KR100949191B1 - 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터 - Google Patents

유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터는 유전 탄성체로 이루어진 필름과 상기 필름의 상면과 하면에 각각 구비된 제1전극과 제2전극을 포함하는 구동부, 상기 구동부의 임피던스를 센싱하는 임피던스 센싱부 및 상기 임피던스 센싱부에서 센싱된 임피던스의 크기에 따라 상기 구동부에 인가되는 전원의 조건을 제어하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 전원공급 및 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터는 구동 전압하에서 구동되는 동안 발생하는 유전 탄성체의 물리적 특성 변화를 이용하여 외부에서 작용하는 부하의 세기를 센싱하고, 그에 따라 입력되는 전원의 세기 및 주파수를 조정하여 상기 액츄에이터의 동작을 제어하는 자가 센싱 방식으로 구동되기 때문에 종래 기술과 달리 별도의 힘 센서를 구비하지 않더라도 액츄에이터의 동작을 제어할 수 있다.
유전 탄성체, 액츄에이터, 센서

Description

유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터{Self-Sensing Actuator Using Dielectric Elastomer}
본 발명은 로봇 등에 사용되는 액츄에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 별도의 힘 센서를 구비하지 않고서도 외부에서 작용하는 부하의 세기를 센싱하여 액츄에이터의 동작을 제어할 수 있는 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터에 관한 것이다.
근래에 들어, 산업용이나 의료용으로 요구되는 미세한 작업을 수행하기 위한 도구로서 마이크로 로봇이 각광을 받고 있는데, 종래에는 이러한 마이크로 로봇의 액츄에이터(actuator)로서 전동모터와 같은 전자기 원리에 기반한 액츄에이터를 주로 사용하였다.
그러나, 전동모터를 액츄에이터로 사용한 종래의 기술은 마이크로 로봇의 소형화를 곤란하게 한다는 문제점이 있기 때문에, 이를 해결하기 위하여 최근에는 기존 액츄에이터의 대체물로서 전기활성 고분자(electoactive polymer, EAP)를 적용한 액츄에이터에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 전기활성 고분자는 이온성과 비이온성의 2가지 종류로 구별되는 데, 이 중에서 유전 탄성체(dielectric elastomer), 형상기억합금 또는 압전 폴리머(piezo electric polymer) 등과 같은 비이온성 전기활성 폴리머를 적용한 액츄에이터에 관한 기술이 폭넓게 개발되고 있다.
이러한 전기활성 고분자를 이용한 액츄에이터는 선택된 재료의 특성 및 장단점에 따라 다양한 형태의 액츄에이터를 개발할 수 있고, 적은 비용으로 손쉽게 재료를 구입할 수 있기 때문에 종래의 액츄에이터에 비하여 많은 장점을 가지는데, 이들 중 형상기억합금과 유전 탄성체를 이용한 액츄에이터에 관한 발명이 각각 하기 [문헌1]과 [문헌2]에 개시되어 있다.
하기 [문헌1]에는 액츄에이터로 작용하는 형상기억합금의 전원공급에 따른 변형과 스프링 탄성체의 복원력을 이용하여 마이크로 로봇이 이동하게 되는 매카니즘에 관한 내용이 개시되어 있다.
한편, 하기 [문헌2]에는 도1과 도2에 도시된 바와 같이 전원이 인가될 경우 고정프레임(3)으로 둘러싸인 비압축성의 유전 탄성체 필름(2)이 변형에 의해 좌굴되는 과정에서 발생되는 기계적 에너지를 이용하여 구동되는 액츄에이터와 이를 이용한 인치웜 로봇(4)에 관한 내용이 개시되어 있다.
그러나, 하기 [문헌1]과 [문헌2]에 개시된 액츄에이터와 같이 최근까지 개발된 대부분의 액츄에이터는 정확한 동작 제어를 위하여 외부에서 작용하는 부하의 세기를 측정하기 위한 힘 센서(force sensor)를 별도로 구비하여야 하기 때문에, 제품의 생산비용을 상승시키고 액츄에이터의 초소형화를 곤란하게 한다는 문제점이 있다.
