KR102222633B1 - 오리가미 펌프를 이용한 공압 그리퍼 및 그리퍼 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 공기를 수용 가능한 수용부를 구비하고, 상기 수용부에 공기가 공급되면 내부 팽창에 의해 굽힘 운동하도록 변형하는 핑거부; 압축 및 팽창운동 가능하도록 형성되고, 상기 수용부에 공기의 공급 가능하도록 연통되는 펌핑부; 및 상기 핑거부 및 펌핑부 사이에 구비되고, 상기 수용부와 상기 펌핑부 각각의 내부가 서로 연통 가능하도록 상기 핑거부 및 상기 펌핑부가 설치되는 커넥터를 포함하고, 상기 펌핑부의 압축운동에 의해 상기 펌핑부 내부의 공기는 상기 핑거부의 수용부로 공급되어 상기 수용부는 굽힘 운동하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 공압 그리퍼를 제공한다.

Description

오리가미 펌프를 이용한 공압 그리퍼 및 그리퍼 시스템{PNEUMATICAL GRIPPER USING ORIGAMI PUMP and GRIPPER SYSTEM}

본 발명은, 오리가미 펌프의 압력을 이용한 공압 그리퍼 및 그리퍼 시스템에 관한 것이다.

로봇 팔 등의 엔드 이팩터로서 파지부(죠; jaw)를 개방 위치에서 폐쇄 위치로 이동시켜 물체를 파지하는 그리퍼(gripper)가 이용되고 있다. 그리퍼는 휴머노이드 로봇의 손 등과는 달리 비교적 단순한 구성과 동작 특성을 가지므로 일반적으로는 산업 환경에서 많이 이용된다.

최근, 로봇이 인간 생활에 보급됨에 따라서, 대인 로봇에도 그리퍼의 이용이 증가하는 추세이다.

그리퍼의 예로 공기 압력을 이용하여 액추에이터를 모듈화하는 그리퍼 및 진공을 이용하여 목표 물체를 흡착시키는 그리퍼 등이 있다.

공기 압력을 이용하여 액추에이터를 모듈화하는 그리퍼는 공기 압력을 이용하는 각각의 액추에이터가 모듈화되어 원하는 목적에 따라 그 배치를 변화시킴으로써 구동되는데, 고압의 기체를 공급하기 위해 외부 기체 압축기를 사용하거나 시스템 내의 압축기를 사용할 수 있다.

종래의 그리퍼는, 별도의 외장 공기 압축기를 통한 공기 압력을 이용하여 그리퍼를 구동하여야 하는 문제가 있었다.

본 발명의 일 목적은 오리가미 펌프의 압력을 이용하여 액추에이터의 신뢰도 및 속도를 증가시키게 하는 공압 그리퍼 및 그리퍼 시스템을 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 공압 그리퍼는, 공기를 수용 가능한 수용부를 구비하고, 상기 수용부에 공기가 공급되면 내부 팽창에 의해 굽힘 운동하도록 변형하는 핑거부; 압축 및 팽창운동 가능하도록 형성되고, 상기 수용부에 공기의 공급 가능하도록 연통되는 펌핑부; 및 상기 핑거부 및 펌핑부 사이에 구비되고, 상기 수용부와 상기 펌핑부 각각의 내부가 서로 연통 가능하도록 상기 핑거부 및 상기 펌핑부가 설치되는 커넥터를 포함하고, 상기 펌핑부의 압축운동에 의해 상기 펌핑부 내부의 공기는 상기 핑거부의 수용부로 공급되어 상기 수용부는 굽힘 운동하도록 동작한다.

본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 핑거부는, 일 방향으로 연장되도록 형성되는 전방핑거부분; 및 상기 전방핑거부분에 이격되도록 형성되어 굴곡진 형상으로 상기 일 방향을 따라서 연장되는 후방핑거부분을 포함한다.

상기 전방핑거부분 및 후방핑거부분은, 실리콘의 재질일 수 있다.

바람직하게는, 상기 펌핑부는, 접혀진 부분을 복수 개 구비하는 오리가미 펌프일 수 있다.

본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 상기 커넥터는, 상기 펌핑부의 압축 시에 전달되는 힘을 지지하는 지지판; 및 상기 지지판의 일 면에 설치되고, 상기 핑거부가 삽입되는 핑거 설치부재를 포함한다.

