KR102624982B1 - Composite material capable of measuring bending deformation, spring including the same, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
굽힘 변형 측정이 가능한 복합재로서, 굽힘 가능한 제 1 전도성 복합체;
굽힘 및 압축변형가능한 유전체; 및 굽힘 가능한제 제 2 전도성 복합체를 포함하며, 상기 유전체의 양면 각각에 제 1 전도성 복합체와, 제 2 전도성 복합체를 적층되며, 상기 유전체로부터 상기 제 1 전도성 복합체와 제 2 전도성 복합체의 높이는 상이한 것으로 특징으로 하는 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재가 제공된다. A composite material capable of measuring bending strain, comprising: a first bendable conductive composite;
Dielectric capable of bending and compression deformation; and a bendable second conductive composite, wherein a first conductive composite and a second conductive composite are stacked on each of both sides of the dielectric, and the heights of the first conductive composite and the second conductive composite from the dielectric are different. A composite material capable of measuring bending strain is provided.
Description
본 발명은 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재, 이를 포함하는 스프링 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스프링 등과 같이 변형되는 부품에 사용되는 복합재 내에 별도의 센서 추가 없이 복합채 자체로 굽힘 변형을 측정할 수 있어 경량화 효과와 더불어 굽힘에 따라 발생하는 탄성에너지를 저장, 방출하는 효과를 갖는, 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재, 이를 포함하는 스프링 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a composite material capable of measuring bending deformation, a spring containing the same, and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a composite material capable of measuring bending deformation, and more specifically, to measuring bending deformation by the composite itself without adding a separate sensor within the composite material used for deformable parts such as springs. It relates to a composite material capable of measuring bending deformation, which has the effect of storing and releasing elastic energy generated by bending in addition to the effect of reducing weight, a spring containing the same, and a method of manufacturing the same.
복합재료는 비강도와 비강성을 비롯한 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 높은 탄성 에너지 저장률을 가지고 있어서 코일 스프링 (Coil spring), 리프 스프링 (Leaf spring), 웨이브 스프링 (Wave spring) 등 다양한 형태의 스프링으로써 활용되고 있다. Composite materials not only have excellent mechanical properties including specific strength and specific stiffness, but also have a high elastic energy storage rate, so they can be used in various types of springs such as coil springs, leaf springs, and wave springs. It is being utilized as.
특히, 복합재료 스프링은 주행용 로봇에 적용되어 경량화를 구현하는 동시에 탄성 에너지를 저장 및 방출하는 역할을 하여 주행 성능을 더욱 향상시킨다. 또한, 로봇의 주행에 따른 복합재료 스프링의 동적 변형으로부터 지면 반력 (Ground reaction force) 및 발목, 무릎, 힙 조인트 각도와 같은 주행 데이터를 도출할 수 있다. 이러한 주행 데이터에 따라서 실시간으로 모터 제어를 할 경우 로봇의 주행 성능은 더욱 극대화될 수 있다.In particular, composite material springs are applied to driving robots to achieve weight reduction and at the same time store and release elastic energy to further improve driving performance. In addition, driving data such as ground reaction force and ankle, knee, and hip joint angles can be derived from the dynamic deformation of the composite spring as the robot runs. If the motor is controlled in real time according to such driving data, the robot's driving performance can be further maximized.
복합재료 스프링의 동적 변형을 감지하기 위해서는 일반적으로 추가적인 센서가 요구되며, 보통 외부 부착 센서 또는 복합재료 내장 센서가 주로 사용된다. 이 중 외부 부착 센서는 센서 자체가 외부 환경에 직접적으로 노출되어 있기 때문에 로봇 주행과 같이 빠른 동적 변형을 하는 경우 내구성 측면에서 매우 취약하다. 또 다른 복합재료 내장 센서로는 압전 세라믹 (Piezoelectric ceramic) 센서, 광섬유 격자 (Fiber bragg grating; FBG) 센서 등이 있다. Additional sensors are generally required to detect dynamic deformation of composite springs, and externally attached sensors or sensors built into composite materials are usually used. Among these, externally attached sensors are very vulnerable in terms of durability when undergoing rapid dynamic deformation, such as when a robot runs, because the sensor itself is directly exposed to the external environment. Other composite material-embedded sensors include piezoelectric ceramic sensors and fiber bragg grating (FBG) sensors.
하지만 이러한 센서들은 복합재료에 비해 상대적으로 취성이 강하기 때문에 스프링과 같이 대변형을 하는 구조에서는 쉽게 파단이 발생한다. 또한, 복합재료 내장 센서들은 강화 섬유 (Reinforcement fiber)에 비해 상대적으로 큰 직경과 낮은 기계적 물성치를 가지기 때문에 응력 집중 현상이 쉽게 발생하여 구조 자체의 기계적 물성을 저하시킨다. 또한, 외부 부착 센서 또는 내장 삽입 센서를 이용하는 방법 모두 추가적으로 센서 설치가 요구된다는 단점이 있다.However, because these sensors are relatively brittle compared to composite materials, they easily break in structures that undergo large deformations, such as springs. In addition, since composite material-embedded sensors have a relatively large diameter and low mechanical properties compared to reinforcement fibers, stress concentration phenomenon easily occurs, deteriorating the mechanical properties of the structure itself. Additionally, both methods using an externally attached sensor or a built-in inserted sensor have the disadvantage of requiring additional sensor installation.
