KR102621558B1 - Sma 스프링이 직조된 패브릭 및 이를 이용한 옷감형 유연구동기, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 마사지 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 유연구동기는 SMA 스프링이 직조된 패브릭을 포함하고, 상기 패브릭은: 날줄 및 씨줄 중 하나로 기능하도록 구성된, 스프링 형태의 열반응 구동소자; 및 상기 날줄 및 씨줄 중 다른 하나로 기능하도록 구성된 와이어를 포함한다.

Description

SMA 스프링이 직조된 패브릭 및 이를 이용한 옷감형 유연구동기, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 마사지 장치{Fabric woven with shape memory alloy spring, cloth-type flexible actuator using the fabric, wearable robot and massage device including the same}

본 발명은 SMA 스프링이 직조된 패브릭 및 이를 이용한 옷감형 유연구동기, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 마사지 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 산업 현장의 근로자, 하역근로자, 택배근로자 등은 무거운 중량의 물체를 반복적으로 들고 이동하는 동작을 수행하는 경우가 많다.

이러한 작업은 여러 사람의 인력이 요구되거나 현장 상황에 따라 중장비나 기중기, 도르래 등의 보조장비가 사용되어야 하는 불편이 있다. 또한, 사람이 직접 작업할 경우에는 높은 작업 강도로 인해 근로자의 피로 증가와 작업능률의 저하는 물론이고, 근골격계 손상 등의 산업재해와 관련 직종의 기피 현상에 대한 문제가 있으며, 보조장비를 사용할 경우에는 비교적 넓은 이동공간이나 설치공간이 필요하므로, 사용범위가 제한적인 문제가 있다.

이러한 문제로 인해 반복적인 하중을 들고 일어서는 동작이나 무거운 하중을 버티는 동작을 완화시키기 위한 착용형 근력보조장치의 필요성이 대두되고 있다.

최근 개발되고 있는 근력보조장치는 모터와 프레임 등을 이용하여 팔이나 다리의 측면에 부착하여 구동되는 방식이 대부분이다.

이러한 방식의 근력보조장치는 프레임이나, 각종 프레임의 구동을 위한 모터 등으로 구성되어 무게가 무겁고 딱딱하여 자연스러운 움직임을 방해할 뿐만 아니라, 착용이 불편한 문제점이 있다.

따라서, 무게가 가볍고, 인체 근육과 유사한 위치에 부착되어 신체의 움직임을 방해하지 않을 뿐만 아니라 다양한 동작의 응답성을 향상시킬 수 있는 웨어러블 로봇(근력 증강용 의복)의 개발이 요구된다.

이러한 요구에 응답하여 형상기억합금(SMA) 스프링을 이용한 옷감형 유연구동기 및 이를 이용한 근력보조장치가 제안되어 관련 기술들이 연구되고 있다.

본 발명은 옷감형 유연구동기를 개선하기 위하여, SMA 스프링이 직조된 패브릭 및 이를 이용한 옷감형 유연구동기, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 마사지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 명세서에 개시된 기술의 기술적 사상에 따른 SMA 스프링이 직조된 패브릭 및 이를 이용한 옷감형 유연구동기, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 마사지 장치가 이루고자 하는 기술적 과제는 앞서 언급한 특정 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 패브릭은, 날줄 및 씨줄 중 하나로 기능하도록 구성된, 스프링 형태의 열반응 구동소자; 및 상기 날줄 및 씨줄 중 다른 하나로 기능하도록 구성된 와이어를 포함한다.

상기 스프링 형태의 열반응 구동소자는 SMA 스프링이 바람직하다.

상기 SMA 스프링은 유연성을 갖고 상기 패브릭 내에서 서로 밀착하여 직조된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 패브릭 제조방법은, 스프링 형태의 열반응 구동소자 실을 날줄 및 씨줄 중 하나로 사용하고, 와이어를 상기 날줄 및 씨줄 중 다른 하나로 사용하여, 날줄과 씨줄로 구성된 패브릭으로 직조한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 패브릭 제조방법은, 열반응 구동소자를 스프링 형태의 와이어로 제조하는 단계; 와이어를 준비하는 단계; 및 상기 스프링 형태의 열반응 구동소자 실과 상기 와이어를 이용하여 패브릭으로 직조하는 단계를 포함한다.

상기 열반응 구동소자를 스프링 형태의 와이어로 제조하는 단계는, 추후 제거될 심선(베이스 와이어)의 둘레에 열반응 구동소자 와이어를 스프링 형태로 연속적으로 감는 단계; 및 상기 심선에 감겨진 스프링 형태의 열반응 구동소자 와이어를 열처리하여 스프링 형태로 기억시키는 단계를 포함한다.

상기 패브릭 직조 단계는, 상기 심선에 감겨진 스프링 형태의 열반응 구동소자 와이어를 날줄 및 씨줄 중 하나로 이용하고, 상기 와이어를 상기 날줄 및 씨줄 중 다른 하나로 이용하여 종래의 방직기술을 이용해 날줄과 씨줄로 구성된 패브릭으로 직조하는 단계: 및 상기 직조된 패브릭으로부터 상기 심선을 제거하는 단계를 포함한다.

상기 심선은 산에 의해 용해되어 제거된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유연구동기는, 앞서 기재된 패브릭 또는 제조방법에 의해 제조된 패브릭을 포함하는 구동부; 및 상기 구동부로의 전원 공급을 제어하도록 구성된 제어부를 포함한다.

상기 구동부는, 상기 패브릭 내의 스프링이 배열된 길이방향으로 수축과 이완하도록 구성된다.

상기 유연구동기는 상기 구동부의 이완 길이를 제한하도록 구성된 이완길이제한부를 더 포함한다.

상기 이완길이제한부는 상기 패브릭의 일측 또는 양측에 설치된 이완길이제한 와이어이거나 또는 상기 패브릭을 내포하도록 구성된 외피인 것을 특징으로 한다.

상기 구동부는, 상기 전원 공급에 의한 전류를 공급하도록 구성된 전류 공급선; 및 상기 전류가 상기 패브릭 내의 스프링으로 흐르는 경로를 형성하는 전극 역할을 하도록 구성된 전도성 패드를 더 포함한다.

상기 유연구동기는 외부에서 가해지는 힘을 전달하도록 구성된 지지용 옷감을 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 로봇은, 의복 본체, 및 상기 의복 본체에 연결되거나 일체로 형성된 앞선 기재의 유연구동기를 포함하며, 상기 유연구동기의 일 측은 제1 신체고정부에 배치되고, 상기 유연구동기의 타 측은 상기 의복 본체에서 관절이 대응되는 위치를 기준으로 상기 제1 신체고정부와 반대편에 있는 제2 신체고정부에 배치된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마사지 장치는, 탄성 밴드, 및 상기 탄성 밴드에 연결되는 앞서 기재된 하나 이상의 유연구동기를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따르면 SMA 스프링이 직조된 패브릭 및 이를 이용한 옷감형 유연구동기, 그리고 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 마사지 장치의 제공이 가능하다.

