KR102033845B1 - 외력 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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최영진
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김재현
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서는 내부층 및 상기 내부층의 외연의 일 측면, 상기 내부층의 단부 및 상기 내부층의 타 측면의 적어도 일부를 감싸는 적어도 하나의 외력 센싱부를 포함하되, 상기 외력 센싱부는, 유연성을 가지는 도파관 바디(wave guide body) 및 상기 도파관 바디에 내측에 삽입되어 광 경로를 제공하는 코어(core)를 포함할 수 있다.

Description

외력 센서 및 그 제조 방법{Force Sensor and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 외력 센서 및 그 제조 방법에 관련된 것으로 보다 구체적으로는 광학적인 방식으로 외력을 센싱하는 외력 센서 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
물체와의 안정적인 접촉과 외형상의 적응을 위하여, 대부분의 로봇 그리퍼와 핸드는 소프트 재질의 피부를 포함하고 있다. 여기에 물체와의 접촉 지점에 힘을 측정하기 위한 센서를 집적하는데, 이는 로봇 그리퍼 혹은 핸드의 부피가 커지게 되고 이는 힘 측정 더욱 어렵게 만들뿐만 아니라 센서 자체를 보정해야하는 문제를 가지고 있다. 게다가 이러한 센서들은 상당히 비싸다.
이에 본 발명자는 물체와의 안정적인 접촉을 제공하면서도 제조가 용이하며 소형화가 가능한 외력 센서 및 그 제조 방법을 발명하게 되었다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 가해진 외력의 크기와 위치를 찾을 수 있는 외력 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 용이한 제조가 가능한 외력 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 적응형 파지를 제공하는 외력 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 광학 방식으로 외력을 센싱하는 외력 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 소형화가 가능한 외력 센서 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서는 내부층 및 상기 내부층의 외연의 일 측면, 상기 내부층의 단부 및 상기 내부층의 타 측면의 적어도 일부를 감싸는 적어도 하나의 외력 센싱부를 포함하되, 상기 외력 센싱부는, 유연성을 가지는 도파관 바디(wave guide body) 및 상기 도파관 바디에 내측에 삽입되어 광 경로를 제공하는 코어(core)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 도파관 바디의 일 단에는 발광부가 장착되도록 개구된 발광부 장착홈이 마련되고, 상기 도파관 바디의 타 단에는 수광부가 장착되도록 개구된 수광부 장착홈이 마련될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 인가된 외력에 따라 상기 도파관 바디 및 상기 코어에 변형이 수반될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 변형에 의한 상기 수광부에서 수광되는 광에 따라 외력의 세기 및 외력의 인가 위치를 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 외력 센싱부는 "U"자 형상을 따라 굽혀져, 상기 내부층의 외연의 일 측면, 상기 내부층의 단부 및 상기 내부층의 타 측면 중 적어도 하나를 감쌀 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 외력 센싱부의 일부와 주변 영역을 덮는 플레이트를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 플레이트는 상기 외부로 노출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 외력 센싱부는 2개이며, 각각의 외련 센싱부는 서로 이격될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 외력 센싱부는 4개이며, 각각의 외력 센싱부는 상기 내부층의 길이방향 단면에서 보았을 때를 기준으로, 원주 방향으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 제조 방법은 유연성을 가지는 도파관 바디 및 상기 도파관 바디에 내측에 삽입되어 광 경로를 제공하는 코어를 포함하는 외력 센싱부를 준비하는 단계, 홀딩 베이스를 준비하는 단계, 상기 홀딩 베이스 외주면에 제1 레이어를 형성하는 단계, 상기 제1 레이어 상에 상기 준비된 외력 센싱부를 "U" 형상으로 고정하는 단계 및 상기 고정된 외력 센싱부에 제2 레이어를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 외력 센싱부를 준비하는 단계는, 상기 도파관 바디의 일 단에 발광부가 장착되도록 개구된 발광부 장착홈을 형성하고 상기 도파관 바디의 타 단에 수광부가 장착되도록 개구된 수광부 장착홈을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 레이어를 형성하는 단계는, 제1 레이어 형성부가 마련된 제1 레이어 몰드를 준비하는 단계 및 상기 제1 레이어 형성부에 상기 홀딩 베이스를 넣고 상기 제1 레이어 형성 용액을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 홀딩 베이스는 제1 장착부가 마련된 날개를 더 포함하고, 상기 제1 레이어 몰드는 상기 제1 장착부가 결합하는 결합부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 레이어를 형성하는 단계는, 제2 레이어 형성부가 마련된 제2 레이어 몰드를 준비하는 단계 및 상기 제2 레이어 형성부에 상기 고정된 외력 센싱부를 넣고 상기 제2 레이어 형성 용액을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 홀딩 베이스는 제1 장착부가 마련된 날개를 더 포함하고, 상기 제2 레이어는 상기 제1 장착부가 결합하는 결합부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 레이어는 상기 외력 센싱부와 상기 제1 레이어의 사이 공간에 의하여 정의되는 내부층을 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고정하는 단계는, 상기 "U" 형상으로 고정된 외력 센싱부의 불록부를 덮는 플레이트를 더 고정하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 레이어를 형성하는 단계 이후, 상기 제2 레이어 중 상기 플레이트를 덮는 영역을 제거하여 상기 플레이트를 노출시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서는 내부층 및 상기 내부층의 외연의 일 측면, 상기 내부층의 단부 및 상기 내부층의 타 측면의 적어도 일부를 감싸는 적어도 하나의 외력 센싱부를 포함하되, 상기 외력 센싱부는, 유연성을 가지는 도파관 바디(wave guide body) 및 상기 도파관 바디에 내측에 삽입되어 광 경로를 제공하는 코어(core)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서는 광학 방식을 이용하여 가해진 외력의 크기와 위치에 관련된 데이터를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 에에 따른 외력 센서 제조 방법의 단계 S110을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 에에 따른 외력 센서 제조 방법의 단계 S120을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 에에 따른 외력 센서 제조 방법의 단계 S130을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 에에 따른 외력 센서 제조 방법의 단계 S140을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시 에에 따른 외력 센서 제조 방법의 단계 S150을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 실험 결과를 도시한다.
