KR101353958B1 - 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터 및 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법 - Google Patents

자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터 및 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전식 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전류를 인가하면 자기장을 발생시켜 자속선(Flux line)을 형성하는 솔레노이드; 상기 솔레노이드의 통공된 내부에 위치하고, 회전축(Shaft) 및 회전 본체를 포함하여 구성되며, 상기 회전축을 중심으로 회전 운동하는 회전부; 상기 회전부의 하부에 위치하여 상기 회전부의 상하 운동에 기여하는 탄성 스프링; 상기 솔레노이드를 감싸는 원통형으로서, 내부는 상기 회전 본체의 회전각도에 따라 상기 회전 본체의 일부 면과 맞물리거나 분리되도록, 상기 회전부의 회전 본체 형태와 대응되는 형태로 구성되는 하우징; 상기 하우징 내에 주입되어, 상기 솔레노이드, 회전부 및 하우징의 조립 틈에 구비되며, 상기 자기장 형성 시 상기 자속선을 따라 자기 체인(Magnetic Chain)을 형성하는 자기유변유체; 및 상기 회전부의 상부에 위치하고, 상기 회전부의 회전축이 통과할 수 있도록 중앙부가 통공된 형태로서, 상기 하우징의 상단과 결합하는 덮개부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터 및 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법에 따르면, 솔레노이드, 회전부, 탄성 스프링, 하우징 및 자기유변유체를 포함하여 구성하되, 회전부를 구성하는 회전 본체의 회전각도에 따라 회전 본체의 일부 면과 하우징의 내부 구성이 맞물리거나 분리되도록 형성함으로써, 회전 본체의 회전각도에 따라 자기유변유체가 스퀴즈 모드, 시어 모드, 유동 모드의 멀티 작동 모드로 작동하게 되어 낮은 전력으로 높은 저항을 얻을 수 있고, 액추에이터가 소형화, 경량화 되어 다른 기구물에 조립 및 탈부착이 용이하며, 여러 환경에서의 적용이 가능하게 된다.

Description

자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터 및 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법{ROTARY TYPE ACTUATOR USING MAGNETIC RHEOLOGICAL FLUID BRAKES AND METHOD FOR DRIVING AN ROTARY TYPE ACTUATOR USING MULTI OPERATING MODE}
본 발명은 회전식 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터 및 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법에 관한 것이다.
액추에이터(actuator)는 시스템을 움직이거나 제어하는 데 쓰이는 기계 장치를 말하는 것으로서, 전기나 유압, 압축 공기 등을 이용하는 원동 구동장치를 두루 일컫는다. 일반적으로 전류, 작동 유압, 기력압 형태로 된 에너지원에 의해 작동하며, 이 에너지를 어떠한 종류의 움직임으로 변환한다. 최근에는 사용자의 신체에 구비되어 햅틱 피드백을 제공하는 목적으로서의 액추에이터가 많이 개발되고 있다.
현재까지 개발되고 있는 햅틱 피드백 제공 목적의 액추에이터는, 신체에 진동 모터나, 유압이나 공압 펌프 등을 이용하는 것이 대부분이다(특허출원번호 제10-2001-0057470호, 제10-2007-0132361호 참조). 즉, 다수의 진동 모터를 의복 등에 설치하거나, 공압식 공기주머니에 공기를 주입하여 피부에 압박을 가하는 방법이 이에 해당한다. 그러나 이와 같은 종래의 역감 제공 목적의 액추에이터들은 부피 및 중량이 커서 사용성 및 공간상 제약이 많고, 그 활용이 특수 분야 및 한정된 분야에서만 적용이 가능하다는 문제가 있었다. 특히, 모터를 사용하는 경우에는, 작동 메커니즘이 복잡하고 힘 제어를 연속적으로 또는 미세하게 제어하기는 어렵다는 문제가 있다.
