KR100505145B1 - 마이크로로봇 그리퍼 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 NiTi 계 합금의 초탄성 효과를 이용한 전자기력, 압전구동 방식이 포함된 선형구동수단을 갖는 마이크로 로봇 그리퍼 장치에 관한 것이다. 구체적으로는 VCM(Voice-Coil Motor)을 이용한 로렌츠(Lorenz) 전자기력 혹은 PZT 압전구동 엑츄에이터를 이용한 선형 추력 매커니즘을 통한 탄성힌지구조의 마이크로로봇 그리퍼의 그리핑 구동 매커니즘 및 NiTi 계 초탄성 합금을 이용한 탄성힌지형 마이크로로봇 그리퍼 핸드(hand)를 제작 구현하는 기술에 관한 것이다.
3차원 형상의 마이크로부품 및 생체 대상물 등을 조립 혹은 조작하기 위해서는 대상물의 특성(기하, 재질, 무게, 크기 등)을 고려한 소형, 고정밀도의 마이크로로봇 그리퍼의 설계와 제작이 요구된다. 또한 마이크로 대상물의 조립 혹은 조작시의 정밀한 위치제어, 그리핑시 접촉력 감지를 통한 정밀한 힘제어 등을 가능하게 하기 위한 센싱 매커니즘 장치가 필요하다
이에 본 발명은 3차원 형상의 마이크로 부품 조립 작업 및 생체 대상물의 조작에 이용되는 마이크로로봇 그리퍼 장치에 있어서, 보이스 코일 모터(Voice-Coil Motor)을 이용한 로렌츠(Lorenz) 전자기력에 의해 구동되는 마이크로로봇 그리퍼의 구동 수단과; 상기 마이크로로봇 그리퍼의 정밀한 위치 제어 및 힘 제어를 위한 탄성힌지형 마이크로로봇 그리퍼 핸드 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치를 제시한다.

Description

마이크로로봇 그리퍼 장치{Microrobot gripping apparatus}
본 발명은 마이크로로봇 그리퍼 장치에 관한 것으로, 특히 NiTi 계 합금의 초탄성 효과를 이용한 전자기력, 압전구동 방식이 포함된 선형구동수단을 갖는 마이크로로봇 그리퍼 장치에 관한 것이다.
3차원 형상의 마이크로부품 및 생체 대상물 등을 조립 혹은 조작하기 위해서는 대상물의 특성(기하, 재질, 무게, 크기 등)을 고려한 소형, 고정밀도의 마이크로로봇 그리퍼의 설계와 제작이 요구된다. 또한, 마이크로 대상물의 조립 혹은 조작시의 정밀한 위치제어, 그리핑시 접촉력 감지를 통한 정밀한 힘제어 등을 가능하게 하기 위한 센싱 매커니즘이 장치가 필요하다.
실제로 1mm 이상의 외형치수를 갖는 부품은 기존의 정밀한 로봇 그리퍼를 이용하여 파지 및 조립이 가능하였다. 최근 광통신용, 의료용, 자동차용의 다양한 마이크로시스템 부품이 개발되고 있는데 이들의 외형치수인 10um와 1mm 사이에 있는 미소 부품의 조립에 적합한 마이크로로봇 그리퍼는 아직 개발이 미비한 실정이다.
따라서, 마이크로 부품의 조립 작업에 사용할 수 있도록 초탄성 그리퍼 핸드(hand) 재질을 이용한 전자기력 구동 방식의 마이크로 로봇 그리퍼의 설계 제작이 요구되었고, 마이크로 부품의 조작성과 그리퍼의 기능성을 개선한 3차원 구조의 마이크로로봇 그리퍼의 필요성이 부각되었다.
미세부품의 조립에 적용 가능한 수 미크론(um) 이하 정밀도를 갖는 마이크로 조립용 로봇 그리퍼의 응용분야로는 다음과 같다.
