KR101457998B1 - Working Robot having Sensor using Optical fiber - Google Patents

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KR101457998B1
KR101457998B1 KR1020130095467A KR20130095467A KR101457998B1 KR 101457998 B1 KR101457998 B1 KR 101457998B1 KR 1020130095467 A KR1020130095467 A KR 1020130095467A KR 20130095467 A KR20130095467 A KR 20130095467A KR 101457998 B1 KR101457998 B1 KR 101457998B1
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김진석
송용원
강성철
문효원
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한국과학기술연구원
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Abstract

A working robot, which is placed in a workplace to work, includes a work member for performing a predetermined work and a sensor coupled to the work member. The sensor includes an optical fiber coupled to the work member to refract when a shape of the work member is varied by an external force; and a plurality of grids arranged in the optical fiber in the longitudinal direction of the optical fiber, wherein incident light entered the optical entrance of the optical fiber is interfered and reflected by the grids and outputted as reflected light through the optical entrance, and whether the external force is in affect is detectable by detecting the variation of a wave spectrum of the reflected light, which is generated from the variation of an interval of the grid by the refraction of the optical fiber.

Description

광 파이버를 이용한 센서를 구비한 작업 로봇{Working Robot having Sensor using Optical fiber}Technical Field [0001] The present invention relates to a working robot having a sensor using an optical fiber,

본 발명은 광 파이버를 이용한 센서를 구비한 작업 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 좁은 공간에 삽입되어 소정의 작업을 수행하는 동안에 작용하는 외력과 굴절 상태를 감지할 수 있는 센서를 구비한 작업 로봇에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a work robot having a sensor using an optical fiber, and more particularly, to a work robot having a sensor capable of detecting an external force and a refracting state, .

긴 중공의 몸체를 협소 공간에 삽입하여 소정 작업을 수행하는 작업 로봇으로는 대표적으로 최소 침습 시술을 위한 체내 삽입형 로봇이 있다. As a working robot for performing a predetermined operation by inserting a long hollow body into a narrow space, there is a typical insertion robot for minimally invasive surgery.

내시경 수술 등에 쓰이는 각종 체내 삽입형 로봇은 침습에 의한 상처를 최소화할 수 있어 각광받고 있다. 하지만, 체내 삽입형 로봇을 이용한 의료 행위는 인체 내에서 수시로 굴절되는 체내 삽입형 로봇의 굴절 상태나 장비 끝 단부에 위치한 작업체(엔드 이팩터)의 정확한 상태를 사용자가 육안으로 확인하기가 어렵다. Various types of insertion-type robots used for endoscopic surgery are in the spotlight because they can minimize the injuries caused by invasion. However, it is difficult for the user to visually confirm the refracting state of the implantable robot in the body, which is frequently refracted in the human body, or the precise state of the end effector located at the end of the device, by using the implantable robot in the body.

따라서, 안전한 시술을 위해서 로봇 몸체의 굴절 상태 및 엔드 이팩터에 가해지는 외력을 감지하여 사용자에게 알려줄 수 있는 방법이 강구될 필요가 있다. Therefore, in order to perform safe operation, it is necessary to provide a method of detecting the refractive state of the robot body and the external force applied to the end effector to inform the user.

종래 기술에 따른 체내 삽입형 로봇은 로봇 몸체의 굴절 상태 및 엔드 이팩터에 가해지는 외력을 감지를 위해 각종 기계적인 센서를 구비하는 것이 일반적이다. BACKGROUND ART [0002] Conventionally, a body-insertable type robot has various mechanical sensors for detecting a refracted state of a robot body and an external force applied to an end effector.

따라서, 종래 기술에 따른 체내 삽입형 로봇은 그 구성이 복잡하고 소형화가 어렵다는 문제점이 있다. Therefore, the insertion type robot according to the prior art has a problem in that the configuration is complicated and it is difficult to miniaturize.

대한민국 특허공개 제10-2008-0047318호Korean Patent Publication No. 10-2008-0047318

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광 파이버와 상기 광 파이버 내부에 형성된 격자로 구성되는 센서를 이용해 작업 로봇에 대한 외력 작용 여부를 검출하고 나아가 작업 로봇의 굴절 상태를 검출할 수 있는 작업 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for detecting an external force acting on a work robot using a sensor composed of an optical fiber and a grating formed inside the optical fiber, The present invention relates to a robot that can be used as a robot.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 작업 공간 내에 삽입되어 작업을 수행하기 위한 작업 로봇은, 소정의 작업을 수행하기 위한 작업체와, 상기 작업체에 결합되는 센서를 포함한다. 상기 센서는, 상기 작업체에 결합되어 외력에 의해 상기 작업체의 형상이 변화하면 그에 대응하여 굴절하는 광 파이버와, 상기 광 파이버의 내부에 상기 광 파이버의 길이 방향으로 배치되는 복수의 격자를 포함하고, 상기 광 파이버의 광 입구로 입사된 입사광이 상기 복수의 격자에 의해 간섭 및 반사되어 상기 광 입구를 통해 반사광으로 출력되고, 상기 광 파이버의 굴절에 의한 상기 격자의 간격 변화로 인해 발생하는 상기 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 상기 외력의 작용 여부를 검출할 수 있다. In order to accomplish the above object, a work robot inserted into a work space according to an aspect of the present invention includes a worker for performing a predetermined job and a sensor coupled to the worker . The sensor includes a plurality of gratings arranged in the longitudinal direction of the optical fiber inside the optical fiber, the optical fiber being coupled to the optical fiber and corresponding to the shape of the optical fiber when the shape of the optical fiber is changed by an external force, The incident light incident on the light entrance of the optical fiber is interfered with and reflected by the plurality of gratings and is output as reflected light through the light entrance, and the interference caused by the change in the interval of the grating due to the refraction of the optical fiber It is possible to detect whether the external force acts or not by detecting a change in the wavelength spectrum of the reflected light.

상기 작업 로봇은 상기 작업체의 후단에서 길게 연장 형성되는 몸체를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 광 파이버는 상기 몸체 내부를 통과해 상기 작업체까지 연장되고, 상기 몸체 내부에 위치한 광 파이버는 상기 몸체가 굴절하면 함께 굴절하며, 상기 작업체 상에 위치한 격자의 간격 변화로 인해 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 상기 작업체에 대한 외력의 작용 여부를 검출하고, 상기 몸체 내부에 위치한 격자의 간격 변화로 인해 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 상기 몸체의 굴절 상태를 검출할 수도 있다. The work robot may further include a body extended from a rear end of the worker. At this time, the optical fiber passes through the inside of the body and extends to the worker, and the optical fiber located inside the body is refracted when the body is refracted, and is generated due to a change in the interval of the grating positioned on the worker Detecting a change in the wavelength spectrum of the reflected light caused by a change in the interval of the lattice located inside the body and detecting a change in the refraction state of the body by detecting a change in the wavelength spectrum of the reflected light, .

일 실시예에 따르면, 상기 광 파이버 내부에는 상기 격자가 n개(n≥2, 자연수)씩 짝을 이루어 복의 격자부를 형성하고, 하나의 격자부에는 n개의 격자가 서로 동일 간격으로 배치되고, 각 격자부의 격자들 간의 간격은 격자부마다 서로 상이하게 형성된다. According to an embodiment of the present invention, the gratings of the grating are formed by paired gratings of n (n > = 2, natural numbers) in the optical fiber, n gratings are arranged at equal intervals in one grating, The spacing between the gratings of each grating portion is different from each other in each grating portion.

또한, 복수의 센서가 구비되고, 상기 복수의 센서 각각의 광 파이버들은 상기 몸체의 길이방향 중심축과 이격되어 상기 몸체 내부를 통과하고, 서로 겹치지 않도록 상기 작업체에 대해 서로 다른 위치에 배치될 수도 있다. In addition, a plurality of sensors may be provided, and the optical fibers of each of the plurality of sensors may be disposed at different positions with respect to the vendor so as not to overlap each other while being separated from the longitudinal center axis of the body, have.

다른 실시예에 따르면, 상기 복수의 격자는 각각 서로 다른 간격으로 배치되고, 상기 광 파이버의 광 입구로 출력되는 반사광은 서로 다른 방향으로 편광된 제1 반사광과 제2 반사광을 포함하고, 상기 제1 반사광과 상기 제2반사광은 서로 다른 파장 스펙트럼을 형성한다. According to another embodiment, the plurality of gratings are arranged at mutually different intervals, and the reflected light output to the light inlet of the optical fiber includes first reflected light and second reflected light polarized in different directions, The reflected light and the second reflected light form different wavelength spectrums.

