수십 년 동안 산업용 및 서비스 로봇은 주변 세계를 인식하고 상호 작용하기 위해 비전 시스템과 관성 센서에 크게 의존해 왔습니다. 그러나 이러한 방법에는 인간과 같은 중요한-촉각 감각이 부족합니다.
카메라와 가속도계만 장착된 로봇은 물체의 표면 질감에 대한 데이터를 수집하거나, 물리적인 촉각적 힘을 감지하거나, 자신의 움직임과 관절 위치에 대한 고유 감각 피드백을 얻을 수 없습니다. 이러한 촉각 인식 부족으로 인해 복잡한 환경에서 적응적으로 움직이고, 물체를 유연하게 처리하고, 신체 부위와 주변 물체 사이의 접촉에 적절하고-안전하게-반응하는 로봇의 능력이 크게 제한됩니다.
MEMS Consulting에 따르면 압력 센서를 사용하여 로봇에 중요한 촉각 피드백을 제공함으로써 로봇의 기능을 확장할 수 있습니다. 로봇의 관절과 액추에이터 내의 공압 및 유압을 지속적으로 모니터링하면 로봇에 자체 동작 및 토크 수준에 관한 고유 감각 피드백이 제공됩니다. 이 피드백을 통해 고급 모션 제어와 목표 관절 힘의 적용이 가능해졌습니다.
순응적이고 유연한 압력 센서 배열로 로봇 표면을 코팅하면 일종의 인공적인 접촉이 생성됩니다. 피부-와 같은 압력 센서 층은 접촉, 인간{2}}로봇 상호 작용 또는 충돌로 인해 발생하는 외부 힘을 감지하고 매핑하여 로봇이 이러한 힘에 반응할 수 있도록 합니다. 제어 루프에 충분한 압력 데이터가 통합되면 로봇은 인간과 같은{4}}유연성과 적응성을 달성할 수 있습니다. 촉각 압력 피드백을 통해 로봇은 공장 환경에서 인간 동료와 안전하고 원활하게 협업할 수 있습니다. 또한 이는 의료, 국방, 재해 구호, 우주 탐사 등 블라인드 자동화가 작동하지 않는-고위험 환경에서 로봇 작업에 큰 가능성을 제시합니다.
로봇공학에 압력 센서 적용
압력 센서는 현대 로봇 공학에서 근본적인 역할을 하지만 그 가치는 종종 과소평가됩니다. 압력 센서는 내부 공압 및 유압, 외부 힘, 환경 조건을 지속적으로 모니터링합니다. 이는 로봇에 중요한 피드백을 제공하여 내부 모니터링, 유연한 동작 제어, 환경 상호 작용 및 촉각 인식을 향상시킵니다. 주요 응용 분야는 관절 내의 압력 측정을 사용하여 적용된 토크와 힘을 계산하는 고유 감각 감지입니다. 로봇의 동작과 하중에 대한 이러한 정보를 통해 더욱 정밀한 제어가 가능해 로봇의 조작 능력과 안정성이 크게 향상됩니다. 힘줄-구동 로봇은 압력 센서를 사용하여 관절에서 생성되는 힘과 직접적으로 관련된 힘줄 장력을 측정합니다. 보다 전통적인 로봇 공학 접근 방식에는 관절의 압력 차이를 측정하고 토크를 추론하기 위해 압력 변환기를 설치하는 것이 포함됩니다.
일부 고급 시스템은 초소형 마이크로-전자 기계 시스템(MEMS) 압력 센서를 로봇 관절에 직접 적용하여 고해상도-고유 감각 피드백을 제공합니다. 생물학적 고유 감각과 유사한 이 MEMS 압력 센서 기술을 통해 로봇은 자신의 움직임과 부하 상태를 인식할 수 있습니다. 마찬가지로 MEMS 압력 센서를 로봇의 외부 피부에 통합하면 접촉력에 대한 촉각 피드백을 제공합니다. 여러 개의 개별 압력 센서로 구성된 대형 센서 배열은 로봇 본체에 작용하는 힘의 분포와 크기를 매핑하는 데 도움이 됩니다.
