📃CoinFT 리뷰

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A Coin-Sized, Capacitive 6-Axis Force Torque Sensor for Robotic Applications

Published

March 12, 2026

🤔 CoinFT는 로봇 애플리케이션을 위한 콤팩트하고 가벼우며 저렴하고 견고한 capacitive 6-axis F/T 센서입니다.
💡 이 센서는 빗 모양의 전극을 가진 두 개의 rigid PCB와 실리콘 고무 기둥을 사용하여, Normal 및 Shear 모드에서 전극을 교차 전환하며 6축 힘과 토크를 민감하게 측정합니다.
🚀 CoinFT는 로봇 손가락의 정교한 조작과 드론의 접촉 기반 작업에 대한 유틸리티를 보여주었으며, 디자인, 제작, 펌웨어는 오픈 소스로 제공됩니다.

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CoinFT는 로봇 애플리케이션을 위한 동전 크기의 정전식(capacitive) 6축 힘/토크(Force/Torque, F/T) 센서이다. 이 센서는 콤팩트하고 가벼우며 저렴하고 견고하며, 평균 루트-평균-제곱 오차(root-mean-squared error, RMSE)가 힘(force)에 대해 0.16 N, 모멘트(moment)에 대해 1.08 mNm로, 일반(normal) 방향으로 0~14 N, 전단(shear) 방향으로 0~5 N 범위의 입력에 대해 우수한 성능을 보인다. CoinFT는 두 개의 견고한 PCB(Printed Circuit Board) 스택으로 구성되며, 빗 모양(comb-shaped) 전극이 실리콘 고무(silicone rubber) 필러(pillar) 배열에 의해 연결된다. 마이크로컨트롤러(microcontroller)는 6축 F/T 측정 감도 향상을 위해 다른 하위 집합으로 전극을 인터로게이션(interrogation)한다.

기존의 상용 6축 F/T 센서(예: ATI Gamma, MinebeaMitsumi, ReSense)는 크기, 무게, 견고성, 비용 측면에서 다양한 로봇 플랫폼에 적용하기 어려웠다. CoinFT는 이러한 한계를 극복하여 직경 20mm, 두께 약 2mm, 무게 2g, 재료비 11달러 미만의 특징을 갖는다. 이는 드론, 로봇 말단 효과기(end-effector), 웨어러블 햅틱 장치와 같은 접촉이 많은 로봇 상호작용에 적합하다.

CoinFT의 핵심 작동 원리는 두 개의 Rigid PCB(상단 및 하단 감지 레이어) 사이의 정전 용량(capacitance) 신호 패턴 변화를 감지하는 것이다. 여기서 정전 용량 C는 C = \frac{\epsilon A}{d}로 표현되며, \epsilon은 유전 상수(dielectric constant), A는 전극의 중첩 영역(overlapping area), d는 전극 사이의 거리이다. 마이크로컨트롤러(Cypress, PSoCTM 4100S) 펌웨어는 샘플링 시퀀스마다 두 가지 다른 전극 구성인 Normal mode와 Shear mode 사이를 전환하도록 프로그래밍되어 있다. 이 재구성(reconfiguration)은 마이크로컨트롤러의 정전 용량-디지털 변환(Capacitance-to-Digital Conversion, CDC) 모듈의 내부 전자 스위치를 조작하여 달성된다.

Normal Mode에서는 상단 감지 레이어의 각 쿼드런트(quadrant) 내 전극 쌍이 내부적으로 연결되어 Z1, Z2, Z3, Z4의 네 개의 단일 전극으로 기능하고, 하단 감지 레이어의 두 전극은 접지(ground)에 연결된다. 이 모드는 주로 전극 간 거리(d)의 변화에 민감하며, Fz, Mx, My와 같은 하중에 반응한다. 예를 들어 Fz 하중 시 모든 Normal mode 전극은 신호가 증가하며, Mx 또는 My 하중 시 Normal mode 전극 쌍 간에 차등 패턴(differential pattern)이 생성된다. 이 모드는 설계상 중첩 영역(A)의 변화에는 교차-모드 감도(cross-modal sensitivity)가 거의 없다.

Shear Mode에서는 상단 감지 레이어의 전극(X1, X2, X3, X4, Y1, Y2, Y3, Y4)이 독립적인 감지 전극으로 유지되며, 하단 감지 레이어의 전극은 접지와 실드 전극(shield electrode)이 교대로 나타나는 패턴으로 구성된다. 실드 전극은 PSoCTM 4100S의 내재된 기능으로, 감지 전극과 동일한 전위(electrical potential)로 여기되어 부유 정전 용량(stray capacitance)으로 인한 간섭을 적극적으로 완화한다. 이 모드는 주로 전단 입력(shear inputs)인 Fx, Fy, Mz와 같은 하중에 민감하다. 전단 압력(shear pressure) 하에서는 상단 및 하단 감지 레이어의 상대적인 위치가 측면으로 이동하여 감지 전극과 접지 전극 간의 중첩 영역(A)을 변화시킨다. 빗 모양 전극은 X 방향 하중에는 첫 번째 및 세 번째 쿼드런트가, Y 방향 하중에는 두 번째 및 네 번째 쿼드런트가 민감하게 반응하도록 배치되어 있다. 비틀림(Torsion, Mz) 하중 시에는 Shear mode의 네 쿼드런트 모두에서 차등 신호 패턴이 나타난다. Shear mode에서는 일부 교차-커플링(cross-coupling)이 발생하지만, 이는 보정(calibration) 과정에서 해결된다.