또한, 상기 복수의 격자 간의 간격은 상기 광 입구로부터 멀어질수록 일정한 함수로 증가 또는 감소하도록 할 수도 있다. Further, the interval between the plurality of gratings may be increased or decreased as a function of the distance from the light entrance.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 작업체는 탄성 변형 가능한 표피를 구비하고, 상기 광 파이버는 상기 표피 내부에 삽입되거나 상기 표피에 부착될 수도 있다. According to another embodiment, the worker has an elastically deformable skin, and the optical fiber may be inserted into the skin or attached to the skin.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 작업 로봇은 체내에 삽입되어 최소 침습 시술을 수행하는 체내 삽입형 로봇이다. According to another embodiment of the present invention, the working robot is an insertion-type robot inserted into a body to perform a minimally invasive procedure.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 작업 로봇의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 센서의 측면도이다.
도 3은 제1실시예에 따른 센서의 광 입구를 통한 입사광과 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 4 내지 도 6은 제1실시예에 따른 센서가 구비된 작업 로봇의 개념도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 센서의 측면도 및 정면도이다.
도 9는 제2실시예에 따른 센서의 광 입구를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 10은 제2실시예에 따른 센서의 일 사용상태를 도시한 것이다.
도 11 및 도 12는 제2실시예에 따른 센서의 굴절 위치를 검측하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 13 및 도 14는 제2실시예에 따른 센서의 굴절 정도를 검측하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 도 7과 제2실시예에 따른 센서의 굴절 방향 및 그 각도를 검측하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 16 내지 도 18은 제2실시예에 따른 센서가 구비된 작업 로봇의 개념도이다.
도 19는 본 발명의 제3실시예에 따른 센서의 측면도이다.
도 20은 제3실시예에 따른 센서의 광 입구를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 21은 제3실시예에 따른 센서의 일 사용상태를 도시한 것이다.
도 22 내지 도 24는 제3실시예에 따른 센서가 구비된 작업 로봇의 개념도이다.
1 is a conceptual diagram of a work robot according to an embodiment of the present invention.
2 is a side view of a sensor according to a first embodiment of the present invention.
3 shows a wavelength spectrum of incident light and reflected light through the light entrance of the sensor according to the first embodiment.
4 to 6 are conceptual diagrams of a work robot provided with a sensor according to the first embodiment.
7 and 8 are a side view and a front view of a sensor according to a second embodiment of the present invention.
9 shows a wavelength spectrum of reflected light output through the light entrance of the sensor according to the second embodiment.
10 shows a state of use of the sensor according to the second embodiment.
11 and 12 are views for explaining the principle of detecting the refraction position of the sensor according to the second embodiment.
13 and 14 are diagrams for explaining the principle of detecting the degree of refraction of the sensor according to the second embodiment.
Fig. 15 is a view for explaining the principle of detecting the refraction direction and the angle of the sensor according to the embodiment of Fig. 7 and the second embodiment.
16 to 18 are conceptual diagrams of a work robot provided with a sensor according to the second embodiment.
19 is a side view of a sensor according to a third embodiment of the present invention.
20 shows a wavelength spectrum of reflected light output through the light entrance of the sensor according to the third embodiment.
FIG. 21 shows a state of use of the sensor according to the third embodiment.
22 to 24 are conceptual diagrams of a work robot provided with a sensor according to the third embodiment.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it is to be understood that the technical idea of the present invention and its essential structure and action are not limited by this embodiment.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 작업로봇(1)을 개략적으로 도시한 것이다. 1 schematically shows a work robot 1 according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 작업 로봇(1)은 소정 작업을 수행하기 위한 작업체(2)와, 상기 작업체(2)의 후단에서 길게 연장되는 가요성의 몸체(3)를 포함한다. As shown in FIG. 1, the work robot 1 includes a work shop 2 for performing a predetermined work and a flexible body 3 which is elongated at a rear end of the work shop 2.

본 실시예에 따른 작업 로봇(1)은 체내에 삽입되어 최소 침습 시술을 수행하는 체내 삽입형 로봇이며, 작업체(2)로서 삽입 위치에서 피대상물을 파지할 수 있는 집게가 구비된다. The work robot 1 according to the present embodiment is an insertion-type robot inserted into a body to perform minimally invasive procedures. The work robot 2 is equipped with a grip capable of gripping an object at an insertion position.

작업 로봇(1)에는 광 파이버를 이용한 센서가 구비되어 육안으로 식별할 수 없는 상태에서 작업을 수행하는 작업 로봇(1)의 상태를 검출한다. The work robot 1 is provided with a sensor using an optical fiber and detects the state of the work robot 1 performing work in a state in which it can not be visually recognized.

이하, 센서에 대한 실시예들을 도면을 참조하여 설명한다.
Hereinafter, embodiments of the sensor will be described with reference to the drawings.

[제1실시예][First Embodiment]

도 2는 제1실시예에 따른 센서(10)의 구조를 개략적으로 도시한 것이다. 2 schematically shows the structure of the sensor 10 according to the first embodiment.

센서(10)는 광 파이버 및 상기 광 파이버 내부에 형성되는 복수의 격자(40)를 포함한다. The sensor 10 includes an optical fiber and a plurality of gratings 40 formed within the optical fiber.

광 파이버는 유리 재질로 형성되어 자유롭게 굴절될 수 있는 클래딩(cladding)(20)과, 상기 클래딩(20)의 중심에서 클래딩(20)의 길이방향을 따라 형성된 코어(core)(30)를 포함한다. 클래딩(20)의 굴절율은 n1이고, 코어(30)의 굴절율은 n0로 서로 상이하다. 광 파이버의 양 단부에는 광원(91)(도 4 참조)으로부터 빛이 입사하는 광 입구(50)와, 코어(30)를 통과하여 빛이 출력되는 광 출구(60)가 형성된다. The optical fiber includes a cladding 20 formed of a glass material and freely refractable and a core 30 formed along the longitudinal direction of the cladding 20 at the center of the cladding 20 . The refractive index of the cladding 20 is n 1, and the refractive index of the core 30 is n 0 . At both ends of the optical fiber, a light inlet 50 through which light is incident from a light source 91 (see FIG. 4) and a light outlet 60 through which light is output through the core 30 are formed.

복수의 격자(grating)(40)들은 코어(30)의 내부에 형성되며, 코어(30)의 길이방향을 따라 동일한 간격(Λ)으로 배치된다. 격자(40)는 광 파이버의 제작 과정에서 자외선 빛을 통해 코어(30) 일부분의 물성을 변화시킨 부분으로, (n0+△n)의 굴절율을 가진다. A plurality of gratings 40 are formed inside the core 30 and are arranged at the same interval A along the longitudinal direction of the core 30. [ Grating 40 has a portion which through the ultraviolet light in the manufacturing process of the optical fiber changes in the physical properties of the core (30) portion, have a refractive index (n 0 + △ n).

격자(40)는 코어(30)를 통과하는 입사광을 간섭하게 되고, 입사광의 일부는 복수의 격자(40)에 의해 반사되어 광 입구(50)를 통해 반사광으로 출력된다. The grating 40 interferes with the incident light passing through the core 30 and a part of the incident light is reflected by the plurality of gratings 40 and is output as reflected light through the light entrance 50.

도 3의 (a)는 광 입구(50)를 통해 입사되는 입사광의 파장 대 크기에 대한 파장 스펙트럼을 도시한 것이고, 도 3의 (b)는 광 입구(50)를 통해 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 것이다. 3 (a) shows a wavelength spectrum of a wavelength vs. an incident light incident through the light entrance 50, and FIG. 3 (b) shows a wavelength spectrum of the reflected light output through the light entrance 50. FIG. FIG.

광대역의 파장을 가지는 입사광이 코어(30)로 입사되더라도, 코어(30) 중간에 위치하는 복수의 격자(40)에 의한 간섭으로 광 입구(50)를 통해 특정 파장(λB)의 반사광만이 출력된다. 구체적으로, 광 입구(50)를 통해 입사된 입사광의 일부는 제일 처음 위치한 제1격자에 부딪히며 반사되고, 나머지 일부는 제1격자를 통과해 전진한다. 제1격자를 통과한 빛의 일부는 제2격자에 부딪히며 반사되고, 반사된 광은 제1격자와 다시 만나서 일부는 그대로 통과해 제일 처음으로 제1격자에 의해 반사된 빛과 합쳐지고, 나머지 일부는 제1격자에 의해 다시 반사되어 제2격자로 향한다. 이와 같은 현상은 제2격자 다음에 위치한 격자들에서도 동일하게 반복적으로 일어나고, 광 파이버로 입사된 입사광은 복수의 격자(40)에 의해 반사와 통과를 거듭하면서 서로 간섭을 일으키게 된다. 결국, 도 3의 (a)에 도시된 형태의 파장 스펙트럼을 가지는 입사광이 입사되더라도, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 파장(λB) 외의 파장의 반사광들은 서로에 의한 간섭으로 거의 모두 소실되고, 파장(λB)을 가지는 반사광만이 광 입구(50)를 통해 출력된다. Even if incident light having a wide wavelength is incident on the core 30, only the reflected light of a specific wavelength? B through the light entrance 50 due to interference by the plurality of gratings 40 located in the middle of the core 30 . Specifically, a part of the incident light incident through the light entrance 50 collides with the first grating positioned first, and the remaining part of the incident light advances through the first grating. A part of the light passing through the first grating collides with the second grating and the reflected light meets the first grating again and partly passes therethrough and is first combined with the light reflected by the first grating, Is again reflected by the first grating and directed to the second grating. The same phenomenon occurs repeatedly in the gratings positioned after the second grating, and the incident light incident on the optical fiber is reflected and passed by the plurality of gratings 40 and interferes with each other. After all, even if the incident light has the form of the wavelength spectrum shown in Figure 3 (a) is incident, reflected light of the wavelength other than the wavelength (λ B), as shown in Figure 3 (b) are almost all the interference due to each other And only the reflected light having the wavelength? B is outputted through the light entrance 50.

이때, 반사광의 파장(λB)은 하기 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다. At this time, the wavelength (? B ) of the reflected light can be expressed by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

λB = 2·neff·Λλ B = 2 · n eff · Λ

여기서, neff는 코어의 유효 굴절율을 나타내는 지표이다. Here, n eff is an index indicating the effective refractive index of the core.

위와 같은 구성을 가지는 광 파이버의 특정 부분에 굴절이 발생하면, 굴절된 부분의 격자 간격이 변화하면서 파장 스펙트럼에 변화가 일어난다. 즉, 반사광의 파장 스펙트럼의 변화가 감지되면, 광 파이버가 굴절하였다는 것을 확인할 수 있는 것이다. When a refraction occurs in a specific portion of the optical fiber having the above-described configuration, a change occurs in the wavelength spectrum while the lattice spacing of the refracted portion changes. That is, when a change in the wavelength spectrum of the reflected light is detected, it can be confirmed that the optical fiber is refracted.

본 실시예에 따르면, 상기와 같은 구성의 센서(10)가 작업 로봇(1) 내부에 형성된다. According to the present embodiment, the sensor 10 having the above-described configuration is formed inside the work robot 1. [

도 4 내지 도 6은 센서(10)가 구비된 작업 로봇(1)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 5 및 도 6에는 도시의 편의를 위해 센서(10)의 코어(30)와 격자(40)만을 도시하였다. Figs. 4 to 6 schematically show a work robot 1 provided with a sensor 10. Fig. 5 and 6 show only the core 30 and the lattice 40 of the sensor 10 for convenience of illustration.

