KR20190143674A - 모터 토크 측정 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터 토크 측정 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에서는 모터, 상기 모터에 연결되며 상기 모터의 작동에 의해 회전하는 회전기어 및 상기 회전기어나 모터에 연결된 구동기어의 외측에 구비되어 상기 회전기어나 상기 구동기어의 측방향 하중을 측정하는 하중측정센서를 포함하고, 상기 하중측정센서에서 측정된 측방향 하중을 기반으로 상기 모터의 토크를 산출한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에서는 일반적으로 제거되는 회전기어나 구동기어의 측방향 하중으로부터 모터의 토크를 산출하므로 불필요한 구성을 생략 가능하고 구조가 단순하여 소형화 가능하고 모터의 토크나 회전기어와 연결 가능한 와이어의 장력을 보다 용이하게 산출할 수 있다.

Description

모터 토크 측정 시스템{TORQUE MEASURING SYSTEM}
본 발명은 모터 토크 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터와 연결된 회전기어나 구동기어의 측방향 하중을 기반으로 모터의 토크를 산출하는 모터 토크 측정 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 모터의 회전력을 이용하는 장치의 경우 모터의 토크를 측정하여 해당 장치가 정확한 동작을 수행하는지 판별하거나, 설정된 범위 내에서 동작할 수 있도록 범위를 제한하는 등의 목적으로 사용된다.
모터의 토크를 간단한 구성으로 측정하는 방법으로 모터의 전류와 토크는 비례하므로 모터의 전류 또는 역기전력을 측정하여 토크를 산출하는 방법이 있다. 그러나 모터에 감속기가 적용되는 경우 출력 부하의 변동에 대한 모터의 전류 변화가 상대적으로 작기 때문에 토크를 정밀하게 측정하는데 어려움이 있다.
한편, 최근에는 로봇의 용도가 다양해지면서 로봇의 움직임을 정밀하게 조정하고 제한된 동작을 수행하기 위한 구조 또는 시스템이 각광받고 있다. 예컨대, 수술용 로봇의 경우 조작부와 연결된 구동부를 와이어를 당기는 등의 동작으로 구동시키는데, 정확한 제어 및 안정성을 위해서 와이어를 당기는 장력을 정확하게 측정하는 것이 중요하다. 특히, 다관절 수술 로봇의 경우 와이어의 수 및 모터의 수가 많이 필요하기 때문에 전체 시스템의 크기를 소형화하기 위해서 각각의 와이어의 장력을 측정하기 위한 장치가 소형화 될 필요가 있다.
모터의 토크를 측정하기 위한 방법으로 SAW(Surface Acolistic Wave), EDM(Embedded Magnetic Domain), Optical Electronics, Telemetry Torque Measuring, Wire Sensor 등의 기술이 개발 및 적용되고 있다.
그러나 상기 기술을 적용한 토크센서는 수술용 로봇에 장착하기 위하여 소형으로 제작하기 어렵고, 소형으로 제작하더라도 제작단가가 높기 때문에 각각다수의 모터를 장착해야하는 수술로봇에 적용이 어렵다.
대한민국 등록특허 제10-0550379에서는 초소형 모터용 토크 측정장치로서 모터의 외부에서 부하를 주어 마찰력에 따른 모터의 토크 측정 구조가 개시되어 있으나, 모터 자체의 토크를 측정하기 위하여 토크측정센서, 마찰판, 탄성물, 부하인가 장치부, 미세 조정부 등 다수의 구성을 요하므로 소규모 제작에 어려움이 있고 모터의 토크를 측정하는데 모터와 마찰판의 마찰력을 이용하므로 모터의 회전력에 마찰에 따른 손실이 발생하여 정밀한 토크의 측정이 어렵다.
수술용 로봇 등에 적용하기 위하여 소형화 및 저가화가 용이한 모터 토크 측정 구조에 대한 연구 및 개발이 요구된다.
(문헌 001) 대한민국 등록특허 제10-1328426(등록일 : 2013.11.06.) (문헌 002) 대한민국 등록특허 제10-0550379(등록일 : 2006.02.02.) (문헌 003) 대한민국 등록실용신안 제20-0478798(등록일 : 2015.11.11.)
