KR102397288B1 - 소프트 센서 내장형 장갑 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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    • G01L5/04—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring tension in flexible members, e.g. ropes, cables, wires, threads, belts or bands

Abstract

본 발명은 내피; 상기 내피의 적어도 일 면에 결합되며, 손가락의 관절 부위에 형성되어 해당 손가락의 굽힘 또는 신전을 측정하는 하나 이상의 소프트 센서를 포함하는 소프트 센서 모듈; 및 상기 내피와 결합되어 외부로 노출되는 외피;를 포함하는 소프트 센서 내장형 장갑을 제공한다.

Description

소프트 센서 내장형 장갑 및 이의 제조 방법 {Soft sensor embedded gloves and manufacturing method of the same}
본 발명은 소프트 센서 내장형 장갑 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근에는 손에 착용하여, 가상 현실에서 가상의 물체에서 발생하는 힘을 손가락에 전달하여 가상 물체와 상호작용하기 위한 소프트 센서 내장형 장갑에 대한 관심이 대두되고 있다.
따라서, 손의 움직임에 대해 분석이 선행되어야 하며, 착용이 간편하면서도 손의 움직임을 보다 정확하게 측정할 수 있는 연구가 수행되어야 한다.
한편, 소프트 센서는 신축성과 유연성을 갖는 소재에 전도성 물질로 형성된 전극을 구성하여, 신축성과 유연성을 가지며 변위나 힘 등을 측정할 수 있는 센서이다. 최근에는 웨어러블 장비 등 적용 분야가 확대되면서 유연하고 신축성 있는 소프트 센서에 대한 요구가 증대되고 있다.
한국공개특허 10-2016-0136894
본 발명은 제조가 용이하며 성능이 향상된 소프트 센서 내장형 장갑 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 내피; 상기 내피의 적어도 일 면에 결합되며, 손가락의 관절 부위에 형성되어 해당 손가락의 굽힘 또는 신전을 측정하는 하나 이상의 소프트 센서를 포함하는 소프트 센서 모듈; 및 상기 내피와 결합되어 외부로 노출되는 외피;를 포함하는 소프트 센서 내장형 장갑을 제공한다.
다른 측면에 따른 본 발명은, 손가락의 관절 부위에 형성되어 해당 손가락의 굽힘 또는 신전을 측정하는 하나 이상의 소프트 센서를 포함하는 소프트 센서 모듈을 형성하는 단계; 장갑의 내피에 상기 소프트 센서 모듈을 결합하는 단계; 상기 소프트 센서 모듈이 결합된 상기 장갑의 내피와, 장갑의 외피를 결합하는 단계;를 포함하는 소프트 센서 내장형 장갑의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 손 착용형 장치 및 이의 제조 방법에 의해 손 착용형 장치의 제조가 용이해지고 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 소프트 센서의 손가락 관절 변화에 따른 신호 라인의 길이 변화를 보여주는 모식도이다.
도 3은 도 1의 소프트 센서가 내장된 장갑을 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3의 소프트 센서 내장형 장갑에서 소프트 센서 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 5 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서 내장형 장갑의 제작 방법을 나타내는 도면이다.
도 16 내지 도 17은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 소프트 센서 내장형 장갑의 제작 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이에 대해 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예들을 설명함에 있어, 각 실시예가 독립적으로 해석되거나 실시되어야 하는 것은 아니며, 각 실시예에서 설명되는 기술적 사상들이 개별적으로 설명되는 다른 실시예에 조합되어 해석되거나 실시될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면, 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서(100)는, 신축성 시트(110), 센서부(120), 전선부(140)를 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예의 소프트 센서는 가상현실 또는 공존현실이나 재활 분야에서 관절의 각도를 측정하는데 사용될 수 있으며, 특히 손가락 관절의 각도를 측정하여 가상현실 기기 등에 데이터를 입력하는 수단으로 사용할 수 있다.
상세히, 신축성 시트(110)는, 제1 신축성 층(도 8의 311 참조)과 제2 신축성 층(도 8의 312 참조)을 포함한다. 제1 신축성 층(도 8의 311 참조)과 제2 신축성 층(도 8의 312 참조)은 별도로 형성되며, 상하방향으로 적층된 구조일 수 있다. 여기서, 신축성 시트(110)는 제1 신축성 층(도 8의 311 참조)과 제2 신축성 층(도 8의 312 참조)의 두 개의 층을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 필요에 따라 신축성 시트(110)는 다양한 재질의 두 개 이상의 층으로 형성될 수도 있다. 이에 대해서는 뒤에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
제1 신축성 층(도 8의 311 참조)은 제1 신축성 소재를 도포하여 형성된 층이다. 제1 신축성 소재는, 신축성과 유연성을 갖는 비전도성 물질일 수 있다. 여기서는 제1 신축성 소재는 실리콘을 사용하는 것으로 예를 들어 설명하나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니한다. 이와 같은 제1 신축성 층(도 8의 311 참조)은 베이스 기재 위에 제1 신축성 소재를 스핀 코팅, 실리콘 코팅(squeegeeing), 압축 성형 또는 프린팅 등의 다양한 방법으로 도포하여 형성될 수 있다.