도 4에 도시된 바와 같이, 센서(10)는 광 파이버가 작업 로봇(1)의 몸체(3) 후단부에서부터 삽입되어 작업체(2)까지 연장된다. 작업 로봇(1)에는 센서(10)로 입사광을 입사시키는 광원(91)과, 센서(10)로부터 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 분석하는 광 분석기(92)가 결합된다. 센서(10)로부터 출력되는 반사광을 광 분석기(92)로 보내기 위한 광 분배기(93)가 더 구비될 수도 있다. As shown in Fig. 4, the sensor 10 is inserted from the rear end of the body 3 of the work robot 1 to extend to the worker 2. The work robot 1 is coupled with a light source 91 for making incident light incident on the sensor 10 and an optical analyzer 92 for analyzing the wavelength spectrum of the reflected light output from the sensor 10. An optical distributor 93 for transmitting the reflected light output from the sensor 10 to the optical analyzer 92 may be further provided.

도 5에 도시된 바와 같이, 작업 로봇(1)의 작업체(2)는 예를 들어 고무와 같은 탄성 변형 가능한 재질의 표피(4)를 포함한다. 본 실시예에 따르면 센서(10)의 광 파이버는 작업체(2)의 모든 면을 통과할 수 있도록 형성된다. As shown in Fig. 5, the work shop 2 of the work robot 1 includes a skin 4 of an elastically deformable material such as rubber, for example. According to the present embodiment, the optical fiber of the sensor 10 is formed so as to be able to pass through all the sides of the worker 2.

도 6에 도시된 바와 같이, 탄성 재질의 표피(4)는 물체(M)를 파지하는 등의 이유로 외력이 가해지면 그 형상이 변형되고, 센서(10)의 광 파이버는 표피(4)의 형상 변화에 대응하여 그 일부가 굴절된다. 광 파이버가 굴절되면 해당 굴절 부분에 위치한 격자(40)의 간격이 변화하게 되고, 그에 따른 반사광의 파장 스펙트럼 변화가 광 분석기(92)에 감지된다. 의미 있는 정도의 파장 스펙트럼의 변화가 감지되면 작업체(2)에 소정의 외력이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
6, the shape of the skin 4 of the elastic material is deformed when an external force is applied for holding the object M or the like, and the optical fiber of the sensor 10 is deformed in the shape of the skin 4 A part thereof is refracted in response to the change. When the optical fiber is refracted, the interval of the grating 40 located at the refraction portion changes, and the change of the wavelength spectrum of the reflected light is detected by the optical analyzer 92. If a significant change in the wavelength spectrum is detected, it is possible to know that a predetermined external force has been applied to the manufacturer 2.

[제2실시예][Second Embodiment]

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 센서(100)의 측면도이고, 도 8은 도 7의 센서(100)의 정면도이다. FIG. 7 is a side view of the sensor 100 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a front view of the sensor 100 of FIG.

센서(100)는 광 파이버 및 상기 광 파이버 내부에 형성되는 복수의 격자들을 포함한다. The sensor 100 includes an optical fiber and a plurality of gratings formed inside the optical fiber.

광 파이버는 소정 길이로 연장되는 클래딩(110)과, 클래딩(110)의 내부에서 클래딩(110)의 길이방향을 따라 연장되는 코어(120)를 포함한다. 클래딩(110)의 외주에는 클래딩(110)을 감싸는 버퍼(buffer)와 상기 버퍼를 감싸는 재킷(jacket)이 더 형성될 수 있으나, 본 실시예에서는 도시 생략하였다. The optical fiber includes a cladding 110 extending to a predetermined length and a core 120 extending along the longitudinal direction of the cladding 110 inside the cladding 110. A buffer for surrounding the cladding 110 and a jacket for enclosing the buffer may be formed on the outer periphery of the cladding 110, but are not shown in the present embodiment.

광 파이버는 주로 실리카(silica, SiO2) 등의 유리 재질로 이루어진다. 클래딩(110)은 순수한 실리카, 코어(120)는 저마늄이 첨가된 실리카(Ge doped SiO2)로 이루어져 굴절률이 서로 다르게 된다. 광 파이버의 양 단부에는 광원(91)(도 16 참조)으로부터 빛이 입사하는 광 입구(130)와, 코어(120)를 통과하여 빛이 출력되는 광 출구(140)가 형성된다. The optical fiber is mainly made of a glass material such as silica (SiO 2 ). The cladding 110 is made of pure silica and the core 120 is made of silica doped with germanium (Ge doped SiO 2 ), so that refractive indexes are different from each other. At both ends of the optical fiber, a light inlet 130 through which light is incident from a light source 91 (see FIG. 16) and a light outlet 140 through which light is output through the core 120 are formed.

도 7에 도시된 바와 같이, 코어(120)에는 코어(120)의 길이방향을 따라 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)가 형성된다. 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)의 코어(120)의 굴절률과 상이하다. 한편, 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각의 굴절률을 서로 동일하다. As shown in FIG. 7, a plurality of gratings g 1 , g 2 ,... G a ,..., G n are formed in the core 120 along the longitudinal direction of the core 120. Differs from the refractive index of the core 120 of the plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ... g n . On the other hand, the refractive indices of the plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ..., g n are equal to each other.

복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)들은 서로 다른 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)으로 이격되어 배치된다. 본 실시예에 따르면 광 입구(130)에서 광 출구(140)로 갈수록 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 증가한다. 본 실시예에 따르면 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)은 일정한 비율로 점진적으로 증가한다. 본 실시예에 따르면, 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 증가하지만, 필요에 따라서 격자들 간의 간격(Λ1, Λ2,.. Λa,... Λn-1)이 일정한 함수로 감소하도록 할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. The plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ..., g n are spaced apart by different distances Λ 1 , Λ 2 , Λ a , ... Λ n-1 do. According to this embodiment, the spacing (Λ 1 , Λ 2 , ..., Λ a , ... Λ n-1 ) between the gratings increases from the light inlet 130 to the light exit 140 as a constant function. According to this embodiment, the spacing (Λ 1 , Λ 2 , ... Λ a , ... Λ n-1 ) between the gratings gradually increases at a constant rate. According to this embodiment, the spacing (Λ 1 , Λ 2 , ... Λ a , ... Λ n-1 ) between the gratings increases with a constant function, but the spacing (Λ 1 , Λ 2 , .. it will be understood that also a Λ a, ... Λ n-1 ) so as to decrease at a constant function.

한편, 광 파이버의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 크다. 이러한 코어(120)의 수평축과 수직축 방향의 밀도 차이는 스트레스 강화부(160)에 의해 이루어진다. On the other hand, the core 120 of the optical fiber has a density in the horizontal axis (x) direction larger than a density in the vertical axis (y) direction. The density difference between the horizontal axis and the vertical axis of the core 120 is achieved by the stress enhancing unit 160.

스트레스 강화부(160)는 클래딩(110)과 열팽창계수가 다른 물질을 클래딩(110)에 삽입하여 형성된 부분이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 두 개의 스트레스 강화부(160)가 코어(120)를 중심으로 광 파이버의 수평축 상에 대칭으로 형성된다. The stress enhancing unit 160 is formed by inserting a material having a thermal expansion coefficient different from that of the cladding 110 into the cladding 110. As shown in FIG. 8, according to the present embodiment, two stress-strengthening portions 160 are formed symmetrically on the horizontal axis of the optical fiber about the core 120.

광 파이버에 스트레스 강화부(160)를 형성하는 과정을 설명한다. 먼저, 광 파이버를 형성하기 위한 원통형의 모재에 스트레스 강화부(160)가 형성될 위치에 드릴링 가공을 하고 스트레스 강화부(160)의 재료를 삽입한다. 높은 온도에서 광섬유의 모재 제조 공정이 완료되고, 모재를 드로잉(drawing)하여 냉각시키면 광 파이버가 형성된다. 이때, 클래딩(110)과 스트레스 강화부(160)의 열팽창계수의 차이로 인해 수평방향의 수축과 수직방향의 수축 정도에 차이가 일어나 코어(120)에서 한쪽 방향으로만 인장응력이 발생하게 된다. A process of forming the stress enhancing unit 160 on the optical fiber will be described. First, a cylindrical base material for forming an optical fiber is drilled at a position where the stress-strengthening portion 160 is to be formed, and the material of the stress-strengthening portion 160 is inserted. When the base material manufacturing process of the optical fiber is completed at a high temperature and the base material is drawn and cooled, an optical fiber is formed. At this time, due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the cladding 110 and the stress-strengthening portion 160, there occurs a difference in shrinkage in the horizontal direction and shrinkage in the vertical direction, so that tensile stress is generated only in one direction in the core 120.

본 실시예에 따르면, 두 개의 스트레스 강화부(160)가 코어(120)를 중심으로 광 파이버의 수평축 상에 대칭으로 형성되고, 스트레스 강화부(160)로는 열 팽창계수가 클래딩(110)의 열팽창계수보다 작은 물질이 쓰인다. 이 경우 수축시 스트레스 강화부(160)가 클래딩(110)에 비해 덜 수축되며, 스트레스 강화부(160)는 코어(120)를 광 파이버의 수평축 방향으로 압축한다. 이러한 구성에 의해, 광 파이버의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 커지게 된다. According to this embodiment, the two stress-strengthening portions 160 are formed symmetrically on the horizontal axis of the optical fiber about the core 120, and the thermal expansion coefficient of the stress-strengthening portion 160 is equal to the thermal expansion coefficient of the cladding 110 Substance smaller than coefficient is used. In this case, the stress-strengthening portion 160 is contracted less than the cladding 110 at the time of contraction, and the stress-strengthening portion 160 compresses the core 120 in the horizontal axis direction of the optical fiber. With such a configuration, the core 120 of the optical fiber has a density in the horizontal axis (x) direction larger than a density in the vertical axis (y) direction.

광 파이버의 코어(120)는 수평축(x) 방향의 밀도가 수직축(y) 방향의 밀도보다 크므로, 수평축(x) 방향의 굴절율이 수직축(y) 방향의 굴절율보다 커지게 된다. 또한, 코어(120)의 물성을 변화시켜 형성한 복수의 격자들의 수평축(x) 방향의 굴절율이 수직축(y) 방향의 굴절율보다 크다. The refractive index of the core 120 of the optical fiber in the direction of the horizontal axis x becomes larger than the refractive index of the direction of the vertical axis y because the density in the horizontal axis x direction is larger than the density in the vertical axis y direction. In addition, the refractive index in the horizontal axis (x) direction of the plurality of gratings formed by changing the physical properties of the core 120 is larger than the refractive index in the vertical axis (y) direction.

