KR101844658B1 - 촉각 인지 시스템, 및 그 데이터베이스 구축 방법 - Google Patents

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Abstract

촉각 인지 시스템이 제공된다. 상기 촉각 인지 시스템은, 촉각 데이터들과 특징 정보들을 대응시켜 저장하는 저장부, 대상물의 표면 특성을 센싱하여 센싱 신호를 생성하는 센싱부, 상기 센싱부에서 생성된 상기 센싱 신호로부터 센싱 정보를 추출하는 추출부, 및 상기 저장부에 저장된 상기 특징 정보들 중에서 상기 센싱 정보와 매칭되는 일 특징 정보를 추출하여, 상기 촉각 데이터들 중에서 상기 일 특징 정보에 대응하는 일 촉각 데이터를 추출하는 매칭부를 포함한다.

Description

촉각 인지 시스템, 및 그 데이터베이스 구축 방법{Tactile perception system, and method of database construction as the same}
본 발명은 촉각 인지 시스템 및 그 데이터베이스 구축 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 대상물의 표면 특성을 센싱하여 상기 대상물의 촉각 정보를 추출하는 촉각 인지 시스템 및 그 데이터베이스 구축 방법에 관련된 것이다.
모바일 기기의 급속한 발전과 인간의 터치 감각을 모방하기 위한 노력으로 인하여, 터치를 기반으로 하는 기기의 개발이 주요한 이슈가 되고 있다. 현재까지 발명된 터치센서, 입는 전자기기 등은 터치의 유무를 센싱하기 위한 기능을 위해 개발되었다.
터치 센서에 사용되는 물질은 실리콘 또는 유리 기판 상에 배치된 ITO를 기반으로 하고 있다. 이러한 ITO 물질을 이용한 터치 센서는 유연하지 않아, 웨어러블 디바이스(Wearable Device), 커브드 디스플레이(curved display) 등에 활용되는 데 한계가 있다.
이에 따라, 나노 와이어, 탄소나노튜브, 그래핀 등의 새로운 물질을 활용한 터치 센서의 개발이 진행 중이다. 예를 들어, 대한민국 특허공개공보 10-2013-0091493(출원번호 10-2012-0012817)에는, 고분자 스탬프와 유기 용매를 이용하여 패터닝된 그래핀 패턴층과 유기 절연체를 이용하여, 휨 특성이 우수하면서도 저가격화 및 대면적화가 가능한 그래핀 터치 패널 및 그 제조 방법이 개시되어 있다.
한편, 접촉되는 대상물의 표면 특성(재질 등)을 센싱할 수 있는 인공 지문 구조를 갖는 다양한 촉각 센서가 개발됨에 따라, 단순한 터치의 여부를 떠나서, 대상물의 경도, 거칠기, 터치 압력, 탄성, 온도, 또는 모양 등 다양한 촉감에 대한 센싱 여부가 가능하게 되었다.
이러한 촉각 센서를 이용하여 수치화된 촉각 정보들은, 인간이 직접적으로 느끼는 촉감으로 구현하여, 생체 모방형 촉감을 구현하여, 인공 피부, 의수, 수술용 로봇, 터치 센서, 가상현실 시스템, 촉감 디스플레이 등 다양한 기술분야에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고신뢰성의 촉각 인지 시스템 및 그 데이터베이스 구축 방법에 관련된 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 학습 가능한 촉각 인지 시스템 및 그 데이터베이스 구축 방법에 관련된 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 대상물의 재질을 센싱할 수 있는 촉각 인지 시스템 및 그 데이터베이스 구축 방법에 관련된 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 촉각 인지 시스템을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉각 인지 시스템은, 촉각 데이터들과 특징 정보들을 대응시켜 저장하는 저장부, 대상물의 표면 특성을 센싱하여 센싱 신호를 생성하는 센싱부, 상기 센싱부에서 생성된 상기 센싱 신호로부터 센싱 정보를 추출하는 추출부, 및 상기 저장부에 저장된 상기 특징 정보들 중에서 상기 센싱 정보와 매칭되는 일 특징 정보를 추출하여, 상기 촉각 데이터들 중에서 상기 일 특징 정보에 대응하는 일 촉각 데이터를 추출하는 매칭부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉각 데이터들은, 상기 대상물의 경도, 탄성, 모양 및/또는 거칠기에 대한 정보를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱부는, 그래핀 패턴을 포함하고, 상기 그래핀 패턴의 물리적 변형에 따른 저항 변화를 이용하여, 상기 대상물의 표면 특성을 센싱할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉각 인지 시스템은, 상기 센싱 신호의 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉각 인지 시스템은, 상기 일 표면 특성에 대한 데이터를 사용자에게 전달하는 전달부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 추출부는, 상기 센싱 신호를 주파수 변환하여, 주파수 변환된 상기 센싱 신호로부터 상기 센싱 정보를 추출할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱 정보는, 주파수 변환된 상기 센싱 신호의 특정 주파수 대역의 피크(peak) 값을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 촉각 인지 시스템의 데이터베이스 구축 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉각 인지 시스템의 데이터베이스 구축 방법은, 대상물의 표면 특성을 센싱하여 센싱 신호를 생성하는 단계, 상기 센싱 신호로부터 상기 대상물의 표면 특성에 대응되는 센싱 정보를 추출하는 단계, 및 상기 대상물의 표면 특성과 상기 센싱 정보를 대응시켜 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱 정보를 추출하는 단계는, 상기 센싱 신호를 주파수 변환하는 단계, 및 주파수 변환된 상기 센싱 신호의 특정 주파수 대역의 피크 값을 상기 센싱 정보로 정의하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱 정보는, 상기 대상물의 표면 거칠기에 따라서, 서로 다른 