KR101278679B1 - 다지점 햅틱 센싱 장치 및 이를 포함하는 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다지점 햅틱 센싱 장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것으로, 특히 기판, 기판 상에 일정 간격을 가지며 배치되는 다수의 지지빔 형상의 압력 구조물, 상기 압력 구조물의 간격들 사이에 다수개가 배치되어 압력을 센싱하는 반도체형 스트레인 게이지, 상기 반도체형 스트레인 게이지의 센싱 신호를 신호 처리하는 신호 처리 모듈을 포함하는 다지점 햅틱 센싱 장치 및 이를 포함하는 시스템의 구성을 개시한다. 본 발명에 다르면, 접촉힘에 대한 센싱이 가능하도록 지원함으로써 센서가 장착되는 기구 또는 시스템의 운용을 보다 정밀하고 섬세하게 운용할 수 있도록 지원할 수 있다.
Description
본 발명은 햅틱 센싱 장치에 관련된 것으로, 특히 다수의 지점에서 접촉힘에 대한 센싱을 수행함으로써 보다 정밀하면서도 선형성이 개선된 접촉힘 센싱이 가능하도록 지원하는 다지점 햅틱 센싱 장치 및 이를 포함하는 시스템에 관한 것이다.
압력센서는 특정 시스템에서 압력을 측정하는 소자로서 공업계측, 자동제어, 의료, 자동차 엔지니어, 환경제어, 전기용품 등 그 용도가 다양하고, 폭넓게 사용되는 센서이다. 압력센서의 측정원리는 변위, 변형 등에 따른 전기적 변화를 측정하는 것으로 다양한 형태의 센서가 실용화되고 있다.
압력센서의 유형에는 부로돈관이나 벨로우즈를 사용한 기계식 압력센서와 스트레인게이지를 사용한 압저항형 전자식 압력센서나, 두 개 물체 간의 정전용량의 변위를 측정하는 용량형의 전자식 압력센서 등이 있다. 특히 스트레인게이지를 사용한 압저항형 센서는 성능이나 가격의 측면에서 우위에 있어 가장 많이 사용되고 있는 추세이다.
스트레인은 변형도 또는 변형률을 나타내는 용어로서, 어느 물체가 인장 또는 압축을 받을 때 원래의 길이에서 늘어나거나 줄어든 길이를 비율로 표시한 것으로서, 토목공학, 기계공학, 항공공학, 전자공학 등 구조물이나 기계요소의 해석을 다루는 분야에서 구조물이나 기계요소가 외부의 힘을 받아 변형이 발생할 때 사용하는 용어이다. 스트레인 게이지는 이러한 스트레인에 의하여 구조물이 변형되는 상태와 그 양을 측정하기 위하여 구조물의 표면에 부착하는 게이지로서, 구조물이 변형되는 양을 저항으로 변화하여 측정하는 전기식 스트레인게이지와 변형되는 구조물의 거리변화를 기계적으로 측정하는 기계식 스트레인게이지가 있다.
전기식 스트레인게이지의 소자는 저항 변화가 큰 금속을 사용하는데, 저항 변화가 큰 금속을 사용하는 경우 절연체 위에 와어어 또는 포일 형태로 저항선을 만들어서 저항을 측정한다.
한편 다른 정밀 분야에서도 요구되지만 의료 기구 분야에서는 의료 시술이 환자의 생명과 직결되기 때문에 사용되는 의료 기구의 정밀하고 섬세한 운용이 요구되고 있다. 그러나 종래에는 의료 기구에 사용되는 센서들이 일정한 형태로만 제작 공급되었기 때문에 다양한 형태의 센서 정보 수집 및 그에 따른 처리가 불가능하였고 단순히 단축힘 등을 센싱하는 것 등으로만 국한되어 있어 의료 기구를 운용하는 대부분의 환경이 시술자의 장비 운용 능력에 의하여 차이가 심하게 발생하였다.
따라서 본 발명의 목적은 보다 정밀하면서도 선형성을 가지고 적절한 센서 정보 수집 특히 접촉힘에 대한 정밀 센싱이 가능한 다지점 햅틱 센싱 장치 및 이를 포함하는 시스템을 제공함에 있다.
특히 본 발명은 의료 기구나 의료 시술에 사용되는 로봇 등에 장착되어 보다 정밀한 센서 정보 수집을 통하여 시술이 보다 안전하고 섬세하게 수행될 수 있도록 지원하는 다지점 햅틱 센싱 장치 및 이를 포함하는 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판, 기판 상에 일정 간격을 가지며 배치되는 다수의 지지빔 형상의 압력 구조물, 상기 압력 구조물의 간격들 사이에 다수개가 배치되어 압력을 센싱하는 반도체형 스트레인 게이지, 상기 반도체형 스트레인 게이지의 센싱 신호를 신호 처리하는 신호 처리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 다지점 햅틱 센싱 장치의 구성을 개시한다.
여기서 상기 기판은 상기 스트레인 게이지들의 센싱 신호 수집을 위하여 각 스트레인 게이지들과 전기적으로 접속되는 회로 기판부, 상기 회로 기판부, 상기 압력 구조물 및 상기 반도체형 스트레인 게이지가 배치되는 지지판부를 포함할 수 있다.
