크랩 레그 메커니즘을 이용한 전자기력 보상 방식의 6 축 초정밀 힘/토크 센서
6-Axis High-precision Force/Torque Sensor using Crab-Leg Flexures based on Electromagnetic Force Compensation
- 주제(키워드) force/torque sensors , EMFC , compliant mechanism , micro-force measurements
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 최영만
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000033625
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
다 자유도 정밀 힘 센서는 반도체 제조, 의학, 정밀 화학, 로봇 등의 다양한 산업 분야에서 널리 사용된다. 특히, 10-5 혹은 그보다 작은 상대 불확도를 갖는 초정밀 힘/토크 센서는 장비의 교정에 쓰이는 등 산업에서 중요한 역할을 한다. 본 논문은 전자기력 보상 방식 기반의 크랩 레그(crableg) 유연기구와 보이스 코일 모터를 이용한 새로운 6 축 초정밀 힘/토크 센서를 제안한다. 여러 힘 측정 방식 중에서도, 전자기력 보상 방식은 μN 이하의 높은 분해능과 반복능을 갖는 정밀 힘 측정 원리이다. 5 N 의 측정 범위 내에서 50μN 의 분해능을 가지는 센서를 목표로 하고 있으며, 기존의 전자기력 보상 방식 기반의 연구와 달리 6 축으로 측정 가능하고, 로드셀 방식의 6 축 힘/토크 센서보다 상대 불확도가 우수하다. 시스템은 힘이 가해지는 힘 플랫폼, 유연 기구, 변위 센서, 전자기 구동기, 위치 제어기로 이루어져 있다. 6축 힘의 측정 원리는 다음과 같다. 힘 플랫폼에 외력이 가해지면 유연기구가 변형되고, 이를 6 개의 변위센서로 측정하여 센서 키네마틱스를 이용해 힘 플랫폼의 6 축 변위를 계산한다. 위치 피드백 제어와 역 구동기 키네마틱스를 통해 8 개의 전자기 구동기를 구동시켜 변형된 힘 플랫폼을 원점으로 보상하는 과정에서, 6 축 외부 힘 및 모멘트는 구동기에 의해 가해지는 반력과 현재 위치로부터 추정된다. 먼저, 6 축의 분해능이 유사하면서 높은 민감도를 갖도록 2 개의 리프 스프링이 병렬적으로 배치된 크랩 레그 유연기구를 최적화하였다. 오일러베르누이 빔 이론과 Ryu’s method 를 통해 크랩 레그 유연기구를 수학적으로 모델링하였으며, 최적화된 모델링 결과를 유한 요소 해석 결과와 비교함으로써 설계 방법의 타당성을 검증하였다. 최적화된 설계 결과를 토대로 시스템을 제작하였다. 센서의 무게는 4.8 kg 으로 크기는 250 mm × 250 mm × 57.4 mm 이다. 크랩 레그 유연기구의 강성, 공진 주파수를 측정하여 모델링 결과와 비교하였으며, 이 후 분동 측정을 통해 센서의 성능을 평가하였다.
more초록/요약
Multi-axis ultra-precision force sensors are widely used in various industrial applications such as biomedicine, precision chemistry, semiconductor manufacturing and so forth. In particular, the ultra-precision force/torque sensors with a relative uncertainty of 10-5 or less play crucial roles in industries as standard calibration instruments. This paper proposes a novel six-axis force-torque sensor using a crab-leg compliant mechanism and voice coil motors based on electromagnetic force compensation. Among various force measurement methods, the electromagnetic force compensation principle is state-of-the-art, offering high resolution and good repeatability down to μN. Our goal is to develop a sensor with a resolution of 50μN within a measurement range of 5 N. While prior research based on EMFC can only measure a single axis, this sensor can measure in all six-axes. Additionally, the relative uncertainties are superior to load cell type six-axis force-torque sensors. The system comprises a compliant mechanism, a displacement sensor, an electromagnetic actuator, and a position controller. The principle of six-axis force measurement is as follows. The mechanical deformation of the compliant part caused by the applied force is measured by six displacement sensors and sensor kinematics. The position feedback controller compensates the deformed compliant mechanism to the origin by driving eight electromagnetic actuators and inverse actuator kinematics. The six-axis external forces and moments are then estimated from the electromagnetic counterforce and the current position. The crab-leg compliant mechanism with two leaf springs arranged in parallel was optimized to have similar resolutions in all six axes and high sensitivity. The crab-leg compliant mechanism was mathematically modeled using Euler-Bernoulli beam theory and matrix method. The validity of the design method was verified by comparing the optimized modeling results with finite element analysis simulation results. The system was manufactured based on the optimized design results. The sensor weights 4.8 kg, and has dimensions of 250 mm × 250 mm × 57.4 mm. The stiffness and the natural frequency of the crab-leg compliant mechanism were measured and compared with the modeling results. Finally, the sensor’s performance was evaluated through weight measurement.
more목차
제 1 장. 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 목표 5
1.3 논문 구성 8
제 2 장. 시스템 설계 9
2.1 시스템 구성 및 6축 힘 측정 원리 9
2.2 크랩 레그 유연기구 모델링 12
2.2.1 리프 스프링의 컴플라이언트 매트릭스 15
2.2.2 매트릭스 방법 18
2.3 최적화 22
2.3.1 목적 함수 22
2.3.2 제한 조건 25
2.3.3 최적화 결과 27
2.4 Finite element analysis 31
제 3 장. 시스템 환경 구성 및 성능 평가 34
3.1 실험 셋업 34
3.2 키네마틱스와 제어 37
3.3 시스템 평가 40
3.3.1 Static performance test 41
3.3.2 Dynamic performance test 44
3.3.3 제어 성능 평가 46
3.3.4 Mass measurement 48
3.3.5 Measurement range 50
4. 결론 및 향후 과제 51
REFERENCES 53
ABSTRACT 58
