KR101467354B1 - 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법 - Google Patents

복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101467354B1
KR101467354B1 KR1020130057051A KR20130057051A KR101467354B1 KR 101467354 B1 KR101467354 B1 KR 101467354B1 KR 1020130057051 A KR1020130057051 A KR 1020130057051A KR 20130057051 A KR20130057051 A KR 20130057051A KR 101467354 B1 KR101467354 B1 KR 101467354B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
force
composite sheet
vertical
resistance value
electrodes
Prior art date
Application number
KR1020130057051A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140137039A (ko
Inventor
박영빈
김동욱
홍보인
이다연
김형경
황상하
김병주
Original Assignee
국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
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 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 filed Critical 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
Priority to KR1020130057051A priority Critical patent/KR101467354B1/ko
Publication of KR20140137039A publication Critical patent/KR20140137039A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101467354B1 publication Critical patent/KR101467354B1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B2505/00—Evaluating, monitoring or diagnosing in the context of a particular type of medical care
    • A61B2505/09—Rehabilitation or training

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

본 발명은, 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법에 관한 것으로, 전도성 물질을 비전도성 매트릭스에 혼합하여 형성된 복합체 시트; 상기 복합체 시트에 수평 방향으로 상호 마주하게 설치되는 한 쌍의 수평 전극들; 상기 복합체 시트에 수직 방향으로 상호 마주하게 설치되는 한 쌍의 수직 전극들; 상기 복합체 시트에 외력이 가해진 후 측정된 상기 수평 전극들 사이의 저항값 및 상기 수직 전극들 사이의 저항값을 측정하는 저항 측정 모듈; 및 상기 복합체 시트에 외력이 가해지기 전에 측정된 상기 수평 전극들 사이의 초기 저항값 및 상기 수직 전극들 사이의 초기 저항값과, 상기 저항 측정 모듈에 의하여 측정된 저항값들을 이용하여, 상기 외력에 의한 수직력 및 전단력을 도출하는 제어부를 포함한다.

