KR20230059298A

KR20230059298A - 소프트 압력 센서 및 이를 이용하는 로봇용 안전 외피

Info

Publication number: KR20230059298A
Application number: KR1020210143336A
Authority: KR
Inventors: 경기욱; 황건우; 남종석; 김민기; 김형철; 박준건; 마지형
Original assignee: 한국과학기술원; (주)아스토
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2023-05-03
Also published as: KR102572865B1

Abstract

본 발명의 소프트 압력 센서 및 이를 이용하는 로봇용 안전 외피에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서는 전하 축적 특성을 갖는 기능성 고분자로 이루어지는 변형부; 변형부의 일면에 형성되는 제1 전극 및 변형부의 일면과 마주하는 상대면에 형성되는 제2 전극을 포함하는 전극부; 및 제1 전극으로의 전압 인가를 제어하고 제2 전극에서의 전압 또는 전압 변화를 감지하는 제어부;를 포함한다.

Description

소프트 압력 센서 및 이를 이용하는 로봇용 안전 외피{SOFT PRESSURE SENSOR AND SAFETY SKIN FOR ROBOT USING THE SAME}

본 발명은 소프트 압력 센서 및 이를 이용하는 로봇용 안전 외피에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대면적의 압력을 감지하면서도 높은 민감도를 가지며, 신축성 및 충격 흡수 기능을 갖는 소프트 압력 센서와 이를 사용하는 로봇용 안전 외피에 관한 것이다.

압력 센서는 스마트 윈도우, 디스플레이, 휴대 전화와 같은 다양한 장치에 광범위하게 적용되고 있으며, 최근에는 로봇에서 충돌을 감지하면서도 충돌 시 충격을 흡수할 수 있도록 하는 안전 외피로도 사용되고 있다.

현재 알려져 있는 압력 센서로는 공압 주머니 타입, 축전기 타입, 압전 저항 타입, 압전 전기 타입 타입 등이 있다.

공압 주머니를 이용한 압력 센서는 접촉 대상물에 손상을 가하지 않고 공압 주머니의 모듈화가 용이하다는 장점이 있으나, 공기의 압축성에 의해 응답 속도가 느리고, 공압을 측정하는 장치가 모듈 내부에 존재해야 하기 때문에 소형화가 어렵다는 단점이 있다. 축전기 타입의 압력 센서는 일반적으로 비압축성 소재를 이용하기 때문에 빠른 응답속도를 갖고 단순한 구조로 소형화가 용이하며 높은 민감도를 갖도록 설계할 수 있으나, 외부 환경에 의해 정전용량의 변화가 발생하기 쉽기 때문에 신호 잡음이 발생할 가능성이 높은 문제가 있다. 압전 저항 타입의 압력 센서 역시 비압축성 소재를 이용하여 빠른 응답속도를 구현하고, 소형화가 가능하며 높은 민감도를 확보할 수 있다는 이점이 있으나, 저항 성분을 사용하기 때문에 지속적으로 에너지를 소모한다는 한계가 존재한다. 압전 전기 타입의 압력 센서는 자체적으로 에너지를 생성하기 때문에 센서 구동에 전력 공급이 필요하지 않다는 장점이 있으나, 축전기 타입 또는 압전 저항 타입에 비해 센서의 민감도가 상대적으로 낮다는 단점이 있다.

이처럼, 기존의 압력 센서들은 각각의 이점에도 불구하고 사용 상 문제가 존재한다. 또한, 기존의 압력 센서들은 넓은 면적에 대하여 효과적으로 사용하는 데에도 한계가 존재한다. 이에, 이러한 기존 압력 센서들의 한계를 극복한 새로운 형태의 압력 센서의 개발이 여전히 요구되고 있는 실정이다.

등록특허공보 제1708113호(2017. 2. 13)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위한 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 대면적의 압력 감지가 가능하면서도 필요한 영역에서 높은 민감도를 갖는 소프트 압력 센서를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

본 발명은 인장이나 굽힘이 발생하는 환경에도 적용할 수 있고, 외부 압력에 의한 충격을 흡수할 수 있는 소프트 압력 센서를 제공하는 것에도 그 목적이 있다.

