[논문]저항 스캐닝 방식의 유연 촉각센서 신호 특성분석

신유영; 김슬기; 이주경; 이석; 이경창

doi:10.14775/ksmpe.2015.14.5.028

저항 스캐닝 방식의 유연 촉각센서 신호 특성분석
Analysis of Signal Characteristics of Resistance Scanning-type Flexible Tactile Sensor 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.14 no.5, 2015년, pp.28 - 35

신유영 (부산대학교 기계공학부) , 김슬기 (부산대학교 기계공학부) , 이주경 (부산대학교 기계공학부) , 이석 (부산대학교 기계공학부) , 이경창 (부경대학교 제어계측공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduces a resistance scanning-type flexible tactile sensor for intelligent robots and presents the output characteristics of the sensor via signal processing. The sensor was produced via the lamination method using multi-walled carbon nanotubes (a conductive material), an insulator, and Tango-plus (an elastic material). Analog and digital signal processing boards were produced to analyze the output signal of the sensor. The analog signal processing board was made up of an integrator and an amplifier for signal stability, and the digital signal processing board was made up of an IIR filter for noise removal. Finally, the sensor output for the contact force was confirmed through experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

우선 저항 스캐닝의 방식의 촉각센서를 제작하고 센서의 출력 신호에 포함된 노이즈를 제어하기 위한 아날로그 및 디지털 신호 처리 방식을 설계한다. 그 후, 개발된 센서의 신호 특성을 파악하기 위한 실험 및 분석 과정을 거쳐 실제 적용가능 여부를 파악하는 것이 주 목표이다.
본 논문에는 인간의 피부와 유사한 형태를 가지고 외부 환경과 접촉 시 압력을 감지할 수 있는 탄소 나노튜브 기반 저항 스캐닝 방식의 유연 촉각센서와 신호처리 시스템을 개발했다. 유연 촉각센서는 두 줄의 검출 라인을 서로 다른 총에 각각 한 줄씩 직각 형태로 도포하여 서로 만나지 않고 90도를 이루는 꼬인 위치가 되도록 제작했다.
본 논문은 저항 스캐닝 방식의 유연 촉각센서의 특성을 분석하여 복합적인 물리량 중 물체의 접촉 여부 및 접촉력 정보를 로봇이나 기계에 제공하여 이를 지능형 로봇에 적용 가능한지에 대한 여부를 검증한다. 우선 저항 스캐닝의 방식의 촉각센서를 제작하고 센서의 출력 신호에 포함된 노이즈를 제어하기 위한 아날로그 및 디지털 신호 처리 방식을 설계한다.