또한 상기 신호 처리 모듈은 상기 반도체형 스트레인 게이지로부터 전달된 신호를 증폭하는 증폭부, 상기 증폭부가 전달한 신호를 디지털화하는 신호 처리부, 상기 반도체형 스트레인 게이지들의 오프셋을 조정하는 오프셋 조정부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 신호 처리 모듈은 상기 회로 기판부 상에 실장될 수 있다.
상기 압력 구조물은 다수의 지지빔들이 일정 간격을 가지며 선형적으로 배치되는 형태, 다수의 지지빔들이 일정 간격을 가지며 선형적으로 배치되데 중앙을 가로 지르는 연결부가 형성되어 외팔보 형상으로 배치되는 형태, 다수의 지지빔들이 오와 열을 가지며 일정 간격을 가지고 배치되는 형태, 다수의 지지빔들이 오와 열을 가지며 일정 간격을 가지고 배치되데 각 열의 중앙이나 끝단을 가로지르며 각 지지빔들을 연결하는 연결부를 포함하는 형태 중 적어도 하나의 형태를 가질 수 있다.
본 발명은 또한, 상술한 다지점 햅틱 센싱 장치, 적어도 하나의 상기 다지점 햅틱 센싱 장치가 일정 위치에 배치되는 기구부를 포함하는 다지점 햅틱 센싱 장치를 포함하는 시스템의 구성을 개시한다.
여기서 상기 기구부는 상기 적어도 하나의 다지점 햅틱 센싱 장치가 배치되는 링크 말단, 상기 링크 말단과 연결되는 관절부, 상기 관절부의 관절 동작 제어를 위한 동력을 생성하여 전달하는 제어부를 포함할 수 있다.
이 경우 상기 오프셋 조정부는 상기 기구부가 물체를 접촉하기 이전 상태들에 대한 상기 반도체형 스트레인 게이지들의 압력 센싱 값들의 오프셋을 처리할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서 제안하는 다지점 햅틱 센싱 장치 및 이를 포함하는 시스템에 따르면, 본 발명은 접촉힘에 대한 센싱이 가능하도록 지원함으로써 센서가 장착되는 기구 또는 시스템의 운용을 보다 정밀하고 섬세하게 운용할 수 있도록 지원할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다지점 햅틱 센싱 장치가 적용되는 시스템의 일예를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 다지점 햅틱 센싱 장치를 보다 상세히 나타낸 도면.
도 3은 도 2의 스트레인 게이지의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 다지점 햅틱 센싱 장치 중 다지점 햅틱 센서부의 다양한 형태를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 다지점 햅틱 센싱 장치의 다른 형태를 나타낸 도면
도 2는 도 1의 다지점 햅틱 센싱 장치를 보다 상세히 나타낸 도면.
도 3은 도 2의 스트레인 게이지의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 다지점 햅틱 센싱 장치 중 다지점 햅틱 센서부의 다양한 형태를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 다지점 햅틱 센싱 장치의 다른 형태를 나타낸 도면
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 또한, 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성 요소들에 대해서는 상세한 설명을 생략하도록 한다.
마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 따라서 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다지점 햅틱 센싱 시스템(10)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 다지점 햅틱 센싱 시스템(10)은 기구부(200)와 다지점 햅틱 센싱 장치(100)를 포함할 수 있다.
이와 같은 구성을 포함하는 본 발명의 다지점 햅틱 센싱 시스템(10)은 기구부(200)의 적어도 일측에 다지점 햅틱 센싱 장치(100)가 배치될 수 있다. 다지점 햅틱 센싱 장치(100)는 기구부(200)에 배치된 후 기구부(200) 동작에 따라 특정 물체와 접촉할 수 있다. 이때 다지점 햅틱 센싱 장치(100)는 접촉되는 물체에 의한 변위 또는 변형에 따른 저항 값 변화를 기반으로 센싱 신호를 생성한다. 생성된 센싱 신호는 기구부(200) 일측에 마련된 프로세서 유닛에 전달될 수 있으며, 기구부(200)에 설치된 장치에 따라 해당 센싱 신호에 의한 물체 접촉에 대한 결과가 이미지나 텍스트 등으로 출력될 수 있다. 특히 본 발명의 다지점 햅틱 센싱 장치(100)는 미세 접촉힘 측정이 가능하도록 센서가 마련됨으로써 물체와의 접촉에 따른 다수의 센서 신호를 수집하고, 이에 따라 해당 센서 신호를 이용하여 물체의 파지나 접촉 형태에 대하여 보다 정밀하고 섬세하게 확인할 수 있도록 지원할 수 있다.
본 발명의 다지점 햅틱 센싱 시스템(10)에서 기구부(200)는 로봇손을 예시적으로 나타내었다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다지점 햅틱 센싱 시스템(10)이 적용되는 환경이나 작업 목적에 따라 기구부(200)의 형상은 달라질 수 있을 것이다. 한편 로봇손 형태의 기구부(200)는 말단에 배치되는 링크 말단(201), 제1 관절부(203), 연결 링크(205), 제2 관절부(207), 제어 라인(209) 및 제어부(211)를 포함할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 기구부(200)의 상술한 각 구성들은 기구부(200)의 형상에 따라 달라질 수 있다.