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 적용 예를 도시한다.
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, 형상 및 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.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서는, 내부층(미도시), 상기 내부층의 외연의 일 측면, 상기 내부층의 단부 및 상기 내부층의 타 측면을 감싸는 적어도 하나의 외력 센싱부(120, 130) 및 상기 외력 센싱부의 적어도 일부를 덮는 외부층(110)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 구성에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
상기 내부층은 외력 센싱부(20, 130)를 지지하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 상기 내부층은 상기 외력 센싱부(120, 130)의 내측에 위치하며, 상기 외력 센싱부(120, 130)에 외력이 가해지는 경우, 상기 외력 센싱부(120, 130)가 외력 방향으로 휘어지는 것을 지지할 수 있다. 상기 내부층은 Dragon Skin 30 A/B를 각각 1:1로 혼합된 용액으로 제조될 수 있다.
상기 외력 센싱부(120, 130)는 상기 내부층의 외연의 일 측면, 상기 내부층의 단부 및 상기 내부층의 타 측면 중 적어도 일부를 감싸도록 배치될 수 있다. 다른 관점에서, 상기 외력 센싱부(120, 130)는 "U"자 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 외력 센싱부(120, 130)의 길이방향 중심부가 "U"자 형상의 볼록한 형상을 이룰 수 있다.
상기 외력 센싱부(120)의 일 단에는 발광부(122)가 마련되고, 타 단에는 수광부(124)가 마련될 수 있다. 또한 상기 외력 센싱부(130)의 일 단에는 발광부(132)가 마련되고, 타 단에는 수광부(134)가 마련될 수 있다. 이로써, 상기 외력 센싱부(120)는 도 1에 도시된 L1의 광을 발광하고 수광할 수 있으며, 상기 외력 센싱부(130)는 도 1에 도시된 L2의 광을 발광하고 수광할 수 있다.
도 1에는 외력 센싱부가 외력 센싱부(120) 및 상기 외력 센싱부(130)로 2개인 것을 상정하였다. 이 경우, 상기 외력 센싱부(120) 및 상기 외력 센싱부(130)는 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이와 달리, 상기 외력 센싱부는 더 많거나 더 적을 수 있다. 예를 들어, 상기 외력 센싱부는 4개일 수 있다. 이 경우, 외부층의 길이방향 단면에서 보았을 때 기준으로, 각각의 외력 센싱부는 원주 방향으로 배치될 수 있다. 다른 관점에서, 외부층의 길이방향 단면에서 보았을 때 외력 센싱부는 마름모 형상을 이룰 수 있다.
이하 외력 센싱부에 대해 상세히 설명한다. 외력 센싱부(120)과 외력 센싱부(130)의 각 구성은 서로 동일하므로, 외력 센싱부(120)을 기준으로 설명하기로 한다.
상기 외력 센싱부(120)는 도 3(e, f)을 참조하면, 유연성을 가지는 도파관 바디(wave guide body; 220) 및 상기 도파관 바디에 내측에 삽입되어 광 경로를 제공하는 코어(core; 230)를 포함할 수 있다.
상기 도파관 바디(220)는 ELASTOSIL M4601 M4601 A/B 파트가 각각 9:1 비율로 섞인 용액으로 제조될 수 있고, 상기 코어(230)는 VytaFlex 20 A/B를 1:1로 혼합한 용액으로 제조될 수 있다. 이로써, 상기 도파관 바디(220) 및/또는 코어(230)는 유연성을 가질 수 있다.
상기 도파관 바디(220) 및/또는 상기 코어(230)가 유연성을 가지기 때문에 상기 외력 센싱부(120)는 앞서 설명한 바와 같이 용이하게 "U"자 형상을 굽혀진 상태로 배치될 수 있다.
