Many kinds of tactile sensors combining different small force sensors using a microelectricmechanical system technique have been introduced for use in intelligent robots, teleoperational manipulators, and haptic interfaces. As MEMS tactile sensing studies have mainly focused on silicon-based sensors, as these sensors offer good spatial resolution. However, there remain a number of problems with respect to application to practical systems. In particular, previous efforts have been hindered by rigid substrates, fragile sensing elements, and complex wiring. To overcome these problems, in this thesis, newly designed tactile sensor using the optical fiber sensors is introduced.
This thesis describes two kinds of tactile sensor using the optical fiber. The first one is tactile sensor system which can detect the distributed temperature and the distributed force using fiber Bragg grating (FBG) sensors and the other is a distributed force sensor array using the intensity based optical fiber sensors by the microbending loss of the optical fiber.
Firstly, the force and temperature taxels based on FBG sensors is developed, and using these sensors, a distributed temperature sensor array and a distributed force sensor array are designed, andreported. Combining this temperature sensor array with the force sensor array, a new tactile sensor system which can measure a temperature distribution and a force distribution is evaluated. Especially, using the distributed temperature sensor array, the distributed force sensor array can be compensated excluding for the temperature effect which disturbs the accurate distributed force measurement. As these sensor arrays were used the wavelength division multiplexing (WDM) method which is a conventional multiplexing technique. It means that FBG, 9 force taxels and 9 temperature taxels can be existed in one optical fiber. Therefore, this FBG based tactile sensor need only one optical fiber including 18 taxels.
And the other type of tactile sensor using the intensity based optical fiber sensor by the microbending loss of the optical fiber is introduced. The structure of this tactile sensor has also simple structure which mimics the human skin using the silicone rubber. In case of using the microbending optical fiber sensors, many optical fibers must be needed to evaluate the tactile sensor. And they can not detect the any other contact property of the material without the contact force. However, this type of tactile sensor needs a simple optical measurement system compared with that of FBG based tactile sensor.
Compared with the conventional tactile sensors using a MEMS technique, these tactile sensor arrays can detect the distributed force and the distributed temperature more precisely, and it has very simple wiring as well as a structure which can be easily fabricated. Moreover, these tactile sensors using the optical fiber sensors have the a high resistance to corrosion and strong endurance.
지금까지 미소 힘 센서를 포함한 촉각 감지 센서들이 MEMS 기술을 이용해서 많이 개발되었다. 이러한 MEMS 기술을 이용한 센서들은 실리콘 웨이퍼 기반으로 제작되어서 우수한 공간 분해능을 가질 수 있도록 충분히 작은 크기의 센서로 제작되었다. 하지만 이러한 MEMS 기술을 이용한 센서는 유연하지 못하며, 내구성이 보장되지 못하면서, 많은 배선을 가지고 있는 등 실제 적용되기에는 문제점들을 가지고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 형태를 가지는 광섬유 센서를 이용한 촉각 감지 센서 시스템에 관해서 소개하고자 한다. 특히 본 연구에서는 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 촉각 감지 센서와 미소 굽힘형 광섬유 센서를 이용한 촉각 감지 센서를 구현하고자 한다.
먼저 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여 단위 힘 센서와 온도 센서를 설계 제작하여 그 성능을 평가하였으며, 각각의 센서들은 우수한 센서 분해능과 내구성을 가지고 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 이러한 단위 센서를 이용하여 힘과 온도를 동시에 측정할 수 있는 분포형 촉각 감지 센서를 구현하였다. 특히 온도 센서의 출력을 이용하여 힘 센서에서 출력되는 온도의 영향을 배제할 수 있어 정확한 힘을 감지할 수 있는 센서로 구현할 수 있었다. 또한 파장 분할 다중화 방법을 이용하여 하나의 광섬유에 9개의 힘 센서와 9개의 온도 센서를 이용하여 분포형 센서를 구현할 수 있어 기존의 센서들에 비해서 현격하게 줄어든 배선을 구성할 수 있어 기존의 센서의 문제점인 배선의 문제를 쉽게 해결할 수 있었다.
다음으로, 미소굽힘형 광섬유 센서를 이용하여단위 센서와 분포형 센서를 구현하고 그 성능을 검증하였다. 센서의 검증 결과 우수한 센서 분해능과 내구성을 가지고 있어 정확한 분포 힘을 측정할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 특히 제작된 센서는 실리콘 내부에 광섬유를 단순히 직교하게 교차해 주는 구조를 가지고 있어 센서의 제작이 용이하며 공간 분해능의 조절이 쉽다는 장점을 가지고 있으며, 다. 또한 이러한 센서의 경우 단순히 수직 힘만을 측정할 수 있어 다른 물리량을 측정하기에는 추가적인 센서들이 요구된다는 단점을 가진다.
이렇게 제작 검증된 두 가지 종류의 광섬유 촉각 감지 센서는 분포 힘과 온도를 측정할 수 있으며, 기존의 센서들이 가지고 있는 부식성, 내구성 및 배선의 문제를 해결할 수 있다는 것을 실험적으로 규명하였으며, 이는 기존의 센서보다 실제 적용이 용이한 센서로 많은 기술적 수요가 있을 것으로 기대된다.