링크 말단(201)은 다지점 햅틱 센싱 장치(100)가 부착되는 영역으로서 다지점 햅틱 센싱 장치(100)가 표면에 부착될 수 있다. 이러한 링크 말단(201)은 기구부(200)가 로봇손 형상으로 마련되는 경우 손가락의 말단에 대응하는 형상으로 마련될 수 있다. 다지점 햅틱 센싱 장치(100)는 링크 말단(201)의 표면에 부착되데 특히 손가락의 안쪽면이나 손가락의 첨단부에 부착되어 물체 접촉에 따른 센싱을 보다 용이하게 할 수 있도록 지원할 수 있다. 이때 다지점 햅틱 센싱 장치(100)의 기판은 PCB 기반이나 FPCB 기판으로 형성될 수 있으며, PCB 기반으로 마련되는 경우 링크 말단(201)은 PCB 기판 배치를 위하여 손가락 안쪽면이 평평한 면으로 형성될 수 있다.
제1 관절부(203)는 링크 말단(201)이 일정 방향으로 회전이 가능하도록 지원하는 구성이다. 특히 제1 관절부(203)는 링크 말단(201)의 전방 또는 후방 쪽으로의 관절 운동 지원을 위하여 다양한 내부 구조물과 내부 구조물을 감싸는 외부 표피를 포함할 수 있다. 여기서 내부 구조물은 기어와, 축, 연결부 등을 포함할 수 있으며, 동력 전달부가 축에 연결되어 기어를 동작시키며 이 동력 전달부는 제어부(211)에 연결되어 제어부(211)가 생성한 동력을 내부 구조물에 전달할 수 있다. 이를 위하여 동력 전달부는 제어부(211)와 연결되어 로봇손 동작을 위한 동력을 전달하는 제어 라인(209)과 연결될 수 있다.
연결 링크(205)는 제1 관절부(203)와 제2 관절부(207) 사이에 배치되는 구성으로서, 로봇손의 손가락 중 일정 마디에 해당할 수 있다. 이러한 연결 링크(205)는 내부가 빈 형상으로 마련되어 제1 관절부(203) 및 링크 말단(201)을 운동시키기 위한 동력을 전달하는 와이어 등을 내부에 배치할 수 있다. 연결 링크(205)는 제1 관절부(203) 및 링크 말단(201) 지지를 위하여 강성을 가지는 일정 재질 예를 들면 금속 재질로 구성될 수 있으며, 수술용 도구로 로봇손으로 제작되는 경우 부식 등을 방지할 수 있는 알루미늄 합금 등으로 제작될 수 있다.
제2 관절부(207)는 연결 링크(205)와 제어 라인(209) 사이에 배치되어 연결 링크(205)의 일정 관절 동작을 지원하면서 연결 링크(205)를 지지하는 역할을 수행한다. 그리고 제2 관절부(207)는 제어 라인(209)이 연결될 수 있는 포트가 마련될 수 있다. 제어 라인(209)은 해당 포트를 통하여 제2 관절부(207)의 관절 동작을 위한 동력 전달 및 제1 관절부(203)의 관절 동작을 위한 동력 전달을 지원할 수 있다.
제어 라인(209)은 제2 관절부(207)와 제어부(211) 사이에 배치된다. 이러한 제어 라인(209)은 제어부(211)에서 생성한 동력을 제2 관절부(207) 또는 제1 관절부(203)에 전달한다. 이를 위하여 제어부(211)는 각 동력 전달을 위한 와이어 등을 포함할 수 있으며, 와이어 등을 감쌀 수 있는 덮개를 포함하여 구성될 수 있다. 제어 라인(209)은 실질적으로 제어부(211)와 제2 관절부(207) 및 제1 관절부(203)를 연결하는 와이어 등으로 형성될 수 있다.
제어부(211)는 기구부(200) 제어를 위한 다양한 동작 지령을 생성하고, 생성된 지령에 따른 동력을 생성한 뒤, 제어 라인(209)을 통하여 해당 구성들에 전달하는 구성이다. 이러한 제어부(211)는 기구부(200)의 특정 동작 구현을 위한 명령을 입력하는 입력부와, 입력부로부터 입력된 지령에 따른 동력을 생성하여 제어 라인(209)에 전달하는 동력 생성부를 포함할 수 있다. 여기서 입력부는 기구부(200)의 특정 동작 형성을 지시하기 위한 조이스틱이나, 버튼 등 다양한 형태로 마련될 수 있다. 동력 생성부는 입력부로부터 입력된 입력 신호에 따른 동력을 생성하는 구성으로 모터 및 모터 제어 회로 등을 포함할 수 있다. 특히 본 발명의 제어부(211)는 다지점 햅틱 센싱 장치(100)로부터 수신되는 센싱 정보를 출력하는 표시부를 포함하며, 해당 센싱 정보에 따라 동력 생성부의 동력 생성을 제한하거나 확대하는 동력 생성 제어부를 포함할 수 있다. 즉 제어부(211)는 다지점 햅틱 센싱 장치(100)로부터 특정 물체에 접촉하는 접촉힘에 대한 정보를 수신하고, 이 접촉힘이 기 설정된 값 이상인 경우 동력 생성을 중지하도록 제어할 수 있으며, 또한 접촉힘이 일정 값 이하인 경우 동력 생성을 증가시키도록 제어할 수 있다. 이를 통하여 기구부(200)는 다지점 햅틱 센싱 장치(100)가 수집하는 센싱 정보를 기반으로 특정 물체의 파지나 끌기, 이동하기 등의 작업을 보다 안정적이며 섬세하게 수행하도록 지원할 수 있다.
