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KR102143529B1 - Highly sensitive balloon typed sensor - Google Patents

Highly sensitive balloon typed sensor Download PDF

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KR102143529B1
KR102143529B1 KR1020180157253A KR20180157253A KR102143529B1 KR 102143529 B1 KR102143529 B1 KR 102143529B1 KR 1020180157253 A KR1020180157253 A KR 1020180157253A KR 20180157253 A KR20180157253 A KR 20180157253A KR 102143529 B1 KR102143529 B1 KR 102143529B1
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balloon
membrane body
type membrane
sensor
type
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고제성
강대식
한승용
김태위
김동진
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아주대학교산학협력단
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    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges

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Abstract

고감도 풍선형 센서가 개시된다. 풍선형 센서는 내부에 기체를 수용하는 밀폐된 공간을 구비하는 풍선형 구조를 갖는 풍선형 멤브레인 바디; 상기 풍선형 멤브레인 바디 표면에 부착되고, 저항 변화를 통해 상기 풍선형 멤브레인 바디에 인가되는 외부 힘을 감지하는 스트레인 센서; 및 상기 스트레인 센서의 저항 변화를 측정하는 저항변화 측정기를 구비한다.Disclosed is a high-sensitivity balloon-type sensor. The balloon-type sensor includes a balloon-type membrane body having a balloon-type structure having a closed space for accommodating gas therein; A strain sensor attached to a surface of the balloon-shaped membrane body and sensing an external force applied to the balloon-shaped membrane body through a change in resistance; And a resistance change measuring device for measuring a change in resistance of the strain sensor.

Description

고감도 풍선형 센서{HIGHLY SENSITIVE BALLOON TYPED SENSOR}High sensitivity balloon type sensor {HIGHLY SENSITIVE BALLOON TYPED SENSOR}

본 발명은 소프트 로봇에 적용될 수 있는 고감도 풍선형 센서에 관한 것이다. The present invention relates to a highly sensitive balloon-type sensor that can be applied to a soft robot.

로봇에 대한 기술이 발전하고 인간 생활에 대한 로봇의 기여가 증가함에 따라, 플렉시블하고 소프트한 재질로 형성되어 인간과 안전한 상호 작용이 가능한 로봇에 대한 요구가 증가하고 있다. 예를 들면, 전통적인 로봇은 소프트한 물질을 집는 것과 같은 기능을 구현하기 매우 어려운데, 소프트 로봇에서는 이러한 기능을 용이하게 달성할 수 있다. 공기 주입으로 부풀릴 수 있는 로봇 팔은 낮은 비용, 가벼운 무게 및 안전한 충돌 등과 같은 잠재력을 보여줬다. As the technology for robots advances and the contribution of robots to human life increases, there is an increasing demand for robots that are formed of flexible and soft materials and are capable of safe interaction with humans. For example, traditional robots are very difficult to implement functions such as picking up soft materials, but soft robots can easily achieve these functions. The robotic arm, which can be inflated by air injection, has shown potential such as low cost, light weight and safe collision.

공기 주입에 의해 부풀려질 수 있는 구조를 갖는 이러한 소프트 로봇의 대부분은 압력 센서로부터의 압력 데이터에 기초하여 동작하고 제어된다. 그러나 종래의 압력 센서는 대부분 소프트 로봇에 연결되기 위한 튜브들을 필요로 하고, 전통적인 압력 센서는 소프트한 물질에 쉽게 적용되기 어려운 단단한 소자들이기 때문에 압력 센서 및 연결 튜브들이 설치되기 위한 추가적인 공간을 필요로 한다. Most of these soft robots, which have structures that can be inflated by air injection, operate and are controlled based on pressure data from pressure sensors. However, most of the conventional pressure sensors require tubes to be connected to the soft robot, and since traditional pressure sensors are hard elements that are difficult to be easily applied to soft materials, an additional space is required for the pressure sensor and connection tubes to be installed. .

이러한 전통적인 압력 센서의 문제를 해결할 수 있는 소프트 로봇용 센서의 개발이 요구된다.There is a need to develop a sensor for a soft robot that can solve the problem of these traditional pressure sensors.

본 발명의 목적은 외부 힘을 매우 고감도를 감지할 수 있고, 소프트 로봇에 용이하게 적용할 수 있는 풍선형 센서를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a balloon-type sensor that can detect very high sensitivity of an external force and can be easily applied to a soft robot.

본 발명의 실시예에 따른 풍선형 센서는 내부에 기체를 수용하는 밀폐된 공간을 구비하는 풍선형 구조를 갖는 풍선형 멤브레인 바디; 상기 풍선형 멤브레인 바디 표면에 부착되고, 저항 변화를 통해 상기 풍선형 멤브레인 바디에 인가되는 외부 힘을 감지하는 스트레인 센서; 및 상기 스트레인 센서의 저항 변화를 측정하는 저항변화 측정기를 포함한다. A balloon-type sensor according to an embodiment of the present invention includes a balloon-type membrane body having a balloon-type structure having a closed space for accommodating gas therein; A strain sensor attached to a surface of the balloon-shaped membrane body and sensing an external force applied to the balloon-shaped membrane body through a change in resistance; And a resistance change meter measuring a change in resistance of the strain sensor.

