Chapter 9 센서(Sensor)

개요 센서: 로봇제어기와 연결되어 로봇의 정보를 측정하고 전달하는 역할 센서: 로봇제어기와 연결되어 로봇의 정보를 측정하고 전달하는 역할 내부센서(Internal Sensor 또는 Proprioceptive Sensor) 로봇 내부의 상태를 측정하는 센서 예) 엔코더, 가속도계 외부센서(External Sensor 또는 Exteroceptive Sensor) 로봇 외부의 환경을 측정하는 센서 예) 거리센서, 비전센서

개요 용어 범위(range): 센서의 입력 자극의 최대값과 최소값의 차, 혹은 센서의 출력 신호의 최대값과 최소값의 차 감도(sensitivity): 입력 자극 변화량에 따른 출력 신호의 변화량의 비율 해상도(resolution): 센서가 측정할 수 있는 가장 작은 입력 자극의 변화량 해상도 = 전체 범위 / 2n (n bit 디지탈센서) 정확도(accuracy): 센서의 출력 신호의 크기와 실제 입력 신호 크기의 근접성 정밀도(precision): 측정치의 균일성. 충분한 횟수의 측정을 반복한 후에 이 데이터에 대한 표준편차를 기준으로 함. 선형성 (linearity): 센서의 입력에 출력 그래프의 직선 정도

회전각도 검출기 회전각도 검출기 분류

회전각도 검출기 자기식 회전 엔코더 미리 자성체가 도포된 자기 드럼에 일정한 피치로 N극과 S극을 착자하고, 그것을 자기 드럼과 대향시킨 한개 조의 자기 센서에 의해 검출 광학식에 비해 기름, 먼지 등의 환경에 강한 특성이 있으며, 내환경성, 내진동 충격, 고속성을 살려 서보모터용 검출기로 사용되고 있음

회전각도 검출기 광학식 회전 엔코더 발광 LED와 수광부인 광 센서(photo diode)가 슬릿(slit)이 있는 회전 원판을 양쪽에서 마주보게 설치되어 있는 구조 회전원판의 슬릿에 따라 증분형 엔코더와 절대형 엔코더로 나뉨

회전각도 검출기 증분형 회전 엔코더 (incremental rotary encoder) 위치 정보는 회전시에만 검출 가능하며, 이를 기억하기 위해서는 counter 회로가 필요 위치 정보를 위한 출력 신호는 A상, B상, Z상이 있으며, Z상은 원점 확인용 임(즉, 360도에 한번만 신호를 발생) A상과 B상의 신호는 90°가 차이가 나기 때문에 이를 이용하여 회전 방향과 회전 속도를 검출할 수 있음 상대 각도 측정

회전각도 검출기 절대형 회전 엔코더 (absolute rotary endoder) 축에 연결된 회전판에 여러 열의 구멍이 뚫려 있고, 분해능은 출력 비트 수에 의해 결정됨 패턴을 검출하기 위해 열의 수만큼의 광 센서(Photo Diode)가 있음 정보는 2진 그레이 코드(Gray code)로 출력됨 절대 각도 측정 가능

회전각도 검출기 리졸버(Resolver) 2개의 고정자와 2개의 회전자 코일로 구성 회전각도에 비례하는 sine 과 cosine 전압 출력 특징 취급 용이 신호잡음의 강건성 고정밀도 디지털 신호 변환의 용이 센서의 대형화와 고비용

관성 센서 (inertial Sensor) 관성센서 운동의 관성계에 작용하는 특정 힘을 검출하는 센서 가속도 센서 (Accelorometer) 자이로 센서 (Gyroscope) INS (Inertial Navigation System), 관성항법장치 관성센서로부터 움직이는 물체의 가속, 속도, 방향, 거리 등 다양한 항법 관련 정보 제공 IMU (Inertial Measurement Unit) 가속도센서, 자이로센서 등을 조합하여 물체의 각속도 등을 측정하는 전자장치 검출 방식으로 분류하면, 기계식, 압전식, 실리콘반도체식이 있음

관성 센서 (inertial Sensor) 가속도센서 (Accelerometer sensor) 물체의 가속도를 측정하여, 진동, 충격 등 동적인 힘에 관련된 물리량을 측정하고 증폭하여 전달함 물체의 운동상태(가속도, 속도 등)를 감지할 수 있으므로, 기기의 진동 계측이나 구조물의 진동계측 등에 사용됨 기계식, 압전식, 실리콘반도체식이 있음

