KR20140020383A

KR20140020383A - 가변 강성 구조체

Info

Publication number: KR20140020383A
Application number: KR1020120086538A
Authority: KR
Inventors: 조규진; 박용재; 허태명; 이대영
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-02-19
Also published as: KR101369515B1; WO2014025111A1

Abstract

본 발명에 의한 가변 강성 구조체는, 탄성변형이 용이한 탄성재질로 형성되는 복수의 탄성부재와, 상기 탄성부재보다 강성이 강한 재질로 형성되는 복수의 강성부재를 구비하며, 상기 탄성부재와 강성부재가 교대로 배열되고, 상기 탄성부재와 강성부재의 배열 경로를 따라 각각 상기 탄성부재와 강성부재를 관통하도록 형성된 케이블 구멍을 구비하는 작동 조립체; 및 외부로부터 가해지는 장력에 따라 상기 작동 조립체의 탄성부재를 탄성변형시킬 수 있도록 한쪽 끝은 상기 작동 조립체의 한쪽 끝에 고정되고 다른 한쪽 끝은 상기 작동 조립체의 케이블 구멍을 경유하여 상기 작동조립체의 다른 한쪽 끝으로 연장되는 케이블;을 구비하는 점에 특징이 있다.

Description

가변 강성 구조체{Variable Stiffness Structure}

본 발명은 가변 강성 구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 필요에 따라 강성을 조절할 수 있는 가변 강성 구조체에 관한 것이다.

로봇의 개발 과정에서 다양한 역학적 특성을 가지는 요소기술이 필요하게 되었다. 로봇의 용도가 다양해지면서 그 특성에 따라 필요하게 되는 운동 능력도 더욱 다양해지고 있다. 이와 같은 로봇에 요구되는 다양한 특성 중 하나가 필요에 따라 강성이 변할 수 있는 구조체이다.

구조체의 강성이 상황에 따라 연성이 될 수도 있고 강성이 될 수도 있는 구조체가 개발되면 다양한 분야에 이용될 수 있다. 내시경을 이와 같은 가변 강성 구조체에 결합하여 필요에 따라 강성을 변화시킴으로써 내시경의 활용도를 높일 수 있다. 입는 로봇(wearable robot)에도 가변 강성 구조체를 적용함으로써 물건을 잡고 있는 상태를 유지하게 하는 등의 다양한 동작을 구현할 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 필요성을 만족하기 위하여 안출 된 것으로, 필요에 따라 구조체의 강성을 변화시킬 수 있는 가변 강성 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가변 강성 구조체는, 탄성변형이 용이한 탄성재질로 형성되는 복수의 탄성부재와, 상기 탄성부재보다 강성이 강한 재질로 형성되는 복수의 강성부재를 구비하며, 상기 탄성부재와 강성부재가 교대로 배열되고, 상기 탄성부재와 강성부재의 배열 경로를 따라 각각 상기 탄성부재와 강성부재를 관통하도록 형성된 케이블 구멍을 구비하는 작동 조립체; 및 외부로부터 가해지는 장력에 따라 상기 작동 조립체의 탄성부재를 탄성변형시킬 수 있도록 한쪽 끝은 상기 작동 조립체의 한쪽 끝에 고정되고 다른 한쪽 끝은 상기 작동 조립체의 케이블 구멍을 경유하여 상기 작동조립체의 다른 한쪽 끝으로 연장되는 케이블;을 구비하는 점에 특징이 있다.

본 발명에 의한 가변 강성 구조체는 사용자의 필요에 따라 구조체의 강성을 연하게 할 수도 있고 강하게 할 수도 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가변 강성 구조체의 사시도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 가변 강성 구조체의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 가변 강성 구조체의 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 가변 강성 구조체의 구조를 설명하기 위한 분리사시도이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 가변 강성 구조체의 정면도이다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 가변 강성 구조체의 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 가변 강성 구조체에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 가변 강성 구조체의 사시도이고, 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 가변 강성 구조체의 작동을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1실시예의 가변 강성 구조체는 작동 조립체(130)와 3개의 케이블(141, 142, 143)을 포함하여 이루어진다.

