KR101646662B1

KR101646662B1 - 나노 크랙을 이용한 변형률 측정센서를 포함하는 조작 장치

Info

Publication number: KR101646662B1
Application number: KR1020150051925A
Authority: KR
Inventors: 정완균; 임근배; 박대길; 김진현
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2016-08-08

Abstract

본 발명은 사용자와 접촉하여 조작에 따라 변형되도록 탄성부재로 구성된 조작부 및 조작부에 설치되며, 조작부와 함께 변형되어 변형율을 측정하도록 구성된 센서부를 포함하여 구성되며, 센서부는 비전도성 물질로 구성되는 제1 레이어 및 제1 레이어상에 형성되며, 전도체로 구성되어 복수의 크랙의 폭이 변화됨에 따라 저항의 크기가 달라지도록 구성되는 제2 레이어를 포함하여 구성되는 변형률 측정센서를 포함하는 조작 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 나노 크랙을 이용한 변형률 측정센서를 포함하는 조작 장치는 탄성체 및 나노 크랙을 이용한 변형률 측정센서를 이용하여 정밀한 위치 및 자세의 측정이 가능하고, 소형으로 제작이 가능하며, 구조가 단순하여 제조단가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

나노 크랙을 이용한 변형률 측정센서를 포함하는 조작 장치{THE CONTROL DEVICE COMPRISING THE STRAIN SENSOR USING NANO-CRACKS}

본 발명은 나노 크랙을 이용한 변형률 측정센서를 포함하는 조작 장치, 보다 상세하게는 탄성체로 구성된 조작부 및 신축성 변형률 측정센서를 이용하여 조작입력을 측정하여 조작입력을 발생시키고, 경우에 따라 출력신호에 따라 사용자가 인지할 수 있도록 촉각적 자극을 전달하도록 구성되는 조작 장치에 관한 것이다.

조작 장치(Control device)는 다양한 슬레이브 디바이스를 조작하기 위한 입력을 발생시키는 장치를 말한다. 가상환경과 사용자 간의 촉각적 상호작용을 하는 물리적 장치를 일컫기도 하며, 다양한 기계장치, 로봇, 장비 등을 조작하는데 광범위하게 사용될 수 있다. 나아가 최근에는 가상환경의 사용자에게 촉감을 느끼게 함으로서 보다 현실적인 작업을 수행하도록 햅틱 장치가 추가되어 사용되기도 한다. 예를 들어, 움직이는 대상인 슬레이브 디바이스(slave device)가 장애물이나 경로, 작업공간(work space)를 벗어나게 되는 경우, 반발력, 공압, 진동 등의 촉감을 사용자에게 느끼게 함으로서, 사용자에게 이를 인지시킴으로서, 작업 성공률 및 현실감을 증대시킬 수 있다.

현재 햅틱 디바이스는 게임, 가상현실 체험 등의 엔터테이먼트 분야에서 사용자에게 현실감을 느끼게 하기 위하여 많이 사용되고 있으며, 각종 산업환경에서도 시험적으로 적용되고 있는 추세이다.

한편, 조작 장치는 제조, 국방 등의 영역의 원격제어(tele-operation) 분야에서 많이 연구되고 있으며, 특히, 원격제어를 통하여 수술이 많이 이루어지는 의료 분야에서 많은 수요가 예상되고 있다.

이와 같은 조작 장치에 대하여 대한민국 등록특허 제 681,768 호가 개시되어 있다. 그러나 기존의 조작 장치는 자유도를 구현하기 위하여 다관절 직렬형 또는 다관절 병렬형 구조를 가지며, 작업공간을 확보하기 위하여 복잡한 메커니즘을 가지고 이로 인하여 많은 공간을 할애한다는 단점을 가진다. 또한, 대부분의 조작 장치는 위치(position) 영역에 대해서만 조작이 가능하다는 단점을 가지고 있어, 자세(orientation) 상호작용이 필요한 의료로봇 등의 분야에서 사용하기에 제약이 따르는 문제점이 있었다.

또한 복잡한 움직임을 입력하기 위하여 복잡한 구조의 장치가 제공되어야 하며, 제조비용이 비싼 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제 0681768 호 (2011년11월06일 공개)

본 발명은 종래의 조작 장치가 가지고 있는 큰 작업공간, 자세 피드백이 불가능한 문제 및 비싼 제조비용 문제를 해결하는 조작 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제의 해결수단으로서, 사용자와 접촉하여 조작에 따라 변형되도록 탄성부재로 구성된 조작부 및 상기 조작부에 설치되며, 상기 조작부와 함께 변형되어 변형율을 측정하도록 구성된 센서부를 포함하여 구성되며, 상기 센서부는 비전도성 물질로 구성되는 제1 레이어 및 상기 제1 레이어상에 형성되며, 전도체로 구성되어 복수의 크랙의 폭이 변화됨에 따라 저항의 크기가 달라지도록 구성되는 제2 레이어를 포함하여 구성되는 변형률 측정센서를 포함하는 조작 장치가 제공된다.

