KR20240000099A - 어레이형 유연 센서 제어 시스템 - Google Patents
어레이형 유연 센서 제어 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 어레이형 유연 센서 제어 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는 어레이형 유연 센서를 이용하여 센서 변형률에 따른 출력 신호 측정 및 데이터를 분석하는 어레이형 유연 센서 제어 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 어레이형 유연 센서 제어 시스템을 활용하여 센서 변형률에 따른 출력신호를 측정하고 데이터를 분석하여 활용할 수 있다.
Description
본 발명은 어레이형 유연 센서 제어 시스템에 관한 것이다. 보다 자세하게는 어레이형 유연 센서를 이용하여 센서 변형률에 따른 출력 신호 측정 및 데이터를 분석하는 어레이형 유연 센서 제어 시스템에 관한 것이다.
1-1. EOAT (End of Arm Tool)의 중요성과 촉각센서
최근 다관절 로봇을 포함한 대부분의 로봇에서의 그리퍼 및 조작 편의성에 대
한 요구는 매우 커짐
- 로봇은 주로 특별한 기능을 하도록 설계 및 제작이 되는데, 다양한 기능, 역할을 하기위해서는 EOAT, 즉 그리퍼를 다양하게 보유하여 교체하면서 다양한 역할을 수행할 수 있게 됨
- 이러한 기술 시장 환경에서 EOAT의 Actuator는 공압, 소형모터등을 통하여 다양하게 구성 가능함
- 액츄에이터 퍼포먼스는 뛰어난 반면 센서의 기술이 뒷받침이 되지 않은 사례가 많아, 원하는 기능을 구현하는데 센서부가 한계기술이 되어왔음
- 미세 토크 피드백, 물체 유무 감지, 물체 중량 감지등 센서에서 민감한 토크 피드백을 위해 센서를 이용하여 촉각을 인지하고 감응해야할 부위가 많고, 필요도가 높음
1-2. 주행형 다관절 로봇 기술제품의 개요 및 필요성
사출성형 공정용 직교형 취출 로봇
- 플라스틱 가공제품 제조업 현장은 고령화에 따른 인력 부족, 인건비 상승, 젊은층의 기피현상 등으로 작업자의 손에 의지하던 취출 작업을 대신할 취출로봇의 필요성은 점점 커지고 있으며 이에 대한 부가가치 창출을 위한 노력이 세계 각 로봇 메이커에서 이루어짐
※ 취출(取出)이란 “잡아서 뺀다”는 뜻으로 사출성형기 금형 내에서 가공된 플라스틱 제품을 빼내는 전용로봇을 “취출 로봇 (Take-out robots)이라고 부르고 있으며 대부분의 사출성형기에 탑재되어 사용되고 있음
<취출로봇과 플라스틱 사출성형기에 부착 모습>
- 플라스틱 성형기술의 진보로 보다 복잡한 형상의 성형이 가능하게 되고, 성형품의 품질향상이 요구되며, 생산성 향상을 위해 취출 로봇을 필수로 사용
- 시장과 산업 환경의 변화에 따라 생산성 향상, 생산관리의 용이성, 조작의 편의성, 높은 산업안전성, 작업자의 고의/실수로 인한 문제를 즉각 파악 할 수 있는 기능 및 성능이 요구 되고 있음
다관절 로봇의 사출현장 적용의 한계점 및 문제점
- 인건비 상승, 품질향상을 이유로 점차 고기능의 취출 로봇이 요구됨에 따라 다관절 로봇을 사용하여 사출공정에 투입하고 있음
- 다관절 로봇을 사출공정에 투입하기에 비용 소요가 커 현재까지는 대형 업체위주로 적용하고 있음.
- 대부분 일본산 대형 다관절 로봇임
①
사출공정 특성상 금형을 변경할 때마다 새로운 공정 조작이 필요한데, 이 때, 다관절로봇의 조작(티칭) 전문가의 지원이 반드시 필요함.
<다관절 로봇의 티칭 팬던트> <다관절 로봇의 티칭 팬던트 화면>
② 다관절 로봇을 사출공정에 투입함에 있어 다관절로봇의 기능 외 주변 자동화 와의 연동, 사출공정만의 EOAT(End of Arm Tool)로 인해 개조 비용이 큼
③ 사출 공정의 특징으로 취출 로봇의 작업반경이 직사각형으로 다관절로봇의 특 성상 작업 반경 형태는 구형에 가까우며, 이를 적용하고자 할 때 대형 다관절 로봇을 사용하게 됨
<일반적인 다관절 로봇 형태>
<다관절 로봇의 작업 반경도>
④ 다관절 로봇 최대 이슈 - 협동로봇
- 산업용 로봇인 만큼 안전에 대한 중요성은 매우 큼.
작업자와 작업영역을 공유할 수 있을 만큼 안전성이 강조된 것이 협동로봇임.
협동로봇의 충돌 감지 방법은 토크-피드백 기술로서, 예상되는 부하외의 힘이 모터에 기준이상으로 발생되었을 때 이를 감지는 기술임
- 동 과제는 스마트 센서를 이용하여 이에 상응하는 기술을 센서를 통해 구현하여 주행형 다관절 로봇에 적용하고자 함.
- 그 힘의 크기가 인력을 감지할 정도로 작기 위해서는 소형로봇에만 적용가능.
