KR101991578B1 - 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중의 측정이 가능한 촉각 센서 - Google Patents

수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중의 측정이 가능한 촉각 센서 Download PDF

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Abstract

전극의 이동 방향 및 접촉 면적 변화만을 통해 외부에서 가해지는 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 각각 구분하고, 이를 동시에 측정하는 접촉 센서에 관한 것이다. 접촉 센서는 하부 전극, 및 상부 전극을 포함한다. 하부 전극은 상면에 적어도 하나의 홈부가 형성된다. 상부 전극은 하부 전극의 상부에 배치되고, 홈부와 대응되는 형태로 이루어져 홈부에 각각 삽입되는 돌기가 저면에 형성되며, 외력의 작용시 X축 방향과, Y축 방향과, Z축 방향, 및 요(Yaw) 방향으로 이동하여 하부 전극과의 접촉 면적이 증가 또는 감소한다. 그리고, 촉각 센서는 하부 전극과 상부 전극의 접촉 면적 변화에 따른 전류 변화량을 측정하여 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 측정한다.

Description

수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중의 측정이 가능한 촉각 센서{Tactile sensor for measuring of normal force, shear force and torsion force}
본 발명은 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중의 측정이 가능한 촉각 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하부 전극과 상부 전극의 접촉면적 변화에 따른 전류 변화를 통해 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 동시에 측정할 수 있는 촉각 센서에 관한 것이다.
접촉을 통한 주변 환경의 정보, 즉 접촉력, 진동, 표면의 거칠기 등을 획득하는 촉각 기능은 차세대 정보수집 매체로 인식되고 있다. 촉각 감각을 대체할 수 있는 생체 모방형 촉각 센서는 혈관 내의 미세수술, 암 진단 등의 각종 의료진단 및 시술에 사용될 뿐만 아니라 향후 가상환경 구현기술에서 중요한 촉각 제시 기술에 적용될 수 있기 때문에 그 중요성이 더해지고 있다.
이러한 촉각 센서의 민감도를 증가시키기 위하여 미소 기전 집적 시스템(MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems) 제작기술을 이용하여 감지부의 크기가 충분히 작으며, 어레이 형태로 된 촉각 센서가 개발되고 있으며, 최근에는 유연한 소재를 사용하여 곡면 등 표면의 형상에 관계없이 적용 가능한 촉각 센서의 개발들이 이루어지고 있다.
그러나 지금까지 촉각 감지를 위해 개발된 소자들은 한국공개특허 제2014-0074461호(2014.06.18)에 공지된 바와 같이, 대부분이 촉각 센서에 전달되는 다양한 정보 중 압력 감지 등에 국한되어 다양한 촉각 정보를 수집하기는 어려운 문제가 있었다.
즉, 종래의 촉각 센서들은 미세한 수직 하중(normal force), 전단 하중(shear force) 및 비틀림 하중(torsion force)의 정확한 측정이 어렵고, 이를 측정하기 위해서는 복잡한 추가 측정 회로 및 장치를 설치하여야만 하는 등의 문제가 있었다.
본 발명의 과제는 상부 전극의 이동 방향과, 상부 전극이 이동함에 따라 발생하는 하부 전극과의 접촉 면적 변화만을 통해 전류 변화량을 측정함으로써 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 각각 구분하고, 이를 동시에 측정할 수 있는 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중의 측정이 가능한 촉각 센서를 제공함에 있다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 접촉 센서는 하부 전극, 및 상부 전극을 포함한다. 하부 전극은 상면에 적어도 하나의 홈부가 형성된다. 상부 전극은 하부 전극의 상부에 배치되고, 홈부와 대응되는 형태로 이루어져 홈부에 각각 삽입되는 돌기가 저면에 형성되며, 외력의 작용시 X축 방향과, Y축 방향과, Z축 방향, 및 요(Yaw) 방향으로 이동하여 하부 전극과의 접촉 면적이 증가 또는 감소한다. 그리고, 촉각 센서는 하부 전극과 상부 전극의 접촉 면적 변화에 따른 전류 변화량을 측정하여 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 측정한다.