구체적으로, SMA 스프링을 옷감 내의 날줄 또는 씨줄처럼 촘촘하게 직조함으로써, 단위 면적당 많은 수의 SMA 스프링을 균일한 밀도로 배치 가능하며, 많은 수의 SMA 스프링 배치로 큰 힘 발생이 가능할 뿐만 아니라, 균일한 SMA 스프링 배치로 인해 냉각성능 또한 향상된다. 무엇보다도, 동 옷감형 구동기는 종래에 일반적으로 사용되는 직조기계(방직기계)와 같은 공정을 통해 제작가능하므로 자동화를 통한 대량생산이 가능하고, 원단 형태로 사용자에게 제공될 경우 원하는 모양, 크기 등 디자인 설계 자유도 또한 증가된다.

한편, 앞서 기재된 효과는 예시적인 것에 불과하며 당업자의 관점에서 본 발명의 세부 구성으로부터 예측되거나 기대되는 효과들 또한 본원발명 고유의 효과에 추가될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SMA 스프링 패브릭을 이용한 유연구동기의 구성도이다.
도 2는 도 1의 유연구동기의 다른 실시예에 대한 구성도이다.
도 3은 도 1의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 SMA 스프링 패브릭의 실물 및 확대 사진이다.
도 5은 도 4의 SMA 스프링 패브릭 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 도 5 중 SMA 스프링 원사의 제조장치 및 제조방법을 각각 예시적으로 나타낸 예시도 및 흐름도이다.
도 7은 도 1의 유연구동기의 작동 전후를 각각 나타내는 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 로봇의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 마사지 장치의 구성도이다.
도 10은 도 9의 마사지 장치의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "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" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 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.

본 개시내용은 도면 및 이상의 설명에서 상세하게 예시되고 설명되었지만, 본 개시내용은 특성이 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야 하고, 단지 소정의 실시형태가 도시되고 설명되었으며, 본 개시내용의 정신 내에 들어가는 모든 변화와 변형은 보호되는 것이 바람직함이 이해될 것이다.

유연구동부

이하 첨부된 도면을 참고하여 먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 옷감형 유연구동기에 대하여 상세히 설명한다. 설명의 편의상, 본 명세서에 기재된 실시예는 전류를 이용한 주울 가열(Joule heating)을 통해 유연구동기가 수축되도록 하는 열반응 구동소자의 경우로 한정한다.

본 실시예에 따른 유연구동기(10)는, 스프링 형태의 형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy)이 직조된 패브릭(이하, ‘SMA 스프링 패브릭’이라 함)인 열반응 구동소자(100)가 제어부(300)에 의하여 수축 및 이완됨에 의하여 구동기 자체도 수축 및 이완되도록 구성된다.

이러한 유연구동기는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 설계상 필요에 따라 하나 또는 그 이상의 SMA 스프링 패브릭을 포함할 수 있으며 이에 따른 다양한 배치가 가능하다.

열반응 구동소자는 열에너지를 구동력이나 변위와 같은 기계적 에너지로 변환시킬 수 있는 소재로서 인공근육에 많이 적용되고 있다.

열반응 구동소자 중의 하나인 형상기억합금 와이어(이하, ‘SMA 와이어’라 함)는 저온상인 마르텐사이트 상태에서 재료에 응력을 가하여 변형시킨 후 고온상의 오스테나이트 상태가 되도록 가열하면 원래의 형상으로 복원되는 재료이다.

수축변위가 2 내지 5 %인 이러한 SMA 와이어를 스프링 형태로 제작하면 수축변위를 40 % 이상으로 향상시킬 수 있다.

한편, SMA 스프링은 가열하여 수축하는 속도는 빠른 반면 냉각속도가 느려서 이완속도를 향상시키기에는 한계가 있으며, 이로 인해 전체적인 구동속도가 느려지는 문제점이 있다.

SMA 스프링을 제작하기 위해 사용되는 SMA 와이어의 직경이 가늘수록 가열속도가 빨라지며 부피 대비 표면적 비율이 높아져서 냉각속도 또한 향상될 수 있다.

예를 들어, 0.08 mm 미세직경의 SMA 와이어는 가령 0.5 mm 굵은 직경의 SMA 와이어 단면적의 1/39로서 단위부피 대 표면적 비율이 6.25 배 증가한다. 단면적의 비율만큼 부하용량이 감소하므로 0.08 mm 직경의 SMA 와이어로 제작한 SMA 스프링이 0.5 mm 직경의 SMA 와이어로 제작한 SMA 스프링 1개의 부하용량을 발휘하기 위해서는 이론상 39 개가 필요하다.

0.5 mm 직경 SMA 와이어로 구성된 SMA 스프링으로 10 kgf의 구동력을 가지는 옷감형 구동기를 제작하는 경우 수십 개(가령 20개)의 SMA 스프링을 사용하면 되지만 이러한 복수의 스프링들로 구성된 구동기 조립체를 사용자가 착용할 경우 느껴지는 이질감와 불편함은 불가피할 것이다.

한편, 0.5 mm 직경 SMA 와이어로 구성된 SMA 스프링으로 제조된 옷감형 구동기의 10 kgf의 대응 구동력을 가지기 위해서는 0.08 mm 직경 와이어의 SMA 스프링의 경우 수백 개의 SMA 스프링을 사용해야 한다.

본 개시내용은 이러한 많은 개수의 미세직경 와이어의 SMA 스프링을 사용하는 새로운 형태의 옷감형 구동기 및 제작 공정의 개발 요구에 대한 해결책이 될 것이다.

주의할 점은, SMA 스프링을 이루는 와이어의 직경이 0.5 mm, 0.08 mm인 것을 예시로 들었지만, 반드시 이러한 직경에만 본 발명이 적용될 수 있는 것은 아니다. 기존에는 고려할 필요가 없었던 방법이 와이어가 가늘어져서 개수가 늘어남에 따라 새로운 제작방법과 구성이 필요하게 된 것이다. 따라서, 0.5 mm보다 큰 직경의 와이어의 경우에도 본 발명에 의한 새로운 방법으로 충분히 제작이 가능하다. 후술하는 바와 같이 패브릭 형태로 직조가 가능한 직경의 모든 와이어가 본 발명에 적용될 수 있다.

본 개시는 이러한 미세 SMA 스프링을 패브릭의 원사로 이용하여 열반응 구동소자를 마치 원단과 같이 하나의 일체화된 패브릭 형태로 직조한다는 것을 주요 기술적 사상으로 하고 있다.

