[논문]폴리머 굽힘센서를 이용한 손의 형상 추정과 로봇 팔 제어 연구

이진혁; 김대현

doi:10.7779/jksnt.2015.35.1.68

폴리머 굽힘센서를 이용한 손의 형상 추정과 로봇 팔 제어 연구
Shape-Estimation of Human Hand Using Polymer Flex Sensor and Study of Its Application to Control Robot Arm 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.35 no.1, 2015년, pp.68 - 72

이진혁 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원) , 김대현 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

초록
AI-Helper

초음파 로봇 검사시스템은 발전설비 등 상시감시가 요구되는 구조물의 감시를 위해 연구와 개발이 활발히 진행되고 있다. 그러나 이러한 설비의 구조물은 형상과 구조가 매우 다양하고 복잡하여 단순한 패턴으로 이동과 검사가 가능한 로봇으로는 상시감시에 한계를 가지게 된다. 복잡한 구조물의 정밀검사는 정교한 행동이 가능한 로봇 시스템이 필요하다. 로봇의 제어를 초음파검사 작업자의 손의 형상에 따라 직관적으로 움직이도록 한다면 보다 정밀한 검사 로봇의 개발이 가능할 것으로 판단된다. 폴리머 굽힘센서는 대변형의 측정이 가능하고 곡면에 적용성이 높아 최근 인체 형상 측정 및 재활보조 등 다양한 활용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 구조물의 상시감시를 위한 초음파검사 로봇이 작업자의 손동작에 따라 동작이 가능한 직관적 제어를 위해 폴리머 굽힘센서를 이용하여 사람 손의 형상 감시 연구를 수행하였다. 다수의 센서를 적용하여 손의 다양한 움직임을 추정하고 실험적 검증을 통해 사람 손의 형상에 따른 직관적 로봇의 제어가 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ultrasonic inspection robot systems have been widely researched and developed for the real-time monitoring of structures such as power plants. However, an inspection robot that is operated in a simple pattern has limitations in its application to various structures in a plant facility because of the diverse and complicated shapes of the inspection objects. Therefore, accurate control of the robot is required to inspect complicated objects with high-precision results. This paper presents the idea that the shape and movement information of an ultrasonic inspector's hand could be profitably utilized for the accurate control of robot. In this study, a polymer flex sensor was applied to monitor the shape of a human hand. This application was designed to intuitively control an ultrasonic inspection robot. The movement and shape of the hand were estimated by applying multiple sensors. Moreover, it was successfully shown that a test robot could be intuitively controlled based on the shape of a human hand estimated using polymer flex sensors.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

즉 검사자의 손의 형상에 따른 폴리머 굽힘 센서의 신호 변화를 측정하고 손의 변형과 움직임을 추정하는 연구를 수행하였다. 그리고 손의 형상과 움직임을 기반으로 로봇의 팔이 직관적인 움직임이 가능하도록 로봇의 제어 연구를 수행하였다. 실험을 바탕으로 굽힘센서 신호 특성을 확인하여 손의 형상을 실시간으로 추정하고 제어를 위한 알고리즘을 도출하였다.
폴리머 센서는 긴 길이와 대변형이 발생하는 특성을 가지게 된다. 따라서 변형을 곡률뿐만 아니라 변형되는 길이에 따른 신호 특성의 확인이 필요하고 이를 위한 기초실험을 수행하였다. 우선 센서의 변형이 일정한 곡률로 발생할 수 있도록 아크릴 배관을 이용하여 배관의 표면에 센서를 접촉하였다.
본 연구에서는 폴리머 굽힘센서를 이용하여 사람의 손의 형상을 추정하고 이를 바탕으로 비파괴검사 로봇의 직관적 제어를 위한 제어 연구를 수행하였다. 폴리머 굽힘센서의 신호 특성에 대한 기초연구 결과 굽힘센서가 원호에 따라 변형될 때 원의 반경과 호가 발생되는 길이에 따른 전압 변화를 확인할 수 있었으며 이를 기반으로 작업자의 손의 형상 변화를 실시간으로 추정할 수 있었다.
본 연구에서는 폴리머 굽힘센서를 이용하여 사용자 손의 형상과 움직임을 측정하고 이를 기반으로 로봇의 팔을 제어하는 아이디어를 도출하였다. 즉 검사자의 손의 형상에 따른 폴리머 굽힘 센서의 신호 변화를 측정하고 손의 변형과 움직임을 추정하는 연구를 수행하였다.

