KR20090122517A

KR20090122517A - 유변유체를 이용한 로봇 관절, 그 제어방법 및 유변유체를이용한 로봇관절이 부착된 로봇

Info

Publication number: KR20090122517A
Application number: KR1020080048378A
Authority: KR
Inventors: 양태헌; 권동수; 신원호
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2009-12-01
Also published as: KR100980856B1

Abstract

본 발명은 유변유체를 이용한 로봇 관절에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 환자의 몸속과 같이 협소한 장소에서 로봇의 아암을 원하는 위치와 각도로 고정할 수 있는 유변유체를 이용한 로봇 관절, 그 제어방법 및 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇에 관한 것이다. 이를 위해, 로봇의 제 1 아암(120)과 제 2 아암(130)의 사이에 구비되어, 제 2 아암(130)을 제 1 아암(120)에 대해 상대 회동시키는 회동수단; 및 제 1 아암(120)과 제 2 아암(130)의 사이에 구비되고, 내부에 유변유체가 충진되어 전기신호에 따라 강도가 가변되는 유체관절(200);을 포함함으로써, 회동수단에 의해 회동하고, 유체관절(200)에 의해 위치고정될 수 있다.

유변유체, 전기, 자기, 유체관절, 위치고정, 코일, 로봇, 아암, 형상기억합금

Description

유변유체를 이용한 로봇 관절, 그 제어방법 및 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇{Robot joint using rheological fluid and robot therewith}

본 발명은 유변유체를 이용한 로봇 관절에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 환자의 몸속과 같이 협소한 장소에서 로봇의 아암을 원하는 위치와 각도로 고정할 수 있는 유변유체를 이용한 로봇 관절, 그 제어방법 및 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇에 관한 것이다.

일반적으로, 형상기억합금(Shape Memory Alloy: 이하, "SMA"라 함)은 일정한 형상을 기억하여 힘을 가해 변형시킨다 해도 일정 온도에 이르면 본래의 모습을 되찾는 특수 합금을 말한다. 본 발명에서의 SMA는 전류를 흘리면 변하는 액츄에이터이다. SMA 효과를 갖는 합금으로는 금·카드뮴·동·아연 등 십여종이 발견되어 있는데 그 중에서도 니켈·티탄 합금을 원료로 한 섬유 형태의 액츄에이터가 인공근육으로 사용되고 있다. 이러한 SMA를 이용한 인공근육은 전류를 흘려 니크롬선과 같이 자기 발열시켜 움직이는 전기가열 구동 방식으로서 우수한 성능을 발휘한다.

그러나, 이와 같은 인공근육을 로봇 등에 적용하는 경우 다음과 같은 문제점이 있었다. 예를 들어, 환자의 몸속을 수술하기 위한 로봇인 경우, 환자의 체온으 로 인해 SMA가 형상 변형되기 때문에 로봇에 달린 각종 의료도구가 정밀한 위치와 각도를 유지하지 못하고, 자주 움직이는 위험성이 있었다.

또한, 종래와 같이 서보모터와 감속기 및 벨트, 체인 등의 구동방식은 오염되기 쉽고, 부피가 커서 환자의 몸속과 같은 협소한 공간에서는 작업하기 어려운 한계가 있었다.

따라서, 좁은 공간을 탐사하거나 수술용으로 사용하는 경우 정밀한 위치와 각도를 유지할 수 있는 로봇 관절, 로봇 근육 등에 관한 연구가 한창 진행되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 협소한 공간내에서 정밀한 위치와 각도를 강건하게 유지할 수 있는 유변유체를 이용한 로봇 관절, 그 제어방법 및 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 성능이 우수하면서도 제어가 간단하고, 구조가 단순하여 부피를 적게 차지하고, 오염의 염려가 없는 유변유체를 이용한 로봇 관절, 그 제어방법 및 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들과 관련되어 설명되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명확해질 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 로봇의 제 1 아암(120)과 제 2 아암(130)의 사이에 구비되어, 제 2 아암(130)을 제 1 아암(120)에 대해 상대 회동시키는 회동수단; 및

제 1 아암(120)과 제 2 아암(130)의 사이에 구비되고, 내부에 유변유체가 충진되어 전기신호에 따라 강도가 가변되는 유체관절(200);을 포함함으로써,

회동수단에 의해 회동하고, 유체관절(200)에 의해 위치고정되는 것을 특징으 로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절에 의해 달성될 수 있다.