따라서, 로봇의 주행 성능을 향상시켜주는 역할을 하는 탄성에너지를 저장 및 방출하는 동시에 추가적인 센서 없이 정전 용량 변화를 통해 구조적인 굽힘 변형을 자체적으로 감지하는 굽힘 변형을 자체적으로 감지하는 복합재와 이를 이용하는 스프링의 개발이 필요하다. Therefore, a composite material that stores and releases elastic energy, which plays a role in improving the robot's driving performance, and at the same time detects structural bending deformation through changes in capacitance without an additional sensor, and a spring using the same. development is needed.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자체적으로 굽힘 변형을 감지하여 스프링 등에 활용될 수 있는 새로운 복합재와 그 제조방법을 제공하는 것이다. The problem that the present invention aims to solve is to provide a new composite material that can be used for springs, etc. by detecting bending deformation by itself, and a method of manufacturing the same.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재로서, 굽힘 가능한 제 1 전도성 복합체; 굽힘 및 압축변형가능한 유전체; 및 굽힘 가능한제 제 2 전도성 복합체를 포함하며, 상기 유전체의 양면 각각에 제 1 전도성 복합체와, 제 2 전도성 복합체가 적층되며, 상기 유전체로부터 상기 제 1 전도성 복합체와 제 2 전도성 복합체의 높이는 상이한 것으로 특징으로 하는 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재를 제공한다. In order to solve the above problem, the present invention provides a composite material capable of measuring bending deformation, comprising: a first bendable conductive composite; Dielectric material capable of bending and compression deformation; and a bendable second conductive composite, wherein a first conductive composite and a second conductive composite are stacked on each of both sides of the dielectric, and the heights of the first conductive composite and the second conductive composite from the dielectric are different. Provides a composite material capable of measuring bending deformation.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 복합재의 굽힙 변형에 따라 상기 유전체는 두께 방향으로의 변형이 지배적이다. In one embodiment of the present invention, deformation of the dielectric in the thickness direction is dominant according to bending deformation of the composite material.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 전도성 복합체와 상기 제 2 전도성 복합체의 높이비는, 상기 유전체가 제 2 전도성 복합체 보다 상기 1 전도성 복합체 방향으로 가깝게 위치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재.In one embodiment of the present invention, the height ratio of the first conductive composite and the second conductive composite is such that the dielectric is located closer to the direction of the first conductive composite than the second conductive composite. Measurement of bending strain, characterized in that This possible composite material.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 전도성 복합체 및 제 2 전도성 복합체는 탄소 섬유 강화 플라스틱이며, 상기 복합재는 곡률 기준으로 내경에 제 1 전도성 복합체가, 외경에 상기 제 2 전도성 복합체가 구비되며, 상기 제 2 전도성 복합체는 상기 제 1 전도성 복합체보다 얇다.In one embodiment of the present invention, the first conductive composite and the second conductive composite are carbon fiber reinforced plastic, and the composite is provided with the first conductive composite on the inner diameter and the second conductive composite on the outer diameter based on curvature, The second conductive composite is thinner than the first conductive composite.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 유전체는 압축가능한 폼(foam)이며, 상기 유전체 폼은 PVC (Polyvinyl chloride), PU (Polyurethane), Melamine, PMI (Polymethacrylimide), PET (Polyethylene terephthalate) 및 PVDF (Polyvinylidene fluoride)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함한다. In one embodiment of the present invention, the dielectric is compressible foam, and the dielectric foam is PVC (Polyvinyl chloride), PU (Polyurethane), Melamine, PMI (Polymethacrylimide), PET (Polyethylene terephthalate), and PVDF (Polyvinylidene) fluoride) and contains at least one selected from the group consisting of
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 전도성 복합체는 전도성의 탄소 섬유 강화 플라스틱이며, 상기 제 1 및 제 2 전도성 복합체는 일방향 탄소 섬유 복합재료 (Uni directional carbon fiber composite), 탄소 직물 복합재료 (carbon fabric composite), 탄소 단섬유 복합재료 (short carbon fiber composite)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함한다. In one embodiment of the present invention, the first and second conductive composites are conductive carbon fiber reinforced plastic, and the first and second conductive composites are uni directional carbon fiber composite, carbon fabric composite. It includes one or more materials selected from the group consisting of carbon fabric composite and short carbon fiber composite.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 전도성 복합체 및 제 2 전도성 복합체에 비해 상기 유전체는 밀도가 낮다. In one embodiment of the present invention, the dielectric has a lower density compared to the first conductive composite and the second conductive composite.
본 발명은 상술한 복합재를 포함하는 스프링 제공하며, 상기 스프링의 복합재는 상기 스프링이 압축됨에 따라 발생하는 탄성에너지를 상기 유전체에 저장한 후, 회복시 다시 방출한다. The present invention provides a spring containing the above-described composite material, and the composite material of the spring stores elastic energy generated as the spring is compressed in the dielectric and then releases it again upon recovery.
