KR101258738B1 - 형상기억소재로 된 토션 발생 구동기, 이를 구비한 링크 관절 구조 및 링크 기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 인접한 두 개의 링크가 서로에 대해 상대 회전가능하게 형성된 링크 관절 부분에 설치되고, 전류 공급에 따른 온도 변화에 따라 길이가 변형되는 형상기억소재의 와이어가 토션 스프링 헝태로 감겨 양단 각각이 상기 두 개의 링크 각각에 연결되고, 상기 양단 사이에서 관절 부분의 동작축을 스프링 코일 회전축으로 하여 길이 변화에 따른 스프링 코일 회전축 방향의 회전 변형을 두 링크의 회전력을 제공할 수 있는 형상기억소재로 된 토션 발생 구동기, 이를 구비한 링크 관절 구조 및 링크 기구에 대해 개시한다.

Description

형상기억소재로 된 토션 발생 구동기, 이를 구비한 링크 관절 구조 및 링크 기구{SHAPE MEMORY MATERIAL TORSION GENERATION ACTUATOR, ARTICULATED JOINT OF LINKS AND LINKS DEVICE HAVING THE SAME}

본 발명은 소프트 로봇 등에서 링크 사이의 동작이 일어나는 관절에서 사용되는 토션 발생 구동기, 이를 구비한 링크 관절 구조 및 링크 기구에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 토션 발생 구동기를 형상기억소재로 형성하여 온도 제어에 따른 길이 변형을 구동력으로 이용하는 형상기억소재로 된 토션 발생 구동기, 이를 구비한 링크 관절 구조 및 링크 기구에 관한 것이다.

일반적으로 로봇(robot)은 사람과 유사한 모습과 기능을 가진 기계 또는 무엇인가 스스로 작업하는 능력을 가진 기계를 말하는 것으로, 사람과 닮은 모습을 한 로봇을 '안드로이드'라 부르기도 한다. 그리고 다른 뜻은 형태가 있으며, 자신이 생각할 수 있는 능력을 가진 기계라고도 한다.

인공의 동력을 사용하는 로봇은 사람 대신 또는 사람과 함께 일을 하기도 하며, 통상 로봇은 제작자가 계획한 일을 하도록 설계된다.

이러한 로봇은 그동안 인간이 해 오던 많은 일들은 대신하고 있으며, 산업 현장에는 단조로운 반복 작업이나 따분한 작업 또는 불쾌한 작업들은 특히 로봇을 이용하여 쉽게 처리할 수 있다. 조립 공장에서 리벳 박는 일, 용접, 자동차 차체를 칠하는 일 등은 그 좋은 예이다. 따라서 현재 우리의 생활 또는 산업현장에서 로봇은 없어서는 안 될 중요한 역할을 수행하게 되며, 그로 인해 제품의 품질은 항상 일정하며 게다가 휴식을 취할 필요가 없기 때문에 많은 양의 제품을 만들 수 있다.

한편, 산업발달과 함께 최근 로봇은 더욱 정밀하게 제작되고 있으며, 의료시술과 같이 섬세하고 정밀함을 요하는 의료산업 또는 게임분야에서는 다양한 초소형 로봇이 제작되고 있다.

그러나 종래의 로봇은 로봇을 구동시키기 위한 동력장치인 모터를 다수 사용하는 한편, 로봇의 움직임을 위해 유니버셜 조인트와 같은 기계적인 관절 구조를 갖는바, 정밀 가공 및 조립 기술을 요하는 기술적 어려움이 많았으며, 로봇의 크기를 소형화하는데 일정한 한계가 있었다.

이러한 종래 로봇의 한계를 극복하기 위하여 소프트 로봇이 제안되었는데, 소프트 로봇은 유연한 몸체를 지니며 여러 환경에 맞게 형상을 변화시키는 능력을 가지고 있으며 형상기억합금 소재로 된 와이어를 액추에이터로 이용하는 관절 구조를 움직임을 구현하고 있다.

