외부 환경 변화에 강인한 정전용량형 토크 센서

Abstract

최근 인간-로봇 상호작용에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 그 중 물리적인 상호작용을 위해서는 로봇의 힘, 토크 측정과 제어가 필요하다. 과거에는 토크 측정을 위해 스트레인 게이지(strain gauge)를 사용한 토크 센서가 주로 사용되었다. 하지만 수작업이 필요하고 다수의 센서를 정확한 위치에 부착하기가 어려워 생산성이 떨어진다. 또한 신호 변환을 위해 변환기, 증폭기 등 부가 회로 장치가 필요하기 때문에 가격이 비싸며 사용 편의성 또한 떨어진다. 최근에는 이를 개선하기 위해 생산이 간편하고 가격이 저렴한 정전용량(capacitive) 센서를 사용한 정전용량형 (capacitive-type) 토크 센서가 개발되어 사용되고 있지만, 스트레인 게이지를 사용한 토크 센서보다 정확도가 떨어지며 온도, 습도 등 외부 환경 변화에 의한 드리프트의 영향이 크기 때문에 협동로봇이나 산업용 로봇에서의 사용이 제한적이다. 본 연구에서는 측정 정확도를 향상시키고 외부 환경 변화에 의한 센서 드리프트의 영향을 최소화하기 위해 전극의 차동-쌍(differential-pairs) 구조와 드리프트 보상기를 제안한다. 또한 소형 협동 로봇 구동기에 센서를 내장하여 센서의 성능을 검증하였고, 기존에 개발된 정전용량형 토크 센서에 비해 낮은 선형성 오차(linearity error), 누화 오차(crosstalk error), 그리고 넓은 온도 범위를 가진다.