작동 조립체(130)는 복수의 탄성부재(120)와 강성부재(110)를 구비한다. 제1실시예의 작동조립체(130)는 도 1에 도시된 것과 같이 7개의 강성부재(110)와 6개의 탄성부재(120)를 구비한다.

탄성부재(120)는 탄성변형이 용이한 탄성재질로 형성되고, 강성부재(110)는 탄성부재(120)보다 강성이 강한 재질로 형성된다. 즉, 강성부재(110)는 탄성부재(120)보다 더 큰 탄성계수(Elastic Modulus)를 가진 재질로 이루어진다. 탄성부재(120)와 강성부재(110)는 교대로 배열된다. 본 실시예에서는 도 1에 도시된 것과 같이 탄성부재(120)와 강성부재(110)가 일렬로 배열된다. 또한, 본 실시예에서 탄성부재(120)와 강성부재(110)는 각각 일정한 두께를 가진 형태로 형성되었다. 탄성부재(120)와 강성부재(110)는 서로 접착되어 고정된 형태로 작동 조립체(130)를 구성할 수도 있고, 서로 접착되지 않은 상태로 배열되어 작동 조립체(130)를 구성할 수도이다. 작동 조립체(130)에는 탄성부재(120)와 강성부재(110)의 교대 배열 경로를 따라서 3개의 케이블 구멍(131, 132, 133)이 형성된다. 즉, 작동 조립체(130)의 연장 방향을 따라서 각각 탄성부재(120)와 강성부재(110)를 관통하도록 3개의 케이블 구멍(131, 132, 133)이 형성된다. 3개의 케이블 구멍(131, 132, 133) 중 하나(132)는 작동 조립체(130)의 중심축을 따라 연장되도록 형성되고 나머지 2개의 케이블 구멍(131, 133)은 중심축에 배치된 케이블 구멍(132)을 중심으로 원주 방향을 따라 배치된다 본 실시예에서는 2개의 케이블 구멍(131, 133)이 180도의 각도 간격으로 배치된다.

케이블 구멍(131, 132, 133)에는 각각 케이블(141, 142, 143)이 배치된다 케이블(141, 142, 143)의 한쪽 끝은 작동 조립체의 한쪽 끝에 고정되고 다른 한쪽 끝은 케이블 구멍(131, 132, 133)의 외부로 연결되도록 연장된다. 본 실시예에서는 작동 조립체의 가장 하측에 배치된 강성부재(110)에 케이블(141, 142, 143)의 한쪽 끝이 고정되고 다른 한쪽 끝은 작동 조립체의 위쪽으로 연장된다.

이하 상술한 바와 같이 구성된 가변 강성 구조체의 작동에 대해 설명한다.

먼저 도 1에 도시된 가변 강성 구조체는 케이블(141, 142, 143)에 장력이 가해지지 않은 상태이다. 탄성부재(120)의 탄성에 의해 가변 강성 구조체는 전체적으로 비교적 강성이 약한 상태이다. 작은 외력에 의해 쉽게 탄성 변형될 수 있는 상태이다.

