KR20100119012A - 자벌레 로봇 - Google Patents

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김민생
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Abstract

본 발명은 형상기억합금(SMA) 와이어의 수축 및 복원에 따라 곡률반경이 변하는 몸체부와, 상기 몸체부의 양단에 형성되고 바닥면은 적어도 두 부분에서 마찰계수가 서로 다르게 형성되어 상기 몸체부의 곡률반경의 변화에 따라 한 방향으로 전진 이동하는 다리부를 포함하는 자벌레 로봇(inchworm robot)에 관한 것이다.
또한, 상기 몸체부는, 온도에 따라 수축, 복원되는 형상기억합금(SMA) 와이어 및 상기 형상기억합금(SMA) 와이어가 내부에 위치하는 복합재가 체결수단에 의해 상호 결합하여 이루어지고, 상기 다리부는 마찰계수가 큰 재질로 형성되며 전면에는 이동시 지면과의 마찰력을 감소시켜 부드럽게 이동할 수 있도록 구리필름이 형성된다.
자벌레, 로봇, 형상기억합금(SMA) 와이어, 복합재

Description

자벌레 로봇{inchworm robot}
본 발명은 복합재에 형상기억합금(SMA) 와이어가 액추에이터로서 결합되어 움직이는 자벌레 로봇에 관한 것이다.
본 발명은 형상기억합금(SMA) 와이어의 수축 및 복원에 따라 곡률반경이 변하는 몸체부와, 상기 몸체부의 양단에 형성되어 바닥면은 적어도 두 부분에서 마찰계수가 서로 다르게 형성되는 다리부를 포함하여 형성되는 자벌레 로봇(inchworm robot)에 관한 것이다.
일반적으로, 형상기억합금(Shape Memory Alloys)은 1960년대에 처음 발견된 형상기억효과(Shape Memory Effect)와 관계된 기능을 갖는 물질이다.
다른 액추에이터(actuator) 재료보다 상기 형상기억합금(SMA)의 뛰어난 장점 중 하나는 최초 변형 후 단계 변환에 의해 생성되는 큰 복원력이다.
상기 형상기억합금(SMA)의 단위 면적당 생성되는 상기 복원력은 일반적인 전동유압, servomechanical 액추에이터(21∼35 MPa), 진동조절을 위한 고출력 액추에이터, 또는 박판의 PZT 액추에이터(35 MPa)보다 10배 이상 현저하게 높다.
특히, 펌프(pump), 그리퍼(grippers) 및 밀봉장치 등과 같은 많은 임상 생의 학적 기기들은 형상기억합금(SMA)을 사용하여 개발되고 있으며, 이러한 상기 형상기억합금(SMA)은 이 분야에서 특히 유용한 물질이다.
상기 형상기억합금(SMA)은, 높은 에너지 밀도 특성으로 인하여, 로봇 액추에이터의 제작에 가장 뛰어난 소재로 제공되고 있다. 일례로, 무선 지렁이와 같은 로봇의 액추에이터로 형상기억합금(SMA) 스프링을 사용함으로써, 수축과 팽창의 반복된 움직임의 모의실험이 가능해졌다.
또한, 일부 연구자들은 고무 또는 실리콘 안에 형상기억합금(SMA) 와이어를 사용하여, 오징어처럼 지느러미 움직임을 가지며 무선 주파수로 제어되는 마이크로 물고기 로봇(micro fish robot)을 개발하였다.
이러한 선행 연구들은 형상기억합금(SMA)에 대한 다양한 실용적인 적용을 설명하는 것이며, 이러한 연구결과, 복합재에 형상기억합금(SMA)을 사용한 자벌레 로봇(inchworm robot)이 개발되었다.
본 발명의 자벌레 로봇은 "∩" 형상의 복합재에 형상기억합금(SMA) 와이어(wire)를 위치시켜 제작되며, 형상기억합금(SMA)을 이용한 자벌레 로봇은 적용되는 힘에 따라 그 곡률 반경이 변화함으로써 움직이게 된다.
따라서 본 발명은 일반적인 액추에이터인 모터 대신 열에 의해 형상기억효과(SME)를 발휘하는 형상기억합금(SMA) 와이어를 사용함으로써 로봇의 크기를 초소형화할 수 있으며, 이로 인해 좁은 공간에서도 세밀한 작업을 신속 정확하게 수행할 수 있는 자벌레 로봇을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 전원의 공급여부에 따라 곡률 반경이 변하는 몸체부와, 상기 몸체부의 양단에 결합되고 바닥면은 적어도 두 부분에서 마찰계수가 서로 다르게 형성되는 다리부로 이루어지며, 상기 몸체부는 형상기억합금 와이어 및 상기 형상기억합금 와이어가 내부에 위치하는 복합재로 구성되는 자벌레 로봇을 제공함으로써, 전원공급에 의해 수축 및 인장하는 형상기억합금(SMA) 와이어에 의해 로봇 몸체부의 곡률반경이 변화되어 로봇의 다리부가 한 방향으로 전진 이동하는 자벌레 로봇을 제공한다.
