KR101733572B1 - 금속시트가 삽입된 복합재 적층공정을 이용한 쌍안정 도약 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속시트가 삽입된 복합재 적층 공정을 이용한 쌍안정 도약 구조체에 관한 것으로, 상세하게는 영구 변형이 가능한 탄성 재료인 얇은 금속시트를 2차원 기반 복합재 적층 공정에 삽입하여, 기존의 부가적인 스프링의 조립 과정 대신 삽입된 금속시트의 접는 과정을 통하여 간단하게 스프링의 역할을 대신할 수 있는 금속시트가 삽입된 복합재 적층 공정을 이용한 쌍안정 도약 구조체에 관한 발명이다.

Description

금속시트가 삽입된 복합재 적층공정을 이용한 쌍안정 도약 구조체{Bistable jumping Structure using composite material layered process having metal sheet}

본 발명은 금속시트가 삽입된 복합재 적층 공정을 이용한 쌍안정 도약 구조체에 관한 것으로, 상세하게는 영구 변형이 가능한 탄성 재료인 얇은 금속시트를 2차원 기반 복합재 적층 공정에 삽입하여, 기존의 부가적인 스프링의 조립 과정 대신 삽입된 금속시트의 접는 과정을 통하여 간단하게 스프링의 역할을 대신할 수 있는 금속시트가 삽입된 복합재 적층 공정을 이용한 쌍안정 도약 구조체에 관한 발명이다.

종래의 2차원 기반 복합재 적층 공정은 도 1에 도시된 바와 같이 패턴화 된 단단한 성질의 유리섬유 복합재(3)와 열경화성 접착필름(4)과 유연한 성질의 폴리이미드 필름(2)을 정렬, 적층, 접합하여 재료의 강성의 차이에 의해 쉽게 접힐 수 있어 2차원 평면 형태 구조의 접는 선을 따라 접고 붙임으로서 3차원 입체 구조를 제작하는 방법이다. 이 기술은 기존의 구조 제작 방법에 비해 조립 공정의 단순화, 부품 개수의 감소, 구조의 경량화의 장점을 가지고 있으며, 이러한 장점은 특히 소형 구조를 제작하는데 유리하여 다양한 소형 메커니즘의 제작에 사용되고 있다.

도 2는 도 1을 접합하여 링크와 관절 구조를 도시한 것으로, 폴리이미드 필름(2)만 적층된 유연한 관절 부분과 상기 폴리이미드 필름(2)에 유리섬유 복합재(3)가 접합된 단단한 링크 부분으로 이루어진 2차원 평면 형태의 구조가 제작된다. 이러한 2차원 기반 복합재 적층 공정은 2차원 평면으로부터 3차원 입체 형상으로 변환이 가능한 종이 접기의 특성을 이용한 구조 제작 방법 중 한 가지 방법이다.

하지만 종래의 2차원 기반 복합재 적층 공정은 패턴화 된 평면 형태의 복합재를 정렬 및 적층한 후, 열을 가하면서 압착하여 접합시키기 때문에 평면 형태가 아닌 재료를 사용하기 어렵다는 문제가 존재한다. 따라서 탄성 구조가 필요한 메커니즘의 경우 일반적인 스프링을 2차원 기반 복합재 적층 공정에 사용할 수 없기 때문에 2차원 평면 형태의 구조를 제작 후 스프링을 부가적으로 조립하는 공정이 필요하다. 특히 구조가 작아질수록 구조와 스프링을 조립하는 공정의 난이도가 증가하는 문제가 존재한다.

따라서 탄성 구조를 2차원 평면 형태의 구조에 삽입하기 위해 영률(Young?s modulus)이 낮은 평면 형태의 복합재를 사용하여 빔 밴딩 스프링(beam bending spring)을 삽입하는 기술, 평면 형태의 복합재를 스프링의 도식 형태와 비슷하게 지그재그 형태로 잘라내어 인장 스프링을 삽입하는 기술이 시도되었다.

