GN⁺: HN 공개: 박사 학위 논문을 위해 3D 프린터 필라멘트로 새로운 센서 제작

OptiGap 센서 시스템 개발에 대한 R&D 사례 연구

• 이 글은 필자의 박사 논문 연구의 핵심 요소인 새로운 센서 시스템 OptiGap의 연구 개발 과정을 탐구함
• 스토리텔링 형식으로 의사 결정 과정과 최종 구현까지의 진화 과정에 대한 통찰을 제공하고자 함
• 박사 연구의 때로는 감추어진 세계를 엿볼 수 있는 기회를 제공하고, 이 과정에 호기심이 있는 사람들의 흥미를 끌 수 있을 것임
• 이 주제에 대한 기술적 세부 사항, 시뮬레이션 및 기존 연구에 대해 더 자세히 알고 싶다면 필자의 학위 논문을 온라인에서 볼 수 있음

OptiGap 센서 시스템의 기능

• 매우 일반적인 용어로, 이 센서는 기본적으로 구부러지면 길이를 따라 어디가 구부러졌는지 알려줄 수 있는 로프와 같음
• 이를 "굽힘 위치 추정(bend localization)"이라고 부름
• OptiGap의 적용 분야는 주로 전통적인 센서 사용이 종종 실용적이지 않은 유연한(또는 '말랑말랑한') 시스템을 포함하는 소프트 로보틱스 영역 내에 있음
• OptiGap이라는 이름은 "광학(optical)"과 "갭(gap)"의 합성어로, 굽힘 위치 추정에 필수적인 코딩된 패턴을 생성하기 위해 유연한 광파이프 내의 공기 간격을 활용하는 핵심 원리를 반영함

OptiGap 센서 시스템의 시작

• 필자가 굽힘 감지 센서로 사용하기 위해 다양한 광파이프(광케이블)를 통한 광 전송을 실험하는 동안 OptiGap의 아이디어가 나옴
• 처음에는 광섬유를 통해 빛을 효과적으로 "느리게" 하는 방법을 보려고 했음
• 이 과정에서 필자는 실험을 위해 투명한 3D 프린터 필라멘트(1.75mm TPU) 조각을 줄자에 부착했고, 우연히 전기 테이프가 부착된 지점에서 줄자(및 필라멘트)를 구부렸을 때 광 전송이 상당히 감소한다는 것을 발견함
• 이는 전기 테이프의 끈적끈적한 잔여물이 필라멘트를 늘어나게 하여 광 전송을 감소시키기 때문이라고 가설을 세움
• 가설을 검증하기 위해 필자는 줄자에 더 긴 TPU 조각을 부착하고 광 전송이 어떻게 변할지 관찰하기 위해 다양한 지점에서 구부리기 시작함

OptiGap의 실현

• 필자는 광감쇠가 일어나는 위치를 제어할 수 있기 때문에 이를 이용하여 센서의 굽힘 위치에 대한 정보를 인코딩할 수 있다는 것을 깨달음
• 전기 테이프를 사용하는 것은 실용적인 솔루션이 아니었기 때문에, 필자는 이러한 감쇠를 만들기 위한 더 신뢰할 수 있고 일관된 방법을 찾기 시작함
• 이는 필라멘트를 자르고 유연한 고무(실리콘) 슬리브를 사용하여 작은 공기 간격을 남기고 다시 붙이는 아이디어로 이어짐
• 공기 간격의 주요 작동 원리는 한 광파이프 면을 다른 면에 상대적으로 이동 및/또는 회전시키면 간격을 가로질러 전송되는 빛의 분율이 변한다는 것임
• 굽힘 각도가 클수록 간격을 가로질러 더 많은 빛이 빠져나감
• 광 신호 강도의 결과적인 변화는 센서로 사용하기 위해 알려진 패턴과 연관될 수 있음

큰 아이디어

• 필자는 일렬로 여러 개의 공기 간격을 만들고 감쇠를 측정하기 위해 필라멘트를 구부리는 방식으로 이 아이디어를 테스트했음
• 광 강도는 각 공기 간격에서 감소하며, 굽힘 각도가 증가할수록 더 눈에 띄게 감소함
• 이 초기 실험은 개념 증명 역할을 했으며, 아이디어의 실현 가능성을 입증함
• 이는 센서의 굽힘에 대한 정보를 인코딩하기 위해 이러한 공기 간격 패턴을 활용하고 마이크로컨트롤러에서 나이브 베이즈 분류기를 사용하여 굽힘 위치를 디코딩한다는 필자의 최종 가설 도출로 이어짐
• 이 개념은 선형 인코더의 기능과 유사함
• OptiGap 시스템은 절대 인코더처럼 작동하여 병렬 광파이프를 따라 굽힘에 민감한 공기 간격 패턴을 사용하여 절대 위치를 인코딩하고, 효과적으로 단일 광섬유 센서 역할을 함