이에 최근에는, MT 유체와 같은 지능재료를 이용한 햅틱 장치 연구가 활발하게 진행되고 있다. 자기유변유체(Magnetic rheological fluid)는, 평소에는 액체이나 자기장에 노출되면 점성이 변화하여 고체화되는 액체 자석으로서, 이를 이용한 브레이크 장치들은 큰 힘과 간단한 설계, 연속 제어가 가능한 특징 때문에 햅틱 분야에서 널리 연구되고 있다. 본 발명자들은, MR 유체를 이용하여 새로운 형태의 소형 브레이크를 개발함으로써, 소형화 및 경량화된 액추에이터를 제공하고자 한다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 솔레노이드, 회전부, 탄성 스프링, 하우징 및 자기유변유체를 포함하여 구성하되, 회전부를 구성하는 회전 본체의 회전각도에 따라 회전 본체의 일부 면과 하우징의 내부 구성이 맞물리거나 분리되도록 형성함으로써, 회전 본체의 회전각도에 따라 자기유변유체가 스퀴즈 모드, 시어 모드, 유동 모드의 멀티 작동 모드로 작동하게 되어 낮은 전력으로 높은 저항을 얻을 수 있고, 액추에이터가 소형화, 경량화 되어 다른 기구물에 조립 및 탈부착이 용이하며, 여러 환경에서의 적용이 가능한, 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터 및 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터는,
전류를 인가하면 자기장을 발생시켜 자속선(Flux line)을 형성하는 솔레노이드;
상기 솔레노이드의 통공된 내부에 위치하고, 회전축(Shaft) 및 회전 본체를 포함하여 구성되며, 상기 회전축을 중심으로 회전 운동하는 회전부;
상기 회전부의 하부에 위치하여 상기 회전부의 상하 운동에 기여하는 탄성 스프링;
상기 솔레노이드를 감싸는 원통형으로서, 내부는 상기 회전 본체의 회전각도에 따라 상기 회전 본체의 일부 면과 맞물리거나 분리되도록, 상기 회전부의 회전 본체 형태와 대응되는 형태로 구성되는 하우징;
상기 하우징 내에 주입되어, 상기 솔레노이드, 회전부 및 하우징의 조립 틈에 구비되며, 상기 자기장 형성 시 상기 자속선을 따라 자기 체인(Magnetic Chain)을 형성하는 자기유변유체; 및
상기 회전부의 상부에 위치하고, 상기 회전부의 회전축이 통과할 수 있도록 중앙부가 통공된 형태로서, 상기 하우징의 상단과 결합하는 덮개부를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 회전부의 회전 본체는,
상기 회전축의 일 측면과 연결되고 폭이 미리 정해진 각도를 가지고 넓어지는 형태로 형성되는 머리부, 상기 머리부와 연결되는 삼각 기둥형태의 몸통부, 및 상기 몸통부와 연결되고 상기 솔레노이드의 내측면 일부와 대응되는 형태로 형성되는 다리부를 포함하는 제1 회전 본체; 및
제1 회전 본체와 상기 회전축을 중심으로 대각선 방향으로 대칭되는 형태로 형성되는 제2 회전 본체를 포함하여 구성될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 하우징 내부 형태는,
상기 회전부의 회전각도에 따라 구분되는 제1 동작 시에는 상기 회전 본체의 머리부, 몸통부 및 다리부와 맞닿아 상기 머리부와 닿는 부분에서는 스퀴즈 모드가 발생되고, 상기 다리부와 닿는 부분에서는 시어 모드 및 유동 모드가 발생되며,
제2 동작 시에는 상기 회전 본체의 다리부와 맞닿아 상기 다리부와 닿는 부분에서 시어 모드 및 유동 모드가 발생되고,
제3 동작 시에는 상기 회전 본체의 머리부, 몸통부 및 다리부와 맞닿아 상기 몸통부와 닿는 부분 및 상기 다리부와 닿는 부분에서 스퀴즈 모드, 시어 모드 및 유동 모드가 발생되도록 형성될 수 있다.
더더욱 바람직하게는,
상기 제1 동작은 상기 회전부가 0도 이상 10도 미만으로 회전하는 동작이고, 상기 제2 동작은 상기 회전부가 10도 이상 80도 미만으로 회전하는 동작이며, 상기 제3 동작은 상기 회전부가 80도 이상 90도 이하로 회전하는 동작일 수 있다.