일 실시예에 있어서, 상기 스트레인 센서는 상기 풍선형 멤브레인 바디의 외부 표면에 부착된 지지 필름; 및 상기 지지 필름 상에 형성된 저항 변화층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 저항 변화층은 크랙이 도입된 하나 이상의 금속 박막을 포함할 수 있다. In one embodiment, the strain sensor is a support film attached to the outer surface of the balloon-type membrane body; And a resistance change layer formed on the support film. For example, the resistance change layer may include one or more metal thin films into which cracks are introduced.

일 실시예에 있어서, 상기 풍선형 멤브레인 바디는 제1 고분자 재료로 형성되고, 상기 지지 필름은 상기 제1 고분자 재료와 동일하거나 이보다 팽창 계수가 큰 제2 고분자 재료로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 고분자 재료는 폴리에틸렌 또는 폴리이미드를 포함하고, 상기 제2 고분자 재료는 폴리에틸렌, 폴리이미드, 실리콘 고무 또는 우레탄 고무를 포함할 수 있다. In one embodiment, the balloon-type membrane body may be formed of a first polymer material, and the support film may be formed of a second polymer material having an expansion coefficient equal to or greater than that of the first polymer material. For example, the first polymer material may include polyethylene or polyimide, and the second polymer material may include polyethylene, polyimide, silicone rubber or urethane rubber.

일 실시예에 있어서, 상기 풍선형 멤브레인 바디는 50 내지 100 ㎛의 두께를 갖고, 상기 지지 필름은 5 내지 20 ㎛의 두께를 가질 수 있다. In one embodiment, the balloon-type membrane body may have a thickness of 50 to 100 μm, and the support film may have a thickness of 5 to 20 μm.

일 실시예에 있어서, 상기 지지 필름은 제1 방향으로의 폭 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로의 길이를 갖고, 상기 길이는 상기 폭보다 크며, 상기 지지 필름은 상기 제2 방향에 대한 양쪽 단부 부분이 상기 풍선형 멤브레인 바디에 부착될 수 있다. In one embodiment, the support film has a width in a first direction and a length in a second direction orthogonal to the first direction, the length is greater than the width, and the support film is in the second direction. Both end portions of the balloon may be attached to the inflatable membrane body.

일 실시예에 있어서, 상기 스트레인 센서는 상기 풍선형 멤브레인 바디에 상기 기체가 주입되기 전 상기 스트레인 센서 하부의 영역에 주름이 도입된 상태에서 상기 풍선형 멤브레인 바디에 부착되고, 상기 풍선형 멤브레인 바디 내부에 상기 기체가 주입된 상태에서, 상기 스트레인 센서에는 상기 풍선형 멤브레인 바디 내부 압력에 의해 야기되는 장력이 인가될 수 있다. 예를 들면, 상기 장력에 의해 상기 지지 필름의 표면적은 초기 대비 약 0.00001% 내지 1000% 증가할 수 있다. In one embodiment, the strain sensor is attached to the balloon-type membrane body in a state in which wrinkles are introduced in a region under the strain sensor before the gas is injected into the balloon-type membrane body, and inside the balloon-type membrane body In a state in which the gas is injected, a tension caused by pressure inside the balloon-type membrane body may be applied to the strain sensor. For example, by the tension, the surface area of the support film may increase from about 0.00001% to 1000% compared to the initial period.

일 실시예에 있어서, 상기 풍선형 멤브레인 바디의 내부 압력은 1 내지 1 MPa일 수 있다. In one embodiment, the internal pressure of the inflatable membrane body may be 1 to 1 MPa.

일 실시예에 있어서, 상기 풍선형 센서는 상기 풍선형 멤브레인 바디에 대한 물체의 충격 및 상기 충격에 의해 야기되는 상기 풍선형 멤브레인 바디의 진동을 감지할 수 있다.In one embodiment, the balloon-type sensor may sense an impact of an object on the balloon-type membrane body and a vibration of the balloon-type membrane body caused by the impact.