따라서, 코어(120)의 광 입구를 통해 입사되어 복수의 격자에 의한 간섭을 겪은 빛이 광 입구를 통해 다시 빠져나올 때 수평축(x) 방향으로 편광된 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 반사광은 서로 파장차(△λ)를 가지게 된다. Therefore, when light incident through the light entrance of the core 120 and having undergone interference by a plurality of gratings is again emitted through the light entrance, reflected light polarized in the horizontal axis (x) direction and reflected light polarized in the vertical axis (y) Have a wavelength difference DELTA lambda.

이하에서는, 도 9를 참조하여 본 실시예에 따른 센서(100)의 반사광 특성을 더 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the reflected light characteristic of the sensor 100 according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIG.

광 파이버의 광 입구(130)를 통해 입사광이 입사하면 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn)에 의해 반사된 반사광(R)이 광 입구(130)로 출력된다. The reflected light R reflected by the plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ..., g n is incident on the light entrance 130 when the incident light enters through the light entrance 130 of the optical fiber. .

앞서 설명한 바와 같이, 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 간의 간격은 일정한 비율로 증가하므로, 반사광(R)의 파장 스펙트럼은 도 9에 도시된 바와 같이 광대역의 파장 스펙트럼을 가지는 곡선(Cx, Cy)으로 표현된다. As described above, since the interval between the plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ..., g n increases at a constant rate, the wavelength spectrum of the reflected light R (C x , C y ) having a wide spectrum of wavelengths.

상기 [수학식 1]의 관계에 의해, 곡선(Cx, Cy)의 피크들은 각각 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각에 의한 반사광의 파장(λ1, λ2,... λa,...λn)을 나타낸다. The peaks of the curves C x and C y correspond to the peaks of the reflected light of each of the plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ..., g n , respectively, (? 1 ,? 2 , ...? A , ...? N ).

상술한 바와 같이, 코어(120)의 광 입구를 통해 출력되는 수평축(x) 방향으로 편광된 제1 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 제2 반사광은 서로 파장차(△λ)가 발생한다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이, 수평축(x) 방향으로 편광된 제1 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 제2 반사광은 각각 서로 대역이 상이한 두 개의 곡선(Cx, Cy)으로 표시된다. 두 곡선(Cx, Cy)은 각각 독립적으로 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 각각에 의한 반사광의 파장을 나타낸다. 예를 들어, 곡선(Cx, Cy)에서 파장(λx1)과 파장(λy1)은 모두 격자(g1)에 의해 반사되는 반사광의 파장을 나타낸다. 파장(λx1)과 파장(λy1)은 △λ의 파장차를 가진다. As described above, the wavelength difference? Is generated between the first reflected light polarized in the direction of the horizontal axis (x) and the second reflected light polarized in the vertical axis (y) direction output through the light entrance of the core 120 . 9, the first reflected light polarized in the horizontal axis (x) direction and the second reflected light polarized in the vertical axis (y) have two curved lines C x and C y , which are different in band from each other Is displayed. The two curves C x and C y independently represent the wavelength of the reflected light by each of the plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ..., g n . For example, in the curves (C x , C y ), the wavelength (λ x1 ) and the wavelength (λ y1 ) both represent the wavelength of the reflected light reflected by the grating (g 1 ). The wavelength (λ x1 ) and the wavelength (λ y1 ) have wavelength differences of Δλ.

본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 복수의 격자(g1, g2,... ga,... gn) 사이의 간격이 증가 또는 감소함에 따라서 감지되는 파장 변화를 통해 굴절 상태를 검측한다. The optical fiber 100 according to the present embodiment is configured such that the distance between the plurality of gratings g 1 , g 2 , ... g a , ..., g n increases or decreases, .

광 파이버의 중심이 광 파이버 전체의 굴절 중심과 동일한 경우, 광 파이버 중심을 기준으로 한 격자 간격은 그 변화 정도가 평균이 0이 되므로(광 파이버 중심을 기준으로 일 부분에서는 인접한 두 격자의 간격이 늘어나는 반면, 그 반대쪽 부분에서는 두 격자의 간격이 줄어들기 때문에 평균 간격의 변화는 실질적으로 0이 된다), 정확한 굴절 상태를 계산할 수 없다. When the center of the optical fiber is the same as the center of refraction of the entire optical fiber, the lattice spacing based on the center of the optical fiber has an average degree of change of 0 (the distance between two adjacent lattices , Whereas on the opposite side, the spacing of the two gratings is reduced, so that the change in mean spacing is virtually zero), and the exact state of refraction can not be calculated.

따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 코어(120)의 중심이 센서(100) 전체의 굴절 중심과 이격되도록 한다. 예를 들어, 센서(100)의 중심이 실제 굴절 중심과 이격되도록, 도 10에 도시된 바와 같이 센서(100)의 중심이 작업 로봇(1)의 몸체(3)의 중심(즉, 굴절 중심)과 이격되어 지나도록 한다. Accordingly, as shown in FIG. 10, according to the present embodiment, the center of the core 120 is spaced apart from the center of refraction of the entire sensor 100. 10, the center of the sensor 100 is positioned at the center of the body 3 (i.e., the center of refraction) of the work robot 1 so that the center of the sensor 100 is spaced apart from the actual center of refraction, And so on.

이하에서는, 도 11 및 도 12를 참조하여 센서(100)의 광 파이버가 굴절된 위치를 검측하는 과정을 설명한다.  Hereinafter, a process of detecting the position where the optical fiber of the sensor 100 is refracted will be described with reference to FIGS. 11 and 12. FIG.

상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 센서(100)의 광 파이버는 굴절 상태를 파악하기 위하여 수평축(x) 방향으로 편광된 제1 반사광과 수직축(y) 방향으로 편광된 제2 반사광을 모두 이용하지만, 도 12에서는 설명의 편의를 위해 수평축(x) 방향으로 편광된 제2 반사광의 파장 스펙트럼만을 도시하였다. 또한, 도 12에는 굴절이 발생하기 전 상태를 나타내는 곡선(Cbefore)과 굴절이 발생한 후를 나타내는 곡선(Cafter)을 동시에 도시하였다. As described above, the optical fiber of the sensor 100 according to the present embodiment uses both the first reflected light polarized in the horizontal axis (x) direction and the second reflected light polarized in the vertical axis (y) direction in order to grasp the refracted state , Only the wavelength spectrum of the second reflected light polarized in the direction of the horizontal axis (x) is shown in FIG. 12 for convenience of explanation. 12 shows a curve C before before the refraction occurs and a curve C after after the refraction occurs.

광 파이버가 굴절부분 1(도 11)에서 굴절되었다고 가정하면, 굴절부분 1에 위치하는 격자와 그와 인접한 격자 사이의 간격이 변화하게 된다(도 12는 굴절에 의해 굴절부분 1에서 격자 간격이 증가하는 방향으로 굴절된 경우이다). 이에 따라서, 굴절부분 1에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장도 변화하게 된다. 결과적으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 파장(λ1)에서의 반사광의 크기(R)는 감소하고, 굴절부분 1에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장 변화로 인해 파장(λ1) 인근 파장(변화된 반사광의 파장)의 빛의 세기가 증가하면서 피크(P1)가 발생하게 된다. Assuming that the optical fiber is refracted at the refracting portion 1 (Fig. 11), the distance between the grating located at the refracting portion 1 and the adjacent grating is changed (Fig. 12 shows that the grating interval at the refracting portion 1 increases As shown in Fig. Accordingly, the wavelength of the reflected light due to the grating located at the refracting portion 1 also changes. As a result, as shown in Fig. 12, the magnitude R of the reflected light at the wavelength? 1 decreases and the wavelength (? 1 ) near the wavelength? 1 due to the wavelength change of the reflected light due to the grating located at the refracting portion 1 The wavelength of the reflected light) is increased and the peak P 1 is generated.

광 파이버가 굴절부분 2에서 더 한번 굴절되는 경우, 도 12에 도시된 바와 같이, 굴절부분 2에 위치한 격자에 의한 반사광의 파장(λ2)이 옆쪽으로 이동하며 피크(P2)가 발생하게 된다. When the optical fiber is further refracted at the refraction portion 2, as shown in Fig. 12, the wavelength? 2 of the reflected light due to the grating located at the refraction portion 2 moves sideways and a peak P 2 is generated .

본 실시예에 따르면 광 파이버가 굴절되지 않은 상태에서의 복수의 격자 각각에 의한 반사광의 파장을 알고 있으므로, 상기한 원리를 역으로 이용하여 반사광의 파장 스펙트럼 중에서 반사광의 크기가 감소하는 파장을 검출하여 해당 파장의 반사광에 대응하는 격자의 위치를 검출할 수 있게 된다. 즉, 광 파이버가 굴절하는 경우 파장 스펙트럼 변화를 통해 어느 격자가 위치한 부분에서 굴절이 발생하였는지 검출할 수 있는 것이다. According to this embodiment, since the wavelength of the reflected light by each of the plurality of gratings in the state where the optical fiber is not refracted is known, a wavelength in which the size of the reflected light decreases in the wavelength spectrum of the reflected light is detected using the above- The position of the grating corresponding to the reflected light of the wavelength can be detected. That is, when the optical fiber is refracted, it is possible to detect the occurrence of the refraction at the portion where the lattice is located through the change of the wavelength spectrum.

이하에서는, 도 13 및 도 14를 참조하여 광 파이버가 굴절된 정도를 검측하는 원리를 설명한다. Hereinafter, the principle of detecting the degree of refraction of the optical fiber will be described with reference to Figs. 13 and 14. Fig.

도 13에는 설명의 편의를 위해 수평축(x) 방향으로 편광된 제1 반사광의 파장 스펙트럼만을 도시하였다. 또한, 도 14에는 도 13(a)의 경우에 해당하는 파장 스펙트럼 곡선(R1)과, 도 13(b)의 경우에 해당하는 파장 스펙트럼 곡선(R2)을 동시에 도시하였다. 13 shows only the wavelength spectrum of the first reflected light polarized in the horizontal axis (x) direction for convenience of explanation. 14 shows the wavelength spectrum curve R1 corresponding to the case of FIG. 13 (a) and the wavelength spectrum curve R2 corresponding to the case of FIG. 13 (b).