센서 제작은 127 μm 폴리이미드 필름 필러 마스크를 사용하여 실리콘 고무 필러를 주조한 다음, 이 필러를 프라이머(primer) 처리된 하단 PCB에 접착하는 방식으로 이루어진다. 상단 PCB에는 마이크로컨트롤러 및 전자 부품이 납땜된 후, 진공 탈기된 실리콘 고무를 스핀 코팅(spin-coating)하여 얇고 균일한 층을 형성한다. 이후, 203 μm 폴리이미드 필름 스페이서(spacer)를 사용하여 두 PCB의 거리를 정밀하게 제어하며 조립 및 경화(curing)시킨다. 마지막으로 상단 실드 fPCB를 접착하여 완성한다. 총 부품 비용은 약 11달러이다.

센서 특성 분석에는 FEA(Finite Element Analysis)가 사용되었으며, 구조 분석(ANSYS)과 전기 통계 분석(COMSOL)을 통해 필러 변형에 따른 정전 용량 변화를 모델링했다. 필러의 역학은 높은 변형 옵션을 가진 선형 탄성 모델을 사용했으며, 젠트 모델(Gent model)을 통해 실리콘 고무의 쇼어 경도(Shore hardness)를 영률(Young’s modulus)로 변환했다. 유효 영률(E_e)은 E_e = E(1 + \frac{1}{2}\eta^{-2})로 계산되며, 여기서 E는 재료의 영률이고 \eta는 필러의 높이와 반경의 비율이다.

CoinFT의 보정은 상업용 ATI Gamma 센서를 레퍼런스(ground truth)로 사용하여 데이터 기반으로 수행된다. 12개의 감지 전극(Normal mode 4개, Shear mode 8개)에서 얻은 원시 정전 용량 신호를 2차 최소 자승 회귀(second-order least-squares regression)를 사용하여 힘과 토크 값에 매핑한다. 훈련에는 35초 길이의 10개 시험, 테스트에는 1개 시험을 사용한다. Calibration matrix A \in \mathbb{R}^{6 \times 24}는 정규 방정식을 통해 얻어진다. 테스트 세트 결과는 Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz에서 각각 평균 0.186 N, 0.134 N, 0.186 N, 1.114 mNm, 1.322 mNm, 0.810 mNm의 RMSE를 보인다. 최소 감지 가능한 힘은 20 mN이다. Normal mode 신호의 추가는 Fz, Mx, My의 보정 정확도를 크게 향상시킨다.

센서의 동적 범위(dynamic range)와 감도(sensitivity)는 필러의 지름을 조절하여 튜닝할 수 있다. 필러 지름이 클수록 감도는 감소하지만, 동적 범위는 증가한다. 필러가 압축될 때 측면 변형이 제한되면서 강성(stiffness)이 증가하는 경향이 나타난다. CoinFT의 기계적 대역폭(mechanical bandwidth)은 약 97 Hz이며, 이는 이중 모드 근육 레버(dual-mode muscle lever)를 사용한 주파수 응답 분석을 통해 확인되었다.

견고성(Robustness) 측면에서 CoinFT는 필러 배열의 유연성 덕분에 충격에 강한 특성을 보인다. 180 N의 힘을 가하는 해머 충격 후에도 1~3 N의 작은 하중을 정확하게 측정할 수 있었고, 0.53 kg의 크롬 강구(chrome steel ball)를 0.63 m 높이에서 10회 반복 낙하(3.3 J 충격 에너지)시킨 후에도 보정 성능은 일관되게 유지되었다. 반면, 인장 방향(tensile direction)에는 취약하며, 평균 2.84 MPa (143 N)의 궁극 인장 강도(ultimate tensile strength)를 보였다.

온도 변화에 따른 신호 드리프트(drift)는 PSoC의 온칩 온도 센서를 사용하여 보상된다. 채널별로 10°C당 약 1~3%의 기준선 정전 용량 드리프트가 관찰되었으며, 2차 다항식 피팅으로 모델링하여 보상 시 힘 오차는 0.4 N 미만, 토크 오차는 1.5 mNm 미만으로 유지된다.

