『2016 올해의 10대 기계기술 신청서』

기술개발기관 성균관대학교

기술/제품명 로봇용 초저가 정전용량형 힘/토크 센싱 기술

기술의 정의

본 기술은 다양한 로봇 어플리케이션에 활용 가능한 초저가 정전용량

형 힘/토크 센싱 기술에 관한 것이다. 현재 힘/토크 센싱은 로봇의 실

용화에 필수적인 요소 기술임에도 불구하고 높은 가격과 잦은 고장으

로 보편적인 사용이 제한되어왔다. 본 기술에서는 이의 해결이 가능한

초저가, 맞춤제작이 가능하며 가볍고 견고하면서 사용이 용이한 힘/토

크 센싱 기술을 개발하였다.

핵심기술내용

(기술적 난이도)

본 기술은 기존에 없던 새로운 정전용량 측정 방식을 도입하여 센서의 민감도와 정확도를 대폭 향상하였으며 이로부터 기존의 센서와 전혀 다른 혁신적인 구조로 모든 부품이 판 형태로 구성되어 조립이 간편하고 대량생산에 용이하여 초저가의 센서 제작이 가능하다. 또한, 소비자 맞춤 생산까지 가능하며 다양한 로봇응용에 활용도가 높은 기술이다.

파급효과

본 기술은 다양한 종류의 로봇용 다축 힘/토크센서에 적용되며, 제작의 용이성, 경제성 등 많은 장점들을 수반함으로써, 매우 폭 넓은 로봇/자동화 시스템에 보편적인 사용이 예상된다. 이에 따라 인간 혹은 환경과 접촉이 필요한 로봇응용, 예를 들어 산업용 로봇, 가정용 서비스로봇, 재활로봇, 의료로봇, 군사용 로봇, 게임 및 엔터테인먼트, 가상/증가현실 등 로봇뿐만이 아니라 다양한 신산업에 있어서 획기적인 기술의 진보를 통한 서비스창출이 가능할 것으로 기대한다.

주요 기술 개발

실적

1. 국내 대회 수상: 2 건2. 기술이전: 2 건3. 국제학술지/학술대회: 3/11 건4. 국내학술지/학술대회: 1/2 건5. 국제 특허 출원/등록: 4/2 건6. 국내 특허 출원/등록: 14/8 건

관련 실적 자료 및 사진 자료

1. 국내 대회 수상: 2 건

(1) 휴먼테크 논문대상, 2016년도 22회차

상명: 금상

논문명: Development of a Novel 6-Axis Force/Torque Sensor for Robotic Application

주체기관: (주)삼성전자

수상자: 김의겸, 김용범, 석동엽, 박준우

(2) 휴먼테크 논문대상, 2015년도 21회차

상명: 장려상

논문명: Development of Capacitive Type Novel 6-Axis Force/Torque Sensor

주체기관: (주)삼성전자

수상자: 이동혁, 김의겸

2. 기술이전: 2 건

(1) 기술이전(특허권 전용실시), 2015년 3월 9일

계약기술명: 정전용량형 6축 힘/토크 센서

계약당사자: 성균관대학교 산학협력단 - (주)로보터스

이전특허: 정전용량형 6축 힘/토크 센서(국내등록번호: 10-1477120)

(2) 기술이전(특허권 전용실시), 2016년 7월 13일

계약기술명: Capacitive방식 Joint Torque Sensor에 관한 기술

계약당사자: 성균관대학교 산학협력단 - (주)두산 디알에이

이전특허: 정전용량형 3축 힘 센서(국내등록번호: 10-1533920)

3. 국제학술지/학술대회: 3/11 건

- 학술지

(1) Uikyum Kim, Dong-Hyuk Lee, Woon Jong Yoon, Blake Hannaford, and Hyouk Ryeol Choi,

“Force Sensor Integrated Surgical Forceps for Minimally Invasive Robotic Surgery”, IEEE

Transactions on Robotics, vol. 31, pp. 1214–1224, 2015.(2) Dong-Hyuk Lee, Uikyum Kim, Tauseef Gulrez, Woon Jong Yoon, Blake Hannaford, and Hyouk

Ryeol Choi, “A Laparoscopic Grasping Tool with Force Sensing Capability”, IEEE/ASME

Transactions on Mechatronics, vol. 21, no. 1, pp. 130–141, 2016.(3) Dong-Hyuk Lee, Uikyum Kim, Hosang Jung, and Hyouk Ryeol Choi, “A Capacitive Type Novel

6-Axis Force/Torque Sensor for Robotic Applications”, IEEE Sensors Journal, vol. 16, no. 8, pp.

2290–2299, 2016.

