KR102152157B1 - 레이어 재밍 구동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이어 재밍 구동장치에 관한 것이다. 본 발명은 가변 가능한 재질의 인클로저; 및 상기 인클로저의 내부에 복수개의 레이어가 적층되는 레이어 적층체를 포함하고, 상기 레이어 적층체는 각각이 서로 슬라이딩됨과 동시에 회전가능하게 결합될 수 있다.

Description

레이어 재밍 구동장치{LAYER JAMMING ACTUATOR}
본 발명은 레이어 재밍 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨어러블 로못의 가변 강성을 구현하기 위한 레이어 재밍 구동장치에 관한 것이다.
현재 재밍 구동장치는 대부분 소프트 웨어러블 로봇의 가변 강성을 구현하기 위해 많이 사용된다. 재밍 구동장치는 내부에 파티클, 레이어 등의 다양한 재료를 임베드하여 가변강성을 구현한다. 이런 재밍 구동장치 중, 레이어 재밍 구동장치는 두께를 얇게 제작할 수 있고, 선형 인장 방향으로 높은 강성을 구현할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 기존의 레이어 재밍 구동장치는 강성 증가가 선형 인장 방향으로만 증가하도록 만들어져 왔다. 이러한 구조적 특징으로 인하여 레이어 재밍 구동장치는 굴곡이 심한 부위나, 인장 방향이 선형 방향이 아닌 경우 사용하기 어려운 문제점이 있었다. 결국, 진공이 인가되지 않은 상태에서 레이어와 평행방향으로의 움직임이 제한되어, 굴곡이 많은 신체에 착용하는 소프트 웨어러블 로봇에는 적합하지 않았다.
또한, 외부의 유연한 인클로저가 과하게 늘어날 경우 레이어가 외부로 빠지는 경우가 발생할 수 있다. 이와 같이 되면 레이어 재밍 구동장치의 내부가 밀폐되어 있어 빠진 레이어가 제자리를 다시 찾기가 어렵고, 이는 곧 레이어 재밍 구동장치의 성능 하락으로 이어지는 문제가 있었다.
미국등록특허 제9,664,210호(2017.05.30)
본 발명은 다양한 굴곡을 가진 사람의 신체에 적용이 가능한 구조를 가져 다자유도가 필요한 웨어러블 로봇에 효과적인 가변 강성 매커니즘을 구현할 수 있는 레이어 재밍 구동장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 레이어 재밍 구동장치는 가변 가능한 재질의 인클로저; 및 상기 인클로저의 내부에 복수개의 레이어가 적층되는 레이어 적층체를 포함하고, 상기 레이어 적층체는 각각이 서로 슬라이딩됨과 동시에 회전가능하게 결합될 수 있다.
상기 레이어의 중앙에는 길이방향으로 슬라이딩 슬롯이 형성될 수 있다.
서로 인접한 상기 레이어 적층체는 상기 슬라이딩 슬롯을 관통하는 축핀에 의해 서로 회전가능하게 결합될 수 있다.
상기 인클로저의 양단부에는 상기 레이어 적층체의 단부를 고정하기 위한 홀더가 구비되는데, 상기 홀더의 서로 마주보는 면에는 고정단이 중앙 높이에서 연장되도록 형성되어 상기 고정단의 상하면에 각각 상기 레이어 적층체가 고정될 수 있다.
상기 인클로저의 양단부에는 상기 레이어 적층체의 단부를 고정하기 위한 홀더가 구비되는데, 상기 레이어 적층체의 양단부에는 상기 홀더에의 고정을 위한 지지 레이어 적층체가 결합될 수 있다.
상기 지지 레이어 적층체는 복수개의 지지 레이어가 적층되어 형성되고, 상기 레이어 적층체는 상기 지지 레이어 적층체에 대하여 슬라이딩됨과 동시에 회전가능하게 결합될 수 있다.
상기 레이어의 양단부는 라운드지게 형성될 수 있다.
상기 레이어의 적어도 일단부의 표면에는 회전방향을 따라 경사지게 회전형 돌기가 돌출되어 구비될 수 있다.
