2016-09-01

7장 힘middot 토크 middot 촉각 센서 (B)

CNU EE 7-2

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서 (Tactile sensor)

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74 로드 셀- 로드 셀(load cell 하중센서)은 물체의 하중을 측정하는 센서이다- 스트레인 게이지가 개발되기 이전에 사용되었던 기계식 로드 셀은 안전 및

청정(오염)을 최우선으로 생각하는 곳이나 또는 전력이 요구되지 않는 곳에서 일부 사용되고 있을 뿐 현재는 스트레인 게이지 로드 셀(strain gage load cell)로 대체되었다

- 로드 셀은 인가중량에 응답해서일어나는 탄성체(spring element보통 beam이라고 부른다)의 변형을 압축 인장 굽힘 전단 등의형태로 검출한다

- 탄성체는 응답하는 응력에 따라밴딩 비임(bending beam) 전단비임(shear beam) 기둥(column) 또는 캔니스터(canister) 나선(helical) 등으로 부르며 이중 가장 널리 사용되는 디자인은 밴딩비임과 전단 비임이다

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sect 밴딩 비임 로드셀- 밴딩 비임 로드셀(bending beam load cell)은 간단하고 저가이기 때문에 가

장 널리 사용되는 로드 셀 구조 중의 하나이다

- 밴딩 비임 구조 gt (a) 캔틸레버 비임(cantilever beam) 최대 휨(deflection)는 자유단(free

end)에서 일어나고 최대 변형(strain) 위치는 고정단(fixed end)gt (b) 비임 양단을 단순히 지지하는 구조 최대 휨과 변형은 힘을 인가하

는 위치에서 일어난다gt (c) 비임의 양단이 고정된 구조 최대 휨은 힘의 인가 점에서 일어나지

만 최대 변형은 힘의 인가점(+변형)과 고정된 양단(-변형)에서 일어난다

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- 밴딩 비임 로드 셀의 기본 구조와 원리

gt 빔에서 최대 변형이 발생하는 고정단 위치에 위 면에 2개의 스트레인 게이지(13) 밑면에 2개의 게이지(24)를 부착한다

gt 하중 F가 x점에 인가되면 게이지 1 3에는 인장력이 게이지 2 4에는 압축력이 작용한다 그 결과 각 게이지가 받은 변형은 다음과 같다

243216EbhFx

=-==-= eeee (24)

CNU EE 7-6

gt 따라서 게이지 13의 저항은 증가하고 게이지 24의 저항은 감소한다 각 게이지의 응답은 식 (10)로부터 다음과 같이 얻어진다

24

4

3

3

2

2

1

1 6EbhFxS

RR

RR

RR

RR g=

D-=

D=

D-=

D(25)

(24)

gt 출력 전압 식 (23)으로부터

ing

o VEbhFxS

V 2

6=

gt 이와 같이 출력전압은 하중 F 에 비례한다

gt 밴딩 비임형 로드 셀의 측정범위와 감도는 비임의 단면적(bh) 하중인가점의 위치(x) 탄성체 재질의 피로강도(fatigue strength)에 의해서 결정된다

CNU EE 7-7

bull 밴딩 비임 로드 셀의 예- 그림 (a) (b) 바이노큘러(binocular)라고 부르는 탄성체

gt 소용량 상용 로드 셀에서 가장 널리 사용되고 있는 디자인gt 스트레인 게이지는 최대 변형이 일어나는 위치에 부착된다 gt 게이지가 부착되는 위치만 얇게 하고 비임 전체의 두께를 두껍게 함으로

써 감도의 희생 없이 고유주파수(natural frequency)를 최대화할 수 있는장점을 가진다

gt 비임의 구조만 적절히 설계되면 감도 안정도 직선성 정밀도가 매우 우수한 특성이 얻어진다

- 그림 (c) S자형 비임으로 스트레인 게이지는 중심부의 센싱 영역에 휘트스토운 브리지의 형태로 부착된다 이 비임을 사용한 로드 셀 흔히 S형 로드 셀이라고 부른다

CNU EE 7-8

sect 전단 비임 로드셀- 전단 비임 로드 셀(shear beam load cell)의 기본 구조

gt 밴딩 비임에서는 구멍이 셀을 완전히 관통하였으나 전단 비임에서는 양측으로부터 뚫고 들어가 셀의 중심에 얇고 수직인 금속판(web)을 만듬

gt 이와 같은 I비임 구조는 스트레인 게이지에 정확히 측정될 수 있는 균일한전단응력을 만든다

gt 금속판(web)에 발생하는 전단응력의 크기가 수직으로부터 45deg 방향에서최대로 되기 때문에 스트레인 게이지는 45deg 방향으로 표면 양측에 부착됨

gt 전단 비임 구조는 내력이 강한 반면 가공이 어렵다는 단점이 있다 동일용량의 밴딩 비임에 비해 더 작게 만들 수 있어 더 큰 용량의 로드 셀에 사용된다

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- 전단 비임 로드 셀의 예

gt 그림 (a) 전단 효과를 최대로 하기 위해서 비임의 일부를 감소시키고 이 부분(비임 양측에 있음)에 45deg 각도로 스트레인 게이지를 부착한다

gt 그림 (c) 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가하는 구조의 전단 비임(double ended shear beam) 로드 셀이다 대용량에 사용되며 안정도가 우수하다

gt 그림 (b) 중대용량 로드 셀에 사용되는 것으로 직선성이 우수하고 비스듬히 가해지는 하중에덜 민감하다

(b) 사각형 전단 비임

(a) 원형 전단 비임

(c) double-ended shear beam

CNU EE 7-10

sect 기둥형 로드셀- 기둥형 로드셀(column type load cell)의 기본 구조

gt 기둥형은 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인 게이지를 종방향으로 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하는 방식이다

gt 기둥형 로드 셀을 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라고 부름

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- 기둥형 탄성체의 종류gt 그림 (a) 사각형(square) 그림 (b) 원통형 그림 (c) 속이 빈 원통형gt 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다gt 기둥형 탄성체에서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 최대 변형

은 횡방향 중심에서 일어나며 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio Lw)에 의해서 결정된다

gt 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다 gt 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된

다 (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

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- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

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sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

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sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

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75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

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- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

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- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

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스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

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sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

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sect 각종 토크 센서 및 특성 예

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76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

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- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

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- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

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- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

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- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

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- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

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- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

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- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

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sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

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- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

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힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-2

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서 (Tactile sensor)

CNU EE 7-3

74 로드 셀- 로드 셀(load cell 하중센서)은 물체의 하중을 측정하는 센서이다- 스트레인 게이지가 개발되기 이전에 사용되었던 기계식 로드 셀은 안전 및

