광강도변조를 이용한 5자유도 광학식 힘센서

Abstract

본 연구에서는, MR-field(Magnetic Resonance-field)및 MIS(Minimally Invasive Surgery)와 같은 극한 환경에서의 다양한 요구에 대응할 수 있는 지금 20 mm의 소형 5자유도 힘센서의 개발이 수행되었다. 신호변환원리로는 광섬유를 이용한 광변조 방식이 채택되었으며, 이를 위한 효과적인 탄성변형부가 제안되었다. 다자유도 힘센서의 소형화와 함께, 성능이나 제작성 등을 고려한 다양한 탄성변형체 모델들이 고안되어 검토가 이루어졌으며, 다자유도 변위계측을 위해 평면/구면 반사체를 이용한 새로운 광변조회로가 제안되어 실험적으로 분석되었다. 이상의 결과를 기반으로, 힘입력에 대한 고감도의 선형출력신호가 얻어질 수 있도록, 탄성변형부 및 신호변환부의 소형화 통합설계가 수행되었다. 제작된 프로토타잎의 평가 결과, 힘의 측정범위와 측정분해능은 각각 ±4 N과 0.68~2.4 mN이었으며, 모멘트의 측정범위 및 분해능은 각각 ±120 N·mm과 3~8 N·mm로 나타났다. 또, z-축방향 힘을 제외한 힘센서의 선형회귀 직선으로의 결정계수 R2 값들은 모두 0.99이상으로 평가되어, 뛰어난 선형성을 보였다. 이러한 결과로부터, 본 연구에 의해 극한환경에서 사용이 가능한 5자유도 소형 힘센서의 개발이 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다.