KR100774670B1 - 신축동작의 라인모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 장치인 모터에 관한 것으로서, 모터 자체가 선형(line form)으로 작동하는 신축동작의 라인모터{The Line Motor of Expand and Contract Motion}에 관한 것이다.

직선운동을 하는 기기의 동력원(Actuator)으로서는 기존의 회전형보다 모터 자체가 선형동작을 하는 것이 효율적이며, 전자석의 코일에 전류를 흘리면 철심(Core)의 양끝이 N극과 S극으로 대전 되는데, 같은 극 끼리 는 서로 밀고 반대 극 끼리 는 서로 당기는 힘의 작용을 응용하여 풀무(bellows)형 주름상자(211)에 고정전자석셀(203)과, 정역전자석셀(204)을 교대로 설치하고 정역전자석셀 전원의 극성을 정역으로 변환시키면 축소동작(102)과 팽창동작(103)을 반복하는 라인모터가 제공되며, 상기 라인모터를 마이크로컴퓨터와 제어장치에 연결하면 순차제어(step by step)와, 타임제어(Time delay)로 더 세밀한 제어가 가능하여 다양한 모션(Motion)을 구현할 수 있으며, 차세대 핵심기술인 로봇이 인간과 유사한 동작을 가능하게 하며, 자동차 등에서 직선동작을 필요로 하는 자동화 기기와, 각종 멀티미디어 기기에서 스라이딩(sliding) 동작을 필요로하는 부품과, 생명체의 손상된 근육을 대체하거나 보조하는 기능의 동력원(actuator)으로 발전하는 효과가 기대된다.

라인모터, 리니어모터, 모터(Motor), 전동기, 인조근육, 인공근육, 전자근력섬유, 전자근육, 전자근육시스템, 액추에이터

Description

신축동작의 라인모터{The Line Motor of Expand and Contract Motion}

제 1도는 본 발명 라인모터의 기본원리를 설명하기 위한 설명도.

제 2도는 본 발명 라인모터의 구성을 설명하기 위한 상세도.

제 3도는 본 발명 라인모터의 동작을 설명하기 위한 회로도.

제 4도는 본 발명 라인모터의 제어셀(제어부)에서 전원 극성을 정역으로

변환시키는 원리를 설명하기 위한 개략적인 회로도.

제 5도는 본 발명 라인모터의 제어셀(제어부) 동작을 설명하기 위한 타이밍

차트.

제 6도는 본 발명의 신축동작의 라인모터를 응용한 전자근력섬유 구성도.

제 7도는 본 발명의 전자근력섬유를 응용한 전자근육 구성도.

제 8도는 본 발명의 전자근육시스템에서 제어계통을 설명하기 위한 개략적인

회로도.

제 9도는 본 발명의 라인모터를 응용한 특수제어 신축동작의 라인모터 구성

을 설명하기 위한 상세도.

제 10도는 본 발명의 라인모터를 응용한 특수제어 신축동작의 라인모터 동작

을 설명하기 위한 회로도.

제 11도는 본 발명의 라인모터를 응용한 라인모션 시스템의 동작을 설명하기

위한 회로도.

제 12도는 본 발명의 라인모터를 응용한 라인모션 시스템에서 구부러지는 동

작을 설명하기 위한 설명도.

★ ★ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ★ ★

101 : 평상상태 102 : 축소 동작상태

103 : 팽창 동작상태 104, 205, 604, 906 : 망태기

105, 211, 911 : 풀무형 주름상자 106, 212, 921 : 셀 고정부

107, 206, 303, 605, 819 : 제어셀

108, 203, 301, 606, 904 : 고정전자석셀

109, 204, 302, 607 : 정역전자석셀

201, 901 : 철심(Core) 202, 902 : 코일

207, 306 : 고정전원 208, 307 : 정역전원

209, 304, 907, 1016 : 주 전원 210, 305 : 제어선

213, 609, 914 : 형태유지 섬유 214, 912 : 각도유지 섬유

215 : 충격흡수 장치 216, 913 : 운동각도

308, 1020 : Y1 방향의 자계 309, 1021 : Y2 방향의 자계

401 : 플립플롭 (T-FF) 402, 502 : C-MOS 인버터 "A"

403, 503 : C-MOS 인버터 "B" 404 : P-MOS FET "1"

405 : N-MOS FET "2" 406 : P-MOS FET "3"

407 : N-MOS FET "4" 408, 508 : 제어신호 입력

409 : 전원 (VDD) 410 : 전원 (VSS)

411, 509 : 출력 정역전원(P1) 412, 510 : 출력 정역전원(P2)

415 : 드레인(D) 416 : 소스(S)

417 : 게이트(G) 501 : T-FF 출력

504, 506 : P-MOS FET 입력신호 505, 507 : N-MOS FET 입력신호

413, 511 : 플립플롭 출력 "Q" 414, 512 : 플립플롭 출력 "Q'"

513 : 신호"1" 514 : 신호"2"

515 : 신호"3" 516 : 신호"4"

601 : 신축동작의 라인모터 602, 707 : 연결부

603, 702 : 지지부 608 : 섬유 줄

701 : 작동부분 703 : 제어부분

704 : 전자근력섬유 705, 820 : 작동확인 센서

706 : 전자근육 제어장치 801, 1104 : 메인 컴퓨터

802, 1105 : 명령 프로그램 803, 1106 : 센서

804 : 생체센서

805, 813, 918, 1013 : 유/무선 통신

806, 1109 : 메모리 807, 1111 : 전원장치

808 : 전자근육 "1" 809 : 전자근육 "2"

