KR102628186B1 - 촉각 센서 - Google Patents

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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 촉각 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코일 스프링의 거동을 이용하여 코일 스프링의 끝에 작용하는 힘을 측정하는 촉각 센서에 관한 것이다.
본 발명의 촉각 센서는, 구조가 간단하여 낮은 원가로 제조할 수 있으면서도 멀고 깊은 곳의 외력이나 압력을 용이하게 측정할 수 있는 촉각 센서를 제공하는 효과가 있다.

Description

촉각 센서{Tactile Sensor}
본 발명은 촉각 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코일 스프링의 거동을 이용하여 코일 스프링의 끝에 작용하는 힘을 측정하는 촉각 센서에 관한 것이다.
접촉한 물체와의 접촉력을 측정하는 촉각 센서는 여러 산업 분야에 사용된다. 특히 로봇과 관련된 분야에서 말단 부위에서 물체의 접촉 여부와 파지 정도를 측정하기 위한 용도로 촉각 센서가 널리 사용된다.
특히, 내시경이나 카테터와 같이 길고 가느다란 구조로 형성되어 비교적 멀고 깊은 곳에 위치하는 대상에 대한 압력이나 외력을 감지할 수 있는 촉각 센서에 대한 필요성도 증대하고 있다.
또한, 비교적 구조가 간단하고 낮은 제조 원가로 제작할 수 있으면, 로봇 시장에 널리 사용될 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0106526호 (2017.09.21.)
본 발명은 상술한 바와 같은 필요성을 만족시키기 위하여 안출된 것으로서, 간단한 구조를 가지면서도 낮은 제조 원가로 제작할 수 있는 촉각 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위해서 본 발명의 촉각 센서는, 코일 스프링; 상기 코일 스프링에 설치되는 고정 캡; 상기 코일 스프링의 끝부분에 설치되는 탄성 재질의 멤브레인; 상기 코일 스프링의 내부를 경유하도록 배치되어 상기 고정 캡에 연결되는 제1와이어; 상기 코일 스프링의 내부를 경유하도록 배치되어 상기 멤브레인에 연결되는 제2와이어; 상기 제1와이어 및 제2와이어 각각의 이동 변위를 측정하는 변위 측정 모듈; 및 상기 변위 측정 모듈로부터 상기 제1와이어 및 제2와이어의 이동 변위를 전달 받아 상기 제1와이어 및 제2와이어의 이동 변위의 차이를 이용하여 상기 멤브레인을 탄성 변형시키는 힘의 크기를 계산하는 제어부;를 포함하는 점에 특징이 있다.
본 발명의 촉각 센서는, 구조가 간단하여 낮은 원가로 제조할 수 있으면서도 멀고 깊은 곳의 외력이나 압력을 용이하게 측정할 수 있는 촉각 센서를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 촉각 센서의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 촉각 센서의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 촉각 센서의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 촉각 센서의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 촉각 센서를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 촉각 센서의 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 촉각 센서의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 촉각 센서는 코일 스프링(10)과 고정 캡(31)과 멤브레인(32)과 제1와이어(21)와 제2와이어(22)와 변위 측정 모듈(41)과 제어부(50)를 포함한다.
코일 스프링(10)의 내부에는 쉬스 부재(60)가 배치된다. 쉬스 부재(60)는 내측 몸체(63)와 제1채널(61)과 제2채널(62)을 구비한다.
내측 몸체(63)는 코일 스프링(10)의 내경에 배치된다. 내측 몸체(63)는 탄성 재질로 형성되어 코일 스프링(10)의 움직임에 따라 코일 스프링(10)과 함께 구부러진다.
