Development of Improved Optical Waveguide Sensor for Controlling a Robot Arm

Abstract

In this paper, the development of an improved optical waveguide sensor for the interaction between human and robot arms is proposed, and direct teaching of robot arms is implemented using this. In the case of conventional soft sensors, manufacturing is difficult and the conductive material used is susceptible to external electronic systems. Since the optical waveguide sensor measures external force using light, it is less affected by electromagnetic noise and the manufacturing process is simple.

Existing optical waveguide sensors can measure various external forces such as pressure, length change, and bending, but at the same time, there is a problem that they cannot distinguish them when several external forces overlap. To solve this problem, various types of sensors can be combined, but there is a problem that the manufacturing process becomes complicated. In order to maintain the ease of sensor manufacturing, the optical waveguide sensor has been improved so that the type of external force measured in hardware is limited, and silicon is additionally attached to measure only the longitudinal direction.

Since the optical waveguide sensor emits a very low current to the measured value, a transimpedance amplifier circuit is configured and used to amplify it.

Four sensors are attached to the robot arm for direct teaching implementation. As a method of attaching the sensor to the robot arm, parts output by a 3D printer were used. And a ball joint and a top plate output by a 3D printer are added, and silicon attached to the optical waveguide sensor is fixed to the top plate. By tilting the top plate above the ball joint, the measured value of the optical waveguide sensor attached in four directions changes.

Since the improved optical waveguide sensor is manufactured by hand, the range of data emitted by each sensor is different. Even if the sensor is replaced, the sensors are calibrated and normalized so that they can always be used constantly. It maps normalized data to each axis of the robot arm, and when the user moves the top plate, the robot arm moves accordingly.

As a result of the experiment, it was confirmed that direct teaching of the robot arm can be implemented using the improved optical waveguide sensor, and the future studies will aim to apply it to a multi-joint robot.|본 논문에서는 인간과 로봇 팔의 상호작용을 위한 개선된 광도파로 센서의 개발을 제안하고 이것을 이용한 로봇 팔의 직접교시를 구현한다. 기존의 소프트 센서들의 경우 제작이 까다롭고 사용되는 전도성 물질이 외부의 전자 시스템에 영향을 받기 쉽다. 광도파로 센서는 빛을 이용하여 외력을 측정하기 때문에 전파 노이즈에 영향을 덜 받고 제작과정도 간편하다.

기존의 광도파로 센서는 압력, 길이변화, 굽힘 등의 다양한 외력을 측정할 수 있지만 동시에 여러 외력이 겹치는 경우에는 각각을 구분하지 못하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서는 여러 종류의 센서를 합치면 되지만 제작 과정이 복잡해지는 문제가 있다. 센서 제작의 간편함을 유지하기 위해 반대로 생각하여 하드웨어적으로 측정하는 외력의 종류에 제한을 걸고 실리콘을 추가로 부착하여 길이 방향에 대해서만 측정하도록 광도파로 센서를 개선하였다.

광도파로 센서는 측정 값으로 매우 낮은 전류를 내보내기 때문에 이를 증폭하기 위해 트랜스임피던스 증폭기 회로를 구성하여 사용한다.

직접교시 구현을 위해 로봇 팔에는 센서가 네 개 부착된다. 센서를 로봇 팔에 부착하는 방법으로는 3D 프린터로 출력한 부품들을 이용하였다. 여기에 볼 조인트와 3D 프린터로 출력한 상판을 추가하고 광도파로 센서에 추가로 부착된 실리콘을 상판과 고정시킨다. 볼 조인트 위쪽에 있는 상판을 기울이는 것으로 네 방향으로 부착된 광도파로 센서의 측정 값이 변하게 된다.

개선된 광도파로 센서는 손으로 직접 제작하기 때문에 각각의 센서가 내보내는 데이터의 범위가 다르다. 센서가 교체되어도 항상 일정하게 활용할 수 있도록 센서들을 교정하고 정규화시킨다. 정규화된 데이터를 로봇 팔의 각 축에 매핑시키는 것으로 사용자가 상판을 움직이면 이를 따라서 로봇 팔이 움직이게 된다.

실험 결과 개선된 광도파로 센서를 이용하여 로봇 팔의 직접교시 구현이 가능함을 확인하였고 향후 연구로는 다관절 로봇에 적용해보는 것을 목표로 한다.