본 발명의 공압 그리퍼는, 상기 펌핑부를 사이에 두고 상기 지지판의 반대측에 배치되는 하부판을 더 포함하고, 상기 지지판 및 상기 하부판에는, 강선이 설치되어 상기 강선을 통해 전달되는 장력에 의해 상기 지지판 및 상기 하부판 사이의 상대 거리는 조절되고, 상기 강선에 장력이 제공되어 상기 지지판 및 상기 하부판 사이의 상대 거리가 가까워지면, 상기 펌핑부는 압축되고 상기 핑거부는 내부의 공기에 의한 팽창에 의해 굽힘 변형되고, 상기 지지판 및 상기 하부판 사이의 상대 거리가 멀어지면 상기 펌핑부는 팽창되고, 상기 핑거부는 원래 상태로 복원된다.

상기 지지판의 일 면에는, 상기 강선이 걸림 설치되도록 홈을 구비하는 걸림부재가 더 설치되고, 상기 지지판에는 상기 홈과 연통되고, 상기 강선이 설치되는 홀이 구비될 수 있다.

또 다른 상기의 과제를 해결하기 위해 공압 그리퍼를 포함하는 그리퍼 시스템으로서, 그리퍼 시스템은 두 개 이상으로 이루어지고, 서로 이격되도록 배치되는 공압 그리퍼; 및 상기 공압 그리퍼에 연결되어 상기 공압 그리퍼에 동력을 제공하여 상기 펌핑부를 압축 및 팽창 가능하게 하는 구동장치를 포함한다.

본 발명은 오리가미 펌프의 압력을 이용하여 외부 장치에 의한 공기 공급이 필요하지 않으면서 공압 그리퍼를 구동할 수 있게 한다.

또한, 본 발명의 공압 그리퍼는 단일 모듈로 제작 가능한 구조로서 한정된 공간에서 시스템 내에 그리퍼, 공급원(오리가미 펌프), 전력 공급 기판 및 제어 기판이 모두 포함 가능하여 모듈화를 통해 기존에 상용되어 있는 로봇 기기에 쉽게 장착하여 사용 가능하다.

또한, 본 발명의 공압 그리퍼는 유연한 물질로 구성된 구조로서 그리퍼 부분이 유연한 물질로 제작되어 기존 로봇이 다루기에 어려움이 있던 물질 (예를 들어, 유리를 비롯한 깨지기 쉬운 물질)을 쉽게 다룰 수 있다.

도 1은 본 발명의 공압 그리퍼의 사시도.
도 2a는 도 1의 공압 그리퍼의 동작 전 상태를 도시하는 개념도.
도 2b는 도 2a의 공압 그리퍼의 동작에 의해 핑거부가 구부러진 예를 도시하는 개념도.
도 2c는 도 2b 상태에서의 펌핑부의 동작을 도시하는 개념도.
도 3a는 전방핑거부분 및 후방핑거부분의 제조 과정의 예를 도시하는 개념도.
도 3b는 펌핑부의 제조 과정의 예를 도시하는 개념도.
도 4a는 커넥터를 위에서 바라본 사시도.
도 4b는 커넥터를 아래에서 바라본 사시도.
도 5는 본 발명의 펌핑부의 크레슬링 패턴 구조를 도시하는 개념도.
도 6a는 구동장치를 포함하는 공압 그리퍼를 도시하는 개념도.
도 6b는 모터의 구동에 의해 실이 당겨지는 예를 도시하는 개념도.
도 6c는 실이 당겨짐에 따라 하부판이 상방향으로 이동하여 펌핑부가 압축되는 예를 도시하는 개념도.
도 6d는 펌핑부가 압축됨에 의해 핑거부가 굽힘 운동하는 예를 도시하는 개념도.
도 7a는 방향 전환 부재를 도시하는 사시도.
도 7b는 모터부착부품의 사시도.
도 8은 공압 그리퍼에 실험에 대한 파라미터를 도시하는 사진.
도 9a는 핑거부의 움직임 특성 측정을 위한 트래킹 데이터 측정 실험 셋업을 도시하는 개념도.
도 9b는 핑거부의 움직임 특성 측정을 위한 높이 및 압력관계 측정 실험 셋업을 도시하는 개념도.
도 11a는 주파수에 대한 공압 액추에이터 끝단의 변화량을 나타내는 그래프.
도 11b는 주파수에 대한 공압 액추에이터 끝단의 오리가미 펌프와의 페이즈 차이를 나타내는 그래프.
도 12a는 오리가미 펌프가 각각 3.2, 4.2, 7.4, 9.3, 15.3 mm 움직였을 때의 공압 액추에이터 끝단의 움직임 정도를 나타내는 그래프.
도 12b는 오리가미 펌프가 각각 3.2, 4.2, 7.4, 9.3, 15.3 mm 움직였을 때의 오리가미 펌프에서 나오는 공압을 나타내는 그래프.
도 13a는 그리퍼 시스템의 사시도.
도 13b는 도 13a의 그리퍼 시스템이 사용되는 일예를 도시하는 사진.
도 14는 핑거부가 공압 그리퍼의 바디에 체결되는 과정을 도시하는 사시도.
도 15는 모터가 체결되는 예를 도시하는 사시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 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 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 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.

