로봇 공학 분야에서 IMU 및 압전 필름 센서의 응용

초고정밀 6-축 MEMS 관성 센서

이 중에서 센서의 각 축(X축, Y축, Z축)의 직교성은 동적 자세 각도를 더 정확하게 추정하는 데 중요한 요소입니다. 현재까지 직교성을 보장하기 위해 사용자는 다른 장치를 통해 외부 보정을 수행해야 했습니다.
 
이를 해결하기 위해 Murata는 저잡음과 안정적인 출력을 가진 고정밀 6축 MEMS 관성 센서를 개발했습니다. 자이로스코프 센서와 가속도계 센서의 각 축은 직교성 보상이 적용된 값을 출력할 수 있어 사용자 보정 프로세스를 간소화하고 생산 비용을 절감하는 데 도움을 줍니다. 또한, 컴팩트한 디자인은 PCB 공간 절감에도 기여합니다.
 
Murata의 SCH16T 센서 시리즈는 중복 설계 옵션과 내장형 조정 가능 이중 출력 채널을 통해 고객들에게 더 큰 유연성을 제공합니다. SCH16T 센서 시리즈는 ±2000°/s(SCH16T-K10) 또는 ±300°/s(SCH16T-K01)의 각속도 측정 범위와 ±16g(SCH16T-K10) 또는 ±8g(SCH16T-K01)의 가속도 측정 범위를 지원합니다. 또한, ±26g의 동적 범위를 가진 보조 디지털 가속도계 채널, 0.3°/h(SCH16T-K01) 또는 4°/h(SCH16T-K10)의 자이로스코프 바이어스 불안정성, 0.4m°/s/√Hz(SCH16T-K01) 또는 6m°/s/√Hz(SCH16T-K10)의 낮은 잡음 밀도 수준을 특징으로 합니다. 센서는 동기화된 데이터 준비 출력, 타임스탬프 인덱싱, SYNC 입력 기능을 위한 인터폴레이션 및 디시메이션 옵션을 지원합니다.
 
SCH16T 센서 시리즈는 −40°C에서 110°C의 온도 범위에서 동작하며, 3.0~3.6V의 전원 공급 전압과 1.7~3.6V의 I/O 전압을 사용합니다. SafeSPI v2.0 인터페이스를 지원하며, SPI 프레임을 통해 20비트와 16비트 출력 데이터를 선택할 수 있습니다. 광범위한 자기 진단 기능을 갖추고 있으며, 크기는 12mm × 14mm × 3mm(길이 × 너비 × 높이)로 PCB 실장 면적은 170mm² 미만입니다. RoHS 표준을 준수하는 견고한 SOIC 플라스틱 패키지를 특징으로 하며, 무연 납땜 공정 및 SMD 장착에 적합합니다.
 
SCH16T 센서는 이 수준의 성능과 기능을 갖춘 몇 안 되는 단일 패키지 6DoF 장치 중 하나입니다. 전체 온도 및 측정 범위에 걸쳐 우수한 선형성과 옵셋 안정성을 나타내며, 혹독한 환경에서도 센티미터 수준의 기계 동역학 및 위치 감지 정확성을 제공합니다.
 
SCH16T는 관성 측정 장치(IMU), 관성 항법 및 위치 지정, 기계 제어 및 안내, 동적 경사 측정, 로봇 제어, 드론(UAV)과 같은 도전적인 환경 조건에서 고성능이 요구되는 애플리케이션에 적합합니다.
 
Murata는 SCH16T 시리즈 센서를 PCB에 설치된 수동 부품과 함께 사전 설치한 슈트로 제공되는 SCH16T-K01-PCB 및 SCH16T-K10-PCB 자이로/가속도계 콤보 센서 평가 보드도 제공합니다. PCB는 핀을 통해 SPI 통신을 용이하게 합니다.

압전 필름 센서는 로봇이 접촉, 압력, 진동을 감지하는 데 도움을 줍니다

초박형 및 고감도 압전 필름 센서

Murata는 독자적인 압전 기술을 활용하여 Picoleaf™ 압전 필름 센서를 선보였습니다. 이 유연하고 얇은 센서는 굽힘, 비틀림, 압력, 진동 등의 고감도 감지가 가능합니다. 기존 센서에 비해 설치 공간을 절약하며, 얇기, 조립 성능, 내구성을 개선하였습니다.
 