본 발명은 또한 상술한 스프링을 포함하는 부착형 로봇을 제공한다. The present invention also provides an attachable robot including the spring described above.
본 발명은 상술한 복합재의 제조방법으로, 상이한 두께의 탄소섬유 강화 플라스틱을 성형하고 구부러진 형태로 만들어 제 1 및 제 2 전도성 복합체를 만드는 단계; 및 상기 유전체 양면의 단면 각각에 상기 전도성 조합체를 접합하는 단계를 포함하며, 상기 유전체는 압축가능한 폼이며, 상기 탄소섬유 강화 플라스틱은 복수 개의 탄소섬유를 적층하는 후 에폭시를 함침시키는 방식으로 제조된다. The present invention is a method of manufacturing the above-described composite material, comprising the steps of forming and bending carbon fiber-reinforced plastics of different thicknesses to form first and second conductive composites; and bonding the conductive assembly to each of the cross-sections of both sides of the dielectric, wherein the dielectric is a compressible foam, and the carbon fiber reinforced plastic is manufactured by laminating a plurality of carbon fibers and then impregnating them with epoxy.
본 발명에 따른 복합재는, 복합재를 구성하는 복합재료 사이에 비대칭으로 위치된 유전체를 포함하는 구조를 가지며, 본 발명에 따른 복합재료의 스프링을 활용하면 외부 부착 센서 또는 복합재료 내장 센서 없이 구조물 자체의 정전 용량 변화를 통해 굽힘 변형을 감지할 수 있다. 또한 폼을 코어로 사용하여 샌드위치 복합재료 스프링을 제작함으로써, 경량화를 구현하는 동시에 스프링 강성을 확보할 수 있다. The composite material according to the present invention has a structure including a dielectric asymmetrically positioned between the composite materials constituting the composite material, and by utilizing the spring of the composite material according to the present invention, the structure itself can be used without an externally attached sensor or a sensor built into the composite material. Bending deformation can be detected through changes in capacitance. In addition, by manufacturing a sandwich composite spring using foam as the core, it is possible to achieve weight reduction and secure spring rigidity at the same time.
더 나아가, 본 발명에 따른 복합재가 주행 로봇의 발목 스프링 (Ankle spring)로 활용되는 경우, 굽힘으로 발생하는 탄성에너지를 저장 및 방출하는 역할을 하여 로봇의 주행 성능을 향상시키고, 동시에 구조물의 정전용량 변화로부터 지면 반력이나 발목무릎힙 조인트 각도와 같은 주행 데이터를 실시간으로 얻을 수 있다는 장점이 있다.Furthermore, when the composite material according to the present invention is used as an ankle spring for a traveling robot, it plays a role in storing and releasing elastic energy generated by bending to improve the driving performance of the robot and at the same time increases the electrostatic capacity of the structure. The advantage is that driving data such as ground reaction force or ankle-knee-hip joint angle can be obtained from changes in real time.
도 1은 복합재료를 이용한 종래의 구조 축전기의 모식도이고, 도 2는 도1의 분리된 복합재료를 전극으로 사용하여 정전용량을 감지하는 방법의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재의 단면도이다.
도 4는 본 발명에서 제안하는 유전체 폼 코어를 비대칭으로 가지는 샌드위치 복합재료 스프링의 구조를 나타내는 모식도이다
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 구부러전 형태의 전도성 복합체를 만드는 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 복합재 굽힘 변형에 따라 유전체인 폼 코어의 두께 방향 변형 정도를 시뮬레이션 결과이다.
도 7은 코어 폼의 상대적 위치에 따른 변형률의 비교 분석 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험방법을 나타내는 도면이고, 도 9는 실제 머신러닝을 통하여 지면반력(GRFs) 값을 얻는 방법을 설명하는 도면이다. Figure 1 is a schematic diagram of a conventional structural capacitor using a composite material, and Figure 2 is a schematic diagram of a method for detecting capacitance using the separated composite material of Figure 1 as an electrode.
Figure 3 is a cross-sectional view of a composite material according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram showing the structure of a sandwich composite spring having an asymmetric dielectric foam core proposed in the present invention.
Figure 5 is a diagram illustrating a method of making a curved conductive composite according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a simulation result of the degree of deformation in the thickness direction of the foam core, which is a dielectric, according to the bending deformation of the composite material.
Figure 7 is a comparative analysis result of strain according to the relative position of the core form.
Figure 8 is a diagram showing an experimental method according to an embodiment of the present invention, and Figure 9 is a diagram explaining a method of obtaining ground reaction forces (GRFs) values through actual machine learning.
