KR100593913B1 - 고분자 유전체 액츄에이터 및 이를 이용한 인치웜 로봇 - Google Patents

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KR100593913B1
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Abstract

본 발명은 고분자 유전체 액츄에이터 및 그를 이용한 인치웜 로봇 에 관한 것으로서, 서로 대향하는 제1 및 제2 면과 그 사이에 위치한 측면을 가지며, 비압축성 고분자 유전체로 이루어진 적어도 하나의 고분자 유전체 필름과, 상기 제1 면 및 제2 면에 각각 접속된 제1 및 제2 연성 전극을 구비한 적층형 구동부 및, 상기 고분자 유전체 필름에 작용하는 선장력이 거의 0이 되도록 상기 고분자 유전체 필름의 측면을 따라 형성된 고정프레임을 포함한 엑츄에이터를 제공한다. 본 발명에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터는 상기 제1 및 제2 연성전극을 통해 상기 고분자 유전체 필름에 전압이 인가되면, 상기 적층형 구동부가 상기 제1 및 제2 면 중 한 면의 방향으로 돌출되어 상기 인가된 전압에 상응하는 변위를 제공한다.
액츄에이터(actuator), 고분자 유전체(dielectirc polymer), 인치웜 로봇(inchworm robot), 선장력(prestrain)

Description

고분자 유전체 액츄에이터 및 이를 이용한 인치웜 로봇{DIELECTRIC POLYMER ACTUATOR AND INCHWORM ROBOT USING THE SAME}
도1은 실리콘인 고분자 유전체의 전압증가에 따른 변형율을 나타내는 그래프이다.
도2a 및 도2b는 본 발명의 일실시형태에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터의 평면도 및 측단면도이다.
도3a 내지 도3c는 본 발명에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터의 구동원리를 설명하기 위한 측단면도이다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터의 수직방향 변위를 나타내는 그래프이다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터의 응답특성을 나타내는 그래프이다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터의 전압에 따른 출력을 나타내는 그래프이다.
도7a는 본 발명의 일실시형태에 따른 인치웜 로봇의 분해사시도이다.
도7b은 도7a에 채용된 엑츄에이터 모듈의 분해사시도이다.
도8는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 인치웜 로봇의 사진이다.
도9는 본 발명에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터에 채용될 수 있는 방전부를 포함한 구동회로도를 나타낸다.
도10a 및 도10b는 각각 방전부가 채용되지 않은 고분자 유전체 엑츄에이터와 방전부가 채용된 고분자 유전체 엑츄에이터에 대한 주파수특성을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
20: 고분자 유전체 엑츄에이터 22: 고분자 유전체 필름
26: 고정 프레임 27a,27b: 연성전극
본 발명은 고분자 유전체 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열화현상을 유발하는 선장력을 이용하지 않고 큰 변위를 얻을 수 있는 고분자 유전체 엑츄에이터 및 이를 이용한 인치웜 로봇에 관한 것이다.
현재까지, 마이크로 로봇에 가장 보편적으로 사용된 엑츄에이터는 전동모터와 같은 전자기 원리에 기반한 엑츄에이터가 주류를 이루었으나, 최근에는 압전소자나 형상기억합금 등을 이용하거나, 기능성 고분자(electroactive polymer)원리에 기반한 마이크로 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 인공 근육 액츄에이터(artificial muscle actuator)라고도 하는 기능성 고분자를 이용한 액츄에이터는 종래의 전동모터와 같은 엑츄에이터기술을 대체할 기술로서 각광을 받고 있다. 이러한 기능성 고분자은 다양한 물질을 포함하며, 각 재료의 특성 및 장단점에 따라서 다양한 형태의 액츄에이터를 개발가능하므로, 폭넓은 응용이 기대된다.
기능성 고분자 물질 중 최근에 많은 관심을 불러 일으키고 있는 물질로는, 유전 탄성체(dielectric elastomer)라고도 불리는 비압축성 고분자 유전체가 있다.상기 고분자 유전체는 비교적 고압의 전원이 요구됨에도 불구하고, 구동 및 가공의 용이하며, 응답속도가 빠르고, 가격 등의 장점을 갖는다.
이러한 비압축성 고분자 유전체의 구동 원리는 전기장에 의해 발생된 고분자 유전체 필름의 두께 감소와/또는 그에 따른 면적의 증가를 이용하는 것이다. 여기서, 상기 고분자 유전체 필름의 두께 감소는 전기장 방향으로 수축되는 유효 압력에 의해 발생된다. 상기 유효압력(σ z )은 아래의 수학식 1에 의하여 구할 수 있다.
