[논문]종이접기 구조의 자세 파악을 위한 폴딩 센서 개발

채수빈; 정광필

doi:10.46670/jsst.2021.30.2.88

종이접기 구조의 자세 파악을 위한 폴딩 센서 개발
Estimation of the State of Folding Structures using a Novel Sensor 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.30 no.2, 2021년, pp.88 - 93

채수빈 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과) , 정광필 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a folding sensor based on capacitance is proposed. The sensor was developed to sense the length and angle data for the milli-scale actuators without causing any interference to the actuating joints. For the sensing and testing the robotic joint with reducing the cost and complexity aspects of manufacturing, a simple composition was adopted. The sensor comprises a pair of copper tapes, papers, and wires. The complete sensing unit is constructed by bonding the tapes with the papers and soldering the wire to the copper parts. For accuracy, a teensy 4.0 board, which has a 12-bit ADC resolution, is employed. Furthermore, the sensed analog data is not translated into the unit of capacitance for accuracy; however, it is filtered using a low-pass filter and subsequently, a Butter-worth filter. The data obtained demonstrate a periodic waveform, which implies that the data are in good agreement with the hypothesis set prior to the experiments. Compared to other milli-scale sensors, this could be a better option for sensing the length and angle data for milliscale actuators.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 극판의 면적과 극판 사이의 거리, 극판 사이의 각도를 이용한 폴딩 센서를 제안하였다. 극판이 접히는 속도에 따라 최대 커패시턴스 값이 변한다는 것을 통해 커패시터의 충전 시간과 커패시터 충전의 동적 변화 사이의 관계를 유추할 수 있었다.
본 논문의 센서는 여러 종류의 로봇 중에서도 origami를 기반으로 하는 폴딩 로봇들에 적합하도록 설계되었다. 로봇의 관절 각도를 파악하기 위해 다음 사항들을 고려해야 한다.
본 연구에서는 여러 커패시터 중 극판을 사용한 커패시터를 이용하여 연구하였다. 극판을 사용한 커패시터 중 가장 대표적인 평행판 커패시터의 원리를 차용하였다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해 본 논문에서는 측정 방식을 직접 측정에서 간접 측정으로 전환하는 시도를 하였다. 간접측정을 위해 전기적 특성 중 하나인 커패시턴스를 도입하였다.
해당 실험값들이 주기적인 파형의 형태로 나타나는 것을 확인하였다. 이를 통해 구동 부분의 기계적 특성의 변화나 방해 없이 구동 상태를 파악할 수 있는 가능성을 제시하였다. 실험값과 이론값의 차이는 동적 커패시턴스 변화에 대한 후속 연구를 통해 모델링 할 수 있을 것으로 보인다.

가설 설정

1) 우선 많은 횟수의 굽힘에도 피로 파단에 대한 저항성이 커야 한다.
2) 주변 환경의 영향을 되도록 받지 않아야 한다.
4) 제작 공정이 복잡하지 않고 경제적이어야 한다.
1.A concept of folding sensor.
5. The concept of the shielding.

제안 방법

Fig. 6와 Fig. 7에서 볼 수 있듯이 모터의 제어와 커패시턴스센서 값의 수신은 정확하고 빠른 측정을 위해 각각 다른 MCU 를 사용하여 실험하였다. 커패시턴스 값의 수신으로는 PJRC사의 Teensy 4.
간접측정을 위해 전기적 특성 중 하나인 커패시턴스를 도입하였다. 평행판 커패시턴스는 두 판 사이의 거리에 영향을 받기 때문에 각도에 따라 두 판이 가진 전기 용량도 달라진다.
연구하였다. 극판을 사용한 커패시터 중 가장 대표적인 평행판 커패시터의 원리를 차용하였다. 평행판 커패시터의커패시턴스는 다음과 같이 표현된다.
두 번째 실험은 스테퍼 모터의 속도를 다르게 하며 진행하였다. 우선 전반적인 파형을 파악하기 위해 Fig.
극판이 접히는 속도에 따라 최대 커패시턴스 값이 변한다는 것을 통해 커패시터의 충전 시간과 커패시터 충전의 동적 변화 사이의 관계를 유추할 수 있었다. 또한 센서 사이의 각도를 0에서 180도까지 반복적으로 변화 시켜 실험하였다. 해당 실험값들이 주기적인 파형의 형태로 나타나는 것을 확인하였다.
11과 같이 특정 시간 동안 100RPM, 500RPM, 1000RPM, 1500RPM, 2000 RPM까지 스테퍼 모터의 속도를 변화시켜가며 실험을 진행하였다. 또한 얻어진 기준 파형을 5계, 12계 filtering을 진행하여 곡선 그래프를 얻었다.
먼저, 폴딩 센서의 개념을 간략히 설명하고, 폴딩 구조에 어떤 식으로 적용할 수 있는지에 관한 생산 방식을 설명한다. 또한, 모델링을 통하여 센서에 영향을 미칠 수 있는 인자를 파악한다. 마지막으로, 센서의 사용 가능성을 확인하기 위해 주파수를 30Hz까지 바꾸어가며 각도 측정을 진행하였다.
또한, 모델링을 통하여 센서에 영향을 미칠 수 있는 인자를 파악한다. 마지막으로, 센서의 사용 가능성을 확인하기 위해 주파수를 30Hz까지 바꾸어가며 각도 측정을 진행하였다.
5(a), (b)와 같이 생각할 수 있다. 본 논문에서는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 고무를 이용하여 센서의 신호 그래프 오차를 완화하였다. 실험에는 두께 2.
실험은 로봇의 관절이 빠르게 변할 때도 센서가 각도 값을 측정할 수 있도록 하기 위해 고속 스테퍼 모터를 사용하였다. 스테퍼 모터는 FASTECH사의 S-SERVO II-ST-56 M 모터 시스템을 이용하였다.
우선 전반적인 파형을 파악하기 위해 Fig. 9과 같이 10RPM 의 속도로 기준 파형을 얻었다. 이후 Fig.
9과 같이 10RPM 의 속도로 기준 파형을 얻었다. 이후 Fig. 11과 같이 특정 시간 동안 100RPM, 500RPM, 1000RPM, 1500RPM, 2000 RPM까지 스테퍼 모터의 속도를 변화시켜가며 실험을 진행하였다. 또한 얻어진 기준 파형을 5계, 12계 filtering을 진행하여 곡선 그래프를 얻었다.
가지를 사용하였다. 첫 번째 센서의 중앙에서 극판 사이의 거리(d¹, d²)는 0mm에 근접하도록 설계하였고, 두 번째 센서의 극판 사이의 거리는 7mm로 설계하였다. 납땜은 센서의 모서리 부분에 적용하였고, 와이어는 250mm의 테플론 와이어를 사용하였다.
첫 번째 실험은 엔코더 모터를 PID 정밀 제어하여 센서의 회전 각도를 바꾸어 가며 진행하였다. 각도는 0도부터 180도까지 측정하였다.