Description

복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법{Apparatus of measuring the vertical force and shearing force using polymer composites sheet, rehabilitation training device therewith, finger tip for robot therewith, and method of measuring the vertical force and shearing force using the same}
본 발명은 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전도성 물질이 포함된 복합체 시트에 외력을 가하고 이에 따라 변화되는 복합체 시트의 수직 전극들 사이의 저항값과 수평 전극들 사이의 저항값을 측정하여 측정된 저항값들과 저장된 데이터를 이용하여 수직력 및 전단력을 측정할 수 있는 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 힘을 측정하기 위한 센서로 로드 셀(load cell) 센서가 이용되고 있다. 로드 셀 센서는 통상 외력에 의해 탄성 변형이 가능한 탄성변형부를 구비하고 있고, 탄성변형부의 재료는 탄성비례한도가 높고 높은 응력에 견딜 수 있는 니켈, 크롬, 몰리브덴강을 열처리한 것을 사용하며, 저하중용으로는 알루미늄합금, 베늄구리를 사용한다. 따라서 전술한 것들 중 측정하려는 힘에 충분한 강도를 가진 재료를 선택하게 된다.
다만, 종래에는 수직력과 전단력을 측정하기 위해서는 수직력과 전단력을 동시에 측정할 수 없어 각각 별도로 측정할 수 있는 센서를 구비해야 했으며, 특히 전단력을 측정하는 센서는 민감도가 낮고, 측정 범위가 넓지 않은 단점이 있어서, 사용 용도에 따라 다품종을 생산해야 하며 생산 비용이 증가되는 문제점이 있었다.
대한민국공개특허 제10-2012-0134270호
본 발명은 전도성 물질이 포함된 복합체 시트에 외력을 가하고 이에 따라 변화되는 복합체 시트의 수직 전극들 사이의 저항값과 수평 전극들 사이의 저항값을 측정하여 측정된 저항값들과 저장된 데이터를 이용하여 수직력 및 전단력을 측정할 수 있는 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 전도성 물질을 비전도성 매트릭스에 혼합하여 형성된 복합체 시트; 상기 복합체 시트에 수평 방향으로 상호 마주하게 설치되는 한 쌍의 수평 전극들; 상기 복합체 시트에 수직 방향으로 상호 마주하게 설치되는 한 쌍의 수직 전극들; 상기 복합체 시트에 외력이 가해진 후 측정된 상기 수평 전극들 사이의 저항값 및 상기 수직 전극들 사이의 저항값을 측정하는 저항 측정 모듈; 및 상기 복합체 시트에 외력이 가해지기 전에 측정된 상기 수평 전극들 사이의 초기 저항값 및 상기 수직 전극들 사이의 초기 저항값과, 상기 저항 측정 모듈에 의하여 측정된 저항값들을 이용하여, 상기 외력에 의한 수직력 및 전단력을 도출하는 제어부를 포함하는 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 본 발명은, 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정장치를 이용하는 재활훈련장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 본 발명은, 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정장치를 이용하는 로봇용 핑거 팁을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 본 발명은, 전도성 물질을 비전도성 매트릭스에 혼합하여 형성하며, 수평 방향으로 상호 마주하게 한 쌍의 수평 전극들이 설치되고, 수직 방향으로 상호 마주하게 한 쌍의 수직 전극들이 설치되는 복합체 시트에 외력을 가하는 단계; 저항 측정 모듈을 이용하여 외력이 가해진 상기 복합체 시트에 설치된 상기 수평 전극들 사이의 저항값 및 상기 수직 전극들 사이의 저항값을 측정하는 단계; 및 상기 저항 측정 모듈을 이용해 측정한 저항값들을 제어부로 전송하고, 상기 제어부에서 저장된 데이터와 전송된 상기 저항값들을 이용하여 상기 외력에 의한 수직력 및 전단력을 도출하는 단계를 포함하는 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정방법을 제공한다.
본 발명에 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 복합체 시트에 외력이 가해지면 복합체 시트에 설치된 수평 전극들 사이의 변화된 저항값을 측정하고 수직 전극들 사이의 변화된 저항값을 측정하고, 측정된 저항값들과 제어부에 저장된 데이터를 이용하여 복합체 시트에 가해진 수직력 및 전단력을 도출해 낼 수 있는 효과를 가질 수 있다.
둘째, 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치를 로봇 용 핑거 팁(finger tip)에 적용함으로써 보다 정밀하고 섬세하게 움직일 수 있는 로봇을 제작할 수 있고, 재활치료장치에 적용함으로써, 예를 들어 신경이 마비된 환자 또는 부상으로 인해 재활이 필요한 환자들의 걷는 상태를 파악하여 보다 정확하고 정밀한 재활 치료가 가능하게 할 수 있다.
셋째, 복합체 시트가 평면 구조이므로, 측정 대상에 설치가 용이하며 사용이 편리한 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 따른 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치에 외력이 가해지는 과정이 도시된 단면도이다.
도 3은 도 1에 따른 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치로 수직력 및 전단력을 측정하는 방법이 도시된 블록도이다.
도 1 및 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치(100)에 대해 도시되어 있다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치(100)는, 복합체 시트(110), 수평 전극들(130), 수직 전극들(150), 저항 측정 모듈(140)을 포함한다. 먼저, 상기 복합체 시트(110)는 비전도성 매트릭스와 전도성 물질을 혼합하여 형성하며, 상기 비전도성 매트릭스는 비전도성 고분자 물질로 이루어진다. 상기 복합체 시트(110)는 다양한 단면 형태를 가지며 두께가 얇은 시트 형태로 형성되는데, 본 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 원형 단면의 시트를 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 복합체 시트(110)를 이루는 상기 비전도성 매트릭스는 고무 또는 고분자 수지 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 상기 비전도성 매트릭스의 종류에 따라 상기 복합체 시트(110)의 강도가 달라질 수 있다. 상기 비전도성 매트릭스에 혼합되는 상기 전도성 물질은 탄소나노튜브, 그래핀 또는 탄소섬유 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한다. 상기 전도성 물질은 후술되는 바와 같이, 상기 복합체 시트(110)에 설치되는 수평전극(130)과, 수직 전극들(150) 사이의 저항을 측정하기 위해 포함되는 것이다. 예시적으로 상기 전도성 물질은 0.5 내지 10 중량비(wt%)만큼 상기 비전도성 매트릭스에 혼합된다.
상기 수평 전극들(130)은 상기 복합체 시트(110)에 수평 방향을 따라 상호 마주하는 한 쌍으로 설치된다. 상기 수평 전극들(130)은 전술한 바와 같이, 상기 복합체 시트(110)의 저항을 측정하기 위해 상기 복합체 시트(110)의 상면에 설치되는 것이다. 상기 복합체 시트(110)를 이루는 상기 전도성 물질은 전원이 인가되면 상기 복합체 시트(110) 내에서 네트워크를 형성하여 전류가 흐르게 되어 상기 수평 전극들(130)에 의해 저항을 측정할 수 있는 것이다.
본 실시예에서는 상기 복합체 시트(110)가 원형 단면의 시트 형태로 형성되어 있기 때문에, 상기 수평 전극들(130)이 상기 복합체 시트(110)의 지름 방향을 따라 수평하게 설치된다. 그러나 전술한 바와 같이, 상기 복합체 시트(110)는 다양한 형태로 형성될 수 있기 때문에 이에 한정될 필요는 없으며, 예를 들어 상기 복합체 시트(110)가 직사각형 단면의 시트 형태로 형성되면, 상기 수평 전극들(130)은 상기 복합체 시트(110)의 길이 방향 또는 길이 방향에 교차하는 방향으로 수평하게 설치될 수 있다.
상기 수평 전극들(130)은 상기 복합체 시트(110)에 외력이 가해지기 전, 한 쌍의 상기 수평 전극들(130) 사이의 초기 저항값을 측정하고, 외력이 가해졌을 때 한 쌍의 상기 수평 전극들(130) 사이에 변화된 저항값을 측정한다. 상기 저항값들의 측정은 상기 수평 전극들(130)에 연결된 저항 측정 모듈(140)에 의해 이루어진다.
상기 수직 전극들(150)은 상기 복합체 시트(110)에 수직 방향으로 설치되는데, 가상의 하나의 축 상에 각각의 수직 전극(150)이 일치되도록 설치된다. 상기 수직 전극들(150)은 상기 수평 전극들(130)과 마찬가지로, 상기 복합체 시트(110)의 저항을 측정하기 위해 상기 복합체 시트(110)의 상면 및 하면에 설치되는 것이다. 상기 수직 전극들(150)도 상기 저항 측정 모듈(140)에 연결되어 있어, 상기 복합체 시트(110)에 외력이 가해지기 전, 상기 복합체 시트(110)의 초기 저항값을 측정하고, 상기 복합체 시트(110)에 외력이 가해진 후 상기 복합체 시트(110)의 변화된 저항값을 측정한다.
상기 제어부(160)는 상기 저항 측정 모듈(140)을 통해 상기 수평 전극들(130) 사이와 상기 수직 전극들(150) 사이의 측정된 저항값들이 전송되며, 상기 저항값들과 저장된 데이터를 이용하여 상기 복합체 시트(110)에 가해진 수직력과 전단력을 도출해낸다. 상기 제어부(160)에는 상기 복합체 시트(110)의 비례상수, 단면적, 게이지 상수의 값 및 상기 수평 전극들(130) 사이의 초기 저항값과 상기 수직 전극들(150) 사이의 초기 저항값이 데이터로 저장되어 있다. 따라서 상기 데이터들과 상기 저항 측정 모듈(140)을 통해 측정된 상기 수평 전극들(130) 사이의 변화된 저항값과, 상기 수직 전극들(150) 사이의 변화된 저항값을 이용하여 상기 복합체 시트(110)에 가해진 수직력 및 전단력을 구해낸다.
상기 제어부(160)에는 외력이 가해진 상기 복합체 시트(110)에서 수직력 및 전단력을 도출해 낼 수 있는 수학식들도 데이터로 저장되어 있다. 도 2를 참조하여 상기 제어부(160)에 저장된 수학식들을 유추해내는 과정을 살펴보는데, 상기 복합체 시트(110)에 가해지는 외력은 예를 들어 수직력 및 전단력일 수 있다. 먼저, 상기 제어부(160)는 데이터로 저장된 하기의 수학식 1을 통해 수직력을 구해낼 수 있으며, 상기 수학식 1은 하기의 수학식 2 및 수학식 3으로부터 도출해 낼 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112013044653594-pat00001
<수학식 2>
Figure 112013044653594-pat00002
<수학식 3>
Figure 112013044653594-pat00003