이하 본 발명에 따른 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재, 이를 포함하는 스프링 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 특별한 정의가 없는 한 본 명세서의 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상 지식을 가진 이가 이해하는 당해 용어의 일반적 의미와 같으며 만약 본 명세서에 사용된 용어의 의미와 충돌하는 경우에는 본 명세서에 사용된 정의에 따른다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략함. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, a composite material capable of measuring bending deformation according to the present invention, a spring containing the same, and a method of manufacturing the same will be described with reference to the attached drawings. Unless otherwise specified, all terms in this specification have the same general meaning as understood by a person with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains, and if there is a conflict with the meaning of the terms used in this specification, it shall be written in this specification. According to the definition used. In addition, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the gist of the present invention are omitted. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 유전체의 유전체를 비대칭으로 가지는 일체형 샌드위치 복합재와 이를 이용하는 스프링을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 유전체로서 폼(foam) 코어를 사용하여 복합재의 경량화 효과까지 달성하였으나, 본 발명의 범위는 하기 설명되는 특정 유전체의 종류 등에 한정되지 않는다. In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an integrated sandwich composite material having an asymmetric dielectric and a spring using the same. In one embodiment of the present invention, the effect of reducing the weight of the composite material was achieved by using a foam core as the dielectric, but the scope of the present invention is not limited to the type of specific dielectric described below.
본 발명에 따른 복합재는 굽힘 변형 측정에 정전용량(Capacitance)을 사용하는데, 정전용량(Capacitance)은 두 전극 사이에 위치한 유전체의 두께, 너비 및 유전율에 의해서 정의된다. The composite material according to the present invention uses capacitance to measure bending deformation, and capacitance is defined by the thickness, width, and dielectric constant of the dielectric located between two electrodes.
도 1은 복합재료를 이용한 종래의 구조 축전기의 모식도이고, 도 2는 도1의 분리된 복합재료를 전극으로 사용하여 정전용량을 감지하는 방법의 모식도이다. Figure 1 is a schematic diagram of a conventional structural capacitor using a composite material, and Figure 2 is a schematic diagram of a method for detecting capacitance using the separated composite material of Figure 1 as an electrode.
도 1을 참조하면, 선행기술 1 내재 3에 개시되는 종래기술은 유전체 역할을 하는 필름과 전극역할을 하는 판 형태의 탄소 섬유 강화 플라스틱 (Carbon Fiber Reinforced Plastics; CFRP)을 통해 구조 축전기 (Structural capacitor)를 이용하는 방식이었다. Referring to Figure 1, the prior art disclosed in Prior Art 1 and Embedded 3 is a structural capacitor through a film that acts as a dielectric and a plate-shaped carbon fiber reinforced plastic (CFRP) that acts as an electrode. The method was to use .
이 경우, 변형을 감지하기보다는 대부분 복합재료를 이용하여 축전기 (Capacitor)의 기계적인 물성을 높여 구조적인 안전성을 확보하려는 방향으로 진행되었다. 또한, 이러한 구조는 구조적인 변형에 따른 유전체의 두께 방향 변형이 매우 작기 때문에 정전 용량 변화에 대한 민감도 (Sensitivity) 또한 매우 낮다는 문제가 있다. In this case, rather than detecting deformation, most of the progress was made to secure structural safety by increasing the mechanical properties of the capacitor using composite materials. In addition, this structure has a problem in that the sensitivity to changes in capacitance is also very low because the deformation in the thickness direction of the dielectric due to structural deformation is very small.
도 2를 참조하면, 선행기술 4에 개시되는 본 선행기술은 서로 분리된 전도성의 복합재료를 전극으로 사용하며, 두 복합재료 전극의 상대적인 위치에 따라서 중첩되는 영역이 바뀌고, 그에 따라서 변화하는 정전 용량을 감지한다.Referring to FIG. 2, the prior art disclosed in prior art 4 uses conductive composite materials separated from each other as electrodes, and the overlapping area changes depending on the relative positions of the two composite electrodes, and the capacitance changes accordingly. detects.
하지만 본 선행기술은 전극사이에 뚜렷한 유전체가 없어서 정전용량 변화 정도가 낮을 뿐만 아니라, 복합재료끼리 서로 분리되어 있기 때문에 구조 자체의 변형을 측정하는 데에 한계가 있다.However, this prior art not only has a low degree of capacitance change due to the lack of a distinct dielectric between electrodes, but also has limitations in measuring the deformation of the structure itself because the composite materials are separated from each other.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 복합재 사이에 유전체를 비대칭으로 넣어 소위 샌드위치형 복합재를 제공하며, 이로써 복합재 자체를 통한 센싱과 경량화, 탄성에너지 방출이 가능하다.To solve this problem, the present invention provides a so-called sandwich-type composite by inserting a dielectric asymmetrically between composite materials, which enables sensing, weight reduction, and elastic energy release through the composite material itself.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재의 단면도이다. Figure 3 is a cross-sectional view of a composite material according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재는 굽힘 가능한 제 1 전도성 복합체(110); 굽힘 가능하고, 압축가능한 유전체(120); 및 굽힘 가능한제 제 2 전도성 복합체(130)를 포함하며, 상기 유전체(120) 양면 각각에 제 1 전도성 복합체(110)와, 제 2 전도성 복합체(130)가 적층된다. Referring to FIG. 3, the composite material capable of measuring bending strain according to an embodiment of the present invention includes a first bendable conductive composite 110; bendable, compressible dielectric (120); and a bendable second conductive composite 130, wherein the first conductive composite 110 and the second conductive composite 130 are stacked on both sides of the dielectric 120, respectively.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 전도성 복합체와 상기 제 2 전도성 복합체의 높이는 상이하며, 그 높이비는, 상기 유전체가 제 2 전도성 복합체 보다 상기 1 전도성 복합체 방향으로 가깝게 위치되도록 구성되며, 이로써 유전체는 일 방향으로 대칭적이게 된다. In one embodiment of the present invention, the heights of the first conductive composite and the second conductive composite are different, and the height ratio is configured such that the dielectric is located closer in the direction of the first conductive composite than the second conductive composite, whereby the dielectric becomes symmetrical in one direction.
