KR101479709B1 - 접촉정보 측정센서 및 접촉정보 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접촉정보 측정센서에 관한 것이며, 본 발명의 접촉정보 측정센서는 구면의 표면을 갖는 제1센싱면과 비구면의 표면을 갖는 제2센싱면으로 구분되는 센서부; 물체에 의하여 상기 센서부에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하는 측정부; 상기 센서부의 표면을 구면 또는 비구면 중 어느 하나인 것으로 가정하여 상기 측정부로부터 측정되는 정보로부터 물체가 상기 센서부에 접촉하는 위치를 산출하는 위치산출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 다양한 형태의 구조물이 결합되는 복합 구조물형 센서에 가해지는 접촉력의 세기 및 접촉점의 위치를 높은 신뢰도로 측정할 수 있는 접촉정보 측정센서가 제공된다.

Description

접촉정보 측정센서 및 접촉정보 측정방법{SENSOR AND METHOD FOR MEASURING TACTILE INFORMATION}

본 발명은 접촉정보 측정센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물체에 의한 접촉력 및 접촉점을 측정할 수 있는 접촉정보 측정센서에 관한 것이다.

인체와 동일한 메카니즘을 구현하기 위한 연구는 전세계적인 관심사이다. 특히, 사람이 직접적으로 수행하기에는 위험하거나 어려운 장소에서의 업무수행을 대리시키기 위하여 인간형 손을 개발하기 위한 노력이 국내외에서 집중되고 있다.

그러나, 인간의 손은 다른 신체에 비해 작은 부피에도 불구하고 30여개의 뼈를 포함하고 있어 섬세한 동작이 가능하므로, 이러한 인간의 손과 같은 동작을 로봇으로 구현하기에는 어려움이 있다.

특히, 이러한 다자유도의 작동 메카니즘 외에도 인간의 손을 완벽하게 모사하기 위해서는, 인간이 느끼는 촉감과 동일한 촉감을 감지할 수 있도록 하는 기술이 필요하다.

이를 위해서, 로봇손의 손가락 단부에 부착되어 물체에 의한 접촉력을 검출하는 방식의 센서가 개발되고 있다. 이러한 종래 센서는 스트레인 게이지를 이용하여 외면에 가해지는 접촉력 및 토크의 세기를 측정하고 있다.

아울러, 접촉력 및 토크의 세기정보를 이용하여 물체의 접촉점을 검촐하기 위한 연구도 계속되고 있다. 종래의 연구에 따르면, 접촉력 정보를 이용하여 구 형태, 또는 원통 형상태와 같이 물체와 접촉하는 센서 구조물의 형상이 일정한 경우에만 접촉점의 산출이 가능하다.

다만, 다양한 형상이 복합적으로 결합되는 구조물의 경우에 이러한 종래 연구의 접촉점 추정방법을 통하여 산출되는 접촉점 위치는 실제 접촉점과 오차가 크므로 신뢰성이 떨어진다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다양한 형태의 구조물이 결합되는 복합 구조물형 센서에 가해지는 접촉력의 세기 및 접촉점의 위치를 높은 신뢰도로 측정할 수 있는 접촉정보 측정센서를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 센서부; 접촉되는 물체에 의하여 상기 센서부에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하는 측정부; 상기 센서부의 표면의 형상을 구면 또는 비구면 중 어느 하나인 것으로 가정하여 상기 측정부로부터 측정되는 정보로부터 물체가 상기 센서부에 접촉하는 위치를 산출하는 위치산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정센서에 의해 달성된다.

또한, 상기 센서부의 표면은 구면의 제1센싱면과 비구면의 제2센싱면으로 구분되고, 상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 설치되어, 물체의 접촉여부를 판단하는 접촉판단부;를 더 포함하고, 상기 위치산출부는 상기 접촉판단부로부터 물체의 접촉정보를 제공받고, 물체가 상기 제1센싱면 상에 접촉한 경우에는 상기 센서부의 표면이 구면인 것으로 가정하고, 물체가 상기 제2센싱면 상에 접촉한 경우에는 상기 센서부의 표면이 비구면인 것으로 가정하여 상기 물체의 위치를 산출할 수 있다.