청정(오염)을 최우선으로 생각하는 곳이나 또는 전력이 요구되지 않는 곳에서 일부 사용되고 있을 뿐 현재는 스트레인 게이지 로드 셀(strain gage load cell)로 대체되었다

- 로드 셀은 인가중량에 응답해서일어나는 탄성체(spring element보통 beam이라고 부른다)의 변형을 압축 인장 굽힘 전단 등의형태로 검출한다

- 탄성체는 응답하는 응력에 따라밴딩 비임(bending beam) 전단비임(shear beam) 기둥(column) 또는 캔니스터(canister) 나선(helical) 등으로 부르며 이중 가장 널리 사용되는 디자인은 밴딩비임과 전단 비임이다

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sect 밴딩 비임 로드셀- 밴딩 비임 로드셀(bending beam load cell)은 간단하고 저가이기 때문에 가

장 널리 사용되는 로드 셀 구조 중의 하나이다

- 밴딩 비임 구조 gt (a) 캔틸레버 비임(cantilever beam) 최대 휨(deflection)는 자유단(free

end)에서 일어나고 최대 변형(strain) 위치는 고정단(fixed end)gt (b) 비임 양단을 단순히 지지하는 구조 최대 휨과 변형은 힘을 인가하

는 위치에서 일어난다gt (c) 비임의 양단이 고정된 구조 최대 휨은 힘의 인가 점에서 일어나지

만 최대 변형은 힘의 인가점(+변형)과 고정된 양단(-변형)에서 일어난다

CNU EE 7-5

- 밴딩 비임 로드 셀의 기본 구조와 원리

gt 빔에서 최대 변형이 발생하는 고정단 위치에 위 면에 2개의 스트레인 게이지(13) 밑면에 2개의 게이지(24)를 부착한다

gt 하중 F가 x점에 인가되면 게이지 1 3에는 인장력이 게이지 2 4에는 압축력이 작용한다 그 결과 각 게이지가 받은 변형은 다음과 같다

243216EbhFx

=-==-= eeee (24)

CNU EE 7-6

gt 따라서 게이지 13의 저항은 증가하고 게이지 24의 저항은 감소한다 각 게이지의 응답은 식 (10)로부터 다음과 같이 얻어진다

24

4

3

3

2

2

1

1 6EbhFxS

RR

RR

RR

RR g=

D-=

D=

D-=

D(25)

(24)

gt 출력 전압 식 (23)으로부터

ing

o VEbhFxS

V 2

6=

gt 이와 같이 출력전압은 하중 F 에 비례한다

gt 밴딩 비임형 로드 셀의 측정범위와 감도는 비임의 단면적(bh) 하중인가점의 위치(x) 탄성체 재질의 피로강도(fatigue strength)에 의해서 결정된다

CNU EE 7-7

bull 밴딩 비임 로드 셀의 예- 그림 (a) (b) 바이노큘러(binocular)라고 부르는 탄성체

gt 소용량 상용 로드 셀에서 가장 널리 사용되고 있는 디자인gt 스트레인 게이지는 최대 변형이 일어나는 위치에 부착된다 gt 게이지가 부착되는 위치만 얇게 하고 비임 전체의 두께를 두껍게 함으로

써 감도의 희생 없이 고유주파수(natural frequency)를 최대화할 수 있는장점을 가진다

gt 비임의 구조만 적절히 설계되면 감도 안정도 직선성 정밀도가 매우 우수한 특성이 얻어진다

- 그림 (c) S자형 비임으로 스트레인 게이지는 중심부의 센싱 영역에 휘트스토운 브리지의 형태로 부착된다 이 비임을 사용한 로드 셀 흔히 S형 로드 셀이라고 부른다

CNU EE 7-8

sect 전단 비임 로드셀- 전단 비임 로드 셀(shear beam load cell)의 기본 구조

gt 밴딩 비임에서는 구멍이 셀을 완전히 관통하였으나 전단 비임에서는 양측으로부터 뚫고 들어가 셀의 중심에 얇고 수직인 금속판(web)을 만듬

gt 이와 같은 I비임 구조는 스트레인 게이지에 정확히 측정될 수 있는 균일한전단응력을 만든다

gt 금속판(web)에 발생하는 전단응력의 크기가 수직으로부터 45deg 방향에서최대로 되기 때문에 스트레인 게이지는 45deg 방향으로 표면 양측에 부착됨

gt 전단 비임 구조는 내력이 강한 반면 가공이 어렵다는 단점이 있다 동일용량의 밴딩 비임에 비해 더 작게 만들 수 있어 더 큰 용량의 로드 셀에 사용된다

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- 전단 비임 로드 셀의 예

gt 그림 (a) 전단 효과를 최대로 하기 위해서 비임의 일부를 감소시키고 이 부분(비임 양측에 있음)에 45deg 각도로 스트레인 게이지를 부착한다

gt 그림 (c) 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가하는 구조의 전단 비임(double ended shear beam) 로드 셀이다 대용량에 사용되며 안정도가 우수하다

gt 그림 (b) 중대용량 로드 셀에 사용되는 것으로 직선성이 우수하고 비스듬히 가해지는 하중에덜 민감하다

(b) 사각형 전단 비임

(a) 원형 전단 비임

(c) double-ended shear beam

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sect 기둥형 로드셀- 기둥형 로드셀(column type load cell)의 기본 구조

gt 기둥형은 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인 게이지를 종방향으로 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하는 방식이다

gt 기둥형 로드 셀을 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라고 부름

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- 기둥형 탄성체의 종류gt 그림 (a) 사각형(square) 그림 (b) 원통형 그림 (c) 속이 빈 원통형gt 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다gt 기둥형 탄성체에서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 최대 변형

은 횡방향 중심에서 일어나며 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio Lw)에 의해서 결정된다

gt 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다 gt 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된

다 (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-3

74 로드 셀- 로드 셀(load cell 하중센서)은 물체의 하중을 측정하는 센서이다- 스트레인 게이지가 개발되기 이전에 사용되었던 기계식 로드 셀은 안전 및

청정(오염)을 최우선으로 생각하는 곳이나 또는 전력이 요구되지 않는 곳에서 일부 사용되고 있을 뿐 현재는 스트레인 게이지 로드 셀(strain gage load cell)로 대체되었다

- 로드 셀은 인가중량에 응답해서일어나는 탄성체(spring element보통 beam이라고 부른다)의 변형을 압축 인장 굽힘 전단 등의형태로 검출한다

- 탄성체는 응답하는 응력에 따라밴딩 비임(bending beam) 전단비임(shear beam) 기둥(column) 또는 캔니스터(canister) 나선(helical) 등으로 부르며 이중 가장 널리 사용되는 디자인은 밴딩비임과 전단 비임이다