내측 몸체(63)에는 제1채널(61)과 제2채널(62)이 형성된다. 본 실시예의 경우 제1채널(61)과 제2채널(62)은 각각 내측 몸체(63)의 길이 방향을 따라 나선형으로 연장되도록 형성된다. 또한, 제1채널(61)과 제2채널(62)은 각각 내측 몸체(63)의 중심선에 대해 동일 거리만큼 이격된 상태에서 180도 각변위 차이가 유지되도록 형성된다. 즉, 제1채널(61)과 제2채널(62)은 내측 몸체(63)의 중심선에 대해 동일 거리를 유지한 상태에서 내측 몸체(63)의 연장 방향을 따라 나선형으로 연장되도록 형성된다. 도 1, 도 2 및 도 4에는 편의상 내측 몸체(63)에 제1채널(61)과 제2채널(62)이 직선형으로 형성되는 것으로 도시하였다.
제1와이어(21)와 제2와이어(22)는 각각 쉬스 부재(60)의 제1채널(61)과 제2채널(62)을 경유하도록 배치된다. 쉬스 부재(60)의 내측 몸체(63)는 제1와이어(21) 및 제2와이어(22)와의 마찰을 줄일 수 있도록 미끄러지기 쉬운 재질로 형성되는 것이 좋다.
코일 스프링(10)의 일단부에는 고정 캡(31)이 결합된다. 제1와이어(21)는 쉬스 부재(60)의 제1채널(61)을 경유하여 고정 캡(31)에 결합됨으로써, 코일 스프링(10)의 한쪽 끝에 고정된다. 외력에 의해 코일 스프링(10)이 구부러지면 제1채널(61)의 길이가 늘어나게 되면서 제1와이어(21)가 당겨지게 된다.
고정 캡(31)에는 멤브레인(32)이 설치된다. 멤브레인(32)은 외부 물체에 접촉하여 가압되면 탄성 변형할 수 있도록 탄성 재질로 형성된다. 제2와이어(22)는 쉬스 부재(60)의 제2채널(62)을 경유하여 멤브레인(32)에 결합된다. 외력에 의해 코일 스프링(10)이 구부러지면 제2채널(62)의 길이가 늘어나게 되면서 제2와이어(22)가 당겨지게 된다. 멤브레인(32)에 외력이 작용하여 멤브레인(32)이 압축 탄성 변형되면, 제2와이어(22)는 멤브레인(32)의 탄성 변형량만큼 제1와이어(21)보다 덜 당겨지게 된다.
제1와이어(21) 및 제2와이어(22)가 각각 고정 캡(31) 및 멤브레인(32)과 연결되는 방향의 반대쪽 끝단은 자유단 상태로 있을 수도 있고, 상대적으로 약한 스프링과 같은 탄성체에 연결되어 장력을 제공 받을 수도 있다.
코일 스프링(10)은 스프링으로서의 자체 탄성력이 있으므로 외력에 의해 굽혀졌다가도 외력이 제거되면 곧게 펴진다. 제1와이어(21) 및 제2와이어(22) 역시 어느 정도의 자체 강성이 있으므로, 한쪽 끝이 자유단 상태로 있는 경우에도 코일 스프링(10)의 굽혀졌다 펴지는 각도 변화에 따라서 각각 제1채널(61) 및 제2채널(62)을 따라 당겨지거나 밀려나게 된다.
변위 측정 모듈(41)은 코일 스프링(10)의 제1와이어(21) 및 제2와이어(22)의 이동 변위를 측정한다. 본 실시예의 경우 제1와이어(21)의 이동 변위를 측정하는 변위 측정 센서가 변위 측정 모듈(41)로 사용된다. 변위 측정 센서는 공지된 다양한 형태의 센서가 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1와이어(21) 및 제2와이어(22)에 각각 맞물려 있는 스풀의 회전 각도를 측정하는 방식으로, 제1와이어(21) 및 제2와이어(22)의 이동 변위를 측정하는 형태의 변위 측정 센서를 사용할 수도 있다.
제어부(50)는 변위 측정 모듈(41)에서 측정된 제1와이어(21) 및 제2와이어(22)의 이동 변위를 이용하여 멤브레인(32)을 탄성 변형시키는 힘의 크기를 계산한다. 또한, 본 실시예의 경우 제어부(50)는 변위 측정 모듈(41)에서 측정된 제1와이어(21)의 이동 변위를 이용하여 코일 스프링(10)의 굽힘 각도를 계산한다. 즉, 제어부(50)는 코일 스프링(10)의 굽힘 각도와 멤브레인(32)에 작용하는 외력의 크기를 계산한다.
