KR102665334B1 - 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법 - Google Patents

공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공진주파수 다중화 기술을 이용한 단일 광섬유 내 다수의 광섬유 브래그 격자 센서의 복조를 통해서 고해상도 및 대면적화에 유리하도록 한 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것으로, 하나 이상의 광공진기를 이루고, 물리량 변화에 따라 광공진기의 공진주파수가 변화하는 공진주파수 다중화 광공진 발생기;상기 공진주파수 다중화 광공진 발생기로 시간에 따라 주파수가 변조되어 발생되는 전기신호인 변조신호를 입력시키고, 상기 변조신호의 주파수에 따라 출력되는 광세기를 획득을 하며, 신호처리를 통해 광공진 발생기의 공진주파수 데이터열을 생성하는 공진주파수 측정기;를 포함하는 것이다.

Description

공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법{DISTRIBUTED TACTILE SENSOR SYSTEM BASED ON RESONANCE FREQUENCY MULTIPLEXING AND METHOD FOR MEASURING USING THE SAME}
본 발명은 분포형 측정 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 공진주파수 다중화 기술을 이용한 단일 광섬유 내 다수의 광섬유 브래그 격자 센서의 복조를 통해서 고해상도 및 대면적화에 유리하도록 한 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 분포형 측정 시스템은 2차원 면에 분포된 개별의 센싱 디바이스를 통해 외부에서의 자극 및 환경 변화 분포를 획득하는 기술을 의미한다.
인간과의 교감이 가능한 휴머노이드 또는 동물 로봇 등의 인공지는 로봇 분야, 감각을 느낄 수 있는 의수,족 등의 재활 의학분야, 원격수술용 로봇 등 의료기술 분야, 몰입형 증강현실 또는 확장현실(XR, eXtended Reality)기술 등의 분야에 적용된다.
여기서, 분포형 측정 시스템은 일반적으로 정전식, 압저항식, 압전식 소자 등의 전기식 센서를 이용하며, 하나의 측정 소자 당 2~4개의 배선이 필요하게 된다.
따라서, 대면적의 분포형 측정을 위한 측정점 개수 증가에 따른 배수 단위의 배선 증가 및 측정 채널 수 증가, 신호 다중화, 배선 간 신호 간섭 등의 문제가 있다.
또한, 실리콘 반도체 기반 소재의 경우 제한된 유연성으로 인해 굴곡진 표면에 접합이 힘들고 유연한 기판 소재에 이용이 제한된다.
한편, 탄성 폴리머를 기반으로 유연하면서 동시에 다양한 물리량을 측정할 수 있는 인공피부용 전기식 촉각센서들이 다수 개발되었다. 하지만, 여전히 대면적화 시에 발생하는 배선 및 측정 채널 수 증가 문제는 해결되지 않았고, 복잡한 제조 공정으로 인해 대부분의 연구가 손가락 끝 또는 손등 크기의 면적에서 제한되어 구현되었다.
한편, 광섬유 센서, 특히 광섬유 브래그 격자 센서의 경우에 배선의 길이 증가에 따른 신호 손실이 적고, 전자기파 간섭에 무관하고, 크기가 작고 가벼우며, 고감도의 장기 측정 안정성을 보장한다.
또한, 단일 광섬유 라인에 다수의 측정점이 직렬로 연결된 구조는 단일 배선과 채널로 복수 개의 측정점을 동시에 측정할 수 있다. 하지만, 일반적인 광섬유 브래그 격자 센서 시스템은 단일 광섬유 라인에 최대 16개 정도의 측정점으로 제한되며, 각 개별 측정점을 모두 다르게 제작하여야 하기 때문에 비용이 높아 분포형 측정 시스템으로의 폭넓은 적용에 제한적이다.
따라서, 최근 감각 디바이스기술의 중요성이 커지고 있는 상황에서, 분포형 측정 시스템의 대면적화 또는 고해상도를 위한 효율적인 측정점 개수 증가와 관련된 기술의 개발이 요구된다.