CoinFT의 유용성은 두 가지 대표적인 애플리케이션을 통해 입증되었다. 첫째, 7-DoF 로봇 팔(Flexiv Rizon 4)을 이용한 다축 접촉 프로빙(multi-axial contact-probing) 실험에서, 반구형 손가락 끝(hemispherical fingertip)에 장착된 CoinFT가 다양한 힘과 토크를 정확하게 측정함을 보여주었다. 둘째, 드론에 CoinFT를 통합하여 접촉력 변조(contact force modulation) 및 물체 배포(deployment) 작업을 수행했다. 127mm 프레임 쿼드로터에 CoinFT를 장착하고, 신축 메커니즘과 고무 밴드를 통해 직렬로 유연성(compliance)을 추가했다. 외부 모션 캡처 시스템으로 자세를 제어하고, CoinFT의 피드백을 기반으로 스위칭 방식의 계단식 PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어기를 사용하여 FREE, SEARCH, HOLD 세 가지 상태를 전환하며 힘을 제어했다. 이를 통해 드론이 표면에 전자 부품 패키지를 부착하는 작업에서 정확한 힘 제어를 통해 패키지 부착 여부를 확인하고 다음 행동을 결정하는 능력을 시연했다.

CoinFT는 웨어러블 햅틱 장치, 인체 공학적 로봇 손 등 다양한 로봇 애플리케이션에 적용될 수 있으며, 필러 디자인 조절을 통해 특정 용도에 맞는 감도와 동적 범위로 스케일 업/다운이 가능하다. 하지만 상용 센서(예: ATI Gamma)보다 기계적 대역폭과 힘 분해능이 낮고, 부분적으로 노출된 전극으로 인한 불완전한 실드 및 탄성체 크리프(elastomer creep) 문제가 존재할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 견고성과 저비용이 우선시되는 많은 로봇 애플리케이션에서 핵심적인 기능을 제공하는 중요한 솔루션이다.

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서론: 로봇은 왜 “느껴야” 하는가

로봇이 물체를 잡거나, 표면을 닦거나, 드릴로 무언가를 조이는 장면을 상상해보자. 우리가 손으로 그 일을 할 때, 우리는 의식하지 못하는 사이에 수백 개의 신경 말단에서 오는 압력, 마찰, 비틀림 정보를 실시간으로 처리하고 있다. 너무 세게 쥐면 깨지고, 너무 약하게 쥐면 미끄러진다. 이 접촉력 피드백(contact force feedback) 은 정밀 조작의 핵심이다.

로봇도 마찬가지다. 테이블 닦기 [1], 부품 조립 [2], 연조직 촉진(palpation) [3] 같은 접촉 집약적 작업(contact-rich tasks) 에서 힘과 토크를 정확히 측정하는 능력은 선택사항이 아니라 필수다. 그런데 현실은 어떤가?

상용 6축 F/T 센서(예: ATI Gamma, MinebeaMitsumi, ReSense)는 정밀하다. 하지만 세 가지 치명적인 약점이 있다.

취약성: 금속 스트레인 게이지 기반 구조는 충격에 약하다. 드론이 착지할 때, 로봇 손가락이 테이블에 부딪힐 때 — 이런 우발적 충격은 센서를 영구적으로 손상시킨다.
비용: 한 개에 수백 달러에서 수천 달러. 로봇 손가락 다섯 개를 모두 센서화하려면 감당하기 어려운 비용이 든다.
크기/두께: 얇고 컴팩트한 폼팩터가 필요한 드론, 웨어러블 햅틱 장치, 의료 기구에 기존 센서는 너무 크고 무겁다.

Stanford BDML 연구팀이 내놓은 CoinFT는 이 세 문제를 동시에 해결하려는 시도다. 이름 그대로 미국 25센트 동전 크기(직경 20mm, 두께 2mm), 무게 2g, 재료비 $10 이하. 그리고 이 작은 센서가 6축 힘/토크를 측정한다.

어떻게 가능한 것일까? 그 핵심 아이디어를 하나씩 뜯어보자.

방법: CoinFT는 어떻게 작동하는가

2.1 설계 철학: “평행판 대신 빗(comb)”

모든 정전용량 센서의 출발점은 평행판 커패시터의 기본 공식이다:

C = \frac{\varepsilon A}{d}

여기서 C는 정전용량, \varepsilon은 유전율, A는 전극의 겹치는 면적, d는 전극 간 거리다.

외력이 가해지면 d 또는 A가 변하고, 그 변화가 전기 신호로 잡힌다. 단순하다. 하지만 6축을 동시에 측정하려면 이 단순한 원리를 어떻게 확장해야 할까?

기존 연구들은 두 가지 방식을 써왔다:

단층 구조 + 특수 설계 기계부: 하나의 전극 레이어에 힘에 따라 특이한 변형 패턴을 만드는 구조물을 결합 [15]–[17]
다층 구조: 각 레이어가 특정 축에 민감하도록 나누기 [18]

CoinFT는 이 두 방식의 영리한 절충점을 찾는다. 두 장의 PCB + 실리콘 고무 필러 어레이 — 이것이 전부다.