CNU EE 7-4

sect 밴딩 비임 로드셀- 밴딩 비임 로드셀(bending beam load cell)은 간단하고 저가이기 때문에 가

장 널리 사용되는 로드 셀 구조 중의 하나이다

- 밴딩 비임 구조 gt (a) 캔틸레버 비임(cantilever beam) 최대 휨(deflection)는 자유단(free

end)에서 일어나고 최대 변형(strain) 위치는 고정단(fixed end)gt (b) 비임 양단을 단순히 지지하는 구조 최대 휨과 변형은 힘을 인가하

는 위치에서 일어난다gt (c) 비임의 양단이 고정된 구조 최대 휨은 힘의 인가 점에서 일어나지

만 최대 변형은 힘의 인가점(+변형)과 고정된 양단(-변형)에서 일어난다

CNU EE 7-5

- 밴딩 비임 로드 셀의 기본 구조와 원리

gt 빔에서 최대 변형이 발생하는 고정단 위치에 위 면에 2개의 스트레인 게이지(13) 밑면에 2개의 게이지(24)를 부착한다

gt 하중 F가 x점에 인가되면 게이지 1 3에는 인장력이 게이지 2 4에는 압축력이 작용한다 그 결과 각 게이지가 받은 변형은 다음과 같다

243216EbhFx

=-==-= eeee (24)

CNU EE 7-6

gt 따라서 게이지 13의 저항은 증가하고 게이지 24의 저항은 감소한다 각 게이지의 응답은 식 (10)로부터 다음과 같이 얻어진다

24

4

3

3

2

2

1

1 6EbhFxS

RR

RR

RR

RR g=

D-=

D=

D-=

D(25)

(24)

gt 출력 전압 식 (23)으로부터

ing

o VEbhFxS

V 2

6=

gt 이와 같이 출력전압은 하중 F 에 비례한다

gt 밴딩 비임형 로드 셀의 측정범위와 감도는 비임의 단면적(bh) 하중인가점의 위치(x) 탄성체 재질의 피로강도(fatigue strength)에 의해서 결정된다

CNU EE 7-7

bull 밴딩 비임 로드 셀의 예- 그림 (a) (b) 바이노큘러(binocular)라고 부르는 탄성체

gt 소용량 상용 로드 셀에서 가장 널리 사용되고 있는 디자인gt 스트레인 게이지는 최대 변형이 일어나는 위치에 부착된다 gt 게이지가 부착되는 위치만 얇게 하고 비임 전체의 두께를 두껍게 함으로

써 감도의 희생 없이 고유주파수(natural frequency)를 최대화할 수 있는장점을 가진다

gt 비임의 구조만 적절히 설계되면 감도 안정도 직선성 정밀도가 매우 우수한 특성이 얻어진다

- 그림 (c) S자형 비임으로 스트레인 게이지는 중심부의 센싱 영역에 휘트스토운 브리지의 형태로 부착된다 이 비임을 사용한 로드 셀 흔히 S형 로드 셀이라고 부른다

CNU EE 7-8

sect 전단 비임 로드셀- 전단 비임 로드 셀(shear beam load cell)의 기본 구조

gt 밴딩 비임에서는 구멍이 셀을 완전히 관통하였으나 전단 비임에서는 양측으로부터 뚫고 들어가 셀의 중심에 얇고 수직인 금속판(web)을 만듬

gt 이와 같은 I비임 구조는 스트레인 게이지에 정확히 측정될 수 있는 균일한전단응력을 만든다

gt 금속판(web)에 발생하는 전단응력의 크기가 수직으로부터 45deg 방향에서최대로 되기 때문에 스트레인 게이지는 45deg 방향으로 표면 양측에 부착됨

gt 전단 비임 구조는 내력이 강한 반면 가공이 어렵다는 단점이 있다 동일용량의 밴딩 비임에 비해 더 작게 만들 수 있어 더 큰 용량의 로드 셀에 사용된다

CNU EE 7-9

- 전단 비임 로드 셀의 예

gt 그림 (a) 전단 효과를 최대로 하기 위해서 비임의 일부를 감소시키고 이 부분(비임 양측에 있음)에 45deg 각도로 스트레인 게이지를 부착한다

gt 그림 (c) 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가하는 구조의 전단 비임(double ended shear beam) 로드 셀이다 대용량에 사용되며 안정도가 우수하다

gt 그림 (b) 중대용량 로드 셀에 사용되는 것으로 직선성이 우수하고 비스듬히 가해지는 하중에덜 민감하다

(b) 사각형 전단 비임

(a) 원형 전단 비임

(c) double-ended shear beam

CNU EE 7-10

sect 기둥형 로드셀- 기둥형 로드셀(column type load cell)의 기본 구조

gt 기둥형은 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인 게이지를 종방향으로 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하는 방식이다

gt 기둥형 로드 셀을 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라고 부름

CNU EE 7-11

- 기둥형 탄성체의 종류gt 그림 (a) 사각형(square) 그림 (b) 원통형 그림 (c) 속이 빈 원통형gt 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다gt 기둥형 탄성체에서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 최대 변형

은 횡방향 중심에서 일어나며 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio Lw)에 의해서 결정된다

gt 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다 gt 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된

다 (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-4

sect 밴딩 비임 로드셀- 밴딩 비임 로드셀(bending beam load cell)은 간단하고 저가이기 때문에 가

장 널리 사용되는 로드 셀 구조 중의 하나이다

- 밴딩 비임 구조 gt (a) 캔틸레버 비임(cantilever beam) 최대 휨(deflection)는 자유단(free

end)에서 일어나고 최대 변형(strain) 위치는 고정단(fixed end)gt (b) 비임 양단을 단순히 지지하는 구조 최대 휨과 변형은 힘을 인가하

는 위치에서 일어난다gt (c) 비임의 양단이 고정된 구조 최대 휨은 힘의 인가 점에서 일어나지

만 최대 변형은 힘의 인가점(+변형)과 고정된 양단(-변형)에서 일어난다

CNU EE 7-5

- 밴딩 비임 로드 셀의 기본 구조와 원리

gt 빔에서 최대 변형이 발생하는 고정단 위치에 위 면에 2개의 스트레인 게이지(13) 밑면에 2개의 게이지(24)를 부착한다

gt 하중 F가 x점에 인가되면 게이지 1 3에는 인장력이 게이지 2 4에는 압축력이 작용한다 그 결과 각 게이지가 받은 변형은 다음과 같다

243216EbhFx

=-==-= eeee (24)