값을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱 신호를 생성하는 단계는, 라인(line) 형태의 복수의 센싱 패턴을 상기 대상물의 표면에 터치시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 촉각 인지 시스템을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉각 인지 시스템은, 타겟 대상물 및 비교 대상물들의 표면 특성을 센싱하여 타겟 센싱 신호 및 비교 센싱 신호를 각각 생성하는 센싱부, 상기 센싱부에서 생성된 상기 타겟 센싱 신호 및 비교 센싱 신호로부터 타겟 센싱 정보를 각각 추출하는 추출부, 및 상기 타겟 센싱 정보를 상기 타겟 대상물들의 촉각 데이터와 대응시켜 저장하는 저장부를 포함하되, 상기 추출부는, 상기 타겟 센싱 신호 및 비교 센싱 신호를 주파수 변환하여, 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호 및 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값을 비교하여, 피크 값의 차이가 있는 주파수 값들 및 대응하는 피크 값들 중에서 적어도 일부를 상기 타겟 센싱 정보로 정의할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 추출부는, 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호 및 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값들의 차이를 구하고, 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값과 비교하여 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호의 피크 값의 차이가 상대적으로 큰 주파수 값들 및 대응하는 피크 값들을 상기 타겟 센싱 신호로 정의할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 추출부는, 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값과 비교하여 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호의 피크 값의 차이가 상대적으로 큰 주파수 값들 및 대응하는 피크 값들을 정렬하고, 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값과 비교하여 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호의 피크 값의 차이가 큰 순서대로 복수개의 주파수 값들 및 대응하는 피크 값들을 상기 타겟 센싱 신호로 정의할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 촉각 인지 시스템은, 상기 타겟 센싱 신호로부터 노이즈 및 바이어스를 제거하는 노이즈 제거부를 더 포함하고, 상기 추출부는, 노이즈 및 바이어스가 제거된 상기 타겟 센싱 신호를 주파수 변환하여, 상기 타겟 센싱 신호를 추출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템은, 촉각 데이터들과 특징 정보들을 대응시켜 저장하는 저장부, 대상물의 표면 특성을 센싱하여 센싱 신호를 생성하는 센싱부, 상기 센싱부에서 생성된 상기 센싱 신호로부터 센싱 정보를 추출하는 추출부, 및 상기 저장부에 저장된 상기 특징 정보들 중에서 상기 센싱 정보와 매칭되는 일 특징 정보를 추출하여, 상기 촉각 데이터들 중에서 상기 일 특징 정보에 대응하는 일 촉각 데이터를 추출하는 매칭부를 포함한다. 이에 따라, 상기 대상물의 표면 특성을 센싱하여 사용자에게 용이하게 전달할 수 있는 고신뢰성의 촉각 인지 시스템이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템의 센싱 신호 및 센싱 정보를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 노이즈 제거부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 추출부를 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템이 데이터베이스 구축 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 센싱부의 터치 센서의 제1 실시 예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 센싱부의 터치 센서의 제2 실시 예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 센싱부의 터치 센서의 제3 실시 예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템을 이용하여 측정된 PET의 센싱 신호를 설명하기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템을 이용하여 측정된 fabric의 센싱 신호를 설명하기 위한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템을 이용하여 측정된 패터닝된 PDMS의 센싱 신호를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
또한, 본 명세서에서 "터치 센서"는 터치되는 대상물의 터치 유무, 터치 강도, 터치 속도 등을 센싱하고, 터치되는 대상물의 표면 특성(재질)을 센싱하는 것을 포함하는 의미로 사용된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템을 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템의 센싱 신호 및 센싱 정보를 설명하기 위한 그래프이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 노이즈 제거부를 설명하기 위한 도면이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 추출부를 설명하기 위한 도면들이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템은, 센싱부(10), 노이즈 제거부(20), 추출부(30), 저장부(40), 매칭부(50), 및 전달부(60)를 포함할 수 있다.