본 과제는 대형 다관절 로봇에 촉각센서를 부착하여 이를 대응하여 기술 개발하고, 다관절 로봇의 협동 로봇화 기술을 선도하고자 함.
- 나아가 이를 발전시켜, 로봇 피부로의 발전을 기대할 수 있음
사출 현장
- 기본적인 작업자 접근 금지의 설계가 되어 있으나 티칭 조작 시는 작업자가 사출기내 (고정형판, 이동형판 사이의) 금형내로 들어가 조작할수 밖에 없으며, 오조작 시, 작업자가 재해를 입을 수 있는 환경임.
- 동 과제를 통하여 스마트 센서를 활용한 토크-피드백 기술의 역할을 구현함(quasi-torque feedback 기술)으로써 재해를 방지 혹은 축소시킬 수 있으며, 동시에 작업 편의성을 높이는 용도로 사용하고자 함.
- 기본적으로 사출성형기로 인한 고온환경이며, 경우에 따라 40℃이상, 습도 60%이상의 극한 환경이 존재(해외)
- 기술개발 완료 시 플라스틱 사출현장의 스마트화를 통한 수입대체, 수출상품화를 통한 매출증대 및 자동차산업, 전자산업 등 국내 기간산업의 산업경쟁력을 높일 수 있을 것으로 기대됨
대상 및 개발 기술내용
- 위치 센서 및 압력센서 기반 토크 피드백 기술을 이용한 다관절 로봇 제어 시스템 개발
- 산업현장 최대 요구사항인 쉬운 티칭이 가능한 프로그램 및 지그형 센서 모듈 개발
· 전문가 조작이 필수적인 파낙, 야스카와등 범용 메이저 제품 대비하여, 비전문 가(현장작업자 수준)가 조작할 수 있는 프로그램 개발
· 범용 다관절 로봇 대비, 작업동작에 대한 설정시간 50%이상 단축 가능한 프로 그램 개발
· 다양한 작업 형태에 응용 가능한 제어 프로그램 개발
· 다양한 산업분야의 설비들과 연동할 수 있는 인터페이스 개발
· 절전기능 개발
· 로봇 반응 시간: 센서신호로부터 모터감속시작까지 시간 : 25ms 이내
2. 개발기술의 독창성 및 차별성
직교로봇과 다관절 로봇의 결합
- 사출공정에 있어서 취출 로봇의 최적 작업 반경을 위한
직교로봇의 주행부와 다관절 로봇의 5축 Arm을 결합한 형태
다관절 로봇의 협동로봇화
- 대형로봇의 협동 로봇화는 로봇업계 최대 화두이며 유연촉각센서를 통하여 협동로봇화를 이루어 해당 화두의 솔루션을 보이고, 더 나아가 타 분야의 접목도 기대됨
상기의 기술을 실현하기 위해 조작 편의성을 구현할 수 있는 촉각센서를 탑재
- 다관절 로봇의 조작은 전용 티칭 팬던트로 조작하며, 범용 자동화 대응을 지향 하므로, 로봇 움직임에 대한 프로그램을 팬던트로 입력후 위치 값을 설정하여 움직임을 완성 하는 구조를 가지고 있으나, 티칭에 불리하므로, 촉각센서를 사용한 즉각적인 피드백을 바탕으로 세계최초로 센서 기반의 이지 티칭 및 조작 편의성을 구현하고자 함
Industrial 4.0 (Smart Factory) 대응이 가능한 센서기술
- 최근 Industrial 4.0(Smart Factory)가 화두가 되어 세계 유수의 관련 기업(대기업)들이 시스템을 개발 중에 있으며, 규격제정에 있음.
- 해당 시스템을 구축하기 위해서는 ERP부터 MES까지 기반 시스템이 필요한데, 국내 중소기업 실정에는 아직은 어려움이 많음.
- 또, 다관절 로봇의 적용과 마찬가지로 시장유입의 분야별 순서는 반도체자동화, 범용 다관절로봇 분야를 시점으로, 사출분야에는 5년 이후에 적용되기 시작하며, 자금 및 시스템 부족의 이유로 국내 중소기업은 아직 오래된 방식을 사용함. 예를 들어, 오래된 사출기와 직교로봇만을 가지고 저렴한 외국생산인력을 사용하며 유지하고 있는 형태임. 본 컨소시엄에서 지난 수년간 관련 질의 및 시장동향 파악 을 다녀본 결과 다수 고객의 니즈로‘각 제품별 생산 수량만 파악이 되어도 많은 도움이 된다’라는 의견을 청취하여, 센서를 이용한 공정의 스마트화에도 성공 한다면, 로봇 및 기존 기기들과 통신하여 생산제품의 종류, 생산수량, 불량수량, 가동상태 등을 파악 할 수 있는 시스템 구축이 가능 함
다관절 로봇의 토크 피드백
다관절 로봇의 토크-피드백 기술은 크게 두 가지 용도로 사용.