이때 상기 유전체(120)로부터의 상기 제 1 전도성 복합체(110) 높이(d1)는, 상기 유전체(120)로부터의 상기 제 2 전도성 복합체(120) 높이 (d2)와는 상이한데, 본 발명은 이와 같이 복합재 중간 면을 기준으로 곡률의 외경 방향으로 유전체를 비대칭으로 위치시켜 압축 변형이 지배적으로 발생하게 하여 정전용량 변화 정도를 증가시킨다. 여기에서 "지배적"은 높이 방향으로의 변형이 길이나 다른 방향의 변형에 비하여 변형 정도가 더 크다는 것을 의미한다. At this time, the height (d1) of the first conductive composite 110 from the dielectric 120 is different from the height (d2) of the second conductive composite 120 from the dielectric 120, and the present invention is as follows. By positioning the dielectric asymmetrically in the direction of the outer diameter of curvature based on the middle surface of the composite, compressive deformation occurs predominantly, increasing the degree of capacitance change. Here, “dominant” means that the strain in the height direction has a greater degree of strain than the strain in the length or other directions.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 전도성 복합체와 제 2 전도성 복합체는 탄소 섬유 강화 플라스틱 (Carbon Fiber Reinforced Plastics; CFRP)이고, 유전체는 압축가능한 폼이다. In one embodiment of the present invention, the first conductive composite and the second conductive composite are carbon fiber reinforced plastics (CFRP), and the dielectric is compressible foam.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 전도성 복합체는 전도성의 탄소 섬유 강화 플라스틱일 수 있으며, 이 경우 일방향 탄소 섬유 복합재료 (Uni directional carbon fiber composite), 탄소 직물 복합재료 (carbon fabric composite), 탄소 단섬유 복합재료 (short carbon fiber composite)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상이 전도성 복합체 물질로 사용될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the first and second conductive composites may be conductive carbon fiber reinforced plastic, in this case, uni directional carbon fiber composite, carbon fabric composite. ), any one or more selected from the group consisting of short carbon fiber composite materials can be used as a conductive composite material.
또한 상기 유전체인 폼 코어는 PVC (Polyvinyl chloride), PU (Polyurethane), Melamine, PMI (Polymethacrylimide), PET (Polyethylene terephthalate) 및 PVDF (Polyvinylidene fluoride)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 특히 밀도가 전도성 복합체 보다 낮게 하여 스프링 탄성에너지의 저장과 방출이 가능할 수 있게 한다. In addition, the dielectric foam core may include one or more selected from the group consisting of PVC (Polyvinyl chloride), PU (Polyurethane), Melamine, PMI (Polymethacrylimide), PET (Polyethylene terephthalate), and PVDF (Polyvinylidene fluoride). , In particular, the density is lower than that of the conductive composite, allowing storage and release of spring elastic energy.
도 4는 본 발명에서 제안하는 유전체 폼 코어를 비대칭으로 가지는 샌드위치 복합재료 스프링의 구조를 나타내는 모식도이다Figure 4 is a schematic diagram showing the structure of a sandwich composite spring having an asymmetric dielectric foam core proposed in the present invention.
도 4를 참조하면, 전도성 복합체 역할을 하는 전도성의 탄소 섬유 강화 플라스틱인 복합재 전도성 복합체는 리프 스프링 모양을 가지도록 하는 일정한 곡률 형상의 몰드 위에 탄소 섬유를 핸드 레이업 (Hand lay-up)하고 에폭시를 함침시키거나 또는 에폭시가 기 함침된 프리프레그 (Prepreg)를 바로 핸드 레이업한 다음, 핫 프레스 (Hot press) 몰딩 성형 또는 오토클레이브 (Autoclave) 성형을 통해 제작된다. Referring to Figure 4, the composite conductive composite, which is a conductive carbon fiber reinforced plastic that serves as a conductive composite, is made by hand laying up carbon fiber on a mold with a constant curvature shape to have a leaf spring shape and applying epoxy. It is manufactured by hand laying up prepreg that is impregnated or already impregnated with epoxy, and then through hot press molding or autoclave molding.
이때 중간 면 (Mid plane)을 기준으로 비대칭으로 적층된 코어를 가지는 샌드위치 복합재료를 만들기 위해 두 탄소 섬유 강화 플라스틱을 서로 다른 두께로 제작한다. 본 명세서에서 "비대칭"이라 함은 전제 복합재의 중심으로부터 유전체 코어가 일방향에 치우진 것을 의미한다. At this time, two carbon fiber reinforced plastics are manufactured with different thicknesses to create a sandwich composite material with a core that is asymmetrically laminated based on the mid plane. As used herein, “asymmetry” means that the dielectric core is deviated in one direction from the center of the entire composite material.
