In the related fields of robotics, there is a need for an inexpensive, durable, wide-area covering, and stretchable skin-like tactile sensor that measure both pressure and stretch. Although many tactile sensing technologies have been introduced, large area deployment and durability were key issues in practical applications including wearable artificial skins and robotic skins. Technically, difficulty to fabricate large number of electrical wires in elastomeric substrates was a major problem because electrical wires need to be stretchable in order to sustain stable attachment to the elastomeric substrate. An alternative approach was using electrical impedance tomography (EIT) technique which resolves large area deployment and durability by using electrodes only installed on the boundary of the sensor. Although previous EIT based tactile sensors can be stretchable to cover highly stretching area such as the area near to rotational joints, stretch of the sensor also affected tactile sensing performances.
In this dissertation, anisotropic electrical impedance tomography (aEIT) based tactile sensing technique is introduced to achieve stretchable, large area deploying, and durable tactile sensor. Particularly, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with silicone elastomer is used to fabricate the sensing element. Anisotropic piezoresistivity of the material was examined while the material is stretched in lateral direction and indented in surface normal direction. A mathematical formulation of aEIT is introduced and detailed information to implement hardware circuitry and finite element based computation model is introduced. As final results, development of stretch measurable tactile sensor is presented and performances of the sensor is evaluated.
최근 로봇 분야에서 신축과 촉각을 측정할 수 있는 저비용, 높은 내구성, 광범위 배치 가능한 촉각 센서 기술이 요구되고 있다. 이전에 많은 촉각 센서 기술들이 소개되었지만, 여전히 착용형 인공 피부, 로봇 피부 등 실제 활용 분야에서는 넓은 범위를 커버하면서 내구성을 유지하는 것이 요구되어왔다. 이 문제는 탄성이 있는 매개 위에 많은 수의 신축성이 있는 전선을 제작하고 접촉력을 유지시켜야 하기 때문에 어려운 문제이다. 이를 해결하기 위해 임피던스 단층촬영법 (EIT)이 대안으로 제안되었는데, 이 기술은 전극을 전도성 매개체 경계면에만 설치하기 때문에 넓은 범위를 커버하면서 내구성을 확보할 수 있었으나 여전히 신축으로 인한 센서 신호의 영향이 문제로 제기되었다. 본 학위논문에서는 이방성 임피던스 단층촬영법을 적용하여 신축성, 광범위 배치, 내구성을 가지는 촉각 센서를 개발하였다. 특히, 다중벽 카본나노튜브(MWCNT)와 실리콘 고무를 기반으로 하는 센싱 소재를 개발하였으며 이 소재가 측 방향으로 인장되거나 표면법선 방향으로 압입 될 때 발생하는 이방성 압저항 성질을 조사하였다. 신축 촉각 센서 개발을 위해 이방성 임피던스 단층촬영법을 구현하기 위한 수학적 모델을 제시하였으며 전자 회로와 유한요소 기반 계산 기법이 구현되었다. 최종 결과로 신축의 측정이 가능한 촉각 센서를 제작하여 신축 촉각 센서로서의 성능을 검증하였다.