[문헌1] 대한민국 공개특허 제2005-104023호(2005. 11. 2. 공개)
[문헌2] 대한민국 공개특허 제2005-91880호(2005. 9. 15. 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래 기술에서 액츄에이터의 동작 제어를 위해 별도로 요구되던 힘 센서를 구비하지 않더라도 액츄에이터의 구동 상태에서 발생되는 유전 탄성체의 물리적 특성 변화를 이용하여 외부에서 작용하는 부하의 세기를 센싱함으로써 상기 액츄에이터의 동작을 제어할 수 있는 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터는 유전 탄성체로 이루어진 필름과 상기 필름의 상면과 하면에 각각 구비된 제1전극과 제2전극을 포함하는 구동부, 상기 구동부의 임피던스를 센싱하는 임피던스 센싱부 및 상기 임피던스 센싱부에서 센싱된 임피던스의 크기에 따라 상기 구동부에 인가되는 전원의 조건을 제어하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 전원공급 및 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동부는 복수의 필름이 적층된 구조로서 각 필름층 사이에는 서로 인접한 두 필름에 대해 각각 제1전극 및 제2전극으로 기능하는 전극이 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 임피던스 센싱부는 구동부에 직렬로 연결된 외부 저항에 인가되는 전압을 검출하여 상기 구동부의 임피던스를 센싱하는 것을 특징으로 한다.
또한, 외부 부하조건에 따른 구동부의 임피던스와 구동부에 인가되는 전원의 조건에 관한 관계정보가 저장된 메모리를 더 포함하고, 상기 전원공급 및 제어부는 상기 센싱된 임피던스의 크기에 대응하는 외부 부하의 크기 및 상기 외부 부하의 크기에 대응하는 전원 조건을 상기 관계정보에서 검색하고, 검색 결과에 따라 구동부에 인가되는 전원 조건을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원 조건은 구동부에 인가되는 전압의 세기 또는 주파수 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동부의 임피던스는 외부 부하가 증가하면 감소하고, 외부 부하가 감소하면 증가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터의 제어방법은 유전 탄성체로 이루어진 구동부를 포함하는 액츄에이터에 있어서, 상기 구동부에 전원이 인가된 상태에서 상기 구동부의 임피던스를 센싱하는 제1단계와, 상기 제1단계에서 센싱된 임피던스의 크기에 따라 상기 구동부에 인가되는 전원의 조건을 제어하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1단계에서 센싱된 임피던스의 크기와, 외부 부하가 없는 상태에서 상기 인가된 전원 조건에 대응하는 임피던스와의 차이가 설정값 이상인지 여부를 판단하는 제3단계와, 상기 제3단계의 판단결과가 설정값 미만이면 현재 인가되는 전원 조건을 유지하고 설정값 이상이면 새로운 전원 조건을 산출하고 산출된 조건에 따라 상기 구동부에 전원을 인가하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한 다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터는 구동 전압하에서 구동되는 동안 발생하는 유전 탄성체의 물리적 특성 변화를 이용하여 외부에서 작용하는 부하의 세기를 센싱하고, 그에 따라 입력되는 전원의 세기 및 주파수를 조정하여 상기 액츄에이터의 동작을 제어하는 자가 센싱 방식으로 구동되기 때문에 종래 기술과 달리 별도의 힘 센서를 구비하지 않더라도 액츄에이터의 동작을 제어할 수 있다.
그 결과, 본 발명에 따른 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터는 제품의 생산에 소요되는 비용을 저감할 수 있음과 동시에, 제품의 초소형화가 가능하다는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도3의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터의 구성을 나타낸 개략도이고, 도3의 (b)는 도3의 (a)에 도시된 구성에 대응하는 전기회로 모델링을 나타낸 회로도이다.
본 실시예에 따른 자가 센싱 액츄에이터(10)는 마이크로 로봇 등을 구동하기 위한 구동부(12), 상기 구동부(12)에 발생되는 임피던스 변화를 감지하기 위한 임피던스 센싱부(13) 및 상기 구동부(12)와 임피던스 센싱부(13)에 인가되는 전원을 제어하는 전원공급 및 제어부(11)를 포함하여 구성된다.