도 13(a) 및 도 13(b)는 광 파이버(100)가 동일한 지점에서 굴절되었으나, 굴절 정도가 상이한 경우를 도시한 것이다. 도 13(a)가 도 13(b)에 비해 더 많이 굴절된 상태를 도시한다(즉, r1 < r2). 두 경우에, 도 14에 도시된 바와 같이, 곡선(R1)와 곡선(R2)은 거의 동일한 파장에서 피크가 발생하지만, 피크의 크기(R)가 서로 상이하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 굴절에 의해 발생하는 피크의 크기를 분석하여 광 파이버가 굴절된 정도를 검출할 수 있다. 13 (a) and 13 (b) show a case where the optical fiber 100 is refracted at the same point, but the degree of refraction is different. Figure 13 (a) shows a state of being more refracted compared to Figure 13 (b) (i.e., r1 < r2). In both cases, as shown in Fig. 14, it is confirmed that the curves R1 and R2 generate peaks at almost the same wavelength, but the peaks R are formed to be different from each other. Therefore, the degree of refraction of the optical fiber can be detected by analyzing the magnitude of the peak caused by the refraction.

이하에서는, 도 7, 도 10 및 도 15를 참조하여 광 파이버가 굴절된 방향 및 그 각도를 검출하는 원리를 설명한다. Hereinafter, the principle of detecting the direction in which the optical fiber is refracted and the angle thereof will be described with reference to Figs. 7, 10, and 15. Fig.

본 실시예에 따르면, 보다 정확한 광 파이버의 굴절 방향 검출을 위해 굴절에 따른 굴절률의 변화를 함께 고려한다. According to this embodiment, in order to more accurately detect the refraction direction of the optical fiber, a change in refractive index due to refraction is considered together.

광 파이버가 도 7의 격자(ga) 위치에서, 도 10의 방향 A로 굴절할 경우, 격자(ga)와 그와 인접한 격자의 x축 방향 간격(Λx) 및 y축 방향 간격(Λy)은 모두 실질적으로 동일한 정도로 감소하게 된다. 한편, 광 파이버가 실질적으로 x축 방향으로 굴절함에 따라서, 광 파이버는 x축 방향으로 신장되어 밀도가 증가함에 따라서 굴절 위치에서의 x축 방향 굴절률(nx)은 감소되는 반면, y축 방향 굴절률(ny)은 실질적으로 유지된다. Lattice of the optical fiber Fig. 7 (g a) in a position, when the refraction in the direction A in Figure 10, the grating (g a) and the x-axis direction interval (Λ x) and y-axis direction interval between the grid and the adjacent its (Λ y are all reduced to substantially the same degree. On the other hand, as the optical fiber is substantially refracted in the x-axis direction, the optical fiber is elongated in the x-axis direction and the refractive index ( x ) in the x-axis direction at the refraction position decreases as the density increases, (n y ) is substantially maintained.

따라서, 격자(ga)에 의한 x축 방향의 반사광의 파장(λax)은 전체적으로 감소하게 되고, 도 15(a)에 도시된 바와 같이, 파장 스펙트럼 곡선에서 파장(λax)을 가지는 빛의 크기가 감소하여 파장(λax)에서 R값이 감소하고, 파장(λax) 보다 좌측에 위치한 파장(λax+△λx)에서 피크(P1x)가 발생한다. Therefore, the wavelength? Ax of the reflected light in the x-axis direction by the grating g a is entirely decreased, and as shown in Fig. 15 (a), the light having the wavelength? Ax in the wavelength spectrum curve is the wavelength of the peak (P 1x) in the value R is reduced from (λ ax), and the wavelength of the wavelength (λ ax + △ λ x) on the left side than (λ ax) generated by size reduction.

또한, 격자(ga)에 의한 y축 방향의 반사광의 파장(λay)도 전체적으로 감소하게 되고, 도 15(b)에 도시된 바와 같이, 파장 스펙트럼 곡선에서 파장(λay)을 가지는 빛의 크기가 감소하여 파장(λay)에서 R값이 감소하고, 파장(λay) 보다 좌측에 위치한 파장(λay+△λy)에서 피크(P1y)가 발생한다. Further, the light having a grating (g a), the wavelength (λ ay) at a wavelength spectrum curve as shown in Fig been reduced as a whole, Fig. 15 (b) the wavelength (λ ay) in the y axis direction of reflected light by the It causes a decrease in the R value in the wavelength (λ ay) by the size decreases, the peak wavelength (P 1y) in the wavelength (λ ay + △ λ y) on the left side than (λ ay).

다만, 상기 [수학식 1]의 관계에 따라, x축 방향의 반사광의 파장(λax)은 굴절률(nx)이 감소량이 반영되어 y축 방향의 반사광의 파장(λay)에 비해 좌측으로 더 많이 시프트(shift)되는 특성을 가진다. 즉, |△λx | > |△λy|가 된다. However, the left compared to the Equation 1 in accordance with the relationship, (λ ax) the wavelength of the x-axis direction, the reflected light is the refractive index (n x)ay) The reduction is reflected wave of the y-axis direction, the reflected light And has a characteristic of being further shifted. That is, | Δλ x |> | Δλ y |

한편, 광 파이버(100)가 도 10의 방향 B로 굴절되는 경우, 방향 A와 동일하게 격자(ga)와 그와 인접한 격자의 x축 방향 간격(Λx)과 y축 방향 간격(Λy)이 모두 실질적으로 동일한 정도로 감소하지만, x축 방향 굴절률(nx)은 실질적으로 유지되고 y축 방향 굴절률(ny)은 감소하게 된다. 따라서, |△λx | < |△λy|인 관계를 가지고 격자(ga)에 의한 x축 방향의 반사광의 파장(λax)과 y축 방향의 반사광의 파장(λay)이 좌측으로 시프트되는 현상을 관찰할 수 있다. 이와 같은 차이를 이용하면 방향 A와 방향 B로의 굴절 방향을 구분할 수 있다. On the other hand, when the optical fiber 100 is bent in the direction B in Fig. 10, the x-axis direction spacing Λ x and the y-axis direction spacing Λ y of the grating g a and adjacent gratings ) Are all reduced to substantially the same degree, but the refractive index ( x ) in the x-axis direction is substantially maintained and the refractive index ( y ) in the y-axis direction is decreased. Accordingly, the wavelength (? Ax ) of the reflected light in the x-axis direction and the wavelength (? Ay ) of the reflected light in the y-axis direction by the grating (g a ) have a relationship of | Δλ x | <| Δλ y | The phenomenon of shifting can be observed. With this difference, it is possible to distinguish the direction of refraction from direction A and direction B.

광 파이버가 도 10의 방향 C로 굴절할 경우, 격자(ga)와 그와 인접한 격자의 x축 방향 간격(Λx) 및 y축 방향 간격(Λy)은 모두 실질적으로 동일한 정도로 증가하게 된다. 다만, 광 파이버가 실질적으로 x축 방향으로 굴절함에 따라서, 광 파이버는 x축 방향으로 더 신장되어 굴절 위치에서의 x축 방향 굴절률(nx)은 증가하는 반면, y축 방향 굴절률(ny)은 실질적으로 유지된다. Light when the fiber is to be refracted in the direction C in Figure 10, the grating (g a) and the x-axis spacing of the lattice (Λ x) and y-axis direction interval (Λ y) adjacent to that is that both increased substantially to the same extent . However, while the optical fiber is substantially As the refraction in the x-axis direction, the optical fiber is further extended in the x axis direction is increased to the x-axis direction refractive index (n x) of the refractive position, y-axis direction refractive index (n y) Is substantially maintained.

따라서, 격자(ga)에 의한 x축 방향의 반사광의 파장(λax)과 y축 방향의 반사광의 파장(λay)은 모두 우측으로 시프트되지만, x축 방향의 반사광의 파장(λax)은 굴절률(nx)의 증가량이 반영되어 y축 방향의 반사광의 파장(λay)에 비해 우측으로 더 많이 시프트(shift)되는 특성을 가진다. Therefore, although the wavelength? Ax of the reflected light in the x-axis direction by the grating g a and the wavelength? Ay of the reflected light in the y-axis direction are all shifted to the right, the wavelength? Ax of the reflected light in the x- Axis is further shifted to the right compared to the wavelength (λ ay ) of the reflected light in the y-axis direction by reflecting the increase amount of the refractive index (n x ).

한편, 광 파이버(100)가 도 10의 방향 D로 굴절되는 경우, 방향 A와 동일하게 격자(ga)와 그와 인접한 격자의 x축 방향 간격(Λx)과 y축 방향 간격(Λy)이 모두 증가하지만, x축 방향 굴절률(nx)은 실질적으로 유지되고 y축 방향 굴절률(ny)은 증가하게 된다. 따라서, 격자(ga)에 의한 y축 방향의 반사광의 파장(λay)이 x축 방향의 반사광의 파장(λax)에 비해 우측으로 더 많이 시프트되는 현상을 관찰할 수 있다. 이와 같은 차이를 이용하면 방향 C와 방향 D의 굴절 방향 역시 구분할 수 있다. On the other hand, when the optical fiber 100 to be refracted in the direction D of Figure 10, the grating (g a) equal to the direction A and the x-axis spacing of the grating adjacent to the (Λ x) and y-axis direction interval (Λ y The refractive index n x in the x-axis direction is substantially maintained and the refractive index n y in the y-axis direction is increased. Therefore, it is possible to observe a phenomenon that the wavelength (lambda ay ) of the reflected light in the y-axis direction by the grating (g a ) shifts further to the right compared to the wavelength (lambda ax ) of the reflected light in the x-axis direction. Using this difference, the directions of refraction in directions C and D can also be distinguished.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 코어(120)의 중심이 센서(100) 전체의 굴절 중심과 이격되어 있어, 광 파이버(100)의 굴절에 따라 격자의 x축 방향 간격(Λx)과 y축 방향 간격(Λy)이 실질적으로 동일한 정도로 증가 또는 감소하게 되므로, x축 방향의 반사광의 파장과 y축 방향의 반사광의 파장의 변화율을 분석하면, 상기 방향 A 내지 D 사이의 임의의 방향으로 휜 경우에도 그 방향을 구분하여 검출할 수 있다는 것이 이해될 것이다. As described above, according to this embodiment it is the center of the core 120 is separated from the whole refractive heart sensor (100), x-axis spacing of the grid in accordance with the refraction of the optical fiber (100), (Λ x) and axis direction spacing? y is increased or decreased to substantially the same degree. Therefore, if the wavelength of the reflected light in the x-axis direction and the rate of change in the wavelength of the reflected light in the y-axis direction are analyzed, It will be understood that the direction can be distinguished and detected.

