KR102190778B1

KR102190778B1 - 촉각 구현 구조체

Info

Publication number: KR102190778B1
Application number: KR1020190078095A
Authority: KR
Inventors: 최승복; 박유진; 한철희; 윤지영; 이태훈
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-12-14

Abstract

본 발명은 소정의 플렉시블한 재질의 구조재를 이용한 다층 적층의 밀폐형 구조로 이루어지고, 각 층별 다수의 칸들로 구획되어 각 구획들을 통해 MR유체가 분산 주입되어 채워진 촉각 구현 구조체로서, 여기서 3D 프린터는 적어도 상기 구조체의 외관을 형성하기 위한 구조재 공급용 노즐부 및, 상기 구조체 내부에 채워질 MRF 공급용 노즐부를 포함하고, 상기 구조재 공급용 노즐부를 통해서는 상기 플렉시블한 재질의 구조재를 분사하여 다수의 칸으로 구획된 밀폐형 구조체인 상기 구조체의 각 층별 외관을 형성하고, 다음으로 각 층별 외관 완성시마다 상기 MRF 공급용 노즐부를 통해 상기 구조체 내부의 각 층별 구획들에 MRF를 분산 주입하며, 상기 MRF가 분산 주입된 다층 적층 구조체를 완성한 후에는 최종적으로 상기 구조재 공급용 노즐부를 통해 다시 상기 플렉시블한 재질의 구조재를 분사하여 상기 구조체의 외부를 완전히 밀폐시킴으로써 MRF를 안전하게 수용할 수 있게 된다.

Description

촉각 구현 구조체{TACTILE SENSE REALIZABLE STRUCTURE}

본 발명은 자기유변유체(MRF)의 이용에 관한 것으로, 보다 상세하게는 힘/토크 센서에 의해 측정되어 전달되는 접촉시의 포스(Force)를 구현하기 위한 어플리케이션으로서의 촉각 구현 구조체에 관한 것이다.

다양한 촉각구현 센서 중 가장 보편적으로 사용되고 있는 힘/토크 센서는 힘을 제어하기 위한 정보를 제공하기 위해 포스게이지(Force Gauge)와 함께 사용된다. 힘/토크 센서는 접촉시의 힘이 측정되어 전달되어야 하고 이를 구현하기 위한 어플리케이션이 필요한데, 최근 이러한 어플리케이션을 적용하기 위한 촉각구현 센서와 관련한 논문(Cha, Seung-Woo, et al. "A controllable tactile device for human-like tissue realization using smart magneto-rheological fluids: fabrication and modeling." Smart Materials and Structures 27.6 (2018): 065015.)이 발표되었다. 이 논문에서는 일반적인 스폰지에 자기유변유체(Magnetorheological Fluid;MRF)를 내재시켜 구성한 MR 스폰지에 자기장을 인가하여 점탄성을 변화시킴으로써 촉각을 구현하는 방법이 제안되었다. 논문 저자인 S-W Cha는 이러한 MR 스폰지와 다양한 조직(돼지의 심장,폐,간)을 비교하여 제어가능한 촉각장치(controllable tactile device)를 구성하였다(도 1 참조).

도 2의 그래프는 돼지의 심장, 폐, 간과 같은 다양한 조직들의 시간에 따른 힘(Force) 변화를 나타낸 것으로, 누르는 깊이(mm)에 따라서도 힘(Force)의 변화가 있음을 볼 수 있다. 도 3의 그래프는 도 2에 따른 조직들을 대신해 MR 스폰지를 이용하여 자기장 세기별 시간에 따른 힘(Force)을 나타낸 것으로, 자기장 세기가 강할수록 힘(Force)의 세기도 커짐을 볼 수 있다.

한편, 위와 같이 촉각을 구현하는 방법으로 MRF가 내재된 스폰지의 강도(stiffness) 변화 실험시, 도 1과 같이 일반적으로 다공성 구조인 스펀지에 MRF를 가두고 랩이나 라텍스와 같은 재질로 포장하는 방식으로 MRF가 밖으로 새지 않게 구성한다.