또한, 상기 센서부는 내부에 수용공간이 형성되고, 상기 측정부는 상기 수용공간에 설치되어 상기 센서부의 내면과 연결되는 센싱프레임; 상기 센싱프레임에 연결되어 상기 센싱프레임의 변형량을 측정하는 스트레인 게이지;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 위치산출부는 상기 센서부의 표면이 구면인 것으로 가정하여 상기 센서부에 접촉되는 물체의 위치를 판단하는 제1판단모듈; 상기 센서부의 표면이 비구면인 것으로 가정하여 상기 센서부에 접촉되는 물체의 위치를 판단하는 제2판단모듈;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 접촉판단부는 상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 상호 이격되게 설치되는 복수개의 전극; 이웃하는 전극 사이에 마련되는 유전탄성체; 상기 전극 사이의 캐패시턴스(capacitance) 값 변화를 측정하여 물체의 접촉여부를 판단하는 검출부;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 접촉판단부는 상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 설치되는 전극; 상기 전극의 저항값 변화를 측정하여 물체의 접촉여부를 판단하는 검출부;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 접촉하는 물체로부터 상기 센서부에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하는 단계; 물체가 접촉하는 상기 센서부 표면의 형상에 따라, 상기 센서부를 구면 또는 비구면 중 어느 하나인 것으로 가정하여, 상기 물체의 접촉점을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정방법에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 접촉력의 세기정보를 이용하여 접촉점의 위치를 정확하게 검출할 수 있는 접촉정보 측정센서가 제공된다.

또한, 접촉판단부를 통하여 대략적인 접촉점의 위치를 선행하여 판단한 후에, 접촉점의 대략적인 위치에 따라서 점촉점을 산출하는 알고리즘을 선택적으로 적용함으로써 정밀한 접촉위치 판단이 가능하다.

또한, 접촉판단부가 캐패시턴스 값의 변화통하여 접촉점의 대략적인 위치를 판단하도록 유전탄성체를 이용함으로써, 유전탄성체의 표면 마찰력을 이용하여 실제 로봇손에 적용시 물건의 파지 능력이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉정보 측정센서가 장착되는 인간형 로봇손을 도시한 것이고,
도 2는 도 1의 접촉정보 측정센서의 개략적인 사시도이고,
도 3은 도 1의 접촉정보 측정센서의 분해사시도이고,
도 4는 도 1의 접촉정보 측정센서의 동작을 설명하기 위한 것이고,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 접촉정보 측정센서의 개략적인 사시도이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉정보 측정센서(100)에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉정보 측정센서가 장착되는 인간형 로봇손을 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 접촉정보 측정센서의 개략적인 사시도이고, 도 3은 도 1의 접촉정보 측정센서의 분해사시도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 접촉정보 측정센서(100)는 물체에 의하여 가해지는 힘 및 토크 정보를 이용하여, 물체의 접촉점, 즉, 접촉위치를 정밀하게 측정할 수 있는 센서에 관한 것으로서, 센서부(110)와 접촉판단부(120)와 측정부(130)와 위치산출부(140)를 포함한다.

상기 센서부(110)는 물체와 직접적인 접촉이 일어나는 면을 제공하는 것으로서, 제1센서부(111)와 제2센서부(113)를 포함한다.

상기 제1센서부(111)는 구의 형태의 구조물이 1/4로 분할되는 형태를 가지며, 내부에는 공간이 형성된다. 또한, 제1센서부(111)의 표면은 물체와 직접적인 접촉이 발생하는 영역으로서, 구면으로 형성되는 제1센서부(111)의 표면을 제1센싱면(112)이라 정의한다.

상기 제2센서부(113)는 상술한 제1센서부(111)와 연결되며, 원통형상의 구조물을 1/2로 분할한 형상을 가지며, 제1센서부(111)와 마찬가지로 내부에는 공간이 형성된다. 또한, 제2센서부(113)의 표면, 즉, 제1센싱면(112)과 연결되는 면은 물체와의 직접적인 접촉이 발생하는 영역으로서, 비구면으로 형성되고 제2센싱면(114)이라 정의한다.

따라서, 내부에 공간이 형성되는 제1센서부(111)와 제2센서부(113)가 상호 연결되는 구조의 센서부(110)는 구면의 제1센싱면(112)과 비구면의 제2센싱면(113)이 연속적으로 연결되되, 내부에는 수용공간이 형성된다.