810 : 전자근육 "N" 811 : 전자근육 제어장치

812, 917, 1010, 1112 : 마이크로컴퓨터

814, 915, 1011, 1114 : 전원 컨트롤러

815, 916, 1012, 1115 : 제어신호 컨트롤러

816 : 전자근력섬유 "1" 817 : 전자근력섬유 "2"

818 : 전자근력섬유 "N" 821, 920, 1015, 1101 : 주 제어장치

903 : 제어부 905 : 제어전자석셀

908, 1017 : 제어선 "T1" 909, 1018 : 제어선 "T2"

910, 1019 : 제어선 "TN" 919, 1014, 1110 : 배터리

1001, 1116 : 고정전자석셀 "1" 1002 : 고정전자석셀 "2"

1003, 1117 : 고정전자석셀 "N" 1004, 1118 : 제어전자석셀 "1"

1005: 제어전자석셀 "2" 1006, 1119 : 제어전자석셀 "N"

1007, 1120 : 제어부 "1" 1008 : 제어부 "2"

1009, 1121 : 제어부 "N"

1102 : 특수제어 신축동작의 라인모터 "1"

1103 : 특수제어 신축동작의 라인모터 "N"

1107 : 외부 통신장치 1108, 1113 : 내부 통신장치

1201 : 그룹제어 "1" 1102 : 그룹제어 "2"

1203, 1205 : 특수제어 신축동작 라인모터의 팽창동작 된 상태

1204, 1206 : 특수제어 신축동작 라인모터의 축소동작 된 상태

1207 : 특수제어 신축동작 라인모터 2줄을 연동시키기 위하여 연질튜브로

포장한 모양의 단면도

본 발명은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 모터(Motor)에 관한 것으로서, 회전하는 일반적인 모터와는 달리, 모터 자체가 선형(線形)으로 신축(伸縮)적인 동작(動作)을 하는 새로운 분야인 라인모터에 관한 것이다.

본 발명의 라인모터는 선형으로 작동하는 로봇, 자동차 등에서 컴퓨터로 제어되는 지능형 자동화 기기와, 휴대폰 등 멀티미디어 기기에서 슬라이딩 기능의 부품과, 손상된 생체(organism)의 근육을 인위적으로 움직여주는 동력원(actuator)을 제공 하 고저 하며; 종래의 전자석을 이용하여 직선운동을 하는 모터로 개발되어 실용되고 있는 것은 섭동자(Slider)와 고정자(Stator)로 구성되는 리니어(linear) 모터가 있으나 그 구성과 용도가 본 발명의 로봇이나 생체의 관절을 움직여주는 모터나 자동차 등의 직선운동을 하는 기기에 적합하지 않으며; 로봇의 엑츄에이터로 사용하기 위한 전자석 방식의 인조근육 모듈(국내특허 출원 제 10-1998-0000930), 인간근육 특성을 이용한 다자유도계 운동모듈(국내특허 출원 제 10-1998-0000931)이 있으나 전자석과 철구로 만든 피자력체가 흡인하여 수축동작하고 와이어의 스프링작용으로 원상복귀하는 구조로서 본 발명의 전자석간의 흡인력과 반발력을 모두 이용하 고 수축과 팽창의 신축동작을 제어장치로 다양하게 제어하는 본 발명의 라인모터와는 근본적인 원리가 다르며 전자석을 설치하고 지지하는 방법도 전혀 다른 것으로서 비효율적이고 제어가 어려운 단점이 있으며; 자기장 부재와 철부재의 흡인력과 인장 스프링의 원상복귀 원리를 이용한 인공근육 장치 및 그것을 이용한 시스템(국내특허 출원 제 10-2001-0034094)이있으나 전자석과 철편의 흡인력과 스프링을 이용한 것으로서 본 발명과 근본이론이 다르며 비효율적인 것으로서 실용화가 어려운 단점이 있다.

본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여,

라인모터의 동작방법을 전자석만으로 축소동작과 팽창동작하도록 구성하여; 축소동작 시에 피 자력체의 철구나 철편을 사용하지않고, 축소동작 후 원상복귀하기 위한 스프링 기능의 와이어를 사용할 필요가 없도록 구성하였으며, 전자석을 설치하고 연결하는 방법도 튜브나 철 등의 일반적인 소재를 사용하지 않고 유연하고 부드러우면서도 형태를 유지할 수 있는 엔지니어링 플라스틱 등의 합성수지에 나노코팅 기술을 접목하여 직조(weave) 한 후 성형한 풀무(bellows)형의 주름상자(211)를 구비한 망태기(205)를 사용하였다.

