KR20220147853A - 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서, 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이 - Google Patents

섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서, 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이 Download PDF

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Abstract

본 발명은 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서, 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중공형태로 구성되고, 내면에 원주방향으로 사로 특정간격 이격되어 삽입되어 내면상에 노출되는 복수의 전극을 갖는 섬유형 센서가 직조되어 구성되는 직물형센서를 포함하고, 상기 직물형 센서의 특정위치에 힘이 인가되는 경우, 상기 섬유형 센서의 상기 전극 간 저항변화에 기반하여 힘이 인가된 위치와, 힘의 방향을 센싱하는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서에 관한 것이다.

Description

섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서, 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이{Tactile sensor array to measure force vector by combining fiber-based and film-based sensors}
본 발명은 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서, 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이에 관한 것이다.
인간의 피부에 있는 촉감 수용기는 통감수용기(pain receptor), 온감 수용기(warm receptor), 냉감 수용기(cold receptor), 및 기계적 자극을 감지하는 4가지의 기계수용기(mechanoreceptor)로 분류할 수 있다.
도 1은 인간의 피부에 있는 촉감수용기를 나타낸 모식도를 나타낸 것이고, 도 2는 촉감을 느끼는 손끝 신경세포의 주파수 의존도, 도 3은 촉감자극의 종류에 따른 수용기 반응을 모식적으로 나타낸 것이다.
Merkel 세포는 표피의 끝부분에 위치하는 느린 적응 I형(slowly adapting type I: SA-I) 수용체로 미세한 힘을 담당한다. Meissner`s 소체(Meissner`s corpuscle)는 진피돌기의 피부표면에 가까운 곳에 위치하는 빠른 적응 I형(rapid adapting type I: RA-I) 수용체로 입술, 손가락 끝, 혀 등에 많고 가벼운 touch를 담당한다.
Merkel 세포 및 Meissner`s 소체보다 조금 더 깊은 곳, 진피에 위치하는 것이 Ruffini 말단(Ruffini ending)으로 느린 적응 II형(SA-II)이고, 피부의 당김, 손가락 위치를 담당하는 정교한 운동조절에 관여한다.
가장 깊은 조직에 위치한 것이 Pacinian 소체(Pacinian corpuscle)로 빠른 적응 II형(RA-II)이고, 뼈까지 울리는 진동이나 압력을 담당한다.
느린 적응 수용기(SA-I & SA-II)는 정적인 압력에 반응하고, 빠른 적응 수용기(FA-I & FA-II)는 동적인 힘과 진동에 반응한다.
느린 적응 수용기 SA-I은 피부 끝부분에 위치하여 피부 압입(skin indentation)에 매우 높은 감도로 반응하며, 손끝과 같이 피부의 민감한 영역에 매우 높은 밀도로 존재하여, 물체의 형상 및 질감(texture)을 구분하기 위한 매우 정밀도가 높은 힘 정보를 제공한다.
느린 적응 수용기 SA-II는 피부 안쪽에 위치하여 피부가 늘어나는 것을 감지하므로 자기수용(自己受容, proprioception) 감각에 중요한 역할을 담당하며, 손바닥에 고르게 분포해 있다.
빠른 적응 수용기 RA-I은 물체의 조작 및 질감의 구별과 관계된 낮은 주파수(5-50 Hz)의 자극을 담당하는데, RA-I는 손안에 있는 물체의 위치변화와 물건을 집는데에 필요한 힘을 감지하는 데에 필수적이며, 손끝에 매우 높은 밀도로 존재한다.
빠른 적은 수용기 RA-II는 손바닥에 고르게 분포하여 있고, 230 Hz 부근에서 약 1 ㎛미만의 진동진폭도 감지가능하며, 400 Hz 정도의 높은 주파수의 진동까지 감지할 수 있으며, 물체의 질감분별과 미끄러짐 감지에 매우 중요하다.