도 1 및 도 2a를 참조하면, 본 발명의 공압 그리퍼(100)는, 핑거부(10), 펌핑부(20) 및 커넥터(30)를 포함한다.

핑거(finger)부(10)는 공기를 수용 가능한 수용부(17)를 구비하고, 수용부(17)에 공기가 공급되면 내부 팽창에 의해 굽힘 운동하도록 변형하도록 이루어진다.

핑거부(10)는 전방핑거부분(13) 및 후방핑거부분(15)을 포함할 수 있다.

전방핑거부분(13)은 일 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 도 1 및 도 2에는 도면 상에서 상하 방향으로 연장 형성되는 전방핑거부분(13)의 일 예가 도시된다.

후방핑거부분(15)은, 전방핑거부분(13)에 이격되도록 형성되어 굴곡진 형상으로 상기 일 방향을 따라서 연장될 수 있다. 도 1 및 도 2에는 전방핑거부분(13)에 이격되고, 물결 모양의 단면을 가지도록 굴곡진 형상으로 이루어져있는 예가 도시된다.

도 2b를 참조하면, 핑거부(10)의 수용부(17)에 공기가 공급되어 굽힘 운동하도록 변형된 예가 도시되는데, 전방을 향해 굽힘 운동하여 둘 이상의 핑거부(10)에 의해 물체는 파지될 수 있음이 이해될 수 있다.

전방핑거부분(13) 및 후방핑거부분(15)은, 실리콘의 재질일 수 있는데, 전방핑거부분(13) 및 후방핑거부분(15)의 상세한 제조 방법에 대해서는 후술하기로 한다.

펌핑부(20)는, 압축 및 팽창운동 가능하도록 형성되고, 상기 수용부(17)에 공기의 공급 가능하도록 연통된다.

일례로, 펌핑부(20)는, 오리가미 펌프(origami pump)일 수 있다. 본 발명에서 오리가미 펌프는 접혀진 부분을 복수 개 포함할 수 있다. 펌핑부(20)의 일례인, 오리가미 펌프의 제조에 관해서는 후술하기로 한다.

커넥터(30)는, 핑거부(10) 및 펌핑부(20) 사이에 구비되는데, 커넥터(30)에는 수용부(17)와 펌핑부(20) 각각의 내부가 서로 연통 가능하도록 핑거부(10) 및 펌핑부(20)가 각각 설치된다.

도 4a를 참조하면, 커넥터(30)는 지지판(31) 및 핑거 설치부재(35)를 포함할 수 있다.

지지판(31)은 펌핑부(20)의 압축 시에 전달되는 힘을 지지할 수 있다.

핑거 설치부재(35)는 지지판(31)의 일 면에 설치되고, 상기 핑거부(10)가 삽입될 수 있다. 핑거부(10)는 내부의 수용부(17)가 펌핑부(20)의 내부와 연통 가능하도록 핑거 설치부재(35)에 설치되어야 한다. 한편, 핑거 설치부재(35)는, 핑거부(10)가 설치될 때 핑거부(10) 내부에 제공되는 입력 유량을 일정하게 할 수 있다.

펌핑부(20)의 압축운동에 의해 펌핑부(20) 내부의 공기가 핑거부(10)의 수용부(17)로 공급되어 수용부(17)는 굽힘 가능하도록 동작한다.

본 발명의 공압 그리퍼(100)는, 하부판(40)을 더 포함할 수 있다. 하부판(40)은, 펌핑부(20)를 사이에 두고 상기 지지판(31)의 반대측에 배치된다. 도 1 내지 도 2b에는 맨 아래에 배치되어 있는 하부판(40)의 예가 도시된다.