상기의 라인모터는 실 모양으로서 선 모양에 따라 실 자체가 수축과 팽창의 동작을 하도록 마이크로(Micro) 또는 나노(Nano)공법으로 제작하고 마이크로컴퓨터로 제어하는 또 다른 개념의 모터에 관한 것으로서, 더 상세히 설명하면 여러 개의 전자석 을 망태기의 셀고정부(212)에 설치하고 고정전자석셀(301)과 정역전자석셀(302)로 회로를 구분하고 제어셀(303)에서 정역전자석셀의 전원극성을 정역으로 변환시켜서 마주하는 전자석셀 간의 자계극성을 동일하게 또는 동일하지 않게 제어하여 서로 밀거나 당기도록 구성하였으며, 마이크로컴퓨터와 연결하여 다양하고 부드러운(smooth) 동작을 구사하는 라인모터를 제공하려는 것이다.

본 발명의 신축동작의 라인모터에 관하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 장치로서, 전기를 사용하여 동력을 발생시키는 기존 모터는 회전운동을 기본으로 하며, 기계가 직선운동을 구현하기 위해서는 회전동작을 직선동작으로 바꾸는 별도의 기구(볼스크류, 랙피니온, 벨트 등)가 필요하게 되므로 부피가 크고 전력소모가 많아지는 단점이 있다.

본 발명에서는 전자석의 코일에 전류를 흘리면 철심(Core)의 양끝에는 코일에 흐르는 전류의 방향에 대응하는 자극이 발생하며, 오른손 엄지손가락의 법칙에 따라 N극과 S극으로 대전 되는데, 2개의 전자석이 철심을 서로 마주보게 하는 경우 같은 극 끼리 는 서로 밀고 반대 극 끼리 는 서로 당기게 되며; 상기의 원리를 응용하여 여러 개의 고정전자석셀(108)과 정역전자석셀(109)을 망태기(104)의 셀고정부(106)에 설치한 구조로서, 마주하는 전자석셀 상호 간의 자계극성이 동일하면 반발력이 작용하여 풀무(bellows)형의 주름상자(105)가 팽창동작하고 다르면 흡인력이 작용하여 풀무형의 주름상자가 수축동작하게 되는데; 고정전자석셀은 고정적인 전원이 공급되므로 일정한 방향의 극성으로 자화되며; 정역전자석셀에는 제어셀(107)에서 전원극성을 정역으로 변동시켜 주므로 (N:S)에서 (S:N)으로, 다시 (N:S)로 자계극성을 바꿔주게 되면 ; 실 모양의 모터 자체가 축소와 팽창동작을 반복하도록 구성된 라인모터에 관한 것이며; 본 발명에서는 모터 자체가 신축(expand and contract)적으로 작동하는 신축동작의 라인모터[제 1도] ~ [제 5도]를 제공하며;

상기의 라인모터 기술을 응용하여 힘줄의 기능을 대체하기 위한 동력원(actuator)으로서의 전자근력섬유[제 6도]와;

전자근력섬유 여러 줄을 모아서 힘을 합친 동력원으로서의 전자근육[제 7도]과;

전자근육을 로봇이나 생체의 관절 구조에 적합하도록 적재적소에 설치하고 주컴퓨터를 구비한 전자근육 시스템[제 8도]과;

신축동작의 라인모터에서 다양한 제어가 가능하도록 정역전자석셀에 제어부를 내장하고 제어전자석셀과, 주 제어장치(1015)를 구비한 특수제어 신축동작의 라인모터[제 9도], [제 10도]와;

특수제어 신축동작의 라인모터를 조합하여 로봇이나 자동차 등의 기기와, 인간의 안면이나 장기(intestines) 등 세밀한 작동을 필요로 하는 근육을 보강하거나 대체하는 라인모션 시스템[제 11도], [제 12도]으로 분류된다.

상기 발명의 주 구성원인 전자석셀, 제어셀, 망태기와 마이크로컴퓨터, 전원컨트롤러, 제어신호컨트롤러, 통신장치 등의 제작은 첨단의 정보기술IT)과, 마이크로(micro) 또는 나노(nano)기술을 응용한 반도체 등 관련소재 기술의 발달로 가능해 진 것으로서 구체적인 구성과 동작을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

신축동작의 라인모터 기본원리를 [제 1도]를 참조하여 설명하면,

평상상태(101)는 전자석셀(108), (109)에 전원이 공급되지 않은 상태이며; 축소동작상태(102)는 정역전자석셀(109)의 입력 전원이 고정전자석셀(108)과 동일방향의 전원이 공급되어 마주하는 고정전자석셀(108)과 정역전자석셀(109) 상호 간의 자계방향이 (N:S)또는 (S:N) 등으로 서로 동일하지 않은 극으로 자화되므로 흡인력이 작용하여 축소동작 된 상태이며; 정역전자석셀(109)의 전원이 고정전자석셀(108)과 다른 방향으로 전원이 공급되어 전자석셀 간의 자계(N:N) 또는 (S:S) 등으로 방향이 서로 동일한 방향으로 자화되므로 고정전자석셀(108)과 정역전자석셀(109) 간에 서로 반발력이 작용하여 팽창동작 상태(103)가 되며; 제어셀(107)과 고정전자석셀(108)에 전원이 공급되고 제어셀(107)에서 정역전자석셀(109)의 전원 극성을 반복적으로 정역 시키면 풀무형의 주름상자(105)를 구비한 라인모터는 평상상태(101)에서 동작을 시작하여 축소(102)와 팽창(103)의 신축동작을 반복하게 된다.