바람직하게는,
상기 회전축의 상단에는 상기 회전부의 상하 또는 좌우 운동에 대한 역감을 전달하는 컨택트 플레이트가 구비될 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법은,
(1) 전류를 인가하면 자기장을 발생시켜 자속선(Flux line)을 형성하는 솔레노이드; 상기 솔레노이드의 통공된 내부에 위치하고, 회전축(Shaft) 및 회전 본체를 포함하여 구성되며, 상기 회전축을 중심으로 자유 회전 운동하는 회전부; 상기 회전부의 하부에 위치하여 상기 회전부의 상하 운동에 기여하는 탄성 스프링; 상기 솔레노이드를 감싸는 원통형으로서, 내부는 상기 회전 본체의 회전각도에 따라 상기 회전 본체의 일부면과 맞물리거나 분리되도록, 상기 회전부의 회전 본체 형태와 대응되는 형태로 구성되는 하우징; 상기 하우징 내에 주입되어, 상기 솔레노이드, 회전부 및 하우징의 조립 틈에 구비되며, 상기 자기장 형성 시 상기 자속선을 따라 자기 체인(Magnetic Chain)을 형성하는 자기유변유체; 및 상기 회전부의 상부에 위치하고, 상기 회전부의 회전축이 통과할 수 있도록 중앙부가 통공된 형태로서, 상기 하우징의 상단과 결합하는 덮개부를 포함하여 구성되는 MR 브레이크에서, 상기 회전부가 회전각도 0도에서 10도까지 회전하여, 스퀴즈 모드, 시어 모드 및 유동 모드를 발생시키는 단계;
(2) 상기 회전부가 회전각도 10도에서 80도까지 회전하여, 시어 모드 및 유동 모드를 발생시키는 단계; 및
(3) 상기 회전부가 회전각도 80도에서 90도까지 회전하여, 스퀴즈 모드, 시어 모드 및 유동 모드를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터 및 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법에 따르면, 솔레노이드, 회전부, 탄성 스프링, 하우징 및 자기유변유체를 포함하여 구성하되, 회전부를 구성하는 회전 본체의 회전각도에 따라 회전 본체의 일부 면과 하우징의 내부 구성이 맞물리거나 분리되도록 형성함으로써, 회전 본체의 회전각도에 따라 자기유변유체가 스퀴즈 모드, 시어 모드, 유동 모드의 멀티 작동 모드로 작동하게 되어 낮은 전력으로 높은 저항을 얻을 수 있고, 액추에이터가 소형화, 경량화 되어 다른 기구물에 조립 및 탈부착이 용이하며, 여러 환경에서의 적용이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 회전부를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 하우징을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 솔레노이드, 회전부 및 하우징의 내부 결합 구성을 도시한 도면.
도 5는 자기유변유체의 3가지 작동 모드를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 회전부가 회전각도 0도 이동한 경우의 자기유변유체 작동 모드를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 회전부가 회전각도 45도 이동한 경우의 자기유변유체 작동 모드를 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 회전부가 회전각도 90도 이동한 경우의 자기유변유체 작동 모드를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 단면을 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터를 도시한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터는, 솔레노이드(100), 회전부(200), 탄성 스프링(300), 하우징(400), 자기유변유체(500) 및 덮개부(600)를 포함하여 구성될 수 있다.
솔레노이드(100)는, 전류를 인가하면 자기장을 발생시켜 자속선(Flux line)을 형성할 수 있다. 실시예에 따라서는, 전선을 가는 피치로, 원통 모양의 코일(coil) 상으로 감아 만든 중공 원통상의 구조를 가질 수 있다. 본 발명에서는 솔레노이드(100)에 의해 형성된 자속선을 이용하여 회전부(200)의 회전운동에 Brakes를 발생시키고 이로써 햅틱 피드백을 제공할 수 있는 회전식 액추에이터 구조를 제안하고자 한다.
