촉각 센서
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1. 개요
촉각 센서는 압력, 힘, 진동 등을 감지하여 물체의 기계적 특성을 파악하는 데 사용되는 센서이다. 일상생활에서는 엘리베이터 버튼, 램프 밝기 조절 등에 활용되며, 자동차, 전지, 연료 전지 등의 성능 테스트에도 사용된다. 의료 분야에서는 촉각 영상을 통해 연조직의 압력 변화를 감지하며, 로봇은 촉각 센서를 통해 물체의 무게, 질감, 강성 등 다양한 정보를 얻어 시각 시스템을 보완한다. 촉각 센서는 압력 센서 어레이, 광학 기반 센서, 스트레인 게이지 로제트, 생체 모방 센서 등 다양한 형태로 개발되었으며, 최근에는 오픈 하드웨어 및 3D 프린팅 기술을 통해 제작이 용이해졌다.
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| 촉각 센서 | |
|---|---|
| 지도 정보 | |
| 기본 정보 | |
| 유형 | 센서 |
| 감지 대상 | 촉각, 압력, 변형 |
| 활용 분야 | 로봇 공학 인간-컴퓨터 상호작용 의료 기기 산업 자동화 |
| 기술 | |
| 감지 원리 | 압전 효과 정전 용량 변화 광학 |
| 측정 변수 | 접촉력 접촉 면적 압력 분포 진동 온도 |
| 형태 | 단일 요소 센서 센서 어레이 유연한 센서 피부 모방 센서 |
| 특징 | |
| 민감도 | 매우 높음 |
| 공간 해상도 | 높음 |
| 반응 속도 | 빠름 |
| 내구성 | 다양함 (응용 분야에 따라 다름) |
| 장점 | |
| 정확한 촉각 정보 | 제공 |
| 실시간 감지 | 가능 |
| 소형화 | 용이 |
| 다양한 환경 | 에서 사용 가능 |
| 단점 | |
| 복잡한 구조 | 가짐 |
| 주변 온도 변화 | 에 민감 |
| 내구성 | 제한적일 수 있음 |
| 발전 추세 | |
| 인공지능 기반 | 촉각 인식 기술 개발 |
| 소프트 로봇 | 용 센서 개발 |
| 웨어러블 기기 | 용 센서 개발 |
| 바이오 센서 | 와 융합 연구 |
2. 활용
촉각 센서는 일상생활뿐만 아니라 자동차 제조, 전지 적층, 연료 전지 등 다양한 분야에서 활용된다. 매우 작은 변화를 측정하는 센서는 높은 감도를 가져야 하며, 측정 대상에 미치는 영향을 최소화하도록 설계된다. 센서 크기를 줄이면 이러한 점이 개선되고 다른 장점이 생길 수 있다.
촉각 영상은 촉각을 디지털 이미지로 변환하는 의료 영상 기법이다. 압력 센서 어레이가 장착된 탐침을 이용하여 임상 검사 중 인간의 손가락처럼 연조직을 변형시키고 압력 패턴 변화를 감지한다.
로봇은 정밀성, 민첩성이 필요한 물체를 다룰 때 인간의 촉각 능력과 동등한 감각 장치가 필요하다. 로봇용 촉각 센서는 시각 시스템을 보완하여 물체의 무게, 질감, 강성, 무게 중심, 마찰 계수, 열전도율 등 기계적 특성을 파악하는 데 사용된다.[4][5]
촉각 센서는 로봇의 충돌 회피 및 조작, 동시 위치 확인 및 지도 작성 등에도 활용된다.[6]
2. 1. 일상생활
일상생활에서 촉각 센서는 엘리베이터 버튼이나 밑 부분을 만져 밝기를 조절하는 램프와 같이 흔히 볼 수 있다. 대부분 사람은 인지하지 못하지만 촉각 센서에는 무수히 많은 다른 응용 분야가 있다.매우 작은 변화를 측정하는 센서는 매우 높은 감도를 가져야 한다. 센서는 측정 대상에 미치는 영향이 작도록 설계되어야 하며, 센서의 크기를 줄이면 종종 이러한 점이 개선되고 다른 장점이 생길 수 있다. 촉각 센서는 모든 유형의 응용 프로그램의 성능을 테스트하는 데 사용할 수 있다. 예를 들어, 이러한 센서는 자동차(브레이크, 클러치, 도어 실, 가스켓) 제조, 전지 적층, 볼트 조인트, 연료 전지 등에 사용되어 왔다.