도 2c를 참조하면, 지지판(31) 및 하부판(40)에 강선(50)이 설치되어 있는 예가 도시되는데, 강선(50)에 장력이 제공되면, 상기 지지판(31) 및 상기 하부판(40) 사이의 상대 거리는 조절되고, 상기 지지판(31) 및 상기 하부판(40) 사이의 상대 거리가 가까워지면, 상기 펌핑부(20)는 압축되어 상기 핑거부(10) 내부에 공기가 공급되어 굽힘 변형되고, 상기 지지판(31) 및 상기 하부판(40) 사이의 상대 거리가 멀어지면 상기 펌핑부(20)는 팽창되어 상기 핑거부(10) 내부에 공기가 공급이 안되어 원래 상태로 복원되게 된다. 도 2c에서는, 하부판(40)이 상하로 이동되어 펌핑부(20)가 압축 및 팽창되는 예가 도시된다.

본 발명에서 핑거부(10)의 원래 상태는 도 1 및 도 2a에서 도시되는 상하 방향으로 이해될 수 있다. 한편, 도 2b에는 펌핑부(20)의 압축에 의해 핑거부(10)가 굽힘 운동된 상태가 도시되어 있다.

강선(50)은 지지판(31) 및 하부판(40) 사이에서 펌핑부(20)를 가압할 수 있게 하며, 가압된 상태에서 하중을 견딜 수 있도록 충분한 강성을 구비하는 것이 바람직하다. 강선(50)은, 일례로 텐돈(tendon)일 수 있다.

도 4a를 참조하면, 지지판(31)의 일 면에는, 걸림부재(33)가 더 설치될 수 있다. 걸림부재(33)에는 강선(50)이 걸림 설치되는 홈(33a)이 구비된다.

또한, 지지판(31)에는 걸림부재(33)의 홈(33a)과 연통되고 강선(50)이 설치되는 홀(31a)이 구비될 수 있다.

강선(50)은 홀(31a)을 통과하여 걸림부재(33)의 홈(33a)에 걸려지도록 설치된다.

도 4b를 참조하면, 지지판(31)의 다른 일 면에는 유량공급판(37)이 더 설치될 수 있는데, 유량공급판(37)은 펌핑부(20)를 제작할 때 펌핑부(20)의 한 면을 밀봉시키고, 동일한 유량을 핑거부(10)에 공급 가능하게 한다. 유량공급판(37)은, 도 4b에 도시된 바와 같이, 내측에 펌핑부(20)의 상부가 설치되도록 도넛 형상의 납작한 판인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 공압 그리퍼(100)에서 핑거부(10) 및 펌핑부(20)의 제조 방법에 대하여 서술한다.

핑거부(10)는 전술한 바와 같이, 전방핑거부분(13) 및 후방핑거부분(15)을 포함할 수 있다.

전방핑거부분(13) 및 후방핑거부분(15)은 실리콘의 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 전방핑거부분(13) 및 후방핑거부분(15)은 제작된 몰드에 의해 제조될 수 있는데, 일례로, 전방핑거부분(13)은 아크릴 몰드에 의해, 후방핑거부분(15)은, 3D 프린팅에 의해 제조된 몰드에 의해 각각 제조될 수 있다.

전방핑거부분(13) 및 후방핑거부분(15)을 제조하는 각각의 몰드는 3D 캐드 툴인 솔리드웍스를 이용하여 설계될 수 있다.

핑거부(10)의 제조에 있어서, 실리콘 중에서 Ecoflex 00-30을 사용할 수 있는데, 주제와 보조제를 1:1로 섞은 용액을 몰드에 부어 상온에서 4시간 동안 경화시켜 사용한다. 전방핑거부분(13)의 제작방법은 도 3a의 좌측에 도시된다. 실리콘 용액을 준비된 아크릴 몰드에 1/3가량 붓고 1차 경화를 시킨다. 이후 전방핑거부분(13)의 강성을 증가시키기 위해 pet 필름을 경화시킨 실리콘 위에 밀착시키고 그 위에 실리콘 용액을 몰드의 전체 높이만큼 부어서 경화를 시킨다. 경화시킨 전방핑거부분(13)은 몰드에서 분리시킨다.

후방핑거부분(15)의 제작방법은 도 3a의 우측에 도시된다. 3D 프린트 된 몰드에 실리콘 용액을 부어서 경화를 시킨다. 경화된 실리콘은 몰드에서 분리시키고 전방핑거부분(13)과 실리콘 본드로 붙여서 핑거부(10)를 완성시킨다. 완성된 핑거부(10)는 도 3a의 맨 아래에 도시되는데, 핑거부(10)의 너비는 10 mm 이며 길이는 70 mm 인 예가 도시된다.

