[논문]광섬유 굽힘 손실을 이용한 직물 기반의 광섬유 촉각센서 개발

김주영; 백상호; 이정주

doi:10.5369/jsst.2009.18.3.210

광섬유 굽힘 손실을 이용한 직물 기반의 광섬유 촉각센서 개발
Development of fabric-based optical fiber tactile sensor using optical fiber bending loss 원문보기

센서학회지 = Journal of the Korean Sensors Society, v.18 no.3, 2009년, pp.210 - 216

김주영 (한국과학기술원 기계공학과) , 백상호 (한국과학기술원 기계공학과) , 이정주 (한국과학기술원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper the tactile sensor system based on the bending loss of optical fiber sensor is presented. The sensor array was designed with fabric structure. The optical measuring system was composed of LED for light source and CCD camera for the signal light detector. Performance of this tactile sensor system was evaluated in various environments and compared with Harmon's design criteria. The result shows that load range is 3 g$\sim$100 g, resolution is 1.5 g, hysteresis error is 1.5%. The response linearity is good and flexibility of sensor array is excellent.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 굽힘 손실에 유리한 언덕형 굴절률의 다중모드 광섬유(gradedindex multimode optical fiber, GIMM(62.5/125 µm) fibre, YOFC社)를 사용하여 저렴하고 간단한 센서를 제작하고 그 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 로봇의 팔, 어깨 또는 등과 같은 비교적 넓은 부위에 적용 가능하며, 광섬유의 굽힘손실을 이용한 직물 기반의 광섬유 촉각센서 및 시스템을 제작하고 그 성능을 평가하였다. 제안한 센서의 성능은 Table 2에 정리하여 나타내었으며, Harmon^[1,12]이 1982년에 제시한 촉각센서 디자인 기준(Harmon's design criteria)을 병기하여 본 센서의 촉각센서로서의 적절성을 평가하였다.
따라서 200개의 단위 셀(단위 센서)을 가진 분포형 촉각센서의 경우 배선수는 4N, 즉 800개로 그 수가 상당히 많아 진다. 이와 같은 문제점 들을 해결하기 위해 본 연구에서는 광섬유의 굽힘 손실(bending loss)^[6-9]을 이용한 직물기반의 광섬유 촉각 센서를 제안하고자 한다.

