KR20160088093A - 인공 근육 - Google Patents

인공 근육 Download PDF

Info

Publication number
KR20160088093A
KR20160088093A KR1020150007345A KR20150007345A KR20160088093A KR 20160088093 A KR20160088093 A KR 20160088093A KR 1020150007345 A KR1020150007345 A KR 1020150007345A KR 20150007345 A KR20150007345 A KR 20150007345A KR 20160088093 A KR20160088093 A KR 20160088093A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit
actuating part
electrode layer
electroactive polymer
electric energy
Prior art date
Application number
KR1020150007345A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102209508B1 (ko
Inventor
윤성률
경기욱
남세광
박봉제
박선택
Original Assignee
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자통신연구원 filed Critical 한국전자통신연구원
Priority to KR1020150007345A priority Critical patent/KR102209508B1/ko
Priority to US14/817,386 priority patent/US9662197B2/en
Publication of KR20160088093A publication Critical patent/KR20160088093A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102209508B1 publication Critical patent/KR102209508B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/08—Muscles; Tendons; Ligaments
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/1075—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with muscles or tendons
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
    • A61F2/08—Muscles; Tendons; Ligaments
    • A61F2002/0894—Muscles
    • A61F2002/482—
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2002/5066—Muscles
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2210/00—Particular material properties of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
    • A61F2210/0014—Particular material properties of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof using shape memory or superelastic materials, e.g. nitinol
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2210/00—Particular material properties of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
    • A61F2210/0057—Particular material properties of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof stretchable
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2210/00—Particular material properties of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
    • A61F2210/0066—Particular material properties of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof shrinkable
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2230/00—Geometry of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
    • A61F2230/0063—Three-dimensional shapes
    • A61F2230/0069—Three-dimensional shapes cylindrical
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2250/00—Special features of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
    • A61F2250/0001—Means for transferring electromagnetic energy to implants
    • A61F2250/0002—Means for transferring electromagnetic energy to implants for data transfer

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Rheumatology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Rehabilitation Therapy (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

소형화가 가능하고, 정밀 운동 구현이 가능하며, 근육의 필요 출력에 따른 선택적 이완/수축 거동이 가능한 인공 근육에 관한 기술이 개시된다. 인공 근육은 인가되는 전기 에너지에 기초하여 이완(Relaxation) 변형이 발생하는 전기 활성 고분자를 포함하는 제1 작동부, 인가되는 전기 에너지에 기초하여 열 에너지를 발생하는 가열부, 가열부에서 발생하는 열 에너지에 기초하여 수축(Contraction) 변형이 발생하는 얀(Yarn) 구조의 제2 작동부 및 제1 작동부 및 가열부에 전기 에너지를 인가하는 제어부를 포함한다.

Description

인공 근육{ARTIFICIAL MUSCLE}
본 발명은 인공 근육에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체의 운동을 담당하는 근육의 특성을 모사할 수 있는 생체모방형 인공 근육에 관한 것이다.
인공 근육은 인체의 운동을 담당하는 근육과 비슷한 구동 특성 및 물리적 성질을 가지는 구동 물질이나 장치를 말한다. 이러한 인공 근육의 궁극적인 목표는 인체의 근육과 최대한 유사하게 만들어 인체 근육의 대용(代用) 기능을 수행하는 것이다.
현재, 인공 근육은 유압을 이용한 인공 근육 또는 형상 기억 합금(shape memory alloy; SMA)을 이용한 인공 근육 등이 있다.
유압을 이용한 인공 근육은 응답 특성이 우수한 반면, 고성능을 내기 위해 규모가 큰 공압 장비가 필요함에 따라 소형화가 어렵다는 문제점이 있다.
형상 기억 합금을 이용한 인공 근육은 큰 출력을 낼수 있는 반면, 열에 의한 변형을 기반으로 하므로 외부의 온도에 민감하게 반응할 수 있어 내환경성이 우수하지 못하고, 정밀 제어가 어려워 정밀 운동 구현이 불가능하다는 문제점이 있다.
따라서, 소형화 및 정밀 운동 구현이 가능한 새로운 인공 근육에 대한 연구가 필요한 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 소형화가 가능하고, 정밀 운동 구현이 가능하며, 근육의 필요 출력에 따른 선택적 이완/수축 거동이 가능한 인공 근육을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 인공 근육은 인가되는 전기 에너지에 기초하여 이완(relaxation) 변형이 발생하는 전기 활성 고분자를 포함하는 제1 작동부, 상기 이완 변형된 제1 작동부를 복원시키는 변형 복원부 및 상기 전기 에너지를 인가하는 제1 제어부를 포함한다.
여기에서, 상기 제1 작동부는 상기 전기 활성 고분자를 포함하는 전기 활성 고분자층, 상기 전기 활성 고분자층의 상부와 하부에 각각 위치하고, 상기 전기 에너지를 인가받는 상부 및 하부 전극층 및 상기 상부 전극층의 상부와 상기 하부 전극층의 하부에 각각 위치하고, 상기 상부 전극층과 상기 하부 전극층 각각을 절연하는 상부 및 하부 절연층을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 전기 활성 고분자층은 적어도 하나의 박막형 전기 활성 고분자층을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 제1 작동부는 관 형상을 가질 수 있다.
여기에서, 상기 변형 복원부는 상기 제1 작동부의 내부에 위치하고, 스프링을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 제1 제어부는 상기 제1 작동부의 변형량을 센싱하는 제1 센싱부 및 상기 제1 센싱부의 센싱된 변형량에 기초하여 상기 전기 에너지를 조절하는 제1 전원 조절부를 포함할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 인공 근육은 인가되는 전기 에너지에 기초하여 열 에너지를 발생하는 가열부, 상기 가열부에서 발생하는 열 에너지에 기초하여 수축(contraction) 변형이 발생하는 얀(Yarn) 구조의 제2 작동부 및 상기 전기 에너지를 인가하는 제2 제어부를 포함한다.
여기에서, 상기 가열부는 스프링을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 제2 작동부는 상기 가열부의 내부에 위치할 수 있다.
여기에서, 상기 스프링은 냉각 유체를 유동시킬 수 있는 중공 형상을 가질 수 있다.
여기에서, 상기 제2 제어부는 상기 제2 작동부의 변형량을 센싱하는 제2 센싱부 및 상기 제2 센싱부의 센싱된 변형량에 기초하여 상기 전기 에너지를 조절하는 제2 전원 조절부를 포함할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 인공 근육은 인가되는 전기 에너지에 기초하여 이완(Relaxation) 변형이 발생하는 전기 활성 고분자를 포함하는 제1 작동부, 인가되는 전기 에너지에 기초하여 열 에너지를 발생하는 가열부, 상기 가열부에서 발생하는 열 에너지에 기초하여 수축(Contraction) 변형이 발생하는 얀(Yarn) 구조의 제2 작동부 및 상기 제1 작동부 및 상기 가열부에 전기 에너지를 인가하는 제어부를 포함한다.
여기에서, 상기 제1 작동부는 상기 전기 활성 고분자를 포함하는 전기 활성 고분자층, 상기 전기 활성 고분자층의 상부와 하부에 각각 위치하고, 상기 전기 에너지를 인가받는 상부 및 하부 전극층 및 상기 상부 전극층의 상부와 상기 하부 전극층의 하부에 각각 위치하고, 상기 상부 전극층과 상기 하부 전극층 각각을 절연하는 상부 및 하부 절연층을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 전기 활성 고분자층은 적어도 하나의 박막형 전기 활성 고분자층을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 제1 작동부는 관 형상을 가질 수 있다.
여기에서, 상기 가열부는 상기 제1 작동부의 내부에 위치하고, 스프링을 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 제2 작동부는 상기 가열부 내부에 위치할 수 있다.
여기에서, 상기 스프링은 냉각 유체를 유동시킬 수 있는 중공 형상을 가질 수 있다.