Figure 112004025716706-pat00001
상기 식1에서, E는 전기장, t는 탄성체의 최종두께, V는 인가전압(또는 구동 전압), ε 0 과 ε r 은 각각 자유공간의 유전율과 고분자의 유전율이다. 또한, 유효압력(σ z )에 의해서 발생되는 변형율(δ z )도 전기장의 제곱에 비례한다. 따라서, 압축력에 의한 최종두께는 t=(1+δ z )t 0 로 표현될 수 있다.
상기 수학식1을 유효압력(σ z )에 의한 z방향의 변형율(δ z )로 표현하면 아래 수학식2를 통해 아래 수학식 3과 같이 변형율(δ z )에 관한 3차 방정식을 얻을 수 있다.
Figure 112004025716706-pat00002
Figure 112004025716706-pat00003
상기 수학식 2 및 3에서, Y는 재료의 인장강도이다.
도1은 상기 수학식3을 기반하여 실리콘재료의 전압 증가에 따른 변형율(δ z )를 시뮬레이션한 곡선이다. 여기서, 상기 실리콘재료는 인장강도가 2이고, 절연파괴(break down)강도는 20 kV/㎜이며, 상대적 유전율이 2.8인 물성을 갖는다.
도1을 참조하면, 절연파괴강도에 의해 허용되는 전압범위에서는 높은 변형율(δ z )은 0.25 내지 3%에 불과한 것으로 나타났다.
고분자 유전체물질은 비압축성이므로, 고분자 유전체 필름이 원형인 경우를 가정하면, 수평방향에 따른 변형률(δ r )은 아래 수학식4와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112004025716706-pat00004
상기 수학식4에 기초한 급수전개를 통해 근사치를 구하면, 수평방향 변형율(δ r )은 -(1/2)δ z 로 계산할 수 있다.
이와 같이, 고분자 유전체의 변형률은 수직방향은 물론 수평방향으로도 매우 제한적인 것을 확인할 수 있다. 즉, 고분자 유전체 물질은 전기장의 압축력에 의한 변형을 그대로 이용하는 경우에는 상대적으로 작은 변위와 출력을 나타내므로, 실제 응용에서는 문제가 될 수 있다.
이러한 문제를 해결하여 높은 변위와 출력을 얻기 위해서, 최근에 개발된 고분자 유전체 액츄에이터는 고분자 유전체에 선장력(prestrain)을 인가하는 방식을 이용한다. 선장력이 인가된 고분자 유전체 필름은 탄성체 내부에 응력이 잔류하고, 그로 인해 필름이 변형되므로, 탄성평형이 재구성된다. 이와 같이 선장력에 의해 탄성력이 재구성된 고분자 유전체 필름은 전기장에 따른 변형량을 크게 증폭시킬 수 있다고 알려져 있다.
하지만, 이러한 선장력은 고분자 유전체 엑츄에이터에 부정적인 결과를 야기 하는 원인이 된다.
보다 구체적으로, 고분자 유전체 필름에 선장력을 인가하는 경우, 엑츄에이터의 고분자 유전체는 일정한 변형을 유지하고 있으므로, 일반적인 기계적 물성인 응력이완현상(stress relaxation)에 발생된다. 이는 결과적으로 고분자 유전체 액츄에이터의 성능을 점차 저하시키는 문제를 야기한다.
또한, 종래의 고분자 유전체 엑츄에이터는 선장력을 유지하기 위해 외부구조물이 요구되므로 구조가 복잡해지고 동력발생과 무관한 중량이 증가한다. 이로 인해, 종래의 고분자 유전체 엑츄에이터는 중량 대비 출력효율을 저하되는 문제가 있다.
나아가, 선장력에 의한 종래의 고분자 유전체 엑츄에이터는 정확하게 표현하면 능동적인 구동이라기 보다는 수동적 구동에 가까운 구동방식이므로, 액츄에이터 외부에서 스프링과 같은 별도의 탄성체를 통하여 일정한 탄성력을 부여하여야 한다. 이러한 부가적인 탄성체로 인해 중량 대 출력비가 반감되며, 초소형 액츄에이터의 제조하는데 있어서, 큰 제한요소로 작용한다.
이와 같이, 선장력이 적용되는 종래의 고분자 유전체 액츄에이터는 변형량을 증폭시켜 실용가능한 변위량을 제공하는 장점에도 불구하고, 응력이완현상에 의한 신뢰성 저하와 부가요소에 따른 중량 대비 출력저항라는 제한사항이 있으므로, 장기간을 사용하더라도 우수한 신뢰성이 유지가능하면서도 소형화가능한 엑츄에이터를 제공하는데는 한계가 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 우수한 엑츄에이터를 제공하는데 여러 문제를 야기하는 선장력을 인가하지 않은 상태에서도 충분한 변위량을 제공할 수 있는 새로운 고분자 유전체 액츄에이터를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 고분자 유전체 액츄에이터를 이용하여 3자유도 운동이 가능한 인치웜로봇을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은 고분자 유전체 필름에 선장력을 인가하지 않은 상태에서 큰 변위와 출력을 얻을 수 있는 새로운 구조의 고분자 유전체 액츄에이터를 제안한다.
