KR102168025B1 - 팽창 및 수축 가능한 외력 감지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 제1 결합체, 원통형 형상으로 일단이 상기 제1 결합체의 일단의 둘레를 둘러싸도록 형성되고 외력 감지 센서가 내장된 스킨, 그리고, 상기 스킨의 타단에 결합되어 상기 제1 결합체와 함께 상기 스킨을 밀폐하는 제2 결합체를 포함하고, 상기 스킨은 공기 공급 여부 및 외력 작용 여부 중 적어도 어느 하나의 여부에 따라 형태가 변형되는 외력 감지 모듈을 제공한다. 본 발명에 따르면, 외력 감지 센서가 내장 또는 부착되고 팽창 및 수축 가능한 인공 스킨을 포함하는 외력 감지 모듈을 이용하여 외력에 따른 충격을 최소화 하고 외력의 발생 위치와 크기를 감지할 수 있다.

Description

팽창 및 수축 가능한 외력 감지 모듈{EXPANDABLE AND CONTRACTIBLE EXTERNAL FORCE SENSING MODULE}

본 발명은 외력 감지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 외력 감지 센서가 부착되고 팽창 및 수축 가능한 인공 스킨을 포함하여 외력에 따른 충격을 최소화 하고 외력의 발생 위치와 세기를 감지하도록 형성되는 외력 감지 모듈에 관한 것이다.

로봇 산업 초기에는 단순한 작업을 반복적으로 수행하도록 로봇이 설계됐으나, 최근에는 섬세하고 복잡한 작업을 수행할 수 있도록 휴머노이드와 같이 인간의 외형, 사고 또는 행동까지 따라 할 수 있는 진화된 형태의 지능형 로봇 설계에 대한 관심이 증가하고 있다. 상술한 지능형 로봇의 경우, 설계자가 모든 외부 상황에 대처할 수 있도록 로봇을 설계하고 프래그래밍화하는 것은 불가능하므로, 인간의 감각기관과 유사한 센서들을 이용하여 스스로 외부 상황에 대해 인식 및 판단하여 행동하는 것이 요구된다.

한편, 지능형 로봇 관련 기술 중에서도 외부 자극(외력)에 대해 스스로 감지 및 판단하도록 설계되는 인공 피부에 관한 기술의 중요성이 대두되고 있다. 일반적으로 인공 피부는 뼈대가 되는 단단한 재질의 구조물에 촉각센서(또는 접촉센서)가 내장된 스킨이 결합된 형태로 이루어진다. 지능형 로봇에 이러한 인공 피부가 적용되기 위해 인공 피부는, 완충 기능을 통해 외부로부터 내부를 보호하도록, 외력이 작용하는 위치와 외력의 세기를 센싱할 수 있도록, 외력에 의해 피부가 변형되더라도 다시 원상복구가 가능하도록 설계될 필요가 있으나, 현재 이러한 조건들을 모두 만족하는 인공 피부 설계 기술은 개발되지 않은 실정이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 주된 기술적 과제는 외력 감지 센서가 부착되고 팽창 및 수축 가능한 인공 스킨을 포함하여 외력에 따른 충격을 최소화 하고 외력의 발생 위치와 세기를 감지하도록 형성되는 외력 감지 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 구조체의 일부를 감싸며 상기 구조체에 작용하는 외력에 따른 충격을 최소화하고 외력의 발생 위치와 세기를 감지하기 위한 외력 감지 모듈에 있어서, 제1 결합체, 원통형 형상으로 일단이 상기 제1 결합체의 일단의 둘레를 둘러싸도록 형성되고 외력 감지 센서가 내장된 스킨, 그리고, 상기 스킨의 타단에 결합되어 상기 제1 결합체와 함께 상기 스킨을 밀폐하는 제2 결합체를 포함하고, 상기 스킨은 공기 공급 여부 및 외력 작용 여부 중 적어도 어느 하나의 여부에 따라 형태가 변형되는 외력 감지 모듈을 제공한다.

본 실시예에 있어서, 상기 제2 결합체에는 공기 공급을 위한 튜브가 삽입되는 홀이 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 스킨은 실리콘 또는 비닐 재질로 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 외력 감지 센서는 액체금속이 채워진 관을 하나 이상 포함하도록 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 외력 감지 센서는 액체금속이 채워진 관들이 이루는 단위 채널이 직렬로 복수개 연결된 형태로 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 외력 감지 센서는 외력에 의한 각 단위 채널의 단면적 변화에 따른 저항 변화와 전압 강하를 측정하여 상기 외력의 작용 여부, 상기 외력의 작용 위치 및 세기 중 적어도 어느 하나 이상을 센싱할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 스킨은 소정의 기준에 따라 복수개의 구역으로 구분되고, 상기 복수개의 단위 채널 각각은 상기 복수개의 구역 각각에 대응되도록 내장될 수 있다.