상기의 수학식 1에서 P는 수직력을 의미하며, K는 비례상수를 의미한다. R3-4는 상기 수평 전극들(130) 사이의 초기 저항값이며, ΔR3-4는 상기 수평 전극들(130) 사이의 변화된 저항값이다. 상기 복합체 시트(110)에 수직력만 가해졌을 때는 상기 수평 전극들(130)의 사이와, 상기 수직 전극들(150)의 사이에 저항 변화가 일어난다. 그러나 상기 복합체 시트(110)에 전단력만 가해졌을 때는 상기 수직 전극들(150) 사이에만 저항 변화가 일어날 뿐, 상기 수평 전극들(130) 사이에는 저항변화가 일어나지 않는다. 따라서 상기 수평 전극들(130) 사이의 저항 변화는 수직력에 의해서만 일어나는 것을 알 수 있다.
상기 복합체 시트(110)가 등방성을 지니고 균일한 성질을 가진다고 가정한다면, 저항 변화는 오직 전극사이 거리의 1차원적 변화율에 의존한다고 말할 수 있어 상기 수학식 2가 성립되고, 변형률이 작을 때 힘과 변형률 간 비례관계가 있다고 가정하면 상기 수학식 3이 성립되어 상기 수학식 2 및 상기 수학식 3으로부터 수직력 P를 구할 수 있는 상기 수학식 1을 도출해 낼 수 있다. 따라서 상기 복합체 시트(110)에 외력이 가해지면 상기 저항 측정 모듈(140)을 통해 상기 수평 전극들(130) 사이의 변화된 저항값을 측정하여 상기의 수학식 1을 통해 상기 제어부(160)가 수직력 P를 계산해 낸다.
한편, 상기 제어부(160)는 데이터로 저장된 하기의 수학식 4를 통해 전단력을 구해낼 수 있으며, 상기 수학식 4는 상기 수학식 3 및 하기의 수학식 5 내지 수학식 10을 통해 도출해낼 수 있다.
<수학식 4>
Figure 112013044653594-pat00004