1) 통신/정밀기기 조립분야 : 초소형이면서 정밀도가 높은 메카트로닉스 기술을 필요로 하는 각종 정보 통신기기나 정밀 기기의 조립
2) 의료 시술 분야 : 미세 수술시 원격모니터링 정보에 의한 수술 조작 기기
3) 생명공학 분야 : 세포 조작, 유전자 조작 기기
한편, 기존의 마이크로 조립은 훈련된 작업자의 수공에 의존하거나 한정된 자유도를 지닌 로봇을 사용하여 구현할 수 있는 작업의 범용성(agility)이 매우 떨어지는 단점을 지니고 있다.또한 종래의 마이크로 조립 방법은 훈련된 작업자가 손으로 현미경을 보며 수공 조립작업을 하거나, 특수제작된 핀셋(tweezer) 등의 전용조립 기구를 사용하는 방식이다. 이러한 방식은 미세 부품의 조립 성공도가 낮고, 작업시간이 오래 걸리는 등 정밀도와 조립 효율이 떨어진다.
따라서 조립 공정이 확립된 미세 부품의 대량 생산에 적합하지 않고, 다양한 부품의 조립 공정에 대응하지 못하는 단점을 지니게 된다. 상기와 같은 분야에 적용되는 초소형, 고기능 마이크로 시스템은 결국 미세전자기계시스템(MEMS) 및 소형 정밀 부품들의 복합적인 결합체이며, 인간 작업자의 조립에 의존하기 어려우며, 제어기능이 있는 마이크로로봇 그리퍼 장치를 통해 자동화 구현이 가능하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 VCM(Voice-Coil Motor)을 이용한 로렌츠(Lorenz) 전자기력 혹은 PZT 압전구동 엑츄에이터를 이용한 선형 추력 매커니즘을 통한 탄성힌지구조의 마이크로로봇 그리퍼의 그리핑 구동 매커니즘 및 NiTi 계 초탄성 합금을 이용한 탄성힌지형 마이크로로봇 그리퍼 핸드(hand)를 구현하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은
3차원 형상의 마이크로 부품 조립 작업 및 생체 대상물의 조작에 이용되는 마이크로로봇 그리퍼 장치에 있어서,
보이스 코일 모터(Voice-Coil Motor)을 이용한 로렌츠(Lorenz) 전자기력에 의해 구동되는 마이크로로봇 그리퍼의 구동 수단과; 상기 마이크로로봇 그리퍼의 정밀한 위치 제어 및 힘 제어를 위한 탄성힌지형 마이크로로봇 그리퍼 핸드 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로조립 및 조작용 마이크로로봇 그리퍼 장치의 설계 개념도이다.
도 1에 도시된 마이크로로봇 그리퍼 장치는 보이스 코일 모터VCM(Voice-Coil Motor)을 이용한 로렌츠(Lorenz) 전자기력에 의한 마이크로로봇 그리퍼의 구동 매커니즘(10)과 PZT 압전구동 엑츄에이터를 이용한 선형 추력 매커니즘을 이용한 탄성힌지형 구조의 마이크로로봇 그리퍼 핸드(20)로 구성되어 있다.
상기 마이크로로봇 그리퍼의 구동 매커니즘(10)의 VCM 구조는 푸싱 사프트(Pushing Shaft)(11)을 중심축으로 소정의 코일(12)이 감겨져 있고, 상기 코일(12)의 양 측면에는 S극과 N극, N극과 S극의 자석(13)들이 위치하며, 상기 푸싱 사프트(12)의 전,후방 양측면과 프레임(14) 사이에는 오일리스 베어링(Oilless Bearing)(15)이 각각 맞물린 형태로 구성되어 있다.
이 때, 본 발명에 의한 마이크로로봇 그리퍼 장치의 사양은 표 1에 의해 구체적으로 제작될 수 있다.
특성 항목 구체 사양
구동방식 선형 전자기력
그리핑 핸드 구조 탄성 힌지형 변위 확대 구조
위치센싱 정밀도 PSD 센서 (<10 um）
힘제어 정밀도 반도체형 스트레인 게이지(<1mN)
대상 부품의 크기 < φ300 um
표 1은 전자기력 구동방식의 마이크로로봇 그리퍼의 구체적인 사양이다.
또한, 상기 탄성힌지형 마이크로로봇 그리퍼 핸드(hand)(20)의 재질은 초탄성 효과를 가지는 NiTi 합금계를 사용하였으며, 변태온도(Austenite 조건)와 Ni:Ti 합금조성을 조절함으로써 초탄성 효과(super-elasticity)를 갖게 된다.
