KR101974776B1 - 폴더블 모듈과 이를 이용한 폴더블 매니퓰레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 육면체 형상의 제1 상태와 플랫 형상의 제2 상태 간 형상 변화가 가능한 폴더블 모듈로서, 상부 플레이트와, 상기 상부 플레이트와 폴딩 가능하게 연결되고, 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 폴딩 라인에 의해 플랫하게 포개지는 형태로 형성되는 제1 사이드 플레이트와, 상기 상부 플레이트와 폴딩 가능하게 연결되고, 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 세워진 상태에서 눕혀진 상태로 변화하는 제2 사이드 플레이트, 그리고, 상기 제2 사이드 플레이트와 폴딩 가능하게 연결되고, 상기 제1 사이드 플레이트의 길이 방향과 동일한 길이로 상기 제1 상태에서 상기 제1 사이드 플레이트의 내측면과 맞닿도록 형성되며, 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 제2 사이드 플레이트의 내측으로 폴딩되어 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 세워진 상태에서 눕혀진 상태로 변화하는 형태의 락커를 포함하는 폴더블 모듈을 제공한다.

Description

폴더블 모듈과 이를 이용한 폴더블 매니퓰레이터{FOLDABLE MODULE AND MANIPULATOR USING THE SAME}

본 발명은 폴더블 모듈과 이를 이용한 폴더블 매니퓰레이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 납작하게 포개진 형태의 플랫 형상과 세워진 기둥 형태의 육면체 형상 사이에서 형상 변화가 가능하고, 세워진 상태에서 외력을 견딜 수 있도록 구조적 강성을 갖는 폴더블 모듈과 이를 이용한 폴더블 매니퓰레이터에 관한 것이다.

다양한 기계 분야에서 기기의 소형화, 작동의 편리화 및 구조의 단순화와 같은 효율성 증대를 위해 3차원 변형이 가능한 구조를 갖는 모듈에 대한 개발이 진행되고 있다. 특히, 로봇이나 무인비행기(UNMANNED AERIAL VEHICLE, 무인비행기)와 같이 인간이 수행할 수 없는 일을 수행하는 기계들은 일반적으로 무게가 무겁고 구조가 복잡하므로, 상술한 효율성 증대를 위해서는 형태의 변화가 가능하면서도 가벼우며 구조적 강성을 지닐 수 있는 구조를 갖는 모듈이 적용될 필요가 있다.

이와 관련하여, 무인비행기는 빠르고 민첩하여 사람이 다다르기 힘든 곳에 쉽게 접근할 수 있기 때문에, 무인비행기에 로봇 암 형태의 매니퓰레이터를 부착하고, 무인 비행기가 추가적인 임무수행이 가능하다면 무인비행기의 활용 범위를 크게 확장시킬 수 있다.

하지만 종래의 로봇 팔은 대체로 구조가 복잡하고 무거우며 부피가 큰 단위 모듈들로 형성되기 때문에 무인비행기에 활용되기 쉽지 않다. 다시 말해, 로봇 팔의 무거운 무게로 인해 로봇 팔을 무인비행기에 결합할 경우 로봇 팔과 무인비행기의 동적 결합이 강해져 무인비행기 제어의 복잡성이 증가하게 된다. 또한, 로봇 팔의 움직임에 따른 반발력의 발생은 무인비행기의 안정성에 부정적인 요소가 되고, 결국 무인비행기의 비행안정성에 치명적인 영향을 끼칠 수 있다. 이에 더하여, 로봇 팔의 큰 부피로 인해 무인 비행기의 이착륙 장소가 제한되는 문제점도 발생한다.

이러한 문제들을 해결하기 위해 가볍고 컴팩트한 로봇 팔에 대한 필요성이 대두되었고, 자유도는 낮지만 길면서도 작은 공간에 보관이 가능한 로봇 팔에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나, 이러한 로봇 팔은 모두 작은 공간에 보관이 가능하도록 높은 자유도를 갖는 단위 모듈들로 형성되기 마련이며, 그로 인해 기존의 기계적인 로봇 팔에 비해 강성이 낮을 수 밖에 없다. 또한, 로봇 팔을 구성하는 모듈들의 구조 변화를 위한 구동부가 복잡하고 무거운 경우가 많아 이와 같은 로봇 팔을 소형 무인비행기에 적용하기에는 한계가 존재한다.

로봇 팔의 강성이 약하면 작은 외력(바람 등)에도 큰 변형이 생겨 무인비행기의 엔드-이펙터의 운용이 쉽지 않을 것이며, 그에 따른 진동 및 변형에 의해 무인비행기의 비행 안정성 역시 떨어지게 된다. 마찬가지로 로봇 팔의 구동부가 복잡하고 무거운 경우 페이로드(payload)가 작은 무인비행기에 부적절하며, 무게의 증가는 비행시간 단축 및 비행 안정성 저하의 원인이 된다.

따라서 구동이 간단하고 높은 강성을 가지면서도 소형화가 쉬우며 접을 수 있는 로봇 팔을 형성하기 위한 새로운 단위 모듈의 설계가 시급히 필요하다.