상기의 수학식 4에서 S는 전단력이며, A는 상기 복합체 시트(110)의 단면적, G는 전단 탄성 계수, R1-2는 상기 수직 전극들(150) 사이의 초기 저항값, ΔR1-2는 상기 수직 전극들(150) 사이의 변화된 저항값, G2는 게이지 상수, E는 비례 상수이다. 상기 수직력 P는 전술한 바와 같이, 상기 수평 전극들(150) 사이의 저항 변화만으로 구해낼 수 있다. 상기 수직 전극들(150) 사이의 저항 변화는 전단력과 수직력에 모두 영향을 받으므로, 상기 수평 전극들(130) 사이의 저항 변화로 구해낸 수직력을 반영하여 상기 수직 전극들(150) 사이의 저항 변화로 전단력을 구해낼 수 있다.
<수학식 5>
Figure 112013044653594-pat00005
<수학식 6>
Figure 112013044653594-pat00006

상기 복합체 시트(110)에 가해진 수직력에 의해 상기 수직 전극들(150) 사이의 변화된 길이(L1, 도 2의 (b) 참조)의 수직 변형률은 힘과의 상관관계를 갖는다. 따라서 수직변형률과 힘과의 상관관계를 나타낸 상기 수학식 5로부터 상기 복합체 시트(110)에 가해진 수직력에 의해 상기 수직 전극들(150) 사이의 변화된 길이 L1을 구하는 상기 수학식 6을 도출해 낼 수 있다.
<수학식 7>
Figure 112013044653594-pat00007
<수학식 8>
Figure 112013044653594-pat00008