또한, 제1 레이어는 변형률을 측정하는 신장범위 내에서 크랙이 발생되지 않도록 신축성 부재로 구성될 수 있으며, 제2 레이어는 복수의 크랙의 폭이 넓어짐에 따라 저항의 크기가 커지도록 구성될 수 있다.

나아가, 제1 레이어는 변형률을 측정하는 신장범위 내에서 크랙이 발생되지 않도록 신축성 부재로 구성될 수 있다.

또한, 제2 레이어는 신장시 제2 레이어에 형성된 복수의 크랙의 폭이 신장되는 방향으로 넒어짐으로써 저항이 증가될 수 있으며, 제2 레이어는 회귀시 크랙의 폭이 회기되는 방향으로 좁아짐으로써 저항이 감소되도록 구성될 수 있다.

이때, 제1 레이어는 외력이 인가됨에 따라 길이가 신장되며, 제2 레이어는 제1 레이어와 함께 신장되도록 구성될 수 있고, 제2 레이어는 응력집중이 방지될 수 있도록 수 있도록 제1 레이어의 외력이 인가되는 지점으로부터 소정거리 이격되어 부착되도록 구성될 수 있다.

그리고, 변형률을 측정하는 범위 내에서 크랙의 폭은 0.5nm 이하로 형성되도록 구성될 수 있다.

한편, 조작부는 기둥형상으로 구성되며, 센서부는 복수의 변형률 측정센서를 포함하며, 조작부의 피치(pitch), 요(yaw), 및 길이방향을 중심으로 한 롤(roll) 값을 측정할 수 있도록 구성될 수 있다.

구체적으로 센서부는 조작부의 피치(pitch)를 측정할 수 있도록 조작부의 길이방향으로 설치된 제1 변형률 측정센서, 조작부의 요(yaw)를 측정할 수 있도록 조작부의 길이방향으로 설치된 제2 변형률 측정센서, 조작부의 롤(roll)을 측정할 수 있도록 조작부의 둘레방향으로 설치되는 제3 변형률 측정센서를 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 조작부는 원기둥 형상으로 구성되며, 제1 변형률 측정센서와 제2 변형률 측정센서는 조작부의 둘레에 90도 간격을 두고 길이방향으로 설치될 수 있다.

나아가, 제3 변형률 측정센서는, 제1 변형률 측정센서 및 제2 변형률 측정센서로부터 측정된 값을 반영하여 조작부의 롤 값이 계산될 수 있도록 조작부의 길이방향으로 기울어지게 설치될 수 있다. 또한, 조작부의 요, 피치 값은 제3 변형률 측정센서로부터 측정된 값을 반영하여 계산되도록 구성될 수 있다.

한편, 조작 장치는 센서부로부터 측정된 변형률을 근거로 조작부의 피치, 요, 길이방향을 중심으로 한 롤 값을 계산하도록 구성되는 연산부를 더 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 촉각전달부는 사용자가 진동을 느낄 수 있도록 구성되는 진동부를 포함하여 구성될 수 있으며, 일측에 조작부의 일단이 고정되며, 진동부에서 발생된 진동을 조작부에 전달하도록 구성되는 보디부를 더 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 사용자와 접촉하여 입력에 따라 변형되도록 탄성부재로 구성된 조작부 및 조작부에 설치되며 조작부와 함께 변형되어 변형율을 측정하도록 구성된 센서부를 포함하여 구성되는 입력장치가 제공된다.

본 발명에 따른 나노 크랙을 이용한 변형률 측정센서를 포함하는 조작 장치는 탄성체 및 나노 크랙을 이용한 변형률 측정센서를 이용하여 정밀한 위치 및 자세의 측정이 가능하고, 소형으로 제작이 가능하며, 구조가 단순하여 제조단가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 조작 장치의 개념도이다
도 2는 본 발명에 따른 조작 장치의 사시도이다.
도 3은 도1의 AA' 의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제2 레이어에 발생된 크랙을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 제2 레이어에 발생된 크랙을 비교한 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형율-스트레스가 나타난 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 조작 장치의 다른 실시예를 나타낸 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 나노 크랙을 이용한 변형률 측정센서(120)를 포함하는 조작 장치에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 조작 장치(100)의 개념도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 조작 장치(100)는 사용자의 조작으로부터 발생하는 조작부(110)의 변형을 제1 변형률 측정센서(120), 제2 변형률 측정센서(120) 및 제3 변형률 측정센서(120)를 이용하여 3방향, 즉 피치(PITCH), 요(YAW), 롤(ROLL)의 크기를 측정할 수 있도록 구성되며, 측정된 피치, 요, 롤 값은 제어의 대상인 슬레이브 디바이스(SLAVE DEVICE)의 입력으로 적용된다. 따라서 사용자의 조작을 간단한 메커니즘을 이용하여 슬레이브 디바이스의 입력으로 적용시키는 것이 가능하도록 구성된다.

