KR102371459B1 - 물체 인식 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 물체와 접촉하여 상기 물체의 고유 특성에 근거하여 진동을 발생시키는 액츄에이터부; 및 상기 액츄에이터부에 연결되어 상기 진동이 전달되어 전압 신호를 발생시키는 센서부를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 인식 장치를 제공한다.

Description

물체 인식 장치{OBJECT RECOGNITION APPARATUS}
본 발명은 물체 인식 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 압전소자의 압전/역압전 효과를 이용하여 물체를 인식하는 물체 인식 장치에 관한 것이다.
물체 인식이란, 패턴 인식의 한 분야로 특히 시각, 청각, 촉각 감지기를 통한 정보를 바탕으로 대상 물체를 구별하는 것을 의미한다. 넓게는 인공 지능의 패턴 인식 분야이나, 특히 로봇 공학에서 활발하게 연구되고 있다. 시각, 청각, 촉각 등 다수의 감지기를 통한 정보를 종합적으로 처리하여 물체를 인식하는 시스템에 대한 연구가 활발하다.
이러한, 물체 인식 장치의 일례로서, 액츄에이터 및 센서 페어를 이용하여 전달되는 진동을 통해 접촉하는 표면을 분석하는 장치가 알려져 있다.
또한, 물체 인식 장치의 다른 일례로서, 역압전 효과로 발생한 변위의 변동을 센서가 측정하고, 이를 통해 압축 탄성 계수(compressive young's modulus)과 전단 탄성 계수(shear modulus)를 측정하는 장치가 알려져 있다.
하지만, 종래의 물체 인식 장치는 주파수에 따른 접촉물질의 전달함수 차이를 이용하여 얻은 신호를 학습시켜 물체를 인식하지 못하는 문제가 있었다.
공개 특허 제10-2015-0019293호(2015.02.25)
본 발명의 목적은, 주파수에 따른 접촉물질의 전달함수 차이를 이용하여 얻은 신호를 학습시켜 물체를 인식하는 물체 인식 장치를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 물체 인식 장치는 물체와 접촉하여 상기 물체의 고유 특성에 근거하여 진동을 발생시키는 액츄에이터부; 및 상기 액츄에이터부에 연결되어 상기 진동이 전달되어 전압 신호를 발생시키는 센서부를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 액츄에이터부는, 압전 필름을 구비하고, 액츄에이터부의 압전 필름은, 판 형상으로 이루어지는 압전 부재; 및 압전 부재의 일 면과 다른 반대편의 타면에 배치되는 전도성물질을 포함한다.
바람직하게는, 상기 액츄에이터부의 압전 필름에는 상기 액츄에이터부의 압전 필름을 외부 환경과 차단 가능하게 하는 차폐 필름이 설치될 수 있다.
또한, 상기 액츄에이터부의 압전 필름의 일 면은 접지되고, 다른 일 면에는 전압원이 연결되고, 상기 전압원에서는, 상기 일 면과 다른 일 면에서 정현파 만큼의 차이를 유지한 채로 전압이 인가될 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 상기 센서부는, 압전 필름을 구비하고, 상기 센서부의 압전 필름은, 판 형상으로 이루어지는 압전 부재; 및 압전 부재의 일 면과 다른 반대편의 타면에 배치되는 전도성물질을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 센서부의 압전 필름에는 상기 센서부의 압전 필름을 외부 환경과 차단 가능하게 하는 차폐 필름이 설치될 수 있다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 본 발명의 물체 인식 장치는 상기 액츄에이터부의 압전 필름, 및 상기 센서부의 압전 필름의 초기 상태를 고정시키는 기판 필름을 더 포함할 수 있다.
본 발명은, 물체를 잡고 액츄에이터부로 주파수를 변화시켜서 진동을 생성하고 센서로 전달 신호를 획득할 때 물체 고유의 전달함수 출력을 학습시켜 물체 분류를 가능하게 한다.
또한, 본 발명은, 로봇 손가락으로 물체를 문지르거나 슬립시키지 않아도 잡는 순간 엑츄에이터-센서 페어를 통해 물체 분류를 가능하게 한다.
도 1은 본 발명의 물체 인식 장치를 개념적으로 도시하는 사시도.
도 2는 본 발명의 물체 인식 장치의 단면도.
도 3a는 도 2의 A 부분의 확대도.
도 3b는 도 2의 B 부분의 확대도.
도 4는 본 발명의 물체 인식 장치의 동작을 도시하는 개념도.
도 5a는 로봇 핸드에 본 발명의 물체 인식 장치가 부착된 일례를 도시하는 사진.
도 5b는 도 5a에서 C 부분의 확대도.
도 6a는 로봇 핸드에 본 발명의 물체 인식 장치가 부착된 다른 일례를 도시하는 사진.
