KR20210035630A - 유연촉각센서, 유연촉각센서 시스템 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

제1 전도성 물질을 포함하는 베이스층; 상기 베이스층 상에 전체에 걸쳐 이격되어 배치되는 복수의 전극; 및 상기 베이스층을 덮도록 배치되며, 상기 제1 전도성 물질과 상이한 전도도를 가지는 제2 전도성 물질을 포함하는 전도성층;을 포함하고, 전기 저항 단층촬영(Electrical Resistance Tomography) 방법을 통하여 스트레인을 측정하는 유연촉각센서가 제공된다. 본 발명의 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서는 향상된 공간 분해능, 감도 및 위치 측정 성능을 가지며, 3차원의 형상에도 용이하게 적용 가능하다는 효과가 있다.

Description

유연촉각센서, 유연촉각센서 시스템 및 그 제조방법{Flexible tactile sensor, flexible tactile sensor system and manufacturing method}

본 발명은 유연촉각센서, 유연촉각센서 시스템 및 그 제조방법에 관한 것이다.

큰 변형에도 작동할 수 있는 유연한 스트레인 센서는 최근 관심이 대두되고 있는 기술로 사람과 로봇의 상호작용에서 부드러운 촉감을 제공하고 로봇 자체에 가해지는 외부의 충격에 대해 안전성을 제공할 수 있다. 이러한 이유로 최근 인공 피부에서부터 생체 모사 기술, 재활공학 및 엔터테인먼트 산업에 이르기까지 관심이 높아지고 있다.

촉각 센서(tactile sensor)란 개별의 센서를 정렬하여 사람의 피부처럼 넓은 범위에 가해지는 압력 분포를 측정하기 위해 특별히 제작된 센서를 의미하며 압저항 소재들은 유연하면서 인장(stretch)까지 가능한 촉각센서를 개발하는데 이용할 수 있다.

매우 유연한 촉각 센서는 굴곡진 표면 형상을 가지는 로봇에도 적용 가능하며 사람의 피부에 붙이는 형태까지 응용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 유연 촉각센서를 개발하기 위해 주로 넓은 범위의 접촉 면적을 커버하기 위해 배열화된 유연전극을 이용하는 것이 일반적이다.

예를 들어, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., vol. 101, no. 27, pp. 9966-9970, 2004.에서는 흑연 함유 고무 압력 센서층과 결합된 유기 트랜지스터를 이용하여 로봇의 인공 피부를 실현하는 기술에 대하여 개시하고 있다.

또한, 예를 들어, Science (80-. )., no. September, pp. 1468-1472, 2008. 에서는 이온성 액체를 사용하여 단일벽 탄소 나노 튜브 SWNT)가 비닐리덴 플루오라이드-헥사 플루오로 프로필렌 공중합체 매트릭스에 화학적으로 안정적인 도펀트로서 균일하게 분산된 복합 필름을 제조하였으며, 이를 이용하여 임의의 곡면 및 로봇 팔의 조인트와 같은 이동 가능한 부품을 포함하여 어디에서나 장착 할 수 있는 전자 집적 회로를 만들 수 있음을 개시하고 있다.

하지만, 유연한 센싱 소재와 함께 데이터 취득을 위한 유연 전극을 제작하는 과정은 박막금속을 이용할 경우 다수의 MEMS공정이 필요하거나 전도성 고무를 이용하는 경우 이형질의 재료를 따로 제작해야 하기 때문에 제작 비용이 증가하는 요인이 된다. 또한, 로봇의 인공 피부 또는 엔터테인먼트용 인터페이스와 같은 분야에서는 사람의 피부와 같이 고정밀의 측정보다는 접촉한 위치, 강도, 방향 정도만 파악이 가능하면서 다양한 모양으로 제작이 가능하며 경제적으로 저렴하게 대량 생산이 가능한 센서를 개발하는 기술이 요구된다.

이러한 요구와 맞물려 저항단층계산(Electrical Resistance Tomography) 이라는 방법을 이용한 촉각 센서들이 개발되었다. 이 방식은 전도성 물질의 표면에 전극을 배치하고 전류를 인가한 뒤 전압을 측정하여 전도성 물질 내부의 저항 분포를 추정하는 방법으로서 유연한 전극을 제작할 필요가 없으며 압저항 소재를 사출성형을 통해 다양한 형상으로 제작할 수 있기 때문에 실용적인 유연 촉각 센서 개발에 큰 장점이 있다.

하지만, 기존에 개발된 저항단층방식(ERT) 촉각센서는 등방성의 스칼라 (scalar) 형태의 저항 분포를 계산하고 각 위치에서의 저항 값을 센서 평면의 수직한 방향으로 가해지는 힘으로 맵핑하였다. 또한, 비교적 공간 분해능이 떨어진다는 단점이 있어서 이에 대한 연구가 수행되고 있다.

예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0107375호에서 고분자 복합재 및 상기 고분자 복합재의 가장자리에 배치된 복수의 전극을 포함하는 센서부를 포함하고, 상기 복수의 전극 중 한 쌍의 전극에 전류가 인가되고, 나머지 전극 중의 한 쌍을 통해 전압을 측정하며, 상기 고분자 복합재의 변형에 대한 고분자 복합재의 압저항 비등방성 저항 성분을 감지하는 다축 스트레인 센서 시스템을 개시한다. 이는 다축 스트레인 센서 측정 시스템 및 다축 스트레인 센서 측정 방법에 관한 것으로, 센서부에 가해지는 외부 압력의 위치 및 크기 감지 기능뿐만 아니라 힘의 방향성을 감지하는 것이 가능하며, 또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 센서 시스템은 다양한 입체 형상으로 형성될 수 있기 때문에 소프트 인간 - 기계 인터페이스로 사용될 수 있는 큰 가능성이 있음을 개시하고 있다.

또한, 로봇 팔 등과 같은 응용분야에 사용되기 위해서는 원통형 등의 다양한 형상에 적용 가능하여야 한다. 다만, 이러한 경우 적용 대상의 형상에 따라 전선이 외부에 노출되어 있으며, 부착 중에 모델링 오류가 발생할 수 있으며, 적용 대상의 표면을 덮는 것이 어렵다는 문제점이 있었다.

이에, 기존의 문제점들을 해결하기 위한 새로운 형태의 유연촉각센서에 대한 연구가 필요하게 되었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2018-0107375호, "다축 스트레인 센서 측정 시스템 및 다축 스트레인 센서 측정 방법"

T. Someya et al., "A large-area, flexible pressure sensor matrix with organic field-effect transistors for artificial skin applications." , Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., vol. 101, no. 27, pp. 9966-9970, 2004. T. F. Tsuyoshi Sekitani et al., "A Rubberlike Stretchable Active Matrix Using Elastic Conductor.", Science (80-. )., no. September, pp. 1468-1472, 2008.

본 발명의 일 측면에서의 목적은 전기 저항 단층촬영 방법을 이용하여 향상된 성능을 가지는 유연촉각센서를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 측면에서

제1 전도성 물질을 포함하는 베이스층;

상기 베이스층 상에 전체에 걸쳐 이격되어 배치되는 복수의 전극; 및

상기 베이스층을 덮도록 배치되며, 상기 제1 전도성 물질과 상이한 전도도를 가지는 제2 전도성 물질을 포함하는 전도성층;

을 포함하고,

전기 저항 단층촬영(Electrical Resistance Tomography) 방법을 통하여 스트레인을 측정하는 유연촉각센서가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 측면에서

상기 유연촉각센서의 제조방법으로,

제1 전도성 물질을 포함하는 베이스층 상에 전체에 걸쳐 이격되어 배치되도록 복수의 전극을 설치하는 단계; 및

상기 복수의 전극이 설치된 베이스층 상에 상기 제1 전도성 물질과 상이한 전도도를 가지는 제2 전도성 물질을 포함하는 전도성층을 형성하는 단계;

를 포함하는 유연촉각센서 제조방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서

상기 유연촉각센서를 포함하는 센서부;

상기 유연촉각센서 내의 복수의 전극에 전류를 인가하는 전류인가부; 및

상기 전류인가부를 통하여 인가된 전류에 따른 복수의 전극 사이의 전압을 측정하는 전압측정부;

를 포함하는 전기 저항 단층촬영(Electrical Resistance Tomography) 방법을 이용한 유연촉각센서 시스템이 제공된다.