나아가, 광 파이버가 굴절된 각도도 계산할 수 있다.Furthermore, the angle at which the optical fiber is refracted can also be calculated.

예를 들어, 광 파이버가 방향 A로 굴절된 경우, y 방향으로의 굴절률은 실질적으로 유지되므로, 도 15에서 곡선(Cy)에서 △λy를 상기 [수학식 1]에 대입하면 격자(ga)가 원위치에서 얼만큼 이동하였는지를 계산할 수 있다. 따라서, 광 파이버의 굴절에 의한 격자 간격의 변위를 알 수 있으므로, 격자(ga)가 회전한 각도를 계산해 낼 수 있다. For example, when the optical fiber is refracted in the direction A, the refractive index in the y direction is substantially maintained. Therefore, when Δλ y is substituted in the equation (1) in the curve C y in FIG. 15, It is possible to calculate how far a ) has moved from its original position. Thus, it is possible to know the displacement of lattice spacing by refraction of the optical fiber, the grating (g a) is rotated can be calculated the angle.

상술한 원리에 의해 본 실시예에 따른 광 파이버(100)는 하나의 파이버를 이용해 굴절된 위치뿐만 아니라, 굴절된 방향 및 그 각도를 모두 측정할 수 있다. The optical fiber 100 according to the present embodiment can measure not only the refracted position but also the refracted direction and the angle using the single fiber.

본 실시예에 따르면, 상기와 같은 구성의 센서(100)가 작업 로봇(1) 내부에 형성된다. According to the present embodiment, the sensor 100 having the above-described configuration is formed inside the work robot 1. [

도 16 내지 도 18은 센서(100)가 구비된 작업 로봇(1)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 17 및 도 18에는 도시의 편의를 위해 센서(100)의 코어(120)와 격자들만을 도시하였다. Figs. 16 to 18 schematically show the work robot 1 provided with the sensor 100. Fig. 17 and 18 show only the core 120 and the gratings of the sensor 100 for convenience of illustration.

도 16에 도시된 바와 같이, 센서(100)는 광 파이버가 작업 로봇(1)의 몸체(3) 후단부에서부터 삽입되어 작업체(2)까지 연장된다. 16, the sensor 100 is inserted from the rear end of the body 3 of the work robot 1 to extend to the worker 2.

상술한 바와 같이, 몸체(3) 내부에서 광 파이버는 몸체(3)의 중심을 다른 부분을 지나도록 배치되어, 센서(100)의 중심이 굴절 중심과 이격되도록 한다. As described above, inside the body 3, the optical fiber is disposed so as to pass through the other portion of the center of the body 3, so that the center of the sensor 100 is spaced apart from the center of refraction.

또한, 작업체(2) 상에서 센서(100)의 광 파이버는 표피(4) 내부에 삽입되거나(도 17 참조), 표피(4)의 표면에 밀착하여 부착됨으로써, 센서(100)의 중심이 굴절 중심과 이격된다(표피(4)의 경우 표피(4)의 중심부가 굴절 중심이 될 것이다). The optical fiber of the sensor 100 may be inserted into the skin 4 (see FIG. 17) or adhered closely to the surface of the skin 4 on the manufacturer 2 so that the center of the sensor 100 is refracted (In the case of the skin (4), the center of the skin (4) will be the center of refraction).

작업 로봇(1)에는 센서(100)로 입사광을 입사시키는 광원(91)과, 센서(100)로부터 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 분석하는 광 분석기(92)가 결합된다. 센서(100)로부터 출력되는 반사광을 광 분석기(92)로 보내기 위한 광 분배기(93)가 더 구비될 수도 있다. The work robot 1 is coupled with a light source 91 for making incident light incident on the sensor 100 and an optical analyzer 92 for analyzing the wavelength spectrum of the reflected light output from the sensor 100. An optical distributor 93 for transmitting the reflected light output from the sensor 100 to the optical analyzer 92 may be further provided.

도 17에 도시된 바와 같이, 작업 로봇(1)의 작업체(2)는 탄성 변형 가능한 재질의 표피(4)를 포함한다. 센서(100)의 광 파이버는 작업체(2)의 모든 면을 통과하도록 형성된다. As shown in Fig. 17, the work shop 2 of the work robot 1 includes a skin 4 of elastically deformable material. The optical fiber of the sensor 100 is formed so as to pass through all the surfaces of the worker 2.

본 실시예에 따르면, 몸체(3) 내부에는 첫번째 격자(g1)부터 a번째 격자(ga)가 위치하고, 이어서 작업체(2) 내부에는 a+1 번째 격자(ga +1)부터 n번째 격자(gn)가 위치한다. According to the present embodiment, the first grid g 1 to the a-th grid g a are located inside the body 3 and then the a + 1-th grid g a +1 to the n-th grid g a + Th grid (g n ).

상술한 바와 같이 각각의 격자에 대한 반사광의 대응하는 파장 값은 알고 있으므로, 반사광의 파장 스펙트럼 중 몸체(3) 내부에 위치한 격자들에 의한 파장과 작업체(2) 내부에 위치한 격자들에 의한 파장들을 구분할 수 있다. As described above, since the corresponding wavelength values of the reflected light for each grating are known, the wavelengths due to the gratings located inside the body 3 and the wavelengths due to the gratings located inside the maker 2 in the wavelength spectrum of the reflected light .

본 실시예에 따르면, 작업체(2) 내부에 위치한 격자의 간격 변화로 인해 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화로부터는 작업체(2)에 대한 외력의 작용 여부를 검출하고, 몸체(3) 내부에 위치한 격자의 간격 변화로 인해 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 몸체(3)의 굴절 상태를 검출한다. According to the present embodiment, it is detected from the change of the wavelength spectrum of the reflected light generated due to the change in the interval of the grid located inside the work shop 2 whether or not an external force acts on the small business 2, And detects the refraction state of the body 3 by detecting a change in the wavelength spectrum of the reflected light caused by the change in the interval of the grating located at

구체적으로, 도 18에 도시된 바와 같이, 탄성 재질의 표피(4)는 물체(M)를 파지하는 등의 이유로 외력이 가해지면 그 형상이 변형되고, 작업체(2) 내부에 위치한 센서(100)의 광 파이버는 표피(4)의 형상 변화에 대응하여 그 일부가 굴절된다. 광 파이버가 굴절되면 해당 굴절 부분에 위치한 격자들의 간격이 변화하게 되고, 반사광의 파장 스펙트럼에 구별할 수 있는 변화가 감지된다. 18, the elastic skin 4 deforms when an external force is applied to the object M for holding the object M or the like, and the sensor 100 Is partially refracted in correspondence with the shape change of the skin 4. When the optical fiber is refracted, the interval of the gratings located at the corresponding refraction portion changes, and a change that can be distinguished in the wavelength spectrum of the reflected light is detected.

이러한 파장 스펙트럼의 변화를 통해 작업체(2)에 대한 외력의 작용 여부 및 외력의 작용 위치를 검출할 수 있다. 나아가, 광 파이버의 굴절 방향 및 굴절 각도와, 표피(4)의 탄성 변형 계수 등을 이용하면 작용하는 외력의 크기도 검출해낼 수 있을 것이라는 것이 이해될 것이다. Through the change of the wavelength spectrum, it is possible to detect whether the external force acts on the manufacturer 2 and the external force acting position. Further, it will be understood that the magnitude of the external force acting by using the refractive direction and the deflection angle of the optical fiber, the elastic deformation coefficient of the skin 4, and the like will also be detected.

한편, 길게 뻗어 있던 몸체(2)가 도 1과 같이 구부러지는 경우 몸체(2) 내부에 위치한 광 파이버가 그에 따라서 굴절된다. 따라서, 몸체(2) 내부에 위치한 격자들(g1 ~ ga)에 의한 반사광의 파장 변화를 통해 몸체(2)의 굴절된 위치뿐만 아니라, 굴절된 방향 및 그 각도를 모두 측정할 수 있다.
On the other hand, when the elongated body 2 is bent as shown in Fig. 1, the optical fiber located inside the body 2 is refracted accordingly. Thus, the grids (g 1 g a ), it is possible to measure not only the refracted position of the body 2 but also the refracted direction and the angle thereof.

[제3실시예][Third Embodiment]

도 19는 본 발명의 제3실시예에 따른 광 파이버(200)의 측면도이다. 19 is a side view of an optical fiber 200 according to a third embodiment of the present invention.

센서(200)는 광 파이버 및 상기 광 파이버 내부에 형성되는 복수의 격자들을 포함한다. The sensor 200 includes an optical fiber and a plurality of gratings formed inside the optical fiber.

광 파이버는 클래딩(220)과 코어(230)를 포함한다. 클래딩(220)과 코어(230)의 굴절율은 서로 상이하다. The optical fiber includes a cladding 220 and a core 230. The refractive indices of the cladding 220 and the core 230 are different from each other.

코어(230)에는 각각 복수의 격자가 한 집합을 이루어 형성된 복수의 격자부(T1 ~ Tn)가 형성된다. 각각의 격자부를 형성하는 격자들은 서로 동일 간격으로 배치되어 있다. 각각의 격자부(T1 ~ Tn)를 이루는 세 개의 격자들의 간격(Λ1 ~ Λn)은 점점 증가하는 관계를 가진다(즉, Λ1<...<Λa<...<Λn). 각각의 격자부 사이의 간격은 격자부를 형성하는 격자들의 간격(Λ1,...Λa,...Λn)에 비하여 현저히 크다. The core 230 is formed with a plurality of lattice portions T 1 to T n each having a plurality of lattices. The gratings forming the grating portions are arranged at equal intervals from each other. The spacing (Λ 1 to Λ n ) of the three grids forming each grating (T 1 to T n ) has a gradually increasing relationship (ie, Λ 1 <... <Λ a < n ). The spacing between each lattice is significantly greater than the spacing of the lattices forming the lattice (Λ 1 , ... Λ a , ... Λ n ).

