Integrating Fiber Optics into Robotic End-Effectors for Enhanced Teleoperation in Unstructured Environments = 비정형 환경에서의 원격 조작 성능 향상을 위한 로봇 엔드 이펙터의 광섬유 통합

국문 초록 (Abstract)

로봇 시스템은 비정형 환경, 특히 안전 위험, 좁은 공간, 비위생적이고 열악한 작업 조건 등으로 인해 인간의 직접 접근이 바람직하지 않거나 실질적으로 불가능한 상황에서 점점 더 활발히 활용되고 있다. 자율 로봇은 이러한 환경에서 반복적이고 정형화된 작업에는 효과적이나, 복잡하고 정형화되지 않았으며 변동성이 큰 작업은 상당한 머신러닝 자원과 지속적인 기술 개입을 요구하는 경우가 많다. 이러한 경우, 원격 조작 로봇이 보다 현실적인 대안이 된다.
원격 조작에서 작업 효율성과 조작성을 향상시키기 위해서는 신뢰성 높은 운동 감각 및 피부 촉각 피드백이 필수적이며, 이를 위해 고성능 센서를 로봇 인터페이스에 통합해야 한다. 이러한 환경은 로봇 시스템에도 극심한 도전을 유발한다. 특히 기존 센서는 열, 습도, 방사선, 전자기 간섭에 취약하여 감지의 정확도 및 신뢰성이 저하되며, 또한, 온보드 전자 장치와 복잡한 배선은 제한된 공간 내에서의 통합을 어렵게 하고 시스템 전반의 복잡도를 높이는 요인으로 작용한다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 본 연구에서는 고감도, 장거리 감지, 소형 폼팩터, 열악한 환경에서의 견고성을 제공하는 광섬유 센싱 기술, 특히 fiber Bragg grating(FBG)의 적용을 제안한다.
본 학위논문에서는 세 가지 광섬유 센싱 기반 접근법을 제시한다. 첫째, 최소침습 수술 기기나 내부 공간이 제한적인 로봇 핸드 등 협소한 공간에도 손쉽게 내장할 수 있는 센싱 구조를 개발하였다. 구조적 설계를 통해 감도를 향상시켜 미세한 외력까지 정밀하게 감지할 수 있었으며, 단축 및 다축 센싱 응용 사례를 통해 실용성을 입증하였다. 둘째, 힘 전달과 장력 감지를 동시에 수행할 수 있는 다기능 광섬유 텐던을 기반으로 텐던 구동 로봇 핸드를 개발하였다. 이 텐던은 내부 부품 수를 줄여 내부 구조의 단순화 및 소형화에 기여하였고, 텐던 감지기능을 활용한 힘 기반 제어를 통해 실용성을 입증하였다. 셋째, 앞선 연구들을 기반으로 FBG 다중 센서 배열을 활용해 촉각 감지와 힘 감지 기능을 통합한 텐던을 개발하고, 이를 적용한 원격 조작용 로봇 핸드를 구현하였다. 해당 로봇 핸드는 상용 햅틱 장치와 통합되어 단거리 및 대륙 간 장거리 원격 조작을 시연하였으며, 낮은 지연율과 안정적인 햅틱 피드백을 통해 시스템의 실용성을 입증하였다.
각 시스템에 대한 실험적 검증을 통해 센싱 해상도, 피드백 정확도, 강인성이 향상됨을 확인하였으며, 본 연구는 광섬유 센싱 기술이 원자력 시설, 의료, 재난 대응 등 비정형 환경에서 작동하는 로봇 시스템의 환경 적응성과 신뢰성 향상에 기여할 수 있음을 실증적으로 제시한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Robotic systems are increasingly deployed in unstructured environments, particularly where direct human access is undesirable and impractical due to safety risks, spatial constraints, or unsanitary and harsh working conditions. While autonomous robots are effective for repetitive and structured tasks in these settings, complex, unstructured, and highly variable tasks often require substantial machine learning resources and continuous technical intervention. In such cases, teleoperated robots tend to be more viable alternatives.
