KR102136625B1 - Fbg 기반 비틀림 센서 장치 - Google Patents

Abstract

FBG (Fiber bragg gratings) 센서를 이용해 측정 대상의 비틀림 정도를 측정하는 비틀림 센서 장치는, 길게 연장된 광섬유의 일부 구간에 형성된 센싱부를 포함하는 FBG 센서 및 상기 측정 대상의 움직임에 따라 상기 FBG 센서의 변위를 일으키도록 상기 FBG 센서를 고정 지지하는 고정 장치를 포함하고, 상기 고정 장치는, 상기 측정 대상의 움직임에 따라 상기 센싱부가 굽힘 변위 없이 비틀림 변위를 일으키도록 하는 굽힘 방지 부재를 포함한다.

Description

FBG 기반 비틀림 센서 장치{FBG-based torsion sensor device}

본 명세서는 비틀림 센서 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 FBG 센서를 기반으로 측정 대상의 축 비틀림을 측정할 수 있는 센서 장치에 대한 것이다.

전세계적으로 3D 모션 캡처 시스템은 스포츠, 로보틱스, 의료, 게임, 및 그래픽 & 애니메이션 등의 다양한 분야에서 사용 중이며, 이를 이용하는 세계 시장의 규모는 점차적으로 증가하는 추세에 있다.

3D 모션 캡처 시스템을 구현하기 위해선 실시간으로 상하체 전신 동작 및 손가락 동작을 동시에 측정하기 위한 시스템에 대한 기술 개발이 필요하며, 현재 다양한 제품 개발 및 연구가 진행 중인 상태이다.

기존 마커를 사용한 광학식 센서, 관성센서, EMG 센서, 영상 카메라, 위치 감지 인코더, 가변저항을 이용한 방식을 이용한 인체의 상하체 전신 동작 또는 손가락 동작을 감지하기 위한 연구 및 제품이 상용화 되어 있는데, 관성센서는 시간이 지남에 따라 누적 오차(Drift)가 발생하고, 마커를 이용한 광학식 및 위치 감지 인코더의 경우 음영지역에 따른 측정 불가 영역 발생, EMG 센서의 경우 부착 및 외부적인 오류에 의한 오차 발생 등의 단점을 가지고 있다.

최근 이러한 단점을 보완하기 위해 FBG 센서를 이용하여 인체의 다양한 동작 등을 감지하려는 시도가 있다. 예를 들어, FBG 센서는 변형 센서(strain sensor)로 사용되어 측정 대상의 축 방향으로 가해지는 인장력을 측정하고, 형상 센서(shape sensor)로 사용되어 측정 대상에 발생하는 굽힘(bending)의 방향과 정도를 측정하며, 경사계(tiltmeter)로 사용되어 측정 대상의 기울기를 감지할 수 있다.

인체는 팔을 움직이는 경우와 같이 축 방향으로 움직이고, 굽히며, 기울어질 뿐만 아니라, 비틀릴 수 있다. 그러므로 인체의 동작을 더 정밀하게 측정하기 위해서는 인체의 비틀림에 대한 측정이 필요하다.

그러나 FBG를 이용하여 축 방향의 비틀림 운동을 측정하는 센서에 대한 개발은 많이 이루어지지 않았으며, 이는 FBG에 비틀림에 의한 전단력(Shear force)가 인가될 경우, 동시에 굽힘 및 인장(tensility)에 의한 힘도 전달이 되어 이들의 복합적인 힘을 분리하는데 어려움이 있다.

또한, 굽힘과 비틀림에 의해 발생하는 복합적인 반사된 파장의 결과를 개별적으로 구별해낼 수 있는 방법을 수식적으로 접근한 사례가 있으나, 비틀림에 의한 파장의 변화보다 굽힘에 의한 파장의 변화가 매우 크기 때문에 실시간 분류 작업에 따른 오류 발생 가능성이 크다. 따라서 실제 실시간 3D 모션 캡처 시스템에 적용할 경우, 방대한 양의 파장 변화 데이터를 수식적으로 분류 및 구분하여 다시 그래픽 사용자 인터페이스(graphic user interface, GUI)나 실제 모델에 위치나 각도, 비틀림 정보를 전달하는 데에는 한계를 갖는다.

한국 특허공개공보 제10-2006-0061564호

본 발명의 일 측면에서는 비틀림 센서 장치에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 FBG 기반의 축 비틀림의 정도의 측정이 가능한 센서 장치를 제안한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, FBG (Fiber bragg gratings) 센서를 이용해 측정 대상의 비틀림 정도를 측정하는 비틀림 센서 장치로서, 길게 연장된 광섬유의 일부 구간에 형성된 센싱부를 포함하는 FBG 센서 및 상기 측정 대상의 움직임에 따라 상기 FBG 센서의 변위를 일으키도록 상기 FBG 센서를 고정 지지하는 고정 장치를 포함하고, 상기 고정 장치는, 상기 측정 대상의 움직임에 따라 상기 센싱부가 굽힘 변위 없이 비틀림 변위를 일으키도록 하는 굽힘 방지 부재를 포함하는 비틀림 센서 장치가 제공된다.