나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서

상기 유연촉각센서에 압력을 가하는 단계(단계 1);

상기 유연촉각센서 중 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전류를 인가하는 단계(단계 2);

상기 유연촉각센서 중 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전위 값을 측정하는 단계(단계 3); 및

상기 측정된 전위값으로부터 센서 내의 저항을 측정하는 단계(단계 4);

를 포함하는 전기 저항 단층촬영 방법 기반의 스트레인 측정 방법이 제공된다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서는 향상된 공간 분해능, 감도 및 위치 측정 성능을 가지며, 3차원의 형상에도 용이하게 적용 가능하다는 효과가 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따라 로봇의 팔에 부착된 센서를 나타낸 것이고,
도 1b는 본 발명의 일 비교예에 따라 전극이 가장자리에만 배치된 센서를 나타낸 것이고,
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따라 전극이 전체에 걸쳐 배치된 센서를 나타낸 것이다.
도 2는 전류 주입 패턴의 수를 그래프 및 모식도로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 센서의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 센서 시스템의 모식도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예의 노름 식별성(norm distinguishability)을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 대한 식별력 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 일 비교예에 대한 위치 측정 능력 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실험예에 사용된 위치 성능 평가 테스트 장치의 사진을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실험예에 따른 위치 성능 평가 테스트 결과를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실험예에 따른 재구성된 이미지를 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 센서를 나타낸 것으로,
도 11a는 로봇 피부에 적용된 모식도, 도 11b는 실세 센서의 사진, 도 11c는 재구성된 3D 이미지를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 다른 일 실시예에서 이미지 재구성을 위한 DNN 방법에 대하여 나타낸 것으로,
도 12a는 입력 전압, 도 12b는 전도도 이미지, 도 12c는 네트워크의 모식도를 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 센서에서의 설치된 전극을 보여주는 이미지로,
도 13a는 그 모식도를, 도 13b는 대응되는 시뮬레이션 모델을 보여주는 것이다.
도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 센서 제조과정의 모식도를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 센서 시스템의 모식도를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 일 실험예에 따른 압입 실험 장치의 사진을 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 일 실험예에 따른 DNN 기반으로 재구성된 위치 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명의 일 실험예에 따라 재구성 방법에 따른 감도 분포 이미지를 나타낸 것이다.
도 19는 본 발명의 일 실험예에 따라 재구성 방법에 따른 전도도 이미지를 나타낸 것이다.

본 발명은 여러 변경을 가할 수 있으며 이에 따라 다양한 실시예가 나올 수 있는 바, 특정 실시예를 하단에 제시하고 상세하게 설명하고자 한다.

또한 특별히 정의가 되지 않은 본 명세서에서의 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자 모두에게 이해가 가능한 의미로 사용할 수 있을 것이다.

그러나 이는 본 발명은 하단에 기술될 특정한 실시예에만 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 다른 균등물과 변형 예들이 있을 수 있으며, 본 명세서에서 제시하는 실시예는 가장 바람직한 실시예일 뿐이다.

본 발명의 일 측면에서

제1 전도성 물질을 포함하는 베이스층;

상기 베이스층 상에 전체에 걸쳐 이격되어 배치되는 복수의 전극; 및

상기 베이스층을 덮도록 배치되며, 상기 제1 전도성 물질과 상이한 전도도를 가지는 제2 전도성 물질을 포함하는 전도성층;

을 포함하고,

전기 저항 단층촬영(Electrical Resistance Tomography) 방법을 통하여 스트레인을 측정하는 유연촉각센서가 제공된다.

이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서(100)를 각 구성별로 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서는 베이스층(120) 및 복수의 전극(130)을 포함한다.

상기 전극은 상기 유연촉각센서로 스트레인을 측정하는 대상체에 일체화된 것일 수 있다.

예를 들어, 상기 전극은 대상체에 임베딩된 것일 수 있다.

이와 같이 전극이 대상체에 일체화된 경우 단순히 부착된 경우에 비하여 견고하고 깔끔하다는 점에서 바람직하다.

상기 베이스층은 대상체(110)에 코팅되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 스프레이 코팅 또는 브러싱 방법에 의하여 코팅될 수 있다.

상기 대상체는 3차원 구조물일 수 있다. 예를 들어, 원통형, 다각 기둥형 등일 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 대상체는 상기 유연촉각센서에 의하여 표면 전체가 덮일 수 있다.

상기 베이스층은 제1 전도성 물질을 포함한다. 상기 제1 전도성 물질은 탄소나노튜브, 카본 블랙 및 전도성 고분자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 물질들은 전도성의 크기가 적절히 크며, 제작과정의 최적화를 통해 면저항의 값을 조절할 수 있다는 점에서 제1 전도성 물질로 사용되기에 바람직하다.

상기 전극은 베이스층 전체에 걸쳐 이격되어 분산 배치된다. 전도성 영역의 가장자리에만 전극이 배치된 경우에 비하여 베이스층 전체에 걸쳐 전극이 배치된 경우 내부 영역에 대한 공간 분해능 및 위치 측정 성능이 향상된다는 점에서 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서는 전도성층(140)을 포함한다.

상기 전도성층은 베이스층을 덮도록 배치된다.

상기 전도성층은 제2 전도성 물질을 포함한다.

제2 전도성 물질은 제1 전도성 물질과는 저항이 상이하여야 한다. 제1 전도성 물질과 제2 전도성 물질의 저항이 상이하여야 상기 베이스층과 상기 전도성층이 접촉하였을 때 저항 변화가 발생할 수 있기에, 제1 전도성 물질과 제2 전도성 물질의 저항은 상이하여야 한다.

상기 제2 전도성 물질은 고전도성 직물 및 금속 필름으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 물질들은 상대적으로 높은 전도성을 띠며, 베이스층의 형상을 따라 변형될 수 있다는 점에서 제2 전도성 물질로 사용되기에 바람직하다.

상기 전도성층은 복수의 영역으로 구획될 수 있다. 복수의 영역으로 구획된 경우, 더욱 세밀한 측정이 가능하다는 점에서 바람직하다.

만약 고전도성을 띄는 레이어 하나를 사용할 경우, 서로 멀리 떨어진 두 위치가 동시에 눌렸을 때 그 두 위치가 전기적으로 연결되는 상황이 발생할 수 있다. 센서의 동작을 위해서는 면저항이 국소적으로 변해야 하므로, 멀리 떨어진 위치는 서로 전기적으로 연결되어서는 안 된다. 따라서 복수의 영역으로 구획된 시트를 사용하는 것이 여러 위치를 동시에 측정하기에 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서는 표면층(150)을 더 포함할 수 있다. 상기 표면층은 전도성층 위에 배치될 수 있다.

상기 표면층은 신축성을 가질 수 있다.

예를 들어, 네오프렌(Neoprene), 실리콘 고무 및 직물 기반 패딩으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.

상기 물질들은 부드러운 성질을 가져 강한 충격으로부터 센서를 보호할 수 있고, 또 센서에 가해지는 힘을 더 넓은 영역으로 분산시켜 센서의 출력신호를 증폭시킬 수 있다는 점에서 표면층으로 사용되기에 바람직하다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서는 전기 저항 단층촬영(Electrical Resistance Tomography) 방법을 통하여 스트레인을 측정할 수 있다.