형상기억합금이란, 가공된 어떤 물체가 망가지거나 변형되어도 전류 도는 끓는 물 등으로 열을 가하면 원래의 형상으로 되돌아가는 합금을 말하며, 1960년대에 미국의 W.뷸러가 형상기억합금을 나타내는 합금(니켈+티타늄: 니티놀)을 발견하여 연구가 진행되었고, 열탄성 마르텐사이트 변태를 나타내는 합금은 예외없이 형상기억 특성을 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 니켈-티타늄 합금, 구리-아연-알루미늄 합금이 실용화되었고, 전투기, 인공위성의 안테나, 의료용 등으로 사용된다.

현재 실용화된 용도로는 F14 전투기의 파이프계수와 인공위성의 안테나, 온실 창의 개폐장치 등이 있다. 또 연구개발 중인 것에 인공관절 심장펌프와 화재시의 방화문, 온도 센서 등이 있다. 한국에서는 1983년 한국과학기술원의 재료실험팀이 니켈-티타늄 50:50 비율의 합금에 처음으로 성공한 데 이어 1986년 4월에는 정밀금속 재료연구실팀이 의료용(치열교정용 와이어)의 형상기억합금 개발에 성공하였다. 이것은 늘어난 채로 입 안에 장치해도 체온에 의해 줄어들면서 치아를 단단히 묶어 주게 되어 있다.

그런데, 종래의 소프트 로봇 등의 관절 구조에서는 형상기억합금으로 된 와이어를 두 링크 사이에 선형적으로 연결하여, 길이 방향의 변형에 의해 발생하는 힘을 구동력으로 이용한다. 그러나 이러한 구조에서는 와이어가 구조적 장애 요인이 되어 두 링크 간의 운동 범위가 제한되는 한계가 있어서, 회전 운동 범위가 제한되었다. 즉, 종래의 소프트 로봇 등의 관절 구조에서는 형상기억합금으로 된 와이어를 액추에이터를 이용하더라도 별도의 힌지 구조 형성 없이는 어느 링크가 다른 링크에 대하여 완전히 접히거나 180도(degree)로 접혔다 열리는 구조, 나아가 360도 회전하는 동작의 구현이 불가능하였다. 따라서 완전히 접힘이 필요한 관절 구조가 불가능하거나 그 구조가 복잡해지는 문제점이 있었다.

본 발명은 두 링크 사이의 움직임 일어나는 관절 부분에 형상기억소재로 형성되고 토션 스프링 형상으로 감긴 토션 발생 구동기를 채용하여, 전류 공급에 따른 온도 변화에 따라 상기 토션 발생 구동기가 길이 변형을 하면서 발생시키는 회전력에 의해 두 링크 사이의 관절 움직임을 제어할 수 있도록 형성된, 형상기억소재로 된 토션 발생 구동기, 이를 구비한 링크 관절 구조 및 링크 기구를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 두 링크 사이의 관절 부분에서 두 링크가 액추에이터에 의한 구조적 방해 없이 그 형상이 허용하는 범위 내에서 완전히 접혀지는 것을 가능하게 하는 형상기억소재로 된 토션 발생 구동기, 이를 구비한 링크 관절 구조 및 링크 기구를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 단단한 판과 유연한 판으로 이루어진 판형 관절 구조에서 유연한 조인트 판의 관절 부분에 형상기억소재 토션 발생 구동기를 장착하여 완전히 접히는 판 형식 로봇 형태의 링크 기구를 제조할 수 있게 하는 형상기억소재로 된 토션 발생 구동기, 이를 구비한 링크 관절 구조 및 링크 기구를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 2차원 설계 모델을 통해 다양한 각도와 형상으로 움직임이 가능하면서도 완전히 접힌, 접힘 구조를 실현할 수 있도록 하는 형상기억소재로 된 토션 발생 구동기, 이를 구비한 링크 관절 기구 및 링크 기구를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 길이 변형이 제어 가능한 와이어 형상의 소재를 토션 스프링 형태로 형성하여, 길이 변화에 따른 스프링 코일 회전축 방향을 회전 변형을 이용하여 회전력을 제공하는 토션 발생 구동기를 제공한다.

본 발명에 의하면, 상기 길이 변형이 제어 가능한 와이어 형상의 소재는 형상기억합금을 포함하며, 상기 형상기억합금에 인가되는 전류 제어에 따라 토션을 발생시킨다.

