KR101471955B1 - 2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서 - Google Patents

2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서 Download PDF

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정영도
이덕규
임현의
이준희
박수아
송경준
허신
김완두
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 미세 하중의 감지를 위한 촉각 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림에 따른 전압, 전류 및 저항의 변화에 따라 2차원 평면상에 서로 수직으로 작용하는 전단응력을 동시에 감지하는, 2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서에 관한 것이다.

Description

2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서{Highly Sensitive Tactile Sensor for Measuring Shear Stress acting on Two-Dimensional Plane}
본 발명은 미세 하중의 감지를 위한 촉각 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전도성 나노 또는 마이크로 기둥의 맞물림에 따른 전압, 전류 및 저항의 변화에 따라 2차원 평면상에 서로 수직으로 작용하는 전단응력을 동시에 감지하는 촉각 센서에 관한 것이다.
접촉을 통한 주변 환경의 정보, 즉 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도도에 대한 온도변화 등을 획득하는 촉각 기능은 차세대 정보수집 매체로 인식되고 있다. 촉각 감각을 대체할 수 있는 생체 모방형 촉각센서는 혈관 내의 미세수술, 암진단 등의 각종 의료진단 및 시술에 사용될 뿐만 아니라 향후 가상환경 구현기술에서 중요한 촉각 제시 기술에 적용될 수 있기 때문에 그 중요성이 더해지고 있다.
생체모방 형 촉각센서는 이미 산업용 로봇의 손목에 사용되고 있는 6-way 자유도의 힘/토크 센서와 로봇의 그립퍼(gripper)용으로 접촉 압력 및 순간적인 미끄러짐을 감지할 수 있으나, 이는 감지부의 크기가 비교적 큰 관계로 민감도가 낮은 문제점이 있었다.
한편, 미소기전집적시스템(MEMS) 제작기술을 이용하여 촉각센서의 개발 가능성을 제시한 바 있고, 공정기술이 발전된 실리콘 웨이퍼나 최근에는 유연한 소재를 이용한 촉각센서가 개발되고 있다. 그러나 지금까지 개발된 촉각센서들은 대부분 센서의 감지 면적에 수직한 방향으로 가해지는 하중만을 감지하도록 구성이 되어 있어 센서의 감지 면적에 비스듬히 또는 수평하게 가해지는 하중을 정확히 측정하기가 힘들고, 센서의 감지 면적에 비스듬히 또는 수평하게 가해지는 하중을 측정하기 위해 복잡한 추가 측정 회로 및 장치들이 요구되는 문제점이 있다. 또한 감지 면적에 수평하게 가해지는 하중에 있어서도 x방향과 상기 x방향에 수직한 y방향 중 어느 한 방향으로 가해지는 하중만 감지가 가능하기 때문에 상기 x방향과 y방향에 동시에 가해지는 하중을 측정하기에는 무리가 있었다.
따라서 본 발명이 속하는 기술분야에서는 센서의 감지면적에 비스듬히 또는 수평하게 가해지는 하중 예를 들면 전단 하중(shear force)을 정확하게 감지함과 동시에 휘어짐 및 복원력이 우수하고 유연성 및 신축성이 뛰어난 촉각센서의 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허 제10-2008-0008892호(2008.01.24.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 감지면적을 포함하는 감지부가 수평방향으로 슬라이드 가능한 공간이 형성되는 몸체를 구성하고, 감지부의 측면 둘레와 몸체 사이에 전도성을 갖는 0D, 1D, 2D 탄소 물질들을 포함하도록 제작된 탄성이 있는 나노 또는 마이크로 기둥을 구성하여 감지부의 미세 이동에 따라 상기 기둥에 가해진 미세 하중들에 의한 전압, 전류 또는 저항의 변화를 통해 감지부에 가해진 전단응력을 측정하는 2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서를 제공함에 있다.
또한, 감지부의 미세 이동 시 감지부와 몸체의 마찰을 최소화하기 위해 감지부가 몸체의 수직 방향으로 소정거리 이격 배치되며, 이를 위해 감지부와 몸체 사이에는 복수 개의 지지부가 수평방향을 따라 이격 배치되는 2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서를 제공함에 있다.
아울러, 다른 실시 예로 감지부와 몸체의 수직 방향 사이에도 나노 또는 마이크로 기둥을 구성하여 센서의 전단 하중은 물론 수직 하중도 감지 가능한 2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서를 제공함에 있다.