본 발명은 압력 측정을 통해 충돌을 감지하고 충격 흡수가 가능한 로봇용 안전 외피를 제공하는 것에 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서는 전하 축적 특성을 갖는 기능성 고분자로 이루어지는 변형부; 변형부의 일면에 형성되는 제1 전극 및 변형부의 일면과 마주하는 상대면에 형성되는 제2 전극을 포함하는 전극부; 및 제1 전극으로의 전압 인가를 제어하고 제2 전극에서의 전압 또는 전압 변화를 감지하는 제어부;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 변형부의 기능성 고분자는 고분자 사슬 및 상기 고분자 사슬 사이에 배치되는 이동성 쌍극자를 포함할 수 있다. 여기에서, 제1 전극에 전압이 인가되고 변형부에 압력이 인가될 때, 이동성 쌍극자의 이동 및 배향에 따라 제2 전극에서 전압 변화가 발생할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 전극은 복수의 전극을 포함할 수 있고, 복수의 제2 전극은 제1 전극을 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 변형부의 내부에 돌출 구조물이 설치될 수 있다. 여기에서, 돌출 구조물은 제1 전극에 대향하여 설치될 수 있고, 돌출 구조물에서 제1 전극에 마주하는 면에 제2 전극이 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 변형부의 내부에 공극이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전극과 제2 전극은 변형부의 일면과 상대면에 각각 도전성 물질이 코팅되어 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극부는 변형부의 상대면에 형성되고 접지 전극으로서 기능하는 제3 전극을 더 포함할 수 있다. 이때, 제1 전극과 제2 전극 사이의 수평 방향 거리는 제2 전극과 제3 전극 사이의 수평 방향 거리보다 작게 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극부는 복수의 전극부 세트를 포함할 수 있고, 복수의 전극부 세트 각각은 하나의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 포함할 수 있으며, 복수의 전극부 세트 각각은 고강성 고분자로 둘러싸여 서로 이격 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서는 제1 전극 또는 제2 전극을 외부와 분리하기 위하여 제1 전극이 형성되는 변형부의 일면 또는 제2 전극이 형성되는 변형부의 상대면에 배치되는 절연부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서는 외부 장치와의 연결을 위하여 제2 전극이 형성되는 변형부의 상대면에 배치되는 지지부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안전 외피는, 전하 축적 특성을 갖는 기능성 고분자로 이루어지는 변형부; 변형부의 일면에 형성되는 제1 전극 및 변형부의 일면과 마주하는 상대면에 형성되는 제2 전극을 포함하는 전극부; 및 제1 전극으로의 전압 인가를 제어하고, 제2 전극에서의 전압 또는 전압 변화를 감지하는 제어부;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안전 외피는 로봇 핸드 및 로봇 암 중 적어도 하나에 장착되도록 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이동성 쌍극자를 포함하는 변형부와 변형부에 배치되는 전극부에 의해, 소프트 압력 센서가 높은 민감도로 압력을 감지할 수 있고 넓은 면적에서의 압력도 효과적으로 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 소프트 압력 센서를 인장력이나 굽힘력이 발생하는 환경에도 적용할 수 있고, 외부 압력에 의한 충격도 효과적으로 흡수할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 넓은 면적에 걸친 압력 측정을 통해 충돌을 감지하고 충격 흡수가 가능한 로봇용 안전 외피를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A'선을 따라 절취한 본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서에 외부 압력이 인가될 때 이를 감지하는 모습을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서에 인장이 발생할 때의 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 전극부 구성에 관한 변형예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 소프트 압력 센서에 외부 압력이 인가될 때 이를 감지하는 모습을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 소프트 압력 센서를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서를 로봇의 안전 외피로 사용한 로봇을 예시적으로 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명한다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 본 발명과 관계없는 부분의 설명은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성요소의 크기, 두께, 위치 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 즉, 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있으며, 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 A-A' 선을 따라 절취한 소프트 압력 센서의 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서(100)는 변형부(110), 전극부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서(100)의 변형부(110)는 외부 압력에 따라 변형되어 압력 변화를 감지할 수 있도록 하면서 외부 압력에 의한 충격을 흡수하는 기능을 수행한다.

본 실시예에 따르면, 변형부(110)는 전하 축적 특성 및 신축성을 갖는 기능성 고분자로 구성될 수 있다. 도 2를 참조하면, 변형부(110)는 고분자 사슬(111) 및 이동성 쌍극자(113)를 포함하는 기능성 고분자로 구성될 수 있다. 고분자 사슬(111)은 변형부(110)의 전체 구조를 지지하는 기능을 하되 성긴 구조로 얽혀 있어 외부 압력에 따라 변형될 수 있다. 이동성 쌍극자(113)는 고분자 사슬(111) 사이에 분포될 수 있으며, 가소제로서 작용하여 고분자 사슬(111) 간 인력을 감소시켜 유연성을 높인다. 또한, 이동성 쌍극자(113)는 고분자 사슬(111)을 더욱 성긴 구조로 만들어 변형부(110)의 기계적 특성을 조절하는 기능도 수행할 수 있다. 이동성 쌍극자(113)는 전압이 인가된 방향으로 이동하여 전압이 인가된 전극을 중심으로 높은 전압 강하를 발생시킴으로써, 해당 영역에서의 압력 감지 민감도를 향상시킬 수 있는데, 이에 대하여는 뒤에서 구체적으로 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 변형부(110)는 이동성 쌍극자를 포함하는 PVC-gel로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 변형부를 이동성 이온을 포함하는 PVA-gel, IPMC(Ionic polymer metal composite) 등의 소재로 구성하는 것도 가능하다.