즉, 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전류를 인가하고, 또 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전압을 측정함으로써 저항 및 전도도 변화를 측정할 수 있다.

이와 같은 전기 저항 단층촬영 기반의 촉각 센서는 상대적으로 적은 수의 전극을 사용하며, 낮은 제조 비용으로 큰 평면 또는 곡면을 덮을 수 있다는 점에서 유연촉각센서에서 이용되기에 바람직하다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서는 단순히 베이스층 상에 전극이 배치되며, 그 위에 전도성층이 위치할 수 있지만, 일 구체예에서 전극이 대상체에 일체화되고, 대상체의 표면에 베이스층이 코팅되며, 그 위에 전도성층이 위치할 수 있다.

이와 같은 경우, 3차원 구조물에 대하여 적용되더라도 오류가 발생하지 않으며, 전극이 견고히 유지된다는 점에서 바람직하다.

2차원 형태의 유연촉각센서를 먼저 제작한 후 3차원 구조체 표면에 덮는 형태의 경우, 전선이 외부에 노출될 수 있으며, 부착 중에 모델링 오류가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

본 발명의 다른 측면에서

상기 유연촉각센서의 제조방법으로,

제1 전도성 물질을 포함하는 베이스층 상에 전체에 걸쳐 이격되어 배치되도록 복수의 전극을 설치하는 단계; 및

상기 복수의 전극이 설치된 베이스층 상에 상기 제1 전도성 물질과 상이한 전도도를 가지는 제2 전도성 물질을 포함하는 전도성층을 형성하는 단계;

를 포함하는 유연촉각센서 제조방법이 제공된다.

이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 유연촉각센서 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 유연촉각센서 제조방법은 제1 전도성 물질을 포함하는 베이스층 상에 전체에 걸쳐 이격되어 배치되도록 복수의 전극을 설치하는 단계를 포함한다.

상기 제1 전도성 물질은 탄소나노튜브, 카본 블랙 및 전도성 고분자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 물질들은 전도성의 크기가 적절히 크며, 제작과정의 최적화를 통해 면저항의 값을 조절할 수 있다는 점에서 제1 전도성 물질로 사용되기에 바람직하다.

상기 단계는 상기 유연촉각센서로 스트레인을 측정하는 대상체에 상기 전극이 일체화되도록 설치하는 단계를 포함할 수 있다.

예를 들어 상기 전극은 대상체에 임베딩될 수 있다.

이와 같이 전극이 대상체에 일체화된 경우 단순히 부착된 경우에 비하여 견고하고 깔끔하다는 점에서 바람직하다.

또한, 상기 단계는 전극이 설치된 대상체에 상기 제1 전도성 물질을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 코팅은 상기 제1 전도성 물질이 분산된 용액을 스프레이 코팅 또는 브러싱하는 방법으로 수행될 수 있다.

상기 대상체는 3차원 구조물일 수 있다. 예를 들어, 원통형, 다각 기둥형 등일 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 대상체는 상기 유연촉각센서에 의하여 표면 전체가 덮일 수 있다.

상기 전극은 베이스층 전체에 걸쳐 이격되어 분산 배치되도록 설치된다. 전도성 영역의 가장자리에만 전극이 배치된 경우에 비하여 베이스층 전체에 걸쳐 전극이 배치된 경우 내부 영역에 대한 공간 분해능 및 위치 측정 성능이 향상된다는 점에서 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 유연촉각센서 제조방법은 상기 복수의 전극이 설치된 베이스층 상에 상기 제1 전도성 물질과 상이한 전도도를 가지는 제2 전도성 물질을 포함하는 전도성층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 전도성층은 베이스층을 덮도록 형성될 수 있다.

상기 제2 전도성 물질은 제1 전도성 물질과는 저항이 상이하여야 한다. 제1 전도성 물질과 제2 전도성 물질의 저항이 상이하여야 상기 베이스층과 상기 전도성층이 접촉하였을 때 저항 변화가 발생할 수 있기에, 제1 전도성 물질과 제2 전도성 물질의 저항은 상이하여야 한다.

상기 제2 전도성 물질은 고전도성 직물 및 금속 필름으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 물질들은 상대적으로 높은 전도성을 띠며, 베이스층의 형상을 따라 변형될 수 있다는 점에서 제2 전도성 물질로 사용되기에 바람직하다.

상기 전도성층은 복수의 영역으로 구획될 수 있다. 복수의 영역으로 구획된 경우, 더욱 세밀한 측정이 가능하다는 점에서 바람직하다.

만약 고전도성을 띄는 레이어 하나를 사용할 경우, 서로 멀리 떨어진 두 위치가 동시에 눌렸을 때 그 두 위치가 전기적으로 연결되는 상황이 발생할 수 있다. 센서의 동작을 위해서는 면저항이 국소적으로 변해야 하므로, 멀리 떨어진 위치는 서로 전기적으로 연결되어서는 안 된다. 따라서 복수의 영역으로 구획된 시트를 사용하는 것이 여러 위치를 동시에 측정하기에 바람직하다.

상기 단계는 베이스층 상에 바로 수행될 수도 있으나, 별도의 시트를 제조한 뒤 베이스층 위를 덮을 수도 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 유연촉각센서 제조방법은 상기 전도성층 위에 표면층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 표면층은 신축성을 가질 수 있다.

예를 들어, 네오프렌(Neoprene), 실리콘 고무 및 직물 기반 패딩으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.

상기 물질들은 부드러운 성질을 가져 강한 충격으로부터 센서를 보호할 수 있고, 또 센서에 가해지는 힘을 더 넓은 영역으로 분산시켜 센서의 출력신호를 증폭시킬 수 있다는 점에서 표면층으로 사용되기에 바람직하다.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서는 전기 저항 단층촬영(Electrical Resistance Tomography) 방법을 통하여 스트레인을 측정할 수 있다.

즉, 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전류를 인가하고, 또 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전압을 측정함으로써 저항 및 전도도 변화를 측정할 수 있다.

이와 같은 전기 저항 단층촬영 기반의 촉각 센서는 상대적으로 적은 수의 전극을 사용하며, 낮은 제조 비용으로 큰 평면 또는 곡면을 덮을 수 있다는 점에서 유연촉각센서에서 이용되기에 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에서 제공되는 유연촉각센서 제조방법은 제조된 유연촉각센서가 단순히 베이스층 상에 전극이 배치되며, 그 위에 전도성층이 위치하도록 제조할 수 있지만, 일 구체예에서 전극이 대상체에 일체화되고, 대상체의 표면에 베이스층이 코팅되며, 그 위에 전도성층이 위치하도록 제조할 수 있다.

이와 같은 경우, 3차원 구조물에 대하여 적용되더라도 오류가 발생하지 않으며, 전극이 견고히 유지된다는 점에서 바람직하다.

2차원 형태의 유연촉각센서를 먼저 제작한 후 3차원 구조체 표면에 덮는 형태의 경우, 전선이 외부에 노출될 수 있으며, 부착 중에 모델링 오류가 발생할 수 있다는 문제점이 있다.

본 발명의 다른 일 측면에서

상기 유연촉각센서(100)를 포함하는 센서부;

상기 유연촉각센서 내의 복수의 전극에 전류를 인가하는 전류인가부(200); 및

상기 전류인가부를 통하여 인가된 전류에 따른 복수의 전극 사이의 전압을 측정하는 전압측정부(300);

를 포함하는 전기 저항 단층촬영(Electrical Resistance Tomography) 방법을 이용한 유연촉각센서 시스템이 제공된다.

이하, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서 시스템(1000)을 각 구성별로 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서 시스템은 센서부를 포함한다.

상기 센서부는 상술한 유연촉각센서(100)를 포함한다. 유연촉각센서에 대해서는 앞서 설명하였는 바, 중복하여 설명하지 않고 생략한다.