ㄱ. 티칭 조작 할 경우, 직관적인 티칭 조작을 위하여 사용.(조작의 편의)
정확한 위치 접근과 오조작을 회피하기 위해 작업자가 조작 리모컨외
직관적 조작 가능
ㄴ. 자동 운전의 경우, 작업자의 안전을 위하여 사용.(충격 감지)
규정 이상의 충돌 감지 시, 정지 및 별도 충격 조작에 따른 재작동
위 설명된 바와 같이 대형 다관절은 소형협동로봇에 적용한 모터부하 토크 피드백을 사용할 수 없어, 이를 스마트화, 고도화된 센서를 사용하여 위 두가지 용도를 구현하고자 함.
EOAT (End of Arm Tool)의 중요성과 촉각센서
로봇산업에서 다양한 그리퍼 및 조작 편의성 요구 증대
- 로봇은 주로 특별한 기능을 하도록 설계 및 제작이 되며, EOAT, 즉 그리퍼를 다양하게 보유하여 교체하면서 다양한 기능 및 역할을 수행할 수 있게 됨
- 이러한 기술 시장 환경에서 EOAT의 액츄에이터는 공압, 소형 모터 등으로 다양하게 구성 가능하나 액츄에이터의 퍼포먼스는 뛰어난 반면 센서의 기술이 뒷받침이 되지 않은 사례가 많아, 원하는 기능을 구현하는데 한계가 존재
- 미세 토크 피드백, 물체 유무 감지, 물체 중량 감지 등 센서에서 민감한 토크 피드백을 위해 센서를 이용하여 촉각을 인지하고 감응해야할 부위가 많고, 필요도가 높음
주행형 다관절 로봇 기술제품의 개요 및 필요성
다관절 로봇의 사출현장 적용의 한계점 및 문제점
- 플라스틱 가공제품 제조업 현장은 고령화에 따른 인력 부족, 인건비 상승, 젊은층의 기피현상 등으로 작업자의 손에 의지하던 취출 작업을 대신할 취출로봇의 필요성은 점점 커지고 있음
- 인건비 상승, 품질향상을 이유로 점차 고기능의 취출 로봇이 요구됨에 따라 다관절 로봇을 사출공정에 투입하고 있으나 비용 소요가 커 현재까지는 대형 업체위주로 적용하고 있음. (대부분 일본산 대형 다관절 로봇)
- 사출공정 특성상 금형을 변경 할 때마다 새로운 공정 조작이 필요한데, 이 때, 다관절로봇의 조작(티칭) 전문가의 지원이 반드시 필요함
- 다관절 로봇을 사출공정에 투입함에 있어 다관절로봇의 기능 외 주변 자동화 와의 연동, 사출공정만의 EOAT(End of Arm Tool)로 인해 개조 비용이 큼
- 사출 공정의 특징으로 취출 로봇의 작업반경이 직사각형으로 다관절로봇의 특성상 작업 반경 형태는 구형에 가까우며, 이를 적용 하고자 할 때 대형 다관절로봇을 사용하게 됨
로봇의 안전 및 생산 현장 안전
- 빈번한 산업재해 발생에 따라 현장 기기 제조사는 다양한 안전장치와 안전 규정을 따르고 있으나, 실제 사용 현장에서 편의성의 이유로 이를 무력화 시켜 사용하다가 재해 발생. 이는 재정적 및 생산성에 막대한 손실을 초래함
- 또한 기본적으로 작업자 접근 금지 설계가 되어 있으나 티칭 조작 시 작업자가 사출기 내(고정형판, 이동형판 사이의)의 금형 내로 들어가 조작할 수밖에 없으며, 오조작 시 작업자가 재해를 입을 수 있는 환경임
다관절 로봇의 협동로봇화
- 작업자와 작업영역을 공유할 수 있을 만큼 안전성이 강조된 것이 협동로봇임.
협동로봇의 충돌 감지 방법은 토크-피드백 기술로서, 예상되는 부하 외의 힘이 모터에 기준이상으로 발생되었을 때 이를 감지하는 기술임
- 그 힘의 크기가 인력을 감지할 정도로 작기 위해서는 소형로봇에만 적용 가능
- 다관절 로봇의 조작은 전용 티칭 펜던트로 조작하며, 범용 자동화 대응을 지향 하므로, 로봇 움직임에 대한 프로그램을 펜던트로 입력 후 위치 값을 설정하여 움직임을 완성 하는 구조를 가지고 있으나, 티칭 펜던트 조작에 작업자의 실수가 있을 시, 가까이에 있는 작업자가 다칠 수 있음.
다관절 로봇의 토크 피드백
- 다관절 로봇의 토크-피드백 기술은 크게 두 가지 용도로 사용.
ㄱ. 티칭 조작 할 경우, 직관적인 티칭 조작을 위하여 사용.(조작의 편의)
정확한 위치 접근과 오조작을 회피하기 위해 작업자가 조작 리모컨 외 직관적 조작 가능
ㄴ. 자동 운전의 경우, 작업자의 안전을 위하여 사용.(충격 감지)
규정 이상의 충돌 감지 시, 정지 및 별도 충격 조작에 따른 재작동
- 위 설명된 바와 같이 대형 다관절은 모터부하 토크 피드백을 적용할 수 없기 때문에, 본 과제는 주행형 다관절 로봇에 스마트화, 고도화된 센서를 이용하여 충격 발생 시 비상 정지 및 별도 충격 조작에 따른 재작동하여 재해를 방지 혹은 축소하고, 동시에 센서 기반의 이지 티칭 및 조작 편의성을 높여 토크-피드백 기능을 구현하고자 함.