상기 구동부(12)는 유전 탄성체로 구성된 필름(12b)의 상면과 하면에 마련된 전극(12a, 12c)을 포함하여 구성되는데, 이때 유전 탄성체는 비 압축성 물질이고 일예로서 실리콘, 플루오르 탄성중합체 또는 이소프렌 등으로부터 선택될 수 있다.
또한, 필름(12b)의 상면과 하면에 마련된 전극(12a, 12c)은 상기 유전 탄성체 필름(12b)의 변형을 유도하기 위한 전원을 공급하기 위해 필름(12b)의 상면과 하면에 도포된 연성 전극이며, 일예로서 카본, 그래파이트 또는 전도성 폴리머 등의 재질의 파우더 용액을 스프레이하여 형성함으로써 바람직하게 구현될 수 있다.
한편, 상기 임피던스 센싱부(13)는 구동부(12)에 직렬로 연결된 외부 저항(Rs)을 포함하여 구성되며, 후술하는 바와 같이 전원공급 및 제어부(11)에서 입력 전압(Vinput)이 인가되는 동안 외부 저항(Rs)에 인가되는 출력 전압(Voutout)을 검출하여 구동부(12)의 임피던스 변화를 감지하게 된다.
또한, 상기 전원공급 및 제어부(11)는 임피던스 센싱부(13)에서 센싱된 구동부(12)의 임피던스를 미리 저장된 데이터베이스에서 검색하여 외부에서 작용하는 부하의 세기를 판단하고, 그 결과에 따라 후술하는 바와 같이 입력 전압의 세기 및/또는 주파수를 제어하여 액츄에이터(10)의 동작을 정확히 제어하게 된다.
상기 구조를 가지는 본 실시예에 따른 자가 센싱 액츄에이터(10)를 등가적으로 모델링한 전기회로도를 도3의 (b)에 나타내었다.
본 실시예에 따른 구동부(12)는 [문헌2]에 개시된 바와 같이 유전 탄성체 필름(12b)의 양면에 형성된 전극(12a, 12c)에 전압이 인가되면 상기 필름(12b)의 두께는 줄어들고 그 면적은 증가하는 특성을 가지게 된다.
이는 일종의 필드-유도 변형으로 맥스웰 응력이라고 불리는 정전기력에 의한 압력이 필드 방향에 따른 필름의 수축을 일으키기 때문에 발생되는 것이며, 이를 수식적으로 나타내면 하기 [수식 1]과 같이 표현될 수 있다.
이때, P는 압력, E는 전기장의 세기, ε0는 자유공간(즉, 대기)의 유전율 및 εr 은 유전 탄성체 물질의 유전율이다.
P = εrε0 E2 ........... [수식 1]
상기 [수식 1]과 같이 전기장하에서 변형을 일으키는 유전 탄성체 물질의 물리적 성질에 기초하여 [문헌2]에 개시된 바와 같은 구성에 의하여 기계적 운동을 발생시킬 수 있고, 그 결과 유전 탄성체 물질은 액츄에이터로서 사용될 수 있다.
이 경우, 유전 탄성체 물질은 유전 물질의 일종이기 때문에 복소 유전상수(complex dielectric constant, ε* )가 다음 [수식 2]와 같이 정의될 수 있다.
ε* = εr - iεm ......... [수식 2]
이때, εr 은 유전 탄성체 물질의 용량성 성분에 관계된 양이고, εm은 유전 탄성체 물질의 유전손실(dielectric loss)로 물질의 저항 성분에 관계된 양이다.
따라서, 본 실시예에서는 이러한 관계를 이용하여 구동부(12)의 전기적 모델을 도3의 (b)에 도시한 바와 같이 저항(Rp)에 병렬로 연결된 커패시턴스(Cp)를 포함하도록 모델링하였다.
이 경우 상기 커패시턴스(Cp)와 저항(Rp)의 역수인 컨덕턴스(Gp)는 커패시터 판(본 실시예에서는 필름(12b)에 해당함)의 면적과 두께가 각각 A와 t인 경우 다음과 같이 계산될 수 있으며, 이때 σDC는 유전 탄성체 물질의 컨덕티브티(conductivity)이다.