본 발명의 고감도 풍선형 센서에 따르면, 풍선형 멤브레인 바디의 거의 대부분의 영역에 인가되는 외부 힘을 매우 고감도를 감지할 수 있어서, 소프트 로봇에 용이하게 적용할 수 있다.According to the high-sensitivity balloon-type sensor of the present invention, an external force applied to almost all areas of the balloon-type membrane body can be sensed very highly sensitively, so that it can be easily applied to a soft robot.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고감도 풍선형 센서를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 절단선 A-A'을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 풍선형 센서의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 실시예 1 내지 3의 풍선형 센서를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 도 4에 도시된 방법에 따라 제조된 풍선형 센서의 사진을 나타내고, 도 5b는 실험을 위한 측정 시스템을 나타내는 도면이다.
도 6은 실시예 1 내지 3의 풍선형 센서에 대해 측정된 외부 힘에 대한 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 3의 풍선형 센서(Inflatable sensor)와 종래 압력 센서(MPX5100ap)(Pressure sensor)에 대해 측정된 외부 힘에 대한 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 실시예 1의 풍선형 센서에 대해 외부 힘이 인가되는 위치를 변경하면서 측정된 외부 힘에 대한 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예 1의 풍선형 센서에서 스트레인 센서로부터 6cm 떨어진 지점에 외부 힘(2N, 4N, 8N, 12N)을 인가하고 측정된 시간에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 1의 풍선형 센서에 대하여 8N의 외부 힘에 대한 응답 속도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예 1의 풍선형 센서에 대해 물체(2.2g, 1.0g, 0.4g, 0.2g)를 30cm의 높이에서 떨어뜨린 후 측정된 시간에 따른 저항변화를 나타내는 그래프이다.
1 is a plan view illustrating a high-sensitivity balloon-type sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the cutting line A-A' shown in FIG. 1.
3 is a cross-sectional view for explaining the structure of a high-sensitivity balloon-type sensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a method of manufacturing the balloon-type sensor of Examples 1 to 3.
5A is a photograph of a balloon-type sensor manufactured according to the method shown in FIG. 4, and FIG. 5B is a diagram illustrating a measurement system for an experiment.
6 is a graph showing a change in resistance to an external force measured for the balloon-type sensor of Examples 1 to 3.
7 is a graph showing a change in resistance to an external force measured for the inflatable sensor of Example 3 and the conventional pressure sensor (MPX5100ap).
8 is a graph showing a change in resistance to an external force measured while changing a position to which an external force is applied to the balloon-type sensor of Example 1. FIG.
9 is a graph showing a change in resistance according to time measured after applying an external force (2N, 4N, 8N, 12N) to a point 6cm away from the strain sensor in the balloon-type sensor of Example 1. FIG.
10 is a graph showing the result of measuring the response speed to an external force of 8N for the balloon-type sensor of Example 1.
11 is a graph showing a change in resistance over time measured after dropping an object (2.2g, 1.0g, 0.4g, 0.2g) from a height of 30cm for the balloon-type sensor of Example 1. FIG.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention can be applied to various changes and may have various forms, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to specific disclosure forms, and it should be understood that all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention are included. In describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown to be enlarged than actual in order to clarify the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, action, component, or combination thereof, described in the specification exists, one or more other features or numbers. It should be understood that it does not preclude the existence or addition possibility of steps, steps, elements, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms, such as those defined in a commonly used dictionary, should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present application. Does not.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고감도 풍선형 센서를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 절단선 A-A'을 따라 절단한 단면도이다. 1 is a plan view for explaining a high-sensitivity balloon-type sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line A-A' shown in FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고감도 풍선형 센서(100)는 풍선형 멤브레인 바디(110), 스트레인 센서(120) 및 저항변화 측정기(130)를 포함한다.1 and 2, the high-sensitivity balloon-type sensor 100 according to an embodiment of the present invention includes a balloon-type membrane body 110, a strain sensor 120, and a resistance change meter 130.

상기 풍선형 멤브레인 바디(110)는 내부에 공기와 같은 기체를 수용하는 밀폐된 공간을 구비하는 풍선형 구조를 가질 수 있다. 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)의 내부 공간은 기설정된 압력을 갖도록 기체가 채워질 수 있고, 외부 힘이 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)의 표면에 인가된 경우 내부 압력에 의해 상기 내부공간이 변형되어 상기 스트레인 센서(120)의 저항을 변화시킬 수 있다. The balloon-shaped membrane body 110 may have a balloon-shaped structure having a closed space for accommodating a gas such as air therein. The inner space of the balloon-type membrane body 110 may be filled with gas to have a preset pressure, and when an external force is applied to the surface of the balloon-type membrane body 110, the inner space is deformed by the internal pressure. The resistance of the strain sensor 120 may be changed.

표면에 인가된 외부 힘에 의해 변형될 수 있는 내부공간을 구비한다면, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)는 일방향으로 길게 연장된 실린더 형상을 갖거나 구형 형상 또는 비정형 형상을 가질 수 있고, 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다.If an inner space that can be deformed by an external force applied to the surface is provided, the shape of the balloon-type membrane body 110 is not particularly limited. For example, the balloon-type membrane body 110 may have a cylindrical shape that extends long in one direction, or may have a spherical shape or an atypical shape, and may be variously changed as necessary.

일 실시예에 있어서, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)는 상대적으로 낮은 팽창 계수를 갖고 일정한 강도(stiffness)를 갖는 고분자 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)는 폴리에틸렌(PE), 폴리이미드(PI) 등의 재질로 형성될 수 있다. 만약 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)가 상대적으로 높은 팽창 계수를 갖는 실리콘이나 우레탄 고부 등과 같은 재질로 형성된다면, 상기 스트레인 센서(120)의 저항 변화와 외부 힘의 크기 사이의 관련성을 모델링하는 것에 대한 문제점이 발생할 수 있다. In one embodiment, the balloon-type membrane body 110 may be formed of a polymer material having a relatively low coefficient of expansion and a constant stiffness. For example, the balloon-shaped membrane body 110 may be formed of a material such as polyethylene (PE) or polyimide (PI). If the balloon-shaped membrane body 110 is formed of a material such as silicone or urethane having a relatively high coefficient of expansion, the relationship between the resistance change of the strain sensor 120 and the magnitude of the external force is modeled. Problems can arise.

일 실시예에 있어서, 상대적으로 안정한 구조적 강도를 제공하면서도, 미세한 외부 힘에도 내부 압력에 의해 내부 공간이 변형시킬 수 있도록, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)는 약 50 내지 100 ㎛의 두께를 갖는 고분자 필름으로 형성될 수 있다.In one embodiment, while providing relatively stable structural strength, the balloon-type membrane body 110 is a polymer having a thickness of about 50 to 100 μm so that the inner space can be deformed by the internal pressure even with a slight external force. It can be formed into a film.