본 발명의 촉각 센서는 코일 스프링(10)이 펴져서 직선 상태일 때 코일 스프링(10)의 길이가 가장 짧고 코일 스프링(10)이 구부러졌을 때 코일 스프링(10)의 길이가 늘어나는 성질을 이용하여 코일 스프링(10)의 굽힘 각도를 계산하면서, 동시에 멤브레인(32)의 탄성 변형에 의해 제1스프링과 제2스프링의 이동 변위의 차이를 이용하여 멤브레인(32)에 작용하는 힘의 크기를 계산한다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 촉각 센서의 작동에 대해 설명한다.
도 1와 같이 코일 스프링(10)이 직선인 상태에서 코일 스프링(10)의 모든 피치는 서로 밀착되어 있으므로 코일 스프링(10)의 길이는 가장 짧은 상태이다.
도 2와 같이 코일 스프링(10)이 굽혀지면 코일 스프링(10)의 곡률 중심에 대해 멀어지는 방향에 배치된 피치들의 간격이 벌어지게 된다. 쉬스 부재(60)에 의해 제1와이어(21)가 코일 스프링(10)의 중심에 위치하는 경우를 가정하면 수학식 1에 의해 코일 스프링(10)의 굽혀진 각도와 제1와이어(21)의 이동 변위 사이의 관계를 표현할 수 있다. 본 실시예의 경우 제1채널(61)은 내부 몸체에 나선형으로 형성되어 있어서, 대체로 제1와이어(21)가 코일 스프링(10)의 중심에 위치하는 것으로 근사할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112022045569838-pat00001
도 3을 참고하면, 위 식의 기호들은 각각 다음을 의미한다.
Δl: 제1와이어(21)의 이동 변위, n: 코일 스프링(10)의 피치수, x: 각 피치 사이에서 발생하는 제1와이어(21) 이동 변위, α: 코일 스프링(10) 각 피치사이의 각도, φ: 코일 스프링(10)의 전체 굽힘 각도, a: 코일 스프링(10) 와이어의 직경, L: 코일 스프링(10)의 전체 길이, d: 코일 스프링(10)의 외경
도 3을 참고하면 수학식 1은 다음과 같은 과정을 통해 얻어진다.
라고 가정하면, 가 되고 가 된다.
위 식으로부터 을 얻을 수 있다. 또한 코일 스프링(10)의 피치수에 코일 스프링(10) 와이어 직경을 곱한 값은 코일 스프링(10)의 전체 길이에 해당하므로 의 관계로부터 을 얻을 수 있다.
결과적으로 제1와이어(21)의 이동 변위 과 코일 스프링(10)의 전체 굽힘 각도 사이에는 수학식 1과 같은 관계가 있는 것을 알 수 있다.
수학식 1에서 센서의 측정값인 와 센서의 출력값인 사이의 관계는 비선형이지만 수학식 2를 통하여 측정값과 출력값 사이의 관계를 선형화할 수 있으며 선형화된 비례 상수는 센서 이득 값으로서 사용될 수 있다. 수학식 2에서 으로 정의된다.
[수학식 2]
코일 스프링(10) 와이어의 직경(a)이 코일 스프링(10)의 전체 길이(L)에 비하여 매우 작은 경우 A는 0에 수렴한다. 수학식 2는 A가 0에 수렴할 경우 와 의 관계가 선형적임을 보여준다. 따라서 는 센서 이득으로서 사용할 수 있으며 선형성을 이용하여 간편하게 센서 신호로부터 센서 굽힘 각도를 계산할 수 있다.
제어부(50)는 변위 측정 모듈(41)에서 측정한 제1와이어(21)의 이동 변위를 이용하여 코일 스프링(10)의 굽혀진 각도를 위 수학식 1을 이용하여 계산할 수 있다.
이때, 멤브레인(32)에 외력이 작용하지 않으면, 멤브레인(32)은 탄성 변형되지 않으므로, 제1와이어(21)와 제2와이어(22)의 이동 변위는 실질적으로 동일하게 된다.
