KR102485764B1 - Driving system based on thermal actuator and robot joint using the driving system and robot hand using the driving system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열구동기 기반의 구동 시스템 및 상기 열구동기 기반의 구동 시스템을 이용한 로봇관절 및 로봇손에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템은 풀리, 상기 풀리의 외주면에 장착되는 텐던 및 상기 텐던의 양단에 각각 연결되어 상기 텐던을 이동시키는 구동기를 포함하며 상기 구동기의 동작에 의해 상기 풀리를 회전시키는 구동 시스템에 있어서, 상기 텐던의 일단에 연결되는 제 1 구동기와 상기 텐던의 타단에 연결되는 제 2 구동기는 폴리머 파이버를 일 방향으로 감아 코일을 형성하여 인가되는 열에 의해 구동하는 폴리머 기반 열구동기와 형상기억합금 와이어를 감아 코일을 형성하여 인가되는 열에 의해 구동하는 형상기억합금 기반 열구동기의 조합으로 형성되는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a thermal actuator-based drive system and a robot joint and a robot hand using the thermal actuator-based drive system. In a driving system including actuators connected to both ends of the tendon to move the tendon and rotating the pulley by operation of the actuator, a first actuator connected to one end of the tendon and connected to the other end of the tendon The second actuator is a polymer-based thermal actuator driven by heat applied by winding a polymer fiber in one direction to form a coil and a shape memory alloy-based thermal actuator driven by heat applied by winding a shape memory alloy wire to form a coil. It is characterized by being formed in combination.

Description

열구동기 기반의 구동 시스템 및 상기 열구동기 기반의 구동 시스템을 이용한 로봇관절 및 로봇손{DRIVING SYSTEM BASED ON THERMAL ACTUATOR AND ROBOT JOINT USING THE DRIVING SYSTEM AND ROBOT HAND USING THE DRIVING SYSTEM}Thermal actuator-based driving system and robot joint and robot hand using the thermal actuator-based driving system

본 발명은 열구동기 기반의 구동 시스템 및 상기 열구동기 기반의 구동 시스템을 이용한 로봇관절 및 로봇손에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폴리머 기반 열구동기와 형상기억합금 기반 열구동기를 조합하여 구동하는 열구동기 기반의 구동 시스템 및 상기 열구동기 기반의 구동 시스템을 이용한 로봇관절 및 로봇손에 관한 것이다.The present invention relates to a thermal actuator-based driving system and a robot joint and a robot hand using the thermal actuator-based driving system, and more particularly, to a thermal actuator driving a combination of a polymer-based thermal actuator and a shape memory alloy-based thermal actuator. It relates to a robot joint and a robot hand using a drive system based on a base and a drive system based on the thermal actuator.

가열 및 냉각에 의해 동작하는 열구동기로 폴리머 기반 열구동기와 형상기억합금 기반 열구동기가 대표적으로 알려져 있다. As thermal actuators that operate by heating and cooling, polymer-based thermal actuators and shape memory alloy-based thermal actuators are representatively known.

폴리머 기반 열구동기는 폴리머 파이버를 꼬아서 코일을 만들어 열에 의해 구동하는 것으로 가벼운 무게로 큰 출력을 낼 수 있다. 또한, 폴리머 기반 열구동기는 가열 과정과 냉각 과정에서 히스테리시스가 작아 제어가 용이하다는 장점이 있다. 하지만, 제작 기술과 폴리머 특성의 한계로 응답 특성이 낮아 빠른 구동을 기대하기 힘들다는 단점이 있다. Polymer-based thermal actuators are made by twisting polymer fibers into coils and driven by heat, and can produce large output with light weight. In addition, the polymer-based thermal actuator has an advantage of easy control due to a small hysteresis in heating and cooling processes. However, there is a disadvantage in that it is difficult to expect fast operation due to low response characteristics due to limitations in manufacturing technology and polymer properties.

형상기억합금은 고온에서 어닐링(annealing)을 통해 형상을 기억하며 일정 온도 이상에서 기억된 형상으로 돌아가려는 성질을 가지고 있다. 이를 코일 형태로 감아 제작하면 열에 의해 큰 변위, 큰 힘을 낼 수 있는 형상기억합금 기반 열구동기로 활용할 수 있다. 또한, 형상기억합금 기반 열구동기는 금속의 특성에 의해 빠른 응답 특성을 가진다. 하지만, 코일 형태로 감아 제작하면 큰 변위를 출력할 수 있으나 히스테리시스가 커서 제어가 힘들다는 단점이 있다. Shape memory alloys have the property of memorizing their shapes through annealing at high temperatures and returning to their memorized shapes at a certain temperature or higher. If it is manufactured by winding it in the form of a coil, it can be used as a shape memory alloy-based thermal actuator that can generate large displacement and large force by heat. In addition, the shape memory alloy-based thermal actuator has a fast response characteristic due to the characteristics of the metal. However, if manufactured by winding in the form of a coil, a large displacement can be output, but there is a disadvantage in that control is difficult due to large hysteresis.

이와 같이, 상기 두 가지 종류의 열구동기는 여러 장점이 있음에도 불구하고 재료가 가지고 있는 특성에 의해 발생하는 필연적인 단점들이 있어서 로봇 등에 있어서 실제로 적용되어 활용되기가 어려웠다. As described above, although the above two types of thermal actuators have various advantages, they have inevitable disadvantages caused by the characteristics of materials, making it difficult to actually apply and utilize them in robots and the like.

대한민국 등록특허 제2004931호Republic of Korea Patent No. 2004931

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 폴리머 기반 열구동기와 형상기억합금 기반 열구동기를 조합하여 구동 시스템을 형성하여 각각의 열구동기가 가지고 있는 장점을 살리되 단점을 보완하도록 하는 열구동기 기반의 구동 시스템 및 상기 열구동기 기반의 구동 시스템을 이용한 로봇관절 및 로봇손을 제공함에 있다.Therefore, an object of the present invention is to solve such conventional problems, and to form a driving system by combining a polymer-based thermal actuator and a shape memory alloy-based thermal actuator to utilize the advantages of each thermal actuator while supplementing the disadvantages. It is to provide a thermal actuator-based driving system and a robot joint and a robot hand using the thermal actuator-based driving system.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 풀리, 상기 풀리의 외주면에 장착되는 텐던 및 상기 텐던의 양단에 각각 연결되어 상기 텐던을 이동시키는 구동기를 포함하며 상기 구동기의 동작에 의해 상기 풀리를 회전시키는 구동 시스템에 있어서, 상기 텐던의 일단에 연결되는 제 1 구동기와 상기 텐던의 타단에 연결되는 제 2 구동기는 폴리머 파이버를 일 방향으로 감아 코일을 형성하여 인가되는 열에 의해 구동하는 폴리머 기반 열구동기와 형상기억합금 와이어를 감아 코일을 형성하여 인가되는 열에 의해 구동하는 형상기억합금 기반 열구동기의 조합으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열구동기 기반의 구동 시스템에 의해 달성될 수 있다. According to the present invention, a drive system comprising a pulley, a tendon mounted on an outer circumferential surface of the pulley, and a driver connected to both ends of the tendon to move the tendon and rotating the pulley by the operation of the driver In the above, the first actuator connected to one end of the tendon and the second actuator connected to the other end of the tendon form a coil by winding a polymer fiber in one direction, and a polymer-based thermal actuator and shape memory alloy driven by applied heat It can be achieved by a thermal actuator-based drive system characterized in that it is formed by a combination of a shape memory alloy-based thermal actuator driven by heat applied by winding a wire to form a coil.