본 발명에 의하면, 인접한 두 개의 링크가 서로에 대해 회전가능하게 연결되고, 상기 토션 발생 구동기는, 양단 각각이 상기 링크 각각에 부착되어 상기 두 개의 링크가 각도 변화를 발생시키도록 구성된다.

본 발명에 따른 토션 발생 구동기를 구비한 링크 관절 구조는 인접한 두 개의 링크가 서로에 대해 회전가능하게 연결되고, 상기 두 개의 링크 사이에는 동작가능한 관절 부분이 형성되며, 상기 토션 발생 구동기는, 양단 각각이 상기 링크 각각에 부착되고 상기 관절 부분의 동작축을 내부에 포함하면서 상기 관절 부분의 연장 방향을 따라 스프링 형상으로 연장된다. 이러한 링크 관절 구조에 의하여 토션 발생 구동기에서 발생하는 회전력에 의하여 링크가 각도 변화를 발생시키면 동작하는 링크 관절 구조가 형성된다.

또한, 본 발명은 단단한 판 형태의 제 1 및 제2 링크; 상기 제 1 및 제2 링크를 연결하며 관절 부분을 이루는 유연 조인트 판; 및 길이 변형이 제어 가능한 와이어 형상의 소재를 토션 스프링 형태로 형성하고, 양단을 각각 상기 제1 및 제 2링크 각각에 부착하여, 길이 변화에 따른 스프링 코일 회전축 방향을 회전 변형에 의해 발생하는 힘을 상기 제 1 및 제2 링크의 회전 구동력을 제공하는 토션 발생 구동기를 포함하는 링크 기구를 제공한다.

본 발명에 의하면, 상기 제 1 및 제2 링크 개의 링크에는 상기 유연 조인트 판에 인접한 부분에 상기 토션 발생 구동기가 스프링 형상으로 감길 때 관통하여 지나는 관통홀을 구비하여, 상기 토션 발생 구동기는 상기 관통홀을 지나면서 스프링 형상으로 감기며 연장되는 형태로 실시 가능하다. 여기서 상기 토션 발생 구동기는 형상기억합금으로 이루어지고, 인가되는 전류 제어에 따라 회전 변형을 하여, 상기 제 1 및 제2 링크를 동작시킨다.

본 발명에 따른 링크 기구는, 플렉시블 필름과, 상기 플렉시블 필름의 일면 또는 양면에 적층된 단단한 소재의 절연재로 형성된 보강층들을 포함하여, 상기 보강층이 적층된 단단한 판들과, 상기 단단한 판 사이에서 상기 플렉시블 필름이 노출되어 이루어지는 유연 조인트 판들을 포함하는 판형 관절 구조를 형성하고, 상기 유연 조인트 판으로 이루어진 관절 부분에는, 와이어 형상의 형상기억합금소재를 토션 스프링 형태로 형성하고, 양단을 상기 유연 조인트 판을 경계로 인접하는 양측 단단한 판 각각에 부착하고 상기 유연 조인트 판의 동작축을 코일 회전축으로 하여 연장시킨 토션 발생 구동기를 부착하여, 상기 토션 발생 구동기가 인가되는 전류에 의한 온도 제어에 의해 구동되어 접힘 보관이 가능한 형태로 형성된다.

본 발명은, 두 링크 사이의 움직임 일어나는 관절 부분에 형상기억소재로 형성되고 토션 스프링 형상으로 감긴 토션 발생 구동기를 채용하여, 전류 공급에 따른 온도 변화에 따라 상기 토션 발생 구동기가 발생시키는 코일 회전축 방향의 회전 변형에 의한 회전력에 의해 두 링크 사이의 관절 움직임을 제어할 수 있도록 형성된, 형상기억소재 토션 발생 구동기, 이를 구비한 링크 관절 구조 및 링크 기구를 제공한다.