대한민국 공개특허 제10-2021-0098196호 대한민국 등록특허 제10-2042812호 대한민국 등록특허 제10-2206850호
본 발명은 종래 기술의 분포형 측정 시스템 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 공진주파수 다중화 기술을 이용한 단일 광섬유 내 다수의 광섬유 브래그 격자 센서의 복조를 통해서 고해상도 및 대면적화에 유리하도록 한 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 공진주파수 다중화 기술을 이용한 단일 광섬유 내 다수의 광섬유 브래그 격자 센서의 복조를 통해서 전기식 촉각센서가 가지고 있던 측정점 개수 증가에 따른 배수 단위의 배선 증가 및 측정 채널 수 증가, 신호 다중화, 배선 간 신호 간섭 등의 문제를 효율적으로 해결할 수 있도록 한 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 공진주파수 다중화 기술을 통해서 종래 광섬유 브래그 격자 센서 시스템이 가지는 파장 대역폭 제한으로 인한 측정점 개수 제한을 극복하여 광섬유 센서 방식의 대면적 촉각센서 구현을 가능하도록 한 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 공진주파수 다중화 기술을 통해서 동일한 파장의 광을 부분적으로 반사시키는 적어도 하나 이상의 광섬유 브래그 격자로 이루어진 어레이가 기판에 삽입된 형태의 촉각센서 측정이 가능하며, 이를 통해 저렴하고 효율적인 대면적 촉각센서 구현이 가능하도록 한 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템은 하나 이상의 광공진기를 이루고, 물리량 변화에 따라 광공진기의 공진주파수가 변화하는 공진주파수 다중화 광공진 발생기;상기 공진주파수 다중화 광공진 발생기로 시간에 따라 주파수가 변조되어 발생되는 전기신호인 변조신호를 입력시키고, 상기 변조신호의 주파수에 따라 출력되는 광세기를 획득을 하며, 신호처리를 통해 광공진 발생기의 공진주파수 데이터열을 생성하는 공진주파수 측정기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 공진주파수 다중화 광공진 발생기는, 특정 파장의 광을 부분 반사하며 상기 물리량 변화에 따라 반사파장이 변화하는 감지부와, 상기 감지부와 연결되며, 입력된 상기 변조신호에 따라 광이득의 크기를 변화하며 발진하는 광발생부와, 상기 광발생부 또는 감지부와 연결되며, 광의 파장에 따른 광전파 시간지연을 생성하는 파장 분산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 감지부, 광발생부, 및 파장 분산부 모두가 적어도 하나 이상의 광공진기를 이루는 것을 특징으로 한다.
그리고 감지부는, 외부 힘에 대해 변형이 가능한 물질로 기판이 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 감지부는, 동일한 파장의 광을 부분적으로 반사시키는 적어도 하나 이상의 광섬유 브래그 격자 센서가 어레이의 형태로 기판에 분포하는 형태인 것을 특징으로 한다.
그리고 파장 분산부는, 처프 광도파 브래그 격자 소자(Chirped Waveguide Bragg Grating)인 것을 특징으로 한다.
그리고 파장 분산부는, 광의 파장에 따른 서로 다른 유효 굴절률을 가진 광도파로인 것을 특징으로 한다.
그리고 광발생부는, 외부에서 입력된 전기 신호에 따라 반도체 광증폭기의 구동 전류가 변화되고 이에 따라 광 이득이 변화되는 것을 특징으로 한다.
그리고 광발생부는, 전기 흡수형(electro absorption modulator, EAM) 변조기 또는 전기광학형(electro-optic modulator, EOM) 변조기를 통해 공진기 내부의 광 이득을 외부에서 입력된 전기 신호에 따라 변화하는 것을 특징으로 한다.
그리고 공진주파수 측정기는, 특정한 주파수 범위에서 시간에 따라 중심 주파수가 변조되는 전기신호인 변조신호를 발생시키는 주파수 발생부와, 상기 변조신호의 주파수에 따라 공진주파수 다중화 광공진 발생기로부터 출력된 광신호를 입력단을 통해 검출하여 광공진신호를 출력단을 통해 출력하는 광 검출부와, 상기 변조신호의 주파수에 따라서 상기 광 검출부에서 출력된 광공진신호를 바탕으로 공진주파수 스펙트럼을 생성하고, 상기 공진주파수 스펙트럼에서의 피크(Peak)가 발생하는 주파수를 검출하여 공진주파수 데이터열을 획득하고, 상기 공진주파수 데이터열과 비교기준 데이터열을 비교하여 공진주파수 변화 데이터열을 획득하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 특정한 주파수 범위는, 공진주파수 다중화 광공진 발생기의 하나 이상의 광공진기가 가지는 공진주파수들의 부분 또는 전부가 포함되는 주파수 범위인 것을 특징으로 한다.