이러한 유용점이 있는 자기 유변 유체(MRF) 스폰지이지만 다음과 같은 문제가 발생한다. 스펀지에 MRF를 가두고 포장하는 작업은 잠깐의 실험을 위하여 사용하기에는 용이하나, MRF 특성상 일정 시간이 경과하면 철 입자들이 서서히 가라앉아 입자 부분과 유체 부분이 분리되어 다시 사용하기 어렵게 되는 문제가 있는데, 이는 MR 스폰지 구조체의 실용화를 위해서는 반드시 해결하여야 할 과제로 지적되고 있다. 또한, 스펀지에 MRF를 주입한 후에는 포장을 하는 것이 어렵고, 특히 MR 스폰지를 둘러싸는 포장재가 찢어지는 등의 문제들이 발생할 수 있어 MRF 스폰지 구조체를 만들 때 매우 신중한 작업이 필요하다.

한편, 한국특허등록 제1516604호에 따르면, 자기유변 유체를 포함한 근감각 제공 모듈 및 박막형 촉감 제공 모듈을 이용한 통합 햅틱 피드백 시뮬레이션 장치가 개시되어 있다. 이 특허는 표시부에 표시되는 그래픽 인터페이스에 연동되어 사용자에게 공감각적으로 햅틱 피드백을 제공할 수 있으며, 그에 따라 표시부에서 시뮬레이션되는 그래픽 객체의 실재감을 증가시킬 수 있도록 구성되어 있다.

그러나, 이 특허의 구성인 근감각 제공 모듈은 자기유변 유체(MRF)를 내장하고 있을 뿐 스폰지를 이용하는 것은 전혀 고려되지 않아 본 발명이 추구하는 기술과는 다소 거리가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 개발된 것으로, 힘/토크 센서에 의해 측정되어 전달되는 접촉시의 포스(Force)를 구현하기 위한 어플리케이션으로서의 다공형 다층 적층 구조를 갖는 촉각 구현 구조체를 제공하는데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따르면, 소정의 플렉시블한 재질의 소재, 즉 플렉시블 구조재를 이용한 다층 적층의 밀폐형 구조로 이루어지고, 각 층별 다수의 칸들로 구획되어 각 구획들을 통해 MR유체가 분산 주입되어 채워진 것을 특징으로 하는 촉각 구현 구조체가 제공된다.

본 발명에 따르면, 플렉시블 구조재는 3D 프린터를 통해 분사되며, 소정의 탄성계수를 갖는 폴리우레탄을 포함하는 소정의 중합체 군으로부터 선택될 수 있다.

또한, 3D 프린터는 적어도 2 종류의 공급 노즐을 보유하는 것으로, 공급 노즐 중 하나는 구조체의 외관을 형성하기 위한 구조재 공급용 노즐부로 구성되고, 다른 하나는 구조체 내부에 채워질 MRF 공급용 노즐부로 구성되며, 상기 구조재 공급용 노즐부를 통해서는 플렉시블 재질의 소재를 분사하여 다수의 칸으로 구획된 밀폐형 구조체인 본 발명의 촉각 구현 구조체의 각 층별 외관을 형성하고, 다음으로 각 층별 외관 완성시마다 MRF 공급용 노즐부를 통해 구조체 내부의 각 층별 구획들에 MRF를 분산 주입하게 된다.

또한, 3D 프린터는 MRF를 분산 주입한 다층 적층 구조체를 완성한 후에는 최종적으로 3D 프린터의 구조재 공급용 노즐부를 통해 다시 플렉시블한 재질의 구조재를 분사하여 본 발명의 구조체의 외부를 완전히 밀폐시킴으로써 MRF를 안전하게 수용할 수 있다.

본 발명의 촉각 구현 구조체는 각 층별 구획들에 적어도 한 칸 건너서 MRF를 주입하는 방식으로 상하 층간 구획들 간 서로 엇갈리게 주입될 수 있다.