다지점 햅틱 센싱 장치(100)는 상술한 설명에서는 기구부(200)의 링크 말단(201)에 배치되는 것으로 설명하였지만, 기구부(200)의 링크 말단(201), 제1 관절부(203), 연결 링크(205), 제2 관절부(207) 중 적어도 하나에 적어도 한 곳에 배치되어 움직임에 따라 변위 또는 변형에 의한 센싱 정보를 수집할 수 있다. 이러한 다지점 햅틱 센싱 장치(100)는 보다 면밀한 압력 센싱을 위하여 다지점 햅틱 센싱을 위한 구조물을 마련하고, 이를 통하여 보다 섬세한 접촉힘에 대한 센싱 정보 수집을 지원할 수 있다. 다지점 햅틱 센싱 장치(100)에 대하여 도 2 내지 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 다지점 햅틱 센싱 시스템(10)은 다지점 햅틱 센싱 장치(100)를 기구부(200)의 특정 위치에 적어도 하나를 마련함으로써 기구부(200)의 운동에 따른 다양한 변위 및 변형 상태를 센싱 정보로부터 검출하고 이를 기반으로 기구부(200)의 보다 섬세하고 정밀한 움직임 제어를 수행할 수 있도록 지원할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다지점 햅틱 센싱 시스템(10)의 구성 중 다지점 햅틱 센싱 장치(100)를 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다지점 햅틱 센싱 장치(100)는 다지점 햅틱 센서부(110)와 신호 처리 모듈(120)을 포함할 수 있다.
여기서 다지점 햅틱 센서부(110)는 기판(112), 스트레인 게이지(113)들, 압력 구조물(117)들을 포함할 수 있다. 기판(112)은 일정 두께와 넓이를 가지며 비 전도성 재질로 구성될 수 있다. 이러한 기판(112)은 PCB나 FPCB 중 적어도 하나의 형태로 마련될 수 있다. 한편 기판(112)은 기판(112)은 지지판부(111)와 회로 기판부(115)를 포함할 수 있다. 지지판부(111)는 회로 기판부(115), 스트레인 게이지(113)들 및 압력 구조물(117)이 배치될 수 있는 일정 공간을 제공하는 구성이다. 이러한 지지판부(111)는 상술한 각 구성들이 배치될 수 있는 일정 공간을 가지며 해당 구성들이 지지될 수 있도록 일정 강성을 가지는 재질 예를 들면, 목재나, 플라스틱 등 비전도성 재질로 형성될 수 있다. 지지판부(111)의 배면에는 다지점 햅틱 센싱 장치(100)가 기구부(200) 일측에 부착되기 위하여 접착층이 마련될 수 있다. 지지판부(111)의 형상은 부착되는 기구부(200)의 형태 및 상부에 놓이는 상기 각 구성들의 형태 변경 등에 따라 변경될 수 있다. 회로 기판부(115)는 스트레인 게이지(113)들에 전원을 공급하여 외부 자극에 대한 변위 또는 변형에 따른 압력 센싱 정보를 일차적으로 수집하는 구성이다. 이러한 회로 기판부(115)는 지지판부(111)의 외곽 등에 배치될 수 있다.
스트레인 게이지(113)들은 다이어프램에 마련된 압력 센서홀의 변화를 스트레인 게이지부의 저항 변화로 인식하여 이를 압력 센싱 정보로서 제공하는 구성들이다. 이러한 스트레인 게이지(113)들은 일정 간격을 가지며 배치된 압력 구조물(117)들 사이에 다수개가 배치되어 전달되는 물리력에 의한 변위를 저항 변화로 제공한다. 본 발명의 스트레인 게이지(113)들은 1~2mm 정도의 크기로 마련될 수 있으며, 필요에 따라 보다 미세한 형상으로 마련될 수도 있다. 이러한 스트레인 게이지(113)들에 대하여 도 3 등에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
압력 구조물(117)은 기판(112) 특히 지지판부(111) 상에 상기 스트레인 게이지(113)들이 일정하게 배열될 수 있도록 지지하며 외부 압력에 의하여 스트레인 게이지(113)에 물리적인 변형을 가하는 구성이 될 수 있다. 이러한 압력 구조물(117)은 도시된 바와 같이 기둥 형상의 구조물이 선형적으로 일정 간격을 가지며 배치되고, 상기 간격에는 스트레인 게이지(113)들이 배치될 수 있다.
신호 처리 모듈(120)은 증폭부(121), 신호 처리부(123), 오프셋 조정부(125)(125)를 포함할 수 있다. 이 신호 처리 모듈(120)은 기판(112)에 마련된 회로 기판부(115)와 연결되는 신호 라인을 포함하여, 회로 기판부(115)가 전달하는 스트레인 게이지(113)들의 신호를 처리하는 구성이다.
