일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2022.9.29

로봇 진화의 최첨단 기술
파지력 센서를 탑재한 로봇핸드
연한 두부, 쉽게 부서지는 감자칩도 잡을 수 있어

오구라(小倉)클러치가 개발한 로봇핸드는 잡는 공작물의 경도에 맞춰 파지력을 조절할 수 있어 두부처럼 부드러운 물체도 잡을 수 있다. 크기가 다른 부품을 일일이 조정하지 않고 피킹할 수 있다는 것도 특징이다. 기술의 핵심은 오구라클러치가 자체 개발한 자석과 홀 소자를 사용한 'DQH형 토크센서'이다.

-- 자석과 홀 소자를 이용해 토크 측정 --
DQH형 토크센서가 유니크한 것은 자석과 홀 소자를 이용한 하중 센싱 기구를 사용해 토크를 측정하는 점에 있다. 홀 소자란 자계를 검출해 전기신호로서 출력하는 자기 센서이다. 오구라클러치 기술본부 연구개발과의 마쓰모토(松本) 과장은 “자석과 홀 소자를 사용한 토크 센서는 업계 최초이다”라며 자신감을 내비쳤다.

우선 자석과 홀 소자를 이용한 하중 센싱 원리부터 알아보자. 위의 그림과 같이 계량접시의 아랫면에 자석이, 받침대의 윗면에 홀 소자가 설치된 저울이 있다고 하자. 계량 접시에 물건을 올려놓으면 하중으로 스프링이 휘어진다. 이 휘어짐으로 인해 자석이 홀 소자에 접근할 수 있게 된다.

자석이 접근하여 자기장이 커지면 그것에 비례해 홀 소자의 출력 전압이 증가한다. 즉, 홀 소자의 출력 전압을 계측하면 자석이 홀 소자에 접근한 거리, 즉, 스프링의 변화량을 알 수 있고, 스프링의 변화량을 검지함으로써 하중을 측정할 수 있는 것이다.

이 하중 센싱 기구를 토크의 센싱에 응용한 것이 DQH형 토크 센서이다. 이 센서는 앞에서 소개한 하중 센싱 기구의 구조를 응용해 하중이 아닌 토크를 측정하기 위해 변화량 측정을 위한 코일 스프링을 수직방향이 아닌 수평방향으로 배치한 것이다. 토크가 가해지면 토크 입력 측에 설치된 스톱핀이 코일 스프링을 누른다.

이와 동시에 토크 입력 측의 자석이 고정측에 설치된 홀 소자에 접근. 홀소자의 출력 전압이 커진다. 토크 입력 측의 변형 각도는(토크 입력 측의 원주방향 회전각) 토크에 비례하기 때문에 변형 각도를 홀 소자의 출력 전압을 통해 산출하여 토크로 환산하는 구조이다.

-- 잘 부서지는 감자칩도 잡을 수 있어--
오구라클러치는 이 DQH형 토크센서를 활용해 파지력을 센싱할 수 있는 로봇핸드를 개발했다. 그 주된 장점은 크게 두 가지이다. 하나는 잡는 공작물의 경도 등에 맞춰 파지력을 조절할 수 있다는 점이다. 감자칩 같은 쉽게 부서지는 것도 잡을 수 있다.

또 하나는 대상에 따라 파지용 손톱의 스트로크을 조정하는 일반적인 타입의 로봇핸드와는 달리, 사전에 세밀하게 조정하지 않고도 크기가 다른 물품을 잡을 수 있다는 점이다.

공작물의 경도 등에 맞춰 파지력을 조정할 수 있는 이유는?
일반적으로 토크센서는 금속 토션바(용수철)에 변형 게이지(박막 저항체)를 부착한 타입이 많다. 토크가 입력되면 토션바가 변형되고 변형 게이지도 변형된다. 이때의 변형 게이지의 저항값을 측정하여 토크를 산출한다.

그러나 토크를 입력하였을 때 용수철의 변위각은 일반적으로 상한이 1° 미만의 미량이기 때문에 변위각에 대한 손톱의 이동량이 커서 제어하기 어렵다. 이로 인해 잡는 공작물의 경도 등에 맞춰 파지력을 조절하기가 어렵다.

이에 반해 DQH형 토크센서의 변위각 상한은 4° 정도이다. 변위각에 대한 손톱 이동량이 상대적으로 작아 측정한 토크에 맞춰 손톱 이동량을 제어하기 쉽다.

공작물이 찌그러지지 않도록 토크의 상한값을 미리 측정해놓고 그 상한값을 로봇핸드 손톱의 움직임을 멈추는 트리거 역할을 하도록 프로그램을 작성해두면 공작물이 찌그러지지 않게 손톱의 움직임을 제어할 수 있다. 즉, 두부나 감자칩처럼 쉽게 모양이 변형되는 공작물도 잡을 수 있다.

-- 사이즈가 다른 공작물은 어떨까? --
공작물을 잡는 손톱의 간격이 정해져 있는 로봇핸드는 같은 크기의 공작물 또는 손톱의 간격보다 큰 공작물을 잡을 수 있어도 그 간격보다 작은 공작물은 잡을 수 없다.

예를 들어 폭 5.0mm의 공작물을 잡을 수 있는(손톱 간격을 5.0mm까지 줄인) 로봇핸드로는 폭 4.0mm의 공작물을 잡을 수 없다. 폭 6.0mm의 공작물의 경우 딱딱하면 잡을 수 있지만 두부처럼 연하면 으깨져버린다.

토크센서를 탑재한 로봇핸드는 손톱이 공작물을 잡았을 때 토크를 측정해 미리 설정한 토크의 상한치에 도달하면 손톱 움직임을 멈춘다. 이 때문에 두부처럼 부드러운 공작물도 으깨지 않고 잡을 수 있다.

로봇핸드 손톱의 가동 범위 내에서는 공작물의 크기가 제각각이라도 잡을 수 있다. 예를 들어 폭 4.0~7.0mm까지 잡을 수 있는 타입의 로봇핸드라면 공작물의 폭이 4.1mm, 또는 5.3mm, 6.8mm라도 대응할 수 있는 것이다.

이 외에도 토션바를 이용한 토크센서는 큰 토크의 입력이 있을 경우 그 과부하로 인해 박막의 변형 게이지가 파손되기 쉽지만, DQH형 토크센서의 자석과 홀 소자는 토크의 부하를 받지 않기 때문에 잘 깨지기 않는다는 장점도 있다.

오구라클러치의 주력 제품은 카 에어컨과 일반 산업용 클러치, 브레이크 등이지만 앞으로는 DQH형 토크센서와 이를 탑재한 로봇핸드도 유력 제품으로 성장시켜나갈 계획이다. 마쓰모토 과장은 “주력 로봇핸드로 자리잡을 수 있도록 하고 싶다”라고 포부를 밝혔다.

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