발명에 의하면, 두 링크 사이의 관절 부분에서 두 링크가 액추에이터에 의한 구조적 방해 없이 그 형상이 허용하는 범위 내에서 완전히 접혀지는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 단단한 판과 유연 조인트 판으로 이루어진 판형 관절 구조에서 유연 조인트 판의 회전축을 회전 중심으로 하여 형상기억소재 토션 발생 구동기를 장착하여 완전히 접히는 판 형식 로봇 형태의 링크 기구를 제조할 수 있게 된다.

따라서 본 발명은 소프트 로봇 분야 등에서 2차원 설계 모델을 통해 다양한 각도와 형상으로 움직임이 가능하면서도 완전히 접힌, 접힘 구조를 실현할 수 있게 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 형상기억소재 토션 발생 구동기를 구비한 링크 기구를 도시한 정면 사시도(a) 및 측면 사시도(b)이다.
도 2 는 본 발명에 따른 링크 기구에서 토션 발생 구동기의 구조 및 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 링크 기구의 링크 관절 구조 및 그 동작 원리를 설명하기 위한 개략적 단면도이다.
도 4 은 도 1 에 에 도시된 링크 기구에서 토션 발생 구동기의 설치 구조를 설명하기 위한 부분 확대 사시도이다.
도 5 및 도 6 은 본 발명에 따른 링크 기구를 이용한 판형 로봇의 개념도이다.
도 7a 내지 도 7d 는 단단한 판 형태의 두 개의 링크로 이루어진 링크 기구에서 유연 조인트 판으로 이루어진 관절 부분에 토션 발생 구동기를 설치한 상태에서의 동작을 보여주는 도면이다.
도 8 은 도 7a 내지 도 7d에 도시된 링크 기구의 동작과 비교하기 위해 제시된 것으로 두 링크 사이에 선형 액추에이터가 연결된 링크 기구의 동작을 보여주는 도면이다.
도 9a 내지 도 9d 는 본 발명에 따른 링크 기구에서 다수의 링크를 형성시켜 순차적으로 접힘 동작이 일어나는 것을 보여주기 위한 도면이다.
도 10 는 본 발명에 따른 링크 기구가 삼각형 형상으로 접히는 형상을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 토션 발생 구동기, 이를 구비한 링크 관절 구조 및 링크 기구에 대하여 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 형상기억소재 토션 발생 구동기를 구비한 링크 기구를 도시한 정면 사시도(a) 및 측면 사시도(b)이고, 도 2 는 본 발명에 따른 링크 기구에서 토션 발생 구동기의 구조 및 그 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 3 은 본 발명에 따른 링크 기구의 링크 관절 구조 및 그 동작 원리를 설명하기 위한 개략적 단면도이며, 도 4 은 도 1 에 도시된 링크 기구에서 토션 발생 구동기의 설치 구조를 설명하기 위한 부분 확대 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 링크 기구는 관절 부분(20)을 사이에 두고 서로 인접한 제1 링크(11)와 제2 링크(12)에, 관절 부분(20)의 회전축을 중심으로 제 1 및 제2 링크(11, 12)가 서로 상대 회전하도록 하는 구동기로서, 형상기억소재로 된 토션 발생 구동기(30)를 포함한다.

토션 발생 구동기(30)는 형상기억합금과 같이 전류 공급에 따른 온도 변화에 따라 형상이 복원되는 형상기억효과(SME; Shape Memory Effect)갖는 와이어 형상의 형상기억소재를 회전축을 중심으로 감아 형성된다.

형상기억소재는 형상기억합금뿐만 아니라 전류 공급에 따른 온도 변화에 따라 형상복원효과를 갖는 다른 소재를 포함할 수 있다. 근래에서는 폴리머 소재로 된 형상기억소재가 개발되고 있는바, 본 발명의 형상기억소재는 이와 같은 폴리머 소재의 형상기억소재를 포함한다.

본 발명에 따르면 토션 발생 구동기(30)는 길이 변형이 제어가능한 형상기억소재의 와이어를 토션 스프링 형태로 감아 형성한 것으로, 코일 회전축을 중심으로 감겨져 전류 제어에 따른 온도 변화에 따라 길이 변형에 의해 발생하는 힘이 회전방향으로 발생하도록 한 것이다. 따라서 토션 발생 구동기(30)에서는 길이 변화에 따라 스프링 코일 회전축 방향으로 발생하는 회전 변형을 구동 회전력으로 제공한다. 스프링 코일 회전축은 링크 사이에 동작이 일어나는 관절 부분(20)의 회전축에 대응된다.