특히 신호 처리 모듈(120)은 스트레인 게이지(113)들이 박막의 반도체 타입으로 형성되어 전달하는 신호의 크기가 작기 때문에 전달된 센싱 정보를 적절히 분석할 수 있을 정도의 크기의 신호로 증폭하는 증폭부(121)를 포함할 수 있다. 증폭부(121)는 증폭된 신호를 신호 처리부(123), 오프셋 조정부(125)(125) 중 적어도 하나에 전달할 수 있다.
신호 처리부(123)는 증폭부(121)로부터 증폭된 신호를 수신하면, 수신된 해당 신호를 디지털화하는 구성이다. 즉 다수개의 스트레인 게이지(113)들이 센싱 정보를 전달하면 신호 처리부(123)는 해당 센싱 정보들을 디지털화하여 각각의 스트레인 게이지(113)들에 발생한 압력을 수치화하도록 제어할 수 있다. 수치화된 정보는 오프셋 조정부(125)(125) 및 기구부(200)에 마련된 제어부(211)에 전달될 수 있다. 센싱 정보를 제어부(211)에 전달하기 위하여 신호 처리 모듈(120)은 제어부(211)로 신호를 전달할 수 있는 신호 라인을 더 포함할 수 있다.
오프셋 조정부(125)(125)는 스트레인 게이지(113)들의 센싱 정보 오프셋을 처리하는 구성이다. 박막의 반도체 타입 스트레인 게이지(113)들은 기구부(200)에 장착되는 과정에서 휘어지거나 굽혀짐에 따라 변위나 변형이 발생할 수 있다. 즉 기구부(200)의 특정 동작을 수행하지 않은 상태 또는 특정 물체와 접촉되기 이전에 상기 스트레인 게이지(113)들은 일정 변위나 변형에 따른 저항 센싱을 수행하고 이를 센싱 정보로서 제공할 수 있기 때문에 오프셋 조정부(125)(125)는 이를 초기화하도록 지원할 수 있다. 특히 오프셋 조정부(125)(125)는 기구부(200)의 일점 움직임에 따른 변위 센싱 정보들을 하전 수집할 수 있다. 즉 오프셋 조정부(125)(125)는 기구부(200)에 의하여 물체에 접촉하기 이전에 기구부(200) 동작에 따른 변위 센싱 정보들을 수집하고 상황에 따라 해당 정보들을 오프셋 처리하도록 지원할 수 있다. 또는 오프셋 조정부(125)(125)는 해당 정보들을 기구부(200)의 제어부(211)에 전달할 수 있다. 그러면 제어부(211)는 수집된 오프셋 정보와 기구부(200)의 동작들을 매칭하고, 실제 물체와 접촉되지 않은 상황에 대하여 보다 정밀하게 모니터링하고 그 결과를 표시부를 통하여 출력하도록 지원할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 다지점 햅틱 센싱 시스템(10)은 기구부(200) 동작에 따라 생성되는 센싱 정보의 오프셋 처리를 통하여 물체 접촉 또는 비접촉에 따른 오류 방지를 지원할 수 있다.
한편 상술한 신호 처리 모듈(120)이 스트레인 게이지(113)들과 이격된 일정 위치에 마련되는 것으로 나타내었으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 상기 신호 처리 모듈(120)은 설계자의 의도에 따라 기판(112) 상에 실장될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 스트레인 게이지(113) 구성의 일예를 보다 상세히 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 스트레인 게이지(113)는 압력 센서홀(103)을 가지는 다이어프램(101), 절연막(105), 스트레인 게이지부(107), 도전성 패드(109), 도전 라인(102)을 포함하며, 도전 라인(102)은 기판(112)의 회로 기판부(115)에 연결된다.
이와 같은 구성의 본 발명의 스트레인 게이지(113)는 상기 다이어프램(101)은 "U"자 형상으로 마련될 수 있다. 즉 다이어프램(101)은 중앙이 비어 있으며 양측에 두 개의 기둥들이 일정 간격으로 배치되고, 각 기둥들을 하단에서 서로를 연결하는 받침부를 포함할 수 있다. 이에 따라 빈 중앙은 압력 센서홀(103) 역할을 수행한다. 압력 센서홀(103)에 대항하는 면에는 반도체형 스트레인 게이지부(107)가 배치된다. 그리고 스트레인 게이지부(107)에서 발생하는 신호를 기판(112)의 회로 기판부(115)에 전달하기 위하여 도전성 패드(109), 도전 라인(102)을 포함할 수 있다. 도전성 패드(109)는 스트레인 게이지부(107) 상에 두 개가 마련되며, 하나는 스트레인 게이지부(107)에 신호를 공급하는 입력 도전성 패드 역할을 수행하고, 다른 하나는 스트레인 게이지부(107)의 저항 변화에 따른 신호 출력을 위한 출력 도전성 패드 역할을 수행한다. 이에 따라 도전 라인(102) 또는 각각의 도전성 패드(109)에 연결되며, 신호 공급과 출력을 지원할 수 있다. 그리고 다이어프램(101)과 스트레인 게이지부(107) 사이에 절연막(105)이 배치될 수 있다. 또한 상술한 스트레인 게이지(113)에 이물질이 유입되는 등의 데미지를 방지하기 위하여 상술한 구성들을 감싸는 보호막이 더 포함할 수 있다. 이 보호막은 도전 라인(102)의 끝단부를 제외하고 전체 영역에 배치되어 각 구성들을 보호하는 역할을 수행하며, 이를 위하여 비전도성 재질로 구성될 수 있고, 일정한 완충 역할을 수행할 수 있는 재질로 구성될 수 있다.