대한민국 등록특허공보 제10-1244462호(링크 길이가 가변되는 병렬로봇)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 납작하게 포개진 형태의 플랫 형상과 세워진 기둥 형태의 육면체 형상 사이에서 형상 변화가 신속 및 간단하게 가능하고, 세워진 상태에서 외력을 견딜 수 있도록 충분한 구조적 강성을 갖는 폴더블 모듈과 이를 이용한 매니퓰레이터를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 육면체 형상의 제1 상태와 플랫 형상의 제2 상태 간 형상 변화가 가능한 폴더블 모듈로서, 상부 플레이트와, 상기 상부 플레이트와 폴딩 가능하게 연결되고, 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 폴딩 라인에 의해 플랫하게 포개지는 형태로 형성되는 제1 사이드 플레이트와, 상기 상부 플레이트와 폴딩 가능하게 연결되고, 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 세워진 상태에서 눕혀진 상태로 변화하는 제2 사이드 플레이트, 그리고, 상기 제2 사이드 플레이트와 폴딩 가능하게 연결되고, 상기 제1 사이드 플레이트의 길이 방향과 동일한 길이로 상기 제1 상태에서 상기 제1 사이드 플레이트의 내측면과 맞닿도록 형성되며, 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 제2 사이드 플레이트의 내측으로 폴딩되어 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 세워진 상태에서 눕혀진 상태로 변화하는 형태의 락커를 포함하는 폴더블 모듈을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 사이드 플레이트는 상기 제1 상태에서 상기 상부 플레이트의 대향하는 두 측면에 각각 배치되고 상기 제2 사이드 플레이트는 상기 제1 상태에서 상기 2개의 제1 사이드 플레이트가 배치된 측면과 다른 두 대향하는 측면에 각각 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화함에 따라 상기 상부 플레이트와 맞닿도록 형성되며, 상기 제1 상태에서 상기 제1 사이드 플레이트 및 상기 제2 사이드 플레이트와 폴딩 가능하도록 연결되는 하부 플레이트, 그리고, 상기 상부 플레이트, 상기 비접힘면 및 상기 하부 플레이트에 각각 형성된 와이어홀을 지나도록 마련되는 와이어를 이용하여 상기 락커를 세워진 상태에서 눕혀진 상태로 또는 눕혀진 상태에서 세워진 상태로 구동하는 액추에이터를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 사이드 플레이트는, 상기 상부 플레이트와 폴딩 가능하게 연결되고, 하부의 일부가 연직 방향으로 절단되어 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 폴딩 라인에 의해 플랫하게 포개지는 형태로 형성되는 접힘면과 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 세워진 상태에서 눕혀진 상태로 변화하는 형태로 형성되는 비접힘면을 구비하고, 상기 락커는 상기 비접힘면에 폴딩 가능하게 연결되며, 상기 제2 사이드 플레이트에 형성된 와이어홀은 상기 비접힘면에 존재할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 사이드 플레이트 및 상기 락커에는 각각 대응되는 영역에 접착 수단이 마련되며, 상기 제2 상태에서 상기 제1 상태로 형상 변화할 때 상기 접착 수단 의해 상기 락커가 상기 제1 사이드 플레이트의 내측면과 맞닿을 수 있다. 여기서, 접착 수단은 자석일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 사이드 플레이트 또는 상기 제2 사이드 플레이트에는 탄성체가 형성되며, 상기 폴더블 모듈은 상기 탄성체의 탄성을 이용하여 폴딩 라인에 의해 플랫하게 포개진 제2 상태에서 상기 제1 상태로 변화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폴더블 모듈은 상기 제1 사이드 플레이트 및 상기 제2 사이드 플레이트가 형상 기억 소재로 형성됨에 따라 폴딩 라인에 의해 플랫하게 포개진 제2 상태에서 상기 제1 상태로 변화할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 폴더블 모듈은 상기 상부 플레이트의 중심을 기준으로 좌측 또는 우측으로 180° 회전 시켰을 때 상호 모양이 서로 일치하는 회전 대칭을 이루고, 상기 제1 상태에서 직육면체 형상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 락커는 상기 제1 사이드 플레이트와 맞닿는 면의 일단이 내측으로 만곡된 곡선 형태로 형성되고, 상기 락커에 형성된 와이어홀은 상기 제1 사이드 플레이트와 맞닿는 면의 일단의 길이 방향을 따라 내측으로 만곡된 곡선 형태로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예는, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴더블 모듈이 연속적으로 복수개 연결 및 배치되는 매니퓰레이터로서, 상기 매니퓰레이터의 일단은 상기 매니퓰레이터를 제어하는 제어 수단과 결합 가능하고, 상기 매니퓰레이터의 타단은 상기 제어 수단의 제어에 따라 작동되는 작동 수단과 결합 가능한 매니퓰레이터를 제공한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예는, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴더블 모듈이 일렬로 복수개 연결 및 배치된 형태의 매니퓰레이터 및 상기 매니퓰레이터의 일단에 결합되는 엔드 이펙터를 포함하는 무인비행기를 제공한다.