신축동작의 라인모터의 상세한 구조를 [제 2도]를 참조하여 설명하면,

전자석셀(203), (204)은 철심(201)과 코일(202)로 구성되며 고정전원(207)을 공급

받는 고정전자석셀(203)과 정역전원(208)을 공급받는 정역전자석셀(204)로 회로가 구분되며; 제어셀(206)은 정역전자석셀(204)에 공급하는 전원 극성을 정역으로 변경시키는 제어장치이며; 망태기(205)는 풀무(bellows)형의 주름상자(211)와 셀고정 부(212)를 주 구성으로 하여 형태유지섬유(213), 각도유지섬유(214), 충격흡수장치(215)를 구비한 풀무형 주름상자(211)와 셀고정부(212)를 연달아 설치하여 실과 같이 기다란 모양을 갖으며, 수축과 팽창 동작하도록 구성된 구조체이면서 외피의 기능을 한다.

상기 망태기는 고정전원 전선(207)과 정역전원 전선(208)을 내포하며, 엔지니어링플라스틱이나 나노코팅 기술로 제조한 첨단섬유로 직조(weave)하고 성형(molding)되며; 풀무(bellows)형 주름상자(211)는 전자석(203)과 전자석(204)간에 축소와 팽창으로 신축작동하는 공간으로서, 풀무형태를 유지하면서도 신축동작이 용이하고 반복동작에 따른 마모에 견딜 수 있는 엔지니어링플라스틱 등의 합성섬유이며; 셀 고정부(212)는 전자석 셀을 견고히 고정하고, 충격과 소음을 흡수하며, 열을 발산하기 용이한 소재와 구조이며; 형태 유지섬유(213)는 셀(203), (204)간의 간격을 유지시키는 기능을 하는 망태기의 외피의 역할을 하며, 축소 동작(102) 시에 늘어지거나 처지지 않도록 당겨주는 탄력성을 갖으며, 전자석에서 발생하는 전자파와 자계를 효과적으로 차단하며, 내부에서 발생하는 열을 효과적으로 발산하는 소재이고, 작동시 발생하는 전자석 셀 간의 맥동현상을 효과적으로 흡수 가능하도록 나노코팅 기술 등으로 제조된 첨단소재로 제직되며; 풀무형 주름상자(211) 내측에는 팽창시(103)의 거리와 운동 각도(216)를 유지하도록 각도 유지섬유(214)로 지지하는 복합재질과 구조의 섬유이며; 충격흡수장치(215)는 탄력성 재료와 에어 쿠션(air cushion) 등을 사용하여 충격과 동작소음을 흡수하고 부드럽고 유연한 작동이 가능하도록 하는 구조이다.

신축동작의 라인모터 동작원리를 [제 3도]로 설명하면;

주전원(304)이 제어셀(303)과 고정전자석셀(301)에 공급되면 고정전자석셀(301)

에 전류가 흐르게 되어 자화되는데“ 예“를 들어 고정전자석셀(301) 들의 자계방향이 Y1방향(308)에는 "N"극, Y2방향(309)에는 "S"극으로 자화된 상태에서 제어선(305)을 통하여 1개의 신호가 제어셀(303)에 입력되어 정역전자석셀(302)이 Y1방향(308)에는 "N"극이, Y2방향(309)에는 "S"극으로 자화되면 마주하는 고정전자석셀과 정역전자석셀 간의 자계방향은 (N, S):(N, S):(N, S):(N, S):(N, S)로 대전 되므로 인접한 전자석셀의 자계방향이 "S:N"또는 "N:S"극으로 동일하지 않은 극성으로 대전 되므로 흡인력이 작용하여 축소상태(102)가 되며; 또 1개의 신호가 입력(305)되어 정역전자석셀이 Y1방향(308)에는 "S"극이, Y2방향(309)에는 "N"극으로 극성이 바뀌어 자화되면 마주하는 고정전자석셀과 정역전자석셀의 자계방향은 (N, S):(S, N):(N, S):(S, N):(N, S)로 "N:N" 또는 "S:S"로 동일극성으로 대전 되므로 반발하여 팽창상태(103)가 되며; 팽창과 축소의 반복적인 동작은 마이크로컴퓨터에서 제어신호(305)를 받아 제어셀(303)에서 제어한다.

제어셀의 정역 제어원리를 [제 4도]와 [제 5도]를 "예"를 들어 설명하면;