상기 스트레인 센서(120)는 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)의 외부 표면에 부착될 수 있고, 저항 변화를 통해 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)에 인가되는 외부 힘 및 이에 의해 야기되는 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)의 진동들을 감지할 수 있다. 예를 들면, 외부 힘에 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)의 표면에 인가되는 경우, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)의 내부공간은 상기 외부 힘에 의해 변형되고, 이러한 내부공간의 변형은 상기 스트레인 센서(120)의 저항 변화를 야기할 수 있다. The strain sensor 120 may be attached to the outer surface of the balloon-type membrane body 110, and an external force applied to the balloon-type membrane body 110 through a change in resistance and the balloon-type membrane caused thereby Vibrations of the body 110 may be detected. For example, when an external force is applied to the surface of the balloon-type membrane body 110, the internal space of the balloon-type membrane body 110 is deformed by the external force, and the deformation of the internal space is the strain. It may cause a change in resistance of the sensor 120.

일 실시예에 있어서, 상기 스트레인 센서(120)는 고감도 크랙 센서를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 스트레인 센서(120)는 지지 필름(121) 및 상기 지지 필름(121) 상에 형성된 저항 변화층(122)을 포함할 수 있다. In one embodiment, the strain sensor 120 may include a highly sensitive crack sensor. In this case, the strain sensor 120 may include a support film 121 and a resistance change layer 122 formed on the support film 121.

상기 지지 필름(121)은 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)의 외부 표면에 부착될 수 있다. 상기 지지 필름(121)은 일정한 길이와 폭을 갖는 직사각형 형상을 가질 수 있고, 상기 지지 필름(121)의 면적은 필요에 따라 적절하게 조절될 수 있다. The support film 121 may be attached to the outer surface of the inflatable membrane body 110. The support film 121 may have a rectangular shape having a certain length and width, and the area of the support film 121 may be appropriately adjusted as necessary.

일 실시예에 있어서, 상기 고감도 풍선형 센서(100)의 민감도를 향상시키기 위해, 상기 지지 필름(121)은 가능하면 얇게, 예를 들면, 약 5 내지 20 ㎛의 두께로 형성될 수 있고, 또한 양쪽 단부만이 접착제(123)에 의해 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)의 외부 표면에 부착될 수 있다. In one embodiment, in order to improve the sensitivity of the high-sensitivity balloon-type sensor 100, the support film 121 may be formed as thin as possible, for example, to a thickness of about 5 to 20 μm, and Only both ends may be attached to the outer surface of the balloon-type membrane body 110 by the adhesive 123.

일 실시예에 있어서, 상기 지지 필름(121)은 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)를 이루는 고분자 물질과 동일한 물질 또는 이보다 팽창 계수가 큰 고분자 재질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 지지 필름(121)은 폴리이미드, 폴리에틸렌, 실리콘 고무, 우레탄 고무 등의 재질로 형성될 수 있다. In one embodiment, the support film 121 may be formed of the same material as the polymer material constituting the balloon-type membrane body 110 or a polymer material having a higher expansion coefficient. For example, the support film 121 may be formed of a material such as polyimide, polyethylene, silicone rubber, or urethane rubber.

상기 저항 변화층(122)은 상기 지지 필름(121) 상에 배치될 수 있고, 크랙이 도입된 하나 이상의 금속 박막을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 저항 변화층(122)은 적층된 크롬(Cr) 박막 및 금(Au) 박막을 포함할 수 있다. The resistance change layer 122 may be disposed on the support film 121 and may include one or more metal thin films into which cracks are introduced. For example, the resistance change layer 122 may include a stacked chromium (Cr) thin film and a gold (Au) thin film.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고감도 풍선형 센서의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating the structure of a high-sensitivity balloon-type sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2와 함께 도 3을 참조하면, 상기 고감도 풍선형 센서(100)의 민감도를 향상시키기 위해, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)에 기체를 주입하기 전, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)에 상기 스트레인 센서(120)를 부착하는 과정에서, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)의 표면 중 상기 스트레인 센서(120) 하부의 영역에 주름이 도입된 상태에서 상기 스트레인 센서(120)이 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)에 부착될 수 있다. 이 경우, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)에 기체가 주입되면, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)의 내부 압력에 의해 상기 스트레인 센서(120)에 보다 큰 장력이 인가되고 그 결과 상기 고감도 풍선형 센서(100)의 민감도가 향상될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)에 공기가 주입된 상태에서, 상기 지지 필름(121)의 표면적이 초기 대비 약 0.00001% 내지 1000% 증가하도록 상기 스트레인 센서(120) 하부의 영역에 주름이 도입될 수 있다. 예를 들면, 상기 풍선형 멤브레인 바디(110)에 공기가 주입된 상태에서, 상기 지지 필름(121)의 표면적은 초기 대비 약 1 내지 100%, 약 5 내지 80% 또는 약 10 내지 50% 증가하도록 상기 스트레인 센서(120) 하부의 영역에 주름이 도입될 수 있다. Referring to FIG. 3 along with FIGS. 1 and 2, in order to improve the sensitivity of the high-sensitivity balloon-type sensor 100, before injecting gas into the balloon-type membrane body 110, the balloon-type membrane body 110 ), in the process of attaching the strain sensor 120 to the balloon-type membrane body 110, in a state in which a wrinkle is introduced into a region under the strain sensor 120 of the balloon-type membrane body 110, the strain sensor 120 It may be attached to the type membrane body 110. In this case, when gas is injected into the balloon-type membrane body 110, a greater tension is applied to the strain sensor 120 by the internal pressure of the balloon-type membrane body 110, and as a result, the high-sensitivity balloon-type sensor The sensitivity of (100) can be improved. In one embodiment, in a state in which air is injected into the balloon-type membrane body 110, the area under the strain sensor 120 increases so that the surface area of the support film 121 increases by about 0.00001% to 1000% compared to the initial stage. Wrinkles may be introduced into the For example, in a state in which air is injected into the balloon-type membrane body 110, the surface area of the support film 121 increases by about 1 to 100%, about 5 to 80%, or about 10 to 50% compared to the initial stage. A wrinkle may be introduced into a region under the strain sensor 120.