한편, 제1센서부(111)와 제2센서부(113)는 개별적으로 제작된 후에 서로 접합되는 구조로 마련될 수도 있고, 센서부(110)의 전체 내구성이 향상될 수 있도록 일체로서 제작될 수도 있다.

상기 접촉판단부(120)는 제2센싱면(114) 상에 설치되어, 제2센싱면(114) 상에 물체의 접촉이 발생했는지 여부를 판단하는 것으로서 전극(121)과 유전탄성체(122)와 검출부(123)를 포함한다.

상기 전극(121)은 다수개의 스트라이프의 형태로 상호 이격되도록 배치되며, 이격되는 공간에는 후술하는 유전탄성체(122)가 설치된다.

상기 유전탄성체(122)는 유전율을 가지는 탄성체로서, 상술한 전극의 사이에 배치된다. 또한, 본 실시예에서 이용되는 유전탄성체(122) 유연하며(flexible), 소정의 유전율을 가지되, 물체와 접촉시 슬립을 방지하기 위하여 큰 마찰계수를 갖는 소재로 마련되는 것이 바람직하다.

한편, 복수개의 전극(121) 및 유전탄성체(122) 구조는 제2센싱면(114)의 전면(全面)에 배치되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 검출부(123)는 전극(121)과 이들의 사이에 배치되는 유전탄성체(122)로부터의 캐패시턴스(capacitance)값 변화를 검출하여, 제2센싱면(114)과 물체간의 접촉이 발생하였는지를 판단한다.

한편, 본 실시예에서 상술한 접촉판단부(120)는 제2센싱면(114)에 배치되는 것이라 설명하였으나, 본 접촉판단부(120)에서는 물체가 센서부(110)에 접촉한 경우에 제1센싱면(112) 또는 제2센싱면(114) 중 어디에 접촉하였는지를 판단하면 족한 것이므로, 제1센싱면(112)이 아닌 제2센싱면(114) 상에 설치될 수도 있다.

상기 측정부(130)는 센서부(110)에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하기 위한 것으로서, 센싱프레임(131)과 스트레인 게이지(132)를 포함한다.

상기 센싱프레임(131)은 센서부(110)에 형성되는 수용공간에 수용되며, 센서부(110)의 내벽면과 연결됨으로써 센서부(110)에 가해지는 접촉력에 의하여 물리적인 변형을 발생시키는 부재이다.

상기 스트레인 게이지(132)는 센싱프레임(131)과 연결되어, 센싱프레임(131)의 변형량을 측정하여, 센서부(110)에 가해진 힘 또는 토크를 측정한다.

상기 위치산출부(140)는 측정부(130)에서 측정되는 힘, 토크 정보 만을 이용하여 접촉 가해지는 위치, 즉, 접촉점을 산출하기 위한 것으로서, 제1판단모듈(141)과 제2판단모듈(142)을 포함한다.

상기 제1판단모듈(141)은 센서부(110) 전체의 표면의 형상이 구면인 것으로 가정하여 센서부(110)에 가해지는 접촉력의 위치를 산출하는 모듈이다.

상기 제2판단모듈(142)은 센서부(110) 전체의 표면의 형상이 비구면인 것으로 가정하여 센서부(110)에 가해지는 접촉력의 위치를 산출하는 모듈이다.

즉, 본 위치산출부(140)는 접촉력이 구면인 제1센싱면(112) 또는 비구면인 제2센싱면(114) 중 어느 면에 가해지는지에 대한 정보를 접촉판단부(120)를 통하여 확보한 후에, 접촉이 제1센싱면(112)에 가해지는 것이라고 판단되는 경우에는 센서부의 전체의 형상을 구 인것으로 가정하여 제1판단모듈(141)을 통하여 접촉점의 위치를 산출하고, 접촉이 제2센싱면(114)에 가해지는 것이라고 판단되는 경우에는 제2판단모듈(142)을 통하여 센서부(110) 전체의 형상을 원통 형태인 것으로 가정하여 접촉점의 위치를 산출한다.

