약 한 달 동안, 일부 고객들이 로봇 엔드툴의 접촉력에만 집중하다 보니 3축 힘 센서로도 충분하다고 생각하는 것을 발견했습니다.
우리는 종종 이와 비슷한 상황을 마주합니다. 사실 6축 힘 센서의 제조는 3축 힘 센서보다 더 어렵습니다. 당사는 여러 범위의 6축 힘 센서와 3축 힘 센서를 제공할 수 있지만, 3축 힘 센서의 사용에는 여전히 많은 제한이 있습니다. 만약 힘의 작용점이 센서에서 멀리 떨어져 있고 힘의 방향이 무작위라면, 3방향의 힘 정보만 필요하고 굽힘 모멘트의 범위를 알 필요가 없다 하더라도 6축 힘 센서를 사용해야 한다고 권장합니다.
이 문제를 더욱 명확히 설명하기 위해, 1축 힘 센서의 적용 사례를 살펴보겠습니다.
우리는 힘이 벡터라는 점을 알고 있으며, 따라서 범위와 방향을 모두 가지고 있습니다. 힘의 방향이 1축 힘 센서의 측정축과 완전히 일치할 때만 정확하게 측정할 수 있습니다(그림1). 일반적으로 측정축은 센서의 기하학적 중심선입니다.
힘이 센서의 측정축과 평행하지만 일치하지 않을 경우, 센서의 측정 결과는 큰 오차를 나타냅니다. 이론역학에서의 힘의 변환 등가 원리에 따르면, 이는 동시에 센서에 작용하는 힘과 굽힘 모멘트와 동등합니다(그림2). 변환 후 센서가 받는 힘의 범위와 방향은 이전과 같지만, 추가적으로 FL이라는 굽힘 모멘트가 발생합니다. 이 굽힘 모멘트는 센서에 일정한 굽힘 변형 효과를 일으키며, 변형 형태가 센서의 교정 상태에서 벗어나게 되어 큰 오차를 초래합니다. 물론 일부 1차원 힘 센서의 구조는 일정한 편심 저항 능력을 갖추고 있긴 하지만, 편심 거리가 크고 굽힘 모멘트가 클 경우에도 분명한 측정 오차가 발생합니다.
다음으로 3차원 힘 센서를 살펴보겠습니다. 3축 힘 센서의 교정 중심은 일반적으로 센서 자체 또는 매우 가까운 위치에 있습니다. 따라서 같은 이유로, 힘의 작용점이 센서에서 멀리 떨어져 있을 경우, 힘을 직교 분해하여 3축 힘 센서의 교정 중심으로 이동시키면 센서는 Fx/Fy/Fz 세 가지 성분의 힘을 받을 뿐 아니라 Mx/My/Mz 세 가지 굽힘 모멘트도 함께 받게 됩니다(그림3). Mx/My/Mz는 필연적으로 Fx/Fy/Fz의 측정 정확도를 방해하며, 굽힘 모멘트가 클수록 3축 힘 센서의 측정 정확도는 더욱 떨어집니다. 이러한 현상의 원인은 3축 힘 센서를 부하하고 교정할 때 굽힘 모멘트의 변수를 고려할 수 없기 때문입니다. 이때 교정된 수학적 모델과 파라미터는 굽힘 모멘트가 힘 측정에 미치는 간섭을 보정하거나 제거할 수 없습니다.
지난 주, 우리는 외과용 로봇을 생산하는 유명 기업 고객에게 두 종류의 힘 센서를 시험용으로 보냈습니다. 여기에는 일반 구조의 3축 힘 센서와 쿤웨이 6축 힘 센서가 포함되었습니다. 이 고객은 비용 절감을 위해 3축 힘 센서를 선택해 제품 성능을 구현하려 했습니다. 두 센서의 시험 결과를 비교한 후, 결국 이 고객은 6축 힘 센서를 선택했습니다.
6차원 관절 부하 기반의 6축 F/T 센서의 탈결 알고리즘은 3방향 힘과 3방향 굽힘 모멘트 간의 결합 오차를 정확히 보정할 수 있어, 굽힘 모멘트가 힘 측정에 미치는 간섭을 크게 제거합니다. 덕분에 힘의 측정 정확도가 3축 힘 센서보다 훨씬 높아집니다. 이는 고정밀 6차원 관절 부하 교정 방법을 기반으로 강력한 비선형 적합 능력을 갖춘 탈결 수학적 모델을 얻는 것입니다.
비슷한 문제를 겪고 있다면, 특히 로봇 힘 제어 응용에서는 3축 힘 센서와 6축 힘 센서 중 어느 것을 사용할지 고민할 필요가 없습니다(그림5). 6축 F/T 센서를 사용하면 힘 값을 더욱 정확히 측정할 뿐 아니라, 실시간으로 굽힘 모멘트를 모니터링해 굽힘 모멘트 과부하로 인한 돌이킬 수 없는 손상을 예방할 수 있으며, 굽힘 모멘트 데이터를 통해 엔드 이펙터의 자세를 제어하는 데도 활용할 수 있습니다. 엔드 접촉력이 매우 작을 경우, 해당 힘에 대응하는 굽힘 모멘트는 상대적으로 더 민감하게 반응하며, 힘의 지렛대가 힘을 증폭시키기 때문에 굽힘 모멘트를 통해 간접적으로 접촉력을 모니터링할 수 있습니다. 이 방법은 인후 검사용 샘플링 로봇의 힘 제어 응용에서 더욱 널리 사용됩니다.
3축 힘 센서는 일부 상황에서도 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 부하점이 센서의 교정 중심에 가깝고 측정 정확도 요구가 높지 않거나, 여러 개의 3축 힘 센서를 동시에 사용하는 경우가 이에 해당합니다. 이는 좀 더 전문적인 적합 및 데이터 처리를 필요로 하므로, 추후 글에서 소개하겠습니다.