본 발명의 기술적 목적은 어레이형 유연 센서를 이용하여 센서 변형률에 따른 출력신호 측정 및 데이터를 분석하여 활용할 수 있는 어레이형 유연 센서 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 어레이형 유연 센서 제어 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면 어레이형 유연 센서 제어 시스템을 활용하여 센서 변형률에 따른 출력신호를 측정하고 데이터를 분석하여 활용할 수 있다.
도 1은 어레이형 유연 센서 제어 시스템에서 데이터를 분석하는 예시 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한 도면에서 본 발명을 명확하게 개시하기 위해서 본 발명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에서 동일하거나 유사한 부호들은 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
(1) 사출공정에서의 안전 사고
사출성형기와 사출 취출 로봇이 안전에 대한 기능이 되어 있으나, 작업자들이 불편하다는 이유로 안전를 위한 센서등을 인식 못하도록 막아 놓고 사용하다가 사고 발생하는 경우가 큼.
공정 특성상 대형이며, 위험한 형태(첨점 노출)가 있고, 충격이 발생할 때의 힘이 매우 큼.
이러한 이유로 산업재해가 발생하여, 작업자 금지영역에 레이져 커튼까지 설치하여 비상정지를 하도록 되어 있으나, 작업자가 매우 불편해하고 있음.
(2) 협동로봇의 기능
이러한 안전사고를 막기 위해 사출취출로봇 제조사들은 매우 다양한 시도를 해왔으나, 별다른 효과가 없음.
최근 이슈 되는 협동로봇이라면 매우 좋을 것이라는 업계 공통적인 견해임.
기술적 한계로 대형 로봇에 적용하지 못하여, 센서를 통한 협동로봇화를 구현하면 안전사고 방지에 탁월한 효과가 있을 것이라 생각되며, 물성 또한 안전한 재질이기에 유연촉각센서 개발과 함께 실제 로봇에의 적용이 시급하다고 판단됨.
(3) 협동로봇화를 위한 로봇스킨용 유연촉각센서 선행 개발 사항
유연촉각센서의 구조 및 센싱 구동 원리
- 실생활에서 발생하는 정전기를 이용한 정전식 터치센서
- 센서의 두께조절을 통하여 로봇의 다양한 부위에 부착 및 삽입이 가능한 형태이고, 정전방식의 에너지 하베스팅 기반 센서로 센서 자체에 전원 공급이 필요하지 않아 부피와 무게를 최소화 할 수 있고, 통신신호 간섭등으로부터 자유로움
- 일반적인 터치 센서에 비해 제작이 용이 하고, 이로 인한 제조비용이 저렴함
<선행 연구에 사용된 정전 방식의 촉각 센서 원리>
유연촉각센서의 유연특성 및 센서 구조
- 상기 그림과 같은 정전방식의 촉각센서는 마찰 대전으로 발생하는 정전기적 특성을 이용한 센서로 마찰 대전 시 발생하는 전압과 전류를 이용하므로, 센싱과 동시에 에너지 하베스팅이 가능하여 무전원, 저전력 센서 로 사용가능
<자체평가한 Polymer계 실리콘 산화물의 유연 특성>
- Polymer계 실리콘 산화물 기반의 재료를 이용하여, Flexible 하며 또한, Stretching, Bending, Twisting 시에도 센싱이 가능
- Stretching 시, 약 1.5 배 정도의 탄성을 가지며, 물리적 변형 후 복원력이 뛰어남
<정전방식의 유연촉각센서 구조 모식도>
4.2 기술개발 내용 및 실증 계획
1) 1차년도
<주관기관 개발내용> : 유연 저전력 촉각센서 기반 요소 기술 개발 및 센서 신호 측정 모듈/신호처리 알고리즘 개발
고유연성 polymer 촉각센서용 최적 소재 선정 및 신규 소재 평가
- Triboelectric 유연 촉각센서의 감도 극대화를 위해 탄성/표면 대전력을 고려한 소재 선정
: 센서 소재 자체가 소프트(탄성체(elastomer) 기반의 플라스틱 재료)하며, 이는 인공피부와는 다른 기술로서 안전성 인증 가능한 소재 선정
: 기존에 알려진 PDMS 보다 탄성이 뛰어난 elastomer 중 민감도를 극대화 시킬 수 있는 표면 대전력이 뛰어난 신규 소재 선정
: 신규 선정된 elastomer 의 전기적, 기계적 물성 평가 를 통한 화학적 저항성 (chemical robustness), 환경 안정성(environment stability) 등 소재 특성 검증
: 센서 신뢰성은, 습도/온도, 반복평가시 1% 이내로 변화하도록 평가
<유연 촉각센서 단위소자용으로 triboelectric 방식에 사용되는 PDMS 예시>
고유연성 polymer 기반 촉각센서용 소재 선정 rationale 개발
- 표면 대전력, 탄성, 화학적 저항성, 환경 안정성 등 소재 특성들 간의 우선 순위화(prioritization) 를 통한 소재 선정시의 rationale 개발
고분해능/저소비전력 센서를 위한 단위 소자구조 설계 최적화
- 고감도 센서 제작을 위한 단위 소자의 구조 설계 최적화를 진행, 이를 통해 아웃풋 전압을 극대화하여 고분해능, 저소비전력 센서 구현
: 반도체 공정을 이용해 다양한 구조의 Si 몰드 를 만들고 센서소자의 spacer 거리, 몰드의 패턴 모양, 크기, 주기 등을 변화시켜가며 최적화된 소자 구조 를 경험적으로 설계