여기에서, 상기 스프링은 중공 실린더 형태를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 제어부는 상기 제1 작동부의 변형량을 센싱하고, 상기 센싱된 제1 작동부의 변형량에 기초하여 상기 제1 작동부에 인가되는 전기 에너지를 조절하는 제1 제어부 및 상기 제2 작동부의 변형량을 센싱하고, 상기 센싱된 제2 작동부의 변형량에 기초하여 가열부에 인가되는 전기 에너지를 조절하는 제2 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 유연성 및 신축성이 우수한 고분자 물질 또는 나노 물질을 기반으로 제1 작동부와 제2 작동부를 구성함으로써 소형화가 가능할 뿐만 아니라 유연성이 더욱 향상될 수 있다는 효과가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 이완 변형을 발생시키는 전기 활성 고분자를 포함하는 제1 작동부, 수축 변형을 발생시키는 나노 물질 또는 고분자 물질을 포함하는 얀(yarn)구조 기반의 제2 작동부 및 제1 작동부와 제2 작동부에 대한 이완/수축 거동을 근육의 필요 출력에 상응하여 선택적으로 제어하는 제어부로 구성됨으로써 정밀 운동 구현이 가능하고, 근육의 필요 출력에 따른 선택적 이완/수축 거동이 가능하다는 효과가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 인체의 운동을 담당하는 (근섬유, 운동 신경/중추, 스핀들, 골지체 및 혈관 등으로 구성된) 근육 또는 로봇에 적용될 수 있다는 효과가 제공된다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 재활용 의료 기기, 정밀 로봇 또는 생활 지원 로봇에 적용될 수 있다는 효과가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이완(relaxation) 변형이 발생하는 인공 근육을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이완 변형이 발생하는 제1 작동부를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 제어부를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이완 변형이 발생하는 인공 근육을 손가락에 적용한 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수축(contraction) 변형이 발생하는 인공 근육을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열부 및 수축 변형이 발생하는 제2 작동부를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 제어부를 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이완(relaxation)/ 수축(contraction) 변형이 발생하는 인공 근육을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부를 나타내는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이완/수축 변형이 발생하는 인공 근육을 팔에 적용한 모습을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이완/수축 변형이 발생하는 인공 근육을 로봇 팔에 적용한 모습을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로도 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며, 절대적인 방향을 의미하는 것처럼 한정적으로 이해되어서는 안 된다. 이와 더불어서, 본 명세서에서 "제1" 또는 "제2"는 구성요소들에 어떠한 한정을 가하려는 것은 아니며, 다만 구성요소들을 구별하기 위한 용어로서 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이완(relaxation) 변형이 발생하는 인공 근육을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예 따른 이완 변형이 발생하는 인공 근육(100)은 제1 작동부(110), 변형 복원부(120) 및 제1 제어부(140)를 포함한다.
제1 작동부(110)는 후술할 제1 제어부(140)에 연결될 수 있다. 제1 작동부(110)는 제1 제어부(140)로부터 전기 에너지를 인가받을 수 있다. 제1 작동부(110)는 인가되는 전기 에너지에 기초하여 이완(Relaxation) 변형이 발생하는 전기 활성 고분자(electro-active polymer; EAP)를 포함할 수 있다.
전기 활성 고분자는 전기 에너지가 인가되면 이온의 이동과 확산, 쌍극자의 배열 또는 정전기력에 의해 기계적 변형을 일으키는 물질이며, 기계적 변형을 가하면 전기 에너지를 발생시키는 일종의 기능성 고분자를 의미할 수 있다.
일 예에서, 전기 활성 고분자는 이온성 전기 활성 고분자(ionic EAP) 또는 전자성 전기 활성 고분자(electronic EAP)를 포함할 수 있다.
여기에서, 이온성 전기 활성 고분자는 전기 에너지 인가 시, 이온의 이동과 확산에 의해 수축 또는 팽창을 일으키는 고분자를 의미할 수 있다. 또한, 이온성 전기 활성 고분자는 전기유변 유체(electrorheological fluid; ERF), 탄소나노튜브(carbon nanotube; CNT), 전도성 고분자(conducting polymer; CP), 이온성 고분자 금속 복합체(ionic polymer metal composite, IPMC) 또는 이온성 고분자 겔(ionic polymer gel, IPG)을 포함할 수 있다.
여기에서, 전자성 전기 활성 고분자는 전기 에너지 인가 시, 전자 분극(Polarization) 현상에 의해 수축 또는 팽창을 일으키는 고분자를 의미할 수 있다. 또한, 전자성 전기 활성 고분자는 액정 탄성체(liquid crystal elastomer; LCE), 전기-점탄성 탄성체(electro-viscoelastic elastomer), 유전성 탄성체(dielectric elastomer; EP), 강유전성 고분자(ferroelectric polymer), 전기 변형 탄성체(electrostrictive graft elastomer) 또는 전기변형 종이(electrostrictive paper)를 포함할 수 있다.
다른 예에서, 전기 활성 고분자는 전기의 극성은 전달하지만, 전자를 이동시키지 못하는 유전체를 포함할 수 있다.
제1 작동부(110)는 관 형상을 가질 수 있다. 즉, 제1 작동부(110)는 중공을 포함할 수 있다. 관과 중공은 다양한 형상를 포함할 수 있다. 일 예에서, 관과 중공은 도면에 도시된 바와 같이 원기둥 형상을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 원뿔 형상을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 관과 중공은 사각 기둥 형상, 오각 기둥 형상 또는 육각 기둥 형상 등의 다각 기둥 형상을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 관과 중공은 사각 뿔 형상, 오각 뿔 형상 또는 육각 뿔 형상 등의 다각 뿔 형상을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 관과 중공은 타원기둥 형상 또는 타원기둥 뿔 형상을 포함할 수 있다.
변형 복원부(120)는 이완 변형된 제1 작동부(110)를 복원시킬 수 있다. 즉, 변형 복원부(120)는 제1 작동부(110)가 이완 변형되었을 때, 이완 변형된 제1 작동부(110)를 원래의 모습으로 복원시킬 수 있다.
변형 복원부(120)는 스프링을 포함할 수 있다. 즉, 변형 복원부(120)는 인가되는 전기 에너지에 기초하여 이완 변형이 발생된 제1 작동부(110)의 빠른 복원을 위해, 제1 작동부(110)가 발생시킬 수 있는 변형힘을 고려하여 적합한 강성을 가진 복원 스프링을 포함할 수 있다. 하지만, 변형 복원부(120)는 복원 스프링에 한정되는 것은 아니고 제1 작동부(110)의 변형을 복원시킬 수 있다면 어떠한 스프링이라도 포함할 수 있다. 특히, 스프링은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육의 사용 용도에 따라 직경을 조절하여 사용할 수 있다.
일 예에서, 스프링은 변형 후, 탄성 복원에 유리한 금속 물질을 포함하는 금속 스프링을 포함할 수 있다. 금속 스프링은 강(일 예로, 탄소강 또는 합금강) 스프링 또는 비철금속(일 예로, 동합금 또는 니켈합금) 스프링을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 스프링은 열 전도성과 강성이 우수한 비금속 물질을 포함하는 비금속 스프링을 포함할 수 있다. 비금속 스프링은 고무 스프링, 유체(일 예로, 공기 또는 액체) 스프링 또는 합성수지 스프링을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 스프링은 코일 스프링, 판 스프링, 벌류트 스프링, 원륜 스프링, 태엽 스프링, 접시 스프링, 와셔 스프링, 스냅 스프링 또는 토션 바 스프링을 포함할 수 있다. 코일 스프링은 압축 코일 스프링, 인장 코일 스프링 또는 비틀림 코일 스프링을 포함할 수 있다. 판 스프링은 단일판 스프링 또는 겹판 스프링을 포함할 수 있다.
변형 복원부(120)는 제1 작동부(110)의 내부에 위치할 수 있다. 즉, 변형 복원부(120)는 제1 작동부(110)가 관 형상일 때, 관의 내부 즉, 관의 중공에 위치할 수 있다. 일 예에서, 변형 복원부(120)는 관의 내면에 접촉하여 위치할 수 있다. 다른 예에서, 도면에 도시된 바와 같이 관이 원기둥 형상을 일 때, 변형 복원부(120)는 관의 내주면에 접촉하여 위치할 수 있다. 여기에서, 관의 내면과 관의 내주면은 하부 절연층(116b)의 하부면일 수 있다.
제1 제어부(140)는 상술한 제1 작동부(110)에 연결될 수 있다. 제1 제어부(140)는 제1 작동부(110)에게 전기 에너지를 인가할 수 있다. 특히, 제1 제어부(140)는 제1 작동부(110)의 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)에게 전기 에너지를 인가할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이완 변형이 발생하는 제1 작동부를 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이완 변형이 발생하는 제1 작동부(110)는 전기 활성 고분자층(112), 상부 전극층(114a), 하부 전극층(114b), 상부 절연층(116a) 및 하부 절연층(116b)을 포함할 수 있다.