2. 2. 산업 현장
산업 현장에서 촉각 센서는 자동차 제조(브레이크, 클러치, 도어 실, 가스켓), 전지 적층, 볼트 조인트, 연료 전지 등 다양한 유형의 응용 프로그램 성능 테스트에 사용된다.의료 영상 기법으로서의 촉각 영상은 촉각을 디지털 이미지로 변환하는 기술이다. 이는 압력 센서 어레이가 장착된 탐침을 이용하여 임상 검사 중 인간의 손가락처럼 연조직을 변형시키고 압력 패턴 변화를 감지하는 방식으로 작동한다.[4]
정밀성, 민첩성이 필요한 물체를 다루는 로봇은 인간의 촉각 능력과 동등한 감각 장치가 필요하다. 로봇용 촉각 센서는 시각 시스템을 보완하여 물체의 무게, 질감, 강성, 무게 중심, 마찰 계수, 열전도율 등 기계적 특성을 파악하는 데 사용된다.[5]
여러 종류의 로봇에는 충돌 회피 및 조작을 위한 다양한 촉각 센서가 사용되며, 일부 동시 위치 확인 및 지도 작성 방법은 촉각 센서를 기반으로 한다.[6]
2. 3. 의료 분야
의료 영상 기법으로서의 촉각 영상은 촉각을 디지털 이미지로 변환하는 데 기반을 두고 있다. 촉각 영상은 장치의 탐침에 압력 센서 어레이가 장착되어 임상 검사 중 인간의 손가락과 유사하게 작용하여 탐침으로 연조직을 변형시키고 결과적으로 발생하는 압력 패턴의 변화를 감지하기 때문에 수동 촉진을 매우 밀접하게 모방한다.정밀성, 민첩성 또는 특이한 물체와의 상호 작용이 필요한 물체를 다루는 상호 작용을 하도록 설계된 로봇은 기능적으로 인간의 촉각 능력과 동등한 감각 장치가 필요하다.[4][5] 촉각 센서는 로봇이 물체를 잡기 시작할 때 추가 정보를 제공하여 시각 시스템을 보완할 수 있다. 이때는 물체의 기계적 특성을 시각만으로는 결정할 수 없으므로 시각만으로는 충분하지 않다. 무게, 질감, 강성, 무게 중심, 마찰 계수 및 열전도율을 결정하려면 물체와의 상호 작용과 일종의 촉각 감지가 필요하다.
3. 압력 센서 어레이
압력 센서 어레이는 수많은 택텔(tactel)로 구성된 큰 격자 형태이다. 각 택텔은 수직 항력을 감지하여 접촉면의 고해상도 '영상'을 제공한다. 공간 분해능, 힘 감도, 배선, 신호 라우팅 등의 시스템 통합 문제도 중요하다.[7] 압력 센서 어레이는 박막 형태로도 사용 가능하며, 제조 및 연구개발 과정에서 분석 도구로 사용되고 로봇에도 적용된다. 소비자들이 이용할 수 있는 센서로는 전도성 고무[8], 티탄산 지르콘산납(PZT), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), PVDF-TrFE[9], FET[10], 금속 정전용량 감지[11][12] 요소로 구성된 어레이가 있다.
