KR100959656B1 - 로봇용 피부센서 및 그 센싱방법 - Google Patents

로봇용 피부센서 및 그 센싱방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100959656B1
KR100959656B1 KR1020080020546A KR20080020546A KR100959656B1 KR 100959656 B1 KR100959656 B1 KR 100959656B1 KR 1020080020546 A KR1020080020546 A KR 1020080020546A KR 20080020546 A KR20080020546 A KR 20080020546A KR 100959656 B1 KR100959656 B1 KR 100959656B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sensor unit
sensor
electrode
robot
impedance value
Prior art date
Application number
KR1020080020546A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20090095287A (ko
Inventor
최혁렬
구자춘
남재도
이영관
Original Assignee
성균관대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 성균관대학교산학협력단 filed Critical 성균관대학교산학협력단
Priority to KR1020080020546A priority Critical patent/KR100959656B1/ko
Publication of KR20090095287A publication Critical patent/KR20090095287A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100959656B1 publication Critical patent/KR100959656B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • B25J19/028—Piezoresistive or piezoelectric sensing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0097—Devices comprising flexible or deformable elements not provided for in groups B81B3/0002 - B81B3/0094
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 로봇용 피부센서는 로봇의 표면에 부착되는 유연한 폴리머 재질의 로봇용 피부, 상기 로봇용 피부의 내부에 구비되고, 유전 탄성체로 이루어진 필름과 상기 필름의 상하면에 각각 마련된 제1전극 및 제2전극을 포함하는 센서부 및 상기 센서부에 전원을 인가하여 센서부의 임피던스 변화를 감지하고, 감지된 결과를 이용하여 상기 로봇용 피부에 접촉한 외부 부하의 크기를 판단하는 구동제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 로봇용 피부센서는 로봇의 표면에 인간의 피부와 같은 유연함을 제공함과 동시에 접촉센서로서 기능하여 로봇의 표면에 접촉하는 외부 부하의 크기 및 접촉위치를 감지할 수 있고, 이러한 유연함으로 인하여 지능형 로봇에 요구되는 임의의 형상이나 동작에 적용되는 경우에도 센서 효율의 저감을 발생시키지 않는다는 장점이 있다.
유전 탄성체, 접촉센서, 로봇

