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미소 굽힘형 광섬유 센서를 이용한 촉각 센서의 개발 = Development of tactile sensor using microbending optical fiber sensors
서명 / 저자 미소 굽힘형 광섬유 센서를 이용한 촉각 센서의 개발 = Development of tactile sensor using microbending optical fiber sensors / 한철희.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2008].
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The optical fiber sensors have attractive characteristics such as flexibility, durability, and lightness. And they are not affected by electric fields and humid environment. In this paper, a tactile sensor using the optical fiber sensors is proposed. Especially, microbending optical fiber(MBOF) sensors are used for the tactile sensor. The MBOF sensor has microbending effect which causes light loss from optical fiber when the radius of curvature of the optical fiber is several millimeters. Therefore, from detecting the microbending light loss, the external contact force can be simply measured. At first, a tactile sensor element is designed with a membrane in the center to induce microbending on the optical fiber embedded in the structure, when the external load is applied. And a contact mesa is also designed to concentrate the external load on the membrane. So, when the load is applied, the load amount is measured by detecting the microbending light loss. And the tactile sensor element is fabricated with simple molding process. PDMS is used for the structure and multimode optical fiber is used. Fabricated tactile sensor element is evaluated with optical measuring system which is composed of a small 5W LED and CCD camera. Based on the sensor element, distributed tactile sensor is also designed as a vertically crossed array of optical fibers. In this structure, x, y axis optical fibers become coordinates for detecting the position of the applied load. Therefore, not only the contact load, but also the position of the applied load can be detected at the same time. Before fabricating tactile sensor, the sensor element of the distributed tactile sensor is fabricated and evaluated And 10 x 10 arrayed distributed tactile sensor is fabricated and evaluated. However, even though the position of applied load on the tactile sensor can be detected with this type, the exact contour of a contact object can’t be detected. To solve this weakness, tactile sensor elements which have one optical fiber are arrayed. Therefore, each sensor element becomes independent and the exact contour of a contact object can be detected. And, the surface hardness sensing of contact objects is tested with the fabricated tactile sensor using MBOF sensor is tested. Although exact hardness of contact objects can’t be measured, tactile sensor using MBOF sensors can be applied on various parts such as tactile sensors of robot body and distributed touch sensor, because the optical fiber and the designed tactile sensor using MBOF sensors have many advantages including simple structure, low cost, good performance, etc.