일 실시예에 따르면, 접촉 센서의 돌기는 사각 뿔 형상으로 형성된다.
일 실시예에 따르면, 접촉 센서의 돌기는 각 모서리 부위가 하부로 테이퍼(taper) 형태를 갖는 사각 기둥 형상으로 형성된다.
일 실시예에 따르면, 돌기의 단면은 X축 방향의 길이와 Y축 방향의 길이가 각각 다르게 형성된다.
일 실시예에 따르면, 돌기의 너비는 홈부의 너비 보다 작게 형성된다.
일 실시예에 따르면, 돌기의 높이는 홈부의 높이 보다 크게 형성된다.
일 실시예에 따르면, 하부 전극의 하측 및 상부 전극의 상측에는 각각 절연성을 갖는 하부 전극 보호층 및 상부 전극 보호층이 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상부 전극은 돌기의 일부가 홈부에 접촉된 상태에서 이동한다.
일 실시예에 따르면, 상부 전극은 전도성 고분자 소재로 형성된다. 일례로, 전도성 고분자는 이오닉 겔(ionic gel) 및 고분자 전해질(polymer electrolyte) 중 선택된 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 접촉 센서는 하부 전극, 및 상부 전극을 포함한다. 하부 전극은 상면에 각각 다른 형태의 홈부가 적어도 2개 형성된다. 상부 전극은 하부 전극의 상부로 이격 배치되고, 홈부와 대응되는 형태로 이루어져 홈부에 각각 삽입되는 적어도 2개의 돌기가 저면에 형성되며, X축 방향과, Y축 방향과, Z축 방향, 및 요(Yaw) 방향으로 이동 하여 하부 전극과의 접촉 면적이 증가 또는 감소한다. 그리고, 촉각 센서는 하부 전극과 상부 전극의 접촉 면적 변화에 따른 전류 변화량을 측정하여 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 측정한다.
일 실시예에 따르면, 하나의 돌기는 사각 뿔 형상으로 형성되고, 나머지 하나의 돌기는 각 모서리 부위가 하측 방향으로 테이퍼 형태를 갖는 사각 기둥 형상로 형성된다.
일 실시예에 따르면, 돌기의 단면은 X축 방향의 길이와 Y축 방향의 길이가 각각 다르게 형성된다.
일 실시예에 따르면, 돌기의 너비는 홈부의 너비 보다 작게 형성된다.
일 실시예에 따르면, 상부 전극은 돌기의 일부가 홈부에 접촉된 상태에서 이동한다.
일 실시예에 따르면, 상부 전극은 이오닉 겔(ionic gel) 및 고분자 전해질(polymer electrolyte) 중 선택된 하나로 이루어진 전도성 고분자 소재로 형성된다.
본 발명에 따르면, 상부 전극의 이동 방향과, 상부 전극 및 하부 전극의 접촉 면적 변화만을 통해 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 각각 구분하고, 이를 동시에 측정할 수 있게 된다. 특히, 기하학적인 형태로 형성된 상부 전극의 돌기와 하부 전극의 홈부만을 통해 접촉 면적의 변화를 효과적으로 측정할 수 있으므로, 종래와 같이 전단 하중 및 비틀림 하중의 발생시 이를 측정하기 위한 별도의 변위 측정 장치를 필요로 하지 않아 구조가 간단해지게 되므로 촉각 센서의 전체 크기를 줄일 수 있게 된다.
또한, 상부 전극을 플렉서블한 특징을 갖는 전도성 고분자 소재로 형성함에 따라, 상부 전극이 하부 전극과 접촉하며 이동할 때 각 전극들의 마모를 최소화하여 촉각 센서의 수명을 증대시킬 수 있게 된다.