제어셀(303)은 1개의 플립플롭(T-FF)(401)과 2개의 인버터(C-MOS Inverter)(402), (403)로 구성되며; 플립플롭(401)의 T(408), (508)에 입력펄스가 가해지면 Q(413)와 Q'(414)에 출력펄스가 출력(501)되는데 [제 5도]의 타이밍 차트와 같이 Q(511) 가“1”이면 Q'(512)는“0”이 출력되고 Q(511)가“0”이면 Q'(512)는“1”로 반전되어 출력(501)되는 플립플롭 회로(401)와, C-MOS 인버터(402), (403)는 P채널(404), (406)과 N채널(405), (407)의 양쪽 MOS FET를 사용하는 컴프리 멘터리 MOS IC(CMOS IC)로서 P채널과 N채널의 드레인(415)과 소스(416)가 전원에서 보아 직렬이고 게이트(417)가 공통으로 연결되어 게이트에 가하는 양과 음의 입력 전압 중 어느 경우에도 전원에서 흐르는 전류는 없으며 어느 한쪽의 FET가 반듯이 OFF로 되어있으며 게이트 전압이 높은가 낮은가에 대하여 P채널과 N채널FET의 한쪽이 "ON"이면 다른 쪽이 반듯이 "OFF"이므로 래칭 릴레이(latching relay)와 동일한 기능을 수행하므로 2조의 C-MOS 인버터(402), (403)를 사용하면 단상전원의 양극을 동시에 절체(Transfor)하는 기능을 하며 이러한 원리를 이용하여; 플립플롭(401)의 출력 Q(413), (511)에는 C-MOS인버터“A"(402), (502)가 연결되고 출력 Q'(414), (512)에는 C-MOS인버터"B"(403), (503)가 연결된 상태에서 정역전자석셀(302) 양단에 공급되는 전원(411), (412), (509), (510)의 극성을 정역으로 변환시키는 전자 회로로서, 동작원리를 [제 5도]의 타이밍차트로 상세히 설명하면; 플립플롭의 T(508)에 신호"1"(513)이 입력되면 출력 Q(511)는“1"이 되며 C-MOS인버터"A"(502)의 P-MOS FET(504)는 "OFF"가 되며 N-MOS FET(505)는 "ON"이 되므로 "Vss"가 출력(509)되고, 출력 Q'(512)는“0”이 되며 C-MOS인버터"B"(503)의 P-MOS FET(506)는 "ON"이 되고 N-MOS FET(507)는 "OFF"가 되므로 "VDD"가 출력(510)되며; 플립플롭의 T(508)에 신호"2”(514)가 입력되면 출력 Q(511)는“0”이 되며 C-MOS인버터"A"(502)의 P-MOS FET(504)는 "ON"이 되며 N-MOS FET(505)는 "OFF"가 되므 로 "VDD"로 반전되어 출력(509)되고, 출력 Q'(512)는“1”이 되며 C-MOS인버터"B"(503)의 P-MOS FET(506)는 "OFF"가 되고 N-MOS FET(507)는 "ON"이 되므로 "Vss"로 반전되어 출력(510)되고; 다시 플립플롭의 T(508)에 신호"3”(515)이 입력되면 출력 Q(511)는 다시“1”로 반전되고, Q'(512)는“0”으로 반전되므로 출력(509)은 다시 반전되어 "Vss"가 출력되고, 출력 (510)도 다시 반전되어 "VDD"가 출력되며; 다시 신호"4”(516)가 입력되면 Q(511)는 “0”으로 출력(509)은 "VDD"가 되고, Q'(512)는“1”이며 출력(510)는 "Vss"가 되어; 제어셀의 출력(509), (510)은 마이크로컴퓨터에서 보내진 제어신호(508)에 의거 (509)="VDD", (510)="Vss"에서 (509)="Vss", (510)="VDD"로 다시 (509)="VDD", (510)="Vss"로 반전과 반전을 거듭하게 되므로 제어셀(303)에 연결된 정역전자석셀(302)은 전원의 극성이 바뀌는 정역 동작을 반복하게 되므로 전자석에 대전되는 자계의 방향이 Y1방향(308)에서 Y2방향(309)으로 반복적으로 바뀌게 되므로 고정전자석(301)과의 자계방향이 동일하다가, 동일하지 않다가 를 반복하게 되어; 신축동작의 라인모터는 축소동작(102)과 팽창동작(103)을 반복하게 된다.

신축동작의 라인모터를 응용한 전자근력섬유의 구성을 [제 6도]를 참조하여 설명하면,

인체에서 신체의 운동을 관장하는 집단세포를 근(筋) 또는 근육(筋肉)이라고 하며 개개의 근세포가 수축해서 근육 전체의 수축 활동이 되며 근육을 구성하는 근세포를 근섬유(筋纖維)라고 칭하며; 로봇, 자동차등에서 선형(Line Form)으로 작동하는 자동화 기기와 인간의 팔 다리 등의 보조로봇과 생체의 손상된 근섬유를 대체하여 생명체와 유사하게 부드러우면서 자연스러운 모션(Motion)의 동작을 구현하는 기술의 동력원(Actuator)으로서; 기존의 회전형 모터에서는 동력발생장치와 동력전달장치가 별도로 구성되므로 장치의 부피와 비용면에서 실용화에 한계가 있으며; 신축동작의 라인모터를 응용한 가느다란 힘줄과 같은 기능을 수행할 전자근력섬유에 관한 구성을 설명한다.

상기의 전자근력섬유는 신축동작의 라인모터(601)와 연결부(602) 및 지지부(603)로 크게 구분되며 제어셀(605)과 고정전자석셀(606)과 정역전자석셀(607)이 망태기(604)에 설치된 라인모터(601)이고 연결부(602)는 관절이나 기기의 작동부위와 연결하기 위한 것이며 지지부(603)는 관절의 운동반경과 전자근육의 길이를 맞추기 위해서 연결되는 섬유 줄(608)이며; 근섬유의 힘줄과 같은 신축동작의 기능은 라인모터(601)에서 담당하게 된다.