상기 센싱부(10)는 터치 센서를 포함할 수 있다. 상기 터치 센서에 대상물이 터치되는 경우, 상기 센싱부(10)는 상기 대상물의 표면 특성을 센싱하여 센싱 신호(SS)를 생성할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 센싱부(10)의 상기 터치 센서는, 그래핀 패턴을 포함하고, 상기 대상물의 터치에 따른 상기 그래핀 패턴의 물리적 변형에 따른 저항 변화를 이용하여 상기 대상물의 터치 여부를 센싱할 수 있다. 상술된 바와 달리, 다른 실시 예에 따르면, 상기 센싱부(10)의 상기 터치 센서는 상기 그래핀 패턴을 이용하지 않을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 센싱부(10)에서 생성된 상기 센싱 신호(SS)는 시간에 관한 함수 값을 가질 수 있다. 보다 구체적으로 예를 들어, 도 2의 (a)에 도시된 것과 같이, 상기 센싱 신호(SS)는, 상기 대상물의 표면 특성에 따라서 상기 그래핀 패턴이 물리적으로 변형되어, 상기 그래핀 패턴 양단의 전압의 차이가 주기적으로 변화되는 신호일 수 있다. 상기 센싱 신호(SI)의 주기 및 강도는 상기 대상물의 표면 특성(예를 들어, 표면 거칠기)에 따라서 변화될 수 있다.
또한, 도 2의 (a)에서 시간에 따라서 전압의 차이가 주기적으로 변화되는 것으로 도시되었으나, 상기 그래핀 패턴의 양단에 흐르는 전류가 시간에 따라서 주기적으로 변화될 수 있음은 자명하다.
상기 노이즈 제거부(20)는, 상기 센싱 신호(SS)의 노이즈를 제거할 수 있다. 예를 들어, 상기 노이즈 제거부(20)는 상기 센싱 신호(SS)의 바이어스(bias)를 제거할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 센싱 신호(SS)는 도 3에 도시된 것과 같이, 바이어스 신호를 포함할 수 있다. 상기 바이어스 신호는, 상기 대상물이 상기 센싱부(10)를 압력함에 따라 발생하는 신호로, 상기 대상물의 표면 특성과는 무관할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 센싱 신호(SS)에서 상기 바이어스 신호는 제거될 수 있다.
상기 추출부(30)는, 상기 센싱부(10)에서 생성되고 상기 노이즈 제거부(20)에서 노이즈가 제거된 상기 센싱 신호(SS)를 전달받을 수 있다. 상기 추출부(30)는, 상기 센싱 신호(SS)로부터 센싱 정보(SI)를 추출할 수 있다. 상기 추출부(30)는, mel-scale filter bank, linear predictive cepstral coefficients, running energy, zero crossing rate, pitch, residual energy, running partial residual energy 등의 방법으로, 상기 센싱 신호(SS)로부터 상기 센싱 정보(SI)를 추출할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 추출부(30)는, 상기 센싱 신호(SS)를 도 2의 (b)에 도시된 것과 같이, 주파수 변환하고, 주파수 변환된 상기 센싱 신호로부터 상기 센싱 정보(SI)를 추출할 수 있다. 상기 센싱 정보(SI)는 주파수 변화된 상기 센싱 신호의 특정 주파수 대역(F)의 피크 값(M)일 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 센싱 신호(SS)가 상기 대상물의 표면 특성(예를 들어, 표면 거칠기)에 따라 변화될 수 있고, 이에 따라, 상기 센싱 정보(SI)는 상기 대상물이 표면 특성(예를 들어, 표면 거칠기)에 따라 변화될 수 있다. 이로 인해, 상기 센싱 정보(SI)는 상기 대상물의 표면 특성에 대응되는 고유한 값을 가질 수 있다.
다시 말하면, 상기 추출부(30)는, 복수의 대상물들의 표면 특성에 대응되는 고유한 값을 갖는 상기 센싱 정보(SI)들을 추출하고, 상기 센싱 정보(SI)들은 상기 저장부(40)에 저장될 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 센싱부(10)에서 타겟 대상물 및 비교 대상물의 표면 특성을 센싱하여, 타겟 센싱 신호 및 비교 센싱 신호가 각각 생성된 경우, 상기 추출부(30)는, 상기 센싱부(10)에서 생성된 상기 타겟 센싱 신호 및 상기 비교 센싱 신호로부터 타겟 센싱 정보를 추출할 수 있고, 상기 타겟 센싱 정보는 상기 타겟 대상물의 촉각 데이터와 대응시켜 상기 저장부(40)에 저장될 수 있다.
