본 연구는 로봇 관절 구동기에 통합될 수 있는 단일 축 토크 센서의 개발을 제안하며, 향상된 과부하 보호 기능을 갖춘 혁신적인 구조 설계를 특징으로 한다. 개발된 토크 센서는 스트레인 게이지 기반 측정 원리를 사용하고, 응력 집중을 유도하기 위해 양안(binocular) 구조를 채택함으로써 신호 감도를 향상시킨다. 특히, 과도한 토크 하중에서 변형을 제한하고 비가역적 손상을 방지하기 위한 전용 스토퍼(stopper) 메커니즘을 설계에 통합하였다. 이 메커니즘은 소성 변형을 방지하여 장기적인 구조 안정성을 확보하고 센서의 작동 수명을 연장하는 데 핵심적인 역할을 한다. 토크 센서의 변형 및 응력 분포를 시뮬레이션하기 위해 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 수행하였으며, 이를 통해 주요 설계 파라미터를 최적화하였다. 시뮬레이션 결과에 기반하여 물리적 프로토타입을 제작하고, 센서의 성능을 평가하기 위한 실험적 검증을 수행하였다. 실험 결과는 FEA 결과와의 강한 일치성을 보였으며, 제안된 설계의 타당성을 확인하고 센서에 구현된 과부하 보호 기능의 효과를 입증하였다. 또한 이 센서는 CPDS-type 고감속(actuators) 구동기와 호환되는 소형 폼 팩터를 유지하면서, 예기치 않은 기계적 응력에 대한 신뢰성과 강인성을 향상시킨다. 본 연구의 결과는 로봇 공학, 산업 자동화, 정밀 제어 시스템에 적용 가능한 고성능 토크 센서 개발에 기여하며, 내장된 기계적 안전 기능을 갖춘 센서 설계의 실현 가능성을 보여준다.

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