2.2 물리적 구조: 층층이 쌓인 샌드위치

Figure 1을 기준으로 CoinFT의 구조를 설명하면:

[Top Shield Layer]     <- 127 um fPCB (flexible PCB), 외부 stray capacitance 차폐
[Upper Sensing Layer]  <- 0.8 mm rigid PCB, 8개의 빗(comb) 전극 (4 quadrant x 2)
[Silicone Rubber Pillar Array]  <- 127 um 높이 원통형 기둥들
[Lower Sensing Layer]  <- 0.8 mm rigid PCB, 2개 전극 + GND 평면

전체 두께: 약 2mm. 무게: 2g.

실리콘 고무 기둥(pillar)은 단순한 스페이서가 아니다. 이것이 CoinFT의 물리적 핵심이다:

법선 방향(normal) 힘이 가해지면 기둥이 압축되어 d가 줄어든다 → C 증가
전단 방향(shear) 힘이 가해지면 기둥이 옆으로 휘어 두 PCB가 상대적으로 옆으로 이동 → 빗 전극의 겹치는 면적 A가 변한다 → C 변화
기둥은 비가역적 소성 변형 없이 탄성 복원된다 → 내충격성의 핵심

기둥의 밀도는 가장자리로 갈수록 증가한다. 이는 디라미네이션(delamination), 즉 두 PCB의 박리를 방지하기 위한 구조적 고려다.

직관적 비유

CoinFT를 “두 개의 빗이 마주보고 있는 샌드위치”라고 생각하자. 빗의 이빨들(전극)이 서로 맞물려 있을 때, 빗이 압착되면 이빨 간격이 줄어들고, 빗이 옆으로 미끄러지면 이빨의 겹치는 부분이 달라진다. 이 두 가지 변화를 동시에 읽어내는 것이 핵심 아이디어다.

2.3 측정 원리: Normal Mode와 Shear Mode의 분리

6축 측정의 핵심은 마이크로컨트롤러(Cypress PSoC 4100S)의 동적 전극 재구성(dynamic electrode reconfiguration) 이다. 센서는 한 번의 샘플링 사이클 내에서 두 가지 모드를 번갈아 실행한다.

flowchart LR
    subgraph NM["Normal Mode (4 virtual electrodes)"]
        direction TB
        ZE["Z1, Z2, Z3, Z4\n(4 quadrant pairs merged)"]
        LOWER_N["Lower Layer -> GND"]
        ZE --> LOWER_N
        ZE --> FZ["Sensitive to: Fz, Mx, My\n(changes in d)"]
    end

    subgraph SM["Shear Mode (8 independent electrodes)"]
        direction TB
        XY["X1-X4, Y1-Y4\n(8 independent)"]
        LOWER_S["Lower Layer -> GND/Shield alternating"]
        XY --> LOWER_S
        XY --> FXYZ["Sensitive to: Fx, Fy, Mz\n(changes in A)"]
    end

    MCU["PSoC 4100S MCU\n(internal switches)"] -->|"Config 1"| NM
    MCU -->|"Config 2"| SM
    MCU -->|"360 Hz CDC"| OUT["12 channels\n4 normal + 8 shear"]

Figure 1: CoinFT의 Normal Mode / Shear Mode 전환 동작 원리

Normal Mode (법선 방향 민감):

상부 센싱 레이어의 각 사분면(quadrant)에 있는 두 전극을 내부적으로 연결하여, 8개의 물리적 전극을 4개의 가상 전극(Z_1, Z_2, Z_3, Z_4)으로 통합한다. 하부 레이어는 GND로 연결된다. 이 구성은 d의 변화에 민감하므로, 수직 압축(F_z)과 기울임 모멘트(M_x, M_y) 를 잡아낸다.

F_z: 모든 Z_1 \sim Z_4 신호가 동시에 상승
M_x: Z_1, Z_4와 Z_2, Z_3 사이에 차동 패턴 발생
M_y: Z_1, Z_2와 Z_3, Z_4 사이에 차동 패턴 발생

Shear Mode (전단 방향 민감):

8개의 전극이 독립적으로 작동하며, 하부 레이어는 GND와 능동 차폐 전극이 교번(alternating) 패턴으로 재구성된다. PSoC의 능동 차폐 기능은 sensing electrode와 동일한 전위로 shield electrode를 구동하여 stray capacitance를 최소화한다. 이 구성은 A의 변화에 민감하므로, 수평 전단력(F_x, F_y)과 비틀림 모멘트(M_z) 를 감지한다.

F_x: 1, 3사분면 전극에서 차동 신호
F_y: 2, 4사분면 전극에서 차동 신호
M_z: 모든 사분면에서 회전 대칭 차동 패턴

중요한 사실: Normal mode의 cross-modal sensitivity는 설계 단계에서 거의 0으로 억제된다. 반면 Shear mode에서는 F_z, M_x, M_y에 대한 cross-coupling이 존재한다. 이 때문에 캘리브레이션 시 Normal mode 신호를 추가하면 정확도가 유의미하게 향상된다.

