기존 피에조 전기식 4차원 힘 측정 방법에서는 토크를 측면 힘으로 계산하는 방법과 직접 측정하는 방법 두 가지가 있다. 계산법은 적용 범위가 넓지만 구성 요소 간 교차 결합 영향이 크고, 직접 측정은 이론적인 정밀도가 높지만 센서 배치 방식에 제한이 있다. 본 논문은 센서 내에 쿼츠 크리스털 그룹을 추가하여 센서의 특수 배치에 의존하지 않고 토크를 직접 측정할 수 있는 4차원 힘 측정 방안을 제안한다. 먼저 센서 배치 방안을 결정하고, 기존 3축 힘 측정을 기반으로 각 센서 내에 토크 측정을 위한 전단력 측정 크리스털 그룹을 추가하였다; 센서 가공 및 조립 공정에서 발생하는 오차를 정의하고, 두 가지 측정 방법 하에서 토크 측정 오차 전달 모델을 구축하며, 수치 시뮬레이션을 통해 정밀도 차이를 비교하였다; 하중계 설계를 제작하고 주요 치수에 대한 매개변수 분석을 수행하였다; 정적 및 동적 성능 검정 실험을 진행하였으며, 이를 바탕으로 다점 토크 부하 보정 실험을 수행하고 두 가지 측정 방안으로 토크를 계산하였다. 실험 결과 최대 비선형 오차 및 반복성 오차가 0.5% 미만, 방향 간 간섭은 3% 미만, 하중계 고유 진동수가 1400Hz 이상이며 정적·동적 성능이 설계 요구사항을 충족하였다; 다점 토크 부하 실험에서 새 방안은 평균제곱오차를 83.4% 감소시키고 최대 측정 오차를 26.5% 줄였다. 새 방안이 토크 측정 정확도를 향상시키는 데 효과적임을 검증하였으며, 광범위한 적용 전망을 가진다.

토크 테스트 정밀도; 4차원 힘 측정; 4방향 힘 센서; 하중계 설계; 매개변수 분석