그리고 비교기준 데이터열은, 공진주파수 다중화 광공진 발생기의 감지부에 물리량 변화가 없는 환경에서 상기 변조신호의 주파수에 따라서 광 검출부에서 출력된 광공진신호를 바탕으로 공진주파수 스펙트럼을 생성하고, 상기 공진주파수 스펙트럼에서의 피크(Peak)가 발생하는 주파수를 검출하여 획득하는 것을 특징으로 한다.
그리고 주파수 발생부는, 특정한 주파수 범위에서 시간에 따라 중심 주파수가 변조되는 전기신호인 변조신호 발생시킬 때 동시에 주파수의 변조가 시작됨을 알리는 트리거(Trigger)신호를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
그리고 물리량 변화는, 공진주파수 다중화 광공진 발생기의 감지부의 각각의 광섬유 브래그 격자의 변형률, 감지부에 가해진 수직 힘 및 위치, 감지부에 가해진 수직 힘 분포, 감지부의 온도 분포 및, 감지부의 굽힘 방향 및 크기 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템을 이용한 측정방법은 하나 이상의 광공진기를 이루고, 물리량 변화에 따라 광공진기의 공진주파수가 변화하는 공진주파수 다중화 광공진 발생기의 물리량 변화에 따른 공진주파수 변화 데이터열들을 통한 모델 구성 단계;상기 모델 구성 단계를 통해 구성된 기계학습 모델을 바탕으로 측정된 공진주파수 변화 데이터열에 따른 물리량 변화를 추정하는 변수 추정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 모델 구성 단계는, 공진주파수 측정기에서 측정된 공진주파수 변화 데이터 열을 바탕으로 적어도 하나 이상의 물리량 변화에 따른 공진주파수 변화 데이터열 획득을 위한 데이터 수집 단계와, 데이터 수집 단계에서 수집된 물리량 변화에 따른 공진주파수 변화 데이터열의 데이터쌍들을 학습용 모델에 맞게 변환 및 제거하는 데이터 전처리 단계와, 전처리된 데이터쌍들을 통한 모델 학습 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 변수 추정 단계는, 공진주파수 측정기로부터 측정된 공진주파수 변화 데이터열을 산출하는 데이터열 산출 단계와, 측정된 공진주파수 변화 데이터열을 기반으로 학습된 모델의 연산 단계와, 학습된 모델의 연산을 통해 출력된 데이터열을 기반으로 물리량 변화 추정 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 공진주파수 다중화 기술을 이용한 단일 광섬유 내 다수의 광섬유 브래그 격자 센서의 복조를 통해서 고해상도 및 대면적화에 유리하도록 한다.
둘째, 공진주파수 다중화 기술을 이용한 단일 광섬유 내 다수의 광섬유 브래그 격자 센서의 복조를 통해서 전기식 촉각센서가 가지고 있던 측정점 개수 증가에 따른 배수 단위의 배선 증가 및 측정 채널 수 증가, 신호 다중화, 배선 간 신호 간섭 등의 문제를 효율적으로 해결할 수 있도록 한다.
셋째, 공진주파수 다중화 기술을 통해서 종래 광섬유 브래그 격자 센서 시스템이 가지는 파장 대역폭 제한으로 인한 측정점 개수 제한을 극복하여 광섬유 센서 방식의 대면적 촉각센서 구현을 가능하도록 한다.
