KR102464787B1 - 로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치 - Google Patents

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KR102464787B1 KR1020220089988A KR20220089988A KR102464787B1 KR 102464787 B1 KR102464787 B1 KR 102464787B1 KR 1020220089988 A KR1020220089988 A KR 1020220089988A KR 20220089988 A KR20220089988 A KR 20220089988A KR 102464787 B1 KR102464787 B1 KR 102464787B1
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Abstract

본 발명은 핑거팁 하우징 내부에, 고무와 같은 유연한 재질로 이루어진 수직복원 기둥 과 측면 복원 기둥을 집적화하여 물체와의 접촉에 따른 마모와 오염의 위험을 피하면서 인간의 손가락과 같은 탄성력을 부여하고, 동시에 로봇의 손가락 표면에 접촉하는 상하-전후-좌우 방향에서의 물체와의 접촉 압력의 크기를 감지할 수 있는 로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치를 제공한다.

Description

로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치 {TOUCH-PRESSURE SENSOR APPARATUS OF ROBOT FINGERTIP}
본 발명은 로봇 핑거팁 터치 압력센서 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고무와 같은 유연한 재질로 이루어진 압력센싱 수단을 로봇의 핑거팁(fingertip) 내부에 집적화하여 물체와의 접촉에 따른 마모와 오염의 위험을 피하면서 인간의 손가락과 같은 탄성력을 부여하고, 동시에 로봇의 손가락 표면에 접촉하는 상하-전후-좌우 방향에서의 접촉 압력의 크기와 방향을 감지할 수 있는 로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치에 관한 것이다.
최근 기술 발달에 따라 인간을 대신하여 위험하거나 반복적인 작업을 수행하기 위한 도구로서 로봇의 개발이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.
이러한 로봇들은 개발 초기에는 단순 반복 작업을 수행하도록 설계가 되었으나, 최근 인공지능 기술의 급속한 발전에 따라 더 복잡한 작업을 수행할 수 있는 진화된 형태의 인공 지능형 로봇의 개발이 요구되고 있다.
상기와 같은 인공 지능형 로봇의 경우, 로봇이 인간의 감각기관과 유사한 감각센서를 이용하여 외부 환경을 스스로 인식하여 판단하고 그에 따라 필요한 행동을 스스로 할 수 있을 것이 요구된다.
이러한 인공 지능형 로봇과 관련하여 가장 중요한 기술 중 하나는 로봇이 접촉하는 물체와의 압력의 크기와 방향을 정확하게 감지할 수 있고 동시에 로봇 손가락 내부에 집적화 할 수 있는 압력센서 (pressure sensor) 가 필요하다.
예컨대, 로봇 손가락이 사람처럼 작동하려면, 먼저 사물을 쥐었을 때 압력을 섬세하게 감지하고, 그에 따라 더 세게 잡아야 하는지, 더 약하게 반응할 수 있어야 한다.
공지된 압력센서 기술로는 저항막 (Resistance Film) 압력센서, 압전형 압력센서, 저항 스트레인 게이지형(resistance strain gauge type) 압력센서가 알려져 있다.
저항막 압력센서의 대표적인 예는 FSR (Force Sensitive Resistor) 압력센서로,　공간적인 갭(gap)을 만드는 스페이스 레이어(space layer)를 중앙에 두고, 이 스페이스 레이어의 위쪽에는 매트릭스 (matrix) 구조로 회로가 인쇄되어 있는 FPC 레이어(Flexible Printed Circuit Layer)을 배치하고, 반면 아래쪽에는 전도성 물질로 코팅이 되어 있는 전도성 필름 레이어를 배치하여, 위에서 힘이 가해지게 되면, FPC의 더 많은 부분이 전도성 필름과 접촉을 하면서 센서의 저항 값이 줄어들게 되어 압력을 측정할 수 있다.
압전형(piezoelectric type) 압력센서는 외부에서 압력을 가하면 전기가 발생시키는 압전효과를 이용하며, 입력 압력에 대응하는 전기적 출력을 얻을 수 있도록 압전소자(piezoelectric material) 와 이 압전소자 양단에 부착된 전극으로 구성된다.
저항 스트레인 게이지형 압력센서는 인장이나 압력을 받아 스트레인(strain)이 발생할 때 기하학적 길이나 두께 변화 차이로 저항 변화가 유도되는 그리드형 저항 구조(grid-type resistance structure)를 따르며 휘트스톤 브리지 회로(Wheatston bridge circuit)를 연결하여 저항 변화를 통해 압력 변화를 측정한다. 그러나 이러한 기존의 압력 센서는 압력을 감지하는 범위가 좁거나 로봇 손가락의 측면 압력(예컨대 전후-좌우 측면에서 발생하는 압력)을 감지하지 못하거나 로봇 손가락 내부에 집적화 하기 어려운 문제가 있다.