그리고 전단력은 기울기와 관계가 있기 때문에 상기 수학식 7과 같이 수직력과 전단력에 의해 변화된 길이 L1과 L2로 기울기의 각도를 구할 수 있다. 그리고 상기 수학식 7을 응용하고, 이때 상기 L1에 상기 수학식 6을 반영하면 상기 복합체 시트(110)에 외력이 가해졌을 때, 상기 수직 전극들(150) 사이의 변화된 길이 L2(도 2의 (c) 참조)를 구하는 상기 수학식 8을 도출해 낼 수 있다.
<수학식 9>
Figure 112013044653594-pat00009
<수학식 10>
Figure 112013044653594-pat00010

수직력을 구하는 상기 수학식 1에 대해 전술한 바와 같이, 상기 수직 전극들(150) 사이의 저항의 변화율과 상기 복합체 시트(110)의 길이의 변화율은 상기 수학식 9와 같은 관계를 갖는다. 외력(수직력과 전단력)에 의한 기울기 각도를 구하는 상기 수학식 7에 상기 수학식 6, 상기 수학식 8 및 상기 수학식 9를 대입하면 상기 수학식 10과 같이 정리되고, 이를 다시 전단력 S를 구하는 수학식으로 정리하면 상기 수학식 4를 도출해 낼 수 있다. 즉, 상기 제어부(160)는 상기 복합체 시트(110)에 외력이 가해지면, 상기 저항 측정 모듈(140)을 이용하여 측정된 상기 수평 전극들(130) 사이의 변화된 저항값과, 상기 저항 측정 모듈(140)을 이용하여 측정된 상기 수직 전극들(150) 사이의 변화된 저항값을 전송받아 상기 수학식 1 및 상기 수학식 4를 통해 상기 복합체 시트(110)에 가해진 수직력과 전단력을 계산해낸다.
도 3은 상기 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치(100)를 이용하여 수직력과 전단력을 측정하는 방법이 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 먼저 상기 복합체 시트(110)에 외력을 가하는 단계가 이루어진다.(S205 단계) 상기 복합체 시트(110)에 외력이 가해지면, 상기 복합체 시트(110)는 외력이 가해지는 방향으로 변형을 일으킨다.
이때, 상기 저항 측정 모듈(140)을 이용하여 상기 수평 전극들(130) 사이의 변화된 저항값을 측정하고(S210 단계), 상기 저항 측정 모듈(140)을 이용하여 상기 수직 전극들(150) 사이의 변화된 저항값을 측정한다.(S215 단계) 측정된 각각의 저항값들은 상기 제어부(160)로 전송된다.(S220 단계)
한편, 상기 제어부(160)에는 상기 복합체 시트(110)에 외력이 가해지기 전 상기 수평 전극들(130) 사이의 초기 저항값과, 상기 수직 전극들(150) 사이의 초기 저항값이 데이터로 저장되어 있으며, 상기 복합체 시트(110)의 비례상수, 단면적, 게이지 상수의 값들과, 상기 복합체 시트(110)에 가해진 수직력 및 전단력을 구할 수 있는 수학식들이 데이터로 저장되어 있다.
상기 제어부(160)는 전송받은 상기 수평 전극들(130) 사이의 변화된 저항값과 상기 저장된 데이터를 이용하여 상기 수학식 1을 통해 상기 복합체 시트(110)에 가해진 수직력(P)을 도출해 낼 수 있으며, 상기 수평 전극들(130) 사이의 변화된 저항값 및 상기 수직 전극들(150) 사이의 변화된 저항값과 상기 저장된 데이터를 이용하여 상기 수학식 4를 통해 상기 복합체 시트(110)에 가해진 전단력(S)을 도출해낼 수 있다.(S225 단계)
상기와 같은 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치는 기존에 측정하기 어려웠던 전단력을 측정할 수 있으며, 외력이 가해졌을 때 수직력과 전단력을 동시에 측정해 낼 수 있기 때문에 로봇의 핑거 팁(finger tip)에 적용하면 사람과 같이 섬세한 움직임을 할 수 있는 로봇을 제작할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치
110: 복합체 시트
130: 수평 전극들
140: 저항 측정 모듈
150: 수직 전극들
160: 제어부

Claims (10)

