[논문]유연 촉각 센서를 이용한 로봇 그리퍼의 미끄러짐 감지

서지원; 이주경; 이석; 이경창

doi:10.7736/kspe.2014.31.2.157

유연 촉각 센서를 이용한 로봇 그리퍼의 미끄러짐 감지
Slip Detection of Robot Gripper with Flexible Tactile Sensor 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.2, 2014년, pp.157 - 164

서지원 (부산대학교 기계공학부) , 이주경 (부산대학교 기계공학부) , 이석 (부산대학교 기계공학부) , 이경창 (부경대학교 제어계측공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we design a gripping force control system using tactile sensor to prevent slip when gripper tries to grasp and lift an object. We use a flexible tactile sensor for measuring uniplanar pressure on gripper's finger and develop an algorithm to detect the onset of slip using the sensor output. We also use a flexible pressure sensor to measure the normal force. In addition, various signal processing techniques are used to reduce noise included in the sensor output. A 3-finger gripper is used to grasp and lift up a cylindrical object. The tactile sensor is attached on one of fingers, and sends output signals to detect slip. Whenever the sensor signal is similar to the slip pattern, gripper force is increased. In conclusion, this research shows that slip can be detected using the tactile sensor and we can control gripping force to eliminate slip between gripper and object.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문은 촉각 센서 피드백을 이용하여 미끄러짐을 감지하고, 이 현상을 방지하는 그리퍼의 힘을 제어하는 시스템을 설계하였다. 논문의 구성은 다음과 같다.
하지만 첨단 지능형 로봇을 구현하기 위해서는 면적에 대한 압력뿐만 아니라 수평력, 압력이 가해지는 위치까지 측정할 수 있는 촉각 센서에 대한 연구가 필수적이다. 본 연구는 산업 현장에서 그리퍼를 이용함에 있어서 물체의 미끄러짐을 방지하는 시스템에 촉각 센서의 적용이 가능하다. 향후, 대상 물체의 무게와 질감 등에 대한 연구와 병렬 로봇과의 연동 연구, 촉각 센서의 전도성 물질 구조 변경 등 다양한 연구가 필요하다.

제안 방법

이를 위하여 미끄러짐이 발생할 시, 촉각 센서의 피드백 패턴 분석을 하였다. 그리고 미끄러짐 감지를 이용하여 그리퍼의 힘을 증감시켜 미끄러짐을 방지하기 위한 알고리즘을 구성하였다. 특히 미끄러짐이 발생할 정도로 초기 힘이 약할 때와 미끄러짐이 발생하지 않는 충분히 강할 때를 구분하여 힘을 제어하는 방법을 제안하였으며, 실험 결과, 미끄러짐이 발생하지 않는 최소의 힘을 구할 수 있었다.
본 논문에서 첫 번째 증폭회로는 5배의 증폭률을 가지도록 설정하였으며, 두 번째 증폭회로 또한 5배의 증폭률을 가지도록 설정하여 총 25배의 증폭률을 가지도록 설정하였다. 두 개의 증폭 회로를 분리한 이유는 신호 증폭 시에 잡음까지 함께 증폭되어 회로의 안정성이 떨어지기 때문이며, 두 번의 필터를 거쳐 잡음을 제거한 후에 필터링 된 신호를 한번 더 증폭하도록 하였다.
실험 모형의 무게는 100g이며 500g의 추를 이용하여 실험하였다. 먼저 센서의 데이터를 이동평균을 이용하여 잡음을 안정화시키고, 그 결과를 미분한 값을 그래프로 나타내었다. 세로축은 3개 센서의 출력을 각각 이동 평균한 후 미분 값의 합을 나타낸 값이고, 가로축은 10ms 주기의 샘플링 횟수이다.
또한 저항이 변화하는 범위가 매우 커서(수십 MΩ ~ 수십 kΩ) 출력이 매우 낮기 때문에 신호 증폭 회로가 필요하다. 먼저 센서의 저항 수치를 검출하기 위해 전압을 검출하는 간단한 회로를 구성하였다. 센서의 저항의 증감 변화를 관찰하기 위해 아무런 압력이 가해지지 않고 안정된 평형 상태일 때, 100kΩ의 가변 저항으로 기본 입력에 대해 중간의 출력이 나오도록 조절한다.
증폭 회로는 비반전 증폭 회로를 사용하였다. 본 논문에서 첫 번째 증폭회로는 5배의 증폭률을 가지도록 설정하였으며, 두 번째 증폭회로 또한 5배의 증폭률을 가지도록 설정하여 총 25배의 증폭률을 가지도록 설정하였다. 두 개의 증폭 회로를 분리한 이유는 신호 증폭 시에 잡음까지 함께 증폭되어 회로의 안정성이 떨어지기 때문이며, 두 번의 필터를 거쳐 잡음을 제거한 후에 필터링 된 신호를 한번 더 증폭하도록 하였다.
본 논문에서는 4개의 OP-AMP를 이용하여 증폭-필터-필터-증폭의 회로를 구성하였다. 증폭 회로는 비반전 증폭 회로를 사용하였다.
본 논문에서는 로봇 그리퍼가 물체를 옮기기 위해 물체와 그리퍼 사이의 미끄러짐을 촉각 센서 피드백을 이용하여 감지하였으며, 이를 방지하는 시스템을 구성하고 실험을 통하여 시스템의 성능을 검증하였다. 이를 위하여 미끄러짐이 발생할 시, 촉각 센서의 피드백 패턴 분석을 하였다.
본 논문에서는 실험을 위해 원통형의 물체를 이용하였으며, 내부에 일정한 무게를 가진 추를 담을 수 있게 하였다. 실험 모형의 무게는 100g이며 500g의 추를 이용하여 실험하였다.
본 논문에서는 로봇 그리퍼가 물체를 옮기기 위해 물체와 그리퍼 사이의 미끄러짐을 촉각 센서 피드백을 이용하여 감지하였으며, 이를 방지하는 시스템을 구성하고 실험을 통하여 시스템의 성능을 검증하였다. 이를 위하여 미끄러짐이 발생할 시, 촉각 센서의 피드백 패턴 분석을 하였다. 그리고 미끄러짐 감지를 이용하여 그리퍼의 힘을 증감시켜 미끄러짐을 방지하기 위한 알고리즘을 구성하였다.
힘과 미끄럼 감지를 위한 촉각 센서 기반 로봇 그리퍼 제어 시스템의 실험을 위하여, 본 논문에서는 물체를 잡고 그리퍼를 위 아래로 움직여 물체와 접촉면 사이에 미끄러짐이 발생하는지 측정한 후에 미끄러짐 패턴 감지 기능을 이용하여 미끄러짐을 감지하였다. 미끄러짐을 감지하면 물체를 쥐는 힘을 증가시키며, 미끄러짐이 발생하지 않는다면 물체를 들어 올린다.