그러나 이러한 기술들은 스프링 구조의 평형 상태가 항상 평면 내부에 존재하게 된다. 2차원 기반 복합재 적층 공정을 통해 제작된 2차원 평면 형태 구조는 접힌 이후 3차원 구조로 변형되기 때문에 2차원 평면 내부에서만 평형 상태를 형성하는 스프링의 삽입 기술은 변화된 3차원 구조에 자유자재로 적용하기에는 한계점이 존재한다.

이러한 이유로 인해 2차원 평면 형태 구조에 스프링의 추가 조립이 필요하지 않으면서도 스프링의 역할을 대신하여 3차원 구조에서 평형상태와 세기를 자유자재로 조절할 수 있는 2차원 기반 복합재 적층 공정 방법의 모색이 필요하다.

한국등록특허 제1258755호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 2차원 기반 복합재 적층 공정으로 제작된 2차원 평면 형태의 구조에 부가적으로 조립되던 기존의 스프링을 대신할 수 있도록 탄성 재료인 얇은 금속 시트를 삽입하여 쌍안정 도약 구조체를 제작하는데 목적이 있다.

탄성 구조인 금속 시트와 상기 금속 시트와 동일한 평면상에 위치하며 쌍안정 로봇의 관절이 되는 폴리이미드 필름과 상기 금속 시트와 상기 폴리이미드 필름의 상하층에 적층되는 열경화성 접착 필름과 상기 적층 공정에서 최하층과 최상층에 적층되며, 상기 금속 시트와 상기 폴리이미드 필름을 연결하는 링크 부분이 되는 유리섬유 복합재를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 2차원 기반 복합재 적층 공정으로 제작된 2차원 평면 형태의 구조에 부가적으로 조립되던 기존의 스프링 대신 탄성 재료인 얇은 금속 시트의 적용으로 2차원 평면 형태의 구조 내에 쉽게 삽입 가능하여 제작이 간단해지며, 상기 2차원 평면 형태의 구조를 접은 3차원 형태의 구조에서도 스프링의 역할을 하는 금속 시트의 평형 상태와 세기가 자유자재로 적용될 수 있어 다양한 소형 메커니즘의 제작을 가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 2차원 기반 복합재 적층 공정을 도시한 도면.
도 2는 종래의 2차원 기반 복합재 적층 공정에서의 링크와 관절구조를 도시한 도면.
도 3은 종래의 2차원 기반 복합재 적층 공정에 따른 쌍안정 구조의 개념도.
도 4는 종래의 2차원 기반 복합재 적층 공정에 따른 쌍안정 구조에 저장되는 스프링 탄성 에너지의 개념적 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 2차원 기반 복합재 적층 구조에서 탄성재료인 금속 시트가 삽입된 구조를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 쌍안정 구조에서 금속 시트의 중간 부분을 접은 변형 상태를 나타낸 개념도.
도 7은 본 발명에 따른 쌍안정 구조에서 접혀져 변형된 금속 시트의 평형 상태와 인장상태를 나타낸 개념도.
도 8은 본 발명에 따른 쌍안정 구조에서 회전 스프링의 개념도.
도 9는 본 발명에 따른 도약 로봇의 제작 과정.
도 10은 본 발명에 따른 도약 로봇의 개념도.
도 11은 본 발명에 따른 쌍안정 구조를 이용하여 제작되는 도약 로봇의 구조와 작동 과정.
도 12는 본 발명에 따른 도약 로봇이 제작된 실제 사진.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 종래의 2차원 기반 복합재 적층 공정에 따른 쌍안정 구조의 개념도를 도시하고 있다.