제2 신축성 층(도 8의 312 참조)은 제2 신축성 소재를 도포하여 형성된 층이다. 제2 신축성 소재는, 신축성과 유연성을 갖는 비전도성 물질일 수 있다. 제2 신축성 소재는, 센서부(120)를 형성하는 전도성 액체 금속(도 6의 320 참조)보다 표면 장력이 작은 물질이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는, 제2 신축성 소재로 실리콘을 사용하여, 제1 신축성 소재와 제2 신축성 소재가 동일한 소재인 것으로 예를 들어 설명하나, 본 발명의 사상이 이에 제한되지는 아니한다. 여기서, 제1 신축성 소재와 제2 신축성 소재는 동일한 실리콘을 사용할 경우, 실리콘이 단일(monolithic)의 시트로 형성될 수도 있다. 다만, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않고, 제2 신축성 소재가 전도성 액체 금속(도 6의 320 참조)보다 표면 장력이 작으면서 신축성과 유연성을 갖는 소재라면 어느 것이나 사용할 수 있다. 이와 같은 제2 신축성 층(도 8의 312 참조)은 제1 신축성 층(도 8의 311 참조)(및 그 위의 센서부(120)) 위에 제2 신축성 소재를, 스핀 코팅, 실리콘 코팅(squeegeeing), 압축 성형 또는 프린팅 등의 다양한 방법으로 도포하여 형성될 수 있다.
센서부(120)는 제1 신축성 층(도 8의 311 참조)과 제2 신축성 층(도 8의 312 참조) 사이에 형성될 수 있다. 여기서 센서부(120)는 제1 신축성 층(도 8의 311 참조) 위에 전도성 액체 금속(도 6의 320 참조)을 이용하여 미리 설정된 패턴으로 형성될 수 있다. 이와 같은 센서부(120)는 3D 프린팅, 노즐 프린팅, 잉크젯 프린팅, 롤투롤 프린팅 등 다양한 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
센서부(120)는 소정의 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 도포 가능한 액체 혹은 고체 형태의 전도성 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 센서부(120)는 상온에서 액체 상태를 유지하며 전도성을 갖는 전도성 액체 금속으로 형성될 수도 있다. 여기서 전도성 액체 금속은, EGaIn(Eutetic Gallium-Indium)을 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다.
EGaIn은 공정 갈륨 인듐 복합체라고도 한다. 상기 EGaIn은, 갈륨(Ga) 75.5wt%와 인듐(In) 24.5wt%을 포함할 수 있다. 상기 EGaIn는 약 15.7℃에서 녹아서 상온에서는 액체 상태를 유지할 수 있다. 또한, 상기 EGaIn은 3.4 x 104S/cm 수준의 전도성을 가져 전도성이 매우 높고, 점도가 낮아 잘 흐르며, 표면의 산화막으로 인해 높은 표면장력을 갖는다. 상기 EGaIn는 표면장력이 높기 때문에, 원하는 패턴으로 3D 프린팅시 형태를 유지하는 장점이 있어 마이크로 채널을 형성하는 것이 용이하다. 또한, 별도의 화학적 처리 없이도 CNC 설비에 결합된 주사기를 통해 주사하여 원하는 패턴으로 직접 프린팅하는 것이 가능하다.
이와 같이 센서부(120)가 전도성 액체 금속으로 형성됨으로써 충분한 신축성을 가질 수 있다.
한편, 소프트 센서의 위치는 손 착용형 장치의 표면 중 각 손가락의 관절 부위 및 엄지와 검지 사이에 구비될 수 있고, 엄지와 검지 사이에 구비되는 소프트 센서는 엄지의 내전 및 외전의 움직임을 감지하기 위한 것일 수 있다.
또한, 각 손가락의 관절 부위에 구비되는 소프트 센서는 굴곡 및 신전 움직임을 측정하는 센서와, 내전 및 외전의 움직임을 측정하는 센서가 함께 구비될 수 있다.
또는, 각 손가락의 관절 부위에 구비되는 소프트 센서는 굴곡 및 신전 움직임을 측정하는 센서와, 내전 및 외전의 움직임을 측정하는 센서가 각각 별도로 구비될 수도 있다. 이때, 굴곡 및 신전 움직임을 측정하는 센서는, 손가락들의 길이방향으로 길게 형성되어, 손가락들의 굴곡과 신전을 측정하는 센서 역할을 할 수 있다. 한편, 내전 및 외전의 움직임을 측정하는 센서는 손가락들의 길이방향에 수직하거나 손가락들의 내,외전 방향으로 길게 형성되어, 손가락들의 내전과 외전을 측정하는 센서 역할을 할 수 있다. 여기서, 굴곡 및 신전 움직임을 측정하는 센서와 내전 및 외전의 움직임을 측정하는 센서는, 손가락들의 움직임에 따라 길이, 높이 및 폭이 변화하여 저항이 변화하게 되므로, 저항의 변화를 측정하여 손가락의 움직임을 측정할 수 있다. 이에 대해서는 도 2 및 도 3에서 더욱 상세히 설명하도록 한다.