즉, 본 개시에 의한 SMA 스프링 패브릭(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 SMA 스프링 형태의 날줄(또는 씨줄: 101), 와이어 씨줄(또는 날줄: 103)을 포함한다.

날줄 및 씨줄 중 하나로 기능하도록 구성된 와이어(103)는 복수의 SMA 스프링 실(와이어: 101)을 평면 내에 고정하기 위한 것으로서 반드시 촘촘하게 형성될 필요는 없으며 SMA 스프링의 수축 이완 동작을 방해하지 않을 정도의 간격으로 형성될 수 있다. 아울러, 와이어(103)는 직조 후 산 처리 공정을 고려하여 산 처리시 반응하지 않는 조건을 만족하는 재질이면 충분하다.

도 4에서와 같이 SMA 스프링은 유연성을 갖고 패브릭 내에서 서로 밀착하여 직조된다. 이와 같이 SMA 스프링을 옷감 내의 날줄 또는 씨줄처럼 촘촘하게 직조함으로써, 단위 면적당 많은 수의 SMA 스프링을 균일한 밀도로 배치 가능하며, 많은 수의 SMA 스프링 배치로 큰 힘 발생이 가능할 뿐만 아니라, 균일한 SMA 스프링 배치로 인해 냉각성능 또한 향상된다.

무엇보다도, 동 옷감형 구동기는 일반적인 직조기계(방직기계)와 같은 공정을 통해 제작가능하므로 자동화를 통한 대량생산이 가능하고, 원단 형태로 사용자에게 제공될 경우 원하는 모양, 크기 등 디자인 설계 자유도 또한 증가된다.

가령, SMA 스프링 수백 개를 모아 하나의 모듈인 SMA 스프링 패브릭(100)을 형성한다. 미세직경의 SMA 와이어 기반 패브릭을 이용하면 기존의 구동력을 유지하면서도 옷감의 유연성을 상당부분 유지하여 착용시 이질감이 없을 뿐만 아니라 특히 냉각속도를 향상시켜 빠른 응답성을 구현할 수 있다. 한편, 와이어 직경에서와 같이 패브릭을 구성하는 스프링의 개수에 대해서도 마찬가지이다. 수 내지 수백 개까지 본 발명에 의한 새로운 제작방법 및 구성이 적용될 수 있다.

도 5는 도 4에서의 SMA 스프링 패브릭의 제조공정에 대한 순서도를 나타낸다.

본 실시예에 따른 패브릭 제조방법은, 스프링 형태의 열반응 구동소자(SMA 스프링) 실을 날줄 및 씨줄 중 하나로 사용하고, 와이어(가령, 일반 섬유 실)를 날줄 및 씨줄 중 다른 하나로 사용하여, 날줄과 씨줄로 구성된 패브릭으로 직조한다.

이를 위해 동 패브릭 제조방법은, 일반적인 SMA 와이어를 스프링 형태의 실로 제조하는 단계(S300), 와이어를 준비하는 단계(S400), 및 스프링 형태의 열반응 구동소자 실과 와이어를 이용하여 패브릭으로 직조하는 단계(S500)를 포함한다.

먼저, 열반응 구동소자인 SMA 와이어를 스프링 형태의 실로 제조하는 단계(S300)는, 추후 산 등에 의해 제거될 심선(베이스 와이어)의 둘레에 SMA 와이어를 스프링 형태로 연속적으로 감는 단계와, 이러한 심선에 감겨진 스프링 형태의 열반응 구동소자 와이어를 열처리하여 스프링 형태로 기억시키는 단계를 포함한다.

패브릭을 구성하는 원사 중 하나에 해당하는 SMA 스프링을 와이어/실로 길게 만드는 공정 그 자체는 특정 제조방법에 한정되는 것은 아니지만 가령 본 발명의 출원인에 의하여 이미 출원된 대한민국 특허출원 제10-2020-0029517호 “SMA 스프링의 제조방법”에 개시된 방법에 의해 제조될 수 있으며, 이는 본 명세서에서 그 전문이 인용참조된다.

예를 들면, SMA 와이어를 스프링 형태의 실로 제조하는 방법은, 도 6에 도시된 바와 같이, 녹는점이 500 ℃ 이상이고, 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 금속으로 이루어지는 베이스 와이어(심선)를 공급하는 단계, SMA 와이어가 공급되는 베이스 와이어에 감기는 단계, SMA 와이어가 베이스 와이어에 감긴 스프링 형상이 연속적으로 형성되는 단계, 및 SMA 와이어가 감긴 상태의 베이스 와이어가 권취된 보빈을 고온로에서 열처리하는 열처리 단계를 포함할 수 있다.

도 6에 예시적으로 도시된 바와 같이, SMA 스프링 형태의 원사의 제조장치는 제1 언와인딩(unwinding)부(610), 제1 회전부(620), 제2 언와인딩(unwinding)부(630) 그리고 제1 와인딩(winding)부(660)를 포함할 수 있다.

제1 언와인딩부(610)에서는 감겨진 베이스 와이어(심선: 102)가 풀릴 수 있다. 베이스 와이어(102)는 제조하고자 하는 SMA 스프링(101)의 내측지름에 대응되는 외측지름을 가질 수 있다.

베이스 와이어(102)는 SMA 스프링의 열처리 온도보다 녹는점이 높으면서 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 재질이 사용될 수 있다. 구체적으로, 베이스 와이어(102)는 녹는점이 약 500 ℃ 이상이면서, 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 금속으로 이루어질 수 있으며, 베이스 와이어를 녹이는 산으로는 불산, 염산, 붕산, 황산, 질산, 인산, 과산화수소산, 아세트산, 프로피온산, 디아세트산, 포름산 등 제한없이 사용될 수 있다. 예시적으로, 베이스 와이어(102)는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 철(Fe), 크롬(Cr), 지르코늄 (Zr), 코발트(Co), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 금속으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 몰리브덴 또는 텅스텐으로 이루어질 수 있다.

제1 언와인딩부(610)에서 풀리는 베이스 와이어(102)는 제1 와인딩부 (660)에 권취될 수 있다. 그리고 베이스 와이어(102)는 등속으로 공급될 수 있다.

제1 와인딩부(660)는 SMA 스프링의 열처리 온도에서 견딜 수 있는 재질의 보빈으로 구성될 수 있다. 보빈은 스풀(spool) 또는 릴(reel) 형태로 제공될 수 있으며, 약 500℃ 이상의 온도에서 견딜 수 있는 금속, 세라믹, 실리콘 및 유리 중 적어도 하나의 재질이 포함되도록 형성될 수 있다. 약 1,000℃ 이상의 온도에서 견딜 수 있는 고내식성, 고융점 금속 재질이 포함될 수도 있다.