일반적으로 손으로 어떤 물체를 잡을 때, 피부는 역감과 질감, 온도 등의 정보를 동시 다발적으로 습득한다. 이후 뇌는 이전에 기억하고 있던 촉각 정보와 비교하고 만약 일치하면 그 물체의 촉감이라고 판단하게 된다.
이에 촉각 센서는 물체를 잡을 때 사람의 손처럼 재질에 따른 거칠기, 마찰력, 온도, 강도 등 다양한 촉각 정보를 습득해야 한다.
인간의 피부는 압력과 더불어 전단력도 감지할 수 있으며, 이는 인간이 느끼는 촉감 인지에 상당히 중요하기 때문에 촉각 센서의 다양한 용도에 있어 전단력과 압력을 동시에 측정하고, 그 작용 위치를 파악하는 것은 필수적이다.
하지만, 압전재료를 사용하여 촉감 감지능력을 구현하고자 할 때 발생하는 문제점 중의 하나는 압전재료는 주로 수직방향의 압력은 잘 측정하나 전단력은 잘 측정하지 못하는 것인데, 이는 압전재료가 통상 분극 방향인 두께 방향의 응력(σ33)과 두께 방향의 변형률(ε33) 사이의 압전특성(d33)이 우수한 반면 다른 방향의 압전특성은 높지 않기 때문이다.
또한, 기존의 각종 센서들은 단단하고, 유연성이 없으므로 인체와 접촉되는 곳에 적용할 수 없는 한계점이 있으며, 한정된 면적에 여러 가지 센서를 부착하는 것은 공간적 제한이 따르고 작업이 어려울 뿐만 아니라 미관상 불량해지는 단점이 있다.
대한민국 공개특허 10-2019-0117037 대한민국 공개특허 10-2018-0103482 대한민국 등록특허 10-1381653 대한민국 등록특허 10-1407558
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 섬유형 변형률 센서 혹은 인공지문 돌기를 압전재료로 이루어진 촉감감지기 위에 배치하여, 촉감감지기 배열이 전단력 혹은 미끄러짐 운동 하에서도 높은 감지특성을 나타내도록 할 수 있는, 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서, 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 촉각센서의 상단 표면에는 사람의 지문을 모사한 섬유형 센서를 직조하여 미세한 변형을 감지하고 변형의 형태에 따라 힘의 방향을 파악하고, 온도가 높을수록 저항 변화가 커지는 섬유형 온도 센서를 함께 직조하여 사물 접촉 시 나타나는 열의 흐름을 파악하고 표면 온도를 측정할 수 있는, 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
그리도 본 발명의 실시예에 따르면, 촉각센서 하단의 고감도 압력 센서 어레이는 사물에 접촉하여 3축 방향의 힘(수직력, 전단력)을 동시에 측정하고, 여기서, 측정된 수직력과 수평력의 비가 바로 표면의 마찰계수가 되며, 사람이 손으로 누르듯이 고감도 압력 센서 어레이가 수직 방향으로 사물을 누르며 무르고 단단한 정도를 파악할 수 있고 또한, 직물형 센서와 압력 센서 어레이를 결합하여 힘이 작용할 때의 수직력과 전단력의 측정과 수직력의 작용 위치로부터 전단력이 작용하는 위치를 센싱할 수 있는, 섬유형 센서를 직조한 직물형센서와 필름형 압력센서를 이용한복합센서 어레이를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 수집된 여러 종류의 촉각정보(거칠기, 마찰력, 온도, 강도 등)는 각각 수치화되어 데이터베이스로 저장되며 신경망의 STDP(Spike-timing-dependent plasticity) 메커니즘을 섬유형 소자에 프로그래밍해 넣어 다량의 신호를 받아 처리하는데 시간 지연없이 핵심적인 신호를 실시간으로 받을 수 있는 직물형센서와 필름형 압력센서의 복합센서 어레이를 이용한 촉감정보 분석시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 촉각센서에 있어서, 중공형태로 구성되고, 내면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 삽입되어 내면상에 노출되는 복수의 전극을 갖는 섬유형 센서가 직조되어 구성되는 직물형센서를 포함하고, 상기 직물형 센서의 특정위치에 힘이 인가되는 경우, 상기 섬유형 센서의 상기 전극 간 저항변화에 기반하여 힘이 인가된 위치와, 힘의 방향을 센싱하는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 섬유형 센서는 열가소성 탄성중합체로 구성되는 중공형태의 몸체를 포함하고, 상기 전극은, 상기 몸체의 원주방향으로 서로 동일한 특정간격으로 이격되어 삽입 배치되거나, 또는 내면 상단측에 서로 특정간격 이격되어 삽입배치되는 복수의 상단전극과 상기 내면 하단측에 상기 상단전극보다 폭이 큰 하단전극을 포함하여 구성되고, 