본 발명의 자벌레 로봇은 적은 전력으로도 효과적으로 움직일 수 있는 장점이 있으며, 특히 형상기억합금 와이어가 복합재에 삽입되어 플렉시블(flexible)하게 휘어지는 로봇의 몸체를 최소화하여, 임상 생의학적 기기의 제작에 응용할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 다리부 전면에는 구리필름이 형성되어, 로봇의 전진 이동시 다리부와 지면과의 마찰력을 줄여줌으로써, 로봇이 자연스럽게 이동할 수 있는 현저한 효과를 갖는다.
본 발명은 형상기억합금(SMA) 와이어의 수축 및 복원에 따라 곡률반경이 변하는 몸체부와, 상기 몸체부의 양단에 형성되고 바닥면은 적어도 두 부분에서 마찰계수가 서로 다르게 형성되어 상기 몸체부의 곡률반경의 변화에 따라 한 방향으로 전진 이동하는 다리부를 갖는 자벌레 로봇(inchworm robot)에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 "∩" 형상의 자벌레 로봇을 나타낸다.
본 발명에 따른 자벌레 로봇은 크게 몸체부(10)와 다리부(20)로 구성되며, 상기 몸체부(10)는 형상기억합금(SMA) 와이어(wire,11)와, 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)가 내부에 위치하는 복합재(12)가 형성된다.
즉, 상기 몸체부(10)는 로봇의 액추에이터(actuator)로 사용되는 형상기억합 금(SMA) 와이어(11)가 복합재(12) 사이에 삽입되어 형성되고, 본 발명에서는 복합재(12)로서 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)이 사용된다.
그리고 상기 형상기억합금 와이어(11)와 복합재(12)는 볼트(40a)와 너트(40b) 등의 기계적 결합에 의해서 단단히 결합한다.
상기 몸체부(10)의 양단에는 평행사변형 또는 반구 형상을 갖는 마찰계수가 큰 재질의 다리부(20)가 힌지(30) 결합하여, 본 발명에 따른 자벌레 로봇을 한 방향으로 이동시킨다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 자벌레 로봇은, 190 mm 정도의 길이와 상기 다리부(20)를 포함하여 약 75 mm 정도의 최대높이를 갖는 초소형 로봇이다.
다음, 도 2a는 로봇 다리부(20)의 횡단면을 도시한 것으로, 합성고무 등과 같이 마찰계수가 큰 재질의 다리부(20)의 전면에는 비교적 작은 마찰계수를 갖는 구리필름(copper film,21)이 형성되어, 상기 다리부(20)가 한층 부드럽게 전진 이동할 수 있게 된다.
도 2a에서 "FC", "FR"은 상기 구리필름(21)과 합성고무의 마찰력을 각각 나타내며, "N"은 로봇의 무게(W)에 작용하는 힘을 나타낸다.
본 발명에 따른 자벌레 로봇의 상기 몸체부(10)와 다리부(20)는 힌지(30)에 의해 연결되며, 상기 몸체부(10)의 곡률반경이 변할 때 전방 또는 후방의 다리부(20a,20b)가 상기 힌지(30)에 의해 기울어지게 된다. 즉, 도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 몸체부(10)의 곡률반경이 감소하게 되면(수축) 후방 다리 부(20b)가 기울어지면서 전방으로 이동하게 되고, 상기 몸체부(10)의 곡률반경이 증가하게 되면(이완) 전방 다리부(20a)가 기울어지면서 전방으로 이동하게 된다.
따라서 본 발명의 로봇은 상기 몸체부(10)의 곡률반경 조절에 의해 로봇이 단계적으로 전진하게 된다.
다음은 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 실시예를 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 자벌레 로봇의 이동 메카니즘을 도시한 것으로, 먼저, 전원공급장치(power supply)의 각 전원단자를 형상기억합금(SMA) 와이어(11)의 양단에 각각 연결한 후, 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)에 DC 전원을 공급하게 되면, 상기 와이어(11)의 온도가 공급된 전원에 의해 증가하게 된다. 상기 와이어(11)의 온도가 계속 증가하여 상전이온도(phase transformation temperature, PPT)를 초과하게 되면, 상기 형상기억합금 와이어(11)는 최초 본래의 길이로 회복된다.
또한, 상기 와이어(11)의 온도가 상전이온도(PPT) 이하로 떨어지게 되면, 상기 와이어(11)는 미리 신장된 길이로 다시 돌아오게 된다.