유연 촉각 센서의 센싱 데이터베이스 확보
- 변위-힘 측정 장비를 활용하여 유연 촉각 센서의 Normal, Bending, Stretching, Twisting 총 4가지 촉각 모드를 실현
- 각 모드에 대해 장비로부터 측정된 변위와 힘 데이터, 그리고 센서로부터 측정된 출력 신호 데이터를 저장
- 이상의 과정을 여러 패턴으로 실현 하여 멀티모달 센싱 인식을 위한 데이터 베이스 확보
<유연 촉각 센서의 멀티모달 센싱 인식을 위한 학습프로세스의 예시>
유연 촉각 센서의 신호처리 및 인식 을 위한 머신러닝 모델 개발
- Normal, Bending, Stretching, Twisting 의 각 모드 분류를 위한 머신러닝 모델의 수학적 정의 분석
- 기존 연구 및 리서치를 통해 각 모드 분류에 적합한 머신러닝 모델 결정
- 확보된 DB를 이용 하여 결정된 모델 학습 및 분류 정확도 측정 , 개선방안 탐색
< 유연 촉각 센서 변형에 따른 측정 시스템 예시 >
단일 유연 촉각 센서의 출력 신호 측정을 위한 저전력, 미소 신호 측정 회로 개발
- 정밀 검교정 계측 장비를 이용한 센서 변형률에 따른 출력 신호 측정 및 데이터를 통한 센서 소자 정밀도 분석
- 미소 신호 Analog signal conditioning 회로 및 저전력 MCU 를 이용한 단일 센서 정밀 측정 모듈 개발
- 촉각 센서의 아날로그 출력 신호의 선형화 및 필터 등 신호처리 알고리즘 개발
<참여기업 개발내용> : 주행형 다관절 로봇의 사출현장 특화기술개발 및 검증
사출용 주행형 다관절 로봇의 기구 개발
- 사출용 취출 로봇의 특성상 사출성형기 위에 장착 되며, 높이에 큰 장애 가 생기는데 이를 최소화하기 위해 주행부, 다관절의 특성을 합하여 로봇 개발
<직교로봇 대비 주행형 다관절 로봇 높이 활용 예>
- 목·금형, 시작품 제작 및 파트(주행, 관절)별 조립 단계 기구 시험
- 설계에 따른 목형과 금형을 제작하고 충분히 큰 모터 설치하여
주행부 → 제 1관절 → 제 2관절 → 제 3,4관절 순으로 결합시험
<주행부 결합 시험 예상 모델링>
<제 1관절 결합 시험 예상 모델링>
<제 2관절 결합 시험 예상 모델링> <제 3,4관절 결합 시험 예상 모델링>
사출 전용 기능 컨트롤러 개발
- 사출 공정상 특별히 필요한 기능
a. 사출성형기와의 신호 처리(Interlock) - Shake Hands 방식의 IO 제어 방식
: 실시간 운영체제 도입으로 2ms 이내 반응성 확보
b. 인서트 삽입, 사출성형 불량감지, 제품 배열 적재 기능 구현
c. 로봇 Kinematics Simulation tool 개발
: 실제 로봇의 움직임을 별도의 화면에서 볼 수 있고, 동작을 위한 시뮬레이션 가능
d. 모션 제어를 위한 EtherCAT Master 프로그램 개발
: 배선의 수를 줄이고, 실시간성을 확보하기 위한 EtherCAT 모터 선정 및 그에 대한 컨트롤러 개발
센서 적용 통신 인터페이스 개발
- 센서의 신호 처리를 위한 통신 인터페이스 확보
: Wi-fi, Blue-tooth, RS-485, Ethernet, Zigbee 등 중에서 효율을 중심으로 선정
2) 2차년도
<주관기관 개발내용> : 시제품 제작을 위한 촉각센서의 어레이 제작/대량생산
공정 기술 개발 및 검증
시뮬레이션을 이용한 단위소자/어레이 간 구조 최적화 불일치 특성 분석
- 단위 소자에서 최적화 된 구조를 이용하여, 센서 어레이 제작 시 발생 하는 센서 감도의 uniformity 제어 및 불균일 특성 분석
- 구조 최적화가 이루어진 단위 센서 소자를 이용하여 센서 어레이를 제작 시 어레이 관점에서 구조 최적화가 이뤄지지 않는 경우가 발생, 이를 시뮬레이션으로 분석하여 제어
- 센서 어레이 제작 시 발생하는 단위 소자간의 감도 uniformity 의 불균일성에 대한 특성을 시뮬레이션을 통해 분석, 어레이 최적화 설계 에 반영
<제작된 구조물 역상의 몰드를 이용한 촉각센서>
<다양한 형태의 구조물을 가진 예시>
유연 촉각센서 어레이를 위한 공정 기술 개발
- 3D 구조 대면적화를 위한 몰딩 제작 공정 기술 개발
- 디스펜싱을 활용한 대면적 폴리머 적층 기술 및 배선 프린팅 기술 적용 및 최적화
<시뮬레이션을 이용한 촉각 센서 어레이에서의 오차 및 결함분석 예시>
고민감도 동작 인식이 가능 한 센서 기반의 시제품을 위한 센서 제작 공정기술 고도화
- 2차년도에 개발할 ‘로봇제어용 유연 촉각 센서 어레이’제작 기술 을 기초로 하여, ‘동작 인식이 가능한 멀티모달 유연 센서 기반의 시제품 ’을 위한 센서 대량생산용 제작 공정 기술 개발
- 높은 분해능의 요구함에 따른 픽셀 크기, 모양 및 개수에 대한 연구가 필요하며, 이를 구현 할 수 있는 공정기술 개발 및 최적화가 필요함
<참여기업 개발내용> : 촉각 유연 센서 결합 및 협동로봇화 기능 구현
기능용 배관 설계
- 다관절 로봇이 사출 공정외 특별한 공정에 사용될 때, 별도의 기계가공이 필요.주로 EOAT 까지 연결 되는 배선들이 다수임.