상기 레이어의 표면에는 선형 또는 곡선형의 패턴면이 형성될 수 있다.
상기 인클로저의 외면에는 상기 인클로저의 변형이 잘 이루어지도록 벤딩홈이 형성될 수 있다.
상기 벤딩홈은 상기 레이어 적층체 간의 결합부위에 인접하게 형성될 수 있다.
상기 인클로저에서 상기 레이어 적층체 간의 결합부위는 다른 부분에 비하여 얇게 형성될 수 있다.
상기 레이어 적층체는 어느 하나의 레이어 적층체의 단부에서 2개 이상의 레이어 적층체가 병렬로 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이어 재밍 구동장치는 웨어러블 로봇에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다양한 굴곡을 가진 사람의 신체에 적용이 가능한 구조를 가져 다자유도가 필요한 웨어러블 로봇에 효과적인 가변 강성 매커니즘을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이어 재밍 구동장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이어 재밍 구동장치의 평면도.
도 3은 본 발명의 레이어 적층체의 연결 구조를 보인 도면.
도 4는 본 발명의 연결 레이어 및 스트링을 보인 도면.
도 5는 본 발명의 레이어 적층체의 다양한 구동예를 보인 도면.
도 6은 본 발명의 레이어 적층체의 다른 연결 구조를 보인 도면.
도 7은 본 발명의 레이어 적층체의 Y자형 결합 구조를 보인 도면.
도 8은 본 발명의 레이어의 표면에 회전형 돌기가 형성된 것을 보인 도면.
도 9는 본 발명의 레이어의 표면에 패턴면이 형성된 것을 보인 도면.
도 10은 본 발명의 홀더의 다양한 실시예를 보인 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
이하, 본 발명에 의한 레이어 재밍 구동장치의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이어 재밍 구동장치의 사시도이고, 도 02는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이어 재밍 구동장치의 평면도이다.
이에 도시된 바에 따르면, 가변 가능한 재질의 인클로저(10); 및 상기 인클로저(10)의 내부에 복수개의 레이어(22,32,42)가 적층되는 레이어 적층체(20,30,40)를 포함하고, 상기 레이어 적층체(20,30,40)는 각각이 서로 슬라이딩됨과 동시에 회전가능하게 결합될 수 있다.
인클로저(10, enclosure)는 레이어 재밍 구동장치의 외관을 형성하는 부분으로서, 일방으로 긴 납작한 직육면체 형상으로 만들어진다. 인클로저(10)의 내부에는 레이어 적층체(20,30,40)가 수용되는 수용공간(12)이 형성되며, 인클로저(10)는 레이어 적층체(20,30,40)가 수용된 상태에서 재밍 구동을 하기 위하여 실리콘 등의 가변 가능한 재질로 만들어질 수 있다. 참고로, 레이어 재밍 구동장치의 내부 구조를 도시하기 위하여 도면에서는 인클로저(10)를 투명한 재질로 도시하였으나, 인클로저(10)는 불투명한 재질로 만들어질 수 있다.
본 실시예에서 레이어 적층체(20,30,40)는 3개로 구성이 된다. 다만, 이는 본 발명의 기술적 사상을 담은 일 실시예로 제시한 것에 불과하며 레이어 적층체(20,30,40)는 4개 이상이 연결되어 구동될 수도 있다.
한편, 인클로저(10)의 외면에는 인클로저(10)의 변형이 잘 이루어지도록 벤딩홈(14)이 형성될 수 있다. 벤딩홈(14)은 도면에서와 같이 복수개가 일정한 간격으로 형성될 수 있다. 벤딩홈(14)은 도 2의 점선 부분에서와 같이, 레이어 적층체(20,30,40) 간의 결합부위에 인접하게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 레이어 적층체(20,30,40) 간의 결합부위에서 다자유도 가변 구동이 주로 발생하기 때문에 이 과정에서 인클로저(10)가 보다 원활하게 변형이 되도록 하기 위함이다.
또한, 인클로저(10)에서 레이어 적층체(20,30,40) 간의 결합부위는 다른 부분에 비하여 얇게 형성되어 인클로저(10)의 변형이 잘 이루어지도록 구성할 수도 있다.