CNU EE 7-6

gt 따라서 게이지 13의 저항은 증가하고 게이지 24의 저항은 감소한다 각 게이지의 응답은 식 (10)로부터 다음과 같이 얻어진다

24

4

3

3

2

2

1

1 6EbhFxS

RR

RR

RR

RR g=

D-=

D=

D-=

D(25)

(24)

gt 출력 전압 식 (23)으로부터

ing

o VEbhFxS

V 2

6=

gt 이와 같이 출력전압은 하중 F 에 비례한다

gt 밴딩 비임형 로드 셀의 측정범위와 감도는 비임의 단면적(bh) 하중인가점의 위치(x) 탄성체 재질의 피로강도(fatigue strength)에 의해서 결정된다

CNU EE 7-7

bull 밴딩 비임 로드 셀의 예- 그림 (a) (b) 바이노큘러(binocular)라고 부르는 탄성체

gt 소용량 상용 로드 셀에서 가장 널리 사용되고 있는 디자인gt 스트레인 게이지는 최대 변형이 일어나는 위치에 부착된다 gt 게이지가 부착되는 위치만 얇게 하고 비임 전체의 두께를 두껍게 함으로

써 감도의 희생 없이 고유주파수(natural frequency)를 최대화할 수 있는장점을 가진다

gt 비임의 구조만 적절히 설계되면 감도 안정도 직선성 정밀도가 매우 우수한 특성이 얻어진다

- 그림 (c) S자형 비임으로 스트레인 게이지는 중심부의 센싱 영역에 휘트스토운 브리지의 형태로 부착된다 이 비임을 사용한 로드 셀 흔히 S형 로드 셀이라고 부른다

CNU EE 7-8

sect 전단 비임 로드셀- 전단 비임 로드 셀(shear beam load cell)의 기본 구조

gt 밴딩 비임에서는 구멍이 셀을 완전히 관통하였으나 전단 비임에서는 양측으로부터 뚫고 들어가 셀의 중심에 얇고 수직인 금속판(web)을 만듬

gt 이와 같은 I비임 구조는 스트레인 게이지에 정확히 측정될 수 있는 균일한전단응력을 만든다

gt 금속판(web)에 발생하는 전단응력의 크기가 수직으로부터 45deg 방향에서최대로 되기 때문에 스트레인 게이지는 45deg 방향으로 표면 양측에 부착됨

gt 전단 비임 구조는 내력이 강한 반면 가공이 어렵다는 단점이 있다 동일용량의 밴딩 비임에 비해 더 작게 만들 수 있어 더 큰 용량의 로드 셀에 사용된다

CNU EE 7-9

- 전단 비임 로드 셀의 예

gt 그림 (a) 전단 효과를 최대로 하기 위해서 비임의 일부를 감소시키고 이 부분(비임 양측에 있음)에 45deg 각도로 스트레인 게이지를 부착한다

gt 그림 (c) 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가하는 구조의 전단 비임(double ended shear beam) 로드 셀이다 대용량에 사용되며 안정도가 우수하다

gt 그림 (b) 중대용량 로드 셀에 사용되는 것으로 직선성이 우수하고 비스듬히 가해지는 하중에덜 민감하다

(b) 사각형 전단 비임

(a) 원형 전단 비임

(c) double-ended shear beam

CNU EE 7-10

sect 기둥형 로드셀- 기둥형 로드셀(column type load cell)의 기본 구조

gt 기둥형은 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인 게이지를 종방향으로 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하는 방식이다

gt 기둥형 로드 셀을 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라고 부름

CNU EE 7-11

- 기둥형 탄성체의 종류gt 그림 (a) 사각형(square) 그림 (b) 원통형 그림 (c) 속이 빈 원통형gt 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다gt 기둥형 탄성체에서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 최대 변형

은 횡방향 중심에서 일어나며 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio Lw)에 의해서 결정된다

gt 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다 gt 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된

다 (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-5

- 밴딩 비임 로드 셀의 기본 구조와 원리

gt 빔에서 최대 변형이 발생하는 고정단 위치에 위 면에 2개의 스트레인 게이지(13) 밑면에 2개의 게이지(24)를 부착한다

gt 하중 F가 x점에 인가되면 게이지 1 3에는 인장력이 게이지 2 4에는 압축력이 작용한다 그 결과 각 게이지가 받은 변형은 다음과 같다

243216EbhFx

=-==-= eeee (24)

CNU EE 7-6

gt 따라서 게이지 13의 저항은 증가하고 게이지 24의 저항은 감소한다 각 게이지의 응답은 식 (10)로부터 다음과 같이 얻어진다

24

4

3

3

2

2

1

1 6EbhFxS

RR

RR

RR

RR g=

D-=

D=

D-=

D(25)

(24)

gt 출력 전압 식 (23)으로부터

ing

o VEbhFxS

V 2

6=

gt 이와 같이 출력전압은 하중 F 에 비례한다

gt 밴딩 비임형 로드 셀의 측정범위와 감도는 비임의 단면적(bh) 하중인가점의 위치(x) 탄성체 재질의 피로강도(fatigue strength)에 의해서 결정된다

CNU EE 7-7

bull 밴딩 비임 로드 셀의 예- 그림 (a) (b) 바이노큘러(binocular)라고 부르는 탄성체

gt 소용량 상용 로드 셀에서 가장 널리 사용되고 있는 디자인gt 스트레인 게이지는 최대 변형이 일어나는 위치에 부착된다 gt 게이지가 부착되는 위치만 얇게 하고 비임 전체의 두께를 두껍게 함으로

써 감도의 희생 없이 고유주파수(natural frequency)를 최대화할 수 있는장점을 가진다

gt 비임의 구조만 적절히 설계되면 감도 안정도 직선성 정밀도가 매우 우수한 특성이 얻어진다

- 그림 (c) S자형 비임으로 스트레인 게이지는 중심부의 센싱 영역에 휘트스토운 브리지의 형태로 부착된다 이 비임을 사용한 로드 셀 흔히 S형 로드 셀이라고 부른다

CNU EE 7-8

sect 전단 비임 로드셀- 전단 비임 로드 셀(shear beam load cell)의 기본 구조

gt 밴딩 비임에서는 구멍이 셀을 완전히 관통하였으나 전단 비임에서는 양측으로부터 뚫고 들어가 셀의 중심에 얇고 수직인 금속판(web)을 만듬

gt 이와 같은 I비임 구조는 스트레인 게이지에 정확히 측정될 수 있는 균일한전단응력을 만든다

gt 금속판(web)에 발생하는 전단응력의 크기가 수직으로부터 45deg 방향에서최대로 되기 때문에 스트레인 게이지는 45deg 방향으로 표면 양측에 부착됨

gt 전단 비임 구조는 내력이 강한 반면 가공이 어렵다는 단점이 있다 동일용량의 밴딩 비임에 비해 더 작게 만들 수 있어 더 큰 용량의 로드 셀에 사용된다