아울러, 촉각센서를 통해 외부의 모든 방향에서 가해지는 미세한 하중의 감지가 가능하므로, 지능형 로봇과, 수술용 로봇, 재활/치료 로봇, 인공전자 피부 등 다양한 분야에 적용하여 사용할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서의 분해 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 촉각 센서의 단면도.
도 3은 도 2에 있어서, 촉각 센서에 수직 하중이 작용한 상태를 도시한 도면.
도 4는 도 2에 있어서, 촉각 센서에 전단 하중이 작용한 상태를 도시한 도면.
도 5는 도 2에 있어서, 촉각 센서에 비틀림 하중이 작용한 상태를 도시한 도면.
도 6은 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 도시한 분해 사시도.
도 7은 도 6에 도시된 촉각 센서의 단면도.
도 8은 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 도시한 분해 사시도.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중의 측정이 가능한 촉각 센서에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 센서의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 촉각 센서의 단면도이다. 그리고, 도 3은 도 2에 있어서, 촉각 센서에 수직 하중이 작용한 상태를 도시한 도면이고, 도 4는 도 2에 있어서, 촉각 센서에 전단 하중이 작용한 상태를 도시한 도면이고, 도 5는 도 2에 있어서, 촉각 센서에 비틀림 하중이 작용한 상태를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 촉각 센서(100)는 하부 전극(110)과, 상부 전극(120)을 포함한다.
하부 전극(110)은 일정 두께를 갖는 사각 형태의 판 형태로 형성될 수 있으며, 상면에 적어도 하나의 홈부(111)가 형성될 수 있다. 그리고, 하부 전극(110)은 철, 구리 등과 같이 전기적 전도성이 좋은 금속 소재로 이루어질 수 있다. 이 밖에도 하부 전극(110)은 전도성 및 플렉서블(flexible)한 특징을 갖는 전도성 폴리머로 형성될 수도 있다.
하부 전극(110)의 상면에 형성된 홈부(111)는 기하학적 형태로 이루어질 수 있는데, 자세한 형상은 후술하기로 한다.
상부 전극(120)은 하부 전극(110)의 상부에 이격 배치되고, 저면에는 홈부(111)와 대응되는 형태로 이루어져 홈부(111)에 삽입되는 돌기(121)가 형성된다. 구체적으로, 상부 전극(120)은 하부 전극(110)과 마찬가지로 일정 두께를 갖는 사각 형태의 판 형태로 형성될 수 있으며, 저면에는 사각 뿔 형상, 즉 피라미드 형상의 돌기(121)가 형성될 수 있다. 여기서, 돌기(121)와 홈부(111)는 서로 마주보는 위치에 배치될 수 있으며, 돌기(121)가 사각 뿔 형상으로 형성됨에 따라 홈부(111) 또한 사각 뿔 형상으로 형성될 수 있다.
상부 전극(120)의 저면에 형성된 돌기(121)의 개수는 한정되지 않으나, 돌기(121)의 개수가 증가할수록 접촉 면적 또한 증가 하므로, 최소 측정 가능한 전류량을 감안하여 돌기(121)의 개수를 적절히 설계할 수 있다.
상부 전극(120)은 플렉서블(flexible)한 소재, 보다 바람직하게는 전도성 고분자 소재로 형성될 수 있다. 이러한 전도성 고분자는 이오닉 겔(ionic gel) 및 고분자 전해질(polymer electrolyte) 중 선택된 하나로 이루어질 수 있다.
상부 전극(120)이 플렉서블한 특징을 갖는 전도성 고분자 소재로 형성됨에 따라, 상부 전극(120)이 이동하여 하부 전극(110)과 접촉될 때, 변형되며 하부 전극(110)과 접촉하게 된다. 그리고 접촉시 상부 전극(120)이 변형됨에 따라 하부 전극(110)에 가해지는 마찰을 줄일 수 있으므로, 각 전극들(110, 120)의 마모를 최소화하여 수명을 연장할 수 있게 된다.