3. 1. 택텔 (Tactel)
압력 센서 어레이는 수많은 택텔(tactel)로 구성된 큰 격자이다. 택텔은 촉각 요소(tactile element)를 의미한다. 각 택텔은 수직 항력을 감지할 수 있다. 택텔 기반 센서는 접촉 표면의 고해상도 '영상'을 제공한다. 공간 분해능과 힘 감도와 함께 배선 및 신호 라우팅과 같은 시스템 통합 문제도 중요하다.[7] 압력 센서 어레이는 박막 형태로도 사용 가능하다. 이들은 주로 엔지니어와 기술자들이 제조 및 연구개발 과정에서 사용하는 분석 도구로 사용되며, 로봇에도 적용되었다. 소비자들이 이용할 수 있는 이러한 센서의 예로는 전도성 고무[8], 티탄산 지르콘산납(PZT), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), PVDF-TrFE[9], FET[10], 그리고 금속 정전용량 감지[11][12] 요소로 구성된 어레이가 있다.3. 2. 특징
압력 센서 어레이는 수많은 택텔(tactel)로 구성된 큰 격자이다. 택텔은 촉각 요소(tactile element)를 의미한다. 각 택텔은 수직 항력을 감지할 수 있으며, 택텔 기반 센서는 접촉 표면의 고해상도 '영상'을 제공한다. 공간 분해능과 힘 감도뿐만 아니라 배선 및 신호 라우팅과 같은 시스템 통합 문제도 중요하다.[7] 압력 센서 어레이는 박막 형태로도 사용 가능하다. 이들은 주로 엔지니어와 기술자들이 제조 및 연구개발 과정에서 사용하는 분석 도구로 사용되며, 로봇에도 적용되었다. 소비자들이 이용할 수 있는 이러한 센서의 예로는 전도성 고무[8], 티탄산 지르콘산납(PZT), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), PVDF-TrFE[9], FET[10], 그리고 금속 정전용량 감지[11][12] 요소로 구성된 어레이가 있다.3. 3. 종류
압력 센서 어레이는 수많은 택텔(tactel)로 구성된 큰 격자이다. 택텔은 촉각 요소(tactile element)를 의미한다. 각 택텔은 수직 항력을 감지할 수 있다. 택텔 기반 센서는 접촉 표면의 고해상도 '영상'을 제공한다. 공간 분해능과 힘 감도와 함께 배선 및 신호 라우팅과 같은 시스템 통합 문제도 중요하다.[7] 압력 센서 어레이는 박막 형태로도 사용 가능하다. 이들은 주로 엔지니어와 기술자들이 제조 및 연구개발 과정에서 사용하는 분석 도구로 사용되며, 로봇에도 적용되었다. 소비자들이 이용할 수 있는 이러한 센서의 예로는 전도성 고무[8], 티탄산 지르콘산납(PZT), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), PVDF-TrFE[9], FET[10], 그리고 금속 정전용량 감지[11][12] 요소로 구성된 어레이가 있다.4. 광학 기반 촉각 센서
카메라를 이용해 고해상도 데이터를 제공하는 여러 종류의 촉각 센서가 개발되었다. 대표적인 예로 MIT에서 개발한 젤사이트(Gelsight)와 삼성의 See-through-your-skin(STS) 센서가 있다.[13][14][15]
4. 1. 젤사이트 (Gelsight)
MIT에서 처음 개발된 젤사이트(Gelsight) 기술은 불투명한 젤 층 뒤에 카메라를 사용하여 고해상도 촉각 피드백을 얻는다.[13][14] 삼성의 "See-through-your-skin"(STS) 센서는 반투명 젤을 사용하여 촉각 및 광학 이미징을 결합하여 생성한다.[15]4. 2. See-through-your-skin (STS) 센서
MIT에서 처음 개발된 젤사이트(Gelsight) 기술은 불투명한 젤 층 뒤에 카메라를 사용하여 고해상도 촉각 피드백을 얻는다.[13][14] 삼성의 "See-through-your-skin"(STS) 센서는 반투명 젤을 사용하여 촉각 및 광학 이미징을 결합하여 생성한다.[15]5. 스트레인 게이지 로제트
스트레인 게이지 로제트는 여러 개의 스트레인 게이지로 구성되며, 각 게이지는 특정 방향의 힘을 감지한다. 각 스트레인 게이지에서 얻은 정보를 결합하면 힘 또는 토크의 패턴을 결정할 수 있다.[16]
5. 1. 스트레인 게이지
스트레인 게이지 로제트는 여러 개의 스트레인 게이지로 구성되며, 각 게이지는 특정 방향의 힘을 감지한다. 각 스트레인 게이지에서 얻은 정보를 결합하면 힘 또는 토크의 패턴을 결정할 수 있다.[16]5. 2. 활용
스트레인 게이지 로제트는 여러 개의 스트레인 게이지로 구성되며, 각 게이지는 특정 방향의 힘을 감지한다. 각 스트레인 게이지에서 얻은 정보를 결합하면 힘 또는 토크의 패턴을 결정할 수 있다.[16]6. 생체 모방 촉각 센서
생물학적 영감을 받은 다양한 설계들이 제안되었다.[17][18][19][20] 이러한 센서들은 종종 하나 이상의 감지 전략을 통합한다. 예를 들어, 압력 센서 어레이와 스트레인 게이지 로제트에서 나오는 압력 분포와 힘 패턴을 모두 감지하여 두점식별과 힘 감지를 인간과 같은 능력으로 할 수 있다.