이와 같은 상태에서 도 2에 도시된 것과 같이 3개의 케이블(141, 142, 143)에 장력을 가하면 각각의 탄성부재(120)들이 압축되면서 작동 조립체(130)는 전체적으로 길이가 짧아진다. 케이블(141, 142, 143)에 의해 장력이 가해진 상태이므로 작동 조립체(130)의 전체적인 강성은 비교적 강한 상태가 된다. 이와 같은 상태에서는 작동 조립체(130)가 외력에 의해 쉽게 변형되지 않고 도 2에 도시된 형태를 유지하게 된다. 이와 같은 가변 강성 구조체의 특성을 내시경에 적용하면 다음과 같은 장점을 얻을 수 있다. 먼저 도 2에 도시된 것과 같은 상태는 강성이 강하므로 형상을 유지하면서 내시경을 인체 내로 밀어 넣을 수 있다. 인체의 원하는 위치까지 내시경의 렌즈가 도달한 후에는 케이블(141, 142, 143)의 장력을 제거하면 작동 조립체(130)의 강성은 약해진다. 작동 조립체(130)의 강성이 약해짐으로 인해 인체에 가해지는 힘의 크기가 약해지고 인체의 주는 부담이 적어져서 환자의 불편함이 감소하게 된다. 또한 내시경으로 파악된 환자의 병변을 제거하거나 검사를 위해 조직을 절단하고자 할 때 작동 조립체(130)의 강성을 증가시켜 수술도구를 지지할 수 있도록 이용하는 것도 가능하다. 이러한 특성을 이용하여 내시경뿐만 아니라 다양한 분야에 본 실시예의 가변 강성 구조체를 적용할 수 있다. 예를 들어 로봇 물고기 꼬리 지느러미에 본 발명의 가변 강성 구조체를 적용하여 필요시에는 추력을 향상 시키는 용도로 사용하는 것도 가능하다.

앞에서 도 2의 경우 3개의 케이블(141, 142, 143)을 동시에 잡아당기는 것으로 설명하였으나 경우에 따라서는 작동 조립체(130)의 중심축에 배치된 하나의 케이블(142)에 장력을 가하는 방법으로 동일한 작동과 효과를 얻을 수 있다. 중앙부에 배치된 케이블(142)만 잡아당김으로써 탄성부재(120)들을 균일하게 압축시키는 것이 가능하다.

제1실시예의 가변 강성 구조체는 작당부재의 강성을 변경시킬 수 있을 뿐만 아니라 작동 조립체(130)에 굽힘 변형을 가하는 것도 가능하다. 도 3을 참조하면, 왼쪽에 위치하는 케이블(141)을 잡아 당기면 탄성부재(120)의 왼쪽 부분의 두께가 감소하면서 작동 조립체(130)가 왼쪽으로 오목하게 휘어지는 작동을 하게 된다. 중앙부에 케이블(142)을 잡아당기는 장력을 조절함으로써 작동 조립체(130)의 휘어지는 정도를 조절할 수도 있고 휘어진 작동 조립체(130)의 강성을 조절하는 것도 가능하다.

이와 같은 제1실시예에 따른 가변 강성 구조체의 기본 개념을 다양하게 변형함으로써 본 발명의 기술적 사상은 유지하면서 다양한 형태의 가변 강성 구조체를 구성하는 것이 가능하다.

예를 들어 케이블 구멍의 위치와 개수 및 케이블의 개수는 다양하게 변경하는 것이 가능하다.

또한, 탄성부재와 강성부재의 크기와 형상도 다양하게 변경할 수 있다.

도 4 및 도 5는 제2실시예에 따른 가변 강성 구조체를 도시한 것이다.

제2실시예의 가변 강성 구조체에서 탄성부재(220)와 강성부재(210)로 구성된 작동 조립체(230)에는 2개의 케이블 구멍(231, 232)이 형성된다. 케이블 구멍(231, 232)은 나선형으로 연장되도록 형성되고 그 내부에 케이블(241, 242)이 배치된다. 케이블(241, 242)은 가장 아래쪽에 배치된 강성부재(210)에 고정된다.

이와 같은 상태에서 케이블(241, 242)을 잡아 당기면 나선 경로를 따라 움직이는 케이블(241, 242)로 인해 각각의 탄성부재(220)에 비틀림 하중(Torque)이 가해진다. 가장 위쪽에 배치된 강성부재(210)를 고정한 상태에서 케이블(241, 242)을 잡아 당긴다면 가장 아래쪽에 배치된 강성부재(210)는 반시계방향으로 회전하면서 상승하게 된다. 동시에 작동 조립체(230)의 강성은 증가하게 된다. 작동 조립체(230)의 아래쪽 끝부분에 회전이 필요한 기계요소를 결합한다면 이를 회전시켜서 특별한 작동 메커니즘을 구현할 수 있다.