상부 전극(120)은 외력의 작용시 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, 및 요(Yaw) 방향으로 이동하여 하부 전극(110)과의 접촉 면적이 증가 또는 감소할 수 있다. 여기서, X축 방향은 도면 상에서 좌우 방향을 의미하고, Y축 방향은 전후 방향을 의미하고, Z축 방향은 상하 방향을 의미하며, 요(Yaw) 방향은 Z축 방향을 기준으로 시계/반시계 방향으로 이동하는 회전 방향을 의미한다. 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 방향을 한정하였으나, 접촉 센서(100)의 배치에 따라 이동하는 방향은 달라질 수 있다.
이처럼 상부 전극(120)이 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향, 및 요(Yaw) 방향으로 이동하며 하부 전극(110)과 접촉 또는 분리됨에 따라, 접촉 센서(100)는 하부 전극(110)과 상부 전극(120)의 접촉 면적 변화에 따른 전류 변화량을 측정하여 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 측정할 수 있게 된다. 여기서, 접촉 센서(100)를 통해 전류를 측정하는 방법은 이미 공지된 기술이므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도시하지는 않았지만 하부 전극(110)과 상부전극(120) 사이의 간격을 유지하고, 하부 전극(110)에 상부전극(120)을 지지하기 위한 간격 유지수단이 설치될 수 있다.
도 2 내지 도 3을 참조하여 촉각 센서(100)를 통해 수직 하중을 측정하는 과정을 설명하면 아래와 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상부 전극(120)은 하부 전극(110)으로부터 상측 방향으로 이격된 상태로 배치될 수 있다. 여기서, 하부 전극(110)과 상부 전극(120)의 간격은 마이크로 크기 이하로 형성될 수 있으며, 돌기(121)의 높이는 홈부(111)의 높이 보다 크게 형성될 수 있다.
이 상태에서 수직 하중이 작용하면, 도 3에 도시된 바와 같이 상부 전극(120)은 Z축 방향으로 이동하게 된다. 이때, 돌기(121)는 플렉서블한 소재로 형성되고, 그 높이는 홈부(111)의 높이 보다 크게 형성되므로, 수직 하중의 작용시 돌기(121)의 꼭지점 부위가 먼저 점 접촉하게 된다. 그리고, 수직 하중이 증가할수록 돌기(121)의 형상이 변형되어 홈부(111)와의 접촉면적이 증가하게 된다.
이처럼 상부 전극(120)이 Z축 방향으로 이동함에 따라 촉각 센서(100)는 하중의 종류가 수직 하중임을 인지할 수 있게 된다. 그리고, 상부 전극(120)과 하부 전극(110)의 접촉 면적이 증가함에 따라 저항이 줄어들게 되고, 이 저항 값의 변화를 통해 전류 변화량을 측정하여 수직 하중의 크기를 측정할 수 있게 되는 것이다.
한편, 상부 전극(120)의 돌기(121)가 하부 전극(110)의 홈부(111)에 삽입될 때, 돌기(121)의 일면이 홈부(111)의 일면과 접촉되는 형태로 삽입될 수 있다. 이는, 돌기(121)에 하중이 작용하는 시점부터 끝나는 시점까지 변하는 전류의 미세한 변화량을 모두 측정하기 위함이다.
도 4를 참조하여 촉각 센서(100)를 통해 전단 하중을 측정하는 과정을 설명하면 아래와 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 하부 전극(110)으로부터 상측 방향으로 이격된 상부 전극(120)에 전단 하중이 작용하면, 상부 전극(120)은 X축 방향 또는 Y축 방향으로 이동하게 되어 돌기(121)의 일면이 홈부(111)의 일면에 접촉하게 된다.