다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서 시스템은 전류인가부(200)를 포함한다.

상기 전류인가부는 임의의 한 쌍의 전극에 전류를 공급한다. 임의의 한 쌍의 전극을 변경해가며 전류를 반복 공급할 수 있다.

전류는 최적의 공급 패턴으로 선택되어 공급될 수 있다.

상기 전류인가부는 정전류를 직접 공급할 수도 있으며, 정전압 소스와 직렬 연결된 기준 저항을 사용하여 정전류를 공급할 수도 있다.

다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서 시스템은 전압측정부(300)를 포함한다.

상기 전압측정부는 임의의 한 쌍의 전극의 전압을 측정한다. 임의의 한 쌍의 전극을 변경해가며 전압을 반복 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서 시스템은 멀티플렉서를 더 포함할 수 있다.

상기 복수의 전극은 와이어를 통하여 멀티플렉스에 연결되며, 멀티플렉서는 전류인가부 및 전압측정부에 연결되어 전류 공급 및 전압 측정을 수행할 수 있다.

상기 멀티플렉서는 일반적으로 간단한 반도체 소자로 이루어지며, 상기 복수개의 전극 중 전류를 인가하는 전극 및 전위 값을 측정하는 전극은 상기 멀티플렉서를 통하여 순차적으로 변경될 수 있다.

상기 멀티플렉서를 통하여 복수의 전극 중 일부 전극으로 전류를 인가할 수 있으며, 또한 이에 따라 임의의 전극으로부터 전압을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서 시스템은 차동 증폭기를 더 포함할 수 있다.

상기 차동 증폭기는 일반적으로 간단한 반도체 소자로 이루어지며, 두 개의 입력단자(두 개의 입력값)와 한 개 또는 두 개의 출력단자(한 개 또는 두 개의 출력값)를 가질 수 있고, 두 개의 입력단자를 통해 입력된 값을 출력단자에서 증폭시키는 기능을 한다.

일 구체예에서 상기 차동 증폭기는 상기 전압측정부에 의하여 측정된 전압을 입력값으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에서 제공되는 유연촉각센서 시스템은 데이터 분석부(400)를 더 포함할 수 있다.

상기 데이터 분석부는 상기 전압측정부로부터 측정된 전압을 통하여 데이터를 분석 및 재구성할 수 있다.

상기 데이터 분석부는 디지털 아날로그 변환기(digital analog converter, DAC), 아날로그 디지털 변환기(analog digital converter, ADC), 데이터 수집장치(data acquisition, DAQ) 를 포함할 수 있다.

상기 디지털 아날로그 변환기는 일반적으로 간단한 반도체 소자로 이루어지며, 디지털 값을 아날로그 값으로 변환시키는 장치이다. 상기 아날로그 디지털 변환기는 일반적으로 간단한 반도체 소자로 이루어지며, 아날로그 값을 디지털 값으로 변환시키는 장치이다.

상기 데이터 수집장치는 일반적으로 간단한 반도체 소자로 이루어지며, 유연촉각센서 시스템에서 발생하는 데이터를 수집하는 역할을 한다.

상기 시스템은 상기 데이터 수집장치에 유에스비를 통해 연결된 컴퓨터를 포함할 수 있다.

상기 센서 시스템은 상기 시스템에 연결되어 제어할 수 있는 로봇 손, 도관형 로봇 또는 팽창형 조정 장치와 같은 복잡한 행동을 수행하는 기계 장치를 제어할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에서

상기 유연촉각센서에 압력을 가하는 단계(단계 1);

상기 유연촉각센서 중 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전류를 인가하는 단계(단계 2);

상기 유연촉각센서 중 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전위 값을 측정하는 단계(단계 3); 및

상기 측정된 전위값으로부터 센서 내의 저항을 측정하는 단계(단계 4);

를 포함하는 전기 저항 단층촬영 방법 기반의 스트레인 측정 방법이 제공된다.

이하, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 스트레인 측정 방법을 상세히 설명한다. 유연촉각센서 및 유연촉각센서 시스템에 관하여는 앞서 설명하였는 바 중복하여 설명하지 않고 생략한다.

먼저, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 스트레인 측정 방법은 상기 유연촉각센서에 압력을 가하는 단계(단계 1)를 포함한다.

상기 단계 1은 상기 센서에 스트레인을 발생시키기 위해 외부 압력 및 변형을 인가하는 단계이다. 상기 단계는 상기 센서 표면의 일 점 접촉, 이 점 접촉 또는 복수개의 접촉을 동시에 수행하면서 압력을 가할 수 있고, 일 점이 접촉되는 면적은 제한되지 않을 수 있다.

상기 접촉은 사람의 신체를 통해 수행될 수도 있고, 기계 장치를 통해서도 수행될 수 있다. 상기 유연촉각센서에 압력을 가하는 단계는 상기 센서를 늘리거나 또는 압축하는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 센서에 가해지는 압력의 크기는 제한되지 않을 수 있다.

일 구체예에서 상기 단계는 상기 유연촉각센서의 표면층에 수행될 수 있다.

다음으로, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 스트레인 측정 방법은 상기 유연촉각센서 중 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전류를 인가하는 단계(단계 2)를 포함한다.

상기 스트레인을 가하지 않았을 때 상기 전류에 의해 형성되는 전위 값과 스트레인이 존재할 경우, 상기 동일한 양의 전류를 인가하였을 때의 전위 값을 비교하여 전위 값 변화를 확인할 수 있다.

상기 임의의 한 쌍의 전극에 전류를 선택적으로 인가할 수 있으며, 상기 전극을 순차적으로 변경할 수 있다.

이러한 전류 인가는 특정 패턴으로 선택되어 인가될 수 있다.

다음으로, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 스트레인 측정 방법은 상기 유연촉각센서 중 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전위 값을 측정하는 단계(단계 3)를 포함한다.

일 구체예에서 상기 전극은 전류가 인가되는 한 쌍의 전극을 제외한 나머지 한 쌍의 전극일 수 있다.

상기 측정된 전위 값은 상기 복수 개의 전극과 연결된 멀티플렉서를 통해 출력될 수 있으며, 상기 발생된 전위 값을 증폭시켜 나타내기 위해 멀티플렉서와 전기적으로 연결된 차동증폭기(Differential Amplifier)를 거쳐 신호처리장치로 전달될 수 있다.

상기 단계 2 및 단계 3은 임의의 한 쌍의 전극을 변경하면서 반복 수행될 수 있다.

일 구체예에서 상기 복수개의 전극 중 전류를 인가하는 전극 및 전위 값을 측정하는 전극은 멀티플렉서를 통하여 순차적으로 변경될 수 있다.

상기 멀티플렉서를 통해 복수 개의 전극 중 일부 전극으로 전류를 인가하고 나머지 전극을 통하여 이에 따른 전위 값을 측정하고, 이후, 상기 전류를 인가한 한 쌍의 전극 이외의 다른 한 쌍의 전극으로 전류를 인가하고 나머지 전극을 통하여 이에 따른 전위 값을 측정하는 것을 반복할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 또 다른 측면에서 다른 측면에서 제공되는 스트레인 측정 방법은 상기 측정된 전위값으로부터 센서 내의 저항을 측정하는 단계(단계 4)를 포함한다.

이에 대한 구체적인 과정은 하기 <전기 저항 단층촬영 방법(Electrical Resistance Tomography)>에서 후술한다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에서 제공되는 스트레인 측정 방법은 측정된 데이터를 분석 및 재구성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 단계에서 데이터를 분석 및 재구성하여 이미지화할 수 있다. 바람직하게는 딥 뉴럴-네트워크(Deep neural network, DNN) 기반의 이미지 재구성을 할 수 있다. 이와 같이 재구성할 경우, 센서 자체의 비선형성을 빠른 시간 내에 보상하여 측정된 데이터의 오차를 줄일 수 있다는 점에서 바람직하다.