구체적으로, 토션 발생 구동기(30)의 일단(31)은 제1링크(11)에 부착되고 타단(32)은 제2링크(12)에 부착되며, 양단 사이에서 스프링 코일 회전축을 회전중심으로 하여 감기면서 연장된 형상으로 이루어진다. 토션 발생 구동기(30)에 전류가 인가되면, 온도가 상승하면서 토션 발생 구동기(30)가 변형하여 도 3의 (a) 상태에서 도 3의 (b) 상태로 변형되고, 이러한 변형시 발생하는 힘이 관절 부분에서 회전축를 중심으로 두 개의 링크를 상대 회전시키는 회전력으로 제공된다.

본 발명에 의하면 제1 및 제2 링크(11, 12)는 소정의 형상을 유지할 수 있는 단단한 판으로 형성될 수 있으며, 유연한 조인트 판(21)이 조인트 부재로서 제 1 및 제2 링크(11,12) 사이에 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 토션 발생 구동기(30)는 관절 부분(20)의 동작축을 내부에 포함하면서 제1 및 제2 링크(11, 12)를 관통하면서 나선형으로 감기면서 관절 부분의 연장 방향 측, 회전축 방향으로 연장된 형상을 구비한다. 즉, 적어도 1회 이상의 회전으로 나선 방향으로 감긴 구조로 형성되며, 바람직하게는 수회 이상으로 감긴 나선형 구조로 형성된다.

이를 위해 제1 및 제2 링크(11, 12)에는 관절 부분(20)에 인접하여 토션 발생 구동기(30)가 관통할 수 있는 관통홀(15)이 형성되고, 토션 발생 구동기(20)는 제 1 및 제2 링크(11, 12)에 형성된 관통홀들(15)을 지나면서 나선형으로 감기면서 연장된다.

토션 발생 구동기(20)에 전류가 공급되어 온도 변화에 따라 길이가 변화가 나타나면, 나선 방향으로 늘어나면서 회전력을 발생시킴으로, 제1 링크(11) 및 제2 링크(12)가 회전축 중심으로 회전하도록 회전 구동력이 형성되어 서로에 대해 상대 회전하도록 한다. 이때 토션 발생 구동기(30)는 제1 링크 및 제 2링크(11, 12)에 회전축을 따라 나선형으로 감긴 방향을 따라 길이 변화를 나타내므로 제1 링크(11) 및 제2 링크(12)는 토션 발생 구동기(30)에 의해 동작이 제한되지 않고 회전력에 의해 접혀지는 것이 가능하다.

따라서 본 발명에 따른 링크 기구에서는 토션 발생 구동기(30)의 길이 변화를 컨트롤함으로써 회전력을 발생시키고 이러한 회전력에 의해 제1 및 제2 링크(11, 12)가 서로에 대해 180도로 완전히 접힌 구조, 나아가 360도로 회전하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 링크 기구의 토션 발생 구동기(30)는 전체 연장 길이에서의 길이 변화에 관계되고, 나선형으로 감김 구조는 선형 연결구조와 비교하여 상대적으로 형상적 제한을 받지 않으므로 형상기억소재가 소재적 특성에 의해 가지는 변형에 의해 그 동작이 제한되지 않는 장점이 있다. 즉, 온도 변화에 따른 단위 길이 당 변화량이 작은 형상기억소재를 이용하는 경우에도 피치 또는 회전 반경을 증가시켜 나선형으로 감긴 전체 길이를 증가시키는 것이 가능하므로 상대적으로 짧은 관절 부분에서도 충분한 동작 제어가 가능한 형태로 토션 발생 구동기를 형성시키는 것이 가능하다.