상기 추출부(30)가 상기 타겟 센싱 정보를 추출하는 단계는, 상기 타겟 센싱 신호 및 상기 비교 센싱 신호를 각각 주파수 변환하는 단계, 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호 및 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값들의 차이를 계산하는 단계, 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값과 비교하여 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호의 피크 값의 차이가 상대적으로 큰 주파수 값들 및 대응하는 피크 값들을 정렬하는 단계, 및 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값과 비교하여 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호의 피크 값의 차이가 큰 순서대로 복수개의 주파수 값들 및 대응하는 피크 값들을 상기 타겟 센싱 신호로 정의하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값 및 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호의 피크 값의 차이는, 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호 및 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호를 이용하여, AUC(Area under the curve) 방법으로, 계산된 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 주파수 값들을 인덱싱(indexing)하여 도시될 수 있다(도 4에서 붉은 점은 최대 값, 파란 점은 최소 값). 도 5에 도시된 바와 같이, 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값 및 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호의 피크 값의 차이가 큰 13개의 주파수 및 피크 값을 이용하더라도, 실질적으로 타겟 대상물의 분류가 가능한 것을 확인할 수 있다.
상기 저장부(40)는, 촉각 데이터들과 특징 정보들을 대응시켜 저장할 수 있다. 예를 들어, 상기 저장부(40)는 상기 촉각 데이터들과 상기 특징 정보들이 1:1로 매칭된 테이블(table)을 저장할 수 있다. 상기 촉각 데이터들은, 상기 대상물의 표면 특성을 수치화하여 나타낼 수 있는 정보들로, 예를 들어, 표면 거칠기, 표면 경도, 탄성에 관한 정보들일 수 있다. 상기 특징 정보들은, 도 2의 (b)에 도시된 것과 같이, 특정 주파수 대역의 피크 값일 수 있다.
상기 매칭부(50)는, 상기 추출부(30)로부터 상기 센싱 정보(SI)를 수신할 수 있다. 상기 매칭부(50)는, 상기 저장부(40)에 저장된 상기 특징 정보들 중에서, 상기 센싱 정보(SI)에 매칭되는 일 특징 정보를 추출하고, 상기 촉각 데이터들 중에서 상기 일 특징 정보에 대응되는 일 촉각 데이터(Sur_inform)를 추출할 수 있다. 상기 매칭부(50)는 상기 일 촉각 데이터(Sur_inform)를 상기 전달부(60)로 전달할 수 있다.
상기 저장부(40)에 저장된 상기 특징 정보들 중에서, 상기 센싱 정보(SI)에 매칭되는 특징 정보가 없는 경우, 상기 매칭부(50)는 SVM(Support vector machine) , GMM(Gaussian Mixture Mode), Neural network 등의 학습 기법으로, 상기 센싱 정보(SI)를 학습 및 분류할 수 있다.
또는, 상술된 바와 같이, 상기 저장부(40)에 저장된 상기 특징 정보들 중에서, 상기 센싱 정보(SI)에 매칭되는 특징 정보가 없는 경우, 상기 매칭부(50)는 상기 센싱 정보(SI)를 상기 저장부(40)에 저장하고, 사용자에게 상기 센싱 정보(SI)에 대응되는 촉각 데이터를 요청할 수 있다. 사용자가 상기 센싱 정보(SI)에 대응되는 상기 촉각 데이터를 입력하는 경우, 상기 저장부(40)는 상기 센싱 정보(SI)를 특징 정보로 변환하여, 상기 촉각 데이터와 대응시켜 저장할 수 있다.
상기 전달부(60)는, 상기 일 특징 정보에 대응되는 상기 일 촉각 데이터(Sur_inform)를 사용자에게 전달할 수 있다. 예를 들어, 상기 전달부(60)는 상기 일 촉각 데이터(Sur_inform)를 화면에 표시하여 사용자에게 전달하거나, 또는 전기적인 신호로 사용자에게 전달할 수 있다. 다시 말하면, 상기 전달부(60)는, 상기 일 촉각 데이터(Sur_inform)와 같이 수치화된 정보를 정성화하고 촉감으로 변환하여, 사용자에게 전달할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 촉각 인지 시스템은, 대상물의 표면 특성을 센싱하고, 상기 대상물의 표면 특성에 대응되는 촉각 데이터를 추출하여, 사용자에게 전달할 수 있다. 이에 따라, 상기 대상물의 재질을 센싱하여 인지할 수 있는 고신뢰성의 촉각 인지 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템은, 인공 피부, 의수, 수술용 로봇, 터치 센서, 가상 현실 시스템, 촉각 디스플레이 등 다양한 기술분야에 활용될 수 있다.