상기 지지 필름(121)의 표면적 증가 비율이 초기 대비 0.00001% 미만이면 민감도 향상에 기여하지 못하는 문제점이 있고, 1000%를 초과하는 경우에는 오히려 민감도를 저하시키는 문제점이 발생할 수 있다. If the surface area increase ratio of the support film 121 is less than 0.00001% compared to the initial period, there is a problem that it does not contribute to the sensitivity improvement, and if it exceeds 1000%, the sensitivity may be decreased.

상기 저항변화 측정기(130)는 상기 스트레인 센서(120)에 전기적으로 연결되어 상기 스트레인 센서(120)의 저항 변화를 측정할 수 있다. 예를 들면, 상기 스트레인 센서(120)가 크랜 센서인 경우, 상기 저항변화 측정기(130)는 상기 저항 변화층(122)의 서로 이격된 지점에 전기적으로 연결되어 상기 저항 변화층(122)의 저항 변화를 측정할 수 있다. The resistance change meter 130 may be electrically connected to the strain sensor 120 to measure a change in resistance of the strain sensor 120. For example, when the strain sensor 120 is a cran sensor, the resistance change meter 130 is electrically connected to a point spaced apart from each other of the resistance change layer 122 to determine the resistance of the resistance change layer 122. Change can be measured.

상기 스트레인 센서(120)의 저항 변화를 측정할 수 있다면 상기 저항변화 측정기(130)의 구조 및 형상은 특별히 제한되지 않는다. As long as the resistance change of the strain sensor 120 can be measured, the structure and shape of the resistance change meter 130 are not particularly limited.

본 발명의 고감도 풍선형 센서에 따르면, 풍선형 멤브레인 바디의 거의 대부분의 영역에 인가되는 외부 힘을 매우 고감도를 감지할 수 있어서, 소프트 로봇에 용이하게 적용할 수 있다. According to the high-sensitivity balloon-type sensor of the present invention, an external force applied to almost all areas of the balloon-type membrane body can be sensed very highly sensitively, so that it can be easily applied to a soft robot.

이하 본 발명의 실시예 및 실험예에 대해 상술한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 일 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, examples and experimental examples of the present invention will be described in detail. However, the following examples are only one embodiment of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

[실시예 1 내지 3][Examples 1 to 3]

도 4에 도시된 바에 따라 내부 압력이 서로 다른 3가지 풍선형 센서가 제조되었다.As shown in FIG. 4, three balloon-type sensors having different internal pressures were manufactured.

먼저, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 크랙 센서를 제조하였다. 상기 크랙 센서를 제조하기 위해, 7.5 ㎛ 두께의 폴리이미드(PI) 필름을 PDMS로 코팅된 글라스 기판 상에 부착한 후 금속막과의 접착력을 향상시키기 위해 PI 필름에 플라즈마 처리를 수행하였고, 이어서 PI 필름 상에 50nm 두께의 크롬(Cr) 층 및 30nm 두께의 금(Au) 층을 순차적으로 증착하였으며, 상기 크롬(Cr) 층 및 금(Au) 층에 크랙을 도입하기 위해 초기 길이의 2%를 신장하였다. First, a crack sensor was manufactured as shown in (b) of FIG. 4. To manufacture the crack sensor, after attaching a 7.5 µm-thick polyimide (PI) film on a glass substrate coated with PDMS, plasma treatment was performed on the PI film to improve adhesion to the metal film, and then PI A 50 nm-thick chromium (Cr) layer and a 30 nm-thick gold (Au) layer were sequentially deposited on the film, and 2% of the initial length was used to introduce cracks in the chromium (Cr) layer and the gold (Au) layer. Stretched.

이어서, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 폭 6cm 및 길이 17cm를 갖는 풍선형 멤브레인 바디를 형성하였다. 상기 풍선형 멤브레인 바디를 형성하기 위해, 80㎛ 두께의 LDPE((low-density polyethylene) 필름 2장을 적층한 후 기 설정된 라인을 따라 열을 인가하여 상기 2장의 LDPE 필름을 상기 라인을 따라 열접착한 후 이를 절단하여 상기 풍선형 멤브레인 바디를 제조하였다. Subsequently, a balloon-type membrane body having a width of 6 cm and a length of 17 cm was formed as shown in FIG. 4A. To form the balloon-shaped membrane body, two LDPE (low-density polyethylene) films having a thickness of 80 μm are laminated and heat is applied along a preset line to heat-bond the two LDPE films along the line. Then, the balloon-type membrane body was manufactured by cutting it.