a. 미관을 해치지 않고, 로봇 자체 추가 Through-Hole 존재
b. 위 항목을 통한 배선 걸림 문제 해결 및 안정성 확보
c. 배선 수명 증대 효과 기대
센서 적용 조작 개발
- 통신 사양 개발 및 프로토콜 개발 및 시험
: 1:n 통신 기반으로 멀티 커맨드 방식의 응답성 있는 통신 프로토콜 개발
- 실시간성 확보를 위한 100ms 이내 스캐닝 제어 루프 구현
센서 정보를 통한 협동로봇화 기능 구현
- 알람발생 : 기본기능으로 충격발생시 알람 발생, 사용자로부터 원인파악 하도록 유도
- 동작멈춤, 재동작 : 사용자의 별도의 충격(터치)을 통하여 커맨드 실행
- 조그 기능, 모션기능 : 센서를 통한 직접 로봇 모션 제어 구현
티칭부분의 다관절 협동 로봇화 개발
- 사출 현장 구조상 가까이에서 보며 위치를 맞추어 주는 티칭 이 필요한데, 티칭 팬던트 조작에 작업자의 실수가 있을 시, 가까이에 있는 작업자가 다칠 수 있음.
- 이를 보완하고자 로봇몸체의 일부(설치 위치는 미정)를 터치하여, 미세 조정을 가능케 하는데 목표가 있음. 이 때, 터치압력에 따르는 미세조정 거리는 달라지며(세게 누르면 이동거리가 많아지는) 터치 위치를 인식하여, 압력의 방향성을 인식하는 것이 당 항목의 최종 목표임
· 센서와 로봇과의 인터페이스 개발
· 센서 보정 및 압력도출 알고리즘 개발
<협동로봇화 기능 예시>
3) 실증계획
일반적으로 사출공정에 적용하는 EOAT에 촉각센서를 협동로봇 기능, 조작기능으로 분할 부착.
<EOAT에 충격감지용 센서 부착 예정 부분(좌)과 조작기능용 센서 부착예정 부분(우)>
작업자가 출입 가능한 영역, 충돌이 발생할 수 있는 상황을 가상으로 구현 후 협동로봇 기능 시뮬레이션
- 작업영역 시뮬레이션을 통해 작업자와 작업공간을 공유 하고, 충격 및 조작에 대한 별도의 모션 제어 프로그램 예정
티칭 시 조작기능으로 부착된 센서를 사용 하여 티칭
- 사출공정 특성상 인서트(플라스틱 제품 내부 부품 삽입)시 매우 정밀한 위치 정보 조작 필요 . 이를 별도의 컨트롤러가 아닌 직관적인 센서를 통하여 티칭
1. 고유연성 polymer 촉각센서용 최적 소재 선정 및 신규 소재 평가
Triboelectric 유연 촉각센서의 감도 극대화를 위해 탄성/표면 대전력을 고려한 소재 선정
- 기존에 알려진 PDMS 보다 탄성이 뛰어난 elastomer이며, 민감도를 극대화 시킬 수 있는 표면 대전력이 뛰어난 신규 소재 선정 및 평가
- PDMS, eco-flex, dragon skin 3가지 소재 선정하여 특성 평가 진행
1) 최적구조 기반 유연 촉각센서 각 소재별 출력 전압 신호 비교
<그림 1-1. 유연 촉각센서 소재별 출력 전압 신호 측정>
· (a) PDMS로 만든 유연 촉각센서는 약 100 V 정도의 전압 특성을 나타냄
· (b) eco-flex로 만든 유연 촉각센서는 약 200 V 정도의 전압 특성을 나타냄
· (c) dragon skin으로 만든 유연 촉각센서는 300 V 이상의 전압 특성을 나타냄
- 출력 전압 신호 : PDMS < eco-flex < dragon skin
2) 각 소재별 유연 촉각센서 인장력 비교
<그림 1-2. 유연 촉각센서 인장력 측정 실험>
·
(a) 모든 시료를 3x8cm 크기로 제작하였음
· (b) PDMS로 만든 유연 촉각센서는 약 11cm까지 늘어남 (+3cm)
· (c) eco-flex로 만든 유연 촉각센서는 약 20cm까지 늘어남 (+12cm)
· (d) dragon skin으로 만든 유연 촉각센서는 약 15cm까지 늘어남 (+7cm)
- 인장력 : PDMS < dragon skin < eco-flex
2. 고유연성 polymer 기반 촉각센서용 소재 선정 rationale 개발
소재 특성들 간의 우선 순위화 (prioritization)
- 최적구조 기반 유연 촉각센서 소재별 출력 전압 신호 및 인장력 평가를 통해 3개 소재를 비교하여 최적 소재 선정 및 우선 순위설정
· 출력 전압 특성 : PDMS < eco-flex < dragon skin, <그림 1-1> 참고