또한, 도 1을 참조하여 설명된 실시 예에서, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또한, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능하다. 예를 들어, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들의 기능들이 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템의 데이터베이스 구축 방법이 설명된다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템이 데이터베이스 구축 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 대상물의 표면 특성을 센싱하여 센싱 신호가 생성될 수 있다(S110), 상기 대상물의 표면 특성은, 도 1을 참조하여 설명된 상기 센싱부(10)를 이용하여 센싱될 수 있다. 또한, 상기 센싱 신호는, 도 2의 (a)를 참조하여 설명된 것과 같이, 시간에 과한 함수 값을 가질 수 있다.
상기 센싱 신호로부터 상기 대상물의 표면 특성에 대응되는 센싱 정보가 추출될 수 있다(S120). 상기 센싱 정보를 추출하는 단계는, 도 2의 (b)를 참조하여 설명된 것과 같이 상기 센싱 신호를 주파수 변환하는 단계, 및 주파수 변화된 상기 센싱 신호의 특정 주파수 대역의 피크 값을 상기 센싱 신호로 정의하는 단계를 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된 것과 같이, 상기 센싱 신호가 상기 대상물의 표면 특성(예를 들어, 표면 거칠기)에 따라 다를 수 있고, 이에 따라, 상기 대상물의 표면 특성(예를 들어, 표면 거칠기)에 따라서, 서로 다른 상기 센싱 정보들이 추출될 수 있다. 상기 센싱 신호는, 도 1을 참조하여 설명된 상기 추출부(30)에 의해 추출될 수 있다.
상기 대상물의 표면 특성과 상기 센싱 정보를 대응시켜 저장할 수 있다. 상기 대상물의 표면 특성은, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 것과 같이, 표면 특성을 수치화하여 나타낼 수 있는 촉각 데이터로, 표면 거칠기, 표면 경도, 탄성에 관한 정보들일 수 있다. 상기 대상물의 표면 특성과 상기 센싱 정보는 1:1로 매칭되어, 도 1을 참조하여 설명된 상기 저장부(40)에 저장될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 대상물의 표면 특성을 센싱하여 상기 센싱 신호를 생성하고, 상기 센싱 신호로부터 추출된 상기 센싱 정보가 상기 대상물의 표면 특성과 대응되도록 저장되어, 데이터베이스가 구축될 수 있다. 이에 따라, 촉각 인지 시스템에 적용이 용이한 데이터베이스의 구축 방법이 제공될 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 센싱부의 터치 센서는 그래핀 패턴을 포함할 수 있고, 상기 터치 센서는 라인 형태의 복수의 센싱 패턴을 대상물의 표면에 터치시켜 상기 센싱 신호를 생성할 수 있다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 센싱부의 터치 센서의 다양한 실시 예들이 설명된다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 센싱부의 터치 센서의 제1 실시 예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 7을 참조하면, 제1 실시 예에 따른 터치 센서는, 제1 기판(100), 상기 제1 기판(100) 상에 배치되고 제1 돌출 영역(110a) 및 제1 오목 영역(110b)을 갖는 제1 패턴(110), 상기 제1 기판(100) 상의 제2 기판(200), 상기 제1 패턴(110)과 마주보도록 상기 제2 기판(200) 상에 배치되고 제2 돌출 영역(210a) 및 제2 오목 영역(210b)을 갖는 제2 패턴(210), 상기 제1 패턴(110)과 상기 제2 패턴(210) 사이의 그래핀 패턴(220), 상기 그래핀 패턴(220) 양측의 전극 패턴(203), 및 상기 제2 기판(200) 상에 배치되고 센싱 패턴(310)을 포함하는 상부 기판(300)을 포함할 수 있다.
대상물이 상기 센싱 패턴(310)에 터치되는 경우, 상기 그래핀 패턴(220)이 물리적으로 변형되어, 상기 그래핀 패턴(220)의 저항이 변화될 수 있다. 상기 그래핀 패턴(220)의 저항 변화가 상기 전극 패턴(230)에 의해 감지되어, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명된 센싱 신호가 생성될 수 있다.