따라서 본 발명에 따른 링크 기구는 형상기억소재의 소재적 특성에 상대적으로 제약을 받지 않으면서 제1 링크(11) 및 제2 링크(12) 간의 회전을 필요한 범위로 제어, 나아가 완전히 접히는 형태로 동작시킬 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따른 링크 기구에 의하면 제1 링크(11) 및 제2 링크(12)는 소정의 형상을 유지할 수 있는 단단한 판으로 형성되고, 제1 링크(11) 및 제2 링크(22)의 관절은 제1 링크(11) 및 제2 링크(12)를 연결하는 플렉시블(flexible) 필름으로 된 유연 조인트 판(21)을 포함한다.

본 발명에 따르면 제1 링크 및 제2 링크(11, 12) 사이의 유연 조인트 판(21)은 제 1 및 제2 링크(11, 12)를 구조적으로 연결하는 기능을 한다.

본 발명에 따르면, 제1 링크 및 제2 링크(11, 12)는 배선패턴이 형성된 플렉시블 필름층(40)의 일면 또는 양면에 소정의 형상을 유지할 수 있는 단단한 소재의 절연재로 된 보강층(42)이 적층되어 형성된다. 상기 플렉시블 필림층(40)이 보강층(42)이 적층된 부분들 사이에서 노출되어 유연 조인트 판(21)을 형성한다.

플렉시블 필름층(40)은 폴리이미드 필름(polyimid film)로 형성되어 고온 및 극저온 등의 온도변화에서 전기적 특성의 변화가 적어 초 내열성을 갖고 후렉시블(flexible)하게 꺾어지거나 휘어질 수 있도록 형성되며, 보강층(42)은 유리섬유 강화폴리머 또는 캡톤 등의 딱딱한 절연재로 형성된다.

따라서 본 발명에 따른 링크 기구는, 배선 패턴이 형성된 플렉시블 필름과, 상기 플렉시블 필름의 일면 또는 양면에 적층된 단단한 소재의 절연재로 형성된 보강층들을 포함하여, 상기 보강층이 적층된 단단한 판들과, 상기 단단한 판 사이에서 상기 플렉시블 필름이 노출되어 이루어지는 유연 조인트 판들을 포함하는 판형 관절 구조로 형성된다. 이와 같은 판형 관절구조는 그 제작이 용이하고, 경량으로 제조 가능한 장점이 있는데, 본 발명의 토션 발생 구동기(30)를 이용하여 다양한 동작이 가능하게 된다.

토션 발생 구동기(30)의 단부가 연결되는 지점에는 보강층의 일부가 제거된 상태로 플렉시블 필름층(40)의 배선패턴과 토션 발생 구동기가 연결된다. 도 4 에서 도시된 도면부호 16은 플렉시블 필름층(40)에 형성된 배선패턴과 토션 발생 구동기(30)의 양단을 연결하는 단자부를 도시한 것으로서, 토션 발생 구동기(30)의 양단이 접속된다.

본 발명은 이와 같이, 2차원 설계 모델을 통해 형성되면서 다양한 각도와 형상으로 움직임이 가능하고 관절에서 접힘이 가능한 판형 로봇과 같은 판형 관절 구조의 링크 기구를 제조할 수 있게 한다.

도 5 및 도 6 은 본 발명에 따른 링크 기구를 이용한 판형 로봇의 개념도이다(도 5 및 도 6 의 각 관절 부분에는 도 1 내지 도 4에 도시된 형상으로 토션 발생 구동기가 설치되어 있으나 도시의 편의를 위해 생략되거나 간략한 상태로 도시되었다).

도 5 를 참조하면, 본 발명에 따른 링크 기구를 이용한 판형 로봇은, 관절 부분이 본 발명에 따른 토션 발생 구동기(30)에 의해 동작 제어되므로, 토션 발생 구동기(30)에 전류를 인가하여 컨트롤함으로써 도 5의 (a) 상태와 같이 단단한 판으로 형성된 각 링크가 서로 면접하도록 접혀지는 것이 가능하고, 도 5의 (b) 상태로 펼쳐진 상태로 동작시키는 것이 가능하다.