본 실시예에 따르면, 변형부(110)의 전기적 특성을 조절하기 위하여 변형부(110)에 전도성 물질 내지 이온 이동을 발생시키는 물질이 첨가될 수 있다. 이러한 첨가 물질로는 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 액체이온(liquid ion), 전도성 고분자(PEDOT:PSS, PANI 등 ) 등을 사용할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서(100)의 전극부(120)는 변형부(110)의 적어도 일면에 배치되어 압력 감지를 위한 전압이 인가되고 전압 변화를 측정할 수 있도록 구성된다. 본 실시예에 따르면, 전극부(120)는 변형부(110)의 적어도 일면에 도전성 물질이 코팅되어 형성될 수 있으며, 신축성을 갖는 유연 전극으로 구성될 수 있다. 전극부(120)를 구성하는 물질로는 하이드로젤(hydrogel), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 은 나노와이어(AgNW), 액체금속(liquid metal) 등을 사용할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 전극부(120)는 변형부(110)의 일면(즉, 상면)에 배치되는 제1 전극(121), 제1 전극(121)이 배치되는 변형부(110) 일면의 상대면(즉, 하면)에 배치되는 제2 전극(123), 제2 전극(123)이 배치되는 변형부(110)의 상대면(즉, 하면)에서 제2 전극(123)과 이격되어 배치되는 제3 전극(125)을 포함하여 구성될 수 있다. 제1 전극(121)은 후술하는 제어부(130)에 의해 전압이 인가되는 작동 전극으로, 전압이 인가될 때 변형부(110) 내의 이동성 쌍극자(113)를 유도하는 기능을 수행할 수 있다. 제2 전극(123)은 제1 전극(121)의 맞은편에 배치되어 외부 압력이 인가됨에 따라 전압 변화를 감지하는 신호 전극으로 기능할 수 있다. 제2 전극(123)은 하나의 제1 전극(121)에 대하여 복수 개 배치될 수 있으며, 복수 개의 제2 전극(123)은 제1 전극(121)을 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 제1 전극(121)에 대응하여 4개의 제2 전극(123)이 제1 전극(121)을 중심으로 대칭되도록 배치될 수 있다. 제3 전극(125)은 신호 전극으로 기능하는 제2 전극(123)과 동일한 면에 배치되되 이와 이격되어 배치되어, 소프트 압력 센서(100)의 작동을 위한 전압 인가 시 접지 연결을 위한 접지 전극으로 기능할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서(100)의 제어부(130)는 전극부(120)와 전기적으로 연결되어 전압을 인가하고 신호를 측정하는 기능을 수행한다. 구체적으로, 제어부(130)는 제1 전극(121)에 전압을 인가하고, 제2 전극(123)에서 측정되는 변형부(110)의 전압 내지 전압 변화에 관한 신호를 수신하여 압력을 감지, 측정할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서(100)는 변형부(110)의 적어도 일면에 형성되는 절연부(140) 및 지지부(150)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서(100)의 절연부(140)는 변형부(100)의 적어도 일면에 배치되어 전극부(120)를 외부 요인과 분리하는 기능을 수행한다. 이를 통해, 절연부(140)는 변형부(110)의 적어도 일면에 형성되는 전극부(120)의 방전을 방지할 수 있다. 절연부(140)는 변형부(110)의 양면을 덮도록 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이와 달리 변형부(110)의 어느 한 면에만 형성되는 것도 가능할 것이다. 본 실시예에 따르면, 절연부(140)는 변형부(110)와 동일한 소재로 이루어질 수 있으며, 절연 성능이 우수한 고분자 내지 탄성체로 이루어지는 것도 가능하다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서(100)의 지지부(150)는 소프트 압력 센서(100)를 일면에서 지지하고 외부 장치에 연결, 고정시키는 기능을 수행한다. 지지부(150)는, 변형부(110) 및 절연부(140)와 달리, 외부 장치와의 견고한 연결을 위하여 비신축성의 소재로 이루어질 수 있다. 소프트 압력 센서(100)는 지지부(150)를 통해 로봇 핸드, 로봇 암 등에 고정되어 로봇용 안전 외피로 기능할 수 있다.

한편, 본 발명의 제1 실시예에서는 소프트 압력 센서(100)의 전극부(120)의 전극들(121, 123, 125)은 변형부(110)에 형성되는 것으로 설명하고 있으나, 전극부(120)의 전극들(121, 123, 125)은 절연부(140) 또는 지지부(150)에 형성될 수도 있다. 특히, 전극이 지지부(150)에 형성되는 경우에는 유연 전극 대신에 비신축성 전극, 예를 들어 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 전도성 고분자(PEDOT:PSS, PANI 등), 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)을 포함하는 전극으로 구성될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서에 외부 압력이 인가될 때 이를 감지하는 모습을 예시적으로 나타내는 도면으로, 이하에서는 이를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서(100)의 압력 감지 메커니즘을 설명한다.