전기 활성 고분자층(112)은 인가되는 전기 에너지에 기초하여 이완 변형이 발생하는 전기 활성 고분자를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 전기 활성 특성을 가지는 다양한 물질들을 포함할 수 있다. 전기 활성 고분자는 도 1을 참조하여 상술한 전기 활성 고분자와 동일하므로 설명의 간명성을 위해 상세한 설명은 생략한다.
전기 활성 고분자층(112)은 특히 유전성 전기 활성 고분자들을 포함할 수 있다. 이러한 유전성 전기 활성 고분자들은 유연하고, 탄성을 가지며, 인가되는 전기 에너지에 의해 가역적 변형 응답 특성을 가지며, 인가되는 전기 에너지(일 예로, 전압)의 크기에 따라 변형 정도가 조절될 수 있다.
전기 활성 고분자층(112)은 인가되는 전기 에너지에 기초하여 변형 특성을 향상시키기 위하여 적어도 하나의 박막형 전기 활성 고분자층을 포함할 수 있다. 일 예에서, 전기 활성 고분자층(112)은 하나의 박막형 전기 활성 고분자층으로 구성될 수 있다. 다른 예에서, 전기 활성 고분자층(112)은 복수의 박막형 전기 활성 고분자층이 적층되어 구성될 수 있다. 여기에서, 박막형 전기 활성 고분자는 강성이 우수한 물질을 포함할 수 있다.
상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 전기 활성 고분자층(112)의 상부와 하부에 각각 위치할 수 있다. 즉, 상부 전극층(114a)은 전기 활성 고분자층(112)의 상부에 위치할 수 있고, 하부 전극층(114b)은 전기 활성 고분자층(112)의 하부에 위치할 수 있다.
상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 후술할 제1 제어부(140)에 연결될 수 있다. 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 제1 제어부(140)로부터 전기 에너지를 인가받을 수 있다. 여기에서, 전기 에너지는 전압 또는 전류를 포함할 수 있다.
일 예에서, 상부 전극층(114a)은 제1 제어부(140)로부터 전기 에너지를 인가받을 수 있고, 하부 전극층(114b)은 접지될 수 있다. 다른 예에서, 상부 전극층(114a)은 접지될 수 있고, 하부 전극층(114b)은 제1 제어부(140)로부터 전기 에너지를 인가받을 수 있다. 다른 예에서, 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 제1 제어부(140)로부터 서로 다른 크기를 가지는 전기 에너지를 인가받을 수 있다.
상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 일 예에서, 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 하나의 전극으로 구성될 수 있다. 다른 예에서, 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 복수의 전극으로 구성될 수 있다. 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)이 복수의 전극으로 구성되는 경우, 복수의 전극 각각은 제1 제어부(140)로부터 동일한 크기를 가지는 전기 에너지를 각각 인가받거나 서로 다른 크기를 가지는 전기 에너지를 각각 인가받을 수 있다.
상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 전기 활성 고분자층(112)의 반복적인 변형에도 우수한 내구성을 가지도록 신축성이 우수한 전극과 신축성을 보장할 수 있는 전극 구조를 사용할 수 있다.
신축성 전극은 나노 물질 기반 신축성 전극을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 신축성이 있는 전극이라면 어떠한 전극이라도 사용가능하다.
여기에서, 나노 물질 기반 신축성 전극은 금속 나노입자, 탄소나노튜브 또는 탄소 나노입자 등과 같은 전기 전도도를 가진 전도성 필러와 높은 탄성 특성을 가지는 고무의 복합화에 의해 제작된 전도성 복합 물질을 기반으로 구현될 수 있다.
신축성 전극은 주름 구조 전극, 헤링본(herringbone) 구조 전극 또는 그물 구조 전극을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 신축성이 있는 전극 구조라면 어떠한 전극 구조라도 사용가능하다.
상술한 바와 같이, 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 신축성이 우수한 전극과 신축성을 보장할 수 있는 전극 구조를 사용함으로써 상부 전극층(114a)과 하부 전극층(114b) 사이에 위치하는 전기 활성 고분자층(112)의 면적이 평면 방향으로 수축 또는 팽창하면 이에 상응하여 면적이 수축 또는 팽창할 수 있다.
상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)은 투명 전극(transparent electrode)을 포함할 수 있다. 일 예에서, 투명 전극은 산화물 투명 전극, 탄화물 투명 전극, 금속형 투명 전극 또는 하이브리드형 투명 전극을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 투명 전극은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO) 투명 전극, 아연 산화물(Zno) 투명 전극, 주석 산화물(SnO2) 투명 전극, 고분자 투명 전극(일 예로, PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrene sulfonate)) 투명 전극), 탄소나노튜브(carbon nano tube; CNT) 투명 전극, 그래핀(grapheme) 투명 전극, 은나노와이어(silver nanowire) 투명 전극 또는 다층 구조 투명 전극을 포함할 수 있다.
상부 절연층(116a) 및 하부 절연층(116b)은 상부 전극층(114a)의 상부와 하부 전극층(114b)의 하부에 각각 위치할 수 있다. 즉, 상부 절연층(116a)은 상부 전극층(114a) 상부에 위치할 수 있고, 하부 절연층(116b)은 하부 전극층(114b) 하부에 위치할 수 있다.
상부 절연층(116a) 및 하부 절연층(116b)은 상부 전극층(114a)과 하부 전극층(114b) 각각을 절연할 수 물질, 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)에 인가되는 전기 에너지에 의한 방전을 방지할 수 있는 물질 및 상부 전극층(114a)과 하부 전극층(114b) 사이에 위치하는 전기 활성 고분자층(112)의 면적이 수축 또는 팽창하면 이에 상응하여 면적이 수축 또는 팽창할 수 있는 신축성이 있는 물질 중에서 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
일 예에서, 상부 절연층(116a) 및 하부 절연층(116b)은 전기 활성 고분자층(112)의 변형 저하를 막기 위해 전기 활성 고분자층(112)에 포함된 동종의 물질을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 상부 절연층(116a) 및 하부 절연층(116b)은 전기 활성 고분자층(112)에 포함된 물질보다 강성이 낮은 탄성 유전성 물질을 포함할 수 있다.
계속해서 도 2를 참조하면, (a)는 전기 에너지 인가 전 제1 작동부(110)를 나타내는 단면도이고, (b)는 전기 에너지 인가 후 제1 작동부(110)를 나타내는 단면도이다.
제1 작동부(110)에 전기 에너지가 인가 되지 않으면, 제1 작동부(110)는 (a)에 도시된 바와 같이 이완 변형이 발생하지 않을 수 있다.
이후, 제1 작동부(110)에 전기 에너지가 인가되면, 제1 작동부(110)는 (b)에 도시된 바와 같이 이완 변형이 발생할 수 있다. 즉, 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)에 전기 에너지가 인가되면, 전기 활성 고분자층(112)은 인가되는 전기 에너지에 상응하여 평면 방향으로 면적이 팽창하고, 상부 및 하부 전극층(114b)과 상부 및 하부 절연층(116b)은 팽창된 전기 활성 고분자층(112)에 상응하여 평면 방향으로 면적이 팽창할 수 있다.
이후, 제1 작동부(110)에 인가되는 전기 에너지를 감소시키면, 이완 변형된 제1 작동부(110)는 (a)에 도시된 바와 같이 원래의 모습으로 복원할 수 있다. 즉, 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)에 인가되는 전기 에너지를 감소시키면, 전기 활성 고분자층(112)은 감소되는 전기 에너지에 상응하여 평면 방향으로 늘어난 면적이 감소할 수 있고, 상부 및 하부 전극층(114b)과 상부 및 하부 절연층(116b)은 수축된 전기 활성 고분자층(112)에 상응하여 평면 방향으로 늘어난 면적이 감소할 수 있다. 이때, 이완 변형된 제1 작동부(110)는 변형 복원부(120)를 통해 빠르게 복원할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 제어부를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 제어부(140)는 제1 센싱부(142) 및 제1 전원 조절부(144)를 포함할 수 있다.
