Deploying robots in the human workspace requires that the robots can physically interact with the environment in a safe and dexterous manner. In humans, the tactile sensing through the skin plays an important role in achieving a safe and dexterous physical interaction with the environment. The two important characteristics of the human skin that allow humans such safe and dexterous physical interaction are its inherent softness and its ability to transduce mechanical contacts of different frequencies into tactile signals through mechanoreceptors. Due to the importance of inherent compliance, soft and elastic tactile sensors have extensively been researched, using soft transducers of different mechanisms, such as piezoresistive, capacitive and piezoelectric. In terms of the detectable bandwidth, the similarities between different transducers and mechanoreceptors have been pointed out in previous researches. However, there are limited research on combining two or more different types of soft transducers into a single tactile sensor to build a soft tactile sensor with a broad tactile bandwidth, similar to that of the human skin.
In this work, a soft tactile sensor that is comprised of two components is proposed. The two components transduce mechanical stimuli of different frequency bands, each providing the utilizing system with tactile information of different tactile bandwidth, similar to mechanoreceptors in human skin. This allows for separate encoding of the tactile inputs based on their frequencies and furthermore, allows the robotic system to identify contact events that discretize action phases in an object manipulation task, as is done in human object manipulation control schemes. The former part of this work, the mechanism, structure and analysis of the two components, low and high frequency transducer, of the proposed soft tactile sensor is introduced. Capacitive and piezoelectric mechanisms are utilized for the transduction of the mechanical stimuli of low and high frequencies, respectively, and both are fabricated using soft and flexible materials to provide compliance to the tactile sensor. In the latter part of this paper, the proposed sensor will be integrated with an existing commercial robotic hand. Object grasping tasks will be performed with the integrated robotic hand system using tactile signals to specify the start and end of each action phase to achieve a grasping control similar to that of humans.
인간의 작업 공간에 로봇을 배치하려면 로봇이 안전하고 능숙한 방법으로 환경과 물리적으로 상호 작용할 수 있어야한다. 인간의 피부를 통한 촉각 감지는 환경과 안전하고 기민한 물리적 상호 작용을 달성하는 데 중요한 역할을 한다. 인간이 안전하고 기민한 물리적 상호 작용을 할 수 있게 해주는 인간 피부의 두 가지 중요한 특성은 고유의 부드러움과 다른 주파수의 기계적 접촉을 기계수용기를 통해 촉각 신호로 변환하는 능력이다. 내재된 부드러움의 중요성으로 인해 압저항식, 정전용량식 및 압전식 등의 다양한 방법의 연성 변환기를 사용한 부드럽고 탄력 있는 촉각 센서가 광범위하게 연구되었다. 이전의 연구들에서 검출 가능한 대역폭의 관점에서 각종 변환기와 기계수용기들의 유사점이 주목되었다. 그러나 두 개 이상의 서로 다른 유형의 연성 변환기를 하나의 촉각 센서에 결합하여 인간의 피부와 유사한 넓은 촉각 대역폭을 가진 연성 촉각 센서를 만드는 연구는 많이 진행되지 않았다.
이 연구에서는 두 가지 구성 요소로 구성된 연성 촉각 센서가 제안되었다. 이 두 가지 구성 요소는 서로 다른 주파수 대역의 기계적 자극을 로봇 시스템에 전달하며, 각각은 인간의 피부에 있는 기계수용기와 유사한, 다양한 촉각 대역폭의 촉각 정보를 활용할 수 있게끔 한다. 이는 촉각 입력을 주파수에 기반한 개별적인 인코딩을 할 수 있게 하며, 또한 로봇 시스템이 인간의 물체 조작 제어 방식에서 행해지는 바와 같이, 물체 조작 과제에서 행동 단계들을 구분하는 접촉 사건을 식별할 수 있게 한다. 본 논문의 전반부에는 제안된 연성 촉각 센서의 두 가지 구성 요소인 저주파 및 고주파 변환기의 동작 방법, 구조 및 분석에 대한 소개를 한다. 정전용량식 및 압전식의 변환기는 각각 저주파수 및 고주파수의 기계적 자극의 변환에 사용되며, 촉각 센서에 부드러움을 제공하기 위해 부드럽고 유연한 소재를 사용하여 제작되었다. 본 논문의 후반부에는 제안된 센서와 기존 상용 로봇 손과 통합된 것에 대한 설명이 있다. 통합된 로봇 손 시스템을 이용한 객체 파지 과제는 촉각 신호를 사용하여 수행되어 각 행동 단계의 시작과 끝을 지정해주며 인간과 유사한 파지 제어를 수행함을 보여준다.