전자근력섬유를 여러줄 조합한 전자근육의 구성을 [제 7도]와 [제 8도]로 설명하면;

근육은 그 구조와 기능상에서 3종류로 분류되는데 골격에 부착해서 골격을 움직이거나 지탱하는 골격근(骨格筋)과, 심장의 벽을 만들고 있는 심근과, 내장기관(內臟器官) 중에 널리 분포하고 그 기관들을 움직이는 내장근(內臟筋)이며 일반적으로 근육이라 하는 경우에는 골격근을 가리키는 경우가 많으며; 전자근력섬유는 가늘고 기다란 근섬유와 유사한 것으로서 여러 줄을 모아서 근육과 유사한 기능을 수행하 는 전자근육이 되며 전자근력섬유마다 내장되어있는 제어셀을 마이크로컴퓨터로 제어하여 원하는 동작을 구현하도록 한 것이다.

전자근육은 작동부분(701), 지지부분(702), 전자근육 제어장치(706)를 내장한 제어부분(703)으로 구성되며; 여러 줄의 전자근력섬유(704)와 작동 확인센서(705), 전자근육 제어장치(706), 연결부(707)로 구성되며; 전자근육 제어장치(706), (811)는 마이크로컴퓨터(812)와 전원컨트롤러(814), 제어신호 컨트롤러(815) 그리고 주제어장치와 정보를 교환하기 위한 통신장치(813)의 기능을 갖추고 있다.

전자근육시스템의 제어계통을 [제 8도]로 설명하면;

로봇 등의 기기나 생체의 손상된 근육을 생물체와 유사하게 움직이기 위해서는 관절의 동작방향, 용도, 운동각도, 필요한 힘(Power) 등을 고려하여 여러 개의 전자근육을 적당한 부위와 방향에 설치하여 근육의 위치에 따라 서로 다른 구조와 움직이는 방향과 힘 등으로 유기적인 협조가 가능하도록 시스템화하여 컴퓨터로 제어하여야 원하는 동작(Motion)을 구사할 수 있다.

전자근육시스템을 제어하는 시스템 계통은 주제어장치(821)와 전자근육 제어장치(811) 그리고 제어셀(819)을 포함하는 전자근력섬유(816), (817), (818)로 구분되며; 주제어장치(821)에는 명령프로그램(802)을 구비한 메인컴퓨터(801)와 센서(803) 또는 생체센서(804), 유 무선 통신장치(805), 메모리(806), 전원장치(807)를 갖추고 있으며; 전자근육(808), (809), (810)마다 마이크로컴퓨터(812)를 갖춘 전자근육 제어장치(811)를 갖추고 있으므로 주제어장치(821)와 유, 무선통신(805), (813)을 하여 정보와 명령을 전달받으며 전원 컨트롤러(814)에서는 전자근력섬유의 고정전자석셀과 제어셀(819)의 전원을 제어하고 제어셀(819)의 신호를 제어하는 제어신호 컨트롤러(815)로 구성되며; 메인컴퓨터(801)를 구비하는 경우에는 수 개 또는 수십 개의 전자 근력섬유(816), (817), (818)를 모아서 전자근육(808), (809), (810)이 구성되며; 수 개 또는 수십 개의 전자근육(808), (809), (810)을 모아서 전자근육 시스템을 구성하여 필요로 하는 여러 가지 동작을 구사하게 되며; 전자근육(808), (809), (810)마다 동작을 확인하기 위한 작동확인 센서(820)를 갖추게 된다.

특수제어 신축동작의 라인모터의 상세한 구성을 [제 9도]를 참조하여 설명하면;

본 발명의 라인모터를 응용하여 파동치고 꿈틀거리는 효과의 다양한 동작을 구사하기 위한 특수한 제어의 라인모터로서; 신축동작의 라인모터에서 정역전자석셀 대신에 제어부(903)가 내장된 제어전자석셀(905)을 고정전자석셀(904) 사이에 교대로 배치하고 마이크로컴퓨터(917)로 다양한 제어가 가능하도록 특수하게 구성한 것으로서 더 상세하게 설명하면; 특수제어 신축동작의 라인모터는 가느다란 실 모양의 부드럽고 유연한 동력원으로서 전자석셀마다 제어장치를 두고 마이크로컴퓨터를 구비하여 그룹제어, 부분제어, 순차동작, 순차복구 타임제어 등의 특수하고 다양한 제어 가 가능하도록 구성한 라인모터에 관한 것이다.

특수제어 신축동작의 라인모터에서 전자석셀은 주전원(907)이 공급되면 동작하는 고정전자석셀(904)과 제어부(903)를 내장하여 제어선 (908), (909), (910)의 신호 를 받아 동작하는 제어전자석셀(905)로 구분되며; 고정전자석셀(904)은 철심(901)과 코일(902)로 만 구성되고 제어전자석셀(905)은 철심(901), 코일(902)과 제어부(903)로 구성되며; 주제어장치(920)는 마이크로컴퓨터(917), 통신장치(918), 배터리(919), 전원컨트롤러(915), 제어신호컨트롤러(916)로 구성되며;

제어전자석셀(905)은 마이크로컴퓨터(917)의 프로그램에 의거 원하는 동작으로 제어(908), (909), (910)되며; 망태기(906)는 각도유지섬유(912), 운동각도(913), 형태유지섬유(914) 등으로 구성된 풀무형 주름상자(911)와 주제어장치(920)와 셀을 고정하는 셀 고정부(921)로 구분되며; 상기 [제 2도]의 라인모션 모터에서와 동일한 복합재질과 구조의 섬유이다.