도 6b는 인공 손 조작 기구에 본 발명의 물체 인식 장치가 부착된 일례를 도시하는 사진.
도 7a는 본 발명의 물체 인식 장치를 이용하는 기계 학습 단계를 도시하는 순서도.
도 7b는 본 발명의 물체 인식 장치를 이용하는 물체를 분류하는 단계를 도시하는 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 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 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 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.
도 1은 본 발명의 물체 인식 장치(100)를 개념적으로 도시하는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 물체 인식 장치(100)의 단면도이다. 또한, 도 3a는 도 2의 A 부분의 확대도이고, 도 3b는 도 2의 B 부분의 확대도이다.
도 1 내지 도 3b를 참조하여, 본 발명의 물체 인식 장치(100)의 구조에 대하여 서술한다.
본 발명에서, 압전 효과는, 압전 성질을 갖는 물질에 힘이 가해졌을 때 물질 내부의 전기쌍극자의 배열이 변형되어 쌍극자 모멘트가 생성됨에 따라 물질에 편극이 발생하는 현상을 의미한다.
또한, 본 발명에서, 역압전 효과는 압전 효과와는 반대로 압전성 물질에 전기장을 가해주었을 때 결정의 기계적인 변형이 일어나서 물질이 편극의 방향에 따라 길어지기도 하고 짧아지기도 하는 현상을 의미한다.
본 발명의 물체 인식 장치(100)는, 액츄에이터부(10) 및 센서부(20)를 포함할 수 있다.
액츄에이터부(10)는 진동을 발생시키고, 물체와 접촉하여 상기 물체의 고유 특성에 근거하여 진동을 전달시킨다.
액츄에이터부(10)는 압전 필름(11)을 구비할 수 있다. 액츄에이터부(10)에 구비되는 압전 필름(11)은 전압이 인가되고, 물체와 접촉되면 역압전효과에 의해 진동을 발생시킨다.
액츄에이터부(10)의 압전 필름(11)은, 얇은 판 형상으로 이루어지는 압전 부재(11a)와, 압전 부재(11a)의 일면과 다른 반대편의 타면에 얇게 도포된 전도성물질(11b)을 포함하고, 일면과 타면에 전계배향(poling) 처리를 해줌으로써 압전 성질을 갖는 필름이 된다. 도 3a에는 참조하면, 확대된 형상의 압전 부재(11a)와 전도성물질(11b)이 도시된다.
일례로, 압전 부재(11a)는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, Polyvinylidene fluoride)일 수 있다. 압전 부재(11a)가 폴리비닐리덴 플루오라이드인 경우, 유연성을 가지기에 압전 필름(11)으로서 활용도가 높다.
전술한 바와 같이, 압전 필름(11)의 윗면과 아랫면은 전도성물질(11b)로 도포되어 있기에, 윗면과 아랫면 사이의 전압이 외부의 조건에 따라서 영향을 받을 수 있다. 따라서, 압전 필름(11)의 윗면과 아랫면에는 차폐 필름(13)이 설치될 수 있다.
차폐 필름(13)은 압전 필름(11)의 윗면 및 아랫면을 외부 환경과 차단 가능하게 한다. 예를 들면, 차폐 필름(13)은 탄성 중합체 필름(PET, polyethylene terephthalate)일 수 있다.
액츄에이터부(10)의 압전 필름(11)의 윗면 및 아랫면에는 전압이 인가될 수 있다. 일례로, 도 2에 도시되는 바와 같이, 압전 필름(11)의 상부는 접지되고, 하부에는 전압원이 연결되는 예가 도시된다.
액츄에이터부(10)에 인가되는 전압은, 윗면과 아랫면에서 정현파 만큼의 차이를 유지한 채로 인가될 수 있다. 또한, 액츄에이터부(10)에 인가되는 전압은, 여러 주파수의 정현파 신호를 변화시켜서 인가하게 되면, 액츄에이터부(10)는 역압전 효과에 의해 정현파 신호의 주파수에 맞춰서 진동을 하게 되고, 발생된 진동은 센서부(20)로 전달되게 된다. 일례로, 정현파는 사인파 신호(sinusoidal signal)일 수 있다.
액츄에이터부(10)에 접촉되는 물체마다, 고유 특성이 다르기 때문에, 진동의 발생되는 정도가 주파수에 따라 각각 다르게 된다.
액츄에이터부(10)에서 발생된 진동은 후술하는 센서부(20)로 전달되게 된다.
도 2를 참조하면, 전극(11e, 11f)은 압전 필름(11)의 윗면과 아랫면에 각각 설치되는데, 도 2에서의 압전 필름(11)의 윗면의 전극(11e)은 접지되고, 압전 필름(11)의 아랫면의 전극(11f)에는 전압원이 연결되어 전류가 공급됨에 따라 압전 필름(11)의 상면과 하면 사이에는 전압차이가 발생되게 된다.