또한, 상기 도파관 바디(220) 및/또는 상기 코어(230)가 유연성을 가지기 때문에, 외력이 인가되는 경우 코어(230)가 제공하는 광 경로가 변형될 수 있다. 광 경로가 변형되는 경우, 수광부에서의 센싱 신호 변경이 발생하므로 외력이 센싱될 수 있는 것이다.
외력 센싱을 위하여, 외력 센싱부(120)의 일 단에는 발광부(122)가 장착되고, 외력 센싱부(130)의 타 단에는 수광부(124)가 마련될 수 있다. 이를 위하여, 도 3(e, f)에 도시된 바와 같이, 상기 외력 센싱부(120)의 도파관 바디(220)의 일 단에는 발광부 장착홈(240)이 마련되고, 타 단에는 수광부 장착홈(242)이 마련될 수 있다. 즉, 상기 발광부(122)가 상기 발광부 장착홈(240)에 끼움 결합되고, 상기 수광부(124)가 상기 수광부 장착홈(242)에 끼움 결합될 수 있다.
이에 따라 상기 발광부(122)에서 발광된 광은 상기 코어(230)를 거쳐서 상기 수광부(124)에 이를 수 있다. 광이 진행하는 동안, 외력에 의하여 상기 코어(230) 및/또는 상기 도파관 바디(220)에 변형이 발생하는 경우, 광 파워 로스(light power loss)가 발생할 수 있다. 이에 따라 외력의 세기 및 외력이 가해진 위치가 센싱될 수 있는 것이다. 다른 관점에서 도 1에 도시된 바와 같이 Fa 방향의 외력 또는 Fb 방향의 외력이 인가되는 경우에 외력의 세기 및 외력이 가해진 위치가 센싱될 수 있다.
상기 외부층(110)은 외부 힘이 직접 가해지거나 외부 물체가 직접 접촉되는 접촉면을 제공할 수 있다. 적응형 파지를 위하여 상기 외부층(110)은 유연 소재로 이루어질 수 있다. 상기 외부층(110)은 Dragon Skin 30 A/B를 각각 1:1로 혼합된 용액으로 제조될 수 있다.
상기 외부층(110)은 상기 외력 센싱부(120, 130)의 적어도 일부를 덮을 수 있다. 이로써, 상기 외부층(110)은 상기 외력 센싱부(120, 130)를 보호할 수 있다. 상기 외부층(110)은 유연 소재로 이루어지기 때문에, 외부에서 가해진 외력을 상기 외력 센싱부(120, 130)로 전달할 수 있다. 즉, 상기 외부층(110)은 상기 외력 센싱부(120, 130)를 보호하면서도 외력을 전달하는 기능을 수행할 수 있다.
이와 달리 상기 외부층(110)은 상기 외력 센싱부(120, 130)를 외부로 노출시키되, 상기 외력 센싱부(120, 130) 간의 측면을 메우도록 형성될 수 있다.
상기 외부층(110)의 형상은 도 1에 도시된 바와 같이, 육면체 형상을 가질 수도 있고, 원기둥 형상을 가질 수도 있다. 일 실시 예에 따른 외력 센서의 적용에 따라 상기 외부층의 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
상기 외부층(110) 상에는 플레이트(140)가 마련될 수 있다. 상기 플레이트(140)는 상기 외력 센싱부(120, 130) 중 볼록한 영역, 즉 U 형상의 꺽인 부분을 덮을 수 있다. 이는 상기 플레이트(140)에 외력이 가해진 경우, 즉 외력 센서(100)의 팁(tip) 부분에 외력이 가해진 경우, 넓은 범위의 외력을 센싱하기 위함이다. 만약, 플레이트(140)가 없이 외력 센싱부(120, 130)만으로 구성된 경우에 있어서, 외력 센싱부(120)와 외력 센싱부(130) 사이에 외력이 가해진 경우 외력 센싱이 용이하지 않을 수 있다. 이 경우, 외력 센싱부(120, 130)에 직접 외력이 가해진 것은 아니므로 외력 센싱부(120, 130)가 충분히 변형되지 못할 수 있기 때문이다. 그러나, 상기 플레이트(140)가 상기 외력 센싱부(120, 130)의 이격 공간을 덮도록 구성되므로, 외력 센싱부(120)와 외력 센싱부(130) 사이에 외력이 가해지더라도 외력 센싱부(120, 130)에 변형이 수반될 수 있다. 이로써, 보다 넓은 범위의 외력 센싱이 가능해지는 것이다.
도 1을 참조하면, 상기 플레이트(140)가 상기 외부층(110)에 덮혀 있지 않고 노출되어 있으나, 이와 달리, 상기 플레이트(140)가 상기 외부층(110)에 의하여 덮혀질 수 있음은 물론이다.