상술된 특징들로부터 본 발명은 MRF의 입자와 유체의 분리 현상 및 MRF의 외부 누설을 방지할 수 있으며, 종래의 MR 스폰지에 비해 사용 효율이 높고 다양한 유형 또는 용도를 갖는 촉각 구현 구조체를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술의 MR 스폰지의 구성 및 사용상태를 도시한 도면,
도 2는 도 1의 MR 스폰지와 비교하기 위한 것으로, 돼지의 심장, 폐, 간과 같은 조직들의 시간에 따른 힘(Force) 변화를 나타낸 그래프,
도 3은 도 1의 MR 스폰지를 이용하여 자기장 세기별 시간에 따른 힘(Force)을 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 촉각 구현 구조체의 제작 원리를 나타낸 개념도,
도 5는 도 4에 따라 구성된 본 발명의 촉각 구현 구조체의 외관 사시도.

본 발명의 추가의 세부사항 및 이점은 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예를 사용하여 설명된다.

아래의 실시예에서는 발명을 설명함에 있어서 필연적인 부분들을 제외하고 그 도시와 설명을 생략하였으며, 명세서 전체에 걸쳐 동일 유사한 요소에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명은 반복하지 않고 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 촉각 구현 구조체의 제작 원리를 나타낸 개념도이고, 도 5는 도 4에 따라 구성된 본 발명의 촉각 구현 구조체의 외관 사시도로서, 본 발명은 힘/토크 센서에 의해 측정되어 전달되는 접촉시의 포스(Force)를 구현하기 위한 어플리케이션으로서의 촉각 구현 구조체를 제공한다.

이러한 촉각 구현 구조체를 구현하기 위하여, 본 발명은 도 4와 같은 작동원리를 갖는 3D 프린터(1)를 사용할 수 있다. 본 발명의 촉각 구현 구조체는, 예를 들어 폴리우레탄과 같은 플렉시블한 재질의 구조재를 이용한 다층 적층의 밀폐형 구조를 갖는 것으로, 3D 프린터(1)를 통해 소정의 플렉시블 재질의 소재를 분사하여 각 층별 다수의 칸들로 구획된 다층 적층 구조체(10)를 구성하고, 구조체의 각 구획(11)들을 통해서는 MR유체(MRF;12)가 분산 주입되어 채워진 형태를 갖는다.

3D 프린터(1)는 적어도 2 종류의 공급 노즐을 보유한 프린터를 사용하는 것이 바람직하며, 공급 노즐 중 하나는 구조체의 외관을 형성하기 위한 구조재 공급용 노즐부(2)로 구성되고, 다른 하나는 구조체 내부에 채워질 MRF 공급용 노즐부(3)로 구성된다. 따라서, 3D 프린터(1)는 먼저 구조재 공급용 노즐부(2)를 통해 플렉시블 재질의 소재를 분사하여 다수의 칸으로 구획된 다층 적층의 밀폐형 구조체인 본 발명의 촉각 구현 구조체의 각 층별 외관을 형성하고, 다음으로 각 층별 외관 완성시마다 MRF 공급용 노즐부(3)를 통해 구조체 내부의 각 층별 구획(11)들에 MRF(12)를 분산 주입하게 된다. 도면 중 미설명된 부호 '2a'는 '가열 히터'를, 그리고 '2b'는 '분사 노즐'을 나타낸다.

MRF(12)를 분산 주입한 다층 적층 구조체(10)가 완성된 후에는 최종적으로 3D 프린터(1)의 구조재 공급용 노즐부(2)를 통해 다시 플렉시블한 재질의 구조재를 분사하여 본 발명의 구조체의 외부를 완전히 밀폐시킴으로써 MRF(12)를 안전하게 수용할 수 있다. 이 경우, 도 5와 같은 형상의 구획으로 MRF를 내장한 구조체(10')가 제공될 수 있다.