본 발명에 따르면, 폴더블 모듈은 납작하게 포개진 형태의 플랫 형상과 세워진 기둥 형태의 육면체 형상 사이에서 형상 변화가 신속 및 간단하게 가능하며, 세워진 상태에서 외력을 견딜 수 있도록 충분한 구조적 강성을 가질 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 종이 접기 구조를 이용하여 1자유도를 갖는 폴더블 모듈을 구현할 수 있고, 이러한 폴더블 모듈을 복수개 구비한 형태의 매니퓰레이터를 제공함으로써 로봇 팔 등으로 이용되는 매니퓰레이터를 간단한 구조로 형성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 매니퓰레이터를 상술한 폴더블 모듈들로 형성함으로써, 매니퓰레이터에 텐던을 활용한 간단한 구동부를 적용할 수 있음은 물론, 동시에 락킹 메커니즘에 의해 매니퓰레이터가 높은 강성을 가지도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 종이 접기 원리에 의해 형성된 폴더블 모듈을 이용하여 매니퓰레이터 등을 포함하는 다양한 기기의 제조 단가 절감, 경령화 및 소형화가 가능하다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명에 적용되는 사러스 링키지 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 사러스 링키지 구조에 락커를 결합한 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴더블 모듈의 구성, 구조, 형상 변화 과정 및 상태를 설명하기 위해 도시한 입체도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴더블 모듈의 세부적인 구성을 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴더블 모듈을 적용한 무인비행기를 도시한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.

이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비 또는 마련)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 “포함(구비 또는 마련)”할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성 요소로 명명될 수 있다.

도 1은 본 발명에 적용되는 사러스 링키지 구조를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 사러스 링키지 구조에 락커를 결합한 구조를 설명하기 위해 도시한 도면으로서, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 적용된 개념과 원리를 설명한다.

본 발명은 종이 접기 기반 로봇 설계 방법을 활용한다. 종이 접기 기반 설계 방법은 전통적인 링크, 조인트로 구성된 로봇을 종이 접기의 특성을 활용해 설계하는 방법을 의미한다. 종이 접기의 면과 접는 선은 각각 기계의 링크와 회전 조인트로서 역할이 가능하며, 활용되는 재료의 강성 차이를 통해 3차원 구조를 구현할 수 있다. 이러한 방법을 이용하면 다양하고 복잡한 기계 요소를 하나의 시트에 한번에 제작이 가능한 장점이 있다.

종이 접기 기반 설계 방법과 관련하여, 본 발명은 두 개의 수직인 접는 선(조인트)이 서로의 자유도를 제약할 수 있다는 원리를 이용하여 구현된 발명이다. 두 개의 수직한 접는 선이 있을 때, 각각의 접는 선은 한번에 한 개밖에 접힐 수 밖에 없으며, 다른 접는 선을 접기 위해서는 모든 면(링크)이 같은 평면 상에 존재해야만 한다. 이를 활용하여 접을 수 있는 구조의 자유도를 제약하며, 이로써 본 발명은 외력에 견뎌낼 수 있는 락킹 메커니즘을 갖는 구조를 갖는다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에는 단순한 1자유도 구조를 갖는 사러스 링키지(sarrus linkage) 구조가 적용된다.

본 발명에 따라 제공되는 접을 수 있는 구조가 로봇 팔과 같은 폴더블 기구로서 역할을 수행하기 위해서는 차지하는 공간이 작을수록, 가지고 있는 자유도가 작을수록 효율성과 강성의 측면에서 유리하기 때문에, 본 발명에 따른 폴더블 모듈은 1자유도를 가지는 가장 단순한 링키지 구조인 사러스 링키지를 활용한다.

도 1을 참조하면, 사러스 링키지는 위, 아래 기준 면과 측면에 형성된 기준 면들을 잇는 체인들로 구성된 1자유도 구조를 가지며, 사러스 링키지 (Sarrus linkage)가 접혔다 펴지는 모습을 확인할 수 있다.

구체적으로 사러스 링키지의 측면의 체인들은 폴딩 가능한 링크 구조로 형성되고, 이에 따라 사러스 링키지는 세워진 기둥 형상에서 눕혀진 평면 형상으로 형상 변화가 가능하다. 사러스 링키지의 위, 아래 기준 면은 도 1과 같이 사각형일 필요는 없으며, 다각형이라면 모두 가능하며, 각 링크가 같은 길이를 가질 때 평면으로 접힐 수 있다.

본 발명은 사러스 링키지(Sarrus linkage)를 기반으로 평면과 같은 형상으로 납작하게 접혔다가 3차원 형상의 기둥 모양으로 펴질 수 있다. 이에 더하여, 본 발명은 상술한 락킹 메커니즘을 이용하여 3차원 기둥 형상의 제1 상태에서 락커가 설치되어 1차원 평면 형태의 제2 상태로 접힐 수 있는 구조의 자유도를 제한하고, 그로 인해 높은 강성을 가질 수 있도록 설계되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 사러스 링키지가 펴진 후 충분한 강성을 유지하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 락커를 추가적으로 적용하였다. 락커는 한 링크에 부착되어 있고, 락커와 맞닿는 측면의 체인과 동일한 길이 방향 길이를 가지며, 락커가 회전할 수 있도록 형성된 접는 선과 사러스 링키지가 접힐 때 이용되는 접는 선(folding line)이 서로 수직하다.