제1 회전부(620)는 제1 언와인딩부(610)에서 풀리는 베이스 와이어(102)의 공급 방향으로 구비될 수 있다. 제1 회전부(620)에는 중심 방향으로 제1 관통공(621)이 관통 형성될 수 있다. 제1 관통공(621)으로는 베이스 와이어(102)가 관통되어 공급될 수 있으며, 제1 관통공(621)은 베이스 와이어(102)의 외측 지름보다 큰 내측 지름을 가질 수 있다.

제1 회전부(620)는 제1 지지부(670)에 회전 가능하도록 결합될 수 있다. 제1 지지부(670)는 제1 언와인딩부(610)에서 풀리는 베이스 와이어(102)의 공급 방향에 구비될 수 있다. 제1 지지부(670)에는 베이스 와이어(102)의 공급 방향으로 제1 연결공(671)이 관통 형성될 수 있다. 제1 회전부(620)는 제1 지지부(670)에 회전 가능하도록 결합될 수 있으며, 제1 관통공(621)이 제1 연결공(671)과 동일한 중심축을 가지도록 마련될 수 있다. 제1 회전부(620)는 제1 지지부(670)에 결합되어 제1 관통공(621)의 중심축을 중심으로 회전할 수 있다.

제2 언와인딩부(630)는 제1 회전부(620)의 외주면에 구비될 수 있다. 제2 언와인딩부(630)는 제1 회전부(620)의 반경 방향으로 구비되는 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구비될 수 있다. 따라서, 제2 언와인딩부(630)는 제1 회전부(620)의 회전 시에 제1 회전부(620)와 함께 회전될 수 있으며, 제2 언와인딩부(630) 자체가 회전될 수도 있다. 즉, 제2 언와인딩부(630)는 제1 회전부(620)의 중심축을 중심으로 하는 제1 회전 및 제1 회전부(620)의 반경 방향으로 구비되는 회전축을 중심으로 하는 제2 회전을 동시에 할 수 있다.

제2 언와인딩부(630)에서는 SMA 와이어(101)가 풀릴 수 있다. 제2 언와인딩부(630)에서 풀리는 SMA 와이어(101)는 제1 언와인딩부(610)에서 풀린 후 제1 회전부(620)의 제1 관통공(621)을 통과하여 공급되는 베이스 와이어(102)의 외주면에 감길 수 있다. SMA 와이어(220)는 단일의 선재일 수 있다. SMA 와이어(101)는 SMA 스프링의 선재를 형성할 수 있으며, SMA 스프링의 선재의 지름은 SMA 와이어(101)의 지름일 수 있다.

SMA 스프링의 선재의 지름은 제한은 없으나, 1.0 mm 이하일 수 있으며, 바람직하게는 0.5 mm 이하일 수 있고, 더욱 바람직하게는 머리카락 굵기인 0.1 mm 이하일 수 있다. SMA 와이어(101)의 지름이 이와 같은 경우 SMA 와이어(101)를 베이스 와이어(102)에 묶어서 고정할 수 있으므로 별도의 고정 장치를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.

제2 언와인딩부(630)에서 풀리는 SMA 와이어(101)의 전단부가 베이스 와이어(102)에 감기면서 베이스 와이어(102)가 계속 공급되고 제1 회전부(620)가 회전됨에 따라, SMA 와이어(101)는 베이스 와이어(102)의 외주면에 베이스 와이어(102)의 길이방향을 따라 감길 수 있다. 그리고, SMA 와이어(101)가 베이스 와이어(102)에 감기는 상태에서 베이스 와이어(102)의 공급이 계속됨에 따라 제2 언와인딩부(630)가 회전되면서 SMA 와이어(101)는 지속적으로 풀릴 수 있게 된다.

SMA 와이어(101)가 감긴 상태의 베이스 와이어(102)는 제1 와인딩부(660)에 권취될 수 있다.

SMA 스프링 선(원사)의 제조방법은, 도 6 (b)에 도시된 바와 같이, 축 방향으로 관통 형성되는 제1 관통공(621)을 가지는 제1 회전부(620)가 회전되고, 제1 언와인딩부(610)에서 풀리는 베이스 와이어(102)가 제1 관통공(621)을 통해 공급되는 단계(S310)를 포함할 수 있다. 베이스 와이어(102)는 등속으로 공급될 수 있다.

S310 단계에서 제1 언와인딩부(610)에서 풀리는 베이스 와이어(102)는 제1 회전부(620)를 통과하여 공급되어 제1 와인딩부(660)의 보빈에 감길 수 있다.

그리고, 동 제조방법은 제1 회전부(620)에 구비되어 제1 회전부(620)와 함께 회전하는 제2 언와인딩부(630)에 감겨진 SMA 와이어(101)가 풀리고, SMA 와이어(102)의 전단부가 제1 관통공(621)을 통과해 공급되는 베이스 와이어(102)에 감기는 단계(S320)를 포함할 수 있다.

S320 단계에서, SMA 와이어(101)는 변형온도를 넓은 범위에서 제어할 수 있고 변형량이 크며, 수축시에 많은 반복 동작이 작용한 이후에도 형상기억효과 능력이 거의 변화하지 않는 장점을 가지는 니켈-티탄 합금, 구리-티탄 합금을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 동-아연 합금, 금-카드뮴 합금, 인듐-탈륨 합금을 포함할 수 있다.

또한, 동 제조방법은 제2 언와인딩부(630)에서 풀리는 SMA 와이어(101)가 제1 회전부(620)를 통과하여 공급되는 베이스 와이어(102)의 외주면에 감겨 스프링 형상이 연속적으로 형성되는 단계(S330)를 포함할 수 있다.

S330 단계에서, 제1 회전부(620)는 제어부에 의해 회전속도 및 회전 시간이 조절될 수 있으며, 이를 통해, 스프링의 피치 및 길이 등이 조절될 수 있다.

S320 단계 및 S330 단계의 결과, SMA 스프링(101)이 베이스 와이어(102)에 형성될 수 있다. 제1 와인딩부(660)의 보빈에 권취된 베이스 와이어(102)에는 SMA 와이어(101)가 감긴 상태일 수 있다.

그리고, SMA 스프링의 제조방법은 SMA 와이어(101)가 감긴 상태의 베이스 와이어(102)가 권취된 제1 와인딩부(660)의 보빈을 고온로에서 열처리하는 열처리 단계(S340)를 포함할 수 있다.

