KR102565203B1 - 형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈 - Google Patents

형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도 상승시 변형이 발생하고 냉각시 초기상태인 선형으로 변하는 메모리 효과를 갖는 형상기억합금 와이어를 이용하여 토션 스프링과 같은 힘을 발생시키되, 링구조체를 중심으로 감긴 복수의 와이어 구조 및 각 와이어에 대한 전류인가를 제어하여 원하는 방향으로의 밴딩모션을 구현할 수 있는 형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈에 관한 것이다.

Description

형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈 {Omnidirectional bending actuator by using Shape Memory Alloy wires and a ring structure}
본 발명은 액추에이터모듈에 관한 것으로, 자세하게는 온도 상승시 변형이 발생하고 냉각시 초기상태인 선형으로 변하는 메모리 효과를 갖는 형상기억합금 와이어를 이용하여 토션 스프링과 같은 힘을 발생시키되, 링구조체를 중심으로 감긴 복수의 와이어 구조 및 각 와이어에 대한 전류인가를 제어하여 원하는 방향으로의 밴딩모션을 구현할 수 있는 형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈에 관한 것이다.
액추에이터는 에너지를 사용하여 기계적인 일을 하는 장치를 의미하는 것으로, 근래 휴대용 전자 장치에 내장된 소형 카메라에서 포커싱이나 줌 기능에 사용되는 구동체계나 곤충 로봇 등과 같은 생체 모방형 로봇에서 로봇의 동작을 위한 구동체계 등 소형 기기 분야에서 형상기억합금(Shape Memory Alloy, 이하 "SMA")을 이용한 액추에이터가 사용되고 있다.
SMA 액추에이터는 SMA를 와이어나 코일형태로 감아 사용하며, 중량 대비 큰 힘과 스트로크를 얻을 수 있는 장점이 있어, 이를 통해 다양한 기계적 움직임을 구현할 수 있는 액추에이터의 개발이 이루어지고 있다.
또한, 기계의 소형, 정밀화와 함께, 종래 단순한 움직임을 구현하는 장비들 외에 복잡한 움직임이 요구되는 로봇, 시뮬레이터, 포지셔닝 장치 등 운동 자유도가 요구되는 액추에이터 개발요구가 점차 증가하고 있으며, 특히 적은 소비전력으로 크고 강한 움직임을 구현하되 다양한 방향으로의 움직이며 운동력을 발생시킬 수 있는 액추에이터모듈 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0040438호(2012.04.27)
본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 간격을 두고 형성된 한 쌍의 지지체 사이에 고리형태의 링구조체와, 상기 링구조체를 감으면서 양끝이 각각 한 쌍의 지지체에 연결된 복수의 형상기억합금 와이어로 이루어져 와이어에 선택적으로 전류를 인가함으로 한 쌍의 지지체 사이의 간격 변화와 링구조체 이동에 따른 힘을 발생시킬 수 있는 형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명 형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈은 판형의 제1지지체; 상기 제1지지체와 설정된 간격을 두고 마주보도록 배치되는 제2지지체; 상기 제1지지체 및 제2지지체 사이에 위치하되 중앙에 상기 제1지지체 및 제2지지체를 향하는 관통부가 형성된 고리형태의 링구조체; 온도상승에 따라 휨이 발생하는 형상기억합금으로 이루어지되 한쪽 끝이 상기 제1지지체에 다른 쪽 끝이 상기 제2지지체에 각각 고정되고 중간 부분이 상기 관통부를 통과하여 링구조체를 감도록 구성되며, 상기 링구조체를 따라 설치되는 복수의 와이어; 를 구비하며, 상기 복수의 와이어 중 선택적으로 전류를 인가함으로 상기 제1지지체 및 제2지지체 사이 간격의 변화가 발생하고 상기 링구조체가 이동함에 따른 힘이 발생하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 복수의 와이어는, 한쪽 끝과 다른 쪽 끝이 각각 상기 관통부 내측에서 외측을 향하도록 감기는 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수의 와이어는, 펼쳐지는 복원력을 갖되 상호대칭구조로 설치되어 상기 제1지지체 및 제2지지체가 평행하도록 힘의 균형을 이루도록 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 링구조체는, 외형이 원형 또는 다각형 또는 일부 절개부가 형성된 원이나 다각형 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 링구조체는, 감기는 와이어의 위치가 고정되도록 지지하는 요홈부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 형상기억합금과 링구조체를 활용한 새로운 구조의 액추에이터로서 중앙 기둥과 같은 지지구조 없이도 볼 조인트와 같이 360도 방향제어가 가능한 모션이 구현될 수 있으며, 종래의 밴딩 모듈과 비교하여 낮은 소비전력으로도 더 빠른 응답특성과 큰 범위의 밴딩 모션이 이루어질 수 있다.