또한, 상기 제1 돌출영역(110a) 및 상기 제2 오목영역(210b)은 마주보도록 배치되고, 상기 제1 오목영역(110b)과 상기 제2 돌출영역(210a)은 마주보도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 센싱 패턴(310)에 상기 대상물이 터치되는 경우 상기 그래핀 패턴(220)의 물리적 변형이 증가되어, 상기 대상물의 터치에 따라서 상기 그래핀 패턴(220)의 저항이 용이하게 변화되어 센싱 감도가 증가될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 센싱부의 터치 센서의 제2 실시 예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 8을 참조하면, 제2 실시 예에 따른 터치 센서는, 제1 기판 구조체, 제2 기판 구조체, 분리막(600), 및 센싱 패턴(710)을 갖는 상부 기판(700)을 포함할 수 있다.
상기 제1 기판 구조체는, 제1 기판(410), 상기 제1 기판(410) 상의 제1 그래핀 패턴(422a, 422b), 상기 제1 그래핀 패턴(422a, 422b) 사이의 접착층(420a, 420b), 및 상기 제1 그래핀 패턴(122a, 122b) 상의 전극 패턴(430)을 포함할 수 있다.
상기 제2 기판 구조체는, 베이스 기판(510), 평탄화막(512), 및 절연막(514)을 포함하는 제2 기판, 및 상기 제2 기판 상의 제2 그래핀 패턴(522)을 포함할 수 있다.
상기 개구부(610)를 갖는 상기 분리막(600)이 상기 제1 기판 구조체 및 상기 제2 기판 구조체 사이에 배치되될 수 다. 대상물의 상기 센싱 패턴(710)의 터치 여부에 따라서, 상기 개구부(610)를 통해, 상기 제1 그래핀 패턴(422a, 422b)과 상기 제2 그래핀 패턴(522)의 전기적 연결이 조절될 수 있다. 이에 따라, 상기 센싱 패턴(710)에 상기 대상물의 터치 여부가 센싱되어, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 센싱 신호가 생성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템에 포함된 센싱부의 터치 센서의 제3 실시 예를 설명하기 위한 사시도이다.
도 9를 참조하면, 제3 실시 예에 따른 터치 센서는, 베이스 기판(810), 상기 베이스 기판(810)의 일면 상의 제1 그래핀 패턴(820), 상기 제1 그래핀 패턴(820) 양측의 전극 패턴(830), 상기 전극 패턴(830)과 접촉되고 상기 제1 그래핀 패턴(820) 상에 배치된 제2 그래핀 패턴(840), 및 상기 베이스 기판(810)의 타면 상에 배치되고 센싱 패턴(852)을 갖는 상부 기판(850)을 포함할 수 있다.
상기 센싱 패턴(852)에 대상물의 터치 여부에 따라서, 상기 제1 그래핀 패턴(820)과 상기 제2 그래핀 패턴(84)의 접촉 면적이 조절될 수 있고, 이에 따라, 상기 전극 패턴(830) 사이의 저항 변화를 통해, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 센싱 신호가 생성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템을 이용하여 측정된 PET의 센싱 신호를 설명하기 위한 그래프이고, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템을 이용하여 측정된 fabric의 센싱 신호를 설명하기 위한 그래프이고, 도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 촉각 인지 시스템을 이용하여 측정된 패터닝된 PDMS의 센싱 신호를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 도 7을 참조하여 설명된 제1 실시 예에 따른 터치 센서를 갖는 촉각 인지 시스템을 이용하여 대상물에 따른 센싱 신호 및 센싱 정보를 측정 및 분석하였다. 구체적으로, 센싱 신호 및 센싱 정보의 측정 대상물로, 패터닝되지 않은 PET, No periodic fabric, 및 패터닝된 PDMS를 준비하였다. 도 10의 (a), 도 11의 (a) 및 도 12의 (a)는 각각 패터닝되지 않은 PET, No periodic fabric, 및 패터닝된 PDMS의 센싱 신호이고, 도 10의 (b), 도 11의 (b) 및 도 12의 (b)는 각각 도 10의 (a), 도 11의 (a) 및 도 12의 (a)의 센싱 신호를 주파수 변환한 것이다.
