KR20150127395A - 형상구현장치 - Google Patents

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KR20150127395A
KR20150127395A KR1020140054126A KR20140054126A KR20150127395A KR 20150127395 A KR20150127395 A KR 20150127395A KR 1020140054126 A KR1020140054126 A KR 1020140054126A KR 20140054126 A KR20140054126 A KR 20140054126A KR 20150127395 A KR20150127395 A KR 20150127395A
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최승복
김평화
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Abstract

본 발명은 형상기억합금과 형상기억 폴리머를 이용한 형상구현장치를 개시한다. 본 발명은 전류의 세기에 의해 형상기억합금을 변형시켜 형상을 구현하기 위한 형상구현장치로서, 복수 개가 서로 수평 상에서 교차하도록 배치된 코일형상으로 일정길이를 갖는 형상기억 합금 부재; 및 상기 형상기억 합금 부재의 전면 또는 후면 중 적어도 하나를 덮도록 일정면적으로 갖는 표피 형태로 제공된 형상기억 폴리머 부재를 포함하여 이루어진다.

Description

형상구현장치{Apparatus for embodying stereoscopic image}
본 발명은 형상구현장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 형상기억합금과 형상기억폴리머를 이용한 형상구현장치에 관한 것이다.
형상구현장치의 일 예로서, 의료용 햅틱 마스터 장치가 있다. 이러한 의료용 햅틱 마스터 장치는 마스터-슬레이브 로봇(Master-Slave Robot)을 이용한 최소침습수술(MIS) 등의 의료현장에서 환자의 장기와 접촉하는 슬레이브 로봇의 접촉력을 마스터 로봇에 구현하여 의사에게 장기의 형상과 반력을 전달하기 위한 장치이다.
이러한 장치에 대한 구체적인 예로서는, 한국 공개특허 제2012-0085532호(MR 유체와 형상기억합금을 이용한 어레이형 촉감구현장치)가 개시되어 있다.
구체적으로 상기한 종래기술은, 시술자가 실제 수술을 수행하는 햅틱 마스터 장치와 이들을 구동 및 제어하는 햅틱 마스터 컨트롤 박스 및 컴퓨터를 포함하여 구성되는 마스터부와, 환자에 대하여 실제 수술을 집도하는 햅틱 슬레이브 로봇과 이를 구동 및 제어하는 햅틱 슬레이브 컨트롤 박스 및 컴퓨터로 구성되는 슬레이브부 및 마스터부와 슬레이브부를 연결하고 통합 제어하는 역할을 수행하는 워크스테이션으로 구성된다.
이러한 구성을 갖는 의료용 햅틱 시스템을 이용한 최소침습 수술(MIS) 시술시에는, 슬레이브 로봇이 인체 장기에 접촉할 때 해당 장기의 형상과 촉감을 구현하기 위한 촉감(형상)구현장치가 제공된다.
종래기술에서 촉감구현장치는, 베이스를 이루는 본체와, 인가된 전류에 따라 형태가 변화하는 형상기억합금으로 형성되며, 본체에 일정한 간격으로 어레이 형태로 배열되는 적어도 하나 이상의 핀과, 비자성체로 이루어지고, 핀의 상단에 부착되는 핀 헤드 및 인가되는 자기장에 따라 상태가 변화하는 MR 유체(magneto-rheological fluid)가 그 내부에 충진되며, 핀이 배열된 어레이를 덮는 커버를 포함한다.
그러나 이러한 종래의 형상구현장치는 MR 유체와 형상기억합금이 변형되는 것으로 형성을 구현하는 것으로, 그 구조가 매우 복잡하여 생산성 및 제조 단가면에서 불리하다.
한편, 종래의 형상기억합금을 이용한 형상구현장치는, 사용자가 원하는 임의의 형상을 구현하기 위해, 각각의 온도에 따라 형상이 변하는 형상기억합금의 특성을 이용하여, 임의 형상을 구현할 수 있도록 하였다. 그러나 이러한 종류의 형상구현장치는 형상기억합금에 형상을 기억시켜 형상을 구현하기 때문에, 다양한 입체적 형상을 구현하기 위해서는 형상기억합금을 다중으로 형상 기억시키거나, 복잡한 기구구조를 수반해야 하는 문제점이 있다.
아울러 종래의 형상기억장치는 형상기억합금이 골격을 형성하는 것으로 전류의 세기에 의해 구현할 형상으로 변형하는 것에 의해 형상구현이 가능하다. 따라서 세밀한 형상구현을 위해서는 그 표면(커버)에 형상 구현 수단을 별도로 설치해야 하는 문제점이 있다.
즉, 이러한 형상구현장치는 골격, 및 이 골격을 감싸주는 커버로 이루어지는데, 이때 골격은 형상기억합금으로 이루어지고, 형상기억합금은 설정된 온도에 따라 복원하는 방식으로, 종래의 형상구현장치의 형상구현은 형상구현이 폭이 제한적이며, 서로 다른 방향으로 형상을 구현하기 위해서는 골격을 다중으로 설정해야 해야함으로, 제조과정이 복잡하고, 단가가 높아지는 문제점이 제기된다. 또한 골격 이외에 표면을 이루어줄 장치가 필요하며, 더욱이 이러한 장치는 골격의 형상변화에 대해 영향이 적어야하기 때문에 이러한 구성을 갖는 형상구현장치는 적용에 있어서 한계가 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위해 창안된 것으로서, 서로 다른 방향으로 다양한 형상을 구현할 수 있으며, 이와 동시에 표면에 별도의 형상을 구현할 수 있는 형상구현장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 전류의 세기에 의해 형상기억합금을 변형시켜 형상을 구현하기 위한 형상구현장치로서, 복수 개가 서로 수평 상에서 교차하도록 배치된 코일형상으로 일정길이를 갖는 형상기억 합금 부재; 및 형상기억 합금 부재의 전면 또는 후면 중 적어도 하나를 덮도록 일정면적을 갖는 표피 형태로 제공된 형상기억 폴리머 부재를 포함하여 이루어진 형상구현장치가 제공된다.
상기 형상기억 합금 부재는 서로 격자형상으로 교차배치된 것일 수 있다.
복수 개의 상기 형상기억 합금 부재의 X축의 형상기억 합금 부재와 Y축의 형상기억 합금 부재의 교차지점에 설치되어 상호 전류가 간섭되는 것을 차단하기 위한 전류 분배 부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 전류 분배 부재는 절연 재질로 이루어지고, 상기 X축의 형상기억 합금 부재와 상기 Y축의 형상기억 합금 부재의 교차점 사이에 이격된 형태로 제공되는 것이 바람직하다.