· 인장력 : PDMS < dragon skin < eco-flex, <그림 1-2> 참고
(eco-flex의 인장력은 우수하나, 잘 찢어지며 소재 특성상 sticky)
- 출력 전압 신호, 인장력 등 모든 면에서 우수한 dragon skin 으로 소재 선정
3. 고분해능/저소비전력 센서를 위한 단위 소자구조 설계 최적화
단위 소자구조 설계 최적화를 통해 고감도 센서를 제작
- 아래 그림과 같은 방식으로 유연 촉각센서 제작
<그림 1-3. 유연 촉각센서 제작 과정>
제작된 고감도 유연 촉각센서의 고분해능을 인증하고자, 한국세라믹기술원으로부터 시험 의뢰함
- 아래 그림은 4 kPa의 힘으로 10초간 타격하여 Vpp = 15V의 결과를 얻은 시험 성적서이며, 이는 곧 고분해능/저소비전력인 센서임을 보여줌
<그림 1-4. 유연 촉각센서 민감도 시험 성적서>
4. 유연 촉각 센서의 센싱 데이터베이스 확보
선정된 소재(dragon skin)를 활용한 출력 신호 데이터 확보
- 아래 그림은 유연 촉각센서의 출력 신호 데이터 중 일부
<그림 1-5. 유연 촉각센서(dragon skin) 출력 전압 신호 데이터>
5. 단일 유연 촉각 센서의 출력 신호 측정을 위한 저전력, 미소 신호 측정 회로 개발
촉각 센서의 아날로그 출력 신호처리 알고리즘 개발
1) 전원부
- 24V to 5V converter
· 입력전원 DC 24V / MAX 500mA 전원 인가
· 인가된 DC 24V 전원을 DC 5V(1A)로 Down converting, Regulating
· Arduino 기반의 MCU 모듈 사용 : Teensy 보드(입력전원 DC 5V 사용)
· 입력부 및 출력부 동작 회로 DC 5V 사용.
· MCU보드 신호와의 레벨 쉬프트는 Transistor(공통 전원 Ground), 포토커플러(전원 분리) 사용
<그림 1-6. 전원부 converter 회로도>
2) 입력부
- 입력 커넥터 및 센서 정류회로
· 브릿지 정류기로 <그림 1-5>와 같은 유연 촉각센서의 신호가 인가되며, 이 때 (-)성분의 Voltage가 정류 작용을 통해 (+)성분으로 변환되고 Teensy 3.5로 들어가는 모든 신호는 양의 Voltage 값을 가지므로 Threshold를 설정하는 등의 과정에서 보다 간단하게 신호를 처리할 수 있음.
· 또한, 정류기에서 나온 Signal의 Voltage를 조절하기 위해 가변저항을 사용함.
<그림 1-7. 입력부 커넥터 및 센서 결합 회로도>
3) 제어부
- Teensy 3.5 (MCU 역할)
· Teensy 3.5를 중심으로 모든 회로가 유기적으로 연결됨.
· 모든 Input signal을 제어하기 위한 가장 중요한 부품으로써 소켓에 장착하여 탈부착이 가능하므로 유사시 교체할 수 있음.
· 아래 그림에서 ① Pin 12EA, ② Pin 8EA로 센서의 Input signal이 연결
· ③ Pin 14EA가 Output signal로 0~3.3V까지의 Voltage를 가지며, 이후 출력부의 Level shift 회로를 통해 0~24V의 Signal로 변환된 후 출력 커넥터와 연결됨.
· Vcc와 Ground는 Capacitor를 연결하여 전원전압의 리플 현상과 잡음을 제거
<그림 1-8. 제어부 Teensy 3.5 회로도>
4) 출력부
- 3.3V to 24V level shift, 출력 커넥터
· Teensy 3.5에서 제어된 Signal은 0~3.3V의 값을 가지며, 이를 I/O 보드에서 처리하기 위해 0~24V로 Level shift하기 위해 아래 회로를 통과시킴.
· 더불어 Photo coupler를 사용하여 Level shift 전/후의 회로를 분리함으로써 회로 안정도가 높아짐 (Photo coupler는 빛을 이용한 소자로 잡음 제거에도 효과적).
· 회로 정상 작동 여부를 확인하기 위해 Output signal이 통과하는 회로에 Yellow LED를 부착하였으며, 정상 작동 시 유연 촉각센서에 힘이 가해지면 LED에 노란불이 점멸.