특수제어 라인모션 모터의 동작을 [제 10도]로 설명하면;

전원컨트롤러(1011)에서 주전원(1016)이 고정전자석셀(1001), (1002), (1003)과 제어부(1007), (1008), (1009)에 공급되면 고정전자석셀은 자화되는데“ 예“를 들어 자계방향이 Y1방향(1020)에는 "N"극, Y2방향(1021)에는 "S"극으로 모두 자화된 상태가 되며; 제어선1(1017), (1018), (1019)을 통하여 제어부"1"(1007)에 "T1"의 신호가 입력되어 제어전자석셀"1"(1004)이 Y1방향(1020)에는 "N"극이, Y2방향(1021)에는 "S"극으로 자화되면 고정전자석셀"1"(1001):제어전자석셀"1"(1004):고정전자석셀"2"(1002)의 자계방향은 (N, S):(N, S):(N, S)로서 인접한 자계극성이 서로 다른 극성으로 대전 되므로 전자석셀(1001), (1004), (1002)는 흡인력이 작용하여 축소상태(302)가 되며 그 이외의 전자석셀(1005), (1006), 1003)은 기존상태가 유지되며; 제어신호가 "T2"(1018)에도 입력되면 고정전자석셀"1"(1001):제어전자석셀"1"(1004):고정전자석셀"2"(1002):제어전자석셀"2"(1005):고정전자석셀"3" 도 축소상태(102)가 되며; 제어신호가 "Tn"(1019)까지 입력되면 고정전자석셀"1"(1001):제어전자석셀"1"(1004):고정전자석셀"2"(1002):제어전자석셀"2"(1005):고정전자석셀"3":제어전자석셀"N"(1006):고정전자석셀"N"(1003)은 모두 축소상태(302)가 되며; 제어부(1007), (1008), (1009)에 다시 신호(1017), (1018), (1019)가 입력되면 [제 4도], [제 5도]의 제어부의 전원극성 정역변환의 원리에 의거하여 제어전자석셀(1004), (1005), (1006)의 전원극성이 바뀌게 되어 고정전자석셀"1"(1001):제어전자석셀"1"(1004):고정전자석셀"2"(1002):제어전자석셀"2"(1005):고정전자석셀"3":제어전자석셀"N"(1006):고정전자석셀"N"(1003)의 자계방향은 (N, S):(S, N):(N, S):(S, N):(N, S):(S, N):(N, S)으로 바뀌어 서로 같은 방향으로 대전되어 반발하므로 팽창상태(103)가 되며; 순서에 따라 순차적으로 동작시키는 순차동작과 반대로 순차복구가 가능하며; 원하는 부분의 제어전자석셀(1004), (1005), (1006)에 제어신호(1017), (1018), (1019)를 보내서 부분동작도 가능하며; 모터 전체를 동시에 축소동작이나 팽창동작을 하며; 축소와 팽창을 반복하는 반복동작과, 시차를 두어 순서 적으로 제어하는 타임제어 등 다양한 제어가 가능하며; 주제어장치(1015) 내에 있는 마이크로컴퓨터(1010)의 프로그램에 의거 전원컨트롤러(1011)와 제어신호컨트롤러(1012)의 신호 "T1", "T2", "Tn"로 제어전자석셀(1004), (1005), (1006)에 내장된 제어부(1007), (1008), (1009)에서 제어되며; 라인모션 시스템을 구성하거 나 모터 외부에서 원방 조작하기 위하여 통신장치(1013)를 구비하고 용도에 따라 배터리(1014)를 구비한다.

라인모션 시스템을 [제 11도]로 설명하면;

특수 신축동작의 라인모터 몇 줄을 한 묶음으로 묶고 주제어장치를 구비하여 단일 개체(individual)로 만든 라인모션 시스템에 관한 것이다.

라인모션 시스템은 2개 이상의 특수 라인모션 모터(1102), (1103)와 주제어장치(1101)로 구성되며; 특수제어 라인모션 모터(1102),(1103)는 마이크로컴퓨터(1112), 통신장치(1113), 전원컨트롤러(1114), 제어신호컨트롤러(1115)와 고정전자석셀(1116), (1117)과 제어부(1120), (1121)를 내장하는 제어전자석셀(1118), (1119)로 구성되며; 주제어장치(1101)는 메인컴퓨터(1104), 명령프로그램(1105), 센서(1106), 외부 통신장치(1107), 내부 통신장치(1108), 배터리(1110), 충전장치(1111)로 구성되며; 연질의 합성수지로 제작된 봉지 내에 동일체로 묶여있는 여러 줄의 특수 신축동작의 라인모터(1102), (1103) 중에서 일부의 줄은 축소동작을 시키고, 나머지 줄은 팽창동작을 시키면, 팽창동작을 한 줄은 늘어나려고 하고, 축소동작 한 줄은 줄어 들려고하면, 같이 묶어 저 있는 상태이므로 축소하려는 방향으로 구부러지게 되며, 이러한 동작을 순차적으로 동작과 복구를 반복시키면, 꿈틀거리거나 파동치는 여러 가지 모양의 모션을 구현할 수 있으며, 주제어장치와 메인컴퓨터의 프로그램에 의해서 원하는 동작 모션을 만들고 활용할 수 있다.

