Recently, there has been a lot of research in the field of HRI(human-robot interaction). Among them, physical interaction requires force, torque measurement and control of robot joints. In the past, torque sensors mainly used strain gauges to measure torque. However, torque sensors using strain gauges have low manufacturability and repeatability because they require manual work that is difficult to attach many sensors to the exact location. Also, additional complex circuit devices such as transducers and amplifiers are needed for signal conversion, which makes them expensive and low usability. Recently, torque sensors using capacitive sensors, which are easy to manufacture and inexpensive to improve, have been developed and used. But capacitive-type torque sensors are less accurate than strain gauges-type torque sensors and are limited in use in collaborative robots or industrial robots. This is mainly due to the large influence of drifts caused by external environmental changes such as temperature and humidity. In this study, differential-pairs of electrode structure and drift compensator are proposed to improve measurement accuracy and minimize the effect of sensor drifts due to external environmental changes. In addition, the sensor was built into a small cooperative robot actuator to verify the performance of the sensor, and it has lower linearity error, crosstalk error, and wider range of temperatures compared to previously developed capacitive-type torque sensors.
최근 인간-로봇 상호작용에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 그 중 물리적인 상호작용을 위해서는 로봇의 힘, 토크 측정과 제어가 필요하다. 과거에는 토크 측정을 위해 스트레인 게이지(strain gauge)를 사용한 토크 센서가 주로 사용되었다. 하지만 수작업이 필요하고 다수의 센서를 정확한 위치에 부착하기가 어려워 생산성이 떨어진다. 또한 신호 변환을 위해 변환기, 증폭기 등 부가 회로 장치가 필요하기 때문에 가격이 비싸며 사용 편의성 또한 떨어진다. 최근에는 이를 개선하기 위해 생산이 간편하고 가격이 저렴한 정전용량(capacitive) 센서를 사용한 정전용량형 (capacitive-type) 토크 센서가 개발되어 사용되고 있지만, 스트레인 게이지를 사용한 토크 센서보다 정확도가 떨어지며 온도, 습도 등 외부 환경 변화에 의한 드리프트의 영향이 크기 때문에 협동로봇이나 산업용 로봇에서의 사용이 제한적이다. 본 연구에서는 측정 정확도를 향상시키고 외부 환경 변화에 의한 센서 드리프트의 영향을 최소화하기 위해 전극의 차동-쌍(differential-pairs) 구조와 드리프트 보상기를 제안한다. 또한 소형 협동 로봇 구동기에 센서를 내장하여 센서의 성능을 검증하였고, 기존에 개발된 정전용량형 토크 센서에 비해 낮은 선형성 오차(linearity error), 누화 오차(crosstalk error), 그리고 넓은 온도 범위를 가진다.