To enhance task efficiency and dexterity in teleoperation, reliable kinesthetic and cutaneous haptic feedback is essential, requiring the integration of high-performance sensors into the robot interface. However, such environments also pose significant challenges to robotic systems. In particular, conventional sensors are often vulnerable to thermal stress, humidity, radiation, and electromagnetic interference (EMI), thereby leading to unreliable sensing. Furthermore, the need for onboard electronics and complex wiring increases the difficulty of integration in confined spaces because these features contribute to overall system complexity. To address these limitations, this study proposes the application of fiber-optic sensing technology—specifically fiber Bragg gratings (FBGs)—which offers high sensitivity, long-range sensing, compact form factor, and robustness in harsh environments.
This thesis presents three fiber-optic sensing approaches. First, a sensing structure that can be easily embedded into confined spaces, such as in minimally invasive surgical devices or robotic hands with limited internal space, was developed. The structural design enhanced sensitivity, enabling the detection of minute external forces, and its practicality was validated through both uniaxial and multi-axial sensing applications. Second, a tendon-driven robotic hand was developed using a multifunctional fiber-optic tendon capable of both force transmission and tension sensing. This tendon reduced the number of required internal components, achieving a compact form factor. With the tension-sensing capability of the tendon, the robotic hand demonstrated its applicability in teleoperation through force feedback control. Third, the functionality of the robotic hand was extended to support tactile sensing through a multiplexed FBG sensor array, which was integrated into a real-time teleoperation system. This system was further combined with a commercial haptic interface to demonstrate both short- and long-distance (intercontinental) teleoperation with low-latency force and tactile feedback.
Experimental validation confirmed improvements in sensing resolution, feedback accuracy, and sensing robustness across all systems. This thesis empirically demonstrates that fiber-optic sensing technology can enhance the adaptability and reliability of robotic systems operating in unstructured environments such as nuclear facilities, minimally invasive surgery, and disaster response scenarios.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Acknowledgement iii
• Table of Contents v
• List of Tables vii
• List of Figures viii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Motivation 1
• 1.2. Contribution 4
• 1.3. Thesis Outline 7
• Chapter 2. A Scalable Fiber-Optic Force Sensing Structure for Single- and Multi-Axis Applications in Robotic End-Effectors 9
• 2.1. Introduction 9
• 2.2. Design Methods 12
• 2.2.1 Theoretical Modeling 13
• 2.2.2 Simulation-Based Stain Analysis 17
• 2.2.3 Experimental Validation of Strain Amplification 20
• 2.4. Applications 22
• 2.4.1 Miniaturized Catheter Tip 22
• 2.4.2 Multi-Axis Force-Sensing Fingertip 30
• 2.5. Discussion 37
• Chapter 3. Underactuated Robotic Hand with Fiber-Optic Force Sensing Tendons 39
• 3.1. Introduction 39
• 3.2. Design 43
• 3.2.1 Finger Design and Tendon Routing 44
• 3.2.2 Robotic Hand Assembly 47
• 3.3. Characterization 48
• 3.3.1 Single Finger Characterization 48
• 3.3.2 Robotic Hand Characterization 52
• 3.4. Discussion 59
• Chapter 4. A Multi-Fingered Robotic Hand with Fiber-Optic Force and Tactile Sensing for Remote Manipulation 62
• 4.1. Introduction 62
• 4.2. Design 68
• 4.2.1 Hardware Design 68
• 4.2.2 Kinematic and Kinetic Analysis 72
• 4.3. Fiber-Optic Sensing Tendon 76
• 4.3.1 Force Calibration 76
• 4.3.2 Temperature Compensation 79
• 4.4. Teleoperation 83
• 4.4.1 System Architecture 83
• 4.4.2 Short-Distance Remote Manipulation 86
• 4.4.3 Intercontinental Teleoperation 89
• 4.5. Discussion 96
• Chapter 5. Conclusion 103
• Chapter 6. Appendix 106
• 6.1. Specifications of FBGs and Optical Interrogator 106
• 6.2. Influence of Humidity on Polyimide-Coated FBGs 107
• Bibliography 108
• 국문 초록 124