이러한 대형 센서 배열을 통해 로봇은 부드러운 접촉부터 파괴적인 충돌까지 물리적 접촉에 적절하게 반응할 수 있습니다. 이러한 촉각 '피부' 시스템은 순응적이고 유연한 압력 센서 매트릭스를 활용하여 로봇에 정교한 환경 인식 및 인간과 같은{1}}촉각 인식 기능을 제공합니다. 다른 상호 작용 시나리오에서는 차압 센서를 사용하여 충돌을 감지하고 구별할 수 있습니다. 유체-로 채워진 에어백 내의 압력 변동을 측정함으로써 센서는 임박한 충격을 감지하고 안정화 동작을 트리거하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이 충돌-감지 기술은 견고한 프레임이 없는 소프트 로봇에도 적용할 수 있습니다. 압력 센서는 접촉력을 제어함으로써 로봇이 서로 또는 인간과 충돌할 때 안전하게 반응하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
로봇 내부의 압력 센서는 유압 및 공압 시스템을 모니터링하여 이동 능력을 보장하는 데 사용됩니다. 동시에, 비정상적인 압력 강하는 누출을 나타낼 수 있으므로 로봇이 완전히 고장나기 전에 유지 관리 및 수리가 가능합니다. 차압 원리를 기반으로 한 유량 센서는 펌프와 모터의 작동을 모니터링할 수 있습니다. 로봇이 상승하거나 하강할 때 압력 차이를 통해 높이와 깊이의 변화를 감지할 수 있습니다. 이 감각 피드백은 안정적이고 안정적인 이동성을 지원합니다. 또한 로봇이 실외나 열악한 환경에서 작동하는 경우 압력 센서를 사용하면 내후성을-보장할 수 있습니다.
로봇 내부에 방수막이 있는 MEMS 압력 센서를 설치하면 전기 부품이 손상되기 전에 비나 홍수로 인한 물 유입을 신속하게 감지할 수 있습니다. 그런 다음 로봇은 내부 구성 요소를 보호하기 위한 조치를 취하거나 조난 신호를 보냅니다.
기술 혁신이 발전을 주도합니다
몇 가지 주요 기술 발전으로 인해 로봇 공학 분야에서 압력 센서의 더 광범위하고 강력한 적용이 가능해졌습니다. MEMS 제조를 통해 고유 감각을 로봇 관절 및 액추에이터에 통합할 수 있는 고해상도 및 초소형 차압 센서를 사용할 수 있습니다. 예를 들어 Superior Sensor Technology의 MEMS 압력 센서에는 디지털 필터링, 폐쇄{3}}루프 제어 및 소프트웨어- 기반 압력 전환과 같은 고급 기능이 통합되어 있습니다. 이러한 센서의 완전히 통합된 형태는 정밀한 모션 제어 및 유연한 물체 조작에 필요한 필수 내부 토크 및 힘 피드백을 제공합니다.
양자 터널링 복합재, 그래핀 또는 기타 나노 물질을 사용하여 인쇄된 유연한 압력 센서 어레이는 로봇을 덮는 전자 피부 층을 순응성과 신축성을 가능하게 합니다. 나노튜브-주입 라텍스와 같은 재료로 만든 센서 스킨은 복잡한 관절과 표면에 걸쳐 늘어날 수 있습니다. 유연한 인쇄 센서를 활용하는 이러한 인공 촉각은 로봇 몸 전체에 걸쳐 높은-공간-해상도와 조밀한 압력 매핑을 가능하게 합니다. 정밀하고 피부와 같은-추적을 통해 로봇은 공동 작업 시나리오에서 인간을 안전하게 감지하고, 반응하고, 상호 작용할 수 있습니다.
데이터 처리와 관련하여 심층신경망과 같은 고급 머신러닝(ML) 방법을 사용하여 센서 배열의 실시간 압력 데이터를 활용하여 제어 및 응답을 최적화할 수 있습니다. 계산 모델은 고유 감각 및 촉각 센서의 압력 패턴을 사용하여 반사 반응을 생성하고 로봇 팔의 움직임을 지시합니다. 예를 들어, 한 연구에서는 손바닥으로 공을 굴리는 것과 같은 매우 민첩한 작업을 수행하도록 로봇 팔을 훈련시키기 위해 압력 입력을 기반으로 한 강화 학습을 사용했습니다.