회전부(200)는, 솔레노이드(100)의 통공된 내부에 위치하고, 회전축(Shaft, 210) 및 회전 본체(220, 230)를 포함하여 구성되며, 회전축(210)을 중심으로 회전 운동할 수 있다. 즉, 회전축(210)을 중심으로 회전 운동 시, 하우징(400) 및 자기유변유체(500)와의 관계에서 Brakes 힘을 전달하고, 이로 인해, 사용자에게 햅틱 피드백을 제공할 수 있다. 이와 같은 햅틱 피드백 제공 원리에 대해서는 추후 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 회전부를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 회전식 액추에이터의 회전부(200)는, 회전축(210)을 중심으로 일 측에 구비되는 제1 회전 본체(220)와 그 반대 측에 구비되는 제2 회전 본체(230)를 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 회전부(200)의 회전 본체는, 회전축(210)의 일 측면과 연결되고 폭이 미리 정해진 각도를 가지고 넓어지는 형태로 형성되는 머리부(221), 머리부(221)와 연결되는 삼각 기둥형태의 몸통부(222), 및 몸통부(222)와 연결되고 솔레노이드(100)의 내측면 일부와 대응되는 형태로 형성되는 다리부(223)를 포함하여 구성되는 제1 회전 본체(220)와, 제1 회전 본체(220)와 회전축(210)을 중심으로 대각선 방향으로 대칭되는 형태로 형성되는 제2 회전 본체(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
하우징(400)은, 솔레노이드를 감싸는 원통형으로서, 내부는 회전 본체의 회전각도에 따라 회전 본체의 일부 면과 맞물리거나 분리되도록, 회전부의 회전 본체 형태와 대응되는 형태로 구성될 수 있다. 즉, 하우징(300)은, 액추에이터 부품들을 내부에 포함하는 외형 구조체로서, 내부적으로는, 회전부(200) 및 자기유변유체(500)와 기능하여 액추에이터의 MR 유체 브레이크 작동을 통한 햅틱 피드백 제공 기능에 기여할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 하우징을 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 회전식 액추에이터에서 하우징(400)의 내부 형태는, 회전 본체(220, 230)의 일부 면과 대응되도록 형성될 수 있으며, 회전 본체(220, 230)의 회전각도에 따라, 회전각도 0도(Start area)에서는 회전 본체(220, 230)의 머리부(221)의 미리 정해진 기울기를 가지고 폭이 넓어지도록 형성되는 일면, 삼각 기둥형태의 몸통부(222)의 후면 및 다리부(223)의 외면과 각각 대응되도록 내부가 구성될 수 있다. 또한, 회전 본체(220, 230)가 일정 각도만큼 회전한 경우(Middle area)에는, 회전 본체(220, 230)의 머리부(221) 및 몸통부(22)와는 닿지 않고, 다리부(223)의 외면만이 닿는 형태로 구성되며, 최대 각도(90도)로 회전한 경우(End area)에는 회전 본체(220, 230)의 머리부(221) 및 몸통부(22) 중에서 상기 회전각도 0도 일 때 하우징과 닿은 부분의 반대 면, 다리부(223)의 내면 및 외면이 하우징과 맞물려지도록 형성되고, 그에 대응되는 형태로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 솔레노이드(100), 회전부(210, 220, 230) 및 하우징(400)의 내부 결합 구성을 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(400)은 회전부(210, 220, 230)의 일부와 대응되는 형태로 형성되어 고정되어 있고, 회전부(210, 220, 230)가 0도에서 90도의 각도로 회전할 수 있다.
자기유변유체(500)는, 자성체의 미립자를 분산시킨 현탁액으로서, 자기장에 의하여 분산 입자의 구조가 변화되어 겉보기 점도가 변화하는 기능성 유체이다. 본 발명에서 자기유변유체(500)는, 하우징 내에 주입되어, 솔레노이드, 회전부 및 하우징의 조립 틈에 구비되며, 자기장 형성 시 자속선을 따라 자기 체인(Magnetic Chain)을 형성할 수 있는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전부(210, 220, 230)와 하우징(400) 및 솔레노이드(100) 사이에 구비될 수 있다. 자기 체인이 형성되어지면 회전부(200)의 회전 운동을 억제할 수 있다.
보다 구체적으로, 자기유변유체(500)는, 평소에는 액체이지만 자기장에 노출되면 고체화되는 액체 자석으로서, 자성을 띄는 입자(Magnetic Particles)가 Carrier oil(입자가 녹아있을 첨가물) 등에 녹아 있는 형태로 구성될 수 있다. 자기유변유체(500)는, 평소에는 첨가물(Carrier oil)에 녹아있는 Magnetic particle들이 자기장이 형성될 때, 자기장의 자속선을 따라 나열하여 자기 체인을 형성하게 된다. 이때 이 자기 체인을 끊으려는 힘이 발생하면, 이 자기 체인에서 끊어지지 않으려는 역감이 발생하게 된다. 본 발명에서는 이와 같은 MR 유체 브레이크 원리를 액추에이터에 이용하여 햅틱 피드백 제공하는 구조를 제안한다. 여기서 Magnetic Flux Line의 빈도는 Magnetic chain이 생성되는 빈도수와 비례하며, Magnetic density의 경우는 각각 Magnetic chain의 결합 강도와 비례한다.