이는 같은 크기의 추력을 인가했을 때 탄성 변형이 매우 크고 반복 정밀도가 좋은 재료 특성을 갖는 등 마이크로로봇 그리퍼 구조의 재료로서 장점이 있다. 본 발명에 의한 NiTi 합금 재질 특성에 대해 측정하여 평가한 사양은 표 2와 같다.
Density (kg/m3) 6450
Thermal Expansion 10.4 (10-6K-1)
Specific Heat (kJ/(kg·K)) 0.46
Transformation Temp. (Rs) 10 ±2℃ (Af) 12 ±2℃
Tensile Strength (MPa) 650
Yield Strength (MPa) (저온상) 108 （고온상) 350
Recovery Force (MPa) 400 (3%변형)
Surface Condition 산화막 제거상태
표 2는 마이크로 로봇 그리퍼용 가공 대상물인 NiTi 초탄성 합금 재료 특성이다.
도 2는 도 1에 도시된 NiTi 계 초탄성 합금을 이용한 탄성힌지형 마이크로로봇 그리퍼 핸드의 VCM 동작에 따른 센서 동작 개념도이다.
본 발명에서의 마이크로로봇 그리퍼 핸드(20)의 변위증폭은 탄성힌지 구조의 지렛대 원리(lever principle)를 이용하게 된다.
도 2의 (a)(b)(c)를 살펴보면, 먼저 (a)는 VCM의 전진 방향의 동작을 통해 위치 서보잉을 나타낸 것이다. 이 때, 사용되는 스트레인게이지(strain gages)(센서1)로 위치를 판단하기 위해서는 VCM의 동작 순간부터 스트레인의 발생을 모두 알 수 있는 곳을 선택하여야 한다. (b)는 VCM의 후진 방향으로 하여 갭(gap)의 간격을 조여 마이크로 물체에 접촉이 발생되기 전까지의 단계이다. (c)는 마이크로 물체와의 접촉이 일어난 순간부터 센서2에 스트레인의 변화에 의하여 마이크로 물체를 잡는 힘이 조절된다.
위의 (a)(b)(c)과정과 물체를 놓기 위한 (a)과정의 반복으로 그리퍼의 동작이 이루어진다. 즉, 센싱 알고리즘을 살펴보면 표 3과 같다.
센서1 센서2 VCM 결 과
ON OFF PUSH PUSH Position sensing
ON OFF PULL PULL Position sensing
OFF ON PULL Force sensing
마이크로 그리퍼 장치의 구동 원리는 프래밍의 오른손 법칙에 의해 VCM에 발생된 힘이 마이크로 그리퍼의 힌지 부근에 전달된다. 이 때, 그리퍼가 열리며 전류의 방향을 반대로 바꾸면 닫히게 된다. 힘의 크기는 전류의 양에 비례하여 발생한다.
도 3은 마이크로 조립용 마이크로로봇 그리퍼의 정밀제어를 위한 위치센싱 장치의 개념도이다.
도 3을 살펴보면, 레이저 다이오드(31)로부터 광을 선형가이드(Linear Guide)(34)의 미러(Mirror)(32)로 향해 조사시키면, 이 조사광은 미러(32)에 의해 반사되어 광위치 검출소자(Position Sensitive Device)(33)로 수광된다.
이 때, 광위치 검출소자(33)의 출력을 검출함으로서 정밀 제어를 위한 위치를 감지하게 된다.
도 4는 보이스 코일 모터(VCM)를 이용한 전자기력 구동 추력생성 장치의 원리를 나타낸 구성도로서 전압은 기전력(electromotive force), 전류는 기자력(magneomotive force), 자속은 자기 에너지(magnetic energy)를 이용함으로서 VCM의 전자기력 구동력을 생성하게 된다.
도 5는 마이크로로봇 그리퍼 핸드(hand)의 가공에 사용한 미세방전가공법(Micro Electro-Discharging Machining)의 가공원리 개념도이다.
본 발명에 의한 미세 방전가공법은 전기적인 조건을 통해 방전회로 상에서 전기적 용량을 아주 작게 하거나 방전펄스주기를 극단적으로 작게 하는 방법을 적용함으로써 단위 펄스 당 방전에너지를 극소화하여 마이크로 단위의 크기를 갖는 3차원 형상을 가공하는 방법이다. 도 5에서는 미세 방전가공법에 의한 마이크로로봇 그리퍼의 미세성형 과정을 보여주고 있다.