2.4 제조 공정: PCB와 고무를 결합하는 방법

CoinFT의 제조 과정은 10단계(Fig. 3)로 구성되어 있으며, 전문 장비 없이도 실험실에서 재현 가능하도록 설계되었다.

flowchart TD
    A["UV 레이저 커터로\n127um Polyimide 마스크 제작"] --> B
    B["마스크 + 아크릴 플레이트 정렬\n(dowel pin 사용)"] --> C
    C["진공 탈기된 실리콘 고무 도포\n(필러 홈 채우기)"] --> D
    D["하부 PCB 적층 + 3.1kg 하중\n(3분, base layer 최소화)"] --> E
    E["압력 챔버 내 큐어링\n(414 kPa, 12h, 100g 하중)"] --> F
    F["마스크 제거 → 필러 레이어 완성"] --> G
    G["상부 PCB에 실리콘 스핀코팅\n(5000 rpm, 75초)"] --> H
    H["203 um 스페이서 삽입 후\n필러-상부 PCB 조립"] --> I
    I["65°C 오븐 큐어링 72시간"] --> J
    J["fPCB Top Shield Layer\nLoctite 401로 부착 → 완성"]

Figure 2: CoinFT 제조 공정 요약

제조의 핵심 포인트 두 가지:

필러 폭(pillar diameter)이 핵심 설계 파라미터: 100um, 150um, 200um 직경에 따라 센서의 감도와 동적 범위가 바뀐다. 굵은 필러는 유효 Young’s modulus가 높아 더 큰 힘 범위를 다룰 수 있지만, 미세한 힘에는 둔감해진다.
압력 챔버 큐어링: 대기압에서 큐어링하면 실리콘 내부 미세 기포(micro-bubble)가 남아 기계적 성질이 불균일해진다. 414 kPa 가압 챔버는 이를 압축 제거하여 균일한 필러 특성을 확보한다.

2.5 역학 모델: 기둥은 어떻게 변형되는가

필러의 기계적 거동을 이해하는 것은 센서 설계의 출발점이다. 연구팀은 ANSYS(구조 해석)와 COMSOL(정전기 해석)을 이용한 FEA(유한요소해석)를 수행했다.

실리콘 필러의 유효 Young’s modulus 는 평판 사이에 접착된 탄성체 모델(Haddow-Ogden 디스크 모델)을 이용하여 다음과 같이 유도된다:

E_e = E\left(1 + \frac{1}{2}\eta^{-2}\right)

여기서 E_e는 유효 Young’s modulus, E는 재료의 Young’s modulus, \eta = h/r는 필러의 높이 대 반경 비율이다. 이 식이 말하는 것은 명확하다: 필러가 납작해질수록(작은 \eta), 유효 강성이 급격히 증가한다.

이것은 센서의 비선형 거동을 설명하는 핵심이다. 초기 압축에서는 선형에 가깝게 응답하지만, 더 큰 변형에서는 두 가지 경쟁 효과가 생긴다:

효과 1: 필러가 압축될수록 d가 줄어 C의 변화율이 커진다 → 민감도 증가
효과 2: 필러의 유효 강성이 증가하여 같은 힘으로 더 작은 변위만 일어난다 → 민감도 감소

고하중 영역에서 효과 2가 효과 1을 압도하면서, 정전용량-힘 곡선의 기울기(민감도)가 점진적으로 감소한다(Fig. 4(d)).

더불어 FEA는 감도와 동적 범위의 관계를 명확히 보여준다:

\text{Sensitivity} \propto \frac{1}{A_{\text{pillar}}}, \quad \text{Dynamic Range} \propto A_{\text{pillar}}

즉, 필러 단면적이 넓으면 더 큰 힘을 버티지만, 작은 힘에는 덜 민감하다. 이것은 센서 설계의 근본적인 트레이드오프이며, CoinFT는 이를 필러 직경(100/150/200 um)으로 조절 가능하게 설계했다.

2.6 캘리브레이션: 12채널 신호에서 6축 F/T로

CoinFT가 생성하는 원시(raw) 신호는 12개 채널이다(Normal mode 4채널 + Shear mode 8채널). 이 12차원 신호 벡터를 6차원 F/T 벡터로 변환하는 것이 캘리브레이션이다.

연구팀은 2차 최소자승 적합(2nd order least squares fit) 을 사용한다:

\mathbf{f} = \mathbf{W} \cdot \phi(\mathbf{c})

여기서 \mathbf{f} \in \mathbb{R}^6는 추정 F/T 벡터, \mathbf{c} \in \mathbb{R}^{12}는 정전용량 변화 벡터, \phi(\cdot)는 2차 다항식 기저 함수, \mathbf{W}는 최소자승법으로 구한 가중치 행렬이다.

캘리브레이션 데이터 수집은 ATI Gamma F/T 센서를 CoinFT 아래에 직렬 연결하여, 인간이 다양한 방향으로 힘을 가하는 동안 양 센서의 읽음값을 동시에 기록하는 방식으로 이루어진다.

Normal mode 포함의 중요성

Shear mode만으로도 6축 캘리브레이션이 이론적으로 가능하지만, Normal mode 신호를 추가하면 F_z, M_x, M_y의 MSE가 각각 크게 줄어든다(Table I). 이것은 앞서 언급한 shear mode의 cross-coupling 문제를 redundant normal mode 신호로 보상하기 때문이다. 12채널을 모두 활용하는 것이 설계의 핵심 영리함이다.

