인공 피부 적용을 위한 질감감지가 가능한 촉각센서

Abstract

최근 촉각센서는 최소침습수술, 의수, 지능형 로봇 등 다양하게 적용되기 시작하고 있으며, 접촉물의 표면정보를 감지하거나 물건을 쥐고 다루는 센서로서 로봇공학과 의공학의 필수요소로 자리잡고 있다. 촉각센서는 현재 벌레의무게와 날갯짓까지 감지할 수 있을 정도의 고감도 센서 뿐만 아니라 접촉물의 압력 형태까지 감지하는 어레이형태의 센서까지 개발되고 있다. 촉각센서를로봇과 인간에 적용할 수 있는 인공피부용 센서로 활용하기 위해서는 인간의 피부가 가지는 촉각감지 능력을 촉각센서가 모두 구현할 수 있어야만 한다. 인간은 어떤 물체와 접촉할 때 피부 내에 분포한 촉각소체들을 통해 다양한 촉각정보(압력, 전단력, 진동, 온도 등)를 인지한다. 이를 통해 인간은 접촉물의 표면 형태를 인지하여 물건들을 쥐고 다룰 수 있다. 또한, 손가락에는 접촉 정보를 증폭시키는 지문구조가 있어서 인간은 손가락을 접촉물 위에 문질러서 표면 주기, 거칠기, 미끄러움, 단단함 등의 다양한 표면 정보를 얻을 수 있다.

인공피부용 촉각센서를 위해서 촉각센서는 인간의 촉각소체처럼 압력, 전단력, 진동을 감지할 수 있어야하며, 높은 감도와 넓은 감지범위, 높은 주파수 응답특성, 높은 분해능 그리고 질감감지 능력을 가져야한다. 기존에 개발된 촉각센서들은 감도와 감지범위에서 상충 관계를 보이기 때문에 인체의 높은 감도와 넓은 감지범위를 동시에 충족시키지 못하고 있다. 또한 대부분의 개발된 센서들은 수 mm의 분해능 수준이며, 일부 센서의 경우 생체모방형 지문구조를 적용하여 mm 이내의 표면 주기를 감지하고 있으나 지문구조에 대한 최적화 연구가 미흡하여 다양한 접촉물을 효과적으로 구분하지는 못하고 있다.

본 논문은 인공피부에 적용하기 위한 계단형 출력의 촉각센서에 관해서 제시한다. 제시한 계단형 출력의 촉각센서는 센서 구성요소의 크기를 조절하여 감도와 감지범위를 자유롭게 조절할 수 있는 특징을 가진다. 기존의 센서와는 다르게 압력감응형 재료를 사용하지 않기 때문에 높은 안정성과 신뢰성을 가진다. 또한 계단형 출력을 가지기 때문에 후단의 아날로그-디지털변환기의 구조적 간소화가 가능하다. 계단형 출력의 압력감지용 센서와 전단력감지용 센서를 집적하여 압력과 압력분포 및 전단력까지 감지할 수 있는 집적형 촉각센서를 개발하였다. 집적형 촉각센서는 실시간으로 다양한 접촉물의 형태와 움직임까지 감지할 수 있다. 계단형 출력의 촉각센서를 이용하여 n비트의 완전한 디지털 출력이 가능한 촉각센서 구조를 개발하였다. 디지털 출력센서는 구조적으로 아날로그-디지털변환기없이 디지털 출력이 가능하기 때문에 빠른 속도로 동작이 가능하다. 이런 빠른 동작속도가 가능하기 때문에 1000Hz의 응답속도를 가지는 수십만개의 촉각소체를 가지는 인간의 피부를 구현하기에 적합하다.

본 논문은 접촉물의 질감감지를 위하여 생체모방형 지문구조가 적용된 센서구조에 대해서도 기술한다. 생체모방형 지문구조는 생체의 각질층, 기저층, 촉각소체의 기능적, 구조적, 재질적 특징을 모방하여 구성하였다. 생체의 지문과 유사한 형태로 지문구조를 형성하였으며 단단한 각질층과 연한 기저층의 특성을 모방하여 인간과 유사한 높은 감도를 구현하였다. 또한 생체모방형 지문구조와 외피를 최적화하여 감도를 보다 향상시켰으며 이를 이용하여 다양한 접촉물의 표면 정보(표면 주기, 거칠기, 미끄러움 정도, 단단함)등을 효과적으로 감지하여 개발한 센서구조로 다양한 접촉물이 분류 가능함을 보인다.