전선부(140)는 센서부(120)와 전기적으로 연결되며, 센서부(120)에서 전달되는 전기적 신호를 후술할 전극 기판(도 4의 270 참조) 또는 FFC(도 16의 530 참조)로 전달하는 역할을 수행할 수 있다. 이와 같은 전선부(140)는 3D 프린터 등을 이용하여 제1 신축성 층(도 8의 311 참조) 또는 베이스 기재 위에 전도성 액체 금속을 프린팅하여 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 센서의 작동 원리에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소프트 센서의 손가락 관절 각도 변화에 따른 센서부(120)의 길이 변화를 보여주는 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 소프트 센서의 원리는 다음과 같다.
일반적으로 소프트 센서의 마이크로 채널 양단 저항을 R(Resistance of conductive metal), 채널 내부 전도성 물질의 비저항을 ρ(electrical resistivity [Ω*m]), 채널 부피를 V(channel volume [m3]), 채널 단면적을 A(channel area [m2]), 채널 길이를 l(channel length [m]), 변형율을 ε 이라고 할 때, 높은 신축성을 가지는 소재 내부 마이크로 채널이 비압축성 물질로 채워져 있는 경우 마이크로 채널의 총 부피 V는 일정하게 유지되며 하기 수학식 1로 표현된다.
Figure 112020044083241-pat00001
이때, 채널은 전도성 금속의 전자가 통과하는 경로로 볼 수 있으며, 전도성 금속의 외형이 변화하면 상기 채널의 길이, 높이, 폭 등이 변화할 수 있고 저항 역시 변화하게 된다.
여기서, 채널 길이 l은 하기 수학식 2로 표현되고, 채널 단면적 A는 수학식 3으로 표현된다.
Figure 112020044083241-pat00002
Figure 112020044083241-pat00003
한편, 전도성 금속의 저항은 하기 수학식 4로 표현된다.
Figure 112020044083241-pat00004
그리고, 현재의 저항(R)은 초기 저항(R0)과 변형율 ε에 의해 하기의 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure 112020044083241-pat00005
도 2를 참조하면, 손가락 관절에서 관절의 각도 변화(Δθ)와 반지름(r) 및 채널의 길이 변화(ΔL)은 다음의 수학식 6로 표현된다.
Figure 112020044083241-pat00006
상기 수학식 6을 이항하면 하기 수학식 7이 도출된다.
Figure 112020044083241-pat00007
이때, r은 상수이기 때문에 채널의 길이 변화(ΔL)를 통하여 손가락 관절의 각도 변화(Δθ)를 계산할 수 있다.
여기서, 소프트 센서의 저항 변화를 측정하기 위해 적절히 형성된 증폭기가 사용될 수 있으며, 증폭기의 성질에 따라 증폭기 출력으로 측정된 전압의 변화(ΔV)로부터 소프트 센서의 저항 변화(ΔR)를 계산할 수 있다.
이때, 수학식 5에 따라 측정된 소프트 센서의 저항 변화(ΔR)를 이용하여 변형율(ε)을 계산하고 이를 이용해 채널의 길이 변화(ΔL)를 계산할 수 있다.
따라서, 본 실시예의 소프트 센서에 전압의 변화(ΔV)에 대한 센서를 구비하면 손가락 관절의 각도 변화(Δθ)를 구할 수 있는 것이다.
설명의 편의상 손가락 관절을 예로 들어 설명하였지만, 본 실시예의 소프트 센서는 신체의 다른 부위의 관절에도 모두 적용 가능한 것은 당연하다.
도 3은 도 1의 소프트 센서가 내장된 장갑을 나타내는 평면도이고, 도 4는 도 3의 소프트 센서 내장형 장갑에서 소프트 센서 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 소프트 센서 모듈(200)은 손가락의 각 관절에 대응되도록 복수의 소프트 센서(100)가 형성된, 신축성 소재의 시트일 수 있다. 여기서 소프트 센서 모듈(200)은 손 모양의 적어도 일부와 대응되는 형상으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는, 소프트 센서 모듈(200)은 장갑(400) 내피에 부착 가능하도록 손 모양으로 형성되고 시트 형상으로 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 이와 같은 소프트 센서 모듈(200)은, 원하는 형상보다 큰 원형이나 사각형 형상으로 형성된 후 레이저 커팅, 칼 커팅, 칼 금형 재단 방법 등을 통해 원하는 형상으로 재단되어 형성될 수 있다. 즉, 신축성 시트(110) 중에서 복수의 센서부(120)가 형성된 부분을 제외한 나머지 부분들을 손가락 등의 착용부위에 맞는 형상으로 잘라내어 사용할 수 있다. 복수의 센서부(120)들은 손가락의 움직임을 감지할 수 있도록 각 손가락의 관절 부위에 위치될 수 있다.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 소프트 센서 내장형 장갑(400)은 장갑의 내부, 즉 내피에 소프트 센서 모듈(200)이 결합 내지는 내장되어 있는 것을 일 특징으로 한다.