Table I — CoinFT 캘리브레이션 MSE (100 um 필러)

구성	입력 범위	F_x	F_y	F_z	M_x	M_y	M_z
Normal+Shear	0~5N / 0~2N	0.04 N	0.04 N	0.05 N	0.32 mNm	0.31 mNm	0.24 mNm
Shear only	0~5N / 0~2N	0.04 N	0.04 N	0.11 N	0.34 mNm	0.32 mNm	0.24 mNm
Normal+Shear	0~10N / 0~4N	0.12 N	0.10 N	0.10 N	0.84 mNm	1.03 mNm	0.65 mNm
Shear only	0~10N / 0~4N	0.13 N	0.10 N	0.22 N	0.91 mNm	1.20 mNm	0.72 mNm

F_z 항목을 보면, Shear only 구성에서는 0.22 N이던 오차가 Normal+Shear 구성에서 0.10 N으로 절반 이하로 감소한다. 이것이 dual-mode 설계의 실질적 이점이다.

실험: CoinFT의 성능을 어떻게 검증했는가

3.1 동적 대역폭 (Bandwidth)

Aurora Scientific 309C 듀얼 모드 근육 레버로 0~120 Hz 사인파 힘 스윕(sweep)을 가하여 주파수 응답을 측정했다(Fig. 6).

법선 방향: 0~120 Hz 전체 구간에서 -3dB 기준(-70.7%) 이상 유지. 120 Hz에서 위상 지연 -34.6°.
전단 방향: 97 Hz에서 -3dB. 이 지점에서 위상 지연 -94.2°.
기계적 대역폭: 약 97 Hz

이 위상 지연의 주된 원인은 실리콘 고무 재료의 고유한 히스테리시스(hysteresis)다. 참고로 ATI Gamma의 대역폭은 약 1 kHz이므로, CoinFT의 대역폭은 상용 센서 대비 약 1/10 수준이다. 매우 빠른 충격 동역학은 잡기 어렵다.

3.2 내충격성 (Robustness)

이것이 CoinFT의 가장 극적인 강점이다.

CoinFT에 해머로 충격을 가하면 약 180N의 순간 힘 피크가 발생한다(Fig. 7). ATI Gamma 같은 금속 기반 상용 센서는 이런 충격에 파손된다. 하지만 CoinFT는 이 충격 이후에도 1N, 2N, 3N의 소하중을 정확히 측정해냈다.

왜 가능한가? 실리콘 고무 필러 어레이는 금속 스트레인 게이지와 달리 대규모 탄성 변형(large elastic deformation) 이 가능하다. 금속은 항복점(yield point)을 넘으면 소성 변형이 일어나 돌아오지 않지만, 실리콘 고무는 거대한 변형 후에도 원래 형상으로 돌아온다. 이것이 capacitive + 실리콘 접근법의 근본적 내충격성 이유다.

단, 인장력(tensile load)에는 약하다

압축(compressive) 충격에는 강하지만, 인장(tensile) 방향의 큰 하중에는 취약하다. 실리콘 고무와 PCB 사이의 접착이 박리될 수 있기 때문이다. 이는 설계 시 반드시 고려해야 할 한계다.

3.3 다축 접촉 탐침 실험 (Multi-Axial Contact Probing)

반구형 팁이 달린 CoinFT를 Flexiv Rizon 4 7-DoF 로봇팔에 탑재하고, ATI Gamma를 직렬 연결하여 ground truth로 사용했다. 다양한 각도로 힘과 토크를 가하여 6축 추적 성능을 검증했다.

v3 버전(2026년 1월 업데이트 기준) 최종 성능 수치: - RMSE(Force): 0.16 N (입력 범위: 0~14 N normal, 0~5 N shear) - RMSE(Moment): 1.08 mNm - 최소 검출 힘: 20 mN

3.4 드론 접촉력 제어 실험

CoinFT의 가장 인상적인 데모는 드론 실험이다. 127mm 프레임 쿼드로터에 CoinFT를 장착하고, 수평면에 접촉하는 동안 법선 방향 접촉력을 제어한다(Fig. 10, 11).

제어 아키텍처

flowchart LR
    MC["Motion Capture\n(Pose: p_obs, q_obs)"] --> CTRL
    COINFT["CoinFT\n(Contact Force: f_oc)"] --> SM
    SM["State Machine\nFREE / SEARCH / HOLD"] --> THRUST["Normalized Thrust\nf_cmd"]
    CTRL["Cascaded PID\n(Position + Velocity)"] --> ADES["Desired Force\nF_des = -Kp*ep - Kv*ev - mg"]
    ADES --> QCMD["Commanded Attitude\n(q_cmd, zcmd = F_des/||F_des||)"]
    QCMD --> PX["PixRacer\nFlight Controller"]
    THRUST --> PX
    PX --> MOTORS["4 Motors"]
    SM -->|"Gain Switching\n(Kp, Kv)"| CTRL

Figure 3: CoinFT를 이용한 드론 자세 기반 힘 제어 아키텍처

핵심 아이디어는 attitude-based force control이다. 드론의 추력(thrust) 방향이 자세(attitude)에 의해 결정된다는 점을 이용하여, 자세 명령을 통해 간접적으로 접촉면에 수직한 힘을 제어한다.