이때, 돌기(121)의 단면은 X축 방향의 길이와 Y축 방향의 길이가 각각 다르게 형성될 수 있다. 이는 X축 방향의 전류 변화량과 Y축 방향의 전류 변화량의 크기를 통해 전단 하중의 작용시 하중이 작용한 방향을 구분하기 위함이다. 예를 들어, X축 방향의 길이와 길이와 Y축 방향의 길이의 비가 1:10인 경우에 Y축 방향으로 전단력이 작용하면, Y축 방향은 X축 방향 보다 10배 큰 접촉면적을 갖게 된다. 그러면, 방향에 따라 접촉면적이 변하게 되고, 그에 따라 저항값 또한 차이가 생기게 되므로, 촉각 센서(100)는 이러한 접촉면적 차이에 따른 신호의 크기 차이를 통해 전단력 방향을 구분하는 것이다.
그리고, 돌기(121)의 너비는 홈부(111)의 너비 보다 작게 형성될 수 있다. 이는 돌기(121)의 너비와 홈부(111)의 너비가 같으면, 돌기(121)에 수직 하중과 전단 하중이 동시에 작용할 때 돌기(121)가 홈부(111)에 완전히 삽입되어 전단 하중이 작용하였음을 인지하지 못할 수 있기 때문이다.
즉, 수직 하중이 먼저 작용하여 홈부(111)에 돌기(121)가 삽입된 상태에서 전단 하중이 작용하면, 돌기(121)는 더 이상 움직일 수 없는 상태가 되어 전류의 변화량을 측정할 수 없게 되므로, 촉각 센서(100)는 전단 하중이 작용하였음을 인지하지 못하게 되는 것이다. 따라서, 홈부(111)의 너비보다 돌기(121)의 너비가 작게 형성되는 것이 바람직하다.
전단 하중에 의하여 상부 전극(120)에 X축 또는 Y축 방향으로 이동하여 돌기(121)의 일면이 홈부(111)의 일면에 접촉하면, 촉각 센서(100)는 하중의 종류가 전단 하중임을 인지할 수 있게 된다. 이때, 상부 전극(120)이 하부 전극(110)으로부터 상측 방향으로 이격되고, 돌기(121)의 너비가 홈부(111)의 너비 보다 작게 형성되므로, 전단 하중의 작용시 처음에는 돌기(121)의 측면 일부만 홈부(111)의 일면에 접촉되는 상태가 된다.
이 상태에서 전단 하중이 증가할수록 플렉서블한 돌기(121)는 그 형상이 변형되며 홈부(111)에 점점 밀착하게 되므로, 상부 전극(120)과 하부 전극(110)의 접촉 면적이 증가하게 된다. 그러면, 촉각 센서(100)는 접촉 면적의 증가에 따른 전류 변화량을 통해 전단 하중의 크기를 측정할 수 있게 되는 것이다.
도 5를 참조하여 촉각 센서(100)를 통해 비틀림 하중을 측정하는 과정을 설명하면 아래와 같다.
도 5에 도시된 바와 같이, 하부 전극(110)으로부터 상측으로 이격된 상부 전극(120)에 비틀림 하중이 작용하면, 상부 전극(120)은 요(Yaw) 방향으로 회전하게 되므로 촉각 센서(100)는 하중의 종류가 비틀림 하중임을 인지할 수 있게 된다.
구체적으로, 도 5의 (a) 상태에서 촉각 센서(100)에 비틀림 하중이 작용하면, 상부 전극(120)은 돌기(121)의 일면이 홈부(111)의 일면에 접촉된 상태에서 요(Yaw) 방향으로 회전하게 된다. 그러면, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 돌기(121)의 접촉된 일면이 홈부(111)로부터 점점 떨어지게 되고, 그 회전각이 45°가 되면 돌기(121)의 모서리 부위가 홈부(111)에 접촉하게 된다. 즉, 상부 전극(120)과 하부 전극(110)은 면 접촉 상태에서 선 접촉 형태로 바뀌게 되는 것이다.