상기 다이어프램(200)은 메탈형 다이어프램으로서, 스트레인강 다이어프램으로 구성할 수 있다. 상기 다이어프램은 'U자 또는 ㄷ'자형으로 되어 있고, 외부의 압력을 수신할 수 있는 압력센서홀(210)을 가진다. 이 압력센서홀(210)에 외부의 압력이 수신되게 되는데, 외부의 압력에 따라서 상기 다이어프램(101)의 외형이 변형되고, 이 외형의 변형에 따라 스트레인게이지(300)의 저항이 변화하여 압력을 감지할 수 있도록 되어 있다.
상술한 반도체형 스트레인 게이지(113)는 실리콘 단결정으로 이루어질 수 있으며, 다이어프램(200)의 외형 변화에 따라서, 반도체형 스트레인게지의 저항의 변화와, 이에 따른 출력 값의 변화를 지원한다. 스트레인 게이지(113)를 구성하기 위하여, 입력전원과 기준전원 및 출력전원이 마련될 수 있다. 입력전원은 회로 기판부(115)에서 스트레인 게이지(113) 구동을 위한 전원이 공급되는 구성이며, 출력 전원은 스트레인 게이지(113)의 저항 변화에 따른 변화된 신호의 출력 전원에 해당하는 구성이다. 여기서 스트레인 게이지(113)의 구성 형태는 보다 안정적인 출력감도 확보를 위하여, 브리지 형태의 회로로 구성할 수도 있고, 출력 전원 신호 라인 개수를 하나 이상으로 구성할 수 있다. 또한 본 발명에서와 같이 다지점 햅틱 센싱을 위해 사용하는 스트레인 게이지(113)가 복수 개인 경우에도, 출력 전원을 전달하기 위한 도전성 패드(109) 및 도전 라인(102)은 하나나 그 이상으로 구성할 수 있다.
상기 스트레인 게이지부(107)는 다이어프램(200)의 압력센서홀(210)의 대항하는 면에 위치하게 되는데, 상기 스트레인 게이지부(107)를 다이어프램(200)에 배치하기 위해서는 절연성이면서 부착성인 있는 접착제를 사용해서 다이어프램(200)에 부착할 수 있다.
한편 상술한 스트레인 게이지부(107)는 저항체로 이루어진다. 상기 저항체는 50~60중량%의 Ni 및 40~50중량%의 Cr를 포함하는 Ni-Cr합금: 85~95중량%와 5~7중량%의 Al, 3~5중량%의 V, 0.3~0.7중량%의 Ce, 0.3~0.5중량%의 Si로 구성될 수 있다. 상기 Ni-Cr 합금 중 Cr 함량이 너무 적은 경우에는 충분한 비저항을 확보할 수 없고 저항온도계수가 높아지게 되고, 너무 많은 경우에는 휨현상 및 크리프 현상 등의 경시변화가 커지게 되고, 기계적으로 물러지게 되므로, 상기 Cr 함량은 40~50중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 V 또한 Al과 유사 효과를 얻기 위하여 투입하나, 3중량% 미만일 경우 전기비저항이 작아지고 전기저항 온도계수가 커지는 문제점이 있으며, 5중량%를 초과하는 경우 전기비저항이 작아지는 경향이 있으므로, 3~5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
상술한 스트레인 게이지(113)의 제작 방법은 먼저 일측이 압력 센서홀(103)을 갖는 스테인리스 스틸 재질의 다이어프램(101) 표면을 그라인딩 후 다이아몬드 현탄액을 사용하여 랩핑 및 폴리싱 처리를 수행한다. 그리고 경면처리된 다이어프램(101) 위에 스트레인 게이지부(107)와의 절연을 위하여 SiO2 재질의 절연막을 일정 두께 예를 들면 1 ㎛ 이상의 두께로 증착하고, 스트레인 게이지부(107)를 PVD를 이용하여 일정 두께 예를 들면 1㎛ 미만 두께로 패턴을 형성한 후, SiO2 보호막을 증착/패터닝하고, Al 또는 Au로써 도전성 패드(109) 및 도전 라인(102) 형성시키고, 최종적으로 다이어프램(101) 전체에 보호막을 증착하여 구성할 수 있다.
이하, 본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)의 다양한 형태에 대하여 도 4 및 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다지점 햅틱 센서부(110)의 다양한 형태를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 먼저 도면 번호 401 에서와 같이 본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)는 압력 구조물(117)에 해당하는 양단 지지빔을 선형적으로 일정 간격을 가지며 나란하게 배치하고, 각 압력 구조물(117)의 간격 사이에 스트레인 게이지(113)를 순차적으로 배치하는 구조를 가질 수 있다. 이때 스트레인 게이지(113)는 압력 구조물(117) 사이에 각각 배치되데 다이어프램이 아래 방향을 향하도록 배치하거나 위 방향을 향하도록 배치하거나, 도시된 바와 같이 교번되게 배치할 수 있다. 특히 스트레인 게이지(113)는 다이어프램의 상하 방향이 교번되게 배치시킴으로써 접촉힘의 접촉 방향에 대하여 보다 균등하게 변위 검측을 할 수 있도록 지원한다.