따라서 상기 와이어(11)가 결합된 복합재(12)로 구성되는 몸체부(10)는 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)를 제어하는 전원공급장치의 전압과 전류에 의해 움직이게 된다.
상기와 같은 원리로 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 구동을 살펴보면, 상기 전원공급장치의 전원이 본 발명의 자벌레 로봇에 공급되면, 상기 몸체부(10)의 곡률반경이 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)의 수축으로 인해 감소한다. 상기 몸 체부(10)가 수축함에 따라 자벌레 로봇은 상기 로봇 다리부(20)의 위치, 모양 및 마찰계수에 의해 자벌레 로봇을 한 방향으로 이동시키게 된다("μC" 및 "μR"은 구리필름과 합성고무의 마찰계수를 각각 나타낸다).
즉, 상기 몸체부(10)의 곡률 반경이 감소할 때는 지면과 닿는 전방 다리부(20a)의 바닥면의 마찰계수가 지면과 닿는 후방 다리부(20b)의 바닥면의 마찰계수보다 크게 형성되어 상기 후방 다리부(20b)가 전진하게 되고, 상기 몸체부(10)의 곡률 반경이 증가할 때는 지면과 닿는 전방 다리부(20a)의 바닥면의 마찰계수가 지면과 닿는 후방 다리부(20b)의 바닥면의 마찰계수보다 작게 형성되어 상기 전방 다리부(20a)가 전진하게 된다.
상기 자벌레 로봇의 휘어짐(편심)을 예측하기 위해, 카스티글리아노의 에너지 이론(Castigliano's energy theory)이 이용된다. 상기 로봇의 몸체부(10)는 대칭을 이루기 때문에, 상기 몸체부(10)의 중심은 움직이지 않게 되고, 상기 형상기억합금(SMA,11)으로부터 발생하는 부하(load, P)가 양단에 걸리게 된다. 부하(load, P)에 전달되는 편심률은 다음 식 1에 의해 얻을 수 있다.
[ 식 1 ]
Figure 112009026237306-PAT00001
상기 식 1로 상기 몸체부(10)의 X-축방향의 편심률을 구할 수 있다("E"는 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)의 Young's 모듈 값, "R"은 상기 몸체부(10)의 곡률반 경, "I"는 관성모멘트 이다).
본 발명에 따른 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)는 NiTi 형상기억합금으로 형성되며, 상기 NiTi 형상기억합금 와이어(11)는 1300 MPa 이상의 굴절률을 가지며, 이러한 형상기억합금(SMA) 물질은 작은 크기와 고출력 액추에이터로 사용하기에 가장 이상적이다.
본 발명의 상기 NiTi 형상기억합금(SMA) 와이어(11)는 0.4 mm의 직경으로 형성되며, 80℃의 오스테나이트 끝 온도(austenite finish temperature)가 적용되었다(Johnson Matthey Co. Ltd., USA).
본 발명에 있어, 상기 형상기억합금(SMA)은 온도에 따라 변형되기 때문에 제작 온도는 상당히 중요한 요소가 될 수 있다.
다음 도 4는 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 몸체부(10)의 구성도를 도시한 것으로, 곡률반경을 갖는 몸체부(10)를 형성하기 위해서는 먼저 "∩"형상의 형판(mold)이 필요하게 된다. 홀더(holder)와 그립(grip)을 이용하여, 상기 형상기억합금 와이어(11)를 약 8% 정도로 미리 신장시키고, 상기 와이어(11)를 복합재(12)에 삽입시킨다.
그리고 상기 형상기억합금 와이어(11)와 복합재(12)를 볼트(40a)와 너트(40b)로 단단히 결합한다.
상기 복합재(12)는 상기 와이어(11)의 상부로 2개의 유리섬유 강화층(12a)을 적층하고, 상기 와이어(11)의 하부에 1개의 유리섬유 강화층(12b)을 형성하여 적어도 3개의 유리섬유 강화층을 갖는 유리섬유 강화 플라스틱으로 형성될 수 있으며, 상기 복합재(12)는 내부에 형상기억합금 와이어를 형성할 수 있는 다양한 재질로 변형이 가능하다.
본 발명의 다리부(20)를 형성하는 합성고무와 구리필름(21)의 마찰계수는 FCMS 170(Neoplus LTD., ASTM D 1894)을 사용하여 측정되는데, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 합성고무의 마찰계수는 구리필름의 마찰계수보다 약 5.3배 정도 더 높다.
상기 형상기억합금 와이어(11)의 활동에 의해 일어나는 상기 몸체부(10)의 휘어짐(편향률)은 상기 몸체부(10)의 중심에 부착된 변형계(strain gauges)에 의해 측정할 수 있는데, 상기 형상기억합금 와이어(11)의 온도가 3.72W(1.38A, 2.7V)에서 대략 90℃의 온도를 형성하며, 이때 변형률은 624με이다.
