KR20230112743A - 그립 안정성을 측정하기 위한 마찰-기반 촉각 센서 - Google Patents

Abstract

시스템은 그립 안정성을 평가하기 위한 것이고, 시스템은 적어도 제1 접촉면 구역 및 제2 접촉면 구역을 가진 접촉면을 포함하고, 제1 접촉면 구역은 제2 접촉면 구역보다 작은 미끄러짐에 저항하도록 구성되고, 센서는 제1 접촉 구역에서 미끄러짐을 검출하기 위한 것이다.

Description

그립 안정성을 측정하기 위한 마찰-기반 촉각 센서 { FRICTION-BASED TACTILE SENSOR FOR MEASURING GRIP SECURITY }

본 개시내용은 그립 안정성(grip security)을 측정하기 위한 디바이스와 방법 및 그립 안정성을 개선시키기 위한 디바이스와 방법에 관한 것이다.

로봇 그리퍼를 사용하여 물체를 파지하고 그리고 리프팅하는 것은 어려운 일이다. 로봇 그리퍼는 물체 및 접촉 계면에 대한 가치 있는 정보를 검출하기 위한 인간 손의 능력을 갖지 않는다. 대부분의 경우에 그리퍼는 어떤 촉각 피드백을 갖지 않는다. 촉각 피드백을 갖지 않은 그리퍼는 일반적으로 하나의 특징, 예를 들어, 그립력(즉, 파지력)(grip force)을 측정하거나, 또는 파지된 곳으로부터 미끄러지는 물체를 검출한다. 로봇 및 보철 그리퍼 디자인이 계속해서 발달하여, 인간 손의 재주를 모방하려고 하지만, 필적할 만한 성능을 달성하는 것은 여전히 꽤 거리가 있다.

촉각 감지의 분야는 활성 분야이고 그리고 이 갭을 채우는 것을 돕지만; 기존의 촉각 센서의 다수는 계면에서 법선력 및 접선력을 결정하는 것에 초점을 맞춘다. 이 양은 중요하지만, 능란한 조작을 위해 또한 중요한 매우 다른 촉각 매개변수가 있다. 2개의 이러한 매개변수는 정지 마찰 계수(μ_s) 및 초기 미끄러짐의 발생과 정도이다.

접촉 계면의 정지 마찰 계수는 비중량(접선력)의 물체를 홀딩하도록 필요한 최소 그립(법선)력을 결정하는 것을 돕는다. 특정한 그립 자세에서, 정지 마찰 계수가 정확하게 추정되고 그리고 접선력이 측정될 수 있다면, 그립(법선)력은 물체를 단단히 홀딩하도록 조정될 수 있다.

정지 마찰 계수 및 초기 미끄러짐의 발생과 정도를 측정하기 위한 복수의 촉각 센서가 문헌에 보고되었지만, 이 센서 중 다수가 다음의 한계 중 하나 이상을 겪는다:

(ⅰ) 물체를 그립하려고 시도하기 전에 물체를 탐구하는 필요성,

(ⅱ) 정지 마찰 계수의 측정값을 획득하기 전에 조작 동안 전체 미끄러짐의 발생,

(ⅲ) 변화하는 마찰 조건의 경우에 정지 마찰 계수의 연속적인 측정을 제공하는 무능, 및

(ⅳ) 법선력 및 접선력을 연속적으로 모니터링하는 필요성.

이 문제 중 일부가 해결 또는 완화될 수도 있거나 또는 적어도 하나의 대안이 본 개시내용 내에 제공될 수도 있다.

정지 마찰 계수를 측정하는 것에 대한 대안은 초기 미끄러짐을 검출하고, 그리고 이러한 사건의 발생 후 그립력을 조정하는 것이다. 초기 미끄러짐은 접촉 계면의 국부화된 구역에서 발생되는 상대 변위로서 규정되고, 반면에 전체 미끄러짐은 전체 접촉 계면에 걸친 상대 변위를 수반한다. 그러나, 현재, 문헌에 보고된 다수의 미끄러짐 센서에도 불구하고, 미끄러짐을 인공적으로 감지하기 위한 지배적인, 정착된 기술이 여전히 없다.

따라서 그립이 여전히 고정되는 동안 디바이스가 초기 미끄러짐을 정확하게 검출할 수 있어서, 그립의 전체 손실을 겪기 전에 힘 변조를 가능하게 하는 경우가 기술에서 유리할 것이다.

MIT 연구진은 겔사이트(GelSight)로 불리는 초기 미끄러짐을 검출하기 위한 디바이스를 개발하였다. 이것은 투명한 실리콘 및 실리콘 상에 타투된 점 패턴의 이동을 추적함으로써 접촉 영역 상의 미끄러짐을 측정하기 위한 카메라를 활용한다. 그러나, 이것은 평평하고 그리고 연속된 표면을 사용하므로 초기 미끄러짐을 검출하는 능력으로 제한된다. 평평한 표면은 압력차의 확립, 따라서 접촉 계면에 걸친 차등 정지 마찰력을 제한한다. 엘라스토머 감지 물질의 연속적인 특성은 감지 계면의 상이한 국부화된 구역 사이의 이동의 독립성을 방해하고, 이는 초기 미끄러짐의 발생을 더 방해한다. 겔사이트 센서는 이것이 접촉 계면에서 실리콘의 이동을 검출하도록 비디오 스트림의 이미지 처리에 의존하기 때문에, 비교적으로 저-빈도 촉각 사건을 감지하는 것으로 또한 제한된다.

촉각 센서 디바이스가 임박한 미끄러짐을 신뢰할 수 있게 검출할 수 있고 그리고 시그널링할 수 있으면서 동시에 촉각 센서 디바이스가 접촉하는 물질과 상관없이, 마찰을 추정하는 경우가 기존의 기술에서 부가적으로 유리할 것이다.

어떤 종래 기술이 본 명세서에서 언급되는 경우에, 이러한 참조는 종래 기술이 오스트레일리아 또는 임의의 다른 국가에서, 기술의 공통 일반 상식의 일부를 형성한다는 승인으로 여겨지지 않는다는 것이 이해된다.

일본 공개특허공보 특개2005-257343호 일본 공개특허공보 특개2009-255191호 미국 등록특허공보 제10365172호

W.J Packard et al., 'Utilising Sensed Incipient Slip Signals for Grasp Force Control', In the proceedings of the 1992 Japan - USA Symposium on Flexible Automation, July 13-15, 1992, San Francisco, CA Marc R. Tremblay et al., 'Estimating Friction Using Incipient Slip Sensing During a Manipulation Task', [1993] Proceedings IEEE International Conference on Robotics and Automation Jae S. Son., 'Integration of Tactile Sensing and Robot Hand Control' Harvard University, Cambridge Massachusetts, May 1996

그립 안정성을 평가하기 위한 시스템이 개시되고, 시스템은 적어도 제1 접촉면 구역 및 제2 접촉면 구역을 가진 접촉면을 포함하고, 제1 접촉면 구역은 제2 접촉면 구역보다 작은 미끄러짐에 저항하도록 구성된다. 개시된 시스템은 제1 접촉 구역에서 미끄러짐을 검출하기 위한 센서를 더 포함한다. 일부 형태에서 접촉면은 변형 가능하다.