그리고, 회동수단은 인가되는 전기에 따라 인장, 수축, 뒤틀림 또는 굽힘을 하는 SMA(150)를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, SMA(150)의 일단은 제 1 아암(120)의 외면에 고정되고, SMA(150)의 타단은 제 2 아암(130)의 외면에 고정되는 것이 바람직하다.

뿐만 아니라, SMA(150)는 아암(120, 130)의 둘레에 복수개가 고정되는 것이 바람직하다.

아울러, 유체관절(200)은, 양단이 제 1, 2 아암(120, 130) 사이에 고정되고, 유연하게 구부려질 수 있는 중공관(210); 및 중공관(210) 내에 충진되는 유변유체를 포함하는 것이 가장 바람직하다.

그리고, 유변유체는 자기유변유체(220)이고, 그리고 자기유변유체(220)에 자기장을 인가하기 위하여 중공관(210)의 주위에 코일(230)이 더 권취된 것이 더욱 바람직하다. 혹은, 유변유체는 전기유변유체(240)이고, 그리고 중공관(210)의 일측에는 전기유변유체(240)와 전기적으로 연결되는 전극(252)이 구비되어 있는 것이 더욱 바람직할 수 있다. 아울러, 중공관(210)은 굽힘이 용이하도록 주름관(254) 형태인 것이 가장 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 또 다른 카테고리로서, 로봇의 제 1 아암(120)과 제 2 아암(130)의 사이에 구비된 회동수단을 구동시켜 소정위치 또는 소정각도가 되도록 제 2 아암(130)을 제 1 아암(120)에 대해 상대 회동시키는 단계; 및

제 1 아암(120)과 제 2 아암(130)의 사이에 구비되고, 내부에 유변유체가 충진된 유체관절(200)에 소정의 전기신호를 지령하여 유변유체의 점도를 증가시킴으로서 유체관절(200)을 위치 고정시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절의 제어방법에 의해서도 달성될 수 있다.

그리고, 회동단계는,

제어부(180)가 소정위치 또는 소정각도를 지시하는 단계(S100);

SMA 제어부(182)가 소정위치 또는 소정각도를 구현하기 위하여 동작될 SMA(150)를 지정하고, 지정된 SMA(150)로 동작 명령을 출력하는 단계(S200); 및

해당 SMA(150)가 동작 명령에 따라 인장, 수축, 뒤틀림 또는 굽힘을 하여 제 2 아암(130)을 상대 회동시키는 단계(S300)를 포함하는 것이 바람직하다.

뿐만 아니라, 유체관절의 고정단계는,

제어부(180)가 아암(120, 130)의 상대 회동을 고정하도록 지시하는 단계(S500);

유체관절 제어부(184)가 제어부(180)의 지시에 따라 고정될 유체관절(200)을 지정하고, 지정된 유체관절(200)로 전류를 인가하는 단계(S600); 및

해당 유체관절(200)내의 유변유체가 인가된 전류에 의해 점성이 증가하여 유체관절(200)이 고정되는 단계(S700)를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 지시단계(S500)가 실행되기 앞서, 제어부(180)가 아암센서부(170)의 감지신호로부터 제 2 아암(130)의 회동이 완료되었는지 여부를 판단하는 단계(S400)를 더 포함하는 것이 가장 바람직하다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 본 발명의 다른 카테고리로서, 복수개의 아암;

복수의 아암 사이중 적어도 하나의 아암 사이에 구비되어, 아암을 상대 회동시키는 SMA(150);

SMA(150)와 함께 구비되고, 내부에 유변유체가 충진되어 전기신호에 따라 강도가 가변되는 유체관절(200);

복수의 아암들중 최끝단에 부착되는 매니퓰레이터(160);

복수의 아암과 매니퓰이터(160)가 소정 위치와 소정 각도를 유지하도록 SMA(150)와 유체관절(200)을 제어하는 제어부(180)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇에 의해서도 달성될 수 있다.

그리고, 제어부(180)는, SMA(150)를 제어하기 위한 SMA 제어부(182); 및 유체관절(200)을 제어하기 위한 유체관절 제어부(184)를 포함할 수 있다.