위와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은 구조가 단순하여 소형화가 가능하며 정밀한 모터의 토크를 측정할 수 있는 모터 토크 측정 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 토크 측정 시스템은 구동축을 갖는 모터, 모터에 연결되며 모터의 작동에 의해 회전하는 회전기어 및 회전기어의 측방향 하중을 측정하는 하중측정센서를 포함하고, 하중측정센서에서 측정된 측방향 하중을 기반으로 모터의 토크를 산출한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 모터 토크 측정 시스템은 구동축 및 구동축에 연결된 구동기어를 갖는 모터, 모터에 연결되며 모터의 작동에 의해 회전축을 중심으로 회전하는 회전기어 및 회전기어 또는 구동기어의 측방향 하중을 측정하는 하중측정센서를 포함하고, 하중측정센서에서 측정된 측방향 하중을 기반으로 모터의 토크를 산출한다.
또한, 하중측정센서에서 측정한 정보를 기반으로 모터의 토크를 산출하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 회전기어는, 회전축에 연결되는 상부기어 및 회전축에 연결되며 상부기어의 하부에 구비된 하부기어를 포함할 수 있다.
또한, 상부기어 또는 하부기어는 베어링이고, 하중측정센서는 상부기어 또는 하부기어와 접하면서 회전기어에 가해지는 측방향 하중을 측정할 수 있다.
또한, 회전기어는 베벨기어의 구조를 갖고, 하중측정센서는 회전기어의 축방향에 배치되어 회전기어의 면방향으로 작용되는 하중을 측정할 수 있다.
또한, 회전기어의 회전축에는 회전기어의 축방향 이동을 원활하게 하는 베어링이 구비될 수 있다.
또한, 회전기어는 웜기어의 구조를 갖고, 하중측정센서는 회전축의 축방향에 배치되어 회전기어의 면방향으로 작용되는 하중을 측정할 수 있다.
또한, 회전기어와 모터의 구동축 사이에는 구동축의 회전력을 웜기어에 전달하며 웜기어의 축방향 이동이 원활하게 하는 베어링이 구비될 수 있다.
또한, 회전기어로부터 회전력을 전달받는 조작기어 및 조작기어에 연결되어 모터의 작동에 의해 감기거나 풀리는 와이어를 포함하며, 제어부는, 하중측정센서에서 측정된 정보를 기반으로 와이어에 가해지는 장력을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 회전기어의 측방향 하중을 측정하여 간접적으로 모터의 토크를 측정하는 구조이므로 구성 요소가 단순하고 소형 모터에 적합하며 제작비용이 절감된다.
또한, 직접적으로 모터의 작동을 방해하지 않는 구조이므로 모터의 회전력에 손실이 최소화되어 더욱 정밀한 토크의 측정이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 토크 측정 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 스퍼기어 구조를 갖는 회전기어를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 헬리컬기어의 구조를 갖는 회전기어를 나타낸 개념도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에서 베벨기어 구조를 갖는 회전기어의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜기어 구조를 갖는 회전기어의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜기어의 구조를 갖는 회전기어의 베어링을 나타낸 상세도이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서 측방향은 축방향을 포함하는 개념이며, 축방향은 면방향과 동일한 의미로 사용될 수 있다. 상기 축방향은 회전축(201)이나 구동축(110)의 연장선상의 방향, 즉 회전기어(200)나 구동기어(120)의 면에 수직인 방향을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 토크 측정 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 토크 측정 시스템은 구동축(110)을 갖는 모터(100), 상기 모터(100)에 연결되며 상기 모터(100)의 작동에 의해 회전하는 회전기어(200) 및 상기 회전기어(200)의 측방향 하중을 측정하는 하중측정센서(300)를 포함하고, 상기 회전기어(200)의 측방향 하중을 기반으로 상기 모터(100)의 토크를 산출한다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 모터 토크 측정 시스템은 구동축(110) 및 상기 구동축(110)에 연결된 구동기어(120)를 갖는 모터(100), 상기 모터(100)에 연결되며 상기 모터(100)의 작동에 의해 회전축(201)을 중심으로 회전하는 회전기어(200) 및 상기 회전기어(200) 또는 상기 구동기어(120)의 측방향 하중을 측정하는 하중측정센서(300)를 포함하고, 상기 회전기어(200) 또는 구동기어(120)의 측방향 하중을 기반으로 상기 모터(100)의 토크를 산출한다.