도 6는 마이크로로봇 그리퍼 장치의 시스템 구성도로서 구동회로(40)에는 전압이 인가되고, VCM이 구비되는 자계시스템(50)에는 전류가 인가되며, 탄성힌지형 그리퍼 핸드가 구비되는 기계적시스템(60)에는 자속이 인가됨으로서 제어시스템의 구동력을 갖게 된다.
도 7은 탄성힌지형 마이크로로봇 그리퍼 핸드(hand)의 형상설계도로서 탄성힌지형 마이크로 로봇 그리퍼 핸드(hand) 구조의 형상 파라미터들과 그리퍼 핸드(hand)의 재질 변화에 따른 그리핑 최대변위 및 응력 발생과의 관계를 나타내었다.
이 때, 상기 마이크로로봇 그리퍼 핸드(확대된 부분) 안쪽 표면에 생체시료 및 대상물에 무해한 적합성이 있는 패릴엔(parylene) 과 같은 생체적 합성가능한(bio-compatible) 물질을 도포 코팅하여 약 100 um 내외의 세포 등 바이오 대상물을 조작할 수 있다.
또한, 마이크로로봇 그리퍼 핸드 안쪽 표면에 마이크로 방전가공 수단을 사용하여 미세 요철 형상을 만들고, 대상물의 파지 조작시 마찰력을 크게 하여 파지를 용이하게 하고, 정전기력과 같은 달라붙는 접착력을 줄여 대상물의 위치결정시 잘 떨어져 놓을 수 있도록 하였다.
본 발명에서 마이크로 로봇 그리퍼의 힘센싱을 위해서 반도체형 스트레인 게이지 센서를 사용하였다. 스트레인 게이지 센서에 의한 힘센싱 원리를 나타내는 수식은 다음과 같다.
이 때, 는 전기저항의 변화, 는 기준 저항, 는 strain 변화를 나타낸다.
도 8은 탄성힌지형 그리퍼의 재질 및 형상에 따른 구동 특성 FEM 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7에서 보듯이 A의 법선 방향으로 추력(thrusting force)을 10N 으로 일정하게 작용한다고 가정하고, 탄성힌지형 마이크로로봇 그리퍼 핸드의 형상 설계 파라미터들과 핸드 구조의 재질을 변화시키면서 그리핑 최대 변위를 살펴보았다.
도 8에서 알 수 있듯이 SUS304 재질에 비해 초탄성 효과를 가지는 NiTi 합금계를 이용하였을때 그리핑 핸드(hand)의 최대구동 변위가 2배 이상 증가함을 예측할 수 있고, 실험을 통해 검증하였다.
도 9는 본 발명에 따라 마이크로로봇 그리퍼 장치가 통합된 마이크로조립시스템의 개념도이다.
마이크로 조립시스템은 3차원 미세부품 형상의 인식력이 우수한 현미경 방식을 채용하였으며, 초점심도(field-of-view) 사양이 기존의 현미경에 비해 수배 이상 뛰어나다. 그와 동시에 다수의 배율 정보를 제공, 동시에 다수의 초점영역의(field-of-view)의 제공 및 선정이 가능하다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이 현미경(71)과, 3개의 CCD 카메라(72,73,74), 영상처리장치(75)로 구성되며, 현미경(71)에 탑재된 다수의 CCD 카메라(72,73,74)를 통해 나오는 영상 이미지는 영상처리장치(75)와 영상표시장치(76)를 거쳐 모니터를 통해 조작자에게 최종적으로 전달된다.
여기서, 상기의 영상표시장치(76)는 마이크로 비전장치에 의한 조립환경을 모니터하는 역할을 하고, 슬레이브(Slave) 다자유도 마이크로 로봇의 원격제어를 위한 스케일링(scaling) 조절 역할을 한다. 또한, 영상처리장치(75)의 위치 및 각도 정보를 제공하고, 네트워크 관리 기능을 하며, 다자유도 마이크로 로봇의 동작의 그래픽 가시화 및 view point selection이 가능하다.
도 10은 마이크로로봇 그리퍼의 정밀한 위치 및 힘 검출을 동시에 수행할 수 있도록 하기 위한 스트레인 게이지의 부착위치를 나타낸 블록 구성도이다. 도 11은 초소형 부품 조립을 위한 사용자 그래픽 인터페이스(GUI)의 구성도이다.