한편, 3방향, 즉 피치, 요, 롤이 나와 있으나, 이는 일 예일 뿐, 복수의 변형률 측정센서(120)를 통하여 다양한 외형 변화값을 측정할 수 있도록 구성될 수 있다.

그리고 도시되지는 않았으나, 조작 장치(100)는 적어도 하나의 사용자 및 슬레이브 디바이스와 무선 네트워크 또는 유선을 통하여 상호 연결될 수 있는 외부장치가 포함될 수 있다.

한편, 하나의 슬레이브 디바이스 및 하나의 조작 장치(100)가 도시되어 있으나, 복수의 슬레이브 디바이스 및 조작 장치(100)로 구성될 수 있으며, 슬레이브 디바이스는 매니뮬레이터, 로봇, 수술장비 등이 적용될 수 있다. 예를들어, 슬레이브 디바이스는 로봇이고 사용자가 로봇을 조작하는 경우, 특정각도 이상으로 관절이 펴지는 경우에 조작 장치에 신호를 전달하도록 있도록 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 조작 장치(100)의 사시도이다.

도시된 바와 같이, 조작 장치(100)는 조작부(110), 복수의 변형률 측정센서(120), 보디부(130),를 포함하여 구성될 수 있다.

조작부(110)는 사용자로부터 조작을 전달받을 수 있도록 구성되며, 복수의 변형률 측정센서(120)는 조작부(110)에 부착되어 사용자의 조작에 따른 조작부(110)의 변형을 측정할 수 있도록 구성된다.

조작부(110)는 탄성부재로 구성되어 사용자와 접촉하여 입력에 따라 변형되도록 구성될 수 있다. 조작부(110)는 사용자의 손으로 조작을 입력할 수 있도록 원기둥형태의 탄성부재로 구성될 수 있다. 조작부(110)는 사용자의 조작에 따라 휘어질 수 있고, 압축 또는 신장이 가능할 뿐 아니라 다양한 형상으로 변형될 수 있다. 한편, 이와 같은 원통형의 형상은 일 예일 뿐, 손, 발 등 움직임으로 조작이 입력될 수 있도록 구형, 뿔과같은 형상으로 구성되어 적용될 수 있다.

복수의 변형률 측정센서(120)는 전술한 조작부(110)의 변형률을 측정할 수 있도록 구성될 수 있으며, 조작부(110)의 복수의 지점에 부착되어 조작부(110)의 변형률을 측정할 수 있도록 구성된다. 변형률 측정센서(120)의 신장률 측정범위는 60% 이상으로 기존의 변형률 측정센서보다 월등히 향상된 신장률 측정범위를 갖게 된다. 따라서 다양한 대상을 측정할 수 있으며, 특히 변형이 크게 이루어지는 탄성체로 구성되더라도 미세하고 정확한 변형률의 측정이 가능하다.

각 변형률 측정센서(120)는 길이가 신장됨에 따라 저항의 크기가 달라져 신장률이 측정될 수 있도록 구성된다. 변형률 측정센서(120)의 구성에 대하여는 도 4 내지 도 9를 참조하여 차후 상세히 설명하기로 한다.

다시 도 2를 살펴보면, 변형률 측정센서(120)는 5개가 구비되며, 각각 조작부(110)의 외측에 부착된 모습이 도시되어 있다.

제1 변형률 측정센서(121) 및 제2 변형률 측정센서(122)는 조작부(110)의 길이방향에 부착되며, 90도 간격으로 조작부(110)의 둘레에 부착될 수 있다. 한편 제1 변형률 측정센서(121) 및 제2 변형률 측정센서(122)는 각각 2개가 하나의 쌍이되어 조작부(110)의 둘레에 축대칭으로 마주보는 위치에 설치될 수 있다. 제3 변형률 측정센서(123)는 조작부(110)의 일 지점을 시작으로 조작부(110)의 둘레를 길이방향으로 기울어지게 둘러가며 부착될 수 있다.

도 2의 기준좌표계를 참고로, 조작부(110)의 x축의 기울어짐을 피치(pitch)라 하고, y축의 기울어짐을 요(yaw), z 축을 중심으로한 회전을 롤(roll)라고 하면, 제1 변형률 측정센서(121)는 피치를 측정할 수 있도록 구성되며, 제2 변형률 측정센서(122)는 요를 측정할 수 있도록 구성된다. 또한 제3 변형률 측정센서(123)로부터 측정된 변형률 측정 값과 제1 변형률 측정센서(121) 및 제2 변형률 측정센서(122)에서 측정된 변형률 측정 값을 연산하여 롤 값이 계산되도록 구성될 수 있다. 다만, 이러한 방향에 대한 센서의 배치는 일 예로 구성된 것이고 다양하게 변형될 수 있다.