Description

로봇용 피부센서 및 그 센싱방법{Skin Sensor for Robotic Applications and Sensing Method therof}
본 발명은 로봇용 피부센서 및 그 센싱방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇의 표면에 부착되어 인간의 피부와 같은 유연함을 제공함과 동시에 상기 로봇의 표면에 접촉하는 외부 부하의 크기 및 접촉위치를 감지할 수 있는 로봇용 피부센서 및 그 센싱방법에 관한 것이다.
근래에 들어, 산업기술이 발달함에 따라 인간을 대신하여 산업용이나 의료용으로 요구되는 위험하거나 미세한 작업을 수행하기 위한 도구로서 산업용 로봇이나 의료용 로봇의 개발이 활발히 진행되고 있다.
이러한 로봇들은 개발 초기에는 단순한 작업을 반복적으로 수행하도록 설계가 되었으나, 최근에 들어서는 점차적으로 보다 더 복잡한 작업을 수행할 수 있도록 하기 위해 휴머노이드와 같이 인간의 외형, 사고 또는 행동까지 구비할 수 있는 진화된 형태의 지능형 로봇의 개발이 요구되고 있다.
상기와 같은 지능형 로봇의 경우 설계자가 모든 외부 상황에 대처할 수 있는 동작 프로그램을 일일이 입력하는 것은 사실상 불가능하기 때문에, 인간의 감각기 관과 유사한 감각센서를 이용하여 외부 환경(또는 자극)을 스스로 인식 및 판단하고 그에 따라 필요한 행동을 스스로 할 수 있을 것이 요구된다.
이러한 지능형 로봇과 관련하여 가장 중요한 기술 중 하나는 상기 지능형 로봇에 접촉하는 외부 부하의 크기 및 접촉위치 등을 감지할 수 있는 촉각센서 또는 접촉센서에 관한 기술인데, 종래의 접촉센서 기술은 모터, 솔레노이드, 압전소자 또는 공압 등을 이용한 미세공정기술 혹은 MEMS(micro electro mechanical system) 기술에 기반을 둔 것이 대부분이다.
그러나, 이러한 미세공정기술이나 MEMS 기술 등은 아직까지 실용화가 곤란한 기술이기 때문이 신뢰성, 비용 및 상품성 측면에서 문제점이 있을 뿐만 아니라, 이를 구현하기 위한 소재 자체가 유연성이 떨어지는 것이기 때문에 센서 효율의 저하를 야기하지 않고서는 지능형 로봇에 필요한 임의의 형상이나 동작 등에 응용될 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고무와 같은 유연한 재질로 이루어져 로봇의 표면에 적용될 경우 인간의 피부와 같은 유연함을 부여함과 동시에 로봇의 표면에 접촉하는 외부 부하의 크기 및 접촉위치를 감지할 수 있는 로봇용 피부센서 및 그 센싱방법을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 유전 탄성체로 이루어진 필름과 상기 필름의 상면과 하면에 각각 구비된 제1전극과 제2전극을 포함하는 센서부와, 상기 센서부에 전원을 인가하여 센서부의 임피던스 변화를 감지하고 감지된 결과를 이용하여 상기 센서부에 접촉한 외부 부하의 크기를 판단하는 구동제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동제어부는 상기 센서부에 직렬로 연결된 외부 저항, 상기 센서부와 외부 저항에 미리 설정된 전원을 인가하는 전원공급부 및 상기 외부 저항에 인가되는 전압을 검출하여 상기 센서부의 임피던스 변화를 감지하고, 감지된 결과를 이용하여 외부 부하의 크기를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 센서부의 임피던스가 무부하 조건에서의 임피던스보다 감소할수록 외부 부하의 크기가 증가된다고 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전극은 각각의 위치 정보를 가지고 격자형으로 배열되며, 각 각 독립된 센서부를 형성하는 복수의 전극이고, 상기 제어부는 제1전극 각각의 위치 정보와 제1전극 각각이 형성하는 센서부의 임피던스 변화를 이용하여 외부 부하의 접촉위치를 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 외부 저항은 각각의 센서부에 독립적으로 연결되고, 상기 전원공급부는 각각의 센서부 및 외부 저항에 독립적으로 전원을 인가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전극과 제2전극은 유연한 전극으로서, 전극 재질을 포함하는 파우더 용액을 스프레이하여 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 접촉센서의 센싱방법은 유전 탄성체로 이루어진 필름, 상기 필름의 상면에 구비된 제1전극 및 상기 필름의 하면에 구비된 제2전극을 포함하는 센서부에 미리 설정된 전원을 인가하고, 상기 센서부의 임피던스 변화를 감지하는 제1단계와 상기 제1단계에서 감지된 임피던스 변화를 이용하여 외부 부하의 크기를 