도 10을 살펴보면, 마이크로로봇 그리퍼의 제어를 위해 컴퓨터 인터페이스는 1채널의 출력과 2채널의 센서신호로 구성되었다.
즉, 사용자그래픽인터페이스(GUI)(80a)과 제어알고리즘(80b)를 구비한 컴퓨터(80)의 제어에 따라 D/A변환부(81), VCM구동부(82), 보이스 코일 모터(83a)와 그리퍼(83b)를 구비한 VCM장치(83)를 거쳐 위치검출용 스트레인게이지(84a), 브리지회로(85a), 증폭부(86a), 저역필터부(87a) 과정을 통해 정밀한 위치를 검출하고, 힘검출용 스트레인게이지(84b), 브리지회로(85b), 증폭부(86b), 저역필터부(87b) 과정을 통해 힘을 검출한 후 A/D변환부(88)를 거침으로서 마이크로로봇 그리퍼의 정밀한 위치 및 힘 검출을 동시에 수행하게 된다.
여기서, 상기 사용자 그래픽 인터페이스(GUI)(80a)에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 도 11에 도시된 바와 같이 비전 엔진, 그래픽 엔진, 햅틱 엔진 및 제어 엔진으로 구성되어 있다.
상기 비전 엔진은 사용자 그래픽 인터페이스에 시각 정보를 제공하는 부분으로 조립장치의 주변에 설치된 다수개의 광학 현미경들로부터 조립 대상물의 실영상 시각 정보를 제공하는 기능을 한다.
상기 그래픽 엔진은 상기 비전 엔진과 연계되어 비전 엔진으로부터 제공되는 실영상 시각 정보에 가상 시각 정보를 더하여 제공함으로서 가상 환경상에서도 조립공정을 구현할 수 있게 한다.
상기 햅틱 엔진은 사용자 조작시 사용자가 입력하는 역각 정보 및 촉각 정보를 상기 조립로봇에 실시간으로 전달함으로서 조립 로봇을 미세하게 조정할 수 있도록 하고, 상기 비전 엔진 및 그래픽 엔진으로부터의 시각 정보로부터 변환된 역각 정보 및 촉각 정보를 사용자에게 제공함으로서 실제 조립작업을 지원할 뿐만 아니라 가상 환경에서도 조립 공정을 훈련할 수 있도록 한다.
상기 제어 엔진은 비전 엔진, 그래픽 엔진, 햅틱 엔진이 제공하는 감각정보를 통하여 소정의 조립 대상물의 조립 공정에 대하여 원격 조립모드와 자동조립모드 중 어느 하나를 선정하고, 선정된 모드에 따라서 조립 로봇을 구동하기 위한 제어신호를 전달하는 역할을 한다.
상기에서와 같이, 그래픽 엔진, 비전 엔진 및 햅틱 엔진 상호간에 감각정보를 일방적으로 제공한다기 보다는 양방향으로 정보를 공유하게 된다. 예컨대, 사용자 조작에 의한 원격 조립모드가 선정된 경우 비전 엔진, 그래픽 엔진 및 제어 엔진과 원격지에서 위치한 햅틱 엔진이 구동됨에 따라 사용자에 의해 입력되는 감각 정보가 조립 로봇에게 전달되어 조립 로봇을 구동하게 되고, 상기 조립 로봇의 구동으로부터 그래픽 엔진과 비전 엔진은 감각 정보를 전달받게 되며, 상기 그래픽 엔진과 비전 엔진은 전달받은 감각정보를 다시 햅틱 엔진에 전달하게 된다.
또한 제어 엔진에서 발생한 제어신호에 의해 조립 로봇이 작동하게 되고, 조립 로봇의 움직임은 사용자 그래픽 인터페이스의 화면에 작업궤적으로서 나타나게 된다.
도 12는 마이크로로봇 그리퍼의 정밀한 위치, 힘 서보제어를 위한 블럭 구성도이다.