제1 센싱부(142)는 제1 작동부(110) 및 변형 복원부(120)에 연결될 수 있다. 제1 센싱부(142)는 제1 작동부(110) 및 변형 복원부(120)에 대한 정보들을 센싱할 수 있다. 일 예에서, 제1 센싱부(142)는 제1 작동부(110) 및 변형 복원부(120)에 대한 정보들을 주기적으로 센싱할 수 있다. 다른 예에서, 제1 센싱부(142)는 제1 작동부(110) 및 변형 복원부(120)에 대한 정보들을 실시간으로 센싱할 수 있다. 제1 센싱부(142)는 센싱된 정보들을 전기적 신호로 변환하고, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 후술할 제1 전원 조절부(144)에게 제공할 수 있다.
제1 작동부(110) 및 변형 복원부(120)에 대한 정보들은 제1 작동부(110) 및 변형 복원부(120)에 대한 길이 정보, 형상 정보, 각도 정보 또는 위치 정보 등의 변위량 정보들과 중량 정보, 온도 정보, 열 정보, 압력 정보 또는 전기량 정보 등의 물리량 정보들을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 센싱부(142)는 리미트 센서(limit sensor), 압력 센서, 리드 센서(reed sensor), 광 센서, 근접 센서, 초음파 센서, 전류 센서, 전압 센서, 온도 센서, 변형량 센서 또는 열 센서를 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 작동부(110) 및 변형 복원부(120)에 대한 변위량 정보들과 물리량 정보들을 센싱할 수 있는 센서라면 어떠한 센서라도 포함할 수 있다.
제1 센싱부(142)는 제1 작동부(110)의 변형량을 센싱할 수 있다. 제1 센싱부(142)는 센싱된 제1 작동부(110)의 변형량을 전기적 신호로 변환하고, 제1 작동부(110)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 후술할 제1 전원 조절부(144)에게 제공할 수 있다.
제1 전원 조절부(144)는 전기 에너지를 제1 작동부(110)에 공급하는 장치 또는 회로로서, 그 구체적인 구성에 특별한 제한이 없다.
제1 전원 조절부(144)는 제1 센싱부(142)에 연결될 수 있다. 제1 전원 조절부(144)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 제1 센싱부(142)로부터 제공받을 수 있다. 제1 전원 조절부(144)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호에 기초하여 전기 에너지를 조절하고, 조절된 전기 에너지를 상술한 제1 작동부(110)에게 인가할 수 있다.
여기에서, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호는 제1 작동부(110)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 포함할 수 있다.
여기에서, 제1 전원 조절부(144)는 조절된 전기 에너지를 제1 작동부(110)의 상부 전극층(114a) 및 하부 전극층(114b)에게 인가할 수 있다.
제1 전원 조절부(144)는 제1 전원 제어부(144-1), 제1 전원 변환부(144-2), 제1 배터리(144-3), 제1 전원 분배부(144-4)를 포함할 수 있다. 제1 전원 조절부(144)는 제1 배터리 충전부(144-5)를 더 포함할 수 있다.
제1 전원 제어부(144-1)는 제1 센싱부(142)에 연결될 수 있다. 제1 전원 제어부(144-1)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 제1 센싱부(142)로부터 제공받을 수 있다. 여기에서, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호는 제1 작동부(110)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 포함할 수 있다.
제1 전원 제어부(144-1)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호와 기준 신호를 비교하고, 비교 결과에 따라 제1 제어 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제1 전원 제어부(144-1)는 피드백 제어를 통해 제1 제어 신호를 생성할 수 있다. 피드백 제어는 비례 제어(proportional control; P제어), 비례 제어(integral control; I 제어) 및 미분 제어(differential control; D 제어) 중에서 적어도 어느 하나의 제어 방법을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전원 제어부(144-1)는 제1 제어 신호를 후술할 제1 전원 변환부(144-2)에게 제공할 수 있다.
제1 전원 제어부(144-1)는 상술한 피드백 제어를 통해 제1 제어 신호를 생성할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 어떠한 제어 방법을 사용하여도 무방하다.
제1 전원 변환부(144-2)는 제1 전원 제어부(144-1)와 제1 배터리(144-3)에 연결될 수 있다. 제1 전원 변환부(144-2)는 제1 전원 제어부(144-1)로부터 제1 제어 신호를 제공받을 수 있다. 제1 전원 변환부(144-2)는 제1 제어 신호에 기초하여 제1 배터리(144-3)의 전원을 변환하고, 변환된 전원에 상응하는 전기 에너지를 생성할 수 있다. 여기에서, 제1 전원 변환부(144-2)는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)를 포함할 수 있다. 여기에서, 전기 에너지는 전류 또는 전압을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전원 변환부(144-2)는 전기 에너지를 제1 작동부(110)에 인가하거나 후술할 제1 전원 분배부(144-4)에게 제공할 수 있다.
제1 전원 분배부(144-4)는 제1 전원 변환부(144-2)에 연결될 수 있다. 제1 전원 분배부(144-4)는 제1 전원 변환부(144-2)로부터 전기 에너지를 제공받을 수 있다. 제1 전원 분배부(144-4)는 전기 에너지를 분배하여 서로 다른 크기를 가지는 조절된 전기 에너지를 생성할 수 있다. 여기에서, 제1 전원 분배부(144-4)는 SMPS(Switching Mode Power Supply)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전원 분배부(144-4)는 조절된 전기 에너지를 제1 작동부(110)에게 인가할 수 있다.
제1 배터리 충전부(144-5)는 외부의 전원에 연결될 수 있다. 제1 배터리 충전부(144-5)는 외부의 전원으로부터 충전 에너지를 제공받을 수 있다. 여기에서, 충전 에너지는 전류 또는 전압을 포함할 수 있다. 또한, 제1 배터리 충전부(144-5)는 충전 에너지에 기초하여 제1 배터리(144-3)를 충전할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이완 변형이 발생하는 인공 근육을 손가락에 적용한 모습을 나타내는 도면이다.
(a)는 손가락에 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육이 이완 변형이 발생되기 전의 모습을 나타내는 도면이고, (b)는 손가락에 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육이 이완 변형된 후의 모습을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이완 변형이 발생하는 인공 근육(100)은 정밀 제어형 인공 근육으로 이용될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이완 변형이 발생하는 인공 근육(100)은 전기 활성 고분자층(112)을 포함하는 제1 작동부(110)와 제1 작동부(110)를 복원시키는 변형 복원부(120)를 결합하여 인공 근육의 이완 변형과 원형 복원을 가능하게 함에 따라 손가락과 같이 소량의 힘과 정밀한 움직임이 필요한 인체의 근육에 적용할 수 있다.
이때, 손가락 등과 같은 인체의 근육에 대한 다향한 형태의 정밀 움직임 구현을 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이완 변형이 발생하는 인공 근육(100)은 손가락 등과 같은 인체의 근육 여러 부위에 여러 개를 배치할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 작동부(110)에 포함된 전기 활성 고분자층(112)의 수 또는 전기 활성 고분자 층에 포함된 전기 활성 고분자의 물성을 조절하여 손가락 등과 같은 인체의 근육 각각 부위에 사용되는 힘의 범위에 상응하여 다양한 구동힘을 낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수축(contraction) 변형이 발생하는 인공 근육을 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수축 변형이 발생하는 인공 근육(200)은 가열부(220), 제2 작동부(230) 및 제2 제어부(240)를 포함한다. 또한, 절연부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
가열부(220)는 후술할 제2 제어부(240)에 연결될 수 있다. 가열부(220)는 제2 제어부(240)로부터 전기 에너지를 인가받을 수 있다. 가열부(220)는 인가되는 전기 에너지에 기초하여 열 에너지를 발생할 수 있다. 가열부(220)에서 발생된 열 에너지는 후술할 제2 작동부(230)에게 제공될 수 있다. 가열부(220)는 열 전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다.
즉, 가열부(220)는 제2 작동부(230)를 수축 변형시킬 수 있다. 다시 말해, 가열부(220)는 제2 제어부(240)로부터 인가되는 전기 에너지를 열 에너지로 변환할 수 있고, 변환된 열 에너지는 가열부(220)를 통해 제2 작동부(230)에게 제공될 수 있으며, 제2 작동부(230)는 가열부(220)로부터 제공받은 열 에너지에 기초하여 수축 변형이 발생할 수 있다.
여기에서, 가열부(220)는 인가되는 전기 에너지를 열 에너지로 변환할 수 있는 가열판을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 인가되는 전기 에너지를 열 에너지로 변환할 수 있다면 어떠한 장치 또는 회로를 포함할 수 있다.또한, 가열부(220)는 수축 변형된 제2 작동부(230)를 복원시킬 수 있다. 즉, 가열부(220)는 제2 작동부(230)가 수축 변형되었을 때, 수축 변형된 제2 작동부(230)를 원래의 모습으로 복원시킬 수 있다.