일 실시예에 따르면, 상기 굽힘 방지 부재는, 상기 센싱부의 비틀림 변위가 가능하도록 상기 FBG 센서를 지지하는 두 개의 지지체 및 상기 두 개의 지지체 사이를 연결하여 각 지지체 사이의 상대적인 굽힘 움직임을 방지하는 보강체를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 보강체는 상기 센싱부의 둘레를 감싸는 튜브일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 고정 장치는, 상기 FBG 센서가 부착되며 상기 측정 대상의 비틀림 움직임에 대응하여 비틀림 운동하는 빔을 더 포함하고, 상기 빔은 상기 두 개의 지지체를 가로질러 배치되어 상기 지지체에 고정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 지지체는 볼 베어링이고, 상기 빔은 상기 볼 베어링의 내륜에 고정되고, 상기 보강체는 상기 볼 베어링의 외륜에 고정될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 지지체 사이에서, 상기 빔의 외주에 상기 센싱부가 나선형으로 감겨있다.

일 실시예에 따르면, 상기 빔은, 상기 센싱부가 나선형으로 감기는 비틀림 빔과 상기 비틀림 빔의 양단에서 연장되어 상기 FBG 센서를 고정하는 연장 빔을 포함하고, 상기 비틀림 빔은 상기 연장 빔에 비해 대경(大徑)으로 형성된다.

일 실시예에 따르면, 상기 고정 장치는 상기 빔의 양단에 위치하며, 상기 측정 대상에 부착되어 상기 비틀림 센서 장치를 상기 측정 대상에 고정하는 고정 부재를 더 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 고정 부재는 상기 측정 대상에 고정되는 고정체와 상기 고정체에 형성된 슬릿에 삽입되는 키 부재를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 키 부재는 상기 빔이 고정되는 몸체부 및 상기 키 부재가 상기 고정체에 대해 회전하지 않게 하는 회전 방지부를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 빔의 양단에 형성된 고정 부재 중 제1 고정 부재는 상기 빔과 고정되어 있으며, 제2 고정 부재는 상기 빔과 고정되어 있지 않아 상기 빔이 상기 제2 고정 부재에 대해 슬라이드 이동한다.

도 1a는 일 실시예에 따른 FBG 센서의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1b는 도 1a의 FBG 센서의 광 입구로 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 그래프 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 비틀림 센서 장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 비틀림 센서 장치를 부분적으로 확대 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에서 보강체를 도시 생략한 도면이다.
도 5는 도 2의 비틀림 센서 장치의 고정 부재를 도시한 도면이다.
도 6는 도 5의 고정 부재의 키 부재의 사시도이다.
도 7은, 도 2의 비틀림 센서 장치의 양 단의 고정 상태를 설명하는 도면이다.
도 8은 도 2의 FBG 센서 장치를 사용하여 얻은 빔의 비틀림 각도-파장 변화량에 대한 실험 데이터를 도시한 그래프 도면이다.

실시예들은 여기에 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다 그러나, 여기에 개시된 원리들은 많은 상이한 형태로 구현될 수도 있으며 여기에서 기재된 실시예로 제한되어 생각되지 않아야 한다. 발명의 상세한 설명에서, 잘 알려진 특징 및 기술에 대한 상세한 설명이 실시예의 특징을 불필요하게 불명확하게 하는 것을 피하기 위해 생략될 수도 있다.

도면에서, 도면 내 참조 번호는 구성요소를 나타낸다. 도면 내 모양, 크기 및 영역, 기타 같은 종류의 것들은 명확성을 위해 과장될 수도 있다.

측정 대상은 사람, 동물, 기계, 로봇 등 자신의 일부분 및/또는 전체에 대한 운동 및/또는 움직일 수 있는 다양한 대상을 의미한다.

본 명세서에서 '굽히다', '굽혀지다'는 굽힘 이후에 측정 대상의 길이 중심축이 굽힘 이전의 길이 중심축으로부터 벗어나는 것을 의미한다. 본 명세서에서 측정 대상의 '굽힘 움직임', '굽힘 동작', '굽힘 운동' 은 측정 대상의 굽힘을 발생하게 하는 측정 대상 자체 및/또는 제3자의 움직임 및/또는 운동을 지칭한다.

본 명세서에서 '비틀리다', '비틀다'는 비틀림 이후의 길이 중심축이 비틀림 이전의 길이 중심축으로부터 벗어나지 않으며, 단지 단면들이 길이 중심축을 기준으로 회전하게 되는 것을 의미한다. 본 명세서에서 측정 대상의 '비틀림 움직임', '비틀림 동작', '비틀림 운동'은 측정 대상의 비틀림을 발생하게 하는 측정 대상 자체 및/또는 제3자의 움직임 및/또는 운동을 지칭한다.