S340 단계에서, 제1 와인딩부(660)의 보빈에 권취된 SMA 와이어(101)가 감긴 상태의 베이스 와이어(102)는 고온로에서 가열되어 스프링 형상으로 기억되도록 열처리된다. SMA 와이어(101)가 감긴 상태의 베이스 와이어(102)는 가령 고온로에서 300~400℃의 온도에서 30~60분 동안 열처리될 수 있다. 제1 와인딩부(660)는 열처리 공정을 위해 필요한 열처리 온도에서 견딜 수 있는 재질로 이루어지며, 약 500℃ 이상의 온도에서 견딜 수 있는 금속, 세라믹, 실리콘 및 유리 중 적어도 하나의 재질이 포함되도록 형성될 수 있다. 이를 통해, SMA 스프링이 신장된 상태에서 SMA 스프링에 300~400℃의 온도가 적용되면, SMA 스프링은 수축되어 초기 형태로 돌아올 수 있다.

열처리 공정이 완료되면, SMA 와이어(101)가 감긴 상태의 베이스 와이어(102)를 원사 형태로 얻을 수 있으며, 이를 SMA 스프링 패브릭을 직조하기 위한 씨줄 또는 날줄로 사용할 수 있게 된다. 즉, 직조를 위해서 심선인 베이스와이어는 필요하며 패브릭 형태로 직조된 이후에는 산 등을 통해 심선을 제거하면 최종 패브릭이 완성된다.

다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 심선에 감겨진 SMA 스프링 실과 일반 실(섬유)를 이용해 베틀, 방직기 등의 기존 방직기술을 이용해 날줄/씨줄로 구성된 패브릭을 직조한다(S500). 베틀, 방직기 등의 기존 방직기술은 당업자에게 자명한 사항이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

다음, 직조된 패브릭으로부터 심선인 베이스 와이어를 제거한다(S600). 제거 방법의 예시로서 패브릭 전체를 산 처리하여 심선을 녹일 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 베이스 와이어(102)는 산 또는 과산화수소 수용액과 반응하여 용해되는 재질로 이루어지며, 산 또는 과산화수소수에 용해되어 완전히 제거될 수 있다. 이를 통해, 베이스 와이어를 수작업으로 제거하는 공정이 필요 없게 되고, 대량 생산 및 자동화가 가능하게 된다.

이러한 공정들을 거치게 되면 마지막으로 도 4에 도시된 바와 같이 SMA 스프링 실과 일반 실이 날줄과 씨줄로 구성된 패브릭만 남게 된다.

이와 같이 제조된 미세직경의 SMA 스프링 패브릭은 요구되는 구동력 등에 따라 단수(도 1 참조) 또는 복수(도 2 참조)로 설치될 수 있음을 이해할 것이다.

도 1의 실시예에 의한 유연구동기는 하나의 SMA 스프링 패브릭(100)을 포함한다. 따라서, 본 실시예에 의한 구동기는, 외부 전류의 방향 측면에서 볼 때, 외부로부터 공급되는 전류를 최상류에 위치하는 SMA 스프링 패브릭(제1 SMA 스프링 패브릭)에 전달하는 ‘선단 전극’인 제1 전도성 패드와 전류를 외부로 보내기 위한 ‘말단 전극’인 제2 전도성 패드만이 요구되며, 복수의 SMA 스프링 패브릭들 사이에서 전류 흐름이 가능하도록 형성된 ‘중간 전극’은 필요없다.

따라서, 본 실시예에 의한 유연구동기는, 온도 변화에 따라 수축 상태와 이완 상태 사이에서 변경 가능하도록 배치되며 복수의 미세 직경 SMA 와이어로 구성된 제1 SMA 스프링 패브릭(110), 제1 SMA 스프링 패브릭(110)의 일측과 전기적으로 연결되는 제1 중첩부를 포함하는 제1 전도성 패드(210), 제1 SMA 스프링 패브릭(110)의 타측과 전기적으로 연결되도록 제2 중첩부를 포함하는 제2 전도성 패드(220), 및 제1 전도성 패드(210)와 제1 SMA 스프링 패브릭(110) 및 제2 전도성 패드(220)로의 전기적 경로를 형성하도록 외부로부터 전류를 인입하도록 구성된 외부 전류 수신부(240)를 포함한다.

도 2 (a)의 실시예는 미세 직경의 SMA 와이어 기반 SMA 스프링 패브릭이 제1 SMA 스프링 패브릭(110)과 제2 SMA 스프링 패브릭(120)과 같이 복수로 구성되어 서로 동일한 수축/이완 방향으로 작동하도록 서로 나란히 배치된 경우에 관한 것이다. 도 2 (b)의 실시예는 제1 내지 제3의 세 개의 SMA 스프링 패브릭들(100)로 이루어진다. 따라서, 본 실시예에 의한 구동기는, ‘선단 전극’인 제1 전도성 패드와 전류를 외부로 보내기 위한 ‘말단 전극’인 제2 전도성 패드뿐만 아니라, 제1 내지 3 SMA 스프링 패브릭 모듈들을 서로 전기적으로 연결시키기 위한 ‘중간 전극’인 중간 전도성 패드들이 요구된다.

이들 실시예들 각각을 구성하는 세부 구성요소들의 기능들은 모두 동일한 바, 편의상 도 2 (a)의 실시예에 기초하여 설명한다.

유연구동기는, 크게, 지지용 옷감(500), SMA 스프링 패브릭(100), 전극(200)인 전도성 패드 및 외부 전류 수신부(전류 공급선; 240)으로 이루어질 수 있다.

위 구성들을 내부에 감싸기 위한 외피는 필요에 따라 구성될 수도 있다. 즉, 본 발명에서는 복수의 SMA 스프링이 패브릭 형태로 고정되어 존재하므로 기존과 같이 개별 스프링들을 유지하는 기능을 위한 외피가 반드시 필요한 것은 아니다. 다만, 외피는 후술하는 SMA 스프링 패브릭의 이완길이를 제한하는 기능을 수행할 수는 있다. 외피는 상피(410)와 하피(420)인 한 쌍으로 이루어질 수 있다. 이는 다양한 소재로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는, SMA 스프링 패브릭의 수축 또는 이완 시 함께 수축 또는 이완 가능한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 외피는 유연한 소재, 보다 바람직하게는 패브릭 소재로 이루어질 수 있다.

앞서 설명한 SMA 스프링 패브릭(100)은 가령 수십 내지 수백 개의 미세 직경의 SMA 와이어가 서로 촘촘히 직조된 모듈이다. 도 1, 2에 도시된 바와 같이 온도 변화에 따라 수축 상태와 이완 상태 사이에서 변경 가능하도록 하나 이상으로 배치된다.

가령, 도 2를 참조하면, 복수의 SMA 스프링 패브릭들은, 전류 흐름 측면에서, (최상류에 위치하는) 선단의 제1 SMA 스프링 패브릭(110) 및 (최하류에 위치하는) 말단의 제2 SMA 스프링 패브릭(120)을 포함한다. SMA 스프링 패브릭들 각각(110, 120)은, 전류 흐름 측면에서, (전류가 들어가는) 입구측 일단와 (전류가 빠져나가는) 출구측 타단을 포함한다. 본 실시예에서는 제1 SMA 스프링 패브릭(110)과 제2 SMA 스프링 패브릭(120)로 구성되어 서로 동일한 수축/이완 방향으로 작동가능하도록 서로 나란히 배치된다.