이후 유전체 성질을 띄는 폼 코어를 두 섬유 강화 플라스틱 사이에 위치시킨 다음, 일정한 경화 조건에서 접착을 시켜 폼 코어 복합재료 샌드위치 복합재를 제작한다. Afterwards, a foam core with dielectric properties is placed between two fiber-reinforced plastics, and then bonded under certain curing conditions to produce a foam core composite sandwich composite.
본 발명의 일 실시예에서 접착은 접착제 도포, 접착 필름 이용, 동시 경화 등과 같은 방법들을 통해 이루어질 수 있으며, 이때 상술한 바와 같이 상대적으로 두꺼운 탄소 섬유 강화 플라스틱을 곡률 기준에서 내경 방향에, 얇은 탄소 섬유 강화 플라스틱을 외경 방향에 위치시킨다.In one embodiment of the present invention, adhesion may be achieved through methods such as applying an adhesive, using an adhesive film, simultaneous curing, etc. In this case, as described above, a relatively thick carbon fiber reinforced plastic is placed in the inner diameter direction from the curvature standard, and a thin carbon fiber is applied. Position the reinforced plastic in the outer diameter direction.
상기 방식으로 제조된 본 발명에 따른 복합재는 폼 코어 샌드위치 구조를 가지며, 굽힘 변형을 하면서 탄성에너지를 저장 및 방출한다. 또한, 이때 전체적인 굽힘 변형에 의해서 폼 코어는 두께 방향으로 변형을 하여 정전 용량 변화가 발생한다. The composite material according to the present invention manufactured in the above manner has a foam core sandwich structure and stores and releases elastic energy while undergoing bending deformation. Additionally, at this time, the foam core is deformed in the thickness direction due to the overall bending deformation, resulting in a change in capacitance.
본 발명에 따른 복합재는 추가적인 센서 없이 구조적인 형상을 통해 복합재료 스프링의 굽힘 변형을 자체적으로 감지할 수 있으며, 폼 형태의 코어를 사용함으로써 전체적인 구조물을 경량화 할 수 있고, 탄소 섬유 강화 플라스틱과의 상대적인 기계적 물성 차이를 통해 굽힘 변형으로 인한 유전체의 두께 방향 변형을 더욱 극대화하여 정전용량 변화 정도를 높일 수 있다. The composite material according to the present invention can independently detect the bending deformation of the composite spring through its structural shape without an additional sensor, and can lighten the overall structure by using a foam-shaped core, and can reduce the weight of the overall structure compared to carbon fiber reinforced plastic. Through differences in mechanical properties, the degree of capacitance change can be increased by further maximizing the deformation in the thickness direction of the dielectric due to bending deformation.
또한, 폼 코어를 중간 면 (Mid plane)을 기준으로 외경 방향에 위치시켜 비대칭적으로 적층하여 두께 방향의 압축 변형이 지배적으로 발생하게 하여 정전용량 변화를 높이는 동시에, 인장에 취약한 접착 계면에서의 인장 변형을 최소화하였다. 또한 굽힘 변형으로 인한 응력은 대부분 코어가 아닌 스킨층 (Face sheet)에 걸리기 때문에, 폼 코어로 인한 구조물 자체의 굽힘 강성 변화는 미미하며, 이로써 강성 열화 등으로 인한 소재의 기계적 물성 저하를 최소화하여 소재의 기계적 강성을 증가시킬 수 있다. In addition, the foam core is placed in the outer diameter direction based on the mid plane and stacked asymmetrically, causing compression deformation in the thickness direction to dominate, thereby increasing the change in capacitance and at the same time reducing tension at the adhesive interface, which is vulnerable to tension. Deformation was minimized. In addition, since most of the stress due to bending deformation is applied to the skin layer (face sheet) rather than the core, the change in bending stiffness of the structure itself due to the foam core is minimal. This minimizes the decline in mechanical properties of the material due to stiffness deterioration, etc. The mechanical rigidity can be increased.
본 발명에 따른 복합재는, 상이한 두께를 갖는 2개 복합재를 제조하는 단계; 및 폼 코어의 양면이 두개의 복합재를 각각 접착시키는 방식으로 제조되는데, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 구부러전 형태의 전도성 복합체를 만드는 방법을 설명하는 도면이다. The composite material according to the present invention includes the steps of manufacturing two composite materials with different thicknesses; And both sides of the foam core are manufactured by bonding two composite materials, respectively. Figure 5 is a diagram illustrating a method of making a bent-shaped conductive composite according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 굽힘 변형 측정이 가능한 센서 일체형 폼 코어 샌드위치 복합재료 스프링을 제조하기 위한 단계는 다음과 같다.Referring to Figure 5, the steps for manufacturing a sensor-integrated foam core sandwich composite spring capable of measuring bending deformation are as follows.