상기 형상기억 합금 부재는 서로 다른 전류 세기에서 변형되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 내부에 별도의 골격 없이 격자 형태로 복수의 형상기억 합금 부재를 배치하고, 그 표면에 박막 커버 형태의 형상기억 폴리머 부재를 장착함으로써, 내부에 별도의 골격이 필요치 않아 경량화가 가능하고, 구조적으로 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명은 형상기억 합금 부재들은 서로 다른 전류의 세기에 의해 변형됨으로써, 보다 다양하고 세밀한 형상의 구현이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상구현장치를 나타내는 평면 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상구현장치를 나타내는 측면 구성도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상구현장치의 X축의 형상기억 합금부재와 Y축의 형상기억 합금부재의 교차지점에 전류 분배 부재를 보여주는 부분 확대도, 및
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상구현장치의 작동상태를 보여주는 상태도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상구현장치를 나타내는 평면 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상구현장치를 나타내는 측면 구성도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상구현장치의 X축의 형상기억 합금부재와 Y축의 형상기억 합금부재의 교차지점에 전류 분배 부재를 보여주는 부분 확대도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상구현장치의 작동상태를 보여주는 상태도이다.
도 1 및 도 2와 같이, 본 발명은 격자로 배치된 형상기억 합금 부재(10)와, 형상기억 합금 부재(10)의 이면에 배치된 박막 형태로 이루어진 형상기억 폴리머 부재(20)로 구성된다.
상기한 구성에 있어서, 형상기억 합금 부재(10)는 도 1의 상에서 수직선상에 배치되는 Y축의 형상기억 합금 부재(11)와 수평선상에 배치되는 X축의 형상기억 합금 부재(12)가 서로 격자형태로 교차하게 배치되며, 이들 교차점은 일정 격자 모듈을 이루도록 형성된다.
이때 형상기억 합금 부재(10; 11 및 12 포함)는 코일 스프링 형태로 일정길이를 갖도록 형성되어 전류가 인가되면 온도변화에 따라 기설정된 변형의 형태로 변형되어 이루어진다.
또한 복수의 형상기억 합금 부재(11,12)는 변형 정도(Strain)가 다르게 배치될 수 있다. 즉 인가된 전류에 따라 X축 및 Y축의 형상기억 합금 부재(11,12)가 변형 정도가 달라지는 것에 의해 스프링 코일의 라인 형태로 이루어진 형상기억 합금 부재(11,12)의 인장이나 변형률이 달라지고, 이를 이용하여 각각의 격자모듈로 이루어진 형상기억 합금 부재(11,12)는 다양한 형태로의 변형이 이루어지게 할 수 있다.
상기한 구성에 있어서, 형상기억 폴리머 부재(20)는 격자형상으로 배치된 형상기억 합금 부재(10; 11,12)의 전면이나 후면 전체를 덮도록 일정면적으로 갖는 표피형태의 커버 형태로 제공된다. 즉 형상기억 폴리머 부재(20)의 상에 형상기억 폴리머 부재(20)는 수평 상에서 X축과 Y축 방향으로 격자형태로 배치된다.
이때 형상기억 합금 부재(11,12)는 서로 다른 전류 세기에서 변형되는 것으로 다양한 형상을 구현하도록 할 수 있다. 여기서 형상기억 폴리머 부재(20)는 특정 온도조건에서 어떤 물체를 일정한 모양을 가지도록 만들어 놓으면, 동일 온도 조건에서 다시 원래의 모양으로 되돌아가는 성질을 가진 고분자 박막(필름)형태로 제공될 것을 의미한다.
이에 따라 형상기억 폴리머 부재(20)는 형상기억 합금 부재(11,12)의 표면을 덮도록 구성되어 작용되는 열에 따라 다양하게 변형이 이루어지도록 한다. 즉 형상기억 합금 부재(11,12)와는 다른 방향으로 형상기억 폴리머 부재(20)의 변형이 이루어질 수 있고, 이를 통해 보다 다양하고 세밀한 형상의 구현이 가능하다.
한편, X축의 형상기억 합금 부재(12)와 Y축의 형상기억 합금 부재(11)의 교차지점에는 상호 전류가 간섭되는 것을 차단하기 위한 전류 분배 부재(30)가 배치된다.
여기서 전류 분배 부재(30)는, 절연 재질(플라스틱이나 고무 등)으로 이루어지고, X축의 형상기억 합금 부재(12)와 Y축의 형상기억 합금 부재(11)의 교차영역에서 서로 이격된 형태로 제공될 수 있다.
구체적으로, 도 3a 및 도 3b를 참조하면 전류 분배 부재(30)는 X축과 Y축의 형상 기억 합금 부재(11,12) 간의 전류가 간섭(유출)되지 않도록 하는 장치이다. 즉 X축에서 Y축으로는 전류가 흐르지 않으며 마찬가지로 Y축에서 X축으로 전류가 흐르지 않도록 전류 간을 격리한다. 즉, 이 전류 분배 부재(30)는 전류가 한 방향의 축으로만 전류가 흐르게 하는 역할을 수행한다. 이 전류 분배 부재(30)를 통해 각 축의 방향의 전류는 해당 축으로만 흐르게 되고 이는 그 축의 길이변화만을 유도하게 된다.
도 4와 같이, 이와 같이 본 발명은 내부에 별도의 골격(프레임) 없이 격자 형태로 복수의 형상기억 합금 부재(10)를 X, Y축으로 배치하고, 그 표면에 커버 형태로 형상기억 폴리머 부재(12)를 장착함으로써, 내부에 별도의 골격이 필요치 않아 경량화가 가능하고, 구조적으로 단순화시킬 수 있다.
본 발명을 통하여, 형상 기억 합금 부재(10)에 전류를 흘려보내고, 이 과정에서 발생한 열을 이용하여 형상을 구현한다. 이때, 이 형상 구현은 하나의 전류원으로부터 서로 다른 방향을 포함한 2방향 이상의 형상을 구현할 수 있으므로, 종래의 방식보다 더 자유로운 형상을 구현할 수 있으며, 제작 단가면에서도 훨씬 유리하다 볼 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.
10 : 형상기억 합금 부재
11 : Y축 형상 기억 합금
12 : X축 형상 기억 합금
20 : 형상 기억 폴리머 부재
30 : 전류 분배 부재