이러한 접촉점의 위치를 산출하는 일례로서, Intrinsic contact sensing for soft fingers 이라는 제목의 논문(Robotic and Automation, 1990 IEEE Internationa Conference)에서는 하기의 [수학식 1] 내지 [수학식 3]과 같은 산출방법을 제안하였다.

(단, c는 접촉점의 위치를 나타내는 매트릭스, f는 측정부로부터 측정되는 힘 벡터, m은 측정부로부터 측정되는 모멘트 벡터, A는 센서부의 형상을 나타내는 매트릭스, D는 det(A)이고, R은 센서부의 크기에 따라 결정되는 스케일 팩터를 의미한다.)

또한, 상술한 [수학식 1]에서의 K 값과 Γ 값은 하기의 [수학식 2] 및 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

지금부터는 상술한 접촉정보 측정센서의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

도 4는 도 1의 접촉정보 측정센서의 동작을 설명하기 위한 것이다.

먼저, 도 4(a)를 참고하여, 제2센싱면(114)에 소정의 접촉력이 가해지는 경우를 예를 들어 설명한다.

제2센싱면(114)에 접촉력이 가해지면, 센서부(110)의 수용공간에 설치되는 센싱프레임(131)에 변형이 발생하고, 스트레인 게이지(132)는 센싱프레임(131)의 변형을 통하여, 제2센싱면(114)에 가해지는 힘 및 토크를 측정한다.

한편, 가해지는 힘에 의하여 제2센싱면(114) 상에 마련되는 전극(121) 사이의 간격이 감소하여 전극(121) 사이의 캐패시턴스 값이 변화하게 되고, 검출부(123)는 전극(121) 사이의 캐패시턴스 값의 변화를 검출하게 된다. 이로 인하여, 접촉판단부(120)는 제2센싱면(114) 상에 접촉이 발생했음을 판단한다.

이러한 접촉판단부(120)의 정보에 의하여, 위치산출부(140)는 제2판단모듈(142)을 이용하여 접촉력이 가해지는 위치를 산출한다. 즉, 오차를 줄이기 위하여, 센서부(110)의 형상이 원통형(실린더형)인 것으로 가정하여, 원통형에 가해지는 힘과 토크 정보를 이용하여 위치정보를 산출하는데 최적화된 알고리즘을 이용하여, 가해지는 접촉력의 위치를 결정한다.

즉, 센서부(110) 전체를 원통형인 것으로 가정하여 [수학식 1]에서 점촉점의 위치를 나타내는 행렬 c 값을 정리하면 하기의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.

다음으로, 도 4(b)를 참조하여, 제1센싱면(112)에 소정의 접촉력이 가해지는 경우를 예를 들어 설명한다.

제1센싱면(112)에 접촉력이 가해지면, 센서부(110)의 수용공간에 설치되는 센싱프레임(131)에 변형이 발생하고, 스트레인 게이지(132)는 센싱프레임(131)의 변형을 통하여, 제2센싱면(114)에 가해지는 접촉력을 측정한다.

한편, 제1센싱면(112)에 접촉력이 가해지는 경우에는 제2센싱면(114)에 설치되는 전극(121) 간의 캐패시턴스 값에는 변화가 없으므로, 검출부(123)는 제2센싱면(114) 상에서 접촉이 이루어지지 않았음을 판단한다.

따라서, 이러한 접촉판단부(120)로부터 검출되는 접촉 정보에 의하여, 위치산출부(140)는 제1판단모듈(141)을 이용하여 접촉력이 가해지는 위치를 산출한다. 즉, 오차를 줄이기 위하여, 센서부(110)의 형상이 구형인 것으로 가정하여, 구형에 가해지는 힘과 토크 정보를 이용하여 위치정보를 산출하는데 최적화된 알고리즘을 이용하여, 가해지는 접촉력의 위치를 결정한다.

즉, 센서부(110) 전체를 구형인 것으로 가정하여 [수학식 1]에서 점촉점의 위치를 나타내는 행렬 c 값을 정리하면 하기의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.