전극(200)인 전도성 패드는 외부에서 공급되는 전류가 SMA 스프링 패브릭으로 흐르는 경로를 만들어주는 전극 역할을 하는 전도성 옷감 또는 유연 전도체 박막으로서 적어도 2개 이상 형성된다. 이러한 전도성 패드(200)는 다양한 방법에 의하여 지지용 옷감(500)에 고정 배치될 수 있다.

도 2에 의하면, 복수의 전극(200)은, 전류 흐름 측면에서, (최상류에 위치하는) 선단의 제1 전도성 패드(210), 중간 전도성 패드(230), (최하류에 위치하는) 말단의 제2 전도성 패드(220)를 포함한다.

이러한 복수의 전극(200)은 복수의 SMA 스프링 패브릭들 각각과의 전기적 경로를 형성하도록 각각의 패브릭과 서로 접촉하는 영역을 갖는다. 이러한 영역을 ‘중첩부’라고 정의하고 중첩부는 전도성 패드의 일부 또는 전체가 될 수 있다. 중첩부는 전도성 패드와 SMA 스프링 패브릭이 가령 서로 박음질되어 고정되는 방식으로 이루어질 수 있다.

제1 전도성 패드(210)는 제1 SMA 스프링 패브릭(110)의 일단과 전기적으로 연결되는 제1 중첩부를 포함하며, 구동기의 상단부에 형성된다.

중간 전도성 패드(230)는 구동기 하단부에 형성되어 제1 SMA 스프링 패브릭(110)과 제2 SMA 스프링 패브릭(120)을 서로 전기적으로 연결되도록 구성되고, 각각의 스프링 패브릭과 접촉되는 2개의 중간 중첩부를 포함한다.

제2 전도성 패드(220)는, 제2 SMA 스프링 패브릭(120)의 타단과 전기적으로 연결되는 제2 중첩부를 포함하며, 도 2의 실시예에서는 구동기의 상단부에 제1 전도성 패드(210)와 나란히 형성된다.

즉, 외부 전류가 흐르는 방향 측면에서 본다면, 복수의 전극들 중 제1 전도성 패드(210)는 외부로부터 공급되는 전류를 최상류에 위치하는 SMA 스프링 패브릭(제1 SMA 스프링 패브릭)에 전달하는 ‘선단 전극’이며, 제2 전도성 패드(220)는 최하류에 위치하는 SMA 스프링 패브릭(제2 SMA 스프링 패브릭)로부터 나오는 전류를 외부로 전달하는 ‘말단 전극’이며, 중간 전도성 패드(230)는 복수의 SMA 스프링 패브릭들 사이에서의 전류 흐름이 가능하도록 형성된 ‘중간 전극’에 해당한다. 이러한 ‘선단 전극’과 ‘말단 전극’ 사이의 ‘중간 전극’은 스프링 패브릭의 개수/배치에 따라 필요없거나(가령, 스프링 패브릭이 하나인 경우) 또는 2개(가령, 스프링 패브릭이 둘인 경우) 또는 3개(가령, 스프링 패브릭이 세개인 경우) 또는 그 이상 필요할 수도 있다.

언급한 바와 같이 중첩부는, SMA 스프링 패브릭을 구성하는 개별 단위 스프링과 전도성 패드가 전기적으로 서로 통전될 수 있도록 물리적으로 서로 접촉되는 영역을 의미하는 것으로서, 전도성 패드의 적어도 일부가 될 수 있다. 일반적으로 중첩부에서는 SMA 스프링 패브릭이 전도성 패드(200)와 박음질 등의 방법에 의해 서로 고정 결합된다. 도 1, 2에 도시된 예에서는, 이러한 중첩부들은 제1 SMA 스프링 패브릭(110)의 일측 및 타측을 각각 대응하는 제1 및 제2 전도성 패드(210, 220)와 함께 박음질함으로써 서로 결합될 수 있다.

이러한 중첩부 및 전도성 패드는 추가 옷감(500)에서 구현된다. 추가 옷감(500)은 외피보다 덜 유연한 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 추가 옷감(500)은 아이릿(eyelet)용 개구부(501)를 포함할 수 있으며 이러한 개구부(501)를 이용하여 유연구동기가 연결부재(2000)와 연결되어 사용될 수 있다. 즉, 추가 옷감(500)은 아이릿을 고정하고 외부에서 가해지는 힘을 전달하는 가방끈처럼 강성이 높은 옷감으로 이해될 수 있다. 한편, 대안적으로 이러한 추가 옷감은 외피로 대체될 수도 있다.

외부 전류 수신부(240)는 외부로부터 외피 내부로 전류를 받아들이기 위해 외부로 노출된 전선 또는 전도성 옷감을 의미한다. 즉, 이는 외피 내부에 존재하는 전도성 요소들, 가령 도 1, 2의 전도성 패드들과 SMA 스프링 패브릭들 사이에서의 전기적 경로를 형성하도록 외부로부터 전류를 처음으로 인입하도록 구성된다. 이러한 외부 전류 수신부(240)는 최상류의 선단 전극인 제1 전도성 패드(210)로부터 형성될 수도 있다.

앞서 간단히 언급한 바와 같이, 본 발명은 외피를 필수적으로 요구하는 것은 아니다. 만약 본 유연구동기가 외피를 포함하지 않을 경우에는 SMA 스프링 패브릭의 이완 길이를 제한하기 위한 이완길이제한부(400)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 이완길이제한부(400)는 SMA 스프링 패브릭(100)의 일측 또는 양측에 설치될 수 있으며, 가령 와이어 형태로 제공될 수 있다. 이는 구동기의 작동 전후를 나타내는 도 7에 의하면 명확하게 이해될 것이다.

도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 유연 구동기는 제어부(300), 전기공급부(310), 감지부(320) 및 전원부(330)를 더 포함할 수 있다.

제어부(300)는, SMA 스프링 패브릭을 구성하는 열반응 구동소자(100)가 수축 상태에서 이완 상태로, 또는 그 반대로 변경 작동될 수 있도록 열반응 구동소자(100)에 전기 공급 여부를 제어하도록 구성될 수 있다.

구체적으로, 제어부(300)는 전기공급부(310)를 통해 열반응 구동소자(100)에 전기 공급 여부를 제어할 수 있다. 제어부(300)가 전기공급부(310)에 전기공급신호를 전달하면, 전기공급부(310)는 열반응 구동소자(100)에 전류를 공급할 수 있다. 또한, 제어부(300)가 전기공급부(310)에 전기공급중단신호를 전달하면, 전기공급부(310)는 열반응 구동소자(100)에 전류가 더 이상 흐르지 않도록 전류 공급을 중단할 수 있다.