제2실시예의 경우 탄성부재(220)와 강성부재(210)의 사이에 비틀림 하중이 작용하므로 탄성부재(220)와 강성부재(210)의 상대회전을 방지하기 위하여 도 5에 도시된 것과 같은 고정홈(221)과 고정돌기(211)를 강성부재(210)와 탄성부재(220)의 접촉면에 마련한다. 탄성부재(220)에는 고정홈(221)이 형성되고 그와 접촉하는 강성부재(210)에는 고정돌기(211)가 형성된다. 고정돌기(211)는 고정홈(221)에 끼워진 상태로 탄성부재(220)와 고정돌기(211)가 접촉하게 된다. 이와 같은 상태에서 탄성부재(220)와 강성부재(210)는 서로 접착될 수도 있고 사용환경이나 필요에 따라서 서로 분리 가능하게 접촉하도록 배치될 수도 있다.

이상 본 발명의 제2실시예에 따른 가변 강성 구조체에 대해 설명하였다. 경우에 따라서는 도 4에 도시된 형태와 달리 작동 조립체(230)가 자체가 나선형으로 연장되는 형상이 되도록 가변 강성 구조체를 구성하는 것도 가능하다.

본 실시예의 가변 강성 구조체는 탄성부재(320)의 좌우의 두께가 다른 것을 특징으로 한다. 즉, 탄성부재(320)의 왼쪽부분은 두께가 얇고 오른쪽부분은 두께가 두껍게 형성된 점에 특징이 있다. 이와 같이 단면이 사다리꼴 형상으로 형성된 탄성부재(320)를 강성부재(310)와 교대로 배열하면 도 6에 도시된 것과 같이 하측으로 갈수록 왼쪽으로 휘어진 형태의 작동 조립체(330)가 구성된다. 이와 같은 상태에서 케이블 구멍(331, 332)에 배치된 두개의 케이블(341, 342))을 동시에 잡아당기면 왼쪽으로 휘어진 상태를 유지하면서 작동 조립체(330)의 전체적인 강성은 증가하게 된다. 오른쪽에 위치하는 케이블(342)만 잡아당기면 탄성부재(320)의 오른쪽 부분이 주로 압축되면서 작동 조립체(330)가 점차적으로 펼쳐지게 된다. 동시에 작동 조립체(330)의 전체적인 강성은 증가하게 된다. 휘어진 상태와 똑바로 펴진 상태를 두가지 동작을 구현하기 위해서 도 6에 도시된 제3실시예의 가변 강성 구조체를 이용할 수 있다.

다음으로 도 7에 도시된 제4실시예의 가변 강성 구조체에 대해 설명한다.

제4실시예의 가변 강성 구조체는 앞서 설명하나 제1실시예 내지 제3실시예의 가변 강성 구조체와 비교하여 작동 조립체(440)가 탄성 연결부재(430)를 더 포함하는 점에 특징이 있다.

탄성 연결부재(430)는 탄성부재(420)와 동일한 재질로 형성된다. 도 7에 도시한 것과 같이 외측에서 탄성부재(420)들을 서로 연결하도록 형성된다. 인서트 사출과 같은 방법으로 강성부재(410)를 인서트하여 탄성부재(420) 및 탄성 연결부재(430)를 형성하는 합성수지를 용융상태로 사출하여 도 7에 도시된 것과 같은 형태의 작동 조립체(440)를 구성할 수 있다. 제4실시예의 가변 강성 구조체의 작동과 구조 및 특징은 대체로 제1실시예 내지 제3실시예의 가변 강성 구조체와 유사하나 탄성 연결부재(430)를 탄성부재(420) 및 강성부재(410)의 외측에 감싸도록 배치함으로써 작동 조립체(440)를 안정적으로 지지하고 구조적으로 견고하면서 안정적인 동적 특성을 가지도록 구성할 수 있다. 또한, 탄성부재(420)를 구성하는 재료의 탄성계수를 뿐만 아니라 탄성 연결부재(430)의 두께나 구조를 이용하여 작동 조립체(440)의 기본적인 강성을 조절할 수 있는 장점이 있다.