멤브레인(32)에 외력이 작용하여 멤브레인(32)이 가압되면 멤브레인(32)은 도 4에 도시한 것과 같이 탄성 변형된다. 이 경우 멤브레인(32)의 탄성 변형에 의해 제2와이어(22)는 멤브레인(32)에서 멀어지는 방향으로 움직이게 된다. 예컨대, 코일 스프링(10)이 구부러진 경우, 제2와이어(22)는 멤브레인(32)의 탄성 변형량만큼 제1와이어(21)보다 덜 움직이게 된다.
이와 같은 제1와이어(21)와 제2와이어(22)의 이동 변위의 차이를 이용하여 멤브레인(32)에 착용하는 외력의 힘의 크기를 계산할 수 있다. 이와 같이 멤브레인(32)에 작용하는 힘의 크기를 계산하면 다음 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
위 식의 기호들은 각각 다음을 의미한다.
: 멤브레인(32)의 강성, : 제1와이어(21)의 이동 변위와 제2와이어(22)의 이동 변위의 차이, : 제1와이어(21)의 이동 변위, : 제2와이어(22)의 이동 변위
제어부(50)는 위와 같은 수학식 3을 이용하여 멤브레인(32)에 작용하는 외력의 크기를 계산하게 된다. 제2와이어(22)만 사용하는 경우에는 코일 스프링(10)의 길이가 길수록 제2와이어(22)의 이동 변위를 측정하는 데에 오차가 발생할 가능성이 높아진다. 특히, 스프링 코일이 굽혀지는 것과 같은 변형이 발생하는 경우에는 이와 같은 오차의 발생 가능성이 높아진다. 그러나, 본 실시예와 같이 제2와이어(22) 이동 변위의 기준이 될 수 있는 제1와이어(21)를 같이 사용하므로, 스프링 코일의 길이가 비교적 긴 경우에도 멤브레인(32)의 변형에 따른 변형량을 비교적 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다. 또한, 제1와이어(21)는 멤브레인(32)의 변형을 파악할 수 있는 기준이 되면서 동시에 스프링 코일의 굽힘 각도를 계산할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 촉각 센서는 외력이 작용하는 멤브레인(32)에 직접적으로 전기적 구성이 설치되지 않고 제1와이어(21) 및 제2와이어(22)를 통해 간접적으로 멤브레인(32)의 변형량을 감지하므로, 물 속에서도 큰 어려움 없이 멤브레인에 작용하는 외력을 감지할 수 있는 장점이 있다.
한편, 제어부(50)는 쉬스 부재(60)와 제2와이어(22) 사이의 마찰을 보정하여 멤브레인(32)에 작용하는 압축력을 계산할 수도 있다. 이때, 제어부(50)는 쉬스 부재(60)와 제2와이어(22) 사이의 마찰력을 계산함에 있어서 캡스턴 식(Capstan Equation)과 같은 방법을 이용할 수 있으며, 이와 같이 계산된 마찰력을 이용하여 보정함으로써 제어부(50)는 멤브레인(32)에 작용하는 외력의 크기를 더욱 정확하게 계산할 수 있다.
이상 본 발명에 따른 촉각 센서에 대해 바람직한 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 범위가 앞에서 설명하고 도시한 형태로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 앞에서 제1와이어(21)의 이동 변위를 이용하여 제어부(50)가 코일 스프링(10)의 굽힘 각도를 계산하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 경우에 따라서는 제어부가 코일 스프링의 굽힘 각도는 계산하지 않고 멤브레인의 압축력만 계산하도록 촉각 센서를 구성하는 것도 가능하다.
또한, 앞에서 내측 몸체(63)와 제1채널(61) 및 제2채널(62)을 구비하는 쉬스 부재(60)를 예로 들어 설명하였으나, 쉬스 부재의 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 내측 몸체(63)에 두 개의 채널(제1채널(61) 및 제2채널(62))이 형성되는 것이 아니라 하나의 채널이 형성되도록 쉬스 부재를 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 제1와이어와 제2와이어는 서로 동일한 하나의 채널을 경유하도록 쉬스 부재에 설치된다.