넷째, 공진주파수 다중화 기술을 통해서 동일한 파장의 광을 부분적으로 반사시키는 적어도 하나 이상의 광섬유 브래그 격자로 이루어진 어레이가 기판에 삽입된 형태의 촉각센서 측정이 가능하며, 이를 통해 저렴하고 효율적인 대면적 촉각센서 구현이 가능하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 광이득 변조신호에 따른 광공진기 응답 특성을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 광섬유 브래그 격자 어레이 측정원리를 나타내는 구성도
도 3는 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 주파수 범위에 따른 측정영역 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템의 한 예시를 나타내는 구성도
도 5는 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템의 구성 블록도
도 6은 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템에서 물리량 변화에 따른 공진주파수 변화 데이터열 획득 원리를 나타낸 구성도
도 7는 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템의 측정 방법을 나타낸 플로우 차트
이하, 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광이득 변조신호에 따른 광공진기 응답 특성을 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 광섬유 브래그 격자 어레이 측정원리를 나타내는 구성도이다.
그리고 도 3는 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 주파수 범위에 따른 측정영역 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법은 공진주파수 다중화 기술을 이용한 단일 광섬유 내 다수의 광섬유 브래그 격자 센서의 복조를 통해서 고해상도 및 대면적화에 유리하도록 한 것이다.
본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정 방법은 하나 이상의 광공진기를 이루고, 물리량 변화에 따라 광공진기의 공진주파수가 변화하는 공진주파수 다중화 광공진 발생기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 공진주파수 다중화 광공진 발생기로 시간에 따라 주파수가 변조되어 발생되는 전기신호인 변조신호를 입력시키고, 상기 변조신호의 주파수에 따라 출력되는 광세기를 획득을 하며, 신호처리를 통해 광공진 발생기의 공진주파수 데이터열을 생성하는 공진주파수 측정기를 포함할 수 있다.
본 발명은 공진주파수 다중화 광공진 발생기가 특정 파장의 광을 부분 반사하며 상기 물리량 변화에 따라 반사파장이 변화하는 것을 특징으로 하는, 적어도 하나 이상의 광섬유 브래그 격자 센서가 어레이의 형태로 기판에 분포하는 감지부의 구성을 포함할 수 있다.
또한, 공진주파수 측정기가 특정한 주파수 범위에서 시간에 따라 중심 주파수가 변조되는 전기신호인 변조신호를 발생시키는 주파수 발생부를 포함하고, 변조신호의 주파수에 따라서 광 검출부에서 출력된 광공진신호를 바탕으로 공진주파수 스펙트럼을 생성하고, 공진주파수 스펙트럼에서의 피크(Peak)가 발생하는 주파수를 검출하여 공진주파수 데이터열을 획득하고, 공진주파수 데이터열과 비교기준 데이터열을 비교하여 공진주파수 변화 데이터열을 획득하는 신호 처리부의 구성을 포함할 수 있다.
또한, 주파수 발생부는 특정한 주파수 범위에서 시간에 따라 중심 주파수가 변조되는 전기신호인 변조신호 발생시킬 때 동시에 주파수의 변조가 시작됨을 알리는 트리거(Trigger)신호를 발생시키는 구성을 포함할 수 있다.
이하에서 설명되는 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정 방법에서의 물리량 변화는, 감지부의 각각의 광섬유 브래그 격자의 변형률, 감지부에 가해진 수직 힘 및 위치, 감지부에 가해진 수직 힘 분포, 감지부의 온도 분포, 및 감지부의 굽힘 방향 및 크기 중 적어도 하나일 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템의 한 예시를 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템은 도 4에서와 같이, 공진주파수 다중화 기술을 통해서 동일한 파장의 광을 부분적으로 반사시키는 적어도 하나 이상의 광섬유 브래그 격자로 이루어진 어레이가 기판에 삽입된 형태로 구성되어 촉각센서 측정이 가능하도록 한다.
이와 같은 구성으로 저비용으로 효율적인 대면적 촉각센서 구현이 가능하도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템의 구성 블록도이다.
본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템은 도 5에서와 같이, 하나 이상의 광공진기를 이루고, 물리량 변화에 따라 광공진기의 공진주파수가 변화하는 공진주파수 다중화 광공진 발생기(100)와, 상기 공진주파수 다중화 광공진 발생기(100)로 시간에 따라 주파수가 변조되어 발생되는 전기신호인 변조신호를 입력시키고, 상기 변조신호의 주파수에 따라 출력되는 광세기를 획득을 하며, 신호처리를 통해 광공진 발생기의 공진주파수 데이터열을 생성하는 공진주파수 측정기(200)를 포함한다.