대상 데이터

¹¹ 고무와 같은 탄성을 가지는 UV(Ultra Violet) 경화 소재로 감싸져 있으며, 압력 감응 물질은 MWCNTs(Multiwalled carbon nanotubes)와 TangoPlus의 혼합물이다.12 센서의 두께는 4mm이고, 평행한 센서 부분 사이의 거리는 10mm이며, 직교되는 부분은 높이에 차이를 두어 만나지 않게 제작되었다. 본 센서는 전도성 물질이 센서 부분에 섞여 있기 때문에 Fig.
본 논문에서는 실험을 위해 원통형의 물체를 이용하였으며, 내부에 일정한 무게를 가진 추를 담을 수 있게 하였다. 실험 모형의 무게는 100g이며 500g의 추를 이용하여 실험하였다. 먼저 센서의 데이터를 이동평균을 이용하여 잡음을 안정화시키고, 그 결과를 미분한 값을 그래프로 나타내었다.
본 논문에서는 4개의 OP-AMP를 이용하여 증폭-필터-필터-증폭의 회로를 구성하였다. 증폭 회로는 비반전 증폭 회로를 사용하였다. 본 논문에서 첫 번째 증폭회로는 5배의 증폭률을 가지도록 설정하였으며, 두 번째 증폭회로 또한 5배의 증폭률을 가지도록 설정하여 총 25배의 증폭률을 가지도록 설정하였다.

성능/효과

그리고 미끄러짐 감지를 이용하여 그리퍼의 힘을 증감시켜 미끄러짐을 방지하기 위한 알고리즘을 구성하였다. 특히 미끄러짐이 발생할 정도로 초기 힘이 약할 때와 미끄러짐이 발생하지 않는 충분히 강할 때를 구분하여 힘을 제어하는 방법을 제안하였으며, 실험 결과, 미끄러짐이 발생하지 않는 최소의 힘을 구할 수 있었다.
9는 촉각 센서에서 나오는 피드백 신호의 이동평균을 미분한 값이다. 한 번의 이동평균은 1ms의 주기로 10개의 데이터를 샘플링 하였기 때문에 본 그래프의 샘플링 횟수 1당 약 10ms의 시간을 보여준다. Fig.