뿐만 아니라, 매니퓰레이터(160)는 의료용 수술도구를 포함할 수 있다.

따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 탐사, 사고현장, 환자의 몸속, 차량 내부 등 협소한 공간내에서 정밀한 위치와 각도를 강건하게 유지할 수 있다.

또한, 성능이 우수하면서도 제어가 간단하고, 구조가 단순하여 부피를 적게 차지하고, 오염의 염려가 없는 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지 만, 본 발명의 요지와 범위로 부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

(구성)

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 유변유체를 이용한 로봇 관절 및 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇의 구성에 관하여 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 유변유체를 이용한 로봇관절(200)이 한개 부착된 로봇(10)의 개략적인 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 아암(120)의 일단은 베이스(100)와 힌지부(110)를 통해 연결되고, 타단은 유체관절(200)과 연결된다. 유체관절(200)은 제 1, 2 아암(120, 130)을 연결하고, 제 2 아암(130)의 끝단에는 매니퓰레이터(160)가 부착된다.

베이스(100)는 위치를 고정하기 위한 거치형 베이스일 수도 있고, 차량이나 이동수단 등에 탑재된 베이스일 수 있다.

메니퓰레이터(160)에는 수술을 위한 도구(예를 들어, 주사, 칼, 가위 등)가 연결될 수도 있고, 탐사용인 경우 조명과 카메라가 장착될 수도 있다.

SMA(Shape Memory Alloy: 이하, "SMA"라 함)(150)는 형상기억합금으로서 열선이 내장된 액츄에이터이다. 즉, SMA(150)는 일정한 형상을 기억하여 힘을 가해 변형시킨다 해도 일정 온도에 이르면 본래의 모습을 되찾는 특수 합금이다. 본 발 명에서의 SMA는 전류를 흘리면 변하는 액츄에이터이다. SMA(150)는 금·카드뮴·동·아연 등을 포함하는 합금이다. 이러한 SMA(150)는 전류를 흘려 내장된 열선에 의해 자기 발열시켜 움직이게 된다.

SMA(150)는 온도 변화에 의해서 움직이기 때문에 가열하면 수축하고 냉각하면 신장한다. SMA(150)는 조직적이고 안정적이므로 우수한 내구성과 동작 특성을 나타내고, 가늘어도 큰 힘을 낼 수 있으므로, 마이크로 크기의 액츄에이터에도 적합하다. SMA(150)는 전류가 인가되지 않았을 때 나일론 계와 같이 유연하고 탄력 있고 잘 휘어지지만, 전류를 흘리면 피아노 선처럼 단단하고 강하게 되어 수축한다. SMA(150)는 밴드 형상이나, 섬유형상이며, 그 양단은 제 1, 2 아암(120, 130)에 연결되어 있으며, 제 1, 2 아암(120, 130)의 외면에 등간격으로 2개 ~ 4개가 연결된다. SMA(150)는 진동이나 동작 소음이 전혀 없고 부드럽게 동작한다.

도 2는 본 발명에 따른 유변유체를 이용한 로봇관절(200)이 2개 부착된 로봇(20)의 개략적인 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 베이스(100), 제 1, 2 아암(120, 130), SMA(150), 유체관절(200) 및 매니퓰레이터(160)의 구성은 도 1과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제 3 아암(140)은 동일한 구조의 유체관절(200)과 SMA(150)에 의해 제 2 아암(130)에 연결되고, 매니퓰레이터(160)가 그 끝단에 설치된다. 설계자의 선택에 따라 제 3 아암(140)의 끝단에 유체관절(200), SMA(150) 및 아암을 반복적으로 설치하고, 최끝단에 매니퓰레이터(160)를 설치하는 변형을 가할 수도 있다.

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 로봇관절(200)의 제 1 실시예로서, 자기유변유체(220)를 이용한 로봇관절(200A)의 개략적인 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 유체관절(200A)의 내부에는 인가되는 전류(혹은 전압)에 따라 점성이 증가하는 유변유체가 충진되어 있다. 이러한 유체관절(200A) 자체는 내부 유체의 점성 변화에 따른 강도 변화에 종속되어야 하고, 전기가 인가되지 않았을 때에는 유연하게 움직일 수 있어야 하기 때문에 매우 유연한 재질(예 : 합성수지재, 고무, 실리콘 등)로 성형한다.