판단하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1단계는 센서부에 직렬로 연결된 외부 저항에 인가되는 전압을 검출하여 상기 센서부의 임피던스 변화를 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2단계는 센서부의 임피던스가 무부하 조건에서의 임피던스보다 감소할수록 외부 부하의 크기가 증가된다고 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전극의 위치 정보와 센서부의 임피던스 변화를 이용하여 외부 부하의 접촉위치를 판단하는 제3단계를 더 포함하되, 상기 제1전극은 각각의 위치 정보를 가지고 격자형으로 배열되며, 각각 독립된 센서부를 형성하는 복수의 전극 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1단계는 각각의 센서부 및 외부 저항에 독립적으로 전원을 인가하되, 상기 외부 저항은 각각의 센서부에 독립적으로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 로봇용 피부센서는 로봇의 표면에 부착되는 유연한 폴리머 재질의 로봇용 피부, 상기 로봇용 피부의 내부에 구비되고, 유전 탄성체로 이루어진 필름과 상기 필름의 상하면에 각각 마련된 제1전극 및 제2전극을 포함하는 센서부 및 상기 센서부에 전원을 인가하여 센서부의 임피던스 변화를 감지하고, 감지된 결과를 이용하여 상기 로봇용 피부에 접촉한 외부 부하의 크기를 판단하는 구동제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇용 피부센서 및 그 센싱방법은 고무와 같이 유연한 성질을 가진 폴리머 소재로 이루어지고, 내부에 제1전극, 유전 탄성체로 이루어진 필름 및 제2전극이 순서대로 적층된 센서부를 포함하는 로봇용 피부를 로봇의 표면에 부착하여, 상기 로봇용 피부에 외부 부하가 접촉하는 경우 발생하는 상기 센서부의 물리적 특성 변화를 이용하여 상기 외부 부하의 크기 및 접촉위치를 감지하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 로봇용 피부센서는 로봇의 표면에 인간의 피부와 같은 유연함을 제공함과 동시에 접촉센서로서 기능하여 로봇의 표면에 접촉하는 외부 부하의 크기 및 접촉위치를 감지할 수 있고, 이러한 유연함으로 인하여 지능형 로봇에 요구되는 임의의 형상이나 동작에 적용되는 경우에도 센서 효율의 저감을 발생시키지 않는다는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇용 피부센서의 구성을 나타낸 개략도이고, 도2는 도1에 포함된 센서부에 대응하는 전기회로 모델을 나타낸 회로도이다.
본 발명에 따른 로봇용 피부센서(1)는 로봇의 표면에 부착되고 재질의 성질이 고무와 같이 유연한 폴리머 성분으로 된 로봇용 피부(11), 로봇용 피부(11)의 내부에 포함된 센서부(12), 상기 센서부(12)에 직렬로 연결된 외부 저항(13) 및 상기 센서부(12)와 외부 저항(13)에 전원을 공급하는 전원공급부(14)를 포함하여 구성된다.
상기 센서부(12)는 유전 탄성체로 구성된 필름(12b)의 상면과 하면에 마련된 전극(12a, 12c)을 포함하여 구성되는데, 이때 유전 탄성체는 비압축성 물질이고 일예로서 실리콘, 플루오르 탄성중합체 또는 이소프렌 등으로부터 선택될 수 있다.
또한, 필름(12b)의 상면과 하면에 마련된 전극(12a, 12c)은 상기 유전 탄성체 필름(12b)에 전원을 공급하기 위해 필름(12b)의 상면과 하면에 도포된 연성 전극이며, 일예로서 카본, 그래파이트 또는 전도성 폴리머 등의 재질의 파우더 용액 을 스프레이하여 형성함으로써 바람직하게 구현될 수 있다.
한편, 상기 외부 저항(13)은 센서부(12)에 직렬로 연결되는데, 이는 후술하는 바와 같이 전원공급부(14)에서 미리 설정된 전원(일예로서, 전압)을 인가하는 동안 외부 저항(13)에 인가되는 전압을 검출하여 센서부(12)의 임피던스 변화를 감지하는데 이용되며, 필요에 따라 상기 외부 저항(13)에 인가되는 전압의 검출시 증폭기(15)를 더 구비할 수도 있다.
상기 센서부(12)는 유전 탄성체 재질로 이루어진 필름(12b)의 양면에 형성된 전극(12a, 12c)을 포함하여 구성되는데, 이러한 구성을 가지는 센서부(12)는 대한민국 공개특허 제2005-91880호(2005. 9. 15. 공개, 이하 '[문헌1]'이라 한다.)에 개시된 바와 같이 전압이 인가되면 상기 필름(12b)의 두께는 줄어들고 그 면적은 증가하는 특성을 가지게 된다.
이는 일종의 필드-유도 변형으로 맥스웰 응력이라고 불리는 정전기력에 의한 압력이 필드 방향에 따른 필름의 수축을 일으키기 때문에 발생되는 것이며, 이를 수식적으로 나타내면 하기 [수식 1]과 같이 표현될 수 있다.