Thrust State Machine (Algorithm 1):

Initialization: S <- FREE, f_cmd <- f_des

FREE  : f_cmd = f_des. If f_oc > 0 => S <- SEARCH
SEARCH: f_cmd += delta_f. If f_oc >= f_dc => S <- HOLD
HOLD  : PID control on (f_oc - f_dc), duration T
         f_cmd = f_hold + P + I + D
         After T seconds: break

이 상태 기계의 SEARCH 단계는 접촉 표면의 정확한 높이를 사전에 알지 못해도 점진적으로 접촉을 찾아가게 해준다. 이것이 비정형 환경(unstructured environment) 에서의 강인성을 높이는 핵심이다.

패키지 배치 실험

전자 패키지(ESP32 + LED, 95g)를 압력 감응 접착제로 수평면에 부착하는 시나리오:

드론이 수평면 아래에서 상승하며 접촉을 탐색
접촉 감지 시 SEARCH → HOLD 전환, 목표 접촉력 0.7 N으로 상승 (CoinFT 읽음값은 패키지 무게 포함 약 1.7 N)
충분한 접착이 안 된 경우: 드론 하강 후 여전히 패키지 무게가 감지됨 (약 1 N) → 자율적으로 목표력을 5 N으로 상향
성공적 부착 시: 하강 후 패키지 무게가 감지되지 않음 → WiFi로 LED 활성화 명령 전송

힘 제어 RMS 오차: 0.1779 N — 이 수치는 실용적인 접촉력 제어에 충분한 수준이다.

비판적 고찰: CoinFT는 어디서 빛나고, 어디서 한계에 부딪히는가

4.1 강점

① 가격 대비 성능의 압도적 우위

재료비 $10 이하는 단순한 홍보 문구가 아니다. 상용 6축 F/T 센서가 개당 수천 달러인 점을 감안하면, 이것은 ~1/1000 가격이다. LEAP Hand 같은 인간형 로봇 손에 5개 손가락 모두를 센서화할 때 발생하는 비용 장벽을 근본적으로 해소한다.

② 실리콘 필러 기반의 근본적 내충격성

스트레인 게이지 기반 센서의 취약성은 금속의 탄소성 특성에서 비롯된다. CoinFT의 실리콘 고무는 소성 변형 없이 180N 충격도 회복한다. 드론 충돌, 로봇 손가락의 의도치 않은 충격, 웨어러블 기기의 급격한 움직임 — 이 모든 상황에서 내구성이 유지된다.

③ 조정 가능한 설계 파라미터

필러 직경, 개수, 재료, 패턴 — 이 파라미터들을 조절하여 같은 기본 구조에서 다른 감도/동적 범위를 가진 센서를 만들 수 있다. 비틀림 강성만 선택적으로 조절하는 것도 가능하다(극 관성 모멘트 조절 via 필러 패턴). 이 모듈성은 단일 플랫폼이 의료 기구부터 로봇 발(GRF 측정)까지 커버할 수 있음을 의미한다.

④ 오픈소스 완전 공개

설계 파일(solid models), 제조 지침, 펌웨어가 모두 공개되어 있다. 연구자라면 논문을 읽은 당일 GitHub에서 자료를 내려받아 재현 시도가 가능하다. 이것은 학계 기여의 관점에서 매우 중요한 가치다.

⑤ 복수 센서 동시 운용

I2C 통신을 통해 다수의 CoinFT를 동일 360 Hz 샘플링 레이트로 동시 운용할 수 있다. 멀티핑거 로봇 손에서 모든 손가락에 F/T 센서를 달 수 있다는 것은, 이전에는 비용 때문에 불가능했던 연구 방향을 열어준다.

4.2 한계 및 주의사항

① 기계적 대역폭의 제약

97 Hz의 대역폭은 ATI Gamma(~1 kHz) 대비 1/10 수준이다. 고속 충격 동역학 연구나 고주파 진동 감지가 필요한 응용에는 부적합하다. 특히 전단 방향에서 97 Hz 이후 급격한 위상 지연(-94.2°)이 발생한다.

② 실리콘 크리프(creep)

실리콘 고무는 장시간 지속적인 정적 하중이 가해지면 크리프 변형이 발생한다. 이는 시간에 따른 캘리브레이션 드리프트를 유발하며, 주기적 재캘리브레이션이 필요할 수 있다. 저크리프 실리콘 엘라스토머로 대체하면 이 문제를 완화할 수 있지만, 저자들은 이를 future work으로 남겨두었다.