구체적으로, 센서에 가해지는 입력과 출력신호 사이의 관계가 비선형성을 띠게 되는데, 상기 센서가 로봇피부의 용도로 쓰이는 경우 frame rate 때문에 이미지를 재구성하는데 걸리는 시간이 중요해진다. 따라서, 기존에는 야코비 행렬을 inverse로 풀어낸 행렬을 사용하여 선형 근사로 이를 풀었는데, 이는 센서 성능의 감소로 이어지게 된다. 반면 딥 뉴럴-네트워크(DNN, feedforward network)를 사용하는 경우, 센서의 비선형성을 보상하는 기능을 빠른 시간 내에 구현할 수 있다는 점에서 바람직하다.

이하, 본 발명에서 이용되는 이론적인 원리를 간략히 설명한다.

<전기 저항 단층촬영 방법(Electrical Resistance Tomography)>

전기 저항 단층촬영 방법(ERT)는 지표면 아래의 구조를 이미징 하기 위한 지구 물리학적인 방법이다. 이는 의료 영상 및 산업 응용 분야에 사용되는 전기 임피던스 단층촬영(Electrical Impedance Tomography, EIT)과 밀접한 관련이 있다. ERT의 주요 장점은 물리적 모델을 통하여 전도도 분포로부터 경계 전압이 어떻게 결정되는지 알 수 있기 때문에 감지 전압의 전도도 분포는 경계 전압을 사용하여 수학적으로 재구성할 수 있다는 점이다.

ERT 절차는 정문제(forward problem) 및 역문제(inverse problem)의 두 부분으로 구성된다. 정문제는 기초 전도도, 도메인 형태, 경계 조건과 같은 주어진 조건으로부터 편미분 방정식을 해결하여 센서의 전기적 동작을 시뮬레이션 하는 것이고, 역문제는 경계 전압으로부터 전도도 이미지를 재구성하는 것이다.

Maxwell의 방정식은 직류와 내부 전류원이 없다고 가정하여 Ω 영역의 전위 Φ와 전도도 분포 σ 사이에 다음과 같은 관계식을 제공한다.

<수학식 1>

전도도를 알 수 있는 경우 ∂Ω의 경계 조건에 대한 정보를 통해 전위를 추정할 수 있다.

<수학식 2>

여기서 j는 전류 밀도이고, n은 ∂Ω에 대한 외부 단위 법선 벡터를 나타낸 것이다. 이 방적식을 풀기 위하여 유한 요소법(finite element method, FEM)을 적용하여 다음과 같은 선형 방정식을 도출할 수 있다.

<수학식 3>

여기서 V 및 I는 각각 유한 요소를 통한 전위와 전류를 의미한다. R (σ)는 저항 행렬로, 전도도 분포의 함수이다.

전기 저항 단층촬영의 목표는 전극에서 측정된 전위로부터 전도도 분포 σ를 추정하는 것이다. 일반적으로, 선형 근사법은 전도도 변화를 전극의 전압 측정 변화에 매핑하는 야코비 행렬을 얻기 위하여 사용된다.

<수학식 4>

여기서 E는 전극으로부터 측정된 전압의 벡터이고, J는 저항 행렬로부터 계산된 야코비 행렬이며, w는 노이즈 벡터이다.

전극 세트를 통하여 전류가 주입될 때, 다른 전극 세트로부터의 전압 측정 변화는 다음과 같이 결정된다.

<수학식 5>

여기서 M_i는 i번째 전압 측정 패턴이고, P_j는 j번째 전류 주입 패턴이다.

<최적의 전류 주입 패턴>

ERT 기반의 센서의 재구성 품질은 상기 수학식 4와 같이 전압 측정 변화 ΔE_ij가 전도도 변화를 결정하기 때문에 전류 주입 및 전압 측정 패턴에 의존하게 된다. 따라서 최상의 공간 분해능을 얻기 위하여는 최적의 전류 주입 패턴을 선택하여야 한다.

SVD(Singular Value Decomposition)를 사용하면 다음과 같이 상기 수학식 5를 변환할 수 있다.

<수학식 6>

<수학식 7>

n개의 전극을 갖는 NRT 시스템에서 대응하는 우측 특이 벡터(right-singular vector)를 따라 n-1 개의 독립적인 특이값을 찾을 수 있다. 따라서 n-1 개의 최적 주입 패턴이 존재하게 된다.

실제로는, 이러한 최적 전류 주입 패턴은 각각의 주입 패턴(P_j)를 주입하기 위하여 모든 전극이 배치될 필요가 있기 때문에 구현되기 어렵다. 즉 n 개의 전류 구동 회로가 필요하다는 것이다. 일반적으로 한 쌍의 전극을 통하여 전류를 주입하는 데 하나의 전류 구동 회로와 한 쌍의 멀티플렉서를 사용하여 이러한 한 쌍의 선택을 스위칭한다. 이러한 한 쌍의 주입 시스템에서 최적의 전류 주입 패턴은 상기 수학식 7을 최대화하는 것이다.

최적의 한 쌍의 주입 패턴이 반복적으로 선택될 수 있다. 먼저, 모든 가능한 한 쌍의 주입 패턴이 상기 수학식 7로부터 평가되고, 가장 큰 전압 측정 변화를 가지는 패턴이 선택된다. 다음 반복에서는 이전에 선택한 패턴의 효과를 수학식 6에서 뺀 다음 다시 특이값 분해를 적용하여 다음 최적 패턴을 선택한다. 이 두 단계는 한 쌍 주입 패턴의 2-노름이 최적 주입 패턴의 2-노름에 도달 할 때까지 반복적으로 수행된다.

이와 같은 최적의 전류 주입 패턴은 전신 촉각 센서의 경우와 같이 전극 수가 많을 때 특히 유용하다. 가능한 전류 주입 패턴의 수는 전극의 수에 따라 기하 급수적으로 증가하게 된다. 예를 들어, 16개의 전극을 가지는 센서 시스템의 경우 120 쌍의 주입 패턴이 가능하다. 하드웨어 상 한계가 존재하는 경우, 가능한 각 쌍의 중요도를 고려하여 전류 주입 패턴의 수를 선택하여야 할 것이다.

도 2에서 4개의 내부 어레이 전극을 포함하는 16개의 어레이 전극을 갖는 센서 시스템의 최적 전류 주입 패턴을 도시한다. 선택된 최적 주입 패턴은 반복이 수행됨에 따라 누적된다. 도 2의 하단에는 6개의 패턴 세트가 도시되어 있는데, 모든 직선은 최적의 페어 주입 패턴을 나타낸다.

넓은 면적을 커버하는 패턴이 먼저 선택되는데, 이는 수학식 5로부터 알 수 있듯이 균일한 전도도 변화(Δσ)로 인하여 더 높은 전위를 생성하기 때문이다. 다만, 일부 특수한 경우, 이 전도도 변화 연산자는 공간적으로 변화하는 감지 성능을 얻도록 수정될 수 있다.

<뉴럴 네트워크 기반 이미지 재구성>

전기 저항 단층촬영 기반의 유연촉각센서에서 심층 뉴럴 네트워크를 통한 접근법이 제안될 수 있다. 뉴럴 네트워크를 통하여 센서의 블러링 효과가 성공적으로 감쇠되는 반면 센서의 프레임 속도는 반복적인 접근 방식에 비하여 빠를 것이다.

