하나의

npj 유연한 전자공학 6권, 기사 번호: 65(2022) 이 기사 인용

1864년 액세스

측정항목 세부정보

많은 소프트 센서 시스템에서 센서를 제어 회로에 연결하기 위한 외부 와이어는 소형 폼 팩터 및 물리적 견고성 측면에서 실질적인 문제를 제기했습니다. 본 연구에서는 원래의 성능을 저하시키지 않으면서 획기적으로 줄어든 와이어 수로 동작할 수 있는 소프트 센서 어레이의 설계를 제안한다. 제안된 개념은 저항 감지 모듈 옆에 내장된 인덕터와 커패시터로 구성되어 저항-인덕터-커패시터 대역 통과 필터를 구성하는 소프트 감지 모듈 배열입니다. 커패시턴스와 인덕턴스의 값을 조절하여 각 센싱 모듈에 고유한 주파수 대역을 할당함으로써 모듈 수에 관계없이 외부 배선 2개만으로 구별되는 감지가 가능합니다. 시스템의 멀티 터치 감지 기능은 분석적으로 모델링되고 실험적으로 특성화되었습니다. 이러한 디자인을 활용하여 손가락 끝 촉각 센서와 깔창 발 압력 센서를 실제 응용 사례로 시연합니다.

유연하고 신축성이 있는 전자 기술의 최근 발전으로 인해 인공 피부1,2,3,4,5,6,7,8 또는 웨어러블 로봇9,10,11,12,13,14 분야에서 소프트 센서의 다양하고 새로운 응용이 창출되었습니다. 다양한 모양을 가진 호스트 구조의 표면에 센서의 물리적 형태를 용이하게 하는 기계적 컴플라이언스를 활용합니다. 로봇 시스템은 충분한 양의 데이터를 얻기 위해 여러 센서가 필요한 경우가 많으며, 컴팩트하게 통합된 센서 배열은 넓은 관심 영역을 포괄할 수 있을 뿐만 아니라 높은 공간 해상도를 제공합니다18,19,20,21,22,23, 24. 그러나 센서 어레이를 구성하는 여러 전자 부품에는 일반적으로 더 복잡한 하드웨어 구성이 필요합니다25,26,27. 특히 소프트 센서에서 다중 신호선은 기계적 취약성, 인접한 전선 간의 물리적 간섭, 시스템 복잡성과 같은 실질적인 문제를 야기합니다. 그럼에도 불구하고, 소프트 센서 연구에서는 이 문제가 실제적인 중요성에도 불구하고 지금까지 심각하게 고려되지 않았습니다.

특히, 소프트 로봇 시스템의 와이어는 시스템이 큰 동적 동작을 겪을 때 물리적 제약을 유발합니다. 이 경우 배선은 구성 공간을 덮으면서 다른 구성 요소를 방해하거나 서로 엉키지 않을 만큼 길어야 합니다. 더욱이, 일반적인 소프트 로봇 시스템에서 소프트 센서와 일반 와이어 사이의 기계적 연결은 일반적으로 응력 집중이 높은 강성 재료와 연성 재료 사이의 물리적 인터페이스로 인해 가장 취약한 영역입니다. 이는 여러 센서가 필연적으로 더 복잡한 배선 연결을 포함하는 어레이로 구현될 때 더욱 문제가 됩니다. 게다가 소프트 시스템의 배선을 수리하려면 지루한 수작업이 필요한 경우가 많으며, 배선 오류로 인해 전체 어레이를 교체해야 하는 경우도 있습니다.

이러한 문제를 완화하는 직접적인 방법은 전선을 덜 사용하여 전선이나 연결에 오류가 발생할 가능성을 최소화하는 것입니다. 이전에는 와이어 수를 줄여 소프트 센서 어레이를 구축하는 여러 가지 접근 방식이 있었습니다. 가장 일반적인 방법 중 하나는 모든 감지 모듈을 전력선과 직렬로 연결하고 인접한 모듈 사이의 노드에 신호선을 추가하는 것입니다. 그러나 이 접근 방식에는 적어도 센서와 동일한 수의 신호선이 필요하며, 많은 수의 센서를 사용하는 경우 실용성은 더욱 떨어집니다. 멀티플렉서를 사용하여 모듈30,31을 통해 출력 신호를 스윕하는 것이 가능하지만 센서 수가 증가함에 따라 처리 시간이 저하됩니다. 또 다른 접근 방식은 여러 레이어가 있는 그리드 패턴으로 센서 배열을 구성하는 것입니다. 그리드 배열은 직렬 연결에 비해 센싱 모듈 수가 많을수록 배선 사용량이 적은 경향이 있습니다. 그러나 그리드형 센서 어레이는 고스트 키 효과로 인해 완전한 멀티 터치 기능을 구현하지 못하는 경우가 많습니다. 추가 다이오드나 멀티플렉서를 사용하여 고스트 키 효과를 해결할 수 있지만 폼 팩터는 물론 시스템의 복잡성도 증가합니다. 최근 기계 학습을 사용하여 단일 출력 와이어로 여러 소프트 센서를 추적하는 연구가 있었지만 상대적으로 많은 양의 데이터를 사용하는 교육 프로세스가 필요합니다. 각 감지 모듈에 단일 입력과 단일 출력이 필요하다고 가정하면 보충 그림 1은 각 접근 방식에 필요한 와이어 수를 감지 모듈 수와 수치적으로 비교합니다.