제안 방법

굽힘센서의 변형에 따른 저항 특성을 확인하기 위하여 센서에 0°에서 45°까지 호의 각을 5°간격으로 발생시키며 일정한 전압을 인가하였다.
5 mm, 17 mm의 반경을 가지는 배관을 사용하였다. 그리고 각 배관에 접촉면의 길이를 증가시켜 곡률에 의해 발생되는 호의 길이를 5 mm 간격으로 증가시키며 곡률의 변화와 호의 길이의 변화에 따른 센서의 전압을 측정하였다. Fig.
실험 구성에서 굽힘 센서에 전압을 인가하고 변화되는 전압의 신호를 아두이노 우노(Arduino Uno)를 이용하여 컴퓨터로 수집하였다. 그리고 로봇 팔을 레고 마인드스톰(Lego Mindstorms)을 이용하여 간단하게 구성하였다. 이때, 로봇 팔은 실제 초음파 비파괴검사시 검사자의 팔의 움직임과 유사한 동작을 할 수 있도록 관절과 모터를 구성하였다.
이때, 로봇 팔은 실제 초음파 비파괴검사시 검사자의 팔의 움직임과 유사한 동작을 할 수 있도록 관절과 모터를 구성하였다. 그리고 신호 처리 및 제어 프로그램을 적용하여 실험을 구성하였다. Fig.
4는 접촉 배관의 곡률 반경과 센서의 변형 길이에 따라 발생되는 전압 변화를 보여준다. 그리고 실험 결과를 이용하여 센서에 가해지는 곡률 반경과 센서에 변형 길이에 따른 전압값을 근 할 수 있는 함수를 도출하였다. 식(1) 은 실험을 기반으로 도출된 전압 식이다.
폴리머 굽힘센서의 신호 특성에 대한 기초연구 결과 굽힘센서가 원호에 따라 변형될 때 원의 반경과 호가 발생되는 길이에 따른 전압 변화를 확인할 수 있었으며 이를 기반으로 작업자의 손의 형상 변화를 실시간으로 추정할 수 있었다. 그리고 추정되는 손의 변화를 바탕으로 시퀀스 제어를 적용하여 손의 변화 입력에 따라 로봇 모터를 선형적으로 제어하도록 시스템을 구현하였다. 최종적으로, 폴리머 굽힘 센서를 활용하여 사람 손의 형상과 움직임의 추정을 수행하고 이에 따른 로봇의 직관적 제어가 가능함을 확인하였다.
갑에 적용하여 손의 형상을 측정할 수 있도록 구성하였다. 손의 움직임은 초음파 비파괴검사시 발생되는 일반적인 움직임을 고려하여, 손목의 회전, 손목의 굽힘, 그리고 손가락의 움직임을 구분하여 측정할 수 있도록 설계 및 적용하였다. 이때 손목의 회전(좌우 움직임)과 굽힘(상하)에 의한 센서의 변형과 손가락에 의한 변형 정도가 다르기 때문에 이를 이용하여 센서는 손가락의 변화와 손목 움직임에 의한 변화를 동시 측정할 수 있도록 적용되었다.
그리고 손의 형상과 움직임을 기반으로 로봇의 팔이 직관적인 움직임이 가능하도록 로봇의 제어 연구를 수행하였다. 실험을 바탕으로 굽힘센서 신호 특성을 확인하여 손의 형상을 실시간으로 추정하고 제어를 위한 알고리즘을 도출하였다. 최종적으로 실제 로봇의 제어 실험을 수행하여 굽힘센서를 기반으로 동작 로봇의 직관적 제어가 가능함을 확인하였다.