이에 따라, 상부 전극(120)과 하부 전극(110) 간의 접촉 면적이 줄어들게 되므로 저항 값이 증가하게 되고, 이 저항 값의 변화를 통해 전류 변화량을 측정하여 비틀림 하중의 크기를 측정할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 촉각 센서(100)는 상부 전극(120)의 이동 방향과, 상부 전극(120) 및 하부 전극(110)의 접촉 면적 변화만을 통해 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 각각 구분하고, 이를 동시에 측정할 수 있게 된다. 특히, 기하학적인 형태로 형성된 상부 전극(120)의 돌기(121)와 하부 전극(110)의 홈부(111)만을 통해 접촉 면적의 변화를 효과적으로 측정할 수 있으므로, 종래와 같이 전단 하중 및 비틀림 하중의 발생시 이를 측정하기 위한 별도의 변위 측정 장치를 필요로 하지 않아 구조가 간단해지게 되므로 촉각 센서(100)의 전체 크기를 줄일 수 있게 된다.
또한, 상부 전극(120)을 플렉서블한 특징을 갖는 전도성 고분자 소재로 형성함에 따라, 상부 전극(120)이 하부 전극(110)과 접촉하며 이동할 때 각 전극(110, 120)들의 마모를 최소화하여 촉각 센서(100)의 수명을 증대시킬 수 있게 된다.
아울러, 촉각센서(100)를 통해 외부의 모든 방향에서 가해지는 미세한 하중의 감지가 가능하므로, 지능형 로봇과, 수술용 로봇, 재활/치료 로봇, 인공전자 피부 등 다양한 분야에 적용하여 사용할 수 있게 된다.
도 6은 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 도시한 분해 사시도이고, 도 7은 도 6에 도시된 촉각 센서의 단면도이다. 본 실시예에서는 앞서 설명한 실시예와의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 촉각 센서(200)는 하부 전극(210) 및 상부 전극(220)을 포함한다.
구체적으로, 상부 전극(220)의 하부에 형성된 돌기(221)는 각 모서리 부위가 하부로 테이퍼(taper) 형태를 갖는 사각 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 돌기(221)는 사각 뿔의 일부를 절개한 형태로, 종단면이 마름모 형태로 이루어질 수 있다.
돌기(121)의 단면은 X축 방향의 길이와 Y축 방향의 길이가 각각 다르게 형성될 수 있다. 이는 전단 하중의 작용시 변화하는 전류량의 크기를 통해 X축 방향의 하중과 Y축 방향의 하중을 구분하기 위함이다. 여기서, X축 방향의 크기와 Y축 방향의 크기의 비가 크면 클수록 전단 하중의 방향을 구분하기 유리하나, 그 비가 너무 클 경우 상부 전극(220)에 비틀림 하중이 작용할 때 돌기(221)가 홈부(211)에 걸려 회전하지 않을 수 있으므로 접촉 센서(200)의 전체 크기를 고려하여 적절하게 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 비틀림 하중의 작용시 돌기(221)부가 홈부(211) 내에서 보다 자유롭게 회전하기 위하여, 돌기(221)의 크기가 홈부(211)의 크기보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.
도 8은 다른 실시예에 따른 촉각 센서를 도시한 분해 사시도이다. 본 실시예에서는 앞서 설명한 실시예와의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 촉각 센서(300)는 하부 전극(310) 및 상부 전극(320)을 포함하며, 하부 전극(310)과 상부 전극(320)의 접촉 면적 변화에 따른 전류 변화량을 측정하여 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 측정한다.
하부 전극(310)은 전기적 전도성이 좋은 금속 소재 또는 플렉서블한 특징을 갖는 전도성 고분자 소재로 형성될 수 있으며, 상면에 각각 다른 형태의 홈부(311, 312)가 적어도 2개 형성될 수 있다.