또한, Picoleaf™ 에 사용된 압전 필름 소재는 식물 조직에서 추출한 젖산을 발효시켜 만든 폴리유산입니다. 식물은 대기 중의 이산화탄소를 흡수하여 전분을 합성하기 때문에, 이 소재는 지구온난화에 기여하는 이산화탄소 총량을 증가시키지 않습니다. 이는 환경 지속 가능성을 지원하는 탄소 중립 소재입니다.
 
Picoleaf™ 압전 필름 센서의 주요 특징으로는 출력 신호의 증폭률 조절 가능, On/Off 판단 임계값 설정 가능, 및 필터 구성 설정 가능 등이 포함됩니다. 최대 4채널의 신호를 제어하고 모니터링할 수 있으며, GUI를 통해 다양한 설정과 출력 상태를 직관적으로 확인할 수 있습니다. 또한 데이터를 CSV 형식으로 내보낼 수 있습니다.
 
Picoleaf™ 의 두께는 0.2mm 이하로, 디스플레이 또는 터치 패널과 결합하더라도 공간을 절약할 수 있습니다. 2.5 × 7.0mm의 소형 크기로 초소형 사이즈를 실현하였습니다. Picoleaf™의 유연한 구조는 고안된 기기의 곡면에 접착될 수 있으며, 원형 물체에 감싸는 것과 같은 응용이 가능합니다. 또한 욕실이나 주방과 같은 습한 환경에서도 동작할 수 있으며, 물 속에서 압력을 감지하여 세탁기와 같은 물 사용 장치에도 응용될 수 있습니다. 금속 케이스에 심리스 버튼을 제작하는 것도 가능합니다.
 
Picoleaf™ 압전 필름 센서는 고감도를 특징으로 하며, 1µm 만큼의 미세 변위를 감지할 수 있습니다. 하나의 센서로 전체 디스플레이 표면에 걸쳐 압력을 감지할 수 있습니다. 또한 의도치 않은 근육 움직임, 잡는 힘, 맥박과 같은 생체 신호를 모니터링할 수 있습니다. 센서는 비열전형으로 신체 온도, 태양광, 반도체 열로 인한 드리프트를 제거하여 열 효과에 의해 유발되는 노이즈를 감소시킵니다.
 
Picoleaf™ 는 낮은 전력 소모를 나타냅니다. 센서 자체는 전력을 소비하지 않으며, 구동 증폭 회로는 낮은 전류 소모(약 10µA)로 설계할 수 있습니다. 더욱이, Picoleaf™ 는 식물에서 유래한 폴리유산으로 만들어진 환경 친화적인 유기 압전 필름을 사용하여 제조, 처리 및 분해 과정에서 대기 중 CO2를 증가시키지 않고 지속 가능 개발 목표(SDGs)에 기여합니다. 또한, 유럽의 RoHS 지침을 준수하는 무연 제품입니다.
 
Picoleaf™ 는 압력 감지가 필요한 응용 분야에 적합합니다. 예를 들어, 누름 감지 특성을 활용한 UI 센서로 작동하거나, 스타일러스에 통합되어 손잡이 상태를 감지하며, 누름 동작을 감지하여 의도치 않은 작동을 방지할 수 있습니다. 또한 높은 감도를 기반으로 맥박 및 호흡 감지와 같은 생체 신호 모니터링에도 응용 가능합니다.
 
Murata는 Renesas Electronics의 GreenPAK™ 프로그래머블 디지털 분석 IC가 장착된 평가 보드도 제공합니다. 이러한 보드는 출력 신호 증폭률 및 On/Off 판단 임계값을 동적으로 조정할 수 있게 합니다. 최대 4채널의 신호를 동시에 처리할 수 있어 다목적 평가 또는 여러 위치에서의 평가를 지원하며, 평가 속도와 효율성을 향상시킵니다. 전용 GUI는 직관적인 파라미터 조정, 조건 저장 및 공유도 가능합니다.

결론

IMU 및 압전 필름 센서는 지능형 로봇에서 정밀한 동작 제어와 유연한 환경 인식을 달성하는 데 필수적인 역할을 합니다. 이 두 가지 유형의 센서는 산업 자동화, 의료 지원 및 서비스 상호 작용과 같은 분야에서 혁신적인 응용을 위한 강력한 기술 지원을 제공합니다. Murata에서 출시한 자이로스코프, 가속도계 및 압전 필름 센서는 로봇 기술이 더 높은 수준의 지능 및 다양화로 발전하도록 돕고, 더 넓은 응용 개발을 가능하게 할 것으로 기대됩니다.