상기 모터(100)는 내부 또는 외부에서 공급받은 에너지를 사용하여 회전력을 발생시키는 장치로서, 상기 모터(100)의 종류, 구성, 구조는 다양할 수 있다. 본 발명에서 상기 모터(100)는 로봇 관절 등에 사용 가능하도록 소형으로 제작될 수 있다.
상기 모터(100)는 구동축(110) 및 구동기어(120)를 포함할 수 있다. 상기 구동축(110)은 모터(100)의 회전운동의 중심축을 의미하고 상기 구동기어(120)는 상기 구동축(110)과 연결되며 상기 구동축(110)으로부터 회전력을 전달받아 상기 구동축(110)을 중심으로 회전하는 대상을 의미한다.
상기 모터(100)와 연결된 회전기어(200)는 전체적으로 원판 또는 원통 형상을 가질 수 있으며 상기 모터(100)의 구동축(110)에 직접 또는 간접적으로 연결될 수 있다. 상기 회전기어(200)가 상기 모터(100)의 구동축(110)과 직접 연결되는 경우 상기 회전기어(200)와 모터(100)의 구동축(110)은 일정 부분 서로 맞물리면서 상기 모터(100)의 작동에 따라 상기 구동축(110)으로부터 회전력을 전달받아 회전하는 구조를 가질 수 있다. 상기 회전기어(200)가 상기 모터(100)의 구동축(110)과 간접적으로 연결되는 경우 상기 회전기어(200)와 구동축(110) 사이에는 구동기어(120) 또는 별도의 기어가 구비될 수 있으며, 상기 회전기어(200)는 상기 회전기어(200)와 상기 구동축(110) 사이에 구비된 구동기어(120) 등을 통해 상기 모터(100)의 회전력을 전달받는다.
상기 회전기어(200)의 회전축(201)은 상기 회전기어(200)의 회전의 중심을 의미한다. 상기 회전기어(200)는 상기 회전축(201)과 일체로 구성되거나 독립적으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 회전기어(200)의 내부 회전축(201)에는 베어링(B)이 구비될 수 있다.
본 발명에서 상기 회전기어(200)는 스퍼기어(spur gear), 헬리컬기어(helical gear), 베벨기어(bevel gear), 웜기어(worm gear) 등의 구조를 가질 수 있으며, 이외에도 사용 목적과 환경에 따라 다양한 종류의 기어가 사용될 수 있다. 또한, 상기 회전기어(200)는 복수일 수 있으며 다양한 구조를 갖는 기어의 복합체일 수 있다.
상기 회전기어(200)는 상기 모터(100)로부터 회전력만을 전달받고 상기 모터(100)와 별도로 고정될 수 있다.
종래의 기어시스템은 동력전달을 위해서 상기 모터(100)의 구동축(110), 구동기어(120) 또는 상기 회전기어(200)의 측방향 하중을 억제하도록 구성되어 있으나, 본 발명에서는 상기 측방향 하중의 작용이 원활하게 하고 이를 이용하여 상기 모터의 토크를 측정하는 방식이다. 이를 위하여 본 발명의 일 실시예에서 상기 회전기어(200)의 내부 또는 외부에는 상기 회전기어(200)의 측방향 하중 작용선상의 이동이 자유롭도록 베어링(B)이 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 모터(100)와 별도로 고정된 회전기어(200)의 고정위치에 상기 베어링(B)이 구비되거나 상기 모터(100)와 상기 회전기어(200)의 사이에 상기 베어링(B)이 구비될 수 있다.
상기 베어링(B)은 상기 모터(100)의 작동에 따른 회전력이 상기 회전기어(200)로 전달되었을 때 상기 별도로 고정된 회전기어(200)로 인해 손실되는 것을 방지하는 동시에 상기 회전기어(200)의 측방향 하중의 작용선 방향으로 상기 회전기어(200)의 이동을 자유롭게 하여 상기 회전기어(200)의 측방향 하중을 보다 용이하게 측정할 수 있도록 보조한다. 이 때 측방향 하중에 대한 각 각의 기어의 측방향 움직임은 아주 미세하기 때문에 회전력 전달에 영향을 주지 않는다. 상기 베어링(B)의 위치는 다양할 수 있으며, 그 종류는 본 발명의 목적 범위 내에서 미끄럼 베어링, 구름 베어링, 자기 베어링, 기체 베어링 등 다양한 종류가 사용될 수 있다.