또한, 종래 기술은 접촉 감도를 높이기 위해, 압력센서를 로봇 피부의 표면에 적용하였는데, 잦은 사용후에는 압력센서가 마모되거나 오염되어 오작동할 우려가 있다.
따라서, 로봇 손가락용 압력 센서가 갖추어야 할 조건은 감지할 수 있는 압력 범위가 넓고, 손가락의 상하-좌우-전후 측면으로부터의 압력을 감지할 수 있어야 하고, 동시에 외부 오염을 막을 수 있도록 로봇 손가락의 내부에 집적화 하기 용이해야 한다.
(특허문헌 1) KR 10-2246778 B1
종래의 압력 센서 기술은 압력을 감지하는 범위가 좁거나 로봇 손가락의 측면으로부터의 압력을 감지하지 못하거나 로봇 손가락 내부에 집적화 하기 어려운 문제가 있다.
또한, 종래 기술은 압력센서를 로봇 피부 표면에 적용하여 잦은 사용후에는 압력 센서가 마모되거나 오염되어 오작동할 우려가 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고무와 같은 유연한 재질로 이루어진 압력 센싱 수단을 로봇의 손가락 내부에 집적화하여 마모와 오염의 위험을 피하면서 인간의 손가락과 같은 탄성력을 부여하고, 동시에 로봇의 손가락 표면에 발생하는 상하-전후-좌우 방향에서의 접촉 압력의 크기를 감지할 수 있는 로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 측면은 로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치는 핑거팁 하측 하우징 표면에 대해 수직 압력에 반응하는 수직 복원 기둥; 상기 수직 복원 기둥의 주변에 배치되어 측면 압력에 반응하는 측면 복원 기둥; 핑거팁 상측 하우징에 설치되어 상기 수직 복원 기둥의 윗면의 이미지를 촬영하는 핑거팁 이미지 센서; 및 상기 수직 복원 기둥의 윗면의 이미지를 사용하여 접촉 압력을 산출하기 위한 압력 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수직 복원 기둥 은 핑거팁 하측 하우징 표면에 대한 수직 방향 압력에 대해 수직 방향으로 수축하는 동시에 방사방향(radial direction)으로 팽창하고, 상기 수직 방향 압력 해제시에는 원래의 모양대로 복원되어 상기 핑거팁 하측 하우징을 원 위치로 복귀시키는 것을 특징으로 한다.
상기 측면 복원 기둥은 상기 수직 복원 기둥의 주변에 배치될 뿐만 아니라, 상기 핑거팁 하측 하우징 표면에 대해 전후-좌우 방향의 접촉 압력에 대해 변형되고, 상기 전후-좌우 방향에서의 접촉 압력 해제시 원래의 모양대로 복원되어 상기 핑거팁 하측 하우징을 원래의 위치로 복귀시키는 것을 특징으로 한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치는 압력 센싱 수단과 상하-전후-좌우 방향의 접촉 압력을 산출하기 위한 압력 계산부를 포함하고, 상기 압력 센싱 수단은 핑거팁의 상측 몸체를 구성하기 위한 핑거팁 상측 하우징; 상기 핑거팁 상측 하우징과 결합될 뿐만 아니라, 상기 핑거팁의 표면에 가해지는 외부 접촉 압력에 의해 움직이는 핑거팁 하측 하우징; 상기 핑거팁 하측 하우징 표면에 대한 수직 방향 압력에 대해 수직 방향으로 수축하는 동시에 방사방향(radial direction)으로 팽창하고, 상기 수직 방향 압력 해제시에는 원래의 모양대로 복원되어 상기 핑거팁 하측 하우징을 원 위치로 복귀시키는 적어도 1개이상의 수직 복원 기둥(perpendicular restoration pillar);상기 수직 복원 기둥의 주변에 배치될 뿐만 아니라, 상기 핑거팁 하측 하우징 표면에 대해 전후-좌우 방향의 접촉 압력에 대해 변형되고, 상기 전후-좌우 방향에서의 접촉 압력 해제시 원래의 모양대로 복원되어 상기 핑거팁 하측 하우징을 원래의 위치로 복귀시키기 위한 적어도 1개 이상의 측면 복원 기둥(side restoration pillar); 상기 핑거팁 상측 하우징에 설치되고, 상기 수직 복원 기둥의 윗면의 이미지를 촬영하여 상기 압력 계산부에 제공하기 위한 핑거팁 이미지 센서; 및 상기 핑거팁 상측 하우징에 고정될 뿐만 아니라, 상기 측면 복원 기둥의 위치를 고정시키기 위한 기둥 삽입 홀(pillar insertion hole)을 구비하고, 상기 핑거팁 이미지 센서에게 투명창을 제공하는 투명 슬라이드 그라스(slide glass) ; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 핑거팁 이미지 센서는 투명창을 통해 수직 복원 기둥의 윗면을 실시간 관찰 촬영할 수 있다.
