Force-Sensitive Resistor

• 다른 이름: FSR, force-sensing resistor, force sensing resistor, pressure-sensitive resistor
• 카테고리: Sensing › Contact & force
• 태그: force-sensing, tactile-sensing, sensors, electronics, grippers

표면에 힘이 가해지면 전기 저항이 떨어지는 얇고 유연한 센서로, 접촉을 감지하고 접촉력을 추정하는 간단하고 저렴한 방법을 제공한다.

정의

힘 감지 저항(force-sensitive resistor, FSR)은 누르면 전기 저항이 감소하는 얇은 폴리머 센서이다. 일반적인 FSR은 여러 층을 겹친 구조로, 서로 맞물린 빗살 모양의 도전성 패턴이 인쇄된 유연한 기판, 스페이서, 그리고 도전성 또는 반도체성 폴리머 잉크 층으로 이루어진다. 하중이 없으면 저항은 매우 높다. 힘이 커질수록 더 많은 잉크가 패턴에 닿고 접촉 면적이 넓어져 저항이 떨어진다.

FSR은 간단한 전자 회로로 읽는다. 가장 흔한 회로는 고정 저항과 함께 구성한 전압 분배기를 마이크로컨트롤러의 아날로그-디지털 변환기에 연결하는 것이며, 연산 증폭기 기반의 전류-전압 변환단을 쓰면 더 선형적인 출력을 얻는다. 응답은 강한 비선형이어서 범위의 상당 부분에서 저항이 힘에 대략 반비례하므로, 측정값을 힘 값으로 바꾸려면 알려진 하중으로 보정해야 한다.

로드셀이나 힘/토크 센서와 비교하면 FSR은 저렴하고 매우 얇으며, 손끝이나 발바닥처럼 휘어 있거나 작은 표면에 쉽게 붙일 수 있다. 그 대가로 정확도가 제한적이다. 히스테리시스, 일정한 하중에서의 드리프트(크리프), 활성 영역에 힘이 분포하는 방식에 대한 민감성, 그리고 개체 간 편차가 나타난다. 표면에 수직인 힘만 측정하며 전단에 대한 정보는 주지 않는다.

이러한 이유로 FSR은 정밀한 힘 측정보다는 접촉 감지, 쥐기나 발 디딤이 일어났는지의 감지, 그리고 상대적인 힘 측정값 제공에 가장 적합하다. FSR 어레이와 관련된 압저항 필름은 간단한 압력 분포 측정용 촉각 센서 스킨으로도 쓰인다.

중요한 이유

FSR은 매우 낮은 비용으로, 공간이나 배선 부담이 거의 없이 로봇에 촉각을 제공하므로, 취미용 로봇, 시제품 그리퍼, 웨어러블 기기에서 접촉 감지를 실용적으로 만든다. 무언가가 닿고 있는지, 그리고 대략 얼마나 세게 닿고 있는지 알아야 할 때 팀이 가장 먼저 추가하는 촉각 센서인 경우가 많다.

주요 응용

• 로봇 그리퍼와 로봇 손의 손끝 접촉 감지
• 다리 로봇의 발 접촉 감지와 보행 분석
• 쥐는 힘을 기록하는 데이터 글러브와 웨어러블 기기
• 간단한 압력 분포 측정용 촉각 어레이
• 취미용 및 교육용 로봇의 터치 입력

실제 사례

그리퍼에 접촉 감지를 추가하는 팀은 보통 손끝에 FSR을 장착하고, 그 위에 하중을 활성 영역 전체에 고르게 퍼뜨리는 얇은 고무나 실리콘 패드를 덮는다. 각 센서는 전압 분배기로 아날로그 입력에 연결되며, 고정 저항은 예상되는 힘 범위에서 좋은 분해능을 내도록 고른다. 팀은 알려진 무게로 각 센서를 보정하고 곡선을 맞춘 뒤, 측정값에 임계값을 적용해 접촉을 감지하거나 목표 쥐기 수준에 도달하면 그리퍼 닫기를 멈춘다. 다리 로봇과 보행 연구에서는 발이나 신발 깔창에 넣은 FSR이 발 디딤 타이밍을 알려준다. 드리프트와 히스테리시스 때문에 엔지니어는 절대적인 힘 값을 FSR에 의존하지 않으며 주기적으로 영점을 다시 잡는다.

흔한 오해

• FSR은 정밀 힘 센서이다 — 접촉 감지와 상대적인 힘 측정에 적합하며, 정확한 측정에는 로드셀이나 힘/토크 센서가 필요하다
• FSR의 출력은 힘에 대해 선형이다 — 저항은 힘에 따라 비선형적으로 떨어지므로 측정값을 보정하거나 선형화해야 한다
• FSR은 어느 방향의 힘이든 감지한다 — 표면에 수직인 힘에 반응하며 전단은 측정하지 않는다

알아야 할 사람

• 그리퍼와 로봇 손을 설계하는 하드웨어 엔지니어
• 저가 로봇을 만드는 메이커와 학생
• 웨어러블 및 데이터 글러브 개발자
• 다리 로봇 및 보행 분석 연구자

관련 기술

• 로드셀(Load Cell)
• 촉각 센서(Tactile Sensor)
• 힘/토크 센서(Force/Torque Sensor)
• 전압 분배기(Voltage Divider)
• 압저항 센서(Piezoresistive Sensor)
• 정전용량식 터치 센서(Capacitive Touch Sensor)

관련 용어

• Tactile Sensor
• Force/Torque Sensor

관련 프로젝트

• Gazebo: Industry-standard open-source robotics simulator with multi-physics and ROS integration
• ORCA Hand: Open-source tendon-driven robotic hands with tactile sensing from ETH Zurich
• Carbon Aeronautics Quadcopter: From-scratch quadcopter build that teaches aeronautics, electronics and programming
• Robotic Origami Challenge: Fold Plane Demonstrations: Bimanual paper-folding dataset: 682 LeRobot episodes with vision and touch

동영상

• How to use Force Sensitive Resistors (FSR) with Arduino - Simple Force Sensing Arduino Tutorial: Science Fun