먼저, 도 3의 (a)를 참조하면, 소프트 압력 센서(100)가 작동하지 않는 상태에서는 변형부(110) 내부에서 이동성 쌍극자(113)가 무작위로 배열되어 있다가, 소프트 압력 센서(100)의 작동을 위하여 작동 전극인 제1 전극(121)에 전압이 인가되면 변형부(110) 내부의 이동성 쌍극자(113)가 전압이 인가된 곳, 즉 제1 전극(121)을 향해 이동하게 된다. 이동성 쌍극자(113)가 이동하면서 동시에 제1 전극(121)을 향하여 배향함으로써, 제1 전극(121) 영역(제1 전극을 중심으로 이동성 쌍극자가 밀집된 영역)에 큰 전압 강하가 발생하게 된다. 이때, 고분자 사슬(111)이 이동성 쌍극자(113)와 함께 끌려갈 수 있으나, 고분자 사슬(111)의 이동은 고분자 사슬(111)과 이동성 쌍극자(113)의 분자량, 형태 등을 조절하거나 제1 전압(121)에 인가되는 작동 전압을 조절함으로써 제어할 수 있다.

제1 전극(121) 영역에서 이동성 쌍극자(113)에 의한 큰 전압 강하가 발생한 상태에서 외부 압력이 작용하게 되면, 변형부(110)가 변형되면서 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이에 배열된 이동성 쌍극자(113)가 이동하게 되고, 제2 전극(123)을 통해 이동성 쌍극자(113)의 이동에 따른 전압 변화가 측정되어 외부 압력을 감지할 수 있다.

도 3의 (b) 내지 (e)는 제1 전극(121)에 전압이 인가된 상태에서 다양한 위치에서 압력이 가해지는 모습을 나타내는 것으로, 이들을 참조하여 각각의 경우에 있어서 압력을 감지하는 메커니즘을 설명한다.

먼저, 도 3의 (b)는 제1 전극(121)의 중심부에 외부 압력이 작용하는 경우를 나타낸 것으로서, 압력의 인가에 따라 제1 전극(121)이 아래로 이동하면서 좌측 제2 전극(123a) 및 우측 제2 전극(123b)에 가까워진다. 제1 전극(121)이 좌측 제2 전극(123a) 및 우측 제2 전극(123b)에 가까워지고, 그 사이에 제1 전극(121)을 향하여 배향되어 밀집되어 있던 이동성 쌍극자(113)가 밀집 영역 밖으로 이동하게 되고, 이에 따라, 제1 전극(121)과 좌측 제2 전극(123a) 및 제1 전극(121)과 우측 제2 전극(123b) 사이에 인가된 전압이 감소하면서 좌측 제2 전극(123a) 및 우측 제2 전극(123b)에서 전압의 증가가 감지된다. 도시된 바와 같이, 제1 전극(121)의 정 중앙부가 눌리는 경우에는 좌측 제2 전극(123a)과 우측 제2 전극(123b)에 동일한 전압 변화가 측정되며, 좌측 제2 전극(123a)과 우측 제2 전극(123b)으로부터 신호를 전달받은 제어부(130)는 좌측 제2 전극(123a) 및 우측 제2 전극(123b)의 정 중앙에 압력이 인가된 것으로 판단하게 된다.

도 3의 (c)는 제1 전극(121) 상에서 일측(예를 들어, 우측)으로 치우쳐 외부 압력이 작용하는 경우를 나타낸 것으로서, 도시된 것처럼 압력의 인가에 따라 제1 전극(121)의 일부가 아래로 이동하면서 좌측 제2 전극(123a) 및 우측 제2 전극(123b)에 가까워진다. 다만, 도 3의 (b)의 경우와 달리, 제1 전극(121)의 우측으로 치우쳐 외부 압력이 작용하면서, 제1 전극(121)이 상대적으로 좌측 제2 전극(123a)보다 우측 제2 전극(123b)에 가까워지고, 이에 따라, 제1 전극(121)과 좌측 제2 전극(123a) 사이에 배향되어 밀집되어 있던 이동성 쌍극자(113) 보다 제1 전극(121)과 우측 제2 전극(123b)과의 사이에 배향되어 밀집되어 있던 이동성 쌍극자(113)가 밀집 영역 밖으로 더 많이 이동하게 된다. 따라서, 좌측 제2 전극(123a)보다 우측 제2 전극(123b)에서 더 큰 전압 증가가 측정되고, 제어부(130)는 제1 전극(121)의 중앙에서 우측으로 치우쳐 압력이 인가된 것으로 판단하게 된다. 이처럼, 좌측 제1 전극(123a)과 우측 제2 전극(123b) 모두에서 전압 변화가 측정되지만 그 크기가 상이한 경우에는, 제1 전극(121)을 중심으로 전압 변화가 큰 쪽으로 치우쳐 압력이 인가된 것으로 판단하게 된다.