상기 전극은, 전도성 물질이 열가소성 폴리머와 중합된 복합체로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 열가소성 탄성중합체는 TPU 및 SEBS 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 전도성 물질은 카본블랙(CB), 탄소나노튜브(CNT), 은나노와이어(AgNW), 및 은나노파티클(AgNP) 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 열가소성 폴리머는 PP, PE, PVC 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 섬유형 센서는 중공형태 내면에 전극이 삽입된 프리폼을 제작한 후, 열적인발공정을 통해 제작되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 직물형 센서의 특정위치에 힘이 인가되는 경우, 상기 힘의 방향에 선상에 위치되는 전극 간에 접촉이 발생되며, 접촉된 상기 전극 간 저항변화에 기반하여 수직력과 전단력이 발생한 지점과, 힘의 방향과, 힘의 세기를 센싱하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 복합센서 어레이에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 촉각센서를 구성하는 직물형 센서; 상기 직물형 센서 하단에 구비되어 상기 직물형 센서를 몰딩하는 유연기판; 및 상기 유연기판 하단에 결합되며, 특정위치에 힘이 인가되는 경우 수직력과 전단력을 동시에 측정하는 필름형 압력센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이로서 달성될 수 있다 .
그리고 상기 직물형 센서를 구성하는 복수의 섬유형 센서 중 적어도 하나는 섬유형 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 필름형 압력센서는 상기 힘의 3축방향에 대한 세기를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 복합센서 어레이를 통한 촉각센싱방법에 있어서, 중공형태 내면에 복수의 전극이 삽입된 프리폼을 제작한 후, 열적인발공정을 통해 섬유형 센서를 제조하는 단계; 상기 섬유형 센서를 직조하여, 앞서 언급한 제1목적에 따른 직물형 센서를 제작하는 단계; 상기 직물형 센서를 유연기판상에 몰딩하는 단계; 상기 유연기판 하부에 필름형 압력센서를 부착하여, 복합센서 어레이를 제작하는 단계; 상기 복합센서 어레이에 힘이 인가되는 단계; 상기 직물형센서에서 상기 힘의 수직력과 전단력이 발생한 위치와 힘의 방향을 센싱하는 단계; 및 상기 필름형 압력센서를 통해 힘의 3축방향 힘의 세기를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합센서 어레이를 통한 촉각센싱방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제4목적은 촉감분석시스템에 있어서, 앞서 언급한 제2목적에 따른 복합센서 어레이; 상기 복합센서 어레이에서 측정된 힘의 발생위치, 방향, 온도 및 힘의 세기정보를 사용자 단말기 측으로 전송하는 통신수단; 및 상기 사용자 단말기 상에 설치되거나 어플이케이션으로 다운로드되어, 상기 힘의 발생위치, 방향, 온도 및 힘의 세기를 기반으로, 강도, 질감, 거칠기, 및 마찰력 중 적어도 하나 이상을 분석하는 분석수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합센서 어레이를 이용한 촉감분석시스템으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서, 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이에 따르면, 섬유형 변형률 센서 혹은 인공지문 돌기를 압전재료로 이루어진 촉감감지기 위에 배치하여, 촉감감지기 배열이 전단력 혹은 미끄러짐 운동 하에서도 높은 감지특성을 나타내도록 할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서, 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이에 따르면, 촉각센서의 상단 표면에는 사람의 지문을 모사한 섬유형 센서를 직조하여 미세한 변형을 감지하고 변형의 형태에 따라 힘의 방향을 파악하고, 온도가 높을수록 저항 변화가 커지는 섬유형 온도 센서를 함께 직조하여 사물 접촉 시 나타나는 열의 흐름을 파악하고 표면 온도를 측정할 수 있는 효과를 갖는다.