이러한 네트워크의 구조는 도 12에 나타내었다. 뉴럴 네트워크는 4 개의 완전히 연결된 레이어를 갖도록 설계될 수 있다. 각 숨겨진 레이어의 뉴런 수는 각각 870, 880, 890 및 900이다. 각 숨겨진 레이어의 입력 변수는 배치 정규화(batch normalization)에 의해 수정되며 활성화 함수는 ReLU(rectified linear unit)이다. 훈련 데이터는 3D ERT 모델의 전진 문제를 해결하여 얻은 것입니다. 각 시뮬레이션에서 가우스 형태의 전도도 변화는 도 12b와 같이 센서의 여러 위치에 적용되었다. 전도도 이미지는 자동으로 생성된 메시에 정의되므로 가시성을 위해 메시를 30× 30 직사각형 그리드에 매핑한다.

변화된 전도도 이미지는 트레이닝 데이터 세트의 출력 변수로 사용된다. 주어진 전도도 변화 및 전극 패턴으로부터 시뮬레이션 된 전압이 또한 얻어진다. 전압 벡터의 길이가 870이 되도록 인접 패턴을 사용한다. 시뮬레이션 된 전압은 평균 및 표준 편차에 의하여 표준화되고, 트레이닝 데이터 세트의 입력 변수로 사용된다. 트레이닝 데이터 집합의 총 수는 약 1,070,400개이다. 무작위로 변동된 전도도 이미지를 갖는 시뮬레이션으로부터 테스트 데이터 세트가 생성되었고, 테스트 데이터 세트의 수는 40,000개이다. 테스트 데이터 세트는 트레이닝 데이터 세트의 평균 및 표준편차에 의하여 표준화된다.

트레이닝은 그래픽 처리 장치 (단일 NVIDIA GeForce GTX Titan 12GB)에서 수행되었으며 코드는 Keras로 작성되었다. 평균 제곱 오차는 손실(loss)로 사용되었으며 Adam 최적화 프로그램은 빠르고 강력한 트레이닝 성능을 위해 사용되었다. 일반화된 결과를 얻기 위하여 측정된 표준 편차가 있는 가우스 노이즈가 트레이닝 중에 입력 텐서에 추가된다. 미니 배치의 크기는 360이다. 각 시대(epoch)마다 테스트 데이터 세트에서 네트워크의 유효성이 검사된다. 트레이닝 손실은 9.21e-4로 수렴되는 동안 검증 손실은 감소하고 9.51e-4로 수렴된다. 결과적으로 입력 레이어에 노이즈를 삽입하면 네트워크가 과다 적합되는 것을 막을 수 있다.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

<실시예 1> 2차원 유연촉각센서의 제조

도 3에 나타난 바와 같이, 베이스층은 전도성 스레드(HC40, 독일 마데이라 소재)로 만들어진 스티칭 회로로 보강된 비전도성 직물 및 비전도성 직물 위에 전도성이 낮은 직물 시트(Eeontex LTT-SLPA-20K, Eeonyx, USA)를 포함한다. 스티칭된 회로를 저전도성 직물에 연결하기 위해, 전도성 스레드를 사용하여 16개의 전극 위치를 꿰매었다. 이러한 전도성 스레드 전극을 20 cm x 20 cm 크기의 정사각형 위에 규칙적인 4 x 4 그리드로 분배하였다. 접촉 압력으로 국부 전도도를 조절하기 위해, 9 x 9 그리드의 고전도성 직물 패치(Shildex, Statex, Germany)를 저전도성 직물 위에 배치하였다. 네오프렌 폼은 이러한 패치 위에 부착되어 하중을 분산시키게 된다. 제조된 촉각 센서는 부드럽고 약간의 신축성을 가지게 된다.

센서의 두께는 네오프렌 층을 포함하여 6 mm이다. 네오프렌 폼의 표면에 수직 방향으로 힘이 가해지면, 접촉 영역의 고전도성 직물 패치는 저전도성 직물로 압축된다. 이 접촉 동안, 두 층의 결합된 전도성은 주로 접촉 저항 변화에 의해 조절된다. 센서의 감도, 비선형성, 히스테리시스 및 제로 오프셋과 같은 감지 특성은 주로 이 접촉 저항 변화에 의해 결정되는데, 이는 저 전도도 직물과 고 전도도 패치 간 접촉 영역의 기하학적 변화로 인해 발생하게 된다. 접촉력이 커질 수록 해당 영역의 전도도는 증가하게 된다.

<실시예 2> 2차원 유연촉각시스템의 제조

실시예 1의 센서에서 전기 저항 단층촬영(ERT)을 활용하기 위하여 전류 주입 패턴 및 전압 측정 패턴을 신속하게 적용하기 위한 전자 장치가 필요하다.

도 4는 이러한 센서 및 전자 장치를 포함하는 센서 시스템의 개략도를 보여준다. 전도성 스레드 전극은 아날로그 멀티플렉서에 연결되며, 아날로그 멀티플렉서는 전류 드라이버 및 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 연결된다. 최적의 페어 주입 패턴은 사전 계산되어 FPGA(Field Programmable Gate Array) 칩에 저장된다. 센서 작동 중에 FPGA 칩은 500 kHz에서 멀티플렉서에 스위칭 제어를 제공하며, 이 전자 장치는 최대 200 Hz 까지 재구성이 가능하다.

<실시예 3> 3차원 유연촉각센서의 제조

전도성 도메인은 원통형 표면 상에 형성되고, 전극은 도 13a에 도시된 바와 같이 삼각 그리드를 형성하도록 배치된다. 황색 점선은 가상의 삼각 그리드를 나타내고 전극은 그리드의 노드 상에 배치된다.

대응하는 메시 모델도 시뮬레이션을 위해 제작되었다. 실린더의 길이와 직경은 각각 300 mm와 100 mm 이며, 전극의 총 개수는 30개이고, 6개 그룹의 5개 전극으로 나누어진다. 각 그룹의 전극은 동일한 각도 간격으로 실린더의 동일한 단면에 배치되며, 각 전극 그룹 사이의 거리는 60 mm 이다. 와이어는 표면 아래에서 전극에 연결되고 전극은 와이어를 통해 ERT 멀티플렉서 보드에 연결된다.

감지 영역은 전도성 및 압저항성을 가져야 한다. 전도성이 높은 직물 패치가 기본 전도성 도메인에 부착되고 가압되면 접촉 저항이 나타나고 전류가 직물 패치를 통해 흐르게 되므로, 시트 저항이 국부적으로 감소한다. 이러한 부분을 위하여, 개발된 로봇 스킨은 두 부분으로 구성된다. 하나는 다수의 내장된 전극을 갖는 전도성 코팅된 강체이고, 다른 하나는 전도성이 높은 패브릭 패치를 갖는 소프트 커버층이다. 전체 제조 공정은 도 14에 나타나있다. 강체는 3D 프린터(Dimension elite, Stratasys, USA)에서 인쇄되었고, 에폭시(XTC-3D, smooth-on, USA)를 사용하여 마무리되었다. 양호한 표면 상태를 위하여 부품을 연마하였다. 전극은 강체에 설치되었고 전선을 통해 커넥터에 연결되었다. 전도성 표면을 형성하기 위해, 적절한 시트 저항이 달성될 때까지 CNT-분산 용액(HANOS, Hanwha, South Korea)을 여러 번 분무하였다. 은 페이스트(ELCOAT P-100, 일본 CANS, CAN)는 전극에 도포되어 코팅 표면과 전극 사이를 안정적으로 전기적으로 연결시킨다. 그 후, 은 페이스트가 충분히 건조되면 베이스 부분이 완성된다.

소프트 커버층은 신축성 폴리우레탄(PU) 필름(Stretchfix, Vlieseline, German) 및 고전도성 직물(Med-tex P130, Statex, German)로 만들어진다. PU 필름은 다림질에 의해 직물에 도포된다. 직물은 레이저 절단기에 놓여지고 일련의 패치로 절단된다. 네오프렌 폼은 패치 위에 배치되고 접착제로 고정된다.