위와 같은 구성에 따르면, 광 파이버의 광 입구(250)로 입사된 입사광은 격자부들에 의한 간섭이 발생하고, 광 입구(250)로 출력되는 반사광은 도 20에 도시된 바와 같은 파장 스펙트럼을 가진다. According to the above configuration, the incident light incident on the light inlet 250 of the optical fiber is interfered by the grating portions, and the reflected light output to the light inlet 250 has a wavelength spectrum as shown in FIG.

도 20의 파장 스펙트럼에 나타나는 파장들(λ1,...λa,..., λg)은 각 격자부의 격자들의 간격(Λ1,...Λa,...Λn)을 상기 [수학식 1]에 대입하여 구한 값에 해당한다. 다시 말해서, 파장들(λ1,...λa,..., λg)은 각각 하나의 격자부들에 의해 반사되어 출력되는 반사광의 파장을 나타내는 것이다. The wavelengths appearing in the wavelength spectrum in Fig. 20 (λ 1, ... λ a , ..., λ g) is the interval (Λ 1, ... Λ a, ... Λ n) of the respective grid part a grid Which corresponds to the value obtained by substituting in Equation (1). In other words, the wavelengths (? 1 , ...,? A , ...,? G ) indicate the wavelengths of the reflected light reflected by one of the grating portions.

광 파이버가 제1격자부(T1Tn)가 위치한 부분에서 굴절되는 경우, 제1격자부(T1Tn)를 구성하는 격자들의 간격(Λ1)이 변화하게 될 것이고, 이에 따라 상기 [수학식 1]의 관계에 의해 도 20의 파장 곡선들 중 파장(λ1)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는(shift) 것을 관찰할 수 있게 된다. 파장(λ1)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는 것이 관찰되면 광 파이버가 제1격자부 위치에서 굴절되었다는 것을 알 수 있다. When the optical fiber is refracted at the portion where the first grating portion (T 1 T n ) is located, the interval (L 1 ) of the gratings constituting the first grating portion (T 1 T n ) will change, It is possible to observe that the curve for the wavelength? 1 among the wavelength curves of FIG. 20 shifts to the left and right by the relationship of the formula ( 1 ). It can be seen that the optical fiber is refracted at the first lattice position if it is observed that the curve for wavelength lambda 1 shifts to the left and right.

한편, 센서(200)와 동일한 구성의 센서를 복수개 형성하고, 각각의 센서에 대한 반사광의 파장 스펙트럼 변화를 이용하면 센서(200)가 형성된 대상의 굴절 방향 및 그 각도를 검출할 수 있다. On the other hand, by forming a plurality of sensors having the same configuration as that of the sensor 200 and using the wavelength spectrum change of the reflected light for each sensor, it is possible to detect the refraction direction and the angle of the object on which the sensor 200 is formed.

이하, 도 21을 참조하여 굴절 방향 및 각도 검출 원리를 설명한다. The refraction direction and angle detection principle will be described below with reference to Fig.

도 21에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면 두 개의 센서(200', 200")의 코어의 중심이 센서 전체의 굴절 중심과 이격되도록 하기 위해서 예를 들어 작업로봇(1)의 몸체(3) 내부에서 몸체(3)의 중심(굴절 중심)을 중심으로 서로 직각으로 배치된다. 두 개의 센서(200', 200")는 센서(200)와 동일한 센서이며, 서로 구분하기 위해 부재번호 200에 프라임(')와 더블 프라임(")을 표시하였다. 21, in order to make the center of the two sensors 200 ', 200 "be spaced apart from the center of refraction of the entire sensor, the body 3 of the work robot 1 The two sensors 200 'and 200' 'are the same sensors as the sensor 200. In order to distinguish the two sensors 200' and 200 'from each other, Prime (') and double prime (") are displayed.

도 21에서 몸체(3)가 E 방향으로 굴절하는 경우, 센서(200')는 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 간격이 감소하므로, 도 20과 같이 도시된 반사광의 파장 스펙트럼 곡선 중 해당 파장의 곡선이 좌측으로 이동하는 현상을 검출할 수 있다. 반면, 몸체(3)가 F 방향으로 굴절하는 경우, 파장 스펙트럼 곡선의 이동은 상기와 반대가 될 것이다. In FIG. 21, when the body 3 is refracted in the E direction, the lattice spacing of the lattice portion located at the refracting portion of the sensor 200 'decreases. Therefore, the curve of the wavelength spectrum of the reflected light shown in FIG. The phenomenon of moving to the left side can be detected. On the other hand, when the body 3 is refracted in the direction F, the movement of the wavelength spectrum curve will be opposite to the above.

한편, 몸체(3)가 G 방향으로 굴절하는 경우, 센서(200")는 굴절 부위에 위치한 격자부의 격자 간격이 감소하므로, 그 된 반사광의 파장 스펙트럼 곡선 중 해당 파장의 곡선이 좌측으로 이동하는 현상을 검출할 수 있다. H 방향으로 굴절하는 경우, 파장 스펙트럼 곡선의 이동은 상기와 반대가 될 것이다. On the other hand, when the body 3 is refracted in the G direction, the lattice spacing of the lattice portion located at the refraction portion of the sensor 200 " decreases, and thus the curve of the corresponding wavelength in the wavelength spectrum curve of the reflected light is shifted to the left In the case of refraction in the H direction, the shift of the wavelength spectrum curve will be opposite to the above.

이러한 원리를 이용하면 복수의 센서 각각으로부터 출력되는 반사광의 파장 변화를 분석하여 굴절된 방향을 알 수 있게 된다. By using this principle, it is possible to know the refracted direction by analyzing the wavelength change of the reflected light output from each of the plurality of sensors.

또한, 두 센서(200', 및 200")의 반사광 파장 변화를 각각 분석하면, 몸체(3)가 예를 들어, 방향 E와 G 사이의 임의 방향으로 굴절된 경우에도 그 굴절 방향을 검측할 수 있다는 것이 이해될 것이다. Also, by analyzing the changes in the reflected light wavelengths of the two sensors 200 'and 200 ", it is possible to detect the refraction direction even when the body 3 is refracted in any direction between the directions E and G, for example .

또한, 앞선 실시예에서도 설명한 바와 같이, 각각의 광 파이버에 대한 파장 변화값(△λ)을 상기 [수학식 1]에 대입하면 해당 광 파이버의 격자부의 변위를 계산할 수 있고, 이를 통해 굴절된 각도를 계산할 수 있다는 것도 이해될 수 있을 것이다. Further, as described in the foregoing embodiment, by substituting the wavelength change value?? For each optical fiber into the above-mentioned expression (1), the displacement of the lattice portion of the optical fiber can be calculated, Can be calculated.

본 실시예에 따르면, 두 센서(200', 200")가 작업 로봇(1) 내부에 형성된다. According to the present embodiment, the two sensors 200 ', 200 "are formed inside the work robot 1.

도 22 내지 도 24는 센서(200)가 구비된 작업 로봇(1)을 개략적으로 도시한 것이다. 도 23 및 도 24에는 도시의 편의를 위해 센서(200)의 코어(220)와 격자들만을 도시하였다. 22 to 24 schematically show the work robot 1 equipped with the sensor 200. [ 23 and 24 show only the core 220 and the gratings of the sensor 200 for convenience of illustration.

도 22에 도시된 바와 같이, 두 개의 센서(200', 200")는 각각 그 광 파이버가 작업 로봇(1)의 몸체(3) 후단부에서부터 삽입되어 작업체(2)까지 연장된다. 22, each of the two sensors 200 ', 200 "is inserted from the rear end of the body 3 of the work robot 1 and extends to the worker 2.

작업 로봇(1)에는 센서(200', 200")로 입사광을 입사시키는 광원(91)과, 센서(200', 200")로부터 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 분석하는 광 분석기(92)가 결합된다. 동일한 광원(91)에서 나오는 동일한 빛을 분기하여 각각 두 개의 센서(200', 200")로 보내는 광 스플리터(94)와, 센서(200', 200")로부터 각각 출력되는 반사광을 광 분석기(92)로 보내기 위한 광 분배기(93)가 더 구비될 수도 있다. The work robot 1 is provided with a light source 91 for inputting incident light to the sensors 200 'and 200 "and an optical analyzer 92 for analyzing the wavelength spectrum of the reflected light output from the sensors 200' and 200" do. An optical splitter 94 for splitting the same light emitted from the same light source 91 and sending the same light to the two sensors 200 'and 200 ", respectively; and a reflected light output from each of the sensors 200' and 200" The optical distributor 93 may be further provided.

도 23에 도시된 바와 같이, 작업 로봇(1)의 작업체(2)는 탄성 변형 가능한 재질의 표피(4)를 포함한다. 센서(200')의 광 파이버는 작업체(2)의 상단 지의 모든 면을 통과하도록 형성되고, 센서(200")의 광 파이버는 작업체(2)의 하단 지의 모든 면을 통과하도록 형성된다. As shown in Fig. 23, the work shop 2 of the work robot 1 includes a skin 4 of elastically deformable material. The optical fiber of the sensor 200 'is formed so as to pass through all the surfaces of the upper end of the workpiece 2 and the optical fiber of the sensor 200' 'is formed to pass through all the surfaces of the lower end of the workpiece 2'.

본 실시예에 따르면, 센서(200')는 몸체(3) 내부에 첫번째 격자부(T'1)부터 a번째 격자부(T'a)가 위치하고, 이어서 작업체(2) 내부에 a+1 번째 격자부(T'a+1)부터 n번째 격자부(T'n)가 위치한다. 동일하게, 센서(200")는 몸체(3) 내부에 첫번째 격자부(T"1)부터 a번째 격자부(T"a)가 위치하고, 이어서 작업체(2) 내부에 a+1 번째 격자부(T"a+1)부터 n번째 격자부(T"n)가 위치한다. According to the present embodiment, the sensor 200 'includes a first grid portion T' 1 to an a-th grid portion T ' a positioned inside the body 3, and then a + 1 And the n-th lattice portion (T ' n ) is located from the lattice portion (T' a + 1 ). Similarly, the sensor 200 '' has the first grid portion T '' 1 to the a 'th grid portion T'' a located in the body 3, and then the a + 1' (T " a + 1 ) to the nth lattice portion (T" n ).