본 발명에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터는, 서로 대향하는 제1 및 제2 면과 그 사이에 위치한 측면을 가지며, 비압축성 고분자 유전체로 이루어진 적어도 하나의 고분자 유전체 필름과, 상기 제1 면 및 제2 면에 각각 접속된 제1 및 제2 연성 전극(compliant electrode)을 구비한 적층형 구동부와, 상기 고분자 유전체 필름에 작용하는 선장력이 거의 0이 되도록 상기 고분자 유전체 필름의 측면을 따라 형성된 고정프레임을 포함하며, 상기 제1 및 제2 연성전극을 통해 상기 고분자 유전체 필름에 전압이 인가되면, 상기 적층형 구동부가 상기 제1 및 제2 면 중 한 면의 방향으로 돌출되어 상기 인가된 전압에 상응하는 변위를 제공하는 것을 특징 으로 한다.
바람직하게, 상기 고분자 유전체 필름은, 원하는 방향으로 변위가 유도되도록 상기 방향으로 융기된 구조를 가지며, 상기 고분자 유전체 필름은 윈판형일 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 상기 적층형 구동부는, 변위에 대한 충분한 강성을 확보하기 위해서, 복수개의 고분자 유전체 필름이 적층된 구조로 구현될 수 있으며, 이 경우에, 상기 적층된 고분자 유전체 필름 사이에 배치된 제1 또는 제2 연성전극은 인접한 다른 고분자 유전체 필름의 제2 또는 제1 연성전극으로서 제공된다.
본 실시형태에서, 상기 적층형 구동부는 최상부와 최하부에 배치된 연성전극을 보호하기 위한 전극보호피막을 더 포함할 수 있다.
상기 연성전극은 다른 연성전극과의 전기적 절연을 보장하기 위해서, 상기 각각의 고분자 유전체 필름의 외주로부터 소정의 간격으로 분리되어 형성되는 것이 바람직하다.
나아가, 응답특성을 개선하기 위해서, 소정의 전압이 인가된 후에 상기 고분자 유전체 필름에 잔류한 전하를 제거하기 위해 상기 연성전극에 연결된 방전부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 방전부를 구성하는 회로는 구동전압을 공급하 기 위한 구동회로와 병렬로 구성될 수 있으며, 일체화된 형태로 방전기능을 갖는 구동부로서 제공될 수 있다.
본 발명은 상기 고분자 유전체 엑츄에이터를 이용한 인치웜 로봇을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 인치웜로붓은, 복수개의 엑츄에이터 모듈이 적층되어 이루어진 체절구동체와, 상기 복수개의 엑츄에이터 모듈이 외부로부터 보호되도록 상기 체절구동체의 주위를 둘러싸며, 상기 엑츄에이터 모듈의 변위를 보장하기 위해 상기 복수개의 엑츄에이터 모듈 사이에 체절부가 형성된 외형구조와, 상기 복수개의 엑츄에이터 모듈에 전기적으로 연결되어 구동전압을 제공하는 전원공급부를 포함한다. 여기서, 상기 복수개의 엑츄에이터 모듈 각각은, 상하면을 갖는 기판과 상기 기판의 적어도 한면에 배치된 복수개의 고분자 유전체 엑츄에이터와 상기 복수개의 엑츄에이터에 전압을 인가하기 위해 상기 기판 상에 형성된 회로패턴을 갖는 복수개의 엑츄에이터 모듈이 적층되어 이루어지며, 상기 복수개의 고분자 유전체 엑츄에이터 각각은, 서로 대향하는 제1 및 제2 면과 그 사이에 위치한 측면을 가지며, 비압축성 고분자 유전체로 이루어진 적어도 하나의 고분자 유전체 필름과, 상기 제1 면 및 제2 면에 각각 접속되어 상기 회로패턴과 연결된 제1 및 제2 연성 전극을 구비한 적층형 구동부와, 상기 고분자 유전체 필름에 작용하는 선장력이 거의 0이 되도록 상기 고분자 유전체 필름의 측면을 따라 형성되며 상기 기판 상에 부착된 고정프레임으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 적층형 구동부는, 복수개의 고분자 유전체 필름이 적층된 구조를 가지며, 상기 적층된 고분자 유전체 필름 사이에 배치된 제1 또는 제2 연성전극은 인접한 다른 고분자 유전체 필름의 제2 또는 제1 연성전극으로서 제공된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 상기 엑츄에이터 모듈의 기판은 원판형이며, 상기 엑츄에이터 모듈의 고분자 유전체 엑츄에이터는 상기 기판의 외주를 따라 등간격으로 배열된 3쌍으로 이루어질 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 엑츄에이터 모듈의 회로패턴은, 상기 복수개의 고분자 유전체 엑츄에이터에 연결된 공통접지패턴과 상기 3쌍의 고분자 유전체 엑츄에이터에 각각 연결된 3개의 전원공급패턴으로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 소정의 전압이 인가된 후에, 상기 고분자 유전체 필름에 잔류한 전하를 제거하기 위해 상기 전원공급부와 병렬로 상기 3개의 전원공급패턴에 연결된 방전부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도2a 및 도2b는 본 발명의 일실시형태에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터를 나타낸다.