그리도 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서, 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이에 따르면, 촉각센서 하단의 고감도 압력 센서 어레이는 사물에 접촉하여 3축 방향의 힘(수직력, 전단력)을 동시에 측정하고, 여기서, 측정된 수직력과 수평력의 비가 바로 표면의 마찰계수가 되며, 사람이 손으로 누르듯이 고감도 압력 센서 어레이가 수직 방향으로 사물을 누르며 무르고 단단한 정도를 파악할 수 있고 또한, 직물형 센서와 압력 센서 어레이를 결합하여 힘이 작용할 때의 수직력과 전단력의 측정과 수직력의 작용 위치로부터 전단력이 작용하는 위치를 센싱할 수 있는 효과를 갖는다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서, 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이에 따르면, 수집된 여러 종류의 촉각정보(거칠기, 마찰력, 온도, 강도 등)는 각각 수치화되어 데이터베이스로 저장되며 신경망의 STDP(Spike-timing-dependent plasticity) 메커니즘을 섬유형 소자에 프로그래밍해 넣어 다량의 신호를 받아 처리하는데 시간 지연없이 핵심적인 신호를 실시간으로 받을 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 인간의 피부에 있는 촉감수용기를 나타낸 모식도,
도 2는 촉감을 느끼는 손끝 신경세포의 주파수 의존도,
도 3은 촉감자극의 종류에 따른 수용기 반응,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서를 제조하기 위한 열적인발공정과, 제조된 섬유형 센서의 단면도,
도 5a 내지 도 5b 및 도 6은 본 발명의 실시예에 적용되는 열적 인발 공정(thermal drawing process)의 흐름도와 열적 인발 공정에 적용되는 화이버 드로잉 타워(Fiber Drawing Tower) 사진, 열적 인발 공정을 통해 제작한 섬유 예,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 ①②③방향으로 힘이 가해지는 섬유형 센서의 사시도,
도 8a는 도 7에서 ①방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도,
도 8b는 도 7에서 ②방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도,
도 8c는 도 7에서 ③방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도,
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ①방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도,
도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ②방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도,
도 9c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ③방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서가 직조된 직물형센서와, 필름형 압력센서가 결합된 복합센서 어레이의 평면도와, 그 복합센서 어레이가 부착된 로봇손,
도 11은 도 10의 A-A 단면도
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 직물형센서와, 필름형 압력센서가 결합된 복합센서 어레이를 이용한 촉각센싱방법의 흐름도,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 온도센서를 포함하는 복합센서 어레이의 부분단면도,
도 14a는 본 발명의 실시예에 따른 복합센서 어레이가 부착된 로봇손이 컵을 쥐고 있는 사시도,
도 14b는 도 14a의 상태에서 복합센서 어레이가 힘의 방향과, 3축방향 힘을 측정하는 상태의 단면도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이의 구성, 기능 및 그 복합센서 어레이를 이용한 촉각센싱방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 복합센서 어레이를 구성하는 직물형센서에 대해 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예에 따른 직물형센서는 복수의 섬유형센서가 직조되어 제작되게 된다. 이러한 섬유형 센서는 힘의 전단력과 수직력이 인가된 위치와 함께, 전단력과 수직력에 대한 힘의 방향을 센싱하도록 구성된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서를 제조하기 위한 열적인발공정과, 제조된 섬유형 센서의 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서(10)는 섬유형 압력, 전단센서로서, 내부중공(12)을 갖는 중공형태로 구성되고, 내면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 삽입되어 내면상에 노출되는 복수의 전극(13)을 갖도록 구성된다.