미끄러짐의 검출이 그립 안정성을 평가하고 그리고 시스템 내 피드백을 공급하도록 활용되어 그립 강도가 증가되어 그립 안정성을 증가시킬 수 있다.

일부 형태에서, 접촉면은 기저면으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함한다. 일부 형태에서 돌출부는 압축 가능하다. 일부 형태에서 돌출부는 세장형 기둥의 형태이다. 일부 실시형태에서 제1 접촉 구역 내 돌출부는 제2 접촉 구역 내 돌출부보다 작은 거리로 기저면으로부터 이격되게 연장될 수도 있다. 일부 실시형태에서 돌출부는 어레이를 형성하도록 배치될 수도 있다. 그립 안정성을 평가하기 위한 방법이 또한 개시되고, 방법은 접촉면에서 미끄러짐을 검출하는 단계를 포함하고, 접촉면은 적어도 제1 접촉면 구역 및 제2 접촉면 구역을 갖고, 제1 접촉면 구역은 제2 접촉면 구역보다 작은 미끄러짐에 저항하도록 구성된다. 일부 형태에서 방법은 센서를 활용하는 단계를 포함한다.

기저면으로부터 돌출부 높이 또는 거리의 변동은 이것이 디바이스가 초기 미끄러짐을 검출하게 하는 사용의 일부 형태에서 유리할 수도 있다. 돌출부 높이의 차는 돌출부로 하여금 돌출부가 동일한 최종 높이로 압축될 때 돌출부가 기저면으로부터 연장되는 거리에 좌우되는 법선력을 겪게 한다. 접선력이 또한 적용될 때, 돌출부가 현저하게 구부러지지 않는다는 가정하에서, 동일한 단면적을 가진 모든 돌출부는 동일한 접선력을 겪는다. 따라서, 각각의 돌출부가 겪는 법선력에 대한 접선력의 비는 돌출부 높이의 차에 따라 변경된다. 센서의 표면이 일정한 정지 마찰 계수를 보유한다고 더 가정한다면, 접선력이 증가될 때, 가장 낮은 법선력하의 돌출부(즉, 디바이스가 언로딩될 때 가장 짧은 돌출부)는 접선력-대-법선력 비가 정지 마찰 계수보다 더 클 때 먼저 미끄러질 것이다. 접선력이 더 증가될 때, 다음의 가장 짧은 돌출부는 가장 긴 돌출부가 미끄러질 때까지 미끄러지는 등을 할 것이다. 이 방식으로, 각각의 초기 미끄러짐 사건은 그립/법선력이 물체의 안정한 그립을 유지하도록 증가되어야 한다는 경고로서 작용한다.

본 개시내용의 추가의 실시형태에서, 개별적인 돌출부의 이동은 서로 관계없을 수도 있다. 적어도 2개의 기둥의 독립적인 이동은 이것이 접촉면에 걸쳐 상이한 레벨에서만 발생할 수도 있는 접촉면 상의 상대적 이동의 측정을 가능하게 한다는 점에서 유리하다.

본 개시내용의 추가의 실시형태에서, 제1 접촉 구역 내 돌출부의 기저면으로부터 미압축된 높이는 제2 접촉 구역 내 돌출부의 기저면으로부터 미압축된 높이보다 더 짧다.

본 개시내용의 추가의 실시형태에서, 제1 접촉 구역 내 돌출부가 겪는 법선력은 제2 접촉 구역 내 돌출부가 겪는 법선력 미만이다.

본 개시내용의 추가의 실시형태에서, 돌출부는 기둥이다.

본 개시내용의 추가의 실시형태에서, 돌출부의 제1 단부는 기저면에 연결되고, 그리고 돌출부의 제2 반대편 단부는 둥근 또는 구형 또는 그렇지 않으면 평평하지 않은 팁(tip)을 형성한다.

본 개시내용의 추가의 실시형태에서, 접촉면은 주로 실리콘으로 제조된다.

본 개시내용의 일부 실시형태에서, 기저면은 평면일 수도 있고, 반면에 다른 실시형태에서 기저면은 비평면일 수도 있다. 파지되는 물체의 표면이 평면일 때, 각각의 돌출부의 상대적인 압축은 기저면이 비평면일지라도, 공통 기저면에 대하여 쉽게 결정될 수 있다. 3차원에서 힘은 표면 형상 또는 기저면이 비평면인지에 상관없이 측정될 수 있다.

시스템은 제1 접촉 구역에서 미끄러짐을 측정하여 초기 미끄러짐을 검출하도록 구성된, 센서, 또는 센서 시스템을 더 포함한다. 센서는 다양한 형태일 수도 있다.

일부 형태에서 센서는 각각의 공동부와 인접한 위치에서 기저면 아래에 배치된다.

일부 형태에서 센서는 초기 미끄러짐을 검출하도록 구성된다.

일부 형태에서 센서는 마찰을 추정하도록 구성된다.

일부 형태에서 공동부보다 더 작은 직경을 가진 개구는 센서와 공동부 사이에 위치된다.

일부 형태에서 센서는 미리 결정된 돌출부 내 기저면의 공동부 측면에 배치된 LED로부터 나오고, 공동부의 원위 단부에 또는 근방에 위치된 반사기로부터 반사되고 그리고 개구를 통해 센서로 이동하는, 광을 검출하도록 구성된 사분면 광다이오드를 포함한다.

일부 형태에서 접촉면은 기저면으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함하고, 돌출부는 내부 공동부를 갖고, 그리고 센서는 CCD 어레이를 포함하고, 시스템은 CCD 어레이가 기저면으로 공동부로 나오고, 공동부의 원위 단부에 위치된 반사기로부터 반사되고, 그리고 기저면 내 개구를 통해 센서로 이동하는, 광을 검출하도록 구성된다.

일부 형태에서, 기저면에 대해 수직인 z축에서 돌출부의 압축은 검출된 광 스폿의 직경의 확장을 발생시킨다.

일부 형태에서 접촉면은 기저면으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함하고, 돌출부는 내부 공동부를 갖고, 그리고 센서는 CMOS 감광 어레이를 포함하고, 시스템은 CMOS 감광 어레이가 기저면으로 공동부로 나오고, 공동부의 원위 단부에 위치된 반사기로부터 반사되고, 그리고 기저면 내 개구를 통해 센서로 이동하는, 광을 검출하도록 구성된다.

본 개시내용의 일부 실시형태에서, 초기 미끄러짐 경고가 센서에 의해 시그널링되는 속도, 미끄러짐 사건이 검출되는 속도, 또는 경고의 수는 정정 행위가 요구되는 긴급 상황의 레벨, 또는 정정 행위를 위해 필요한 힘의 크기를 나타내도록 사용될 수도 있다.

일부 형태에서, 접촉면에서 마찰을 추정하는 방법이 개시되고, 방법은 기저면으로부터 팁으로 연장되는 복수의 돌출부를 제공하는 단계, 3차원 공간에서 팁의 변위를 측정하는 단계, 3차원 공간에서 팁에 적용된 힘을 추정하는 단계를 포함한다.

일부 형태에서, 시스템은 하나 이상의 돌출부가 어레이 내 다른 돌출부와 동일한 속도로 더 이상 이동되지 않을 때 미끄러짐을 검출한다. 일부 형태에서 시스템은 진동을 통해 미끄러짐을 검출한다. 일부 형태에서, 미끄러짐의 검출 후, 시스템은 마찰 계수의 추정을 허용하도록 미끄러짐의 순간에 법선력에 대한 접선력의 비를 검토한다.