또한, 전기나, 유체구동방식의 액추에이터와 대비하여 동일한 모션 구현을 위한 시스템의 간소화가 가능하며, 4 자유도가 요구되는 다양한 장비에 적용될 수 있다.
도 1은 SMA 스프링 방식의 액추에이터 구조를 나타낸 사시도
도 2는 형상기억 합금 와이어의 동작 원리를 나타낸 개념도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 외형을 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 외형을 나타낸 측면도,
도 5는 본 발명의 작동상태를 나타낸 제1작동상태도,
도 6은 본 발명의 작동상태를 나타낸 제2작동상태도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 외형을 나타낸 사시도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 외형을 나타낸 사시도,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 링구조체를 나타낸 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈의 구조를 구체적으로 설명한다.
도 1은 SMA 스프링 방식의 액추에이터 구조를 나타낸 사시도로서, 본 발명과 일부 유사한 동작특성을 나타내기 위한 구조로 SMA 스프링을 사용한 액추에이터의 구조를 나타낸다.
기본적으로 상측과 하측에 각각 상부지지체(10)와 하부지지체(20)가 구비되며 전후좌우 측으로 각각 형상기억합금 스프링(40)이 상하방향으로 설치되어 상부지지체(10)와 하부지지체(20)를 연결하는 구조로서, 각각의 형상기억합금 스프링(40)은 플렉시블 관(30)으로 둘러싸여 보호 및 지지되며 상부지지체(10)와 하부지지체(20) 사이에서 형상 및 간격유지가 이뤄진다.
상기 형상기억합금 스프링(40)은 온도 상승시 변형이 발생하고 냉각시 초기상태로 변하는 메모리 효과를 발생하므로, 전후좌우 측에 설치된 형상기억합금 스프링(40)에 개별적으로 전류를 인가하여 온도상승을 유발시 설정상태에 따라 수축 또는 인장력이 발생하므로 상부지지체(10)와 하부지지체(20) 사이에 밴딩 모션이 발생하며, 각 형상기억합금 스프링(40)에 인가되는 전류의 제어를 통해 전후좌우 전 방향에 대한 모션이 구현된다.
하지만, 스프링의 구조적 특성상 수축 또는 인장범위에 한계가 존재할 뿐 아니라 안정적인 형상유지를 위해 플렉시블 관(30)과 같은 별도의 지지구조가 필요하고 스프링 형태로 감긴 형상기억합금 와이어 변형을 위한 전력의 소비도 높아지게 된다.
이에 본 발명에서는 스프링 방식이 아닌 링구조체(130) 및 복수의 와이어(140)를 사용하여 구조를 개선하고 별도의 지지체 없이도 형상유지가 용이하면서 상대적으로 낮은 소비전력으로 밴딩의 범위를 향상시킬 수 있는 구조를 제시한다.
도 2는 형상기억 합금 와이어의 동작 원리를 나타낸 개념도로서, 전류인가에 따른 가열과 냉각에 따른 와이어의 형태변화를 나타내고 있다. 본 발명에서 와이어는 기본적으로 가열됨에 따라 휨이 발생하며 양끝에 각각 설치된 지지체 사이에서 회전력을 발생시키게 되며, 냉각됨에 따라 본래 상태로 복구하며 양끝에 각각 설치된 지지체를 초기 위치로 되돌리게 된다.
물론 이와 반대로 작용하여 휨이 발생한 초기 상태에서 가열을 통해 펼쳐지도록 작용하고 냉각시 휜 상태로 돌아오는 특성의 형상기억합금 와이어를 사용시 전류의 인가와 차단 동작을 반대로 하여 실질적으로 동일한 효과를 볼 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 외형을 나타낸 사시도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 외형을 나타낸 측면도로서, 본 발명은 기본적으로 판형의 제1지지체(110) 및 상기 제1지지체(110)와 설정된 간격을 두고 마주보도록 배치되는 제2지지체(120)와, 상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120) 사이에 위치하되 중앙에 상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)를 향하는 관통부(131)가 형성된 고리형태의 링구조체(130)를 구비한다.
상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)는 가능한 비전도체로 이루어져 형상기억합금으로 구성된 와이어(140)의 변형에 따라 모션, 즉 기울어짐이 발생하는 구성으로 첨부된 도면과 같이 상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)가 모두 판형의 구조체로 이루어져 가운데를 연결하는 형상기억합금 와이어(140)의 변형에 따라 상호움직임이 발생할 수도 있으나 상기 제2지지체(120)를 판형 외 다른 형상의 고정구조체로 구성하고 제1지지체(110)만 움직일 수 있도록 구성할 수도 있다.