본 명세서에서 FBG 센서의 '굽힘 변위'는 측정 대상의 '굽힘 운동' 및/또는 '굽힘 움직임'에 의해 발생하는 FBG 센서의 격자 간격 변위를 의미한다.

본 명세서에서 FBG 센서의 '비틀림 변위'는 측정 대상의 '비틀림 운동' 및/또는 '비틀림 움직임'에 의해 발생하는 FBG 센서의 격자 간격 변위를 의미한다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하기로 한다.

이해를 돕기 위해, FBG 센서(1)에 대해 먼저 설명한다.

도 1a는 일 실시예에 따른 FBG 센서(1)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

FBG 센서(1)는 길게 연장된 광섬유(11)의 일부 구간에 복수의 격자(T₁ 내지 T₄)를 형성하여 이루어진다. 본 명세서에서는 복수의 격자들이 형성된 광섬유(11)의 일부 영역을 “센싱부(16)”로 지칭한다.

도 1a에서는 편의상 센싱부(16)를 중심으로 도시하였으며, 센싱부(16)의 좌우로 격자를 포함하지 않는 광섬유(11)의 잔여 부분이 길게 연장될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 센싱부(16)의 좌우로 연장되는 광섬유(11)의 잔여 부분은 광섬유(11) 내부로 빛을 전달하는 통로 역할을 하며, 그 길이 및 변위가 움직임의 감지에는 영향을 미치지 않는다. 다시 말해서, 센싱부(16) 외의 광섬유(11)의 잔여 부분은 필요에 따라서 길이가 조절될 수 있으며, 연장 방향 등을 다양하게 조정할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 광섬유(11)는 유리 재질로 형성되어 자유롭게 굴절될 수 있는 클래딩(cladding)(12)과, 상기 클래딩(12)의 중심에서 클래딩(12)의 길이방향을 따라 형성된 코어(core)(13)를 포함한다. 클래딩(12)의 굴절율과 코어(13)의 굴절율은 서로 상이하다. 예를 들어, 클래딩(12)의 굴절율은 n₁이고, 코어(13)의 굴절율은 n₀로 서로 상이하다. 광섬유(11)의 양단에는 광원(미도시)으로부터 빛이 입사하는 광 입구(14)와, 코어(13)를 통과하여 빛이 출력되는 광 출구(15)가 형성된다.

광섬유(11)의 일부 영역의 코어(13)에는 각각 n개(n≥2, 자연수)의 격자가 한 집합을 이루어 형성된 복수의 격자 노드(T₁ ~ T₄)가 형성되어, 센싱부(16)를 형성한다.

격자는 광섬유(11)의 제작 과정에서 자외선 빛을 통해 코어(13)의 일부분의 물성을 변화시킨 부분으로, 클래딩(12) 및 코어(13)와는 다른 굴절률(예를 들어, n₀+△n)을 가진다.

복수 개의 격자는 격자 사이의 간격(Λ)을 두고 배치된다. 격자 사이의 간격(Λ)은 다양할 수 있다. 예를 들어, 격자 간격(Λ)은 동일할 수도 있다. 또는, FBG 센서가 n개의 격자를 포함하는 경우, n-1개의 격자 간격은 각각 Λ₁, Λ₂,.. Λ_a,... Λ_n-1로 서로 상이할 수도 있다. 예를 들어, 각각의 격자 노드(T₁ ~ T₄)를 이루는 각 격자들 사이의 간격(Λ₁ ~ Λ₄)은 점점 증가하는 관계를 가질 수 있다(즉, Λ₁＜Λ₂＜Λ₃＜Λ₄). 각각의 격자 노드 사이의 간격은 격자 노드를 형성하는 격자들의 간격(Λ₁, Λ₂, Λ₃, Λ₄)에 비하여 현저히 크다.

위와 같은 구성에 따르면, 광섬유(11)의 광 입구(14)로 입사된 입사광은 격자 노드들에 의한 간섭이 발생한다. 광 입구(14)로 다시 출력되는 반사광은 각 격자 노드에 대응하는 피크가 존재하는 파장 스팩트럼을 나타낸다.

도 1b는 FBG 센서(1)의 광 입구(14)로 출력되는 반사광의 파장 스펙트럼을 도시한 그래프이다.

격자 노드의 격자 간격(Λ)과 반사광의 파장(λ_B)은 아래의 [수학식 1]과 같은 관계를 가진다.

여기서, n_eff는 코어의 유효 굴절률을 나타내는 지표이다.