상기 수직 복원 기둥 및 측면 복원 기둥의 한쪽 말단부는 핑거팁 하측 하우징에 결합된다.
또한, 상기 측면 복원 기둥은 투명 슬라이드 그라스의 기둥 삽입 홀을 통해 결합되어 고정되므로, 핑거팁 하측 하우징의 표면에 가해진 전후-좌우 방향의 접촉 압력 해제시, 상기 측면 복원 기둥의 복원력에 의해 상기 핑거팁 하측 하우징을 원래의 위치로 복귀시키게 된다.
본 발명에서, 수직 방향 압력 발생시 핑거팁 하측 하우징은 상측 이동하고, 이때 수직 복원 기둥은 투명 슬라이드 그라스에 의해 가로 막혀 수직 방향으로 수축하는 동시에 방사방향으로 팽창하게 된다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수직 복원 기둥 및 측면 복원 기둥은 원기둥 모양의 탄성체 재료로 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 압력 계산부는 미압력시의 수직 복원 기둥의 중심좌표를 원점 좌표로 설정하고, 이후 상기 원점 좌표로부터 수직 복원 기둥의 중심 좌표의 어긋난 정도를 계측하여 외부 물체와의 접촉 압력의 크기와 방향을 산정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 투명 슬라이드 그라스는 미압력 상태에서 수직 복원 기둥 의 중심 좌표와 일치하는 지점을 원점 좌표 표식으로 제공하는 원점 좌표 표시 수단을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 원점 좌표 표식으로부터 수직 복원 기둥의 중심 좌표의 어긋난 정도를 계측하여 외부 물체와의 접촉 압력의 크기와 방향을 산정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 로봇 엄지 손가락의 터치 압력 계산은 엄지손가락을 제외한 4개의 손가락에 설치된 로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치로부터의 압력 정보(압력에 대한 크기 및 압력 방향)에 대한 가중치 벡터(vector) 합으로서 계산되나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 탄성체 재질로 이루어진 수직 복원 기둥과 측면 복원 기둥을 결합하여 압력센싱 수단을 구성하고, 이를 로봇 핑거팁 하우징 내부에 집적화하여 물체와의 접촉에 따른 마모와 오염의 위험을 피하면서 인간의 손가락과 같은 탄성력을 부여하고, 동시에 로봇의 손가락 표면에 접촉하는 상하-전후-좌우 방향에서의 접촉 압력의 크기와 방향을 감지할 수 있는 로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치를 제공한다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 로봇 핑거팁 터치 압력센서 장치의 모식도이다.
도 2 는 본원의 일 구현예에 따른 로봇 핑거팁 터치 압력센서 장치의 압력 센싱 수단의 분해도이다.
도 3 은 수직 복원 기둥과 측면 복원 기둥의 여러 실시예 및 그에 따른 투명 슬라이드 그라스 상의 기둥 삽입 홀의 구현예이다.
도 4 는 원점 좌표 표식을 기준점으로 하여, 수직 복원 기둥의 윗면 이미지를 분석함으로서, 상하-전후-좌우 방향에서 발생하는 압력의 크기와 방향을 산출하는 일 실시예이다.
도 5 는 수직 복원 기둥의 직경이 늘어난 비율을 계측하여 수직(상하) 방향의 압력 크기를 계산하거나, 원점 좌표 표식의 위치로부터 수직 복원 기둥의 중심좌표가 벗어난 정도를 분석하여 전후-좌우 방향에 대한 압력 크기를 계산하는 압력 계산부의 예시를 보인다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결" 또는 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 손가락 표면은 손가락의 지문부위를 지칭하며, 핑거팁(fingertip) 표면 내지 핑거팁 하측 하우징 표면과 혼용된다.
본원 명세서 전체에서, 손가락 표면에 대해 상하방향으로 작용하는 접촉 압력은 수직 방향 압력 내지 상측 방향 압력과 혼용된다.
본원 명세서 전체에서, 손가락 표면에 대해 측면(전후-좌우방향)으로 작용하는 접촉 압력은 측방 압력, 전방 압력 및 후방 압력과 혼용된다.
본원 명세서 전체에서, 원점 좌표 표시 수단은 원점 좌표 표식과 혼용된다.