한편 본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)는 403에 나타낸 바와 같이 압력 구조물(117)의 구조가 선형적으로 일정 간격을 가지며 배치되데, 각 압력 구조물(117)들을 연결하는 연결부를 일정 위치에 마련할 수 있다. 도시된 도면에서는 압력 구조물(117)들을 연결하는 연결부가 압력 구조물(117)들의 중앙에 연이어 형성된 것을 나타낸 것이다. 이에 따라 본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)는 외팔보를 선형적/평면적으로 배치한 구조의 형상이 될 수 있다. 이러한 다지점 햅틱 센서부(110)는 압력 구조물(117)들의 중앙을 가로지르는 연결부가 배치됨으로써 각 압력 구조물(117)들이 서로 연결되는 형태로 마련될 수 있다. 한편 각 압력 구조물(117)들 사이에 배치되는 스트레인 게이지(113)들은 압력 구조물(117)들로 둘러 싸여진 형상으로 마련됨으로 접촉에 따른 변위나 변형이 보다 면밀하게 발생할 수 있다. 또한 본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)는 압력 구조물(117)들이 연결부를 기준으로 일정 간격을 유지하는 형태가 됨으로써 보다 균일한 압력 측정을 지원할 수 있다. 그리고 본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)는 연결부가 압력 구조물(117)들 사이를 지지함으로써 압력 구조물(117)들의 배치 형태를 보다 견고하게 지속적으로 유지하도록 함으로써 기구부(200)의 동작에 의한 센서부(110)의 파손 등에 대해 보다 견고함을 제공할 수 있다.
본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)는 405 에서와 같이 최초 설명한 401 에서의 압력 구조물(117)이 평면적으로 반복된 구조를 채용할 수 있다. 즉 압력 구조물(117)이 일정 간격을 가지며 가로로 나열된 열들이 복수의 열을 가지며 배치될 수 있다. 이때 스트레인 게이지(113)들은 복수의 오와 열로 구성된 압력 구조물(117)들에서 나란한 방향으로 각각 배치될 수 있다. 예를 들어, 스트레인 게이지(113)들은 압력 구조물(117)의 제1 열들의 사이에서 상측에서 하측 방향을 향하는 다이어프램들이 일률적으로 배치될 수 있다. 이러한 구조를 채용하는 본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)는 보다 넓은 면적의 압력 구조물(117)들이 배치된 상태에서 스트레인 게이지(113)들을 일 방향으로 배치하되 층별로 배치함으로써 전체 압력 구조물(117)에서 발생하는 압력을 균일하게 검출할 수 있도록 지원하면서도 스트레인 게이지(113)들의 신호 배선을 보다 단순화할 수 있도록 지원할 수 있다.
한편 405에서 설명한 다지점 햅틱 센서부(110) 구조는 403에서 설명한 연결부의 구성을 더 추가할 수 있다. 즉 405에서 나타낸 다지점 햅틱 센서부(110)는 각 일렬로 나란하게 배치된 압력 구조물(117)들의 중앙 또는 일측을 가로지르는 각각의 연결부들을 더 포함할 수 있다. 이때 연결부들은 403 에서와는 다르게 각 압력 구조물(117)에 해당하는 지지빔들의 하단 또는 상단을 연결하는 형태로 마련되어, 각 압력 구조물(117) 사이에 배치되는 스트레인 게이지(113)들은 보다 온전하게 감싸는 형태로 배치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)의 신호 배선의 다양한 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)는 지지판부(111) 상에 회로 기판부(115)를 배치하되 501에서와 같이 압력 구조물(117)과 스트레인 게이지(113)들이 배치된 중앙 이외의 영역 예를 들면 길이 방향의 양측 가장자리에 회로 기판부(115)가 배치되는 형태로 구성될 수 있다. 특히 회로 기판부(115)가 일정 폭과 두께를 가지되 지지판부(111)의 길이 방향에 대응하는 길이로 형성되는 경우 해당 회로 기판부(115)는 지지판부(111)의 가장자리에 배치되어 스트레인 게이지(113)들의 단순 배선 연결을 지원할 수 있다.