유체관절(200A)은 양단이 폐쇄된 중공관(210)의 형태이고, 내부에는 자기유변유체(220)가 충진되어 있다. 또한, 중공관(210)의 외면에는 코일(230)이 촘촘하게 권취되어 자기장을 생성한다.

자기유변유체(220)(Magneto-Rheological Fluid, MRF)는 자기장에 따라 점성이 변하는 유체이다. 즉, 자기유변유체(220)는 자기장이 없을 때는 낮은 점성상태이다가 자기장에 인가되었을 때 딱딱하게 굳은 것과 같은 높은 점성상태로 변하게 된다. 즉, 자기유변유체(220)가 고점성상태가 되었을 때, 유체관절(200A)의 강도가 증가하게 된다. 즉, 자기유변유체(220)는 인가된 자기장의 영향하에 입자들이 자기장 방향으로 사슬모양의 구조로 배열하기 때문에 점도가 급격히 증가하는 것이다. 자기유변유체(220)는 인가되는 자기장의 세기에 비례하여 점도가 증가한다. 자기유변유체(220)는 높은 인장성과 낮은 점성, 강성, 안정성 및 넓은 온도 편차 등의 장점을 가지고 있어서 로봇 관절 분야에 적용이 적합하다.

코일(230)은 중공관(210)의 외면에 촘촘하고 균일하게 감겨진다. 따라서, 코 일(230)에 전류를 인가하면 자기장이 형성되어 자기유변유체(220)의 점성이 증가하게 된다.

도 4a는 도 1 및 도 2에 도시된 로봇관절(200)의 제 2 실시예로서, 전기유변유체(240)를 이용한 로봇관절(200B)의 개략적인 단면도이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 유체관절(200B)은 양단이 폐쇄된 중공관(210)의 형태이고, 내부에는 전기유변유체(240)가 충진되어 있다. 또한, 중공관(210)의 일측에는 한쌍의 전극(252)이 구비된다. 전극(252)은 중공관(210)을 통해 전기유변유체(240)와 접해 있다.

전기유변유체(240)(Electro-Rheological Fluid, ERF)는 전기장에 따라 점성이 변하는 유체이다. 즉, 전기유변유체(240)는 절연성의 유체에 분극성이 강한 미립자를 분산시킨 현탁액으로서, 전기장이 없을 때는 낮은 점성상태이다가 전기장에 인가되었을 때 딱딱하게 굳은 것과 같은 높은 점성상태로 변하게 된다. 즉, 전기유변유체(240)가 고점성상태가 되었을 때, 유체관절(200B)의 강도가 증가하게 된다. 즉, 전기유변유체(240)는 인가된 전기장의 영향하에 입자들이 전기장 방향으로 사슬모양의 구조로 배열하기 때문에 점도가 급격히 증가하는 것이다. 전기유변유체(240)는 인가되는 전기장의 세기에 비례하여 점도가 증가하는 것이다. 전기유변유체(240)는 높은 인장성과 낮은 점성, 강성, 안정성 및 넓은 온도 편차 등의 장점을 가지고 있어서 로봇 분야에 적용이 적합하다.

이러한 전기유변유체(240)의 개략적인 성분은 전도성 입자로서 폴리아닐린/타이타늄 다이옥사이드 복합재로 구성된다. 즉, 전기유변유체(240)는, 전도성 고분자인 폴리아닐린과 유전상수가 높은 타이타늄 다이옥사이드의 유·무기 복합 화합 물을 비전도성 용매에 분산시켜서 제조한다. 이 경우, 분극 정도가 높아 전기유변효과를 증대시키며, 전도성 입자로 유·무기 입자를 사용하므로 온도나 외부 환경의 장애요인없이 작동할 수 있는 이점이 있다. 보다 구체적으로는, 전기유변유체(240)는 전도성입자로서 TiO₂ 입자의 양이 폴리아닐린에 대하여 15 ~ 35 중량% 첨가되어 이루어진 폴리아닐린/TiO₂ 유·무기 복합재이다.