라인모션 시스템에서 구부러지는 동작을 [제 12도]를 참조하여 설명하면;

라인모션 시스템에서 구부러지고 요동치는 동작을 설명하기 위하여 특수제어 신축동작의 라인모터 2줄을 상, 하로 배치하여 묶어놓은 상태(1207)에서 2개의 그룹으로 나누어 그룹제어(1201), (1202) 동작을 구현하는 "예"를 들어 설명한다.

그룹제어"1"(1201)에서 하부 라인모터(1204)는 축소동작을 시키고 상부 라인모터(1203)는 팽창동작을 시키면 그룹제어"1"(1201) 부분이 상부로 둥그스름하게 구부러지는 모양을 하게 되며; 그룹제어"2"(1202)에서 하부 라인모터(1205)는 팽창동작을 시키고 상부 라인모터(1206)는 축소동작을 시키면 그룹제어"2"(1202)부분이 하부로 둥그스름하게 구부러지는 모양을 하게 되며; 그룹제어"1"과 그룹제어"2"의 동작을 바꾸어서, 하부 라인모터(1204)는 팽창동작을 시키고 상부 라인모터(1203)는 축소동작을 시키면 그룹제어"1"(1201) 부분이 하부로 둥그스름하게 구부러지는 모양을 하게 되며; 하부 라인모터(1205)는 축소동작을 시키고 상부 라인모터(1206)는 팽창동작을 시키면 그룹제어"2"(1202)부분이 상부로 둥그스름하게 구부러지는 모양을 하게 되며; 이러한 동작을 반복하게 되면 파동치는 모션을 연출하게 되며; 상부로 둥그스름해지는 동작을 좌에서 우로 순차적(step by step)으로 동작시키고, 우에서 좌로 순차적으로 복구시키는 방법과; 하부로 둥그스름해지는 순차동작과 순차복구 동작을 상하로 반복시키는 방법과; 상기의 동작들을 타임제어를 적용하여 더 다양하면서 유연하게 파동치는 모션의 연출이 가능하며; 몇 개의 그룹으로 나누어서 그룹동작으로 상기의 파동치는 모션을 연출하면 벌레들이 살아서 꿈틀거리는 모양을 구현할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 회전동작을 직선동작으로 바꾸는 별도의 기구가 필요 없이 모터 자체가 신축(expand and contract)적으로 작동하는 신축동작의 라인모터는; 컴퓨터와 접목하여 제어되는 로봇이나 자동차 등의 자동화 기기가 소형 경량 화 되면서도 로봇이 인간과 유사하게 동작하고, 인체의 손상된 근육을 대체하거나 보완하여 정상적인 생활을 구가할 수 있도록 도와주는 의료기술의 발전이 기대되며; 선형(line form)으로 신축 작동하는 신기술, 신개념의 라인모터로서, 전 세계에 초미세, 초정밀 기기의 발전에 기여할 것이며; 전자석, 반도체, 기능성 섬유 등과 나노소재 기술이 더 빨리 발달하는 효과가 기대된다.

Claims (17)

1. 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 모터에 있어서,

   다수의 셀 고정부(212)와, 상기 다수의 셀 고정부(212) 사이에서 신축 작용하는 다수의 풀무형태 주름상자(211)로 구성되어, 모터의 외피기능을 수행하는 망태기(205)와; 상기 셀 고정부(212)에 고정되어, 전자석 셀(203, 204)에 전원을 공급하는 제어 셀(206)과; 상기 제어 셀(206)에서, 고정적인 전원(207)을 공급받는 다수의 고정전원 전자석 셀(203)과; 상기 제어 셀(206)에서, 정역으로 변하는 전원(208)을 공급받는 다수의 정역전원 전자석 셀(204)로; 구성되는 것을 특징으로 하는 신축동작의 라인모터.
2. 상기 제 1항에 있어서,

   상기 신축동작의 라인모터(601)가, 선의 형태로 작동하는 로봇이나 생체의 손상된 관절을 움직이게 하는 근 섬유를 대체하여 전자 근력섬유의 기능을 수행하도록, 상기 신축동작의 라인모터(601) 양측에 연결부(602)와 지지부(603)를 더 부가하여 구성되는, 것을 특징으로 하는 신축동작의 라인모터.
3. 상기 제 2항에 있어서,

   상기 전자 근력섬유의 기능을 수행하는 신축동작의 라인모터가, 로봇이나 생체의 관절에 연결(707)되는 근육을 대체하여 전자 근육의 기능을 수행하도록, 상기 전자 근력섬유의 기능을 수행하는 신축동작의 라인모터에 마이크로 컴퓨터가 내장된 전자근육 제어장치(706)를 더 부가하여 구성되는, 것을 특징으로 하는 신축동작의 라인모터.
4. 상기 제 3항에 있어서,

   상기 전자 근육의 기능을 수행하는 신축동작의 라인모터가, 손상된 생체근육을 복원하고 로봇이 생물체와 유사하게 움직이게 하는 근육 체를 대체하여 전자근육 시스템의 기능을 수행하도록, 상기 전자 근육의 기능을 수행하는 신축동작의 라인모터에 주 제어장치(821)를 더 부가하여 구성되는, 것을 특징으로 하는 신축동작의 라인모터.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제

Images