KR20060008905A - 형상기억소재 기술을 이용한 고 출력/중량비 브레이크 장치 - Google Patents

형상기억소재 기술을 이용한 고 출력/중량비 브레이크 장치 Download PDF

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KR20060008905A
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friction
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다니엘 뒤푸이
스테판 베다르
삐에르-올리비에 로이
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빅톰 휴먼 바이오닉스 인크.
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Abstract

본 발명에 따른 브레이크 장치(28)는 브레이크 레버(42)의 각측에 위치되는 세트로 이루어진 형상기억합금 작동체(58)가 작동-비작동(agonistic-antagonistic) 구성으로 제공된다. 상기 형상기억합금 작동체의 오스테나이트 변형으로 제동 또는 해제 상태가 된다. 상기 브레이크의 작동 동안, 상기 브레이크 작동체가 짧아짐으로 인하여 제동 마찰 토크를 발생하는 회전 드럼(40)과 마찰 패드(52)는 접촉된다. 상기 브레이크가 작동되는 경우, 상기 화이버글래스 구성부품(52)의 휨 변형은 드럼과 마찰 패드 사이의 수직력을 충분하게 인가하여 브레이크의 해제를 방지한다. 반대로, 상기 해제 작동체에 열을 가함에 따라, 상기 패드는 그립력을 잃게되고, 상기 드럼은 자유롭게 회전된다.
브레이크 장치, 브레이크 레버, 형상기억합금, 마찰 패드, 드럼

Description

형상기억소재 기술을 이용한 고 출력/중량비 브레이크 장치{HIGH POWER/WEIGHT RATIO BRAKING DEVICE BASED ON SHAPE MEMORY MATERIAL TECHNOLOGY}
본 발명은 브레이크(brakes)에 관한 것이다.
기계 시스템의 회전을 감속하거나 또는 완전히 멈추게 하는 경우, 여러 제동(braking) 방법이 이용된다. 일반적인 브레이크는 점성 브레이크(viscious brakes), 유체가 제한 오리피스(restriction orifice)를 통과해서 강제로 흐르게 하는 유체 브레이크(hydrodynamic brakes), 특정 유체가 변하기 쉬운 자기장에서 점성을 변화시키게 하는 자기유체 브레이크(magnetorheological brakes), 시스템의 회전을 저지하는 힘은 두개의 전자석 사이에 삽입되는 금속 디스크에 와전류(eddy current)를 유도하여 셋팅되게 하는 전자기 브레이크(electromagnetic brakes) 및 두 표면이 서로에 대해서 가압되게 하는 마찰 브레이크(friction brakes)를 포함한다.
상기 마찰 브레이크는 마찰면의 형상 및 본래의 작동(activation) 구조에 따라 여러 방식으로 분리된다. 상기 마찰 브레이크는 6개의 주요한 방식, 즉 드럼 브 레이크(drum brakes), 디스크 브레이크(disc brakes), 벨트 브레이크(belt brakes), 전기기계 브레이크, 전기기계 동력차단 브레이크(electromechanical power off brakes) 및 자기입자 브레이크(magnetic particle brakes) 방식이 있다. 상기 드럼 브레이크는 브레이크가 작동된 경우에 하나 이상의 브레이크 슈(brake shoe)가 가압되는 원통형의 브레이크면으로 이루어진다. 상기 드럼면에 가압되는 슈의 마찰은 시스템의 회전을 감속시킨다. 상기 디스크 브레이크는 캘리퍼(caliper)에 장착되는 두 패드(pad)와 디스크 사이에 마찰을 형성하기 위하여 클램핑(clamping) 동작을 이용한다. 상기 캘리퍼는 디스크의 대향측에 위치되는 패드를 갖는 디스크를 핀칭(pinching)하기 때문에, 상기 시스템의 회전은 감속된다. 상기 벨트 브레이크는 드럼에 랩핑(wrapping)되는 마찰 벨트로 이루어진다. 상기 벨트의 텐션(tension)은 벨트와 드럼 사이의 그립핑력(gripping force)에 비례하며, 이에 따라 상기 텐션의 증가는 드럼의 회전을 감속시킨다. 전술한 방식 중에서 선택되는 작동 구조는 이동가능한 브레이크 구성요소(슈, 패드 또는 벨트)의 기능을 적절히 달성할 수 있는 한, 이러한 모든 마찰 브레이크는 수압(hydraulically), 공압(pneumatically) 또는 전기적으로 작동될 수 있다.