즉, 섬유형 센서(10)는 열가소성 탄성중합체로 구성되는 중공형태의 몸체(11)를 포함하며, 복수의 전극(13)은 길이방향이 몸체(11)의 길이방향을 따라 배열되게 되며, 몸체(11)의 원주방향으로 서로 특정간격으로 이격되어 삽입 배치되고 일측 표면은 몸체(11)의 내면상에서 노출되게 된다.
이러한 전극(13)은 전도성 물질이 열가소성 폴리머와 중합된 복합체로 구성될 수 있다. 전도성 물질은 카본블랙(CB), 탄소나노튜브(CNT), 은나노와이어(AgNW), 및 은나노파티클(AgNP) 등으로 구성될 수 있으며, 열가소성 폴리머는 PP, PE, PVC 등으로 구성될 수 있다.
섬유형 센서(10)의 몸체(11)를 구성하는 열가소성 탄성중합체는 TPU, SEBS 등으로 구성될 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서(10)는 열적인발공정을 통해 제작된다.
도 5a 내지 도 5b 및 도 6은 본 발명의 실시예에 적용되는 열적 인발 공정(thermal drawing process)의 흐름도와 열적 인발 공정에 적용되는 화이버 드로잉 타워(Fiber Drawing Tower) 사진, 열적 인발 공정을 통해 제작한 섬유 예를 도시한 것이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 원통형 프리폼을 제작한 후에, 상대적으로 직경이 큰 프리폼을 노(Furnace)를 통해 열적 인발하여 직경이 감소된 섬유(fiber)를 제작할 수 있게 된다. 그리고 노를 통해 열적 인발 후, 폴링(poling), 경화, 냉각, 코팅 등의 공정이 추가될 수 있다.
본 발명에서는 이러한 열적 인발 공정을 적용하여 섬유형 센서(10)를 제작하게 된다. 즉, 중공형태 내면에 전극이 삽입된 프리폼(1)을 제작한 후, 열적인발공정을 통해 제작된다. 마크로(Macro) 사이즈의 프리폼(1)을 제작하고, 열적인발공정을 통해 동일 단면의 마이크로 사이즈의 섬유형 센서(10)를 제작할 수 있게 된다. 이러한 프리폼(1) 및 섬유형 센서(10)의 단면은 모두 중공 형태의 탄성중합체에 서로 분리된 수 ~ 수십개의 전극(13)이 내면을 따라 배열된 형상을 갖는다.
섬유형 센서(10)의 특정위치에 힘이 인가되는 경우, 섬유형 센서(10)의 전극(13) 간 저항변화에 기반하여 힘이 인가된 위치와, 힘의 방향을 센싱하게 된다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 ①②③방향으로 힘이 가해지는 섬유형 센서의 사시도를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 이러한 복수의 전극(13)은 몸체(11)의 내면에 8개로서 서로 동일한 특정간격을 가지고 배치되도록 구성될 수 있다.
도 8a는 도 7에서 ①방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도를 도시한 것이다. 도 8b는 도 7에서 ②방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 8c는 도 7에서 ③방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도를 도시한 것이다.
즉, X방향으로 배치된 섬유형 센서(10)의 특정지점에 수직력일 작용하는 경우(①방향으로 힘), 도 8a에 도시된 바와 같이, 섬유형 센서(10)의 최하단 전극(13)과 최상단 전극(13) 즉, 1번과 5번 전극이 맞닿아 전류가 흐르게 됨을 알 수 있다.
