힘 센서란?
힘 센서(영어: force sensor)는 힘이나 모멘트의 크기를 측정하는 센서입니다.
물리적인 힘의 양과 방향을 감지하여 인간의 촉각 감각을 재현하기 위한 목적으로 사용됩니다. 주요 용도는 로봇입니다.
힘을 X, Y, Z 3방향으로 나누어 감지하고 X, Y, Z의 각 축을 중심으로 한 모멘트도 감지하기 때문에 6축형 역감지 센서가 기본입니다.
힘센서의 사용 용도
힘 감지 센서는 산업용 로봇 등에 사용되어 기존에 사람이 직접 해야만 했던 작업을 자동화할 수 있게 해줍니다.
1. 외력 및 반력 감지
힘 센서는 힘과 모멘트를 동시에 측정할 수 있습니다. 로봇의 작업 끝에 설치하여 외력과 반력을 측정하면서 적절한 힘으로 작업할 수 있습니다.
2. 정밀 작업 자동화
힘감지 센서로 정확한 힘과 모멘트를 측정할 수 있어 로봇이 적절한 힘으로 작업할 수 있습니다. 정밀 작업의 로봇 자동화가 가능해집니다.
구체적인 작업은 단자가 부드러운 전자부품이나 커넥터 삽입, 유격이 적은 결합, 정밀한 나사 조임, 디버링, 미세한 힘으로 연마, 피킹 작업, 2족 보행 로봇의 자립 제어 등입니다.
3. 촉각 진단 및 원격 진료
힘감지 센서가 부착된 단말기를 환자 측에 배치하고, 힘감지 센서로 읽은 힘과 모멘트를 의사 측에서 읽음으로써 원격 촉각 진단이 가능합니다.
힘감지 센서의 원리
힘감지 센서는 힘에 의해 발생하는 변형량을 감지하여 힘이나 모멘트로 변환합니다.
힘감지 센서의 감지 방법 중 변형계식, 압전식, 광학식, 정전용량식 등이 대표적입니다.
1. 스트레인 게이지 힘감지 센서
스트레인 게이지식은 센서부에 가해지는 인장력, 압축력에 따라 전기저항이 변화하는 금속 저항 재료의 성질을 이용하여 힘이나 토크로 변환하는 방식입니다. 크기가 작고 정확도가 높으며, 응답성이 높아서 힘감지 센서로 많이 사용되는 방식입니다.
2. 압전식 힘센서
압전식은 수정이나 PZT(납 지르콘산 티탄산 지르코늄) 등의 압전 효과가 있는 재료를 센서부에 사용하여 힘을 측정하는 힘센서입니다. 크기가 작고 응답성이 높으며, 비용도 비교적 저렴합니다. 그러나 정확도는 스트레인 게이지식이나 정전용량식에는 미치지 못합니다.
3. 정전용량식 힘센서
정전용량식 구조는 센서부를 금속 소재의 전극이 서로 마주보고 배치된 콘덴서 형태로 만든 것입니다. 힘에 의해 도체 사이에 변형이 발생하여 거리가 변함에 따른 정전 용량의 변화를 감지하는 방식입니다.
정전용량식은 구성이 비교적 간단하고 비용이 저렴한 것이 특징입니다. 전극을 필름 형태로 만들면 소형화, 박형화가 가능하다. 정확도와 응답성도 우수합니다.
4. 광학식 힘센서
광학식은 측정 대상물에 일정한 간격으로 무늬를 표시해 놓고, 힘이 가해졌을 때 발생하는 무늬의 변화를 카메라나 레이저 등의 광학 센서로 감지하여 힘의 크기를 계산하여 구하는 방식입니다.
광학식은 비접촉으로 측정할 수 있다는 것이 가장 큰 장점입니다. 반면 정확도, 응답성, 소형화, 비용은 다른 방식에 비해 떨어진다. 비접촉식 측정이 필요한 특수한 용도에만 사용됩니다.
5. HDR 힘센서
HDR(High Dynamic Range) 힘 감지 센서라고 불리는 것이 있는데, HDR 힘 감지 센서는 예를 들어 10g에서 20kg까지 넓은 동적 범위가 특징입니다.
AI와 로봇 기술에 HDR 힘감지 센서를 결합하여 미세한 힘을 조절하면서 미세한 조립 작업을 할 수 있습니다. 생산 현장에서는 로봇을 통한 조립 작업의 자동화 및 고도화가 진행되고 있습니다.
6. 정전용량식 힘센서
정전용량식 힘감지 센서의 특징은 두 개의 평행한 판의 거리 변화를 감지하여 6축 성분을 측정할 수 있다는 점입니다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하다는 장점이 있습니다.
또한, 과부하 방지 스토퍼 메커니즘이 센서 내부에 탑재된 힘 감지 센서가 있습니다. 최근에는 산업용 로봇 분야에서 많이 활용되고 있습니다. 제조업의 자동화가 진행되면서 점점 더 수요가 늘어날 것으로 예상됩니다.
힘센서 기타 정보
힘센서의 활용
힘센서를 사용한 로봇을 사람이 조작함으로써 사람과 로봇의 협동 작업을 실현할 수 있습니다. 미세한 힘의 가감이 필요한 섬세한 작업도 가능합니다.
특히 제조 현장에서는 숙련된 장인만이 할 수 있는 작업을 힘센서를 활용해 작업 자동화를 실현하고 생산성을 향상시키고 있습니다. 의료 분야의 활용 사례로는 환부의 상태를 촉각 진단을 통해 파악하는 원격 진료에 힘센서의 활용이 기대되고 있습니다.