상기 전기기계 브레이크는 전기를 통해 작동하지만, 기계적으로 토크를 전달한다. 상기 브레이크에 전압이 인가되는 경우, 코일이 통전되어 상기 코일을 전자석으로 변화시키는 자기장이 형성된다. 그 결과, 자속(magnetic flux)은 마찰 패드와 접촉되는 전기자를 끌어당긴다. 상기 전기자는 샤프트에 고정되며 상기 패드는 프레임에 고정되기 때문에, 상기 브레이크의 작동은 시스템의 회전을 감속시킨다. 대부분의 구조에서는, 동력이 해제되는 경우, 스프링은 브레이크면에서 떨어지게 전기자를 유지한다. 반대로 어떤 구조에서는, 어떠한 동력도 가해지지 않는 경우, 일련의 스프링은 브레이크면에 전기자가 접촉되게 한다. 전기기계 동력차단 브레이크라고 불리우는 이러한 브레이크는 전기자를 브레이크면에서 떨어지게 밀어내는 코일에 전압을 인가해서 해제된다.
상기 자기입자 브레이크에서, 상기 자기입자는 어떠한 동력도 가해지지 않는 경우에 단순히 놓여지는 캐버티(cavity)에 위치된다. 그러나, 상기 캐버티의 상측에 위치되는 코일에 전압이 인가되는 경우, 상기 자속은 입자를 구속하기 용이하게 함께 형성된다. 상기 전압이 증가되므로서, 상기 입자의 구속은 보다 강하게 이루어진다. 상기 브레이크 회전자는 이러한 구속된 입자를 통과하기 때문에, 상기 회전자에 형성되는 저항력은 시스템의 회전을 감속시킨다.
보철학(prosthetics) 분야에서, 각각 장점과 단점을 가진 인공보철물(prosthesis)의 구성부품 사이에 상대적인 피벗(pivotal) 운동을 제어하기 위하여 과거에 여러 방식의 브레이크가 사용되어 왔다.
상기 점성 브레이크는 보철물의 적용에는 매우 적절하지만, 하중이 큰 조건에서는 새거나 고장이 날 수 있다. 또한, 다른 해결책과 비교하여 볼 경우 상대적으로 큰 중량으로 인하여 이점은 저감든다.
상기 자기유체 브레이크는 브레이크 장치의 점성을 신속하고 정확하게 변형할 필요가 있는 경우에는 이론적으로 적절하다. 그러나, 보철학 분야에서 실제 적용에 있어서는 이러한 점성의 변화가 만족스러운 성능을 달성할 수 있을 만큼 충분 히 신속하고 정확하지 않아도 된다. 또한, 상기 점성 브레이크와 비교하여 볼 경우, 동적인 제동(dynamic braking)이 요구되지 않는 경우에는 상대적으로 큰 중량으로 인하여 선택에서 불리하다.
사용이 연장된 후에는 접촉면의 마찰계수가 변화되기 쉽기 때문에, 동적인 제동이 적용되는 경우에는 상기 마찰 브레이크가 바람직하지 않다. 그러나, 상기 마찰 브레이크의 단순함, 간결함 및 경량으로 인하여, 동적인 제동이 필요하지 않는 경우에는 마찰 브레이크의 선택은 언제나 장점이 된다.
또한, 전술한 모든 브레이크 장치는 공통적인 한계, 즉 작동 또는 비작동 상태를 계속 유지하기 위해서는 동력이 필요하다는 한계를 가지고 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 완전히 또는 부분적으로 제거 또는 완화시키는데 그 목적이 있다.
본 발명의 하나의 관점에 따르면, 상대적으로 이동가능한 한쌍의 구성부품 사이에서 작동하며 상기 구성부품의 하나에 연결되는 브레이크 부재로 이루어지는 마찰 브레이크 조립체, 상기 구성부품의 다른 부분에 연결되는 캐리어 및 상기 브레이크 부재와 결합하기 위해 캐리어에 부착되는 마찰 패드가 제공된다. 상기 마찰 패드를 브레이크 부재와 결합하도록 이동시키기 위하여 상기 캐리어에 따라 제1액츄에이터가 작동가능하게 된다. 상기 마찰 패드를 브레이크 부재로부터 떨어지도록 이동시키기 위하여 상기 캐리어에 따라 제2액츄에이터가 작동가능하게 된다. 제어기는 상기 제1 및 제2액츄에이터를 선택적으로 작동시킨다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 기계적인 조인트에 의해 서로 피벗가능하게 연결되는 한쌍의 림을 구비한 보철물이 제공된다. 상기 림 사이에서 상대적인 회전에 영향을 주기 위하여 상기 림 사이에 액츄에이터가 연결되고, 이러한 상대 운동을 억제하기 위하여 브레이크가 작동된다. 조인트의 다른 운동을 억제하기 위하여 액츄에이터에 따라 상기 브레이크가 작동된다.