또한 베어링(B)를 고정하는 베어링 홀더(H)는 측방향 하중의 방향으로 원활히 움직일 수 있도록 기계적인 부품이나 구조를 가질 수 있다. 예를 들어 측방향 하중의 방향으로 베어링 홀더의 움직임이 자유롭게하기 위해 리니어 베어링(Linear motion bearing)(미도시), 가이드(미도시) 등으로 구성될 수 있다.
본 발명의 하중측정센서(300)는 상기 모터(100)의 작동에 따라 상기 회전기어(200) 또는 상기 구동기어(120)에 발생되는 측방향 하중을 측정한다.
상기 하중측정센서(300)는 본 발명의 일 실시예에서 로드셀 또는 스트레인게이지를 포함할 수 있다. 상기 로드셀 또는 스트레인게이지에서 상기 회전기어(200)에 가해지는 측방향 하중 또는 상기 구동기어(120)에 발생되는 측방향 하중을 측정하여 전기 신호로 변환시킨다.
상기 하중측정센서(300)는 상기 회전기어(200) 또는 구동기어(120)의 종류에 따라 배치되는 위치가 다를 수 있다. 상기 하중측정센서(300)가 상기 구동기어(120)의 측방향 하중을 측정하는 경우 상기 하중측정센서(300)는 상기 모터(100)의 구동축(110) 또는 상기 구동축(110)에 연결된 구동기어(120)의 외측에 배치되어 상기 구동축(110) 또는 상기 구동기어(120)에 발생되는 측방향 하중을 측정한다.
본 발명에서는 상기 회전기어(200)가 스퍼기어(spur gear)의 구조를 갖는 경우, 베벨기어(bevle gear)의 구조를 갖는 경우, 웜기어(worm gear)의 구조를 갖는 경우로 나누어 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다. 그러나 상기 회전기어(200)는 스퍼기어, 베벨기어 또는 웜기어의 구조를 갖는 경우에 국한되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 상기 회전기어(200)가 스퍼기어의 구조를 갖는 경우를 나타낸 개념도이다. 상기 스퍼기어는 헬리컬기어를 이용하여도 무방하다.
도 2를 참고하면, 상기 회전기어(200)는 상기 모터의 구동기어(120)의 회전방향과 반대 방향으로 회전할 수 있다. 상기 하중측정센서(300)는 상기 회전기어(200)의 외측에 구비되어 상기 회전기어(200)의 측방향 하중을 측정한다.
상기 하중측정센서(300)는 상기 모터의 구동축(110)과 상기 회전기어(200)의 회전축(201)을 연결한 선과 수직인 방향(도면상 상하방향)에 배치되어 상기 회전기어(200)의 측방향 하중을 측정할 수 있다. 예를들어 상기 구동축(110) 및 구동기어(120)가 시계방향으로 회전하는 경우 상기 회전기어(200)는 도면상 위쪽 방향으로 측방향 하중을 받고 상기 하중측정센서(300)는 도면상 위쪽 방향에 배치되며, 상기 구동축(110) 및 구동기어(120)가 반시계방향으로 회전하는 경우 상기 회전기어(200)는 도면상 아래쪽 방향으로 측방향 하중을 받고 상기 하중측정센서(300)는 도면상 아래쪽 방향에 배치될 수 있다.
즉, 상기 하중측정센서(300)는 상기 회전기어(200)와 상기 구동기어(120)가 맞물리는 위치의 접선방향에 배치되고 상기 회전기어(200)의 상기 접선 방향으로 작용되는 측방향 하중을 측정한다.
또한, 상기 하중측정센서(300)는 상기 회전기어(200)의 면방향으로 작용하는 하중을 측정하도록 상기 회전기어(200)의 회전축(201)의 축방향에 배치될 수 있고, 상기 구동기어(120)에 접하도록 배치되어 상기 구동기어(120)에서 발생되는 측방향 하중을 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬기어의 구조를 갖는 회전기어(200)를 나타낸 개념도이다.