케이블 구멍(441, 442)에 배치된 케이블(451, 452)를 잡아당겨 작동 조립체(440)의 강성을 변경하는 방법은 앞서 설명한 다른 실시예들과 유사하다.

이상 본 발명에 대해 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명하고 도시한 형태로 한정되는 것은 아니다.

예를 들어 케이블 구멍과 케이블의 개수는 다양하게 조절될 수 있으며, 하나의 케이블 구멍에 2개 이상의 케이블이 삽입되도록 구성하는 것도 가능하다. 또한 탄성부재의 형상을 모두 동일하게 하지 않고 각각 다른 크기와 형상을 가진 탄성부재와 강성부재를 배열하여 작동 조립체를 구성하는 것도 가능하다.

110, 210, 310, 410: 탄성부재 120, 220, 320, 420: 강성부재
130, 230, 330, 440: 작동 조립체 430: 탄성 연결부재
131, 132, 133: 케이블 구멍 231, 232: 케이블 구멍
331, 332: 케이블 구멍 441, 442: 케이블 구멍
141, 142, 143: 케이블 241, 242: 케이블
341, 342: 케이블 451, 452: 케이블

Claims

탄성변형이 용이한 탄성재질로 형성되는 복수의 탄성부재와, 상기 탄성부재보다 강성이 강한 재질로 형성되는 복수의 강성부재를 구비하며, 상기 탄성부재와 강성부재가 교대로 배열되고, 상기 탄성부재와 강성부재의 배열 경로를 따라 각각 상기 탄성부재와 강성부재를 관통하도록 형성된 케이블 구멍을 구비하는 작동 조립체; 및
외부로부터 가해지는 장력에 따라 상기 작동 조립체의 탄성부재를 탄성변형시킬 수 있도록 한쪽 끝은 상기 작동 조립체의 한쪽 끝에 고정되고 다른 한쪽 끝은 상기 작동 조립체의 케이블 구멍을 경유하여 상기 작동조립체의 다른 한쪽 끝으로 연장되는 케이블;을 구비하는 것을 특징으로 하는 가변 강성 구조체.
제1항에 있어서,
상기 작동 조립체는 복수의 케이블 구멍을 구비하고,
상기 케이블도 복수개가 마련되어 각각 상기 케이블 구멍에 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 강성 구조체.
제2항에 있어서,
상기 작동 조립체의 복수의 케이블 구멍들 중 하나는 상기 작동 조립체의 중심축을 따라 연장되도록 형성되고
나머지 상기 케이블 구멍들은 상기 중심축에 배치된 케이블 구멍을 중심으로 원주 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 강성 구조체.
제2항에 있어서,
상기 작동 조립체의 케이블 구멍들 중 적어도 하나는 상기 작동 조립체에 대해 나선형으로 연장되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 강성 구조체.
제2항에 있어서,
상기 작동 조립체는 나선형으로 연장되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 강성 구조체.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 작동 조립체는 인접하는 탄성부재와 강성부재 사이의 접촉면에 대한 회전이 방지되도록 탄성부재와 강성부재 중 어느 하나에는 고정홈이 형성되고 다른 하나에는 그 고정홈에 끼워져 걸리는 고정돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 가변 강성 구조체.
제1항에 있어서,
상기 작동 조립체의 탄성부재들 중 적어도 일부는 상기 작동 조립체의 연장 방향을 따라 양측의 두께가 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 강성 구조체.
제1항에 있어서,
상기 작동 조립체의 탄성부재는 각각 인접하는 강성부재와 접착된 것을 특징으로 하는 가변 강성 구조체.
제1항에 있어서,
상기 작동 조립체는, 상기 탄성부재와 동일한 재질로 형성되어 상기 탄성부재들을 서로 연결하는 탄성 연결부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 가변 강성 구조체.