도 3은 도 2의 AA'부분의 단면도이다. 전술한 바와 같이, 제1 변형률 측정센서(121) 및 제2 변형률 측정센서(122)는 조작부(110)의 외면을 90˚ 간격으로 둘러가며 설치될 수 있다. 사용자의 조작은 복수의 변형률 측정센서(120)에서 측정된 변형률 값을 근거로 하여 슬레이브 디바이스에 전달된다. 사용자의 간단한 조작의 예를 들면, 사용자가 조작을 x +방향으로 구부린 경우에 제1 변형률 측정센서(121)의 저항 값이 변화되며, 반대로 x ?? 방향으로 구부린 경우에는 반대측에 설치된 제1 변형률 측정센서(121)의 저항 값이 변화된다. 이 값에 따라 피치 값이 결정될 수 있다.

한편 요 값도 피치 값과 마찬가지로 한 쌍의 제2 변형률 측정센서(122)의 측정값을 이용하여 결정될 수 있다.

한편 피치 값과 요 값은 독립적으로 결정될 수 있으므로 제1 변형률 측정센서(121) 및 제2 변형률 측정센서(122)의 값을 근거로 조작부의 굽힘정도가 측정될 수 있다.

제3 변형률 측정센서(123)는 조작부(110)의 외면을 둘러가며 부착되고, 길이방향으로 경사지게 부착되므로 조작부(110)가 비틀리는 경우에 변형률이 측정될 수 있다. 이때, 조작부(110)가 탄성부재로 구성되므로, 단순한 요 또는 피치로 인한 변형에도 제3 변형률 측정센서(123)가 부착된 부분이 변형될 수 있다. 따라서 요 또는 피치에 의한 영향을 고려하지 않고 순수한 롤 값만이 측정될 수 있도록 길이방향으로 기울어지게 부착하여 피치, 요의 측정값을 반영하여 롤 값이 계산될 수 있다. 한편, 이와 반대로, 제3 변형률 측정센서(123)에서 측정된 값과 제1 변형률 측정센서(121) 및 제2 변형률 측정센서(122)에서 측정된 값을 바탕으로 피치 및 요 값이 계산되도록 구성될 수 있다.

한편 이와같이 복수의 변형률 측정센서(120)가 구비된 경우, 사용자의 조작에 따른 각 변형률 측정센서(120)에서 측정된 저항 값의 변화를 정규화된 데이터로 저장하여 각 변형률 측정센서(120)에서 측정된 저항 값의 조합에 따른 입력이 슬레이브 디바이스에 적용될 수 있도록 구성될 수 있으며, 그에 따른 데이터 저장부(미도시) 및 연산부(미도시)가 구비될 수 있다.

한편 전술한 3 종류의 변형률 측정센서(121,122,123)를 부착한 것은 일 예일 뿐, 1개를 설치하여 단순한 1방향의 조작을 측정하도록 구성될 수 있으며, 그 이상을 설치하여 복수의 조작을 측정하도록 구성될 수 있고, 복잡한 조작을 측정할 수 있도록 다양한 위치에 부착될 수 있다. 또한 전술한 바와 같이 조작부(110)가 다양한 형상으로 구성된 경우 다양한 위치에 부착되어 사용자의 조작을 측정할 수 있도록 구성될 수 있다.

한편 도시되지는 않았으나, 각 변형률 측정센서(121,122,123)의 저항의 값이 측정될 수 있도록, 각 변형률 측정센서(121,122,123)의 끝단에 볼티지미터 등이 연결될 수 있다.

이하에서는 도 4 내지 도 9를 참조하여 변형률 측정센서(120)에 대하여 상세히 기술하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변형율 측정센서는 제1 레이어(210), 제2 레이어(220)를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 레이어(210)와 제2 레이어(220)는 서로 부착되어 있으며, 변형율 측정시 함께 신장되도록 구성된다.

제1 레이어(210)는 측정 대상으로부터 외력을 받아 신장될 수 있도록 신축성 부재로 구성되며, 이하 기술할 제2 레이어(220)의 저항 변화에 전기적으로 영향을 미치지 않도록 비전도성 부재로 구성될 수 있다.

제1 레이어(210)는 변형율 측정범위 내에서 크랙(230)이 발생되지 않도록 구성될 수 있다. 제1 레이어(210)의 크랙(230) 발생시 후술할 제2 레이어(220)에 발생되는 크랙(230)이 불균일해 질 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다. 본 실시예에서는 변형율 60%를 한계로 한 예를 들고 있으며, 이에 따라 제1 레이어(210)의 길이의 60% 이내로 신장되는 경우에는 제1 레이어(210)에 크랙(230)이 발생되지 않도록 구성되어 있다. 구체적으로 제1 레이어(210)를 구성하는 재질은 폴리우레탄(Polyurechane)을 포함하여 구성될 수 있으며, 제1 레이어(210)의 두께는 200μm 이하로 구성되는 것이 바람직하다. 그러나 이러한 두께 및 재질은 측정범위에 따라 다양하게 구성될 수 있다.

이때, 제1 레이어(210)는 비전도성이고 신축성 부재를 이용하여 스핀 코팅 방법으로 생성시킬 수 있다. 회전하는 슬라이드 글라스의 상측에서 폴리우레탄 솔루션을 떨어뜨려 회전에 의해 박막형태의 제1 레이어(210)를 형성시킨다. 이때 제1 레이어(210)는 200μm 이하로 생성될 수 있다.