도 3을 참고하면, 상기 회전기어(200)는 헬리컬기어의 구조를 갖고 상기 모터(100)의 작동에 따라 상기 회전기어(200)는 면방향으로 하중이 작용된다. 상기 하중측정센서는 상기 회전기어(200)의 축방향에 배치되어 상기 회전기어(200)의 면방향(도면상 상하방향)으로 작용되는 하중을 측정한다. 상기 회전기어(200)의 내부 회전축(201)에는 상기 회전기어(200)의 축방향 이동이 자유롭도록 베어링(B)이 구비될 수 있으며, 상기 내부 회전축(201)에 구비되는 베어링(B)은 상기 회전기어(200)의 면방향의 외의 이동은 제한시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에서는 종래의 트러스트베어링 등으로 억제되는 축방향 하중을 이용하여 모터(100)의 토크를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 하중측정센서(300)와 회전기어(200)의 마찰을 최소화하기 위하여 상기 회전기어(200)는 서로 직경이 다르게 형성된 상부기어(210)와 하부기어(220)를 포함할 수 있다. 상기 상부기어(210)는 상기 회전축(201)에 연결되고 상기 하부기어(220)는 상기 상부기어(210)의 하부에서 상기 회전축(201)에 연결된다. 본 발명에서 상기 상부기어(210) 및 하부기어(220)는 상기 회전기어(200)의 상부 또는 하부를 의미할 수 있다.
구체적으로, 상기 상부기어(210)가 상기 하중측정센서(300)와 접하며 하부기어(220)가 상기 모터의 구동기어(120)와 접하는 구조를 가질 수 있으며, 이와 반대이어도 무방하다. 상기 상부기어(210)와 하부기어(220) 사이에는 베어링(B)이 구비될 수 있으며, 상기 상부기어(210)는 하부기어(220)와 독립적으로 회전하거나 이동이 가능할 수 있다. 다만, 상기 하부기어(220)에 가해지는 모터(100)의 회전력에 따른 측방향 하중이 상기 하중측정센서(300)와 접하는 상기 상부기어(210)에 전달되어야 하므로 상기 상부기어(210)와 하부기어(220)는 서로 중심에서 고정되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 상부기어(210) 또는 하부기어(220)는 베어링(B) 또는 베어링(B)이 구비된 베어링홀더(H)이고, 상기 하중측정센서(300)는 상기 상부기어(210) 또는 하부기어(220)와 접하면서 상기 회전기어(200)에 가해지는 측방향 하중을 측정할 수 있다. 상기 베어링(B)의 외측에는 상기 하중측정센서(300)와 접촉되는 베어링홀더(H)가 구비될 수 있으며, 상기 베어링홀더(H)는 일정 강성이 확보되는 것이 바람직하다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에서 베벨기어 구조를 갖는 회전기어(200)를 나타낸 개념도이다.
도 4을 참고하면, 상기 회전기어(200)는 상기 모터(100)의 구동축(110)과 수직 방향으로 상기 구동기어(120)에 맞물리고 상기 회전축(201)을 중심으로 회전한다. 이 경우 상기 회전기어(200)는 상기 회전축(201)에 수직인 방향(도면상 좌측 또는 우측방향), 즉 상기 구동기어(120)와 맞물리는 위치의 접선방향으로 측방향 하중이 작용될 수 있고 상기 하중측정센서(300)는 상기 측방향 하중의 작용선상에서 상기 회전기어(200)의 외측 테두리 방향에 대면하도록 배치된다. 상기와 같이 배치되는 하중측정센서(300)는 상기 회전기어(200)의 측방향 하중을 측정한다.
또한, 상기 하중측정센서(300)는 상기 구동축(110) 또는 구동기어(120)의 외측에 배치되어 상기 구동기어(120)의 측방향 하중을 측정할 수 있다.