상부 전극(320)은 플렉서블한 특징을 갖는 전도성 고분자 소재로 형성될 수 있으며, 저면에는 홈부(311, 312)와 대응되는 형태로 이루어져 홈부(311, 312)에 각각 삽입되는 적어도 2개의 돌기(321, 322)가 형성될 수 있다. 여기서, 하나의 돌기(321)는 사각 뿔 형상으로 형성되고, 나머지 하나의 돌기(322)는 각 모서리 부위가 하측 방향으로 테이퍼 형태를 갖는 사각 기둥 형상으로 형성될 수 있다.
이처럼 돌기(321, 322)가 사각 뿔 형상 및 사각 기둥 형상으로 형성됨에 따라, 홈부(311, 312) 또한 이와 대응하는 사각 뿔 형상 및 사각 기둥 형상으로 형성될 수 있다.
전단 하중의 발생시 하중이 작용한 방향을 구분하기 위하여 각 돌기(321, 322)의 단면은 X축 방향의 길이와 Y축 방향의 길이가 각각 다르게 형성될 수 있다. 그리고, 비틀림 하중의 발생시 돌기(321, 322)의 회전이 용이하고, 전단 하중의 측정이 용이하도록 각 돌기(321, 322)의 너비는 홈부(311, 312)의 너비 보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.
상부 전극(320)은 X축 방향과, Y축 방향과, Z축 방향, 및 요(Yaw) 방향으로 이동 할 수 있다. 이에 따라, 상부 전극(320) 및 하부 전극(310)과의 접촉 면적이 증가 또는 감소하여 외부로 출력되는 전류 값은 변하게 되고, 이 전류의 변화량을 통해 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 측정할 수 있게 된다. 여기서, 전류의 변화량을 통해 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 측정하는 과정은 상술한 바와 같으므로, 생략하기로 한다.
한편, 상부 전극(320)에 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중이 각각 작용하는 시점부터 끝나는 시점까지의 전류 변화량을 모두 측정하기 위하여, 상부 전극(320) 보다 구체적으로, 돌기(321, 322)의 일부가 하부 전극(310)의 홈부(311, 312)에 접촉되는 상태에서 일방향으로 이동하거나 회전하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 상부 전극(320)의 저면에 각각 형상이 다른 2개의 돌기(321, 322)가 형성됨에 따라, 상부 전극(320)과 하부 전극(310) 간 접촉되는 면적이 증가하여 민감도가 증가하고, 이로 인해 촉각 센서(300)에 가해지는 하중을 보다 정확하게 측정할 수 있게 된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110, 210, 310.. 하부 전극
111, 211, 311.. 홈부
120, 220, 320.. 상부 전극
121, 221, 321, 322.. 돌기

Claims (15)

  1. 상면에 적어도 하나의 홈부가 형성된 하부 전극; 및
    상기 하부 전극의 상부에 배치되고, 상기 홈부와 대응되는 형태로 이루어져 상기 홈부에 각각 삽입되는 돌기가 저면에 형성되며, 외력의 작용시 X축 방향과, Y축 방향과, Z축 방향, 및 요(Yaw) 방향으로 이동하여 상기 하부 전극과의 접촉 면적이 증가 또는 감소하는 상부 전극;을 포함하며,
    상기 하부 전극과 상기 상부 전극의 접촉 면적 변화에 따른 전류 변화량을 측정하여 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 측정하되,
    상기 돌기의 일부가 상기 홈부에 접촉되는 상태에서 이동하거나 회전하여, 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중이 각각 작용하는 시점부터 끝나는 시점까지의 전류 변화량을 모두 측정하고,
    상기 상부 전극이 Z축 방향으로 이동함에 따라 상기 돌기가 상기 홈부를 Z축 방향으로 접촉하면 수직 하중을 인지하고, 상기 돌기의 높이가 상기 홈부의 높이 보다 크게 형성되어, 수직 하중의 작용시 상기 돌기의 꼭지점 부위가 먼저 점 접촉하게 되고, 수직 하중이 증가할수록 상기 돌기의 형상이 변형되어 상기 홈부와의 접촉 면적이 증가하게 되며,
