초록 ▼

최근에 들어서 다축의 로드셀은 특히 로보트 분야에서 관심이 커지고 있다. 힘제어 방식 로보트에서 힘/토오크 센서는 중요한 역할을 하는 핵심부품 중의하나이다. 로보트용 6축 힘/토오크 센서는 크기가 작고 가벼워야 하며 그 성능에 비해서가격이 저렴해야 하므로 구조가 간단해야 할 필요성이 있다. 다축 힘/토오크 센서는 현재개발단계에 있고 고도의 기술집약적인 상품이므로 로보트에 비해서 가격이 상당히 높다.또한 기술보호 측면에서 모방이 어렵기 때문에 이의 적극적인 활용을 위해서는 새로운 형태의 설계 및 제작 기술이 필요하다

최근에 들어서 다축의 로드셀은 특히 로보트 분야에서 관심이 커지고 있다. 힘제어 방식 로보트에서 힘/토오크 센서는 중요한 역할을 하는 핵심부품 중의하나이다. 로보트용 6축 힘/토오크 센서는 크기가 작고 가벼워야 하며 그 성능에 비해서가격이 저렴해야 하므로 구조가 간단해야 할 필요성이 있다. 다축 힘/토오크 센서는 현재개발단계에 있고 고도의 기술집약적인 상품이므로 로보트에 비해서 가격이 상당히 높다.또한 기술보호 측면에서 모방이 어렵기 때문에 이의 적극적인 활용을 위해서는 새로운 형태의 설계 및 제작 기술이 필요하다. 다축 힘/토오크 센서의 경우 하중간의 상호영향이 중요한 고려사항이므로 이를 최소화시킬 수 있는 적절한 설계 및 제작방법이 요구되며 정확한특성시험이 필요하다.본 연구에서는 병렬평판 구조를 기본으로 하는 6축 힘/토오크 센서를 설계하고 특성평가를 수행하였다. 이를 위하여 단일 병렬평판 구조의 변형거동을 상세히 해석하였고 하중간의 상호간섭 오차를 최 소화시킬 수 있는 방법을 제시하였으며, 이를 근거로 기본 구조를설계하였다. 6축 힘/토오크 센서의 새로운 모델을 제시하였고, 유한요소 해석에 의해 계산된 출력 변형률과 상호간섭 변형률을 분석하여 각 하중에 대한 정격 변형률이 같은 수준이되도록 모델을 수정하였다.최종모델에 대하여 상호간섭 변형률이 최소화되도록 스트레인 게이지의 위치를 조정하고 브리지회로를 적절히 구성함으로써 유한요소해석에 의한 상호간섭 오차는 2.6% 미만으로 계산되었다. 설계된 6축 힘/토오크 센서를 제작하여 특성시험을 수행한 결과 각 하중에 대한 비직선성 오차는 0.011% FS에서 0.489% FS까지로 평가되었다. 최대용량 196 N의 힘과 19.6 N.m의 모멘트에서 정격출력은 최소 302.2 ㎶/V에서 최대 490.6 ㎶/Vm이었고,상호간섭 오차는 7.1% FS/FS이하로 나타났으며, 센서 자체의 질량은 135 g이어서 이미 개발된 소형 6축 로드셀에 비해 성능이 우수한 것으로 평가되었다. 본 연구를 수행함으로써스트레인 게이지를 이용한 다축 로드셀의 수준높은 설계기술을 확보할 수 있었으며, 개발된6축 힘/토오크 센서는 제어기의 제작과 연결부분의 추가로 힘 제어방식 로보트에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼

Multi-axis force/torque sensors are one of the essentialcomponent in force-controlled robots that have been replacing position-controlled robotsin many area based on their feasibility for more precise work. The purpose of thisresearch is to develop a six-axis force/torque sensor for force-

Multi-axis force/torque sensors are one of the essentialcomponent in force-controlled robots that have been replacing position-controlled robotsin many area based on their feasibility for more precise work. The purpose of thisresearch is to develop a six-axis force/torque sensor for force-controlled robots and thescope of the work include sensor design, deformation analysis, fabrication andcharacteristic tests.One of the important things in designing sensors, which are sopposed to measuremulti-axis force and torque simultaneouly, is to consider the coupling effect betweeneach load. The effect is a primary factor for causing a large error in sensing. Thus,this research put an emphasis on reducing the coupling effect from apratical point ofview.In this research, a new six-axis force/torque sensor including S-type structure hasbeen developed, which uses a parallel plate structure as a basic sensing element. Inorder to minimize coupling errors, the location of strain gages has been determinedbased on the results of the finite element analysis and the technique which an outputvoltage of bridge circuit with 4 strain gages becomes to be zero has been used.Several modifications in designs results in similar maximum strains for six-axis forcesand moments, and decreases of coupling errors between each forces and moments lessthan 2.6%. Calibration test results show that the six-axis load cell developed whichhas light weight of 135 g and the maximum capacities of 196 N in forces and 19.6N.m in moments is estimated to be within 7.1% in coupling error. We expect theseresults to contribute to high level design technology for the strain gage type multi-axisloadcell, and the 6-axis force/torque sensor developed in this research to be appliedpractically to force-controlled robots.

목차 Contents

• 1. 서론...7
• 2. 병렬판 구조의 변형거동...8
• 3. 단일 병렬판 구조의 설계...13
• 4. 6축 로드셀의 설계 및 해석...16
• 4.1 이중 병렬판 구조...16
• 4.2 수정된 6축 로드셀 구조...18
• 5. 최종모델의 해석 및 제작...20
• 5.1 설계수정 및 유한요소 해석...20
• 5.2 출력 변형률과 상호간섭 변형률...22
• 5.3 6축 로드셀의 제작...23
• 6. 실험 및 결과...24
• 6.1 실험장치 및 방법...24
• 6.2 변형률 측정시험 결과...26
• 6.3 특성시험 결과...28
• 7. 결 론...30
• 참고문헌...31
• 연구수행관련 논문발표 목록서...32
• 자체평가서...33