본 도면에서 레이어 적층체(20,30,40)의 양단부에는 각각 홀더(60)에의 고정을 위한 지지 레이어 적층체(50)가 각각 결합될 수 있다. 지지 레이어 적층체(50) 또한 레이어 적층체(20,30,40)에 대하여 슬라이딩됨과 동시에 회전가능하게 결합될 수 있고, 복수개의 지지 레이어(52)의 적층으로 이루어진다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 인접한 제1 레이어(22)와 제2 레이어(32)는 연결 레이어(54)에 의해 서로 슬라이딩됨과 동시에 회전가능하게 결합될 수 있다. 연결 레이어(54)는 제1 레이어(22)와 제2 레이어(32) 보다는 작은 원형으로 만들어질 수 있으며, 연결 레이어(54)는 한 쌍이 제1 레이어(22)와 제2 레이어(32)의 상하면에 각각 구비되고 스트링(56)에 의해 연결될 수 있다. 스트링(56)은 실 또는 끈 등의 재질로 형성되고, 스트링(56)은 연결 레이어(54)에 나란히 형성된 연결홀(55)을 관통하여 한 쌍의 연결 레이어(54)를 연결할 수 있다. 상술한 연결 레이어(54)의 형상은 일 예를 제시한 것에 불과하고 원형이 아닌 사각형, 삼각형 등 다양한 형상으로 만들어질 수 있다.
연결 레이어(54)가 일정한 길이를 가진 스트링(56)에 의해 연결되면 정상 상태에서 진공 상태로 전환이 되더라도 레이어(22,32)의 사이에 눌러지면서 인클로저(10)가 레이어(22,32)를 압착하는 것을 방해하지 않기 때문에 레이어 재밍 구동장치의 원활한 구동이 가능한 장점이 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 레이어 적층체(20,30,40)는 각각이 서로 슬라이딩됨과 동시에 회전가능하게 결합되는 제1 레이어 적층체(20), 제2 레이어 적층체(30) 및 제3 레이어 적층체(40)를 포함할 수 있다. 레이어 적층체(20,30,40)가 상술한 바와 같이 서로 슬라이딩됨과 동시에 회전가능하게 결합되기 위해서 아래와 같은 구성을 일 예로 제시한다.
우선, 레이어 적층체(20,30,40)는 복수개의 레이어(22,32,42)가 수직 방향으로 적층되어 형성되는데, 적층되는 레이어(22,32,42)의 사이마다 인접한 레이어(22,32,42)의 단부가 교차하여 적층된다.
그리고, 레이어(22,32,42) 각각의 중앙에는 길이방향으로 슬라이딩 슬롯(24,34,44)이 형성된다. 또한, 슬라이딩 슬롯(24,34,44)을 관통하는 축핀(P)에 의하여 레이어(22,32,42)는 서로 회전가능하게 결합된다. 축핀(P)은 사용자의 동작에 의하여 슬라이딩 슬롯(24,34,44) 상을 이동하면서 레이어(22,32,42)가 슬라이딩 및 회전이 가능하게 한다.
도 5의 (a)에서는 레이어 적층체(20,30,40)가 서로 길이방향으로 수축되는 것을 도시하였다. 즉, 축핀(P)이 슬라이딩 슬롯(24,34,44)을 따라 길이방향으로 이동하면서 레이어 적층체(20,30,40) 전체가 길이방향으로 수축하는 구동을 수행할 수 있다.
도 5의 (b)에서는 레이어 적층체(20,30,40)가 서로 길이방향으로 확장되는 것을 도시하였다. 즉, 축핀(P)이 슬라이딩 슬롯(24,34,44)을 따라 길이방향으로 이동하면서 레이어 적층체(20,30,40) 전체가 길이방향으로 확장하는 구동을 수행할 수 있다.