또한 도 5의 (b) 에 도시된 판형 로봇의 하면으로 형성되어 앞 뒤 다리를 이루는 링크의 하면에 고무 또는 실린콘재의 합성수지재로 한 방향으로 경사각을 이루는 강모(剛毛, 또는 돌기)가 다수를 형성시켜, 토션 발생 구동기(30)에 의해 관절 부분을 중심으로 링크가 접혔다가 펴지는 동작에 의해 판형 로봇은 이동할 수 있다. 또한 각 관절 부분을 제어하여 회전하는 움직임을 구현할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 링크 기구를 이용한 판형 로봇은 도 5 에 도시된 바와 같이 각 링크가 일측 방향으로 연결된 구조뿐만 아니라 도 6 에 도시된 형태와 같은 다양한 분절 구조를 갖는 것도 가능하다.

도 6 을 참조하면, 토션 발생 구동기(30)에 전류를 인가하여 온도 변화를 컨트롤함으로써 도 6의 (a)와 같은 판상의 접힘 구조와 도 6의 (b)와 같은 펼쳐진 구조 사이에서 변환이 가능하다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 링크 사이에 형성된 관절 부분이 토션 발생 구동기에 의하여 완전히 접히는 것이 가능하므로, 완전히 접히는 판 프레임을 기반으로 하는 판형 로봇의 제작이 가능하며, 이러한 판형 로봇 그 제작이 용이할 뿐만 아니라, 접었을 때의 공간이 최소화되어 대량의 로봇을 좁은 공간에 저장할 수 있고, 경량의 구조로 제작할 수 있다. 즉, 이러한 접힘 구조의 판형 로봇은 관절에 액추에이터로서 토션 발생 구동기가 설치됨으로서 구현될 수 있는 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 링크 관절 구조 및 링크 기구의 동작을 설명한다.

도 7a 내지 도 7d 는 단단한 판 형태의 두 개의 링크로 이루어진 링크 기구에서 유연 조인트 판으로 이루어진 관절 부분에 토션 발생 구동기를 설치한 상태에서의 동작을 보여주는 도면이다.

도 7a 내지 도 7d 에 도시된 링크 기구는 도 7a 상태에서 순차적으로 동작하여 도 7d 상태로 진행되는 데, 도 7a에서 도시된 펼친 상태에서 전류를 인가하면 토션 발생 구동기가 수축되면서 두 링크가 서로 근접하는 방향으로 회전하면서 도 7b 및 도 7c와 같이 순차적으로 동작하다가 도 7d 상태와 같이 완전히 접혀지는 것을 확인할 수 있다.

도 8 은 도 7a 내지 도 7d에 도시된 링크 기구의 동작과 비교하기 위해 제시된 링크 기구 도면으로, 두 링크 사이에 선형 액추에이터가 연결된 링크 기구의 동작을 보여주는 도면이다.

도 8 을 참조하면, 두 개의 링크는 선형 액추에이터가 구조적 장애 요인으로 작용하여 두 개의 링크가 완전히 접혀질 수 없다는 것을 확인할 수 있다.

즉, 도 7d의 도면과 도 8의 도면을 서로 대비하면, 토션 발생 구동기를 구비한 링크 연결 구조에서 회전각이 제한되지 않고 두 링크가 서로 접혀질 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

도 9a 내지 도 9d 는 본 발명에 따른 링크 기구에서 다수의 링크를 형성시켜 순차적으로 접힘 동작이 일어나는 것을 보여주기 위한 도면이다.

도 9a 를 참조하면, 다수의 링크를 구비한 링크 기구에서 각 관절에는 토션 발생 구동기가 구비된 상태로 펼쳐져 있다.

이 상태에서 전원이 인가되면 제일 위쪽에 위치한 첫 번째 관절 부분에서 토션 발생 구동기(30)가 동작하면서 제일 위쪽에 위치한 첫 번째 링크와 그 아래의 두 번째 링크 사이에서 접힘 동작이 일어나고, 도 9b의 상태를 거쳐 도 9c 와 같이 첫 번째 관절 부분에서 두 링크가 접혀진다.