본원 명세서 전체에서, 핑거팁 하우징은 핑거팁 상측 하우징 과 핑거팁 하측 하우징을 결합한 하우징을 통칭한다.
본원 명세서 전체에서, 미압력 상태란 손가락 표면에 대해 외부 물체와의 접촉 압력이 존재하지 않는 상태를 통칭한다.
이하, 본원의 로봇 핑거팁 터치 압력센서 장치에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 로봇 핑거팁 터치 압력센서 장치(300)의 모식도이다.
도 1 을 참조하면, 본원에 따른 로봇 핑거팁 터치 압력센서 장치(300)는 압력 센싱 수단(100)과 상하-전후-좌우 방향의 접촉 압력을 산출하기 위한 압력 계산부(56)를 포함하고, 상기 압력 센싱 수단(100)은 핑거팁의 상측 몸체를 구성하기 위한 핑거팁 상측 하우징(20a); 상기 핑거팁 상측 하우징(20a)과 결합될 뿐만 아니라, 상기 핑거팁의 표면에 가해지는 외부 접촉 압력에 의해 움직이는 핑거팁 하측 하우징(20b); 손가락 표면에 대한 수직 방향 압력에 대해 수직 방향으로 수축하는 동시에 방사 방향으로 팽창하고, 이후 상기 수직 방향 압력 해제 시에는 자체 탄성력에 의해 원래의 모양대로 복원되어 상기 핑거팁 하측 하우징(20b)을 원 위치로 복귀시키는 적어도 1개이상의 수직(perpendicular) 복원 기둥(30); 상기 수직 복원 기둥(30)의 주변에 배치될 뿐만 아니라, 손가락 표면에 접촉하는 측방 압력(전후-좌우 방향에서의 접촉 압력)에 대해 변형되고, 이후 상기 측방 압력 해제시 탄성력에 의해 원래의 모양대로 복원되어 상기 핑거팁 하측 하우징(20b)을 원래의 위치로 복귀시키는 적어도 1개 이상의 측면 복원 기둥(40); 상기 핑거팁 상측 하우징(20a)에 설치되고, 상기 수직 복원 기둥(30)의 윗면 이미지를 상기 압력 계산부(56)에 제공하기 위한 핑거팁 이미지 센서(10); 및 상기 핑거팁 상측 하우징(20a)에 고정될 뿐만 아니라, 상기 측면 복원 기둥(40)의 위치를 고정시키기 위한 기둥 삽입 홀(pillar insertion hole)을 구비하고, 상기 핑거팁 이미지 센서(10)에 대해 투명창을 제공하는 투명 슬라이드 그라스(slide glass)(50)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 핑거팁 이미지 센서(10)는 상기 수직 복원 기둥(30)의 윗면 에 대한 2 mm 내지 4 mm촛점 범위의 초근접 촬영이 가능한 렌즈를 구비하는 것이 선호 된다.
상기 수직 복원 기둥(30) 및 측면 복원 기둥(40)의 한쪽 말단부는 핑거팁 하측 하우징(20b)에 결합된다.
또한, 측면 복원 기둥(40)은 투명 슬라이드 그라스(50)의 기둥 삽입 홀(50a)과 핑거팁 하측 하우징(20b)을 통해 연결 결합되므로, 측방 압력에 대해 핑거팁 하측 하우징(20b)은 측방 변위 이동을 하게 되고 동시에 측면 복원 기둥(40)에는 측방 변형이 발생되고, 이후 측방 압력 해제시 측면 복원 기둥(40)의 자체 탄성력에 의해 핑거팁 하측 하우징(20b)을 원래의 위치로 복귀시키게 된다.
본 발명에서, 수직 방향 압력 발생시 핑거팁 하측 하우징(20b)은 상측 변위 이동을 하게 되고, 반면 수직 복원 기둥(30)은 투명 슬라이드 그라스(50)에 의해 가로 막혀 수직 하측 방향으로 수축하는 동시에 방사방향으로 팽창하게 된다.
본 발명에서, 수직 복원 기둥(30) 및 측면 복원 기둥(40)은 외부 물체와의 접촉 압력에 따른 수축과 팽창, 휨(bending) 으로부터 가역적 복원력을 갖는 탄성체 재료를 사용할 수 있다.
본 발명에서 탄성체 재료는 엘라스토머(elastomer), 실리콘 고무, PDMS(Polydimethylsiloxane), 폴리머 고무 중 어느 하나를 사용하는 것이 선호된다.