역 그레이 코드를 사용하여 굽힘 위치 인코딩

• 역 그레이 코드는 연속한 두 값이 최대(n-1) 비트 만큼 다른 이진 코드임
• 이를 구현하기 위해 역 그레이 코드 시퀀스에 "1"이 있는 곳마다 필라멘트에 절단을 만듦
• 이 접근 방식은 모든 비트 수로 확장 가능함
• 프로토타입의 경우 3 비트를 사용하여 8개의 가능한 위치를 제공함

OptiGap 센서 시스템의 시각화

• 그림은 3개의 광섬유를 사용하여 각 굽힘 위치에 대한 OptiGap 센서 시스템의 신호 패턴을 보여줌
• 나이브 베이즈 분류기를 사용하여 센서 시스템은 신호 패턴에 기반하여 굽힘 위치를 식별할 수 있음
• 세 번째 그래프는 프로토타입 시스템에서 얻은 실제 센서 데이터를 나타내며, 마이크로컨트롤러에서 분류기를 학습시키는 데 사용됨

OptiGap 프로토타입

• 필자는 각각 고유한 공기 간격 패턴을 가진 투명한 TPU 3D 프린터 필라멘트 3개를 사용하여 OptiGap 센서 시스템의 프로토타입을 제작함
• 상용 3:1 광섬유 커플러를 사용하여 3개 가닥의 빛을 단일 광섬유 케이블로 병합하여 센서 프로토타입 완성
• 이는 OptiGap 센서의 배후에 있는 가설과 작동 이론을 검증하는 최종 단계를 표시함

물리적 크기 축소

• 초기 프로토타입은 사용된 3D 프린터 필라멘트 크기로 인해 크고 부피가 큰 것으로 판명됨
• 이전 경험에 비추어 볼 때 PMMA(플라스틱) 광섬유가 이 응용 분야에 적합한 더 작고 유연한 대안을 제공한다는 것을 인식함
• 결과적으로 센서 스트랜드에 대해 Industrial Fiber Optics, Inc.의 500, 750 및 1000 마이크론 비피복 PMMA 광섬유를 평가하여 센서 크기를 크게 줄임
• 3가지 유형의 광섬유에 대해 광 전송 및 유연성을 평가하기 위한 테스트를 수행함
• 그 중 500 마이크론 광섬유가 전반적으로 최적의 선택으로 나타났지만, 3가지 모두 이 응용 분야에 충분한 유연성을 보여줌

광 트랜시버 복잡성 감소

• 시스템의 복잡성을 줄이고 모듈성을 높이기 위해 복잡한 VL53L0X ToF 센서 대신 간단한 포토다이오드와 IR LED 설정을 사용하기로 결정함
• 이를 통해 마이크로컨트롤러를 사용하여 센서 데이터를 읽을 수 있게 되어 초기 프로토타입에 비해 상당한 개선이 이루어짐
• 그런 다음 STM32 마이크로컨트롤러와 포토다이오드/IR LED 설정을 기반으로 센서용 데모 시스템을 만듦

마이크로컨트롤러에서 실시간 기계 학습

• OptiGap 센서 시스템 개발의 최종 단계에는 센서 데이터에서 굽힘 위치를 디코딩하기 위해 STM32 마이크로컨트롤러에 나이브 베이즈 분류기를 통합하는 작업이 포함됨
• if-문이나 조회 테이블에 비해 효율성이 높고, 새로운 데이터나 이전에 본 적 없는 데이터를 처리할 수 있으며, 여러 입력 변수 간의 관계를 고려하여 정확도를 높일 수 있는 잠재력 때문에 나이브 베이즈 분류기를 선택함
• 나이브 베이즈 분류기 구현은 상대적으로 간단한 것으로 판명됨
• 이 분류기는 측정값이 특정 클래스에 할당될 수 있는 방법을 결정하기 위해 베이즈 정리를 적용하는 확률적 모델로, 이 컨텍스트에서 클래스는 굽힘 위치를 나타냄
• 분류기 구현을 위해 Arm CMSIS-DSP 라이브러리를 활용함