일 실시 예에 따른 외력 센서(100)는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부는 상기 발광부(122, 132) 및 상기 수광부(124, 134)를 제어할 수 있다. 즉, 상기 제어부는 상기 발광부(122, 132)의 On/Off를 제어할 수 있고, 상기 수광부(124, 134)로부터 수광되는 광의 세기를 분석할 수 있다. 상기 제어부는 수광되는 광의 세기에 기반하여 외력의 세기 및 외력이 가해진 위치를 제공할 수 있다.
이상 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서를 설명하였다. 이하 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 제조 방법이 설명된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시 에에 따른 외력 센서 제조 방법의 단계 S110을 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 에에 따른 외력 센서 제조 방법의 단계 S120을 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 에에 따른 외력 센서 제조 방법의 단계 S130을 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시 에에 따른 외력 센서 제조 방법의 단계 S140을 상세하게 설명하기 위한 도면이고, 도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시 에에 따른 외력 센서 제조 방법의 단계 S150을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 제조 방법은 유연성을 가지는 도파관 바디 및 상기 도파관 바디에 내측에 삽입되어 광 경로를 제공하는 코어를 포함하는 외력 센싱부를 준비하는 단계(S110), 홀딩 베이스를 준비하는 단계(S120), 상기 홀딩 베이스 외주면에 제1 레이어를 형성하는 단계(S130), 상기 제1 레이어 상에 상기 준비된 외력 센싱부를 "U" 형상으로 고정하는 단계(S140) 및 상기 고정된 외력 센싱부에 제2 레이어를 형성하는 단계(S150) 중 적어도 하나의 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 단계에 대하여 상술하기로 한다.
단계 S110
단계 S110에서, 유연성을 가지는 도파관 바디 및 상기 도파관 바디에 내측에 삽입되어 광 경로를 제공하는 코어를 포함하는 외력 센싱부가 준비될 수 있다. 이는 도 1을 참조하여 설명한 외력 센싱부(120, 130)를 준비하는 단계일 수 있다.
단계 S110은, 도파관 바디 몰드를 준비하는 단계(S210), 도파관 바디를 형성하는 단계(S220), 코어 몰드를 준비하는 단계(S230) 및 도파관 바디에 코어를 형성하는 단계(S240) 중 적어도 하나의 단계를 포함할 수 있다. 보다 구체적인 설명을 위하여 도 3을 참조하기로 한다.
단계 S210에서 따라 도 3(a)에 도시된 바와 같이 도파관 바디 몰드(200)가 준비될 수 있다. 상기 도파관 바디 몰드는 도파관 바디를 형성하기 위한 몰드를 의미할 수 있다. 상기 도파관 바디 몰드는 예를 들어, 3D 프린팅 공정을 통하여 형성될 수 있다. 상기 도파관 바디 몰드에는 형성하고자 하는 도파관 바디에 상응하는 형상이 제공될 수 있다.
단계 S220에서 따라 도 3(b) 및 도 3(c)에 도시된 바와 같이 도파관 바디(220)가 형성될 수 있다. 이를 위하여, 상기 도파관 바디 몰드(200)의 외면에는 이지 릴리즈 스프레이(easy release spray)가 도포될 수 있다. 이후 약 5분간 드라이(dry)될 수 있다. 한편 도파관 바디(200)를 형성할 도파관 바디 용액(210)이 준비될 수 있다. 상기 도파관 바디 용액(210)은 ELASTOSIL M4601 M4601 A/B 파트가 각각 9:1 비율로 섞인 용액일 수 있다. A/B에 따라 도파관 바디 용액으로부터 형성되는 도파관 바디의 유연성 특성이 가변될 수 있다. 본 실시 예에서는 A/B 파트를 각각 9:1로 혼합하여 충분한 유연성을 제공하였다. 준비된 도파관 바디 용액(210)은 진공 챔버에서 탈포 작업을 거칠 수 있다. 이후 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 준비된 도파관 바디 용액(210)은 상기 도파관 바디 몰드(200)에 제공될 수 있다. 이후 오븐에서 화씨 약60도의 온도에서 약 1시간 경과 후 도파관 바디 용액(210)는 굳어서 도파관 바디(220)가 될 수 있다.
단계 S230에 따라 코어 몰드가 준비될 수 있다. 코어 몰드는 형성된 도파관 바디(220)에 코어를 형성하는 몰드를 의미할 수 있다. 이 때, 코어 몰드에는 발광부 장착홈(240)와 수광부 장착홈(242)를 형성하기 위한 구성이 마련될 수 있다.
단계 S240에 따라 도파관 바디에 코어가 형성될 수 있다.
도 3(d)에 도시된 바와 같이, 코어 몰드가 준비된 상태에서, 상기 도파관 바디(220)가 끼움 결합하고, 끼움 결합된 도파관 바디(220)에 코어 용액(230)이 채워질 수 있다. 이를 위하여 먼저 VytaFlex 20 A/B를 1:1 혼합하고 진공 챔버에서 6분 내지 10분간 탈포될 수 있다. 이로써, 코어 용액(230)이 준비될 수 있다. 준비된 코어 용액(230)은 상기 도파관 바디(220)에 의하여 정의된 코어 영역에 부어(pouring)질 수 있다. 이후 오븐에서 화씨 약 60도의 온도로 약 1시간 경과 후 코어 용액은 코어가 될 수 있다.