커넥터(30)는 핑거부(10) 및 펌핑부(20)가 설치되고, 핑거부(10) 및 펌핑부(20)를 서로 연통시켜주는 구성임에 대해서는 전술하였다. 커넥터(30)는 지지판(31)을 포함할 수 있는데, 지지판(31)은 아크릴로 제작될 수 있다. 도 4a에는 육각형 모양의 넓은 판으로 형성된 구성된 지지판(31)의 예가 도시된다. 또한, 지지판(31)에는 걸림부재(33)가 설치될 수 있으며, 걸림부재(33)는 3D 프린팅 과정을 통해서 제조될 수 있다. 이는 핑거부(10)와 펌핑부(20)를 연통시켜주는 역할을 하며 강선(50)이 지나갈 수 있는 통로를 만들어 펌핑부(20)의 압축 및 팽창을 제어할 수 있도록 설계되었다.

유량공급판(37)은 아크릴 커팅되어 제조될 수 있고, 핑거 설치부재(35)는 3D 프린팅되도록 제조될 수 있다.

펌핑부(20)의 일례인 오리가미 펌프의 제조 방법이 도 3b에 도시된다. 펌프는 크레슬링 패턴(kresling pattern)으로 만들어지는데, 레이저 패터닝(laser patterning)을 위하여 패턴(pattern)을 그리고 이 패턴을 200㎛ PP film에 레이저를 이용하여 자른다. 레이저 패터닝되는 예는 도 5에 도시된다.

이렇게 패터닝 된 PP film 삼각형은 두개의 60㎛ 캡톤 테이프(kapton tape) 사이에 붙여지고, 양 끝이 서로 붙도록 이어붙이면 2D 평면이 실린더 형태로 만들어지며, 이러한 구조로 만들어진 실린더 형태의 펌프를 각각의 패턴에 맞게 접게 되면 육각 기둥과 비슷한 형태의 오리가미 펌프가 만들어지게 된다. 제작된 오리가미 펌프는 도 4b의 커넥터(30)의 하부에 유량공급판(37)을 통해 결합되고, 도 1에서 하부에 배치된 예가 도시된다. 하부판(40)은 3D 프린팅 되었으며, 펌핑부(20)는 실리콘을 이용하여 하부판(40)과 밀봉된다. 이 파트는 오리가미 펌프를 움직일 수 있게 하는 강선(50)의 끝단이 꽉 끼워지도록 하도록 에어채널과 동일한 위치에 구멍이 내어진다.

각각의 핑거부(10), 커넥터(30), 및 펌핑부(20)는 공기가 새어나가지 않게 하기 위하여 모두 실리콘 본드로 밀봉된다. 펌핑부(20)가 오리가미 펌프인 경우의 장점은, 기존 공압 액츄에이터들은 대부분 외부에서 공기를 주입해주는 방식, 아니면 음압을 만들어 구조물의 수축을 이용한 움직임을 만들어 움직임을 만드는 형태였다.

그래서 압력펌프, 진공 펌프등을 사용하여 부피가 크고 추가적인 펌프를 장착해야 하기 때문에 그리퍼의 부피가 커지거나 상용 로봇 손을 움직이게 하며 펌프를 추가적으로 제어해야 하는데, 본 발명에서 제공되는 오리가미 펌프를 이용하게 되면 펌프를 동작시키는 모터(61, 도 6a)를 제어함으로서 로봇 손의 부피가 작아지고 펌프 내부의 공기를 이용하기 때문에 추가적으로 제어해야 하는 펌프가 필요 없다는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 공압 그리퍼(100)의 동작 방법에 대하여 서술한다.

완성된 액츄에이터 모듈은 도 4a에서 강선(50)이 도시되지는 않았지만, 걸림부재 4개에 각각 설치되는 4개의 강선(50)으로 구동된다. 도 6a 내지 6d는 본 발명의 공압 그리퍼(100)의 구동방법을 도시한다.

도 6a 내지 6d에는 공압 그리퍼(100)에 구동장치가 설치되어 있다. 공압 그리퍼(100)에 구동장치가 설치된 구성을 그리퍼 모듈로 정의할 수 있다. 그리퍼 모듈은 도 6a에 도시된다. 도 6a에는 그리퍼 모듈이 공압 그리퍼(100), 강선(50)의 방향을 바꿔주는 방향 전환 부재(65), 모터 부착부품 및 모터(61)를 포함하는 예가 도시된다.