Figure 112008016272280-pat00001
................ [수식 3]
Figure 112008016272280-pat00002
................ [수식 4]
상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터(10)를 전기적으로 모델링할 경우 전원공급 및 제어부(11)에서 공급하는 입력전압(Vinput)과 임피던스 센싱부(13)에서 검출하는 출력전압(Voutput)은 하기 [수식 5]와 같이 계산될 수 있으며, 아울러 구동부(12)에 대한 임피던스(Xp)도 하기 [수식 6]과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112008016272280-pat00003
.......... [수식 5]
Figure 112008016272280-pat00004
........... [수식 6]
따라서, 본 실시예에서 구동부(12)에 대해 적용한 전기회로 모델의 경우 외 부에서 부하가 작용하게 되면, 필름(12b)이 수축하게 되어 필름(12b)의 면적(A)은 증가하고 두께(t)는 감소하기 때문에 [수식 3] 및 [수식 4]에 의하여 구동부(12)의 커패시턴스(Cp)는 증가하고 저항(Rp)은 감소하게 될 것임을 예상할 수 있다.
그 결과, 상기 전기회로적 모델의 경우 [수식 5]와 [수식 6]에 의하여 외부 부하의 크기가 커질수록 임피던스 센싱부(13)에서 검출하는 출력전압(Voutput)은 증가하고 구동부(12)의 임피던스(Xp)는 감소하게 될 것임을 예상할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 전기회로적 모델링이 제대로 이루어진 것인지 여부를 검증하기 위하여 도3의 (a)와 동일한 구성의 실험장치를 구성한 후 선형미터 시스템(미도시)을 이용하여 구동부(12)를 단계적으로 압축해 가면서 외부 저항(Rs)에 인가되는 출력전압(Voutput)을 측정하였으며, 그 결과를 도4에 도시하였다.
이때, 사용된 유전 탄성체 필름(12b)은 약 1.30mm의 두께와 약 10mm의 직경을 가지는 것이며, 상기 전극(12a, 12c)의 직경은 약 6mm로 하였다. 또한, 외부 저항(Rs)은 100M옴의 저항을 사용하였으며, 입력전압(Vinput)은 3kV의 스텝전압을 사용하였다.
실험 결과, 도4에 도시된 바와 같이 구동부(12)의 압축이 증가할수록 출력전압(Voutput)의 크기는 증가함을 확인할 수 있었으며, 이는 구동부(12)의 압축이 증가할수록 구동부(12) 내부의 임피던스(Xp)가 [수식 6]에 따라 감소한다는 것을 보여준다.
또한, 입력전압(Vinput)에 대비한 출력전압(Voutput)의 주파수 응답을 증명하기 위하여 0.1Hz부터 100Hz까지의 다양한 주파수를 가지는 정현파 입력전압을 적 용하여 입력전압(Vinput)에 대비한 출력전압(Voutput)의 진폭 및 위상 변이를 측정하였으며, 그 결과를 도5 및 도6에 도시하였다.
도5에서 보는 바와 같이 모든 주파수에서 도4에서 확인한 바와 같이 구동부(12)의 압축이 증가할수록 출력전압(Voutput)의 크기가 증가함을 확인할 수 있었다. 한편, 모든 주파수에서 위상은 변하지 않는 것으로 나타났는데, 이는 도3의 (b)에 도시한 회로의 시정수 RpCp가 상수임을 의미한다.
따라서, 상기 실험 결과에 기초하여 살펴볼 때 유전 탄성체 필름(12b)의 압축 기간 동안 상기 유전 탄성체 필름(12b)의 저항(Rp)은 감소하고 커패시턴스(Cp)는 증가한다는 것을 알 수 있으며, 이는 [수식 5]와 [수식 6]에서 예측한 결과와 완전히 일치하는 것으로 상기 전기회로 모델링이 바람직하게 이루어진 것임을 알 수 있다.
본 실시예에서는 구동부(12)가 하나의 유전 탄성체 필름(12b)의 상하면에 전극(12a, 12c)이 형성된 경우를 일예로서 설명하고 있으나, 필요에 따라 상기 구동부(12)를 복수의 유전 탄성체 필름과 전극이 교대로 적층된 구조로 구성할 수도 있음은 물론이다.
