In recent decades, human robot interaction as well as human computer touch interfaces such as touch screens have become ubiquitous in our daily lives. Numerous works have been done on tactile pressure sensing for human-robot interaction through various transduction mechanisms. However, majority of them focus on measuring one- or two-dimensional forces. Therefore, the current thesis aims to develop a flexible, thin, low cost tri-axial sensor based on optical intensity modulation. The sensor works on the principle of coupling loss of light between multi-mode waveguides and a touch tactor, when the tactor is deformed. Change in contact area of the tactor with the waveguide results in the guided modes of light to couple outside, decreasing the intensity. The structural configuration of the sensor array has been studied by the finite element method. The waveguides are fabricated from transparent and flexible polymers that enable a simple, low cost, robust and easy to scale system. The designed sensor is able to successfully measure normal force from 0 - 10N (0-1315kPa) and shear force from 0 -3 N (0-395 kPa) with a signal to noise ratio of 31.66 dB. Having an offset error of only 0.42 % for 200 cycles, the sensor showed excellent durability. Being flexible, the sensor could conform to curved surfaces with a bending radius as small as 14 mm. The sensor can be packaged into a lower form factor with a thickness of 500 μm by changing the mechanical properties of the material used. The results show potential of the proposed sensor to measure tri-axial contact forces during various human-robot interaction tasks.
최근 수십 년 동안, 터치 스크린과 같은 인간 컴퓨터 터치 인터페이스뿐만 아니라 인간 로봇의 상호작용은 우리의 일상 생활 어디에나 보편화되었습니다. 다양한 변환 메커니즘을 통해 인간과 로봇의 상호 작용을 위한 촉각 압력 감지와 관련된 수많은 작업이 수행되었습니다. 하지만, 그들 중 대부분은 1차원 또는 2차원 힘을 측정하는 데 초점을 맞춥니다. 따라서, 현재 논문은 광학 강도 조절에 기초한 유연하고, 얇고, 저렴한 3차원 축 센서를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 센서는 액추에이터가 변형될 때 멀티 모드 도파관과 터치 촉각 사이의 커플링 손실 원칙에 따라 작동합니다. 도파관과 함께 접촉하는 촉수의 영역을 변경하면 외부에서 커플링되는 안내식 빛의 모드가 발생하여 강도가 감소합니다. 센서 어레이의 구조 구성은 유한 요소 방법에 의해 연구되었습니다. 도파관은 투명하고 유연한 중합체로 제작되어 간편하고 저렴한 비용으로 견고하며 확장하기 쉬운 시스템을 제공합니다. 설계된 센서는 신호 대 잡음비가 31.66dB인 0-10N(0-1315kPa) 및 0-3N(0-395kPa)의 전단력을 성공적으로 측정할 수 있습니다. 200 사이클 동안 오프셋 오차가 0.42%에 불과했던 이 센서는 우수한 내구성을 보였습니다. 이 센서는 유연하기 때문에 구부러진 반경이 14mm인 곡선 표면을 준수할 수 있습니다. 센서는 사용된 재료의 기계적 특성을 변경하여 두께 500μm의 하부 폼 팩터로 포장할 수 있습니다. 결과는 다양한 인간-로봇 상호 작용 작업 중에 제안된 센서가 3축 접촉력을 측정할 수 있는 가능성을 보여줍니다.