먼저 서로 다른 두께를 갖도록 두 개의 탄소 섬유 강화 플라스틱 프리프레그를 리프 스프링 형상으로 금속 몰드 위에 핸드 레이업하거나, 또는 탄소 섬유를 핸드 레이업한 후 에폭시를 함침시킨다. First, two carbon fiber reinforced plastic prepregs with different thicknesses are hand laid up on a metal mold in the shape of a leaf spring, or the carbon fibers are hand laid up and then impregnated with epoxy.
이후, 핫 프레스 또는 오토클레이브 통해 일정한 경화 조건에서 성형을 하고, 다시 유전체 폼을 사이에 두고 두께가 굵은 탄소 섬유 강화 플라스틱을 내경 방향에 두께가 얇은 탄소 섬유 강화 플라스틱을 외경 방향에 위치시킨 다음, 일정한 경화 조건에서 접착을 시켜 폼 코어 복합재료 샌드위치 스프링을 제작한다. 이때 접착은 접착제 도포, 접착 필름 이용, 동시 경화 등과 같은 방법들을 통해 수행될 수 있다. Afterwards, molding is performed under certain curing conditions through a hot press or autoclave, and then the thick carbon fiber reinforced plastic is placed in the inner diameter direction with the dielectric foam in between, and the thin carbon fiber reinforced plastic is placed in the outer diameter direction, and then the thin carbon fiber reinforced plastic is placed in the outer diameter direction. Foam core composite sandwich springs are manufactured by bonding under curing conditions. At this time, adhesion can be performed through methods such as applying adhesive, using adhesive film, simultaneous curing, etc.
도 6은 복합재 굽힘 변형에 따라 유전체인 폼 코어의 두께 방향 변형 정도를 시뮬레이션 결과이다. Figure 6 is a simulation result of the degree of deformation in the thickness direction of the foam core, which is a dielectric, according to the bending deformation of the composite material.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 샌드위치형 복합재 스프링은 굽힘 변형에 따라 두께방향(Thickness Direction)으로의 변형이 지배적인 것을 알 수 있다. Referring to Figure 6, it can be seen that the sandwich-type composite spring according to the present invention is predominantly deformed in the thickness direction according to bending deformation.
도 7은 코어 폼의 상대적 위치에 따른 변형률의 비교 분석 결과이다. Figure 7 is a comparative analysis result of strain according to the relative position of the core form.
도 7을 참조하면, 굽힘 변형에 따른 두께 방향 변형률(strain in thickness direction)은 유전체 코어 폼이 비대칭적으로 외경 쪽으로 위치할수록 두께 방향의 인장 변형에 취약한 코어폼과 복합재료의 계면에서의 인장 스트레인이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이것은 샌드위치 구조인 본 발명에 따른 복합재에서 전체적인 구조물의 안정성 (safety)를 높일 수 있는 것을 의미한다. Referring to FIG. 7, the strain in the thickness direction due to bending deformation shows that the more asymmetrically the dielectric core form is positioned toward the outer diameter, the more the tensile strain at the interface between the core form and the composite material, which is vulnerable to tensile strain in the thickness direction, increases. You can see that it is decreasing. This means that the stability (safety) of the overall structure can be increased in the composite material according to the present invention, which has a sandwich structure.
본 발명은 더 나아가 본 발명에 따른 복합재료 스프링을 장착한 부착형 로봇을 제공하여, 변형에 따른 변형률을 별도의 센서 없이 스프링으로부터 측정한다. 이를 위하여 본 발명의 일 실시예에서는 엑소스켈레톤 로봇을 착용하고, 트레드밀(런닝머신)에서 러닝테스트를 진행하면서, 본 발명에 따른 복합재료 스프링의 커패시턴스(capacitance)값을 측정하고 수직/수평 방향의 지면반력(GRFs) 값은 트레드밀에 내장된 힘판(force plate)를 통해 측정하였다. The present invention further provides an attachable robot equipped with a composite spring according to the present invention, and measures strain due to deformation from the spring without a separate sensor. To this end, in one embodiment of the present invention, while wearing an exoskeleton robot and performing a running test on a treadmill, the capacitance value of the composite material spring according to the present invention is measured and the ground surface in the vertical/horizontal direction is measured. Reaction forces (GRFs) values were measured using a force plate built into the treadmill.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험방법을 나타내는 도면이고, 도 9는 실제 머신러닝을 통하여 지면반력(GRFs) 값을 얻는 방법을 설명하는 도면이다. Figure 8 is a diagram showing an experimental method according to an embodiment of the present invention, and Figure 9 is a diagram explaining a method of obtaining ground reaction forces (GRFs) values through actual machine learning.
도 8 및 9를 참조하면, 본 발명에 따라 자체 센싱이 가능한 복합재료 스프링의 변형에 따라 센싱되는 커패시턴스 값(input)으로부터, 인공지능 모델을 이용하여 지면반력값(output)을 도출할 수 있으며, 이는 결국 별도의 센서없이도 본 발명에 따른 스프링 자체의 변형으로부터, 지면반력값을 포함하는 다양한 변수를 측정할 수 있음을 증명한다. Referring to Figures 8 and 9, according to the present invention, the ground reaction force value (output) can be derived from the capacitance value (input) sensed according to the deformation of the composite spring capable of self-sensing, using an artificial intelligence model, This ultimately proves that various variables, including ground reaction force values, can be measured from the deformation of the spring itself according to the present invention without a separate sensor.