도 3의 (d)와 (e)는 각각 제1 전극(121)에 인접한 위치(예를 들어, 우측으로 인접한 위치)와 제1 전극(121)에 이격된 위치(예를 들어, 우측으로 이격된 위치)에 외부 압력이 작용하는 경우를 나타낸 것으로서, 도시된 것처럼 압력이 인가되더라도 제1 전극(121)의 제2 전극(123) 쪽으로의 이동은 미미하거나 없게 된다. 이처럼, 제1 전극(121)의 이동이 미미하거나 없는 경우에도, 압력이 인가된 위치 쪽에서의 이동성 쌍극자(113)의 밀집도가 더욱 크기에, 좌측 제2 전극(123a)보다 우측 제2 전극(123b)에서 더욱 큰 전압 감소가 측정되고, 이를 통해 제어부(130)에서 큰 전압 변화가 측정되는 방향으로 압력이 인가된 것으로 판단하게 된다.

위에서는 소프트 압력 센서(100)를 일 방향으로 바라본 단면을 기준으로 설명하였으나, 다른 방향에서 바라본 단면을 기준으로 하는 경우에도 동일한 방법으로 압력 인가 위치를 판단할 수 있다. 즉, 본 실시예에 따르면 제2 전극(123)은 제1 전극(121)을 중심으로 하는 가상의 정사각형의 각 모서리에 배치되는바, 이들 제2 전극(123) 각각에 인가되는 전압의 크기와 변화에 기초하여 압력이 인가되는 위치와 그 크기를 정확히 파악할 수 있다. 또한, 제2 전극의 개수와 배치가 달라지는 경우에도, 제2 전극에서 측정되는 전압 및 전압 변화에 기초하여 압력이 인가된 위치와 그 크기를 파악할 수 있다.

이처럼, 본 실시예에 따른 소프트 압력 센서(100)에서는 제1 전극(121)과 제2 전극(123)의 상대적인 위치 변화뿐만 아니라 이동성 쌍극자(113)의 밀집도 변화에 기인하여 제2 전극(123)에서의 전압 또는 전압의 변화가 측정될 수 있는바, 압력 감지에 있어서 높은 민감도를 구현할 수 있다. 뿐만 아니라, 제1 전극(121)이 배치되지 않은 위치에서 압력이 인가되더라도 그 압력이 인가되는 위치와 크기를 특정할 수 있게 되므로, 대면적에서의 압력 측정 및 감지가 가능하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 소프트 압력 센서는 신축성 재료로 구성됨으로써 인장력이 작용할 때 신축될 수 있는데, 본 발명에서는 특수한 전극부의 배치, 구조 등을 적용함으로써, 신축이 발생한 상황에서도 높은 민감도를 유지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서에 인장이 발생할 때의 모습을 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 수평 방향(상면과 하면을 따르는 방향)을 따라 제1 전극(121)과 제2 전극(123)은 상대적으로 가깝게 배치되고, 제2 전극(123)과 제3 전극(125)은 상대적으로 멀리 떨어져 배치될 수 있다(도 4의 (a) 참조). 이러한 구조에 의하면, 소프트 압력 센서(110)에 인장이 발생하더라도 제1 전극(121) 부근, 즉 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이에서는 변형이 일어나지 않거나 변형이 매우 작기 때문에 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이의 거리가 유지된다(도 4의 (b) 참조). 따라서, 소프트 압력 센서(100)에 인장력이 작용하더라도 인장되기 전과 마찬가지로 높은 민감도를 유지할 수 있다. 한편, 제2 전극(123)과 제3 전극(125) 사이에서는 다량의 인장이 발생하여 인장 발생 전과 비교할 때 양자의 사이의 거리가 크게 멀어지게 되지만, 제어부(130)에서 신호 처리 알고리즘을 통해 인장과 압력을 독립적으로 해석하는 방식을 취함으로써 외부 압력의 정확한 측정이 가능하게 된다.

한편, 전극부를 독립적인 셀 형태로 구성함으로써, 인장이 발생하더라도 셀 내부에서 구조적 변형이 발생하지 않도록 하여 전극부의 각 전극 사이에서의 거리가 유지되도록 하는 것도 가능하다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 전극부 구성에 관한 변형예를 나타내는 도면으로, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 전극(121), 제2 전극(123) 및 제3 전극(125)로 이루어지는 하나의 전극부(120) 세트가 고강성 고분자(127)로 둘러싸인 독립적인 셀 형태를 가질 수 있다. 하나의 전극부(120) 세트를 둘러싸도록 배치되는 고강성 고분자(127)에 의해서, 소프트 압력 센서(100)에 인장력이 작용하더라도 각각의 독립된 셀 내부에는 구조적 변형이 발생하지 않게 된다. 이처럼, 도 5에 도시된 변형예에 따르면, 인장력에 의한 신축 변형에 영향을 받지 않고 각각의 전극부(120)에서 독립적으로 외부 압력을 측정 및 감지할 수 있는 소프트 압력 센서를 구현할 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하여 소프트 압력 센서(100)에 인장력에 의한 신축 변형이 발생하는 경우에 있어서 압력 측정 및 감지를 설명하였으나, 이는 굽힘력(bending force)에 의해 소프트 압력 센서(100)에 휨이 발생하는 경우에도 동일하게 적용된다. 즉, 굽힘력에 의해 휨이 발생하는 경우에도 제1 전극(121)과 제2 전극(123) 사이의 거리가 유지되도록 하여 높은 민감도를 유지할 수 있고, 또한 각각의 전극부(120)를 독립적인 셀 형태로 구획함으로써 독립적으로 외부 압력을 측정 및 감지할 수 있다. 소프트 압력 센서(100)에 신축 변형과 휨이 함께 발생하는 경우에도 동일한 원리가 적용됨은 물론이다.