본 논문에서는 경량이고, 유연하며, 내구성이 우수할 뿐 아니라 전자기파의 영향을 받지 않는 등 많은 장점을 갖고 있는 광섬유 센서를 이용한 촉각 센서를 제안하고 있다. 특별히, 다양한 광섬유 센서들 중 광섬유에 반경이 수mm인 미소 굽힘이 발생할 경우 광섬유 내부에서 빛의 손실이 발생하는 미소 굽힘형 광섬유 센서를 이용하여 외부에서 인가된 하중의 크기와 그 위치, 그리고 접촉한 물체의 경도 등 외부 환경의 변화를 감지할 수 있는 유연하고, 성능이 우수한 촉각 센서를 제작하고, 그 성능을 평가해보았다. 구체적인 연구 결과는 다음과 같다. 1. 미소 굽힘형 광섬유 센서를 이용한 단위 촉각 센서 외부에서 하중이 인가되었을 때, 광섬유에 미소 굽힘이 잘 일어날 수 있도록 실리콘 고무의 일종인 PDMS를 사용하여 크기가 2mm×2mm이고 두께가 0.5mm인 박막이 중심에 위치한 구조물을 설계하였고, 그 박막의 중심에 광섬유가 위치하도록 광섬유를 삽입하였다. 또한, 수직하중 이외의 외부 하중도 박막에 집중될 수 있도록 직경 1.3mm, 높이 1mm인 접촉부를 제작하였다. 따라서, 외부에서 하중이 인가되어 광섬유에 미소 굽힘이 유도되면, 이 때 발생하는 광손실을 측정하여 인가된 하중의 크기를 알 수 있다. 제작된 단위 촉각 센서는 5W LED를 광원으로, CCD camera를 광 측정 장비로 사용하여 제작한 측정 시스템을 사용하여 그 성능을 평가해보았다. 로드셀을 사용하여 꾸민 실험 장치를 통해 단위 촉각센서에 하중을 인가한 결과, 약 7.4N까지 측정할 수 있으며, 센서로서의 활용이 용이한 선형성이 나타나는 구간(0.4~2.4N)에서는 약 -54.56 Gray scale value/N의 감도를 보였다. 또한, 분해능은 약 0.02N으로 기존의 제안된 촉각 센서들의 측정 가능 하중 범위보다 우수함을 확인하였다. 2. 미소 굽힘형 광섬유 센서를 이용한 분포형 촉각 센서 앞서 제작한 단위 센서를 기반으로 외부에서 인가된 하중의 크기와 더불어 하중이 인가된 위치를 감지할 수 있는 분포형 촉각 센서를 제작하여 그 성능을 평가해보았다. 분포형 촉각 센서의 구조는 광섬유들을 수직으로 교차 배열하여 각각의 x축 광섬유들과 y축 광섬유들이 교차하면서 이루는 좌표로 외부에서 가해진 하중의 위치를 알 수 있도록 설계되었다. 분포형 촉각 센서의 제작에 앞서, 광섬유들을 수직으로 교차 배열하였을 경우 성능을 시험해 보기 위해 별도의 단위 촉각 센서를 제작하여 평가해보았다. 제작된 단위 촉각 센서를 평가해본 결과, 최대 측정 하중은 약 8.2N이었으며, 선형성이 나타나는 0.4~3.2N 구간에서 센서의 감도는 -50.72 Gray scale value/N이었으며, 분해능은 약 0.02N이었다. 또한, 0.4N 이하에서 0.01N씩 하중을 인가한 결과 센서의 최소 측정 하중은 0.08N임을 확인하였다. 하지만, 광 강도가 선형적으로 감소하여 센서로서의 활용이 용이한 구간이 약 0.4N에서 시작되므로, 이를 보완하기 위해 박막의 크기가 3mm × 3mm와 4mm × 4mm인 단위 센서들을 각각 제작하여 그 성능을 평가해보았다. 3mm × 3mm인 단위 센서에 선형성은 약 0.3~2.4N의 하중이 인가되는 구간에서 나타나며, 감도는 -15.87Gray scale value/N 이고, 박막의 크기가 4mm × 4mm인 단위 센서의 선형성은 약 0.2~2.0N의 하중이 인가된 구간에서 나타나며, 그 감도는 -16.71Gray scale value/N 였다. 마찬가지로 최소 감지 하중을 측정해본 결과 0.08N으로 광원의 noise 등으로 인해 그 이하의 하중은 구분이 힘듦을 확인하였다. 하지만, 이와 같이 박막의 크기가 커지면, 보다 작은 하중이 인가될 때부터 광 강도가 선형적으로 급격하게 감소하게 되어 센서가 보다 민감해 짐을 확인할 수 있었다. 이와 같은 단위 센서의 평가 결과를 바탕으로 10×10 배열의 분포형 촉각 센서를 제작하였다. 우선, 5mm의 공간 분해능을 가지며, 박막의 크기는 3mm × 3mm, 두께는 0.5mm이며, 접촉부는 직경 2.3mm, 높이 1mm인 10×10 배열의 분포형 촉각 센서를 제작하여 정성적인 평가를 수행해보았다. 제작된 분포형 센서를 평판위에서 그 성능을 평가해 본 후 manikin의 등과 어깨에 부착하여 성능을 실험해 본 결과 응답성과 정성적인 감도가 우수함을 확인하였으며, 촉각 센서에 수직 하중이 아닌, 문지르듯이 가해지는 분포 하중을 가했을 때에도 하중이 잘 감지됨을 확인할 수 있었다. 위와 같이 정성적인 평가를 바탕으로 앞서 제작한 단위 센서들 중 센서의 활용구간이 가장 넓었던 단위 센서와 같이 박막의 크기 2mm × 2mm, 두께 0.5mm로 10×10 배열의 분포형 촉각 센서를 다시 제작하였다. 제작된 분포형 촉각센서를 앞서 수행한 것과 마찬가지로, 평판 위와 manikin의 어께에서 각각 정성적인 평가를 해본 결과 그 성능이 우수함을 확인하였다. 또한, 제작된 센서에 점 하중과 분포 하중을 각각 인가하여, 센서의 정량적인 성능을 평가한 결과 하중이 분산되고, 간섭 현상이 발생하며, 접촉부의 높이가 일정하지 못해 다소 오차가 발생하지만, 인가된 점 하중과 분포 하중을 잘 감지함을 확인하였다. 하지만, 앞서 제안한 분포형 촉각센서는 광섬유들이 교차 배열되어 이루는 단위 센서들이 완전하게 독립되어 있지 않기 때문에 분포 하중이 인가되었을 때, 정확한 감지가 어렵다는 약점이 있다. 이를 보완하기 위해 단일 광섬유가 삽입된 단위 센서를 배열하여 독립된 단위 센서들로 이루어진 분포형 촉각센서를 설계하여, 광섬유의 수가 다소 늘어나지만, 접촉하는 물체의 외각까지도 감지할 수 있도록 하였다. 실제로 16개의 단일 광섬유 단위 센서들을 배열하여 w작한 4×4 배열의 분포형 촉각 센서를 제작하여 평가한 결과 대각으로 분포된 하중이 인가된 경우 정확한 위치 감지가 가능하고 'ㅁ', 'ㄷ'과 같이 다양한 형태의 물체가 접촉하여 분포하중이 인가되어도 감지할 수 있을 것이다. 마지막으로 촉각 센서에 접촉하는 물체의 경도를 감지하는 실험을 수행하였다. 먼저 단위 촉각 센서에 일정한 하중을 인가하여 접촉하는 물체의 표면 경도를 감지해본 각각의 물체의 표면 경도에 따라 동일한 하중이 가해졌을 때, 표면의 경도가 높을수록, 미소 굽힘이 더 크게 발생하게 되어 광 강도의 변화가 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 박막 크기는 2mm × 2mm, 박막의 두께는 0.5mm인 3×3 배열의 분포형 촉각 센서를 제작하여 같은 실험을 수행하여보았다. 실험 결과 접촉 물체의 표면 경도의 차이를 감지할 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서 제안하는 미소굽힘형 광섬유 센서를 이용한 촉각 센서는 유연성과 내구성 등이 우수하고, 전자기파의 영향을 받지 않고, 수중에서도 사용이 가능하다는 광섬유 센서의 장점과 더불어 우수한 성능과 간단한 구조, 저렴한 제작비용 등 많은 장점이 있으므로, 지능형 로봇의 몸 등에 쓰일 수 있는 접촉 센서와 광대역 센서 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

서지기타정보

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청구기호 {MME 08045
형태사항 viii, 56 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Cheol-Hee Han
지도교수의 한글표기 : 이정주
지도교수의 영문표기 : Jung-Ju Lee
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 54-56
주제 tactile;sensor;optical fiber;microbending;distributed
촉각;센서;광섬유;미소굽힘형;분포형
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