도 12를 살펴보면, 스트레인게이지 2개를 이용하여 힘과 위치 정보를 모두 검출한다. 즉, 목표 위치 검출은 위치검출용 센서(97) 및 PID 위치제어기(91)와 힘위치제어스위치(92)가 연결된 제 1스위치(94a)을 거쳐 보이스 코일 모터(95) 및 마이크로로봇그리퍼핸드(96)를 통해 실행되고, 목표 힘 검출은 힘검출용 센서(98) 및 PID 힘제어기(93)와 힘위치제어스위치(92)가 연결된 제 2스위치(94b)을 거쳐 보이스 코일 모터(95) 및 마이크로로봇 그리퍼핸드(96)를 통해 실행된다.
이 때, 마이크로로봇 그리퍼를 이용한 대상물 파지시 정밀 위치 및 힘제어는 접촉유무의 판단을 통해 위치 제어와 힘 제어의 스위칭을 하는 하이브리드 제어 방식 즉, 대상물의 조작시 접촉력이 발생하기 전에 위치제어를 물체와 접촉이 일어난 후에 힘 제어를 할 수 있도록 한다.
따라서, 위치제어와 힘제어를 조건에 따라 스위칭을 통해 수행하여 대상물의 특성에 맞는 정밀한 마이크로 로봇 그리핑 작업이 가능하다. 위치 검출과 힘 검출이 필요할 때를 구분하여 사용하므로 제어의 효율성을 높일 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 마이크로로봇 그리퍼 장치에 따르면, 소형이면서 높은 정밀도가 요구되는 광파이버, 광 컨넥터, 레이저 다이오드 등 각종 광통신 부품의 조립용 로봇도구 장치로 활용이 가능하다.
또한, 정보통신용, 의료기기용, 자동차용, 우주항공용, 에너지 및 환경용 마이크로시스템의 응용개발이 다양화되는 추세이므로 3차원 형상을 갖는 집적화된 마이크로 부품들의 조립을 개발된 마이크로로봇 그리퍼를 이용하여 가능하게 할 수 있다. 이 때, 수 mm 이상의 외형치수를 갖는 마이크로 부품의 경우에는 기존의 상용화된 정밀한 그리퍼를 이용하여 조작될 수 있지만, 조립대상 부품의 크기가 수십 um　~　1 mm 사이인 경우에는 적합한 그리퍼가 없어 개발된 마이크로로봇 그리퍼의 적용이 가능하다.
또한, 마이크로로봇 그리퍼의 위치, 힘 센싱 정보의 이용한 피드백 제어를 통해 미세전자기계시스템(MEMS), 광부품 등의 대량생산이 가능한 마이크로 조립용 로봇 그리퍼 장치로서 활용이 가능하다.
또한, 생명공학의 발전으로 인해 바이오 관련 연구 분야에서 세포 조작 및 이송 등의 자동화 작업이 필요해졌으며, 개발된 마이크로로봇 그리퍼 장치를 이용한 기계적인 조작방식을 이용하여 세포 조작시의 정밀 위치 및 힘 제어가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로조립 및 조작용 마이크로로봇 그리퍼 장치의 설계 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 NiTi 계 초탄성 합금을 이용한 탄성힌지형 마이크로로봇 그리퍼 핸드의 VCM 동작에 따른 센서 동작 개념도이다.
도 3은 마이크로 조립용 마이크로로봇 그리퍼의 정밀제어를 위한 위치센싱 장치의 개념도이다.
도 4는 보이스 코일 모터를 이용한 전자기력 구동 추력생성 장치의 원리를 나타낸 구성도이다.
도 5은 마이크로로봇 그리퍼 핸드의 가공에 사용한 미세방전가공법(Micro Electro-Discharging Machining)의 가공원리 개념도이다.
도 6은 마이크로로봇 그리퍼 장치의 시스템 구성도이다.
도 7은 탄성힌지형 마이크로로봇 그리퍼 핸드(hand)의 형상설계도이다.
도 8은 탄성힌지형 그리퍼의 재질 및 형상에 따른 구동 특성 FEM 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따라 마이크로로봇 그리퍼 장치가 통합된 마이크로조립시스템의 개념도이다.
도 10은 마이크로로봇 그리퍼의 정밀한 위치 및 힘 검출을 동시에 수행할 수 있도록 하기 위한 스트레인 게이지의 부착위치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 11은 초소형 부품 조립을 위한 사용자 그래픽 인터페이스(GUI)의 구성도이다.
도 12는 마이크로로봇 그리퍼의 정밀한 위치, 힘 서보제어를 위한 블록 구성도이다.