이때, P는 압력, E는 전기장의 세기, ε0는 자유공간(즉, 대기)의 유전율 및 εr 은 유전 탄성체 물질의 유전율이다.
P = εrε0 E2 ........... [수식 1]
이 경우, 유전 탄성체 물질은 유전 물질의 일종이기 때문에 복소 유전상 수(complex dielectric constant, ε* )가 다음 [수식 2]와 같이 정의될 수 있는데,
ε* = εr - iεm ......... [수식 2]
상기 εr 은 유전 탄성체 물질의 용량성 성분에 관계된 양이고, εm은 유전 탄성체 물질의 유전손실(dielectric loss)로 유전 탄성체 물질의 저항 성분에 관계된 양이다.
따라서, 본 실시예에서는 이러한 관계를 이용하여 센서부(12)의 전기적 모델을 도2에 도시한 바와 같이 저항(Rp)에 병렬로 연결된 커패시턴스(Cp)를 포함하도록 모델링하였다.
이 경우, 상기 커패시턴스(Cp)와 저항(Rp)의 역수인 컨덕턴스(Gp)는 커패시터 판(본 실시예에서는 필름(12b)에 해당함)의 면적과 두께가 각각 A와 t인 경우 다음과 같이 계산될 수 있으며, 이때 σDC는 유전 탄성체 물질의 컨덕티브티(conductivity)이다.
Figure 112008016266957-pat00001
................ [수식 3]
Figure 112008016266957-pat00002
................ [수식 4]
본 실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 센서부(12)를 상술한 바와 같이 전기적으로 모델링할 경우 전원공급부(14)에서 공급하는 입력전압(Vinput)과 외부 저항(13)에 인가되는 출력전압(Voutput)은 하기 [수식 5]와 같이 계산될 수 있으며, 아울러 센서부(12)에 대한 임피던스(Xp)도 하기 [수식 6]과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112008016266957-pat00003
.......... [수식 5]
Figure 112008016266957-pat00004
........... [수식 6]
따라서, 본 실시예에서 센서부(12)에 대해 적용한 전기회로 모델의 경우 외부에서 부하가 작용하게 되면, 필름(12b)이 수축하게 되어 필름(12b)의 면적(A)은 증가하고 두께(t)는 감소하기 때문에 [수식 3] 및 [수식 4]에 의하여 센서부(12)의 커패시턴스(Cp)는 증가하고 저항(Rp)은 감소하게 될 것임을 예상할 수 있다.
그 결과, 상기 전기회로적 모델의 경우 [수식 5]와 [수식 6]에 의하여 외부 부하의 크기가 커질수록 외부 저항(13)에 인가되는 출력전압(Voutput)은 증가하고 센서부(12)의 임피던스(Xp)는 감소하게 될 것임을 예상할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 전기회로적 모델링이 제대로 이루어진 것인지 여부를 검증하기 위하여 도3과 같은 구성의 실험장치(10)를 구성한 후, 선형미터 시스템(미도시)을 이용하여 센서부(12)를 단계적으로 압축해 가면서 외부 저항(13)에 인가되는 출력전압(Voutput)을 측정하였으며, 그 결과를 도4에 도시하였다.
이때, 사용된 유전 탄성체 필름(12b)은 약 1.30mm의 두께와 약 10mm의 직경을 가지는 것이며, 상기 전극(12a, 12c)의 직경은 약 6mm로 하였다. 또한, 외부 저항(13)은 100M옴의 저항을 사용하였으며, 입력되는 전압(Vinput)은 3kV의 스텝전압을 사용하였다.
실험 결과, 도4에 도시된 바와 같이 센서부(12)의 압축이 증가할수록 출력전압(Voutput)의 크기는 증가함을 확인할 수 있었으며, 이는 센서부(12)의 압축이 증가할수록 센서부(12) 내부의 임피던스(Xp)가 [수식 6]에 따라 감소한다는 것을 보여준다.
또한, 입력전압(Vinput)에 대비한 출력전압(Voutput)의 주파수 응답을 증명하기 위하여 0.1Hz부터 100Hz까지의 다양한 주파수를 가지는 정현파 입력전압을 적용하여 입력전압에 대비한 출력전압의 진폭 및 위상 변이를 측정하였으며, 그 결과를 도5 및 도6에 도시하였다.
도5에서 보는 바와 같이 모든 주파수에서 도4에서 확인한 바와 동일하게 센서부(12)의 압축이 증가할수록 출력전압의 크기가 증가함을 확인할 수 있었다. 한편, 모든 주파수에서 위상은 변하지 않는 것으로 나타났는데, 이는 도3에 도시한 회로의 시정수 RpCp가 상수임을 의미한다.
따라서, 상기 실험 결과에 기초하여 살펴볼 때 유전 탄성체 필름(12b)의 압축 기간 동안 상기 유전 탄성체 필름(12b)의 저항(Rp)은 감소하고 커패시턴스(Cp)는 증가한다는 것을 알 수 있으며, 이는 [수식 5]와 [수식 6]에서 예측한 결과와 완전히 일치하는 것으로 상기 전기회로 모델링이 바람직하게 이루어진 것임을 알 수 있다.