여기서, 공진주파수 다중화 광공진 발생기(100)는 특정 파장의 광을 부분 반사하며 상기 물리량 변화에 따라 반사파장이 변화하는 것을 특징으로 하는, 적어도 하나 이상의 광섬유 브래그 격자 센서가 어레이의 형태로 기판에 분포하는 감지부(10)와, 상기 감지부(10)와 연결되며, 입력된 상기 변조신호에 따라 광이득의 크기를 변화하며 발진하는 광발생부(20)와, 상기 광발생부(20) 또는 감지부(10)와 연결되며, 광의 파장에 따른 광전파 시간지연을 생성하는 파장 분산부(30)를 포함한다.
상기 감지부(10), 상기 광발생부(20), 및 상기 파장 분산부(30) 모두가 적어도 하나 이상의 광공진기를 이룬다.
그리고 감지부(10)는 외부 힘에 대해 변형이 가능한 물질로 기판이 구성되는 것이 바람직하다.
그리고 감지부(10)는 동일한 파장의 광을 부분적으로 반사시키는 적어도 하나 이상의 광섬유 브래그 격자로 이루어진 어레이가 기판에 분포되어 위치한 것이다.
그리고 파장 분산부(30)는 처프 광도파 브래그 격자 소자(Chirped Waveguide Bragg Grating)이다.
그리고 파장 분산부(30)는 광의 파장에 따른 서로 다른 유효 굴절률을 가진 광도파로이다.
그리고 광발생부(20)는 외부에서 입력된 전기 신호에 따라 반도체 광증폭기의 구동 전류가 변화되고 이에 따라 광 이득이 변화되는 것이다.
그리고 광발생부(20)는 전기 흡수형(electro absorption modulator, EAM) 변조기 또는 전기광학형(electro-optic modulator, EOM) 변조기를 통해 공진기 내부의 광 이득을 외부에서 입력된 전기 신호에 따라 변화하는 것이다.
그리고 공진주파수 측정기(200)는 특정한 주파수 범위에서 시간에 따라 중심 주파수가 변조되는 전기신호인 변조신호를 발생시키는 주파수 발생부(40)와, 상기 변조신호의 주파수에 따라 상기 공진주파수 다중화 광공진 발생기(100)로부터 출력된 광신호를 입력단을 통해 검출하여 광공진신호를 출력단을 통해 출력하는 광 검출부(50)와, 상기 변조신호의 주파수에 따라서 상기 광 검출부(50)에서 출력된 광공진신호를 바탕으로 공진주파수 스펙트럼을 생성하고, 상기 공진주파수 스펙트럼에서의 피크(Peak)가 발생하는 주파수를 검출하여 공진주파수 데이터열을 획득하고, 상기 공진주파수 데이터열과 비교기준 데이터열을 비교하여 공진주파수 변화 데이터열을 획득하는 신호 처리부(60)를 포함한다.
여기서, 특정한 주파수 범위는 상기 공진주파수 다중화 광공진 발생기(100)의 하나 이상의 광공진기가 가지는 공진주파수들의 부분 또는 전부가 포함되는 주파수 범위이다.
그리고 비교기준 데이터열은 감지부(10)에 물리량 변화가 없는 환경에서 상기 변조신호의 주파수에 따라서 광 검출부(50)에서 출력된 광공진신호를 바탕으로 공진주파수 스펙트럼을 생성하고, 상기 공진주파수 스펙트럼에서의 피크(Peak)가 발생하는 주파수를 검출하여 획득한다.
그리고 주파수 발생부(40)는 특정한 주파수 범위에서 시간에 따라 중심 주파수가 변조되는 전기신호인 변조신호 발생시킬 때 동시에 주파수의 변조가 시작됨을 알리는 트리거(Trigger)신호를 발생시킨다.
도 6은 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템에서 물리량 변화에 따른 공진주파수 변화 데이터열 획득 원리를 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템을 이용한 측정 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 7는 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템의 측정 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템을 이용한 측정 방법은 크게, 하나 이상의 광공진기를 이루고, 물리량 변화에 따라 광공진기의 공진주파수가 변화하는 공진주파수 다중화 광공진 발생기(100)의 물리량 변화에 따른 공진주파수 변화 데이터열들을 통한 모델 구성 단계와, 상기 모델 구성 단계를 통해 구성된 기계학습 모델을 바탕으로 측정된 공진주파수 변화 데이터열에 따른 물리량 변화를 추정하는 변수 추정 단계를 포함한다.