도 2의 2차원 평면 형태의 구조에서 폴리이미드 필름(2)으로 형성되는 유연한 관절 부분이 일정 각도 꺾인 '∧'자 형태의 쌍안정 구조로, 관절 부분을 제외한 상기 폴리이미드 필름(2)의 상하층에는 단단한 링크의 역할을 하는 유리섬유 복합재(3)가 적층된다. 상기 유리섬유 복합재(3)가 적층된 양쪽의 링크 부분에는 기존의 스프링(8)을 부가적으로 조립하여 상기 양쪽의 링크 부분이 서로 연결되도록 한다.

도 4는 종래의 2차원 기반 복합재 적층 공정에 따른 쌍안정 구조에 저장되는 스프링 탄성 에너지의 개념적 그래프를 도시하고 있다.

상기 폴리이미드 필름(2)으로 구성된 관절 부분이 일정 각도 꺾인 안정된 상태를 갖는 '∧'자 형태의 상기 쌍안정 구조에서 상기 관절 부분을 기준으로 상기 양쪽의 링크 부분이 역전되어 다시 안정된 상태를 갖는 '∨'자 형태의 쌍안정 구조가 될 때, 상기 스프링(8)의 인장 상태 변화로 인해 생성되는 스프링 탄성 에너지가 저장되거나 방출될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 2차원 기반 복합재 적층 구조에 탄성재료인 금속 시트가 삽입된 구조를 도시한 도면이다.

본 발명은 탄성 구조인 금속 시트(1), 상기 금속 시트(1)와 동일한 평면상에 위치하며 쌍안정 로봇의 관절이 되는 폴리이미드 필름(2), 상기 금속 시트(1)와 상기 폴리이미드 필름(2)의 상하층에 적층되는 열경화성 접착 필름(4), 상기 적층 공정에서 최하층과 최상층에 적층되며 상기 금속 시트(1)와 상기 폴리이미드 필름(2)을 연결하는 단단한 링크 부분이 되는 유리섬유 복합재(3)를 이용하여 상기 금속 시트(1)와 상기 폴리이미드 필름(2)과 상기 열경화성 접착 필름(4)과 상기 유리섬유 복합재(3)에 일정 패턴을 형성한 뒤 적층시켜 쌍안정 도약 구조를 형성하게 된다.

도 9a를 보면 상기 폴리이미드 필름(2)과 상기 금속 시트(1)가 적층되어 겹치는 것처럼 보이지만, 제작 완료 후 불필요한 부분을 제거하게 되면 상기 폴리이미드 필름(2)과 상기 금속 시트(1)가 겹치는 부분 없이 동일 평면상에 위치하게 되며, 상기 폴리이미드 필름(2)과 상기 금속 시트(1)가 맞닿는 부분의 위와 아래에 상기 유리섬유 복합재(3)가 적층되는 구성이다.

기존의 2차원 기반 복합재 적층 구조에서 접혀지는 선의 역할을 하기 위해 유연한 특성을 가진 상기 폴리이미드 필름(2)이 삽입되던 위치에 탄성 재료인 상기 금속 시트(1)를 삽입하여, 기존의 2차원 평면 형태의 구조에 부가적으로 조립되던 기존의 스프링(8)의 역할을 대신할 수 있어 제작이 간단해지며, 상기 2차원 평면 형태의 구조를 접은 3차원 형태의 구조에서도 자유자재로 적용될 수 있다.

즉, 도 9a의 적층 구조에서 설명하면, 종래에는 상기 금속 시트(1)가 없이 상기 폴리이미드 필름(2)만을 이용하여 접혀지는 선을 나타내고 스프링을 부가적으로 부착하였다면, 본 발명에서는 상기 폴리이미드 필름(2)이 상기 관절로 사용되는 부분 이외의 부분에 상기 금속 시트(1)를 삽입하여 기존에 부가적으로 조립되던 스프링의 역할을 대신하게 되는 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 쌍안정 구조에서 금속 시트의 중간 부분을 접은 변형 상태를 나타낸 개념도이다.