  1. 전도성 물질을 비전도성 매트릭스에 혼합하여 형성되며, 내부에서 상기 전도성 물질이 네트워크를 이루는 복합체 시트;
    상기 복합체 시트의 상면 또는 하면 중 어느 한 면에 수평 방향으로 상호 마주하게 설치되는 한 쌍의 수평 전극들;
    상기 복합체 시트의 상면 및 하면 각각에 설치되되, 수직 방향으로 상호 마주하게 설치되는 한 쌍의 수직 전극들;
    상기 복합체 시트에 외력이 가해진 후 측정된 상기 수평 전극들 사이의 저항값 및 상기 수직 전극들 사이의 저항값을 측정하는 저항 측정 모듈; 및
    상기 복합체 시트에 외력이 가해지기 전에 측정된 상기 수평 전극들 사이의 초기 저항값 및 상기 수직 전극들 사이의 초기 저항값과, 상기 저항 측정 모듈에 의하여 측정된 저항값들을 이용하여, 상기 외력에 의한 수직력 및 전단력을 도출하는 제어부를 포함하는 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수직력은 하기의 수학식 1에 의해 도출되며,
    <수학식 1>
    Figure 112013044653594-pat00011

    상기 P는 수직력이고, 상기 K는 비례상수이며, 상기 R3-4는 상기 수평 전극들 사이의 초기 저항값이고, 상기 ΔR3-4는 상기 수평 전극들 사이의 변화된 저항값인 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전단력은 하기의 수학식 4에 의해 도출되며,
    <수학식 4>

    상기 S는 전단력이고, 상기 A는 상기 복합체 시트의 단면적이며, 상기 G는 전단 탄성 계수이고, 상기 G2는 게이지 상수이며, 상기 E는 비례상수이고, 상기 R1-2는 수직 전극들 사이의 초기 저항값이며, ΔR1-2는 상기 수직 전극들 사이의 변화된 저항값인 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 물질은 탄소나노튜브, 그래핀 또는 탄소섬유 중 어느 하나를 포함하는 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 물질은 상기 비전도성 매트릭스에 비해 전도도가 높은 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 비전도성 매트릭스는 고분자 수지로 형성되는 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정장치가 설치된 재활훈련장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정장치가 설치된 로봇용 핑거 팁.
  9. 전도성 물질을 비전도성 매트릭스에 혼합하여 형성하며, 수평 방향으로 상호 마주하게 한 쌍의 수평 전극들이 설치되고, 수직 방향으로 상호 마주하게 한 쌍의 수직 전극들이 설치되는 복합체 시트에 외력을 가하는 단계;
    저항 측정 모듈을 이용하여 외력이 가해진 상기 복합체 시트에 설치된 상기 수평 전극들 사이의 저항값 및 상기 수직 전극들 사이의 저항값을 측정하는 단계; 및
    상기 저항 측정 모듈을 이용해 측정한 저항값들을 제어부로 전송하고, 상기 제어부에서 저장된 데이터와 전송된 상기 저항값들을 이용하여 상기 외력에 의한 수직력 및 전단력을 도출하는 단계를 포함하고,
    상기 수직력 및 전단력을 도출하는 단계에서는,
    하기의 수학식 1을 통해 상기 복합체 시트에 가해진 수직력을 계산하고,
    하기의 수학식 2를 통해 상기 복합체 시트에 가해진 전단력을 계산하는 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정방법.
    <수학식 1>
    Figure 112013044653594-pat00013

    상기 P는 수직력이고, 상기 K는 비례상수이며, 상기 R3-4는 상기 수평 전극들 사이의 초기 저항값이고, 상기 ΔR3-4는 상기 수평 전극들 사이의 변화된 저항값임.
    <수학식 2>
    Figure 112013044653594-pat00014