도 5는 상기 베벨기어 구조를 갖는 회전기어(200)의 면방향으로 작용하는 측방향 하중을 측정하는 구조가 도시되어 있는데, 도 5의 (a)를 참고하면, 상기 회전기어(200)는 도 4에서와 같이 상기 회전기어(200)의 외측 테두리 방향으로 측방향 하중이 작용하기도 하지만 상기 회전기어(200)의 면방향(도면상 좌측방향)으로 하중이 작용하기도 한다. 본 발명의 일 실시예에서는 일반적으로 트러스트 베어링 등으로 제거하는 상기 회전기어(200)의 면방향 즉, 상기 회전축(201)의 축방향으로 작용하는 하중을 상기 하중측정센서(300)로 측정하여 상기 모터(100)의 토크를 측정할 수 있다. 이 경우 상기 하중측정센서(300)는 상기 회전기어(200)와 회전축(201)이 일체로 형성되는 경우 상기 회전축(201)으로부터 가해지는 축방향 하중을 측정하는 것이 바람직하며, 상기 회전기어(200)와 회전축(201)이 독립된 구성을 갖는 경우 상기 회전기어(200)의 면에 가해지는 축방향 하중을 측정하는 것이 바람직하다.
또한, 도 5의 (b)를 참고하면, 상기 하중측정센서(300)는 상기 모터(100)의 구동기어(120)에 접하도록 배치될 수 있다. 상기 구동기어(120)가 상기 회전기어(200)와 연결되면서 상기 회전기어(200)에 측방향 하중을 전달하는 동시에 그 반작용으로 상기 구동기어(120)에도 측방향 하중이 발생할 수 있다. 본 발명에서는 상기 구동기어(120)에 접하도록 배치되는 하중측정센서(300)를 이용하여 상기 구동기어(120)에서 발생되는 측방향 하중을 측정함으로써 상기 모터(100)의 토크를 측정할 수 있다.
위와 같은 구조는 상기 스퍼기어의 구조를 갖는 회전기어(200)의 경우나 후술하는 웜기어의 구조를 갖는 스퍼기어(200) 또는 다양한 구조를 갖는 기어에도 동일하게 적용될 수 있다.
상기와 같이 배치되는 하중측정센서(300)는 복수개가 구비될 수 있으며, 상기 복수개의 하중측정센서(300)는 서로 대면하고 상기 하중측정센서(300)의 사이에는 상기 회전기어(200)가 위치될 수 있다.
상기 베벨기어의 구조를 갖는 회전기어(200)의 경우에도 상부기어(210) 및 하부기어(220)를 포함할 수 있다. 상기 상부기어(210)와 하부기어(220)는 상술한 스퍼기어의 구조와 대응되는데, 상기 상부기어(210) 또는 하부기어(220) 중 하나가 상기 모터의 구동축(110)에 연결되어 상기 모터(100)의 회전력을 전달받고 다른 하나가 상기 회전기어(200)의 측방향 하중을 상기 하중측정센서(300)에 전달하는 구조이다. 상기 상부기어(210)와 하부기어(220)는 베어링(B)으로 연결될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 상부기어(210) 또는 하부기어(220)는 베어링(B)이거나 베어링(B)이 구비된 베어링홀더(H)로서, 상기 하중측정센서(300)는 상기 상부기어(210) 또는 하부기어(220)와 접하면서 상기 회전기어(200)에 가해지는 측방향 하중을 측정할 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜기어 구조를 갖는 회전기어(200)를 나타낸 개념도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜기어의 구조를 갖는 회전기어(200)의 베어링(B)을 나타낸 상세도이다.
도 6를 참고하면, 상기 회전기어(200)는 상기 모터(100)의 구동축(110)과 같은 중심을 갖도록 연결될 수 있으며 상기 구동축(110)의 회전방향과 같은 방향으로 회전할 수 있다. 상기 웜기어의 구조를 갖는 회전기어(200)는 상기 회전기어(200)의 회전축(201)의 연장선 방향으로 하중이 작용될 수 있다. 즉, 상기 회전기어(200)의 회전축(201)의 축방향으로 하중이 작용할 때 상기 하중측정센서(300)는 상기 회전기어(200)에서 구동축(110)의 반대 방향(도면상 좌측방향)에 배치되어 상기 회전기어(200)의 면방향으로 작용하는 하중을 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에서 도시되진 않았으나 상기 웜기어의 구조를 갖는 회전기어(200)의 경우도 상기 하중측정센서(300)는 상기 회전기어(200)의 외측 테두리방향 또는 상기 구동축(110)이나 구동기어(120)의 외측에 구비되어 상기 하중측정센서(300)의 방향으로 가해지는 측방향 하중을 측정할 수 있다.