Claims (5)

  1. 전류의 세기에 의해 형상기억합금을 변형시켜 형상을 구현하기 위한 형상구현장치로서,
    복수 개가 서로 수평 상에서 교차하도록 배치된 코일형상으로 일정길이를 갖는 형상기억 합금 부재; 및
    상기 형상기억 합금 부재의 전면 또는 후면 중 적어도 하나를 덮도록 일정면적을 갖는 박막 형태로 제공된 형상기억 폴리머 부재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 형상구현장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 형상기억 합금 부재는 서로 격자형상으로 교차배치된 것을 특징으로 하는 형상구현장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    복수 개의 상기 형상기억 합금 부재의 X축의 형상기억 합금 부재와 Y축의 형상기억 합금 부재의 교차지점에 설치되어 상호 전류가 간섭되는 것을 차단하기 위한 전류 분배 부재를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 형상구현장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전류 분배 부재는 절연 재질로 이루어지고,
    상기 X축의 형상기억 합금 부재와 상기 Y축의 형상기억 합금 부재의 교차점의 사이에서 이격된 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 형상구현장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 형상기억 합금 부재는 서로 다른 전류 세기에서 변형되는 것을 특징으로 하는 형상구현장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017183893A3 (ko) * 2016-04-18 2018-08-02 광주과학기술원 4d 프린팅 어셈블리 구조물

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