도2a를 참조하면, 상기 고분자 유전체 엑츄에이터(20)는, 제1 및 제2 연성 전극(27a,27b)과 그 사이에 적층된 고분자 유전체 필름(22)을 포함한 적층구동부와, 상기 고분자유전체필름(22)의 측면을 둘러싼 고정프레임(26)을 포함한다. 상기 고정프레임(26)은 상기 고분자 유전체 필름(22)에 작용하는 선장력이 거의 0이 되도록 고분자유전체필름 측면을 따라 장착된다.
상기 고분자 유전체 필름(22)은 비압축성 물질로서 실리콘, 풀루오르 탄성중합체, 폴리부타디엔 및 이소프렌 등으로부터 선택하여 사용될 수 있다. 본 실시형태에서 채용된 고분자 유전체 필름(22)은 원판형이며, 이 형상에 따라 상기 고정프레임(26)은 상기 원판형에 대응하는 내부직경을 갖는 링형구조로 이루어진다. 상기 고정프레임(26)은 상기 고분자 유전체 필름(22)이 수평적 팽창, 즉 측면방향 팽창을 저지할 수 있는 강성 물질로 제조될 수 있다. 또한, 본 실시형태와 같이 상기 고분자 유전체 필름(22)은, 상부 또는 하부 중 원하는 방향으로 변위가 유도되도록 특정 방향으로 융기된 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 융기된 구조는 고분자 유전체 필름(22)의 직경을 고정프레임(26)의 내부직경보다 다소 크게 제조함으로써 용이하게 구현될 수 있다.
상기 제1 및 제2 연성전극(27a,27b)은 상기 고분자 유전체 필름(22)의 변형을 유도하는 전압을 제공하는 역할을 하며, 카본, 그래파이트 또는 전도성 폴리머로 제조될 수 있다. 상기 연성전극(27a 또는 27b)은 다른 연성전극(27b 또는 27a)과의 원하지 않는 방전으로 인한 쇼트를 방지하기 위해서, 도2a 및 도2b에 도시된 바와 같이, 고분자 유전체 필름(22)의 외주로부터 소정의 간격으로 분리되어 형성 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태에서는 도시되지 않았으나, 상기 적층형 구동부는 외부의 영향으로부터 손상을 방지하기 위해서, 고분자 유전체 필름(22) 상에 연성전극(27a,27b)을 보호하기 위한 전극보호피막(미도시)을 더 포함할 수도 있다.
본 실시형태에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터(20)에서는, 상기 제1 및 제2 연성전극(27a,27b)을 통해 상기 고분자 유전체 필름(22)에 전압이 인가되면, 비압축성인 고분자 유전체 필름(22)은 측면방향으로 팽창하려고 하나, 고정프레임(26)에 의해 억제되어, 상기 제1 및 제2 면 중 한 면의 방향으로 돌출되는 변위를 발생시킨다. 본 발명에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터의 작용원리는 도3a 내지 3c를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
도3a 내지 도3c는 본 발명에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터(30)의 구동원리를 설명하기 위한 측단면도이다. 여기서, 도2b와 같이 고분자 유전체 필름(32)의 상하면에는 각각 연성 전극이 배치되나 설명의 편의를 위해 생략하여 도시되었다.
도3a를 참조하면, 소정의 직경(d)을 갖는 원판형 고분자 유전체 필름(32)은 그 외곽에 부착된 고정프레임(36)에 의해 고정된다. 상기 고분자 유전체 필름은 비압축성 물질이며, 상기 고정프레임은 초기상태(전압인가 전)의 고분자 유전체 필름(32)의 수평방향으로의 확장을 억제하는 강성물질로 구성된다.
상기 고분자 유전체 필름(32)에 전압이 인가되면, 도3b와 같이 고분자 유전체 필름(32)에는 그 수직방향으로 압축력이 적용된다. 압축력에 의해 비압축성인 고분자 유전체 필름(32)은 팽창력이 발생된다. 즉, 상기 고분자 유전체 필름(32)은 일정한 부피를 유지하기 위해 수평방향으로 확장되려는 경향을 갖는다. 하지만, 상기 팽창력은 고정프레임(36)에 의해 제한되므로, 고분자 유전체 필름(32)측으로 반발력이 작용한다.