도 1b의 파장 스펙트럼에 나타나는 파장들(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)은 각 격자 노드의 격자들의 간격(Λ₁, Λ₂, Λ₃, Λ₄)을 상기 [수학식 1]에 대입하여 구한 값에 해당한다. 다시 말해서, 파장들(λ₁, λ₂, λ₃, λ₄)은 각각 하나의 격자 노드들에 의해 반사되어 출력되는 반사광의 파장을 나타내는 것이다.

제1격자 노드(T₁)가 위치한 부분에서 FBG 센서(1)의 변위가 발생하는 경우, 제1격자 노드(T₁)를 구성하는 격자들의 간격(Λ₁)이 변화하게 될 것이고, 이에 따라 상기 [수학식 1]의 관계에 의해 도 1b의 파장 곡선들 중 파장(λ₁)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는(shift) 것을 측정할 수 있게 된다. 따라서, 파장(λ₁)에 대한 곡선이 좌우로 이동하는 것이 측정되면 제1격자 노드(T₁)의 위치에서 FBG 센서(1)의 변위가 발생한다고 판단할 수 있다.

일반적으로 측정 대상이 FBG 센서를 장착한 상태에서 움직이는 경우, 측정 대상의 움직임은 FBG 센서(1)의 굽힘 변위 및/또는 비틀림 변위를 함께 야기할 수 있다. 이 경우 파장 변화 정보는 측정 대상의 비틀림 정도는 물론 굽힘 정도 모두에 대한 정보를 포함할 것이다. 그러므로, 측정 대상의 비틀림 정도만을 FBG 센서(1)를 통해 측정하기 위해서는, FBG 센서(1)의 굽힘 변위를 방지하는 것이 필요하다.

본 발명은 아래에서 설명되는 바와 같이, FBG 센서(1)의 굽힘 변위를 방지하여 측정된 파장 변화 정보가 측정 대상의 일반적인 움직임 중 비틀림 움직임에 대한 정보만을 나타내도록 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비틀림 센서 장치(100)의 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 비틀림 센서 장치(100)는 FBG 센서(1)와, 측정 대상의 움직임에 따라 FBG 센서(1)의 변위가 발생하도록 FBG 센서(1)를 측정 대상(미도시)에 고정 지지하는 고정 장치(2)를 포함한다.

고정 장치(2)는 FBG 센서(1)가 부착되며, 상기 측정 대상의 비틀림 움직임에 대응하여 적어도 일부분이 비틀림 운동하는 빔(4)과, 상기 빔(4)을 측정 대상에 고정시키는 고정 부재(5)를 포함한다.

본 실시예에 따르면, 측정 대상은 예를 들어, 사람의 팔일 수 있다. 팔꿈치 관절은 운동시 굽힘 운동 및/또는 비틀림 운동이 복합적으로 일어나는 다자유도 관절이며, 본 실시예에 따른 비틀림 센서 장치(100)는 팔꿈치의 운동 중 비틀림 운동을 기계적으로 분리하여 팔꿈치 관절의 비틀림 정도를 측정한다.

이를 위해, 본 실시예에 따른 고정 장치(2)는 측정 대상의 움직임에 따라 FBG 센서(1)가 굽힘 변위 없이 비틀림 변위를 일으키도록 하는 굽힘 방지 부재(3)를 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 고정 부재(5)는 비틀림 센서 장치(100)의 양 단부에 형성된다. 두 개의 고정 부재(5)는 각각 사용자의 상박과 하박에 부착(예를 들어, 사용자가 착용한 의복에 고정)된다. 빔(4)은 두 개의 고정 부재(5)의 사이로 연장되어, 사용자의 팔꿈치를 가로지르도록 형성된다.

빔(4)은 예를 들어 폴리머 재질로 이루어져 가요성을 가진다. 사용자가 팔꿈치 관절을 움직이면 두 개의 고정 부재(5)의 상대 변위가 발생하게 되며, 이에 따라서 빔(4)은 굽힘 변위 및/또는 비틀림 변위를 하게 된다.

FBG 센서(1)는 빔(4)의 표면에 부착되거나(도 3 참조), 중공의 빔(4)의 내부를 통과해 빔(4)의 내주면에 부착된다. 따라서, 빔(4)의 굽힘 운동 및/또는 비틀림 운동에 대응하여 FBG 센서(1)는 굽힘 변위 및/또는 비틀림 변위한다.

센싱부(16)의 좌우로 연장되는 광섬유(11)의 부분은 어떤 변위를 일으키더라도 무방하지만, 팔꿈치 관절의 비틀림 움직임만을 분리 측정하기 위해서 본 실시예에 따르면, 굽힘 방지 부재(3)를 통해 적어도 센싱부(16)의 굽힘 변위를 제한한다.