또한, 앞에서 설명한 실시예와 같이 쉬스 부재의 내측 몸체에 두 개의 채널을 형성하는 경우에도 상술한 바와 같이 나선형으로 제1채널과 제2채널이 연장되도록 구성하지 않고 직선형이나 다른 형태로 연장되도록 구성하는 것이 가능하다. 또한, 나선형으로 제1채널(61)과 제2채널(62)이 내측 몸체(63)에 대해 연장되는 경우에도 180도 위상차가 아닌 다른 각도의 각도차를 갖도록 구성할 수 있으며, 내측 몸체의 중심에 대한 제1채널과 제2채널의 거리도 서로 동일하게 할 수도 있고 서로 다르게 구성할 수도 있다.
10: 코일 스프링 21: 제1와이어
22: 제2와이어 31: 고정 캡
32: 멤브레인 41: 변위 측정 모듈
50: 제어부 60: 쉬스 부재
63: 내측 몸체 61: 제1채널
62: 제2채널

Claims (10)

  1. 코일 스프링;
    상기 코일 스프링에 설치되는 고정 캡;
    상기 코일 스프링의 끝부분에 설치되는 탄성 재질의 멤브레인;
    상기 코일 스프링의 내부를 경유하도록 배치되어 상기 고정 캡에 연결되는 제1와이어;
    상기 코일 스프링의 내부를 경유하도록 배치되어 상기 멤브레인에 연결되는 제2와이어;
    상기 제1와이어 및 제2와이어 각각의 이동 변위를 측정하는 변위 측정 모듈; 및
    상기 변위 측정 모듈로부터 상기 제1와이어 및 제2와이어의 이동 변위를 전달 받아 상기 제1와이어 및 제2와이어의 이동 변위의 차이를 이용하여 상기 멤브레인을 탄성 변형시키는 힘의 크기를 계산하는 제어부;를 포함하는 촉각 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정 캡은 상기 코일 스프링의 끝부분에 결합되고,
    상기 멤브레인은 상기 고정 캡에 설치되는 촉각 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코일 스프링의 내경에 배치되어 상기 코일 스프링을 따라 연장되도록 형성되고 상기 코일 스프링과 함께 굽혀지는 내측 몸체와, 상기 제1와이어가 경유하도록 상기 내측 몸체에 형성되는 제1채널과, 상기 제2와이어가 경유하도록 상기 내측 몸체에 형성되는 제2채널을 구비하는 쉬스 부재;를 더 포함하는 촉각 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 쉬스 부재는, 상기 제1채널 및 제2채널이 상기 내측 몸체의 중심으로부터 동일 거리만큼 이격되어 형성되는 촉각 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 쉬스 부재는, 상기 제1채널 및 제2채널이 각각 상기 내측 몸체의 연장 방향을 따라 상기 내측 몸체에 대해 나선형으로 연장되도록 형성되는 촉각 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 쉬스 부재는, 상기 제1채널 및 제2채널이 상기 내측 몸체의 중심에 대해 서로 180도 각변위 차이를 유지하도록 형성되는 촉각 센서.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 쉬스 부재는, 상기 제1채널 및 제2채널이 각각 상기 내측 몸체의 중심에 대해 서로 180도 각변위 차이를 유지하면서 상기 내측 몸체의 연장 방향을 따라 상기 내측 몸체에 대해 나선형으로 연장되도록 형성되는 촉각 센서.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 쉬스 부재는, 상기 제1채널과 제2채널이 상기 내측 몸체의 길이 방향으로 연장되는 하나의 채널을 서로 공유하도록 형성하는 촉각 센서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 변위 측정 모듈에서 측정된 상기 제1와이어의 이동 변위를 이용하여 상기 코일 스프링의 굽힘 각도를 계산하는 촉각 센서.
  10. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 쉬스 부재와 제2와이어 사이의 마찰력을 보정하여 상기 멤브레인을 탄성 변형시키는 힘의 크기를 계산하는 촉각 센서.
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