따라서 본 발명에 따른 폴더블 모듈이 제1 상태가 되어 완전히 펴진 구조에 락커가 설치되게 되면, 락커는 폴더블 모듈이 접히는 자유도를 제약한다. 본래 사러스 링키지 구조에 취약한 z축 방향 압력을 폴더블 모듈에 가하더라도, 폴더블 모듈이 접히기 위해 필요한 힘과 락커를 탈착하기 위해 필요한 힘의 방향이 수직하기 때문에 락커가 탈착되지 않고 z축 방향 압력을 버텨낼 수 있게 되는 것이다..

본 발명에 따른 락커의 탈착과 폴더블 모듈이 접히는 움직임은 기본적으로 텐던으로 구동될 수 있으며, 텐던은 도 3에 도시된 폴더블 모듈의 위, 아래 기준면 그리고 락커를 관통하도록 형성된다.

폴더블 모듈의 위쪽에서 텐던을 당기게 되면 락커를 회전 및 탈착하려는 힘과 폴더블 모듈을 접으려는 축 방향 힘 두가지 힘이 발생한다. 폴더블 모듈에 락커가 설치되어 있는 이상 축 방향 힘은 락커에 의해 상쇄되기 때문에 폴더블 모듈이 접히지 않는다. 반면 장력에 의해 락커가 완전히 탈착된 후에는 폴더블 모듈이 사러스 링키지와 같은 구조를 가지기 때문에 축 방향 힘에 의해 접힐 수 있다.

이렇듯 텐던을 활용한 구동을 통해 폴더블 모듈의 두 가지 구동(락커 탈착과 모듈 접기)을 한번에 실행할 수 있으며, 그와 동시에 여러 개의 폴더블 모듈을 쌓아 로봇 팔, 매니퓰레이터(manipulator) 등의 폴더블 기구를 제작하여도 하나의 텐던으로 신속 및 간단하게 구동이 가능하게 된다. 폴더블 모듈의 구동에는 텐던이 아닌 형상기억합금 혹은 공압 등도 활용될 수 있다.

또한, 폴더블 모듈 상에서 마주보는 두 체인에 탄성체를 설치하여 플랫하게 포개진 제2 상태의 모듈이 펴지도록 구동할 수 있다. 탄성체 이외에도 형상기억합금 (shape memory alloy) 등 다양한 재료를 활용해 본 발명에 따른 폴더블 모듈의 형상을 변화시킬 수 있다. 모듈이 완전히 펴진 후 락커를 체인과 밀착되도록 설치하기 위해 자석과 같은 접착 수단을 활용할 수 있고, 이에 따라 락커는 장력을 이겨내고 측면 체인에 접착되어 모듈의 자유도를 제약하도록 설치될 수 있다.

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴더블 모듈(이하, “폴더블 모듈(100)”)의 구성, 구조, 형상 변화 과정 및 상태를 설명하기 위해 도시한 입체도이고, 도 4는 폴더블 모듈(100)의 세부적인 구성을 도시한 평면도이다.

이하에서는 설명의 편의를 위하여 폴더블 모듈(100)이 세워진 기둥 형태의 육면체 형상에서, 정면에서 보이는 면을 제1측면, 제1측면의 우측으로 제1측면에 수직하게 교차하게 배치된 측면을 제2측면, 제1측면에 대향하는 측면을 제3측면, 제2측면에 대향하는 측면을 제4측면으로 정의한다. 도면 상에서 사용된 부호 A, B, C, D, E, F, G, H 은 육면체 형상인 폴더블 모듈(100)의 꼭지점을 지칭한다.

또한, 본 발명에 따른 폴더블 모듈은 육면체 형상의 제1 상태에서 상부면의 중점을 중심으로 좌측 또는 우측으로 180° 회전시켰을 때 각 측면들의 모양이 서로 일치하는 회전 대칭(좌우 대칭)을 이룰 수 있다. 다시 말해, 도 3 및 도 4 에 도시된 폴더블 모듈(100)을 A-B 모서리 측으로 바라본 제1 측면과 C-D 모서리 측으로 바라본 제3 측면은 그 형상이 동일하고, B-C 모서리 측으로 바라본 제3 측면과 A-D 모서리 측으로 바라본 제4 측면 역시 동일하다.

따라서, 설명의 편의를 위해 이하에서는 육면체의 형상의 제1 상태 및 플랫 형상의 제2 상태에서의 제1측면과 제2 측면을 기준으로 폴더블 모듈(100)을 설명하도록 한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 폴더블 모듈(100)은 육면체 형상의 제1 상태와 플랫 형상의 제2 상태 간 형상 변화가 가능한 폴더블 모듈로서, 상부 플레이트(110) 제1 사이드 플레이트(120), 제2 사이드 플레이트(130) 및 락커(140)를 포함한다.

