미소 굽힘형 광섬유 센서를 이용한 촉각 센서의 개발

Abstract

본 논문에서는 경량이고, 유연하며, 내구성이 우수할 뿐 아니라 전자기파의 영향을 받지 않는 등 많은 장점을 갖고 있는 광섬유 센서를 이용한 촉각 센서를 제안하고 있다. 특별히, 다양한 광섬유 센서들 중 광섬유에 반경이 수mm 인 미소 굽힘이 발생할 경우 광섬유 내부에서 빛의 손실이 발생하는 미소 굽힘형 광섬유 센서를 이용하여 외부에서 인가된 하중의 크기와 그 위치, 그리고 접촉한 물체의 경도 등 외부 환경의 변화를 감지할 수 있는 유연하고, 성능이 우수한 촉각 센서를 제작하고, 그 성능을 평가해보았다. 먼저 미소 굽힘형 광섬유 센서를 이용한 단위 촉각 센서를 설계하였다. 외부에서 하중이 인가되었을 때, 광섬유에 미소 굽힘이 잘 일어날 수 있도록 PDMS를 사용하여 박막이 중심에 위치한 구조물을 설계하였고, 그 박막의 중심에 광섬유가 위치하도록 광섬유를 삽입하였다. 또한, 외부 하중이 박막에 집중될 수 있도록 접촉부를 제작하였다. 제작된 단위 촉각 센서는 5W LED를 광원으로, CCD camera를 광 측정 장비로 사용하여 구성한 측정 시스템을 사용하여 제작된 단위 촉각 센서의 성능을 평가한 결과 센서의 성능이 우수함을 확인하였다. 다음으로 이를 바탕으로 외부에서 인가된 하중의 크기와 더불어 하중이 인가된 위치를 감지할 수 있는 분포형 촉각 센서를 제작하여 그 성능을 평가해보았다. 제작된 분포형 촉각 센서는 다수의 광섬유들을 수직으로 교차 배열하는 구조이며, 광섬유들이 교차하면서 이루는 좌표로 외부에서 가해진 하중의 위치를 알 수 있다. 분포형 촉각 센서를 이루는 단위 센서를 우선 제작하여 그 성능을 평가한 한 결과 단일 광섬유를 삽입한 단위 센서와 같이 우수한 성능을 보임을 확인한 후 이를 바탕으로 10x10 배열의 분포형 촉각 센서를 제작하였다. 제작된 센서는 다소 오차가 있지만, 평판과 곡면 모두에서 외부 하중의 크기와 하중이 인가된 위치를 잘 감지함을 확인하였다. 하지만, 광섬유들을 교차 배열한 구조의 분포형 촉각 센서로는 물체가 접촉하였을 때, 분포된 하중의 위치를 완벽하게 감지할 수 없기 때문에, 단일 광섬유가 삽입된 단위 센서를 배열하여 독립된 단위 센서들로 이루어진 4x4 배열의 분포형 촉각 센서를 제작하여 평가한 결과 대각으로 분포된 하중이 인가된 경우는 물론 다양한 형태의 물체가 접촉하여 분포하중이 인가되어도 접촉된 물체의 외각을 감지할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 제작된 촉각 센서를 사용하여 일정한 하중이 인가되었을 때, 센서에 접촉하는 물체의 표면경도를 감지하는 실험을 수행하였다. 본 논문에서 제안하는 미소굽힘형 광섬유 센서를 이용한 촉각 센서는 유연성과 내구성 등이 우수하고, 전자기파의 영향을 받지 않고, 수중에서도 사용이 가능하다는 광섬유 센서의 장점과 더불어 우수한 성능을 보이며, 구조가 간단하고, 제작비용이 저렴하다는 많은 장점이 있으므로, 지능형 로봇의 몸 등에 쓰일 수 있는 접촉 센서와 광대역 센서 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다.