후속연구

⁵ 이것을 다시 해석하면 눈으로 보고 물체를 인식하여 잡는 위치는 결정할 수 있지만, 촉각 피드백 정보가 없이는 얼마나 힘을 주어야 하는지 알 수 없다는 것이다. 따라서 로봇에 적용하면 물체를 인식하는 것이 가능하더라도 손가락 표면에서 감지되는 센서의 정보가 없다면 지능적인 힘 제어가 불가능할 것이다. 특히 산업 현장에서 물체를 운반하는데 많이 쓰이는 그리퍼가 물체를 잡을 때, 그리퍼와 표면 사이의 마찰력이 부족해서 미끄러짐이 발생할 수 있다.
본 연구는 산업 현장에서 그리퍼를 이용함에 있어서 물체의 미끄러짐을 방지하는 시스템에 촉각 센서의 적용이 가능하다. 향후, 대상 물체의 무게와 질감 등에 대한 연구와 병렬 로봇과의 연동 연구, 촉각 센서의 전도성 물질 구조 변경 등 다양한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압력 센서는 무엇인가?	압력 센서는 센서에 가해지는 압력에 따라 출력이 변하는 센서이다. 하지만 단일 압력 센서로는 좁은 범위에 가해지는 압력만을 감지할 수 있기 때문에 넓은 범위에 대해 가해지는 압력을 측정할 수 없다.
	촉각은 어떻게 분류할 수 있는가?	촉각은 크게 3종류로 분류할 수 있다. 피부에 맞닿는 저항력을 느끼는 근감각(Kinesthetic Sensation), 물체의 질감과 형상감, 온도를 느끼는 온각, 통증을 느끼는 통각을 포함한 체성 감각(Somato Sensation), 그리고 관성을 느끼는 평형 감각(Vestibular Sensation)으로 나뉜다.8 이 중에 근감각을 담당하는 압력 센서 어레이로 만들어진 촉각 센서의 종류를 나열하면 실리콘 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기반 기술의 촉각 센서, 폴리머 MEMS 기반 기술의 촉각 센서, 나노(Nano) 구조 재료 기반의 촉각 센서, 그리고 압력 감응 재료 기반의 촉각센서가 있다.
	촉각 센서는 무엇인가?	하지만 단일 압력 센서로는 좁은 범위에 가해지는 압력만을 감지할 수 있기 때문에 넓은 범위에 대해 가해지는 압력을 측정할 수 없다. 이러한 이유로 넓은 범위에 작용하는 압력을 부분적으로 측정하기 위해 압력 센서를 여러 개 나열하여 압력을 측정하는 센서를 촉각 센서라 한다. 이러한 촉각 센서를 그리퍼 표면에 부착함으로써, 사람이 물체를 쥘 때 받아들이는 압력과 비슷한 정보를 얻을 수 있다.

참고문헌 (12)

Yussof, H., Ohka, M., Suzuki, H., and Morisawa, N., "Tactile Sensing-based Control Algorithm for Real- Time Grasp Synthesis in Object Manipulation Tasks of Humanoid Robot Fingers," Proc. of the 17th IEEE International Symposium on In Robot and Human Interactive Communication(RO-MAN), pp. 377-382, 2008.
Romano, J. M., Hsiao, K., Niemeyer, G., Chitta, S., and Kuchenbecker, K. J., "Human-Inspired Robotic Grasp Control with Tactile Sensing," IEEE Transactions on Robotics, Vol. 27, No. 6, pp. 1067-1079, 2011.

상세보기
Weiss, L. E., Sanderson, A. C., and Neuman, C. P., "Dynamic Sensor-based Control of Robots with Visual Feedback," Robotics and Automation, IEEE Journal, Vol. RA-3, No. 5, pp. 404-417, 1987.
Kim, G. S., Shin, H. J., and Kim, H. M., "Development of Intelligent Robot' Hand with Three Finger Force Sensors," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 26, No. 1, pp. 89-96, 2009.
Rothwell, J. C., Traub, M. M., Day, B. L., Obeso, J. A., Thomas, P. K., and Marsden, C. D., "Manual Motor Performance in a Deafferented Man," Brain, Vol. 105, pp. 515-542, 1982.

상세보기
Wettels, N., Parnandi, A. R., Moon, J. H., Loeb, G. E., and Sukhatme, G. S., "Grip Control Using Biomimetic Tactile Sensing Systems," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 14, No. 6, pp. 718-723, 2009.

상세보기
Chathuranga, K. V. D. S., Ho, V. A., and Hirai, S., "A Biomimetic Fingertip that Detects Force and Vibration Modalities and Its Application to Surface Identification," Proc. of 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), pp. 575-581, 2012.
Kang, D. I., "Research and Development Trend of Tactile Sensor," Proc. of the Korean Society of Mechanical Engineers on Dynamics and Control in Autumn Workshop Speech Book, pp. 86-98, 2003.
Kim, J. H., Lee, J. I., Park, Y. K., Kim, M. S., and Kang, D. I., "Development of Tactile Sensor and Its Application," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 21, No. 9, pp. 20-25, 2004.
Kim, M. S., Park, Y. K., and Kwon, S. Y., "Tactile Devices that Mimics Human's Sensory System," Physics and High Technology, pp. 15-22, 2010.
Vatani, M., Engeberg, E. D., and Choi, J. W., "Force and Slip Detection with Direct-Write Compliant Tactile Sensors using Multi-Walled Carbon Nanotube/Polymer Composites," Sensor and Actuators A, Vol. 195, pp. 90-97, 2013.

상세보기
Woo, S. G., Vatani, M., Lee, I, H., Choi, J. W., and Cho, H. Y., " Fabrication Process of Flexible Sensor using MWCNTs," Proc. of KSPE Autumn Conference, pp. 545-546, 2013.

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