어떠한 동력도 브레이크 장치에 공급되지 않는 경우, 상기 브레이크 장치는 작동 상태를 유지가능하게 한다. 상기 장치의 바람직한 실시예는 형상기억합금(SMA), 즉 형상기억효과의 특징적인 장점을 나타낸다. 상기 브레이크의 바람직한 실시예는 무릎 절단 수술을 받은 사람을 위해 하나의 다리로 이루어진 보철물에 형성될 수 있지만, 구체적인 적용에 있어서 제한을 받지는 않는다. 한쌍의 구성부품 사이에 적용될 수 있는 구성에는 상기 브레이크 장치가 일반적으로 적용될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 브레이크 장치는 브레이크 레버의 각측에 위치되는 세트로 이루어진 형상기억합금(SMA) 와이어가 작동-비작동(agonistic-antagonistic) 구성으로 제공된다. 전류를 인가하여 와이어의 하나의 세트를 짧게하는 형상기억합금(SMA) 와이어의 오스테나이트 변형에 의해서 제동 또는 해제 상태가 된다. 상기 브레이크가 작동하는 동안, 상기 브레이크 와이어의 짧아짐으로 인하여 제동 마찰 토크를 발생하는 회전 드럼과 마찰 패드가 접촉된다. 상기 브레이크가 작동되는 경우, 상기 구성부품의 휨 변형은 드럼과 마찰 패드 사이의 수직력을 충분하게 유지하여 브레이크의 해제를 방지한다. 반대로, 상기 해제 와이어의 작동에 따라, 상기 패드는 그립력을 잃게되고, 상기 드럼은 자유롭게 회전된다.
상기 형상기억합금(SMA) 와이어의 반은 다른 반이 브레이크의 해제를 위해 이용되는 동안에 브레이크의 작동을 위해 이용된다. 상기 브레이크 증폭계수는 레버 피벗의 위치에 의해 결정된다. 알루미늄 6061-T6은 무게를 감소시키기 위한 벌크재로 적절하다. 상기 브레이크의 마찰계수를 증가시키기 위하여, 상기 브레이크 패드 및 드럼을 각각 제조하는데 알루미늄-브론즈 및 철이 이용된다. 상기 형상기억합금의 특성에 따른 브레이크의 작동 및 해제를 위해 5V - 50V의 전원이 적절하다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다.
도1은 브레이크 시스템을 포함한 보철물을 나타낸 사시도.
도2는 도1의 브레이크 시스템을 확대해서 나타낸 사시도.
도3은 도2에 나타낸 브레이크 시스템의 조립된 구성부품을 나타낸 다른 사시도.
도4는 도1에 나타낸 브레이크 시스템의 구성부품을 분해해서 나타낸 분해사시도.
도5는 작동 상태에서의 브레이크의 자유물체도.
도6은 도2에 나타낸 브레이크에서 이용되는 구성부품의 변형해석도.
도7은 도2에 나타낸 브레이크용 브레이크 패드 변위의 삼각해석도.
도8은 도6에 나타낸 구성부품의 자유물체도.
도9는 다른 작동 모드에서의 도8과 유사한 자유물체도.
본 발명의 브레이크 시스템은 무릎 절단 수술을 받은 사람(knee amputee)을 위한 보철물(prosthesis)과 관련해서 개발되었고, 따라서 상기 브레이크 시스템은 이 분야에 따른 시스템의 구체적인 특성을 상술하기 위하여 이러한 배경하에서 설명한다. 그러나, 상기 브레이크 시스템은 보다 일반적으로 적용될 수 있다.
도1에 나타낸 바와 같이, 동력 보철물(10)은 하부림(lower limb)(14)과 소켓(socket)(18) 사이에 연결되는 무릎 조인트 조립체(12)를 구비한다. 상기 무릎 조인트 조립체(12)는 캔틸레버 지지빔(cantilevered support beam)(20)을 통해 발(15)에 교대로 연결되는 하부림(14)과 소켓(18) 사이에서 상대 회전이 이루어지게 한다. 상기 무릎 조인트(12)의 회전은 하부림 조립체(14) 및 상기 하부림 조립체(14)의 대향 단부에서 무릎 조인트 조립체(12)의 부분을 형성하는 두갈래의 암(bifurcared arm)(24)에 도번 22로 나타낸 바와 같이 피벗가능하게(pivotally) 연결되는 액츄에이터(actuator)(16)에 의해 제어된다. 상기 액츄에이터(16)는 외부케이스에 회전가능한 전기자(armature) 및 스크류 나사산(screw thread)으로 결합되는 선형적으로 변위가능한 출력샤프트(26)를 구비한 스크류 방식 액츄에이터로 이 루어진다. 상기 전기자의 회전은, 액츄에이터(16)에 의해 길게 또는 짧게 세로방향으로 변위되는 샤프트(26)를 포함하고, 상기 무릎 조인트 조립체(12)에서 이에 대응하는 회전을 발생시킨다. 또한, 상기 액츄에이터 및 무릎 조인트 조립체의 상세부는 본 출원에 대응하는 다른 일반적인 출원에서 알 수 있으므로, 여기에서 상세한 설명은 생략한다. 상기 무릎 조인트 조립체(12)의 회전을 억제하기 위해서, 상기 액츄에이터(16)에 브레이크 조립체(28)가 구비되고, 상기 브레이크 조립체(28)가 결합되는 경우에 상기 브레이크 조립체(28)는 액츄에이터(16)의 길이방향 변화를 억제하도록 작동될 수 있다. 상기 브레이크 조립체(28)의 상세부는 도2 내지 도4에서 보다 자세하게 나타낸다.