또한, 상기 결과에 의하여 본 실시예에 따른 로봇용 피부센서(1)는 후술하는 바와 같이 센서부(12)의 임피던스 변화를 이용하여 종래의 접촉센서와 동일하게 외부 부하의 크기를 판단할 수 있음을 알 수 있다.
뿐만 아니라, 본 실시예에 따른 로봇용 피부센서(1)는 고무와 같이 유연한 폴리머 재질로 이루어져 로봇의 표면에 부착될 경우 인간의 피부와 같은 유연함을 제공할 수 있기 때문에, 복잡한 형상 또는 동작이 요구되는 로봇에 적용되는 경우에도 센서부(12)의 효율을 저감시키지 않고서 외부 부하의 크기를 판단할 수 있다는 장점이 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 로봇용 피부센서(1)는 복잡한 동작이 요구되는 로봇의 손 또는 팔 등에 사용되는 접촉센서로 적용되거나, 휴머노이드의 발바닥 등에 사용되는 힘(또는 압력)센서로 적용될 수 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 로봇용 피부센서(1)의 상세한 구성과 그 센싱방법에 관하여 설명하기로 한다.
도7은 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇용 피부센서(1)의 동작구성을 나타낸 블럭도이다. 제어부(20)의 제어신호에 의해 메모리(17)에 미리 저장된 설정 전압으로 전원공급부(14)가 센서부(12) 및 외부 저항(13)에 전원(일예로서, 입력전압(Vinput))을 인가되면, 상기 외부 저항(13)에 인가된 출력전압(Voutput)은 증폭기(15)에서 증폭되어 D/A 컨버터(16)를 통해 제어부(20)로 입력된다.
제어부(20)는 입력된 출력전압(Voutput)에 관한 정보를 메모리(17)에 미리 저장된 데이터베이스에서 검색하여 센서부(12)에 임피던스 변화가 발생하였는지 여부를 판단하고, 임피던스 변화가 발생한 경우 상기 임피던스 변화에 대응하는 외부 부하의 크기를 판단하게 된다.
이때, 메모리(17)에는 외부 저항(13)에 인가된 출력전압과 센서부(12)의 임 피던스의 크기에 관한 관계정보와 센서부(12)의 임피던스 크기에 대응하는 외부 부하의 크기에 관한 관계정보가 미리 저장되어 있는 것이 바람직하다.
상기에서 외부 부하의 크기가 판단되면, 제어부(20)는 메모리(17)에 미리 저장된 프로그램에 따라 로봇을 구동하기 위한 제어신호를 로봇구동부(21)로 출력한다.
도8은 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇용 피부센서의 센싱방법을 나타낸 흐름도이다. 전원공급부(14)에 의해 미리 설정된 전압이 센서부(12) 및 외부 저항(13)에 인가되면(S100), 제어부(20)는 증폭기(15) 및 D/A 컨버터(16)를 통해 입력된 외부 저항(13)의 전압을 이용하여 센서부(12)의 임피던스가 변화되었는지 여부를 판단한다(S110, S120).
이때, 임피던스의 변화가 발생된 경우라 함은 일예로서 미리 설정된 입력 전압이 인가될 때 외부 부하가 없는 상태에서 외부 저항(13)에 인가되는 전압과 상기 S110 단계에서 제어부(20)에 입력된 전압이 차이가 있는 경우일 수 있다.
S120 단계에서 임피던스의 변화가 없는 경우이면 제어부(20)는 S110 단계를 반복하고, 임피던스의 변화가 있는 경우이면 제어부(20)는 메모리(17)에 미리 저장된 데이터베이스를 검색하여 로봇용 피부센서(1)에 접촉한 외부 부하의 크기를 판단한다(S130).
S130 단계가 완료되면, 제어부(20)는 판단된 외부 부하의 크기에 대응하여 메모리(17)에 미리 저장된 프로그램에 따라 로봇을 구동하기 위한 제어신호를 로봇구동부(21)에 출력한다(S140).
S140 단계가 완료되면, 제어부(20)는 로봇의 구동 종료 조건인지 여부를 판단하여 종료 조건이 아닌 경우이면 S110 단계를 수행하고, 종료 조건이면 로봇의 구동을 종료시킨다(S150).
도9는 본 발명의 제2실시예에 따른 로봇용 피부센서의 구성을 나타낸 개략도이며, 제1실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고 중복되는 설명을 생략한다.
본 실시예에 따른 로봇용 피부센서(1)의 경우 피부센서의 구성요소 및 동작원리는 제1실시예와 동일하나, 유전 탄성체 필름(12b)의 일측에 마련된 전극(12a)이 격자형으로 배열된 복수의 전극으로 구성된다는 점에서 기술적인 차이가 있다.