제2 레이어(220)는 전도성 재질로 구성되며 길이가 신장됨에 따라 복수의 크랙(230)의 폭이 넓어짐으로써 자체 저항이 증가되도록 구성된다. 이때 복수의 크랙(230)은 제2 레이어(220)를 제1 레이어(210)에 부착시킨 후 신장시켜 발생된 것을 이용한다.

이때, 제2 레이어(220)는 제1 레이어(210)의 일면에 전도성 물질을 부착시켜 생성시킬 수 있다. 일 예로, 스퍼터링(Sputtering) 공정을 이용하여 제2 레이어(220)를 생성시키며, 이때 스퍼터링은 백금 타겟을 이용하고, 10 내지 20 mA 로 200 내지 300초 간 이루어질 수 있다. 스퍼터링이 15mA 로 240초 간 수행되는 경우 신장률 60% 이내로 측정가능한 변형율 측정센서의 제조에 바람직하다. 한편 이와 같은 스퍼터링은 일 예이며, 측정하고자 하는 측정범위에 따라서 다양한 공정이 채택될 수 있으며, 스퍼터링에 적용되는 시간 및 전류도 다양하게 적용될 수 있다. 한편, 이때 제2 레이어(220)의 두께는 2μm 이하로 형성될 수 있다.

제2 레이어(220)는 변형율 측정범위 내에서 신장되더라도 전류의 흐름이 완전히 차단되지 않도록 구성된다. 즉 한 부분에서 과도하게 신장되어 전기적으로 단절되지 않도록 복수의 크랙(230)이 밀집되도록 구성된다. 한편, 이러한 특징을 갖도록 적절한 재료를 선정할 수 있으며, 금, 은, 백금과 같은 전도성과 연성이 뛰어난 재료를 포함하여 구성될 수 있다. 본 실시예에서는 백금을 포함하여 구성되어 있다.

복수의 크랙(230)은 나노 사이즈의 폭으로 제2 레이어(220)의 길이가 신장되는 방향과 대략적으로 수직한 방향성을 가지며 형성된다. 따라서 제2 레이어(220)의 신장시 크랙(230)의 폭이 증가함에 따라 접촉하는 면적이 줄어들게 되어, 저항의 크기를 결정하는 유효단면적이 감소하여 자체 저항이 증가하게 된다. 반대로 원래의 길이로 회귀시 크랙(230)의 폭이 감소하여 접촉하는 면적이 넓어지게 되므로, 유효단면적이 증가하게 되어 자체 저항이 감소하게 된다.

이러한 크랙(230)의 작용, 기능 및 형성과정에 대하여는 차후 상세히 설명하기로 한다.

제1 레이어(210)는 변형율 측정 대상에 고정되어 설치될 수 있다. 측정 대상으 길이 신장에 따라 제1 레이어(210)가 늘어나게 된다. 이때 제1 레이어(210)에 부착된 제2 레이어(220)가 함께 신장되면서 저항 값이 달라지게 되며, 제2 레이어(220)의 양측에 외부 기기가 연결되어 저항변화를 측정하도록 구성될 수 있다.

다시 도 4를 살펴보면 제2 레이어(220)는 제1 레이어(210)에 외력이 작용하는 지점과 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 따라서 외력의 작용에 의해 제2 레이어(220)에 발생될 수 있는 응력집중, 부분적인 파손 등을 방지할 수 있다.

또한, 제2 레이어(220)는 제1 레이어(210)의 모서리로부터 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 제1 레이어(210)를 절단할 때, 절단면이 거칠어질 수 있으며, 거친 모서리에 제2 레이어(220)가 부착된 경우, 응력집중 등으로 적절한 성능을 발휘할 수 있는 문제점을 방지하기 위함이다.

이하에서는 도5 내지 도 9를 참조하여 변형율 측정센서의 기능 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 제2 레이어(220)에 발생된 크랙(230)을 확대하여 촬영한 사진이다.

도 5 (a)에는 변형율 측정센서의 길이가 20% 신장되었을 때의 모습, 도 5 (b)에는 변형율 측정센서의 길이가 50% 신장되었을 때의 모습이 도시되어 있다. 우상측에 나타난 스케일 바의 길이는 5μm이다.

제2 레이어(220)에는 도시된 바와 같은 복수의 크랙(230)이 균일하게 분포되어 있다. 크랙(230)은 제2 레이어(220)가 신장되는 방향과 대체로 수직한 방향으로 형성되어 있다. 전술한 바와 같이 크랙(230)은 제2 레이어(220)가 신장시 신장되는 방향의 폭이 넓어져 접촉면적이 감소함으로써 저항이 증가되도록 구성되며, 회기시에는 반대로 폭이 좁아짐으로써 저항이 감소되도록 구성될 수 있다.