일부 형태에서, 접촉면에 대한 회전력을 검출하는 방법이 개시되고, 방법은 기저면으로부터 팁으로 연장되는 복수의 돌출부를 제공하는 단계, 3차원에서 팁의 변위를 측정하는 단계, 3차원에서 팁에 적용된 힘을 추정하는 단계, 돌출부가 연장되는 지점에서 기저면에 대해 수직인 축 둘레에서 편향을 측정하는 단계를 포함한다.

일부 형태에서, 접촉면에서 미끄러짐 이동 또는 질감을 분석하는 방법이 개시되고, 방법은 기저면으로부터 팁으로 축을 따라 연장되는 복수의 돌출부를 제공하는 단계, 팁의 진동이 측정되도록 높은 분해능으로 3차원에서 팁의 변위를 측정하는 단계, 진동의 측정을 활용하여 질감을 추정하거나 또는 미끄러짐을 검출하는 단계를 포함한다.

한편, 마찰을 추정하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 기저면으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함하고, 제1 접촉면 구역 및 제2 접촉면 구역을 더 포함하는 접촉면으로서, 상기 제1 접촉면 구역은 상기 제2 접촉면 구역보다 작은 미끄러짐에 저항하도록 구성되는, 상기 접촉면, 상기 제1 접촉면 구역의 미끄러짐이 발생할 때 적어도 3개의 상기 복수의 돌출부에 적용되는 3차원의 힘을 측정하기 위해 3개의 다른 차원에서 적어도 3개의 상기 복수의 돌출부의 변위를 감지하도록 구성되는 센서 배열을 포함할 수 있다.

일부 형태에서, 상기 복수의 돌출부의 변위는 파지되는 물체의 병진 또는 회전의 결과이다.

일부 형태에서, 상기 시스템은 적어도 3개의 상기 복수의 돌출부에 적용되는 토크를 추정하도록 더 구성된다.

일부 형태에서, 상기 시스템은 미끄러짐 사건과 관련된 적어도 3개의 상기 복수의 돌출부에서 진동을 감지하도록 더 구성된다.

일부 형태에서, 상기 시스템은 다른 표면 질감에서 적어도 3개의 상기 복수의 돌출부에서 진동을 감지하도록 더 구성된다.

일부 형태에서, 상기 복수의 돌출부는 변형 가능하다.

일부 형태에서, 상기 복수의 돌출부는 상기 기저면으로부터 팁으로 연장되는 세장형 샤프트이고, 상기 접촉면은 상기 팁의 단부 또는 근방에 제공된다.

일부 형태에서, 상기 복수의 돌출부는 어레이를 형성하도록 배치된다.

일부 형태에서, 상기 복수의 돌출부는 서로 관계없이 이동하도록 구성된다.

일부 형태에서, 상기 복수의 돌출부는 사용 시 일정한 그립 압력 하에서 상기 제1 접촉 구역 내 돌출부 상의 법선력이 상기 제2 접촉 구역 내 돌출부 상의 법선력 미만이도록 구성된다.

실시형태가 이제 첨부 도면을 참조하여, 오직 실시예로서 설명될 것이다.
도 1a는 본 개시내용의 접촉면의 실시형태의 단면도;
도 1b는 압축 조건에서 도 1의 실시형태의 단면도;
도 1c는 압축 조건에서 도 1의 실시형태의 단면도;
도 2는 본 개시내용의 접촉면의 사시도;
도 3은 본 개시내용의 접촉면의 단면 사시도;
도 4는 본 개시내용에 따라 센서 시스템과 통합된 접촉면의 실시형태의 단면도;
도 5는 주형과 결과적인 실리콘 프로파일 둘 다를 나타내는, 본 개시내용의 하나의 실시형태의 원형의 제조를 도시하는 도면;
도 6은 본 개시내용의 적어도 하나의 실시형태를 테스트하기 위한 테스트 리그(test rig)를 도시하는 도면;
도 7은 테스트 과정 동안 캡처된 비디오의 단일의 프레임을 도시하는 도면;
도 8a 내지 도 8c는 각각의 기둥이 각각의 법선력 레벨에서 미끄러지는, 접선력-대-법선력 비의 그래픽도를 제공하는 도면. 도 8a는 높은 마찰면을 나타내고, 도 8b는 기본 마찰면을 나타내고 그리고 도 8c는 낮은 마찰면을 나타냄;
도 9a 내지 도 9c는 본 개시내용의 하나의 실시형태를 사용하여 변위 및 힘의 검출의 그래픽도를 제공하는 도면. 도 9a는 기준 기둥 팁 변위를 제공하고, 도 9c는 기준 힘 데이터를 제공하고 그리고 도 9b는 광센서 데이터 출력을 제공함;
도 10은 본 개시내용의 실시형태를 사용하여 진동 응답의 검출을 도시하는 도면;

다음의 상세한 설명에서, 상세한 설명의 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조한다. 도면에 도시되고 그리고 청구항에 규정된, 상세한 설명에서 설명된 예시적인 실시형태는 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 다른 실시형태가 활용될 수도 있고 그리고 다른 변경이 제공된 주제의 정신 또는 범위로부터 벗어나는 일 없이 이루어질 수도 있다. 본 개시내용의 양상이 일반적으로 본 명세서에 설명되고 그리고 도면에 예시된 바와 같이, 매우 다양한 상이한 구성으로 배열, 치환, 결합, 분리 및 디자인될 수 있다는 것이 손쉽게 이해될 것이고, 이들 전부는 본 개시내용에서 고려된다.

도 1에서, 그립 안정성을 평가하기 위한 시스템이 개시되고, 시스템은 적어도 제1 접촉면 구역(12) 및 제2 접촉면 구역(14)을 가진 접촉면(10)을 포함한다. 예시된 형태에서, 접촉면은 기저면으로부터 연장되는 복수의 돌출부(16)의 형태이다. 도 1에서 오직 2개의 돌출부(16)가 도시되지만, 접촉면이 기저면(18)으로부터 연장되는 복수의 돌출부(16)를 포함할 수도 있다는 것이 당업자에게 분명할 것이다. 돌출부(16)는 기저면(18)과 맞물리거나 또는 일체화된 부착 단부(19)를 갖고 그리고 일부 실시형태에서, 반구형 단부 프로파일을 가진 팁(20)으로 연장되는, 세장형 기둥의 형태이다. 예시된 형태에서, 세장형 기둥은 기저면으로부터 연장부의 상이한 길이 및 유사한 단면 치수를 갖는다. 이 예시된 형태에서, 돌출부가 기저면으로부터 연장되는 거리의 변동은 제1 접촉면 구역(12) 및 제2 접촉면 구역(14)을 획정한다. 구체적으로, 제1 접촉면 구역은 제2 접촉면 구역 미만의 미끄러짐에 저항하도록 구성된다. 예시된 형태에서, 서로에 대해 상이한 높이를 가진, 오직 2개의 세장형 돌출부가 도시된다.

도 1은 높이(l_C)를 가진 더 긴 중심 돌출부 또는 기둥이 높이(l_O)를 각각 가진 8개의 더 짧은 외부 기둥에 의해 둘러싸인, 가능한 실시형태의 간략화된 모델이다. 대안적인 실시형태는 다양한 높이의 다수의 기둥을 포함한다.