따라서 변형을 곡률뿐만 아니라 변형되는 길이에 따른 신호 특성의 확인이 필요하고 이를 위한 기초실험을 수행하였다. 우선 센서의 변형이 일정한 곡률로 발생할 수 있도록 아크릴 배관을 이용하여 배관의 표면에 센서를 접촉하였다. 이때 사용된 배관은 다양한 곡률이 발생할 수 있도록 6 mm, 9 mm, 11.
손의 움직임은 초음파 비파괴검사시 발생되는 일반적인 움직임을 고려하여, 손목의 회전, 손목의 굽힘, 그리고 손가락의 움직임을 구분하여 측정할 수 있도록 설계 및 적용하였다. 이때 손목의 회전(좌우 움직임)과 굽힘(상하)에 의한 센서의 변형과 손가락에 의한 변형 정도가 다르기 때문에 이를 이용하여 센서는 손가락의 변화와 손목 움직임에 의한 변화를 동시 측정할 수 있도록 적용되었다. 즉 센서의 신호는 손목의 움직임에 의해 정적 상태부터 소변형에 의한 일정 전압 구간까지 발생하게 되며, 손가락의 변화에 의해서는 센서의 대변형이 발생하게 되어 손목의 움직임보다 큰 전압 변화를 발생시킨다.
그리고 로봇 팔을 레고 마인드스톰(Lego Mindstorms)을 이용하여 간단하게 구성하였다. 이때, 로봇 팔은 실제 초음파 비파괴검사시 검사자의 팔의 움직임과 유사한 동작을 할 수 있도록 관절과 모터를 구성하였다. 그리고 신호 처리 및 제어 프로그램을 적용하여 실험을 구성하였다.
이러한 저항값을 이용하여 제어 시스템을 구축하기 위해서는 변형에 따른 정확한 저항값의 정보가 필요하다. 이를 확인하기 위한 기초실험을 수행하였다.
이와 같은 센서와 제어 시스템을 기반으로 로봇의 제어 실험을 수행하였다. 실험 구성에서 굽힘 센서에 전압을 인가하고 변화되는 전압의 신호를 아두이노 우노(Arduino Uno)를 이용하여 컴퓨터로 수집하였다.
본 연구에서는 폴리머 굽힘센서를 이용하여 사용자 손의 형상과 움직임을 측정하고 이를 기반으로 로봇의 팔을 제어하는 아이디어를 도출하였다. 즉 검사자의 손의 형상에 따른 폴리머 굽힘 센서의 신호 변화를 측정하고 손의 변형과 움직임을 추정하는 연구를 수행하였다. 그리고 손의 형상과 움직임을 기반으로 로봇의 팔이 직관적인 움직임이 가능하도록 로봇의 제어 연구를 수행하였다.
로봇의 직관적인 제어를 위해서는 굽힘센서의 신호를 측정하고 센서의 전압을 바탕으로 로봇을 제어할 수 있도록 시스템의 구축이 필요하다. 즉 신호 수집 장치와 신호 처리와 제어부를 구성하여 로봇 팔의 제어를 수행할 수 있고 이를 효율적으로 수행하기 위하여 LabVIEW S/W를 이용하여 신호 처리 프로그램을 구성하였다.