방향 전환 부재(65)는 두 가지의 구성으로 이루어질 수 있다. 아크릴 커팅으로 만들어진 아크릴 부품과 3D 프린팅 된 부품이다. 아크릴 커팅으로 만들어진 부품은 방향을 바꾸어주는 프린팅된 부품을 고정시키는 용도로 사용이 되고, 프린팅 된 부품은 오리가미 펌프를 동작시키는 강선(50)의 방향을 바꾸어주어 펌프가 균일하게 압축될 수 있도록 한다. 두 가지 부품은 본드로 붙여질 수 있고, 또한 볼트너트 체결을 하여 단단히 고정시킨 후 사용될 수 있다. 방향 전환 부재(65)가 구비된 공압 그리퍼(100)가 도 6a 및 6b에 도시되며, 도 7a에는 방향 전환 부재(65)의 사시도로 표현된다. 도 7a에서, 방향전환홈(65a)에 강선(50)이 설치될 것임은 자명한 사항으로 상세히 서술하지 않는다.

강선(50)은 방향 전환 부재(65)를 지나서 모터(61)와 연결시켜주는 모터(61) 연결 부품에 고정되어 있다. 모터(61) 부착 부품은 모터(61)의 샤프트에 붙어있는 혼에 볼트로 고정시켜 사용한다. 모터(61) 부착 부품은 4개의 강선(50)이 각각 별개로 감길 수 있게 설계되어 모터(61)가 회전하면서 모터(61) 부착 부품이 함께 회전할 때 균일하게 감기게 하여 오리가미 펌프가 균일하게 압축될 수 있도록 하는 역할을 한다. 이 부착 부품은 도 7에 도시된다.

공압 그리퍼(100)가 움직이는 것은 크게 핑거부(10)의 굽힘 및 펴짐 동작으로 나누어질 수 있다. 이는 몇가지 스텝으로 이루어져 있는데, 크게 첫째로 모터(61)의 동작에 따른 강선(50)의 동작, 둘째로, 오리가미 펌프의 압축 및 인장, 그리고 셋째로 핑거부(10)의 부피팽창, 굽힘 및 펴짐 동작으로 설명된다.

먼저, 핑거부(10)의 굽힘 동작에 대해서 설명한다. 모터(61)가 움직임에 따라 강선(50)이 모터(61)가 당기는 만큼 펌핑부(20)의 아랫쪽 파트를 당긴다. 파트가 당겨지면 펌핑부(20)가 압축이 되고, 펌프 내부에 있던 공기가 핑거부(10) 쪽으로 이동하게 된다. 공기가 핑거부(10) 쪽으로 이동하게 되면 핑거부(10)의 부피가 증가하게 되며 핑거부(10)의 구조중 얇게 설계된 후방핑거부분(15)이 늘어나게 되어 전방핑거부분(13)쪽으로 손가락이 굽혀지게 된다. 이와 달리 펴짐 동작은 모터(61)가 강선(50)을 놓는 순간 늘어났던 핑거부(10)의 후방핑거부분(15)의 길이가 줄어들게 되며, 전방핑거부분(13)에 삽입된 PET film의 강성 및 펌핑부(20)의 자체 탄성 때문에 생기는 동작이다(도 3a 참조). 펌핑부(20)의 자체 탄성으로 펌핑부(20)의 부피가 순간적으로 커지게 되면 이때 생기는 음압 때문에 핑거부(10)에 들어간 유량이 다시 펌핑부(20)쪽으로 빠져나오게 된다.

이하, 본 발명의 공압 그리퍼(100)의 움직임 특성에 대하여 서술한다.

본 발명의 공압 그리퍼(100)의 움직임 특성을 확인하기 위하여 몇 가지 실험이 수행되었다. 먼저, 공압 그리퍼(100)에 검정색 트레이스 마커를 부착하고 이를 30프레임 비디오로 녹화하여 트래킹 프로그램으로 이를 분석하고 움직임 특성을 확인하였다. 실험을 진행한 핑거부(10)의 사진은 도 8에 도시된다.

도 8에서, 마커는 7개를 사용하였으며, 손가락이 굽혀지는 정도와 펌핑부(20)의 가동범위를 측정하였다. 이때 모터(61)는 상용모터를 사용하였고, 내부 코드를 이용하여 강선(50)을 당기는 것을 제어할 수 있게 하였다.

또한, 펌핑부(20)에서 나오는 압력과 펌핑부(20)의 높이 변화량 간의 관계를 추론할 수 있도록 압력계를 펌핑부(20)에 부착하여 동작중 측정을 하였다.