관성 센서 (inertial sensor) 기계식 가속도 센서 질량-스프링-댐퍼(mass-spring-damper) 시스템을 이용 출력변위 = 입력변위의 가속도에 비례

관성 센서 (inertial sensor) 압전식 가속도 센서 원리 가속도 발생 → 압전소자에 관성력 전달 → 압전소자의 기계적 변형 → 압전효과 → 내부회로에 의해 전압으로 변환 종류 압축형: 압전재료의 종방향으로 하중을 부착 전단형: 압전재료의 극성축과 수직하게 하중을 부착 특징 넓은 동작범위 뛰어난 선형성 별도의 외부전원 불필요,

관성 센서 (inertial sensor) 실리콘 반도체식 가속도 센서 실리콘 마이크로 머시닝 기술을 이용한 초소형 센서 정전형(capacitive): 실리콘으로 제작된 질량의 변위 발생 압전저항형 (piezoresistive) 결정격자의 변위 발생으로 인한 저항의 변화 발생

관성 센서 (inertial sensor) 자이로 센서 (Gyro Sensor) 관성계에 작용하는 물체의 각속도를 감지하는 센서 배, 항공기, 로켓, 자동차, 로봇, 스마트폰 등에서 쓰임 종류 기계식 방법: 각운동량 보존법칙 광학식 방법: Sagnac Effect 진동 방법: 코리올리 힘 측정

거리센서 원리 빛 (적외선, 레이저 등) 또는 초음파 를 송신하여 물체에 반사시키고 이를 수신한 데이터를 사용하여 거리 정보 계산 삼각 측량법(triangulation method) 송신부-물체-수신부로 구성되는 삼각형으로부터 거리 계산 TOF 측정법(time of flight method) 송신기로부터 송신된 신호가 물체에 반사되어 되돌아와 수신기에서 수신되는 시간을 측정하여 거리를 나타냄

초음파센서 (Ultrasonic sensor) 초음파: 20 KHz 이상의 음파 거리측정방법: Time of Flight 장점 저렴하고 간단하게 구성 저전력 단점 전파속도가 전달되는 매질의 탄성과 밀도에 의존 분해능이 낮다 거리에 따른 감쇄 효과가 크다 간섭효과(Interference) 가 크다

적외선 센서 (Infrared Sensor) 적외선: 가시광선의 붉은색보다 파장이 긴 파장을 갖는 빛을 말함 거리측정방법: 삼각 측량법(triangulation) 이동로봇 응용 분야 거리 측정 (1 m 이내) 근접 물체 유무 감지 등

LIDAR Light Detection and Ranging 거리측정 원리 Time of Flight

LiDAR 반사체 문제

LiDAR 2D LiDAR 거울을 회전시키며, 평면에 대한 거리 데이터 획득 SICK 사 LiDAR 예

LiDAR

LiDAR 3D LiDAR 여러 채널의 2D LiDAR 조합 → 3D 데이터 취득가능

힘센서 (Force Sensor) 스트레인 게인지 (Strain gauge) 구조물의 변형과 저항선의 변형이 비례하도록 하여 변화된 저항 값으로부터 구조물의 스트레인을 간접적으로 측정함 스트레인 게이지 센서로는 금속 스트레인 게이지와 반도체 스트레인 게이지 2종류가 있음

힘센서 (Force Sensor) 휘트스톤 브리지 (Wheatstone Bridge) 휘트스톤브리지는 스트레인게이지의 온도보상에 이용됨 미지저항 (Rstrain) 을 스트레인 게이지라고 가정하고 응력을 준다면 값이 변화하고 휘트스톤 브릿지에 불균형이 발생되어 양 말단 사이에 전류가 흐르게 됨

힘 센서 로드 셀(Load Cell) 하중을 가하면 그 크기에 비례하여 전기적 출력이 발생되는 힘 변환기의 총칭으로 스트레인 게이지식 로드 셀을 의미함 탄성체의 스트레인을 스트레인 게이지 저항 값의 변화로서 가해진 하중의 크기에 비례한 전기적 출력 신호를 얻음 구조와 스트레인 게이지 부착 방법에 따른 분류 기둥형(Column Type) 환상형(Ring Type) 휨형(Bending Type) 전단형(Shear type)