대상 데이터

이와 같은 센서와 제어 시스템을 기반으로 로봇의 제어 실험을 수행하였다. 실험 구성에서 굽힘 센서에 전압을 인가하고 변화되는 전압의 신호를 아두이노 우노(Arduino Uno)를 이용하여 컴퓨터로 수집하였다. 그리고 로봇 팔을 레고 마인드스톰(Lego Mindstorms)을 이용하여 간단하게 구성하였다.
우선 센서의 변형이 일정한 곡률로 발생할 수 있도록 아크릴 배관을 이용하여 배관의 표면에 센서를 접촉하였다. 이때 사용된 배관은 다양한 곡률이 발생할 수 있도록 6 mm, 9 mm, 11.5 mm, 13.5 mm, 17 mm의 반경을 가지는 배관을 사용하였다. 그리고 각 배관에 접촉면의 길이를 증가시켜 곡률에 의해 발생되는 호의 길이를 5 mm 간격으로 증가시키며 곡률의 변화와 호의 길이의 변화에 따른 센서의 전압을 측정하였다.

성능/효과

굽힘센서 기반의 로봇 원격 제어 시스템 검증을 위한 실험 결과 손목의 회전(좌우 움직임), 손목의 굽힘(상하 움직임) 그리고 손가락의 움직임을 굽힘센서 1, 2, 3으로 측정하고 측정된 형상 변화에 따라 로봇이 주어진 동작을 수행함을 확인할 수 있었다. Fig.
8은 센서의 전압 신호이다. 실험 결과 손목의 회전에 따른 로봇 팔의 회전, 손목의 굽힘에 따른 로봇 팔의 굽힘 그리고 손가락의 움직임에 따른 로봇 손의 변형 등 사용자의 움직임에 따라 로봇 팔이 동작하였다. 특히 로봇 팔이 사용자 손의 형상과 움직임에 따라 매우 직관적인 동작이 가능함을 확인할 수 있었다.
실험을 바탕으로 굽힘센서 신호 특성을 확인하여 손의 형상을 실시간으로 추정하고 제어를 위한 알고리즘을 도출하였다. 최종적으로 실제 로봇의 제어 실험을 수행하여 굽힘센서를 기반으로 동작 로봇의 직관적 제어가 가능함을 확인하였다.
그리고 추정되는 손의 변화를 바탕으로 시퀀스 제어를 적용하여 손의 변화 입력에 따라 로봇 모터를 선형적으로 제어하도록 시스템을 구현하였다. 최종적으로, 폴리머 굽힘 센서를 활용하여 사람 손의 형상과 움직임의 추정을 수행하고 이에 따른 로봇의 직관적 제어가 가능함을 확인하였다.
3은 폴리머 센서로 측정된 전압 특성을 보여준다. 측정 결과 센서에 가해지는 호의 각이 커질수록 센서의 저항이 증가하게 되고 따라서 측정 전압이 감소하는 특성을 확인할 수 있다. 폴리머 센서는 긴 길이와 대변형이 발생하는 특성을 가지게 된다.
실험 결과 손목의 회전에 따른 로봇 팔의 회전, 손목의 굽힘에 따른 로봇 팔의 굽힘 그리고 손가락의 움직임에 따른 로봇 손의 변형 등 사용자의 움직임에 따라 로봇 팔이 동작하였다. 특히 로봇 팔이 사용자 손의 형상과 움직임에 따라 매우 직관적인 동작이 가능함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 로봇 검사시스템의 연구와 개발이 활발히 진행되고 있는 이유는 무엇인가?	초음파 로봇 검사시스템은 발전설비 등 상시감시가 요구되는 구조물의 감시를 위해 연구와 개발이 활발히 진행되고 있다. 그러나 이러한 설비의 구조물은 형상과 구조가 매우 다양하고 복잡하여 단순한 패턴으로 이동과 검사가 가능한 로봇으로는 상시감시에 한계를 가지게 된다.
	로봇 검사 시스템에서 스캐닝방법이 적용되는 이유는?	로봇 검사 시스템은 작업자의 접근한계 지역에 적용이 가능하여 상시감시에 매우 유리하다. 그러나 로봇의 경우 일정한 움직임만 가능한 경우가 대부분으로 다양하고 복잡한 구조물의 검사 및 적용에 한계를 가지게 된다. 따라서 로봇을 이용한 검사는 대부분 정량적 결함평가나 검사보다 구조물의 결함 유무를 우선적으로 판단하기 위한 스캐닝(scanning) .
	복잡한 구조물의 정밀검사에는 무엇이 필요한가?	그러나 이러한 설비의 구조물은 형상과 구조가 매우 다양하고 복잡하여 단순한 패턴으로 이동과 검사가 가능한 로봇으로는 상시감시에 한계를 가지게 된다. 복잡한 구조물의 정밀검사는 정교한 행동이 가능한 로봇 시스템이 필요하다. 로봇의 제어를 초음파검사 작업자의 손의 형상에 따라 직관적으로 움직이도록 한다면 보다 정밀한 검사 로봇의 개발이 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌 (7)

R. Murayama, S. Makiyama, M. Kodama and Y. Taniguchi, "Development of an ultrasonic inspection robot using an electromagnetic acoustic transducer for a Lamb wave and an SH-plate wave," Ultrasonics, Vol. 42, pp. 825-829 (2004)

상세보기
J.-H. Lee, S.-J. Lim, I.-K. Park and D.-H. Kim, "Development of automated ultrasonic testing system for partial joint-weld of heat exchanger's header to tube in power plant," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 30, No. 4, pp. 367-372 (2010)
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상세보기
G.-S. Kim, "Design of a Three-Axis Force Sensor for Wrist Bending-Exercise Rehabilitation Robot," Journal of Sensor Science and Technology, Vol. 22, No. 2, pp. 118-123 (2013)

원문보기 상세보기
H.-Y. Kim, J.-H. Lee and D.-H. Kim, "Musclar condition monitoring system using fiber bragg grating sensors," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 34, No. 5, pp. 362-368 (2014)

원문보기 상세보기
G. Orengo, L. Sbernini, N. D. Lorenzo, A. Lagati and G. Saggio, "Curvature characterization of flex sensors for human posture recognition," Universal Journal of Biomedical Engineering, Vol 1, No. 1, pp. 10-15 (2013)
http://www.spectrasymbol.com/flex-sensor

저자의 다른 논문 :

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].

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