본 발명에서 탄성체 재료는 발광체인 형광 물질 내지 야광 물질과 혼합하여 사용할 수 있다. 핑거팁 상측 및 하측 하우징의 내부는 어둡기 때문에, 발광체인 형광 물질 내지 야광 물질을 사용할 경우, 핑거팁 이미지 센서(10)는 보다 선명한 수직 복원 기둥의 윗면 이미지를 쉽게 확보할 수 있다.
본 발명의 로봇 핑거팁 터치 압력센서 장치(300)는 형광 물질을 여기(excitation)시키거나 야광 물질에 빛을 저장시키기 위하 LED(미도시)를 핑거팁 하우징 내에 내장할 수 있다.
도면부호 70은 5개의 로봇 손가락으로 구성된 로봇 손이다.
5개의 로봇 손가락 각각 모두에 본 발명의 로봇 핑거팁 터치 압력센서 장치(300)를 장착 가능하나, 로봇 엄지손가락을 제외한 4개의 로봇 손가락에만 본 발명의 로봇 핑거팁 터치 압력센서 장치(300)를 장착하여 엄지손가락의 압력을 산출할 수 있다.
예컨대, 로봇 엄지 손가락의 터치 압력 계산은 엄지손가락을 제외한 4개의 손가락에 설치된 핑거팁 터치 압력 센서 장치(300)로부터의 압력 정보(압력에 대한 크기 및 압력 방향)에 대한 가중치 벡터(vector) 합으로서 계산될 수 있다. 즉, 물건을 집는(gripping) 동작때에는 엄지손가락과 나머지 손가락을 서로 대향한 위치에서 물건을 집어들으므로 , 엄지손가락을 제외한 4개의 손가락으로 부터의 압력 정보만을 가지고, 엄지손가락의 압력 계산이 가능하다.
도면부호 10a는 핑거팁 이미지 센서로부터 얻어진 영상신호를 압력 계산부(56)에 전송하기 위한 전기 연결선이다.
도 2 는 도 1 에 예시된 로봇 핑거팁 터치 압력센서 장치(300)의 압력센싱 수단(100)의 분해도 이다.
구체적으로, 도 2의 (A)는 압력센싱 수단(100)의 분해 사시도이고, 도 2의 (B)는 해당되는 윗면도이다.
핑거팁 이미지 센서(10)은 핑거팁 상측 하우징(20a)에 있는 개구부(10b)를 통해 압력 변화에 따른 수직 복원 기둥(30)의 윗면 이미지를 캡쳐하여 압력 계산부(56)에 전송한다.
본 발명의 경우, 예시처럼 수직 복원 기둥(30)과 측면 복원 기둥(40)은 원기둥 모양을 갖는 것이 선호되며, 이경우 핑거팁 이미지 센서(10)가 관측하는 수직 복원 기둥(30)의 윗면은 원이 된다.
수직 복원 기둥(30) 및 측면 복원 기둥(40)의 한쪽 말단부는 핑거팁 하측 하우징(20b)에 설치된 음각부(22)에 결합고정된다.
또한, 측면 복원 기둥(40)은 기둥 삽입 홀(50a)과 음각부(22)를 통해 결합되어 고정되므로, 측방 압력에 대해 핑거팁 하측 하우징(20b)은 측방 변위 이동을 하게 되고 동시에 측면 복원 기둥(40)에는 측방 변형이 발생된다. 이후 핑거팁 하측 하우징(20b) 표면에 가해진 측방 압력 해제시 상기 측면 복원 기둥(40)의 탄성력에 의해 핑거팁 하측 하우징(20b)은 원래의 위치로 복귀하게 된다.
또한 수직 복원 기둥(30)은 수직 방향 압력 발생시 투명 슬라이드 그라스(50)에 의해 가로 막혀 수직 방향으로 압축되는 동시에 원기둥의 방사방향으로 팽창하게 되고, 이후 핑거팁 하측 하우징(20b) 표면에 가해진 수직 방향 압력 해제시 수직 복원 기둥(30)의 탄성력에 의해 핑거팁 하측 하우징(20b)는 원래의 위치로 복귀하게 된다.
도면부호 60은 투명 슬라이드 그라스(50)상에 배치될 뿐만 아니라, 압력 계산부(56)가 상하-전후-좌우에서 발생하는 압력의 크기와 방향을 산출할때 필요한 원점 좌표 표식을 제공하는 원점 좌표 표시 수단이다, 상기 원점 좌표 표시 수단(60)에 의해 제공되는 원점 좌표 표식의 위치는 미압력 상태에서 수직 복원 기둥(30)의 중심 좌표의 위치와 일치하도록 설정된다. 본 실시예의 경우 수직 복원 기둥의 중심좌표는 수직 복원 기둥(30)의 형상이 원기둥이므로, 원의 중심이 된다.