상부 플레이트(110)는 본 명세서 상에서 설명되는 제1 상태 및 제2 상태의 폴더블 모듈(100)의 좌우 대칭/회전 대칭의 축으로 작용하며, 명칭만 상부 플레이트일 뿐 상부라는 용어가 상부 플레이트(110)의 위치, 역할 또는 기능을 제한하는 것은 아니다.

또한 상부 플레이트(110)와 이하에서 설명될 여러 플레이트는 다양한 종류의 소재로 형성될 수 있고, 도면에서 상부 플레이트(110)는 사각형이고 폴더블 모듈(100)은 육면체이나 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 상부 플레이트(110)는 다양한 다각형의 형태로 폴더블 모듈(100)은 여러 다면체의 형태로 형성될 수 있다.

제1 사이드 플레이트(120)는 상부 플레이트(110)와 폴딩 가능하게 연결되고, 제1 상태에서 제2 상태로 형상 변화할 때 상부 플레이트(110)와 같은 평면상에서 수평이 되도록 폴딩 라인(120a)에 의해 플랫하게 포개지는 형태로 형성된다. 또한 그 반대로, 제1 사이드 플레이트(120)는 제2 상태에서 제1 상태로 형상 변화할 때 플랫하게 포개진 형태에서 세워진 판 형태로 형성될 수 있다.

제2 사이드 플레이트(130)는 상부 플레이트(110)와 폴딩 가능하게 연결되고, 제1 상태에서 제2 상태로 형상 변화할 때 상부 플레이트(110)와 같은 평면상에서 수평이 되도록 세워진 상태에서 눕혀진 상태로 변화한다. 또한 그 반대로, 제2 사이드 플레이트(130)는 제2 상태에서 제1 상태로 형상 변화할 때 눕혀진 상태에서 세워진 상태로 형상 변화할 수 있으며, 판 형태로 형성될 수 있다.

이에 따라, 제2 사이드 플레이트(130)는 비접힘면 형태로 형성될 수 있으나, 이와 달리, 제2 사이드 플레이트(130)는 제1 사이드 플레이트(120)와 같이 플랫하게 포개지는 접힘면 형태로 형성될 수도 있다.

또한, 제2 사이드 플레이트(130)는 이하에서 설명될 락커(140)와 폴딩 가능하게 연결될 수 있는 구조라면 접힘면 구조, 비접힘면 구조, 또는 접힘면과 비접힘면을 모두 포함하는 구조 등 어떠한 형태로든 다양하게 변형 가능하다.

예컨대, 제2 사이드 플레이트(130)는 하부가 연직 방향으로 절단되어 제1 상태에서 제2 상태로 형상 변화할 때 상부 플레이트(110)와 같은 평면상에서 수평이 되도록 폴딩 라인(130a)에 의해 플랫하게 포개지는 형태로 형성되는 접힘면(131)과, 제1 상태에서 제2 상태로 형상 변화할 때 상부 플레이트(110)와 같은 평면상에서 수평이 되도록 세워진 상태에서 눕혀진 상태로 변화하는 형태로 형성되는 비접힘면(132)을 구비할 수 있다.

도 4를 참조하면, 제2 사이트 플레이트(130)의 한 점에서 시작하여 모서리 측으로 연장되는 절단 라인(130b)에 의해 접힘면(131)과 비접힘면(132)이 절단된 상태로 제2 사이드 플레이트(130)가 형성됨을 알 수 있다. 또한, 제2 사이드 플레이트(130)의 폴딩 라인(130a)은 접힘면(131)의 일단에만 형성되므로, 비접힘면(132)은 제1 상태에서 제2 상태로 형상 변화할 때 접힘 없이 세워진 상태에서 눕혀진 상태로 형상 변화하게 된다.

또한, 폴더블 모듈(100)은 제1 사이드 플레이트(120)는 제1 상태에서 상부 플레이트(110)의 대향하는 두 측면에 각각 배치되고 제2 사이드 플레이트(130)는 제1 상태에서 상기 2개의 제1 사이드 플레이트(120)가 배치된 측면과 다른 두 대향하는 측면에 각각 배치된 형태로 형성된다. 이 때, 폴더블 모듈(100)은 상부 플레이트(110)를 기준으로 회전 대칭 또는 좌우 대칭을 이룰 수 있다.

즉, 폴더블 모듈(100)은 대향하는 측면에 각각 위치하는 2개의 제1 사이드 플레이트(120) 및/또는 2개의 제2 사이드 플레이트(130)는, 상부 플레이트(110)의 중심을 기준으로 좌측 또는 우측으로 180° 회전 시켰을 때 상호 모양이 서로 일치하는 회전 대칭을 이루고, 제1 상태에서 직육면체 형상일 수 있다.

예컨대, 상부 플레이트(110)는 네 개의 모서리를 갖는 사각형 형태일 수 있고, 2개의 제1 사이드 플레이트(120)는 상부 플레이트(110)의 대향하는 두 모서리(도 3 및 도 4 상에서 상부 플레이트(110)의 A-D, B-C 모서리)에 연결될 수 있으며, 2개의 제2 사이드 플레이트(130)는 제1 사이드 플레이트(120)가 연결된 모서리 이외의 상부 플레이트(110)의 대향하는 두 모서리(도 3 및 도 4 상에서 상부 플레이트(110)의 A-B, C-D 모서리)에 연결될 수 있다.