이상 설명한 소프트 압력 센서(100)에서 변형부(110)의 내부 구조와 전극부(120)의 배치는 다양하게 변형될 수 있다. 이하에서는 도면을 참조하여 변형부(110)의 내부 구조와 전극부(120)의 배치를 달리하는 다른 실시예들에 대하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 소프트 압력 센서의 단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 소프트 압력 센서(200)는 제1 실시예에서와 마찬가지로, 변형부(210), 전극부(220), 제어부, 절연부(240) 및 지지부(250)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 소프트 압력 센서(200)는 변형부(210)의 구성 및 전극부(220)의 배치에 있어서 제1 실시예와 차이가 있으므로, 이하에서는 이를 중심으로 설명하고 동일한 구성에 대하여는 설명을 생략한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 소프트 압력 센서(200)의 변형부(210) 내부에는 돌출 구조물(215)이 설치될 수 있다. 구체적으로, 돌출 구조물(215)은 변형부(210)의 일면(즉, 상면)에 형성되는 전극부(220)의 제1 전극(221)에 대향하여 변형부(210)의 상대면(즉, 하면)에 설치될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 전극부(220)의 제2 전극(223)은 돌출 구조물(215)에서 제1 전극(221)과 마주하는 면, 즉 돌출 구조물(215)의 상면에 형성될 수 있다.

본 실시예에서는 돌출 구조물(215)로 인해 제1 전극(221)이 위치하는 곳에서 변형부(210)의 상면과 하면 사이의 간격이 실질적으로 줄어들게 되고, 특히 제2 전극(223)이 돌출 구조물(215)의 상면에 배치됨으로써 제1 전극(221)과 제2 전극(223) 사이의 간격이 줄어들게 된다. 이러한 구조에 의하면, 제1 전극(221)에 전압이 인가될 때 제1 전극(221)과 돌출 구조물(215) 사이 및 제1 전극(221)과 제2 전극(223) 사이의 좁은 영역에서 이동성 쌍극자(213)가 유도될 수 있고, 이동성 쌍극자(213)의 밀집도가 높아짐에 따라 소프트 압력 센서(200)의 민감도가 더욱 높아질 수 있다.

한편, 돌출 구조물(215)은 변형부(210)와 동종의 기능성 고분자로 형성되되, 변형부(210) 보다 강성이 높은 소재로 이루어질 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 돌출 구조물(215)을 변형부(210)와 접착이 가능한 이종의 물질로 구성하는 것도 가능할 것이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 소프트 압력 센서에 외부 압력이 인가될 때 이를 감지하는 모습을 예시적으로 나타내는 도면이다.

도 7의 (a)를 참조하면, 본 실시예에 따른 소프트 압력 센서(200)의 작동을 위하여 작동 전극인 제1 전극(221)에 인가되면 변형부(210) 내부의 이동성 쌍극자(213)가 전압이 인가된 곳, 즉 제1 전극(221)을 향해 배향되며 이동하게 된다. 이때, 돌출 구조물(215)의 존재로 인해 보다 좁은 영역에서 이동성 쌍극자(213)가 밀집하게 된다.

도 7의 (b) 내지 (e)는 제1 전극(221)에 전압이 인가된 상태에서 다양한 위치에서 압력이 가해지는 모습을 나타낸다.

도 7의 (b)는 제1 전극(221)의 중심부에 외부 압력이 작용하는 경우로서, 압력의 인가에 따라 제1 전극(221)이 아래로 이동하면서 좌측 제2 전극(223a) 및 우측 제2 전극(223b)에 가까워진다. 제1 전극(221)이 좌측 제2 전극(223a) 및 우측 제2 전극(223b)에 가까워지고, 제1 전극(221) 및 제2 전극(223) 사이 공간에서 제1 전극(221)을 향해 배향되어 밀집되어 있던 이동성 쌍극자(213)가 밀집 영역 밖으로 이동하게 되고, 이에 따라, 제1 전극(221)과 좌측 제2 전극(223a) 및 제1 전극(221)과 우측 제2 전극(223b) 사이에 인가된 전압이 감소하면서 좌측 제2 전극(223a) 및 우측 제2 전극(223b)에서 전압의 증가가 감지된다. 이 경우, 좌측 제2 전극(223a) 및 우측 제2 전극(223b)에서 동일한 전압 및 전압의 변화가 측정되며, 제어부는 좌측 제2 전극(223a)와 우측 제2 전극(223b) 사이, 즉 제1 전극(221) 상에 압력이 인가된 것으로 판단한다.