제안 방법

이를 살펴보면 광섬유의 제작과정에서의 결함이 원인이 되어 발생하는 흡수·산란·구조의 불완전에 의한 광손실이 있으며, 인위적 원인에 의한 손실은 끊어진 두 가닥의 광섬유를 잇는 과정에서 발생하는 광섬유의 굽힘(거시적, 미시적 굽힘)·찌그러짐(미소굽힘)에 의한 광손실이 있다. 3가지 광섬유의 주요 광손실 원인 중에서 본 연구에서는 광섬유가 외력을 받아 굽힘 또는 찌그러짐을 경험할 때 발생하는 광손실을 촉각센서의 작동 메커니즘(mechanism, 작동기구)으로 이용할 것이다.
2와 같이 구성하였다. 광섬유에 빛을 공급하는 광소스(light source)는 5W LED를 사용하고, 광섬유로부터 나오는 빛의 강도(intensity) 측정은 CCD 카메라를 사용하며, CCD 카메라로 촬영된 이미지(image) 정보는 컴퓨터로 전송되어 랩뷰 프로그램(LabView program)을 사용하여 빛의 강도 변화 여부를 분석한다. 이때 빛의 강도는 밝고 어두운 정도를 나타내는 그레이 스케일 값(gray scale value, gsv)으로 표현된다.
이때 빛의 강도는 밝고 어두운 정도를 나타내는 그레이 스케일 값(gray scale value, gsv)으로 표현된다. 본 실험에서 가장 중요한 변수인 광섬유의 곡률반경은 광섬유를 완전한 원으로 한 바퀴 회전 시킴으로써 신뢰성 곡률반경을 바꾸었고, 광섬유가 정해진 반지름을 가지는 원을 잘 따라 갈 수 있도록 원주에 일정한 간격으로 핀(pin)을 박아 광섬유에 가이드라인(guide line)을 부여하였다.
본 실험에서는 이와 같은 상황을 연출하기 위해 Fig. 10과 같이 마네킹(manikin)의 팔과 어깨에 제작된 센서를 부착하여 점, 선, 면에 해당하는 형태의 하중을 부과하여 센서의 정성적 성능을 평가하였다. 팔과 어깨는 굴곡이 많아 유연성이 부족한 촉각센서는 적용 자체가 어려운 경우가 발생하게 된다.
본 연구에서 제안한 촉각센서는 직물을 기반으로 광섬유들이 바느질되어 있는 것과 같은 구조를 하고 있어 유연성이 뛰어나 굴곡이 심한 부위에 적용이 유리하며, 100개의 단위셀(taxel)을 포함하는 센서를 20가닥의 광섬유만으로 제작 가능한 간단성을 가지고 있다. 또한 센서의 제작이 쉽고 간편하며 비용이 저렴하고 확장성이 좋아 넓은 공간에 적용하기 유리하다.
본 연구에서는 27 ℃를 전·후한 온도에서 실험을 수행하였다.
센서의 하중응답(load response)과 히스테리시스(hysteresis)는 하중 범위를 0~100 g으로 하고, 하중을 100 g까지 5 g 단위로 증가시켰다가 다시 5 g 단위로 0까지 감소시키며 실험을 수행하였다. 실험결과 Fig.
실험 시에는 광섬유의 끝 단으로부터 나오는 빛을 정확하게 촬영하기 위해 CCD 카메라 주변을 외부의 빛이 침입하지 못하게 암실로 만들어 주어야 하고, LED의 경우 안정적인 광 공급을 위해 전원을 켠 후 워밍업(warming up) 시간이 약 3~4시간 정도 필요하며, 온도의 변화에 따라 빛의 강도가 달라지는 특성을 가지고 있으므로 온도를 일정하게 유지시키며 실험을 진행해야 한다. 본 연구에서는 27 ℃를 전·후한 온도에서 실험을 수행하였다.
7과 같이 상하로 움직이는 스테이지(stage) 평판 위에 센서를 위치시키고 센서의 단위셀(taxel)을 로드셀(load-cell)의 프로브(probe)와 상하로 일치하도록 정렬하여 스테이지를 이동 시켜 하중을 부하하거나 제하하고, 하중의 크기는 로드셀로 측정한다. 이 때 촉각센서의 광섬유를 통과하는 광강도 변화를 빛의 명암(gray scale value, gsv) 단위로 측정하여 센서의 성능을 평가한다.
제안한 센서의 성능은 Table 2에 정리하여 나타내었으며, Harmon[1,12]이 1982년에 제시한 촉각센서 디자인 기준(Harmon's design criteria)을 병기하여 본 센서의 촉각센서로서의 적절성을 평가하였다.
제작된 광섬유 촉각센서는 Fig. 7과 같이 상하로 움직이는 스테이지(stage) 평판 위에 센서를 위치시키고 센서의 단위셀(taxel)을 로드셀(load-cell)의 프로브(probe)와 상하로 일치하도록 정렬하여 스테이지를 이동 시켜 하중을 부하하거나 제하하고, 하중의 크기는 로드셀로 측정한다. 이 때 촉각센서의 광섬유를 통과하는 광강도 변화를 빛의 명암(gray scale value, gsv) 단위로 측정하여 센서의 성능을 평가한다.
측정된 광 정보는 PC로 전달되고 LabView 프로그램을 사용하여 입출력 광의 광강도 변화 유무 및 정도를 판단하게 된다. 출력 커넥 터의 CCD 이미지는 Fig. 6과 같으며, CCD로 한번에 측정된 여러 광섬유 가닥의 광강도는 LabView 프로그램을 통해 각각 개별적으로 해석된다. 따라서 외부 하중의 위치 및 크기를 측정 할 수 있게 된다.
컴퓨터로 전송된 광 이미지의 분석에 있어서 랩뷰 프로그램을 이용하여 59×59 화소(pixels)의 광강도를 평균하여 화소 1개에 대한 광 밝기로 광강도를 나타내어 분석하였다.

성능/효과

실험결과 Fig. 8 와 같이 선형성(linearity)이 우수한 하중응답 곡선을 얻을 수 있었으며, 센서의 민감도(sensitivity)는 약 - 45 gsv/N 이고, 히스테리시스 오차(error)는 1.5% 미만으로 측정되었다.
와 성능을 비교했을 때 거의 모든 항목에서 우수함을 확인 할 수 있다. 특히 허진석 박사가 제안한 동일한 원리의 미소굽힘을 이용한 광섬유 촉각센서^[13]와 비교 했을 때 본 연구에서 제안한 직물 기반의 광섬유 촉각센서의 우수성을 쉽게 알 수 있다. 그러나 하중 범위가 다소 협소한 것이 단점으로 지적될 수 있다.