    상기 S는 전단력이고, 상기 A는 상기 복합체 시트의 단면적이며, 상기 G는 전단 탄성 계수이고, 상기 G2는 게이지 상수이며, 상기 E는 비례상수이고, 상기 R1-2는 수직 전극들 사이의 초기 저항값이며, ΔR1-2는 상기 수직 전극들 사이의 변화된 저항값임.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 복합체 시트에 외력을 가하는 단계가 이루어지기 전,
    상기 저항 측정 모듈을 이용하여 상기 한 쌍의 수평 전극들 사이의 초기 저항값을 측정하는 단계; 및
    상기 저항 측정 모듈을 이용하여 상기 한 쌍의 수직 전극들 사이의 초기 저항값을 측정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 초기 저항값들은 상기 제어부에 상기 데이터로 저장되는 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 동시 측정방법.
KR1020130057051A 2013-05-21 2013-05-21 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법 KR101467354B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130057051A KR101467354B1 (ko) 2013-05-21 2013-05-21 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130057051A KR101467354B1 (ko) 2013-05-21 2013-05-21 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140137039A KR20140137039A (ko) 2014-12-02
KR101467354B1 true KR101467354B1 (ko) 2014-12-03

Family

ID=52457012

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130057051A KR101467354B1 (ko) 2013-05-21 2013-05-21 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101467354B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180080430A (ko) * 2017-01-04 2018-07-12 한국표준과학연구원 압력 감지 스위치 및 압력 감지 장치

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101956298B1 (ko) * 2017-09-14 2019-03-08 울산과학기술원 플렉서블 압력 측정 장치 및 이의 제조방법
KR101952933B1 (ko) * 2017-12-01 2019-05-23 울산과학기술원 전도성 복합소재 센서의 민감도 설계 방법
KR101978467B1 (ko) * 2017-12-06 2019-05-14 울산과학기술원 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 센서 및 방법
KR101997779B1 (ko) * 2017-12-27 2019-07-08 울산과학기술원 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치 감지 방법
KR102101340B1 (ko) * 2018-04-19 2020-04-16 고려대학교 산학협력단 층상 구조를 가지는 2차원 물질의 저항 측정 방법 및 장치

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Y.-B.Park et al., ‘STRAIN SENSORS USING CARBON NANOMATERIAL BASED POLYMER COMPOSITES’, 18TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPOSITE MATERIALS (2011.08.22.)
Y.-B.Park et al., 'STRAIN SENSORS USING CARBON NANOMATERIAL BASED POLYMER COMPOSITES', 18TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPOSITE MATERIALS (2011.08.22.) *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180080430A (ko) * 2017-01-04 2018-07-12 한국표준과학연구원 압력 감지 스위치 및 압력 감지 장치
KR101972473B1 (ko) * 2017-01-04 2019-04-25 한국표준과학연구원 압력 감지 스위치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140137039A (ko) 2014-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101467354B1 (ko) 복합체 시트를 이용한 수직력 및 전단력 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 수직력 및 전단력 측정방법
JP6325150B2 (ja) 歪みゲージとして使用される複合材料
US10156487B2 (en) Flexible tactile sensors and methods of making
US8316719B2 (en) Stretchable two-dimensional pressure sensor
EP3194918B1 (en) Sensing system including a sensing structure
US11874184B2 (en) Composite conductive foam
KR101466057B1 (ko) 고분자 복합체를 이용한 전단 변형량 측정장치, 이를 이용한 재활훈련장치, 이를 이용한 로봇용 핑거 팁 및 이에 의한 전단 변형량 측정방법
CN104913718A (zh) 一种模量匹配的应变测试传感元件及其制作方法
Wang et al. Application of carbon nanotube filled silicone rubber composite in stress measurement during ramped loading with low compression speed
KR101353388B1 (ko) 다전극을 이용한 스트레인 측정 방법
KR102302039B1 (ko) 크랙 센서
Zhou et al. Three-layer-stacked pressure sensor with a liquid metal-embedded elastomer
KR101805775B1 (ko) 탄성계수 측정 장치용 센서 시트, 이를 포함하는 탄성계수 측정장치, 로봇용 탄성계수 측정장치 및 측정 방법
KR101926643B1 (ko) 전단력 및 압축력 측정장치
Xiao et al. Effect of aligning conductive particles on the piezoresistivity of composites
He et al. Tailoring 3D Conductive Networks as Wearable Sensors for Pressure or Temperature Sensing
Guégan et al. Dynamic tensile test of single PET textile cables

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170927

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181001

Year of fee payment: 5