이와 같은 전기 공급 여부 제어에 의하여 열반응 구동소자(100)에 전류가 공급되면 열이 발생되어 열반응 구동소자(100)가 수축되고, 전류 공급이 중단되면 온도가 감소되어 열반응 구동소자(100)가 이완된다.

전기공급부(310)는 열반응 구동소자에 연결되어 열반응 구동소자에 전류를 공급하도록 구성된 전류 드라이버이며, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

감지부(320)는 착용자의 생체정보 또는 동작을 감지하도록 구성된 센서를 포함할 수 있다. 여기서, 생체정보는 근전도를 포함할 수 있다. 예를 들어, 감지부(320)가 근전도 센서를 포함하는 경우, 상기 센서는 중량물의 파지, 이동, 및 지탱에 따라 착용자의 근육의 움직임 또는 동작(구체적으로, 수축 동작 또는 이완 동작)을 감지할 수 있다. 다른 예로서, 감지부(320)는 음성센서를 포함할 수 있으며, 이 경우 센서는 착용자의 음성정보를 통해 현재 착용자의 행동, 상태, 요구사항 등을 입력 받도록 구성될 수 있다.

또한, 감지부(320)는 열반응 구동소자(100)의 변형을 감지하도록 구성된 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 감지부(320)는 스트레인 게이지를 포함할 수 있다. 그리고, 감지부(320)는 열반응 구동소자(100)의 온도를 감지하도록 구성된 센서를 포함할 수 있으며, 이는 이완 동작과 수축 동작을 반복하여 온도에 따른 팬 구동을 수행하는 마사지 장치 등에 유용하게 사용될 수 있다.

전원부(330)는 제어부(300), 전기공급부(310) 및 감지부(320) 중 적어도 하나에 전기를 공급하도록 구성될 수 있다.

제어부(300)는 감지부(320)에서 감지되는 정보를 기초로 전기공급부(310)가 열반응 구동소자로 공급하는 전류를 제어할 수 있다.

예를 들어, 착용자가 팔을 굽히는 동작과 같이 열반응 구동소자의 수축이 요구되는 동작을 수행하는 경우, 감지부(320)는 측정된 근전도 정보를 제어부(300)로 전달할 수 있으며, 제어부(300)는 근전도 정보를 기초로 착용자가 팔을 굽히려는 동작을 의도하고 있는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 착용자가 팔을 굽히는데 필요한 힘을 계산하여, 유연구동기(10)에서 출력되어야 하는 목표력을 산출할 수 있다. 그리고, 이를 구현하기 위해 제어부(300)는 산출된 목표력이 출력되도록 전기공급부(310)에서 열반응 구동소자에 공급하는 전류를 제어할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 유연구동기의 제어부는, 열반응 구동소자가 이완 상태로 변경될 때 상기 열반응 구동소자로의 전원 공급은 차단되고 냉각부로의 전원은 공급되도록 전기공급부를 제어할 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 열반응 구동소자로의 전원 공급이 차단되어 온도가 감소되기 시작하여 열반응 구동소자는 이완되기 시작한다. 이와 함께, 냉각부로의 전원은 공급되어 팬 등의 냉각공기투입 장치가 작동되고 열반응 구동소자의 온도 감소가 가속됨에 따라 열반응 구동소자의 이완 속도가 증가될 수 있다. 이러한 유연구동기의 동작환경에 따라 냉각공기공급은 항상 on 상태를 유지할 수도 있다.

웨어러블 로봇

이하에서는, 도 8을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연구동기를 포함하는 웨어러블 로봇(또는 근력 증강용 의봇)에 대하여 설명하도록 한다.

도 8을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 로봇은 의복 본체(20)와, 의복 본체(20)에 연결되는 옷감형 유연구동기(10)를 포함할 수 있다. 옷감형 유연구동기(10)에 대하여는 전술하였으므로 중복 설명은 생략한다.

의복 본체(20)는 근력 증강용 의복의 베이스를 이루는 부분으로, 여기에서는 상의를 예로 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 하의에 적용될 수도 있다.

의복 본체(20)는 내피 및 외피를 포함할 수 있으며, 옷감형 유연구동기(10)는 예시적으로 내피 및 외피 사이에 마련될 수 있다. 특히, 옷감형 유연구동기(10)는 의복 본체 상에서 착용자 신체의 관절에 대응되는 위치 부근에 배치될 수 있다.

의복 본체(20)는 제1 및 제2 신체고정부를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 신체고정부는 의복 본체(20)에서 관절이 대응되는 위치를 기준으로 서로 반대편에 각각 배치될 수 있다. 예를 들어, 관절이 팔꿈치인 경우, 제1 신체고정부는 상박에 대응되는 부분이며, 제2 신체고정부는 하박에 대응되는 부분일 수 있다.

이때, 유연구동기의 일 측은 제1 신체고정부에 고정되고, 유연구동기의 타 측은 의복 본체의 제2 신체고정부에 고정될 수 있다.

한편, 제1 및 제2 신체고정부는 밴드를 포함할 수 있고, 밴드는 착용자의 팔을 감싸, 인공 근육이 착용자의 팔에 밀착되거나, 제1 및 제2 신체고정부가 착용자의 신체 상에서 이동되지 않고 고정되도록 할 수 있다.

도 8을 참고하면, 본 발명의 웨어러블 로봇은, 착용자의 동작을 감지하도록 구성된 센서(320a 또는 320b)를 포함하고, 웨어러블 로봇의 제어부(300)는 센서가 착용자의 이완 동작을 감지하는 경우, 열반응 구동소자로의 전원 공급은 차단되고 냉각부로의 전원은 공급되도록 전기공급부(310)를 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 웨어러블 로봇은 한 쌍의 제1 및 제2 옷감형 유연구동기를 포함할 수 있다. 착용자가 웨어러블 로봇을 착용하면, 제1 및 제2 옷감형 유연구동기가 팔(또는 다리)의 내측 및 외측에 위치되도록 제1 및 제2 옷감형 유연구동기는 각각 서로 마주보도록 배치될 수 있다.

여기서, 본 발명의 웨어러블 로봇의 제어부는, 착용자의 기 설정된 동작, 예를 들어, 팔(또는 다리)이 굽혀지는 동작이 감지되는 경우 제1 옷감형 유연구동기는 수축하고, 및/또는 제2 옷감형 유연구동기는 이완하도록 구성될 수 있다. 즉, 제어부는 제1 옷감형 유연구동기의 열반응 구동소자에는 전원이 공급되도록 전기공급부를 제어하고, 및/또는 제2 옷감형 유연구동기의 열반응 구동소자에는 전원 공급이 차단되고 동시에 제2 옷감형 유연구동기의 냉각부에는 전원이 공급되도록 전기공급부를 제어할 수 있다.