가열부(220)는 스프링을 포함할 수 있다. 즉, 가열부(220)는 열 에너지에 기초하여 수축 변형이 발생된 제2 작동부(230)의 빠른 복원을 위해, 제2 작동부(230)가 발생시킬 수 있는 변형힘을 고려하여 적합한 강성을 가진 복원 스프링을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 제2 작동부(230)의 변형을 복원시킬 수 있다면 어떠한 스프링이라도 포함할 수 있다. 특히, 스프링은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육의 사용 용도에 따라 직경을 조절하여 사용할 수 있다. 스프링은 도 1을 참조하여 상술한 스프링과 동일하므로 설명의 간명성을 위하여 생략한다.
가열부(220)는 수축 변형된 제2 작동부(230)의 변형 복원에 필요한 냉각을 위해, 냉각 유체를 유동시킬 수 있는 중공(222) 형상을 가질 수 있다. 일 예에서, 가열판은 냉각 유체를 유동시킬 수 있는 중공 형상을 가질 수 있다. 다른 예에서, 스프링은 냉각 유체를 유동시킬 수 있는 중공 형상을 가질 수 있다.
즉, 제2 작동부(230)가 수축 변형된 후, 가열부(220)는 중공(222)을 통해 냉각 유체가 순환 유동되어 냉각될 수 있다. 따라서, 가열되어 수축 변형된 제2 작동부(230)는 냉각되는 가열부(220)에 상응하여 냉각이 유도되어 원래의 모습으로 복원될 수 있다.또한, 가열부(220)는 닫힌 공간으로 하는 중공 실린더 형태를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 특정 방향으로 열 전달을 낮게할 수 있는 다양한 구조를 포함할 수 있다. 일 예에서, 가열판은 중공 실린더 형태를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 스프링은 중공 실린더 형태를 포함할 수 있다.
냉각 유체는 냉각수, 냉각유 또는 부동액 등 액체를 사용할 수도 있고, 기체 상태의 냉각가스 등을 사용할 수도 있지만 이에 한정하지 않고 열 전달율이 좋은 유체를 선택적으로 사용할 수 있다.
또한, 가열부(220)는 냉각 유체가 지속적으로 중공(222)에 순환될 수 있도록 끝부분에 펌프(미도시)를 더 포함할 수 있다. 펌프(미도시)는 후술할 제2 제어부(240)에 의해 제어될 수 있다.
절연부(미도시)는 가열부(220) 표면에 형성될 수 있다. 절연부(미도시)는 가열부(220)를 절연할 수 물질, 가열부(220)에 인가되는 전기 에너지에 의한 방전을 방지할 수 있는 물질 및 가열부(220)의 면적이 수축 또는 팽창하면 이에 상응하여 면적이 수축 또는 팽창할 수 있는 신축성이 있는 물질 중에서 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
일 예에서, 절연부(미도시)는 가열부(220)의 변형 저하를 막기 위해 가열부(220)에 포함된 동종의 물질을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 절연부(미도시)는 가열부(220)에 포함된 물질보다 강성이 낮은 탄성 유전성 물질을 포함할 수 있다.
제2 작동부(230)는 가열부(220)에서 발생된 열 에너지를 제공받을 수 있다. 제2 작동부(230)는 가열부(220)에서 발생된 열 에너지에 기초하여 수축 변형이 발생하는 얀(yarn)구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 작동부(230)는 얀(yarn)구조를 가짐으로써 강한 수축력을 유도할 수 있다.
얀(yarn) 구조의 제2 작동부(230)는 나노 물질 및 고분자 물질 중에서 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 나노 물질은 탄소 나노 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 탄소 나노 물질은 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 고분자 물질은 전도성 고분자 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 얀(yarn) 구조의 제2 작동부(230)는 나노 물질 및 고분자 물질로 형성됨에 따라 가열부(220)에서 발생된 열 에너지에 의한 수축 변형이 우수할 뿐만 아니라, 가열부(220)의 중공(222)에 순환 유동되는 냉각 유체에 의한 냉각으로 변형 회복도 우수하다.
이때, 얀(yarn) 구조의 제2 작동부(230)는 구성하는 물질(일 예로, 나노 물질 및 고분자 물질)의 강성을 조절하거나 구성하는 물질(일 예로, 나노 물질 및 고분자 물질)의 밀도를 변화시켜 구현하고자 하는 수축힘의 범위를 조절할 수 있다.
제2 제어부(240)는 상술한 가열부(220)에 연결될 수 있다. 제2 제어부(240)는 가열부(220)에게 전기 에너지를 인가할 수 있다.
계속해서 도 5를 참조하면, 상술한 가열부(220), 얀(yarn) 구조의 제2 작동부(230) 및 제2 제어부(240)는 관(210)의 내부 즉, 관(210)의 중공에 위치할 수 있다.
관(210)은 유연하고 탄성을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 즉, 관(210)은 유연하고 탄성을 가지는 물질로 형성됨으로써 얀(yarn) 구조의 제2 작동부(230)가 평면 방향으로 면적이 수축 또는 팽창하면 이에 상응하여 관(210)의 면적이 평면 방향으로 수축 또는 팽창할 수 있다.
관(210)과 중공은 다양한 형상를 포함할 수 있다. 일 예에서, 관(210)과 중공은 도면에 도시된 바와 같이 원기둥 형상을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 원뿔 형상을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 관(210)과 중공은 사각 기둥 형상, 오각 기둥 형상 또는 육각 기둥 형상 등의 다각 기둥 형상을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 관(210)과 중공은 사각 뿔 형상, 오각 뿔 형상 또는 육각 뿔 형상 등의 다각 뿔 형상을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 관(210)과 중공은 타원기둥 형상 또는 타원기둥 뿔 형상을 포함할 수 있다.
가열부(220)는 관(210)의 내부 즉, 관의 중공에 위치할 수 있다. 일 예에서, 가열부(220)는 관(210)의 안쪽에 위치하거나 내면에 접촉하여 위치할 수 있다. 다른 예에서, 도면에 도시된 바와 같이 관(210)이 원기둥 형상을 일 때, 가열부(220)는 관(210)의 내주면에 접촉하여 위치할 수 있다. 가열부(220)는 도면에 도시된 바와 같이 스프링일 수 있다.
제2 제어부(240)는 관(210)의 측면에 위치할 수 있다.
얀(yarn) 구조의 제2 작동부(230)는 가열부(220)(일 예로, 스프링)의 내부에 위치할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열부 및 수축 변형이 발생하는 제2 작동부를 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, (a)는 가열부에 전기 에너지가 인가되기 전의 가열부 및 제2 작동부를 나타내는 단면도이고, (b)는 가열부에 전기 에너지가 인가된 후의 가열부 및 제2 작동부를 나타내는 단면도이다.
여기에서, 제2 작동부(230)는 도면에 도시된 바와 같이 얀(yarn)구조를 가질 수 있다.
가열부(220)에 전기 에너지가 인가되지 않으면, 가열부(220)는 열 에너지를 발생하지 않으므로, 제2 작동부(230)는 (a)에 도시된 바와 같이 수축 변형이 발생하지 않을 수 있다.
이후, 가열부(220)에 전기 에너지가 인가되면, 가열부(220)는 열 에너지를 발생하고, 제2 작동부(230)는 (b)에 도시된 바와 같이 수축 변형이 발생할 수 있다. 즉, 가열부(220)에 전기 에너지가 인가되면, 가열부(220)는 인가되는 전기 에너지에 상응하여 열 에너지를 발생하고, 제2 작동부(230)는 가열부(220)에서 발생된 열 에너지에 상응하여 평면 방향으로 면적이 수축할 수 있으며, 가열부(220)는 수축되는 제2 작동부(230)에 상응하여 평면 방향으로 면적이 수축할 수 있다.