도 5의 (c)에서는 제1 레이어 적층체(20)와 제2 레이어 적층체(30), 제2 레이어 적층체(30)와 제3 레이어 적층체(40)가 서로에 대해서 회전되는 것을 도시하였다. 즉, 각각의 레이어 적층체(20,30,40)가 축핀(P)을 중심으로 서로 회전이 되면서 자유로운 각도로 구동할 수 있어 다자유도 가변이 가능해진다. 기존의 레이어 재밍 구동장치의 경우 1자유도 내지 2자유도 수준의 가변을 수행하였으나, 이상에서 설명한 레이어 적층체(20,30,40)의 결합구조를 통한 슬라이딩 링키지(sliding linkage) 매커니즘을 이용하면 기존보다 훨씬 자유로운 레이어 재밍 구동장치의 구동이 가능해지는 것이다.
도 7을 참조하면, 제1 레이어 적층체(20)와 결합되는 제2 레이어 적층체(30) 2개를 병렬로 구성할 수도 있다. 즉, 제1 레이어 적층체(20)의 단부에서 제2 레이어 적층체(30) 2개가 서로 대칭방향으로 회전되고 제2 레이어 적층체(30)의 단부에는 2개의 제3 레이어 적층체(40)가 각각 결합될 수도 있는 것이다. 이와 같이 되면 레이어 적층체(20,30,40)가 전체적으로 Y자 형상을 하게 되므로, 웨어러블 로봇의 유사한 관절부위에 적절하게 사용될 수 있다. 도 7에 도시한 Y자 형상의 구조는 일 예로 제시한 것에 불과하고 레이어 적층체(20,30,40)는 H자, T자, S자 등 다양한 형상으로 제작될 수 있다.
도 8을 참조하면, 제1 레이어(22)는 양단부가 라운드지게 형성될 수 있다. 이는 서로 회전가능하게 결합되는 각각의 레이어(22,32,42) 간의 회전 동작을 보다 원활하게 하기 위함이다. 또한, 제1 레이어(22)의 적어도 일단부의 표면에는 회전방향을 따라 경사지게 제1 회전형 돌기(26)가 돌출되어 구비될 수 있다. 제1 회전형 돌기(26)는 원주방향을 따라 복수개가 일정한 간격으로 구비될 수 있다. 이는 제1 레이어(22)와 결합되는 제2 레이어(32)와의 결합에 있어서, 일방향으로만 회전되도록 하고 반대방향으로는 구속되는 매커니즘을 구현하기 위함이다.
도 8에서는 제1 레이어(22)를 들어 설명하였으나, 제1 회전형 돌기(26)는 제2 레이어(32) 및 제3 레이어(42)의 적어도 일단부에도 구비될 수 있음은 당연하다.
도 9를 참조하면, 제1 레이어(22) 및 제2 레이어(32)의 표면에는 복수개의 선형 또는 곡선형의 제1 패턴면(28) 및 제2 패턴면(38)이 형성될 수 있다. 제1 패턴면(28) 및 제2 패턴면(38)은 특정 각도에서의 강성을 극대화하기 위하여 형성되는 것으로서, 본 도면에서는 선형의 제1 패턴면(28) 및 제2 패턴면(38) 뿐만 아니라 곡선형의 제1 패턴면(28) 및 제2 패턴면(38)이 형성될 수도 있다. 즉, 제1 패턴면(28) 및 제2 패턴면(38)이 특정 각도로 평행하게 형성되면 제1 레이어(22) 및 제2 레이어(32)가 특정 각도로 회전되었을 때 서로 구속력이 강화되어 강성이 극대화될 수 있는 것이다.
마찬가지로, 도 9에서는 제1 레이어(22) 및 제2 레이어(32)를 예로 들어 설명하였으나, 제1 패턴면(28) 및 제2 패턴면(38)에 대응되는 제3 패턴면(48)이 제3 레이어(42)의 표면에 형성될 수 있음은 당연하다.