불소탄성체 기술을 활용하는 새로운 소프트 액추에이터와 그리퍼는 정밀한 제어와 피드백을 달성하기 위해 전체 구조의 압력 모니터링에 크게 의존합니다. 압력 센서가 통합된 공압식 소프트 로봇 액추에이터를 사용하면 잡는 물체에 원활하게 적응할 수 있습니다. 이 기술은 공유 작업 환경에서 보다 안전한 실제 인간{2}}로봇 협업을 가능하게 하는 반면, 이러한 환경에서 기존의 견고한 로봇을 사용하면 상당한 위험이 따릅니다.
다양한 기술 혁신이 발전함에 따라 압력 센서는 산업 자동화부터 의료 기기에 이르기까지 미래의 로봇 공학에 내장된 핵심 통합 피드백 메커니즘이 될 것으로 예상됩니다.{0}} 사람들은 인공 터치 센서로 구현되는 반응형 적응형 로봇의 잠재력을 인식하기 시작했습니다.
미래의 로봇: 인간과 같은{0}}촉각 감지
압력 센서와 통합 기술이 계속 발전함에 따라 인공 터치 감지 기능을 갖춘 로봇은 다음과 같은 다양한 분야에 혁명을 일으킬 것입니다.
인간과 같은{0}}유연성: 충분한 촉각 압력 데이터를 통해 로봇은 매우 인간과 같은 유연성을 달성하여 다양한 무게, 질감, 모양의 물체를 높은 정밀도로 조작할 수 있습니다. 이러한 유연성은 제조, 창고, 수술 등의 분야에서 자동화를 촉진할 것입니다.
위험한 환경에서의 작업: 통합 압력 센서가 장착된 견고한 로봇은 채광, 심해 탐사, 재난 대응, 인간의 직접적인 개입이 매우 위험한 우주 임무 등 고위험 작업을 수행할 수 있습니다.{0}} 압력 데이터는 로봇이 다양하고 복잡한 환경에 적절하게 대응하고 더 잘 적응할 수 있도록 도와줍니다.
원활한 인간{0}}로봇 협업: 초-민감한 압력-감지 스킨을 통해 미래의 로봇은 인간 동료와 안전하고 원활하게 협업할 수 있습니다. 물리적 상호 작용 중에 압력 피드백은 유해한 접촉 힘을 완화합니다.
스마트 인프라: 압력 감지 스킨이 장착된 로봇 검사관-을 사용하여 풍력 터빈, 송유관, 교량 및 기타 인프라를 모니터링할 수 있습니다. 압력 데이터는 운영자에게 발생하는 모든 오작동에 대해 경고할 수 있습니다.
의료 응용 분야: 촉각 압력 센서는 인간과의 안전한 상호 작용이 중요한 수술, 보철, 재활 및 보조 로봇{0}}분야와 같은 응용 분야에서 로봇 공학의 획기적인 발전을 가져올 것입니다.
비용이 감소하고 통합 기술이 발전함에 따라 촉각 압력 센서는 시각, 위치 및 관성 센서와 함께 통합되어 고급 로봇의 표준 인식 방식이 될 수 있습니다. 압력 센서를 사용하면 미래 지향적이고 접근 가능한 로봇이 역동적인 실제 환경에서 인간과 함께 효율적이고 안전하게 작동할 수 있습니다.{1}}
결론
압력 센서는 반응하는 상호 작용을 위한 촉각 감지와 유연한 조작을 위한 고유 감각을 포함하여 로봇에게 중요한 기능을 제공합니다. 동시에 압력 센서는 내부 유압 장치, 외부 접촉력 및 환경 조건을 지속적으로 모니터링하기 위한 데이터를 제공하여 로봇이 인간과 같은 감도로 움직이고, 물체를 다루고, 물리적 자극에 반응할 수 있게 해줍니다-.
유연한 인쇄 어레이, MEMS 센서, 머신러닝 통합의 지속적인 발전으로 다중 모드 로봇 인식과 원활한 인간{0}}로봇 협업의 획기적인 발전이 이루어질 것입니다. 비용이 감소함에 따라 압력 센서는 의료, 산업, 보조 기술, 위험한 환경 및 인프라 모니터링을 포괄하는 응용 프로그램을 통해 표준 피드백 모드를 미래의 로봇 설계에 통합할 수 있는 큰 가능성을 보여줍니다. 로봇이 역동적인 물리적 세계에서 안정적이고 안전하며 지능적으로 작동하는 데 필요한 피드백을 제공함으로써 압력 센서는 애플리케이션 개발을 위한 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.