도면에는 자세히 도시하지 않았지만, FBG 센서(1)는 굽힘 방지 부재(3)의 외측에서 빔(4)에 형성된 통공을 통해 빔(4) 내부를 통과하였다가 굽힘 방지 부재(3)의 내측에서 빔(4)에 형성된 다른 통공을 통해 빔(4)의 외부로 빠져 나오도록 연장된다.

이때, FBG 센서(1)의 센싱부(16)가 굽힘 방지 부재(3)의 내부에 위치하도록 배치된다.

센싱부(16)를 감싸는 굽힘 방지 부재(3)에 의해 센싱부(16)의 굽힘 변위가 방지된다. 굽힘 방지 부재(3)는 빔(5)의 중간에 위치하며, 바람직하게는 굽힘 방지 부재(3) 및 센싱부(16)는 팔꿈치 관절의 위치 등 측정 위치에 대응하여 배치된다.

도 3은 도 2의 비틀림 측정 센서(100)를 부분적으로 확대한 확대도이고, 도 4는 도 3에서 보강체(34)를 도시 생략한 도면이다.

굽힘 방지 부재(3)는 빔(4)의 비틀림 운동을 허용하여 FBG 센서(1)가 비틀림 변위를 일으키는 것이 가능하도록 FBG 센서(1)를 지지하는 두 개의 지지체(32) 및 두 개의 지지체(32) 사이를 연결하여 두 개의 지지체(32) 사이의 상대적인 굽힘 움직임을 방지하는 보강체(34)를 포함한다.

본 실시예에 따른 보강체(34)는 FBG 센서(1)의 둘레를 완전히 감싸는 튜브이며, 지지체(32)는 볼 베어링이다. 볼 베어링의 내륜(322)은 빔(4)에 맞물려 고정되고, 볼 베어링(32)의 외륜(321)은 보강체(34)의 양단에 고정된다.

본 실시예에 따른 보강체(34)는 금속 또는 폴리머와 같은 다양한 종류의 재료로 형성될 수 있지만, 인체의 움직임에 의해 굽힘 변위를 일으키지 않는 강도와 길이를 가진다.

이에 따라서, 보강체(34) 및 그에 연결된 지지체(32)가 형성하는 굽힘 방지 부재(3)는 측정 대상의 움직임에 의해 어떠한 방향에 대해서도 굽힘 변위를 일으키지 않으며, 굽힘 방지 부재(3)에 감싸진 FBG 센서(1)의 센싱부(16)는 굽힘 변위를 일으키지 않는다. 반면, 외륜(321)에 대해 상대적으로 회전 가능한 내륜(322)에 고정된 빔(4)은 비틀림 운동이 가능하여 빔(4)에 고정된 센싱부(16)가 비틀림 변위를 일으키는 것이 가능하다.

보강체(34)는 두 개의 지지체(32) 사이의 상대적인 굽힘 움직임을 방지하는 예를 들어, 지지체(32) 사이를 연결하는 하나 이상의 바(bar) 형태로 형성되는 것도 가능하지만, 튜브 형태를 가짐으로써, 측정 대상의 움직임 방향에 상관없이 FBG 센서(1)의 굽힘 변위를 방지할 수 있다.

지지체(32)로는 볼 베어링 외에도 빔(4)을 지지하면서, 빔(4)의 비틀림 운동을 방해하지 않는 다양한 부품이 사용될 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, FBG 센서(1)의 센싱부(16)는 굽힘 방지 부재(3)의 내부를 통과하는 빔(4)의 외주에 나선형으로 감겨 있다. FBG 센서(1)이 센싱부(16)를 나선형으로 배치함으로써, 빔(4)의 비틀림에 의해 센싱부(16)에 보다 큰 변위가 발생하도록 하여, 측정에 필요한 충분한 양의 파장 변화를 유도한다.

본 실시예에 따르면, FBG 센서(1)에 소정이 텐션(tension)을 가하여 비틀림 빔(42)에 감아줌으로써, 센싱부(16)의 격자 간격이 텐션이 가해지지 않은 상태보다 살짝 늘어난 상태로 형성되도록 한다. 이 상태의 격자 간격을 비틀림 센서 장치(1)이 초기 상태로 세팅한다.

팔꿈치 관절이 일 방향으로 움직여 빔(4)이 센싱부(16)가 감긴 방향으로 비틀리면 비틀림 빔(42) 상의 센싱부(16)가 당겨져 격자 간격이 증가한다. 반면, 팔꿈치 관절이 다른 방향으로 움직여 빔(4)이 센싱부(16)가 감긴 방향과 반대방향으로 비틀리면 비틀림 빔(42) 상의 센싱부(16)가 이완되어 탄성 복원에 의해 수축되면서 격자 간격이 감소하게 된다.

격자 간격이 증가하면 파장 변화 방향이 양의 방향이고, 격자 간격이 감소하면 파장 변화 방향이 음의 방향이 된다. 따라서, 파장 변화 방향(부호)를 통해 측정 대상의 비틀림 방향을 구분할 수 있다.