여기서, 모델 구성 단계는, 공진주파수 측정기(200)에서 측정된 공진주파수 변화 데이터 열을 바탕으로 적어도 하나 이상의 물리량 변화에 따른 공진주파수 변화 데이터열 획득을 위한 데이터 수집 단계(S701)와, 데이터 수집 단계에서 수집된 물리량 변화에 따른 공진주파수 변화 데이터열의 데이터쌍들을 학습용 모델에 맞게 변환 및 제거하는 데이터 전처리 단계(S702)와, 전처리된 데이터쌍들을 통한 모델 학습 단계(S703)를 포함한다.
그리고 변수 추정 단계는, 공진주파수 측정기(200)로부터 측정된 공진주파수 변화 데이터열을 산출하는 데이터열 산출 단계(S704)와, 측정된 공진주파수 변화 데이터열을 기반으로 학습된 모델의 연산 단계(S705)와, 학습된 모델의 연산을 통해 출력된 데이터열을 기반으로 물리량 변화 추정 단계(S706)를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템 및 이를 이용한 측정방법은 공진주파수 다중화 기술을 이용한 단일 광섬유 내 다수의 광섬유 브래그 격자 센서의 복조를 통해서 고해상도 및 대면적화에 유리하도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100. 공진주파수 다중화 광공진 발생기
200. 공진주파수 측정기

Claims (17)

  1. 하나 이상의 광공진기를 이루고, 물리량 변화에 따라 광공진기의 공진주파수가 변화하는 공진주파수 다중화 광공진 발생기;
    상기 공진주파수 다중화 광공진 발생기로 시간에 따라 주파수가 변조되어 발생되는 전기신호인 변조신호를 입력시키고, 상기 변조신호의 주파수에 따라 출력되는 광세기를 획득을 하며, 신호처리를 통해 광공진 발생기의 공진주파수 데이터열을 생성하는 공진주파수 측정기;를 포함하고,
    공진주파수 측정기는, 특정한 주파수 범위에서 시간에 따라 중심 주파수가 변조되는 전기신호인 변조신호를 발생시키는 주파수 발생부와, 상기 변조신호의 주파수에 따라 공진주파수 다중화 광공진 발생기로부터 출력된 광신호를 입력단을 통해 검출하여 광공진신호를 출력단을 통해 출력하는 광 검출부와, 상기 변조신호의 주파수에 따라서 상기 광 검출부에서 출력된 광공진신호를 바탕으로 공진주파수 스펙트럼을 생성하고, 상기 공진주파수 스펙트럼에서의 피크(Peak)가 발생하는 주파수를 검출하여 공진주파수 데이터열을 획득하고, 상기 공진주파수 데이터열과 비교기준 데이터열을 비교하여 공진주파수 변화 데이터열을 획득하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공진주파수 다중화 광공진 발생기는,
    특정 파장의 광을 부분 반사하며 상기 물리량 변화에 따라 반사파장이 변화하는 감지부와,
    상기 감지부와 연결되며, 입력된 상기 변조신호에 따라 광이득의 크기를 변화하며 발진하는 광발생부와,
    상기 광발생부 또는 감지부와 연결되며, 광의 파장에 따른 광전파 시간지연을 생성하는 파장 분산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 감지부, 광발생부, 및 파장 분산부 모두가 적어도 하나 이상의 광공진기를 이루는 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 감지부는,
    외부 힘에 대해 변형이 가능한 물질로 기판이 구성되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 감지부는,
    동일한 파장의 광을 부분적으로 반사시키는 적어도 하나 이상의 광섬유 브래그 격자 센서가 어레이의 형태로 기판에 분포하는 형태인 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 파장 분산부는,
    처프 광도파 브래그 격자 소자(Chirped Waveguide Bragg Grating)인 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서, 파장 분산부는,
    광의 파장에 따른 서로 다른 유효 굴절률을 가진 광도파로인 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서, 광발생부는,
    외부에서 입력된 전기 신호에 따라 반도체 광증폭기의 구동 전류가 변화되고 이에 따라 광 이득이 변화되는 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서, 광발생부는,