도 1a는 미압축될 때 2개의 돌출부(16)를 예시하고, 각각의 돌출부는 기둥의 형태이고 그리고 동일한 직경(D), 하지만 상이한 높이(l_C 및 l_O)를 갖는다.

도 1b에서, 평면(24), 예컨대, 파지되는 물체의 표면과 접촉하는 디바이스(10)가 예시된다. 이 도면에서, 기둥 둘 다는 동일한 최종 높이로 전체 법선력(F_N)에 의해 압축되어, 각각의 기둥에 상이한 법선(압축)력을 발생시킨다.

도 1c는 센서가 접촉하는 평면(24)을 전단함으로써 작용되는 접선력의 추가를 예시하고, 이에 의해 돌출부(16)의 각각은 또한 접선력을 겪는다. 돌출부가 표면에 대하여 미끄러지지 않을 때, 그리고 기둥이 현저하게 구부러질 수 없다고 가정하면, 이들은 모두 동일한 접선력을 겪고, 그리고 접선력의 합계는 전체 접선력(F_T)과 같다.

본 개시내용의 일부 실시형태에서, 개별적인 돌출부(16)의 이동은 서로 관계없을 수도 있다. 기둥(16)의 형태인 적어도 2개의 돌출부의 독립적인 또는 부분적으로 독립적인 이동은 이것이 접촉면(10)에 걸쳐 오직 상이한 레벨에서 발생할 수도 있는 접촉면 상의 상대적 이동의 측정을 가능하게 한다는 점에서 유리하다.

본 개시내용의 일부 실시형태에서, 접촉면(10)은 주로 실리콘으로 제조된다.

도 1c에 도시된 바와 같이, 제1 표면 접촉 영역(12)의 돌출부(16)는 제2 표면 접촉 영역(14)의 더 긴 돌출부(16')보다 더 작은 법선력하에 있다. 일부 형태에서, 정지 마찰 계수가 각각의 돌출부에 대해 동일하다는 가정이 이루어지고; 도 2에 도시된 실시형태의 제1 접촉면 구역(12)의 외부 돌출부는 제2 접촉면 구역의 중심 돌출부(16')보다 더 작은 전체 접선력으로 미끄러질 것이다.

단일의 돌출부의 스프링 상수(k) 및 직경(D)이 공지되고, 그리고 접선력과 법선력이 더 짧은 돌출부의 미끄러짐의 순간에 측정된다면, 더 긴 돌출부가 미끄러질 때 전체 법선력에 대한 접선력의 비를 예측하는 것이 가능하다. 따라서 정지 마찰 계수는 더 긴 돌출부에 대한 미끄러짐의 순간에 법선력에 대한 접선력의 비의 추정이다. 일부 형태에서 물질이 선형 탄성이 있다고 가정하면, 디바이스에 걸친 전체 힘이 측정되고 그리고 돌출부에 할당된다. 일부 예시되지 않은 형태에서 힘은 돌출부 또는 돌출부의 군에 대해 개별적으로 검출될 수 있다.

이상적으로, 돌출부가 미끄러지지 않으므로, 돌출부는 돌출부가 압축되는 표면과 동일한 속도로 편향되어야 한다. 대조적으로, 돌출부가 미끄러질 때, 편향 속도는 0㎜/s를 향해야 한다. 실제로, 돌출부 또는 기둥의 구부러짐에 기인하여, 미끄러짐의 순간은 더 짧은 돌출부의 편향 속도가 가장 긴 돌출부의 편향 속도의 20%로 감소될 때의 순간으로서 결정되었고, 가장 긴 돌출부의 편향 속도가 충분히 크다는 것을 조건으로 한다.

더 많은 돌출부 차 그리고 더 많은 높이 차와 함께, 마찰력과 법선력의 더 큰 범위가 수용될 수도 있고, 그리고 접선력이 증가될 때 물체의 손실을 방지하기 위한 더 많은 경고가 가능하다. 경고가 시그널링되는 속도, 뿐만 아니라 경고의 수는 정정 행위가 요구되는 긴급 상황을 나타낼 수 있다. 게다가, 각각의 경고와 함께, 접촉 계면에 대한 더 많은 정보가 알려질 수 있다.

연속적인 법선력과 접선력을 모니터링하는 것 그리고 모니터링하지 않는 것 둘 다에 대해, 개시된 디바이스는 유리하게는 로봇 그리퍼 및 보철 그리퍼의 능란한 조작을 개선시키도록 사용될 수 있다. 연속적인 모니터링 없이, 경고가 시그널링되는 속도, 뿐만 아니라 경고의 수는 정정 행위가 요구되는 긴급 상황뿐만 아니라 정정 행위의 크기를 여전히 나타낼 수 있다. 연속적인 힘 모니터링에 의해, 정지 마찰 계수를 결정하는 것이 또한 가능할 수도 있고, 그리고 그립 정정이 더 통지받을 것이다. 모니터링의 유형에 관계없이, 경고가 초기 미끄러짐이 검출될 때 발행되는 것이 가능하다.

디바이스의 일부 실시형태에서, 접촉면(12)은 각각의 돌출부의 상대적인 압축이 결정될 수 있도록 평면이다.

일부 형태에서 시스템은 초기 미끄러짐을 검출하기 위해서 제1 접촉 구역(12)에서 미끄러짐을 측정하도록 구성된, 센서, 또는 센서 시스템을 더 포함한다. 센서는 다양한 형태일 수도 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 접촉면은 복수의 돌출부가 연장되는 기저면(18)을 포함할 수도 있다. 일부 형태에서 접촉면은 하부 지지면(41) 및 상부 지지면(40)을 더 포함한다. 일부 형태에서 상부 지지면은 복수의 개구를 포함하고 개구를 통해 돌출부가 연장될 수도 있다. 일부 형태에서 하부면(41)은 센서 또는 다른 시스템 부분을 지지하기 위한 지지부 또는 공동부를 포함할 수도 있다.

도 3 및 도 4에 예시된 바와 같이, 디바이스의 일부 실시형태에서, 조명 반사기(31), 개구(32) 및 광센서(33)는 조명 반사기(31)의 3차원 편향이 측정되게 하는, 핀홀 카메라 구성(30)을 형성한다. 이 편향은 돌출부(16)의 팁의 3차원 편향과 연관성이 있다. 핀홀 카메라 구성(30)은 공급원(34)으로부터 개구(32)를 통과하는 광이 공급원의 반전된 이미지를 아래의 스크린 또는 센서(33) 상에 투사하는 구성이다. 광원(34)은 공동부(35)의 원위 단부의 반사기(31)로부터, 그리고 다시 기저면(18) 뒤의, 핀홀 개구(32)로부터 약간 충분한 거리에 장착된 센서(33) 상의 핀홀 개구(32)를 통해 반사되도록, 각각의 돌출부(16) 내부의 공동부(35)를 비춘다.

디바이스의 일부 실시형태에서, 광원(34)은 작은 원형 디스크로부터 비롯되고, 원형 광 스폿이 투사될 것이다. 광 스폿의 위치를 모니터링함으로써, 센서(33)는 개구(32)에 대한 공급원(34)의 3차원 위치를 검출할 수 있다. 일부 실시형태에서 광 스폿은 돌출부가 압축될 때 확대되고 기저부에 대해 수직인 축을 따른 변형이 측정될 수 있는 것을 의미한다.