Claims (16)
굽힘 가능한 제 1 전도성 복합체;
굽힘 및 압축변형가능한 유전체; 및
굽힘 가능한제 제 2 전도성 복합체를 포함하며,
상기 유전체의 양면 각각에 제 1 전도성 복합체와, 제 2 전도성 복합체가 적층되며,
상기 유전체로부터 상기 제 1 전도성 복합체와 제 2 전도성 복합체의 높이는 상이하며,
상기 복합재는 곡률 기준으로 내경에 제 1 전도성 복합체가, 외경에 상기 제 2 전도성 복합체가 구비되며,
상기 제 1 전도성 복합체와 상기 제 2 전도성 복합체의 높이비는, 상기 유전체가 제 2 전도성 복합체 보다 상기 1 전도성 복합체 방향으로 더 가깝게 위치되도록 구성되며, 이로써 압축 변형이 지배적으로 발생하게 하여 정전용량 변화 정도를 증가시킨 것을 특징으로 하는, 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재를 포함하는 스프링.A spring comprising a composite material capable of measuring bending strain,
a first bendable conductive composite;
Dielectric capable of bending and compression deformation; and
comprising a bendable second conductive composite,
A first conductive composite and a second conductive composite are stacked on each of both sides of the dielectric,
The heights of the first conductive composite and the second conductive composite from the dielectric are different,
The composite material is provided with a first conductive composite on the inner diameter and the second conductive composite on the outer diameter based on curvature,
The height ratio of the first conductive composite and the second conductive composite is configured such that the dielectric is located closer in the direction of the first conductive composite than the second conductive composite, thereby causing compressive deformation to occur dominantly, thereby increasing the degree of capacitance change. A spring containing a composite material capable of measuring bending strain, characterized in that it increases.
상기 복합재의 굽힙 변형에 따라 상기 유전체는 두께 방향으로의 변형이 지배적인 것을 특징으로 하는, 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재를 포함하는 스프링.According to clause 1,
A spring comprising a composite material capable of measuring bending deformation, characterized in that the deformation of the dielectric in the thickness direction is dominant according to the bending deformation of the composite material.
상기 제 1 전도성 복합체 및 제 2 전도성 복합체는 탄소 섬유 강화 플라스틱인 것을 특징으로 하는 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재를 포함하는 스프링.According to clause 1,
A spring comprising a composite material capable of measuring bending deformation, wherein the first conductive composite and the second conductive composite are carbon fiber reinforced plastic.
상기 유전체는 압축가능한 폼(foam)인 것을 특징으로 하는, 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재를 포함하는 스프링.According to clause 1,
A spring comprising a composite material capable of measuring bending strain, wherein the dielectric is compressible foam.
상기 유전체 폼은 PVC (Polyvinyl chloride), PU (Polyurethane), Melamine, PMI (Polymethacrylimide), PET (Polyethylene terephthalate) 및 PVDF (Polyvinylidene fluoride)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 폼인 것을 특징으로 하는, 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재를 포함하는 스프링.According to clause 6,
The dielectric foam is characterized in that it is a foam containing at least one selected from the group consisting of PVC (Polyvinyl chloride), PU (Polyurethane), Melamine, PMI (Polymethacrylimide), PET (Polyethylene terephthalate), and PVDF (Polyvinylidene fluoride). , springs containing composite materials capable of measuring bending deformation.
상기 제 1 및 제 2 전도성 복합체는 전도성의 탄소 섬유 강화 플라스틱인 것을 특징을 하는, 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재를 포함하는 스프링.According to clause 1,
A spring comprising a composite material capable of measuring bending deformation, wherein the first and second conductive composites are conductive carbon fiber reinforced plastic.
상기 제 1 및 제 2 전도성 복합체는 일방향 탄소 섬유 복합재료 (Uni directional carbon fiber composite), 탄소 직물 복합재료 (carbon fabric composite), 탄소 단섬유 복합재료 (short carbon fiber composite)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재를 포함하는 스프링.According to clause 8,
The first and second conductive composites are any selected from the group consisting of uni directional carbon fiber composite, carbon fabric composite, and short carbon fiber composite. A spring comprising a composite material capable of measuring bending deformation, characterized in that it includes one or more.
상기 1 전도성 복합체 및 제 2 전도성 복합체는 구부러진 형태인 것을 특징으로 하는, 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재를 포함하는 스프링.According to clause 1,
A spring comprising a composite material capable of measuring bending deformation, wherein the first conductive composite and the second conductive composite are in a bent shape.
상기 제 1 전도성 복합체 및 제 2 전도성 복합체에 비해 상기 유전체는 밀도가 낮은 것을 특징으로 하는, 굽힘 변형 측정이 가능한 복합재를 포함하는 스프링.According to clause 1,
A spring comprising a composite material capable of measuring bending deformation, wherein the dielectric has a low density compared to the first conductive composite and the second conductive composite.
An attachable robot comprising the spring according to any one of claims 1, 2, 4, and 6 to 11.
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