도2에 나타낸 바와 같이, 상기 액츄에이터(16)는 단부캡(end cap)(30)을 갖는 외부 하우징(29)을 구비한다. 상기 하우징(29)에 전기자가 회전가능하게 장착되고, 상기 전기자는 단부캡(30)에서 회전가능하게 지지되며, 상기 단부캡(30)을 통해 보스(boss)(32)는 돌출된다. 상기 액츄에이터 샤프트(26)는, 상기 보스(32)를 통해 연장되고, 상기 전기자와 샤프트(26) 사이의 스크류 나사산 연결에 의한 전기자의 회전에 따라 세로방향으로 변위가능하게 된다. 상기 암(24)에 연결되어 샤프트(26)의 회전은 억제된다.
상기 보스(32)와 함께 회전하기 위해 보스(32)에 고정되는 브레이크 드럼(brake drum)(40)을 보스(32)는 구비한다. 상기 액츄에이터(16)의 하우징(29)으로부터 돌출하는 설치용 블록(mounting block)(46)에 브레이크 슈 캐리어(brake shoe carrier)(42)가 핀(pin)(44)을 통해 피벗가능하게 연결된다. 상기 캐리어(42)는 레 버로서 작용하고, 상기 캐리어(42)는 원통형 브레이크 슈(50)의 일부분이 고정되는 외부 플랜지(48)를 갖는 반원통형 컵 형상으로 형성된다. 상기 브레이크 슈(50)는 브레이크 드럼(40)의 외부 표면과 합치되면서 브레이크 드럼과 마찰에 의해 결합하도록 형성된다.
상기 핀(44)과 대향되는 캐리어(42)의 단부는 한쌍의 이어부(ear)(54) 사이에서 반경방향으로 돌출하는 빔(beam)(52)에 연결된다. 상기 빔(52)은 비전기 전도재로 이루어지고, 후술할 바와 같이 제동력에 따라 굽힘(flexure)을 제어하기 위하여 상기 빔(52)이 형성된다.
상기 이어부(54)는 액츄에이터(16)의 하우징(29)에 고정되고, 상기 이어부(54)는 브레이크 조립체(28)의 범위까지 축방향으로 돌출된다. 각 이어부(54)는 세트로 이루어진 형상기억합금(shape memory alloy; SMA) 로드(58)를 수용하기 위하여 축방향 슬롯(56)을 가진다. 상기 로드(58)는 트러니온(trunnion)(62)에 의해 이어부(54)에 피벗되게 고정되는 설치용 블록(60)에 고정된다. 상기 로드(58)의 대향측 단부는 빔(52)에 형성되는 세트로 이루어진 홀(64)의 각각에 수용된다. 상기 로드(58)는 드럼(40)에 대하여 슈(50)의 정확한 위치를 확보하기 위하여 로드를 조정할 수 있는 단자 블록(66, 68)을 통해 빔(52)에 고정된다.
상기 로드(58)는 니티놀(Nitinol) 상표를 이용할 수 있는 형상기억합금으로 형성된다. 상기 로드(58)는 프리스트레스(pre-stressed)이며, 형상기억합금은 로드(58)에 인가되는 전류가 로드의 단축(shortening)을 발생시켜서 오스테나이트 변형(austenitic transformation)을 유도하는 특징을 가진다. 상기 전류를 제거함에 따 라서, 상기 로드(58)의 길이는 다음 전류가 인가될 때까지 변화되지 않은 상태로 유지된다.
상기 로드(58)는 단자 블록(66, 68)과 유사한 방법으로 단자 블록(70, 72)을 통해 설치용 블록(60)에 고정된다. 상기 단자 블록(70)은, 하나의 로드(58)와 결합하고, 상기 단자 블록(70)에 접속되는 전도체(74)를 구비한다. 상기 단자 블록(70)은 한쌍의 로드(58)에 접속되고, 이에 따라 두개의 로드를 서로 전기적으로 연결한다. 상기 양 이어부(54)의 블록(70, 72) 및 상기 빔(52)의 단자 블록(66, 68)은 전기회로에서 로드(58)의 각 세트에 직렬로 접속되도록 이루어지고, 이에 의하여 같은 전류가 각각에 인가된다. 상기 전도체(74)는 브레이크 조립체(28)를 인가 또는 해제하기 위하여 제어신호에 반응하는 제어회로에 적절하게 접속된다.