상기 적층형 구동부의 경우 각 필름의 사이에 전극이 배치되며, 어느 하나의 필름의 상면 또는 하면에 배치된 전극은 인접한 필름의 하면 또는 상면에 배치된 전극으로서 기능하게 되는데, 이에 대한 상세한 구조는 [문헌2]에 상세히 개시되어 있으므로 여기에서는 자세한 설명을 생략한다.
한편, 전술한 바와 같이 유전 탄성체를 이용한 액츄에이터(10)가 구동 전압하에서 구동되는 동안 그 동작이 정확하게 제어되기 위해서는 액츄에이터(10)에 작용하는 외부 부하의 세기를 정확히 측정할 수 있어야 한다.
이를 위하여, 종래 기술에서는 별도의 힘 센서를 사용하였으나, 본 실시예에 따른 자가 센싱 액츄에이터(10)는 상술한 구동부(12)의 임피던스 특성을 이용하여 외부에서 액츄에이터(10)에 작용하는 부하의 세기를 자가적으로 센싱하고 그에 따라 구동부(12)에 인가되는 전원의 조건을 변경함으로써 액츄에이터(10)의 동작을 제어할 수 있게 된다.
즉, 전원공급 및 제어부(11)에 출력전압(Voutput)과 구동부(12)의 임피던스 크기에 관한 관계정보, 구동부(12)의 임피던스 크기에 대응하는 외부 부하의 크기에 관한 관계정보 및 상기 외부 부하의 크기에 대응하는 입력전압(Vinput)의 조건에 관한 관계정보를 데이터베이스화하여 미리 저장하고, 실제 구동 상태에서 임피던스 센싱부(13)에서 감지한 구동부(12)의 임피던스 변화와 상기 데이터베이스에 저장된 데이터를 이용하여 외부 부하 조건을 판단한 후 그에 따라 구동부(12)에 인가되는 전원 조건을 제어함으로써 액츄에이터(10)의 동작을 제어할 수 있다.
이하에서는 상기 데이터베이스를 구성하는 방법에 대한 일예를 설명하기로 한다. 먼저, 상술한 구조의 액츄에이터(10)에 5kV의 입력전압(Vinput)과 5k옴의 외부 저항(Rs)을 적용하고, 액츄에이터(10)에 작용하는 외부 부하는 100g에서 2000g까지 변화시켜 가면서 출력전압(Voutput)의 크기와 위상을 측정한 결과를 도7과 도 8에 도시하였다.
도7에서 보는 바와 같이 0.1Hz 내지 1Hz, 10Hz의 모든 주파수에서 액츄에이터(10)에 작용하는 부하가 증가할 경우 출력전압(Voutput)의 진폭이 증가함과 입력전압(Vinput)에 대비한 출력전압(Voutput)의 위상이 동일함을 알 수 있는데, 이는 앞서 살펴본 도5 및 도6의 결과와 동일하다.
또한, 액츄에이터(10)에 작용하는 부하를 일정하게(일예로서, 1000g) 유지한 상태에서 입력전압의 주파수를 0.1Hz에서부터 20Hz까지 변화시켜 가면서 측정한 출력전압(Voutput)과 구동부(12)의 압축 변위를 측정하여 도9에 나타내었다.
그 결과, 입력전압(Vinput)의 주파수가 0.1Hz에서부터 5Hz까지 증가할 경우에는 출력전압(Voutput)와 구동부(12)의 압축 변위는 서로 역수의 관계에 있고, 5Hz에서부터 13Hz까지의 경우 상기 두 파라미터는 서로 비례관계에 있으며, 입력전압(Voutput)의 주파수가 13Hz 이상일 경우 상기 구동부(12)의 변위가 갑자기 줄어든다는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 실험결과로부터 출력전압(Voutput)과 구동부(12)의 임피던스 크기에 관한 관계정보, 구동부(12)의 임피던스 크기에 대응하는 외부 부하의 크기에 관한 관계정보 및 상기 외부 부하의 크기에 대응하는 입력전압(Vinput)의 조건에 관한 관계정보를 얻을 수 있다.