CNU EE 7-9

- 전단 비임 로드 셀의 예

gt 그림 (a) 전단 효과를 최대로 하기 위해서 비임의 일부를 감소시키고 이 부분(비임 양측에 있음)에 45deg 각도로 스트레인 게이지를 부착한다

gt 그림 (c) 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가하는 구조의 전단 비임(double ended shear beam) 로드 셀이다 대용량에 사용되며 안정도가 우수하다

gt 그림 (b) 중대용량 로드 셀에 사용되는 것으로 직선성이 우수하고 비스듬히 가해지는 하중에덜 민감하다

(b) 사각형 전단 비임

(a) 원형 전단 비임

(c) double-ended shear beam

CNU EE 7-10

sect 기둥형 로드셀- 기둥형 로드셀(column type load cell)의 기본 구조

gt 기둥형은 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인 게이지를 종방향으로 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하는 방식이다

gt 기둥형 로드 셀을 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라고 부름

CNU EE 7-11

- 기둥형 탄성체의 종류gt 그림 (a) 사각형(square) 그림 (b) 원통형 그림 (c) 속이 빈 원통형gt 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다gt 기둥형 탄성체에서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 최대 변형

은 횡방향 중심에서 일어나며 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio Lw)에 의해서 결정된다

gt 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다 gt 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된

다 (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-6

gt 따라서 게이지 13의 저항은 증가하고 게이지 24의 저항은 감소한다 각 게이지의 응답은 식 (10)로부터 다음과 같이 얻어진다

24

4

3

3

2

2

1

1 6EbhFxS

RR

RR

RR

RR g=

D-=

D=

D-=

D(25)

(24)

gt 출력 전압 식 (23)으로부터

ing

o VEbhFxS

V 2

6=

gt 이와 같이 출력전압은 하중 F 에 비례한다

gt 밴딩 비임형 로드 셀의 측정범위와 감도는 비임의 단면적(bh) 하중인가점의 위치(x) 탄성체 재질의 피로강도(fatigue strength)에 의해서 결정된다

CNU EE 7-7

bull 밴딩 비임 로드 셀의 예- 그림 (a) (b) 바이노큘러(binocular)라고 부르는 탄성체

gt 소용량 상용 로드 셀에서 가장 널리 사용되고 있는 디자인gt 스트레인 게이지는 최대 변형이 일어나는 위치에 부착된다 gt 게이지가 부착되는 위치만 얇게 하고 비임 전체의 두께를 두껍게 함으로

써 감도의 희생 없이 고유주파수(natural frequency)를 최대화할 수 있는장점을 가진다

gt 비임의 구조만 적절히 설계되면 감도 안정도 직선성 정밀도가 매우 우수한 특성이 얻어진다

- 그림 (c) S자형 비임으로 스트레인 게이지는 중심부의 센싱 영역에 휘트스토운 브리지의 형태로 부착된다 이 비임을 사용한 로드 셀 흔히 S형 로드 셀이라고 부른다

CNU EE 7-8

sect 전단 비임 로드셀- 전단 비임 로드 셀(shear beam load cell)의 기본 구조

gt 밴딩 비임에서는 구멍이 셀을 완전히 관통하였으나 전단 비임에서는 양측으로부터 뚫고 들어가 셀의 중심에 얇고 수직인 금속판(web)을 만듬

gt 이와 같은 I비임 구조는 스트레인 게이지에 정확히 측정될 수 있는 균일한전단응력을 만든다

gt 금속판(web)에 발생하는 전단응력의 크기가 수직으로부터 45deg 방향에서최대로 되기 때문에 스트레인 게이지는 45deg 방향으로 표면 양측에 부착됨

gt 전단 비임 구조는 내력이 강한 반면 가공이 어렵다는 단점이 있다 동일용량의 밴딩 비임에 비해 더 작게 만들 수 있어 더 큰 용량의 로드 셀에 사용된다

CNU EE 7-9

- 전단 비임 로드 셀의 예

gt 그림 (a) 전단 효과를 최대로 하기 위해서 비임의 일부를 감소시키고 이 부분(비임 양측에 있음)에 45deg 각도로 스트레인 게이지를 부착한다

gt 그림 (c) 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가하는 구조의 전단 비임(double ended shear beam) 로드 셀이다 대용량에 사용되며 안정도가 우수하다

gt 그림 (b) 중대용량 로드 셀에 사용되는 것으로 직선성이 우수하고 비스듬히 가해지는 하중에덜 민감하다

(b) 사각형 전단 비임

(a) 원형 전단 비임

(c) double-ended shear beam

CNU EE 7-10

sect 기둥형 로드셀- 기둥형 로드셀(column type load cell)의 기본 구조

gt 기둥형은 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인 게이지를 종방향으로 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하는 방식이다

gt 기둥형 로드 셀을 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라고 부름

CNU EE 7-11

- 기둥형 탄성체의 종류gt 그림 (a) 사각형(square) 그림 (b) 원통형 그림 (c) 속이 빈 원통형gt 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다gt 기둥형 탄성체에서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 최대 변형

은 횡방향 중심에서 일어나며 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio Lw)에 의해서 결정된다

gt 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다 gt 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된

다 (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-7

bull 밴딩 비임 로드 셀의 예- 그림 (a) (b) 바이노큘러(binocular)라고 부르는 탄성체

gt 소용량 상용 로드 셀에서 가장 널리 사용되고 있는 디자인gt 스트레인 게이지는 최대 변형이 일어나는 위치에 부착된다 gt 게이지가 부착되는 위치만 얇게 하고 비임 전체의 두께를 두껍게 함으로

써 감도의 희생 없이 고유주파수(natural frequency)를 최대화할 수 있는장점을 가진다

gt 비임의 구조만 적절히 설계되면 감도 안정도 직선성 정밀도가 매우 우수한 특성이 얻어진다

- 그림 (c) S자형 비임으로 스트레인 게이지는 중심부의 센싱 영역에 휘트스토운 브리지의 형태로 부착된다 이 비임을 사용한 로드 셀 흔히 S형 로드 셀이라고 부른다