이어서, 상기 크랙 센서를 접착제를 이용하여 상기 풍선형 멤브레인 바디에 부착하였다. 이 때, 크랙 센서의 양쪽 단부 영역만을 상기 풍선형 멤브레인 바디에 부착하여 상기 크랙 센서와 상기 풍선형 멤브레인 바디 사이에 접착층이 형성됨으로서 센서의 감도가 저하되는 것을 방지하였다. Then, the crack sensor was attached to the balloon-type membrane body using an adhesive. At this time, only both end regions of the crack sensor were attached to the balloon-type membrane body, thereby preventing a decrease in sensitivity of the sensor by forming an adhesive layer between the crack sensor and the balloon-type membrane body.

이어서, 상기 크랙 센서의 양단을 와이어를 이용하여 저항 측정기에 연결한 후 상기 풍선형 멤브레인 바디 내부에 공기를 주입하여 풍선형 센서를 제작하였다. 이 때, 상기 풍선형 멤브레인 바디 내부의 초기 압력이 2kPa(실시예 1), 5kPa(실시예 2) 및 8kPa(실시예 3)이 되도록 공기가 주입되었다.Subsequently, after connecting both ends of the crack sensor to a resistance meter using a wire, air was injected into the balloon-type membrane body to produce a balloon-type sensor. At this time, air was injected so that the initial pressure inside the balloon-type membrane body was 2 kPa (Example 1), 5 kPa (Example 2), and 8 kPa (Example 3).

도 5a는 제조된 풍선형 센서의 사진을 나타내고, 도 5b는 실험을 위한 측정 시스템을 나타내는 도면이다. Figure 5a shows a photograph of the manufactured balloon-type sensor, Figure 5b is a diagram showing a measurement system for the experiment.

[실험예][Experimental Example]

도 6은 실시예 1 내지 3의 풍선형 센서에 대해 측정된 외부 힘에 대한 저항 변화를 나타내는 그래프이다. 이 때, 외부 힘이 풍선형 멤브레인 바디의 표면 중 크랙 센서로부터 6cm 이격된 위치에 인가되었다.6 is a graph showing a change in resistance to an external force measured for the balloon-type sensor of Examples 1 to 3. At this time, an external force was applied to a position 6 cm apart from the crack sensor on the surface of the balloon-type membrane body.

도 6을 참조하면, 저항의 변화는 초기 압력이 2kPa인 경우에서 가장 급격하게 증가하는 것이 관측되었고, 내부 압력이 8kPa인 센서에서 저항 변화가 가장 작은 것으로 나타났다. Referring to FIG. 6, the change in resistance was observed to increase most rapidly when the initial pressure was 2 kPa, and it was found that the resistance change was the smallest in the sensor having an internal pressure of 8 kPa.

이로부터 풍선 내부 압력에 따라 풍선형 센서는 동일한 크기의 외부 힘에 대해 다른 응답 특성을 나타남을 확인할 수 있다. 이는 풍선의 표면에 작용하는 순수 힘(net force)은 외부 힘과 풍선 내부 압력에 의해 야기되는 내부 힘의 차이에 해당하고, 그 결과, 동일한 크기의 회부 힘에 대해, 내부 압력이 더 낮을수록 더 많은 풍선의 변형이 일어나기 때문인 것으로 판단된다. From this, it can be confirmed that the balloon-type sensor exhibits different response characteristics to external forces of the same magnitude according to the pressure inside the balloon. This means that the net force acting on the surface of the balloon corresponds to the difference between the external force and the internal force caused by the internal pressure of the balloon, and as a result, for the same magnitude of return force, the lower the internal pressure, the more It is believed that this is because many balloons are deformed.

이로부터 풍선형 멤브레인 바디의 내부 압력을 조절함으로써 풍선형 센서의 민감도를 조절할 수 있음을 알 수 있고, 고감도 풍선형 센서를 제조하기 위해서는 상기 풍선형 멤브레인 바디의 내부 압력이 약 1 내지 3kPa인 것이 바람직하다. From this, it can be seen that the sensitivity of the balloon-type sensor can be adjusted by controlling the internal pressure of the balloon-type membrane body.In order to manufacture a high-sensitivity balloon-type sensor, the internal pressure of the balloon-type membrane body is preferably about 1 to 3 kPa. Do.

도 7은 실시예 3의 풍선형 센서(Inflatable sensor)와 종래 압력 센서(MPX5100ap)(Pressure sensor)에 대해 측정된 외부 힘에 대한 저항 변화를 나타내는 그래프이다. 7 is a graph showing a change in resistance to an external force measured for the inflatable sensor of Example 3 and the conventional pressure sensor (MPX5100ap).

도 7을 참조하면, 종래 압력 센서는 외부 힘이 1.5N 이상이 될 때까지 저항 변화가 나타나지 않아서 이를 감지할 수 없었으나, 실시예 3의 풍선형 센서는 1.5N 이하에서도 저항 변화가 발생하여 아주 작은 외부 힘까지도 감지할 수 있는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 7, in the conventional pressure sensor, the resistance change did not appear until the external force became 1.5N or more, and thus it could not be detected. However, the balloon-type sensor of Example 3 was very It has been shown that even small external forces can be detected.