Part Main body Leg Total
Weight(N) 0.097 0.039×2 0.175
상기 표 1은 본 발명의 자벌레 로봇의 구성요소의 무게를 나타낸 것이며, 본 발명의 자벌레 로봇의 각 구성요소의 무게와 측정된 마찰계수를 이용하여 다음 식 2로부터 마찰력을 구할 수 있는데, 본 발명의 자벌레 로봇은 상기 마찰력을 극복하고 움직이기 위해 최소 0.013N의 추진력이 필요하게 된다.
[ 식 2 ]
Figure 112009026237306-PAT00002
추진력은 동력계(Dynamometer, Type 9256c1, Kistler, Swiss)와 dSPACE(DS1103 PPC Controllor Board, Germany)를 사용하여 측정할 수 있으며, 상기와 같은 결과를 얻기 위해 3.72W의 전력이 공급되었다.
도 7에 도시된 바와 같이, 자벌레 로봇에 발생한 힘은 4 kHz의 로우패스(lowpass) 필터(filter)와 200kHz의 표본주파수를 적용한 "MATLAB" 프로그램을 사용하여 분석할 수 있으며, 이렇게 측정된 힘(0.278N)은 90초 이상 지속됨을 알 수 있다.
이러한 로봇의 이동하는 힘의 계산값과 측정값의 비교는 적용된 전력에 의해 로봇의 움직임이 가능하다는 것을 지시하며, 상기 몸체부(10)의 변위는 상기 식(1)과 다리부의 마찰력으로부터 계산할 수 있고 그 값으로 4.47mm를 얻게 된다(여기서, "E"는 2.757×10⁴N/mm², "I"는 1.535×10³mm⁴이다).
따라서, 상기 몸체부(10)의 변위에 대한 측정값(4.03mm)과 계산값(4.47mm)은 매우 근접하게 된다.
본 발명은 로봇의 액추에이터(actuator)로 사용되는 상기 형상기억합금 와이어(11)를 복합재(12) 내부에 위치시키고, 볼트(40a)와 너트(40b)는 상기 복합재(12)와 형상기억합금 와이어(11)를 기계적으로 결합시켜 상호 분리되는 것을 막기 위해 사용된다.
따라서 본 발명의 자벌레 로봇은 "∩" 형상의 복합재에 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(wire,11)를 위치시켜서 제작되며, 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)을 이용한 자벌레 로봇은 적용되는 힘에 따라 상기 몸체부(10)의 곡률 반경이 변화함으로써 움직이게 된다.
도 1은 단방향 움직임을 갖는 "∩" 형상의 자벌레 로봇을 나타낸 모식도.
도 2a 내지도 2c는 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 다리부의 단면도 및 몸체부에 변화에 따른 다리부가 이동하는 모식도.
도 3은 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 이동 모식도.
도 4는 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 몸체부의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 외장크기를 나타낸 측면도.
도 6은 구리와 고무의 마찰계수 값을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 자벌레 로봇에 발생한 힘의 측정값을 도시한 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 몸체부 11 : 형상기억합금 와이어
12 : 복합재 20 : 다리부
20a : 전방 다리부 20b : 후방 다리부
21 : 구리필름 30 : 힌지
40a : 볼트 40b : 너트

Claims (5)

  1. 전원의 공급여부에 따라 곡률 반경이 변하는 몸체부(10); 및
    상기 몸체부(10)의 양단에 결합되고, 바닥면은 적어도 두 부분에서 마찰계수가 서로 다르게 형성되는 다리부(20);를 포함하는 것을 특징으로 하는 자벌레 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부(10)의 곡률 반경이 감소할 때는 지면과 닿는 전방 다리부(20a)의 바닥면의 마찰계수가 지면과 닿는 후방 다리부(20b)의 바닥면의 마찰계수보다 크고,
    상기 몸체부(10)의 곡률 반경이 증가할 때는 지면과 닿는 전방 다리부(20a)의 바닥면의 마찰계수가 지면과 닿는 후방 다리부(20b)의 바닥면의 마찰계수보다 작은 것을 특징으로 하는 자벌레 로봇.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다리부(20)의 형상은 평형사변형 또는 반구형인 것을 특징으로 하는 자벌레 로봇.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 몸체부(10)는, 형상기억합금 와이어(11); 및 상기 형상기억합금 와이어(11)가 내부에 위치하는 복합재(12);를 포함하는 것을 특징으로 하는 자벌레 로봇.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 형상기억합금 와이어(11)와 복합재(12)는 볼트(40a)와 너트(40b)로 결합되는 것을 특징으로 하는 자벌레 로봇.
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