작동에 있어서, 상기 캐리어(42)가 어떠한 전류도 로드에 공급되지 않으면서 드럼(40)과 함께 미끄럼 마찰 접촉 또는 최소한의 간극으로 슈(50)를 유지하도록 로드(58)는 조정된다. 이러한 조건에서, 상기 액츄에이터(16)는 전기자가 회전가능하도록 작동되고, 상기 액츄에이터(16)는 샤프트(26)의 세로방향 변위를 일으켜서 상기 무릎 조인트 조립체에 대하여 회전을 발생시킨다. 상기 전기자의 회전은 전술한 제어 기능을 통해 적절하게 제어된다.
제동이 필요한 경우, 상기 전기자의 회전은 전도체(74)를 통해 로드(58)의 세트 중의 하나에 전류를 공급하여서 고정된 위치에서 샤프트(26)를 유지하기 위하여 억제된다. 전류의 흐름에 따라 상기 로드(58)는 짧게되고, 이에 의하여 상기 빔(52)을 통해 핀(44)에 대하여 캐리어(42)의 피벗 운동을 일으키도록 작용한다. 이 에 따라, 상기 슈(50)는 드럼(40)의 외부면에 결합되어 상기 드럼에 저지력(retarding force)이 가해진다. 상기 전도체(74)를 통해 공급되는 전류는 중단되고, 상기 로드(58)는 드럼(40)과 접촉되는 슈를 유지하기 위하여 대략 감소된 길이를 유지한다.
상기 로드(58)로부터 빔(52)을 통해 가해지는 힘은 하중의 가함에 비례하여 빔의 휨(flexure)을 발생시킨다. 상기 전도체(74)에서 전류를 제거함에 따라, 상기 빔(52)의 처짐(deflection)은 캐리어(42)를 매개로 하여 드럼(40)에 슈(50)를 가압하는 바이어스(bias)로 이용되고, 이에 의하여 필요한 정도의 제동력을 유지한다.
상기 브레이크를 해제하기 위하여, 상기 로드(58)의 다른 세트에 전류를 흐르게 하여 캐리어(42)에 하중을 단축 및 해제를 발생시킨다. 따라서, 상기 로드 세트 중의 하나 또는 다른 세트에 전류를 선택적으로 인가함에 의해서, 제동 및 해제는 효과적으로 이루어질 수 있고, 브레이크는 안정된 위치에서 전력의 연속적인 인가없이 유지될 수 있다. 작동하는 동안, 제동 또는 해제하기 위하여 상기 로드(58)의 하나의 세트에 전류가 공급되고 다른 세트에는 공급되지 않는다. 상기 세트에 전류가 공급되어 발생되는 힘은 필요한 운동의 한계 범위 이상으로 다른 세트를 연장하기 위한 필수적인 힘보다 더 크고, 이에 따라 상기 브레이크 조립체(28)의 작동은 효율적으로 이루어진다.
기계 시스템에 어떠한 동력도 공급되지 않는 경우에도, 상기 기계 시스템의 회전 중에 제동 토크가 가해지거나 또는 해제될 필요가 있는 경우에 상기 브레이크 조립체(28)는 일반적으로 채택될 수 있다. 상기 브레이크를 작동(activation) 상태 에서 비작동(inactivation) 상태로 또는 그 반대의 상태로 변화시키는데에만 상기 브레이크는 입력동력을 필요로 한다. 동력이 정지되거나 동력이 차단되는 경우, 상기 브레이크 조립체가 동력화된 보철물에 비상 제동을 제공하는 구체적인 실시예로 브레이크의 작동은 설명된다. 상기 실시예는 형상기억합금(SMA), 즉 형상기억효과의 특징적인 장점에 의해서 이루어질 수 있다. 이러한 실시예를 달성하기 위한 일반적인 기준은 브레이크가 다음의 사항을 갖추어야 한다.
1. 동력의 정지 또는 차단의 경우에 작동하라. 즉, 상기 브레이크에 어떠한 동력도 공급되지 않는 경우에도, 상기 브레이크는 작동 또는 해제 후의 위치에서 계속 유지한다.
2. 하나의 다리로 서있는 경우, 절단 수술을 받은 사람의 정지 하중에 이겨내라. 즉, 상기 브레이크가 작동된 경우, 상기 브레이크는 2.2Nm의 최소한의 토크를 발생한다.
3. 가능한 빠르게 보철물을 완전히 형성하라. 즉, 상기 브레이크는 100ms 이하로 보철물을 형성하고, 상기 브레이크는 2s 이하로 해제될 수 있다.
4. 전기적으로 작동 되어라. 즉, 상기 브레이크는 일반적으로 이용가능한 전원에 적용될 수 있다.