본 발명에 따르면, 외력 감지 센서가 부착되고 팽창 및 수축 가능한 인공 스킨을 포함하는 외력 감지 모듈을 이용하여 외력에 따른 충격을 최소화 하고 외력의 발생 위치와 세기를 감지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 자체 신축성을 가진 실리콘 또는 비닐 재질을 이용해 인공 스킨을 구성하므로 수축 및 이완이 자유롭게 가능하도록 인공 스킨을 형성할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외력 감지 모듈의 구성을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1에 도시된 외력 감지 센서를 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시된 외력 감지 모듈의 구현예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비 또는 마련)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 “포함(구비 또는 마련)”할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성 요소로 명명될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외력 감지 모듈(이하, 외력 감지 모듈(100))의 구성을 개략적으로 도시한 모식도이다.

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 외력 감지 모듈(100)은 제1 결합체(110), 스킨(120) 및 제2 결합체(130)를 포함하며, 제1 결합체(110) 및 제2 결합체(130)는 각각 3D프린팅을 통해 형성될 수 있다.

제1 결합체(110)는 스킨(120)과 결합되며 외력 감지 모듈(100)을 지탱할 수 있도록 단단한 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 제1 결합체(110)는 플라스틱 재질로 형성될 수 있고 원형 형상으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

스킨(120)은 원통형 형상으로 일단이 제1 결합체(110)의 일단의 둘레를 둘러싸도록 형성되고 스킨(120)에는 외력 감지 센서(121)가 내장되거나 내부 또는 외부에 부착될 수 있다. 또한, 스킨(120)은 공기 공급 여부 및 외력 작용 여부 중 적어도 어느 하나의 여부에 따라 형태가 변형(예컨대, 팽창 또는 수축) 가능하도록 형성되며, 신축성을 가진 재질로 형성될 수 있다.

제2 결합체(130)는 스킨(120)의 타단에 결합되어 제1 결합체(110)와 함께 스킨(120)을 밀폐하도록 형성된다. 이러한 제2 결합체(130)에는 공기 공급을 위한 튜브가 삽입 가능한 홀(131)이 형성될 수 있고, 마개 형태로 형성될 수 있다.

제1 결합체(110)와 같이, 제2 결합체(130) 역시 스킨(120)과 결합되어 외력 감지 모듈(100)을 지탱할 수 있도록 단단한 재질로 형성될 수 있으며, 앞서 언급한 바대로 제1 결합체(110)는 제2 결합체로, 제2 결합체(130)는 제1 결합체로 명명될 수 있다.

도 1의 (b)를 참조하면, 외력 감지 모듈(100)이 반드시 단일의 장치로 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예에 따라 외력 감지 모듈(100)이 복수개 결합된 형태의 외력 감지 모듈이 구현될 수 있음을 알 수 있다.

도 2는 외력 감지 모듈(100)의 외력 감지 센서(121)를 구체적으로 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따라 스킨(120)에 내장되는 외력 감지 센서(121)는 액체금속이 채워진 관(1201)을 하나 이상 포함하도록 형성된다. 또한, 외력 감지 센서(121)는 액체금속이 채워진 관(1201)들이 이루는 단위 채널(1211)이 직렬로 복수개 연결된 형태로 형성될 수 있다. 여기서 액체금속은 이게인(Egain)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

여기서, 액체금속이 채워진 관(1201)들과 단위 채널(1211)들은 마이크로채널 형태로 형성될 수 있고, 스킨(120)을 구성하는 실리콘 사이에 내장될 수 있다. 또한, 몰딩을 이용해서 실리콘의 한쪽에는 액체금속으로 형성되는 마이크로 채널을 형성하고, 한쪽은 평평하게 만든 후 이를 접합하는 형태로 스킨(120)을 형성하거나 주사기 등을 통해 실리콘에 액체금속을 주입해서 스킨(120)을 형성할 수도 있다.

스킨(120)을 실리콘으로 형성하면 스킨(120)에 공기 주입시 스킨(120)이 부풀어 오르면서 스킨(120)에 내장된 마이크로채널이 함께 늘어나더라도 전기전도성을 유지하면서 늘어나는 장점이 있다.