CNU EE 7-8

sect 전단 비임 로드셀- 전단 비임 로드 셀(shear beam load cell)의 기본 구조

gt 밴딩 비임에서는 구멍이 셀을 완전히 관통하였으나 전단 비임에서는 양측으로부터 뚫고 들어가 셀의 중심에 얇고 수직인 금속판(web)을 만듬

gt 이와 같은 I비임 구조는 스트레인 게이지에 정확히 측정될 수 있는 균일한전단응력을 만든다

gt 금속판(web)에 발생하는 전단응력의 크기가 수직으로부터 45deg 방향에서최대로 되기 때문에 스트레인 게이지는 45deg 방향으로 표면 양측에 부착됨

gt 전단 비임 구조는 내력이 강한 반면 가공이 어렵다는 단점이 있다 동일용량의 밴딩 비임에 비해 더 작게 만들 수 있어 더 큰 용량의 로드 셀에 사용된다

CNU EE 7-9

- 전단 비임 로드 셀의 예

gt 그림 (a) 전단 효과를 최대로 하기 위해서 비임의 일부를 감소시키고 이 부분(비임 양측에 있음)에 45deg 각도로 스트레인 게이지를 부착한다

gt 그림 (c) 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가하는 구조의 전단 비임(double ended shear beam) 로드 셀이다 대용량에 사용되며 안정도가 우수하다

gt 그림 (b) 중대용량 로드 셀에 사용되는 것으로 직선성이 우수하고 비스듬히 가해지는 하중에덜 민감하다

(b) 사각형 전단 비임

(a) 원형 전단 비임

(c) double-ended shear beam

CNU EE 7-10

sect 기둥형 로드셀- 기둥형 로드셀(column type load cell)의 기본 구조

gt 기둥형은 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인 게이지를 종방향으로 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하는 방식이다

gt 기둥형 로드 셀을 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라고 부름

CNU EE 7-11

- 기둥형 탄성체의 종류gt 그림 (a) 사각형(square) 그림 (b) 원통형 그림 (c) 속이 빈 원통형gt 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다gt 기둥형 탄성체에서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 최대 변형

은 횡방향 중심에서 일어나며 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio Lw)에 의해서 결정된다

gt 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다 gt 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된

다 (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-8

sect 전단 비임 로드셀- 전단 비임 로드 셀(shear beam load cell)의 기본 구조

gt 밴딩 비임에서는 구멍이 셀을 완전히 관통하였으나 전단 비임에서는 양측으로부터 뚫고 들어가 셀의 중심에 얇고 수직인 금속판(web)을 만듬

gt 이와 같은 I비임 구조는 스트레인 게이지에 정확히 측정될 수 있는 균일한전단응력을 만든다

gt 금속판(web)에 발생하는 전단응력의 크기가 수직으로부터 45deg 방향에서최대로 되기 때문에 스트레인 게이지는 45deg 방향으로 표면 양측에 부착됨

gt 전단 비임 구조는 내력이 강한 반면 가공이 어렵다는 단점이 있다 동일용량의 밴딩 비임에 비해 더 작게 만들 수 있어 더 큰 용량의 로드 셀에 사용된다

CNU EE 7-9

- 전단 비임 로드 셀의 예

gt 그림 (a) 전단 효과를 최대로 하기 위해서 비임의 일부를 감소시키고 이 부분(비임 양측에 있음)에 45deg 각도로 스트레인 게이지를 부착한다

gt 그림 (c) 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가하는 구조의 전단 비임(double ended shear beam) 로드 셀이다 대용량에 사용되며 안정도가 우수하다

gt 그림 (b) 중대용량 로드 셀에 사용되는 것으로 직선성이 우수하고 비스듬히 가해지는 하중에덜 민감하다

(b) 사각형 전단 비임

(a) 원형 전단 비임

(c) double-ended shear beam

CNU EE 7-10

sect 기둥형 로드셀- 기둥형 로드셀(column type load cell)의 기본 구조

gt 기둥형은 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인 게이지를 종방향으로 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하는 방식이다

gt 기둥형 로드 셀을 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라고 부름

CNU EE 7-11

- 기둥형 탄성체의 종류gt 그림 (a) 사각형(square) 그림 (b) 원통형 그림 (c) 속이 빈 원통형gt 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다gt 기둥형 탄성체에서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 최대 변형

은 횡방향 중심에서 일어나며 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio Lw)에 의해서 결정된다

gt 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다 gt 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된

다 (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-9

- 전단 비임 로드 셀의 예

gt 그림 (a) 전단 효과를 최대로 하기 위해서 비임의 일부를 감소시키고 이 부분(비임 양측에 있음)에 45deg 각도로 스트레인 게이지를 부착한다

gt 그림 (c) 양단을 고정시키고 중앙에 하중을 가하는 구조의 전단 비임(double ended shear beam) 로드 셀이다 대용량에 사용되며 안정도가 우수하다

gt 그림 (b) 중대용량 로드 셀에 사용되는 것으로 직선성이 우수하고 비스듬히 가해지는 하중에덜 민감하다

(b) 사각형 전단 비임

(a) 원형 전단 비임

(c) double-ended shear beam

CNU EE 7-10

sect 기둥형 로드셀- 기둥형 로드셀(column type load cell)의 기본 구조

gt 기둥형은 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인 게이지를 종방향으로 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하는 방식이다

gt 기둥형 로드 셀을 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라고 부름

CNU EE 7-11

- 기둥형 탄성체의 종류gt 그림 (a) 사각형(square) 그림 (b) 원통형 그림 (c) 속이 빈 원통형gt 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다gt 기둥형 탄성체에서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 최대 변형

은 횡방향 중심에서 일어나며 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio Lw)에 의해서 결정된다

gt 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다 gt 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된

다 (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-10

sect 기둥형 로드셀- 기둥형 로드셀(column type load cell)의 기본 구조

gt 기둥형은 원통형 용기 속에 들어있는 기둥(column)에 2장의 스트레인 게이지를 종방향으로 다른 2장은 횡방향으로 부착하여 하중을 측정하는 방식이다

gt 기둥형 로드 셀을 흔히 캐니스터 로드 셀(canister load cell)이라고 부름

CNU EE 7-11

- 기둥형 탄성체의 종류gt 그림 (a) 사각형(square) 그림 (b) 원통형 그림 (c) 속이 빈 원통형gt 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다gt 기둥형 탄성체에서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 최대 변형

은 횡방향 중심에서 일어나며 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio Lw)에 의해서 결정된다

gt 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다 gt 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된

다 (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-11

- 기둥형 탄성체의 종류gt 그림 (a) 사각형(square) 그림 (b) 원통형 그림 (c) 속이 빈 원통형gt 원통형에는 스트레인 게이지가 부착되는 부분을 평탄하게 한 것도 있다gt 기둥형 탄성체에서 최대 휨(deflection)은 수직방향 중심에서 최대 변형