후속연구

팔과 어깨는 굴곡이 많아 유연성이 부족한 촉각센서는 적용 자체가 어려운 경우가 발생하게 된다. 그러나 본 연구에서 제안한 직물을 기반으로 하고 광섬유를 사용한 직물구조 광섬유 촉각센서는 광섬유 본연의 유연성을 100% 활용할 수 있어 심한 굴곡에의 적용이 쉽다. 또한 센서의 두께가 1.
따라서 본 연구에서 제안한 광섬유 굽힘손실을 이용한 직물 기반의 광섬유 촉각센서는 로봇의 팔, 어깨, 등과 같은 비교적 넓은 부위에 의복과 같이 자연스럽게 적용 가능하여 광역(廣域) 촉각센서로의 활용이 기대된다.
이와 같은 장점으로 인해 굴곡이 심한 마네킹의 팔과 어깨에서도 우수한 응답성을 보여 주었다. 하지만, 실제 움직이는 부위에 본 연구에서 제안한 직물 기반의 촉각센서를 적용할 때, 움직임에 의해 발생 할 수 있는 광섬유 구김에 의한 광손실 극복 방안과 직물제조 공정의 구현 가능성에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인간이 외부 환경을 인지하는 5가지 감각은 무엇인가?	인간은 시각, 촉각, 청각, 후각, 미각의 5가지 감각을 통해 외부 환경을 인지하게 된다. 따라서 인간을 모방하는 지능형 로봇이 사회체계에서 인간과 함께 공존하고 소통하기 위해서는 이 5가지 감각이 필수적으로 요구된다.
	광섬유의 장점은 무엇인가?	광섬유는 빛을 정보전달의 매개체로 하므로 전자기 장에 영향을 받지 않으며 뛰어난 유연성과 열·화학적으로 높은 내성을 가지고 있다. 하지만, FBG[10] 광섬유 촉각센서의 경우 광섬유에 격자를 새기는 등의 제작비 및 광 측정장비가 고가이고 측정장비의 부피가 크다는 단점을 가지고 있다.
	광섬유의 광손실 원인은 무엇인가?	광섬유의 광손실 원인은 Table 1과 같다. 이를 살펴보면 광섬유의 제작과정에서의 결함이 원인이 되어 발생하는 흡수·산란·구조의 불완전에 의한 광손실이 있으며, 인위적 원인에 의한 손실은 끊어진 두 가닥의 광섬유를 잇는 과정에서 발생하는 광섬유의 굽힘(거시적, 미시적 굽힘)·찌그러짐(미소굽힘)에 의한 광손실이 있다. 3가지 광섬유의 주요 광손실 원인 중에서 본 연구에서는 광섬유가 외력을 받아 굽힘 또는 찌그러짐을 경험할 때 발생하는 광손실을 촉각센서의 작동 메커니즘(mechanism, 작동기구)으로 이용할 것이다.

참고문헌 (14)

Mark H. Lee, 'Tactile sensing: New directions, new challenges', The International Journal of Robotics Research, vol. 19, no. 7, pp. 636-643, 2000

상세보기
M.H. Lee and H.R. Nicholls, 'Review article tactile sensing for mechatronics-a state of the art survey', Mechatronic, vol. 9, no. 1, pp. 1-31, 1999

상세보기
김건년, 김용국, 이강열, 조우성, 이대성, 조남규, 김원효, 박정호, 김수원, 주병권, '연성회로기판에 실장된 실리콘 기반의 유연 촉각센서 어레이 제작 및 평가', 센서학회지, 제15권, 제4호, pp. 227-283, 2006
J. Dargahi and S. Najarian, 'Advances in tactile sensors design/manufacturing and its impact on robotics applications-A review', The Industrial Robot, vol. 32, no. 3, pp. 268-281, 2005

상세보기
김종호, 박연규, 강대임, '미세 힘 센서 개발 및 응용에 관한 연구동향', 한국정밀공학회지, 제19권, 제3호, pp. 7-12, 2002

원문보기 상세보기
Jeff Hecht, Understanding fiber optics, Pearson Prentice Hall, New Jersey, pp. 102-103, 2006
Eugene Hecht, Optics, Addison Wesley, San Francisco, pp. 193-201, 2002
D. Gloge, 'Bending loss in multimode fibers with graded and ungraded core in-dex', Applied Optics, vol. 11, no. 11, pp. 2506-2513, 1972

상세보기
J. G. Winger and K-M Lee, 'Experimental investigation of a tactile sensor based on bending losses in fiber optics', Robotics and Automation, 1988.
허진석, 김만섭, 이정주, '광섬유 브래그 격자를 이용한 촉각센서용 유연 단위 힘 센서 개발', 센서학회지, 제15권, 제4호, pp. 251-256, 2006

원문보기 상세보기
J. W. Berthod III, 'Historical review of microbend fiber-optic sensors', J. Lightwave Technology, vol. 13, no. 7, pp. 1193-1199, 1995

상세보기
Del T. Jenstrom and C-L Chen, 'A fiber optic microbend tactile sensor array', Sensors and Actuators, vol. 20, no. 3, pp. 239-248, 1989

상세보기
J-S Heo, C-H Han and J-J Lee, 'System design and evaluation of the robot tactile sensor using the microbending fiber optic sensors', 16th IEEE International Conference on Robot & Human Interactive Communication, pp. 14-18, Jeju, Korea, 2007
한철희, '미소 굽힘형 광섬유 센서를 이용한 촉각 센서 개발', 한국과학기술원 석사학위 논문, 2008

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증