그리고 ②방향 힘과 같은 전단력이 작용할 경우 도 8b에 도시된 바와 같이, 10시 ~ 11시 방향의 전극(8번전극)(13)과, 4 ~ 5시 방향 전극(4번전극)(13)이 서로 맞닿아 해당전극에 전류가 흐르게 된다. 또한, ③방향 힘과 같은 전단력이 작용할 경우 도 8c에 도시된 바와 같이, 1시 ~ 2시 방향의 전극(2번전극)(13)과, 7 ~ 8시 방향 전극(6전극)(13)이 서로 맞닿아 해당전극에 전류가 흐르게 된다.
이때 측정되는 저항값을 읽어, 전극(13) 접촉이 발생한 지점의 정확한 좌표확인이 가능하고, 이러한 원리로 섬유형 센서(10)의 모든 전극(13)을 연결하면, 수직력과 전단력이 발생한 정확한 지점과 힘이 가해진 방향을 센싱할 수 있게 된다.
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ①방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도를 도시한 것이다. 도 9b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ②방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도를 도시한 것이고, 도 9c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ③방향으로 힘이 가해지는 경우의 섬유형 센서의 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 섬유형 센서(10)의 몸체(11) 내면 상단측에 서로 특정간격 이격되어 삽입배치되는 복수의 상단전극(14)과 내면 하단측에 상단전극보다 폭이 큰 하단전극(15)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 섬유형 센서(10)의 특정 지점에 수직력이 작용할 경우(①방향으로 힘이 가해지는 경우) 섬유형 센서(10) 내 두 개의 상단 전극(14)과 하단 전극(15)이 맞닿아 전류가 흐르게 됨을 알 수 있다.
또한, 도 9b에 도시된 바와 같이, ②방향으로 전단력이 작용할 경우 힘의 방향 선상에 위치한 상단 전극(14)(1번 전극)과 하단 전극(15)이 맞닿아 해당 전극에 전류가 흐르게 되고, 도 9c에 도시된 바와 같이, ③방향으로 전단력이 작용할 경우 힘의 방향 선상에 위치한 상단 전극(14)(2번 전극)과 하단 전극(15)이 맞닿아 해당 전극에 전류가 흐르게 된다.
이때 측정되는 저항값을 읽어, 전극 접촉이 발생한 지점의 정확한 좌표 확인 가능하게 된다. 이러한 원리로 단 3 개의 전극이 내장된 섬유를 서로 직조하면, 수직력 혹은 전단력이 발생한 정확한 지점과 힘이 가해진 방향을 센싱 가능하게 된다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 섬유형 센서가 직조된 직물형센서와, 필름형 압력센서가 결합된 복합센서 어레이의 평면도와, 그 복합센서 어레이가 부착된 로봇손을 도시한 것이고, 도 11은 도 10의 A-A 단면도를 도시한 것이다.
직물형 센서(30)는 이러한 복수의 섬유형 센서(10)를 직조하여 제작하게 된다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 복합센서 어레이(100)는, 직물형 센서(30) 하단에 구비되어 직물형 센서(30)를 몰딩하는 유연기판(40)과, 유연기판(40) 하단에 결합되며 특정위치에 힘이 인가되는 경우 수직력과 전단력을 동시에 측정하는 필름형 압력센서(50)를 포함하여 구성될 수 있다. 유연기판(40)은 PDMS와 같은 탄성중합체로 구성될 수 있다.
즉, 섬유형 센서(10)가 직조된 직물형 센서(30)를 통해 힘의 위치와 방향(수직, 전단 각도)을 측정하고, 필름형 압력센서(50)를 통해 3축방향의 힘의 세기를 측정하게 된다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 직물형센서와, 필름형 압력센서가 결합된 복합센서 어레이를 이용한 촉각센싱방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저, 중공형태 내면에 복수의 전극이 삽입된 프리폼(1)을 제작한 후, 열적인발공정을 통해 섬유형 센서(10)를 제조하게 된다(S1). 그리고 이러한 복수의 섬유형 센서(10)를 직조하여, 직물형 센서(30)를 제작하게 된다(S2).