크랙(230)은 제2 레이어(220)의 일측에서부터 타측을 가로지르는 방향으로 형성되어 있으나, 제2 레이어(220)가 파단되지는 않도록 형성된다. 따라서 크랙(230)의 폭이 넓어지더라도 어느 하나의 크랙(230)에 의해 제2 레이어(220)에 흐르는 전류가 완전히 차단되지 않는다. 즉 제2 레이어(220)가 신장되더라도 크랙(230)이 형성되지 않는 부분으로 전류가 통과될 수 있도록, 제2 레이어(220)의 폭보다 짧은 길이로 형성된 복수의 크랙(230)이 형성된다.

도 6은 본 발명에 따른 제2 레이어(220)에 발생된 크랙(230)을 비교한 사진이며, 길이가 20% 신장되었을 때의 모습이 나타나 있다.

도 6(a)는 제2 레이어(220)에 형성된 크랙(230)의 폭이 부적절하게 넓은 모습이 도시되어 있으며, 도 6(b)는 제2 레이어(220)에 형성된 크랙(230)의 폭이 적절하게 구성되며, 균일하고 촘촘하게 형성되어 있는 모습이 도시되어 있다.

도 3(a)와 같이 크랙(230)의 폭이 부적절하게 큰 경우에는 어느 하나의 크랙(230)에 의해 부분적으로 파단이 일어나게 된다. 부분적 파단으로 인해 해당 부분에서는 전류의 흐름이 차단되며, 전체적으로는 5%이내의 적은 변형에도 불구하고 측정되는 제2 레이어(220)의 저항이 급격하게 증가하게 된다. 이는 측정범위가 변형율 5% 이상이 되면 측정이 불가능하게 됨을 뜻한다.

반면 도 6(b)와 같이 크랙(230)이 도 6(a)보다 조밀하게 형성된 경우에는, 동일한 신장률(20%)에도 불구하고 더 많은 수의 크랙(230)의 폭이 균일하게 증가하여 제2 레이어(220)상에서 크랙(230)과 크랙(230) 사이에 전류가 흐를 수 있는 다양한 경로가 형성될 수 있으므로 안정적으로 전류가 흘러갈 수 있게 된다.

이와 같은 크랙(230)의 폭과 밀집도는 측정 대상의 신장률에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를 들어 최대 신장률 60%의 측정범위를 가질 때 크랙(230)의 폭이 최대 변형률로 신장된 상태에서 5nm 이상으로 형성된 경우, 변형률 측정범위 내에서 급격한 저항변화가 발생하여 정밀한 측정이 어려워지게 된다. 따라서 이러한 경우, 크랙(230)의 폭은 5nm 이하로 구성되는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형율-스트레스 그래프가 나타난 도면이다. 변형률 측정센서(120)를 60% 변형율로 반복적으로 신장시킨 데이터가 나타나 있으며, 신장시키는 횟수에 따라 다른 색깔로 표시되어 있다.

도시된 바와 같이, 최초 1회의 신장시의 데이터는 이후의 데이터와 다소 차이가 있는 모습이 나타나 있다. 이때 최초 1회의 신장은 제2 레이어(220)에 크랙(230)이 형성되기 전 상태에서 신장시킨 데이터이며, 최초의 1회 신장시에는 다소 높게 인가되는 응력(stress)에 따라 제2 레이어(220)에는 전술한 복수의 크랙(230)이 발생되며, 제1 레이어(210)는 미세변형이 발생되게 된다.

그러나 이후의 반복 사용시에는 되시된 것처럼 변형에 따라 일정한 응력이 인가되게 되며, 반복사용을 할수록 데이터가 수렴하는 모습을 보이고 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 변형율 측정센서를 사용시 신뢰도 향상을 위하여 1차적으로 신장시켜 균일한 크랙(230)을 발생시켜야 한다. 다만 크랙(230)이 형성되지 않고 제1 레이어(210) 및 제2 레이어(220)가 부착된 상태에서 사용 직전 크랙(230)을 발생시키기 위해 신장시킬 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.

도시된 바와 같이 변형율 측정센서는 50%의 신장률로 반복했을 때, 저항의 변화는 대략 15배 정도 차이가 발생할 수 있다. 즉 10%의 변형이 일어나더라도 저항은 3배 이상의 차이가 발생되므로 매우 민감하게 작동될 수 있다.

한편, 신장 가능한 변형률 측정센서(120)의 민감도를 나타내는 가장 대표적인 인자로 gauge factor(GF=(저항변화량/초기저항)/변형률)를 들 수 있으며, 본 실시예의 GF 값은 20 내지 40의 값을 가질 수 있어 종래의 메탈 게이지가 5% 이내의 변형률 측정시 GF는 약 2 정도, 종래의 신장 가능한 변형률 측정센서(120)가 약 0.8 정도인 것에 비하여 10배 이상의 높은 GF값을 가질 수 있다. 따라서 변형률을 매우 민감하게 측정이 가능하여 0.01 N 단위로 변화되는 외력에 의한 변형을 측정 가능하다.