상세히, 상용 장갑 위에 본드와 실리콘 등을 이용하여 소프트 센서를 부착할 경우, 정확한 센서의 위치 고정을 위해 사용자가 장갑을 착용한 상태에서 소프트 센서를 부착하는 것이 필요하다.
그러나 이 경우, 소프트 센서가 장갑 외부에 드러나 있기 때문에, 내구성이 낮으며, 외관상 좋지 않다는 문제점이 존재하였다. 또한, 그 제작 공정에 있어서도, 작업자마다 센서를 장갑의 외부 표면에 붙이는 위치의 차이가 생기며, 센서 위치가 작업자 숙련도에 영향을 받게 되고, 두 명 이상의 작업자가 필요하다는 문제점이 존재하였다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 소프트 센서 내장형 장갑(400)은 장갑의 내부, 즉 내피에 소프트 센서 모듈(200)이 결합 내지는 내장되어 있는 것을 일 특징으로 한다. 이와 같이, 장갑의 내부, 즉 내피에 소프트 센서 모듈(200)이 결합됨으로써 소프트 센서가 장갑에 내장되어 보호됨으로써 소프트 센서 모듈(200)의 내구성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 위치 고정 가이드를 이용하여 장갑의 위치를 고정하고 그 위해 다시 가이드를 이용하여 소프트 센서 모듈(200)을 부착하는, 일종의 패터닝 방식을 이용하기 때문에, 작업 난이도가 낮아지는 효과가 있으며, 또한 대량 패턴에 부착 후 대량 봉제가 가능해지기 때문에 생산성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 나아가, 소프트 센서 모듈(200)이 장갑 내부에 형성되므로, 소프트 센서 모듈(200) 부착 시에 사용된 접착제 흔적이 보이지 않아서, 심미감이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
도 3 및 도 4의 소프트 센서 모듈(200)을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
소프트 센서 모듈(200)은 엄지 센싱부(210), 검지 센싱부(220), 중지 센싱부(230), 약지 센싱부(240) 및 계지 센싱부(250)를 포함한다. 소프트 센서 모듈(200)은 이중 일부 센싱부만 포함하는 것도 가능하다.
한편, 도면에는 도시되지 않았지만 소프트 센서 모듈(200)은 엄지 센싱부(210)와 검지 센싱부(220) 사이에 형성되는 제1 내/외전 측정 센서(미도시)와, 검지 센싱부(220)와 중지 센싱부(230) 사이에 형성되는 제2 내/외전 측정 센서(미도시)와, 검지 센싱부(220)의 일 측면에 형성되어 검지의 내/외전을 측정하는 제3 내/외전 측정 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았지만 소프트 센서 모듈(200)은 중지 센싱부(230)와 약지 센싱부(미도시) 사이에 형성되는 제4 내/외전 측정 센서(미도시)와, 약지 센싱부(미도시)와 계지 센싱부(미도시) 사이에 형성되는 제5 내/외전 측정 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
엄지 센싱부(210)는 제1 엄지부 센서(211), 제2 엄지부 센서(212)를 포함할 수 있다. 제1 엄지부 센서(211)는 엄지 손가락의 말절골(distal phalanx)과 기절골(proximal phalanx) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제2 엄지부 센서(212)는 엄지 손가락의 기절골(proximal phalanx)과 중수골(metacapals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다.
검지 센싱부(220)는 제1 검지부 센서(221), 제2 검지부 센서(222)를 포함할 수 있다. 제1 검지부 센서(221)는 검지 손가락의 중절골(middle phalanx)과 기절골(proximal phalanx) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제2 검지부 센서(222)는 검지 손가락의 기절골(proximal phalanx)과 중수골(metacapals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다.
중지 센싱부(230)는 제1 중지부 센서(231), 제2 중지부 센서(232)를 포함할 수 있다. 제1 중지부 센서(231)는 중지 손가락의 중절골(middle phalanx)과 기절골(proximal phalanx) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제2 중지부 센서(232)는 중지 손가락의 기절골(proximal phalanx)과 중수골(metacapals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다.
약지 센싱부(240)는 제1 약지부 센서(241), 제2 약지부 센서(242)를 포함할 수 있다. 제1 약지부 센서(241)는 약지 손가락의 중절골(middle phalanx)과 기절골(proximal phalanx) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제2 약지부 센서(242)는 약지 손가락의 기절골(proximal phalanx)과 중수골(metacapals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다.
계지 센싱부(250)는 제1 계지부 센서(251), 제2 계지부 센서(252)를 포함할 수 있다. 제1 계지부 센서(251)는 계지 손가락의 중절골(middle phalanx)과 기절골(proximal phalanx) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다. 제2 계지부 센서(252)는 계지 손가락의 기절골(proximal phalanx)과 중수골(metacapals) 사이의 굽힘 및 신전을 측정할 수 있다.