은 횡방향 중심에서 일어나며 그 특성은 주로 높이폭 비(heightto width ratio Lw)에 의해서 결정된다

gt 그림 (c)의 경우는 벽 두께에 의존한다 gt 사각기둥 탄성체를 이용한 기둥형 로드셀의 출력전압은 다음 식으로 된

다 (4개의 스트레인 게이지가 동일한 경우)

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-12

- 기둥형 로드 셀의 예gt 그림은 캐니스터 로드 셀의 내부구조와 외관을 낸다 gt 트럭 탱크 호퍼(hoppers) 등의 중량을 측정하는데 사용된다gt 기둥형 로드 셀은 대용량 제작에 용이한 장점이 있으나 정밀도가 낮으며

비스듬하게 가해지는 하중에 대해 오차가 크므로 사용에 주의를 해야 한다

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-13

- 기둥형 로드 셀의 특성 예

1lbs = 0453592kg

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-14

sect 링형 로드셀- 링형 로드셀(ring type load cell)의 탄성체 종류

gt 그림 (a) 프루빙 링(proving ring) 구조gt 그림 (b) 평탄한 구조로 프루빙 프레임(proving frame) 이라고 부른다 gt 그림 (c) 평탄하지만 응력을 집중시키기 위한 홀(hole)을 가지는 덤벨형

프루빙 프레임(dumbellcut proving frame) 구조gt 그림(a) (b)에서는 휨을 점선으로 그림(c)에서는 변형이 집중되는 것을 검

은 점으로 강조해서 나타내었다gt 그림 (a) 최대 휨과 변형이 하중을 인가하는 점에서 발생한다 그러나 거

의 같은 크기의 변형이 하중 인가 점으로부터 좌우로 90deg되는 방향에서도일어나기 때문에 이 위치에 스트레인 게이지를 부착하는 것이 더 편리함

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-15

- 링형 로드셀(ring type load cell)의 기본 구조gt 그림은 링형 로드 셀의 기본 구조와 등가회로이다 gt 링의 내외 면에(또는 내면에만) 4장의 스트레인 게이지를 부착한다 gt 그림에서 탄성체의 변위 δ 는 다음 식으로 주어진다

gt 링형 수감부는 신호출력이 크고 정밀도가 높은 장점이 있어 실험실용소형 소하중 로드 셀에 적합하다 방향도 인장형 압축형 모두에 사용이가능하지만 대용량 제작이 어려운 단점이 있다

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-16

sect 로드 셀의 선택

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-17

sect 로드 셀 응용

Truck Scale

Crane Scale

Electronic Scale

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-18

75 토크 센서- 토크(torque)의 검출도 힘의 경우와 마찬가지로 탄성체에 가해진 토크에 의

해 발생되는 변형을 변위나 각 변위의 변화로써 검출하는 방법이 많이 이용되고 있다

sect 토크 센서의 원리- 그림과 같이 회전체의 축으로부터 거리 l에 작용하는 접선방향의 힘

(tangential force) Ft 는 회전체를 시계방향으로 회전시킨다 그와 같은 힘의유효성은 Ft 과 l 에 따라 증가하는데 두 량의 곱 Ft l 를 모멘트(moment)라고부르며 회전축에 관한 모멘트는 다음 식의 토크(torque)를 발생시킨다

lFlFT t )cos( b==

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-19

- 평형상태에 있는 강체(剛體 rigid body)의 한 부분에 외부로부터 임의 토크가 인가되었다면 이 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 내부 토크(internal torque)에 의해서 균형을 이루어야 한다

- 이 내부 토크에 의해 전단응력이 발생하고 실제의 탄성체는 완전한 강체가아니므로 전단변형(shear strain)을 일으킨다 축 표면에서 전단변형은 최대로 되고 다음 식으로 주어진다

GdT

m 316p

g =

- 전단변형은 그림 725(b)와 같이 양 단면사이에서 확대된다 이와 같이 토크 에 의해서 축에는 각만큼 비틀림이 발생한다 토크와 비틀림 각(twist angle) 사이에는다음의 관계가 있다

TGdL4

32p

q =

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-20

- 위 식으로부터(a) 각도를 검출하거나 (b) 토크에 의해서 생기는 토션 바(torsion bar)의 변형

을 검출하면 토크 T를 측정할 수 있다- 방법 (a)는 축 양단의 비틀림에 의한 변위를 검출하는 것이고 방법 (b)는

스트레인 게이지를 이용하는 방법이 많이 채용되고 있다

- 그림은 대표적인 토크 변환요소인 토션 바의 형상을 나타낸 것이다 그림 (a)는 가장 간단한 원주를 이용한 예이고 그림 (b) (c) (d)는 모두 감도를 향상시키기 위한 구조이다

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-21

- 토션 바의 표면 변형 (식 1)을 스트레인 게이지로 검출한다 - 토션 바에 스트레인 게이지를 접착한 모양을 나타낸 것이다 축에 비틀림이

생기면 축에 대해 45deg 방향에 압축력과 장력이 발생하므로 4개의 스트레인게이지를 이용하여 브리지를 형성하면 토크를 검출할 수 있다

- 이 방법은 축의 휨을 회로적으로 소거할 수 있는 장점은 있으나 외부에서 전압을 공급하고 출력을 외부로 끌어내는데 슬립링(slip ring)이 필요하다rarr 접촉식(다음 페이지 그림)

- 비접촉 방식에서는 RF 주파수의 전파를 외부로 전송한다

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-22

스트레인 게이지식 토크센서의 일 예

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-23

sect 광학적 방법에 의한 검출- 광학적 토크 셀은 식 (2)로 주어진 비틀림 각을 검출하는 방식이다 - 그림은 광전 센서를 이용한 토크 검출의 구체적인 방법을 나타낸다

- 그림 (a)는 토크의 양단에 새긴 패턴(pattern) 광원 반사광을 검출하는 광센서로 구성되어 있다

- 토크 바는 부하에 의해 생긴 토크로 비틀림을 받아 어떤 정속도로 회전한다 그러므로 패턴에 따라 광 센서에서주기적인 신호가 출력된다

- 이때 비틀림 때문에 두 개의 출력신호사이에는 위상차가 존재하고 그 위상차는 게이트 회로를 거쳐 클록 펄스의수로 변환된다

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-24

- 그림 (b)는 그래이팅(grating)이 동일한 2매의 디스크가 설치되어 있어 비틀림이 발생하면 두 디스크를 통과하는 광량이 변화하므로 이것을 광센서로검출하여 아날로그 신호로 출력한다

- 이 방식에서는 축의 크기에 제약이 없으므로 낮은 토크의 측정도 가능하다 또 광검출 시스템은 매우 높은 대역폭(high bandwidth)을 갖는다