도 10의 (a), 도 11의 (a) 및 도 12의 (a)에서 알 수 있듯이, 대상물의 표면 특성에 따라서, 서로 다른 센싱 신호들이 측정되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 센싱 신호들은 주기적으로 변화되는 전압 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 10의 (b), 도 11의 (b) 및 도 12의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 센싱 신호들을 주파수 변환하는 경우, 대상물의 표면 특성에 따라서 특정 주파수 대역에서 피크 값들이 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 상기 대상물의 표면 특성을 센싱한 상기 센싱 신호를 주파수 변환하고, 주파수 변환된 상기 센싱 신호들에서 센싱 정보를 추출하여, 상기 대상물의 표면 특성과 매칭시킬 수 있고, 이를 촉각 인지 시스템 적용할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10: 센싱부
20: 노이즈 제거부
30: 추출부
40: 저장부
50: 매칭부
60: 전달부

Claims (15)

  1. 촉각 데이터들과 특징 정보들을 대응시켜 저장하는 저장부;
    대상물의 표면 특성을 센싱하여 센싱 신호를 생성하는 센싱부;
    상기 센싱부에서 생성된 상기 센싱 신호로부터 센싱 정보를 추출하는 추출부; 및
    상기 저장부에 저장된 상기 특징 정보들 중에서 상기 센싱 정보와 매칭되는 일 특징 정보를 추출하여, 상기 촉각 데이터들 중에서 상기 일 특징 정보에 대응하는 일 촉각 데이터를 추출하는 매칭부를 포함하되,
    상기 센싱부는, 제1 터치 센서, 제2 터치 센서, 또는 제3 터치 센서 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 제1 터치 센서는, 돌출영역 및 오목영역을 갖는 제1 기판 및 제2 기판 사이에 제공된 제1 그래핀 패턴을 포함하되, 상기 제1 기판의 돌출영역 및 오목영역은 상기 제2 기판의 오목영역 및 돌출영역과 각각 서로 마주보고, 서로 마주보는 상기 제1 기판의 돌출영역 및 오목영역, 및 상기 제2 기판의 오목영역 및 돌출영역 사이에 상기 제1 그래핀 패턴이 배치되고,
    상기 제2 터치 센서는, 서로 이격된 세그먼트들을 갖는 제2 그래핀 패턴을 포함하되, 상기 제2 터치 센서에 대한 상기 대상물의 터치 여부에 따라서 상기 세그먼트들의 전기적 연결 여부가 제어되고,
    상기 제3 터치 센서는, 제3 그래핀 패턴, 상기 제3 그래핀 패턴 상의 제4 그래핀 패턴, 및 상기 제3 그래핀 패턴의 양측에 배치되되 상기 제3 그래핀 패턴과 이격되고 상기 제4 그래핀 패턴과 연결된 전극막들을 포함하되, 상기 제3 터치 센서에 대한 상기 대상물의 터치에 따라서 상기 제3 및 제4 그래핀 패턴들의 접촉 면적이 조절되는 것을 포함하는 촉각 인지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 촉각 데이터들은, 상기 대상물의 경도, 탄성, 모양, 및/또는 거칠기에 대한 정보를 포함하는 촉각 인지 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 센싱 신호의 노이즈를 제거하는 노이즈 제거부를 더 포함하는 촉각 인지 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 일 촉각 데이터를 사용자에게 전달하는 전달부를 더 포함하는 촉각 인지 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 추출부는, 상기 센싱 신호를 주파수 변환하여, 주파수 변환된 상기 센싱 신호로부터 상기 센싱 정보를 추출하는 것을 포함하는 촉각 인지 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 센싱 정보는, 주파수 변환된 상기 센싱 신호의 특정 주파수 대역의 피크(peak) 값을 포함하는 촉각 인지 시스템.
  8. 센싱부가 대상물의 표면 특성을 센싱하여 센싱 신호를 생성하는 단계;
    추출부가 상기 센싱 신호로부터 상기 대상물의 표면 특성에 대응되는 센싱 정보를 추출하는 단계; 및
    저장부가 상기 대상물의 표면 특성과 상기 센싱 정보를 대응시켜 저장하는 단계를 포함하되,
    상기 센싱부는, 제1 터치 센서, 제2 터치 센서, 또는 제3 터치 센서 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 제1 터치 센서는, 돌출영역 및 오목영역을 갖는 제1 기판 및 제2 기판 사이에 제공된 제1 그래핀 패턴을 포함하되, 상기 제1 기판의 돌출영역 및 오목영역은 상기 제2 기판의 오목영역 및 돌출영역과 각각 서로 마주보고, 서로 마주보는 상기 제1 기판의 돌출영역 및 오목영역, 및 상기 제2 기판의 오목영역 및 돌출영역 사이에 상기 제1 그래핀 패턴이 배치되고,
    상기 제2 터치 센서는, 서로 이격된 세그먼트들을 갖는 제2 그래핀 패턴을 포함하되, 상기 제2 터치 센서에 대한 상기 대상물의 터치 여부에 따라서 상기 세그먼트들의 전기적 연결 여부가 제어되고,
    상기 제3 터치 센서는, 제3 그래핀 패턴, 상기 제3 그래핀 패턴 상의 제4 그래핀 패턴, 및 상기 제3 그래핀 패턴의 양측에 배치되되 상기 제3 그래핀 패턴과 이격되고 상기 제4 그래핀 패턴과 연결된 전극막들을 포함하되, 상기 제3 터치 센서에 대한 상기 대상물의 터치에 따라서 상기 제3 및 제4 그래핀 패턴들의 접촉 면적이 조절되는 것을 포함하는 촉각 인지 시스템의 데이터베이스 구축 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 센싱 정보를 추출하는 단계는,
    상기 추출부가 상기 센싱 신호를 주파수 변환하는 단계; 및
    상기 추출부가 주파수 변환된 상기 센싱 신호의 특정 주파수 대역의 피크 값을 상기 센싱 정보로 정의하는 단계를 포함하는 촉각 인지 시스템의 데이터베이스 구축 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 센싱 정보는, 상기 대상물의 표면 거칠기에 따라서, 서로 다른 값을 갖는 것을 포함하는 촉각 인지 시스템의 데이터베이스 구축 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 센싱 신호를 생성하는 단계는,
    상기 센싱부에 포함된 라인(line) 형태의 복수의 센싱 패턴을 상기 대상물의 표면에 터치시키는 것을 포함하는 촉각 인지 시스템의 데이터베이스 구축 방법.