5. 특유의 보호 제약을 중요시하라. 즉, 상기 브레이크는 -20℃와 40℃ 사이의 온도 범위에서 작동하고, 상기 형상기억합금(SMA) 요소의 온도는 150℃를 초과하지 않으며, 상기 브레이크의 수명은 100,000 사이클 이상이다.
6. 특유의 질량 및 체적 제약을 중요시하라. 즉, 상기 전원을 배제한 브레이 크는, 그 무게가 500g 미만이며, 대략 실린더의 체적은 60mm의 직경과 60mm 길이를 초과하지 않는다.
전술한 일반적인 장치를 이용하여, 상기 구성부품은 보철물의 관계에서 이러한 요구조건을 충족하도록 형성될 수 있다. 상기 기준은 다른 환경에 적절하게 적용될 수 있다.
브레이크 드럼(BRAKING DRUM)
드럼의 회전 관성은 보철물의 동력학에 영향을 미치기 때문에 중요하다. 이러한 매개변수를 가능한 낮게 지속하기 위하여, 상기 보스(32)의 최대 직경은 23mm로 이루어지고, 바람직한 재료로는 알루미늄 6061-T6이다. 상기 보스(32)와 마찰 패드(50) 사이의 마찰계수를 높이기 위하여, 상기 보스(32)에 1mm 두께의 철(steel) 브레이크 드럼이 압입끼워맞춤(press-fitted)된다.
마찰 패드(FRICTION PAD)
높은 마찰계수 및 높은 방열(heat dissipation) 특성을 얻기 위하여, 바람직하게는 알루미늄-브론즈(aluminum-bronze)가 마찰 패드(50)용 소재로 이용된다. 상기 알루미늄-브론즈와 철 사이의 정지 마찰계수는 0.3으로 이루어진다. 이러한 값과 식1로 정의되며 도5에 도시된 짧은 슈 마찰 브레이크를 고려할 경우, 25mm 직경의 드럼에 2.2Nm의 제동 토크를 제공하기 위하여 필요한 상기 브레이크 드럼(32)과 마찰 패드(50) 사이의 수직력은 587N으로 이루어진다.
Figure 112005058598475-PCT00001
(식1)
브레이크 레버(BRAKE LEVER)
상기 브레이크의 증폭계수(amplification factor)는 피벗 지점의 레버의 위치와 직접 관계된다. 마르텐사이트(martensitic) 상태(20MPa), 와이어의 단면적 A(0.78mm2) 및 상기 수직력(587N)에서 Nitinolⓒ 와이어에 가해지는 바람직한 응력을 고려할 경우, 상기 브레이크의 증폭계수 X=12.5로 계산된다.
식2, 식3 및 식4는 도5로부터 구할 수 있다. 식2 및 식3을 식4에 대입하여 r값을 구하면, 상기 피벗 지점의 위치는 a=13mm 및 b=11mm이다.
Figure 112005058598475-PCT00002
(식2)
Figure 112005058598475-PCT00003
(식3)
Figure 112005058598475-PCT00004
(식4)
무게를 감소하기 위하여, 알루미늄 6061-T6는 캐리어(42)의 제조용 벌크재(bulk material)로 바람직하다.
빔(BEAM)
상기 빔(52)은 낮은 종탄성계수(Young's modulus)/인장강도비(Tensile strength ratio)를 갖는 재료, 예를 들면 에스-글래스-에폭시(S-Glass-Epoxy) 같은 화이버글래스(fiberglass)로 이루어진다. 도6 및 식5로부터 이러한 재료(E=45GPa 및 Su=1000MPa)의 특성을 고려할 경우, 굽힘응력(flexural stress) σmax=300MPa, 상 기 빔(52)의 말단에서의 최대력 F=N/X=46.9N 및 10mm 길이와 10mm 폭의 빔(52)일 경우, 최소 빔 두께 hmin=1mm이다. 도6 및 식6으로부터 동일한 매개변수를 고려할 경우, 상기 빔의 말단에서의 처짐은 △DD1=0.42mm이다.
Figure 112005058598475-PCT00005
(식5)
Figure 112005058598475-PCT00006
(식6)
형상기억합금 요소(SMA ELEMENTS)
상기 형상기억합금 요소(12, 21)의 길이는 식7로부터 구해질 수 있다. 여기에서, 가압력 F=46.9N에서의 상기 제동 형상기억합금 요소(58)의 변형율 ε=0.5％인 동안, 상기 제동 형상기억합금 요소(21)의 작동 변형율(active strain) εa=4％이고, 가압력 F=46.9N에서의 상기 해제 형상기억합금 요소(12)의 탄성 복구 변형율 εrec=0.07％이다. 도7로부터 상기 브레이크 캐리어(42)의 말단(DD')의 변위 및 식6으로부터 상기 빔(52)의 말단의 처짐을 구하는 경우, 상기 형상기억합금 요소(58)의 길이는 LSMA=30mm로 계산된다.