이와 달리, 스킨(120)을 비닐 재질로 형성할 경우 스킨(120)의 외부에 외력 감지 센서(121)가 부착되거나, 스킨(120)을 복수개의 비닐을 겹쳐서 형성하고 비닐들 사이에 외력 감지 센서(121)를 위치시켜 외부로부터 외력 감지 센서(121)를 보호하도록 할 수 있다. 이 때의 외력 감지 센서(121)는 반드시 상기한 액체금속으로 형성되는 마이크로 채널 형태일 필요는 없으며, 다양한 형태의 외력 감지 센서가 사용될 수 있다. 상기 비닐의 경우 나일론 재질의 필름 양쪽 면에 폴리에틸렌 재질이 추가로 코팅된 형태의 열가소성 필름(Heat sealable nylon polyethylene film)으로 형성될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

구체적으로, 스킨(120)을 비닐 재질로 형성한 외력 감지 모듈의 구현 예인 로봇 레그(3)를 도시한 도 3을 참조하면, 스티커와 같이 부착 가능한 형태로 외력 감지 센서(121)를 형성할 수 있다. 이러한 외력 감지 센서(121)는 커스터마이징된 캐패시터 또는 저항 측정 방식을 이용한 센서로서 터치 패드(121a)를 복수개 포함하도록 구성될 수 있으며, 여기서 터치 패드는 플렉서블한 형태일 수 있다.

이와 같이, 에어 튜브(140)를 통해 팽창 및 수축이 가능한 비닐 재질의 스킨(120) 상에 상술한 터치 패드(121a)가 복수개가 부착되는 형태로 외력 감지 센서(121) 및 스킨(120)이 형성될 수 있으며, 본 발명에 따른 외력 감지 모듈(100)은 상기 외력 감지 센서 및 스킨에 작용하는 힘의 크기 또는 위치를 감지하도록 구현될 수 있다. 여기서, 외력 감지 센서(121)가 감지 가능한 공간 해상도는 비닐 소재의 슬리브(sleeve) 상에 부착되는 터치 패드(121a)의 개수에 의해서 결정될 수 있고 터치 패드(121a)의 모양과 형태는 다양하게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 캐패시터 측정 방식을 활용한 터치패드의 작동원리 예로서, 터치 패드(121a)는 외력이 작용함에 따라 센서의 아래위 패브릭(fabric) 재질의 전극이 서로 맞닿게 되면 전극에 충전되어 있던 전하량이 감소하는 것을 센싱하는 것을 통해 외부 접촉 또는 충격을 감지할 수 있는 측정 원리로 작동될 수 있으며, 이외에도 다양한 작동 방식과 원리에 의해 터치 패드(121a)가 작동될 수 있다.

이와 같이, 각 단위 채널(1211)들은 직렬로 연결되고, 외력 감지 센서(121)에 의해 단위 채널(1211)들 사이의 전압이 각각 측정되므로 본 발명에 따르면 전압 강하되는 곳의 위치 및 세기 중 적어도 어느 하나 이상에 대해 각각 개별적으로 측정하여 충격 발생 여부와 외부 충격의 위치 및 세기 중 적어도 어느 하나 이상에 대해 구분하여 센싱할 수 있다. 다만, 각 단위 채널(1211)들의 개수나 배치가 이에 제한되는 것은 아니며, 다양하게 단위 채널(1211)들의 개수와 배치 및 연결 방법에 의해 상이한 외력 감지 센서(121)의 구조를 형성할 수 있다.

외력에 의해 외력 감지 센서(121)에 정전류 발생시, 외력 감지 센서(121)는 각 단위 채널(1211)의 단면적 변화에 따른 저항 변화와 전압 강하를 측정하여 상기 외력의 작용 여부, 상기 외력의 작용 위치 및 세기 중 적어도 어느 하나 이상을 센싱하도록 구성된다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 스킨(120)은 소정의 기준에 따라 복수개의 구역으로 구분되도록 형성될 수 있고, 복수개의 단위 채널(1211) 각각은 상기 복수개의 구역 각각에 대응되도록 스킨(120)에 부착되거나 내장될 수 있다.

도 4는 외력 감지 모듈(100)의 구현예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 외력 감지 모듈(100)이 복수개 연결된 구조체를 포함하도록 로봇 팔이 구현될 수 있다. 그러나, 반드시 외력 감지 모듈(100)이 도 4에 도시된 바와 같은 로봇 팔 형태로만 구현될 수 있는 것은 아니며, 외력 감지 모듈(100)은 도 3에 도시된 로봇 레그(3) 등 로봇의 어떠한 부위에라도 외력 감지 모듈(100)이 형성되어 외부의 충격 또는 충돌 및 그 크기와 위치를 센싱할 수 있다. 이하에서는 이해의 편의를 위해 도 4에 도시된 바와 같이 외력 감지 모듈(100)이 로봇 팔 형태에 포함된 경우를 예로 들어 설명하도록 한다.