상기 웜기어를 갖는 회전기어(200)에는 베어링(B)이 구비될 수 있으며, 상기 베어링(B)은 상기 회전기어(200)의 내측 또는 외측에 구비되어 측방향 하중 또는 추력의 작용을 원활하게 한다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 상기 베어링(B)은 상기 회전기어(200)의 내부에 상기 구동축(110)과 접하도록 구비되어 상기 구동축(110)의 연장선의 방향(도면상 좌측방향)으로 상기 회전기어(200)의 축방향 이동을 원활하게 할 수 있다. 이 경우 상기 회전기어(200)의 축방향 외의 이동은 제한되는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 베어링(B)은 도 7에 도시된 바와 같이 상기 회전축(201)과 구동축(110)의 마찰을 방지하여 상기 회전축(201)의 축방향(도면상 좌우방향)으로 상기 회전기어(200)의 이동을 자유롭도록 하는 동시에 상기 구동축(110)으로부터 가해지는 회전력을 전달하는 구조를 갖고, 상기 회전축(201)의 축방향 외의 방향은 이동을 제한시키는 구조를 갖는다.
상기 베어링(B)은 복수일 수 있고 상기 하중측정센서(300)의 위치에 따라 구조와 위치가 달라질 수 있다.
본 발명에서는 상기 회전기어(200)로부터 회전력을 전달받는 와이어(W)를 포함할 수 있다. 상기 와이어(W)는 띠 형상을 가지며 상기 회전기어(200)로부터 회전력을 전달받아 장력이 발생된다. 본 발명에서는 상기 회전기어(200)또는 구동기어(120)의 측방향 하중을 상기 하중측정센서(300)로 측정하여 상기 측정된 하중으로부터 상기 회전기어(200)와 연결된 와이어(W)의 장력을 산출할 수 있는데, 상기 와이어(W)는 로봇 관절 구조에 이용될 수 있으며 상기 와이어(W)의 장력을 정밀하게 측정하여 로봇의 세밀한 움직임을 가능하게 할 수 있다.
상기 와이어(W)의 연결 구조를 보다 자세히 설명하면, 상기 와이어(W)는 상기 회전기어(200)에 직접 연결되거나 상기 회전기어(200)와 연결된 조작기어(230)에 연결될 수 있다. 상기 회전기어(200)에 직접 와이어(W)가 연결되는 경우 상기 회전기어(200)에는 상기 와이어(W)가 감기거나 풀리는 권취부(미도시)가 구비될 수 있다.
상기 와이어(W)가 상기 조작기어(230)에 연결되는 경우 상기 회전기어(200)는 상기 조작기어(230)와 맞물리면서 연결되고 상기 회전기어(200)의 회전력을 전달받은 조작기어(230)가 상기 와이어(W)를 감거나 풀면서 와이어(W)에 장력을 발생시키는 구조를 갖는다. 상기 조작기어(230)는, 상기 회전기어(200)와 동심을 갖고 상기 회전기어(200)의 회전방향과 동일한 방향으로 회전하거나 상기 회전기어(200)와 맞물려 상기 회전기어(200)의 회전방향과 다른 방향으로 회전할 수 있다. 또한, 상기 조작기어(230)는 복수일 수 있으며 그 형상, 구조, 구성은 본 발명의 목적 범위 내에서 다양할 수 있다. 예를들어, 상기 조작기어(230)는 상기 회전기어(200)와 연결된 스퍼기어, 베벨기어 또는 웜기어 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 제어부(400)(미도시)를 포함할 수 있으며, 상기 제어부(400)는 상기 하중측정센서에서 측정한 정보를 기반으로 상기 모터의 토크를 산출한다.
상기 제어부(400)를 통한 상기 모터(100)의 토크 산출은 상기 회전기어(200), 모터(100)의 구동기어(120) 등의 형상에 따라 달라질 수 있는데, 예를 들어 상기 회전기어(200)나 구동기어(120)의 측방향 하중에 상기 구동기어(120)에서 구동축(110)까지의 거리를 곱한 값을 상기 모터(100)의 토크로 산출할 수 있다. 상기 산출된 모터(100)의 토크는 측정조건이나 각 기어 등의 종류에 따라 보정될 수 있다.