센서부(20)는 액츄에이터부(10)에 연결되어 상기 진동이 전달되어 전압 신호를 발생시킨다.
센서부(20)는 압전 필름(21)을 구비할 수 있다. 센서부(20)에 구비되는 압전 필름(21)은 전압의 인가없이, 액츄에이터부(10)에서 발생된 진동을 전달받아 압전효과에 의해 전압을 발생시킨다.
압전 필름(21)은, 아무런 힘이 가해지지 않을 때에는 전기적으로 중성을 띄다가 기계적인 힘이 가해졌을 때 압전 효과에 의해 편극이 변화하게 될 수 있다.
센서부(20)의 압전 필름(21)은, 얇은 판 형상으로 이루어지는 압전 부재(21a)와, 압전 부재(21a)의 일면과 다른 반대편의 타면에 얇게 도포된 전도성물질(21b)을 포함하고, 일면과 타면에 전계배향(poling) 처리를 해줌으로써 압전 성질을 갖는 필름이 된다.
일례로, 압전 부재(21a)는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF, Polyvinylidene fluoride)일 수 있다. 압전 부재(21a)가 폴리비닐리덴 플루오라이드인 경우, 유연성을 가지기에 압전 필름(21)으로서 활용도가 높다.
전술한 바와 같이, 압전 필름(21)의 윗아래 면은 전도성물질(21b)로 도포되어 있기에, 윗면과 아랫면 사이의 전압이 외부의 조건에 따라서 영향을 받을 수 있다. 따라서, 압전 필름(21)의 윗면과 아랫면에는 차폐 필름(23)이 설치될 수 있다.
차폐 필름(23)은 압전 필름(21)의 윗면 및 아랫면을 외부 환경과 차단 가능하게 한다. 예를 들면, 차폐 필름(23)은 탄성 중합체 필름(PET, polyethylene terephthalate)일 수 있다.
도 2를 참조하면, 전극(21e, 21f)은 압전 필름(21)의 윗면과 아랫면에 각각 설치되는데, 액츄에이터부(10)에서 발생된 진동이 센서부(20)로 전달되면, 압전 필름(21)의 상면과 하면 사이에 전압 차이가 발생하여 도 2에서의 압전 필름(21)의 윗면의 전극(21e)과 압전 필름(21)의 아랫면의 전극(21f)사이에도 전압 차이가 발생하게 된다.
본 발명의 물체 인식 장치(100)는 기판 필름(30)을 더 포함할 수 있다.
기판 필름(30)은, 액츄에이터부(10)의 압전 필름(11), 및 센서부(20)의 압전 필름(21)의 초기 상태를 고정시키도록 이루어진다. 이를 위해, 기판 필름(30)은, 액츄에이터부(10) 및 센서부(20)의 하부에 배치될 수 있다.
도 2를 참조하면, 참조하면 기판 필름(30)이 액츄에이터부(10)의 차폐 필름(13), 및 센서부(20)의 차폐 필름(23)의 하부에 배치되는 예가 도시된다.
기판 필름(30)은, 액츄에이터부(10)와 센서부(20)에서 각각 발생되는 역압전효과와 압전효과가 매번 다른 양상을 보일 수 있게 하는 것을 방지하게 한다. 따라서, 액츄에이터부(10)와 센서부(20)에서 각각 발생되는 역압전효과와 압전효과가 매번 다른 양상을 보이게 되면, 물체 고유의 전달함수를 얻는데 제한이 생길 수 있기 때문에 액츄에이터부(10)와 센서부(20) 모두 초기 상태를 고정시켜줄 필요가 있다.
이하, 도 7a을 참조하여, 본 발명의 물체 인식 장치(100)를 이용하는 기계 학습 단계(S100)에 대하여 서술한다.
기계 학습 단계(S100)는 물체를 잡는 단계(S10), 액츄에이터부(10)에서 주파수를 변화시키며(sweep) 전압을 공급하는 단계(S20), 센서부(20)로부터 전압값의 수집을 시작하고 전압값들의 수집이 완료 시에 데이터를 저장하는 단계(S30)를 포함한다.
상기 S10 내지 S30 단계를 수행한 후에, 수집하고자 하는 모든 물체에 대한 데이터를 저장한 경우(S40)에는, 이하의 단계를 수행하고, 아직 수집하고자 하는 모든 물체에 대한 데이터를 저장하지 못한 경우에는, 상기 S10 내지 S30 단계를 다시 수행한다.