이와 같이 본 발명에서 제안하고 있는 자기유변유체 기반의 역감 피드백 제공이 가능한 회전식 액추에이터는, 수동적(passively)으로 동작하는 자기유변유체의 특성상 매우 안정적이라는 특징이 있고, 빠른 반응속도(1ms)를 가지며, 낮은 전력 소모로 높은 저항력을 나타내어 효과적인 햅틱 피드백을 제공할 수 있다. 또한, 평소에 액체 형태를 띔으로써, 다양한 사이즈나 모양으로 디자인이 가능하다는 장점도 있다. 그리고 적용 온도 범위가 -40°∼ 150°이며, 넓은 범위의 힘 제어가 가능하다.
도 5는 자기유변유체의 3가지 작동 모드를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 자기유변유체의 작동 모드로는, 유동 모드(Flow Mode), 시어 모드(Shear Mode) 및 스퀴즈 모드(Squeeze Mode)가 있다. 유동 모드(Flow Mode)는 두 전극은 고정되어 있고, 고정된 전극 사이로 유체가 이동하는 형태로 일반적으로 유체가 흐르는 판 내에서 유체의 압력 변화와 유량 변화가 동시에 일어나는 형태이다. 시어 모드(Shear Mode)는 서로 상대 운동을 하는 두 자극면 사이에 MR 유체를 넣어서 발생하는 상대 운동에 대한 저항력을 이용하는 것이다. 즉, 평행한 두 개의 평판 중 한쪽의 전극은 고정되어 있고, 다른 한쪽이 회전이나 운동을 하는 형태이다. 스퀴즈 모드(Squeeze Mode)는 유체의 유동과 전극의 움직임이 수직한 방향으로 일어나는 형태이다. 본 발명에서는 회전부(200)와 하우징(400)을 새로운 구조로 형성함으로써, 회전부(200)의 회전각도에 따라 상기 유동 모드(Flow Mode), 시어 모드(Shear Mode) 및 스퀴즈 모드(Squeeze Mode)를 모두 이용하는 멀티 조작 모드를 이용한다. 이에 대하여는 이하 도 6 내지 도 8과 관련하여 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 회전부가 회전각도 0도 이동한 경우의 자기유변유체 작동 모드를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 회전부가 회전각도 45도 이동한 경우의 자기유변유체 작동 모드를 도시한 도면이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 회전부가 회전각도 90도 이동한 경우의 자기유변유체 작동 모드를 도시한 도면이다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 하우징(400) 내부 형태는, 회전부(200)의 회전 각도에 따라 구분되는 제1 동작 시에는 회전 본체의 머리부(221), 몸통부(222) 및 다리부(223)와 맞닿아 머리부(221)와 닿는 부분에서는 스퀴즈 모드가 발생되고, 다리부(223)와 닿는 부분에서는 시어 모드 및 유동 모드가 발생되며, 제2 동작 시에는 회전 본체의 다리부(223)와 맞닿아 다리부(223)와 닿는 부분에서 시어 모드 및 유동 모드가 발생되고, 제3 동작 시에는 회전 본체의 머리부(221), 몸통부(222) 및 다리부(223)와 맞닿아 몸통부(222)와 닿는 부분 및 다리부(223)와 닿는 부분에서 스퀴즈 모드, 시어 모드 및 유동 모드가 발생되도록 형성될 수 있다. 실시예에 따라서는, 제1 동작은 회전부(200)가 0도 이상 10도 미만으로 회전하는 동작이고, 제2 동작은 회전부(200)가 10도 이상 80도 미만으로 회전하는 동작이며, 제3 동작은 회전부(200)가 80도 이상 90도 이하로 회전하는 동작일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 회전축(210)을 중심으로 회전부(200)가 0도에서 90도까지 회전할 수 있으며, 크게 회전에 따른 작동 모드(Operating Mode) 파트가 3개로 나뉜다. 우선 0도에서 10도까지의 Start Area, 다음으로 10도에서 80도까지의 회전각도에서 동작하는 Middle Area, 그리고 마지막으로 80도에서 90도까지의 화전각도에서 동작하는 End Area로 나뉠 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, Start Area의 경우 0도에서 10도 사이의 회전각도에서의 동작 구역이며, 이 구역에서는 Squeeze mode, Shear mode, 그리고 Flow mode의 복합적인 Multi Operating Mode가 생성된다. 