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-25

sect 각종 토크 센서 및 특성 예

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-26

76 촉각 센서

- 촉각(觸覺) 센서(tactile sensor)는 힘 또는 압력센서의 특별한 경우로서 센서와 물체 사이의 접촉 파라미터(parameter) 즉 접촉에 의해 영향 받는 국부적인 힘이나 압력을 측정하는 센서이다

- 힘 또는 토크센서가 물체에 가해진 총력(總力)을 측정하는 것에 비해서 촉각 센서는 작은 영역에 국한된다

- 촉각 센싱 에는 다음과 같은 정의가 사용된다

sect 정의

① 접촉 센싱(touch sensing) 정의된 점에서 접촉력(contact force)를 측정한다 접촉 센서는 접촉여부 즉 접촉(touch) 또는 비접촉(no touch)을 검출한다

② 촉각 센싱(tactile sensing) 미리 결정된 센서 영역에 수직한 힘의 공간적분포를 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

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-27

- 이상 3가지 감각을 개념적으로 나타내면 그림과 같으며 접촉센싱은 2차원 촉각센싱(압각분포)은 3차원 슬립은 이동으로 된다

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-28

- 유연성을 갖는 전극 표면으로부터 d 의 위치에 힘을 검출하는 센싱 엘러먼트(sensing element)의 어레이(array)가 배열되어 있다

- 힘이나 압력이 국부적으로 가해졌을 때 각 엘리먼트에 전달되는 힘이 달라져접촉 패턴이 얻어진다 촉각센서는 국부적인 힘(압력)을 검출하는 센싱 엘러먼트의 종류에 따라 여러 가지로 분류된다

sect 촉각센서의 일반적 구성

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-29

- 도전성 탄성고무(conductive elastomer)를 이용한 촉각(접촉)센서의 구조

sect 저항식 촉각센서

gt 도전성 고무는 실리콘 고무에 탄소분말이나 금속 미립자(은 구리 알루미늄 등) 등을 균일하게 혼합하여 판(sheet)상으로 만든다

gt 도전성 고무의 저항은 108 Ωmiddotcm 이고 압력을 가하면 102[Ωmiddotcm]까지 감소한다고 보고되고 있다

gt 고무의 상하 면에 전극을 설치하고 상부전극에 힘(압력)을 가하면 고무판이 변형되고 그 부분의 입자밀도가 증가하여 전기저항이 현저하게 감소한다

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-30

- 그림은 센싱 엘러먼트를 어레이로 배치한 구조이다 - 상부전극은 유연성있는 재료로 만들고 하부전극은 포인트가드 링(dotandguard ring ) 형태로 되어있다

- 가드 링을 하는 것은 전류가 흐르는 영역을 수직방향으로 만 제한하여 전극간 흐르는 전류를 차단하기 위해서다

- 힘 F로 p점을 누르면 점 pb 사이의 저항 값이 Ro에서 R로 감소하고 이 변화는 전류 ib의 변화로 검출된다

- 도전성 고무를 이용한 촉각(접촉)센서는 구조가 간단하고 저가이기 때문에저항변화를 이용한 촉각(접촉)센서에 널리 이용되고 있다

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

CNU EE 7-35

- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

CNU EE 7-36

힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

Sensor System Design

- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

CNU EE 7-31

- 그림은 저항형 촉각센서 원리를 등가회로로 나타낸 것이다 - 격자상으로 배치된 각 저항은 하나의 센싱 엘리멘트를 나타내며 그 저항값은 인가되는 힘에 따라 변한다

- 각 저항의 변화는 멀티플랙서(multiplaxer)를 통해 연산 증폭기에 접속되고 출력전압을 처리하여 힘(압력)의 분포패턴을 영상 패턴으로 변환한다

CNU EE 7-32

- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

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- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

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- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

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- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

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- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

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- 도전성 고무 대신 압전 필름(piezoelectric film)을 사용하면 더 우수한 촉각센서를 만들 수 있다

- 능동 모드로 동작하는 압전식 촉각센서(piezoelectric tactile sensor)의 구성

sect 압전식 촉각센서

gt 센싱 필름 3층으로 구성된다 상부와 하부 필름은 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름이고 중앙부의압축 필름(compression film)은 상하부 필름을 초음파 결합(acoustic coupling)시키며 실리콘 고무가 자주 사용된다

gt 압축 필름의 유연성의정도가 센서의 감도와동작범위를 결정한다

CNU EE 7-33

- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

CNU EE 7-34

sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

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- Four tactile sensors were mounted on each finger of the hand (Ishikawa Lab Tokyo University)

- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

sect 촉각센서의 응용

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힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

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- 3주간 Team project 수행- 최종 발표시 프로그램 발표자료 동영상 제출- 발표 당일에 시연

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- 발진기로부터 출력된 ac 전압은 PVDF 필름을 구동한다 이 구동신호는 하부PVDF 필름을 수축시키고 이것이 압축 필름을 통해 수신기로서 작용하는 상부 PVDF 필름에 전달된다

- 압전현상은 가역적이므로 상부 필름은 압축 필름으로부터 전달되는 기계적진동에 따라 ac 전압을 발생시킨다 이 진동전압은 증폭되어 동기 복조기(synchronous demodulator)에 입력된다

- 복조기는 입력된 신호의 진폭과 위상에 민감하다 이제 압축력 F가 상부 필름에 인가되면 세 필름 사이의 기계적 결합이 변하여 복조기에 입력되는 신호의 진폭과 위상을 변화시킨다

- 복조기는 이 변화를인식하여 전압 변화로출력한다

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sect 광학식 촉각센서- 내부 전반사의 원리를 이용한 광학식 촉각센서(optical tactile sensor) 일례- 유리판은 도파관(waveguide)으로 작용한다 - 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 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

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- Tactile sensors were covered by the thin silicone rubber sheet

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- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

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- 만약 외부 물체가 접촉해서 힘 F가 가해지면 그 부분의 탄성 맴브레인이 변형을 일으켜 그림과 같이 유리판에 접촉된다

- 따라서 유리판 내부를 진행하던빛은 맴브레인-유리 접촉부에서산란되고 유리판을 통과해 빠져나온 빛은 포토다이오드 어레이에 의해서 검출된다

- 검출된 이미지는 컴퓨터로 처리되어 접촉 패턴을 영상 패턴으로변환한다

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- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

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힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

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힘middot 토크 middot 촉각센서

- 응력 (stress) 과 변형 (strain)

- 스트레인 게이지 (Strain gauge)

- 로드 셀 (Load cell)

- 토크 센서 (Torque sensor)

- 촉각 센서

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