Figure 112005058598475-PCT00007
(식7)
식8을 고려할 경우, 상기 각각의 형상기억합금 요소(58)의 체적은 V=23.4mm3(0.78mm2 X 30mm)이다. 다시 말해서, 세개의 해제 형상기억합금 요소(58) 뿐만 아니라 세개의 제동 형상기억합금 요소(58)의 총 체적은 VTOT=70.2mm3(3 X 23.4mm3)이다. 식9로부터 Nitinolⓒ의 밀도 ρ=6450Kg/m3을 고려할 경우, 상기 각각의 형상기억합금 요소(58)의 질량은 m=1.51 X 10-4Kg이다. 다시 말해서, 세개의 해제 형상기억합금 요소(58) 뿐만 아니라 세개의 제동 형상기억합금 요소(58)의 총 질량은 mTOT=4.53 X 10-4Kg(3 X 1.51 X 10-4Kg)이다. 결국, 식10으로부터 Nitinolⓒ의 전기 비저항(electrical resistivity) ρel=0.8μΩm 및 철 블록(66, 68, 70, 72)을 통해 상기 빔(52)의 각측에 직렬로 접속되는 세개의 평행한 형상기억합금 요소(58)를 고려할 경우, 상기 형상기억합금 요소(58)의 전기 저항(electrical resistance)은 Rel=0.092Ω이다.
Figure 112005058598475-PCT00008
(식8)
Figure 112005058598475-PCT00009
(식9)
Figure 112005058598475-PCT00010
(식10)
상기 브레이크의 작동 동안에 제동 형상기억합금 요소(21)에 의해 발생되는 응력은 도8 및 식11로부터 구해진다. F=15.6N, W=10mm, x=6mm, A=0.78mm2 및 σ m=100MPa로 고려할 경우, 이러한 매개변수는 σg=80MPa로 된다. 식12로부터 룸 온도 Tamb=25℃, Nitinolⓒ의 변형 온도 As=70℃, 니티놀ⓒ의 응력 구배 dσ/dT=5MPa/℃ 및 상기 σg의 값을 고려할 경우, 상기 브레이크의 작동을 위한 온도 상승 △T=61℃로 된다.
Figure 112005058598475-PCT00011
(식11)
Figure 112005058598475-PCT00012
(식12)
유사한 방법으로, 상기 브레이크의 해제 동안에 해제 형상기억합금 요소(12)에 의해 발생되는 응력은 도9 및 식13로부터 구해진다. 이러한 경우에 σg=167MPa로 되고, 관련된 총 형상기억합금의 온도 상승 △T=78℃로 된다.
Figure 112005058598475-PCT00013
(식13)
상기 브레이크의 작동 또는 해제를 위해 요구되는 에너지는 식14로부터 구해질 수 있다. 잠열(정압 열용량) Cp=322J/Kg℃, Nitinolⓒ의 변형 엔탈피(transformation enthalpy) hT=24200J/Kg, 재료의 질량 m=4.53 X 10-4Kg 및 상기 온 도 상승 값을 고려할 경우, 상기 브레이크의 작동과 관련된 에너지 Uact=19.9J이고, 여기에서 상기 브레이크 해제와 관련된 에너지 Urel=22.3J이다.
Figure 112005058598475-PCT00014
(식14)
식15로부터 상기 계산된 매개변수 및 형상기억합금 브레이크의 기능적 요건을 고려할 경우, 상기 브레이크를 작동하기 위하여 100ms보다 작게 요구되는 전류는 Iact=46.5A이고, 여기에서 상기 브레이크를 해제하기 위하여 2s보다 작게 요구되는 전류는 Irel=11A이다. 식16으로부터 상기 전류 값을 고려할 경우, 상기 브레이크의 작동과 관련된 전압은 Vact=4.3V이고, 여기에서 상기 브레이크 해제와 관련된 전압은 Vrel=1V이다.