이때 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)의 마주보는 면은 링구조체(130) 및 와이어(140)의 원활한 설치를 위해 평면을 이루는 것이 바람직하다.
또한, 후술되는 바와 같이 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)를 연결하는 형상기억합금 와이어(140)에 전류가 인가됨에 따라 전류누설을 방지하기 위해 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)를 비전도체로 구성하는 것이 바람직하나, 와이어(140)를 절연처리 함으로 전도체로 구성할 수도 있다.
상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120) 사이에는 온도상승에 따라 휨이 발생하는 형상기억합금으로 이루어지는 와이어(140)로서 한쪽 끝이 상기 제1지지체(110)에, 다른 쪽 끝이 상기 제2지지체(120)에 각각 고정되고 중간 부분이 상기 관통부(131)를 통과하여 링구조체(130)를 감도록 형상기억합금 와이어(140)가 복수로 설치된다.
상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)는 실질적으로 복수의 형상기억합금 와이어(140)를 통해 지지되는 것으로, 상기 링구조체(130)의 둘레를 따라 등 간격으로 설치될 필요가 있으며 원활한 지지를 위해서는 최소 3개의 와이어가 삼각형을 이루도록 설치되어야 한다.
본 발명의 실시예에서는 첨부된 도면과 같이 4개의 와이어(140)가 전후좌우 방향에 대응하여 중심으로부터 서로 90도를 이루며 설치되되 이에 대응하여 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)는 사각형으로 이루어져 상기 각 모서리를 상기 와이어(140)가 연결한 모습을 나타내고 있다.
이때 효율적인 모션 구현 및 발생 스트로크를 최대화할 수 있도록 상기 복수의 와이어(140)는 펼쳐지는 복원력을 갖되, 첨부된 도면과 같이 한쪽 끝과 다른 쪽 끝이 각각 상기 관통부(131) 내측에서 외측을 향하도록 감기는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)의 초기 평행상태 유지와 정밀한 모션 구현 및 제어를 위해 복수의 와이어(140)는, 동일한 힘의 분산이 이루어지도록 대칭구조로 설치되어 힘의 균형을 이루며 상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)가 평행하도록 유지하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구조와 함께 제1지지체(110) 및 제2지지체(120) 사이에 설치된 복수의 와이어(140)에 선택적인 전원공급을 위한 전원제어장치(150)가 구비된다. 즉 설치된 각 와이어에 독립적으로 전원을 공급하여 원하는 와이어의 형태변형을 일으키는 것으로 첨부된 도면에서는 모든 와이어의 한쪽 끝을 접지한 상태에서 와이어의 다른 쪽으로 선택적으로 전원을 공급할 수 있도록 구성된 전원제어장치(150)를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 작동상태를 나타낸 제1작동상태도, 도 6은 본 발명의 작동상태를 나타낸 제2작동상태도이다.
상술한 구성을 기반으로 복수의 와이어 중 선택적으로 전류를 인가하여 휘어지는(수축하는 형태의) 형태변형을 촉발함으로 상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120) 사이 간격의 변화가 발생하고 이와 함께 상기 링구조체(130)가 이동함에 따른 힘이 발생하게 된다.
즉 선택된 하나의 와이어에 전류를 인가시 해당 와이어가 밴딩되며 그쪽으로 제1지지체(110) 및 제2지지체(120) 사이의 간격이 좁아지며 기울어지는, 즉 회전하는 것과 같은 모션이 발생한다. 이와 함께 와이어가 감긴 링구조체(130)는 기울어짐이 발생하는 반대쪽으로 밀리는 모션이 발생하게 된다.
만약 인접한 두 개의 와이어에 전류를 공급할 경우 힘의 합성에 따라 두 와이어의 중간방향으로 회전하는 힘이 발생하고 이에 대응하는 제1지지체 및 제2지지체와 링구조체의 모션을 발생하게 된다, 또한, 복수의 와이어에 인가되는 전류량에 차이를 두어 편향된 기울어짐을 유도하는 등으로 전원제어장치(150)를 제어하여 실질적으로 360도 전방향으로의 밴딩을 발생시키는 것도 가능하다.
설치된 모든 와이어가 동일한 길이와 형태를 하고 힘의 균형을 이루도록 설치되어 있다는 전제에서, 동일한 전류를 동시에 모든 와이어에 인가하는 경우 힘의 균형에 의해 의미 있는 모션 발생을 기대할 수는 없을 것이다.