따라서 압력 계산부(56)는 수직 복원 기둥(30)의 중심 좌표와 원점 좌표 표식간에 서로 어긋난 정도를 계측하여, 핑거팁 표면과 외부 물체간의 접촉 압력의 크기와 방향을 산정할 수 있다.
상기 원점 좌표 표시 수단(60)은 투명 슬라이드 그라스(50) 상에 레이저 마킹(laser marking)에 의해 형성된 원점 좌표 표식이 선호 되나 투명 슬라이드 그라스(50) 상에 구멍을 내어 페인트로 채우거나 투명 슬라이드 그라스(50) 의 표면에 페인트 마킹(paint marking)에 의해 만들어진 원점 좌표 표식 일 수 있다.
본 발명에서 원점 좌표 표시 수단(60)은 발광체인 형광 물질 내지 야광 물질을 사용할 수 있다. 핑거팁 상측 및 하측 하우징의 내부는 어둡기 때문에, 원점 좌표 표식(60)을 발광체인 형광 물질 내지 야광 물질을 사용할 경우, 핑거팁 이미지 센서(10)는 원점 좌표 표시 수단(60)을 보다 선명하게 관찰 할 수 있다.
도 3 은 수직 복원 기둥(30) 및 측면 복원 기둥(40)의 여러 실시예와 그에 따른 투명 슬라이드 그라스(50)상에 형성된 기둥 삽입 홀(50a)의 구현예를 보인다.
도 3 의 (A)는 핑거팁 하측 하우징(20b)의 중심에 1개의 수직 복원 기둥(30) 를 배치하고, 그 주변에 4개의 측면 복원 기둥(40)을 설치한 경우를 보인다.
이 경우 미압력 상태에서의 수직 복원 기둥(30) 의 중심 좌표을 표시하기 위해 투명 슬라이드 그라스(50)상에 원점 좌표 표시 수단(60)이 배치된다.
도 3 의 (B)는 핑거팁 하측 하우징(20b)의 중심에 4개의 수직 복원 기둥(30) 를 배치하고, 그 주변에 8개의 측면 복원 기둥(40)을 설치한 경우를 보인다. 이 경우 미압력 상태에서의 4개의 수직 복원 기둥(30) 의 중심 좌표들을 각각 표시하기 위해 투명 슬라이드 그라스(50)상에 4개의 원점 좌표 표식(60)이 배치된다.
도 4 는 투명 슬라이드 그라스(50)상에 표시된 원점 좌표 표식(60)의 위치를 기준점으로 하여, 수직 복원 기둥(30)의 윗면 이미지(11a, 11b, 11c, 11d)를 압력 계산부(56) 가 분석함으로서, 상하-전후-좌우 방향에서 발생하는 압력의 크기 및 방향을 산출하는 일 실시예를 보인다.
본 실시예의 경우, 수직 복원 기둥(30)의 형상이 원기둥이므로 수직 복원 기둥(30) 부분의 윗면 이미지(11a, 11b, 11c, 11d)는 원(circle)이 된다. 따라서 수직 복원 기둥(30)의 중심좌표는 원의 중심이 된다.
도 4 의 (A)는 손가락(핑거팁) 표면에 대해 미압력시, 핑거팁 이미지 센서(10)에 의해 획득된 수직 복원 기둥(30)의 윗면 이미지(11a)의 예시를 보인다. 이경우 원점 좌표 표식(60)의 위치가 수직 복원 기둥(30)의 중심좌표의 위치와 일치하게 된다.
또한 미 압력시에는 수직 복원 기둥(30)은 초기상태의 직경을 그대로 유지하고 있다. 따라서 압력 계산부(56)은 수직 복원 기둥(30)의 직경이 초기 상태와 같고, 원점 좌표 표식(60)의 위치가 수직 복원 기둥(30)의 중심좌표의 위치와 일치하게 되면 미압력 상태로 판단하게 된다.
도 4 의 (B)는 손가락 표면에 대해 수직 방향 압력 발생시 핑거팁 이미지 센서(10)에 의해 획득된 수직 복원 기둥(30)의 윗면 이미지(11b)의 예시를 보인다.
핑거팁 하측 하우징(20b) 표면에 수직 방향 압력 발생시, 핑거팁 상측 하우징(20a) 과 핑거팁 하측 하우징(20b)간의 간극(20c)이 좁혀지고, 동시에 수직 복원 기둥(30)은 수직방향으로 수축되는 반면 수직 복원 기둥(30)의 직경은 방사방향으로 늘어난 것을 볼 수 있다. 그러나 원점 좌표 표식(60)의 위치는 수직 복원 기둥(30)의 중심좌표의 위치와 일치한다.