- 학술대회(1) Uikyum Kim, Yong Bum kim, Dong-Yeop Seok, JinHo So, Hyouk Ryeol Choi, "Development of

Surgical Forceps Integrated with Multi-Axial Force Sensor for Minimally Invasive Robotic Surgery",

2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), September. 2016.

(2) Uikyum Kim, Dong-Yeop Seok, Yong Bum kim, Dong-Hyuk Lee, Hyouk Ryeol Choi,

"Development of a Grasping Force-Feedback User Interface for Surgical Robot System", 2016

IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), September. 2016.

(3) Uikyum Kim, Yong Bum Kim, Dong-Yeop Seok, JinHo So, and Hyouk Ryeol Choi, "A New Type

of Surgical Forceps Integrated with Thee-Axial Force Sensor for Minimally Invasive Robotic

Surgery", 2016 13th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence

(URAI), August. 2016.

(4) Yong Bum kim, Uikyum Kim, Dong-Yeop Seok, JinHo So, Hyouk Ryeol Cho, “A Novel

Capacitive type Torque Sensor for Robotic Applications”, 2016 IEEE Advanced Intelligent

Mechatronics (AIM), July. 2016.

(5) Yong Bum Kim, Uikyum Kim, Dong-Yeop Seok, JinHo So, and Hyouk Ryeol Choi, "Design of

Novel Capacitive type Torque Sensor for Robotic Applications", 2016 13th International Conference

on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI), August. 2016.

(6) Uikyum Kim, Dong-Hyuk Lee, Hyungpil Moon, Ja Choon Koo, Hyouk Ryeol Choi, “Design and

Realization of Grasper-Integrated Force Sensor for Minimally Invasive Robotic Surgery”, in Proc.

IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems (IROS2014), pp.4321-4326, 2014.

(7) Dong-Hyuk Lee, Uikyum Kim, Hyouk Ryeol Choi, “Development of Multi-Axial Force Sensing

System for Haptic Feedback Enabled Minimally Invasive Robotic Surgery”, in Proc. IEEE/RSJ Int.

Conf. Intelligent Robots and Systems (IROS2014), pp.4309-4314, 2014.

(8) Uikyum Kim, Dong-Hyuk Lee, Baek-chul Kim, Choonghan Lee, Hyungpil Moon, Ja Choon Koo,

Hyouk Ryeol Choi, “Design of Dual Axial Force Sensor for Minimally Invasive Robotic Surgery

Grasper”, The 7th World Congress on Biomimetics Artificial Muscles and Nano-Bio (BAMN 2013),

pp.82, 2013.

(9) Choonghan Lee, Dong-Hyuk Lee, Nguyen Canh Toan, Ui Kyeom Kim, Dat Tien Nguyen,

Hyungpil Moon, Jachoon Koo, Jaedo Nam, Hyouk Ryeol Choi, “Preliminary design and fabrication

of smart handheld surgical tool with tactile feedback”, The 22nd IEEE International Symposium

on Robot and Human Interactive Communication (ROMAN2013), pp.76-80, 2013.

(10) Dong-Hyuk Lee, Uikyum Kim, Hyungpil Moon, Ja Choon Koo, Woon Jong Yoon, Hyouk Ryeol

Choi, “Preliminary Design of Multi-Axial Contact Force Sensor for Minimally Invasive Robotic

Surgery Grasper”, in Proc. IEEE Int. Conf. Robotics and Automation (ICRA2013), pp.1011-1016,

2013.

(11) Daegyeong Kim, Choong Han Lee, Baek Chul Kim, Dong Hyuck Lee, Hyung Suk Lee, Canh

Toan Nguyen, Ui Kyum Kim, Tien Dat Nguyen, Hyungpil Moon, Ja Choon Koo, Jae-do Nam, Hyouk

Ryeol Choi, “Six-axis Capacitive Force/Torque Sensor Based on Dielectric Elastomer”,

Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) 2013, Proceedings of SPIE Vol. 8687, 86872J,

2013.

4. 국내학술지/학술대회: 1/2 건

- 학술지(1) 김의겸, 최혁렬, “정전용량형 6축 힘/토크 센서 기술”, 한국로봇공학회지, 봄호 pp. 33–37.

- 학술대회(1) Yong Bum Kim, Uikyum Kim, Dong-Yeop Seok, and Hyouk Ryeol Choi, “Development of

torque sensor with decoupling the external interference”, 한국센서학회, 포항, 2015.

(2) 박준우, 이동혁, Tien D. Nguyen, Hoa Phung, 이충한, 김의겸, 구자춘, 문형필, 최혁렬, “힘 및

접촉 센싱에 관한 연구”, 제9회 한국로봇종합학술대회 논문집, 2014.