디바이스는 3차원, 즉, 기저면의 접평면의 x축 및 y축 그리고 미리 결정된 돌출부가 표면으로부터 연장되는 지점에서 기저면에 대해 수직으로 연장되는 z축의 변경 또는 변형의 측정을 더 허용한다.

모든 3개의 축의 변경 또는 변형의 시각적 표현은 돌출부 또는 돌출부의 팁에 적용된 3차원 변위가 측정되게 한다. 이 변위의 3차원 시각적 표현은 기저면에 접하는 x-y 평면에서 돌출부의 각이동을 입증하기 위한 광 스폿의 이동의 시각적 표현 및 광 스폿의 크기의 변경을 통해 기저면에 대해 수직인 z축의 이동의 시각적 표현을 포함한다. 이 시각적 표현은 돌출부에 적용된 힘이 모든 3차원에서 결정되게 한다. 이 3차원 힘의 측정은 또한 미끄러짐이 발생할 때 마찰의 추정을 허용한다.

일부 형태에서, 시스템은 하나 이상의 돌출부가 어레이 내 다른 돌출부와 동일한 속도로 더 이상 이동되지 않을 때 미끄러짐을 검출한다. 일부 형태에서 시스템은 진동을 통해 미끄러짐을 검출한다. 일부 형태에서, 미끄러짐의 검출 후, 시스템은 마찰 계수의 추정을 허용하도록 미끄러짐의 순간에 법선력에 대한 접선력의 비를 검토한다.

게다가, 3차원에서 힘의 측정은 z축 주위의 힘의 굽힘 또는 x-y 편향이 감지될 수 있으므로 돌출부의 어레이가 회전력을 추정하게 한다. 이 회전력의 추정은 그립력이 회전력을 적절하게 증가시키는 것을 처리하도록 증가될 수 있으므로 증가된 그립 안정성을 허용한다.

높은 대역폭 및 매우 높은 공간 분해능을 가진 3차원 변위의 측정은 돌출부 내 진동의 감지를 허용한다. 감지 진동은 미끄러짐 사건과 관련된 경보를 제공한다. 대안적으로, 진동의 감지는 질감을 감지하는 수단 및 질감을 구별하기 위한 능력을 제공한다. 부가적으로, 진동의 감지는 진동면으로부터 음성 또는 음악 또는 다른 소리의 변환을 초래할 수도 있다.

디바이스의 일부 실시형태에서, 돌출부 내부의 공동부(35)는 LED(34)에 의해 비춰지는 반사기 디스크(31) 및 개구(32)를 포함할 수도 있다.

디바이스의 일부 실시형태에서, 공동부(35)는 원추 형상을 갖는다.

디바이스의 일부 실시형태에서, 개구(32) 아래에 위치된 사분면 광다이오드의 형태인 센서(33)는 반사기(31)로부터 전달된 투사된 광 스폿의 위치 및/또는 크기를 검출할 수도 있다. 이러한 실시형태에서, 광 스폿 위치의 계산은 기저면에 접하는 x-y 평면 내 돌출부의 팁의 위치와 연관성이 있다. 이 계산은 각각의 축이 센서 절반 간의 차를 공제하고 그리고 총 수광된 광에 대하여 정규화함으로써 계산되는 비교적 간단한 수식을 사용한다. 유사하게, 광 스폿 크기는 기저면에 대해 수직인 z축을 따른 압축 또는 해제와 연관성이 있는 기저면에 대해 수직인 z축을 따른 돌출부의 팁의 위치와 연관성이 있다. z축을 따른 팁의 위치의 계산은 광다이오드에 떨어지는 광의 강도를 측정함으로써 간단히 계산될 수 있다. 이 계산의 간단함은 디자인을 마이크로프로세서에 대해, 심지어, 센서의 큰 어레이에 대해 적합하게 한다.

디바이스의 일부 실시형태에서, 핀홀 카메라 구성(30)은 광다이오드 센서(33)의 4개의 사분면의 각각을 조명하는 광의 상대적 비율을 조사함으로써 2차원에서 돌출부(16) 편향의 방향 및 크기를 측정할 수 있고; 돌출부(16)가 광 빔의 방향을 편향시키므로 핀홀 개구(32)를 통한 비침이 변경될 것이다. 디바이스의 더 작은 스케일의 실시형태에 대해, 광다이오드 센서(33)는 CCD 또는 CMOS 감광 어레이로 교체될 수 있다. 변동 및 변경은 본 개시내용의 정신 또는 범위로부터 벗어나는 일 없이 이전에 설명된 부분에 대해 이루어질 수도 있다.

실시예

일부 예시된 실시형태에서, 돌출부 또는 기둥 상의 힘을 추정하는 것은 다음과 같이 수행될 수도 있다. 물질이 훅의 법칙(Hooke's Law)에 따라 선형 탄성으로서 거동한다고 가정된다. 전체 법선력(F_N)은 각각의 기둥에 작용하는 법선력의 합계인 것에 유의한다.

8개의 외부 기둥에 의해 둘러싸인, 단일의 중심 기둥의 경우에, 이것은 다음을 의미한다:

(1a),

(1b) 및

(1c),

여기서 k는 기둥의 탄성 물질의 스프링 상수이다. 따라서:

(2a) 및

(2b).

접선력이 또한 접촉하는 표면을 전단함으로써 센서에 적용될 때, 기둥의 각각은 또한 접선력을 겪는다(도 1c 참조). 모든 기둥이 표면에 고정될 때(미끄러지지 않음), 그리고 (i) 기둥의 압축 변형이 기둥의 높이에 비해 작고, (ii) 더 긴 기둥과 더 짧은 기둥 간의 높이의 차가 또한 높이에 비해 작고, 그리고 (iii) 기둥이 기둥의 높이에 비해 현저하게 구부러지지 않는다고 가정하면, 기둥은 전부 거의 동일한 접선력을 겪고, 그리고 이 접선력의 합계는 전체 접선력(F_T)과 같다.

8개의 외부 기둥에 의해 둘러싸인, 단일의 중심 기둥의 경우에, 이것은 다음을 의미한다:

(3a) 및

(3b)

F_TC는 중심 기둥 상의 접선력이고 그리고 F_TO는 외부 기둥 중 하나 상의 접선력이다.

외부 기둥이 더 작은 법선력하에 있고, 그리고 μ_s가 각각의 기둥에 대해 동일하므로, 외부 기둥은 중심 기둥보다 더 작은 전체 접선력으로 미끄러질 것이다. 외부 기둥은 다음과 같을 때 미끄러지기 시작할 것이다:

(4).

이것은 전체 접선력이 다음과 같을 때 발생한다:

(5).

외부 기둥이 미끄러지고 그리고 중심 기둥이 여전히 고정되는 동안, 외부 기둥은 운동 마찰 계수(μ_k)에 기인하여, 제한된 양의 접선력을 전체 접선력에 기여한다:

(6a),

그리고 중심 기둥은 다음과 같을 때 미끄러지기 시작할 것이다:

(6b).

이것은 전체 접선력이 다음과 같을 때 발생한다:

(7).

이제, μ_s는 항상 μ_k 이상이지만, μ_s=μ_k라고 가정한다면, 방정식 (7)은 다음과 같이 간략화될 수 있다:

(8).