아울러, 격자 간격 변화를 통해 빔(4)의 비틀림 정도(즉, 측정 대상의 비틀림 정도)를 측정할 수 있다.

예를 들어, 센싱부(16)의 비틀림 변위와 빔(4)의 비틀림 운동은 아래의 [수학식 2]와 같은 관계를 가진다.

[수학식 2]에서,

는 원형 빔(4)에 부착된 센싱부(16)의 비틀림 변위, d는 FBG 센서가 부착된 원형 빔의 직경, l은 FBG 센서가 부착된 원형 빔의 길이,

는 FBG 센서가 부착된 원형 빔의 비틀림 각을 나타낸다. 격자 간격을 알게 되면, 빔(4)의 비틀림 각을 알 수 있는 것이다.

빔(4)의 비틀림 각과 측정 대상의 비틀림 정도는 비례하는 관계를 가지므로, 빔(4)의 비틀림 각을 통해 측정 대상의 비틀림 정도를 유추 계산할 수 있다.

FBG 센서(1)가 비틀림 빔(42)에 감긴 횟수, 감긴 형태, 감긴 각도 등은 센서 장치의 용도 및 크기 등에 의해 적절히 조절될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 빔(4)은 FBG 센서(1)의 센싱부(16)를 고정하는 비틀림 빔(42)과 상기 비틀림 빔(42)의 양단에서 연장되어 굽힘 방지 부재(3)의 외부에서 FBG 센서(1)를 고정하는 연장 빔(44)을 포함한다.

도시된 바와 같이, 비틀림 빔(42)은 연장 빔(44)에 비해 대경(大徑)으로 형성된다. 비틀림 빔(42)의 직경은 굽힘 방지 부재(3) 내부에서 FBG 센서(1)가 보강체(34)에 접촉하지 않을 정도로 형성된다.

본 실시예에 따르면, 비틀림 빔(42)은 예를 들어 폴리머 재질로 가요성을 갖는 재질로 형성되고, 연장 빔(44)은 예를 들어 금속 등 강성을 가지는 재질로 형성된다.

따라서, 본 실시예에 따르면, 측정 대상이 비틀림 운동하는 경우, 두 개의 연장 빔(44) 자체는 비틀리지 않고 서로 상대 회전하면서 비틀림 빔(42)에 토크를 전달하는 역할을 한다. 즉, 본 실시예에 따르면, 빔(4)에서 실질적인 비틀림 변위가 일어나는 부분은 비틀림 빔(42)이다.

이와 같이, 빔(4)이 비틀림 운동을 한다는 것은 빔(4) 전체가 비틀림 변위를 일으키는 경우 뿐 아니라 빔(4)의 적어도 일부분이 비틀림 변위를 일으키는 경우도 포함한다는 것이 이해되어야 할 것이다.

팔꿈치 관절 등 측정 부위에 위치하는 비틀림 빔(42)만이 실질적으로 비틀림 변위를 일으키도록 함으로써, 센싱부(16)의 격자 간격 변화가 측정 대상의 움직임에 즉각 반응하여 이루어질 수 있으며, 길게 연장된 빔(4) 전체가 비틀림 변위하는 경우에 비해 측정 오차를 줄일 수 있다.

본 실시예와 같이, 대경인 비틀림 빔(42)의 표면에 센싱부(16)를 나선 배치하면, 상기 [수학식 2]에서 원형 빔의 직경(d)이 증가하게 된다. 동일한 양의 파장 변화에 대해서 더 미세한 비틀림 각(

)을 구할 수 있어, 센서 장치의 분해능(resolution)이 좋아진다.

한편, 빔(4)의 비틀림 각을 통해 측정 대상의 비틀림 정도를 계산하기 위해서는 센싱부(16)와 비틀림 빔(42)이 측정 대상과 가급적 밀착할 것이 요구된다.

두 개의 고정 부재(5)가 측정 대상에 고정된 상태에서 빔(4)이 고정 부재(5)에 구속되어 있으면, 측정 대상의 굽힘 움직임 방향에 따라서 빔(4)이 구부러지면서 센싱부(16)와 비틀림 빔(42)이 측정 대상으로부터 멀어질 수 있다.

도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 부재(5)의 구조를 설명하는 도면이다.

본 실시예에 따른 고정 부재(5)는 측정 대상에 부착되는 고정체(51)와 상기 고정체(51)에 형성된 슬릿(53)에 삽입되는 키 부재(55)를 포함한다.

키 부재(55)는 연장 빔(44)의 단부에 고정된다. 키 부재(55)는 고정체(51)에 형성된 슬릿(53)에 삽입되어, 슬릿(53) 내부에서 슬라이드 이동이 가능하다.

도 6은 일 실시예에 따른 키 부재(55)의 사시도이다.