상기 도 5에 도시된 구조의 양 쪽 끝을 상기 폴리이미드 필름(2)과 상기 유리섬유 복합재(3)로 연결한 후 상기 금속 시트(1)의 중간 부분을 접어 변형시킨 구조이다. 이 구조는 회전 관절 역할을 하는 상기 폴리이미드 필름(2)에 의해 자유롭게 회전 가능하다.

도 7은 본 발명에 따른 쌍안정 구조에서 접혀져 변형된 금속 시트의 평형 상태와 인장상태를 나타낸 개념도이다. 이해를 돕기 위해 도 12와 함께 보도록 한다.

일정 각도로 꺾인 '∧'자 형태의 상기 금속 시트(1)가 평형 상태일 때 상기 유리섬유 복합재(3)와 상기 폴리이미드 필름(2)이 적층된 부분인 상기 양 쪽 링크 사이의 길이는 상기 폴리이미드 필름(2)으로 구성된 관절 부분이 일정 각도 꺾인 '∧'자 형태의 쌍안정 구조에서 상기 관절 부분을 기준으로 상기 양쪽 링크 부분이 역전되어 '∨'자 형태의 쌍안정 구조를 갖게 될 때, 상기 금속 시트(1)의 인장 상태 변화로 인해 늘어난 후 다시 기존의 길이로 돌아가게 된다. 이 때 상기 금속 시트(1)로 인해 스프링 탄성 에너지가 생성되어 저장되거나 방출되게 된다.

상기 금속 시트(1)의 스프링 강성은 상기 금속 시트의 종류, 두께, 넓이, 길이와 상기 금속 시트(1)가 접혀진 곡률에 의해 조절이 가능하며, 유산요소해석기법 또는 Pseudo-Rigid-Body-Model을 이용하여 계산이 가능하다. 상기 금속 시트(1)의 평형 상태는 접혀진 정도에 의해 조절이 가능하다.

도 9는 본 발명에 따른 도약 로봇의 제작 과정을 도시하고 있으며, 도 10은 도 9의 제작 과정을 거친 본 발명에 따른 도약 로봇의 개념도이다.

도 9(a)에 도시된 일정 패턴의 형상을 갖는 상기 금속 시트(1)와 상기 폴리이미드 필름(2)과 상기 유리섬유 복합재(3)를 상기 열경화성 접착 필름(4)을 이용하여 도 9(b)와 같이 접합 한 후, 도 9(c)에 도시한 바와 같이 정렬을 위해 고려되었던 불필요한 부분을 제거하게 된다. 그 후 도 9(d)에 도시한 바와 같이 상기 금속 시트(1)가 원하는 곡률을 가질 수 있도록 지그(6)를 이용해서 상기 금속 시트(1)의 꺾이는 정도를 조절하여 힘을 가해 주면 도 9(e)와 같은 형태의 쌍안정 구조가 형성되게 된다. 이 상태에서 앞서 설명한 것과 같이 상기 폴리이미드 필름(2)으로 형성되는 관절 부분을 역전시키게 되면 도 9(f)와 같은 형상이 형성되는 것이다.

도 11은 본 발명에 따른 쌍안정 구조를 이용하여 제작되는 도약 로봇의 구조와 작동 과정을 도시하고 있다.

도 11a에 도시한 바와 같이, 상기 유리섬유 복합재(3)가 적층되어 구성된 상기 양쪽 링크 사이에는 인장 스프링의 역할을 하는 상기 금속 시트(1a)가 구성되어 상기 양쪽 링크 사이를 연결하고 있고, 상기 양쪽 링크의 끝에는 회전 스프링의 역할을 하는 상기 금속 시트(1b)에 의해 T모양 링크(5)가 연결되어 있으며, T모양 링크(5)의 끝단에는 형상기억합금 구동기(7)가 연결되어 있다.

상기 인장 스프링의 역할을 하는 상기 금속 시트(1a)는 이해를 돕기 위해 스프링 형상으로 도시하였으며 실제로는 도 6과 도 7에 도시한 것과 같은 시트의 형상으로 구성된다.