③ 온도 드리프트

주변 온도 변화는 전극의 미세 변형 및 PSoC 내부 회로의 드리프트를 유발하여 정전용량 신호에 영향을 준다. 온도 보상 알고리즘이 현재 구현에는 포함되어 있지 않다.

④ 불완전한 전자기 차폐

SMD 부품의 노출된 패드가 stray capacitance의 잠재적 소스로 남아있다. 전자기적으로 잡음이 많은 환경(강한 전자 모터, 고전압 시스템 근처)에서의 성능은 추가 검증이 필요하다.

⑤ PCB 비강성

현재의 0.8mm PCB는 강한 국소 압력 하에 면외(out-of-plane) 변형이 발생할 수 있으며, 이는 캘리브레이션 정확도를 저하시킨다. 더 두꺼운 PCB 또는 보강재 부착으로 해결 가능하다.

⑥ 인장 하중 취약성

압축 방향(compressive)의 내충격성과 달리, 인장(tensile) 방향의 큰 하중에는 실리콘-PCB 접착 계면이 박리될 위험이 있다. 매달리는 형태의 장착이나 강한 풀 하중이 예상되는 응용에서는 주의가 필요하다.

⑦ 측면 힘 제어의 한계

드론 실험에서 저자들이 인정하듯, 쿼드로터의 측면 힘 제어는 자세와 위치의 결합(coupling) 때문에 정밀하게 수행하기 어렵다. 완전 가동(fully actuated) 드론을 사용해야 측면 접촉력 제어가 실용적이 된다.

4.3 관련 연구와의 비교

특성	CoinFT	ATI Gamma	MEMS 기압계 기반 [10]	Vision-based (GelSight류)
축수	6	6	6	3~6
직경/크기	20 mm	~75 mm	~60 mm	~20 mm
두께	~2 mm	~14 mm	크고 두꺼움	~20 mm
무게	2 g	~90 g	~100 g	~50 g
비용	<$10	$5,000+	~$100	_$50200
대역폭	~97 Hz	~1 kHz	~100 Hz	~30 Hz
내충격성	매우 높음	낮음	보통	낮음
오픈소스	완전	N/A	부분	부분

CoinFT의 포지션은 명확하다: 상용 고성능 센서를 대체하는 것이 아니라, “센서가 없던 곳에 센서를 달 수 있게 해주는” 민주화(democratization) 도구다.

요약 및 결론

CoinFT는 “작고, 저렴하고, 튼튼한 6축 F/T 센서” 라는 오래된 난제에 우아한 해답을 제시한다. 핵심 아이디어는 세 가지로 요약된다:

① 이중 PCB + 실리콘 필러: 단순한 구조로 6축 측정을 실현하면서 탄성 회복을 통한 내충격성을 확보한다.

② 마이크로컨트롤러 기반 동적 전극 재구성: Normal mode와 Shear mode를 교번 실행하여, 단 12채널로 6축 F/T를 구별해내는 정보 이득을 만든다.

③ 조정 가능한 필러 설계: 단일 구조 원리로 다양한 감도/범위 사양을 커버하는 플랫폼 설계를 가능하게 한다.

물론 97 Hz 대역폭, 실리콘 크리프, 온도 드리프트 등의 한계는 분명히 존재한다. ATI Gamma를 대체하려는 목적이라면 CoinFT는 아직 갈 길이 있다. 하지만 CoinFT가 목표하는 시장은 따로 있다 — 지금까지 F/T 센서를 달 수 없었던 곳들: 드론의 끝단, 다지 로봇 손의 모든 손가락, 웨어러블 햅틱 장치, 의료 시술 기구.

이 센서가 가장 의미 있는 이유는 성능 수치보다 접근성(accessibility) 에 있다. $10 이하의 비용, 완전 오픈소스 설계, 실험실에서 재현 가능한 제조 공정 — 이것들이 합쳐져 6축 F/T 센서를 연구의 일상 소모품으로 만들 가능성을 열었다. 그리고 그것은 접촉이 풍부한 로봇 공학 연구 전체에 파급 효과를 가져올 것이다.

참고문헌 주요 인용

Huh et al., “Dynamically reconfigurable tactile sensor for robotic manipulation,” RA-L 2020 — 동적 전극 재구성 원리의 선행 연구
Guggenheim et al., “Robust and inexpensive six-axis force-torque sensors using MEMS barometers,” T-MECH 2017 — 저비용 6축 센서 선행 연구
Chen et al., “DexForce: Extracting force-informed actions from kinesthetic demonstrations,” RA-L 2025 — CoinFT를 이용한 다지 조작 학습 후속 연구
Berman et al., “Additively manufactured micro-lattice dielectrics for multiaxial capacitive sensors,” Science Advances 2024 — 마이크로 격자 유전체 기반 다축 센서

+) In-the-Wild Compliant Manipulation with UMI-FT

CoinFT를 UMI 장치에 달아, 접촉력과 파지력을 동시에 측정하며 컴플라이언스 제어를 수행하는 연구가 진행 중이다. 이 연구는 Dexterous Hand + F/T 센서 기반 데모 수집의 새로운 표준을 제시할 수 있다.