광섬유 힘 센서가 내장된 로봇 원격 및 무인 조작을 위한 모듈화 로봇 스킨

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 기계공학부, 2021.8. 박용래.Robots have been used to replace human workers for dangerous and difficult tasks that require human-like dexterity. To perform sophisticated tasks, force and tactile sensing is one of the key requirements to achieve dexterous manipulation. Robots equipped with sensitive skin that can play a role of mechanoreception in animals will be able to perform tasks with high levels of dexterity. In this research, we propose modularized robotic skin that is capable of not only localizing external contacts but also estimating the magnitudes of the contact forces. In order to acquire three pieces of key information on a contact, such as contact locations in horizontal and vertical directions and the magnitude of the force, each skin module requires three degrees of freedom in sensing. In the proposed skin, force sensing is achieved by a custom-designed triangular beam structure. A force applied to the outer surface of the skin module is transmitted to the beam structure underneath, and bending of the beam is detected by fiber optic strain sensors, called fiber Bragg gratings. The proposed skin shows resolutions of 1.45 N for force estimation and 1.85 mm and 1.91 mm for contact localization in horizontal and vertical directions, respectively. We also demonstrate applications of the proposed skin for remote and autonomous operations of commercial robotic arms equipped with an array of the skin modules.로봇은 인간과 같은 높은 조작성이 필요한 어려운 작업 환경이나 위험한 환경에서 인간을 대체할 수 있도록 연구되고 있다. 이를 위해 동물의 기계적 감응(mechanoreception) 역할과 같은 기능을 수행하면서 로봇에 부착될 수 있는 스킨을 연구하고 있고, 민감한 로봇 스킨이 부착된 로봇은 높은 수준의 조작성을 가지고 주어진 작업을 성공할 수 있다. 다시 말해 로봇의 힘 센싱과 촉각 센싱 기능은 정교한 로봇 조작의 핵심 요소들 중 하나로 로봇의 세밀한 작업들을 수행하기 필요로 하다. 따라서 우리는 이 연구에서 외부 접촉의 위치뿐만 아니라 외력의 크기도 추정할 수 있는 모듈화된 로봇 스킨을 제안한다. 접촉 힘의 크기, 접촉의 수직 및 수평 위치 등 접촉에 대한 3가지 정보를 얻기 위해서 각 스킨 모듈은 3 자유도를 가지도록 설계하였다. 제안한 스킨에서 힘 센싱은 새롭게 설계한 삼각형 형태의 빔 구조의 변형을 통해서 측정한다. 구체적으로 스킨 모듈의 외피에 가해진 힘은 빔 구조로 전달되고, 이로 인해 발생하는 빔 구조의 변형은 “fiber Bragg gratings” 이라고 불리는 광섬유 스트레인 센서들에 의해서 측정된다. 제안한 스킨은 1.45 N의 힘 추정 해상도를 가지고, 수평 및 수직 위치 추정은 각각 1.85 mm와 1.91 mm의 해상도를 가진다. 우리는 상용화된 로봇팔에 여러 개의 스킨 모듈을 배열 및 부착하여 로봇의 원격 조작 및 무인 조작을 실행하였고, 스킨의 활용성을 검증하였다.1. Introduction 1 2. Design 7 2.1. Skin Module . 2.2. Skin Array . 3. Modeling 12 3.1. FBG Sensing Principle and Temperature Compensation 25 3.2. Estimation of Beam Force and Deflection . 3.3. Estimation of Spring Force . 3.4. Estimation of Contact Locations and Force . 4. Experiments 25 4.1. Experimental Setup . 4.2. Initialization . 4.3. Parameter Optimization . 4.4. Result . 5. Application 32 5.1. Remote Robot Manipulation . 5.2. Autonomous Robot Control . 6. Discussion 46 7. Conclusion 48 8. Appendix 49 8.1. Beam Deflection . Bibliography 52 Abstract in Korean 60석