제안 방법

상용 필터 분석 프로그램을 이용해 샘플링 주파수가 15kHz, 통과 대역 주파수는 100Hz, 저지 대역은 130Hz이고 통과 대역 리플과 저지 대역 리플은 각각 1dB, 3dB를 만족하는 4차 Bessel IIR 필터를 설계했다[15].
신호와 함께 증폭된 잡음은 디지털 필터를 이용해 제거한다. 디지털 소자인 메인 제어기(MCU)로 아날로그 신호를 연산 처리하기 위해 MCU에 내장된 A/D 변환 모듈을 이용해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. A/D 변환의 분해능은 12bit로 설정했다.
디지털 신호 처리부는 A/D 변환과 디지털 필터고 구성되었는데, A/D 변환은 MCU의 모듈 설정을 통해 별도의 하드웨어 추가 없이 작업이 수행되도록 했고 원 신호와 함께 증폭된 노이즈는 제거하기 위해 Bessel IIR필터를 사용했다.
따라서 대표적인 Butterworth, Chevyshev, Bessel 필터 중 적합한 필터를 찾아 설계하기 위해 각각의 특성을 비교했다.
본 실험에서는 이미 아날로그 신호처리를 일차적으로 거친 신호이기 때문에 스커트 특성이나 삽입손실보다는 전체적으로 일정한 군 지연이 더욱 중요하므로 Bessel 필터를 선정했다.
사전에 설계한 디지털 필터의 신호처리 기능을 확인하기 위해 앞에서 구현된 Test-bed를 이용하여 실험을 진행했다. 실험은 동일한 힘으로 눌렀을 때 센서에서 출력된 후 아날로그 신호처리만 통과한 데이터와 IIR 필터를 이용해 디지털 신호 처리를 거친 데이터를 비교한다.
6과 같이 나타낼 수 있다. 신호처리 보드와 유연 촉각센서를 연결하여 아날로그 신호처리, 출력의 증폭 및 안정화를 진행한다. 증폭된 아날로그 신호는 신호처리 보드에 부착된 메인 제어기로 입력되어 디지털 신호로 변환된 후 소프트웨어 필터를 통해 디지털 신호처리 과정을 거친다.
사전에 설계한 디지털 필터의 신호처리 기능을 확인하기 위해 앞에서 구현된 Test-bed를 이용하여 실험을 진행했다. 실험은 동일한 힘으로 눌렀을 때 센서에서 출력된 후 아날로그 신호처리만 통과한 데이터와 IIR 필터를 이용해 디지털 신호 처리를 거친 데이터를 비교한다.
이 신호처리 시스템과 저항 스캐닝 방식의 유연 촉각센서의 성능을 평가하기 위해 테스트베드를 구성해 압력에 따른 센서의 출력 특성을 검출하는 실험을 진행했다. 실험을 통해 저항 스캐닝 방식의 유연 촉각센서의 성능 및 신호 특성을 파악할 수 있었으며, 압력이 가해지는 동안 발생하는 출력 특성을 확인했다.
이를 위해 부피를 많이 차지하는 아날로그 신호 처리부의 비중을 최소화하고 디지털 신호처리 시스템을 최대한 활용했다. 아날로그 신호 처리부는 증폭 회로를 통해 미세한 센서의 원 출력 신호를 증폭하도록 구성했다. 디지털 신호 처리부는 A/D 변환과 디지털 필터고 구성되었는데, A/D 변환은 MCU의 모듈 설정을 통해 별도의 하드웨어 추가 없이 작업이 수행되도록 했고 원 신호와 함께 증폭된 노이즈는 제거하기 위해 Bessel IIR필터를 사용했다.
앞에서 선정한 디지털 필터를 이용하여 저항 스캐닝 방식 유연 촉각센서의 성능을 파악하는 실험을 수행했다. 외부에서 10N, 20N, 30N에 해당하는 힘을 순차적으로 가한 후, 이를 통해 얻은 센서의 출력 값을 Fig.
본 논문은 저항 스캐닝 방식의 유연 촉각센서의 특성을 분석하여 복합적인 물리량 중 물체의 접촉 여부 및 접촉력 정보를 로봇이나 기계에 제공하여 이를 지능형 로봇에 적용 가능한지에 대한 여부를 검증한다. 우선 저항 스캐닝의 방식의 촉각센서를 제작하고 센서의 출력 신호에 포함된 노이즈를 제어하기 위한 아날로그 및 디지털 신호 처리 방식을 설계한다. 그 후, 개발된 센서의 신호 특성을 파악하기 위한 실험 및 분석 과정을 거쳐 실제 적용가능 여부를 파악하는 것이 주 목표이다.
본 논문에는 인간의 피부와 유사한 형태를 가지고 외부 환경과 접촉 시 압력을 감지할 수 있는 탄소 나노튜브 기반 저항 스캐닝 방식의 유연 촉각센서와 신호처리 시스템을 개발했다. 유연 촉각센서는 두 줄의 검출 라인을 서로 다른 총에 각각 한 줄씩 직각 형태로 도포하여 서로 만나지 않고 90도를 이루는 꼬인 위치가 되도록 제작했다. 두 출력라인 사이에는 수십 MΩ의 저항을 가지는 절연층을 삽입해 최종적으로 각각의 라인은 비접촉 형태로 배치되어 있다.
유연 촉각센서는 액상의 'Tango-plus' 소재와 MWCNTs를 이용한 전도성 소재 혼합물, 절연체를 일정한 순서에 따라 적층한 후 UV Lamp로 경화시키는 방식으로 제작한다.
이 신호처리 시스템과 저항 스캐닝 방식의 유연 촉각센서의 성능을 평가하기 위해 테스트베드를 구성해 압력에 따른 센서의 출력 특성을 검출하는 실험을 진행했다. 실험을 통해 저항 스캐닝 방식의 유연 촉각센서의 성능 및 신호 특성을 파악할 수 있었으며, 압력이 가해지는 동안 발생하는 출력 특성을 확인했다.
이러한 원리를 가지는 비접촉 형태의 센서에 적합한 신호처리 시스템을 설계했다. 본 신호처리 시스템은 추후 다양한 분야에 응용할 수 있도록 신호처리 보드의 크기를 최대한 작게 만들 필요가 있었다.
본 신호처리 시스템은 추후 다양한 분야에 응용할 수 있도록 신호처리 보드의 크기를 최대한 작게 만들 필요가 있었다. 이를 위해 부피를 많이 차지하는 아날로그 신호 처리부의 비중을 최소화하고 디지털 신호처리 시스템을 최대한 활용했다. 아날로그 신호 처리부는 증폭 회로를 통해 미세한 센서의 원 출력 신호를 증폭하도록 구성했다.

