내용 9.1 개요 9.2 탄성체의 변형 9.3 스트레인 게이지 9.4 로드 셀 9.5 토크 센서 9.6 촉각 센서
9.6 촉각 센서 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor) 촉각 센서는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우이다. 촉각센서는 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter), 즉 접촉에 의해 영향받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다. 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서, 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다.
9.6 촉각 센서 촉각 센싱에는 다음과 같은 정의가 사용된다. (1) 접촉 센싱(touch sensing): 2차원 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다. 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다. (2) 촉각 센싱(tactile sensing): 3차원 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적 분포를 측정하고, 이것을 해석하는 것을 의미한다. (3) 슬립(slip) 슬립은 센서에 대한 물체의 이동을 검출하는 것을 의미하며, 특별히 설계된 슬립 센서(slip sensor)를 사용하거나, 또는 접촉센서나 촉각센서에 의해서 얻어진 데이터를 해석해서 측정된다.
촉각 센서 촉각 센서의 일반적 구성 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다. 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘러먼트에 전달되는 힘이 달라져 접촉 패턴이 얻어진다. 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다.
촉각 센서-저항식 저항식 촉각 센서 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은, 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든 것이다. 도전성 고무의 저항은 108 [Ω․cm]이고, 압력을 가하면 102[Ω․cm]까지 감소한다고 보고되고 있다. 힘 F로 p점을 누르면, pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고, 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다. 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에 저항변화을 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다.
촉각 센서-저항식 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다. 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘레멘트를 나타내며, 그 저항 값은 인가되는 힘에 따라 변한다. 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고, 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다.
촉각 센서-압전식 압전식 촉각 센서(piezoeletric tactile sensor) 도전성 고무 대신 압전 필름을 사용하면, 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다. 그림은 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서의 구성을 나타낸 것이다. 센싱 필름은 3층으로 구성된다. - 상부 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름 - 하부 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름 - 중앙부의 압축 필름(compression film): 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며, 실리콘 고무가 자주 사용된다. 압축 필름의 유연성의 정도가 센서의 감도와 동작범위를 결정한다.
촉각 센서-압전식 발진기로부터 출력된 ac 전압은 하부 PVDF 필름을 구동. 이 구동신호는 PVDF 필름을 수축시키고, 이것이 압축필름을 통해 상부 PVDF 필름(수신기)에 전달된다. 압전현상은 가역적이므로, 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적 진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다. 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다. 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다. 압축력 F가 상부 필름에 인가되면, 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다. 복조기는 이 변화를 인식하여 전압 변화로 출력한다. 장점: 간단하고, dc 응답, 즉 정력(static force)를 인식할 수 있는 능력 등이다.
촉각 센서 미끄럼 힘(각)(sliding force)를 검출하는 압전식 촉각센서 PVDF 필름은 고무 스킨(rubber skin) 속에 들어있다. 수동 모드(passive mode)로 동작하기 때문에 출력신호는 외부 신호의 도움 없이 압전 필름 자체로부터 발생한다. 그 결과 센서는 응력 크기에 응답하지 않고 응력의 변화율(stress rate)에 비례하는 응답을 발생시킨다.
촉각 센서 센서는 단단한 구조(예를 들면 로봇 손가락)에 만들어진다. 먼저 손가락 주위에는 1[mm] 두께의 유연한 하부층이 형성되고, 그 위를 실리콘 고무로 된 스킨(skin)으로 둘러싼다. 하부층은 표면 트래킹(tracking)을 더 부드럽게 하기 위해서 유체를 사용하기도 한다. 압전센서 스트립 들은 스킨 표면으로부터 일정 깊이에 위치하기 때문에, 그리고 압전 필름이 놓인 방향에 따라 다르게 응답하기 때문에, 임의 방향으로 움직일 때 신호크기는 같지 않다. 센서는 50 μm 만큼 낮은 표면 불연속 또는 융기(隆起)에도 응답한다.
촉각 센서-광학식 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용하고, 탄성고무로 된 맴브레인은 유리판을 접촉 없이 덮고 있다. 외부에서 힘이 작용하지 않으면, 유리판의 한쪽 끝에서 도입된 빛은 내부 전반사를 통해 유리판을 따라 진행한다. 만약 외부 물체가 접촉해서 힘 F가 가해지면, 그 부분의 탄성 맴브레인이 변형을 일으켜 그림과 같이 유리판에 접촉된다. 따라서, 유리판 내부를 진행하던 빛은 맴브레인-유리 접촉부에서 산란되고, 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다. 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로 변환한다..
촉각 센서-마이크로 마이크로 촉각센서 최근에는 반도체 기술과 마이크로머시닝 기술을 이용한 촉각센서의 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 마이크로 촉각센서는 어레이가 용이하고, 전자회로를 센싱 엘레멘트와 함께 집적화할 수 있는 장점을 갖는다. 저항형 촉각센서(resistive tactile sensor) : > 외부에서 인가하는 힘(압력)에 응답하는 정방향 셔틀 판(shuttle plate)의 4 모서리는 다결정 실리콘 스트레인 게이지에 의해서 지지되어 있다. 센서 표면은 기계적인 인터페이스와 보호를 위해서 실리콘 고무로 도포된다. > 4개의 스트레인 게이지로부터 나오는 출력신호를 대수적으로 합하면 하나의 수직력과 2축 전단력 성분을 측정할 수 있다. 센서의 감도는 수직응력에 대해 51 mV/kPa, 전단응력에 대해 12 mV/kPa이다.
촉각 센서-마이크로 정전용량형 촉각센서(capacitive tactile sensor) > 중앙에 있는 두꺼운 플레이트는 얇은 비임에 의해서 지지되고 있으며, 센서 커패시터의 상부전극을 형성한다. > 하부전극은 유리 기판에 형성된다. > 상부전극에 힘이 가해지면 정전용량이 변한다. > 인가할 수 있는 최대 힘은 센서 엘레멘트 당 1[g]이며, 보고된 센서 엘레멘트당 감도는 0.27[pF/g] 이다.