따라서 미 압력시 대비, 수직 복원 기둥(30)의 직경이 늘어난 비율을 계측하여 수직 방향의 압력 크기를 산정할 수 있다.
또한 핑거팁 하측 하우징(20b) 표면에 가해진 수직 방향 압력 해제시에는 수직 복원 기둥(30)의 탄성력에 의해 상기 핑거팁 하측 하우징(20b)은 원 위치로 복귀하게 되어 미 압력시의 간극(20c) 상태로 복귀하게 된다.
도 4 의 (C)는 손가락 표면에 대해 전방 방향 압력 발생시 핑거팁 이미지 센서(10)에 의해 획득된 수직 복원 기둥(30)의 윗면 이미지(11c)의 예시를 보인다.
전방 방향 압력 발생시, 측면 복원 기둥 (40)이 변형되면서 핑거팁 하측 하우징(20b)이 우측으로 밀려, 원점 좌표 표식(60)은 수직 복원 기둥(30)의 중심좌표의 위치로부터 좌측으로 벗어나게 된다. 따라서 원점 좌표 표식(60)이 중심좌표로부터 좌측으로 벗어난 정도를 계측하여 전방방향의 압력 크기를 산정할 수 있다.
또한, 핑거팁 하측 하우징(20b)의 표면에 가해진 접촉 압력 해제시, 측면 복원 기둥 (30)의 탄성력에 의해 핑거팁 하측 하우징(20b)은 원래의 위치로 복귀하게 된다.
도 4 의 (D)는 손가락 표면에 대해 후방 방향 압력 발생시 핑거팁 이미지 센서(10)에 의해 획득된 수직 복원 기둥(30)의 윗면 이미지(11d)의 예시를 보인다.
후방 방향 압력 발생시, 측면 복원 기둥(40)이 변형되면서 핑거팁 하측 하우징(20b)이 좌측으로 밀려, 원점 좌표 표식(60)이 수직 복원 기둥(30)의 중심좌표의 위치로부터 우측으로 벗어나게 된다. 따라서 원점 좌표 표식(60)이 중심좌표로부터 우측으로 벗어난 정도를 계측하여 후방방향의 압력 크기를 산정할 수 있다.
또한, 핑거팁 하측 하우징(20b)의 표면에 가해진 접촉 압력 해제시 측면 복원 기둥 (30)의 탄성력에 의해 핑거팁 하측 하우징(20b)은 원래의 위치로 복귀하게 된다.
즉, 도 4 는 투명 슬라이드 그라스(50)상에 표시된 원점 좌표 표식(60)을 기준점으로 하여, 수직 복원 기둥(30)의 윗면 이미지를 압력 계산부(56)에 의해 분석하여 상하-전후-좌우 방향에서 발생하는 압력의 크기 및 방향을 산출하는 예시로, 수직 복원 기둥(30)의 직경이 늘어난 비율을 계측하여 수직(상하) 방향의 압력 크기를 알 수 있고, 원점 좌표 표식(60)의 위치로부터 수직 복원 기둥(30)의 중심좌표가 벗어난 정도를 분석하여 전후-좌우 방향에 대한 압력 크기를 알 수 있다.
도 5 는 수직 복원 기둥(30)의 직경이 늘어난 비율을 계측하여 수직(상하) 방향의 압력 크기를 계산하거나, 원점 좌표 표식(60)의 위치로부터 수직 복원 기둥(30)의 중심좌표가 벗어난 정도를 분석하여 전후-좌우 방향에 대한 압력 크기를 계산하는 압력 계산부(56)의 예시를 보인다.
도 5 의 (A)는 손가락(핑거팁) 표면에 대해 미압력시, 핑거팁 이미지 센서(10)에 의해 획득된 수직 복원 기둥(30)의 윗면 이미지의 예시를 보인다. 이경우 원점 좌표 표식(60)의 위치가 수직 복원 기둥(30)의 중심좌표의 위치와 일치하게 된다.
미입력시 수직 복원 기둥(30)의 직경은 2·r 0이다.
도 5 의 (B)는 손가락(핑거팁) 표면에 대해 수직방향 압력과 측방압력이 동시에 발생한 경우의 예시를 보인다.
이 경우 수직(상하) 방향의 압력 크기를 계산하기 위해, 수직 복원 기둥(30)의 직경이 늘어난 비율을 계측하여 수직(상하) 방향의 압력 크기를 하기 [식 1]과 같이 계산한다.