대상 데이터

본 논문에서 사용된 유연 촉각센서는 감지부로 사용하기 위한 전도성 소재인 MWCNTs (Multi-Walled Carbon Nanotubes, 다중벽 탄소나노튜브)와 외부의 충격으로부터 센서를 보호하기 위한 탄성 소재인 'Tango-plus', 그리고 전도성 소재 사이에서 절연층을 구성하기 위한 절연체로 나누어진다.
9는 센서의 선형성을 실험한 결과이다. 점선으로 나타낸 것은 센서의 Raw 데이터이며 이 데이터의 10-Point 이동평균은 거쳐 실선으로 나타내었다. 압력이 증가하는 동안에 이동평균을 거친 센서 데이터가 일정하게 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

성능/효과

센서의 Raw 데이터는 아날로그 신호처리를 통해 일차적으로 잡음 제거를 했지만, 센서의 출력 값을 필터링 하는데 한계를 보여 힘 데이터와 비교했을 때 값이 균일하지 않은 것을 확인 할수 있었다. 반면, 디지털 필터를 거친 데이터는 출력 값을 보정하여 압력의 증가 곡선과 유사한 매끄러운 곡선을 형성했다.
이는 데이터 연산에 의한 IIR 디지털 필터의 특성으로 결과 값의 지연이 발생하는 것이다. 압력의 증가 및 감소 곡선과 훨씬 유사한 결과 곡선을 나타내는 디지털 필터 데이터가 센서에 가해진 압력 정도를 나타내는 데 있어 적함을 확인했다.
점선으로 나타낸 것은 센서의 Raw 데이터이며 이 데이터의 10-Point 이동평균은 거쳐 실선으로 나타내었다. 압력이 증가하는 동안에 이동평균을 거친 센서 데이터가 일정하게 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
흐르는 전류의 양은 미세하지만, 압력이 주어지지 않은 상태와는 명확히 구분되고 압력의 세기가 증가함에 따라 전류량도 증가하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

이러한 원리를 가지는 비접촉 형태의 센서에 적합한 신호처리 시스템을 설계했다. 본 신호처리 시스템은 추후 다양한 분야에 응용할 수 있도록 신호처리 보드의 크기를 최대한 작게 만들 필요가 있었다. 이를 위해 부피를 많이 차지하는 아날로그 신호 처리부의 비중을 최소화하고 디지털 신호처리 시스템을 최대한 활용했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유연 촉각센서의 제작 과정은?	(1) 액상의 'Tango-plus'를 사각형 틀에 1mm의 높이가 되도록 부은 후 UV Lamp로 경화시켜 하층부를 형성한다. (2) 경화시킨 'Tango-plus' 층 위에 전도성 혼합물을 X축 방향으로 4회 분사한 후 경화시킨다.(간격 5mm) (3) 액체 상태의 절연체를 틀 위에 0.5mm 높이로 부어 경화시킨다. (4) (2)와 동일한 전도성 혼합물을 Y축 방향으로 4회 분사한 후 경화시킨다.(간격 5mm) (5) 하층부와 동일한 'Tango-plus'를 1mm 두께로 부은 후 UV Lamp로 경화시켜 상층부를 형성한다.
	본 논문에서 사용된 유연 촉각센서는 어떻게 나누어지는가?	본 논문에서 사용된 유연 촉각센서는 감지부로 사용하기 위한 전도성 소재인 MWCNTs (Multi-Walled Carbon Nanotubes, 다중벽 탄소나노튜브)와 외부의 충격으로부터 센서를 보호하기 위한 탄성 소재인 'Tango-plus', 그리고 전도성 소재 사이에서 절연층을 구성하기 위한 절연체로 나누어진다. MWCNTs를 이용한 전도성 소재 혼합물을 유연성 및 탄성을 가지고 있는 반고체 상태로 제작되어 센서를 구부리더라도 쉽게 파손되지 않고 기능을 유지할 수 있다[4][5][6].

참고문헌 (16)

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