    전기 흡수형(electro absorption modulator, EAM) 변조기 또는 전기광학형(electro-optic modulator, EOM) 변조기를 통해 공진기 내부의 광 이득을 외부에서 입력된 전기 신호에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서, 특정한 주파수 범위는,
    공진주파수 다중화 광공진 발생기의 하나 이상의 광공진기가 가지는 공진주파수들의 부분 또는 전부가 포함되는 주파수 범위인 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 비교기준 데이터열은,
    공진주파수 다중화 광공진 발생기의 감지부에 물리량 변화가 없는 환경에서 상기 변조신호의 주파수에 따라서 광 검출부에서 출력된 광공진신호를 바탕으로 공진주파수 스펙트럼을 생성하고, 상기 공진주파수 스펙트럼에서의 피크(Peak)가 발생하는 주파수를 검출하여 획득하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 주파수 발생부는,
    특정한 주파수 범위에서 시간에 따라 중심 주파수가 변조되는 전기신호인 변조신호 발생시킬 때 동시에 주파수의 변조가 시작됨을 알리는 트리거(Trigger)신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 물리량 변화는,
    공진주파수 다중화 광공진 발생기의 감지부의 각각의 광섬유 브래그 격자의 변형률,
    감지부에 가해진 수직 힘 및 위치,
    감지부에 가해진 수직 힘 분포,
    감지부의 온도 분포 및, 감지부의 굽힘 방향 및 크기 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템.
  15. 하나 이상의 광공진기를 이루고, 물리량 변화에 따라 광공진기의 공진주파수가 변화하는 공진주파수 다중화 광공진 발생기의 물리량 변화에 따른 공진주파수 변화 데이터열들을 통한 모델 구성 단계;
    상기 모델 구성 단계를 통해 구성된 기계학습 모델을 바탕으로 측정된 공진주파수 변화 데이터열에 따른 물리량 변화를 추정하는 변수 추정 단계;를 포함하고,
    공진주파수 변화 데이터열을 획득하기 위하여,
    공진주파수 측정기의 주파수 발생부에서 특정한 주파수 범위에서 시간에 따라 중심 주파수가 변조되는 전기신호인 변조신호를 발생시키고,
    공진주파수 측정기의 광 검출부에서 상기 변조신호의 주파수에 따라 공진주파수 다중화 광공진 발생기로부터 출력된 광신호를 입력단을 통해 검출하여 광공진신호를 출력단을 통해 출력하고,
    공진주파수 측정기의 신호 처리부에서 상기 변조신호의 주파수에 따라서 상기 광 검출부에서 출력된 광공진신호를 바탕으로 공진주파수 스펙트럼을 생성하고, 상기 공진주파수 스펙트럼에서의 피크(Peak)가 발생하는 주파수를 검출하여 공진주파수 데이터열을 획득하고, 상기 공진주파수 데이터열과 비교기준 데이터열을 비교하여 공진주파수 변화 데이터열을 획득하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템을 이용한 측정방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 모델 구성 단계는,
    공진주파수 측정기에서 측정된 공진주파수 변화 데이터 열을 바탕으로 적어도 하나 이상의 물리량 변화에 따른 공진주파수 변화 데이터열 획득을 위한 데이터 수집 단계와,
    데이터 수집 단계에서 수집된 물리량 변화에 따른 공진주파수 변화 데이터열의 데이터쌍들을 학습용 모델에 맞게 변환 및 제거하는 데이터 전처리 단계와,
    전처리된 데이터쌍들을 통한 모델 학습 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템을 이용한 측정방법.
  17. 제 15 항에 있어서, 변수 추정 단계는,
    공진주파수 측정기로부터 측정된 공진주파수 변화 데이터열을 산출하는 데이터열 산출 단계와,
    측정된 공진주파수 변화 데이터열을 기반으로 학습된 모델의 연산 단계와,
    학습된 모델의 연산을 통해 출력된 데이터열을 기반으로 물리량 변화 추정 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진주파수 다중화 방식의 분포형 촉각센서 시스템을 이용한 측정방법.
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