기계 학습 단계(S100)는, 저장된 모든 데이터를 전처리하여 데이터 셋(set)을 생성하는 단계(S50), 데이터 셋에 있는 모든 데이터를 기반으로 전처리 된 센서값을 모델의 입력 신호로 주었을 때 물체의 종류를 출력값으로 내보내도록 하는 모델을 신경망 학습방법을 통해 학습하는 단계(S60), 및 학습된 신경망 모델 내부의 매개 변수 값을 파일로 저장하는 단계(S70)를 포함한다.
데이터 셋(set)을 생성하는 단계(S50)에서, 데이터 셋의 구성요소는 전처리된 센서값들(x)과 물체의 종류(y)를 포함한다.
신경망 학습방법을 통해 학습하는 단계(S60)에서 신경망 모델에는 센서 데이터1(x1, y2)이 입력되고, 데이터화된 물체 종류가 출력값으로 출력될 수 있다. 센서 데이터1에서 입력된 물체의 종류(y2)와 신경망 모델을 통해 도출된 출력값을 비교해서 그 차이를 줄이도록 신경망 모델 내부의 매개변수 값들을 내부적으로 자동으로 업데이트하는 알고리즘을 통과할 수 있다.
또한, 신경망 학습방법을 통해 학습하는 단계(S60)에서 신경망 모델에는 센서 데이터2(x2, y2)가 입력되고, 데이터화된 물체 종류가 출력값으로 출력될 수 있다. 센서 데이터2에서 입력된 물체의 종류(y2)와 신경망 모델을 통해 도출된 출력값을 비교해서 그 차이를 줄이도록 신경망 모델 내부의 매개변수 값들을 내부적으로 자동으로 업데이트하는 알고리즘을 통과할 수 있다.
데이터 셋의 모든 데이터에 대해 위의 과정이 반복되면 신경망 모델은 물체를 분류할 수 있는 최적화된 매개변수 값들을 가질 수 있게 된다.
학습된 신경망 모델 내부의 매개 변수 값을 파일로 저장하는 단계(S70)에서, 매개 변수 값은 가중치 및 편향값을 포함할 수 있다.
이하, 도 7b를 참조하여, 본 발명의 물체 인식 장치(100)를 이용하여 물체를 분류하는 단계(S200)에 대하여 서술한다.
물체를 인식하는 단계(S200)는 물체를 잡는 단계(S210), 액츄에이터부(10)에서 주파수를 변화시키며(sweep) 전압 인가를 시작하는 단계(S220), 센서부(20)로부터의 전압값을 수집을 시작하고 전압값들 수집 완료 시에 데이터를 저장하는 단계(S230), 저장된 데이터를 전처리한 후에 기계 학습 단계(S100)의 신경망 학습방법을 통해 학습하는 단계(S60)에서 저장했던 신경망 모델의 입력 신호로 전달하는 단계(S240), 및 저장된 신경망 모델의 매개 변수 값들에 근거하여 출력값을 도출함으로써, 물체의 종류를 확인하는 단계(S250)를 포함한다.
이상에서 설명한 물체 인식 장치(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100:물체 인식 장치
10:액츄에이터부 11:압전 필름 11a:압전 부재 11b:전도성물질 13:차폐 필름 11e, 11f:전극
20:센서부 21:압전 필름 21a:압전 부재 21b:전도성물질 23:차폐 필름 21a, 21b:전극
30:기판 필름

Claims (7)

  1. 물체와 접촉하여 상기 물체의 고유 특성에 근거하여 진동을 발생시키는 액츄에이터부; 및
    상기 액츄에이터부에 연결되어 상기 진동이 전달되어 전압 신호를 발생시키는 센서부를 포함하며,
    상기 액츄에이터부는, 압전 필름을 구비하고,
    액츄에이터부의 압전 필름은,
    판 형상으로 이루어지는 압전 부재; 및
    압전 부재의 일 면과 다른 반대편의 타면에 배치되는 전도성물질을 포함하며,
    상기 액츄에이터부의 압전 필름에는 상기 액츄에이터부의 압전 필름을 외부 환경과 차단 가능하게 하는 차폐 필름이 설치되고,
    상기 액츄에이터부의 압전 필름의 일 면은 접지되고, 다른 일 면에는 전압원이 연결되고, 상기 전압원에서는, 상기 일 면과 다른 일 면에서 정현파 만큼의 차이를 유지한 채로 전압이 인가되며,
    상기 센서부는, 압전 필름을 구비하고,
    상기 센서부의 압전 필름은,
    판 형상으로 이루어지는 압전 부재; 및
    압전 부재의 일 면과 다른 반대편의 타면에 배치되는 전도성물질을 포함하며,
    상기 센서부의 압전 필름에는 상기 센서부의 압전 필름을 외부 환경과 차단 가능하게 하는 차폐 필름이 설치되고,
    상기 액츄에이터부의 압전 필름, 및 상기 센서부의 압전 필름의 초기 상태를 고정시키는 기판 필름을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 인식 장치.
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