도 7의 (c)는 제1 전극(221) 상에서 일측(예를 들어, 우측)으로 치우쳐 외부 압력이 작용하는 경우로서, 압력의 인가에 따라 제1 전극(221)의 우측 일부가 아래로 이동하면서 상대적으로 좌측 제2 전극(223a)보다 우측 제2 전극(223b)에 가까워지고, 이에 따라, 제1 전극(221)과 좌측 제2 전극(223a) 사이에 배향되어 밀집되어 있던 이동성 쌍극자(213) 보다 제1 전극(221)과 우측 제2 전극(223b)과의 사이에 배향되어 밀집되어 있던 이동성 쌍극자(213)가 밀집 영역 밖으로 더 많이 이동하게 된다. 따라서, 좌측 제2 전극(223a)과 우측 제2 전극(223b) 모두에서 전압 및 전압의 변화가 측정되지만, 좌측 제2 전극(223a)보다 우측 제2 전극(223b)에서 큰 전압 변화가 측정된다. 이 경우, 제어부는 제1 전극(221)의 중앙에서 우측으로 치우쳐 압력이 인가된 것으로 판단하게 된다.

도 7의 (d)와 (e)는 각각 제1 전극(221)에 인접한 위치(예를 들어, 우측으로 인접한 위치)와 제1 전극(221)에 이격된 위치(예를 들어, 우측으로 이격된 위치)에 외부 압력이 작용하는 경우로서, 이 경우에는 제1 전극(221)의 이동은 미미하거나 없게 된다. 다만, 제1 전극(221)의 이동이 미미하거나 없는 경우에도, 압력이 인가된 위치 쪽으로 이동성 쌍극자(213)의 밀집도가 더욱 크기에, 좌측 제2 전극(223a)보다 우측 제2 전극(223b)에서 큰 전압 감소가 측정되고, 이를 통해 제어부에서 큰 전압 변화가 측정되는 방향으로 압력이 인가된 것으로 판단하게 된다.

이처럼, 본 실시예에 따른 소프트 압력 센서(200)에서는 제1 전극(221)과 제2 전극(223)의 상대적인 위치 변화뿐만 아니라 이동성 쌍극자(213)의 밀집도 변화에 기인하여 제2 전극(223)을 통해 측정되는 전압 또는 전압의 변화가 측정될 수 있고, 특히 돌출 구조물(215)의 존재로 인해 제1 전극(221)과 제2 전극(223) 사이의 간격이 작아지게 되어, 더욱 높은 민감도로 압력을 측정, 감지할 수 있다. 또한, 제1 실시예에서와 마찬가지로, 제1 전극(221)이 배치되지 않은 위치에서 압력이 인가되더라도 그 압력이 인가되는 위치를 특정할 수 있게 되므로, 대면적에서의 압력 측정 및 감지도 여전히 가능하다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 소프트 압력 센서를 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 소프트 압력 센서(300)는, 앞선 실시예들과 마찬가지로, 변형부(310), 전극부(320), 제어부, 절연부(340) 및 지지부(350)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 소프트 압력 센서(300)는 변형부(310)의 내부 구조에 있어서만 앞선 실시예들과 차이가 있으므로, 이를 중심으로 설명하고 나머지 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 소프트 압력 센서(300)의 변형부(310) 내에는 공극(315, 315', 315")이 형성될 수 있다. 기능성 고분자에 공극이 형성됨으로써 강성이 조절될 수 있는바, 본 실시예에서는 이러한 점을 이용하여 변형부(310) 내에 공극(315, 315', 315")을 형성함으로써 강성을 조절하고 충격 흡수 기능을 향상시키면서 압력에 대한 민감도를 높일 수 있다. 공극(315, 315', 315")은 변형부(310)의 상면과 하면 사이의 공간에 전체적으로 분포될 수 있고, 크기와 형상을 다양하게 변형함으로써 강성, 충격 흡수 성능 및 민감도를 조절할 수 있다.

도 8의 (a)에서는 격벽형 공극(315) 구조를 갖는 실시예가, 도 8의 (b)에는 다공성 공극(315') 구조를 갖는 실시예가, 도 8의 (c)에는 피라미드형 공극(315") 구조를 갖는 실시예가 각각 도시되어 있으며, 이밖에도 다양한 형상, 크기 및 개수로 공극을 형성할 수 있다.

이처럼, 본 실시예에서는 변형부 내에 다수의 공극을 형성함으로써, 외부 압력에 의한 충격을 흡수하는 효과를 극대화할 수 있다.