전 구역에 걸쳐 Shear Mode와 Flow Mode가 발생하는 것과는 달리 Squeeze Mode의 경우 이 Start Area와 End Area에서만 발생하기 때문에 이 두 구역에서 발생하는 힘의 크기가 Middle Area와 비교했을 때 더 큰 편이다. Start Area에서는 회전 Shaft의 머리부(221)에서 Squeeze모드가 발생되고 회전 외곽의 다리부(223)에서 Shear Mode와 Flow Mode가 생성된다. Start Area에서 이 3가지 Operating Mode에 의해 생성된 힘의 크기는 약 7N 정도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, Middle Area의 경우 10도에서 80도 사이의 회전각도에서의 동작 구역이며, 이 부분에서는 Squeeze Mode가 발생하지 않는다. 오로지 Shear Mode와 Flow Mode만이 발생하며, 이러한 이유 때문에 나머지 2개의 동작 Area보다 생성되는 힘의 크기가 약한 편이다. Middle Area에서는 오로지 회전 외곽의 다리부(223)에서만 Shear Mode와 Flow Mode가 생성되며 이때 이 두 Operating Mode에 의해 발생되는 힘의 크기는 약 3N정도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, End Area의 경우 80도에서 90도 사이의 회전각도에서의 동작 구역이며, 이 구역에서는 Start Area와 마찬가지로 3가지 Operating Mode가 복합적으로 생성된다. 세 동작 구역 중 가장 큰 Squeeze Mode가 생성되는 구간이며, 이로 인해 가장 큰 힘이 생성되는 구간이기도 하다. 회전부의 몸통부(222)가 하우징(400)에 근접하게 되면 회전부(200)와 하우징(400) 사이에 자기패스가 형성되게 되고 이 부분에 Squeeze Mode, Shear Mode, Flow Mode의 Operating Mode가 생성된다. 그리고 회전 외곽의 다리부(223)에서도 약간의 Squeeze Mode와 Shear, Flow 모드가 생성되어 힘을 생성한다. End Area에서 생성되는 힘의 크기는 약 10N정도이다.
이와 같이, 본 발명에서 제안하고 있는 구조에 따르면, 각 Area 별로 각각 다른 Operating Mode가 생성되며, 생성된 힘에 의해 사용자에게 회전에 대한 저항력을 제공할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터의 단면을 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 솔레노이드(100), 회전부(200), 탄성 스프링(300), 하우징(400), 자기유변유체(500) 및 덮개부(600)가 상호 결합되어 구성될 수 있다.
탄성 스프링(300)은, 회전부의 하부에 위치하여 회전부의 상하 운동에 기여할 수 있다. 회전부(200)의 상부에는 회전부(200)의 회전 또는 상하 운동에 따라 발생하는 촉감을 전달하는 컨택트 플레이트가 구비될 수 있고, 회전부(200)의 상하 운동은 탄성 스프링(300)을 통해 유연하게 제어될 수 있고, 덮개부(600)는, 회전부의 상부에 위치하고, 회전부의 회전축이 통과할 수 있도록 중앙부가 통공된 형태로서, 하우징의 상단과 결합될 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 회전축(210)의 상단에는 회전부(200)의 상하 또는 좌우 운동에 대한 역감을 사용자에게 전달하는 컨택트 플레이트(700)가 구비될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터를 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터는, 솔레노이드(Solenoid Coil, 100), 회전부(Plunger, 200), 탄성 스프링(Elastic Spring, 300), 하우징(Housing with Yoke, 400), 자기유변유체(MR Fluids, 500), 덮개부(Housing Spacer, Cover, 600) 및 컨택트 플레이트(Comtact Plate, 700)를 포함하여 구성될 수 있으며, 너비 10㎜, 높이 12㎜의 초소형으로도 제작이 가능하다.
