Human-robot collaboration (HRC) is effective to improve productivity in industrial fields, based on the robot’s fast and precise work and the human’s flexible skill. To facilitate the HRC system, the first priority is to ensure safety in the event of accidents, such as collisions between robots and humans. Therefore, we propose a protective and collision-sensitive robot skin to guarantee the safety in HRC. The protective robot skin is composed of polyvinyl chloride (PVC) gel, which is a functional material with piezoresistive characteristics and impact absorption capability. In particular, the PVC gel has a distinctive piezoresistive property that the relation between mechanical pressure and electrical resistance is tunable depending on an applied voltage. When a voltage is applied to the PVC gel, the electrical charges are accumulated around the anode and it shows increased piezoresistive sensitivity. In this research, we analyzed the collision detection and impact absorbability characteristics of the protective robot skin based on PVC gel. The results showed that the developed protective robot skin has an enough performance to guarantee the safety in HRC. It was verified for the PVC gel to exhibit the 4.78 times higher sensitivity by simply applying a driving voltage. Moreover, the collision sensing unit could detect the collision within 5 ms, which satisfies the safety requirement for the collaborative robot.
To improve the limitation of the developed protective robot skin, we proposed the strain-insensitive pressure sensing mechanism based on the charge-accumulation of PVC gel and liquid metal electrodes. Since the mechanical stretching occurs at the joint part of protective robot skin, the strain-insensitive pressure sensing is essential for the protective robot skin for covering all the parts of the robot. Therefore, the novel structure of strain-insensitive pressure sensing is analyzed for a stable usage of the protective robot skin. To verify the applicability of the proposed mechanism, various physical characteristics are investigated including the strain-insensitivity, material reactivity and temperature stability. In addition, we suggested and verified the direction-detectable pressure sensing mechanism. The location and direction awareness of pressure sensing of the protective robot skin is essential to establish avoidance strategy of the robot manipulator. Therefore, we designed a direction-detectable pressure sensing unit and applied it to the protective robot skin.
The developed protective robot skin was applicated to the robot gripper in a wearable form and it was useful to detect a collision and absorb an impact even for the deformable parts. When the robot gripper collided with the human-modeled testbed, the impact force was decreased dramatically by using the protective skin. Furethermore, when the robot gripper with the protective skin collided with various objects and human bodies, they were safely protected thanks to the impact absorption and collision detection of the skin. For future work, we will develop a new-type of robot safety skin with the pressure sensing and proximity sensing ability based on PVC gel. Moreover, the robot collision avoidance algorithm will be analyzed to establish fast avoiding strategy and minimize the human damage in collision situation. Based on these technologies, we can develop a universal protective robot skin and construct a safety system for human-robot collaboration.
인간-로봇 협동작업은 산업 분야에서 생산성을 높이는데 매우 효과적이다. 이는 로봇의 빠르고 정밀한 작업과 인간의 유연한 작업 능력이 협동하여 나타나는 결과이다. 이러한 인간-로봇 협동 작업을 위해서 가장 중요한 것 중 하나는 로봇과 사람의 충돌과 같은 사고가 발생할 때 안전을 보장하는 것이다. 따라서, 본 연구에서는 인간-로봇 협동작업에서 안전을 보장하는 장치로서 로봇 안전 외피를 개발하였다. 제안하는 로봇 안전 외피는 압저항 특성과 충격 흡수 성능을 지니는 기능성 물질인 PVC (Polyvinyl chloride) gel로 구성되어있다. 특히, PVC gel은 인가 전압에 따라 압저항 특성이 변화하는 매우 특수한 성질을 지니고 있다. PVC gel에 전압이 인가되면, 양극 주변에 전하가 축적되고, 해당 영역에서는 매우 증가된 압저항 특성을 보인다. 본 연구에서는 PVC gel 기반의 로봇 안전 외피의 충돌 감지 및 충격 흡수 기능을 분석하였다. 그 결과, 개발된 로봇 안전 외피는 인간-로봇 협동작업에서 안전을 보장하기에 충분한 성능을 지니고 있음이 확인되었다. 로봇 안전 외피는 전압 인가 시 압력 감지 민감도가 4.78배 증가하였으며, 충돌 발생 시 5 ms 내에 충돌을 감지할 수 있다는 것이 판명되었다. 이는 협동로봇의 안전 요구사항을 충분히 충족시키는 결과이다.
제작된 로봇 안전 외피의 한계를 보완하기 위하여, 인장에 독립적인 압력 감지가 가능한 메커니즘을 제안하였다. 로봇 안전 외피가 로봇의 관절부에 활용될 경우 안전 외피의 인장 변형은 필연적으로 발생하기 때문에, 인장에 독립적인 압력 감지는 필수적인 기술이다. 해당 메커니즘은 PVC gel의 전하 축적 특성과 액체금속 전극에 기반하여 구성되었으며, 인장에 독립적인 압력 감지 기능 및 소재의 안정성, 온도 변화에 대한 안정성 등 다양한 성능 평가가 이루어졌다. 그 결과, 인장에 독립적인 압력 감지 메커니즘은 로봇 안전 외피에 적용되기 적합한 기술임이 확인되었다. 또한, 본 연구에서는 방향을 인식할 수 있는 압력 감지 기술이 검증되었다. 충돌이 발생하는 위치와 방향을 알아내는 것은 로봇 작동 중 충돌 회피를 위하여 매우 중요한 요소이다. 본 연구에서 개발한 압력 방향 감지 기술은 로봇 안전 외피에 즉각적으로 활용될 수 있으며, 이를 통해 더욱 범용성이 높은 로봇 안전 외피를 개발할 수 있다.
제작된 로봇 안전 외피는 장갑 형태로 제작되어 로봇 그리퍼에 적용되었다. 로봇 안전 외피는 관절부를 포함한 모든 부분에서 충돌을 감지하고 충격을 흡수하기 위한 유용성이 입증되었다. 로봇 그리퍼가 충돌 실험 장치에 충돌하였을 때, 안전 외피를 사용하는 경우 충격력이 현저하게 감소하였다. 더욱이, 안전 외피가 장착된 로봇 그리퍼가 인체를 비롯한 다양한 물체에 충돌할 때, 안전 외피의 충격 흡수 및 충돌 감지 기능을 기반으로 충돌 대상 물체를 안전하게 보호할 수 있었다. 추후 연구로서, PVC gel을 이용하여 압력 센싱과 근접 센싱이 모두 가능한 로봇 안전 외피를 제작하고자 한다. 또한, 충돌 위치 및 방향에 대한 정보를 수집하여 로봇이 인간과 충돌하였을 때 충격력을 최소화할 수 있는 회피 알고리즘을 개발하고자 한다. 이를 통하여 더욱 범용적으로 적용할 수 있는 로봇 안전 외피를 개발하고, 인간과 로봇의 안전한 협동이 가능한 환경을 구축하고자 한다.