이러한 작용을 통해, 상기 고분자 유전체 필름(32)의 중심부가 도3c와 같이 상부방향으로 돌출되는 변형이 발생되고, 중심부의 상하위치이동으로 정의되는 변위(h)가 발생된다. 또한, 상기 고분자 유전체 필름(32)은 원형인 경우에 모든 수평방향에 대해 균일한 힘이 작용하므로, 변형된 돌출부는 거의 구형으로 이루어진다. 따라서, 도3c와 같이, 변형 돌출부는 곡률반경(r), 각도(θ)로 표시될 수 있다.
상기 변위(h)는 변형율을 δ a 라 할 때에 아래의 수학식5로 정의될 수 있다.
Figure 112004025716706-pat00005
r(sinθ/2)=d/2이므로, 이를 수학식 5의 d에 대입하여, sin(θ/2)를 2차 급수전개하고 이를 정리하면, θ는 아래의 수학식 6으로 정리될 수 있다.
Figure 112004025716706-pat00006
앞선 수학식 2 내지 4를 이용하여 δ a 를 구하여 θ를 얻을 수 있으며, 곡률반경 r = [(1+δ a )d]/θ이므로, 최종적으로 얻고자 하는 변위(h)는 아래 수학식 7로 정의될 수 있다.
Figure 112004025716706-pat00007
이와 같이, 본 발명에 따르면, 선장력이 없는 상태에서 효과적인 구동을 할 수 있다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 작용 및 효과에 대해 보다 상세히 설명한다.
(실시예1)
본 발명의 고분자 유전체 엑츄에이터의 작용과 효과를 살펴보기 위해서, 두께 35㎛와 직경 5.8㎜인 원판형 고분자 유전체 박막을 20개 준비하고, 연성전극으로서 카본분말 전극과 교대로 적층시킴으로써 적층형 구동부를 제조하였다. 여기서, 적층형 구동부에서 각 연성전극은 각각 고분자 유전체 필름 사이에 하나씩 배치되어, 제1 또는 제2 연성전극이 인접한 다른 고분자 유전체 필름의 제2 또는 제1 연성전극으로서 제공되는 구조를 갖는다.
상기 연성전극은 적층된 전극간의 절연을 위해서, 상기 고분자 유전체 박막의 외주를 따라 약 0.35㎜의 폭을 제외하고 형성하였다(도2a 참조, 전극 원형부의 직경: 5.1㎜).
또한, 상기 적층형 구동부의 상면과 하면에는 최상부 및 최하부에 형성된 전극을 보호하기 위해서 전극보호막을 추가적으로 형성하였다(적층형 구동부의 전체 두께는 750㎛임).
상기 적층형 구동부를 내부직경 5.7㎜인 링형 고정프레임에 장착하여 본 실시예에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터를 제조하였다. 상기 적층형 구동부의 직경은 상기 고정프레임의 내부직경보다 약 0.1㎜ 작으므로, 일 방향으로 돌출된 구조로 장착되며, 그 돌출방향에 의해 적층형 구동부의 변위방향을 결정된다.
본 실시예에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터를 500V에서 2500V까지 구동전압을 변경하면서 변위량을 2회에 걸쳐 측정하였다. 상기 측정결과를 도4에 도시하였다.
도4를 참조하면, 각 측정결과는 삼각형과 원형으로 표시되어 있으며, 약 0.13 내지 0.45㎜의 변위를 나타내었다. 이러한 결과는 각 유전체 박막의 두께의 차이 또는 전극보호막의 영향에 의한 약간의 오차만을 제외하고는, 수학식 7에 기초한 시뮬레이션결과(점선표시)와 거의 일치함을 확인할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터의 응답성능을 평가하였다. 본 평가를 위해서, 주파수가 1㎐이며 2.2㎸의 구형파인 구동전압을 사용하였 다. 그 결과를 도5에 도시하였다. 도5를 참조하면, 2회의 걸친 연속된 구동전압의 인가에 대해서 매우 빠른 응답특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
끝으로, 도6은 본 실시예에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터의 전압에 따른 출력변화를 나타내는 그래프이다. 2회에 걸친 연속된 실험(각각 사각형과 원으로 표시됨)에서 1000V이상의 구동전압에서부터 거의 선형적으로 변화함을 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 상기 고분자 유전체 엑츄에이터를 채용하여 3자유도 운동이 가능한 인치웜 로봇을 제공한다.
도7a는 본 발명의 일실시형태에 따른 인치웜 로봇(40)을 나타내는 사시도이다.
도7a를 참조하면, 상기 인치웜 로봇(40)은, 복수개의 엑츄에이터 모듈(70a-70g)로 구성된 체절구동체(70)와, 상기 복수개의 엑츄에이터 모듈(70a-70g)을 외부의 먼지 등으로부터 보호하기 위한 외형구조(50)를 포함한다. 또한, 상기 인치웜 로봇(40)은 상기 복수개의 엑츄에이터 모듈(70a-70g)에 각각 전기적으로 연결되어 구동전압을 제공하는 전원공급부(미도시)를 포함한다.