여기서, 상기 제 1 구동기는 상기 폴리머 기반 열구동기로 형성되고, 상기 제 2 구동기는 상기 형상기억합금 기반 열구동기로 형성될 수 있다. Here, the first actuator may be formed as the polymer-based thermal actuator, and the second actuator may be formed as the shape memory alloy-based thermal actuator.

여기서, 상기 형상기억합금 기반 열구동기는 상기 풀리의 구동방향에 배치될 수 있다. Here, the shape memory alloy-based thermal actuator may be disposed in the driving direction of the pulley.

여기서, 상기 제 1 구동기는 상기 폴리머 기반 열구동기와 상기 형상기억합금 기반 열구동기가 병렬로 배치되어 형성될 수 있다. Here, the first actuator may be formed by arranging the polymer-based thermal actuator and the shape memory alloy-based thermal actuator in parallel.

여기서, 상기 제 2 구동기는 상기 폴리머 기반 열구동기와 상기 형상기억합금 기반 열구동기가 병렬로 배치되어 형성될 수 있다. Here, the second actuator may be formed by arranging the polymer-based thermal actuator and the shape memory alloy-based thermal actuator in parallel.

여기서, 상기 제 1 구동기는 상기 형상기억합금 기반 열구동기의 코일 내부에 상기 폴리머 기반 열구동기가 배치되는 형태로 형성될 수 있다. Here, the first actuator may be formed in a form in which the polymer-based thermal actuator is disposed inside the coil of the shape memory alloy-based thermal actuator.

또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 전술한 열구동기 기반의 구동 시스템; 일단에 상기 풀리가 고정되며 상기 구동기와 나란하게 고정 배치되는 제 1 링크; 및 상기 풀리에 고정되어 상기 풀리의 회전에 따라서 구동하는 제 2 링크를 포함하는 로봇 관절에 의해 달성될 수 있다. In addition, the above object, according to the present invention, the above-described thermal actuator-based drive system; a first link fixed to one end of the pulley and arranged in parallel with the driver; And it can be achieved by a robot joint including a second link fixed to the pulley and driven according to the rotation of the pulley.

여기서, 상기 풀리의 회전 각도를 측정하는 엔코더를 더 포함할 수 있다. Here, an encoder for measuring a rotational angle of the pulley may be further included.

여기서, 상기 제 1 구동기와 상기 제 2 구동기를 냉각시키는 냉각부를 더 포함할 수 있다. Here, a cooling unit for cooling the first actuator and the second actuator may be further included.

여기서, 상기 제 1 구동기와 상기 제 2 구동기에 각각 고정되어 상기 제 1 구동기 및 상기 제 2 구동기에 작용하는 힘을 측정하는 로드셀을 더 포함할 수 있다. Here, a load cell fixed to the first actuator and the second actuator may be further included to measure forces applied to the first actuator and the second actuator.

여기서, 상기 제 1 구동기와 상기 제 2 구동기의 일측에 배치되어 적외선으로 온도를 측정하는 적외선 온도센서를 더 포함할 수 있다. Here, an infrared temperature sensor disposed on one side of the first driver and the second driver to measure temperature with infrared light may be further included.

또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 복수의 손가락 마디부 및 상기 손가락 마디부 사이를 연결하는 손가락 구동 텐던의 움직임으로 각 손가락 마디부를 한꺼번에 구동시키는 로봇손의 손가락 기구; 및 전술한 열구동기 기반의 구동 시스템을 포함하며, 상기 손가락 구동 텐던은 상기 제 1 구동기 또는 상기 제 2 구동기 중 어느 하나에 연결되어 동작하는 로봇손에 의해 달성될 수 있다. In addition, the above object, according to the present invention, the finger mechanism of the robot hand for driving each knuckle at once by the movement of a plurality of knuckles and finger drive tendons connecting between the knuckles; and the above-described thermal actuator-based drive system, wherein the finger-driven tendon can be achieved by a robot hand connected to and operating either the first actuator or the second actuator.

상기한 바와 같은 본 발명의 열구동기 기반의 구동 시스템에 따르면 폴리머 기반 열구동기가 가지고 있는 응답 특성의 문제 및 형상기억합금 기반 구동기가 있는 제어 문제를 보완하여 구동하는 열기반의 구동 시스템을 구현할 수 있다는 장점이 있다. According to the thermal actuator-based drive system of the present invention as described above, the advantage of being able to implement a heat-based drive system that compensates for the problem of response characteristics of the polymer-based thermal actuator and the control problem of the shape memory alloy-based actuator. there is

또한, 기존에 모터와 펌프에 의해 무겁고 소음이 심한 기존의 의수/바이오닉암이 가지고 있는 문제를 해결할 수 있다는 장점도 있다. In addition, it has the advantage of being able to solve the problems of existing prosthetic arms/bionic arms that are heavy and noisy due to motors and pumps.

또한, 열기반 구동 시스템을 다양한 형태로 변형하여 실제 로봇 등에 적용할 수 있다는 장점도 있다. In addition, there is an advantage that the heat-based drive system can be transformed into various forms and applied to actual robots.

도 1과 도 2는 폴리머 기반 열구동기로만 구성된 구동 시스템의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 3은 형상기억합금 기반 열구동기로만 구성된 구동 시스템의 일 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템을 도시하는 도면이다.
도 7은 도 6의 구동기를 실제 제작한 모습을 보여주는 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 및 로봇 관절에 장착되는 구동 시스템의 개념도를 함께 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 구동기 구성을 보다 상세히 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇손을 도시한 도면이다.
1 and 2 are diagrams illustrating an example of a driving system composed of only polymer-based thermal actuators.
3 is a diagram illustrating an example of a driving system composed of only shape memory alloy-based thermal actuators.
4 is a diagram showing a drive system based on a thermal actuator according to a first embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a drive system based on a thermal actuator according to a second embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing a drive system based on a thermal actuator according to a third embodiment of the present invention.
7 is a photograph showing a state in which the actuator of FIG. 6 is actually manufactured.
8 is a diagram showing a conceptual diagram of a robot joint and a driving system mounted on the robot joint according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating the driver configuration of FIG. 8 in more detail.
10 is a diagram showing a robot hand according to an embodiment of the present invention.

실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.The specific details of the embodiments are included in the detailed description and drawings.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다 Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to completely inform the person who has the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 열구동기 기반의 구동 시스템 및 상기 열구동기 기반의 구동 시스템을 이용한 로봇관절 및 로봇손을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to drawings for explaining a thermal actuator-based driving system and a robot joint and a robot hand using the thermal actuator-based driving system according to embodiments of the present invention.

폴리머 기반 열구동기(도 1 내지 도 6에서 a로 표시)는 폴리우레탄 파이버와 같은 폴리머 파이버를 일방향으로 감아 꼬아서 코일 형태로 형성되는 구동기로, 폴리머 파이버에 열을 가하면 폴리머 파이버가 길이 방향으로는 수축하고 반경 방향으로는 확장하는 성질을 가져 상기 폴리머 파이버의 열변형에 의해 코일 형태의 폴리머 기반 열구동기는 수축하게 된다. 다시 냉각되면 코일 형태의 폴리머 기반 열구동기는 다시 신장하게 된다. The polymer-based thermal actuator (shown as a in FIGS. 1 to 6) is an actuator formed by winding and twisting a polymer fiber such as polyurethane fiber in one direction to form a coil. When heat is applied to the polymer fiber, the polymer fiber moves in the longitudinal direction. The polymer-based thermal actuator in the form of a coil contracts due to thermal deformation of the polymer fiber because it contracts and expands in the radial direction. When cooled again, the coil-shaped polymer-based thermal actuator will stretch again.

이때, 폴리머 기반 열구동기 외측에 배치되어 열을 발산하는 가열부를 구비하여 폴리머 기반 열구동기에 열을 가할 수 있다. 또는, 폴리머 기반 열구동기를 제작할 때 폴리머 파이버와 전기전도성 와이어를 함께 꼬아 제작하고 전기전도성 와이어에 전기를 공급하여 저항에 의한 발열에 의해 열을 발생하여 폴리머 기반 열구동기에 열을 가할 수도 있다. In this case, heat may be applied to the polymer-based thermal actuator by including a heating unit disposed outside the polymer-based thermal actuator to dissipate heat. Alternatively, when manufacturing the polymer-based thermal actuator, the polymer fiber and the electrically conductive wire may be twisted together, and electricity may be supplied to the electrically conductive wire to generate heat by heat generated by resistance, thereby applying heat to the polymer-based thermal actuator.

폴리머 기반 열구동기의 구성 및 동작 등과 관련하여서는 대한민국 등록특허 제2004931호에 상세히 설명되어 있으므로, 이에 관한 상세 설명은 생략하기로 한다. Since the configuration and operation of the polymer-based thermal actuator are described in detail in Korean Patent Registration No. 2004931, a detailed description thereof will be omitted.

다음, 본 발명에서 사용되는 형상기억합금 기반 열구동기(도 1 내지 도 6에서 b로 표기)는 형상기억합금 와이어를 감아 코일 형태로 형성되는 구동기로, 상기와 같이 제작된 형상기억합금 기반 열구동기에 열이 가해지면 코일 형태의 형상기억합금 기반 열구동기가 수축하게 된다. 다시 냉각되면 코일 형태의 형상기억합금 기반 열구동기는 다시 신장하게 된다. Next, the shape memory alloy-based thermal actuator (indicated by b in FIGS. 1 to 6) used in the present invention is an actuator formed in the form of a coil by winding a shape memory alloy wire, and the shape memory alloy-based thermal actuator manufactured as described above. When heat is applied to the coil, the shape memory alloy-based thermal actuator contracts. When cooled again, the shape memory alloy-based thermal actuator in the form of a coil elongates again.

전술한 형상기억합금 기반 열구동기의 구성 및 동작 등과 관련된 기술 내용도 공지된 기술이므로 이에 관한 상세 설명은 생략하기로 한다. Since the technical contents related to the configuration and operation of the above-described shape memory alloy-based thermal actuator are also known technologies, a detailed description thereof will be omitted.

본 발명에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템의 설명에 앞서, 이와 대비될 수 있는 열구동기 기반의 구동 시스템을 도 1 내지 도 3을 참조로 먼저 설명하기로 한다. Prior to the description of the thermal actuator-based driving system according to the present invention, a thermal actuator-based driving system that can be compared thereto will be first described with reference to FIGS. 1 to 3 .

도 1과 도 2는 폴리머 기반 열구동기로만 구성된 구동 시스템의 일 예를 도시하는 도면이고, 도 3은 형상기억합금 기반 열구동기로반 구성된 구동 시스템의 일 예를 도시하는 도면이다.1 and 2 are diagrams showing an example of a drive system composed of only polymer-based thermal actuators, and FIG. 3 is a diagram showing an example of a drive system composed of a shape memory alloy-based thermal actuator.

도 1에 도시된 열구동기 시스템은 풀리(140), 텐던(130), 폴리머 기반 열구동기(110a, 120a)를 포함하여 구성된다. The thermal actuator system shown in FIG. 1 includes a pulley 140, a tendon 130, and polymer-based thermal actuators 110a and 120a.

풀리(140)의 외주면에 텐던(130)이 장착되고, 텐던(130)의 양단에는 각각 폴리머 기반 열구동기(110a, 120a)가 연결된다. 폴리머 기반 열구동기(110a, 120a)의 상단은 고정된다. 이하의 설명에서는 풀리(140)를 중심으로 왼쪽에 있는 열구동기를 제 1 구동기(110)라하고 오른쪽에 있는 열구동기를 제 2 구동기(120)라 칭하며 설명하기로 한다. A tendon 130 is mounted on an outer circumferential surface of the pulley 140, and polymer-based thermal actuators 110a and 120a are connected to both ends of the tendon 130, respectively. Upper ends of the polymer-based thermal actuators 110a and 120a are fixed. In the following description, the thermal actuator on the left side of the pulley 140 will be referred to as the first driver 110 and the thermal actuator on the right side will be referred to as the second actuator 120.

도면에서 제 1 구동기(110a)와 제 2 구동기(120a)는 단일 코일로 형성되어 있는 것을 도시하나, 제 1 구동기(110a)와 제 2 구동기(120a) 각각은 폴리머 기반 열구동기 번들로 구성될 수도 있다. In the drawing, the first actuator 110a and the second actuator 120a are shown as being formed of a single coil, but each of the first actuator 110a and the second actuator 120a may be configured as a polymer-based thermal actuator bundle. there is.

제 1 구동기(110a) 또는 제 2 구동기(120a)가 압축 또는 신장되도록 동작시킬 때 제 1 구동기(110a) 및 제 2 구동기(120a)에 연결되는 텐던(130)이 이동하므로 텐넌(130)과 풀리(140) 사이의 마찰력에 의해 풀리(140)를 회전시킬 수가 있다. When the first actuator 110a or the second actuator 120a is operated to compress or extend, the tendons 130 connected to the first actuator 110a and the second actuator 120a move, so that the tennon 130 and the pulley The pulley 140 can be rotated by the frictional force between the 140.

도 1에 도시되어 있는 것과 같이 제 1 구동기(110a)는 코일이 압축된 상태로 제 2 구동기(120a)는 코일이 신장된 상태로 초기 장착될 수 있는데, 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 제 2 구동기(120a)에 열을 가하면 제 2 구동기(120a)가 압축되어 텐던(130)을 당기게 되고, 텐던(130)의 장력에 의해 제 1 구동기(110a)의 코일은 신장하게 된다. 이때, 텐던(130)이 이동함에 따라서 풀리(140)는 반시계 방향으로 회전하게 된다.As shown in FIG. 1, the first actuator 110a may be initially mounted in a compressed coil state and the second actuator 120a in an extended coil state. As shown in FIG. When heat is applied to the actuator 120a, the second actuator 120a is compressed to pull the tendon 130, and the tension of the tendon 130 causes the coil of the first actuator 110a to extend. At this time, as the tendon 130 moves, the pulley 140 rotates counterclockwise.

반대로, 신장된 제 1 구동기(110a)에 열을 가하고 제 2 구동기(120a)를 냉각시키면 제 1 구동기(110a)가 압축되어 텐던(130)을 반대 방향으로 당기게 되고, 텐던(130)의 장력에 의해 압축된 제 2 구동기(120a)의 코일은 다시 도 1과 같이 신장하여 풀리(140)는 시계 방향으로 회전하여 원래 위치로 복귀할 수 있다. Conversely, when heat is applied to the stretched first actuator 110a and the second actuator 120a is cooled, the first actuator 110a is compressed to pull the tendon 130 in the opposite direction, and the tension of the tendon 130 The coil of the second actuator 120a compressed by the second actuator 120a is extended again as shown in FIG. 1 , and the pulley 140 rotates clockwise to return to its original position.

이와 같이, 제 1 구동기(110a) 및 제 2 구동기(120a)의 동작으로 텐던(130)을 이동시켜 풀리(140)를 반시계 방향으로 회전시키거나 다시 최초 위치로 복귀시킬 수가 있다. In this way, the tendon 130 may be moved by the operation of the first actuator 110a and the second actuator 120a to rotate the pulley 140 counterclockwise or to return to the initial position.

도 1에서와 같이 제 1 구동기(110a)와 제 2 구동기(120a)를 모두 폴리머 기반 열구동기로 제작하는 경우 매우 가볍고 저렴하며 유연하지만 매우 큰 힘을 낼 수 있다는 장점이 있다. 또한, 히스테리시스가 비교적 적어 제어 성능이 뛰어나다는 장점도 있다. As shown in FIG. 1, when both the first actuator 110a and the second actuator 120a are manufactured as polymer-based thermal actuators, they are very light, inexpensive, and flexible, but have the advantage of being able to generate a very large force. In addition, there is an advantage in that the hysteresis is relatively low and the control performance is excellent.

하지만, 폴리머는 금속에 비해 열전도성이 현저히 낮아서 가열시키거나 가열되었던 열을 식히는데 시간이 많이 걸려 응답 특성이 낮다는 단점이 있다. 폴리머 파이버를 일방향으로 감아서 제작되는 폴리머 기반 열구동기는 일정한 성능으로 구동기를 제작하기가 어려워 다량으로 사용(번들 형태로 사용)하는 경우 제어 성능이 떨어진다는 단점이 있다. 또한, 도 1의 제 2 구동기(120a)와 같이 초기에 코일을 신장시키기 위한 장력이 크게 필요하며 번들로 다량으로 사용하는 경우 더 큰 장력이 필요하다. 따라서, 코일을 신장시키기 위해 필요한 힘은 구동에 방해를 하게 되며 풀리(140)에 큰 힘이 가해진다는 단점이 있다. However, the polymer has a disadvantage in that it has a low response characteristic because it takes a long time to heat or cool the heated heat because its thermal conductivity is significantly lower than that of metal. Polymer-based thermal actuators manufactured by winding polymer fibers in one direction have a disadvantage in that control performance is poor when used in large quantities (used in a bundle form) because it is difficult to manufacture actuators with constant performance. In addition, as in the second actuator 120a of FIG. 1, a high tension is required to initially extend the coil, and a higher tension is required when used in a large amount in a bundle. Therefore, the force required to extend the coil interferes with driving, and there is a disadvantage in that a large force is applied to the pulley 140 .

도 3의 구동 시스템은 도 1과 비교하여 제 1 구동기(110b)와 제 2 구동기(120b)가 모두 형상기억합금 기반 열구동기로 형성되는 점에서 차이가 있고, 나머지 구성은 도 1과 동일하다. The driving system of FIG. 3 differs from that of FIG. 1 in that both the first actuator 110b and the second actuator 120b are formed as shape memory alloy-based thermal actuators, and the rest of the configuration is the same as that of FIG. 1 .

형상기억합금 기반 열구동기는 온도 변화에 따라 상이 변화할 때 초기에 어닐링을 통해 만들어진 형상으로 돌아가려는 특성을 가진다. The shape memory alloy-based thermal actuator has a characteristic of returning to the shape initially created through annealing when the phase changes with temperature change.

형상기억합금 기반 열구동기는 가볍고 내구성이 뛰어나며 매우 큰 힘을 낼 수 있다는 장점이 있다. 비교적 일정한 특성을 가진 와이어를 감아 일정하게 열구동기를 제작할 수 있어서 제작이 용이하다. 또한, 금속의 높은 열전도 특징을 가지고 있으므로 온도 변화에 따른 반응이 빠르다는 장점도 있다. 또한, 초기에 코일을 신장시키기 위한 장력이 작아 구동을 방해하는 힘이 작다는 장점이 있다. Shape memory alloy-based thermal actuators have the advantage of being lightweight, durable, and capable of generating very large forces. It is easy to manufacture because it is possible to manufacture a thermal actuator uniformly by winding a wire with relatively constant characteristics. In addition, since it has the characteristics of high heat conduction of metal, there is also an advantage that the reaction according to the temperature change is fast. In addition, there is an advantage in that the force to hinder the driving is small because the tension for initially extending the coil is small.

하지만, 상변화를 이용한 구동 특성 때문에 히스테리시스가 커 제어가 어렵다는 문제가 있다. 또한, 열을 가하지 않으면 다시 돌아가려는 힘이 없어서 늘어진 상태를 유지하게 된다. 따라서, 양쪽의 구동기가 모두 신장되어 늘어지는 경우 텐던(130)이 늘어져 풀리(140)로부터 이탈하거나 양쪽의 구동기(110b, 120b)가 서로 닿아 통전하는 등의 문제가 발생할 수 있다. However, there is a problem in that control is difficult due to a large hysteresis due to driving characteristics using a phase change. In addition, if heat is not applied, there is no power to go back, so it remains in a stretched state. Therefore, when both actuators are stretched and stretched, problems such as the tendon 130 being stretched and separated from the pulley 140 or both actuators 110b and 120b contacting each other and being energized may occur.

따라서, 정밀한 제어를 위해서는 도 1의 구동 시스템이 적합하며, 정밀하지 않지만 큰 힘이 필요할 때에는 도 2의 구동 시스템이 적합하다. 하지만, 각각의 구동 시스템은 전술한 문제점을 가지게 된다. Therefore, the driving system of FIG. 1 is suitable for precise control, and the driving system of FIG. 2 is suitable when a large force is required although it is not precise. However, each driving system has the aforementioned problems.

이하, 도 4 내지 도 7을 참조로 본 발명에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템을 설명하기로 한다. Hereinafter, a thermal actuator-based driving system according to the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 7 .

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템을 도시하는 도면이고, 도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템을 도시하는 도면이고, 도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템을 도시하는 도면이고, 도 7은 도 6의 구동기를 실제 제작한 모습을 보여주는 사진이다.4 is a diagram showing a drive system based on a thermal actuator according to a first embodiment of the present invention, FIG. 5 is a diagram showing a drive system based on a thermal actuator according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram showing a thermal actuator-based drive system according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a photograph showing a state in which the actuator of FIG. 6 is actually manufactured.

본 발명에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템은 풀리(140), 텐던(130), 및 텐던(130)의 양단에 연결되는 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 풀리(140), 텐던(130), 제 1 구동기(110) 및 제 2 구동기(120)의 구성 및 동작은 도 1 내지 도 3을 참고로 전술한 내용과 동일하므로 이에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 단, 본 실시예에서 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)는 폴리머 기반 열구동기와 형상기억합금 기반 열구동기의 조합으로 형성된다. The thermal actuator-based drive system according to the present invention may include a pulley 140, a tendon 130, and a first actuator 110 and a second actuator 120 connected to both ends of the tendon 130. there is. Since the configuration and operation of the pulley 140, the tendon 130, the first actuator 110, and the second actuator 120 are the same as those described above with reference to FIGS. 1 to 3, a detailed description thereof will be omitted. do. However, in this embodiment, the first actuator 110 and the second actuator 120 are formed by a combination of a polymer-based thermal actuator and a shape memory alloy-based thermal actuator.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템(100-1)을 도시하는데, 제 1 구동기(110a)는 폴리머 기반 열구동기로 형성되고 제 2 구동기(120b)는 형상기억합금 기반 열구동기로 형성된다. 4 shows a thermal actuator-based drive system 100-1 according to a first embodiment of the present invention, in which the first actuator 110a is formed as a polymer-based thermal actuator and the second actuator 120b is a shape memory. It is formed as an alloy-based thermal actuator.

이때, 형상기억합금 기반 열구동기는 풀리(140)의 구동방향에 배치되는 것이 바람직하다. 여기서, 풀리(140)의 구동방향이라고 하면 일측 구동기는 압축된 상태로 타측 구동기는 신장된 상태로 초기에 배치된 상태에서 신장된 구동기가 압축되어 풀리(140)가 회전하는 방향을 의미한다. 도 4는 구동 시스템(100-1)의 초기 상태를 도시하는데, 우측의 제 2 구동기(120b)가 압축될 때 풀리(140)가 회전하는 반시계 방향이 풀리(140)의 구동방향이 된다. At this time, it is preferable that the shape memory alloy-based thermal actuator is disposed in the driving direction of the pulley 140 . Here, the driving direction of the pulley 140 means a direction in which the pulley 140 rotates as the actuator is compressed in a state where one actuator is initially arranged in a compressed state and the other actuator is extended. 4 shows the initial state of the driving system 100-1, when the second actuator 120b on the right side is compressed, the counterclockwise direction in which the pulley 140 rotates becomes the driving direction of the pulley 140.

이와 같이, 풀리(140)의 구동방향에 위치하는 제 2 구동기(120b)는 형상기억합금 기반 열구동기로 형성되고 반대쪽 제 1 구동기(110a)는 폴리머 기반 열구동기로 형성되는 것이 바람직하다. 형상기억합금 기반 열구동기는 코일을 신장시키기 위해 큰 힘이 필요하지 않으므로 풀리(140)에 가해지는 힘의 크기를 줄일 수 있다. 따라서, 반대쪽의 폴리머 기반 열구동기의 개수(번들로 형성하는 경우)를 줄일 수 있어 구동시 방해받는 힘 또한 작아진다. 또한, 폴리머 기반 열구동기에 의한 탄성으로 양 방향으로 항상 힘이 가해져 있어서 형상기억합금 기반 구동기가 늘어져 텐던(130)이 풀리(140)를 이탈하는 문제 또한 보완될 수 있다. 나아가, 형상기억합금 기반 구동기의 히스테리시스에 의한 제어 문제는 반대측의 폴리머 기반 열구동기의 구동으로 보완하여 보다 정밀한 제어가 가능할 수 있다. As such, it is preferable that the second driver 120b located in the driving direction of the pulley 140 is formed as a shape memory alloy-based thermal actuator and the opposite first actuator 110a is formed as a polymer-based thermal actuator. Since the shape memory alloy-based thermal actuator does not require a large force to elongate the coil, the amount of force applied to the pulley 140 can be reduced. Therefore, since the number of opposite polymer-based thermal actuators (when formed as a bundle) can be reduced, the force impeded during driving is also reduced. In addition, since force is always applied in both directions due to elasticity by the polymer-based thermal actuator, the problem of the tendon 130 leaving the pulley 140 due to the stretching of the shape-memory alloy-based actuator can also be supplemented. Furthermore, the control problem due to hysteresis of the shape memory alloy-based actuator can be compensated for by driving the polymer-based thermal actuator on the opposite side, enabling more precise control.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열구동기 기반의 구동 시스템(100-2)을 도시하는데, 제 1 구동기(110a, 110b)는 폴리머 기반 열구동기(110a)와 형상기억합금 기반 열구동기(110b)가 병렬로 배치된 형태로 형성된다. 또한, 제 2 구동기(120a, 120b)도 제 1 구동기(110a, 110b)와 마찬가지로 폴리머 기반 열구동기(120a)와 형상기억합금 기반 열구동기(120b)가 병렬로 배치된 형태로 형성될 수 있다. 5 shows a thermal actuator-based drive system 100-2 according to a second embodiment of the present invention, wherein the first actuators 110a and 110b include a polymer-based thermal actuator 110a and a shape memory alloy-based thermal actuator. (110b) is formed in a parallel arrangement. Also, like the first actuators 110a and 110b, the second actuators 120a and 120b may be formed in a form in which a polymer-based thermal actuator 120a and a shape memory alloy-based thermal actuator 120b are disposed in parallel.

제 1 구동기(110a, 110b)와 제 2 구동기(120a, 120b)를 동작시킬 때 각 구동기를 구성하는 형상기억합금 기반 열구동기와 폴리머 기반 열구동기를 함께 동작시켜 형상기억합금 기반 열구동기의 힘을 보조 받으며 폴리머 기반 열구동기로 안정적인 제어를 수행할 수가 있다. When the first actuators 110a and 110b and the second actuators 120a and 120b are operated, the shape memory alloy-based thermal actuator and the polymer-based thermal actuator constituting each actuator are operated together to reduce the power of the shape memory alloy-based thermal actuator. With assistance, stable control can be performed with a polymer-based thermal actuator.

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 열구동 기반의 구동 시스템(100-3)을 도시하는데, 본 실시예에서 제 1 구동기(110c)는 형상기억합금 기반 열구동기(110b)의 코일 내부에 폴리머 기반 열구동기(110a)가 배치되는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 제 2 구동기(120c)도 제 1 구동기(110c)와 마찬가지로 형상기억합금 기반 열구동기(120b)의 코일 내부에 폴리머 기반 열구동기(120a)가 배치되는 형태로 형성될 수 있다.6 shows a thermal drive-based drive system 100-3 according to a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the first actuator 110c is inside the coil of the shape memory alloy-based thermal actuator 110b. It may be formed in a form in which the polymer-based thermal actuator 110a is disposed. Also, like the first actuator 110c, the second actuator 120c may be formed in a form in which the polymer-based thermal actuator 120a is disposed inside the coil of the shape memory alloy-based thermal actuator 120b.

이와 같이 제 1 구동기(110c) 또는 제 2 구동기(120c)를 배치시키는 경우, 전술한 제 2 실시예와 같이 폴리머 기반 열구동기와 형상기억합금 기반 열구동기를 병렬로 배치시키는 효과를 달성함과 동시에 구동기(110c, 120c)의 집적도를 향상시킬 수가 있다. 나아가, 인접하는 폴리머 기반 열구동기와 형상기억합금 기반 열구동기 사이에 열교환이 용이해서 구동 효율 또한 향상시킬 수 있다. In this way, when the first actuator 110c or the second actuator 120c is disposed, the effect of arranging the polymer-based thermal actuator and the shape memory alloy-based thermal actuator in parallel as in the second embodiment described above is achieved, and at the same time The degree of integration of the actuators 110c and 120c can be improved. Furthermore, since heat exchange is easy between adjacent polymer-based thermal actuators and shape memory alloy-based thermal actuators, driving efficiency may also be improved.

이하, 도 4 내지 도 7을 참조로 전술한 본 발명의 열구동기 기반의 구동 시스템(100-1, 100-2, 100-3)을 이용한 로봇 관절(200) 및 로봇손(300)을 설명하기로 한다. Hereinafter, to describe the robot joint 200 and the robot hand 300 using the thermal actuator-based drive systems 100-1, 100-2, and 100-3 of the present invention with reference to FIGS. 4 to 7 do it with

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 및 로봇 관절에 장착되는 구동 시스템의 개념도를 함께 도시한 도면이고, 도 9는 도 8의 구동기 구성을 보다 상세히 설명하는 도면이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇손을 도시한 도면이다. 8 is a diagram showing a conceptual diagram of a robot joint and a driving system mounted on the robot joint according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a diagram explaining the actuator configuration of FIG. 8 in more detail, and FIG. It is a drawing showing a robot hand according to an embodiment of the invention.

도 8에 도시되어 있는 것과 같이 본 발명에 따른 로봇 관절(200)은 관절 운동을 하는 로봇팔, 로봇 다리 등에 응용되어 사용될 수 있다. As shown in FIG. 8, the robot joint 200 according to the present invention may be applied and used to a robot arm or a robot leg performing joint motion.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절(200)은 도 4 내지 도 7을 참조로 전술한 열구동기 기반 구동 시스템(100-1, 100-2, 100-3), 제 1 링크(210) 및 제 2 링크(220)를 포함하여 구성될 수 있다. The robot joint 200 according to an embodiment of the present invention includes the above-described thermal actuator-based drive systems 100-1, 100-2, and 100-3 with reference to FIGS. 4 to 7, the first link 210, and It may be configured to include a second link 220 .

제 1 링크(210)는 일단은 고정되고 타단에는 열구동기 기반 구동 시스템(100-1, 100-2, 100-3)을 구성하는 풀리(140)가 회전 가능하게 장착된다. 이때, 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)는 제 1 링크(210)를 사이에 두고 양측에 나란하게 배치될 수 있다.One end of the first link 210 is fixed, and a pulley 140 constituting the thermal actuator-based driving systems 100-1, 100-2, and 100-3 is rotatably mounted at the other end. At this time, the first actuator 110 and the second actuator 120 may be disposed side by side on both sides with the first link 210 interposed therebetween.

제 2 링크(220)는 풀리(140)에 고정되어 풀리(140)가 회전함에 따라서 풀리(140)의 중심을 기준으로 회전 운동을 한다. 따라서, 전술한 바와 같이 제 2 구동기(120)가 압축될 때 풀리(140)가 반시계 방향으로 회전하여 풀리(140)에 연결된 제 2 링크(220)를 반시계 방향으로 회전시킬 수 있다. 반대로, 제 1 구동기(110)를 압축시키고 제 2 구동기(120)를 신장시켜 풀리(140)를 시계 방향으로 회전시켜 원래 위치로 복귀시킬 수가 있다. 따라서, 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)의 동작에 따라서 소정의 각도 범위로 제 2 링크(220)를 양방향으로 구동시킬 수 있다. 도면에서는 도 4의 열구동기 기반 구동 시스템(100-1)을 이용한 구성을 도시하나, 전술한 도 5 및 도 6의 열구동기 기반 구동 시스템(100-2, 100-3)을 사용할 수도 있다. The second link 220 is fixed to the pulley 140 and rotates about the center of the pulley 140 as the pulley 140 rotates. Therefore, as described above, when the second driver 120 is compressed, the pulley 140 rotates counterclockwise to rotate the second link 220 connected to the pulley 140 counterclockwise. Conversely, the pulley 140 can be returned to its original position by rotating the pulley 140 clockwise by compressing the first actuator 110 and extending the second actuator 120 . Therefore, the second link 220 can be driven in both directions in a predetermined angular range according to the operation of the first actuator 110 and the second actuator 120 . Although the drawing shows a configuration using the thermal actuator-based driving system 100-1 of FIG. 4, the aforementioned thermal actuator-based driving systems 100-2 and 100-3 of FIGS. 5 and 6 may also be used.

도시되어 있지 않지만, 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)를 동작시키는 가열부가 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이 제 1 구동기(110) 및 제 2 구동기(120) 일측에 별도의 발열 수단을 부가하거나 제 1 구동기(110) 및 제 2 구동기(120)에 전기를 가하여 저항에 의한 발열로 열을 가하는 방법을 사용할 수 있다. Although not shown, a heating unit for operating the first actuator 110 and the second actuator 120 may be formed. As described above, a separate heating means is added to one side of the first driver 110 and the second driver 120, or electricity is applied to the first driver 110 and the second driver 120 to generate heat by resistance. method can be used.

또한, 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)의 일측에는 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)를 냉각시키는 냉각부(150)가 형성될 수 있다. 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)는 자연 냉각되도록 형성될 수도 있으나, 별도의 냉각부(150)를 구비하여 압축된 구동기를 보다 빠르게 이완시킬 수 있다. 상기 냉각부(150)는 쿨링팬으로 형성될 수 있다. In addition, a cooling unit 150 for cooling the first driver 110 and the second driver 120 may be formed on one side of the first driver 110 and the second driver 120 . The first actuator 110 and the second actuator 120 may be formed to be naturally cooled, but a separate cooling unit 150 may be provided to release the compressed actuator more quickly. The cooling unit 150 may be formed as a cooling fan.

또한, 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)에는 제 1 구동기(110) 및 제 2 구동기(120)에 작용하는 힘의 크기를 측정하는 로드셀(170)이 각각 형성될 수 있다. 도시되어 있는 것과 같이 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)의 고정단 쪽에 로드셀(170)이 배치될 수 있다. In addition, the first actuator 110 and the second actuator 120 may be provided with a load cell 170 that measures the magnitude of the force acting on the first actuator 110 and the second actuator 120, respectively. As shown, the load cell 170 may be disposed at the fixed end side of the first actuator 110 and the second actuator 120 .

또한, 풀리(140)의 회전 각도를 측정하는 엔코더가 형성되어 제 2 링크(220)의 위치를 파악할 수 있다. In addition, an encoder for measuring the rotational angle of the pulley 140 may be formed to determine the position of the second link 220 .

또한, 구동기(110, 120)의 온도를 측정하는 온도 센서(160)가 배치될 수 있는데, 예를 들어 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)의 일측에 적외선 온도 센서를 배치하여 이격된 위치에서 제 1 구동기(110)와 제 2 구동기(120)의 온도를 측정할 수 있다. In addition, a temperature sensor 160 for measuring the temperature of the actuators 110 and 120 may be disposed. For example, an infrared temperature sensor may be disposed on one side of the first actuator 110 and the second actuator 120 so as to be separated from each other. Temperatures of the first actuator 110 and the second actuator 120 may be measured at the location.

제어부는 상기 엔코더, 로드셀(170), 적외선 온도 센서(160)로부터 측정된 값을 입력받아 이를 기초로 가열부 또는 냉각부(150)를 동작시켜 로봇 관절(200)을 동작을 제어할 수 있다. The control unit receives the measured value from the encoder, the load cell 170, and the infrared temperature sensor 160, and controls the operation of the robot joint 200 by operating the heating unit or the cooling unit 150 based thereon.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇손(300)은 도 4 내지 도 7을 참조로 전술한 열구동기 기반 구동 시스템(100-1, 100-2, 100-3) 및 로봇손의 손가락 기구(310)를 포함하여 구성될 수 있다. The robot hand 300 according to an embodiment of the present invention includes the aforementioned thermal actuator-based driving systems 100-1, 100-2, and 100-3 with reference to FIGS. 4 to 7 and the finger mechanism 310 of the robot hand. ).

도시되어 있는 것과 같이 로봇손의 손가락 기구(310)는 링크 복수의 손가락 마디부(312)가 링크 형태로 복수 개 형성되고, 링크 연결되는 복수의 손가락 마디부(312)에 손가락 구동 텐던(320)이 연결된다. 이때, 손가락 구동 텐던(320)의 끝단은 끝단에 위치하는 손가락 마디부(312)에 고정된다. 이와 같이 구성되는 로봇손의 손가락 기구(310)에 대하여 손가락 구동 텐던(320)을 당기면 손가락 구동 텐던(320)의 끝단에 고정되는 손가락 마디부(312)가 움직이며 링크 연결되는 나머지 손가락 마디부(312)도 순차적으로 움직여 손가락이 굽혀지는 형태로 동작시킬 수가 있다. 또한, 각각의 손가락 마디부(312) 사이는 탄성 연결되도록 하여, 손가락 구동 텐던(320)을 다시 이완시키면 손가락 마디부(312) 사이의 탄성력에 의해 손가락이 다시 펴지는 형태로 동작시킬 수가 있다. As shown, in the finger mechanism 310 of the robot hand, a plurality of link finger joints 312 are formed in a link form, and a finger drive tendon 320 is connected to the plurality of finger joints 312 that are linked. this is connected At this time, the end of the finger drive tendon 320 is fixed to the finger knuckle 312 located at the end. When the finger drive tendon 320 is pulled with respect to the finger mechanism 310 of the robot hand configured as described above, the finger joint 312 fixed to the end of the finger drive tendon 320 moves, and the rest of the finger joints connected to the link ( 312) can also be operated in the form of bending the fingers by sequentially moving. In addition, each finger knuckle 312 is elastically connected, and when the finger drive tendon 320 is relaxed again, the elastic force between the finger knuckles 312 can operate the finger in a form of being stretched again.

복수의 손가락 마디부(312) 및 손가락 마디부(312)를 연결하는 손가락 구동 텐던(320)에 의해 로봇손의 손가락 기구(310)를 동작시키는 구성은 종래 공지된 기술이므로 이에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다. Since the configuration of operating the finger mechanism 310 of the robot hand by means of the plurality of knuckles 312 and the finger drive tendon 320 connecting the knuckles 312 is a conventionally known technique, a detailed description thereof is omitted. I'm going to do it.

이때, 도면에서는 로봇손의 손가락 기구(310)는 실제 사람 손과 마찬가지로 5개 형성되어 있으나, 손가락 기구(310)의 개수는 이에 한정되는 것은 아니다. At this time, in the drawing, the finger mechanism 310 of the robot hand is formed in the same way as the actual human hand, but the number of finger mechanisms 310 is not limited thereto.

손가락 구동 텐던(320)은 제 1 구동기(110) 또는 제 2 구동기(120) 중 어느 하나에 연결될 수 있다. 이때, 손가락 구동 텐던(320)은 전술한 바와 같이 풀리(140)의 구동방향 측에 연결되는 것이 바람직하다. The finger drive tendon 320 may be connected to either the first actuator 110 or the second actuator 120 . At this time, the finger drive tendon 320 is preferably connected to the driving direction side of the pulley 140 as described above.

도시되어 있는 것과 같이 제 2 구동기(120)에 열을 가하여 압축시키면 제 2 구동기(120)에 연결된 손가락 구동 텐던(320)을 당겨서 손가락 기구(310)를 구부릴 수 있다. 반대로, 제 1 구동기(110)를 압축시켜 제 2 구동기(120)를 원래 위치로 이완시키면 손가락 구동 텐던(320)이 다시 초기 위치로 이동하여 손가락이 펴지는 것과 같이 로봇손의 손가락 기구(310)를 다시 펼칠 수가 있다. As shown, when heat is applied to the second actuator 120 to compress it, the finger drive tendon 320 connected to the second actuator 120 is pulled to bend the finger mechanism 310 . Conversely, when the first actuator 110 is compressed and the second actuator 120 is relaxed to its original position, the finger drive tendon 320 moves back to the initial position, and the finger mechanism 310 of the robot hand moves as if the finger is stretched. can be re-opened.

이때, 복수의 손가락 기구(310)에 대하여 각각 열구동기 기반의 구동 시스템(110-1, 110-2, 110-3)을 배치시켜 각 손가락 기구(310)를 개별적으로 구동시킬 수 있으나, 도면에 도시되어 있는 것과 같이 엄지, 검지를 제외한 나머지 세 손가락을 동시에 구부리거나 펴지게 구성시킬 수도 있다. At this time, each of the finger mechanisms 310 may be individually driven by disposing the thermal actuator-based drive systems 110-1, 110-2, and 110-3 for the plurality of finger mechanisms 310, respectively. As shown, the other three fingers excluding the thumb and index finger may be configured to be bent or stretched at the same time.

로봇손(300)의 핸드부에는 세 개의 움직 도드레(330)가 배치되고, 손가락 구동 텐던(320)을 도시된 것과 같이 연결시키는 경우 열구동기 기반의 구동 시스템(100-1, 100-2, 100-3)의 동작에 따라서 세 개의 손가락 기구(310)를 한꺼번에 동작시킬 수가 있다. 움직 도르레(330)가 배치되므로, 세 개의 손가락 기구(310) 중 어느 하나의 손가락 기구(310)가 장애물에 의해 움직임에 제한이 가해지더라도 나머지 손가락 기구(310) 굽히거나 펼치는 동작을 구현할 수가 있다. In the case where the three movement guides 330 are disposed in the hand part of the robot hand 300 and the finger drive tendons 320 are connected as shown, the thermal actuator-based drive systems 100-1, 100-2, According to the operation of 100-3), the three finger mechanisms 310 can be operated at once. Since the movement pulley 330 is disposed, even if one of the three finger mechanisms 310 is restricted in movement by an obstacle, the other finger mechanism 310 can bend or unfold. Can be implemented.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be implemented in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. Anyone with ordinary knowledge in the art to which the invention pertains without departing from the subject matter of the invention claimed in the claims is considered to be within the scope of the claims of the present invention to various extents that can be modified.

100-1, 100-2, 100-3: 열구동기 기반의 구동 시스템
110: 제 1 구동기
120: 제 2 구동기
130: 텐던
140: 풀리
150: 냉각부
160: 온도 센서
170: 로드셀
200: 로봇 관절
300: 로봇손
310: 손가락 기구
312: 손가락 마디부
320: 손가락 구동 텐던
330: 움직 도르레
100-1, 100-2, 100-3: drive system based on thermal actuator
110: first driver
120: second actuator
130: tendon
140: pulley
150: cooling unit
160: temperature sensor
170: load cell
200: robot joint
300: robot hand
310: finger mechanism
312: finger joints
320: finger driven tendon
330: moving pulley

Claims (12)