제1 내/외전 측정 센서(미도시)는 엄지 센싱부(210)와 검지 센싱부(220) 사이에 형성되어 엄지의 내전 및 외전을 측정할 수 있다.
제2 내/외전 측정 센서(미도시)는 검지 센싱부(220)와 중지 센싱부(230) 사이에 형성되어 중지의 내전 및 외전을 측정할 수 있다.
제3 내/외전 측정 센서(미도시)는 검지 센싱부(220)의 일 측에 형성되어 검지의 내전 및 외전을 측정할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서 모듈(200)은, 내/외전 측정 센서 신호를 굽힘/신전 측정 센서 신호와 분리하기 위하여, 검지의 일 측에 제3 내/외전 측정 센서(미도시)가 추가로 구비될 수 있다. 즉, 검지의 일 측에 제3 내/외전 측정 센서(미도시)를 추가로 구비하여, 검지 및 중지의 내/외전을 독립적으로 측정할 수 있도록 하였다.
여기서, 제1 엄지부 센서(211), 제2 엄지부 센서(212), 제1 검지부 센서(221), 제2 검지부 센서(222), 제1 중지부 센서(231), 제2 중지부 센서(232), 제1 약지부 센서(241), 제2 약지부 센서(242), 제1 계지부 센서(251), 제2 계지부 센서(252) 각각은 도 1의 소프트 센서(100)의 센서부(120)일 수 있다. 또한, 각각의 센서들에서 연장 형성되는 전선부(280) 각각은 도 1의 소프트 센서(100)의 전선부(140)일 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서 모듈(200)은, CAD를 이용하여 길이 및 형상이 다른 여러 손가락들의 각 관절에 각각 대응되는 복수의 채널 패턴들을 하나의 손 착용형 장치에 일체로 설계될 수 있다. 즉, 본 발명에서는 CAD를 이용하여 채널 패턴들을 설계하기 때문에, 복수의 채널 패턴들을 한 번에 설계하는 것이 용이하다.
이와 같이 복수의 센서부(120)를 3D 프린팅 등을 이용해 한 번에 형성할 수 있으므로, 대면적 크기의 센서 제작이 용이하다. 또한, 복수의 채널 패턴들을 형성하기 위한 몰드가 필요하지 않으므로, 제조가 간편하고 비용이 절감될 수 있다.
본 발명에 따른 소프트 센서는 크기에 제약을 받지 않으며 센서의 두께가 매우 얇고 신축성을 가지기 때문에, 다양한 개수와 형상의 센서부(120)를 형성하는 것이 가능하게 되어, 다양한 크기를 가지고 복잡한 움직임을 가지는 어깨, 발목, 손목, 손가락 등 관절에도 적용이 용이하다.
한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 소프트 센서 모듈(200)은 칩(chip)을 더 포함할 수 있다. 칩은 신축성 시트(110)의 내부에서 손목에 대응하는 위치에 삽입될 수 있다. 이와 같은 칩은 인서트 프린트 방식에 의해 삽입될 수 있다. 이와 같은 칩은 FPCB(Flexible Printed Circuit Board), 모터 드라이버, 마이크로컨트롤 유닛, 무선통신유닛 등을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서 모듈(200)은 전극 기판(270) 및 접속부(290)를 더 포함할 수 있다.
전극 기판(270)은 소프트 센서 모듈(200) 상에 형성되어, 외부의 전자 기기(예를 들어, 커넥터 등)와 소프트 센서들을 연결해주는 역할을 수행할 수 있다. 여기서 전극 기판(270)은 FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 등의 다양한 회로 기판일 수 있다. 그리고 이러한 전극 기판(270)은 FPC 등과 접촉 내지 결합할 수 있다.
여기서, 전극 기판(270)은 인서트 프린트 방식에 의해 형성될 수 있다. 즉, 제1 신축성 층(도 8의 311 참조)이 형성된 이후, 그 위에 전극 기판(270)이 삽입되어 형성될 수 있다. 이때 전극 기판(270)은 대략 제1 신축성 층(도 8의 311 참조)위에서 손목의 움직임에 간섭을 받지 않으면서 센서들의 위치를 침범하지 않는 영역에 위치할 수 있다. 또한, 전극 기판(270)은, 전선부(140)의 길이를 최소화하기 위해, 센서들과 전극 기판(270) 사이의 거리를 최소화 할 수 있는 영역에 위치할 수 있다. 예를 들어 전극 기판(270)은 손목에 인접한 손등 부분에 형성될 수 있다. 내구성을 위하여 전극 기판(270)의 주변은 단단한 소재로 보강을 해주어야 할 수 있으며, 따라서 유연하게 움직이는 손목이 아닌, 손등 부분에 전극 기판을 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 전극 기판(270)의 형성 위치 및 방법에 대해서는 뒤에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
접속부(290)는 소프트 센서(100)의 전선부(280)와 전극 기판(270)을 연결하는 역할을 수행할 수 있다. 여기서 접속부(290)는 소정의 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 도포 가능한 액체 혹은 고체 형태의 전도성 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 접속부(290)는 상온에서 액체 상태를 유지하며 전도성을 갖는 전도성 액체 금속으로 형성될 수도 있다. 여기서 전도성 액체 금속은, EGaIn(Eutetic Gallium-Indium)을 사용하는 것으로 예를 들어 설명한다.
