소형 LED 기반 로봇 손가락 변위 센서

초록

본 논문은 로봇 손가락 베이스에 탑재 가능한 초소형 LED‑LED 쌍을 이용한 변위 센서를 제안한다. 투명 엘라스토머(PDMS)로 연결된 두 판 사이의 미세 변위를 광 신호로 변환하고, 학습 기반 모델을 통해 6축 힘·토크를 추정한다. 27 mm × 20 mm 크기에 2.5 kHz 대역폭, $100 수준의 저비용, 110 N 전단·1.62 Nm 굽힘 내구성을 보이며, 평균 힘 오차 0.05–0.07 N을 달성한다.

상세 분석

이 센서는 두 개의 강성 플레이트 사이에 PDMS 엘라스토머를 삽입해 6자유도(6‑DOF) 변위를 허용하도록 설계되었다. 각 플레이트에는 적외선 LED(SFH‑4056)를 발광체와 수신체로 동시에 배치했으며, LED‑LED 쌍이 서로 정렬된 상태에서 미세한 상대 이동이 발생하면 수신 LED에 도달하는 광량이 급격히 변한다. 실험적으로 LED를 수신기로 사용했을 때 포토다이오드 대비 10배 이상 높은 신호‑대‑노이즈비(SNR)를 확보했으며, 0.01 mm 수준의 변위를 감지할 수 있었다. 전자 회로는 온보드 12‑채널 ADC와 SPI 인터페이스를 채택해 외부 증폭 없이 디지털 신호만 전송함으로써 배선 복잡성을 크게 낮추고, 고주파(2.5 kHz) 응답을 가능하게 한다.

데이터 수집 단계에서는 상용 6축 힘·토크 센서를 기준으로 하여 LED 신호와 실제 힘·토크 간의 매핑을 학습시켰다. 선형 회귀와 비선형 신경망을 포함한 여러 지도학습 모델을 비교했으며, 최종적으로 평균 힘 오차 0.05–0.07 N, 토크 오차 0.06 N·m 수준을 달성하였다. R² 값은 Fx 0.937, Fy 0.909, Fz 0.998, Mx 0.984, My 0.984, Mz 0.991로, 특히 x‑y 평면 힘과 모든 토크 축에서 높은 선형성을 보였다. 다만 z‑축 압축·인장 힘 예측은 센서의 광학 경로가 수직 변위에 덜 민감해 상대적으로 낮은 정확도를 보였다.

기계적 내구성 시험에서는 전단 110 N, 굽힘 토크 1.62 N·m까지 파손 없이 견디는 것으로 확인되었으며, 인장 강도는 가장 낮았지만 로봇 손가락이 실제로 큰 인장을 받는 경우는 드물다. PDMS의 점탄성 특성으로 인해 사이클링 테스트에서 약 5 % 수준의 히스테리시스가 관찰되었으며, 이는 보정 모델에 히스테리시스 보정 파라미터를 포함함으로써 부분적으로 보완될 수 있다.

비교 표에 제시된 기존 저비용 6‑축 센서(바로미터, 카메라, 정전용량식)와 대비했을 때, 본 센서는 크기(27 mm × 20 mm)와 비용($100) 면에서 경쟁력을 갖추면서도 높은 대역폭과 과부하 보호 능력을 제공한다. 특히 LED‑LED 구조는 부피가 작고 전력 소모가 낮으며, 외부 광원 차폐를 위한 얇은 고무 랩으로 간단히 방해광을 차단할 수 있다. 이러한 설계는 다중 손가락 로봇 손에 손쉽게 복제·배치할 수 있게 하여, 촉각 센서와 병행하거나 대체하는 형태의 전역 힘·토크 감지 솔루션으로 활용 가능성을 높인다.