로봇 팔을 구성하는 외력 감지 모듈(100)의 스킨은 압축 공기에 의해 팽창된 상태에서 외부 충격 또는 자극에 의해 변형될 수 있다. 예컨대, 로봇 팔을 구성하는 외력 감지 모듈(100)의 스킨은 다른 사람과의 충돌로 인해 수축 또는 변형 될 수 있다.

여기서, 스킨은 실리콘 또는 비닐 재질로 형성되고 압축 공기의 인플레이션(inflation)에 의해 팽창된 상태이므로 충돌에 의해 사람이 받는 충격과 피해는 최소화 될 수 있다. 또한, 외력 감지 모듈(100)을 포함하는 로봇 및 스킨에 의해 보호되는 스킨의 내부가 받는 충격이나 피해 역시 최소화될 수 있다. 또한, 로봇 팔은 스킨에 내장된 외력 감지 센서에 의해 충격의 위치와 세기 및 발생 여부를 파악할 수 있으며, 외력 감지 모듈(100)은 디플레이션(deflation)에 의해 인플레이션(inflation) 이전의 원 상태로 복원이 가능하다.

3D 프린터를 사용해 제작한 단단한 재질의 뼈대 구조물로서의 제1 결합체 및 제2 결합체와 신축성을 가진 실리콘 또는 비닐 재질의 인공 스킨을 결합하여 본 발명에 따른 외력 감지 모듈을 구현할 수 있고, 이러한 외력 감지 모듈에 압축 공기 공급 시 팽창 가능하도록 할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 팽창 또는 수축된 외력 감지 모듈이 다양한 로봇 장치 또는 시스템과 결합되어 사용되면 사용자와 충돌 발생 시 팽창한 구조가 충격력을 흡수하여 충돌에 의해 발생 가능한 사람의 상해나 로봇의 피해를 예방하는 것이 가능하다. 또한, 인공 스킨에 포함 가능한 액체금속이 채워진 채널을 이용하여 스킨은 모듈이 팽창하거나 외력 작용에 의해 마이크로채널의 단면적이 변형되었을 때 발생하는 저항변화를 감지함으로써 물체의 접촉과 위치 및 그 세기를 감지하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 인간과 안전하게 상호작용하는 로봇을 위한 수축, 팽창 가능한 센싱 모듈로서 사용될 수 있고, 특히, 사람과 로봇의 협업이 필요한 작업 공간에서 사용되는 로봇에 적용될 수 있다.

상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

1. 구조체의 일부를 감싸며 상기 구조체에 작용하는 외력에 따른 충격을 최소화하고 외력의 발생 위치와 세기를 감지하기 위한 외력 감지 모듈에 있어서,
   제1 결합체;
   원통형 형상으로 일단이 상기 제1 결합체의 일단의 둘레를 둘러싸도록 형성되고 외력 감지 센서가 부착된 또는 내장된 스킨; 및
   상기 스킨의 타단에 결합되어 상기 제1 결합체와 함께 상기 스킨을 밀폐하는 제2 결합체를 포함하고,
   상기 스킨은 공기 공급 여부 및 외력 작용 여부에 따라 형태가 변형되며,
   상기 외력 감지 센서는 액체금속이 채워진 관들이 이루는 단위 채널이 직렬로 복수개 연결된 형태로 상기 각 단위 채널들 사이의 전압이 각각 측정되도록 형성되며,
   상기 스킨은 복수개의 구역으로 구분되고, 상기 복수개의 단위 채널 각각은 상기 복수개의 구역 각각에 대응되며,
   상기 외력 감지 센서는 외력에 의한 상기 각 단위 채널의 단면적 변화에 따른 저항 변화와 전압 강하를 측정하여 상기 외력의 작용 여부, 상기 외력의 작용 위치 및 세기를 상기 각 단위 채널별로 구분하여 센싱하는 것을 특징으로 하는 외력 감지 모듈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 결합체에는 공기 공급을 위한 튜브가 삽입되는 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 외력 감지 모듈.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 스킨은 실리콘 또는 비닐 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 외력 감지 모듈.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 스킨이 실리콘 재질로 형성되는 경우 상기 외력 감지 센서는 상기 스킨에 내장되고,
   상기 스킨이 비닐 재질로 형성되는 경우 상기 외력 감지 센서는 상기 스킨의 외부에 부착되거나 복수개의 비닐 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 외력 감지 모듈.
   
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