한편, 도파관 바디(220)의 일 단에는 발광부 장착홈(240)이 형성되고 타 단에는 수광부 장착홈(242)이 형성될 수 있다.
이로써, 도 3(e)에 도시된 바와 같이 도파관 바디(220), 코어(230), 발광부 장착홈(240), 수광부 장착홈(242)이 마련될 수 있다.
이후 도 3(f)에 도시된 바와 같이, 상기 도파관 바디(220)의 노출된 면을 도파관 바디 덮개(250)로 덮음으로써, 외력 센싱부 제조가 완료될 수 있다.
단계 S120
단계 120에서 홀딩 베이스가 준비될 수 있다. 홀딩 베이스는 상기 외력 센싱부를 고정하기 위한 제1 레이어를 형성하기 위한 지지대 역할을 수행할 수 있다.
상세한 설명을 위하여 도 4(a, b)를 참조하면, 상기 홀딩 베이스(300)는 뼈대(310), 고정부(320), 상기 뼈대(310)의 일 측에서 연장하는 날개(330), 상기 날개에 마련된 제1 장착부(340)를 포함하여 이루어질 수 있다.
단계 S130
단계 S130에서, 상기 홀딩 베이스 외주면에 제1 레이어가 형성될 수 있다. 이를 위하여, 단계 S130은 제1 레이어 형성부가 마련된 제1 레이어 몰드를 준비하는 단계(S310) 및 상기 제1 레이어 형성부에 상기 홀딩 베이스를 넣고 상기 제1 레이어 형성 용액을 넣는 단계(S320)를 포함할 수 있다. 보다 구체적인 설명을 위하여 도 5 내지 도 7을 참조하기로 한다.
단계 S310에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 레이어 몰드(400)가 준비될 수 있다. 상기 제1 레이어 몰드(400)의 중심부에는 제1 레이어 형성부(410)가 마련될 수 있다. 또한 상기 제1 레이어 몰드(400)의 일 측에는 상기 홀딩 베이스(300)의 제1 장착부(340)와 결합하는 결합부(440)가 마련될 수 있다.
단계 S320에서 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 홀딩 베이스(300)가 상기 제1 레이어 몰드(400)에 수용될 수 있다. 구체적으로 상기 홀딩 베이스(300)의 고정부(320)가 상기 제1 레이어 형성부(410)에 수용될 수 있다. 이 때, 상기 홀딩 베이스(300)의 제1 장착부(340)와 상기 제1 레이어 몰드(400)의 결합부(440)는 서로 결합될 수 있다. 이에 따라 상기 홀딩 베이스(300)가 상기 제1 레이어 몰드(400)에 대하여 상대 이동하는 것이 방지될 수 있다.
상기 홀딩 베이스(300)가 상기 제1 레이어 몰드(400)에 수용된 상태에서, 상기 홀딩 베이스(300)와 상기 제1 레이어 몰드(400)의 틈(gap) 사이로 제1 레이어 형성 용액이 주입(Is)될 수 있다. 제1 레이어 형성 용액은 Dragon Skin 30 A/B를 각각 1:1로 혼합된 용액일 수 있다. 상기 제1 레이어 형성 용액은 진공 챔버에서 탈포될 수 있다. 이후 상기 제1 레이어 형성 용액은 틈(gap) 사이로 주입될 수 있다. 주입 후 오븐에서 화씨 약 60도의 온도로 약 2시간 경과 후에 제1 레이어(500)가 형성될 수 있다. 상기 홀딩 베이스(300)를 상기 제1 레이어 몰드(400)로부터 원활하게 분리하기 위하여, 이지 릴레이 스프레이가 제1 레이어 용액의 주입 전에 코팅될 수 있음은 물론이다. 형성된 제1 레이어(500)를 구체적으로 설명하기 위하여 도 7을 참조하기로 한다.
도 7을 참조하면, 상기 홀딩 베이스(300)의 날개(330)에서 상기 홀딩 베이스(300)의 고정부(320) 방향으로 제1 레이어(500)가 형성될 수 있다. 상기 제1 레이어(500)의 크기 및 형상은 상기 제1 레이어 형성부(410)의 크기 및 형상에 대응할 수 있다. 또한, 상기 고정부(320)를 상기 제1 레이어(500)가 둘러싸기 때문에, 상기 제1 레이어(500)가 의도치 않게 상기 홀딩 베이스(300)로부터 분리되는 현상이 방지될 수 있다. 이를 위하여 상기 고정부(320)의 폭은 상기 뼈대(310)의 폭 보다 넓을 수 있다.
이로써 단계 S130에 따라 상기 홀딩 베이스(300) 외주면에 상기 제1 레이어(500)가 형성될 수 있다.