또한 본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)는 503에서와 같이 회로 기판부(115)가 지지판부(111) 전체 영역 중 각각의 가장자리를 감싸는 형태로 마련될 수도 있다. 즉 회로 기판부(115)는 지지판부(111)의 세로 양측 가장자리 및 가로 양측 가장자리를 모두 감싸는 띠 형태로 마련될 수 있다. 이때 회로 기판부(115) 상에 형성되는 접점들 예를 들면 도전성 패드들은 스트레인 게이지(113)들이 배치된 영역의 가장자리에만 형성될 수 있다. 이와 같은 구조의 본 발명의 다지점 햅틱 센서부(110)는 스트레인 게이지(113)들의 접점 연결을 보다 용이하게 하면서 회로 기판부(115)와 신호 처리 모듈(120) 또는 기구부(200)의 제어부(211)와의 연결을 보다 용이하게 지원할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 다지점 햅틱 센싱 시스템(10)과 이에 포함되는 다지점 햅틱 센싱 장치(100)는 다양한 형태로의 변환이나 채용이 가능하면서도 접촉힘에 따른 균일하고 정밀한 검측을 가능하도록 지원할 수 있다. 또한 본 발명의 다지점 햅틱 센싱 시스템(10)과 이에 포함되는 다지점 햅틱 센싱 장치(100)는 보다 간단한 회로 배선 연결을 지원할 수 있고 스트레인 게이지(113)들의 오프셋 처리를 통하여 센싱에 대한 오류를 최소화할 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
10 : 다지점 햅틱 센싱 시스템 100 : 다지점 햅틱 센싱 장치
101 : 다이어프램 102 : 도전 라인
103 : 압력 센서홀 105 : 절연막
107 : 스트레인 게이지부 109 : 도전성 패드
110 : 다지점 햅틱 센서부 111 : 지지판부
112 : 기판 113 : 스트레인 게이지
115 : 회로기판부 117 : 압력 구조물
120 : 신호 처리 모듈 121 : 증폭기
123 : 신호 처리부 125 : 오프셋 조정부
200 : 기구부 201 : 링크 말단
203 : 제1 관절부 205 : 연결 링크
207 : 제2 관절부 209 : 제어라인
211 : 제어부
101 : 다이어프램 102 : 도전 라인
103 : 압력 센서홀 105 : 절연막
107 : 스트레인 게이지부 109 : 도전성 패드
110 : 다지점 햅틱 센서부 111 : 지지판부
112 : 기판 113 : 스트레인 게이지
115 : 회로기판부 117 : 압력 구조물
120 : 신호 처리 모듈 121 : 증폭기
123 : 신호 처리부 125 : 오프셋 조정부
200 : 기구부 201 : 링크 말단
203 : 제1 관절부 205 : 연결 링크
207 : 제2 관절부 209 : 제어라인
211 : 제어부
Claims (8)
- 기판;
기판 상에 일정 간격을 가지며 배치되는 다수의 지지빔 형상의 압력 구조물;
상기 압력 구조물의 간격들 사이에 다수개가 배치되어 압력을 센싱하는 반도체형 스트레인 게이지;
상기 반도체형 스트레인 게이지의 센싱 신호를 신호 처리하는 신호 처리 모듈;
을 포함하고,
상기 기판은
상기 스트레인 게이지들의 센싱 신호 수집을 위하여 각 스트레인 게이지들과 전기적으로 접속되는 회로 기판부;
상기 회로 기판부, 상기 압력 구조물 및 상기 반도체형 스트레인 게이지가 배치되는 지지판부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다지점 햅틱 센싱 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 신호 처리 모듈은
상기 반도체형 스트레인 게이지로부터 전달된 신호를 증폭하는 증폭부;
상기 증폭부가 전달한 신호를 디지털화하는 신호 처리부;
상기 반도체형 스트레인 게이지들의 오프셋을 조정하는 오프셋 조정부;
중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 다지점 햅틱 센싱 장치. - 제1항에 있어서,
상기 신호 처리 모듈은
상기 회로 기판부 상에 실장되는 것을 특징으로 하는 다지점 햅틱 센싱 장치. - 제1항에 있어서,
상기 압력 구조물은
다수의 지지빔들이 일정 간격을 가지며 선형적으로 배치되는 형태;
다수의 지지빔들이 일정 간격을 가지며 선형적으로 배치되데 중앙을 가로 지르는 연결부가 형성되어 외팔보 형상으로 배치되는 형태;
다수의 지지빔들이 오와 열을 가지며 일정 간격을 가지고 배치되는 형태;
다수의 지지빔들이 오와 열을 가지며 일정 간격을 가지고 배치되데 각 열의 중앙이나 끝단을 가로지르며 각 지지빔들을 연결하는 연결부를 포함하는 형태;
중 적어도 하나의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 다지점 햅틱 센싱 장치. - 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다지점 햅틱 센싱 장치;
적어도 하나의 상기 다지점 햅틱 센싱 장치가 일정 위치에 배치되는 기구부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다지점 햅틱 센싱 장치를 포함하는 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 기구부는
상기 적어도 하나의 다지점 햅틱 센싱 장치가 배치되는 링크 말단;
상기 링크 말단과 연결되는 관절부;
상기 관절부의 관절 동작 제어를 위한 동력을 생성하여 전달하며 다지점 햅틱 센싱 장치가 전달한 센싱 정보를 출력하도록 제어하고 기 설정된 값들을 기준으로 센싱 정보에 따른 동력 생성 제어를 수행하는 제어부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다지점 햅틱 센싱 장치를 포함하는 시스템. - 삭제
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110143362A KR101278679B1 (ko) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | 다지점 햅틱 센싱 장치 및 이를 포함하는 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110143362A KR101278679B1 (ko) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | 다지점 햅틱 센싱 장치 및 이를 포함하는 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101278679B1 true KR101278679B1 (ko) | 2013-06-25 |
Family
ID=48867687
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020110143362A KR101278679B1 (ko) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | 다지점 햅틱 센싱 장치 및 이를 포함하는 시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101278679B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2011
- 2011-12-27 KR KR1020110143362A patent/KR101278679B1/ko active IP Right Grant
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