도7b에 도시된 바와 같이, 상기 복수개의 엑츄에이터 모듈(70a-70g) 각각은, 상하면을 갖는 기판(71)과, 상기 기판(71)의 양면에 각각 배치된 12개의 고분자 유전체 엑츄에이터(80)와, 상기 12개의 엑츄에이터(80)에 전압을 인가하기 위해 상기 기판(71) 상에 형성된 회로패턴(73)을 포함한다.
또한, 상기 고분자 유전체 엑츄에이터(80) 각각은 도2 및 도3에서 설명된 바와 유사한 구조를 갖는다. 즉, 도7b와 같이 상기 고분자 유전체 엑츄에이터(80)는, 적어도 하나의 고분자 유전체 필름과 그 상하면에 각각 접속되어 상기 회로패턴(73)과 각각 연결된 제1 및 제2 연성 전극을 구비한 적층형 구동부(85)와, 상기 고분자 유전체 필름에 작용하는 선장력이 거의 0이 되도록 상기 고분자 유전체 필름의 측면을 따라 형성되며 상기 기판(71) 상에 부착된 고정프레임(86)을 포함한다.
이와 같이, 상기 적층형 구동부(80)는 구동력의 강성을 향상시키기 위해서, 복수의 고분자 유전체 필름이 적층된 구조를 갖는다. 또한, 바람직하게는 상기 적층된 고분자 유전체 필름 사이에 배치된 제1 또는 제2 연성전극은 인접한 다른 고분자 유전체 필름의 제2 또는 제1 연성전극으로서 제공되도록 제조된다.
본 실시형태와 같이, 상기 엑츄에이터 모듈(70a)의 기판(71)은 원판형일 수 있으며, 이 경우에 상기 엑츄에이터 모듈(70a)의 12개의 고분자 유전체 엑츄에이터(80)는 보다 완전한 3자유도 운동을 구현하기 위해서, 상기 기판(71)의 외주를 따라 등간격으로 배열된 3쌍으로 그 기판(71)의 상하면에 각각 배치되는 것이 바람직하다.
하지만, 본 실시형태에 한정되지 아니하고, 엑츄에이터의 수를 달리하여 다른 배열방식으로 배치할 수 있으며, 기판의 상하면 중 어느 한면에만 선택적으로 배치할 수도 있다. 예를 들어, 3개의 엑츄에이터를 기판의 일면의 외주에 따라 등간격으로 배치하여도 3자유도 운동이 가능한 구조를 가질 수 있다.
또한, 도7b에 도시된 바와 같이, 상기 기판(71) 상의 회로패턴(73)은, 모든 고분자 유전체 엑츄에이터(80: 제1 연성전극)에 연결된 공통접지패턴(73a)과 상기 3쌍의 고분자 유전체 엑츄에이터(80: 제2 연성전극)에 각각 연결된 3개의 전원공급패턴(73b)으로 구성될 수 있다. 도7b에는 상세히 도시되지 않았으나, 제1 및 제2 연성전극과 공통접지패턴 및 전원공급패턴의 연결은 도2a 및 도2b에 도시된 구조가 참조될 수 있다. 즉, 도2a 및 도2b에 도시된 제1 및 제2 연성전극(27a,27b) 중 고정프레임(26)측으로 연장된 부분의 방향과 길이를 기판(71) 상의 원하는 회로패턴(73a,73b)과 연결되도록 설계하여 원하는 연결구조를 적절히 구현할 수 있다.
각 공통지지패턴(73a)과 전원공급패턴(73b)에는 상기 기판(71)을 관통하는 연결홀(75a,75b)을 마련하여 에나멜선과 같은 전선 등의 연결수단(미도시)을 통해 적층된 각 모듈(70a)의 해당 엑츄에이터(80)를 동시에 구동시킬 수 있으며, 각각을 별도로 제어하여 순차 구동방식으로 이동능력을 제공할 수도 있다..
상기 외형구조(50)는 도7a와 같이 인체에 무해하며 인장 강도와 신율이 높은 실리콘을 이용하여 소정의 3D 몰딩방법으로 제조될 수 있다. 특히, 본 발명에 채용되는 외형구조(50)는 액츄에이터 모듈(70)의 수축, 팽창 운동을 보장하기 위하여 모듈 간격에 맞추어 주름(A)이 삽입된 구조로 제조하는 것이 바람직하다.