  12. 타겟 대상물 및 비교 대상물의 표면 특성을 센싱하여 타겟 센싱 신호 및 비교 센싱 신호를 각각 생성하는 센싱부;
    상기 센싱부에서 생성된 상기 타겟 센싱 신호 및 비교 센싱 신호로부터 타겟 센싱 정보를 추출하는 추출부; 및
    상기 타겟 센싱 정보를 상기 타겟 대상물의 촉각 데이터와 대응시켜 저장하는 저장부를 포함하되,
    상기 추출부는, 상기 타겟 센싱 신호 및 비교 센싱 신호를 주파수 변환하여, 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호 및 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값을 비교하여, 피크 값의 차이가 있는 주파수 값들 및 대응하는 피크 값들 중에서 적어도 일부를 상기 타겟 센싱 정보로 정의하는 것을 포함하되,
    상기 센싱부는, 제1 터치 센서, 제2 터치 센서, 또는 제3 터치 센서 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 제1 터치 센서는, 돌출영역 및 오목영역을 갖는 제1 기판 및 제2 기판 사이에 제공된 제1 그래핀 패턴을 포함하되, 상기 제1 기판의 돌출영역 및 오목영역은 상기 제2 기판의 오목영역 및 돌출영역과 각각 서로 마주보고, 서로 마주보는 상기 제1 기판의 돌출영역 및 오목영역, 및 상기 제2 기판의 오목영역 및 돌출영역 사이에 상기 제1 그래핀 패턴이 배치되고,
    상기 제2 터치 센서는, 서로 이격된 세그먼트들을 갖는 제2 그래핀 패턴을 포함하되, 상기 제2 터치 센서에 대한 상기 대상물의 터치 여부에 따라서 상기 세그먼트들의 전기적 연결 여부가 제어되고,
    상기 제3 터치 센서는, 제3 그래핀 패턴, 상기 제3 그래핀 패턴 상의 제4 그래핀 패턴, 및 상기 제3 그래핀 패턴의 양측에 배치되되 상기 제3 그래핀 패턴과 이격되고 상기 제4 그래핀 패턴과 연결된 전극막들을 포함하되, 상기 제3 터치 센서에 대한 상기 대상물의 터치에 따라서 상기 제3 및 제4 그래핀 패턴들의 접촉 면적이 조절되는 것을 포함하는 촉각 인지 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 추출부는, 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호 및 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값들의 차이를 구하고, 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값과 비교하여 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호의 피크 값의 차이가 상대적으로 큰 주파수 값들 및 대응하는 피크 값들을 상기 타겟 센싱 신호로 정의하는 것을 포함하는 촉각 인지 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 추출부는, 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값과 비교하여 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호의 피크 값의 차이가 상대적으로 큰 주파수 값들 및 대응하는 피크 값들을 정렬하고, 주파수 변환된 상기 비교 센싱 신호의 피크 값과 비교하여 주파수 변환된 상기 타겟 센싱 신호의 피크 값의 차이가 큰 순서대로 복수개의 주파수 값들 및 대응하는 피크 값들을 상기 타겟 센싱 신호로 정의하는 것을 포함하는 촉각 인지 시스템.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 타겟 센싱 신호로부터 노이즈 및 바이어스를 제거하는 노이즈 제거부를 더 포함하고,
    상기 추출부는, 노이즈 및 바이어스가 제거된 상기 타겟 센싱 신호를 주파수 변환하여, 상기 타겟 센싱 신호를 추출하는 것을 포함하는 촉각 인지 시스템.
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