최근 로봇 기술이 고도화됨에 따라 로봇과 인간 사이의 인 간-기계 인터페이스(human-machine interface, HMI) 장치인 데이터 글러브(data glove)에 대한 관심이 증가 되고 있다. 데 이터 글러브는 위험한 작업환경에서 사람을 대신하여 로봇이 정확하고 섬세한 작업이 가능하도록 하게하는 입력장치로 사 용될 수 있으며, 산업용 로봇 뿐만 아니라 절단 환자들이 착용 하는 전동 의수 및 신체 재활 훈련 등에서도 사용될 수 있다 ^[1-4]. 오늘날 로봇 핸드(robotic hand)는 인간의 손을 모사하여 정확한 파지 및 다자유도를 추구하며, 사용자의 의도대로 움 직일 수 있는 원격 기술 등을 기반으로 개발되고 있다^[5]. 이처 럼 여러 동작에서도 안정적인 센싱을 구현하기 위해서는 유연 하고 신축성이 우수한 소재가 필요하다.

이러한 문제점을 개선하기 위해, 특히, 전도성 섬유를 기반 으로 한 변형 센서(strain sensor)는 많은 연구원들에 의해서 연 구되고 있고, 다양한 종류의 기법 및 구조로 사용되고 있다. 전 자 섬유(E-textile)는 원단에 전자회로가 내장된 섬유이다. 이러 한 전자 섬유는 가상·증강현실, 로봇, 오락 및 가전 제품 등을 제 어하기 위해 인간과 기계 사이의 인터페이스 역할을 하는 중요 한 요소 중 하나이다. 전자 섬유는 전기적 기능을 가진 원사를 이용하여 직조(weaving), 니팅(knitting), 자수(embroidery), 부 직포(nonwoven) 등의 제조 방법을 통해 제작된다. 전도성 섬유 는 딱딱한 금속 재료들을 대신하며, 우수한 전도성과 가볍고, 피부 트러블이 없으며, 다양한 크기로 변형이 가능하다^[6].

다양한 영역에서 정보통신기술(information and communication technology, ICT)을 활용함에 따라 웨어러블 센싱 디바이스 (wearable sensing device)로서 데이터 글러브는 여러 분야에 서 연구되고 있다. 이처럼 데이터 글러브는 웨어러블 센서 (wearable sensor)를 직물에 통합하여 신체 부위에 활동량에 대 한 모니터링^[7]과 자세(posture) 분류^[8] 등에 관한 성능 연구와 새로운 소재 및 구조에 관한 연구^[9] 등으로 진행되고 있다. 현 재 상용화되어 있는 데이터 글러브의 센서는 전선, 전자 센서, 그리고 회로 등의 부품들이 내장되어있는 형태로 장갑을 구성 하는 원단 자체는 센싱 역할을 하지 않는다. 또한, 부품들을 장 갑에 내장하기 위해서는 재단, 봉제, 가공 등의 복잡한 공정이 포함되어 시간과 비용이 많이 드는 등의 어려움이 따른다. 따 라서 사용자들이 가볍고 쉽게 착용할 수 있는 데이터 글러브 에 대한 연구가 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 전도 성 섬유를 이용한 데이터 글러브 제작에 관한 연구가 진행되 고 있으나^[10-18], 부분적인 손가락에 적용시키거나, 전도성 물 질을 이용하여 프린팅, 재단 및 봉제 등의 여러 과정을 거치는 시간과 노력이 요구된다.

따라서 본 연구 목적은 인간과 로봇 사이의 인터페이싱 장 치로서 전도성 섬유를 이용한 센서 내장형 니트 데이터 글러브 를 개발하는 것이다. 개발된 니트 데이터 글러브는 손가락의 움직임에 대한 각도 변화에 따라 저항 값이 바뀌도록 전도성 원사를 이용하여 측정 가능하도록 제작하였으며, 손의 크기에 상관없이 착용 가능하게 편직(knitting)하였다. 개발된 글러브 의 성능평가를 위해, 전도성 원사에 따른 성능 비교, 그리고 손 가락 동작에 대한 패턴 인식 분석을 실시함으로써 니트 데이터 글러브에 대한 실용성 및 상용화 가능성을 살펴보는 것이다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 니트 데이터 글 러브에 대한 설계 및 제작 방법에 대하여 설명하고, 3장은 실 험 방법에 대한 설명과 원사 종류에 따른 성능 평가 및 동작에 대한 패턴인식 평가에 대한 결과를 확인한다. 마지막으로, 4장 은 본 연구에 대한 요약 및 결론에 대하여 기술한다.

니트 데이터 글러브는 신체 재활 훈련 및 전동 의수 제어를 위한 입력장치로서 가볍고 유연한 형태로 제작하였다. 니트 데이터 글러브는 대표적인 전도성 재료에 대한 성능을 평가하 기 위하여, 은(silver)과 스테인리스(stainless) 원사로 각각 제 작하였다. 손가락의 굽힘(flexion) 각도 값을 측정하는 센서 영 역은 전도성 원사로 편성하였으며, 비전도성 영역은 나일론 원 사를 사용하였다. 또한, 손의 크기와 상관없이 데이터 글러브 는 손에 밀착되고 손가락 움직임 변화에 따라 늘어나거나 다시 원래로 회복할 수 있도록 신축성이 우수한 스판덱스(spandex) 를 전체적으로 사용하였다.