이때, 필요에 따라 출력전압(Voutput)에 대한 외부 부하의 크기에 관한 관계정보를 얻을 수도 있으며, 외부 부하의 크기에 대응하는 입력전압(Vinput)의 조건에 관한 관계정보는 외부 부하 조건에 필요한 액츄에이터의 동작 프로그램에 따라 다양하게 구현될 수 있다.
상기 도7 내지 도9에 나타낸 결과는 일예로서 본 실시예에 따른 액츄에이터에 대한 것임에 불과하고, 이러한 결과는 유전 탄성체 소재의 종류나 실험조건에 따라 다르게 나타날 수 있음은 물론이다.
이와 같은 방식으로, 상기 데이터베이스가 충분하게 확보될 경우 본 발명에 따른 자가 센싱 액츄에이터(10)는 외부에서 작용하는 부하의 세기를 스스로 측정하여 구동부(12)에 인가되는 전원 조건(일예로서, 전압의 세기 또는 주파수 중 적어도 어느 하나)을 제어함으로써 별도의 힘 센서를 사용하지 않더라도 액츄에이터(10)의 동작을 정확하게 제어할 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명에 따른 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터의 제어방법에 관한 일예를 설명하기로 한다.
도10은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 센싱 액츄에이터(10)의 동작 구성을 나타낸 블럭도이다. 본 발명에 따른 액츄에이터(10)가 미리 설정된 구동 전압에서 구동되는 경우, 임피던스 센싱부(13)는 구동부(12)의 임피던스 변화를 외부 저항(Rs)의 출력전압(Voutput)의 형태로 감지한다.
상기 감지된 임피던스 변화에 대한 정보가 D/A 컨버터(14)를 거쳐 전원공급 및 제어부(11)에 전달되면, 전원공급 및 제어부(11)는 메모리(15)에 미리 저장된 데이터베이스를 검색하여 외부 부하의 세기를 판단하고 판단 결과에 따라 입력 전원의 조건을 산출하여 구동부(12)에 인가되는 전원의 조건을 조정하게 된다.
도11은 상기 액츄에이터(10)의 제어방법을 나타낸 흐름도이다. 전원공급 및 제어부(11)에 의해 미리 설정된 조건의 입력전압(Vinput)이 구동부(12)에 인가되면(S100), 임피던스 센싱부(13)는 구동부(12)의 임피던스를 센싱하여 전원공급 및 제어부(11)로 전달한다(S110).
S110 단계가 완료되면, 전원공급 및 제어부(11)는 구동부(12)에 임피던스 변화가 발생되었는지 여부를 판단한다(S120). 이때, 임피던스의 변화가 발생된 경우라 함은 일예로서 초기 설정된 입력전압(Vinput)이 인가될 때 외부 부하가 없는 상태에 대해 저장된 구동부(12)의 임피던스 값과 센싱된 임피던스 값이 차이가 있는 경우일 수 있다.
S120 단계에서 임피던스의 변화가 없는 경우이면 전원공급 및 제어부(11)는 입력전압(Vinput)을 유지하여 액츄에이터(10)가 무부하 조건에 따른 구동을 계속하도록 하고, S110 단계를 반복한다.
이때, 본 실시예에서는 상기 미리 설정된 입력전압(Vinput)의 조건을 무부하 조건에서 액츄에이터(10)의 구동에 필요한 조건과 동일하도록 구성하였으나, 필요에 따라 이와 다르게 구성할 수도 있음은 물론이다.
한편, S120 단계에서 임피던스의 변화가 있는 경우, 전원공급 및 제어부(11)는 메모리(15)에 미리 저장된 데이터베이스를 검색하여 새로운 전원 인가 조건을 산출하고(S130), 변경된 조건에 따라 구동부(12)에 전압을 인가한다(S140).
S140 단계가 완료되면, 전원공급 및 제어부(11)는 액츄에이터(10)의 구동 종료 조건인지 여부를 판단하여 종료 조건이 아닌 경우이면 S110 단계를 수행하고, 종료 조건이면 액츄에이터(10)에 공급되는 전원을 차단하여 구동을 종료시킨다(S150).