이후, 가열부(220)에 인가되는 전기 에너지를 감소시키면, 수축 변형된 제2 작동부(230)는 (a)에 도시된 바와 같이 원래의 모습으로 복원할 수 있다. 즉, 가열부(220)에 인가되는 전기 에너지를 감소시키면, 가열부(220)는 감소되는 전기 에너지에 상응하여 열 에너지가 감소하고, 수축된 제2 작동부(230)는 가열부(220)에서 감소되는 열 에너지에 상응하여 평면 방향으로 면적이 팽창할 수 있으며, 가열부(220)는 팽창하는 제2 작동부(230)에 상응하여 평면 방향으로 면적이 팽창하여 제2 작동부(230)를 빠르게 복원시킬 수 있다. 이때, 제2 작동부(230)의 빠른 탄성 복원에 필요한 냉각을 위해, 가열부(220)는 중공(222)을 통해 냉각 유체를 유동시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 제어부를 나타내는 블록도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 제어부(240)는 제2 센싱부(242) 및 제2 전원 조절부(244)를 포함할 수 있다.
제2 센싱부(242)는 가열부(220) 및 제2 작동부(230)에 연결될 수 있다. 제2 센싱부(242)는 가열부(220) 및 제2 작동부(230)에 대한 정보들을 센싱할 수 있다. 일 예에서, 제2 센싱부(242)는 가열부(220) 및 제2 작동부(230)에 대한 정보들을 주기적으로 센싱할 수 있다. 다른 예에서, 제2 센싱부(242)는 가열부(220) 및 제2 작동부(230)에 대한 정보들을 실시간으로 센싱할 수 있다. 제2 센싱부(242)는 센싱된 정보들을 전기적 신호로 변환하고, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 후술할 제2 전원 조절부(244)에게 제공할 수 있다.
가열부(220) 및 제2 작동부(230)에 대한 정보들은 가열부(220) 및 제2 작동부(230)에 대한 길이 정보, 형상 정보, 각도 정보 또는 위치 정보 등의 변위량 정보들과 중량 정보, 온도 정보, 열 정보, 압력 정보 또는 전기량 정보 등의 물리량 정보들을 포함할 수 있다. 따라서, 제2 센싱부(242)는 리미트 센서(limit sensor), 압력 센서, 리드 센서(reed sensor), 광 센서, 근접 센서, 초음파 센서, 전류 센서, 전압 센서, 온도 센서, 변형량 센서 또는 열 센서를 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니고, 가열부(220) 및 제2 작동부(230)에 대한 변위량 정보들과 물리량 정보들을 센싱할 수 있는 센서라면 어떠한 센서라도 포함할 수 있다.
제2 센싱부(242)는 제2 작동부(230)의 변형량을 센싱할 수 있다. 제2 센싱부(242)는 센싱된 제2 작동부(230)의 변형량을 전기적 신호로 변환하고, 제2 작동부(230)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 후술할 제2 전원 조절부(244)에게 제공할 수 있다.
제2 전원 조절부(244)는 전기 에너지를 가열부(220)에 공급하는 장치 또는 회로로서, 그 구체적인 구성에 특별한 제한이 없다.
제2 전원 조절부(244)는 제2 센싱부(242)에 연결될 수 있다. 제2 전원 조절부(244)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 제2 센싱부(242)로부터 제공받을 수 있다. 제2 전원 조절부(244)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호에 기초하여 전기 에너지를 조절하고, 조절된 전기 에너지를 상술한 가열부(220)게 인가할 수 있다.
여기에서, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호는 제2 작동부(230)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 포함할 수 있다.
제2 전원 조절부(244)는 제2 전원 제어부(244-1), 제2 전원 변환부(244-2), 제2 배터리(244-3), 제2 전원 분배부(244-4)를 포함할 수 있다. 제2 전원 조절부(244)는 제2 배터리 충전부(244-5)를 더 포함할 수 있다.
제2 전원 제어부(244-1)는 제2 센싱부(242)에 연결될 수 있다. 제2 전원 제어부(244-1)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 제2 센싱부(242)로부터 제공받을 수 있다. 여기에서, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호는 제2 작동부(230)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 포함할 수 있다.
제2 전원 제어부(244-1)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호와 기준 신호를 비교하고, 비교 결과에 따라 제2 제어 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제2 전원 제어부(244-1)는 피드백 제어를 통해 제2 제어 신호를 생성할 수 있다. 피드백 제어는 비례 제어(proportional control; P제어), 비례 제어(integral control; I 제어) 및 미분 제어(differential control; D 제어) 중에서 적어도 어느 하나의 제어 방법을 포함할 수 있다. 또한, 제2 전원 제어부(244-1)는 제2 제어 신호를 후술할 제2 전원 변환부(244-2)에게 제공할 수 있다.
제2 전원 제어부(244-1)는 상술한 피드백 제어를 통해 제2 제어 신호를 생성할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 어떠한 제어 방법을 사용하여도 무방하다.
제2 전원 변환부(244-2)는 제2 전원 제어부(244-1)와 제2 배터리(244-3)에 연결될 수 있다. 제2 전원 변환부(244-2)는 제2 전원 제어부(244-1)로부터 제2 제어 신호를 제공받을 수 있다. 제2 전원 변환부(244-2)는 제2 제어 신호에 기초하여 제2 배터리(244-3)의 전원을 변환하고, 변환된 전원에 상응하는 전기 에너지를 생성할 수 있다. 여기에서, 제2 전원 변환부(244-2)는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)를 포함할 수 있다. 여기에서, 전기 에너지는 전류 또는 전압을 포함할 수 있다. 또한, 제2 전원 변환부(244-2)는 전기 에너지를 가열부(220)에 인가하거나 후술할 제2 전원 분배부(244-4)에게 제공할 수 있다.
제2 전원 분배부(244-4)는 제2 전원 변환부(244-2)에 연결될 수 있다. 제2 전원 분배부(244-4)는 제2 전원 변환부(244-2)로부터 전기 에너지를 제공받을 수 있다. 제2 전원 분배부(244-4)는 전기 에너지를 분배하여 서로 다른 크기를 가지는 조절된 전기 에너지를 생성할 수 있다. 여기에서, 제2 전원 분배부(244-4)는 SMPS(Switching Mode Power Supply)을 포함할 수 있다. 또한, 제2 전원 분배부(244-4)는 조절된 전기 에너지를 가열부(220)게 인가할 수 있다.
제2 배터리 충전부(244-5)는 외부의 전원에 연결될 수 있다. 제2 배터리 충전부(244-5)는 외부의 전원으로부터 충전 에너지를 제공받을 수 있다. 여기에서, 충전 에너지는 전류 또는 전압을 포함할 수 있다. 또한, 제2 배터리 충전부(244-5)는 충전 에너지에 기초하여 제2 배터리(244-3)를 충전할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이완(relaxation)/ 수축(contraction) 변형이 발생하는 인공 근육을 나타내는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이완(relaxation)/ 수축(contraction) 변형이 발생하는 인공 근육(300)은 제1 작동부(310), 가열부(320), 제2 작동부(330) 및 제어부(340)를 포함한다.
제1 작동부(310), 가열부(320), 제2 작동부(330) 및 제어부(340) 각각은 도 1 내지 도 7을 참조하여 상술한 제1 작동부(110), 변형 복원부(120)/가열부(220), 제2 작동부(230) 및 제1 제어부(140)/제2 제어부(240)와 각각 대응되므로, 중복되는 부분은 설명의 간명성을 위해 생략한다.
제1 작동부(310)는 후술할 제어부(340)에 연결될 수 있다. 제1 작동부(310)는 제어부(340)로부터 전기 에너지를 인가받을 수 있다. 제1 작동부(310)는 인가되는 전기 에너지에 기초하여 이완(Relaxation) 변형이 발생하는 전기 활성 고분자(electro-active polymer; EAP)를 포함할 수 있다. 전기 활성 고분자는 도 1을 참조하여 상술한 전기 활성 고분자와 동일하므로 설명의 간명성을 위해 상세한 설명은 생략한다.
제1 작동부(310)는 관 형상을 가질 수 있다. 즉, 제1 작동부(310)는 중공을 포함할 수 있다. 관과 중공은 도 1을 참조하여 상술한 관과 중공과 동일하므로 설명의 간명성을 위해 상세한 설명은 생략한다.
제1 작동부(310)는 전기 활성 고분자층(312), 상부 전극층(314a), 하부 전극층(314b), 상부 절연층(316a) 및 하부 절연층(316b)을 포함할 수 있다.
전기 활성 고분자층(312)은 인가되는 전기 에너지에 기초하여 이완 변형이 발생하는 전기 활성 고분자를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 전기 활성 특성을 가지는 다양한 물질들을 포함할 수 있다.