본 발명의 전단응력 측정용 촉각 센서는, 상면에 외부의 하중이 인가되는 감지면이 형성된 센서; 상기 센서가 수용되도록 상면에서 하방으로 함몰된 센서홈이 형성되며, 상기 센서홈은, 상기 센서가 상기 감지면에 수평한 방향으로 이동 가능하도록 상기 센서홈의 측벽이 상기 센서의 측면과 이격 형성되는 바디; 상기 센서의 측면에서 상기 감지면에 평행한 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 센서 필러; 및 상기 센서홈의 측벽에서 상기 센서 필러에 평행한 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 바디 필러; 를 포함하며, 상기 센서 필러와, 바디 필러는 서로 맞물림 결합되며, 상기 센서 필러의 끝단은 상기 센서홈의 측벽에서 소정거리 이격되고, 상기 바디 필러의 끝단은 상기 센서의 측면에서 소정거리 이격된다.
또한, 상기 센서 필러는, 상기 감지면 상의 x방향을 따라 형성된 제1 센서 필러와, 상기 감지면 상의 상기 x방향에 직교하는 y방향을 따라 형성된 제2 센서 필러로 구성되고, 상기 바디 필러는, 상기 감지면 상의 x방향을 따라 형성된 제1 바디 필러와, 상기 감지면 상의 상기 y방향을 따라 형성된 제2 바디 필러로 구성된다.
또한, 상기 센서는, 하면이 상기 센서홈의 바닥면에서 상방으로 소정거리 이격 배치되며, 상기 센서의 하면과 상기 센서홈의 바닥면 사이에는, 상기 센서의 하면 보다 좁은 단면적을 갖는 지지 필러가 단수 또는 복수 개 구비된다.
아울러, 상기 지지 필러는, 상기 바디 및 센서에 일체로 형성된다.
다른 실시 예로, 상기 센서는, 하면이 상기 센서홈의 바닥면에서 상방으로 소정거리 이격되며, 상기 촉각 센서는, 상기 센서의 하면에서 상기 감지면에 수직한 하방으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 수직 센서 필러; 및 상기 센서홈의 바닥면에서 상기 수직 센서 필러에 수평한 상방으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 수직 바디 필러; 를 포함하며, 상기 수직 센서 필러와, 수직 바디 필러는 서로 맞물림 결합되며, 상기 수직 센서 필러의 끝단은 상기 센서홈의 바닥면에서 소정거리 이격되고, 상기 수직 바디 필러의 끝단은 상기 센서의 하면에서 소정거리 이격된다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서는, 전도성 나노 또는 마이크로 기둥을 이용해 감지면적의 수평방향으로 발생하는 전단 하중 특히 수평방향에 서로 수직하게 작용하는 전단 응력을 동시에 정확하게 감지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 감지부 슬라이드 시 몸체와의 마찰을 최소화하여 미세 하중 발생 시 감지가 용이한 효과가 있다.
아울러, 감지부와 몸체의 수직방향으로도 전도성 나도 또는 마이크로 기둥을 적용하여 전단 응력은 물론 감지면적에 수직하게 작용하는 수직 하중의 측정이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 촉각 센서 평면도
도 2는 본 발명의 촉각 센서의 x방향 단면도인 도 1의 AA' 단면도
도 3은 본 발명의 촉각 센서의 y방향 단면도인 도 1의 BB' 단면도
도 4는 본 발명의 지지필러 단면도인 도 2의 CC' 단면도
도 5는 본 발명의 촉각 센서 동작 단면도 (전단 하중)
도 6은 본 발명의 다른 실시 예의 촉각 센서 동작 단면도 (수직 하중)
이하, 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서(1000)에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서(1000)의 평면도가 도시되어 있다. 편의상 도면의 좌우 방향을 x방향, 도면의 상하 방향을 y방향, 상기 x방향 및 y방향에 직교하는 방향을 z방향으로 정의하여 설명한다.