센서 데이터 피팅

• 분류기를 통합하는 첫 번째 단계는 각 공기 간격 패턴에 대해 센서 데이터를 가우스 분포에 맞추는 것임
• 이 프로세스를 가속화하기 위해 scikit-learn 라이브러리의 GNB(Gaussian Naive Bayes)를 사용하여 데이터를 신속하게 레이블링하고 피팅하기 위한 Python GUI를 개발함
• 나중에 이 UI를 더 일반적으로 개선하고 더 복잡한 데이터 피팅을 허용하도록 함
• 각 클래스에 대한 확률을 계산하고 마이크로컨트롤러에서 사용할 수 있도록 헤더로 저장함

센서 데이터 필터링

• 분류기의 정확도를 높이기 위해 STM32에서 2단계 필터링 프로세스를 구현함
• 초기 단계에는 기본 이동 평균 필터가 포함되었고, 두 번째 단계에서는 칼만 필터가 사용됨

OptiGap 센서 시스템 데모

• 제공된 GIF는 조립 및 최종 센서 시스템의 작동 시연을 포함하여 OptiGap 센서 시스템의 다양한 단계를 보여줌

OptiGap 설계 사양

• 핵심 속성 및 매개변수
• 재료 권장 사항

다음 단계

• 여기에 기록된 것 이상으로 OptiGap 시스템에 상당한 진전을 이루었음
• EneGate라는 모듈형 구동 및 감지 시스템에 통합하는 작업 등이 포함됨
• 이는 사용자 정의 PCB 설계 및 시스템 통합과 관련되며, 학위 논문에 자세히 설명되어 있음
• 또한 EneGate 시스템용 PCB와 인터페이스하기 위한 소형 PCB 버전의 광학 장치를 프로토타입으로 제작함
• 실제 소프트 로봇 시스템에서 OptiGap의 유효성을 검증했으며, 자세한 내용은 " 꼬인 보 구조에서 동적 동작 모니터링을 위한 임베디드 광 도파로 센서 "라는 제목의 RoboSoft 논문에 발표될 예정임

상업화

• 이 연구에는 상업화 측면도 진행 중임

GN⁺의 의견

• OptiGap 센서 시스템은 소프트 로봇 분야에서 기존 센서로는 파악하기 어려웠던 굽힘 위치를 감지할 수 있는 혁신적인 기술로 보임. 유연성이 요구되는 다양한 시스템

[neo]

Hacker News 의견

Here are the key points from the Hacker News comments, summarized in a neutral and informative tone:

• The general idea of making materials more "self-aware" or inspectable is appreciated as a neat and sci-fi-like concept.

• One commenter's previous research used complex-valued neural nets to learn the transmission matrix of an optical fiber, which relates to this work as bending the fiber requires relearning a new matrix. It may be possible to learn a parameterized characterization of the fiber to model its shape.

• The research seems thorough and well-documented. The advisor, Cindy Harnett, is likely aware of the conceptual similarity to time-domain reflectometry.

• There are questions about how the sensor handles multiple bends. It seems that with the current setup, multiple bends would result in the sum of the log attenuations, potentially requiring as many strands as bend locations to disambiguate. Clarification is needed on whether this is intended for single-bend cases only.

• Potential refinements could make this technology mass-producible with high accuracy. Applications include cost-effective 2D or 3D touch sensors for robots, directionally sensitive proprioception for flexible tubes, and detecting localized temperature differences.

• The technology seems similar to the Nintendo Power Glove, which used light down a tube to trigger key presses based on finger/hand bending.

• Having an awesome advisor is highlighted as the difference between a miserable and a good experience.

• One commenter is interested in using this sensor (or multiple sensors together) to accurately detect a golf club swing for a golf launch monitor that doesn't require hitting a ball.

• Suggestions for improvement include:

  • Reducing inter-sensor distance to fix "dead zones" in the sensor data
  • Dividing the tube into three sections to sense the direction of the bend
  • Finding solutions to sense multiple bends, as the current setup would result in invalid readings

• The work reminds another commenter of distributed acoustic sensing (DAS) using fiber optic cables for various monitoring tasks, though they haven't seen it used for soft robotics before.

• The manufacturing challenge of requiring log2 fibers and different encodings in each junction is acknowledged, but not considered a problem at the research/proof-of-concept phase.