센서의 단점은 무엇인가	4축 힘/토크 센서 중 Tz 센서는 손목을 회전시키는 방향의 토크를 측정하고, Fz 센서, Tx 센서, Ty 센서는 비상상태 때 환자의 손을 당기거나 미는 힘과 토크를 측정한다. 이 센서는 4개의 센서가 한 몸체 내에 구성되므로 구조가 복잡하고, 설계 및 제작하는 것이 매우 어렵다. 설계시 4개 센서의 정격출력을 같게 설정하는 것이 일반적이고, 이럴 경우 각 센서의 넓은 범위의 정격용량으로 설계하는 것이 센서의 구조에 따라 불가능한 경우가 매우 많다. 이것은 4축 힘/ 토크 센서의 각 센서의 감지부는 두개 이상의 센서의 감지부와 연관이 있거나 연결되었기 때문이다.
	다축 힘/토크 센서란 무엇인가	각종 로봇, 자동화시스템 등 자동으로 제어하는 다양한 시스템에는 여러 방향의 힘과 토크를 측정하는 경우가 많다. 이와 같이 여러 방향의 힘과 토크를 측정하는 센서를 다축 힘/토크 센서라고 하고, 이 센서는 x, y, z 방향의 힘 Fx, Fy, Fz와 토크 Tx, Ty, Tz 중 2개 이상의 힘과 토크를 측정하는 것을 말한다. 즉, 힘Fx, Fy와 토크 Mz를 측정하는 센서는 3축 힘/토크 센서 다.
	4축 힘/토크 센서의 특징은 무엇인가	즉, 힘Fx, Fy와 토크 Mz를 측정하는 센서는 3축 힘/토크 센서 다. 손목회전 재활로봇에 사용되는 4축 힘/토크 센서는 z방향 의 힘 Fz와 x, y, z방향의 토크 Tx, Ty, Tz를 동시에 측정할 수 있고, Fz 센서, Tx 센서, Ty 센서, Tz 센서가 한 몸체 내에 구성된다. 4축 힘/토크 센서 중 Tz 센서는 손목을 회전시키는 방향의 토크를 측정하고, Fz 센서, Tx 센서, Ty 센서는 비상상태 때 환자의 손을 당기거나 미는 힘과 토크를 측정한다.

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