본 발명에서 제안하고 있는 회전식 액추에이터는, 솔레노이드(100), 회전부(200), 하우징(300) 및 자기유변유체(400)를 앞서 도 1 내지 도 10과 관련하여 설명한 바와 같은 구조로 구성함으로써, 회전 운동을 할 수 있는 기구물에 접목시켜 기구물에 대한 회전 운동에 Brakes를 인가하여 사용자가 실제 가상의 대상물을 조작할 때, 사용자의 손가락 등에 역감(특히, 손가락의 근감각)을 제공할 수 있다. 즉, 실제 사람의 손에 물건을 잡았을 때의 그립감 및 버튼을 누를 시에 느껴지는 동작감을 느끼게 할 수 있는 물리적 장치로 이용할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면은, 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법은, 전류를 인가하면 자기장을 발생시켜 자속선(Flux line)을 형성하는 솔레노이드; 솔레노이드의 통공된 내부에 위치하고, 회전축(Shaft) 및 회전 본체를 포함하여 구성되며, 회전축을 중심으로 자유 회전 운동하는 회전부; 회전부의 하부에 위치하여 회전부의 상하 운동에 기여하는 탄성 스프링; 솔레노이드를 감싸는 원통형으로서, 내부는 회전 본체의 회전 각도에 따라 회전 본체의 일부면과 맞물리거나 분리되도록, 회전부의 회전 본체 형태와 대응되는 형태로 구성되는 하우징; 하우징 내에 주입되어, 솔레노이드, 회전부 및 하우징의 조립 틈에 구비되며, 자기장 형성 시 자속선을 따라 자기 체인(Magnetic Chain)을 형성하는 자기유변유체; 및 회전부의 상부에 위치하고, 회전부의 회전축이 통과할 수 있도록 중앙부가 통공된 형태로서, 하우징의 상단과 결합하는 덮개부를 포함하여 구성되는 MR 브레이크에서, 회전부가 회전각도 0도에서 10도까지 회전하여, 스퀴즈 모드, 시어 모드 및 유동 모드를 발생시키는 단계(S100), 회전부가 회전각도 10도에서 80도까지 회전하여, 시어 모드 및 유동 모드를 발생시키는 단계(S200), 및 회전부가 회전각도 80도에서 90도까지 회전하여, 스퀴즈 모드, 시어 모드 및 유동 모드를 발생시키는 단계(S300)를 포함하여 구현될 수 있다. 상기 각 단계에 대해서는 앞서 도 1 내지 도 10과 관련하여 설명한 바와 유사하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터 및 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법은, 솔레노이드, 회전부 및 하우징의 특수한 구조로 인해 발생하는 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용하는 것으로서, 단일모듈화, 소형화, 경량화가 가능하여 다양한 분야에서 적용이 가능하다. 그 예로, 군수분야, 민간분야에서 가상 시뮬레이션 시스템에 적용되어 항공기 훈련 장치 등에 활용할 수 있고, 그 밖에도 의료 분야, 극한 상황 작업 등의 특수 환경에서 사용되는 시뮬레이션 시스템, 각종 놀이 시설 등에도 활용이 가능하다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 솔레노이드 200: 회전부
210: 회전축 220: 제1 회전 본체
221: 머리부 222: 몸통부
223: 다리부 230: 제2 회전 본체
300: 탄성 스프링 400: 하우징
500: 자기유변유체 600: 덮개부
700: 컨택트 플레이트

Claims (6)

  1. 전류를 인가하면 자기장을 발생시켜 자속선(Flux line)을 형성하는 솔레노이드;
    상기 솔레노이드의 통공된 내부에 위치하고, 회전축(Shaft) 및 회전 본체를 포함하여 구성되며, 상기 회전축을 중심으로 회전 운동하는 회전부;
    상기 회전부의 하부에 위치하여 상기 회전부의 상하 운동에 기여하는 탄성 스프링;
    상기 솔레노이드를 감싸는 원통형으로서, 내부는 상기 회전 본체의 회전각도에 따라 상기 회전 본체의 일부 면과 맞물리거나 분리되도록, 상기 회전부의 회전 본체 형태와 대응되는 형태로 구성되는 하우징;