5. 국외 특허 출원/등록: 4/2 건

(1) SURGICAL GRASPER FOR MEASURING FORCE, 출원번호: 14/591,380, 등록번호: 9,421,069, 발명

자: 최혁렬, 이동혁, 김의겸

(2) CAPACITIVE TYPE 6-AXIAL FORCE/TORQUE SENSOR, 출원번호: 14/580,500, 등록번호: 등록료

납부중, 발명자: 최혁렬, 이동혁, 김의겸

(3) FORCE SENSOR AND MULTIAXIAL FORCE/TORQUE SENSOR USING THE SAME, 출원번호:

15/059,954, 발명자: 최혁렬, 이동혁, 김의겸

(4) MULTI-AXIAL FORCE SENSOR AND GRASPER FOR SENSING MULTI-AXIAL FORCE USING

THE SAME, 출원번호: 15/094,116, 발명자: 최혁렬, 이동혁, 김의겸, 김용범, 석동엽

6. 국내 특허 출원/등록: 14/8 건

(1) 평판형 힘/토크 센서, 출원번호: 10-2013-0061023, 등록번호: 10-1470160, 발명자: 최혁렬, 구자

춘, 문형필, 이동혁, 김의겸, 이충한

(2) 3축 힘 측정이 가능한 필름형 센서, 출원번호: 10-2013-0047654, 등록번호: 10-1475487, 발명자:

최혁렬, 구자춘, 문형필, 이동혁, 김의겸, 이충한, 김백철

(3) 힘 측정이 가능한 수술용 집게, 출원번호: 10-2014-0001947, 등록번호: 10-1465384, 발명자: 최혁

렬, 이동혁, 김의겸

(4) 정전용량형 3축 힘 센서, 출원번호: 10-2014-0044204, 등록번호: 10-1533920, 발명자: 최혁렬, 이

동혁, 김의겸

(5) 힘 피드백 집게, 출원번호: 10-2015-0052166, 등록번호: 10-1646870, 발명자: 최혁렬, 이동혁, 김

의겸

(6) 정전용량형 6축 힘/토크 센서, 출원번호: 10-2014-0044206, 등록번호: 10-1477120, 발명자: 최혁

렬, 이동혁, 김의겸

(7) 토크 측정센서, 출원번호: 10-2014-0063523, 등록번호: 10-1487843, 발명자: 최혁렬, 구자춘, 문혈

필, 이동혁, 김의겸

(8) 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘/토크 측정 장치, 출원번호: 10-2015-0033681, 등록번호:

10-1653914, 발명자: 최혁렬, 이동혁, 김의겸

(9) 다축 힘 센서 및 이를 이용한 다축 힘을 감지할 수 있는 집게, 출원번호: 10-2015-0050702, 발

명자: 최혁렬, 이동혁, 김의겸, 김용범, 석동엽

(10) 측정 감도를 개선한 힘 센서, 출원번호: 10-2015-0057319, 발명자: 최혁렬, 이동혁, 김의겸

(11) 원격 로봇 시스템 및 원격 로봇 시스템에서의 다축 힘/토크 변환 방법, 출원번호:

10-2016-0021308, 발명자: 최혁렬, 이동혁, 김의겸, 김용범, 석동엽, 소진호

(12) 외부 간섭 디커플링이 가능한 정전용량형 토크센서, 출원번호: 10-2015-0190598, 발명자: 최혁

렬, 이동혁, 김의겸, 김용범, 석동엽, 소진호

(13) 다축 힘센서 보정장치, 출원번호: 10-2015-0178991, 발명자: 최혁렬, 이동혁, 김의겸, 김용범, 석

동엽

(14) 다축 힘센서의 보정방법 및 보정장치, 출원번호: 10-2016-0020629, 발명자: 최혁렬, 이동혁, 김

의겸, 김용범, 석동엽

7. 사진 자료

(1) 사이즈별로 제작된 6축 힘/토크 센서 및 조인트 토크 센서

직경 25mm로 제작된 6축 힘/토크 센서 직경 40mm로 제작된 6축 힘/토크 센서

직경 80mm로 제작된 6축 힘/토크 센서

(2) 6축 힘/토크센서의 제품화 관련 카탈로그 ((주)로보터스)

(3) 힘/토크센서의 로봇 어플리케이션 실제 활용 예시

로봇 손가락에 부착된 6축 힘/토크 센서(좌), 로봇 팔 엔드이펙터에 부착된 6축 힘/토크 센서(우)

(4) 최소침습수술용 초소형 힘 센서

수술용 로봇의 엔드이펙터에 부착된 다축 힘센서들