도 4b는 도 1 및 도 2에 도시된 로봇관절(200)의 제 3 실시예로서, 전기유변유체(240)를 이용한 로봇관절(200C)의 개략적인 단면도이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 3 실시예는 중공관을 제외한 나머지 구성이 제 2 실시예와 동일하다. 제 3 실시예의 경우, SMA(150)에 의해 제 2 아암(130)이 회동할 때, 유체관절(200C)에서 굽힘 저항을 최소화하기 위하여 중공관을 주름관(254) 형태로 대체한 것이다. 따라서, 제 2 아암(130)이 회동할 때, 로봇관절(200C)은 주름관(254)의 주름을 따라 접히거나 펼쳐지기 때문에 용이하게 구부러질 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 로봇의 제어를 위한 시스템의 개략적인 블럭도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 로봇(10, 20)의 시스템중 아암센서부(170)는 아암(120, 130)의 회동(회전각)을 감지하고, 감지신호를 제어부(180)로 전송한다.

제어부(180)는 아암센서부(170)의 감지신호에 따라 제 1, 2, 3아암(120, 130, 140)의 현재 위치와 각도 등을 판단하게 된다.

SMA 제어부(182)는 제어부(180)의 동작 명령에 따라 동작될 SMA(150)를 지정하고, 지정된 SMA(150)로 동작명령을 출력한다. 동작명령은 열선을 소정온도로 가 열하기 위한 전류의 정량치이다.

유체관절 제어부(184)는 제어부(180)의 동작 명령에 따라 동작될 유체관절(200)을 지정하고, 지정된 유체관절(200)로 동작명령을 출력한다. 동작명령은 전기장이나 자기장을 형성하기 위한 전압 또는 전류의 정량치이다.

(제어 방법)

이하에서는 상기와 같이 구성된 유변유체를 이용한 로봇관절과 로봇의 제어방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명에 따른 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

(제 1 단계)

도 6에 도시된 바와 같이, 우선, 로봇의 제 1 아암(120)과 제 2 아암(130)의 사이에 구비된 SMA(150)를 구동시켜 소정위치 또는 소정각도가 되도록 제 2 아암(130)을 제 1 아암(120)에 대해 상대 회동시킨다. 이를 상세히 분설하면 다음과 같다.

우선, 제어부(180)가 소정위치 또는 소정각도를 아암이 회동할 것을 SMA 제어부(182)로 지시한다(S100).

그 다음, SMA 제어부(182)는 소정위치 또는 소정각도를 구현하기 위하여 동작될 SMA(150)를 지정하고, 지정된 SMA(150)로 동작 명령을 출력한다(S200). 이 때, 동작 명령은 SMA(150)의 형상 변형량을 결정하는 전류의 정량치이다.

그러면, 해당 SMA(150)가 동작 명령에 따라 인장, 수축, 뒤틀림 또는 굽힘 을 하여 제 1 아암(120)에 대해 제 2 아암(130)을 상대 회동시키게 된다(S300). 이와 같은 과정을 통해 매니퓰레이터(160)를 원하는 지점까지 접근시킬 수 있고, 접근 각도도 구현할 수 있다. 이하에서는 이와 같이 로봇의 자세를 꼿꼿하게 유지할 수 있는 방법에 대해 설명하기로 한다.

(제 2 단계)

그 다음, 유체관절(200)에 소정의 전기신호를 지령하여 유변유체의 점도를 증가시킴으로서 유체관절(200)의 강도를 딱딱하게 증가시켜 로봇 아암(120, 130, 140)의 위치를 고정시키는 과정에 대해 설명하기로 한다.

우선, 아암센서부(170)가 아암의 회동각 또는 회동위치를 감지하여 제어부(180)로 전송한다. 제어부(180)는 아암센서부(170)의 감지신호로부터 제 2, 3 아암(130, 140)의 상대 회동이 완료되었는지 여부를 판단한다(S400).

만약, 제 2, 3 아암(130, 140)의 상대 회동이 완료되었다고 판단되면, 제어부(180)가 아암(120, 130, 140)의 상대 회동을 고정하도록 유체관절 제어부(184)에 지시한다(S500).

그러면, 유체관절 제어부(184)가 제어부(180)의 지시에 따라 고정될 유체관절(200)을 지정하고, 지정된 유체관절(200)로 전류를 인가한다(S600).