또한 직물형 센서(30)를 유연기판(40)상에 몰딩하고(S3), 유연기판(40) 하부에 필름형 압력센서(50)를 부착하여, 복합센서 어레이(100)를 제작하게 된다(S4).
그리고 복합센서 어레이(100)에 힘이 인가되게 되면(S5), 직물형센서(30)에서 힘의 수직력과 전단력이 발생한 위치와 힘의 방향을 센싱하게 된다(S6). 그리고 필름형 압력센서(50)를 통해 힘의 3축방향 힘의 세기를 측정하게 된다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 온도센서를 포함하는 복합센서 어레이의 부분단면도를 도시한 것이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 직물형 센서를 구성하는 복수의 섬유형 센서 중 적어도 하나는 섬유형 온도센서(20)를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
즉, 온도가 높을수록 저항변화가 커지는 섬유형 온도 센서(20)를 함께 직조하여 온도 변화도 함께 측정 가능하다. 따라서 3차원의 입체적인 통합 방식으로 다중 자극 감지를 수행하고, 동시에 세 개 이상의 자극을 모니터링할 수 있게 된다.
도 14a는 본 발명의 실시예에 따른 복합센서 어레이가 부착된 로봇손이 컵을 쥐고 있는 사시도를 도시한 것이다. 또한 도 14b는 도 14a의 상태에서 복합센서 어레이가 힘의 방향과, 3축방향 힘을 측정하는 상태의 단면도를 도시한 것이다.
도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이, 로봇 손 바닥에 부착된 복합센서 어레이(100)에서, 사람의 지문을 모사한 섬유형 센서(10)를 직조하여 미세한 변형을 감지하고 변형의 형태에 따라 힘의 위치 및 방향을 파악하게 된다. 또한 고감도 압력 센서(50) 어레이는 사물에 접촉하여 3축 방향의 힘(수직력, 전단력)을 동시에 측정하게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 수집된 여러 종류의 촉각정보(거칠기, 마찰력, 온도, 강도 등)는 각각 수치화되어 데이터베이스로 저장되며 신경망의 STDP(Spike-timing-dependent plasticity) 메커니즘을 섬유형 소자에 프로그래밍해 넣어 다량의 신호를 받아 처리하는데 시간 지연없이 핵심적인 신호를 실시간으로 받을 수 있다.
또한, 통신수단을 통해, 복합센서 어레이에서 측정된 힘의 발생위치, 방향, 온도 및 힘의 세기정보를 사용자 단말기(테블릿, PC, 스마트폰 등) 측으로 전송하도록 구성될 수 있다.