이상에서는 도면을 참조하여 패턴면(28,38)에 대하여 설명하였는데, 반드시 이에 제한되는 것은 아니고 패턴면(28,38)은 양각 또는 음각 등의 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 10의 (a)를 참조하면, 인클로저(10)의 양단부에는 각각 레이어 적층체(20,30,40)의 단부를 고정하기 위한 홀더(60)가 구비된다. 홀더(60)에는 레이어 적층체(20,30,40)를 향하여 연장되는 고정단(62)이 구비된다. 이때, 고정단(62)은 홀더(60)의 서로 마주보는 면의 상단 및 하단에서 각각 평행하게 연장될 수 있다. 다만, 이와 같이 홀더(60)가 구비되는 경우에는 측면에서 보았을 때 ㄷ자 형상이 되어 고정단(62)의 두께가 있기 때문에 전체적으로 두께가 커지고 인클로저(10)가 레이어(22,32)의 상면 및 하면 부분에서 꺾여야 하는 단점이 발생할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 도 10의 (b)에서와 같이 홀더(160)의 서로 마주보는 면에서 고정단(162)이 중앙 높이에서 연장되도록 형성하였다. 이와 같이 되면 고정단(162)의 상하면에 각각 제1 레이어(22) 및 제2 레이어(32)의 단부가 고정될 수 있기 때문에 인클로저(10)의 전체적인 두께가 최소화될 수 있는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 인클로저 12 : 수용공간
14 : 벤딩홈 20 : 제1 레이어 적층체
22 : 제1 레이어 24 : 제1 슬라이딩 슬롯
26 : 제1 회전형 돌기 28 : 제1 패턴면
30 : 제2 레이어 적층체 32 : 제2 레이어
34 : 제2 슬라이딩 슬롯 38 : 제2 패턴면
40 : 제3 레이어 적층체 42 : 제3 레이어
44 : 제3 슬라이딩 슬롯 50 : 지지 레이어 적층체
52 : 지지 레이어 54 : 연결 레이어
55 : 연결홀 56 : 스트링
60,160 : 홀더 62,162 : 고정단

Claims (15)

  1. 가변 가능한 재질의 인클로저; 및
    상기 인클로저의 내부에 복수개의 레이어가 적층되는 레이어 적층체를 포함하고,
    상기 레이어 적층체는 각각이 서로 슬라이딩됨과 동시에 회전가능하게 결합되며,
    서로 인접한 상기 레이어 적층체는 상하면에 각각 구비되어 스트링에 의해 연결되는 연결 레이어에 의해 서로 회전가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이어의 중앙에는 길이방향으로 슬라이딩 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    서로 인접한 상기 레이어 적층체는 상기 슬라이딩 슬롯을 관통하는 축핀에 의해 서로 회전가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 인클로저의 양단부에는 상기 레이어 적층체의 단부를 고정하기 위한 홀더가 구비되는데, 상기 홀더의 서로 마주보는 면에는 고정단이 중앙 높이에서 연장되도록 형성되어 상기 고정단의 상하면에 각각 상기 레이어 적층체가 고정되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인클로저의 양단부에는 상기 레이어 적층체의 단부를 고정하기 위한 홀더가 구비되는데,
    상기 레이어 적층체의 양단부에는 상기 홀더에의 고정을 위한 지지 레이어 적층체가 결합되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 지지 레이어 적층체는 복수개의 지지 레이어가 적층되어 형성되고,
    상기 레이어 적층체는 상기 지지 레이어 적층체에 대하여 슬라이딩됨과 동시에 회전가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이어의 양단부는 라운드지게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이어의 적어도 일단부의 표면에는 회전방향을 따라 경사지게 회전형 돌기가 돌출되어 구비되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이어의 표면에는 선형 또는 곡선형의 패턴면이 형성되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 인클로저의 외면에는 상기 인클로저의 변형이 잘 이루어지도록 벤딩홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 벤딩홈은 상기 레이어 적층체 간의 결합부위에 인접하게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 인클로저에서 상기 레이어 적층체 간의 결합부위는 다른 부분에 비하여 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이어 적층체는 어느 하나의 레이어 적층체의 단부에서 2개 이상의 레이어 적층체가 병렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 레이어 재밍 구동장치.
  15. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 9 항, 제 10 항, 제 11 항, 제 12 항, 제 13 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 레이어 재밍 구동장치가 적용된 웨어러블 로봇.
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