마사지 장치

이하에서는, 도 9 및 도 10을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 마사지 장치에 대하여 설명하도록 한다. 옷감형 구동기의 양단을 연결하여, 종아리, 팔목, 허리 등을 조이고 풀어주는 마사지 장치에 해당한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 마사지 장치(30)는, 적어도 하나의 탄성 밴드(610, 620) 및 탄성 밴드에 연결되는 옷감형 유연구동기(10)를 포함할 수 있다. 옷감형 유연구동기에 대하여는 전술하였으므로 중복 설명은 생략한다.

도 9를 참고하면, 제1 및 제2 탄성밴드(31, 32) 각각은 유연구동기(10)의 본체의 일 측 및 타 측에 각각 연결될 수 있다. 여기서, 제1 탄성밴드(31)의 일 측에는 제어부 및/또는 전원부(33)이 연결될 수 있다. 또한, 제2 탄성밴드(32)의 일 측에는 전원 커넥터(33b)가 형성되며, 이는 전원부(33)에 형성된 또 다른 커넥터(33a)에 결합 가능하도록 이루어질 수 있다. 즉, 이와 같은 구조에 의하면 전원 커넥터들(33a, 33b)이 연결되면 전원부(33)로부터 열반응 구동소자(100)로의 전원 공급이 가능해진다.

도 10의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 마사지 장치의 작동에 따른 이완 및 수축 상태를 각각 나타낸다.

동 장치의 제어기는, 옷감형 구동기 내부의 SMA 스프링의 온도측정 센서를 통해 온도 제어를 하면서 공급전류량을 조절함으로써 SMA 스프링의 수축력을 조절하여 마사지 부위의 조임력을 조절한다.

그리고, 동 제어기는, 마사지 장치의 조임-풀림 타이밍에 따라 SMA 스프링 패브릭에 전류 공급 on-off, 냉각공기 공급의 on-off를 조절할 수 있다. 예시적으로, ① 마사지 풀림 상태에서는 SMA 스프링 패브릭의 전류공급을 off, 냉각공기공급을 off로, ② 마사지 풀림에서 조임 상태로 전환시 SMA 스프링 패브릭의 전류공급을 on, 냉각공기공급을 off로, ③ 마사지 조임에서 풀림 상태로 전환시 SMA 스프링 패브릭의 전류공급을 off, 냉각공기공급을 on으로 한다. 동작환경이나 방식에 따라 냉각공기공급은 항상 on 상태를 유지할 수도 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

10 유연구동기
100 열반응 구동소자/SMA 스프링 패브릭
101 SMA 와이어/스프링
102 베이스 와이어/심선
103 와이어
200 전극/전도성 패드
300 제어부
400 이완길이제한부(외피/와이어)
500 추가 옷감
600 SMA 스프링 원사 제조장치
20 웨어러블장치용 의복
30 마사지장치

Claims (16)

1. 유연구동기용 패브릭으로서,
   날줄 및 씨줄 중 하나로 기능하도록 구성된, 스프링 형태의 열반응 구동소자; 및
   상기 날줄 및 씨줄 중 다른 하나로 기능하도록 구성된 와이어를 포함하고,
   상기 패브릭은 외부로부터 공급되는 전원에 의해 수축되거나 이완되도록 구성되고,
   상기 패브릭은 추후 제거될 심선을 포함한 상태의 스프링 형태의 열반응 구동소자 와이어를 날줄 또는 씨줄로 이용하여 직조된 것을 특징으로 하는,
   유연구동기용 패브릭.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 스프링 형태의 열반응 구동소자는 형상기억합금(shape memory alloy, SMA) 스프링인,
   유연구동기용 패브릭.
   
3. 제2 항에 있어서,
   상기 SMA 스프링은 유연성을 갖고 상기 패브릭 내에서 서로 밀착하여 직조되고, 상기 와이어는 상기 SMA 스프링을 고정하도록 구성된,
   유연구동기용 패브릭.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 날줄 및 씨줄 중 어느 하나로 기능하도록 구성되는 스프링 형태의 열반응 구동소자, 및 상기 날줄 및 씨줄 중 다른 하나로 기능하도록 구성된 와이어를 포함하는 패브릭; 및
   상기 패브릭으로의 전원 공급을 제어하는 제어부를 포함하며,
   상기 패브릭은 상기 전원 공급의 제어에 의해 수축되거나 이완되도록 구성되고,
   상기 패브릭은 추후 제거될 심선을 포함한 상태의 스프링 형태의 열반응 구동소자 와이어를 날줄 또는 씨줄로 이용하여 직조된 것을 특징으로 하는,
   유연구동기.
   
10. 제9 항에 있어서,
    상기 패브릭은, 상기 스프링 형태의 열반응 구동소자가 배열된 길이 방향으로 수축 및 이완되는,
    유연구동기.
    
11. 제10 항에 있어서,
    상기 패브릭의 이완 길이를 제한하도록 구성된 이완길이제한부를 더 포함하는,
    유연구동기.
    
12. 제11 항에 있어서, 상기 이완길이제한부는,
    상기 패브릭의 양측 중 적어도 하나에서 상기 패브릭의 길이 방향을 따라 연장되는 와이어, 또는
    상기 패브릭을 내측에 위치시키도록 상기 패브릭의 적어도 한 측을 커버하며, 상기 패브릭의 이완 길이를 제한하는 외피
    를 포함하는,
    유연구동기.
    
13. 제9 항에 있어서,
    상기 패브릭은,
    상기 전원 공급에 의한 전류를 공급하도록 구성된 전류 공급선; 및
    상기 전류가 상기 패브릭 내의 스프링으로 흐르는 경로를 형성하는 전극 역할을 하도록 구성된 전도성 패드를 더 포함하는,
    유연구동기.
    
14. 제9 항에 있어서,
    외부에서 가해지는 힘을 전달하도록 구성된 지지용 옷감을 더 포함하는,
    유연구동기.
    
15. 의복 본체, 및
    상기 의복 본체에 연결되거나 일체로 형성된 제9 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 따른 유연구동기를 포함하며,
    상기 유연구동기의 일 측은 제1 신체고정부에 배치되고, 상기 유연구동기의 타 측은 상기 의복 본체에서 관절이 대응되는 위치를 기준으로 상기 제1 신체고정부와 반대편에 있는 제2 신체고정부에 배치되는,
    웨어러블 로봇.
    
16. 탄성 밴드, 및
    상기 탄성 밴드에 연결되는 제9 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 유연구동기를 포함하는,
    마사지 장치.

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