또한, 상기 제어부(400)는, 상기 하중측정센서(300)에서 측정된 회전기어(200)나 구동기어(120)의 측방향 하중에 대한 정보를 기반으로 상기 와이어에 가해지는 장력을 산출할 수 있다. 예를들어, 상기 제어부(400)는 상기 하중측정센서(300)에서 측정된 측방향 하중으로부터 직접 상기 와이어(W)의 장력을 산출하거나 상기 모터(100)의 토크를 먼저 산출한 후 이를 바탕으로 상기 와이어(W)의 장력을 산출할 수 있다.
상기 제어부(400)는 기 설정된 프로그램을 이용할 수 있으며 모터(100), 회전기어(200), 하중측정센서(300) 및 와이어(W)의 종류, 형상 또는 구조에 따라 서로 다른 값을 입력받아 상기 모터(100)의 토크와 와이어(W)의 장력을 산출할 수 있다.
본 발명에서는 상술한 바와 같이 상기와 같은 구조를 이용하여 모터(100)의 토크를 측정함으로써 상기 모터(100)와 연결된 회전기어(200) 또는 구동기어(120)에 발생되는 측방향 하중을 별도로 제거하지 않고 이를 이용하여 모터(100)의 토크를 산출하므로 구성 및 구조가 단순화되어 소형 제작 가능하며 제작단가를 낮출 수 있고 모터(100)의 토크 및 와이어(W)의 장력을 보다 정밀하게 측정할 수 있다.
100 : 모터 110 : 구동축
120 : 구동기어
200 : 회전기어 201 : 회전축
210 : 상부기어
220 : 하부기어 230 : 조작기어
300 : 하중측정센서
400 : 제어부
B : 베어링 W : 와이어

Claims (10)

  1. 구동축을 갖는 모터;
    상기 모터에 연결되며 상기 모터의 작동에 의해 회전하는 회전기어; 및
    상기 회전기어의 측방향 하중을 측정하는 하중측정센서;를 포함하고,
    상기 하중측정센서에서 측정된 상기 측방향 하중을 기반으로 상기 모터의 토크를 산출하는 모터 토크 측정 시스템.
  2. 구동축 및 상기 구동축에 연결된 구동기어를 갖는 모터;
    상기 모터에 연결되며 상기 모터의 작동에 의해 회전축을 중심으로 회전하는 회전기어; 및
    상기 회전기어 또는 상기 구동기어의 측방향 하중을 측정하는 하중측정센서;를 포함하고,
    상기 하중측정센서에서 측정된 상기 측방향 하중을 기반으로 상기 모터의 토크를 산출하는 모터 토크 측정 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 하중측정센서에서 측정한 정보를 기반으로 상기 모터의 토크를 산출하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 토크 측정 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 회전기어는,
    상기 회전축에 연결되는 상부기어; 및
    상기 회전축에 연결되며 상기 상부기어의 하부에 구비된 하부기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 토크 측정 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 상부기어 또는 하부기어는 베어링이고,
    상기 하중측정센서는 상기 상부기어 또는 하부기어와 접하면서 상기 회전기어에 가해지는 측방향 하중을 측정하는 것을 특징으로 하는 모터 토크 측정 시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 회전기어는 베벨기어의 구조를 갖고,
    상기 하중측정센서는 상기 회전기어의 축방향에 배치되어 상기 회전기어의 면방향으로 작용하는 하중을 측정하는 것을 특징으로 하는 모터 토크 측정 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 회전기어의 회전축에는 상기 회전기어의 축방향 이동을 원활하게 하는 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 모터 토크 측정 시스템.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 회전기어는 웜기어의 구조를 갖고,
    상기 하중측정센서는 상기 회전축의 축방향에 배치되어 상기 회전기어의 면방향으로 작용하는 하중을 측정하는 것을 특징으로 하는 모터 토크 측정 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 회전기어와 상기 모터의 구동축 사이에는 상기 구동축의 회전력을 상기 웜기어에 전달하며 상기 웜기어의 축방향 이동이 원활하게 하는 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 모터 토크 측정 시스템.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 회전기어로부터 회전력을 전달받는 조작기어 및 상기 조작기어에 연결되어 상기 모터의 작동에 의해 감기거나 풀리는 와이어를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 하중측정센서에서 측정된 정보를 기반으로 상기 와이어에 가해지는 장력을 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 토크 측정 시스템.
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