한편, 앞서 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 전극부의 배치 등은 본 발명의 제2 실시예 및 제3 실시예에서도 동일하게 적용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 소프트 압력 센서는 높은 민감도를 갖고 대면적에서의 압력 측정이 가능하고, 신축성을 가지며 충격 흡수 기능이 뛰어나기 때문에 충격에 민감한 기계 또는 장치에 활용할 수 있다. 대표적으로, 본 발명에 따른 소프트 압력 센서는 로봇의 안전 외피로서 활용할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 압력 센서를 안전 외피로 사용한 로봇을 예시적으로 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 소프트 압력 센서는 로봇 핸드(10) 또는 로봇 암(20)을 전체적으로 감싸는 형태로 구현되어 안전 외피로 활용할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 소프트 압력 센서는 신축이나 휨이 가능하고 신축이나 휨이 발생한 상황에서도 외부 압력을 용이하게 감지할 수 있기 때문에, 회전, 비틀림 등의 다양한 동작을 수행하는 로봇 핸드 또는 로봇 암의 관절부에도 적용할 수 있다. 또한, 충돌이 발생하기 쉬운 부분, 예를 들어 움직임이 많은 부분 또는 모서리 부분 등에는 제1 전극(작동 전극)을 배치함으로써, 특정 영역에서 높은 민감도를 갖도록 구성할 수 있으며, 외부 충돌을 빠르게 감지하여 로봇을 안전하게 운용할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예에 의해 설명하였으나, 상기 실시예는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 앞서 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100, 200, 300: 소프트 압력 센서
110, 210, 310: 변형부
111, 211, 311: 고분자 사슬
113, 213, 313: 이동성 쌍극자
120, 220, 320: 전극부
121, 221, 321: 제1 전극
123, 223, 323: 제2 전극
125, 225, 325: 제3 전극
127: 고강성 고분자
130: 제어부
140, 240, 340: 절연부
150, 250, 350: 지지부
215: 돌출 구조물
315, 315', 315": 공극

Claims

전하 축적 특성을 갖는 기능성 고분자로 이루어지는 변형부;
상기 변형부의 일면에 형성되는 제1 전극 및 상기 변형부의 일면과 마주하는 상기 변형부의 상대면에 형성되는 제2 전극을 포함하는 전극부; 및
상기 제1 전극으로의 전압 인가를 제어하고, 상기 제2 전극에서의 전압 또는 전압 변화를 감지하는 제어부;
를 포함하는
소프트 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 변형부의 기능성 고분자는 고분자 사슬 및 상기 고분자 사슬 사이에 배치되는 이동성 쌍극자를 포함하는, 소프트 압력 센서.
제2항에 있어서,
상기 제1 전극에 전압이 인가되고 상기 변형부에 압력이 인가될 때, 상기 이동성 쌍극자의 이동 및 배향에 따라 상기 제2 전극에서 전압 변화가 발생하는, 소프트 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 제2 전극은 복수의 전극을 포함하고, 상기 복수의 제2 전극은 상기 제1 전극을 중심으로 대칭적으로 배치되는, 소프트 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 변형부의 내부에 돌출 구조물이 설치되는, 소프트 압력 센서.
제5항에 있어서,
상기 돌출 구조물은 상기 제1 전극에 대향하여 설치되고, 상기 돌출 구조물에서 상기 제1 전극에 마주하는 면에 상기 제2 전극이 배치되는, 소프트 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 변형부의 내부에 공극이 형성되는, 소프트 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상기 변형부의 일면과 상기 변형부의 상대면에 각각 도전성 물질이 코팅되어 형성되는, 소프트 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 전극부는 상기 변형부의 상대면에 형성되고 접지 전극으로서 기능하는 제3 전극을 더 포함하는, 소프트 압력 센서.
제9항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 수평 방향 거리는 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이의 수평 방향 거리보다 작게 배치되는, 소프트 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 전극부는 복수의 전극부 세트를 포함하고, 상기 복수의 전극부 세트 각각은 하나의 제1 전극과 복수의 제2 전극을 포함하며, 상기 복수의 전극부 세트 각각은 고강성 고분자로 둘러싸여 서로 이격 배치되는, 소프트 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극을 외부와 분리하기 위하여, 상기 제1 전극이 형성되는 상기 변형부의 일면 또는 상기 제2 전극이 형성되는 상기 변형부의 상대면에 배치되는 절연부를 더 포함하는 소프트 압력 센서.
제1항에 있어서,
외부 장치와의 연결을 위하여, 상기 제2 전극이 형성되는 상기 변형부의 상대면에 배치되는 지지부를 더 포함하는 소프트 압력 센서.
로봇용 안전 외피로서,
전하 축적 특성을 갖는 기능성 고분자로 이루어지는 변형부;
상기 변형부의 일면에 형성되는 제1 전극 및 상기 변형부의 일면과 마주하는 상기 변형부의 상대면에 형성되는 제2 전극을 포함하는 전극부; 및
상기 제1 전극으로의 전압 인가를 제어하고, 상기 제2 전극에서의 전압 또는 전압 변화를 감지하는 제어부;
를 포함하는,
로봇용 안전 외피.
제14항에 있어서,
로봇 핸드 및 로봇 암 중 적어도 하나에 장착되도록 구성되는, 로봇용 안전 외피.