    상기 상부 전극이 X축 또는 Y축 방향으로 이동하여 상기 돌기의 일면이 상기 홈부의 일면에 접촉하면 전단 하중을 인지하고, 상기 돌기의 너비를 상기 홈부의 너비 보다 작게 형성하여, 상기 돌기에 수직 하중과 전단 하중이 동시에 작용할 때 상기 돌기가 상기 홈부에 완전히 삽입되어 전단 하중이 작용한 것을 인지하지 못하는 경우를 방지하며,
    상기 상부 전극이 상기 돌기의 일면이 상기 홈부의 일면에 접촉된 상태에서 요(Yaw) 방향으로 회전하게 되면 비틀림 하중을 인지하는 촉각 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌기는 사각 뿔 형상으로 형성된 촉각 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 돌기는 각 모서리 부위가 하부로 테이퍼(taper) 형태를 갖는 사각 기둥 형상으로 형성된 촉각 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 돌기의 단면은 X축 방향의 길이와 Y축 방향의 길이가 각각 다르게 형성된 촉각 센서.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극은 전도성 고분자 소재로 형성된 촉각 센서.
  9. 상면에 각각 다른 형태의 홈부가 적어도 2개 형성된 하부 전극; 및
    상기 하부 전극의 상부로 이격 배치되고, 상기 홈부와 대응되는 형태로 이루어져 상기 홈부에 각각 삽입되는 적어도 2개의 돌기가 저면에 형성되며, X축 방향과, Y축 방향과, Z축 방향, 및 요(Yaw) 방향으로 이동 하여 상기 하부 전극과의 접촉 면적이 증가 또는 감소하는 상부 전극;을 포함하며,
    상기 하부 전극과 상기 상부 전극의 접촉 면적 변화에 따른 전류 변화량을 측정하여 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중을 측정하되,
    상기 돌기의 일부가 상기 홈부에 접촉되는 상태에서 이동하거나 회전하여, 수직 하중과, 전단 하중, 및 비틀림 하중이 각각 작용하는 시점부터 끝나는 시점까지의 전류 변화량을 모두 측정하고,
    상기 상부 전극이 Z축 방향으로 이동함에 따라 상기 돌기가 상기 홈부를 Z축 방향으로 접촉하면 수직 하중을 인지하고, 상기 돌기의 높이가 상기 홈부의 높이 보다 크게 형성되어, 수직 하중의 작용시 상기 돌기의 꼭지점 부위가 먼저 점 접촉하게 되고, 수직 하중이 증가할수록 상기 돌기의 형상이 변형되어 상기 홈부와의 접촉 면적이 증가하게 되며,
    상기 상부 전극이 X축 또는 Y축 방향으로 이동하여 상기 돌기의 일면이 상기 홈부의 일면에 접촉하면 전단 하중을 인지하고, 상기 돌기의 너비를 상기 홈부의 너비 보다 작게 형성하여, 상기 돌기에 수직 하중과 전단 하중이 동시에 작용할 때 상기 돌기가 상기 홈부에 완전히 삽입되어 전단 하중이 작용한 것을 인지하지 못하는 경우를 방지하며,
    상기 상부 전극이 상기 돌기의 일면이 상기 홈부의 일면에 접촉된 상태에서 요(Yaw) 방향으로 회전하게 되면 비틀림 하중을 인지하는 촉각 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하나의 돌기는 사각 뿔 형상으로 형성되고, 나머지 하나의 돌기는 각 모서리 부위가 하측 방향으로 테이퍼 형태를 갖는 사각 기둥 형상로 형성된 촉각 센서.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 돌기의 단면은 X축 방향의 길이와 Y축 방향의 길이가 각각 다르게 형성된 촉각 센서.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 상부 전극은 이오닉 겔 및 고분자 전해질 중 선택된 하나로 이루어진 전도성 고분자 소재인 촉각 센서.
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