락커(140)는 제2 사이드 플레이트(130)와 폴딩 가능하게 연결되고, 제1 사이드 플레이트(120)의 길이 방향과 동일한 길이로 제1 상태에서 제1 사이드 플레이트(120)의 내측면과 맞닿도록 형성되며, 제1 상태에서 제2 상태로 형상 변화할 때 제2 사이드 플레이트(130)의 내측으로 폴딩되어 상부 플레이트(110)와 같은 평면상에서 수평이 되도록 세워진 상태에서 눕혀진 상태로 변화한다. 또한, 이와 반대로 락커(140)는 제2 상태에서 제1 상태로 형상 변화 할 때, 눕혀진 상태에서 세워진 상태로 형상 변화할 수 있으며, 판 형태로 형성될 수 있다.

또한, 락커(140)는 비접힘면(132) 및 제1 사이드 플레이트(120)의 길이 방향과 동일한 길이로 제1 상태에서 제1 사이드 플레이트(120)의 내측면과 맞닿도록 형성될 수 있고, 비접힘면(132)과 폴딩 가능하게 연결될 수 있으며, 제1 상태에서 제2 상태로 형상 변화할 때 제2 사이드 플레이트(130)의 내측으로 폴딩되어 상부 플레이트(110)와 같은 평면상에서 수평이 되도록 플랫하게 포개진 형태로 형상 변화할 수도 있다.

한편, 도 3 및 도 4를 참조하면 폴더블 모듈(100)은 하부 플레이트(150) 및 액추에이터(160)를 더 포함할 수 있다.

하부 플레이트(150)는 제1 상태에서 제2 상태로 형상 변화함에 따라 상부 플레이트(110)와 맞닿도록 형성되며, 제1 상태에서 제1 사이드 플레이트(120) 및 제2 사이드 플레이트(130)와 폴딩 가능하도록 연결된다. 도 3 및 도 4를 참조하면 폴더블 모듈(100)이 플랫 형상의 제2 상태 일 때 상부 플레이트(110)의 A, B, C, D는 각각 하부 플레이트(150)의 E, F, G, H와 맞닿는 것을 알 수 있다.

또한, 2개의 제1 사이드 플레이트(120) 및 2개의 제2 사이드 플레이트(130)와 각각 연결된 하부 플레이트(150)에 의해 폴더블 모듈(100)은 제1 상태에서 직육면체, 정육면체와 같은 다면체 형상을 지닐 수 있다.

액추에이터(160)는 상부 플레이트(110), 제2 사이드 플레이트(130) 및 하부 플레이트(150)에 각각 형성된 와이어홀(101)을 지나도록 마련되는 와이어(102)를 이용하여 락커(140)를 세워진 상태에서 눕혀진 상태로 또는 그 반대인 눕혀진 상태에서 세워진 상태로 구동할 수 있다. 여기서, 제2 사이드 플레이트(130)에 형성된 와이어홀(101)은 비접힘면(132)에 존재할 수 있다.

또한, 액추에이터(160)는 락커(140) 뿐만 아니라 폴더블 모듈(100)의 전체 구조를 제1 상태에서 제2 상태로 또는 그 반대인 제2 상태에서 제1 상태로 형상 변화시킬 수 있다.

위와 같은 구동 방식을 구현하기 위해 액추에이터(160)는 모터 또는 폴리 등을 구비할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 액추에이터(160)는 와이어(102)의 양 끝단에 복수개 마련될 수 있고, 와이어(102)의 일단이 특정 고정 수단에 의해 고정된 경우 액추에이터(160)는 와이어(102)의 타단에만 마련될 수도 있다.

이와 같이, 복수개의 와이어홀(101)과 와이어홀(101)을 관통하는 와이어(102) 및 와이어(102)를 구동하는 액추에이터(160)만을 이용하여 폴더블 모듈(100)을 구동하므로, 본 발명에 따르면, 폴더블 모듈(100)과 이를 이용한 매니퓰레이터의 작동이 단순화될 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 사이드 플레이트(120) 및 락커(140)에는 각각 대응되는 영역에 접착 수단(103)이 형성될 수 있다. 폴더블 모듈(100)은 제2 상태에서 제1 상태로 형상 변화할 때 접착 수단(103)을 이용하여 락커(140)가 제1 사이드 플레이트(120)의 내측면과 맞닿게 밀착/설치되도록 할 수 있다. 접착 수단(103)은 자석일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 제1 사이드 플레이트(120) 및/또는 제2 사이드 플레이트(130)에는 탄성체(104)가 형성될 수 있다. 이에 따라, 제2 사이드 플레이트는 탄성체(104)의 탄성을 이용하여 세워진 상태에서 눕혀진 상태로, 또는 눕혀진 상태에서 세워진 상태로 형상 변화할 수 있다. 이 경우, 폴더블 모듈(100)은 탄성체(104)의 탄성을 이용하여 폴딩 라인에 의해 플랫하게 포개진 제2 상태에서 제1 상태로, 그 반대인 제1 상태에서 제2 상태로 형상 변화할 수 있다.