단계 S140
단계 S140에서 상기 제1 레이어 상에 상기 준비된 외력 센싱부가 "U" 형상으로 고정될 수 있다. 단계 S140의 구체적인 설명을 위하여 도 8을 참조하기로 한다.
도 8을 참조하면, 상기 제1 레이어(500) 외주면을 따라 단계 S110에서 제조된 외력 센싱부(120, 130)가 고정될 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 상기 외력 센싱부(120, 130)는 일 단이 상기 제1 레이어(500)의 일 측에 배치되고 타 단이 상기 제2 레이어(500)의 타 측에 배치되도록 준비될 수 있다. 이로써, 상기 외력 센싱부(120, 130)는 "U"자 형상으로 상기 제1 레이어(500)의 외면이 배치될 수 있다.
이 때, 상기 외력 센싱부(120, 130)의 U자 형상 중 볼록부와 상기 제1 레이어(500) 사이에는 틈(gap)이 마련될 수 있다. 상기 상기 외력 센싱부(120, 130)의 U자 형상 중 볼록부와 상기 제1 레이어(500) 사이에 틈(gap)이 제공됨에 따라, 상기 외력 센싱부(120, 130)가 자연스러운 굴곡을 형성할 수 있다. 만약 틈이 없는 경우, 상기 외력 센싱부(120, 130)는 상기 제1 레이어(500)가 제공하는 외연을 따라 U자 형상으로 굽혀지기 때문에 소재의 특성에 따라 들뜸 현상이 방지할 수 있으나, 틈을 제공함으로써, 외력 센싱부(120, 130)가 안정적으로 U자 형상으로 굽혀질 수 있다.
또한 일 실시 예에 따르면, 도 9(a, b)에 도시된 바와 같이, 플레이트(140)가 배치될 수 있다. 상기 플레이트(140)는 상기 외력 센싱부(120, 130)의 U자 형상 중 볼록부를 덮도록 배치될 수 있다. 다른 관점에서, 상기 플레이트(140)는 상기 외력 센싱부(120)와 상기 외력 센싱부(130) 사이의 이격 공간을 덮도록 배치될 수 있다.
이로써 단계 S140에 따라 상기 레이어(500) 상에 상기 외력 센싱부(120, 130)가 U자 형상으로 고정될 수 있다.
단계 S150
단계 S150에서 상기 고정된 외력 센싱부에 제2 레이어가 형성될 수 있다. 이를 위하여 단계 S150은 제2 레이어 형성부가 마련된 제2 레이어 몰드를 준비하는 단계(S410) 및 상기 제2 레이어 형성부에 상기 고정된 외력 센싱부를 넣고 상기 제2 레이어 형성 용액을 주입하는 단계(S420)를 포함할 수 있다. 단계 S150의 구체적인 설명을 위하여 도 10 및 도 11을 참조하기로 한다.
단계 S410에서, 도 10(b)에 도시된 바와 같이, 제2 레이어 몰드(600)가 준비될 수 있다. 상기 제2 레이어 몰드(600)의 중심부에는 제2 레이어 형성부(610)이 마련될 수 있다. 또한 상기 제2 레이어 몰드(600)의 일 측에는 상기 홀딩 베이스(300)의 제1 장착부(340)가 결합하는 결합부(640)가 마련될 수 있다. 상기 제2 레이어 몰드(600)의 제2 레이어 형성부(610)의 형상 및 크기는 당업자의 설계에 따라 다양할 수 있다. 도 10(b)에 도시된 바와 같이 제2 레이어 형성부가 육면체 형상일 수도 있고 도 10(c)에 도시되 바와 같이, 제2 레이어 형성부(610')는 원기둥 형상일 수 있다.
단계 S420에서 도 10(a)에 도시된 바와 같이, 제2 레이어 형성부(610)에 상기 고정된 외력 센성부(120, 130)가 수용될 수 있다. 즉, 상기 제2 레이어 형성부(610) 내에 외력 센싱부(120, 130), 제1 레이어(500)가 마련된 홀딩 베이스(300)가 수용될 수 있다. 수용된 상태에서 제2 레이어 형성 용액이 주입(Is)될 수 있다. 제2 레이어 형성 용액은 Dragon Skin 30 A/B를 각각 1:1로 혼합된 용액일 수 있다. 상기 제2 레이어 형성 용액은 진공 챔버에서 탈포될 수 있다. 상기 탈포된 제2 레이어 형성 용액은 틈(gap) 사이로 주입(Is)될 수 있다. 주입 후 오븐에서 화씨 약 60도의 온도에서 약 2시간 경과 후에 제2 레이어가 형성될 수 있다. 제2 레이어를 상기 제2 레이어 형성부(610)로부터 원활하게 분리하기 위하여, 이지 릴레이 스프레이가 제2 레이어 용액의 주입 전에 코팅될 수 있음은 물론이다.
제2 레이어 형성 후에는 상기 홀딩 베이스(300)를 분리할 수 있다. 이 때, 상기 홀딩 베이스(300)와 상기 제1 레이어(500)가 결합된 부분은, 상기 홀딩 베이스(300) 제거 후에 로봇과 연결되는 연결부로 활용될 수 있다.