접속부(290)는 전도성 액체 금속을 이용하여 미리 설정된 패턴으로 형성될 수 있으며, 이와 같은 접속부(290)는 EGaIn(Eutetic Gallium-Indium)과 같은 재료를 3D 프린팅, 노즐 프린팅, 잉크젯 프린팅, 롤투롤 프린팅 등 다양한 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 의해서, 채널의 두께, 채널 사이즈, 채널의 수, 소프트 센서의 소재 등과 상관 없이 안정적으로 전극부를 형성할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 프린팅 장비를 이용하여 자동화가 가능하며, 따라서 작업 시간 단축이 가능해지는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 컴팩트(Compact)한 구조의 전극부를 형성 할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.
도 5 내지 도 16 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 센서 내장형 장갑의 제작 방법을 나타내는 도면이다.
이중, 도 5 내지 도 10은 소프트 센서 모듈(200)을 형성하는 과정을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 5를 참조하면, 베이스 기재 위에 제1 신축성 소재를 스핀 코팅하여 제1 신축성 층(311)을 형성한다. 여기서 제1 신축성 층(311)은 상대적으로 높은 신축성을 가지는 제1 신축성 소재를 이용하여 형성될 수 있다. 한편, 도면에는 스핀 코팅에 의해 제1 신축성 층(311)이 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 실리콘 코팅 또는 프린팅 등의 다양한 방법으로 제1 신축성 층(311)이 형성될 수도 있다.
다음으로, 도 6을 참조하면, 제1 신축성 층(311) 위에 전극 기판(330)을 배치하며, 이때 전극 기판(330)은 본드 또는 접착성 테이프 등에 의해 그 위치가 고정될 수 있다. 그리고, 제1 신축성 층(311) 위에 노즐(303)을 이용하여 전도성 액체 금속을 프린팅하여 센서부(320) 및 전선부(340)를 형성한다. 여기서, 노즐(303)을 통해 프린팅되는 전도성 액체 금속으로는 EGaIn이 사용될 수 있다. 노즐(303)은 CNC 설비에 결합되고, 3축 방향으로 이동가능하도록 제어될 수 있다. CNC 설비는, 3D 프린터기일 수 있으며, 나아가 3축 제어기, 주사 제어기, 현미경 등을 포함할 수 있다. 노즐(303)은 3축 제어기의 제어에 의해 미리 설정된 경로로 이동하면서 전도성 액체 금속을 프린팅할 수 있다. 3축 방향의 경로는 채널 패턴에 따라 각각 설정될 수 있다.
다음으로 도 7을 참조하면, 전선부(340)와 전극 기판(330)을 연결하는 접속부(325)를 프린팅한다. 접속부(325)는 신축성 시트(110)의 내부 또는 그 일 측에 구비되어, 전선부(340)와 전극 기판(330)을 연결하는 역할을 수행할 수 있다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 센서부(320), 전선부(340), 접속부(325), 전극 기판(330) 등이 형성된 제1 신축성 층(311) 위에 제2 신축성 소재를 도포하여 제2 신축성 층(312)을 형성한다. 여기서, 제2 신축성 층(312)은 제1 신축성 층(311)과 동일한 소재로 형성될 수도 있고, 또는 필요에 따라 제1 신축성 층(311)과 상이한 물성을 가진 층으로 형성될 수도 있다. 한편, 도면에는 실리콘 코팅에 의해 제2 신축성 층(312)이 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 스핀 코팅 또는 프린팅 등의 다양한 방법으로 제2 신축성 층(312)이 형성될 수도 있다.
이때 센서부(320)는 전도성 액체 금속이 액체 상태를 유지하고 있으나 표면장력이 매우 크기 때문에, 액체 상태의 센서부(320) 위에 제2 신축성 소재를 도포하더라도 제2 신축성 소재와 전도성 액체 금속이 혼합되지 않는다. 따라서, 센서부(320)의 채널 패턴이 유지되면서 제2 신축성 소재로 덮이게 된다.
다음으로, 도 9를 참조하면, 제2 신축성 층(312)이 굳으면, 레이저 커팅기(305), 칼 커팅, 칼 금형 재단 방법 등을 통해 원하는 형상으로 재단하여, 소프트 센서 모듈(200)을 형성한다. 마지막으로, 베이스 기재로부터 이를 떼어내어, 도 10에 도시된 바와 같은 소프트 센서 모듈(200)을 완성할 수 있다.
다음으로 완성된 소프트 센서 모듈(200)을 이용하여 소프트 센서 내장형 장갑(400)을 형성하는 과정을 설명한다.