또한, 제1 사이드 플레이트(120) 및/또는 제2 사이드 플레이트(130)는 형상 기억 소재로 형성될 수 있다. 제1 사이드 플레이트(120) 및/또는 제2 사이드 플레이트(130)는 형상 기억 소재로 형성됨에 따라 세워진 상태에서 눕혀진 상태로, 또는 눕혀진 상태에서 세워진 상태로 형상 변화할 수 있다. 이 경우, 폴더블 모듈(100)은 폴딩 라인에 의해 플랫하게 포개진 제2 상태에서 제1 상태로, 그 반대인 제1 상태에서 제2 상태로 형상 변화할 수 있다.

또한, 락커(140)는 제1 사이드 플레이트(120)와 맞닿는 면의 일단이 내측으로 만곡된 곡선 형태로 형성될 수 있고, 락커(140)에 형성된 와이어홀(101)은 제1 사이드 플레이트(120)와 맞닿는 면의 일단의 길이 방향을 따라 내측으로 만곡된 곡선 형태로 형성될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 락커(140)와 락커(140)에 형성된 와이어홀(101)은 다양한 형상으로 구현될 수 있다.

앞서 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하였듯이, 본 발명은 제2 상태에서와 같이 납작한 형상으로 작은 부피를 차지하도록 접혀 있을 수 있으면서, 펴진 후에도 외력을 견뎌낼 수 있는 충분한 구조적 강성을 만드는 메커니즘을 구비한 폴더블 모듈과 이를 이용하여 형성한 매니퓰레이터에 관한 발명이다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 폴더블 모듈(100)이 연속적으로 복수개 연결 및 배치되는 매니퓰레이터로서 상기 매니퓰레이터의 일단은 상기 매니퓰레이터를 제어하는 제어 수단과 결합 가능하고 상기 매니퓰레이터의 타단은 상기 제어 수단의 제어에 따라 작동되는 작동 수단과 결합 가능한 매니퓰레이터를 제공할 수 있다.

이밖에도, 본 발명에서 제안하는 폴더블 모듈은 매니퓰레이터 형태로 구현되어 무인비행기(Unmanned Aerial Vehicle)에 부착될 수 있다. 무인 비행기는 좁은 공간을 지나거나 비행할 때에는 매니퓰레이터를 접어 "祁돛* 저장 공간(예컨대, 무인비행기 하부에 마련된 공간)에 저장해두었다가 임무 수행 시 이를 펼쳐 임무 수행을 할 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안하는 폴더블 모듈과 이의 구조는 로봇의 팔, 다리, 혹은 구조물의 뼈대에 활용되어, 물체를 평면과 같이 납작한 형상에서 3차원의 특정 형상으로 변형시켜 목표 기능을 수행하도록 할 수 있다.

구체적으로 본 발명의 다양한 실시예에 따르면 도 5에 도시된 바와 같이, 폴더블 모듈(100)이 일렬로 복수개 연결 및 배치된 형태의 매니퓰레이터 및 상기 매니퓰레이터의 일단에 결합되는 엔드 이펙터를 포함하는 무인 비행기가 제공될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 폴더블 모듈이 접을 수 있는 로봇 팔 형태의 매니퓰레이터(501)로 구현되어 무인비행기(500)에 부착이 되었을 때 활용될 수 있는 예시를 나타낸 것이다. 이러한 매니퓰레이터(501)는 무인비행기(500)의 랜딩 기어(502) 안쪽에 접혀 보관이 가능하기 때문에, 무인비행기(500)는 추가적인 이착륙 장치를 필요로 하지 않게 된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 폴더블 모듈은 무인비행기를 비롯한 매니퓰레이터가 적용되는 기기의 소형화 및 경량화에 효과적이다.

무인비행기(500)가 이륙하여 매니퓰레이터(501)가 펴진 후에는 무인비행기(500)는 매니퓰레이터(501)를 이용하여 직접 통과할 수 없는 좁고 깊은 공간에 있는 물체를 집어 올릴 수도 있으며, 물 속 혹은 나뭇가지 사이와 같은 공간을 정찰할 수도 있다.

또한, 위와 같은 매니퓰레이터는 무인비행기 이외에 지상 로봇에도 활용될 수 있다. 예컨대, 지상 로봇의 아래쪽에 상술한 매니퓰레이터를 부착하여 맨홀과 같은 깊은 깊이에서의 점검 혹은 그 이외의 임무를 수행할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 폴더블 모듈을 복수개 배치 및 연결하여 만든 매니퓰레이터는 걸어 다니는 로봇의 접힐 수 있는 다리로써 활용되어 좁은 공간에 보관되어 있다가 원하는 구동을 위해 모듈이 펴질 수도 있으며, 마찬가지로 탁자의 다리로써 역할을 하여 변신 가구 등으로 활용이 될 수도 있다.