이때, 격자형으로 배열된 전극(12a) 각각은 필름(12b) 및 필름(12b)의 타측에 마련된 전극(12c)과 함께 독립된 센서부(12)를 형성하게 되는데, 이 경우 각 센서부(12)에는 독립적으로 외부 저항(13)이 마련되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 전원공급부(14)는 각각의 센서부(12)와 외부 저항(13)에 독립적으로 전원을 인가하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예에 따른 로봇용 피부센서의 경우 격자형으로 배열된 전극(12a)에 의해 형성되는 복수의 격자점들이 제어부(20)에 전기적으로 연결되어, 본 실시예에 따른 로봇용 피부센서(1)에 외부 부하가 접촉하는 경우 제어부(20)가 외부 부하의 크기뿐만 아니라 접촉위치도 판단할 수 있기 때문에 더욱 정교하게 로봇의 구동을 제어할 수 있다는 장점이 있다.
도10은 본 발명의 제2실시예에 따른 로봇용 피부센서의 동작구성을 나타낸 블럭도이다.
제어부(20)의 제어신호에 의해 메모리(17)에 미리 저장된 설정 전압으로 전원공급부(14)가 각각의 센서부(12) 및 외부 저항(13)에 전원(일예로서, 입력전압(Vinput))을 인가되면, 상기 각각의 외부 저항(13)에 인가된 출력전압(Voutput)은 증폭기(15)에서 증폭되어 D/A 컨버터(16)를 통해 제어부(20)로 입력된다.
제어부(20)는 입력된 출력전압(Voutput)에 관한 정보와 격자형으로 배열된 전극(12a)으로부터 입력된 위치 정보를 메모리(17)에 미리 저장된 데이터베이스에서 검색하여 임피던스 변화가 발생한 센서부(12)가 있는지 여부를 판단하고, 임피던스 변화가 발생한 센서부(12)가 있는 경우 상기 임피던스 변화가 발생한 센서부의 위치와 임피던스 변화에 대응하는 외부 부하의 크기를 판단하게 된다.
이때, 메모리(17)에는 각각의 외부 저항(13)에 인가된 출력전압과 센서부(12)의 임피던스의 크기에 관한 관계정보, 각각의 센서부(12)의 임피던스 크기에 대응하는 외부 부하의 크기에 관한 관계정보 및 각각의 센서부의 위치에 관한 관계정보가 미리 저장되어 있는 것이 바람직하다.
상기에서 외부 부하의 크기 및 접촉위치가 판단되면, 제어부(20)는 메모리(17)에 미리 저장된 프로그램에 따라 로봇을 구동하기 위한 제어신호를 로봇구동부(21)로 출력한다.
도11은 본 발명의 제2실시예에 따른 로봇용 피부센서의 센싱방법을 나타낸 흐름도이다. 전원공급부(14)에 의해 미리 설정된 전압이 센서부(12) 및 외부 저 항(13)에 인가되면(S200), 제어부(20)는 증폭기(15) 및 D/A 컨버터(16)를 통해 입력된 외부 저항(13) 각각의 전압을 이용하여 임피던스가 변화된 센서부(12)가 있는지 여부를 판단한다(S210, S220).
이때, 임피던스의 변화가 발생된 경우라 함은 일예로서 미리 설정된 입력 전압이 인가될 때 외부 부하가 없는 상태에서 각각의 외부 저항(13)에 인가되는 전압과 상기 S210 단계에서 제어부(20)에 입력된 전압이 차이가 있는 경우일 수 있다.
S220 단계에서 임피던스가 변화된 센서부(12)가 없는 경우이면 제어부(20)는 S210 단계를 반복하고, 임피던스가 변화된 센서부(12)가 있는 경우이면 제어부(20)는 메모리(17)에 미리 저장된 데이터베이스를 검색하여 로봇용 피부센서(1)에 접촉한 외부 부하의 크기와 접촉위치를 판단한다(S230).
S230 단계가 완료되면, 제어부(20)는 판단된 외부 부하의 크기 및 접촉위치에 대응하여 메모리(17)에 미리 저장된 프로그램에 따라 로봇을 구동하기 위한 제어신호를 로봇구동부(21)에 출력한다(S240).
S240 단계가 완료되면, 제어부(20)는 로봇의 구동 종료 조건인지 여부를 판단하여 종료 조건이 아닌 경우이면 S210 단계를 수행하고, 종료 조건이면 로봇의 구동을 종료시킨다(S250).
도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇용 피부센서의 구성을 나타낸 개략도,
도2는 도1에 포함된 센서부에 대응하는 전기회로 모델을 나타낸 회로도,
도3은 도2의 전기회로 모델을 검증하기 위한 실험장치의 구성 및 그 등가회로를 나타낸 도면,
도4는 도3의 센서부를 단계적으로 압축할 경우 외부 저항에 인가되는 출력의 크기변화를 나타낸 그래프,
도5 및 도6은 도3의 센서부를 단계적으로 압축할 경우 주파수에 따라 외부 저항에 인가되는 출력의 크기변화와 위상변화를 각각 나타낸 그래프,
도7은 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇용 피부센서의 동작구성을 나타낸 블럭도,
도8은 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇용 피부센서의 센싱방법을 나타낸 흐름도,
도9는 본 발명의 제2실시예에 따른 로봇의 피부센서의 구성을 나타낸 개략도,
도10은 본 발명의 제2실시예에 따른 로봇용 피부센서의 동작구성을 나타낸 블럭도, 및
도11은 본 발명의 제2실시예에 따른 로봇용 피부센서의 센싱방법을 나타낸 흐름도이다.

