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탄성구체를 이용한 유연3차원 하중측정 센서 개발

전문가 제언: ○ 변형의 단위길이당 발생하는 변형률(strain)은 힘이나 하중의 크기에 선형적으로 변하는 특징을 가지고 있다. 공학적인 필요에 의해 변형률의 측정이 요구되고 이를 위해 개발된 측정소자(sensor)가 스트레인게이지이다. 스트레인게이지는 전기적으로 측정하는 전기식의 스트레인게이지와 기계식으로 측정하는 기계식의 스트레인게이지가 있다.

○ 전기식의 스트레인게이지는 구조체가 변형을 일으킬 때 전기저항이 변하는 것을 이용하여 변형률을 측정하는 것이며 기계식 스트레인게이지는 두 점 사이의 미소한 거리 변화를 기계적으로 측정하여 변형률을 측정하는 것이다. 재료들은 그 종류가 다양하고 성질도 다르기 때문에 외력에 대한 능력이 다르다. 그러므로 이에 대한 재료시험으로 강도뿐만 아니라 하중에 대한 변형률을 아는 것도 대단히 중요하다.

○ 로드 셀은 외력에 의해 선형적으로 변하는 탄성체와 이것을 전기적 신호로 바꾸어주는 스트레인게이지를 이용한 하중감지 센서로 각종 산업분야의 공정제어나 자동화 분야에 유용하게 이용되고 있다. 초기 로드 셀은 특수 용도에 국한되었으나 1940~1950년대 미국, 독일, 일본 등에서 와이어 스트레인게이지의 상용화, 1960년대 이후 매트릭스 시스템의 개발과 전자기술의 발전으로 하중감지 센서 중 가장 많이 보급되었다.

○ 이 글은 로봇의 팔과 몸체 등에 광범위하게 설치할 수 있는 유연접촉의 수직 압축하중과 전단하중 측정센서 개발에 대한 것으로, 구형탄성체를 이용하여 수직하중, 전단하중, 비틀림의 3축 방향하중을 측정할 수 있는 하중측정 센서 개발이다. 개발한 센서로 시간에 따른 수직하중과 전압의 변화를 조사하였으며 하중측정은 기판상부에 부착한 로드 셀을 이용하였다.

○ 하중측정 센서 개발에서 로드 셀에 의해 측정한 수직하중은 탄성구체와 하중검출부의 접촉반경의 3승에 비례하고, 전단하중과 탄성구체의 중심 이동량은 선형관계가 있으며 이로부터 개발 센서를 이용하여 수직, 전단하중을 측정할 수 있었다.

저자: Noboru Nakayama, Kenji Torii, Jiahui Qiu and Tetsuo Kumazawa
자료유형: 학술정보