해당 유체관절(200)은 전류가 인가됨에 따라 유변유체가 인가된 전류에 의해 점성이 증가하여 유체관절(200)이 고정된다(S700). 만약 유변유체가 자기유변유체(220)인 경우, 코일(230)에 인가된 전류로 인해 중공관(210) 내부에 자기장이 형성된다. 형성된 자기장을 따라 자기유변유체(220)의 점성이 증가하여 유체관 절(200A)은 현재 상태(예를 들어, 구부러진 상태 혹은 펴진 상태) 그대로 딱딱하게 굳어지게 된다. 유변유체는 높은 고점성의 특성을 나타내기 때문에 딱딱하게 굳어진 유체관절(200A)은 외부의 왜란(진동, 충격, 온도변화 등)에 민감하지 않고 강건하게 동작하게 된다.

만약 유변유체가 전기유변유체(240)인 경우, 전극(252)에 인가된 직류로 인해 중공관(210) 내부에 전기장이 형성된다. 형성된 전기장을 따라 전기유변유체(220)의 점성이 증가하여 유체관절(200B, 200C)은 현재 상태(예를 들어, 구부러진 상태 혹은 펴진 상태) 그대로 딱딱하게 굳어지게 된다. 유변유체는 높은 고점성의 특성을 나타내기 때문에 딱딱하게 굳어진 유체관절(200B, 200C)은 외부의 왜란(진동, 충격, 온도변화 등)에 민감하지 않고 강건하게 동작하게 된다.

따라서, 로봇 아암이 원하는 지점에서 원하는 각도를 그대로 유지한 채 고정될 수 있다.

만약, 고정된 유체관절(200)에 전원 인가를 해제할 경우, 유변유체의 점성이 물과 같이 낮아지기 때문에 로봇의 아암(120, 130, 140)은 다시 SMA(150)에 의해 유연하게 움직일 수 있다.

(변형예)

본 발명의 SMA 액츄에이터는 로봇의 사양과 활용목적에 따라 서보모터, 유압서보, 공압서보, 리니어 서보 등 다양한 액츄에이터로 대체하여 사용할 수 있다. 또한, SMA 제어부(182)와 유체관절 제어부(184)는 제어부(180)와 별도로 구성할 수도 있고, 일체로 구성할 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유변유체를 이용한 로봇관절(200)이 한개 부착된 로봇(10)의 개략적인 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 유변유체를 이용한 로봇관절(200)이 2개 부착된 로봇(20)의 개략적인 사시도,

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 로봇관절(200)의 제 1 실시예로서, 자기유변유체(220)를 이용한 로봇관절(200A)의 개략적인 단면도,

도 4a는 도 1 및 도 2에 도시된 로봇관절(200)의 제 2 실시예로서, 전기유변유체(240)를 이용한 로봇관절(200B)의 개략적인 단면도,

도 4b는 도 1 및 도 2에 도시된 로봇관절(200)의 제 3 실시예로서, 전기유변유체(240)를 이용한 로봇관절(200C)의 개략적인 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 로봇의 제어를 위한 시스템의 개략적인 블럭도,

도 6은 본 발명에 따른 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇의 제어방법을 나타내는 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10, 20 : 로봇,

100 : 베이스,

110 : 힌지부,

120 : 제 1 아암,

130 : 제 2 아암,

140 : 제 3 아암,

150 : SMA,

160 : 매니퓰레이터,

170 : 아암센서부,

180 : 제어부,

182 : SMA 제어부,

184 : 유체관절 제어부,

200, 200A, 200B, 200C : 유체관절,

210 : 중공관,

220 : 자기유변유체,

230 : 코일,

240 : 전기유변유체,

252 : 전극,

254 : 주름관.

Claims

로봇의 제 1 아암(120)과 제 2 아암(130)의 사이에 구비되어, 상기 제 2 아암(130)을 상기 제 1 아암(120)에 대해 상대 회동시키는 회동수단; 및

상기 제 1 아암(120)과 제 2 아암(130)의 사이에 구비되고, 내부에 유변유체가 충진되어 전기신호에 따라 강도가 가변되는 유체관절(200);을 포함함으로써,

상기 회동수단에 의해 회동하고, 상기 유체관절(200)에 의해 위치고정되는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절.
제 1 항에 있어서,

상기 회동수단은 인가되는 전기에 따라 인장, 수축, 뒤틀림 또는 굽힘을 하는 SMA(150)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절.
제 2 항에 있어서,