· Output port 6번 커넥터 1번은 앞서 말한 Vcc 24V가 인가되는 Pin이며, Ground와 멀리 위치시키기 위해 Output port 6번 커넥터 8번에 Ground 설정
<그림 1-9. 출력부 Level shift 및 출력 커넥터>
센서 정밀 측정 모듈 시작품 제작
- 신호처리 모듈 시작품 제작을 위해 아래 그림과 같이 Artwork을 진행
- 모든 부품은 PCB의 Top 면에 위치하고, M3 서포터(지지대)를 위한 4개hole을 배치
- PCB 크기는 100 x 107 mm 이며, 추후 부품의 집적화 및 불필요한 Space 제거를 통해 PCB 크기를 소형화할 계획
<그림 1-10. 신호처리 모듈 시작품 Artwork (상), (하)>
- <그림 1-10>의 Artwork Gerber file을 바탕으로 제작된 PCB
<그림 1-11. 신호처리 모듈 시작품 PCB 실물(부품 미 장착)>
- 모든 소자 수삽 및 수땜하여 센서 신호처리 측정 모듈 시작품을 제작
- 완성된 센서 신호처리 측정 모듈 시작품(1차)을 I/O보드와 연결하여 Test 예정
<그림 1-12. 신호처리 모듈 시작품 실물>
6. 멤브레인 센서 기반 구동 S/W 개발
촉각 센서의 아날로그 출력 제어를 위한 S/W 개발
- <그림 1-13>과 같이 S/W를 개발하였으며 이는 추후 유연 촉각센서에도 적용하기 위함.
- 멤브레인 센서 제어를 우선적으로 진행하기 위한 coding
<그림 1-13. 멤브레인 센서 기반 구동 S/W 개발 내용 중 일부>
- 아래 <그림 1-14>는 멤브레인 센서 제어를 위해 개발된 S/W의 화면
- 각 pannel의 기능과 연결되는 변수명을 매칭시켰으며 각각의 기능을 설명
<그림 1-14. 멤브레인 센서 기반 구동 S/W 화면 및 Pannel 설명>
개발과정 및 결과
1. 사출용 주행형 다관절 로봇의 기구 개발
직교 로봇, 다관절 로봇의 특성을 융합하여 주행형 다관절 취출 로봇 개발
파트(주행, 관절)별 조립 단계 기구 시험
- 관절형 취출 로봇에 대한 구조적 안전성 검토
<그림 2-1. 검토 모델 형상>
- 제 4관절 설계 및 역학 해석 :
- 제 4관절 모델링 :
<그림 2-2. 제 4관절 모델링>
- 제 3관절 설계 및 역학 해석
- 제 3관절(제 4관절 포함) 모델링
<그림 2-3. 제 3, 4관절 모델링(4관절 포함)>
- 제 2관절 설계 및 역학 해석
- 제 2관절(제 3, 4관절 포함) 모델링
<그림 2-4. 제 2관절 모델링(3, 4관절 포함)>
- 제 1관절 설계 및 역학 해석
- 제 1관절(제 2, 3, 4관절 포함) 모델링
<그림 2-5. 제 1관절 모델링(2, 3, 4관절 포함)>
- 주행부 설계 및 역학 해석
<그림 2-6. 주행부 모델링>
<그림 2-7. 전체 모델링>
주행부 → 제 1관절 → 제 2관절 → 제 3,4관절 순으로 결합 시험
<그림 2-8. 주행부 및 관절 결합 시험>
<그림 2-8. 주행부 및 관절 결합 시험>
전체 외형도
<그림 2-9. 전체 외형도 도면>
시제품 제작
- 주행부
로봇 구성도
<그림 2-10. 로봇 구성도 및 리모트 컨트롤러>
2. 사출 전용 기능 컨트롤러 개발
상호작업장비와의 신호 처리
- Shake Hands 방식으로 IO 제어 기능 구현
- 입력 최대 48점, 출력 최대 48점
- 모션 제어를 위한 EtherCAT Master 오픈소스 스택 포팅
<그림 2-11. I/O 보드 실물>
제어 시스템 구조
- 컨트롤러와 서보 드라이버 간 EtherCAT 통신으로 모터 제어
- RS485 통신으로 각종 센서 모듈 제어
- I/O 모듈 제어
<그림 2-12. 제어 시스템 구조 개요도>
상기한 본 발명의 바람직한 실시 예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (1)
- 어레이형 유연 센서 제어 시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220076624A KR20240000099A (ko) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | 어레이형 유연 센서 제어 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220076624A KR20240000099A (ko) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | 어레이형 유연 센서 제어 시스템 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240000099A true KR20240000099A (ko) | 2024-01-02 |
Family
ID=89512061
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220076624A KR20240000099A (ko) | 2022-06-23 | 2022-06-23 | 어레이형 유연 센서 제어 시스템 |
Country Status (1)
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| KR (1) | KR20240000099A (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102265265B1 (ko) | 2019-06-14 | 2021-06-16 | 한국생산기술연구원 | 유연센서 장치 및 제조방법 |
| KR102325435B1 (ko) | 2017-11-09 | 2021-11-12 | 한국전자기술연구원 | 유연인쇄회로기판상 유연센서 접합방법, 및 유연센서가 접합된 유연센서인쇄회로기판 |
-
2022
- 2022-06-23 KR KR1020220076624A patent/KR20240000099A/ko unknown
Patent Citations (2)
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| KR102265265B1 (ko) | 2019-06-14 | 2021-06-16 | 한국생산기술연구원 | 유연센서 장치 및 제조방법 |
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