이후 도 9d 에 도시된 바와 같이, 아래의 두 번째 관절 부분의 토션 발생 구동기가 동작하면서 첫 번째 및 두 번째 링크가 서로 접힌 상태에서 세 번째 링크를 향하여 접히는 동작이 수행되는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 원리를 통해 도 4 및 도 5 에 도시된 바와 같은 접힘 상태로 각 링크가 겹쳐지는 동작의 구현이 가능하게 된다. 도 9a 내지 도 9d 에 도시된 도면에서는 조인트가 접혀지는 회전 방향이 첫 번째 및 두 번째 관절 부분에서 동일하게 설정된 상태를 보여주고 있으나, 서로 반대방향 즉, 일 관절 부분에서는 시계방향, 다른 관절 부분에서는 반시계방향으로 접혀지도록 설정되는 것이 가능하고, 이 경우 접힘 동작이 보다 안정적으로 수행될 수 있다.

또한 도 10 는 본 발명에 따른 링크 기구에서 삼각형 형상으로 접히는 형상을 보여주는 것으로, 이와 같이 본 발명에 따른 링크 기구에서는 관절 부분의 토션 발생 구동기를 컨트롤 하여 완전히 접힌 구조뿐만 아니라 다양한 형태로 접혀지는 것을 가능하게 한다.

이상, 본 발명을 도시된 예를 중심으로 하여 설명하였으나, 이는 제시된 예에 지나지 아니하며, 본 발명은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 자명한 다양한 변형 및 균등한 기타 실시예로 실시될 수 있으며, 이러한 변형 실시는 본 발명의 범위에 속한다.

11, 12: 링크 20: 관절 부분
21: 유연 조인트 판 30: 토션 발생 구동기
40: 플렉시블 필름층 42: 보강층

Claims (8)

1. 사이에 동작 가능한 관절 부분이 형성된 두 개의 링크에 회전 구동력을 제공하기 위해 설치되는 토션 발생 구동기로서,
   상기 토션 발생 구동기는, 길이 변형이 제어 가능한 와이어 형상의 소재로 형성되고, 상기 관절 부분에 인접하여 상기 두 개의 링크에 형성된 관통홀을 관통하여 지나면서, 상기 관절 부분의 동작축을 내부에 포함하면서 상기 관절 부분의 연장 방향을 따라 토션 스프링 형상으로 감아 형성하고, 양단 각각이 상기 링크 각각에 부착되게 설치됨으로서, 토션 스프링 형상으로 감긴 방향을 따라 이루어지는 길이 변형에 의해 발생하는 토션을 상기 두 개의 링크의 회전 구동력으로 제공하는 토션 발생 구동기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 길이 변형이 제어 가능한 와이어 형상의 소재는, 형상기억합금으로 형성되며, 상기 형상기억합금에 인가되는 전류 제어에 따라 길이가 변화하면서 토션을 발생시키는 것을 특징으로 하는 토션 발생 구동기.
3. 단단한 판 형태의 제 1 및 제 2 링크;
   상기 제 1 및 제 2 링크를 연결하며 관절 부분을 이루는 유연 조인트 판; 및
   길이 변형이 제어 가능한 와이어 형상의 소재로 형성되고, 상기 유연 조인트 판을 내부에 포함하도록 상기 유연 조인트 판에 인접하여 상기 제 1 및 제2 링크에 형성된 관통홀을 지나면서 상기 유연 조인트판의 연장 방향을 따라 토션 스프링 형상으로 감아 형성하고, 양단을 각각 상기 제1 및 제 2링크 각각에 부착한 토션 발생 구동기를 포함하고,
   상기 토션 발생 구동기가 토션 스프링 형상으로 감긴 방향을 따라 이루어지는 길이 변형에 따라 발생하는 토션이 상기 제1 및 제2 링크의 회전 구동력으로 제공되는 링크 기구.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 길이 변형이 제어 가능한 와이어 형상의 소재는 형상기억합금으로 형성되며, 상기 형상기억합금에 인가되는 전류 제어에 따라 길이가 변화하면서 토션을 발생시키는 것을 특징으로 하는 링크 기구.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 제1 링크 및 제2 링크는 플렉시블 필름과, 상기 플렉시블 필름의 일면 또는 양면에 적층된 단단한 소재의 절연재로 형성된 보강층으로 형성되고,
   상기 유연 조인트 판은, 상기 제1 링크 및 상기 제2 링크 사이에서 보강층 없이 외부로 노출된 플렉시블 필름으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 링크 기구.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

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