도시된 바와 같이 본 발명의 촉각 센서(1000)는 상면에 감지면이 형성되는 센서(100)와, 센서(100)가 감지면(xy면)에 수평한 방향으로 이동하도록 삽입되는 센서홈(250)이 상면에 형성된 바디(200)를 포함하여 구성된다. 이때 센서(100)의 측면과 센서홈(250)의 측벽은 소정거리 이격되도록 센서(100)의 횡단면적은 센서홈(250)의 횡단면적보다 좁게 형성될 수 있다. 이때 센서(100)의 측면과 센서홈(250)의 측벽 사이에는 센서 필러(110)와, 바디 필러(210)가 서로 맞물리도록 구성될 수 있다. 센서 필러(110)는 센서(100)의 측면에서 감지면에 수평한 외측으로 돌출 형성되며, 끝단이 센서홈(250)의 측벽에서 이격되도록 구성된다. 바디 필러(210)는 센서홈(250)의 측벽에서 감지면에 수평한 내측으로 돌출 형성되며, 끝단이 센서(100)의 측면에서 이격되도록 구성된다. 센서 필러(110)는 복수 개가 센서(100)의 측면을 따라 등간격으로 배치되며, 바디 필러(210) 역시 복수 개가 센서홈(250)의 측벽을 따라 등간격으로 배치될 수 있다.
상기와 같은 구성을 통해 감지면에 가해지는 미세 하중에 따라 센서 필러(110)와 바디 필러(210)의 맞물림 상태가 변화되고, 이 변화에 따른 전압, 전류 또는 저항의 변화에 따라 미세 하중의 세기를 감지하게 된다.
센서 필러(110)는 센서(100)의 x방향을 따라 형성되는 제1 센서 필러(111)와, 센서(100)의 y방향을 따라 형성되는 제2 센서 필러(112)로 구성되며, 바디 필러(210)는 바디(200)의 x방향을 따라 형성되는 제1 바디 필러(211)와, 바디(200)의 y방향을 따라 형성되는 제2 바디 필러(212)로 구성된다.
따라서 본 발명의 촉각 센서(1000)는 센서(100)의 감지면에 가해지는 x방향 전단응력은 제1 센서 필러(111)와 제1 바디 필러(211)를 통해 감지하며, 센서(100)의 감지면에 가해지는 y방향 전단응력은 제2 센서 필러(112)와 제2 바디 필러(211)를 통해 감지하여 감지면에 가해지는 x방향 전단응력 및 y방향 전단응력을 동시에 측정할 수 있는 장점이 있다.
이하 상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 촉각 센서(1000)의 세부 구성에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서(1000)의 x방향 종단면도(도 1의 AA' 단면도)가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 바디(200)에는 상면에서 하방으로 함몰 형성되는 센서홈(250)이 형성되고, 센서홈(250)에 센서(100)가 삽입되어 감지면에 평행한 방향으로 이동 가능하도록 구비된다. 또한, 센서(100)의 측면(101)에는 감지면에 평행하며 x방향으로 돌출 되는 복수 개의 제1 센서 필러(111)가 구비되고, 센서홈(250)의 측벽(251)에는 감지면에 평행하며 x방향으로 돌출되는 복수 개의 제1 바디 필러(211)가 구비된다.
본실시 예에서는 센서(100) 및 바디(200)가 사각형으로 이루어지는 것으로 도시되어 있으나, 원형, 타원형, 삼각형 및 오각형과 같은 다각형으로도 이루어질 수 있음은 자명하다.
제1 센서 필러(111)와 제1 바디 필러(211)는 서로 맞물리도록 구성된다. 따라서 제1 센서 필러(111)와 제1 바디 필러(211)의 맞물림 상태에 따라 센서(100)의 감지면에 작용하는 x방향 전단응력을 감지하게 된다. 제1 센서 필러(111)와 제1 바디 필러(211)는 탄성 재질에 0D, 1D, 2D 나노 구조를 갖는 탄소 물질들을 고루 분산시켜 이루어지며, 제1 센서 필러(111)와 바디 필러(211)의 맞물림 상태가 변화에 따른 전압, 전류 또는 저항의 변화에 따라 미세 하중의 세기를 감지하게 된다.
상기 0D, 1D, 2D 나노 구조를 갖는 탄소 물질들로는 카본블랙(carbon black), 카본나노튜브(carbon nanotube), 흑연(graphite), 그래핀(graphene) 등을 사용할 수 있으나 이에 한정하지 않고, 이와 유사한 특성을 갖는 재질이 적용될 수 있음은 자명하다.