전기 활성 고분자층(312)은 특히 유전성 전기 활성 고분자들을 포함할 수 있다. 이러한 유전성 전기 활성 고분자들은 유연하고, 탄성을 가지며, 인가되는 전기 에너지에 의해 가역적 변형 응답 특성을 가지며, 인가되는 전기 에너지(일 예로, 전압)의 크기에 따라 변형 정도가 조절될 수 있다.
전기 활성 고분자층(312)은 인가되는 전기 에너지에 기초하여 변형 특성을 향상시키기 위하여 적어도 하나의 박막형 전기 활성 고분자층을 포함할 수 있다. 일 예에서, 전기 활성 고분자층(312)은 하나의 박막형 전기 활성 고분자으로 구성될 수 있다. 다른 예에서, 전기 활성 고분자층(312)은 복수의 박막형 전기 활성 고분자층이 적층되어 구성될 수 있다. 여기에서, 박막형 전기 활성 고분자는 강성이 우수한 물질을 포함할 수 있다.
상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)은 전기 활성 고분자층(312)의 상부와 하부에 각각 위치할 수 있다. 즉, 상부 전극층(314a)은 전기 활성 고분자층(312)의 상부에 위치할 수 있고, 하부 전극층(314b)은 전기 활성 고분자층(312)의 하부에 위치할 수 있다.
상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)은 후술할 제어부(340)에 연결될 수 있다. 상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)은 제어부(340)로부터 전기 에너지를 인가받을 수 있다. 여기에서, 전기 에너지는 전압 또는 전류를 포함할 수 있다.
일 예에서, 상부 전극층(314a)은 제어부(340)로부터 전기 에너지를 인가받을 수 있고, 하부 전극층(314b)은 접지될 수 있다. 다른 예에서, 상부 전극층(314a)은 접지될 수 있고, 하부 전극층(314b)은 제어부(340)로부터 전기 에너지를 인가받을 수 있다. 다른 예에서, 상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)은 제어부(340)로부터 서로 다른 크기를 가지는 전기 에너지를 인가받을 수 있다.
상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)은 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 일 예에서, 상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)은 하나의 전극으로 구성될 수 있다. 다른 예에서, 상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)은 복수의 전극으로 구성될 수 있다. 상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)이 복수의 전극으로 구성되는 경우, 복수의 전극 각각은 제어부(340)로부터 동일한 크기를 가지는 전기 에너지를 각각 인가받거나 서로 다른 크기를 가지는 전기 에너지를 각각 인가받을 수 있다.
상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)은 전기 활성 고분자층(312)의 반복적인 변형에도 우수한 내구성을 가지도록 신축성이 우수한 전극과 신축성을 보장할 수 있는 전극 구조를 사용할 수 있다. 신축성 전극은 도 2를 참조하여 상술한 신축성 전극과 동일하므로 설명의 간명성을 위해 상세한 설명은 생략한다.
상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)은 투명 전극(transparent electrode)을 포함할 수 있다. 투명 전극은 도 2를 참조하여 상술한 투명 전극과 동일하므로 설명의 간명성을 위해 상세한 설명은 생략한다.
상부 절연층(316a) 및 하부 절연층(316b)은 상부 전극층(314a)의 상부와 하부 전극층(314b)의 하부에 각각 위치할 수 있다. 즉, 상부 절연층(316a)은 상부 전극층(314a) 상부에 위치할 수 있고, 하부 절연층(316b)은 하부 전극층(314b) 하부에 위치할 수 있다.
상부 절연층(316a) 및 하부 절연층(316b)은 상부 전극층(314a)과 하부 전극층(314b) 각각을 절연할 수 물질, 상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)에 인가되는 전기 에너지에 의한 방전을 방지할 수 있는 물질 및 상부 전극층(314a)과 하부 전극층(314b) 사이에 위치하는 전기 활성 고분자층(312)의 면적이 수축 또는 팽창하면 이에 상응하여 면적이 수축 또는 팽창할 수 있는 신축성이 있는 물질 중에서 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
일 예에서, 상부 절연층(316a) 및 하부 절연층(316b)은 전기 활성 고분자층(312)의 변형 저하를 막기 위해 전기 활성 고분자층(312)에 포함된 동종의 물질을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 상부 절연층(316a) 및 하부 절연층(316b)은 전기 활성 고분자층(312)에 포함된 물질보다 강성이 낮은 탄성 유전성 물질을 포함할 수 있다.
제1 작동부(310)는 전기 활성 고분자층(312)의 수 또는 전기 활성 고분자 층에 포함된 전기 활성 고분자의 물성을 조절하여 구현하고자 하는 팽창힘의 범위를 조절할 수 있다.
가열부(320)는 이완 변형된 제1 작동부(310)를 복원시킬 수 있다. 즉, 가열부(320)는 제1 작동부(310)가 이완 변형되었을 때, 이완 변형된 제1 작동부(310)를 원래의 모습으로 복원시킬 수 있다. 즉, 가열부(320)는 도 1에서 상술한 변형 복원부(120)의 특징을 가질 수 있다.
가열부(320)는 후술할 제어부(340)에 연결될 수 있다. 가열부(320)는 제어부(340)로부터 전기 에너지를 인가받을 수 있다. 가열부(320)는 인가되는 전기 에너지에 기초하여 열 에너지를 발생할 수 있다. 가열부(320)에서 발생된 열 에너지는 후술할 제2 작동부(330)에게 제공될 수 있다. 가열부(320)는 열 전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 즉, 가열부(320)는 도 5에서 상술한 가열부(220)의 특징을 가질 수 있다.
즉, 가열부(320)는 제2 작동부(330)를 수축 변형시킬 수 있다. 다시 말해, 가열부(320)는 제어부(340)로부터 인가되는 전기 에너지를 열 에너지로 변환할 수 있고, 변환된 열 에너지는 가열부(320)를 통해 제2 작동부(330)에게 제공될 수 있으며, 제2 작동부(330)는 가열부(320)로부터 제공받은 열 에너지에 기초하여 수축 변형이 발생할 수 있다.
여기에서, 가열부(320)는 인가되는 전기 에너지를 열 에너지로 변환할 수 있는 가열판을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 인가되는 전기 에너지를 열 에너지로 변환할 수 있다면 어떠한 장치 또는 회로를 포함할 수 있다.
또한, 가열부(320)는 수축 변형된 제2 작동부(330)를 복원시킬 수 있다. 즉, 가열부(320)는 제2 작동부(330)가 수축 변형되었을 때, 수축 변형된 제2 작동부(330)를 원래의 모습으로 복원시킬 수 있다.
가열부(320)는 스프링을 포함할 수 있다. 즉, 가열부(320)는 열 에너지에 기초하여 수축 변형이 발생된 제2 작동부(330)의 빠른 복원을 위해, 제2 작동부(330)가 발생시킬 수 있는 변형힘을 고려하여 적합한 강성을 가진 복원 스프링을 포함할 수 있다. 하지만, 가열부(320)는 복원 스프링에 한정되는 것은 아니고 제2 작동부(330)의 변형을 복원시킬 수 있다면 어떠한 스프링이라도 포함할 수 있다. 특히, 스프링은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육의 사용 용도에 따라 직경을 조절하여 사용할 수 있다. 스프링은 도 1을 참조하여 상술한 스프링과 동일하므로 설명의 간명성을 위하여 생략한다.
가열부(320)는 수축 변형된 제2 작동부(330)의 변형 복원에 필요한 냉각을 위해, 냉각 유체를 유동시킬 수 있는 중공(322) 형상을 가질 수 있다. 일 예에서, 가열판은 냉각 유체를 유동시킬 수 있는 중공 형상을 가질 수 있다. 다른 예에서, 스프링은 냉각 유체를 유동시킬 수 있는 중공 형상을 가질 수 있다.
즉, 제2 작동부(330)가 수축 변형된 후, 가열부(320)는 중공(322)을 통해 냉각 유체가 순환 유동되어 냉각될 수 있다. 따라서, 가열되어 수축 변형된 제2 작동부(330)는 냉각되는 가열부(320)에 상응하여 냉각이 유도되어 원래의 모습으로 복원될 수 있다.
또한, 가열부(320)는 닫힌 공간으로 하는 중공 실린더 형태를 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 특정 방향으로 열 전달을 낮게할 수 있는 다양한 구조를 포함할 수 있다. 일 예에서, 가열판은 중공 실린더 형태를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 스프링은 중공 실린더 형태를 포함할 수 있다.