방정식 (5)와 방정식 (8)을 결합하여 다음을 제공한다:

(9),

k와 d가 알려져 있고, 그리고 전체 접선력 및 법선력이 외부 기둥의 미끄러짐의 순간에 측정된다면(각각, 및 ), 중심 기둥이 미끄러질 때 전체 접선력-대-법선력의 비를 예측하는 것이 가능하고; 즉, 외부 기둥이 미끄러질 때를 감지하고 그리고 이어서 이 때 힘을 조사함으로써 정지 마찰 계수를 추정하는 것이 가능하다.

일부 형태에서 센서의 기저부(기둥이 이로부터 나옴)의 직경, D총합 = 80㎜이고 3㎜의 두께를 갖고, 그리고 원통형 기둥의 각각은 D = 10㎜의 직경을 갖고 그리고 반구형으로 종결되며, 중심 대 중심 간격은 대략 15㎜이다. 날카로운 에지를 가진 평평한 단부가 큰 압축력이 기둥이 미끄러지기 전에 기둥 접촉 영역의 에지에서 성장하게 하므로, 반구형 단부가 선택되었다. 센서(위의 간단한 모델과 같음)의 이 실시형태에서, 8개의 외부 기둥은 3×3 격자 배열로, 단일의 중심 기둥을 둘러싼다. 중심 기둥의 높이는 l_C = 15㎜이고, 외부 기둥의 높이는 l_O = 14㎜이고; 즉, 중심 기둥과 외부 기둥 간의 높이 차는 d = 1㎜이다. 이 원형을 제조하기 위해서, 실리콘은 3D 프린팅된 ABS 플라스틱 주형으로 주조되었다.

주형은 3D 프린터를 사용하여 열가소성으로 프린팅되었다. 주형의 표면 상의 3D 프린트 라인을 평탄화하기 위해서, 상온에서 3시간 동안 아세톤 증기 욕에 주형을 매달아 둔다. 도 5a 및 도 5b는 아세톤 증기 욕 전과 후의 주형을 각각 도시한다.

용이한 흐름을 위해 저 점도, 그리고 짧은 경화 기간을 가진, 2-성분, 피부-안전 실리콘이 원형을 위한 물질로서 사용되었다. 2가지 성분이 제작업자 명령에 따라 같은 양으로 혼합되었고 그리고 주조가 단일의 주입으로 수행되었다. 가스제거 과정이 요구되지 않지만, 실리콘이 주입 스트림의 더 나은 제어를 허용하기 위한 높이에서 주입되고, 그리고 실리콘에 존재하는 모든 거품을 제거하도록 주형을 부드럽게 흔든다. 실리콘은 경화 후 성형되지 않는다(도 5c 내지 도 5e 참조). 도 5c는 실리콘 원형을 평면도로 도시하고; 도 5d는 장착 지지부를 가진 원형을 도시하고; 도 5e는 실리콘 원형을 측면도로 도시한다.

원형의 작동을 입증하기 위해서, 복수의 실험이 법선력 및 접선력을 원형에 적용하도록 수행되었다. 이 테스트 과정을 수행하기 위해서, XYZ-스테이지, 3D 힘/회전력 센서, 원형, 투명한 아크릴 표면, 및 카메라로 이루어진 테스트 리그가 사용된다. 테스트 리그 및 테스트 과정은 아래에 설명된다.

도 6은 본 개시내용의 적어도 하나의 실시형태의 원형을 테스트하기 위한 예시적인 테스트 리그를 도시한다. 도면은 A로 표기된 XYZ-스테이지, B로 표기된 아크릴 표면, C로 표기된 원형, D로 표기된 3D 힘/회전력 센서, E로 표기된 비디오 캡처를 위한 플랫폼, 및 F로 표기된 지지 프레임을 도시한다.

3개의 병진 스테이지로 이루어진 도 6에 도시된 XYZ-스테이지(M-605.1DD, Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, 독일 카를스루에 소재)는 원형과 접촉하는 투명한 아크릴 표면을 가져오고 그리고 이어서 아크릴 표면을 원형의 표면에 걸쳐 전단하도록 사용되었다. 스테이지의 각각은 50㎜.s^-1의 최대 속도, 및 0.3㎛에 이르는 단차 크기에 대해 0.1㎛의 정확도로 25㎜의 이동 범위를 갖는다. 압축은 기둥의 각각에 접선력을 생성하는 파지될 물체와 접촉하는 표면의 전단 및 기둥에 작용하는 법선력을 생성한다.

3D 힘/회전력 센서(Mini40, SI-80-4, ATI Industrial Automation, 미국 노스캐롤라이나주 아펙스 소재)는 원형과 지지 프레임 사이에 장착되었다(도 6d 참조). 원형에 작용하는 힘 및 회전력은 PowerLab 16/35 데이터 획득 장치(AD Instruments, 오스트레일리아 뉴 사우스 웨일즈주 벨라 비스타 소재)를 사용하여 1㎑로 샘플링되었다.

투명한 아크릴 표면과 접촉하는 원형의 비디오는 16GB의 아이폰 6(모델 A1586)의 네이티브 비디오 녹화 앱을 사용하여 캡처되었다. 아이폰이 플랫폼 상에 배치되어 기둥이 이미지의 중앙에 배치된 중심 기둥과 함께 (대략 100㎜) 바로 아래에서 투명한 아크릴 표면을 통해 관찰된다. 아이폰은 59.97fps(frames.s^-1)에서 1334 × 750 화소의 해상도를 가진 .MOV 포맷으로 아이폰 스크린을 녹화하도록 QuickTime Player 10.4를 실행하는 MacBook Pro에 연결되었다. 카메라 캘리브레이션은 MATLAB(R2014b, Mathworks, 미국 매사추세츠주 내틱 소재) 카메라 캘리브레이션 앱을 사용하여 수행되었다. 렌즈 뒤틀림 계수(방사상 및 접선)가 계산되었고 그리고 센서의 에지에서(기둥 중 임의의 기둥의 최대 편향을 넘어) 뒤틀림이 1.1 화소보다 더 크지 않고, 이는 대략 0.12㎜에 대응한다. 비교에 의해, 기둥 상의 추적 점은 직경에서 대략 5 화소를 측정한다. 이 뒤틀림이 기둥 편향의 측정을 바이어싱하는 효과를 가지므로, 결과에 대한 효과는 오직 기둥이 스테이지에 대해 미끄러지도록 결정되는 시점을 변경하기 위한 것이지만; 이 사건 시간을 결정하는 것은 사용되는 미끄러짐 검출 규칙에 훨씬 더 의존적이다.

작은 홀은 비디오 분석 동안 추적을 위한 신뢰할 수 있는 마커를 형성하도록 흑색 잉크로 충전되는, 선택된 기둥의 중심점에서 핀에 의해 생성되었다. 게다가, 3개의 10㎜ 정사각형의 행으로 이루어진 흑색 및 백색 체커보드 패턴은 표면의 위치를 추적하기 위한 기준점을 제공하고 뿐만 아니라 무시할 수 있는 렌즈 뒤틀림에 기인하여 합당한 공간 단위 변환(㎜로의 화소)을 위한 기준을 제공하도록 아크릴 표면에 부착되었다.