키 부재(55)는 연장 빔(44)에 고정되는 몸체부(552) 및 몸체부(552)의 일 측에 돌출되는 회전 방지부(554)를 포함한다. 슬릿(53)은 키 부재(55)의 형상에 대응하여 형성된다.

정확한 측정을 위해서는 측정 대상의 움직임에 의해 고정 부재(5)가 움직이는 경우 그에 대응하여 빔(4) 역시 움직여야 한다. 고정 부재(5)가 움직일 때 빔(4)이 고정 부재(5)에 대해 헛돌게 되면, 정확한 비틀림 운동이 전달되지 ?莩쨈?.

본 실시예에 따르면, 회전 방지부(554)가 형성됨으로써, 키 부재(55)가 고정체(51)에 대해 회전하지 않으므로, 측정 대상의 비틀림 운동에 의한 비틀림 힘(예를 들어, 토크(torque))이 빔(4)에 정확히 전달될 수 있다.

키 부재(55)는 반드시 일부가 돌출된 열쇠 모양일 필요는 없으며, 각진 모서리나 돌출부를 회전 방지부로 가져 고정체(51)에 대한 상대 회전을 하지 않는 구조라면 좋다.

도 7은 비틀림 센서 장치(1)이 양단의 고정 상태를 설명하는 도면이다.

본 실시예에 따르면, 연장 빔(4)의 일 단에 고정되는 제1 고정 부재(57)는 연장 빔(4)과 상대 운동하지 않게 고정된다. 반면, 연장 빔(4)의 타 단에 고정되는 제2 고정 부재(59)는 상술한 키 부재가 고정체에 대해 슬라이드 이동 가능한 구조로 형성되어 연장 빔(4)과 고정되지 않는다.

제1 고정 부재(57)는 제2 고정 부재(59)와는 다른 구조일 수도 있고, 제2 고정 부재(59)와 동일한 구조이지만 키 부재(55)가 고정체(51)에 대해 위치 고정되어 슬라이드 이동하지 않는 구조일 수도 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 측정 대상이 굽힘 변위를 할 때, 제2 고정 부재(59)의 키 부재(55)가 제2 고정 부재의 고정체(51)에 고정되어 있지 않으므로, 제2 고정 부재(59)의 키 부재(55)는 제2 고정 부재(59)의 슬릿(53) 상에서 슬라이드 이동한다.

이로 인해, 측정 대상이 크게 굽힘 동작하게 되더라도, 빔(4)의 굽힘 변위는 최소화된다. 빔(4)의 양단에 작용하는 전단력 등과 같은 요인들이 FBG 센서(1)의 비틀림 변위에 영향을 주는 것을 방지할 수 있으며, 센싱부(16)가 측정 대상에 밀착한 상태를 유지할 수 있다.

도 8은 FBG 센서 장치(100)를 사용하여 얻은 빔의 비틀림 각도-파장 변화량에 대한 실험 데이터를 도시한 그래프 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이 비틀림 센서 장치(100)는 1^o 의 빔의 비틀림 각도 당 약 2.1pm의 비틀림 변위를 갖는 분해능을 가질 수 있다. 이는 단지 실험적 결과에 불과하며, [수학식 1] 및 [수학식 2]에 기초하여 빔의 규격을 설계하면, 비틀림 센서 장치의 분해능을 조절할 수 있다. 또한, 이미 제작된 비틀림 센서 장치가 측정 대상의 비틀림 운동을 측정하지 못하는 경우, 전체를 다시 제작할 필요 없이, 빔을 다시 설계하여 문제를 해결할 수 있다.

본 명세서에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 명세서는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구 범위에서 청구하는 요지를 벗어남이 없이 당해 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 명세서의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims (13)