형성된 제2 레이어를 구체적으로 설명하기 위하여 도 11을 참조하기로 한다.
도 11을 참조하면, 상기 제2 레이어는 상기 외력 센싱부(120, 130)를 고정하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 레이어는 상기 외력 센싱부(120, 130)들의 사이 공간을 덮을 수 있다. 구체적으로 상기 제2 레이어는 상기 외력 센싱부(120)와 상기 외력 센싱부(130)의 측면을 채울 수 있다. 이에 따라 도 1에 도시된 외부층(110)이 제공될 수 있다. 또한, 상기 제2 레이어는 상기 외력 센싱부(120. 130)의 측면을 외부로 노출시킬 수도 있고 덮을 수도 있다.
또한, 상기 제2 레이어는 앞서 도 8을 참조하여 설명한 외력 센싱부(120, 130)와 제1 레이어(500) 사이의 틈을 채울 수 있다. 이에 따라 상기 제2 레이어는 상기 외력 센싱부(120, 130) 외부에서 가해지는 외력에 대하여 상기 외력 센싱부(120, 130)을 지지하는 역할을 수행할 수 있다. 이로써, 보다 강한 외력에 대하여 안정적으로 동작할 수 있다.
또한 도 11에 도시된 바와 같이, 플레이트(140)가 형성될 수 있다. 상기 제2 레이어가 상기 플레이트(140)의 상면을 덮도록 형성된 경우, 상기 제2 레이어의 일부를 제거함으로써, 상기 플레이트(140)의 상면을 외부로 노출시킬 수 있다. 이로써, 외력에 대하여 상기 플레이트(140)가 보다 민감하게 반응할 수 있다.
한편 도 12에 도시된 바와 같이, 제2 레이어까지 형성된 외력 센싱부(120, 130)의 일 단에는 발광부가 장착되고, 타 단에는 수광부가 장착될 수 있다. 구체적으로 외력 센싱부의 발광부 장착홈에는 발광부(122, 132)가 장착되고 수광부 장착홈에는 수광부(124, 134)가 장착될 수 있다.
이상 도 2 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 제조 방법을 설명하였다. 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 외력 센서의 센싱 실험 결과가 설명된다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 실험 결과를 도시한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 측면에 접촉 면적 9mm2, 33mm2, 150mm2의 물체로 0에서 6N의 힘을 가했다. 이 때, 외력 센서의 측면 중 발광부가 위치한 측면에 힘을 가한 경우 도 13에 도시된 바와 같은 실험 결과를 얻을 수 있었고, 외력 센서의 측면 중 수광부가 위치한 측면에 힘을 가한 경우 도 14에 도시된 바와 같은 실험 결과를 얻을 수 있었다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 외력의 접촉 면적에 따라 수광부에서의 광 파워 로스 정도가 달라짐을 확인할 수 있었고, 외력의 크기에 따라 수광부에서의 광 파워 로스 정도가 달라짐을 확인할 수 있었다.
또한 도 13 및 도 14를 대비하면, 접촉 면적 및 외력의 크기가 동일하더라도 외력이 가해진 위치에 따라 광 파워 로스 정도가 달라짐을 확인할 수 있었다. 즉, 외력 센싱부 중 발광부가 위치한 측면에 외력이 인가된 경우와 외력 센싱부 중 수광부가 위치한 측면에 외력이 인가된 경우, 서로 다른 광 파워 로스를 제공함을 확인할 수 있었다.
이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서는 외력 인가 위치, 외력 인가 면적 및 외력의 세기와 관련된 데이터를 제공할 수 있는 것으로 사료된다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 단면(fingertip)의 중심부에 0에서 6N의 힘을 가하였다. 즉, 외력 센싱부(120)의 U 형상의 볼록부와 외력 센싱부(120)의 U 형상의 볼록부의 중심부에 힘이 가해진 경우이다. 도 15를 참조하면, 외력 센싱부(120, 도 15의 senosr1)과 외력 센싱부(130, 도 150의 sensor2)에서 광 파워 로스가 발생함을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서의 단면에 외력 센싱부(120) 방향으로 편차를 주어 외력을 인가하였다. 즉, 외력 센싱부(120)의 U 형상의 볼록부에 외력을 인가하였다. 이 경우에도 외력의 크기는 0에서 6N으로 하였다. 도 16에 도시된 바와 같이, 외력에 따라 외력 센싱부(120)에서 광 파워 로스는 크게 나타나는 반면, 외력 센싱부(130)에서의 광 파워 로스는 외력과 무관하게 움직임을 알 수 있었다.
이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서는 핑거 팁의 어느 부위에 외력이 얼마나 가해졌는지에 대한 데이터를 제공할 수 있는 것으로 사료된다.