상기 회전 스프링의 역할을 하는 금속 시트(1b) 또한 이해를 돕기 위해 스프링 형상으로 도시하였으며 실제로는 도 8과 도 10에 도시한 것과 같은 시트의 형상으로 구성된다.

즉, 상기 금속 시트(1)는 하나의 금속 시트를 이용하여 인장 스프링과 회전 스프링의 강성을 나타낼 수 있는 것이다.

도 11b와 도 11c의 이해를 돕기 위해 도 9(e)를 함께 보면, 상기 형상기억합금 구동기(7)가 작동되며 수축됨에 따라 일정 각도 꺾여 있던 상기 폴리이미드 필름(2)으로 구성된 관절 부분이 변형되고 회전 스프링의 역할을 하는 상기 금속 시트(1b)가 변형되면서 탄성 에너지가 저장된다. 상기 관절 부분이 도 11d와 같이 변형되어 상기 쌍안정 구조가 구조의 탄성 에너지 장벽을 넘어가게 되는 순간 도 11e와 도 11f와 같이 저장되어 있던 탄성 에너지가 모두 분출되며 상기 도약 로봇이 도약하게 된다.

도 12는 본 발명에 따른 도약 로봇이 제작된 실제 사진이다.

위에서 설명한 본 발명에 따른 쌍안정 도약 구조에 형상기억합금 구동기(7)를 사용하여 구동이 가능하다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1a : 금속시트(tensile)
1b : 금속시트(rotational)
2 : 폴리이미드 필름
3 : 유리섬유 복합재
4 : 열경화성 접착필름
5 : T모양 링크
6 : 지그
7 : 형상기억합금 구동기
8 : 종래의 스프링

Claims (7)

1. 탄성 구조인 금속 시트;와
   상기 금속 시트와 동일한 평면상에 위치하며 쌍안정 로봇의 관절이 되는 폴리이미드 필름;과
   상기 금속 시트와 상기 폴리이미드 필름의 상하층에 적층되는 열경화성 접착 필름;과
   상기 적층 공정에서 최하층과 최상층에 적층되며, 상기 금속 시트와 상기 폴리이미드 필름을 연결하는 링크 부분이 되는 유리섬유 복합재;를 포함하고,
   상기 폴리이미드 필름으로 구성된 관절 부분이 일정 각도 꺾인 '∧'자 형태의 쌍안정 구조에서 상기 관절 부분을 기준으로 양쪽의 상기 링크 부분이 역전되어 '∨'자 형태의 쌍안정 구조를 갖게 될 때, 상기 금속 시트의 인장 상태 변화로 인해 생성되는 스프링 탄성 에너지가 저장되거나 방출되는 것
   을 특징으로 하는 금속시트가 삽입된 복합재 적층공정을 이용한 쌍안정 도약 구조체.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 금속 시트는 하나의 금속 시트를 이용하여 인장 스프링과 회전 스프링의 강성을 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 금속시트가 삽입된 복합재 적층공정을 이용한 쌍안정 도약 구조체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 금속 시트의 스프링 강성은 상기 금속 시트의 종류, 두께, 넓이, 길이와 상기 금속 시트가 접혀진 곡률에 의해 조절이 가능하며, 상기 금속 시트의 접혀진 정도에 의해 평형 상태 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 금속시트가 삽입된 복합재 적층공정을 이용한 쌍안정 도약 구조체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 금속 시트 강성은 유산요소해석기법 또는 Pseudo-Rigid-Body-Model을 이용하여 계산이 가능한 것을 특징으로 하는 금속시트가 삽입된 복합재 적층공정을 이용한 쌍안정 도약 구조체.
6. 제1항에 있어서,
   상기 금속 시트가 원하는 곡률을 가질 수 있도록 지그를 이용하여 상기 금속 시트의 꺾이는 정도를 조절하여 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 금속시트가 삽입된 복합재 적층공정을 이용한 쌍안정 도약 구조체.
   
   
7. 삭제

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