상기 SMA(150)의 일단은 상기 제 1 아암(120)의 외면에 고정되고,

상기 SMA(150)의 타단은 상기 제 2 아암(130)의 외면에 고정되는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절.
제 3 항에 있어서,

상기 SMA(150)는 상기 아암(120, 130)의 둘레에 복수개가 고정되는 것을 특 징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절.
제 1 항에 있어서,

상기 유체관절(200)은,

양단이 상기 제 1, 2 아암(120, 130) 사이에 고정되고, 유연하게 구부려질 수 있는 중공관(210); 및

상기 중공관(210) 내에 충진되는 유변유체를 포함하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절.
제 5 항에 있어서,

상기 유변유체는 자기유변유체(220)이고, 그리고

상기 자기유변유체(220)에 자기장을 인가하기 위하여 상기 중공관(210)의 주위에 코일(230)이 더 권취된 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절.
제 5 항에 있어서,

상기 유변유체는 전기유변유체(240)이고, 그리고

상기 중공관(210)의 일측에는 상기 전기유변유체(240)와 전기적으로 연결되는 전극(252)이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절.
제 7 항에 있어서,

상기 중공관(210)은 굽힘이 용이하도록 주름관(254) 형태인 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절.
로봇의 제 1 아암(120)과 제 2 아암(130)의 사이에 구비된 회동수단을 구동시켜 소정위치 또는 소정각도가 되도록 상기 제 2 아암(130)을 상기 제 1 아암(120)에 대해 상대 회동시키는 단계; 및

상기 제 1 아암(120)과 제 2 아암(130)의 사이에 구비되고, 내부에 유변유체가 충진된 유체관절(200)에 소정의 전기신호를 지령하여 상기 유변유체의 점도를 증가시킴으로서 상기 유체관절(200)을 위치 고정시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절의 제어방법.
제 9 항에 있어서,

상기 회동단계는,

제어부(180)가 상기 소정위치 또는 소정각도를 지시하는 단계(S100);

SMA 제어부(182)가 상기 소정위치 또는 소정각도를 구현하기 위하여 동작될 SMA(150)를 지정하고, 지정된 SMA(150)로 동작 명령을 출력하는 단계(S200); 및

해당 SMA(150)가 상기 동작 명령에 따라 인장, 수축, 뒤틀림 또는 굽힘을 하여 상기 제 2 아암(130)을 상대 회동시키는 단계(S300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절의 제어방법.
제 9 항에 있어서,

상기 유체관절의 고정단계는,

제어부(180)가 상기 아암(120, 130)의 상대 회동을 고정하도록 지시하는 단계(S500);

유체관절 제어부(184)가 상기 제어부(180)의 지시에 따라 고정될 유체관절(200)을 지정하고, 지정된 유체관절(200)로 전류를 인가하는 단계(S600); 및

해당 유체관절(200)내의 유변유체가 인가된 전류에 의해 점성이 증가하여 상기 유체관절(200)이 고정되는 단계(S700)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절의 제어방법.
제 11 항에 있어서,

상기 지시단계(S500)가 실행되기 앞서,

상기 제어부(180)가 아암센서부(170)의 감지신호로부터 상기 제 2 아암(130)의 회동이 완료되었는지 여부를 판단하는 단계(S400)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇 관절의 제어방법.
복수개의 아암;

복수의 아암 사이중 적어도 하나의 아암 사이에 구비되어, 상기 아암을 상대 회동시키는 SMA(150);

상기 SMA(150)와 함께 구비되고, 내부에 유변유체가 충진되어 전기신호에 따 라 강도가 가변되는 유체관절(200);

상기 복수의 아암들중 최끝단에 부착되는 매니퓰레이터(160);

상기 복수의 아암과 상기 매니퓰이터(160)가 소정 위치와 소정 각도를 유지하도록 상기 SMA(150)와 상기 유체관절(200)을 제어하는 제어부(180)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇.
제 13 항에 있어서,

상기 제어부(180)는,

상기 SMA(150)를 제어하기 위한 SMA 제어부(182); 및

상기 유체관절(200)을 제어하기 위한 유체관절 제어부(184)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇.
제 13 항에 있어서,

상기 매니퓰레이터(160)는 의료용 수술도구를 포함하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 로봇관절이 부착된 로봇.