이상 도 1 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서, 외력 센서의 제조 방법 및 실험 결과를 설명하였다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서는 도 17에 도시된 바와 같이, 로봇 손의 단부에 장착되어, 외력 인가와 관련된 센서 데이터 예를 들어, 외력의 크기, 외력의 인가 위치와 관련된 센서 데이터를 제공하는 데 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 특히, 본 발명의 일 실시 에에 따른 외력 센서는 핑거 팁의 상면에 수직한 외력 및 측면에 가해지는 힘을 측정할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시 예에 따른 외력 센서는 단단한 로봇 그리퍼 예를 들어, 로봇 핸드에 적용되어 안전하고 견고한 파지를 위해 부드러운 접촉을 제공할 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.

Claims (18)

  1. 내부층; 및
    상기 내부층의 외연의 일 측면, 상기 내부층의 타 측면 및 상기 일 측면과 타 측면을 연결하며 상기 내부층의 길이 방향 단부를 U 자 형상으로 감싸는 제1 및 제2 외력 센싱부;를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 외력 센싱부는, 유연성을 가지는 도파관 바디(wave guide body) 및 상기 도파관 바디에 내측에 삽입되어 광 경로를 제공하는 코어(core)를 포함하되, 서로 다른 광원이 제공되며,
    상기 내부층의 단부에서 상기 제1 및 제2 외력 센싱부는 서로 이격하며,
    상기 내부층의 단부에 형성된 제1 및 제2 외력 센싱부와 상기 제1 및 제2 외력 센싱부의 이격을 덮는 플레이트를 더 포함하는, 외력 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 도파관 바디의 일 단에는 발광부가 장착되도록 개구된 발광부 장착홈이 마련되고, 상기 도파관 바디의 타 단에는 수광부가 장착되도록 개구된 수광부 장착홈이 마련된, 외력 센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    인가된 외력에 따라 상기 도파관 바디 및 상기 코어에 변형이 수반되는, 외력 센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    제어부를 더 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 변형에 의한 상기 수광부에서 수광되는 광에 따라 외력의 세기 및 외력의 인가 위치를 제공하는, 외력 센서.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 플레이트는 외부로 노출된 외력 센서.
  8. 삭제
  9. 제1 항에 있어서,
    제3 및 제4 외력 센싱부를 더 포함하며,
    상기 제1 내지 제4 외력 센싱부는, 상기 내부층의 길이방향 단면에서 보았을 때를 기준으로, 원주 방향으로 배치되는 외력 센서.
  10. 유연성을 가지는 도파관 바디 및 상기 도파관 바디에 내측에 삽입되어 광 경로를 제공하는 코어를 포함하는 외력 센싱부를 준비하는 단계;
    홀딩 베이스를 준비하는 단계;
    상기 홀딩 베이스 외주면에 제1 레이어를 형성하는 단계;
    상기 제1 레이어 상에 상기 준비된 외력 센싱부를 "U" 형상으로 고정하는 단계; 및
    상기 고정된 외력 센싱부에 제2 레이어를 형성하는 단계;를 포함하는 외력 센서 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 외력 센싱부를 준비하는 단계는,
    상기 도파관 바디의 일 단에 발광부가 장착되도록 개구된 발광부 장착홈을 형성하고 상기 도파관 바디의 타 단에 수광부가 장착되도록 개구된 수광부 장착홈을 형성하는 단계를 더 포함하는, 외력 센서 제조 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 레이어를 형성하는 단계는,
    제1 레이어 형성부가 마련된 제1 레이어 몰드를 준비하는 단계; 및
    상기 제1 레이어 형성부에 상기 홀딩 베이스를 넣고 상기 제1 레이어 형성 용액을 주입하는 단계;를 포함하는 외력 센서 제조 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 홀딩 베이스는 제1 장착부가 마련된 날개를 더 포함하고,
    상기 제1 레이어 몰드는 상기 제1 장착부가 결합하는 결합부를 더 포함하는 외력 센서 제조 방법.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 레이어를 형성하는 단계는,
    제2 레이어 형성부가 마련된 제2 레이어 몰드를 준비하는 단계; 및
    상기 제2 레이어 형성부에 상기 고정된 외력 센싱부를 넣고 상기 제2 레이어 형성 용액을 주입하는 단계;를 포함하는 외력 센서 제조 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 홀딩 베이스는 제1 장착부가 마련된 날개를 더 포함하고,
    상기 제2 레이어는 상기 제1 장착부가 결합하는 결합부를 더 포함하는 외력 센서 제조 방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 제2 레이어는 상기 외력 센싱부와 상기 제1 레이어의 사이 공간에 의하여 정의되는 내부층을 형성하는 외력 센서 제조 방법.
  17. 제10 항에 있어서,
    상기 고정하는 단계는,
    상기 "U" 형상으로 고정된 외력 센싱부의 불록부를 덮는 플레이트를 더 고정하는 것을 포함하는 외력 센서 제조 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제2 레이어를 형성하는 단계 이후, 상기 제2 레이어 중 상기 플레이트를 덮는 영역을 제거하여 상기 플레이트를 노출시키는 외력 센서 제조 방법.
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