Claims (17)

  1. 유전 탄성체로 이루어진 필름과, 상기 필름의 상면과 하면에 각각 구비된 제1전극과 제2전극을 포함하는 센서부;와
    상기 센서부에 전원을 인가하여 센서부의 임피던스 값을 감지하고, 감지된 결과를 이용하여 상기 센서부에 접촉한 외부 부하의 크기를 판단하는 구동제어부를 포함하되, 상기 구동제어부는,
    상기 센서부에 직렬로 연결된 외부 저항;
    상기 센서부와 외부 저항에 미리 설정된 전원을 인가하는 전원공급부;
    상기 센서부에 작용하는 외부 부하의 크기와 그에 대응되는 상기 센서부의 임피던스 값에 대한 관계정보가 저장된 메모리; 및
    상기 외부 저항에 인가되는 전압을 검출하여 상기 센서부의 임피던스 값을 감지하고, 감지된 결과를 상기 메모리에 저장된 관계정보에서 검색하여 상기 센서부에 작용하는 외부 부하의 크기를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 센서부의 임피던스 값이 무부하 조건에서의 임피던스 값보다 감소할수록 외부 부하의 크기가 증가된다고 판단하는 것을 특징으로 하는 접촉센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1전극은 각각의 위치 정보를 가지고 격자형으로 배열되며, 각각 독립된 센서부를 형성하는 복수의 전극이고,
    상기 제어부는 제1전극 각각의 위치 정보와 제1전극 각각이 형성하는 센서부의 임피던스 값을 이용하여 외부 부하의 접촉위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 접촉센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 외부 저항은 각각의 센서부에 독립적으로 연결되고,
    상기 전원공급부는 각각의 센서부 및 외부 저항에 독립적으로 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 접촉센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1전극과 제2전극은 유연한 전극으로서, 전극 재질을 포함하는 파우더 용액을 스프레이하여 형성된 것을 특징으로 하는 접촉센서.
  7. 유전 탄성체로 이루어진 필름, 상기 필름의 상면에 구비된 제1전극 및 상기 필름의 하면에 구비된 제2전극을 포함하는 센서부에 미리 설정된 전원을 인가하고, 상기 센서부의 임피던스 값을 감지하는 제1단계;와
    상기 제1단계에서 감지된 임피던스 값을, 메모리에 미리 저장된 상기 센서부에 작용하는 외부 부하의 크기와 그에 대응되는 상기 센서부의 임피던스 값에 대한 관계정보에서 검색하여 외부 부하의 크기를 판단하는 제2단계를 포함하되,
    상기 제1단계는 센서부에 직렬로 연결된 외부 저항에 인가되는 전압을 검출하여 상기 센서부의 임피던스 값을 감지하는 것을 특징으로 하는 접촉센서의 센싱방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2단계는 센서부의 임피던스 값이 무부하 조건에서의 임피던스 값보다 감소할수록 외부 부하의 크기가 증가된다고 판단하는 것을 특징으로 하는 접촉센서의 센싱방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1전극의 위치 정보와 센서부의 임피던스 값을 이용하여 외부 부하의 접촉위치를 판단하는 제3단계를 더 포함하되,
    상기 제1전극은 각각의 위치 정보를 가지고 격자형으로 배열되며, 각각 독립된 센서부를 형성하는 복수의 전극인 것을 특징으로 하는 접촉센서의 센싱방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1단계는 각각의 센서부 및 외부 저항에 독립적으로 전원을 인가하되,
    상기 외부 저항은 각각의 센서부에 독립적으로 연결된 것을 특징으로 하는 접촉센서의 센싱방법.
  12. 로봇의 표면에 부착되는 유연한 폴리머 재질의 로봇용 피부;
    상기 로봇용 피부의 내부에 구비되고, 유전 탄성체로 이루어진 필름과 상기 필름의 상하면에 각각 마련된 제1전극 및 제2전극을 포함하는 센서부;및
    상기 센서부에 전원을 인가하여 센서부의 임피던스 값을 감지하고, 감지된 결과를 이용하여 상기 로봇용 피부에 접촉한 외부 부하의 크기를 판단하는 구동제어부를 포함하되, 상기 구동제어부는,
    상기 센서부에 직렬로 연결된 외부 저항;
    상기 센서부와 외부 저항에 미리 설정된 전원을 인가하는 전원공급부;
    상기 센서부에 작용하는 외부 부하의 크기와 그에 대응되는 상기 센서부의 임피던스 값에 대한 관계정보가 저장된 메모리; 및
    상기 외부 저항에 인가되는 전압을 검출하여 상기 센서부의 임피던스 값을 감지하고, 감지된 결과를 상기 메모리에 저장된 관계정보에서 검색하여 상기 센서부에 작용하는 외부 부하의 크기를 판단하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 피부센서.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는 센서부의 임피던스 값이 무부하 조건에서의 임피던스 값보다 감소할수록 외부 부하의 크기가 증가된다고 판단하는 것을 특징으로 하는 로봇용 피부센서.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1전극은 각각의 위치 정보를 가지고 격자형으로 배열되며, 각각 독립된 센서부를 형성하는 복수의 전극이고,
    상기 제어부는 제1전극의 위치 정보와 제1전극 각각이 형성하는 센서부의 임피던스 값을 이용하여 외부 부하의 접촉위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 로봇용 피부센서.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 외부 저항은 각각의 센서부에 독립적으로 연결되고,
    상기 전원공급부는 각각의 센서부 및 외부 저항에 독립적으로 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 로봇용 피부센서.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1전극과 제2전극은 유연한 전극으로서, 전극 재질을 포함하는 파우더 용액을 스프레이하여 형성된 것을 특징으로 하는 로봇용 피부센서.
KR1020080020546A 2008-03-05 2008-03-05 로봇용 피부센서 및 그 센싱방법 KR100959656B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080020546A KR100959656B1 (ko) 2008-03-05 2008-03-05 로봇용 피부센서 및 그 센싱방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080020546A KR100959656B1 (ko) 2008-03-05 2008-03-05 로봇용 피부센서 및 그 센싱방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090095287A KR20090095287A (ko) 2009-09-09
KR100959656B1 true KR100959656B1 (ko) 2010-05-26