도 8은 실시예 1의 풍선형 센서에 대해 외부 힘이 인가되는 위치를 변경하면서 측정된 외부 힘에 대한 저항 변화를 나타내는 그래프이다. 이 때, 외부 힘은 크랙 센서로부터 2.5cm, 5cm, 6cm, 7cm 이격된 위치에 인가되었다. 8 is a graph showing a change in resistance to an external force measured while changing a position to which an external force is applied to the balloon-type sensor of Example 1. FIG. At this time, the external force was applied to a location separated by 2.5cm, 5cm, 6cm, and 7cm from the crack sensor.

도 8을 참조하면, 크랙센서로부터 2.5cm 이격된 위치에 외부 힘이 인가된 경우를 제외하고는 외부 힘이 인가되는 위치가 변경되더라도 동일한 외부 힘에 대해 유사한 저항 변화가 야기되는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 8, it was found that a similar resistance change was caused for the same external force even if the location where the external force was applied was changed except for the case where the external force was applied to a location 2.5 cm apart from the crack sensor.

5cm, 6cm, 7cm 이격된 위치에서의 출력 신호들의 미세한 차이는 LDPE 필름의 공기 투과성으로 인한 내부 압력 차이 때문인 것으로 판단되고, 공기 투과성이 낮은 재질로 풍선형 멤브레인 바디를 제조하는 경우에는 외부 힘이 인가되는 위치에 따른 출력 신호의 차이를 방지할 수 있을 것으로 판단된다. The minute difference between the output signals at 5cm, 6cm, 7cm apart is considered to be due to the difference in internal pressure due to the air permeability of the LDPE film, and external force is applied when the balloon-type membrane body is manufactured with a material having low air permeability. It is determined that it is possible to prevent the difference in the output signal according to the location of the device.

상기의 결과들로부터 본 발명의 풍선형 센서는 크랙 센서와 매우 근접한 위치를 제외한 풍선형 멤브레인 바디 표면 전체 영역이 감지 영역이 될 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 풍선형 센서는 크랙 센서로부터의 거리가 너무 가까워 외부 힘에 의한 표면 변형이 직접 스트레인 센서에 영향을 미치는 경우를 제외하면, 풍선형 멤브레인 바디의 어는 위치에서나 외부 힘을 감지할 수 있다. From the above results, it can be seen that in the balloon-type sensor of the present invention, the entire area of the balloon-type membrane body surface, excluding a location very close to the crack sensor, may be the detection area. That is, the balloon-type sensor of the present invention can detect an external force at a frozen position of the balloon-type membrane body, unless the distance from the crack sensor is too close and surface deformation caused by an external force directly affects the strain sensor. have.

도 9는 실시예 1의 풍선형 센서에서 스트레인 센서로부터 6cm 떨어진 지점에 외부 힘(2N, 4N, 8N, 12N)을 인가하고 측정된 시간에 따른 저항 변화를 나타내는 그래프이다. 9 is a graph showing a change in resistance according to time measured after applying an external force (2N, 4N, 8N, 12N) to a point 6cm away from the strain sensor in the balloon-type sensor of Example 1. FIG.

도 9를 참조하면, 외부 힘에 대해 저항 변화는 안정적으로 발생하고 노이즈가 거의 없는 것으로 나타났다. 저항의 변화는 외부 힘의 증가에 대해 비선형적으로 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 크랙 센서의 저항 변화에서의 비선형성 때문인 것으로 판단된다. Referring to FIG. 9, it was found that the resistance change with respect to external force was stably generated and there was almost no noise. The change in resistance was found to increase non-linearly with the increase of the external force, which is believed to be due to the nonlinearity in the resistance change of the crack sensor.

이상의 결과로부터 본 발명의 풍선형 센서는 미세한 힘에 대해서도 안정적으로 감지할 수 있음을 확인할 수 있다. From the above results, it can be seen that the balloon-type sensor of the present invention can stably detect even a small force.

도 10은 실시예 1의 풍선형 센서에 대하여 8N의 외부 힘에 대한 응답 속도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 10 is a graph showing the result of measuring the response speed to an external force of 8N for the balloon-type sensor of Example 1.

도 10을 참조하면, 실시예 1의 풍선형 센서는 외부 힘에 대해 거의 즉각적으로 출력 응답이 발생함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10, it can be seen that the balloon-type sensor of Example 1 generates an output response almost immediately to an external force.

도 11은 실시예 1의 풍선형 센서에 대해 물체(2.2g, 1.0g, 0.4g, 0.2g)를 30cm의 높이에서 떨어뜨린 후 측정된 시간에 따른 저항변화를 나타내는 그래프이다. 11 is a graph showing a change in resistance over time measured after dropping an object (2.2g, 1.0g, 0.4g, 0.2g) from a height of 30cm for the balloon-type sensor of Example 1. FIG.

도 11을 참조하면, 실시예 1의 풍선형 센서는 풍선형 멤브레인 바디에 대한 물체의 충격뿐만 아니라 상기 충격에 의해 야기되는 풍선형 멤브레인 바디의 진동까지도 감지할 수 있음을 확인할 수 있다. 종래의 압력 센서(MPX5100ap)는 동일한 조건에서 어떠한 충격도 감지할 수 없는 것으로 나타났다. Referring to FIG. 11, it can be seen that the balloon-type sensor of Example 1 can detect not only the impact of an object on the balloon-type membrane body, but also vibration of the balloon-type membrane body caused by the impact. It was found that the conventional pressure sensor (MPX5100ap) cannot detect any impact under the same conditions.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. You will understand that you can.