상기, 탄성이 있는 재질로는 PDMS(Polydimethylsiloxane)나 PUA (polyurethane acrylate) 등과 같이 탄성을 가지면서 몰딩방법을 이용하여 제1 센서 필러(111) 및 제1 바디 필러(211)를 형성 할 수 있는 레진을 사용할 수 있으나 이에 한정하지는 않고, 이와 유사한 특성을 갖는 재질이 적용될 수 있음은 자명하다.
제1 센서 필러(111)와 제1 바디 필러(211)를 형성하는 방법으로는 나노 임프린트 방법, 나노 사출성형 방법, 모세관력 리소그래피 방법 등이 사용될 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 또한, 복수 개가 구비되는 제1 센서 필러(111)와 제1 바디 필러(211) 각각의 형상은 크기, 이격거리, 종횡비(sapect ratio) 및 모양에서 다양한 값을 가질 수 있다.
제1 센서 필러(111)와 제1 바디 필러(211)는 탄성체인 동시에 전도성을 갖기 때문에 제1 센서 필러(111)와 제1 바디 필러(211)가 서로 맞물려서 변형을 받았을 때 전기적인 성질의 변화가 일어날 수 있다. 제1 센서 필러(111)와 제1 바디 필러(211)가 센서(100) 또는 바디(200)에 전류를 인가하여 저항 신호를 전달하는 구성은 통상의 전기 전달 구성이 적용될 수 있는 바 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
지지 필러(300)는 센서(100)가 센서홈(250)에 삽입되었을 때 감지면의 수평방향으로 이동 시 몸체(200)와의 마찰을 최소화하기 위한 구성으로, 센서(100)의 하면(105)과 센서홈(250)의 바닥면(255)이 소정거리 이격 배치되도록 구성된다. 지지 필러(300)는 직경이 매우 작은 원통형 기둥으로 이루어지며, 센서(100)의 하면(105)과 센서홈(250)의 바닥면(255) 사이에 배치된다. 지지 필러(300)는 도 4에 도시된 바와 같이 복수 개가 xy면을 따라 소정거리 이격되어 격자형으로 배치될 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일실시 예에 따른 촉각 센서(1000)의 y방향 종단면도(도 1의 BB' 단면도)가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 바디(200)에는 상면에서 하방으로 함몰 형성되는 센서홈(250)이 형성되고, 센서홈(250)에 센서(100)가 삽입되어 감지면에 평행한 방향으로 이동 가능하도록 구비된다. 또한, 센서(100)의 측면(102)에는 감지면에 평행하며 y방향으로 돌출 되는 복수 개의 제2 센서 필러(112)가 구비되고, 센서홈(250)의 측벽(252)에는 감지면에 평행하며 x방향으로 돌출되는 복수 개의 제2 바디 필러(212)가 구비된다.
제2 센서 필러(112)와 제2 바디 필러(212)는 서로 맞물리도록 구성된다. 따라서 제2 센서 필러(112)와 제2 바디 필러(212)의 맞물림 상태에 따라 센서(100)의 감지면에 작용하는 y방향 전단응력을 감지하게 된다. 제2 센서 필러(112)와 제2 바디 필러(212)의 형상 및 재질에 관한 구성은 상술된 제1 센서 필러(111)와 제2 바디 필러(211)의 형상 및 재질과 동일하게 적용되므로 이하 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 동작에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 5에는 센서(100)의 감지면에 x방향 전단 하중이 발생하는 경우의 촉각 센서의 동작 상태가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 센서(100)의 감지면(xy면)에 전단 하중이 발생하면, 센서 필러(110)가 우측으로 이동하게 되고, 센서(100)의 좌측에 위치한 바디 필러(210)와 센서 필러(110)의 접촉 면적은 감소되며, 센서(100)의 우측에 위치한 바디 필러(210)와 센서 필러(110)의 접촉 면적은 증가하게 된다. 상기와 같은 센서 필러(110)와 바디 필러(210)의 접촉 면적 변화에 따른 저항의 변화에 의해 x 방향으로 인가된 전단 하중의 세기를 감지하게 된다.