마지막으로 센서의 베이스 부분은 소프트 커버층으로 덮인다. 완성된 센서는 CNT 코팅층과 전도성이 높은 패브릭 패치 사이의 접촉 저항으로 인한 압저항 특성을 보여주게 된다.

<실시예 4> 3차원 유연촉각시스템의 제조

실시예 3의 센서에서 전기 저항 단층촬영(ERT)을 활용하기 위하여 전류 주입 패턴 및 전압 측정 패턴을 신속하게 적용하기 위한 전자 장치가 필요하다.

도 15는 이러한 센서 및 전자 장치를 포함하는 센서 시스템의 개략도를 보여준다. 전극은 멀티플렉서(ADG1206, Analog Devices., USA)에 연결되며 DAQ(myRIO-1900, National Instruments, USA)에 의해 제어된다. 멀티플렉서는 또한 전류원 및 전압 측정 채널에 연결되어 전극에서 전류 주입 및 전압 측정을 수행할 수 있다. 정전류 소스를 사용하는 대신 정전압 소스와 직렬 연결된 기준 저항을 사용하였다. 또한 DAQ에는 FPGA 칩이 있어 최대 120 kHz의 스위칭 및 측정을 수행할 수 있으며, 빠른 샘플링 속도로 인해 센서의 프레임 속도도 최대 60 Hz로 증가하게 된다.

<비교예 1> 전극이 가장자리에만 배치된 유연촉각센서 및 시스템

실시예 1 및 실시예 2와 동일하게 센서 및 시스템을 제조하되, 센서에서 16개의 전극을 가장자리에만 배치하였다(도 1b).

<실험예 1> 공간 분해능 평가

실시예 1 및 비교예 1의 공간 분해능을 비교하기 위하여 시뮬레이션 연구를 수행하였다.

가능한 120개의 전류 주입 패턴 모두에 대하여 두 모델에서 모두 사용되었다. 공간 분해능의 정량적인 비교를 위하여 노름 식별성(norm distinguishability) δ(σ)의 측정 기준(metric)을 채택하였다.

<수학식 8>

이 값은 시스템이 특정 위치의 전도성 변화를 감지할 수 있는 용이성의 정도를 나타낸다.

도 5에서 비교예 1과 실시예 1에 대한 로그 스케일의 노름 식별성의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 전극 주위의 전도성 변화는 자연적으로 높은 전압 변화를 야기하기 때문에 전극 근처의 식별성이 높음을 확인할 수 있다.

비교예 1 및 실시예 1의 주요한 차이점은 가장자리에서 멀리 떨어진 중앙 부분에서 확인할 수 있다. 두 센서 모두 16개의 전극을 가지고 있지만, 비교예 1의 경우 노름 식별성이 실시예 1의 경우보다 현저히 낮다. 따라서, 비교예 1의 경우 SNR(signal to noise ratio) 전압 측정을 사용하여 중앙 부분의 전도도 변화를 제대로 측정할 수 없다.

이러한 차이는 또한 도 6과 같이, 두 지점에 대한 판별 테스트에서 명확히 확인할 수 있다. 여기서 두 접점을 시뮬레이션 하기 위하여, 중앙 영역의 두 지점에서의 국부 전도도를 증가시켰다. 그 후, 비교예 1(도 6의 중앙) 및 실시예 1(도 6의 우측) 모델을 사용하여 전도도 변화 분포를 추정하였다. 이 시뮬레이션에서 SNR은 실제와 비슷한 40 dB 수준인 것을 가정하였다.

그 결과, 비교예 1에서는 서로 상이한 두 지점을 명확히 구별할 수 없음을 확인할 수 있다. 반면, 실시예 1에서는 두 지점에서의 국소 전도도 변화를 적절히 구별하였다. 즉, 실시예 1의 경우 비교예 1에 비하여 중앙 영역에서의 감도가 향상됨을 알 수 있다.

<실험예 2> 위치 측정 평가

접점의 위치를 측정하는 성능을 평가하기 위하여, 시뮬레이션 모델 및 실시예 1의 센서로 225개의 고르게 분산된 접점을 테스트하였다. 시뮬레이션 테스트에서 각 측정된 지점의 전도도는 각 시뮬레이션 된 센서 모델을 사용하여 수정 및 재구성되었다. 추정된 위치는 재구성된 전도도 분포의 중심을 계산함으로써 얻을 수 있다. 도 7은 위치 측정 테스트의 시뮬레이션 결과를 보여준다. 여기서, 실제 위치는 원으로 표시하였으며, 추정 위치는 선분으로 표시하였다.

실험예 1과 동일하게 비교예 1의 경우 중앙 영역에서 훨씬 높은 오차를 보인다. 225개의 테스트 지점에서 위치 측정 오차의 평균 및 표준 편차는 비교예 1의 경우 0.80 cm ± 0.78 cm, 실시예 1의 경우 0.57 cm ± 0.37 cm 이다. 실시예 1의 위치 측정 오차는 t-테스트에서 유의미한 개선을 보여주었다(p=0.00013).

개발된 유연촉각센서의 위치 측정 성능을 실험적으로 평가하기 위하여, 시뮬레이션 연구에서 사용된 것과 동일한 225개의 위치에 직경 20 mm의 단단한 반구형 압자가 장착된 커스텀 자유도 3의 선형 스테이지를 사용하여 압입되었다(도 8).

촉각 센서는 스테이지에 고정되었으며, 반구형 압자는 각 위치에서 상단 표면에서 약 3 mm 아래로 눌려졌다. 압입 동안, 센서는 사전에 정의된 최적의 전류 주입 패턴을 이용하여 전류를 주입하고 전압 전위를 측정하였다. 최상의 감지 성능을 위하여, 사용할 수 있는 모든 고유 벡터를 활용하였다.

도 9는 이와 같은 위치 측정 테스트의 결과를 나타낸다. 시뮬레이션 연구와 유사하게, 실제 위치와 추정 위치는 각각 원과 선분으로 도 9a에 나타나있다. 도 9b에서는 위치 측정 오류를 히트맵으로 나타내었다. 225개의 지점에서 위치 측정 오류의 평균 및 표준 편차는 2.85 cm ± 1.02 이다. 20 cm x 20 cm 크기의 정사각형에는 16 개의 전극만 포함되므로 이러한 위치 오류는 부정확한 전극 위치, 불균일한 초기 전도도 및 신호 노이즈와 같은 요인으로 인해 발생한다. 대부분의 오류는 센서 경계 근처에서 관찰된다.

이러한 영역을 통과하는 전류가 부족하여 경계에서의 오류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 중앙 영역은 모든 방향에서 전류를 전도할 수 있지만, 경계와 모서리 영역은 전류 전도 방향이 제한된다. 이는 전극 위치를 최적화함으로써 극복할 수 있다.

또한, 실시예 1의 센서는 단일 및 다중 접점의 위치를 측정할 수 있다. 예를 들어, 도 10은 센서와의 물리적 상호작용 및 이에 대응되는 재구성된 샘플의 사진을 나타낸다.

<실험예 3> 압입 실험 및 이를 통한 위치 측정 성능, 감도 성능 평가

도 16의 장치를 이용하여 실시예 3의 센서에 대하여 압입 실험을 수행하였다. 센서는 샤프트에 고정되고, 스테퍼 모터에 연결된다. 압자는 보이스 코일 모터(voice coil motor), 로드 셀(load cell) 및 구형 팁(spherical-shaped tip)으로 구성된다. 압자는 선형 모선 가이드(linear motion guide)에 설치되고, 타이밍 벨트(timing belt)를 통하여 다른 스테퍼 모터(stepper motor)에 연결됨으로써, 선형 가이드(linear guide)에서 움직일 수 있다.