분석수단은 사용자 단말기 상에 설치되거나 어플이케이션으로 다운로드되어 질 수 있으며, 분석수단은 전송받은 힘의 발생위치, 방향, 온도 및 힘의 세기를 기반으로, 강도, 질감, 거칠기, 및 마찰력 등을 분석하게 된다. 이러한 전송받은 촉각정보와, 분석데이터는 사용자 단말기 상의 디스플레이부를 통해 디스플레이될 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:프리폼
10:섬유형 센서
11:몸체
12:내부중공
13:전극
14:상단전극
15:하단전극
20:섬유형 온도센서
30:직물형 센서
40:유연기판
50:필름형 압력센서
100:직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이

Claims (10)

  1. 촉각센서에 있어서,
    중공형태로 구성되고, 내면에 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 삽입되어 내면상에 노출되는 복수의 전극을 갖는 섬유형 센서가 직조되어 구성되는 직물형센서를 포함하고,
    상기 직물형 센서의 특정위치에 힘이 인가되는 경우, 상기 섬유형 센서의 상기 전극 간 저항변화에 기반하여 힘이 인가된 위치와, 힘의 방향을 센싱하는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 섬유형 센서는 열가소성 탄성중합체로 구성되는 중공형태의 몸체를 포함하고,
    상기 전극은, 상기 몸체의 원주방향으로 서로 동일한 특정간격으로 이격되어 삽입 배치되거나, 또는 내면 상단측에 서로 특정간격 이격되어 삽입배치되는 복수의 상단전극과 상기 내면 하단측에 상기 상단전극보다 폭이 큰 하단전극을 포함하여 구성되고,
    상기 전극은, 전도성 물질이 열가소성 폴리머와 중합된 복합체로 구성되는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서,
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 열가소성 탄성중합체는 TPU 및 SEBS 중 적어도 어느 하나를 포함하고,
    상기 전도성 물질은 카본블랙(CB), 탄소나노튜브(CNT), 은나노와이어(AgNW), 및 은나노파티클(AgNP) 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
    상기 열가소성 폴리머는 PP, PE, PVC 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서,
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 섬유형 센서는
    중공형태 내면에 전극이 삽입된 프리폼을 제작한 후, 열적인발공정을 통해 제작되는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서,
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 직물형 센서의 특정위치에 힘이 인가되는 경우, 상기 힘의 방향에 선상에 위치되는 전극 간에 접촉이 발생되며, 접촉된 상기 전극 간 저항변화에 기반하여 수직력과 전단력이 발생한 지점과, 힘의 방향과, 힘의 세기를 센싱하는 것을 특징으로 하는 섬유형 센서를 직조한 직물형센서를 이용한 힘벡터 측정용 촉각센서,
  6. 복합센서 어레이에 있어서,
    제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 촉각센서를 구성하는 직물형 센서;
    상기 직물형 센서 하단에 구비되어 상기 직물형 센서를 몰딩하는 유연기판; 및
    상기 유연기판 하단에 결합되며, 특정위치에 힘이 인가되는 경우 수직력과 전단력을 동시에 측정하는 필름형 압력센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 직물형 센서를 구성하는 복수의 섬유형 센서 중 적어도 하나는 섬유형 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이.
  8. 제 7항에있어서,
    상기 필름형 압력센서는 상기 힘의 3축방향에 대한 세기를 측정하는 것을 특징으로 하는 직물형센서와 필름형센서를 이용한 복합센서 어레이.
  9. 복합센서 어레이를 통한 촉각센싱방법에 있어서,
    중공형태 내면에 복수의 전극이 삽입된 프리폼을 제작한 후, 열적인발공정을 통해 섬유형 센서를 제조하는 단계;
    상기 섬유형 센서를 직조하여, 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 직물형 센서를 제작하는 단계;
    상기 직물형 센서를 유연기판상에 몰딩하는 단계;
    상기 유연기판 하부에 필름형 압력센서를 부착하여, 복합센서 어레이를 제작하는 단계;
    상기 복합센서 어레이에 힘이 인가되는 단계;
    상기 직물형센서에서 상기 힘의 수직력과 전단력이 발생한 위치와 힘의 방향을 센싱하는 단계; 및
    상기 필름형 압력센서를 통해 힘의 3축방향 힘의 세기를 측정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합센서 어레이를 통한 촉각센싱방법.
  10. 촉감분석시스템에 있어서,
    제 8항에 따른 복합센서 어레이;
    상기 복합센서 어레이에서 측정된 힘의 발생위치, 방향, 온도 및 힘의 세기정보를 사용자 단말기 측으로 전송하는 통신수단; 및
    상기 사용자 단말기 상에 설치되거나 어플이케이션으로 다운로드되어, 상기 힘의 발생위치, 방향, 온도 및 힘의 세기를 기반으로, 강도, 질감, 거칠기, 및 마찰력 중 적어도 하나 이상을 분석하는 분석수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합센서 어레이를 이용한 촉감분석시스템.




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