한편 조작부(110)의 조작시 변형률 측정센서(120)의 변형을 살펴보면, 조작부(110)는 탄성체로 이루어지 지므로 다양한 각도와 다양한 변형이 이루어 지게 되며, 관절이 없이 구성된 경우에는 사용자의 입력에 따라 자체형상이 변형된다. 사용자가 일측으로 휘는 조작을 하는 경우 조작부(110)는 사용자의 조작에 따라 형상이 변함에 따라 휘는 방향의 외측면은 길이가 신장되며, 내측면은 압축이 이루어지게 된다. 이때, 조작부(110)의 기하학적 구조에 따라 표면은 다양한 신장률을 가질 수 있고, 예를들어 폭이 4CM 이고 길이가 12CM인 도 2에 나타난 것과 같은 원기둥형 조작부(110)를 조작하여 원형으로 변형시킨 경우에 신장되는 외측면은 50% 이상이 변형될 수 있다. 이러한 경우 기존의 센서는 측정 가능한 신장률이 낮으며, 측정대상인 조작부(110)가 이러한 측정가능한 신장률 이상으로 신장되므로 센서가 파괴되거나 측정할 수 없었으나, 본 발명에 적용되는 변형률 측정센서(120)는 60% 이상의 신장률에도 적용이 가능하므로 조작부(110)의 다양한 형상으로 변형하더라도 측정이 가능하고, 변형률이 크더라도 측정이 가능하다.

한편, 반복사용을 사더라도 변형율에 따른 변형율 측정센서의 저항 값은 일정하게 변화되므로 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

도 9는 본 발명에 따른 변형율 측정센서의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이 변형율 30% 내에서 변형율 측정센서의 신장에 따른 저항증가되고 있으며, 30%까지 선형적으로 길이를 증가시킴에 따라 변형율 측정센서의 저항 값이 선형적으로 증가되는 실험결과 데이터가 나타나 있다.

제2 레이어(220)에 형성된 복수의 크랙(230)이 밀집되어 있어 급격한 저항변화를 방지하며 길이의 신장에 따라 선형적으로 저항이 달라지게 되므로, 측정값을 이용하여 절대값을 이용한 변형률 산출 또는 저항의 상대적 변화에 따른 변형율의 산출이 용이하다. 또한 변형에 따른 저항의 변화가 빠르게 이루어지며, 작은 오버슈트(overshoot) 및 회기시 작은 복구시간이 나타난다.

도 10은 본 발명에 따른 조작 장치(100)의 다른 실시예를 나타낸 사시도이다. 본 실시예에서도 도 1에서 설명한 실시예와 동일한 구성요소를 포함하여 구성될 수 있으며, 동일한 구성요소에 대하여는 중복설명을 피하기 위하여 설명하지 않기로 한다.

도시된 실시예에서는 조작부(110)의 끝단에 손잡이(111)가 부착된 모습이 도시되어 있다. 본 실시예는 손잡이(111) 및 진동부(140)를 더 포함하여 구성된 조작 장치(100)가 제공된다.

사용자가 손으로 조작을 하는 경우, 손잡이(111)를 손으로 잡은 상태에서 여러 가지 조작이 가능하도록 구성되며, 손잡이(111)를 기준으로 사용자에 의한 외력이 작용되어 조작부(110)의 변형이 이루어지므로, 보다 정규화된 조작이 적용될 수 있다.

진동부(140)는 진동의 세기를 조절하여 전달할 수 있도록 구성될 수 있으며, 슬레이브 디바이스의 상태 또는 환경에 따라 입력을 인가받아 진동을 발생시키도록 구성될 수 있다.

진동부(140)는 진동모터를 포함하여 구성될 수 있다. 다만 이와 같은 구성은 일 예일 뿐, 촉각을 전달하는 장치로서 압력, 힘 등을 사용자에 전달할 수 있도록 구성으로 변형되어 적용될 수 있다. 이와 같이 구성되어 햅틱 장치로도 활용이 가능하다.

한편, 도시되지는 않았으나, 본 발명에 따른 또다른 실시예로서, 조작부(110)가 복수로 구성되며, 각 조작부를 연결하며, 조작부가 상대적으로 회전할 수 있도록 구성된 조인트(미도시), 및 조인트에 설치되어 조작부간 각도를 측정할 수 있도록 구성된 조인트 센서를 포함한 조작 장치(100)가 제공될 수 있다. 복수의 조작부(110)가 연결되어 다관절 조작 장치로 구성될 수 있으며, 각 조작부(110) 자체의 형상이 사용자의 입력에 따라 변화될 수 있도록 구성되므로 다양한 위치 및 자세에 대한 입력이 가능하다.