XYZ-스테이지는 2.5㎜.s^-1의 속도로 목적하는 법선력(μ_s)을 측정하기 위해 0.5N, 그리고 기둥 미끄러짐 거동을 분석하기 위해 5, 7.5, 10, 12.5 및 15N - 이하 참조)을 발생시키는 사전 결정된 위치로 원형을 향하여 수직으로 이동되도록 프로그래밍된다. XYZ-스테이지가 1.5s 동안 위치를 홀딩하고, 이어서 총 15㎜에 대해 2.5㎜.s^-1의 속도로 횡방향으로 이동된다. 이어서 스테이지가 원형으로부터 이격되어 다시 시작 높이로 수직으로 이동되고, 따라서 힘을 언로딩하고, 이어서 횡방향으로 이동되어 시작 위치로 복귀된다.

목적하는 법선력(5, 7.5, 10, 12.5, 및 15N)을 발생시키는 XYZ-스테이지 위치를 기록함으로써, 스프링 상수가 훅의 법칙에 따라 계산될 수 있다. 이 법선력 레벨에서, 모든 9개의 센서 기둥이 아크릴 표면에 대해 압축되므로, 스프링 상수(k)는 법선력에 대한 스테이지 위치에 의해 규정된 라인의 기울기의 1/9과 같다.

테스트를 위해 사용되는 3개의 표면이 μ_s의 상이한 값을 갖고 그리고 각각의 표면의 μ_s가 테스트 전반에 걸쳐 일관되는 것을 보장하기 위해서, μ_s를 측정하는 것이 필요하다. μ_s는 0.5N의 법선력에서 위의 프로토콜을 수행함으로써 측정되고-이 법선력에서, 중심 기둥만이 표면과 접촉한다. 마찰은 마찰 조건과 테스트된 법선력의 각각의 조합에 대한 기둥 거동을 테스트하기 전 그리고 후에 측정되었다(이하 참조).

센서의 거동은 5개의 상이한 법선력 레벨, 즉, 5, 7.5, 10, 12.5 및 15N에서 테스트되었다. XYZ-스테이지는 법선력과 접선력을 위에서 설명된 바와 같이 적용하도록 프로그래밍되었다. 동시에, ATI 센서로부터 힘 신호/회전력 신호가 기록되고 그리고 아크릴 표면과 접촉하는 기둥의 비디오가 캡처된다.

상이한 마찰 특성을 가진, 3개의 표면, 즉, (i) 에탄올로 세정된 아크릴(기본 마찰 조건), (ii) 올리브 오일로 덮힌 아크릴(저 마찰 조건) 및 (iii) 건조되도록 허용되는 비누의 박층으로 코팅된 아크릴(고 마찰 조건)이 사용되었다.

법선력(5, 7.5, 10, 12.5 및 15 N)과 표면(아크릴: 오일로 덮힌 아크릴, 에탄올로 세정된 아크릴, 비누로 코팅된 아크릴)의 각각의 조합에 대해, 다음의 테스트, 즉, 0.5N에서 마찰의 테스트(1회), 목적하는 법선력에서 기둥 거동의 테스트(5회), 0.5N에서 마찰의 테스트(1회)가 수행되었다.

힘 신호에서 모든 고-주파수 잡음을 제거하기 위해서, 10㎐의 차단 주파수를 사용하는 2차 저주파-통과 버터워스 필터(2nd-order low-pass Butterworth filter)가 적용되었다.

녹화된 비디오는 아크릴 표면의 횡방향 이동 동안 원형의 8개의 외부 기둥 중 하나의 외부 기둥 및 중심 기둥의 편향을 모니터링하도록 사용되었다. 가네다-루카스-토마시(Kanade-Lucas-Tomasi) 알고리즘은 MATLAB(Mathworks, 미국 매사추세츠주 내틱 소재)에서 점 추적을 수행하도록 사용되었다. 3개의 점, 즉, (i) 중심 기둥의 중심, (ii) 하나의 외부 기둥-이것은 전단 방향에서 중심 기둥으로 직접적으로 이어지는 기둥으로서 선택되었음-의 중심 및 (iii) 기준 격자 상의 점(아크릴 표면의 위치를 모니터링하기 위함)이 비디오 녹화 내내 추적되었다.

점-추적의 결과는 아크릴 표면의 위치에 대한, 그리고 나중에, 각각의 기둥의 미편향된 위치에 대한, 중심 기둥 및 외부 기둥의 편향을 제공한다. 기둥 편향 및 비디오 추적의 단일의 프레임이 도 4에 도시된다. 이어서 5㎐의 2차 저주파-통과 버터워스 필터가 편향 데이터로부터 추적 지터를 제거하도록 적용되었다.

필터링된 힘/회전력의 동기화 및 편향 신호는 원래의 데이터가 2개의 상이한 디바이스에서 기록되므로 필요하다. 각각의 자극의 끝에, XYZ-스테이지가 음의 Z-방향(기둥에 대해 수직임)으로 가속되어 아크릴 표면을 센서로부터 이격되게 철수시켜서 법선력을 언로딩한다. 이것은 접선 굽힘 힘이 갑자기 제거될 때 계산된 중심 기둥 편향뿐만 아니라 측정된 법선력의 큰 가속을 발생시킨다. 필터링된 법선력 및 중심 기둥 편향의 시간에 대한 2차 도함수 내 큰 음의 피크는 힘 및 편향 데이터를 동기화하도록 사용되었다.

이상적으로, 스테이지가 2.5㎜.s^-1의 속도로 이동되므로, 기둥이 고정된다면(미끄러지지 않는다면), 기둥은 기둥의 팁에서 2.5㎜.s^-1의 속도로 편향되어야 하고, 그리고 기둥이 미끄러질 때, 편향 속도는 0㎜.s^-1이 되어야 한다. 그러나 이것은 실제의 경우가 아니고 그리고 기둥의 굽힘에 기인하여, 기둥은 먼저 스테이지와 동일한 속도로 이동하는 것으로 나타나지만, 이 속도는 기둥이 접촉점에서 롤링하는 것으로 나타날 때 천천히 감소된다. 따라서 미끄러짐의 순간은 기둥의 편향 속도(즉, 시간에 대한 편향 위치의 1차 도함수)가 스테이지 속도의 5%로 감소될 때(즉, 기둥의 편향 속도가 먼저 0.125㎜.s^-1 미만으로 감소될 때)의 순간으로서 경험적으로 결정되었고-스테이지 속도는 0에 가깝지만, 기둥 편향 속도의 프레임-대-프레임 잡음의 레벨 초과이다-. 원형의 작동 원리를 입증하기 위한 이 작업에서, 이 문턱값은 미끄러짐의 순간을 식별하기 위해 충분하지만, 다른 실제 상황에서 검출 알고리즘은 반드시 더 복잡하고/강력해야 할 것이다. 일부 형태에서, 각각의 돌출부는 돌출부의 편향 및 진동을 측정하도록 위에서 설명된 광 및 핀홀 방법을 사용하여 내부에 설치될 수도 있다. 일부 형태에서 이것은 미끄러짐 사건이 덜 모호하다는 것을 의미할 수도 있다.

중심 기둥(오직 0.5N의 법선력과 접촉하는 기둥)의 미끄러짐의 순간에(비디오 분석에 의해 결정된 바와 같음) 법선력에 대한 접선력의 비는 μ_s의 추정인 것으로 취해진다.