이상에서는 바람직한 실시예로 사각형의 제1지지체 및 제2지지체에 완전한 원형을 띄는 도넛 형태의 링구조체와 4개의 와이어가 설치된 모습을 제시하였으나 동일한 기술적 사상 내에서 다양한 형태변형도 가능하다. 예를 들어, 상기 링구조체는, 외형이 원형 또는 다각형 또는 일부 절개부(132)가 형성된 원이나 다각형 구조로 이루어질 수도 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 외형을 나타낸 사시도, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 외형을 나타낸 사시도로서 이러한 변형 예를 도시하고 있다.
도 7(a)는 3개의 와이어가 설치된 형태로, 정삼각형의 꼭짓점을 향하는 형태로 와이어를 설치하여 힘의 균형을 이루도록 하되 선택된 1 ~ 2개의 와이어에 공급되는 전류제어를 통해 전방향에 대한 동일한 모션을 구현할 수 있다.
도 7(b)는 와이어가 5개가 구비된 형태로, 이처럼 구비되는 와이어 개수의 개수의 변화에 대응하여 링구조체를 원이나 타원뿐 아니라 다각형 모양으로 형태변경도 가능하다.
도 8(a)는 링구조체를 4각형으로 형성하되 각 변에 와이어를 감는 방법 외에 와이어를 감을 수 있는 부분을 추가로 형성한 형태로 이와 같은 형태를 통해 링구조체(130)에 감긴 와이어(140)의 위치가 효과적으로 유지될 수 있다.
도 8(b)는 도넛형태의 링구조체에 일부 절개부가 형성된 형태로 이와 같은 링구조체의 형태변화에도 실질적으로 구현되는 모션 및 효과는 동일하다.
상술한 내용에서는 링구조체(130)에 감긴 와이어(140)의 위치가 고정되는 것을 전제로 하였으나 와이어(140)가 변형되는 과정 및 링구조체(130)가 움직이는 과정에서 와이어(140)의 위치가 옮겨지며 힘과 위치의 균형에도 변형이 발생할 수도 있으므로 링구조체(130)에 감긴 와이어(140)의 초기 위치를 유지할 수 있는 방안이 마련되는 것이 바람직하다.
이를 위해 상술한 도 8(a)와 같이 와이어가 감기는 위치를 별도로 마련하는 방안과 함께 별도의 구조를 마련할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 링구조체를 나타낸 평면도로서, 링구조체(130)의 표면에 와이어(140)를 감기 위한 요홈부(133)를 형성하여 밀착 및 위치유지가 이루어질 수 있으며, 링구조체(130) 외측으로 감긴 와이어의 전체 내지는 일부를 감싸는 형태로 "ㄷ" 자 형태의 이탈방지부(134)를 형성하여 와이어(140)가 감겨진 초기 위치로부터 이탈하지 않도록 구성할 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10: 상부지지체 20: 하부지지체
30: 플렉시블 관 40: 형상기억합금 스프링
110: 제1지지체 120: 제2지지체
130: 링구조체 131: 관통부
132: 절개부 133: 요홈부
134: 이탈방지부 140: 와이어
150: 전원제어장치

Claims (5)

  1. 판형의 제1지지체(110);
    상기 제1지지체(110)와 설정된 간격을 두고 마주보도록 배치되는 제2지지체(120);
    상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120) 사이에 위치하되 중앙에 상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)를 향하는 관통부(131)가 형성된 고리형태의 링구조체(130);
    온도상승에 따라 휨이 발생하는 형상기억합금으로 이루어지되 한쪽 끝이 상기 제1지지체(110)에 다른 쪽 끝이 상기 제2지지체(120)에 각각 고정되고 중간 부분이 상기 관통부(131)를 통과하여 한쪽 끝과 다른 쪽 끝이 각각 상기 관통부(131) 내측에서 외측을 향하도록 링구조체(130)를 감도록 구성되며, 상기 링구조체(130)를 따라 설치되는 복수의 와이어(140); 를 구비하며,
    상기 복수의 와이어(140) 중 선택적으로 전류를 인가함으로 상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120) 사이 간격의 변화가 발생하고 상기 링구조체(130)가 이동함에 따른 힘이 발생하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 와이어(140)는,
    펼쳐지는 복원력을 갖되 상호대칭구조로 설치되어 상기 제1지지체(110) 및 제2지지체(120)가 평행하도록 힘의 균형을 이루도록 설치되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 링구조체(130)는,
    외형이 원형 또는 다각형 또는 일부 절개부(132)가 형성된 원이나 다각형 구조인 것을 특징으로 하는 형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 링구조체(130)는,
    감기는 와이어(140)의 위치가 고정되도록 지지하는 요홈부(133)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 와이어와 링구조체를 활용한 전방향 밴딩모션이 가능한 액추에이터모듈.
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