(실시예2)
본 실시예에서는 도7a와 같은 인치웜 로봇을 제조하였다. 우선, 8개의 엑츄에이터 모듈이 적층된 체절구동체를 제조하였다. 각 엑츄에이터 모듈은 각각 실시 예1에서 제조된 12개의 고분자 유전체 엑츄에이터를 도7b와 같이 배치하여 제조하였으며, 상기 모듈의 직경과 높이는 각각 20mm, 3mm로, 그 무게는 0.4g이 되도록 제조할 수 있었다. 각 모듈 간의 연결은 직경 1mm, 높이 0.2 ~ 0.4mm(엑츄에이터간의 높이차 조정)의 절연체를 단위 액츄에이터의 정점에 실리콘수지로 접착하여 제작하였다.
또한, 각 엑츄에이터 모듈의 엑츄에이터에 전원을 공급하기 위해서 직경 80㎛인 4가닥의 에나멜선(공통접지패턴 1개, 전원공급패턴 3개)으로 연결하였다. 상기 체절구동체의 외형구조은 체절운동이 가능하도록 각 모듈 사이에 주름이 형성된 실리콘물질로 두께가 100㎛이 되도록 제조하였다.
도8과 같이 직경 20㎜이고 길이가 45㎜인 인치웜 로봇을 제조할 수 있었다. 상기 인치웜 로봇은 전선과 패턴 부위를 제외하고는 비교적 경량인 실리콘 또는 고분자물질로 이루어져 총중량이 4.7g에 불과하였다.
본 실시예에 따른 인치웜로봇에 의한 이동속도 및 부하를 평가한 결과, 이동속도는 2.5㎜/sec로, 부하는 10g이상으로 나타났다.
이와 같이, 선장력을 배제한 고분자 유전체 엑츄에이터의 단순팽창을 이용함으로써, 소형화/경량인 새로운 로봇구조를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 튜브형상의 외부구조물을 주행시키기 위하여 3자유도를 갖도록 설계될 수 있다. 본 실시예에 따른 인치웜 로봇은 다양한 형태의 로봇에 기본 골격 및 구동단위로 유익하게 될 수 있다.
또한, 본 발명은 일정 주파수 이상에서 변위 및 출력이 감소하는 문제를 해결한 구동회로를 제공한다. 이러한 변위 및 출력감소문제는 구동주파수가 높은 경우에 유전체막에 잔류한 전하로 인해 실제 엑츄에이터에 인가되는 구동전압이 입력전압보다 작기 때문에 발생한다. 따라서, 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해서, 엑츄에이터, 즉 유전체막에 잔류한 전하를 방전하기 위한 방전회로를 추가로 포함한 구동부를 제공한다.
도9는 본 발명에 따른 고분자 유전체 엑츄에이터에 채용될 수 있는 방전부를 포함한 구동회로도를 나타낸다.
도9를 참조하면, 고분자 유전체 엑츄에이터(80)에 대한 등가회로가 R,C로 표시되어 잇다. 전원공급부로부터 인가되는 입력전압(Vi)에 대해 고분자 유전체 엑츄에이터(80)는 소정의 출력전압(Vo)을 갖는다. 방전부(90)는 입력전압을 인가하는 신호와 동조하여 동작하도록 구성함으로써 입력전압이 제거되는 수간에 잔류하는 전하를 신속하게 방전시켜 엑츄에이터(80)의 주파수응답특성을 획기적으로 개선할 수 있다.
본 실시형태는, 상기한 실시예2와 같은 구조에서는 상기 전원공급부와 병렬로 연결되면서 상기 3개의 전원공급패턴에 각각에 연결된 방전부(90)로서 구현될 수 있다.
도10a 및 도10b는 각각 방전부가 채용되지 않은 고분자 유전체 엑츄에이터와 방전부가 채용된 고분자 유전체 엑츄에이터에 대한 주파수특성을 나타내는 그래프이다.
도10a와 같이, 방전부를 채용하지 않은 엑츄에이터의 경우에는 주파수가 10㎐이상으로 증가하며서 급격하게 변위가 감소하는데 반해, 도10b와 같이 전원공급부와 함께 그와 병렬로 연결된 방전부를 추가로 구성한 엑츄에이터의 경우에는, 구동주파수가 100㎐에서도 변위의 감소폭이 적으며, 특히 1.0㎸∼2.0㎸에서는 변위변화가 거의 없는 것으로 관찰되었다.
이와 같이, 전원공급부와 병렬로 연결된 방전부를 채용함으로써 엑츄에이터의 응답성능을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 선장력을 적용하지 않은 상태에서도 충분한 변위량을 갖는 우수한 고분자 유전체 액츄에이터를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 이러한 고분자 유전체 액츄에이터를 이용하여 3자유도 운동이 가능한 인치웜로봇을 제공힌다.