[식 1]
Figure 112022076039104-pat00001
(상기 식 1 에서,
r 0은 미압력시 수직 복원 기둥의 반지름이고,
r 1은 압력시 수직 복원 기둥의 반지름이며,
P1 및 P2는 로봇 핑거팁의 고유 물성에 의해 설정되는 값임).
또한, 전후-좌우 방향(측방 방향)에 대한 압력 크기를 계산하기 위해
원점 좌표 표식(60)의 위치로부터 수직 복원 기둥(30)의 중심좌표가 벗어난 정도를 계측하여 전후-좌우 측면 방향의 압력 크기를 각각 하기 [식 2] 및 [식 3]으로 계산한다.
[식 2]
Figure 112022076039104-pat00002
[식 3]
Figure 112022076039104-pat00003
(상기 식 2 및 3 에서,
R은 원점 좌표 표식(60)과 수직 복원 기둥(30)의 중심좌표간의 직선 거리이고,
P3, P4, P5 및 P6 은 로봇 핑거팁의 고유 물성에 의해 설정되는 값임).
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 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. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 핑거팁 이미지 센서
10a 전기 연결선
10b 개구부
11a, 11b, 11c, 11d 수직 복원 기둥의 윗면 이미지
20a 핑거팁 상측 하우징
20b 핑거팁 하측 하우징
20c 핑거팁 상측 하우징과 핑거팁 하측 하우징 간의 간극
22 음각부
30 수직 복원 기둥
40 측면 복원 기둥
50 투명 슬라이드 그라스
50a 기둥 삽입 홀
56 압력 계산부
60 원점 좌표 표시 수단
70 로봇 손
100 압력 센싱 수단
300 로봇 핑거팁 터치 압력센서 장치

Claims (8)

  1. 압력 센싱 수단과 접촉 압력을 산출하기 위한 압력 계산부를 포함하고,
    상기 압력 센싱 수단은,
    핑거팁 하측 하우징 표면에 대해 수직 압력에 반응하는 적어도 1개이상의 수직 복원 기둥;
    상기 수직 복원 기둥의 주변에 배치되어 측면 압력에 반응하는 적어도 1개 이상의 측면 복원 기둥; 및
    핑거팁 상측 하우징에 설치되고, 상기 수직 복원 기둥의 윗면의 이미지를 촬영하여 상기 압력 계산부에 제공하기 위한 핑거팁 이미지 센서;
    를 포함하는 것인,
    로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치에 있어서,
    상기 로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치는,
    상기 핑거팁 이미지 센서에 투명창을 제공하는 투명 슬라이드 그라스를 추가 포함하고,
    상기 투명 슬라이드 그라스는,
    상기 핑거팁 상측 하우징에 고정되고,
    상기 측면 복원 기둥의 위치를 고정시키기 위한 기둥 삽입 홀을 포함하는 것인,
    로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직 복원 기둥 및 측면 복원 기둥은 외부 물체와의 접촉 압력에 따른 수축과 팽창, 휨(bending) 으로부터 가역적 복원력을 갖는 원기둥 모양의 탄성체 재료로 구성되는 것인,
    로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 탄성체 재료는 형광 물질, 야광 물질 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 발광체를 추가 포함하는 것인,
    로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명 슬라이드 그라스는 미압력 상태에서 상기 수직 복원 기둥의 중심 좌표와 일치하는 지점을 원점 좌표 표식으로 제공하는 원점 좌표 표시 수단을 포함하는 것인,
    로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 압력 계산부는 미압력시의 상기 수직 복원 기둥의 중심 좌표를 원점 좌표로 설정하고, 이후 상기 원점 좌표로부터 수직 복원 기둥의 중심 좌표의 어긋난 정도를 계측하여 외부 물체와의 전후-좌우 방향에 대한 접촉 압력의 크기와 방향을 산정하는 것인,
    로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 압력 계산부는 미압력시 대비, 상기 수직 복원 기둥의 직경이 늘어난 비율을 계측하여 수직 방향의 압력 크기를 산정하는 것인,
    로봇 핑거팁 터치 압력 센서 장치.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012122823A (ja) * 2010-12-08 2012-06-28 Seiko Epson Corp 検出装置、電子機器、及びロボット
KR20160084030A (ko) * 2015-01-05 2016-07-13 한국기계연구원 미끄럼 지수 계측이 가능한 유체형 촉각센서 및 이를 이용한 미끄럼 지수 계측 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012122823A (ja) * 2010-12-08 2012-06-28 Seiko Epson Corp 検出装置、電子機器、及びロボット
KR20160084030A (ko) * 2015-01-05 2016-07-13 한국기계연구원 미끄럼 지수 계측이 가능한 유체형 촉각센서 및 이를 이용한 미끄럼 지수 계측 방법

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