다음은 핑거부(10)의 움직임을 시간에 따라 프로그램을 통해 추적한 결과물이다. 도 10a 및 10b는 시간에 대한 손가락의 굽힘과 펴짐에 대한 추적 결과물이고, 도 10c는 시간변수에 대한 액츄에이터 끝단의 x방향 변화량과 펌핑부(20)의 높이변화량을 비교한 것이다. 높이변화량이 비교적 사인파의 형태에 가까운 반면, x방향 변화량은 양 끝단에서 왜곡된 현상을 보여준다. 이는 양 끝단에서 반동이 생기기 때문에 측정되는 동작 특성이다.

액츄에이터의 주파수 특성을 확인하기 위해 각각 0.6, 1.0, 1.6, 2.3, 2.8, 그리고 3.1 Hz 에서 동일한 펌핑부(20)의 높이(4.2 mm)로 실험을 하였다.

동일한 실험 셋업(도 8a)을 이용하여 고유주파수 측정을 하였을 때 3 Hz의 고유주파수 특성이 나타났는데, 이는 여러 주파수에 대한 Δx 값의 경향성이 나타난 도 11a의 그래프에 나타나 있고, 3 Hz 주변에서 변화량이 가장 급격하게 증가했고 3 Hz보다 약간 큰 값에서 변화량이 조금 변했다는 것을 확인할 수 있었다.

이를 통해 고유주파수인 3 Hz에서 가장 큰 x 값의 변화량이 생겼을 것이라는 추론을 할 수 있다. 또한 주파수 분석을 하여 펌핑부(20)의 입력 변화량과 핑거부(10)의 출력 변화량간의 페이즈(phase) 차이를 확인할 수 있었는데, 물체의 진동에 있어서 1차 모드에서 고유주파수에서 페이즈 차이가 90도가 나는데 도 11b 그래프에서도 3 Hz 주변에서 페이즈 차이가 급격하게 커졌고, 그 값에서 페이즈 차이가 약 90도 차이나는 것을 확인할 수 있기 때문에 고유주파수가 3 Hz라는 것을 확인할 수 있다.

핑거부(10)의 또 다른 움직임 특성은 같은 주파수에서 서로 다른 입력 압력을 이용하여 측정할 수 있다. 우리는 동일한 주파수(1 Hz)에서 펌핑부(20)의 높이를 조절하여 같은 높이가 움직일 때의 핑거부(10) 끝단의 움직임과 펌프에서 나오는 출력 공기압을 측정하였다. 압력을 측정하는 실험은 도 9b의 그림의 실험 셋업을 사용하여 실험을 진행하였다. 실험 높이는 각각 3.2, 4.2, 7.4, 9.3, 15.3 mm peak-to-peak 값을 사용하였으며 펌핑부(20)의 입력 높이가 증가할수록 액츄에이터의 전체 길이 L로 평균화시킨 값인 Δx/L의 값이 점점 증가하는 형상을 가지고 있다(도 12a 및 12b 참조).

도 13a는 그리퍼 시스템(1000)의 사시도이고, 도 13b는 도 13a의 그리퍼 시스템(1000)이 사용되는 일예를 도시하는 사진이다.

도 13a를 참조하면, 그리퍼 시스템(1000)은 공압 그리퍼(100) 세개를 이용하여 삼각형의 형태로 배치를 한 뒤에 아크릴 바디를 이용하여 고정을 하여 제작을 하였다.

공압 그리퍼(100)는 모듈화되어 있기 때문에 원하는 형태의 그리퍼 시스템(1000)을 만들 수 있다.

그리퍼 시스템(1000)은 전술한 공압 그리퍼(100)와, 구동장치를 포함한다. 공압 그리퍼(100)는 두 개 이상으로 이루어지고, 서로 이격되도록 배치된다. 또한, 구동장치는 공압 그리퍼(100)에 연결되어 상기 공압 그리퍼(100)에 동력을 제공하여 상기 펌핑부(20)를 압축 및 팽창 가능하게 한다.

구동장치는, 모터(61), 풀리(63) 및 방향 전환 부재(65)를 포함할 수 있다. 모터(61)는 동력을 발생시키고, 모터(61)에 설치된 풀리(63)의 회전에 의해 방향 전환 부재(65)를 통해서 강선(50)에 장력이 제공될 수 있으며, 이로 인해 하부판(40)의 이동에 의해 펌핑부(20)는 압축되고 핑거부(10)가 굽힘 운동할 수 있으며, 이에 대해서는 앞서 상세히 서술하였다.