    상기 하우징 내에 주입되어, 상기 솔레노이드, 회전부 및 하우징의 조립 틈에 구비되며, 상기 자기장 형성 시 상기 자속선을 따라 자기 체인(Magnetic Chain)을 형성하는 자기유변유체; 및
    상기 회전부의 상부에 위치하고, 상기 회전부의 회전축이 통과할 수 있도록 중앙부가 통공된 형태로서, 상기 하우징의 상단과 결합하는 덮개부를 포함하며,
    상기 회전부의 회전 본체는,
    상기 회전축의 일 측면과 연결되고 폭이 미리 정해진 각도를 가지고 넓어지는 형태로 형성되는 머리부, 상기 머리부와 연결되는 삼각 기둥형태의 몸통부, 및 상기 몸통부와 연결되고 상기 솔레노이드의 내측면 일부와 대응되는 형태로 형성되는 다리부를 포함하는 제1 회전 본체; 및
    제1 회전 본체의 회전축에 대한 축대칭(또는 180도 회전대칭)으로 형성되는 제2 회전 본체를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 하우징 내부 형태는,
    상기 회전부의 회전각도에 따라 구분되는 제1 동작 시에는 상기 회전 본체의 머리부, 몸통부 및 다리부와 맞닿아 상기 머리부와 닿는 부분에서는 스퀴즈 모드가 발생되고, 상기 다리부와 닿는 부분에서는 시어 모드 및 유동 모드가 발생되며,
    제2 동작 시에는 상기 회전 본체의 다리부와 맞닿아 상기 다리부와 닿는 부분에서 시어 모드 및 유동 모드가 발생되고,
    제3 동작 시에는 상기 회전 본체의 머리부, 몸통부 및 다리부와 맞닿아 상기 몸통부와 닿는 부분 및 상기 다리부와 닿는 부분에서 스퀴즈 모드, 시어 모드 및 유동 모드가 발생되도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 동작은 상기 회전부가 0도 이상 10도 미만으로 회전하는 동작이고, 상기 제2 동작은 상기 회전부가 10도 이상 80도 미만으로 회전하는 동작이며, 상기 제3 동작은 상기 회전부가 80도 이상 90도 이하로 회전하는 동작인 것을 특징으로 하는, 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전축의 상단에는 상기 회전부의 상하 또는 좌우 운동에 대한 역감을 전달하는 컨택트 플레이트가 구비되는 것을 특징으로 하는, 자기유변유체식 브레이크를 이용한 회전식 액추에이터.
  6. (1) 전류를 인가하면 자기장을 발생시켜 자속선(Flux line)을 형성하는 솔레노이드; 상기 솔레노이드의 통공된 내부에 위치하고, 회전축(Shaft) 및 회전 본체를 포함하여 구성되며, 상기 회전축을 중심으로 자유 회전 운동하는 회전부; 상기 회전부의 하부에 위치하여 상기 회전부의 상하 운동에 기여하는 탄성 스프링; 상기 솔레노이드를 감싸는 원통형으로서, 내부는 상기 회전 본체의 회전각도에 따라 상기 회전 본체의 일부면과 맞물리거나 분리되도록, 상기 회전부의 회전 본체 형태와 대응되는 형태로 구성되는 하우징; 상기 하우징 내에 주입되어, 상기 솔레노이드, 회전부 및 하우징의 조립 틈에 구비되며, 상기 자기장 형성 시 상기 자속선을 따라 자기 체인(Magnetic Chain)을 형성하는 자기유변유체; 및 상기 회전부의 상부에 위치하고, 상기 회전부의 회전축이 통과할 수 있도록 중앙부가 통공된 형태로서, 상기 하우징의 상단과 결합하는 덮개부를 포함하여 구성되는 MR 브레이크에서, 상기 회전부가 회전각도 0도에서 10도까지 회전하여, 스퀴즈 모드, 시어 모드 및 유동 모드를 발생시키는 단계;
    (2) 상기 회전부가 회전각도 10도에서 80도까지 회전하여, 시어 모드 및 유동 모드를 발생시키는 단계; 및
    (3) 상기 회전부가 회전각도 80도에서 90도까지 회전하여, 스퀴즈 모드, 시어 모드 및 유동 모드를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기유변유체의 멀티 작동 모드를 이용한 회전식 액추에이터 구동 방법.
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