이상에서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따른 조작 장치(100)는 변형률 측정센서(120)를 탄성체로 구성된 조작부(110)에 부착하여 사용자의 조작을 측정할 수 있도록 구성된다. 또한 변형률 측정센서(120)가 기존의 방식에 비하여 신장률에 월등한 향상이 있기 때문에 탄성있는 조작부(110)를 극도로 변형시키더라도 변형률 측정센서(120)가 파손되지 않고 정밀하게 변형을 측정할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 조작 장치(100)는 다양한 위치에 복수로 변형률 측정센서(120)를 설치하여 정밀한 위치 및 자세의 측정이 가능하고, 소형으로 제작이 가능하여 설치공간을 줄일 수 있으며, 구조가 단순하여 제조단가를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 조작 장치
110: 조작부 111: 손잡이
120: 변형률 측정센서
121: 제1 변형률 측정센서
122: 제2 변형률 측정센서
123: 제3 변형률 측정센서
130: 보디부
140: 진동부
210: 제1 레이어 220: 제2 레이어
230: 크랙

Claims

사용자와 접촉하여 조작에 따라 변형되도록 탄성부재로 구성된 조작부 및
상기 조작부에 설치되며, 상기 조작부와 함께 변형되어 변형율을 측정하도록 구성된 센서부를 포함하여 구성되며,
상기 센서부는 비전도성 물질로 구성되는 제1 레이어 및 상기 제1 레이어상에 형성되며, 전도체로 구성되어 복수의 크랙의 폭이 변화됨에 따라 저항의 크기가 달라지도록 구성되는 제2 레이어를 포함하여 구성되는 변형률 측정센서를 포함하는 조작 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 레이어는,
변형률을 측정하는 신장범위 내에서 크랙이 발생되지 않도록 신축성 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제2 항에 있어서,
상기 제2 레이어는,
상기 복수의 크랙의 폭이 넓어짐에 따라 저항의 크기가 커지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제3 항에 있어서,
상기 제2 레이어는 신장 시 상기 제2 레이어에 형성된 복수의 상기 크랙의 폭이 상기 신장되는 방향으로 넒어짐으로써 저항이 증가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제2 항에 있어서,
상기 제2 레이어는 회귀시 상기 크랙의 폭이 회귀되는 방향으로 좁아짐으로써 저항이 감소되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제2 항에 있어서,
상기 제1 레이어는 외력이 인가됨에 따라 길이가 신장되며,
상기 제2 레이어는 상기 제1 레이어와 함께 신장되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제6 항에 있어서,
상기 제2 레이어는 응력집중이 방지될 수 있도록 수 있도록 상기 제1 레이어의 상기 외력이 인가되는 지점으로부터 소정거리 이격되어 부착되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제2 항에 있어서,
상기 크랙은 변형률을 측정하는 신장범위가 60% 내에서 폭이 0.5nm 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제2 항에 있어서,
상기 조작부는 기둥형상으로 구성되며,
상기 센서부는 복수의 상기 변형률 측정센서를 포함하며,
상기 조작부의 피치(pitch) 및 요(yaw)를 측정 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제9 항에 있어서,
상기 센서부는
상기 조작부의 피치(pitch), 요(yaw), 길이방향을 중심으로 한 롤(roll) 값을 측정할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제10 항에 있어서,
상기 센서부는,
상기 조작부의 피치(pitch)를 측정할 수 있도록 상기 조작부의 길이방향으로 설치된 제1 변형률 측정센서;
상기 조작부의 요(yaw)를 측정할 수 있도록 상기 조작부의 길이방향으로 설치된 제2 변형률 측정센서; 및
상기 조작부의 롤(roll)을 측정할 수 있도록 상기 조작부의 둘레방향으로 설치되는 제3 변형률 측정센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제11 항에 있어서,
상기 조작부는 원기둥 형상으로 구성되며,
상기 제1 변형률 측정센서와 상기 제2 변형률 측정센서는 상기 조작부의 둘레에 90도 간격을 두고 길이방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제12 항에 있어서,
상기 제3 변형률 측정센서는,
상기 제1 변형률 측정센서 및 상기 제2 변형률 측정센서로부터 측정된 값을 반영하여 상기 조작부의 상기 롤 값이 계산될 수 있도록 상기 조작부의 길이방향으로 기울어지게 설치되는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제10 항에 있어서,
상기 센서부로부터 측정된 상기 변형률을 근거로 상기 조작부의 상기 피치, 상기 요, 상기 길이방향을 중심으로 한 롤 값을 계산하도록 구성되는 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제14 항에 있어서,
상기 연산부는,
제3 변형률 측정센서로부터 측정된 값을 근거로 상기 조작부의 상기 요, 상기 피치 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제2 항에 있어서,
상기 조작부는 복수로 구성되며,
상기 각 조작부를 연결하며, 상기 조작부가 상대적으로 회전할 수 있도록 구성된 조인트; 및
상기 조인트에 설치되어 상기 조작부간 각도를 측정할 수 있도록 구성된 조인트 센서를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 조작 장치.
제2 항에 있어서,
상기 사용자가 소정 출력신호에 따라 상기 조작부를 통하여 촉각을 느낄 수 있도록 구성되는 촉각전달부를 더 포함하는 조작 장치.
제17 항에 있어서,
상기 촉각전달부는, 상기 사용자가 진동을 느낄 수 있도록 구성되는 진동부를 포함하는 조작 장치.