또한, 본 발명은 다양한 유형과 용도를 갖는 촉감 구현 구조의 제공을 위해 각 층별 MRF의 주입을 상,하층의 대응하는 구획(11)들 간 서로 엇갈리게 주입하는 방식, 예를 들면 각 층별 구획(11)들에 적어도 한 칸 건너서 MRF(12)를 주입하는 방식으로 상하 층간 구획들 간 서로 엇갈리게 주입하는 방식을 적용할 수 있다. 이것은 혹시 있을지 모르는 MRF 누수 발생을 완벽히 차단하기 위한 방법으로 바람직하다.

본 발명에 따르면, 촉각 구현 구조체는 피부 또는 조직을 표현하기 위하여 소정의 탄성 계수를 갖는 다양한 재료를 사용할 수 있는데, 특히 플렉시블한 재질의 소재의 경우, 예를 들어 폴리우레탄 등을 포함하는 소정의 중합체(polymer) 군으로부터 선택된 하나 이상의 소재를 사용함으로써 MR 스폰지와 같은 유형의 다양한 형상을 갖는 구조체를 형성할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 각 층이 다수의 구획들로 나누어진 다공형의 플렉시블한 촉각 구현 구조체를 제공하는 것으로, 각 층별 구획들에 적어도 선택적으로 MRF를 주입하고 그 외부를 밀폐하여 MRF를 가둔 형태로서, 이와 같은 구조로부터 본 발명은 MRF 내 입자들과 유체의 분리 현상을 최소화하고 MRF의 외부 누설을 막아 종래의 MR 스폰지에 비해 사용 효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

이상 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 지금까지 설명한 내용들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 그 일부를 예시한 정도에 불과하며, 아래에 첨부된 청구범위에 나타날 수 있는 것을 제외하고는 상술한 내용에 의해 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 이와 동일한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 범위 내에서 발명의 기술적 사상과 요지를 벗어나지 않으면서 균등물의 많은 변화, 수정 및 대체가 이루어질 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

1 : 3D 프린터
2 : 구조재 공급용 노즐부
3 : MR유체(MRF) 공급용 노즐부
10,10' : 다층 적층 구조체
11 : 구획
12 : MR유체(MRF)

Claims

소정의 플렉시블한 재질의 구조재를 이용한 다층 적층의 밀폐형 구조로 이루어지고, 각 층별 다수의 칸들로 구획되어 각 구획들을 통해 MR유체가 분산 주입되어 채워지되, 상기 MR유체는 상기 각 층별 구획들에 적어도 한 칸 건너서 주입하는 방식으로 상하 층간 구획들 간 서로 엇갈리게 주입되는 것을 특징으로 하는 촉각 구현 구조체.
제 1항에 있어서,
상기 플렉시블한 재질의 구조재는 3D 프린터를 통해 분사되며 소정의 탄성계수를 갖는 폴리우레탄을 적어도 포함하는 중합체인 것을 특징으로 하는 촉각 구현 구조체.
제 2항에 있어서,
상기 3D 프린터는 적어도 상기 구조체의 외관을 형성하기 위한 구조재 공급용 노즐부 및, 상기 구조체 내부에 채워질 MR유체 공급용 노즐부를 포함하고, 상기 구조재 공급용 노즐부를 통해서는 상기 플렉시블한 재질의 구조재를 분사하여 다수의 칸으로 구획된 밀폐형 구조체인 상기 구조체의 각 층별 외관을 형성하고, 다음으로 각 층별 외관 완성시마다 상기 MR유체 공급용 노즐부를 통해 상기 구조체 내부의 각 층별 구획들에 MR유체를 분산 주입하며, 상기 MR유체가 분산 주입된 다층 적층 구조체를 완성한 후에는 최종적으로 상기 구조재 공급용 노즐부를 통해 다시 상기 플렉시블한 재질의 구조재를 분사하여 상기 구조체의 외부를 완전히 밀폐시키는 것을 특징으로 하는 촉각 구현 구조체.
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