Figure 112005058598475-PCT00015
(식15)
Figure 112005058598475-PCT00016
(식16)
프레임(FRAME)
상기 보철물에 고정되어 계속 유지되는 구성부품은 프레임의 부품으로 이루어진다. 이러한 구성부품으로는 형상기억합금 인서트(insert)(60), 트러니온(trunnion)(62) 및 레버 피벗 샤프트(44)가 있다. 예를 들어, 상기 형상기억합금 인서트(insert)(60)는 상대적으로 전기 절연 강체인 HST Ⅱ 석탄산(HST Ⅱ phenolic)으로 이루어진다. 예를 들어, 상기 트러니온 블록은 철로 이루어지고, 상기 트러니온 블록은 형상기억합금 요소(58)의 초기 텐션을 조정하는데 이용된다. 예를 들어, 상기 레버 피벗 샤프트(44)는 철로 이루어지고, 상기 레버 피벗 샤프트(44)는 브레이크의 증폭계수 X=12.5로 고정되는 이와 같은 방법에 의해 위치된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 구성부품의 하나에 연결되는 브레이크 부재;
    상기 구성부품의 다른 부분에 연결되는 캐리어;
    상기 브레이크 부재와 결합하기 위해 캐리어에 부착되는 마찰 패드;
    상기 마찰 패드를 브레이크 부재와 결합하도록 이동시키기 위하여 상기 캐리어에 따라 작동가능하게 되는 제1액츄에이터;
    상기 마찰 패드를 브레이크 부재로부터 떨어지도록 이동시키기 위하여 상기 캐리어에 따라 작동가능하게 되는 제2액츄에이터; 및
    상기 제1 및 제2액츄에이터를 선택적으로 작동시키는 제어기
    를 포함하며,
    상기 상대적으로 이동가능한 한쌍의 구성부품 사이에서 작동하는
    마찰 브레이크 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 브레이크 부재에 대하여 바이어스를 유지하기 위하여 제1액츄에이터와 캐리어 사이에 탄성부재가 삽입되는
    마찰 브레이크.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄성부재는
    상기 캐리어로부터 돌출되는 빔으로 이루어지는
    마찰 브레이크.
  4. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2액츄에이터의 각각은 하나 이상의 형상기억합금 요소를 포함하는
    마찰 브레이크 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 형상기억합금 요소는 인장가능한 요소로 이루어지고, 상기 제어기는 브레이크를 작동시키기 위하여 상기 요소의 길이를 변화시키는
    마찰 브레이크 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어기는 요소의 길이를 변화시키기 위하여 상기 요소의 각각의 하나에 전류를 공급하는
    마찰 브레이크 조립체.
  7. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브레이크 부재는 다른 부재에 회전가능하게 장착되는 드럼으로 이루어지고, 상기 캐리어는 드럼과 결합되게 또는 결합되지 않도록 이동하기 위하여 상기 액츄에이터에 피벗가능하게 고정되는
    마찰 브레이크 조립체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 캐리어는
    상기 드럼 및 액츄에이터에 대하여 반경방향으로 연장되는 부분을 포함하고, 상기 다른 부재와 연장되는 부분 사이의 공간에 위치되는
    마찰 브레이크 조립체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연장되는 부분은 액츄에이터를 캐리어에 탄성적으로 결합하도록 구부리기 쉬운 빔으로 이루어지는
    마찰 브레이크 조립체.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 형상기억합금으로 형성되는 인장가능한 부재로 이루어지는
    마찰 브레이크 조립체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 액츄에이터의 각각은 병렬로 배치되는 복수개의 인장가능한 부재로 이루어지는
    마찰 브레이크 조립체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 인장가능한 부재는 직렬로 전기적으로 접속되고, 상기 인장가능한 부재를 통과하는 전류는 인장가능한 부재를 단축시키는
    마찰 브레이크 조립체.
  13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐리어는 드럼의 회전축으로부터 위치되는 공간을 제외하고 축에 평행한 방향에 대하여 운동하도록 피벗가능하게 장착되는
    마찰 브레이크 조립체.
  14. 기계적인 조인트에 의해 서로 피벗가능하게 연결되는 한쌍의 림; 및
    상기 림 사이에서 상대적인 회전에 영향을 주기 위하여 상기 림 사이에 연결되는 액츄에이터
    를 포함하며,
    상기 상대 운동을 억제하기 위하여 브레이크가 작동하고, 상기 브레이크는 조인트의 다른 운동을 억제하기 위하여 액츄에이터에 따라 작동되는
    보철물.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 액츄에이터의 길이를 변화시키기 위하여 상대적으로 변위 가능한 한쌍의 구성부품을 포함하고, 상기 브레이크는 변위가능한 구성부품 사이에서 작동하는
    보철물.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 구성부품 사이의 상대적인 회전이 액츄에이터의 길이 변화를 발생시키도록 상기 구성부품은 스크류 나사산으로 서로 연결되고, 상기 브레이크는 상대 회전을 억제하도록 작동하는
    보철물.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 브레이크는
    회전가능한 드럼; 및
    상기 드럼과 결합가능한 브레이크 슈를 구비한 캐리어
    를 포함하는
    보철물.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 슈는 형상기억합금의 인장가능한 부재의 단축으로 드럼과 결합가능하게 이루어지는
    보철물.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 슈는 형상기억합금의 인장가능한 부재의 단축으로 드럼과 해제가능하게 이루어지는
    보철물.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 인장가능한 부재는 탄성적 연결을 통해 슈에 연결되는
    보철물.
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