이때, 본 실시예에서는 일예로서 S110 및 S120 단계의 미리 설정된 입력전압(Vinput)을 S140 단계에서 인가된 입력전압(Vinput)의 조건이 적용되도록 구성하였으나, 필요에 따라 이와 다르게 구성할 수도 있음은 물론이다.
도1과 도2는 각각 종래 기술에 따른 유전 탄성체를 이용한 액츄에이터의 구동 메카니즘을 나타낸 도면과, 이를 이용한 인치웜 로봇의 부분 전개 사시도,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터의 구성을 나타낸 개략도와, 이에 대응하는 전기회로 모델링을 나타낸 회로도,
도4는 도3의 액츄에이터에 포함된 구동부를 단계적으로 압축할 경우 임피던스 센싱부의 출력변화를 나타낸 그래프,
도5 및 도6은 도3의 액츄에이터에 포함된 구동부를 단계적으로 압축할 경우 주파수에 따른 임피던스 센싱부의 출력변화와 위상변화를 각각 나타낸 그래프,
도7 및 도8은 도3의 액츄에이터에 포함된 구동부에 작용하는 부하의 세기를 변경할 경우 주파수에 따른 임피던스 센싱부의 출력변화와 위상변화를 각각 나타낸 그래프,
도9는 도3의 액츄에이터에 포함된 구동부에 작용하는 부하의 세기를 고정할 경우 주파수에 따른 임피던스 센싱부의 출력변화와 구동부의 변위 사이의 관계를 나타낸 그래프,
도10은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 센싱 액츄에이터의 동작 구성을 나타낸 블럭도, 및
도11은 본 발명의 일실시예에 따른 자가 센싱 액츄에이터의 제어방법을 나타낸 흐름도이다.

Claims (9)

  1. 유전 탄성체로 이루어진 필름과, 상기 필름의 상면과 하면에 각각 구비된 제1전극과 제2전극을 포함하는 구동부;
    상기 구동부의 임피던스를 센싱하는 임피던스 센싱부; 및
    상기 임피던스 센싱부에서 센싱된 임피던스의 크기에 따라 상기 구동부에 인가되는 전원의 조건을 제어하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 전원공급 및 제어부를 포함하되,
    상기 임피던스 센싱부는 구동부에 직렬로 연결된 외부 저항에 인가되는 전압을 검출하여 상기 구동부의 임피던스를 센싱하는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 복수의 필름이 적층된 구조로서 각 필름층 사이에는 서로 인접한 두 필름에 대해 각각 제1전극 및 제2전극으로 기능하는 전극이 배치된 것을 특징으로 하는 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    외부 부하조건에 따른 구동부의 임피던스와 구동부에 인가되는 전원의 조건에 관한 관계정보가 저장된 메모리를 더 포함하고,
    상기 전원공급 및 제어부는 상기 센싱된 임피던스의 크기에 대응하는 외부 부하의 크기 및 상기 외부 부하의 크기에 대응하는 전원 조건을 상기 관계정보에서 검색하고, 검색 결과에 따라 구동부에 인가되는 전원 조건을 제어하는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전원 조건은 구동부에 인가되는 전압의 세기 또는 주파수 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 구동부의 임피던스는 외부 부하가 증가하면 감소하고, 외부 부하가 감소하면 증가되는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터.
  7. 유전 탄성체로 이루어진 구동부에 전원이 인가된 상태에서 상기 구동부의 임피던스를 센싱하는 제1단계;와
    상기 제1단계에서 센싱된 임피던스의 크기에 따라 상기 구동부에 인가되는 전원의 조건을 제어하여 상기 구동부의 동작을 제어하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터의 제어방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2단계는,
    상기 제1단계에서 센싱된 임피던스의 크기와, 외부 부하가 없는 상태에서 상기 인가된 전원 조건에 대응하는 임피던스와의 차이가 설정값 이상인지 여부를 판단하는 제3단계;와
    상기 제3단계의 판단결과가 설정값 미만이면 현재 인가되는 전원 조건을 유지하고, 설정값 이상이면 새로운 전원 조건을 산출하고 산출된 조건에 따라 상기 구동부에 전원을 인가하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전원 조건은 구동부에 인가되는 전압의 세기 또는 주파수 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유전 탄성체를 이용한 자가 센싱 액츄에이터의 제어방법.
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