개발된 데이터 글러브 제작은 SDS one apex apparel CAD (Shima seiki) 소프트웨어를 사용하였으며, 편안한 착용감을 위하여 봉제선 없이 제작하는 홀가먼트(wholegarment) 기술 을 적용하였다. 또한 노이즈 감소를 위해 센서 영역에만 전도 성 원사를 편직하도록 인타샤(intarsia) 니팅 기법을 이용하였 다. 니트는 실을 고리를 형성하여 짜는 방식으로 신축성 있는 구조이다. 전도성 영역에서 인접한 루프 사이의 거리가 커짐 에 따라 접촉하는 영역이 줄어드는 반면에 접촉 압력이 증가 하여 접촉 저항이 낮아진다. 접촉 저항을 결정하는 요인은 Holm의 접촉 이론(Holm’s contact theory)을 사용하여 계산되 었으며^[19], 다음 식과 같다.

ρ는 섬유의 저항이고, n은 접촉 점의 수, P는 접촉 압력, 그리 고 H는 섬유 강도이다. 전도성 섬유의 저항과 강도는 일정하지 만, 접촉 점의 수와 접촉 압력은 센서의 구조와 설계에 따라 변 화할 수 있다. 따라서 전도성 섬유 사이의 접촉 압력이 높아지 고 접촉 점의 수가 증가하면 접촉 저항은 감소한다[Fig. 1]^[20].

[Fig. 1] 

Schematic diagram of knit design

본 연구는 원사에 따른 성능 평가를 확인하기 위해, 니트 데 이터 글러브의 센서 디자인을 두가지 형식(type)으로 진행하 였다. 첫째, 검지, 중지, 약지의 PIP (Proximal interphalangeal joints)와 MCP (Metacarpophalangeal joints)를 지나가도록 편 직하였다 [Fig. 2(a)]. 둘째, 니트 데이터 글러브에 적합한 원사 를 선정한 후, 패턴 인식을 위한 센서 설계를 진행하였으며, 전 도성 원사의 양을 늘려 저항 변화를 많이 유도하기 위하여 [Fig. 2(b)]와 같이 설계하였다. 본 연구의 신호 획득 방법으로 서 전압 분배 회로를 이용하였으며, 다음 식과 같다.

[Fig. 2] 

The sensor design of the knit data glove: (a) straight type (experiment 1) (b) round type (experiment 2)

[Fig. 3]은 기준 저항 R₁과 측정하고자 하는 저항 R₂를 연결 하여 저항 사이에 걸리는 전압을 측정할 수 있다. 기준 저항 R₁ 을 고정된 값으로 두고 V_out을 측정하여 저항 R₂의 값을 구한 다. 측정은 아두이노 우노(UNO)를 사용하였으며, 입력전압 V_in = 5V, V_out = 0∼5V, R₁ = 1000Ω 을 식 (1)에 대입하면 R₂를 구할 수 있다.

[Fig. 3] 

Voltage division circuit

본 연구는 로봇 의수 제어 및 재활 훈련용 니트 데이터 글러 브를 개발하는 것에 목표를 두었다. 니트 데이터 글러브는 전 도성 섬유를 이용하여 손가락 관절 부위를 지나가도록 제작하 였으며, 봉제가 필요 없는 홀가먼트 평기를 이용하여 공정을 최소화 하였다. 기존의 복잡한 공정과 센서를 삽입해야 하는 형태의 데이터 글러브와는 다르게 접착, 후 가공, 봉제 등이 필 요하지 않다. 또한, 센서를 포함하여 데이터 글러브는 섬유로 제작되어 유연하고 가벼운 특성을 지니며, 니트 구조가 지니 고 있는 신축성으로 다양한 손 크기에 대응할 수 있다.

이렇게 개발된 데이터 글러브에 대한 성능 평가를 위해, 원 사의 종류에 따른 성능평가 및 동작 패턴인식 평가를 실시하 였다. 먼저, 대표적인 전도성 원사인 스테인리스 원사와 은사 에 대하여 성능 평가를 실시하였으며, 측정 길이가 멀어짐에 따라 은사로 제작한 데이터 글러브가 노이즈에 대하여 안정적 인 저항 값을 보였다. 또한, 우수한 성능의 은사로 제작된 데이 터 글러브를 이용하여 4가지 손 동작에 대한 다섯 손가락의 저 항 값 비교를 수행하였다. 모든 동작에 대하여 다섯 손가락의 저항 값이 확연히 다르게 나타났으며, 눈으로도 쉽게 구별이 가능하였다. 또한, 획득된 데이터에 대한 동작 패턴인식 평가 결과로 높은 인식 성능을 확인하였다.

이러한 결과를 통해 가볍고 저비용 제작이 가능한 니트 데 이터 글러브가 다양한 로봇분야에서 적용될 수 있을 것으로 기대된다.