먼저, 도 11을 참조하면, 장갑 고정 가이드(480)와 센서 위치 고정 가이드(490)를 이용하여, 장갑의 내피(410)와 소프트 센서 모듈(200)을 결합한다. 먼저, 아크릴 등의 단단한 소재로 형성되고, 내부에 장갑의 내피(410)와 대응되는 형상의 개구부가 형성되어 있는 장갑 고정 가이드(480)에, 장갑의 내피(410)를 고정시킨다. 다음으로, 아크릴 등의 단단한 소재로 형성되고, 내부에 소프트 센서 모듈(200)과 대응되는 형상의 개구부가 형성되어 있는 센서 위치 고정 가이드(490)를, 장갑의 내피(410) 상측에 위치시킨다.
다음으로, 소프트 센서 모듈(200)을 장갑의 내피(410)에 부착시키면, 도 12와 같은 형상으로 형성된다. 여기서 소프트 센서 모듈(200)과 장갑의 내피(410)는 실리콘 또는 기타 접착제 등에 의해 결합될 수 있다. 이와 같이 장갑 고정 가이드(480)와 센서 위치 고정 가이드(490)를 이용하여 장갑의 내피(410)와 소프트 센서 모듈(200)을 결합시킴으로써, 동일 위치에 센서 부착이 가능하게 되어 작업자의 숙련도가 필요하지 않게 되며, 센서 부착의 편의성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 13에 도시된 바와 같이, 소프트 센서 모듈(200)이 결합된 장갑의 내피(410)와, 장갑의 외피 상판(430)을 결합시킨다. 여기서 필요에 따라 장갑의 내피(410)와 장갑의 외피 상판(430)에 벨크로 부착 및 개구부 형성과 같은 다양한 봉제 작업을 수행할 수 있다.
다음으로 도 14에 도시된 바와 같이, 서로 결합되어 있는 장갑의 내피(410) 및 외피 상판(430)과, 장갑의 외피 하판(440)을 결합한다. 이때 장갑의 외피 상판(430)과 외피 하판(440)이 맞닿고 있는 상태에서 봉제를 수행할 수 있다. 여기서, 장갑의 외피 상판(430)과 외피 하판(440)의 외곽선을 따라 봉제가 수행되기 때문에, 외피 상판(430)과 외피 하판(440) 사이에는 손이 들어갈 수 있는 공간이 형성될 수 있다.
이 상태에서 장갑을 뒤집은 후, 커넥터 조립 및 연결과 같은 후속 작업을 수행하게 되면, 도 15에 도시된 바와 같이 소프트 센서 내장형 장갑(400)이 완성된다. 즉, 도 14와 같은 상태에서는 장갑의 내피가 외부로 노출되어 있고 장갑의 외피가 장갑의 안쪽에 위치하게 된다. 이 상태에서 장갑을 뒤집어서, 장갑의 내피가 장갑의 안쪽에 위치하고, 장갑의 외피가 외부로 노출되도록 하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 소프트 센서 내장형 장갑(400)은 장갑의 내부, 즉 내피에 소프트 센서 모듈(200)이 결합 내지는 내장되어 있는 것을 일 특징으로 한다. 이와 같이, 장갑의 내부, 즉 내피에 소프트 센서 모듈(200)이 결합됨으로써 소프트 센서가 장갑에 내장되어 보호됨으로써 소프트 센서 모듈(200)의 내구성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 위치 고정 가이드를 이용하여 장갑의 위치를 고정하고 그 위해 다시 가이드를 이용하여 소프트 센서 모듈(200)을 부착하는, 일종의 패터닝 방식을 이용하기 때문에, 작업 난이도가 낮아지는 효과가 있으며, 또한 대량 패턴에 부착 후 대량 봉제가 가능해지기 때문에 생산성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 나아가, 소프트 센서 모듈(200)이 장갑 내부에 형성되므로, 소프트 센서 모듈(200) 부착 시에 사용된 접착제 흔적이 보이지 않아서, 심미감이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 소프트 센서 내장형 장갑의 제작 방법에 대해 설명한다.
도 16 내지 도 17은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 소프트 센서 내장형 장갑의 제작 방법을 나타내는 도면이다.
도 16 내지 도 17에 도시된 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 소프트 센서 내장형 장갑의 제작 방법은, 앞서 설명한 실시예에 비해, 전극 기판(도 6의 330 참조) 대신 FFC(Flexible Flat Cable)(530)가 소프트 센서에 바로 형성되는 것을 일 특징으로 한다.
즉, 도 16에 도시된 바와 같이, 제1 신축성 층(511) 위에 FFC(530)을 배치하며, 이때 FFC(530)는 본드 또는 접착성 테이프 등에 의해 그 위치가 고정될 수 있다. 그리고, 제1 신축성 층(511) 위에 노즐(503)을 이용하여 전도성 액체 금속을 프린팅하여 센서부(520) 및 전선부(540)를 형성한다. 여기서, 노즐(503)을 통해 프린팅되는 전도성 액체 금속으로는 EGaIn이 사용될 수 있다.