상술한 바와 같이 각각의 격자부에 대한 반사광의 파장 값은 알고 있으므로, 반사광의 파장 스펙트럼 중 몸체(3) 내부에 위치한 격자들에 의한 파장과 작업체(2) 내부에 위치한 격자들에 의한 파장들을 구분할 수 있다. As described above, since the wavelength values of the reflected light to the respective grating portions are known, the wavelengths of the gratings located in the body 3 and the gratings located inside the body 2 of the body 3 in the wavelength spectrum of the reflected light, .

상기 제2실시예와 마찬가지로 본 실시예에 따르면, 작업체(2) 내부에 위치한 격자의 간격 변화로 인해 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화로부터는 작업체(2)에 대한 외력의 작용 여부를 검출하고, 몸체(3) 내부에 위치한 격자의 간격 변화로 인해 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 몸체(3)의 굴절 상태를 검출한다. According to this embodiment, similarly to the second embodiment, it is detected from the change of the wavelength spectrum of the reflected light generated due to the change in the interval of the grating located inside the small company 2 whether or not the external force to the small company 2 acts And detects the refraction state of the body 3 by detecting a change in the wavelength spectrum of the reflected light generated due to the change in the interval of the gratings located inside the body 3.

구체적으로, 도 24에 도시된 바와 같이, 탄성 재질의 표피(4)는 물체(M)를 파지하는 등의 이유로 외력이 가해지면 그 형상이 변형되고, 작업체(2) 내부에 위치한 센서(200', 200")의 광 파이버들은 표피(4)의 형상 변화에 대응하여 그 일부가 굴절된다. 광 파이버들의 일부가 굴절되면 해당 굴절 부분에 위치한 격자부들(T'n -1, T'n, T"n-1, T"n)의 간격이 변화하게 되고, 반사광의 파장 스펙트럼에 구별할 수 있는 변화가 감지된다. 24, when the external force is applied to the skin 4 for holding the object M or the like, the shape of the skin 4 is deformed. As a result, the sensor 200 ', 200''are partially refracted corresponding to the shape change of the skin 4. When a part of the optical fibers is refracted, the grating portions (T' n -1 , T ' n , T " n-1 , T" n ) is changed, and a change that can be distinguished in the wavelength spectrum of the reflected light is detected.

이러한 파장 스펙트럼의 변화를 통해 작업체(2)에 대한 외력의 작용 여부 및 외력의 작용 위치를 검출할 수 있다. 나아가, 광 파이버의 굴절 방향 및 굴절 각도와, 표피(4)의 탄성 변형 계수 등을 이용하면 작용하는 외력의 크기도 검출해낼 수 있을 것이라는 것이 이해될 것이다. Through the change of the wavelength spectrum, it is possible to detect whether the external force acts on the manufacturer 2 and the external force acting position. Further, it will be understood that the magnitude of the external force acting by using the refractive direction and the deflection angle of the optical fiber, the elastic deformation coefficient of the skin 4, and the like will also be detected.

한편, 길게 뻗어 있던 몸체(2)가 도 1과 같이 구부러지는 경우 몸체(2) 내부에 위치한 광 파이버가 그에 따라서 굴절된다. 따라서, 몸체(2) 내부에 위치한 격자부들에 의한 반사광의 파장 변화를 통해 몸체(2)의 굴절된 위치뿐만 아니라, 굴절된 방향 및 그 각도를 모두 측정할 수 있다는 점은 앞서 설명하였다. On the other hand, when the elongated body 2 is bent as shown in Fig. 1, the optical fiber located inside the body 2 is refracted accordingly. Therefore, it is possible to measure not only the refracted position of the body 2 but also the refracted direction and the angle thereof through the wavelength change of the reflected light by the grid portions located inside the body 2, as described above.

본 실시예에 따르면, 두 개의 센서(200', 200")가 구비되는 것으로 설명하였지만, 센서(200', 200")의 수는 필요에 따라 더 증가시킬 수도 있다. 이때, 센서(200', 200")는 작업체(2) 내부에서 서로 90도로 배치하여 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 격자부를 형성하는 격자의 수는 2개 이상이면 좋다는 것이 이해되어야 할 것이다. Although two sensors 200 'and 200 "are described in the present embodiment, the number of sensors 200' and 200" may be increased as needed. At this time, the sensors 200 'and 200' 'can be arranged at 90 degrees from each other within the worker 2 to increase the efficiency. It is to be understood that the number of grids forming the grating portion may be two or more .

Claims (8)

작업 공간 내에 삽입되어 작업을 수행하기 위한 작업 로봇으로서,
소정의 작업을 수행하기 위한 작업체;
상기 작업체의 후단에서 길게 연장 형성되는 몸체;
상기 작업체 및 몸체에 결합되는 센서를 포함하고,
상기 센서는,
상기 몸체 내부를 통과해 상기 작업체까지 연장되는 광 파이버와,
상기 광 파이버의 내부에 상기 광 파이버의 길이 방향으로 배치되는 복수의 격자를 포함하고,
상기 작업체 상에 위치한 광 파이버는 외력에 의해 상기 작업체의 형상이 변화하면 그에 대응하여 굴절하고,
상기 몸체 내부에 위치한 광 파이버는 상기 몸체가 굴절하면 함께 굴절하며,
상기 광 파이버의 광 입구로 입사된 입사광이 상기 복수의 격자에 의해 간섭 및 반사되어 상기 광 입구를 통해 반사광으로 출력되고,
상기 작업체 상에 위치한 광 파이버의 굴절에 의한 격자의 간격 변화로 인해 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 상기 작업체에 대한 외력의 작용 여부를 검출하고,
상기 몸체 내부에 위치한 광 파이버의 굴절에 의한 격자의 간격 변화로 인해 발생하는 반사광의 파장 스펙트럼의 변화를 검출하여 상기 몸체의 굴절 상태를 검출할 수 있는 것을 특징으로 하는 작업 로봇.
1. A work robot inserted in a work space for performing work,
A manufacturer for performing a predetermined task;
A body extending from a rear end of the worker;
And a sensor coupled to the manufacturer and the body,
The sensor includes:
An optical fiber passing through the inside of the body and extending to the vendor,
And a plurality of gratings disposed in the optical fiber in the longitudinal direction of the optical fiber,
Wherein the optical fiber positioned on the workpiece is bent according to an external force when the shape of the workpiece is changed,
The optical fiber located inside the body refracts when the body is refracted,
Incident light incident on a light entrance of the optical fiber is interfered with and reflected by the plurality of gratings and is output as reflected light through the light entrance,
Detecting a change in the wavelength spectrum of the reflected light caused by a change in the interval of the grating caused by the refraction of the optical fiber positioned on the worker to detect whether an external force acts on the worker,
Wherein a refractive state of the body can be detected by detecting a change in a wavelength spectrum of reflected light caused by a change in the interval of the grating due to the refraction of the optical fiber located inside the body.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 광 파이버 내부에는 상기 격자가 n개(n≥2, 자연수)씩 짝을 이루어 복의 격자부를 형성하고,
하나의 격자부에는 n개의 격자가 서로 동일 간격으로 배치되고,
각 격자부의 격자들 간의 간격은 격자부마다 서로 상이하게 형성되는 것을 특징으로 하는 작업 로봇.
The method according to claim 1,
(N &gt; = 2, natural numbers) are formed in the optical fiber to form a lattice portion of the strand,
In one lattice portion, n lattices are arranged at equal intervals,
And the intervals between the gratings of the grating portions are different from each other in the grating portion.
제3항에 있어서,
복수의 센서가 구비되고,
상기 복수의 센서 각각의 광 파이버들은,
상기 몸체의 길이방향 중심축과 이격되어 상기 몸체 내부를 통과하고,
서로 겹치지 않도록 상기 작업체에 대해 서로 다른 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 작업 로봇.
The method of claim 3,
A plurality of sensors are provided,
The optical fibers of each of the plurality of sensors are arranged such that,
And a plurality of second protrusions, which are spaced apart from the longitudinal center axis of the body,
And are arranged at different positions with respect to the vendor so as not to overlap each other.
제1항에 있어서,
상기 복수의 격자는 각각 서로 다른 간격으로 배치되고,
상기 광 파이버의 광 입구로 출력되는 반사광은 서로 다른 방향으로 편광된 제1 반사광과 제2 반사광을 포함하고, 상기 제1 반사광과 상기 제2반사광은 서로 다른 파장 스펙트럼을 형성하는 것을 특징으로 하는 작업 로봇.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of gratings are disposed at mutually different intervals,
Wherein the reflected light output to the light inlet of the optical fiber includes first and second reflected lights polarized in different directions, and the first reflected light and the second reflected light form different wavelength spectrums. robot.
제5항에 있어서
상기 복수의 격자 간의 간격은 상기 광 입구로부터 멀어질수록 일정한 함수로 증가 또는 감소하는 것을 특징으로 하는 작업 로봇.
The method of claim 5, wherein
Wherein the distance between the plurality of gratings increases or decreases as a distance from the light entrance increases.
제1항에 있어서,
상기 작업체는 탄성 변형 가능한 표피를 구비하고,
상기 광 파이버는 상기 표피 내부에 삽입되거나 상기 표피에 부착되는 것을 특징으로 하는 작업 로봇.
The method according to claim 1,
Wherein the worker has an elastic deformable skin,
Wherein the optical fiber is inserted into the skin or attached to the skin.
제1항에 있어서,
상기 작업 로봇은 체내에 삽입되어 최소 침습 시술을 수행하는 체내 삽입형 로봇인 것을 특징으로 하는 작업 로봇.
The method according to claim 1,
Wherein the work robot is an insertion-type robot inserted into the body and performing a minimally invasive procedure.
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