MODULE M8 · 10.0 HOURS

센서 통합 및 피드백 제어

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LEARNING OBJECTIVES

이번 모듈의 목표

  1. FSR 402 센서와 10 kΩ 저항을 이용한 전압 분압 회로 구성 원리 이해
  2. OpenCR 제어기의 ADC 기능과 입력 범위(0-3.3 V) 제약 조건 숙지
  3. 센서 데이터의 필터링 및 캘리브레이션 기술 습득
  4. 피드백 기반 파지 제어 알고리즘 구현 및 로봇손의 접촉력 제어 실습

센서 통합과 접촉력 피드백

로봇손의 정밀한 파지 제어는 손끝에 작용하는 힘을 정확히 측정하는 데서 시작합니다. FSR 402 센서는 가해지는 압력이 증가할수록 저항값이 감소하는 압력 감지 저항기입니다 [S12]. 이를 마이크로컨트롤러가 읽을 수 있는 전압 신호로 변환하려면 전압 분압 회로가 필요합니다.

1. 전압 분압 회로

FSR 센서와 10 kΩ 분압 저항을 직렬로 연결하고 3.3 V 센서 전원을 공급합니다 [B4, B5, B2]. ADC 핀은 센서와 저항의 접점에 연결되며, 출력 전압 $V_{out}$은 다음과 같이 계산됩니다. 10 kΩ 풀다운 분압기는 $V_{out}=V_{ref}\frac{R_{fixed}}{R_{FSR}+R_{fixed}}$를 사용한다

  • OpenCR 제어기의 ADC는 12비트 해상도를 가지며 입력 범위는 0~3.3 V로 제한됩니다 [B2]. 이 범위를 벗어난 입력은 회로 소자를 손상시킬 수 있으므로 반드시 지정된 센서 전원 레일(3.3 V)만을 사용해야 합니다 [B2].

2. 제어 루프와 피드백

측정된 힘 데이터는 PID 제어 알고리즘이나 적응형 제어 전략의 입력값으로 사용됩니다 [S3]. 로봇손이 물체를 잡을 때, 텐던 구동 모터(DYNAMIXEL XM430-W350-T)는 센서값을 참조하여 설정된 목표 접촉력에 도달할 때까지 토크를 미세 조정합니다 [B1, B4].

WORKED EXAMPLES

해설 예제

  1. 예제 1: FSR 출력 계산. $R_{FSR}$이 5 kΩ이고 $R_{fixed}$가 10 kΩ일 때, 3.3 V 입력 기준 $V_{out} = 3.3 \times (5 / (5 + 10)) = 1.1 V$. 이는 ADC 입력 범위(0-3.3 V) 내에 정상적으로 위치합니다.
  2. 예제 2: 파지력 보정. 센서값이 노이즈로 인해 흔들릴 경우, 단순 이동 평균 필터를 적용하여 센서값의 급격한 변동을 줄이고 파지력을 안정적으로 유지할 수 있습니다.

LAB PROTOCOL

손끝 FSR 센서 회로 구성 및 보정

  1. 1

    OpenCR의 3.3 V 센서 레일과 GND를 브레드보드에 연결합니다.

  2. 2

    FSR 402와 10 kΩ 저항을 직렬로 연결하여 전압 분압 회로를 구성합니다 [B4, B5].

  3. 3

    분압 접점을 OpenCR의 ADC 핀에 연결합니다 [B2].

  4. 4

    PC와 OpenCR을 연결하고 센서 값을 읽는 테스트 코드를 실행합니다.

  5. 5

    무부하 상태와 목표 힘이 가해질 때의 ADC 값을 기록하여 보정표를 작성합니다.

안전 점검
  • 전원 인가 전 반드시 멀티미터로 3.3 V 레일과 12 V 액추에이터 레일의 단락 여부를 확인하십시오 [B2].
  • 보안경을 상시 착용하고, 통전 중에는 로봇손의 가동 범위 내에 손을 넣지 마십시오.
  • 이상 발열·냄새·연기 감지 시 접근하지 말고, 위험 구역 밖에서 사전 지정된 건물 분전반 차단기 또는 인증된 upstream master disconnect로 3개 어댑터의 공급 전원을 차단한 뒤 대피한다. 위험 구역 밖에서 작동 가능한 upstream 차단 수단이 없으면 시스템 통전을 금지한다. 토크 해제는 전원 차단을 대신하지 않는다. 정비·접근은 계획 정지 후 물리적 분리 및 무전원 계측 확인 뒤에만 수행한다
  • 수리나 센서 접근 전 3개의 절연 전원 어댑터를 물리적으로 분리하고, 모든 분기의 전압이 1 V 미만임을 계측 확인하십시오.

실습 제출물

  • ADC 센서 읽기 테스트 결과 데이터
  • 센서 보정 테이블(ADC 값 vs 물리적 힘)
  • 센서 데이터 필터링 구현 코드

ASSIGNMENT

파지력 피드백 제어 알고리즘 구현

제출물

평가 기준

  • ADC 데이터가 0-3.3 V 범위 내에서 안정적으로 측정되는가?
  • 센서값이 목표치에 도달했을 때 모터가 적절히 토크를 해제하거나 유지하는가?
  • 비상시 토크 해제가 소프트웨어적으로 정상 작동하는가?
  • 보고서에 전원 차단 확인 절차가 기술되었는가?

KNOWLEDGE CHECK

이해도 점검

1OpenCR 제어기의 ADC 핀으로 FSR 전압 분압 신호를 입력할 때, 반드시 지켜야 할 사항은 무엇입니까?
2FSR 센서의 저항값 변화와 물리적 힘의 관계는 어떠합니까?
3로봇손 프로토타입 작업 중 정비나 접근을 위해 전원을 차단한 후 확인해야 할 안전 상태는 무엇입니까?

FIELD CHECK

완료 기준

  • ADC를 통한 FSR 값 읽기 실습 통과
  • 파지력 피드백 제어 코드가 목표치에 90% 이상 도달
  • 모든 안전 수칙(물리적 전원 분리 및 전압 측정) 준수 증명
  • 최종 결과 보고서 제출

MODULE SOURCES

이 모듈의 근거

  1. Intelligent soft robotic gripper for non-destructive grasping ...nature.com · paper
  2. FSR Model 402interlinkelectronics.com · datasheet
  3. 10K Ohm 5 Percent 1/4W Through-Hole Resistorsadafruit.com · technical_documentation