1. FBG (Fiber bragg gratings) 센서를 이용해 측정 대상의 비틀림 정도를 측정하는 비틀림 센서 장치로서,
   광섬유의 일부 구간에 형성된 센싱부를 포함하는 FBG 센서; 및
   상기 측정 대상의 움직임에 따라 상기 FBG 센서의 변위를 일으키도록 상기 FBG 센서를 고정 지지하는 고정 장치를 포함하고,
   상기 고정 장치는, 상기 측정 대상의 움직임에 따라 상기 센싱부가 굽힘 변위 없이 비틀림 변위를 일으키도록 하는 굽힘 방지 부재 - 상기 굽힘 방지 부재는, 상기 센싱부의 비틀림 변위가 가능하도록 상기 FBG 센서를 지지하는 두 개의 지지체; 및 상기 두 개의 지지체 사이를 연결하여 각 지지체 사이의 상대적인 굽힘 움직임을 방지하는 보강체를 포함함;
   상기 FBG 센서가 부착되며, 상기 측정 대상의 비틀림 움직임에 대응하여 비틀림 운동하는 빔 - 상기 빔은 상기 두 개의 지지체를 가로질러 배치되어 상기 지지체에 고정됨; 그리고
   상기 빔의 양단에 위치하며, 상기 측정 대상에 부착되어 상기 비틀림 센서 장치를 상기 측정 대상에 고정하는 고정 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비틀림 센서 장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 보강체는 상기 센싱부의 둘레를 감싸는 튜브인 것을 특징으로 하는 비틀림 센서 장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 지지체는 볼 베어링이고,
   상기 빔은 상기 볼 베어링의 내륜에 고정되고,
   상기 보강체는 상기 볼 베어링의 외륜에 고정되는 것을 특징으로 하는 비틀림 센서 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 지지체 사이에서, 상기 빔의 외주에 상기 센싱부가 나선형으로 감겨있는 것을 특징으로 하는 비틀림 센서 장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 빔은,
   상기 센싱부가 나선형으로 감기는 비틀림 빔과,
   상기 비틀림 빔의 양단에서 연장되어 상기 FBG 센서를 고정하는 연장 빔을 포함하고,
   상기 비틀림 빔은 상기 연장 빔에 비해 대경(大徑)으로 형성되는 것을 특징을 하는 비틀림 센서 장치.
   
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 고정 부재는 상기 측정 대상에 고정되는 고정체와
   상기 고정체에 형성된 슬릿에 삽입되는 키 부재를 포함하는 비틀림 센서 장치.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 키 부재는 상기 빔이 고정되는 몸체부 및 상기 키 부재가 상기 고정체에 대해 회전하지 않게 하는 회전 방지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비틀림 센서 장치.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔의 양단에 형성된 고정 부재 중 제1 고정 부재는 상기 빔과 고정되어 있으며, 제2 고정 부재는 상기 빔과 고정되어 있지 않아 상기 빔이 상기 제2 고정 부재에 대해 슬라이드 이동하는 것을 특징으로 하는 비틀림 센서 장치.
    
12. FBG (Fiber bragg gratings) 센서를 이용해 측정 대상의 비틀림 정도를 측정하는 비틀림 센서 장치로서,
    광섬유의 일부 구간에 형성된 센싱부를 포함하는 FBG 센서; 및
    상기 측정 대상의 움직임에 따라 상기 FBG 센서의 변위를 일으키도록 상기 FBG 센서를 고정 지지하는 고정 장치를 포함하고,
    상기 고정 장치는,
    상기 측정 대상의 움직임에 따라 상기 센싱부가 굽힘 변위 없이 비틀림 변위를 일으키도록 하는 굽힘 방지 부재 - 상기 굽힘 방지 부재는, 상기 센싱부의 비틀림 변위가 가능하도록 상기 FBG 센서를 지지하는 두 개의 지지체; 및 상기 두 개의 지지체 사이를 연결하여 각 지지체 사이의 상대적인 굽힘 움직임을 방지하는 보강체를 포함함; 그리고
    상기 FBG 센서가 부착되며, 상기 측정 대상의 비틀림 움직임에 대응하여 비틀림 운동하는 빔 - 상기 빔은 상기 두 개의 지지체를 가로질러 배치되어 상기 지지체에 고정됨 - 을 포함하고,
    상기 지지체는 볼 베어링이고,
    상기 빔은 상기 볼 베어링의 내륜에 고정되고,
    상기 보강체는 상기 볼 베어링의 외륜에 고정되는 것을 특징으로 하는 비틀림 센서 장치.
    
13. FBG (Fiber bragg gratings) 센서를 이용해 측정 대상의 비틀림 정도를 측정하는 비틀림 센서 장치로서,
    광섬유의 일부 구간에 형성된 센싱부를 포함하는 FBG 센서; 및
    상기 측정 대상의 움직임에 따라 상기 FBG 센서의 변위를 일으키도록 상기 FBG 센서를 고정 지지하는 고정 장치를 포함하고,
    상기 고정 장치는,
    상기 측정 대상의 움직임에 따라 상기 센싱부가 굽힘 변위 없이 비틀림 변위를 일으키도록 하는 굽힘 방지 부재 - 상기 굽힘 방지 부재는, 상기 센싱부의 비틀림 변위가 가능하도록 상기 FBG 센서를 지지하는 두 개의 지지체; 및 상기 두 개의 지지체 사이를 연결하여 각 지지체 사이의 상대적인 굽힘 움직임을 방지하는 보강체를 포함함; 그리고
    상기 FBG 센서가 부착되며, 상기 측정 대상의 비틀림 움직임에 대응하여 비틀림 운동하는 빔 - 상기 빔은 상기 두 개의 지지체를 가로질러 배치되어 상기 지지체에 고정됨 - 을 포함하고,
    상기 지지체 사이에서, 상기 빔의 외주에 상기 센싱부가 나선형으로 감겨있는 것을 특징으로 하는 비틀림 센서 장치.

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