나아가, 본 발명에 따른 엑츄에이터는 구동회로에 방전부를 채용함으로써 잔류전하로 인한 문제를 해결하여 주파수응답특성을 획기적으로 개선할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고분자 유전체를 이용한 액츄에이터는 선장력을 이용한 방법에 비하여 시간의 경과에 따른 액츄에이터의 성능이 안정적이고 외부 구조물을 최대한 배제함에 따라 가벼우며 소형으로 제작하는 것이 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 서로 대향하는 제1 및 제2 면과 그 사이에 위치한 측면을 가지며, 비압축성 고분자 유전체로 이루어지며 원하는 방향으로 변위가 유도되도록 상기 방향으로 융기된 구조를 갖는 적어도 하나의 고분자 유전체 필름과, 상기 제1 면 및 제2 면에 각각 접속된 제1 및 제2 연성 전극을 구비한 적층형 구동부; 및
    상기 고분자 유전체 필름에 작용하는 선장력이 거의 0이 되도록 상기 고분자 유전체 필름의 측면을 따라 형성된 고정프레임을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 연성전극을 통해 상기 고분자 유전체 필름에 전압이 인가되면, 상기 적층형 구동부가 상기 제1 및 제2 면 중 한 면의 방향으로 돌출되어 상기 인가된 전압에 상응하는 변위를 제공하는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 액츄에이터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 유전체 필름은 윈판형인 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 엑츄에이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적층형 구동부는, 복수개의 고분자 유전체 필름이 적층된 구조를 가지며, 상기 적층된 고분자 유전체 필름 사이에 배치된 제1 또는 제2 연성전극은 인접한 다른 고분자 유전체 필름의 제2 또는 제1 연성전극으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 엑츄에이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적층형 구동부는 최상부와 최하부에 배치된 연성전극을 보호하기 위한 전극보호피막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 액츄에이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연성전극은 다른 연성전극과의 전기적 절연을 보장하기 위해서, 상기 각각의 고분자 유전체 필름의 외주로부터 소정의 간격으로 분리되어 형성된 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 액츄에이터.
  7. 제1항 내지 제6항에 있어서,
    소정의 전압이 인가된 후에, 상기 고분자 유전체 필름에 잔류한 전하를 제거하기 위해 상기 연성전극에 연결된 방전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 엑츄에이터.
  8. 복수개의 엑츄에이터 모듈이 적층되어 이루어진 체절구동체;
    상기 복수개의 엑츄에이터 모듈가 보호되도록 상기 체절구동체의 주위를 둘러싸며, 상기 엑츄에이터 모듈의 변위를 보장하기 위해 상기 복수개의 엑츄에이터 모듈 사이에 체절부가 형성된 외형구조; 및,
    상기 복수개의 엑츄에이터 모듈에 전기적으로 연결되어 구동전압을 제공하는 전원공급부를 포함하며,
    상기 복수개의 엑츄에이터 모듈 각각은, 상하면을 갖는 기판과 상기 기판의 적어도 한면에 배치된 복수개의 고분자 유전체 엑츄에이터와 상기 복수개의 엑츄에이터에 전압을 인가하기 위해 상기 기판 상에 형성된 회로패턴을 갖는 복수개의 엑츄에이터 모듈이 적층되어 이루어지며,
    상기 복수개의 고분자 유전체 엑츄에이터 각각은, 서로 대향하는 제1 및 제2 면과 그 사이에 위치한 측면을 가지며, 비압축성 고분자 유전체로 이루어진 적어도 하나의 고분자 유전체 필름과, 상기 제1 면 및 제2 면에 각각 접속되어 상기 회로패턴과 연결된 제1 및 제2 연성 전극을 구비한 적층형 구동부와, 상기 고분자 유전체 필름에 작용하는 선장력이 거의 0이 되도록 상기 고분자 유전체 필름의 측면을 따라 형성되며 상기 기판 상에 부착된 고정프레임으로 이루어진 것을 특징으로 하는 인치웜 로봇.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적층형 구동부는, 복수개의 고분자 유전체 필름이 적층된 구조를 가지 며, 상기 적층된 고분자 유전체 필름 사이에 배치된 제1 또는 제2 연성전극은 인접한 다른 고분자 유전체 필름의 제2 또는 제1 연성전극으로서 제공되는 것을 특징으로 하는 인치웜 로봇.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 엑츄에이터 모듈의 기판은 원형이며, 상기 엑츄에이터 모듈의 고분자 유전체 엑츄에이터는 상기 기판의 외주를 따라 등간격으로 배열된 3쌍으로 이루어진 것을 특징으로 하는 인치웜 로봇.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 엑츄에이터 모듈의 회로패턴은, 상기 복수개의 고분자 유전체 엑츄에이터에 연결된 공통접지패턴과 상기 3쌍의 고분자 유전체 엑츄에이터에 각각 연결된 3개의 전원공급패턴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 인치웜 로봇.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    소정의 전압이 인가된 후에, 상기 고분자 유전체 필름에 잔류한 전하를 제거하기 위해 상기 전원공급부와 병렬로 상기 3개의 전원공급패턴에 연결된 방전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인치웜 로봇.
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