이하, 센서(100)의 감지면에 수직한 방향으로 가해지는 하중을 감지하기 위한 본 발명의 다른 실시 예의 촉각 센서(1000)에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 6에는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 촉각 센서(1000)의 x방향 종단면도가 도시되어 있으며, 촉각 센서(1000)의 감지면에 수직한 방향으로 하중 발생 시 촉각 센서의 동작 상태가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 도시된 바와 같이 센서(100)의 하면(105)은 센서홈(250)의 바닥면(255)에서 상방으로 소정거리 이격 배치된다. 이때 센서(100)의 하면(105)에는 z방향 하방으로 돌출 형성되는 복수 개의 수직 센서 필러(115)가 구비되고, 센서홈(250)의 바닥면(255)에는 z방향 상방으로 돌출되는 복수 개의 수직 바디 필러(215)가 구비된다. 수직 센서 필러(115)와 수직 바디 필러(215)는 서로 맞물림 결합되며, 센서(100)의 감지면에 수직 하중 발생 시 수직 센서 필러(115)의 하방 이동에 의해 수직 센서 필러(115)와 수직 바디 필러(215)의 접촉 면적이 증가하게 된다. 상기와 같은 수직 센서 필러(115)와 수직 바디 필러(215)의 접촉 면적 변화에 따른 저항의 변화에 의해 z방향으로 인가된 수직 하중의 세기를 감지하게 된다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1000 : 촉각 센서
100 : 센서 101, 102 : 측면
105 : 하면 110 : 센서 필러
111 : 제1 센서 필러 112 : 제2 센서 필러
115 : 수직 센서 필러
200 : 바디 210 : 바디 필러
211 : 제1 바디 필러 212 : 제2 바디 필러
215 : 수직 바디 필러 250 : 센서홈
251, 252 : 측벽 255 : 바닥면
300 : 지지 필러

Claims (5)

  1. 상면에 외부의 하중이 인가되는 감지면이 형성된 센서;
    상기 센서가 수용되도록 상면에서 하방으로 함몰된 센서홈이 형성되며, 상기 센서홈은, 상기 센서가 상기 감지면에 수평한 방향으로 이동 가능하도록 상기 센서홈의 측벽이 상기 센서의 측면과 이격 형성되는 바디;
    상기 센서의 측면에서 상기 감지면에 평행한 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 센서 필러; 및
    상기 센서홈의 측벽에서 상기 센서 필러에 평행한 외측으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 바디 필러; 를 포함하며,
    상기 센서 필러와, 바디 필러는 서로 맞물림 결합되며, 상기 센서 필러의 끝단은 상기 센서홈의 측벽에서 소정거리 이격되고, 상기 바디 필러의 끝단은 상기 센서의 측면에서 소정거리 이격되는, 2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센서 필러는,
    상기 감지면 상의 x방향을 따라 형성된 제1 센서 필러와, 상기 감지면 상의 상기 x방향에 직교하는 y방향을 따라 형성된 제2 센서 필러로 구성되고,
    상기 바디 필러는,
    상기 감지면 상의 x방향을 따라 형성된 제1 바디 필러와, 상기 감지면 상의 상기 y방향을 따라 형성된 제2 바디 필러로 구성되는, 2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 센서는,
    하면이 상기 센서홈의 바닥면에서 상방으로 소정거리 이격 배치되며,
    상기 센서의 하면과 상기 센서홈의 바닥면 사이에는, 상기 센서의 하면 보다 좁은 단면적을 갖는 지지 필러가 단수 또는 복수 개 구비되는, 2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 지지 필러는,
    상기 바디 및 센서에 일체로 형성되는, 2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 센서는,
    하면이 상기 센서홈의 바닥면에서 상방으로 소정거리 이격되며,
    상기 촉각 센서는,
    상기 센서의 하면에서 상기 감지면에 수직한 하방으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 수직 센서 필러; 및
    상기 센서홈의 바닥면에서 상기 수직 센서 필러에 수평한 상방으로 돌출 형성되며, 전도성 나노 또는 마이크로 재질로 되는 적어도 하나 이상의 수직 바디 필러; 를 포함하며,
    상기 수직 센서 필러와, 수직 바디 필러는 서로 맞물림 결합되며, 상기 수직 센서 필러의 끝단은 상기 센서홈의 바닥면에서 소정거리 이격되고, 상기 수직 바디 필러의 끝단은 상기 센서의 하면에서 소정거리 이격되는, 2차원 평면상에 작용하는 전단응력 측정용 촉각 센서.
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