100: 풍선형 센서 110: 풍선형 멤브레인 바디
120: 스트레인 센서 130: 저항변화 측정기
100: balloon sensor 110: balloon membrane body
120: strain sensor 130: resistance change meter

Claims (11)

내부에 기체를 수용하는 밀폐된 공간을 구비하는 풍선형 구조를 갖는 풍선형 멤브레인 바디;
상기 풍선형 멤브레인 바디 표면에 부착되고, 저항 변화를 통해 상기 풍선형 멤브레인 바디에 인가되는 외부 힘을 감지하는 스트레인 센서; 및
상기 스트레인 센서의 저항 변화를 측정하는 저항변화 측정기를 포함하고,
상기 스트레인 센서는 상기 풍선형 멤브레인 바디의 외부 표면에 부착된 지지 필름; 및 상기 지지 필름 상에 부착된 크랙이 도입된 하나 이상의 금속 박막을 구비하는 저항 변화층을 포함하고,
상기 지지 필름은 제1 방향으로의 폭 및 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로의 길이를 갖고, 상기 길이는 상기 폭보다 크며, 상기 지지 필름은 상기 제2 방향에 대한 양쪽 단부 부분만이 상기 풍선형 멤브레인 바디에 부착된 것을 특징으로 하는, 풍선형 센서.
A balloon-type membrane body having a balloon-shaped structure having a closed space for accommodating gas therein;
A strain sensor attached to a surface of the balloon-type membrane body and sensing an external force applied to the balloon-type membrane body through a change in resistance; And
Including a resistance change measuring device for measuring the resistance change of the strain sensor,
The strain sensor may include a support film attached to the outer surface of the inflatable membrane body; And a resistance change layer having one or more metal thin films into which cracks attached to the support film are introduced,
The support film has a width in a first direction and a length in a second direction orthogonal to the first direction, the length is greater than the width, and the support film has only both end portions of the second direction A balloon-type sensor, characterized in that attached to the balloon-type membrane body.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 풍선형 멤브레인 바디는 제1 고분자 재료로 형성되고, 상기 지지 필름은 상기 제1 고분자 재료와 동일하거나 이보다 팽창 계수가 큰 제2 고분자 재료로 형성된 것을 특징으로 하는, 풍선형 센서.
The method of claim 1,
The balloon-type membrane body is formed of a first polymer material, and the support film is formed of a second polymer material having an expansion coefficient equal to or greater than that of the first polymer material.
제4항에 있어서,
상기 제1 고분자 재료는 폴리에틸렌 또는 폴리이미드를 포함하고, 상기 제2 고분자 재료는 폴리에틸렌, 폴리이미드, 실리콘 고무 또는 우레탄 고무를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풍선형 센서.
The method of claim 4,
The first polymer material comprises polyethylene or polyimide, and the second polymer material comprises polyethylene, polyimide, silicone rubber or urethane rubber.
제1항에 있어서,
상기 풍선형 멤브레인 바디는 50 내지 100 ㎛의 두께를 갖고, 상기 지지 필름은 5 내지 20 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 풍선형 센서.
The method of claim 1,
The balloon-type membrane body has a thickness of 50 to 100 μm, and the support film has a thickness of 5 to 20 μm.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 스트레인 센서의 지지 필름은 상기 풍선형 멤브레인 바디에 상기 기체가 주입되기 전 상기 스트레인 센서 하부의 영역에 주름이 도입된 상태에서 상기 양쪽 단부 부분만이 상기 풍선형 멤브레인 바디에 부착되고,
상기 풍선형 멤브레인 바디 내부에 상기 기체가 주입된 상태에서, 상기 스트레인 센서에는 상기 풍선형 멤브레인 바디 내부 압력에 의해 야기되는 장력이 인가되는 것을 특징으로 하는, 풍선형 센서.
The method of claim 1,
The support film of the strain sensor is attached to the balloon-type membrane body only at both end portions in a state in which wrinkles are introduced in the region under the strain sensor before the gas is injected into the balloon-type membrane body,
In a state in which the gas is injected into the balloon-type membrane body, a tension caused by pressure inside the balloon-type membrane body is applied to the strain sensor.
제8항에 있어서,
상기 장력에 의해 상기 지지 필름의 표면적은 초기 대비 0.00001% 내지 1000% 증가하는 것을 특징으로 하는, 풍선형 센서.
The method of claim 8,
The balloon-type sensor, characterized in that the surface area of the support film increases by 0.00001% to 1000% compared to the initial period by the tension.
제1항에 있어서,
상기 풍선형 멤브레인 바디의 내부 압력은 1 내지 1 MPa인 것을 특징으로 하는, 풍선형 센서.
The method of claim 1,
The balloon-type sensor, characterized in that the internal pressure of the balloon-type membrane body is 1 to 1 MPa.
제1항에 있어서,
상기 풍선형 멤브레인 바디에 대한 물체의 충격 및 상기 충격에 의해 야기되는 상기 풍선형 멤브레인 바디의 진동을 감지하는 것을 특징으로 하는, 풍선형 센서.
The method of claim 1,
A balloon-type sensor, characterized in that for detecting an impact of an object on the balloon-type membrane body and a vibration of the balloon-type membrane body caused by the impact.
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