생물학적으로 설계된 촉각 센서의 고급 버전에는 진동 감지가 포함되는데, 이는 센서가 물체 위를 미끄러질 때 센서와 물체 간의 상호 작용을 이해하는 데 중요한 것으로 밝혀졌다. 이러한 상호 작용은 인간의 도구 사용과 물체의 질감 판단에 중요한 것으로 이해되고 있다.[18] 이 중 하나는 힘 감지, 진동 감지 및 열 전달 감지를 결합한다.[1]
6. 1. 종류
생물학적 영감을 받은 다양한 설계들이 제안되었는데, 한 번에 한 점만 측정하는 단순한 수염 모양 센서[17]부터 더욱 발전된 손가락 끝 모양 센서,[18][19][20] 최신 아이큐브(iCub)와 같은 완벽한 피부 모양 센서까지 다양하다. 생물학적 영감을 받은 촉각 센서는 종종 하나 이상의 감지 전략을 통합한다. 예를 들어, 압력 센서 어레이와 스트레인 게이지 로제트에서 나오는 압력 분포와 힘 패턴을 모두 감지하여 인간과 같은 능력으로 두점식별과 힘 감지를 할 수 있다.생물학적으로 설계된 촉각 센서의 고급 버전에는 진동 감지가 포함되는데, 이는 촉각 센서가 물체 위를 미끄러지는 경우 촉각 센서와 물체 간의 상호 작용을 이해하는 데 중요한 것으로 밝혀졌다. 이러한 상호 작용은 현재 인간의 도구 사용과 물체의 질감 판단에 중요한 것으로 이해되고 있다.[18] 이러한 센서 중 하나는 힘 감지, 진동 감지 및 열 전달 감지를 결합한다.[1]
6. 2. 특징
생물학적 영감을 받은 다양한 설계들이 제안되었는데, 한 번에 한 점만 측정하는 단순한 수염 모양 센서[17]부터 더욱 발전된 손가락 끝 모양 센서,[18][19][20] 최신 아이큐브(iCub)와 같은 완벽한 피부 모양 센서까지 다양하다. 생물학적 영감을 받은 촉각 센서는 종종 하나 이상의 감지 전략을 통합한다. 예를 들어, 압력 센서 어레이와 스트레인 게이지 로제트에서 나오는 압력 분포와 힘 패턴을 모두 감지하여 인간과 같은 능력으로 두점식별과 힘 감지를 할 수 있다.생물학적으로 설계된 촉각 센서의 고급 버전에는 진동 감지가 포함되는데, 이는 촉각 센서가 물체 위를 미끄러지는 경우 촉각 센서와 물체 간의 상호 작용을 이해하는 데 중요한 것으로 밝혀졌다. 이러한 상호 작용은 현재 인간의 도구 사용과 물체의 질감 판단에 중요한 것으로 이해되고 있다.[18] 이러한 센서 중 하나는 힘 감지, 진동 감지 및 열 전달 감지를 결합한다.[1]
7. DIY 및 오픈 하드웨어 촉각 센서
최근 정교한 촉각 센서가 오픈 하드웨어로 공개되어, 애호가들이 이전에는 고가였던 기술을 실험할 수 있게 되었다.[21] 또한 저렴한 광학 카메라의 등장으로 3D 프린터를 사용하여 쉽고 저렴하게 제작할 수 있는 새로운 센서들이 제안되었다.[22]
7. 1. 오픈소스 하드웨어
최근 정교한 촉각 센서가 오픈 하드웨어로 공개되어, 애호가들이 이전에는 고가였던 기술을 실험할 수 있게 되었다.[21] 또한 저렴한 광학 카메라의 등장으로 3D 프린터를 사용하여 쉽고 저렴하게 제작할 수 있는 새로운 센서들이 제안되었다.[22]7. 2. 3D 프린터 활용
최근 정교한 촉각 센서가 오픈 하드웨어로 공개되어, 애호가들이 이전에는 고가였던 기술을 실험할 수 있게 되었다.[21] 또한 저렴한 광학 카메라의 등장으로 3D 프린터를 사용하여 쉽고 저렴하게 제작할 수 있는 새로운 센서들이 제안되었다.[22]참조
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Data sheet for Schunk FT-Nano 43, a 6-axis force torque sensor
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A robust micro-vibration sensor for biomimetic fingertips – IEEE Conference Publication
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Development of a tactile sensor based on biologically inspired edge encoding - IEEE Conference Publication
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A biologically inspired tactile sensor array utilizing phase-based computation – IEEE Conference Publication
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Building It – TakkTile
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Exhor/bathtip
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