센서의 작동 원리는 외부(더 짧은) 기둥이 중심(더 긴) 기둥과 비교할 때 더 작은 접선력하에서 미끄러져야 한다는 것이다. 이것이 충족되는지를 결정하기 위해서, 외부 기둥과 중심 기둥 각각의 미끄러짐의 순간에 접선력과 법선력이 비교를 위해 결정된다. (방정식 (9))의 예측이 또한 외부 기둥이 미끄러질 때측정된 접선력 및 법선력(각각, 및 )으로부터 계산되었고 그리고 비교가 중심 기둥이 마지막으로 미끄러질 때를 얼마 지나 측정되는 측정된 에 대해 이루어졌다.

결과

법선력(N)의 각각에 대한 스테이지 위치(㎜)는 센서 기둥의 스프링 상수(k)를 계산하도록 사용되었다. 스프링 상수(k)는 복수의 기둥으로 분할된 최상의 피팅의 라인의 기울기이다: k = 1.174 N/㎜.

아크릴 판이 (대략 2.4s로) 전단하기 시작할 때, 법선력이 감소된다는 것이 발견되었다. 이것은 XYZ-스테이지가 동일한 높이에 있도록 프로그래밍되면서 아크릴 표면을 전단하고, 그리고 센서의 기둥이 구부러지는 것으로 예측되고, 센서의 유효 높이가 약간 감소된다는 것을 의미한다. μ_s는 중심 기둥이 미끄러지는 순간에 법선력에 대한 접선력의 비로서 나타난다.

도 7을 참조하면, 테스트 과정 동안 캡처된 비디오의 단일의 프레임이 도시된다. 적색 ×표는 마커의 원래의 위치이고; 청색 ×표는 아크릴 판에 대해 이동된 마커의 현재의 위치이다. 황색으로 강조된 값은 마커(상단부), 중심 기둥(중앙) 및 중심 기둥의 좌측의 외부 기둥(하단부)의 편향(㎜)이다.

도 8을 참조하면, 각각의 기둥이 A) 고 마찰면, B) 기본 마찰면 및 C) 저 마찰면에 대해 각각의 법선력 레벨에서 미끄러질 때 접선력-대-법선력 비의 그래픽도가 도시된다. 마커는 평균값이고 그리고 에러 바가 ±SD로 연장된다. 수평 파선은 0.5N 법선력에서 측정된 μ_s를 나타낸다.

도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 광센서는 돌출부의 변위 및 돌출부 상의 힘을 측정할 수 있다. 그래픽도에서, 도 9a는 기준 변위를 제공한다. XY 좌표는 위에서부터 비디오 카메라를 사용하여 하나의 기둥의 팁에 묻은 점을 추적함으로써 획득된다. 우리는 로봇 스테이지를 사용하여 기둥 팁과 접촉하는 두꺼운 퍼스펙스(Perspex)의 깨끗한 시트를 가져오고 그리고 이것을 이동시켜서 XYZ 변위를 유발한다. 로봇 스테이지는 우리에게 Z 좌표를 알려준다.

도 9c는 기준 힘을 도시한다. 이것은 상업용 3-축 힘 센서를 사용하여 획득된다.

도 9b는 일부 간단한 전처리 후 4개의 광다이오드를 사용하여 변위 및 힘의 측정을 도시한다. 도시된 바와 같이 사분면 패턴으로 배열된 4개의 광다이오드가 있다면,

P Q

R S

광다이오드가 감지하는 광의 강도가 다음과 같이 전처리되어 중앙 플롯을 얻을 수 있다.

Z = P + Q + R + S (즉, 전부의 합계)

X = [(P + R) - (Q + S)]/Z (즉, 좌측 빼기 우측, 정규화됨)

Y = [(P + Q) - (R + S)]/Z (즉, 상단부 빼기 하단부, 정규화됨)

최종적으로 2개의 맵핑 함수는 도 9b에 도시된 변위 및 힘을 측정하는 값을 3차원에서 기준 변위를 나타내는 도 9a의 값, 또는 3차원에서 기준 힘을 나타내는 도 9c의 값 중 하나에 맵핑하도록 학습된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 센서는 진동을 검출할 수 있다. 이 실시예에서, 돌출부 팁은 단일의 축을 따라 진동하는 셰이커(shaker)와 접촉한다. 부착된 이미지는 330㎐에서 10㎛(0.01㎜) 진동이 기둥의 Z축에 적용되는(즉, 기둥을 압축) 테스트의 결과를 나타낸다. 점형 적색 트레이스는 셰이커의 변위를 나타내고 반면에 청색 트레이스는 광다이오드 센서의 응답을 나타내고; 청색 트레이스에 도시된 이 센서 응답 값은 계산(Z = P + Q + R + S)을 사용하여 획득되고, 그리고 볼트로 표현된다.

다음의 청구항에서 그리고 본 발명의 이전의 설명에서, 문맥이 분명한 언어 또는 필요한 암시에 기인하여 달리 요구하는 경우를 제외하고, 단어 "포함하다(comprise)" 또는 변형, 예컨대, "포함하다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 포괄적인 의미로 사용되고, 즉, 언급된 특징부의 존재를 명시하지만 본 발명의 다양한 실시형태에서 추가의 특징부의 존재 또는 추가를 배제하는 것은 아니다.

Claims (10)

1. 마찰을 추정하기 위한 시스템으로서, 상기 시스템은 :
   기저면으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함하고, 제1 접촉면 구역 및 제2 접촉면 구역을 더 포함하는 접촉면으로서, 상기 제1 접촉면 구역은 상기 제2 접촉면 구역보다 작은 미끄러짐에 저항하도록 구성되는, 상기 접촉면,
   상기 제1 접촉면 구역의 미끄러짐이 발생할 때 적어도 3개의 상기 복수의 돌출부에 적용되는 3차원의 힘을 측정하기 위해 3개의 다른 차원에서 적어도 3개의 상기 복수의 돌출부의 변위를 감지하도록 구성되는 센서 배열을 포함하는, 마찰을 추정하기 위한 시스템.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 돌출부의 변위는 파지되는 물체의 병진 또는 회전의 결과인, 마찰을 추정하기 위한 시스템.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 적어도 3개의 상기 복수의 돌출부에 적용되는 토크를 추정하도록 더 구성되는, 마찰을 추정하기 위한 시스템.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 미끄러짐 사건과 관련된 적어도 3개의 상기 복수의 돌출부에서 진동을 감지하도록 더 구성되는, 마찰을 추정하기 위한 시스템.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 다른 표면 질감에서 적어도 3개의 상기 복수의 돌출부에서 진동을 감지하도록 더 구성되는, 마찰을 추정하기 위한 시스템.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 돌출부는 변형 가능한, 마찰을 추정하기 위한 시스템.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 돌출부는 상기 기저면으로부터 팁으로 연장되는 세장형 샤프트이고, 상기 접촉면은 상기 팁의 단부 또는 근방에 제공되는, 마찰을 추정하기 위한 시스템.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 복수의 돌출부는 어레이를 형성하도록 배치되는, 마찰을 추정하기 위한 시스템.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 돌출부는 서로 관계없이 이동하도록 구성되는, 마찰을 추정하기 위한 시스템.
   
10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 돌출부는 사용 시 일정한 그립 압력 하에서 상기 제1 접촉 구역 내 돌출부 상의 법선력이 상기 제2 접촉 구역 내 돌출부 상의 법선력 미만이도록 구성되는, 마찰을 추정하기 위한 시스템.