Family

ID=41295608

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080020546A KR100959656B1 (ko) 2008-03-05 2008-03-05 로봇용 피부센서 및 그 센싱방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100959656B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102080411B1 (ko) * 2018-11-14 2020-02-21 중앙대학교 산학협력단 직물형 스마트 그리드 센서
KR20220017346A (ko) 2020-08-04 2022-02-11 한국과학기술원 촉각센서, 이를 이용한 촉각 자극 감지방법, 이를 포함하는 로봇 피부 및 로봇
US12017343B2 (en) 2020-08-04 2024-06-25 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Tactile sensor, and tactile stimulation sensing method using the same, and robot skin and robot comprising the same

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102274770B1 (ko) * 2019-12-27 2021-07-07 한국기술교육대학교 산학협력단 협업로봇의 충돌 감지 장치 및 그 방법
CN114043477B (zh) * 2021-11-23 2023-07-28 上海微创医疗机器人（集团）股份有限公司 机械臂碰撞力检测系统、方法、电子设备和存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002113685A (ja) * 2000-10-10 2002-04-16 Ricoh Co Ltd 接触式形状センシングロボットハンド
KR20050091880A (ko) * 2004-03-10 2005-09-15 삼성전기주식회사 고분자 유전체 액츄에이터 및 이를 이용한 인치웜 로봇
KR20050098657A (ko) * 2004-04-08 2005-10-12 학교법인 포항공과대학교 접촉식 전기용량형 센서
KR20080054187A (ko) * 2006-12-12 2008-06-17 한국표준과학연구원 정전용량 방식 촉각 센서 및 그 제조 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002113685A (ja) * 2000-10-10 2002-04-16 Ricoh Co Ltd 接触式形状センシングロボットハンド
KR20050091880A (ko) * 2004-03-10 2005-09-15 삼성전기주식회사 고분자 유전체 액츄에이터 및 이를 이용한 인치웜 로봇
KR20050098657A (ko) * 2004-04-08 2005-10-12 학교법인 포항공과대학교 접촉식 전기용량형 센서
KR20080054187A (ko) * 2006-12-12 2008-06-17 한국표준과학연구원 정전용량 방식 촉각 센서 및 그 제조 방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102080411B1 (ko) * 2018-11-14 2020-02-21 중앙대학교 산학협력단 직물형 스마트 그리드 센서
KR20220017346A (ko) 2020-08-04 2022-02-11 한국과학기술원 촉각센서, 이를 이용한 촉각 자극 감지방법, 이를 포함하는 로봇 피부 및 로봇
US12017343B2 (en) 2020-08-04 2024-06-25 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Tactile sensor, and tactile stimulation sensing method using the same, and robot skin and robot comprising the same

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090095287A (ko) 2009-09-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100959656B1 (ko) 로봇용 피부센서 및 그 센싱방법
US9914212B2 (en) Systems and methods for sensing objects
RU2721302C2 (ru) Приводное и сенсорное устройство на основе электроактивного полимера
US9170288B2 (en) Dielectric elastomer self-sensing using plane approximation
JP2019002905A (ja) 触力覚センサ、触力覚センサの製造方法および触力覚センサを用いた検知方法
Göger et al. Tactile proximity sensors for robotic applications
JP2018532985A (ja) 電気活性ポリマセンサ及び検知方法
WO2007126854A2 (en) Biomimetic tactile sensor
Chuc et al. A dielectric elastomer actuator with self-sensing capability
Han et al. A highly sensitive dual mode tactile and proximity sensor using carbon microcoils for robotic applications
US20230099318A1 (en) Body attachable triboelectric generating device and manufacturing method thereof
KR101818307B1 (ko) 촉각 근접 센서
JP6746008B2 (ja) 電気活性ポリマーに基づくアクチュエータ及びセンサ装置
Fonseca et al. A flexible piezoresistive/self-capacitive hybrid force and proximity sensor to interface collaborative robots
KR100949191B1 (ko) 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터
Tawk et al. Position control of a 3D printed soft finger with integrated soft pneumatic sensing chambers
US20230392997A1 (en) Load sensor
Tzou et al. Design and testing of a hybrid polymeric electrostrictive/piezoelectric beam with bang–bang control
WO2020044868A1 (ja) ロボットハンド
Kim et al. A flexible fingertip tactile sensor
Liu et al. Soft body belt-type touch sensor with impact resistance: A study of dynamic behavior
KR102637396B1 (ko) 전기활성고분자 기반 유연 양방향 햅틱 입출력 모듈과 이를 포함하는 입출력 통합 시스템
Rathbun et al. Towards Sustainable and Efficient Rapid Prototyping of Capacitive Sensor Arrays
WO2023181312A1 (ja) コントローラ装置及びセンサ
Ohmukai et al. Conducting Rubber Force Sensor: Transient Characteristics and Radiation Heating Effect

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130409

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140402

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160126

Year of fee payment: 6

R401 Registration of restoration
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170123

Year of fee payment: 7

R401 Registration of restoration
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170627

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee