KR102525009B1 - 피드백 제어 가능한 인공 근육 - Google Patents

Abstract

제1 방향을 따라 서로 이격된 제1 변형력 전달부 및 제2 변형력 전달부, 제1 및 제2 변형력 전달부들 사이에 제공되어 제1 및 제2 변형력 전달부들을 당기는 수축부, 제1 및 제2 변형력 전달부들 사이의 거리를 측정하는 변형량 센서 및 수축부의 수축을 제어하는 제어부를 포함하며, 제어부는 변형량 센서로부터 제1 및 제2 변형력 전달부들 사이의 거리에 대한 정보를 제공받아 수축부에 대한 피드백 제어를 수행한다.

Description

피드백 제어 가능한 인공 근육{Feedback controllable artificial muscle}

본 발명은 인공 근육에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피드백 제어를 통해 정밀한 움직임이 가능한 인공 근육에 관한 것이다.

착용형 전자기기 분야의 발달에 따라, 착용형 전자기기의 사용자의 운동 능력을 보조하는 운동 보조 시스템의 필요성이 증가하고 있다. 종래의 인간 운동 능력을 보조하기 위한 시스템은 단단한 강체 프레임(rigid-frame) 구조를 갖는 외골격계(Exo-skeleton) 근력보조 시스템을 주로 이용한다. 상기 외골격계 근력보조 시스템은 사용자의 운동 능력을 증강해 주거나 장애 또는 사고 등으로 운동 능력을 상실한 사용자에게 적당한 운동 기능을 제공할 수 있다.

다만, 외골격계 근력보조 시스템은 그 부피, 무게로 인해 경량 시스템 구현에 한계가 있고, 인체의 관절 자유도와 근력보조 시스템의 관절 자유도가 일치하지 않는 문제가 있다. 또한, 관절장치는 전동식 모터 또는 기어의 회전을 통하여 동작하는데, 전동식 모터를 이용할 경우 전달기구 및 감속기구 등이 필요하므로 소음이 발생하는 문제점이 있다. 관절 자유도 불일치 및 부피, 중량 등의 문제는 착용 거부감의 직접적인 원인으로 작용한다. 따라서 기존의 외골격계 근력 보조시스템이 갖는 착용 거부감 등의 문제점을 해결하기 위해 유연한 재질의 소프트 근력 보조 시스템이 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수축 정도를 정밀하게 측정할 수 있는 인공 근육을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 정밀한 변형 제어가 가능한 인공 근육을 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 인공 근육은 제1 방향을 따라 서로 이격된 제1 변형력 전달부 및 제2 변형력 전달부; 상기 제1 및 제2 변형력 전달부들 사이에 제공되어, 상기 제1 및 제2 변형력 전달부들을 당기는 수축부; 상기 제1 및 제2 변형력 전달부들 사이의 거리를 측정하는 변형량 센서; 및 상기 수축부의 수축을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는 상기 변형량 센서로부터 상기 제1 및 제2 변형력 전달부들 사이의 거리에 대한 정보를 제공받아 상기 수축부에 대한 피드백 제어를 수행한다.

예시적인 실시 예들에 있어서, 상기 변형량 센서가 상기 제1 방향으로 연장되어 상기 제1 및 제2 변형력 전달부에 연결되는 센서전극부; 및 상기 센서전극부에 결합되어 상기 센서전극부를 지지하는 센서지지부를 포함한다.

예시적인 실시 예들에 있어서, 상기 변형량 센서는 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 휘어진다.

예시적인 실시 예들에 있어서, 상기 센서전극부가 전도체를 포함하고, 상기 센서지지부가 고분자를 포함한다.

예시적인 실시 예들에 있어서, 상기 변형량 센서가 상기 제1 또는 제2 변형력 전달부에 위치하는 방출부; 상기 방출부로부터 상기 제1 방향을 따라 이격된 반사부; 및 상기 방출부에 인접하게 배치되는 감지부를 포함하며, 상기 방출부는 상기 반사부을 향해 광 또는 초음파를 방출하고, 상기 반사부는 상기 방출부에서 방출된 광 또는 초음파를 상기 감지부를 향해 반사하며, 상기 감지부는 반사된 광 또는 초음파를 감지한다.

예시적인 실시 예들에 있어서, 상기 변형량 센서가 상기 수축부를 감싸며 상기 제1 방향으로 연장되는 스프링 형태로 제공된다.

예시적인 실시 예들에 있어서, 상기 변형량 센서가 상기 제1 방향으로 진행하는 스프링 형상의 스프링센서지지부; 및 상기 스프링센서지지부의 표면을 감싸는 스프링센서전극부를 포함하며, 상기 스프링센서지지부는 수축 변형에 대응하여 탄성 복원되며, 상기 스프링센서전극부의 전기 저항은 상기 스프링센서전극부의 변형에 의해 변한다.

예시적인 실시 예들에 있어서, 상기 수축부가 고분자 코일 스프링; 및 상기 고분자 코일 스프링의 표면을 덮는 가열부를 포함하되, 상기 가열부는 상기 고분자 코일 스프링을 가열하고, 상기 고분자 코일 스프링은 상기 가열을 통해 상기 제1 방향을 따라 수축한다.

예시적인 실시 예들에 있어서, 상기 수축부가 상기 가열부로부터 방사형으로 이격되는 외피를 더 포함하되, 상기 외피와 상기 가열부 사이에 냉매가 유동되는 공간이 제공된다.

예시적인 실시 예들에 있어서, 상기 제1 및 제2 변형력 전달부들 사이에 제공되어, 상기 제1 및 제2 변형력 전달부들을 미는 팽창부를 더 포함하되, 상기 팽창부는: 상기 수축부를 둘러싸는 고분자 막; 및 상기 고분자 막의 내측면 및 외측면 상에 각각 제공된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되, 상기 제1 및 제2 전극들에 서로 다른 전압을 인가들이 인가된 때. 상기 고분자 막 내에 전기장이 형성되고, 상기 고분자 막은 상기 전기장에 의해 상기 제1 방향을 따라 팽창한다.

기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 피드백 제어가 가능한 인공 근육에 따르면, 인공 근육의 수축 정도를 정밀하게 측정할 수 있다.

본 발명의 피드백 제어가 가능한 인공 근육에 따르면, 인공 근육의 정밀한 변형 제어가 가능하다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육의 사시도이다.
도 3 및 도 4는 각각 도 2의 ⅠⅠ선 및 ⅡⅡ선을 따른 단면도들이다.
도 5는 도 3 및 도 4의 수축부의 단면도이다.
도 6은 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육이 수축된 상태를 설명하기 위한 도 2의 I-I'선에 대응하는 단면도이다.
도 7 및 도 8은 각각 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육을 설명하기 위한 도 2의 I-I'선 및 II-II'에 대응하는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육의 작동 방식을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육을 설명하기 위한 도 2의 I-I'선에 대응하는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육을 설명하기 위한 도 2의 I-I'선에 대응하는 단면도이다.
도 12는 도 11의 변형량 센서의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.

본 발명의 기술적 사상의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명 기술적 사상은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시 예들의 설명을 통해 본 발명의 기술적 사상의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상의 이상적인 예시도인 블록도, 사시도, 및/또는 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시 예들에서 다양한 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시 예들은 그것의 상보적인 실시 예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시 예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.

소프트 근력 보조 시스템의 일종으로 Yarn 구조를 활용한 인공 근육에 대한 연구가 진행되고 있다. 이러한 Yarn 구조를 활용하면 인공 근육의 경량화가 가능하여 착용 거부감을 해소할 수 있다. Yarn 구조를 이용한 인공 근육은 열을 통해 수축하는 방식을 사용하고 있는바, 이러한 방식은 수축/팽창의 정밀한 제어가 쉽지 않다. 인체의 움직임은 고도로 복잡하고 정밀한 것인데, 인공 근육의 정밀한 제어가 불가능하면 인체의 동작을 제대로 모사할 수 없다. 이는 곧 인공 근육의 신뢰도 저하로 이어지고, 사용자들이 인공 근육을 기피하는 원인이 되기도 한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육의 블록도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육(10/12/14/16)은 바디부(100), 제어부(200) 및 변형력 전달부(300)를 포함할 수 있다.

바디부(100)는 수축부(110), 변형량 센서(130) 및 팽창부(120)를 포함할 수 있다.

수축부(110)는 인공 근육(10/12/14/16)을 수축시킬 수 있다. 예를 들어, 수축부(110)는 열 에너지를 이용하여 인공 근육(10/12/14/16)을 수축시킬 수 있다.

팽창부(120)는 인공 근육(10/12/14/16)을 팽창시킬 수 있다. 예를 들어, 팽창부(120)는 전기 에너지를 통해 인공 근육(10/12/14/16)을 팽창시킬 수 있다.

변형량 센서(130)는 변형량에 따라 달라지는 전기 저항이나, 변형량에 따라 달라지는 거리를 측정하여 인공 근육(10/12/14/16)의 변형량을 감지할 수 있다.

변형력 전달부(300)는 수축부(110)의 힘을 인공 근육(10/12/14/16) 전체에 전달할 수 있다. 예를 들어, 수축부(110)가 수축할 경우, 변형력 전달부(300)는 수축하는 힘을 변형량 센서(130) 및 팽창부(120)에 전달할 수 있다. 이에 따라, 변형량 센서(130) 및 팽창부(120)는 수축할 수 있다. 변형력 전달부(300)는 팽창부(120)의 힘을 인공 근육(10, 12, 14, 16) 전체에 전달할 수 있다. 예를 들어, 팽창부(120)가 팽창할 경우, 변형력 전달부(300)는 팽창하는 힘을 변형량 센서(130) 및 수축부(110)에 전달할 수 있다. 이에 따라, 변형량 센서(130) 및 수축부(110)는 팽창할 수 있다.

제어부(200)는 수축부(110) 및 팽창부(120)를 제어하여, 수축부(110) 및 팽창부(120)를 수축 및 팽창시킬 수 있다. 제어부(200)는 변형량 센서(130)로부터 전기 저항의 변화량 또는 거리의 변화량에 관한 데이터를 수신하여 인공 근육(10/12/14/16)의 변형량에 관한 데이터를 생성할 수 있다. 제어부(200)는 변형량에 관한 데이터에 기초하여, 수축부(110)의 수축량 및 팽창부(120)의 팽창량을 제어할 수 있다. 제어부(200)의 피드백 제어에 의해, 인공 근육(10/12/14/16)은 정밀하게 제어될 수 있다.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육의 사시도이다. 도 3 및 도 4는 각각 도 2의 ⅠⅠ선 및 ⅡⅡ선을 따른 단면도들이다. 도 5는 도 3 및 도 4의 수축부의 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참고하면, 인공 근육(10)은 제1 바디부(100A), 제어부(200), 및 변형력 전달부(300)를 포함할 수 있다. 인공 근육(10)은 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 제1 바디부(100A), 제어부(200), 및 변형력 전달부(300)는 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있다. 도 2에는 예시적인 실시 예로써 원 기둥 형상의 인공 근육(10)이 도시되었지만, 이에 한정하지 않는다.

제1 바디부(100A)는 수축부(110), 변형량 센서(130) 및 하우징(140)을 포함할 수 있다. 수축부(110)는 제1 바디부(100A)의 중심부에 배치될 수 있다. 수축부(110)는 제1 방향(D1)으로 진행하는 코일 스프링 형상을 가질 수 있다.

도 5를 참조하면, 수축부(110)는 고분자 코일 스프링(112), 고분자 코일 스프링(112)을 덮는 가열부(114) 및 가열부(114)로부터 방사형으로 이격된 외피(116)를 포함할 수 있다. 가열부(114)와 외피(116) 사이에는 냉매(미도시)가 채워지거나 유동되는 영역이 제공될 수 있다.

고분자 코일 스프링(112)은 열을 통해 수축되는 고분자 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고분자 코일 스프링(112)은 나일론 또는 폴리에틸렌을 포함할 수 있다. 고분자 코일 스프링(112)이 가열될 경우, 고분자 코일 스프링(112)은 수축될 수 있다. 고분자 코일 스프링(112)이 냉각될 경우, 고분자 코일 스프링(112)은 본래의 길이를 갖도록 이완될 수 있다.

가열부(114)는 고분자 코일 스프링(112)을 가열할 수 있다. 예를 들어, 가열부(114)에 전류가 흐를 경우, 가열부(114)로부터 줄 열(Joule heat)이 발생되고, 열을 통해 고분자 코일 스프링(112)이 가열될 수 있다. 가열부(114)는 유연하고, 강성이 낮으며, 전기 저항이 높은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 가열부(114)는 이산화망간(MnO₂)을 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.

외피(116)는 유연하고 강성이 낮은 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시 예에 따르면, 가열부(114)를 통해 고분자 코일 스프링(112)의 온도를 제어하여, 수축부(110)의 수축 운동 속도를 높일 수 있다.

도 3 및 도 4를 다시 참고하면, 변형량 센서(130)는 수축부(110)를 따라 전개될 수 있다. 변형량 센서(130)는 길이에 따라 저항이 변하는 센서전극부(131)와, 센서전극부(131)를 지지하는 센서지지부(133)를 포함할 수 있다.

센서전극부(131)는 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 센서전극부(131)는 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)을 따라 굽어진 형상을 가질 수 있다. 센서전극부(131)는 직사각형 단면을 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 센서전극부(131)는 물리적 변형에 따라 전기 저항이 민감하게 변하는 물질을 포함할 수 있다. 센서전극부(131)는 물리적 변형으로부터 회복 시 전기 저항이 회복되는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서전극부(131)는 나노 금속, 탄소 소재 또는 이들의 복합재를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.

센서지지부(133)는 센서전극부(131)를 따라 연장되어, 센서전극부(131)를 지지할 수 있다. 센서지지부(133) 및 센서전극부(131)는 제2 방향(D2)으로 배열될 수 있다. 센서지지부(133) 및 센서전극부(131)는 서로 접할 수 있다. 센서지지부(133)는 직사각형 단면을 갖는 것으로 도시되었으나, 이는 한정적인 것이 아니다. 센서지지부(133)는 물리적 변형에 대한 탄성을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서지지부(133)는 고분자를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.

센서전극부(131)와 센서지지부(133)를 포함하는 변형량 센서(130)는 인공 근육(10)이 힘을 받지 않는 초기 상태에서 제2 방향(D2) 또는 제2 방향(D2)의 반대 방향을 따라 굽어진 형상을 가질 수 있다. 변형량 센서(130)는 인공 근육(10)의 수축 시 초기 상태에서 굽혀진 방향을 향해 더 굽혀질 수 있다. 인공 근육(10)의 수축에 따른 변형량 센서(130)의 굽힘 방향은 일정할 수 있다. 인공 근육(10)이 팽창하면 변형량 센서(130)는 수축 시 굽힘 방향의 반대 방향으로 회복 변형될 수 있다. 인공 근육(10)의 수축/팽창이 반복됨에 따라, 변형량 센서(130)의 굽힘/회복이 반복될 수 있다.

센서전극부(131)가 변형(즉, 굽힘/회복)됨에 따라, 센서전극부(131)의 전기적 저항이 낮아지거나 높아질 수 있다. 센서전극부(131)는 인공 근육(10)의 수축 또는 팽창에 따라 변형될 수 있으므로, 인공 근육(10)이 수축 또는 팽창할 때 센서전극부(131)의 전기적 저항은 낮아지거나 높아질 수 있다. 전기 저항의 변화량에 관한 데이터는 제어부(200)에 제공될 수 있다. 제어부(200)는 전기 저항의 변화량에 관한 데이터를 수신하여, 인공 근육(10)의 변화량에 관한 데이터를 생성할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 변형량 센서(130)에 의해 인공 근육(10)의 변화량이 측정될 수 있다. 인공 근육(10)의 변형량은 요구되는 수축량 또는 팽창량을 갖도록 정밀하게 제어될 수 있다.

하우징(140)은 제1 바디부(100A) 전체를 감쌀 수 있다. 하우징(140)은 유연한 전기 절연 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 인공 근육(10)의 사용자(미도시)는 하우징(140)을 통해 센서전극부(131) 및/또는 수축부(110)에 접촉되지 않을 수 있다.

변형력 전달부(300)는 제1 변형력 전달부(310) 및 제2 변형력 전달부(320)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320)은 제1 바디부(100A)를 사이에 두고 제1 방향(D1)으로 서로 이격될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 수축부(110)가 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320)을 당기면 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320)은 서로 가까워질 수 있다. 이에 따라, 제1 바디부(100A)는 수축될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 변형력 전달부(310)와 제1 바디부(100A) 사이에 제어부(200)가 제공될 수 있다. 제어부(200)는 수축부(110)의 당기는 힘을 제1 변형력 전달부(310)에 제공할 수 있다. 제어부(200)는 도 1을 참조하여 설명된 제어부(200)와 실질적으로 동일할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 제어부(200)는 다른 위치에 배치될 수 있다. 즉, 제어부(200)는 제1 변형력 전달부(310)를 기준으로 제1 바디부(100A) 반대쪽에 위치할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 수축부(110)의 수축/팽창 정도를 정밀하게 측정할 수 있는 인공 근육(10)이 제공될 수 있다. 이에 따라 인공 근육(10)은 정밀한 제어가 가능할 수 있다.

이하에서, 인공 근육의 작동 방법이 설명된다. 도 6은 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육이 수축된 모습을 나타낸 단면도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 생략될 수 있다.

도 6을 참고하면, 고분자 코일 스프링(도 5의 112)이 가열되면 수축부(110)가 제1 방향(D1)을 따라 수축될 수 있다. 고분자 코일 스프링(도 5의 112)을 가열시키는 것은 제어부(200)를 통해 가열부(도 5의 114) 내부에 전류를 제공하여 가열부(도 5의 114)를 통해 열을 발생시키는 것을 포함할 수 있다. 고분자 코일 스프링(도 5의 112)은 가열부(도 5의 114)를 통해 가열되어 수축될 수 있다. 가열부(도 5의 114) 내부에 전류가 흐를 경우, 가열부(도 5의 114)는 줄 열(Joule heat)을 발생할 수 있다. 가열부(도 5의 114)는 전기적 저항이 높은 물질을 포함할 수 있다. 제어부(200)는 가열부(도 5의 114) 내부에 흐르는 전류의 양을 조절하여, 가열부(도 5의 114)로부터 발생되는 열의 양을 제어할 수 있다.

수축부(110)가 수축되면 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320) 사이의 거리가 줄어들 수 있다. 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320)은 변형량 센서(130)의 양 단부들을 각각 밀 수 있다. 이에 따라, 변형량 센서(130)는 제2 방향(D2) 또는 제2 방향(D2)의 반대 방향을 따라 휠 수 있다. 센서지지부(133)는 미는 힘에 의해 초기 상태보다 더 굽혀질 수 있다. 센서전극부(131)는 미는 힘에 의해 초기 상태보다 더 굽혀질 수 있다. 변형량 센서(130)는 힘이 가해질 때 일정한 방향으로 굽혀질 수 있다. 변형량 센서(130)는 힘이 제거되면 펴질 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 수축부(110)를 통해, 인공 근육(10)이 제1 방향(D1)을 따라 수축될 수 있다.

변형량 센서(130)가 굽혀지면 인공 근육(10)의 수축량이 측정될 수 있다. 예를 들어, 인공 근육(10)이 수축될 경우, 굽혀진 센서전극부(131)의 전기적 저항이 달라질 수 있다. 제어부(200)는 센서전극부(131)의 전기적 저항 변화량을 측정할 수 있다. 제어부(200)는 측정된 저항의 변화량으로부터 센서전극부(131)의 변형량을 계산할 수 있다. 제어부(200)는 센서전극부(131)의 변형량으로부터 인공 근육(10)의 수축량에 관한 데이터를 생성할 수 있다.

제어부(200)는 생성된 데이터를 바탕으로, 인공 근육(10)의 수축량이 적절한지 판단할 수 있다. 제어부(200)는 판단한 정보를 바탕으로 피드백 제어를 수행할 수 있다.

인공 근육(10)이 요구되는 길이보다 덜 수축된 경우, 제어부(200)는 가열부(도 5의 114)에 전류를 더 제공하여 수축부(110)를 더 수축시킬 수 있다. 인공 근육(10)이 요구되는 길이보다 더 수축된 경우, 제어부(200)는 가열부(도 5의 114)에 제공하던 전류를 차단하여 수축부(110)를 팽창시킬 수 있다. 이러한 과정을 통해 인공 근육(10)은 정밀한 제어가 가능할 수 있다. 인공 근육(10)은 인체의 세밀한 움직임을 모사할 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 예들에 따른 인공 근육(12)을 설명하기 위한 도 2의 ⅠⅠ'선 및 ⅡⅡ선에 대응하는 단면도들이다.

도 7 및 도 8를 참고하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 인공 근육(12)은 팽창부(120)를 더 포함할 수 있다. 설명의 간결함을 위하여, 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 생략될 수 있다.

팽창부(120)는 수축부(110)를 둘러쌀 수 있다. 팽창부(120)는 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 팽창부(120)는 고분자 막(126A), 고분자 막(126A)의 내측면(S1)과 외측면(S2)을 각각 덮는 제1 전극(122A) 및 제2 전극(124A)을 포함할 수 있다.

예시적인 실시 예에 따르면, 고분자 막(126A)은 전기장을 이용하여 팽창하는 전기 활성 고분자(electro active polymer)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고분자 막(126A) 내부에 전기장이 제공될 경우, 고분자 막(126A)은 전기장에 수직한 방향으로 팽창할 수 있다. 전기장은 제1 및 제2 전극들(122A, 124A)에 서로 다른 전압이 인가되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 전기장은 제1 방향(D1)에 수직한 제2 방향(D2)으로 형성될 수 있다. 고분자 막(126A)은 제1 방향(D1)으로 팽창될 수 있다.

제1 전극(122A)은 팽창부(120)의 구성 요소들 중 수축부(110)에 가장 인접할 수 있다. 제1 전극(122A)과 수축부(110)는 서로 마주볼 수 있다. 제1 및 제2 전극들(122A, 124A)은 전도성 물질(예를 들어, 금속)을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 및 제2 전극들(122A, 124A) 사이의 전압 차를 제어하여, 팽창부(120)의 팽창 속도를 조절할 수 있다.

변형량 센서(130)는 고분자 막(126A) 내에 삽입될 수 있다. 변형량 센서(130)는 길이에 따라 저항이 변하는 센서전극부(131)와, 센서전극부(131)를 지지하는 센서지지부(133)를 포함할 수 있다. 그 기능과 구성에 대한 구체적인 사항은 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다.

도 9는 인공 근육(12)의 작동 방식을 설명하기 위한 순서도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.

도 9를 참고하면, 고분자 코일 스프링(도 5의 112)이 가열되어, 수축부(110)가 제1 방향(D1)을 따라 수축될 수 있다.(S10) 고분자 코일 스프링(도 5의 112)을 가열시키는 것은 제어부(200)를 통해 가열부(도 5의 114) 내부에 전류를 제공하여 가열부(도 5의 114)를 통해 열을 발생시키는 것을 포함할 수 있다. 고분자 코일 스프링(도 5의 112)은 가열부(도 5의 114)를 통해 가열되어 수축될 수 있다. 가열부(도 5의 114) 내부에 전류가 흐를 경우, 가열부(도 5의 114)는 줄 열(joule heat)을 발생할 수 있다. 가열부(도 5의 114)는 전기적 저항이 높은 물질을 포함할 수 있다. 제어부(200)는 가열부(도 5의 114) 내부에 흐르는 전류의 양을 조절하여, 가열부(도 5의 114)로부터 발생되는 열의 양을 제어할 수 있다.

수축부(110)가 수축되면 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320) 사이의 거리가 줄어들 수 있다. 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320)은 팽창부(120) 및 변형량 센서(130)를 밀 수 있다. 이에 따라, 팽창부(120)는 제1 방향(D1)을 따라 수축될 수 있다. 변형량 센서(130)는 제2 방향(D2) 또는 제2 방향(D2)의 반대 방향을 따라 휠 수 있다. 센서지지부(133)는 미는 힘에 의해 초기 상태보다 더 굽혀질 수 있다. 센서전극부(131)는 미는 힘에 의해 초기 상태보다 더 굽혀질 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 수축부(110)를 통해, 인공 근육(12)이 제1 방향(D1)을 따라 수축될 수 있다.

변형량 센서(130)가 굽혀지면 인공 근육(12)의 수축량이 측정될 수 있다.(S20) 예를 들어, 인공 근육(12)이 수축될 경우, 굽혀진 센서전극부(131)의 전기적 저항이 달라질 수 있다. 제어부(200)는 센서전극부(131)의 전기적 저항 변화량을 측정할 수 있다. 제어부(200)는 측정된 저항의 변화량으로부터 센서전극부(131)의 변형량을 계산할 수 있다. 제어부(200)는 센서전극부(131)의 변형량으로부터 인공 근육(12)의 수축량에 관한 데이터를 생성할 수 있다.

고분자 막(126A) 내부에 전기장이 제공되면, 팽창부(120)가 제1 방향(D1)으로 팽창할 수 있다.(S30) 고분자 막(126A) 내부에 전기장을 제공하는 것은 제어부(200)를 통해 제1 및 제2 전극들(122A, 124A)에 서로 다른 전압들을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(122A)에 인가되는 전압이 제2 전극(124A)에 인가되는 전압보다 큰 경우, 제1 전극(122A)에서 제2 전극(124A)을 향하는 전기장이 생성될 수 있다. 고분자 막(126A)은 전기장에 수직한 방향으로 팽창되므로, 제1 방향(D1)으로 팽창될 수 있다.

팽창부(120)가 제1 방향(D1)을 따라 팽창되어, 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320) 사이의 거리가 증가할 수 있다. 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320)은 수축부(110) 및 변형량 센서(130)를 당길 수 있다. 이에 따라, 수축부(110)는 제1 방향(D1)을 따라 팽창될 수 있다. 굽혀진 변형량 센서(130)는 초기 상태로 회복 변형될 수 있다. 센서지지부(133)는 탄성 및/또는 당김 힘에 의해 굽혀진 정도가 완화될 수 있다. 센서전극부(131)는 탄성 및/또는 당김 힘에 의해 굽혀진 정도가 완화될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 인공 근육(12)이 팽창부(120)를 통해 제1 방향(D1)을 따라 팽창될 수 있다.

인공 근육(12)의 팽창량이 변형량 센서(130)를 통해 측정될 수 있다.(S40) 예를 들어, 인공 근육(12)이 팽창될 경우, 초기 상태로 회복 변형된 센서전극부(131)의 전기 저항이 달라질 수 있다. 제어부(200)는 전기적 저항의 변화량에 관한 데이터를 수신하여, 인공 근육(12)의 팽창량을 계산할 수 있다. 제어부(200)는 계산된 데이터를 통해 현재 인공 근육(12)의 상태를 정확하게 파악할 수 있다. 제어부(200)는 파악한 인공 근육(12)의 상태를 토대로, 현 상태를 유지할 것인지, 더 수축시킬 것인지, 더 팽창시킬 것인지 판단할 수 있다. 이를 통해 인공 근육(12)의 정밀한 제어가 가능할 수 있다.

인공 근육(12)이 수축될 때, 팽창부(120)는 작동하지 않을 수 있다. 즉, 제어부(200)가 제1 및 제2 전극들(122A, 124A)에 전압을 인가하지 않을 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 팽창부(120)는 인공 근육(12)의 수축 운동을 방해하지 않을 수 있다. 인공 근육(12)이 팽창될 경우, 수축부(110)는 작동하지 않을 수 있다. 즉, 제어부(200)가 가열부(도 5의 114)에 전류를 제공하지 않을 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 수축부(110)는 인공 근육(12)의 팽창 운동을 방해하지 않을 수 있다.

제어부(200)는 가열부(도 5의 114)에 제공되는 전류의 양을 조절하여, 수축부(110)의 수축 속도를 제어할 수 있다. 제어부(200)는 제1 및 제2 전극들(122A, 124A) 사이의 전압차를 조절하여, 팽창부(120)의 팽창 속도를 제어할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 인공 근육(12)은 수축 속도 및 팽창 속도를 용이하게 제어하며, 그 정도를 측정하여 정밀한 움직임을 구현할 수 있다. 인공 근육(12)은 인체의 세밀한 움직임을 모사할 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육(14)의 도 2의 ⅠⅠ선에 대응하는 단면도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 생략될 수 있다.

도 2 및 도 10을 참고하면, 인공 근육은 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320), 제어부(200)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320), 수축부(110) 및 제어부(200)는 각각 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320), 수축부(110) 및 제어부(200)와 실질적으로 동일할 수 있다.

도 10을 참고하면, 인공 근육(14)은 변형량 센서(130')를 포함할 수 있다. 변형량 센서(130')는 방출부(131'), 반사부(133') 및 감지부(135')를 포함할 수 있다.

방출부(131')는 제1 변형력 전달부(310), 제2 변형력 전달부(320) 또는 제어부(200)에 결합될 수 있다. 방출부(131')는 제1 방향(D1) 또는 제1 방향(D1)의 반대방향을 향해 가시광선, 자외선, 적외선 등의 전자기파 또는 초음파 등을 방출할 수 있다.

반사부(133')는 방출부(131')에 대하여 제1 방향(D1)으로 이격된 곳에 위치할 수 있다.

예시적인 실시 예들에 따르면, 방출부(131')가 제1 변형력 전달부(310) 또는 제어부(200)에 위치하는 경우 반사부(133')는 제2 변형력 전달부(320)에 결합될 수 있다.

예시적인 실시 예들에 따르면, 방출부(131')가 제2 변형력 전달부(310)에 위치하는 경우 반사부(133')는 제1 변형력 전달부(310) 또는 제어부(200)에 결합될 수 있다.

반사부(133')는 방출부(131')로부터 방출된 전자기파 또는 초음파 등을 다시 제1 방향(D1)의 반대방향 또는 제1 방향(D1)으로 반사시킬 수 있다. 반사부(133')는 거울을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

감지부(135')는 방출부(131')에 인접하게 배치될 수 있다.

예시적인 실시 예들에 따르면, 방출부(131')가 제1 변형력 전달부(310) 또는 제어부(200)에 결합되는 경우, 감지부(135')도 제1 변형력 전달부(310) 또는 제어부(200)에 결합될 수 있다.

예시적인 실시 예들에 따르면, 방출부(131')가 제2 변형력 전달부(320)에 위치하는 경우, 감지부(135')도 제2 변형력 전달부(320) 상에 위치할 수 있다.

감지부(135')는 반사부(133')에서 반사된 전자기파 또는 초음파를 감지할 수 있다. 즉, 전자기파의 강도를 측정하거나, 초음파의 왕복 시간을 측정할 수 있다. 감지부(135')는 제어부(200)와 전기적으로 연결되어 측정한 정보를 전달할 수 있다.

제어부(200)는 전달받은 정보를 바탕으로 제1 및 2 변형력 전달부들(310, 320) 사이의 거리를 계산할 수 있다. 제1 및 2 변형력 전달부들(310, 320) 사이의 거리가 요구되는 수치보다 크면, 제어부(200)는 가열부(도 5의 114)에 전류를 더 제공하여 수축부(110)를 더 수축시킬 수 있다. 반대로 제1 및 2 변형력 전달부들(310, 320) 사이의 거리가 요구되는 수치보다 작으면, 제어부(200)는 가열부(도 5의 114)에 제공되는 전류를 차단하여 수축부(110)를 팽창시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 수축부(110)의 수축/팽창 정도를 정밀하게 측정할 수 있는 인공 근육(14)이 제공될 수 있다. 이에 따라 인공 근육(14)은 정밀한 제어가 가능할 수 있다. 인공 근육(14)은 인체의 세밀한 움직임을 모사할 수 있다. 또한 광, 초음파 등을 이용하여 변형량을 측정하므로 열에 의한 영향을 받지 않아 열적 안정성이 우수할 수 있다.

도 11은 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따른 인공 근육의 도 2의 ⅠⅠ선에 대응하는 단면도이다. 도 12는 도 10의 변형량 센서의 단면도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 생략될 수 있다.

도 2, 도 11을 참조하면, 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320), 제어부(200) 및 수축부(110)를 포함하는 인공 근육(16)이 제공될 수 있다. 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320), 수축부(110) 및 제어부(200)는 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320), 수축부(110) 및 제어부(200)와 실질적으로 동일할 수 있다.

도 11 및 도 12를 참고하면, 인공 근육(16)은 변형량 센서(130'')를 포함할 수 있다. 변형량 센서(130'')는 전체적으로 수축부(110)를 감싸며 제1 방향(D1)을 향해 진행하는 스프링 형태일 수 있다.

변형량 센서(130'')는 제1 방향(D1)을 향해 진행하는 스프링 형태의 스프링센서지지부(133'')와, 스프링센서지지부(133'')의 표면을 감싸는 스프링센서전극부(131'')를 포함할 수 있다.

스프링센서지지부(133'')는 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320)과 직접 혹은 간접적으로 연결되도록 제1 방향(D1)으로 연장될 수 있다. 스프링센서지지부(133'')는 물리적 변형에 대한 탄성을 가지는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스프링센서지지부(133'')는 고분자를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.

스프링센서지지부(133'')는 인공 근육(16)이 수축하여 제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320) 사이의 거리가 줄어들 경우 수축될 수 있고, 수축부(110)의 수축력이 제거되면 다시 원상태로 팽창할 수 있다. 따라서 이를 감싸는 스프링센서전극부(131'')도 원래 상태로 회복 변형될 수 있다.

스프링센서지지부(133'')의 스프링 상수는 인공 근육(16)의 수축 변형 시 이를 방해하지 않을 정도의 값을 가질 수 있다. 이에 따라 수축부(110)의 수축 변형은 방해를 받지 아니할 수 있다.

스프링센서전극부(131'')는 스프링센서지지부(133'')의 표면을 감쌀 수 있다. 스프링센서전극부(131'')의 전기 저항은 스프링센서전극부(131'')의 변형에 의해 변할 수 있다. 예시적인 실시 예들에 따르면, 스프링센서전극부(131'')는 전도체일 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.

제1 및 제2 변형력 전달부들(310, 320) 사이의 거리가 짧아지거나 길어질 경우, 스프링센서전극부(131'')의 전기적 저항이 낮아지거나 높아질 수 있다. 스프링센서전극부(131'')의 형상은 인공 근육(16)의 길이가 변할 경우 같이 변하므로, 인공 근육(16)이 수축 또는 팽창할 때 스프링센서전극부(131'')의 전기적 저항은 낮아지거나 높아질 수 있다. 전기 저항의 변화량에 관한 데이터는 제어부(200)에 제공될 수 있다. 제어부(200)는 전기 저항의 변화량에 관한 데이터를 수신하여, 인공 근육(16)의 변화량을 계산할 수 있다. 제어부(200)는 계산결과를 바탕으로 인공 근육(16)의 상태에 관한 데이터를 생성할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 수축부(110)의 수축/팽창 정도를 정밀하게 측정할 수 있는 인공 근육(16)이 제공될 수 있다. 이에 따라 인공 근육(16)은 정밀한 제어가 가능할 수 있다. 인공 근육(16)은 인체의 세밀한 움직임을 모사할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상의 실시 예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 이상의 실시 예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 실시 예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

10,12,14,16: 인공근육
100: 바디부
110: 수축부
112: 고분자 코일 스프링
114: 가열부
116: 외피
120: 팽창부
122A, 124A: 제1 및 제2 전극
126A: 고분자막
130, 130', 130”: 변형량 센서
131: 센서전극부
133: 센서지지부
131': 방출부
133': 반사부
135': 감지부
131”: 스프링센서전극부
133”: 스프링센서지지부
140: 하우징
200: 제어부
300: 변형력 전달부
310, 320: 제1 및 제2 변형력 전달부들

Claims (10)

1. 제1 방향을 따라 서로 이격된 제1 변형력 전달부 및 제2 변형력 전달부;
   상기 제1 및 제2 변형력 전달부들 사이에 제공되어, 상기 제1 및 제2 변형력 전달부들을 당기는 수축부;
   상기 제1 및 제2 변형력 전달부들 사이의 거리를 측정하는 변형량 센서; 및
   상기 수축부의 수축을 제어하는 제어부를 포함하며,
   상기 제어부는 상기 변형량 센서로부터 상기 제1 및 제2 변형력 전달부들 사이의 거리에 대한 정보를 제공받아 상기 수축부에 대한 피드백 제어를 수행하되,
   상기 수축부는:
   고분자 코일 스프링; 및
   상기 고분자 코일 스프링을 덮도록 상기 고분자 코일 스프링의 표면에 접하여, 상기 고분자 코일 스프링의 연장 방향을 따라 연장되는 가열부를 포함하되,
   상기 가열부는 상기 고분자 코일 스프링을 가열하고,
   상기 고분자 코일 스프링은 상기 가열을 통해 상기 제1 방향을 따라 수축하는 피드백 제어 가능한 인공 근육.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 변형량 센서는:
   상기 제1 방향으로 연장되어 상기 제1 및 제2 변형력 전달부에 연결되는 센서전극부; 및
   상기 센서전극부에 결합되어 상기 센서전극부를 지지하는 센서지지부를 포함하는 피드백 제어 가능한 인공 근육.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 변형량 센서는 상기 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 휘어진 피드백 제어 가능한 인공 근육.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 센서전극부는 전도체를 포함하고,
   상기 센서지지부는 고분자를 포함하는 피드백 제어 가능한 인공 근육.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 변형량 센서는:
   상기 제1 또는 제2 변형력 전달부에 위치하는 방출부;
   상기 방출부로부터 상기 제1 방향을 따라 이격된 반사부; 및
   상기 방출부에 인접하게 배치되는 감지부를 포함하며,
   상기 방출부는 상기 반사부을 향해 광 또는 초음파를 방출하고,
   상기 반사부는 상기 방출부에서 방출된 광 또는 초음파를 상기 감지부를 향해 반사하며,
   상기 감지부는 반사된 광 또는 초음파를 감지하는 피드백 제어 가능한 인공 근육.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 변형량 센서는 상기 수축부를 감싸며 상기 제1 방향으로 연장되는 스프링 형태로 제공되는 피드백 제어 가능한 인공 근육.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 변형량 센서는:
   상기 제1 방향으로 진행하는 스프링 형상의 스프링센서지지부; 및
   상기 스프링센서지지부의 표면을 감싸는 스프링센서전극부를 포함하며,
   상기 스프링센서지지부는 수축 변형에 대응하여 탄성 복원되며,
   상기 스프링센서전극부의 전기 저항은 상기 스프링센서전극부의 변형에 의해 변하는 피드백 제어 가능한 인공 근육.
   
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 수축부는:
   상기 가열부로부터 방사형으로 이격되는 외피를 더 포함하되,
   상기 외피와 상기 가열부 사이에 냉매가 유동되는 공간이 제공되는 피드백 제어 가능한 인공 근육.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 변형력 전달부들 사이에 제공되어, 상기 제1 및 제2 변형력 전달부들을 미는 팽창부를 더 포함하되,
    상기 팽창부는:
    상기 수축부를 둘러싸는 고분자 막; 및
    상기 고분자 막의 내측면 및 외측면 상에 각각 제공된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되,
    상기 제1 및 제2 전극들에 서로 다른 전압들이 인가된 때, 상기 고분자 막 내에 전기장이 형성되고,
    상기 고분자 막은 상기 전기장에 의해 상기 제1 방향을 따라 팽창하는 피드백 제어 가능한 인공 근육.
    
    
    

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