한편, 도 15에는 그리퍼 시스템(1000)의 하단에, 공압 그리퍼(100)의 초기 각도를 조정할 수 있도록 레일(61d)을 구비하는 가이딩 플레이트(61c)가 설치되어, 제작하여 기준위치를 조정하기 용이하는 예가 도시된다.

도 13a 및 13b에는 공압 그리퍼(100)가 삼각형의 꼭지점에 위치시켜 서로 마주보도록 하였고, 도 14a 및 14b에는 펌핑부(20)와 핑거부(10)를 연결시켜주는 커넥터(30)의 하부에 고정판이 더 설치되는 예가 도시되는데, 고정판은, 모터(61)가 강선(50)을 잡아당길 때 단단하게 고정되어 움직이지 않도록 설계하였다. 또한, 핑거부(10)를 쉽게 교체하게 하기 위하여, 본 발명에서 다양한 구성을 서로 체결하는 연결부는 볼트 및 너트 체결에 의해 가능할 수 있다. 또한, 그리퍼 시스템(1000)에는 모터(61)의 아랫쪽에 플레이트(61a)와 모터(61)를 연결하는 브라켓(61b)이 설치될 수 있으며, 도면에서 명확히 도시되지는 않았지만 볼트 및 너트 체결에 의해 결합될 수 있다.

이상에서 설명한 공압 그리퍼(100) 및 그리퍼 시스템(1000)은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (8)

1. 공기를 수용 가능한 수용부를 구비하고, 상기 수용부에 공기가 공급되면 내부 팽창에 의해 굽힘 운동하도록 변형하는 핑거부;
   압축 및 팽창운동 가능하도록 형성되고, 상기 수용부에 공기의 공급 가능하도록 연통되는 펌핑부; 및
   상기 핑거부 및 펌핑부 사이에 구비되고, 상기 수용부와 상기 펌핑부 각각의 내부가 서로 연통 가능하도록 상기 핑거부 및 상기 펌핑부가 설치되는 커넥터를 포함하고,
   상기 펌핑부의 압축운동에 의해 상기 펌핑부 내부의 공기는 상기 핑거부의 수용부로 공급되어 상기 수용부는 굽힘 운동하도록 동작하고,
   상기 커넥터는,
   상기 펌핑부의 압축 시에 전달되는 힘을 지지하는 지지판; 및
   상기 지지판의 일 면에 설치되고, 상기 핑거부가 삽입되는 핑거 설치부재를 포함하고,
   상기 펌핑부를 사이에 두고 상기 지지판의 반대측에 배치되는 하부판을 더 포함하고,
   상기 지지판 및 상기 하부판에는, 강선이 설치되어 상기 강선을 통해 전달되는 장력에 의해 상기 지지판 및 상기 하부판 사이의 상대 거리는 조절되고,
   상기 강선에 장력이 제공되어 상기 지지판 및 상기 하부판 사이의 상대 거리가 가까워지면, 상기 펌핑부는 압축되고 상기 핑거부는 내부의 공기에 의한 팽창에 의해 굽힘 변형되고,
   상기 지지판 및 상기 하부판 사이의 상대 거리가 멀어지면 상기 펌핑부는 팽창되고, 상기 핑거부는 원래 상태로 복원되는 것을 특징으로 하는 공압 그리퍼.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 핑거부는,
   일 방향으로 연장되도록 형성되는 전방핑거부분; 및
   상기 전방핑거부분에 이격되도록 형성되어 굴곡진 형상으로 상기 일 방향을 따라서 연장되는 후방핑거부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 공압 그리퍼.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 전방핑거부분 및 후방핑거부분은, 실리콘의 재질인 것을 특징으로 하는 공압 그리퍼.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 펌핑부는,
   접혀진 부분을 복수 개 구비하는 오리가미 펌프인 것을 특징으로 하는 공압 그리퍼.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 지지판의 일 면에는, 상기 강선이 걸림 설치되도록 홈을 구비하는 걸림부재가 더 설치되고,
   상기 지지판에는 상기 홈과 연통되고, 상기 강선이 설치되는 홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 공압 그리퍼.
   
8. 제1항 내지 제4항, 및 제7항 중 어느 한 항에 따른 공압 그리퍼를 포함하는 그리퍼 시스템으로서,
   두 개 이상으로 이루어지고, 서로 이격되도록 배치되는 공압 그리퍼; 및
   상기 공압 그리퍼에 연결되어 상기 공압 그리퍼에 동력을 제공하여 상기 펌핑부를 압축 및 팽창 가능하게 하는 구동장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 그리퍼 시스템.

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