따라서, 본 실시예에 의하면, 접촉되는 대략적인 위치의 표면 형상에 따라 적용되는 접촉점 산출 알고리즘을 달리 적용하여, 산출되는 접촉점 위치의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 접촉정보 측정센서에 대하여 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 접촉정보 측정센서의 개략적인 사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 접촉정보 측정센서(200)는 물체에 의하여 가해지는 힘 및 토크 정보를 이용하여, 물체의 접촉위치를 정밀하게 측정할 수 있는 센서에 관한 것으로서, 센서부(110)와 접촉판단부(220)와 측정부(130)와 위치산출부(140)를 포함한다.

상기 센서부(110)와 상기 측정부(130)와 상기 위치산출부(140)는 제1실시예에서 상술한 구성과 동일한 것이므로 중복설명은 생략한다.

상기 접촉판단부(220)는 제2센싱(114)면 상에 설치되어, 제2센싱면(114) 상에 물체의 접촉이 발생했는지 여부를 판단하는 것으로서 전극(221)과 검출부(222)를 포함한다.

상기 전극(221)은 전기적 전도성을 갖는 소재로 제2센싱면(114) 상에 설치되며, 전면(全面)에 배치되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 검출부(222)는 전극(221)의 저항값 변화를 검출하여, 제2센싱면(114)과 물체간의 접촉이 발생하였는지를 판단한다.

따라서, 본 실시예에서는 제1실시예와는 달리, 전극(221)의 저항값 변화를 측정하여, 제2센싱면(114)에 접촉력이 가해졌는지 여부를 판단한다.

한편, 상술한 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에서는 접촉점의 위치를 산출하는 방법으로서 [논문]에서 개재한 방법으로 설명하였으나, 측정되는 접촉력 및 토크를 이용하여 접촉점의 위치를 산출하는 방법이라면 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110 : 센서부 120 : 접촉판단부
130 : 측정부 140 : 위치산출부

Claims (7)

1. 표면이 구면인 제1센싱면과 비구면인 제2센싱면으로 구분되는 센서부;
   접촉되는 물체에 의하여 상기 센서부에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하는 측정부;
   상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 설치되어, 물체의 접촉여부를 판단하는 접촉판단부; 및
   상기 측정부 및 접촉판단부에서 측정되는 정보를 이용하여 물체가 상기 센서부에 접촉하는 위치를 산출하는 위치산출부;
   를 포함하여 이루어지며,
   상기 센서부는 내부에 수용공간이 형성되고, 상기 측정부는 상기 수용공간에 설치되어 상기 센서부의 내면과 연결되는 센싱프레임; 상기 센싱프레임에 연결되어 상기 센싱프레임의 변형량을 측정하는 스트레인 게이지;를 포함하며, 상기 위치산출부는 상기 접촉판단부로부터 물체의 접촉정보를 제공받는데 있어서, 물체가 상기 제1센싱면 상에 접촉한 경우에는 상기 센서부의 표면이 구면인 것으로 가정하고, 물체가 상기 제2센싱면 상에 접촉한 경우에는 상기 센서부의 표면이 비구면인 것으로 가정하여 상기 물체의 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정센서.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 위치산출부는 상기 센서부의 표면이 구면인 것으로 가정하여 상기 센서부에 접촉되는 물체의 위치를 판단하는 제1판단모듈; 상기 센서부의 표면이 비구면인 것으로 가정하여 상기 센서부에 접촉되는 물체의 위치를 판단하는 제2판단모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정센서.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 접촉판단부는 상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 상호 이격되게 설치되는 복수개의 전극; 이웃하는 전극 사이에 마련되는 유전탄성체; 상기 전극 사이의 캐패시턴스(capacitance) 값 변화를 측정하여 물체의 접촉여부를 판단하는 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정센서.
6. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 접촉판단부는 상기 제1센싱면 또는 상기 제2센싱면 중 어느 하나에 설치되는 전극; 상기 전극의 저항값 변화를 측정하여 물체의 접촉여부를 판단하는 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정센서.
7. 제1항 또는 제4항의 접촉정보 측정센서를 이용하며,
   접촉하는 물체로부터 상기 센서부에 가해지는 힘 또는 토크를 측정하는 단계;
   물체가 접촉하는 상기 센서부 표면의 형상에 따라, 상기 센서부를 구면 또는 비구면 중 어느 하나인 것으로 가정하여, 상기 물체의 접촉점을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 접촉정보 측정방법.

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