상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (12)

1. 육면체 형상의 제1 상태와 플랫 형상의 제2 상태 간 형상 변화가 가능한 폴더블 모듈로서,
   상부 플레이트 및 하부 플레이트;
   상기 제1 상태에서 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트와 수직을 이루며, 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 폴딩 라인에 의해 상기 폴더블 모듈의 외측으로 플랫하게 포개지는 형태로 형성되는 제1 사이드 플레이트;
   일부가 연직 방향으로 절단됨에 따라 구분되는 접힘면과 비접힘면을 구비하되, 상기 접힘면은 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트와 폴딩 가능하게 연결되고 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 폴딩 라인에 의해 상기 폴더블 모듈의 외측으로 플랫하게 포개지는 형태로 형성되며, 상기 비접힘면은 상기 상부 플레이트와 폴딩 가능하게 연결되되 상기 하부 플레이트와 비연결됨에 따라 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 세워진 상태에서 상기 폴더블 모듈의 외측으로 눕혀진 상태로 변화하는 형태로 형성되는 제2 사이드 플레이트;
   상기 비접힘면의 길이 방향 모서리에 상기 비접힘면의 내측으로 폴딩 가능하게 연결되고, 상기 제1 상태에서 상기 제1 사이드 플레이트의 길이 방향 모서리에 동일한 길이로 상기 제1 사이드 플레이트의 내측면과 맞닿도록 형성되며, 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 형상 변화할 때 상기 비접힘면의 내측으로 폴딩되어 상기 상부 플레이트와 같은 평면상에서 수평이 되도록 세워진 상태에서 상기 비접힘면을 따라 상기 폴더블 모듈의 외측으로 눕혀진 상태로 변화하는 형태의 락커; 및
   상기 상부 플레이트와 상기 제2 사이드 플레이트가 맞닿는 영역 중 특정 영역, 상기 하부 플레이트와 상기 제2 사이드 플레이트가 맞닿는 영역 중 특정 영역 및 상기 락커에 각각 형성된 와이어홀을 지나도록 마련되는 와이어의 양단에서 상기 와이어를 제어하거나 상기 와이어의 일단을 고정시키고 상기 와이어의 타단에서 상기 와이어를 제어하는 것을 통해 상기 폴더블 모듈의 형상 변화를 가능하게 하는 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴더블 모듈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 사이드 플레이트는 상기 제1 상태에서 상기 상부 플레이트의 대향하는 두 측면에 각각 배치되고 상기 제2 사이드 플레이트는 상기 제1 상태에서 상기 2개의 제1 사이드 플레이트가 배치된 측면과 다른 두 대향하는 측면에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 폴더블 모듈.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 사이드 플레이트 및 상기 락커에는 각각 대응되는 영역에 접착 수단이 마련되며,
   상기 제2 상태에서 상기 제1 상태로 형상 변화할 때 상기 접착 수단 의해 상기 락커가 상기 제1 사이드 플레이트의 내측면과 맞닿게 되는 것을 특징으로 하는 폴더블 모듈.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 접착 수단은 자석인 것을 특징으로 하는 폴더블 모듈.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2 사이드 플레이트에는 탄성체가 형성되며,
   상기 제2 사이드 플레이트는 상기 탄성체의 탄성을 이용하여 눕혀진 상태에서 세워진 상태로 형상 변화하는 것을 특징으로 하는 폴더블 모듈.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 사이드 플레이트 및 상기 제2 사이드 플레이트는 각각 형상 기억 소재로 형성됨에 따라 눕혀진 상태에서 세워진 상태로 형상 변화하는 것을 특징으로 하는 폴더블 모듈.
   
9. 제2항에 있어서,
   상기 폴더블 모듈은 상기 제1 상태에서 직육면체 형상이되, 상기 상부 플레이트의 중심을 기준으로 좌측 또는 우측으로 180° 회전 시켰을 때 상호 모양이 서로 일치하는 회전 대칭을 이루는 것을 특징으로 하는 폴더블 모듈.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 락커는 상기 제1 사이드 플레이트와 맞닿는 면의 일단이 내측으로 만곡된 곡선 형태로 형성되고,
    상기 락커에 형성된 와이어홀은 상기 제1 사이드 플레이트와 맞닿는 면의 일단의 길이 방향을 따라 내측으로 만곡된 곡선 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 폴더블 모듈.
    
11. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항, 제7항, 제8항, 제9항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 폴더블 모듈이 일렬로 복수개 연결 및 배치되는 매니퓰레이터로서, 상기 매니퓰레이터의 일단은 상기 매니퓰레이터를 제어하는 제어 수단과 결합 가능하고, 상기 매니퓰레이터의 타단은 상기 제어 수단의 제어에 따라 작동되는 작동 수단과 결합 가능한 것을 특징으로 하는 매니퓰레이터.
    
12. 제1항, 제2항, 제5항, 제6항, 제7항, 제8항, 제9항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 폴더블 모듈이 일렬로 복수개 연결 및 배치된 형태의 매니퓰레이터 및 상기 매니퓰레이터의 일단에 결합되는 엔드 이펙터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인비행기.
    

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