대상 데이터

첫 번째 센서의 중앙에서 극판 사이의 거리(d¹, d²)는 0mm에 근접하도록 설계하였고, 두 번째 센서의 극판 사이의 거리는 7mm로 설계하였다. 납땜은 센서의 모서리 부분에 적용하였고, 와이어는 250mm의 테플론 와이어를 사용하였다.
각도는 0도부터 180도까지 측정하였다. 데이터 추출에 사용된 센서는 8.8mm×8mm 크기로, 극판 사이의 거리는 2.3mm이며 2.8mm×0.8mm 면적에 납땜 하였다. Fig.
실험에 사용한 센서의 크기는 15mm×15mm와 7mm×7mm 두 가지를 사용하였다. 첫 번째 센서의 중앙에서 극판 사이의 거리(d¹, d²)는 0mm에 근접하도록 설계하였고, 두 번째 센서의 극판 사이의 거리는 7mm로 설계하였다.
본 논문에서는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 고무를 이용하여 센서의 신호 그래프 오차를 완화하였다. 실험에는 두께 2.10mm, 넓이 5.4mm, 길이 10mm의 천연고무를 사용하였다.
7에서 볼 수 있듯이 모터의 제어와 커패시턴스센서 값의 수신은 정확하고 빠른 측정을 위해 각각 다른 MCU 를 사용하여 실험하였다. 커패시턴스 값의 수신으로는 PJRC사의 Teensy 4.0 보드와 Arduino사의 UNO를 번갈아 사용하였고, 스테퍼 모터는 Arduino 사의 아두이노 UNO만을 사용하여 제어하였다.

이론/모형

스테퍼 모터는 FASTECH사의 S-SERVO II-ST-56 M 모터 시스템을 이용하였다.

성능/효과

이용한 폴딩 센서를 제안하였다. 극판이 접히는 속도에 따라 최대 커패시턴스 값이 변한다는 것을 통해 커패시터의 충전 시간과 커패시터 충전의 동적 변화 사이의 관계를 유추할 수 있었다. 또한 센서 사이의 각도를 0에서 180도까지 반복적으로 변화 시켜 실험하였다.

후속연구

실험값과 이론값의 차이는 동적 커패시턴스 변화에 대한 후속 연구를 통해 모델링 할 수 있을 것으로 보인다. 또한 Op-Amp를 통한 Active Shielding과 Wire Insulating, Surrounding Shielding 등과 같은 Passive Shielding을 통해 주변 환경의 영향에 더욱 둔감해질 수 있을 것이다.
이를 통해 구동 부분의 기계적 특성의 변화나 방해 없이 구동 상태를 파악할 수 있는 가능성을 제시하였다. 실험값과 이론값의 차이는 동적 커패시턴스 변화에 대한 후속 연구를 통해 모델링 할 수 있을 것으로 보인다. 또한 Op-Amp를 통한 Active Shielding과 Wire Insulating, Surrounding Shielding 등과 같은 Passive Shielding을 통해 주변 환경의 영향에 더욱 둔감해질 수 있을 것이다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
Yumin Xiang, "The Electrostatic Capacitance of an Inclined Plate Capacitor", J. Electrostat., Vol. 64, No. 1, pp. 29-34, 2006.

상세보기
Jose-M. Bueno-Barrachina, Cesar-S. Canas-Penuelas, S. Catalan-Izquierdo, and F. Cavalle-Sese, "Capacitance evaluation on perpendicular plate capacitors by means of finite element analysis", Proc. of Int. Conf. on Renew. Energies Power Qual., Vol. 1, No. 7, pp. 617-621, 2009.

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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