풀리, 상기 풀리의 외주면에 장착되는 텐던 및 상기 텐던의 양단에 각각 연결되어 상기 텐던을 이동시키는 구동기를 포함하며 상기 구동기의 동작에 의해 상기 풀리를 회전시키는 구동 시스템에 있어서,
상기 텐던의 일단에 연결되는 제 1 구동기와 상기 텐던의 타단에 연결되는 제 2 구동기는, 온도 변화에 따른 반응 속도와 히스테리시스에 따른 제어 성능이 서로 다른 폴리머 기반 열구동기와, 형상기억합금 기반 열구동기의 조합으로 형성되며,
상기 제 1 구동기는 수축되고, 상기 제 2 구동기는 신장된 상태로 초기 배치된 상태에서, 상기 제 2 구동기가 수축되면서 상기 풀리가 회전되는 구동을 구현 시,
상기 제 1 구동기는 상기 형상기억합금 기반 열구동기보다 히스테리시스에 따른 늘어짐이 적은 상기 폴리머 기반 열구동기로 형성되고, 상기 제 2 구동기는 상기 폴리머 기반 열구동기보다 반응 속도가 빠른 상기 형상기억합금 기반 열구동기로 형성되는 것을 특징으로 하는 열구동기 기반의 구동 시스템.
A driving system including a pulley, a tendon mounted on an outer circumferential surface of the pulley, and a driver connected to both ends of the tendon to move the tendon, and rotating the pulley by operation of the driver,
The first actuator connected to one end of the tendon and the second actuator connected to the other end of the tendon are polymer-based thermal actuators and shape memory alloy-based thermal actuators having different reaction rates according to temperature changes and control performance according to hysteresis. is formed by a combination of
When the first actuator is contracted and the second actuator is initially arranged in an extended state, when implementing driving in which the pulley is rotated while the second actuator is contracted,
The first driver is formed of the polymer-based thermal actuator having less sagging due to hysteresis than the shape memory alloy-based thermal actuator, and the second actuator is the shape memory alloy-based thermal actuator having a faster reaction rate than the polymer-based thermal actuator. A thermal actuator-based drive system, characterized in that formed by.
풀리, 상기 풀리의 외주면에 장착되는 텐던 및 상기 텐던의 양단에 각각 연결되어 상기 텐던을 이동시키는 구동기를 포함하며 상기 구동기의 동작에 의해 상기 풀리를 회전시키는 구동 시스템에 있어서,
상기 텐던의 일단에 연결되는 제 1 구동기와 상기 텐던의 타단에 연결되는 제 2 구동기는, 온도 변화에 따른 반응 속도와 히스테리시스에 따른 제어 성능이 서로 다른 폴리머 기반 열구동기와, 형상기억합금 기반 열구동기의 조합으로 형성되며,
상기 제 1 구동기와 상기 제 2 구동기 중 적어도 일측은,
상기 폴리머 기반 열구동기보다 반응 속도가 빠른 상기 형상기억합금 기반 열구동기와, 상기 형상기억합금 기반 열구동기보다 히스테리시스에 따른 늘어짐이 적은 상기 폴리머 기반 열구동기가 함께 수축되거나 함께 신장되는 것에 의해, 상기 형상기억합금 기반 열구동기의 힘을 보조받으면서, 상기 폴리머 기반 열구동기로 제어를 수행가능하게, 상기 폴리머 기반 열구동기와 상기 형상기억합금 기반 열구동기가 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 열구동기 기반의 구동 시스템.
A driving system including a pulley, a tendon mounted on an outer circumferential surface of the pulley, and a driver connected to both ends of the tendon to move the tendon, and rotating the pulley by operation of the driver,
The first actuator connected to one end of the tendon and the second actuator connected to the other end of the tendon are polymer-based thermal actuators and shape memory alloy-based thermal actuators having different reaction rates according to temperature changes and control performance according to hysteresis. is formed by a combination of
At least one side of the first driver and the second driver,
The shape memory alloy-based thermal actuator, which has a faster response rate than the polymer-based thermal actuator, and the polymer-based thermal actuator, which has less sagging due to hysteresis than the shape memory alloy-based thermal actuator, are contracted together or stretched together, so that the shape The polymer-based thermal actuator and the shape memory alloy-based thermal actuator are arranged in parallel so that control can be performed by the polymer-based thermal actuator while receiving power from the memory alloy-based thermal actuator. system.
제2항에 있어서,
상기 제 1 구동기와 상기 제 2 구동기 중 적어도 일측은,
병렬로 배치되되, 상기 형상기억합금 기반 열구동기와 상기 폴리머 기반 열구동기 사이에 열교환이 가능하게 상기 형상기억합금 기반 열구동기의 코일 내부에 상기 폴리머 기반 열구동기가 배치되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 열구동기 기반의 구동 시스템.
According to claim 2,
At least one side of the first driver and the second driver,
Arranged in parallel, characterized in that the polymer-based thermal actuator is disposed inside the coil of the shape memory alloy-based thermal actuator to enable heat exchange between the shape memory alloy-based thermal actuator and the polymer-based thermal actuator. a thermal actuator-based drive system.
복수의 손가락 마디부 및 상기 손가락 마디부 사이를 연결하는 손가락 구동 텐던의 움직임으로 각 손가락 마디부를 한꺼번에 구동시키는 로봇손의 손가락 기구; 및
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 열구동기 기반의 구동 시스템을 포함하며,
상기 손가락 구동 텐던은 상기 제 1 구동기 또는 상기 제 2 구동기 중 어느 하나에 연결되어 동작하는 것을 특징으로 하는 로봇손.
a finger mechanism of a robot hand that simultaneously drives each knuckle by movement of a plurality of knuckles and a finger driving tendon connecting the knuckles; and
It includes a drive system based on any one of the thermal actuators of claims 1 to 3,
The robot hand, characterized in that the finger drive tendon is operated by being connected to any one of the first actuator and the second actuator.
제4항에 있어서,
상기 손가락 구동 텐던과 연결되고, 상기 구동 시스템에 동작에 따라 복수개의 상기 손가락 기구를 한꺼번에 동작시키는 움직 도르래;를 더 포함하며,
상기 움직 도르래는,
상기 손가락 구동 텐던의 제1부분과 연결되고, 상기 손가락 구동 텐던의 제2부분이 외주면에 장착되는 제 1 움직 도르래; 및
상기 손가락 구동 텐던의 제2부분의 양단에 각각 연결되고, 상기 손가락 구동 텐던의 제3부분과 제4부분이 각각 외주면에 장착되는 한 쌍의 제 2 움직 도르래;를 포함하고,
상기 손가락 구동 텐던의 제3부분은 복수개의 상기 손가락 기구 중 하나 또는 2개와 연결되고, 상기 손가락 구동 텐던의 제4부분은 상기 손가락 구동 텐던의 제3부분이 연결되지 않은 상기 손가락 기구 중 하나 또는 2개와 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇손.
According to claim 4,
A moving pulley connected to the finger drive tendon and operating the plurality of finger mechanisms at once according to the operation of the drive system; further comprising,
The moving pulley,
a first movable pulley connected to a first portion of the finger-driven tendon and mounted on an outer circumferential surface of a second portion of the finger-driven tendon; and
A pair of second moving pulleys respectively connected to both ends of the second portion of the finger drive tendon and mounted on outer circumferential surfaces of the third and fourth portions of the finger drive tendon,
The third portion of the finger drive tendon is connected to one or two of the plurality of finger mechanisms, and the fourth portion of the finger drive tendon is one or two of the finger mechanisms to which the third portion of the finger drive tendon is not connected. A robot hand characterized in that connected to the dog.
삭제delete 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 열구동기 기반의 구동 시스템;
일단에 상기 풀리가 고정되며 상기 구동기와 나란하게 고정 배치되는 제 1 링크; 및
상기 풀리에 고정되어 상기 풀리의 회전에 따라서 구동하는 제 2 링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절.
A drive system based on the thermal actuator of any one of claims 1 to 3;
a first link fixed to one end of the pulley and arranged in parallel with the driver; and
A robot joint comprising a second link fixed to the pulley and driven according to rotation of the pulley.
제 7 항에 있어서,
상기 풀리의 회전 각도를 측정하는 엔코더를 더 포함하는 로봇 관절.
According to claim 7,
A robot joint further comprising an encoder for measuring a rotation angle of the pulley.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 구동기와 상기 제 2 구동기를 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는 로봇 관절.
According to claim 7,
The robot joint further comprising a cooling unit for cooling the first actuator and the second actuator.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 구동기와 상기 제 2 구동기에 각각 고정되어 상기 제 1 구동기 및 상기 제 2 구동기에 작용하는 힘을 측정하는 로드셀을 더 포함하는 로봇 관절.
According to claim 7,
The robot joint further comprising a load cell fixed to the first actuator and the second actuator, respectively, to measure forces acting on the first actuator and the second actuator.
제 7 항에 있어서,
상기 제 1 구동기와 상기 제 2 구동기의 일측에 배치되어 적외선으로 온도를 측정하는 적외선 온도센서를 더 포함하는 로봇 관절.
According to claim 7,
The robot joint further comprising an infrared temperature sensor disposed on one side of the first actuator and the second actuator to measure temperature with infrared light.
삭제delete
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