실험 동안, 30×30 직사각형 그리드의 노드에서 센서를 900번 압입하였다. 압자가 적절한 위치로 이동되면 센서가 압입되고, 센서의 출력, 위치 및 힘 값이 동시에 기록된다. 그 후, 한 지점의 압입 데이터는 위치 측정 정확도, 공간 감도 분포 및 이미지 가시성과 같은 센서 성능을 평가하는 데 사용된다.

이와 같이 측정된 실험 데이터는 정규화 방법 및 DNN 기반 방법을 이용하여 전도도 이미지(30×30)로 변환되고, 출력 이미지로부터 재구성된 이미지의 중심(x_m, y_m)이 하기 수학식 2와 같이 계산된다.

<수학식 9>

여기서, i = 1, ... , 900 이다.

이와 같이 계산된 중심 위치를 압입 위치와 비교한다.

DNN 기반 방법 및 정규화 방법의 위치 측정 오차는 각각 5.2 ± 3.3 mm 및 5.5 ± 3.2 mm 이다. 즉 실시예 3의 위치 측정 성능이 매우 향상됨을 알 수 있다. 또한, 전도성 영역이 연결되어 있기 때문에 추정된 중심은 센서의 중심으로 편향되지 않는다. DNN 기반의 위치 측정 결과는 도 17에 나타나있다. 이러한 플롯의 왼쪽과 오른쪽이 원통형 표면에 연결되어 있고, 검은 점과 빨간색 원은 각각 압입 위치와 추정 위치를, 노란색 원은 전극의 위치를 나타낸다.

전압 변화의 규모는 압입된 위치의 전류 밀도에 의해 결정된다. 전류 밀도는 위치 및 구동 패턴에 따라 달라지므로 센서의 감도 또한 변하게 된다.

출력 이미지 I_i,j가 위치 (i,j)에 압입된 출력 전압으로부터 얻어질 때, 감도 분포 C_i,j는 재구성된 이미지 I_i,j의 피크 값을 상응하는 측정된 힘 F_i,j으로 나누어 계산된다.

<수학식 10>

여기서, i = 1, ... , 30 이고, j = 1, ... , 30 이다.

감도 분포는 도 18에 나타내었다. 또한, 감도 분포의 표준 편차는 감도 분포의 평균으로 정규화된다. DNN 방법의 경우 0.39, 정규화 방법의 경우 0.45를 나타낸다. 즉, DNN 기반으로 재구성된 경우 센서의 감도가 더욱 높아짐을 의미한다.

<실험예 5> 이미지 재구성

도 19는 실험예 4에서 얻은 압입 실험데이터를 이용하여 얻은 데이터를 히트맵 이미지로 변환한 것이다. 빨간색 점은 압입된 위치를 나타낸 것이고, 도 9a는 선형 방법(정규화), 도 9b는 DNN 기반 방법을 사용하여 재구성된 것이다.

도 9a 및 도 9b를 비교하면, 도 9a와 같이 선형 방법으로 재구성한 경우, 이미지가 흐리고 노이즈가 발생하여 압입된 위치를 쉽게 구별할 수 없지만, DNN 기반 방법은 보다 가시적인 이미지를 만들어 각 변동을 명확하게 구별할 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 뉴럴 네트워크가 센서의 비선형 동작을 부분적으로 보상할 수 있기 때문이다. 즉, DNN 기반 방법이 센서의 공간 분해능을 개선할 수 있다.

100 유연촉각센서
110 대상체
120 베이스층
130 전극
140 전도성층
150 표면층
200 전류인가부
300 전압측정부
400 데이터 분석부
1000 유연촉각센서 시스템

Claims (19)

1. 제1 전도성 물질을 포함하는 베이스층;
   상기 베이스층 상에 전체에 걸쳐 이격되어 배치되는 복수의 전극; 및
   상기 베이스층을 덮도록 배치되며, 상기 제1 전도성 물질과 상이한 전도도를 가지는 제2 전도성 물질을 포함하는 전도성층;
   을 포함하고,
   전기 저항 단층촬영(Electrical Resistance Tomography) 방법을 통하여 스트레인을 측정하는 유연촉각센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전극은
   상기 유연촉각센서로 스트레인을 측정하는 대상체에 일체화된 것을 특징으로 하는 유연촉각센서.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 전극은
   상기 대상체에 임베딩된 것을 특징으로 하는 유연촉각센서.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 베이스층은
   상기 대상체에 코팅되어 형성된 것을 특징으로 하는 유연촉각센서.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 베이스층은
   스프레이 코팅 또는 브러싱 방법에 의하여 코팅된 것을 특징으로 하는 유연촉각센서.
   
6. 제2항에 있어서,
   상기 대상체는 3차원 구조물인 것을 특징으로 하는 유연촉각센서.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전도성 물질은
   탄소나노튜브, 카본 블랙 및 전도성 고분자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연촉각센서.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2 전도성 물질은
   고전도성 직물 및 금속 필름으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연촉각센서.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 전도성층은 복수의 영역으로 구획된 것을 특징으로 하는 유연촉각센서.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 유연촉각센서는
    상기 전도성층 위에 신축성을 가지는 표면층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연촉각센서.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 표면층은
    네오프렌(Neoprene), 실리콘 고무 및 직물 기반 패딩으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연촉각센서.
    
12. 제1항의 유연촉각센서의 제조방법으로,
    제1 전도성 물질을 포함하는 베이스층 상에 전체에 걸쳐 이격되어 배치되도록 복수의 전극을 설치하는 단계; 및
    상기 복수의 전극이 설치된 베이스층 상에 상기 제1 전도성 물질과 상이한 전도도를 가지는 제2 전도성 물질을 포함하는 전도성층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 유연촉각센서 제조방법.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전도성 물질을 포함하는 베이스층 상에 전체에 걸쳐 이격되어 배치되도록 복수의 전극을 설치하는 단계는
    상기 유연촉각센서로 스트레인을 측정하는 대상체에 상기 전극이 일체화되도록 설치하는 단계; 및
    상기 전극이 설치된 대상체에 상기 제1 전도성 물질을 코팅하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연촉각센서 제조방법.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 전극이 설치된 대상체에 상기 제1 전도성 물질을 코팅하는 단계는
    상기 제1 전도성 물질이 분산된 용액을 스프레이 코팅 또는 브러싱하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 유연촉각센서 제조방법.
    
15. 제12항에 있어서,
    상기 유연촉각센서로 스트레인을 측정하는 대상체에 상기 전극이 일체화되도록 설치하는 단계에서
    상기 전극은 상기 대상체에 임베딩되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 유연촉각센서 제조방법.
    
16. 제1항의 유연촉각센서를 포함하는 센서부;
    상기 유연촉각센서 내의 복수의 전극에 전류를 인가하는 전류인가부; 및
    상기 전류인가부를 통하여 인가된 전류에 따른 복수의 전극 사이의 전압을 측정하는 전압측정부;
    를 포함하는 전기 저항 단층촬영(Electrical Resistance Tomography) 방법을 이용한 유연촉각센서 시스템.
    
17. 제16항에 있어서,
    상기 유연촉각센서 시스템은
    상기 전압측정부로부터 측정된 전압을 통하여 데이터를 분석 및 재구성하는 데이터 분석부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연촉각센서 시스템.
    
18. 제1항의 유연촉각센서에 압력을 가하는 단계(단계 1);
    상기 유연촉각센서 중 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전류를 인가하는 단계(단계 2);
    상기 유연촉각센서 중 임의의 한 쌍의 전극을 통하여 전위 값을 측정하는 단계(단계 3); 및
    상기 측정된 전위값으로부터 센서 내의 저항을 측정하는 단계(단계 4);
    를 포함하는 전기 저항 단층촬영 방법 기반의 스트레인 측정 방법.
    
19. 제18항에 있어서,
    상기 단계 2 및 단계 3에서
    임의의 한 쌍의 전극을 변경하면서 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 스트레인 측정 방법.
    
    

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