Claims (14)

  1. 3차원 형상의 마이크로 부품 조립 작업 및 생체 대상물의 조작에 이용되는 마이크로로봇 그리퍼 장치에 있어서,
    푸싱 사프트(Pushing Shaft)를 중심축으로 소정의 코일이 감겨져 있고, 상기 코일의 양 측면에 S극과 N극, N극과 S극의 자석들이 위치하며, 상기 푸싱 사프트의 전,후방 양측면과 프레임 사이에 오일리스 베어링(Oilless Bearing)이 각각 맞물린 형태로 구성된 보이스 코일 모터(Voice-Coil Motor)을 이용하여 로렌츠(Lorenz) 전자기력에 의해 구동되는 마이크로로봇 그리퍼의 구동 수단과;
    상기 구동수단과 연동되어 마이크로로봇 그리퍼의 정밀한 위치 제어 및 힘 제어를 위한 탄성힌지형 마이크로로봇 그리퍼 핸드 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로로봇 그리퍼의 핸드 수단은 PZT 압전구동 엑츄에이터를 이용한 선형 추력 매커니즘에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로로봇 그리퍼의 핸드 수단은 NiTi계 초탄성 합금 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 마이크로로봇 그리퍼 핸드수단의 변위증폭은 탄성힌지 구조의 지렛대 원리(lever principle)를 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 마이크로로봇 그리퍼 핸드 수단의 제작에 있어 3차원 미세 성형은 미세방전가공(MEDM)법을 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 마이크로로봇 그리퍼 핸드 수단의 정밀제어를 위한 위치 센싱은 광위치 검출소자(Position Sensitive Device)을 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 마이크로로봇 그리퍼 핸드 수단의 대상물 파지시 힘검출 변위수단으로 반도체형 스트레인 게이지를 이용하는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  8. 청구항 4에 있어서, 상기 마이크로로봇 그리퍼 핸드 수단의 정밀한 힘 검출은 햅틱장치를 통해 원격의 조작자에게 힘반향(force feedback)을 줄 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  9. 청구항 4에 있어서, 상기 마이크로로봇 그리퍼를 이용한 대상물 파지시 정밀 위치 및 힘제어는 접촉유무의 판단을 통해 위치 제어와 힘 제어의 스위칭을 하는 하이브리드 제어 방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 마이크로봇 그리퍼 장치.
  10. 청구항 4에 있어서, 상기 마이크로로봇 그리퍼 핸드 안쪽 표면에 생체시료 및 대상물에 무해한 적합성이 있는 생체적 합성가능한 물질을 도포 코팅하여 세포 및 혈관 동맥 등 바이오 대상물을 조작할 수 있게 적용하는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  11. 청구항 4에 있어서, 상기 마이크로로봇 그리퍼 핸드 안쪽 표면에 마이크로 방전가공 수단을 사용하여 미세 요철 형상을 만들고, 대상물의 파지 조작시 마찰력을 크게 하여 파지를 용이하게 하고, 정전기력과 같은 달라붙는 접착력을 줄여 대상물의 위치결정시 잘 떨어져 놓을 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로로봇 그리퍼 핸드 수단에는 초소형 부품 조립을 위한 사용자 그래픽 인터페이스(GUI)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 사용자 그래픽 인터페이스(GUI)에는
    조립장치의 주변에 설치된 다수개의 광학 현미경들로부터 조립 대상물의 실영상 시각 정보를 제공하는 비전 엔진과;
    상기 비전 엔진과 연계되어 비전 엔진으로부터 제공되는 실영상 시각 정보에 가상 시각 정보를 더하여 제공하는 그래픽 엔진; 및
    상기 비전 엔진 및 그래픽 엔진의 시각 정보로부터 변환된 역각 정보 및 촉각 정보를 사용자에게 제공하고, 사용자 조작시 사용자가 입력하는 역각 정보 및 촉각정보를 조립 로봇에 전달하는 햅틱 엔진을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 비전 엔진, 그래픽 엔진, 햅틱 엔진이 제공하는 감각정보를 통하여 소정의 조립 대상물의 조립 공정에 대하여 원격 조립모드와 자동조립모드 중 어느 하나를 선정하고, 선정된 모드에 따라서 조립 로봇을 구동하기 위한 제어신호를 전달하는 제어 엔진을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 그리퍼 장치.
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