다음으로 도 17에 도시된 바와 같이, 전선부(540)와 FFC(530)를 연결하는 접속부(525)를 프린팅한다. 접속부(525)는 신축성 시트(110)의 내부 또는 그 일 측에 구비되어, 전선부(540)와 FFC(530)을 연결하는 역할을 수행할 수 있다.
이와 같이 전극 기판(도 6의 330 참조) 대신 FFC(Flexible Flat Cable)(530)가 소프트 센서에 바로 형성됨으로써 제조 공정이 더욱 간단해지는 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 도 15에 도시된 바와 같은 소프트 센서 내장형 장갑의 기능을 보다 간단하게 구현하는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
이상 설명된 본 발명에 따른 실시예는 컴퓨터 상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 컴퓨터로 실행 가능한 프로그램을 계속 저장하거나, 실행 또는 다운로드를 위해 저장하는 것일 수도 있다. 또한, 매체는 단일 또는 수개 하드웨어가 결합된 형태의 다양한 기록수단 또는 저장수단일 수 있는데, 어떤 컴퓨터 시스템에 직접 접속되는 매체에 한정되지 않고, 네트워크 상에 분산 존재하는 것일 수도 있다. 매체의 예시로는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등을 포함하여 프로그램 명령어가 저장되도록 구성된 것이 있을 수 있다. 또한, 다른 매체의 예시로, 애플리케이션을 유통하는 앱 스토어나 기타 다양한 소프트웨어를 공급 내지 유통하는 사이트, 서버 등에서 관리하는 기록매체 내지 저장매체도 들 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항과 한정된 실시예 및 도면에 의하여 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정과 변경을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 소프트 센서
110: 신축성 시트
120: 센서부
140: 전선부

Claims (8)

  1. 손가락의 관절 부위에 형성되어 해당 손가락의 굽힘 또는 신전을 측정하는 하나 이상의 소프트 센서를 포함하는 소프트 센서 모듈을 형성하는 단계;
    장갑 고정 가이드에 장갑의 내피를 고정시키는 단계;
    센서 위치 고정 가이드를 통해 상기 소프트 센서 모듈을 상기 장갑의 내피에 부착시키는 단계;
    상기 소프트 센서 모듈이 결합된 상기 장갑의 내피와, 상기 장갑의 외피 상판을 결합하는 단계; 및
    상기 장갑의 상기 외피 상판과 상기 장갑의 외피 하판을 결합하는 단계;를 포함하는 소프트 센서 내장형 장갑의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소프트 센서 모듈을 형성하는 단계는,
    베이스 기재 상에 제1 신축성 층을 형성하는 단계;
    상기 제1 신축성 층 상에 전극 기판을 배치하는 단계;
    상기 전극 기판의 일 측에 상기 전극 기판과 일정 정도 이격되도록, 소정의 전도성 액체 금속을 기 설정된 패턴으로 프린팅하여 센서부 및 전선부를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 신축성 층 상에 제2 신축성 층을 형성하는 단계;를 포함하는 소프트 센서 내장형 장갑의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서부 및 전선부를 형성하는 단계 이후에,
    상기 제1 신축성 층 상에 소정의 전도성 액체 금속을 프린팅하여 상기 전극 기판과 상기 전선부를 연결하는 접속부를 형성하는 단계;를 더 포함하는 소프트 센서 내장형 장갑의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 장갑 고정 가이드는, 내부에 상기 장갑의 내피와 대응되는 형상의 개구부가 형성되는 것을 특징으로 하는 소프트 센서 내장형 장갑의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 위치 고정 가이드는, 내부에 상기 소프트 센서 모듈과 대응되는 형상의 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 소프트 센서 내장형 장갑의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 장갑 고정 가이드에 장갑의 내피를 고정시키는 단계 이후,
    상기 센서 위치 고정 가이드를 상기 장갑의 내피 일 측에 위치시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 센서 위치 고정 가이드를 통해 상기 소프트 센서 모듈을 상기 장갑의 내피에 부착시키는 단계는,
    상기 센서 위치 고정 가이드의 개구부를 통해 상기 소프트 센서 모듈을 상기 장갑의 내피에 부착시키는 것을 특징으로 하는 소프트 센서 내장형 장갑의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 장갑의 상기 외피 상판과 상기 외피 하판을 결합하는 단계는,
    상기 장갑의 상기 외피 상판과 상기 외피 하판이 맞닿고 있는 상태에서 봉제를 수행하고,
    이 상태에서 상기 장갑의 내부와 외부를 뒤집는 것을 특징으로 하는 소프트 센서 내장형 장갑의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 소프트 센서 모듈을 형성하는 단계는,
    베이스 기재 상에 제1 신축성 층을 형성하는 단계;
    상기 제1 신축성 층 상에 FFC(Flexible Flat Cable)를 배치하는 단계;
    상기 FFC의 일 측에 상기 FFC와 일정 정도 이격되도록, 소정의 전도성 액체 금속을 기 설정된 패턴으로 프린팅하여 센서부 및 전선부를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 신축성 층 상에 제2 신축성 층을 형성하는 단계;를 포함하는 소프트 센서 내장형 장갑의 제조 방법.
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