냉각 유체는 냉각수, 냉각유 또는 부동액 등 액체를 사용할 수도 있고, 기체 상태의 냉각가스 등을 사용할 수도 있지만 이에 한정하지 않고 열 전달율이 좋은 유체를 선택적으로 사용할 수 있다.
또한, 가열부(320)는 냉각 유체가 지속적으로 중공에 순환될 수 있도록 끝부분에 펌프(미도시)를 더 포함할 수 있다. 펌프(미도시)는 후술할 제어부(340)에 의해 제어될 수 있다.
절연부(미도시)는 가열부(320) 표면에 형성될 수 있다. 절연부(미도시)는 가열부(320)를 절연할 수 물질, 가열부(320)에 인가되는 전기 에너지에 의한 방전을 방지할 수 있는 물질 및 가열부(320)의 면적이 수축 또는 팽창하면 이에 상응하여 면적이 수축 또는 팽창할 수 있는 신축성이 있는 물질 중에서 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
일 예에서, 절연부(미도시)는 가열부(320)의 변형 저하를 막기 위해 가열부(320)에 포함된 동종의 물질을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 절연부(미도시)는 가열부(320)에 포함된 물질보다 강성이 낮은 탄성 유전성 물질을 포함할 수 있다.
제2 작동부(330)는 가열부(320)에서 발생된 열 에너지를 제공받을 수 있다. 제2 작동부(330)는 가열부(320)에서 발생된 열 에너지에 기초하여 수축 변형이 발생하는 얀(yarn)구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 작동부(330)는 얀(yarn)구조를 가짐으로써 강한 수축력을 유도할 수 있다.
얀(yarn) 구조의 제2 작동부(330)는 나노 물질 및 고분자 물질 중에서 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 나노 물질은 탄소 나노 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 고분자 물질은 전도성 고분자 물질을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 얀(yarn) 구조의 제2 작동부(330)는 나노 물질 및 고분자 물질로 형성됨에 따라 가열부(320)에서 발생된 열 에너지에 의한 수축 변형이 우수할 뿐만 아니라, 가열부(320)의 중공(322)에 순환 유동되는 냉각 유체에 의한 냉각으로 변형 회복도 우수하다.
이때, 얀(yarn) 구조의 제2 작동부(330)는 구성하는 물질(일 예로, 나노 물질 및 고분자 물질)의 강성을 조절하거나 구성하는 물질(일 예로, 나노 물질 및 고분자 물질)의 밀도를 변화시켜 구현하고자 하는 수축힘의 범위를 조절할 수 있다.
제어부(340)는 상술한 제1 작동부(310) 및 가열부(320)에 연결될 수 있다. 제어부(340)는 제1 작동부(310)에게 전기 에너지를 인가할 수 있다. 특히, 제어부(340)는 제1 작동부(310)의 상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)에게 전기 에너지를 인가할 수 있다. 제어부(340)는 가열부(320)에게 전기 에너지를 인가할 수 있다.
계속해서 도 8을 참조하면, 제1 작동부(310)는 관 형상(일 예로, 원기둥 형상)을 가질 수 있다. 관 형상은 도면에 도시된 바와 같이 원기둥 형상을 가질 수 있다.
가열부(320)는 제1 작동부(310)의 내부에 위치할 수 있다. 즉, 가열부(320)는 제1 작동부(310)가 관 형상일 때, 관의 내부 즉, 관의 중공에 위치할 수 있다. 일 예에서, 가열부(320)는 관의 안쪽에 위치하거나 내면에 접촉하여 위치할 수 있다. 다른 예에서, 도면에 도시된 바와 같이 관이 원기둥 형상을 일 때, 가열부(320)는 관의 내주면에 접촉하여 위치할 수 있다. 여기에서, 관의 내면과 관의 내주면은 하부 절연층(316b)의 하부면일 수 있다.
제어부(340)는 제1 작동부(310)의 어느 하나의 측면에 위치할 수 있다.
얀(yarn) 구조의 제2 작동부(330)는 가열부(320)(일 예로, 스프링)의 내부에 위치할 수 있다.
제1 작동부(310)에 전기 에너지가 인가 되지 않으면, 제1 작동부(310)는 이완 변형이 발생하지 않을 수 있다. 이후, 제1 작동부(310)에 전기 에너지가 인가되면, 제1 작동부(310)는 이완 변형이 발생할 수 있다. 즉, 상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)에 전기 에너지가 인가되면, 전기 활성 고분자층(312)은 인가되는 전기 에너지에 상응하여 평면 방향으로 면적이 팽창하고, 상부 및 하부 전극층(314a, 314b)과 상부 및 하부 절연층(316b, 316b)은 팽창된 전기 활성 고분자층(312)에 상응하여 평면 방향으로 면적이 팽창할 수 있다. 이후, 제1 작동부(310)에 인가되는 전기 에너지를 감소시키면, 이완 변형된 제1 작동부(310)는 원래의 모습으로 복원할 수 있다. 즉, 상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)에 인가되는 전기 에너지를 감소시키면, 전기 활성 고분자층(312)은 감소되는 전기 에너지에 상응하여 평면 방향으로 늘어난 면적이 감소할 수 있고, 상부 및 하부 전극층(314a, 314b)과 상부 및 하부 절연층(316a, 316b)은 수축된 전기 활성 고분자층(312)에 상응하여 평면 방향으로 늘어난 면적이 감소할 수 있다. 이때, 이완 변형된 제1 작동부(310)는 가열부(320)(일 예로, 스프링)를 통해 빠르게 복원할 수 있다.
가열부(320)에 전기 에너지가 인가되지 않으면, 가열부(320)는 열 에너지를 발생하지 않으므로, 제2 작동부(330)는 수축 변형이 발생하지 않을 수 있다. 이후, 가열부(320)에 전기 에너지가 인가되면, 가열부(320)는 열 에너지를 발생하고, 제2 작동부(330)는 수축 변형이 발생할 수 있다. 즉, 가열부(320)에 전기 에너지가 인가되면, 가열부(320)는 인가되는 전기 에너지에 상응하여 열 에너지를 발생하고, 제2 작동부(330)는 가열부(320)에서 발생된 열 에너지에 상응하여 평면 방향으로 면적이 수축할 수 있으며, 가열부(320)는 수축되는 제2 작동부(330)에 상응하여 평면 방향으로 면적이 수축할 수 있다. 이후, 가열부(320)에 인가되는 전기 에너지를 감소시키면, 수축 변형된 제2 작동부(330)는 원래의 모습으로 복원할 수 있다. 즉, 가열부(320)에 인가되는 전기 에너지를 감소시키면, 가열부(320)는 감소되는 전기 에너지에 상응하여 열 에너지가 감소하고, 수축된 제2 작동부(330)는 가열부(320)에서 감소되는 열 에너지에 상응하여 평면 방향으로 면적이 팽창할 수 있으며, 가열부(320)는 팽창하는 제2 작동부(330)에 상응하여 평면 방향으로 면적이 팽창하여 제2 작동부(330)를 빠르게 복원시킬 수 있다. 이때, 제2 작동부(330)의 빠른 탄성 복원에 필요한 냉각을 위해, 가열부(320)는 중공(322)을 통해 냉각 유체를 유동시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부를 나타내는 블록도이다.
도 9을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(340)는 제1 제어부(140) 및 제2 제어부(240)를 포함할 수 있다.
계속해서 도 3 및 도 9를 참조하면, 제1 제어부(140)는 제1 작동부(310)의 변형량을 센싱하고, 센싱된 제1 작동부(310)의 변형량에 기초하여 제1 작동부(310)에 인가되는 전기 에너지를 조절하며, 조절된 전기 에너지를 제1 작동부(310)에 인가할 수 있다.
제1 제어부(140)는 제1 센싱부(142) 및 제1 전원 조절부(144)를 포함할 수 있다.
제1 센싱부(142)는 제1 작동부(310) 및 가열부(320)에 연결될 수 있다. 제1 센싱부(142)는 제1 작동부(310) 및 가열부(320)에 대한 정보들을 센싱할 수 있다. 일 예에서, 제1 센싱부(142)는 제1 작동부(310) 및 가열부(320)에 대한 정보들을 주기적으로 센싱할 수 있다. 다른 예에서, 제1 센싱부(142)는 제1 작동부(310) 및 가열부(320)에 대한 정보들을 실시간으로 센싱할 수 있다. 제1 센싱부(142)는 센싱된 정보들을 전기적 신호로 변환하고, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 후술할 제1 전원 조절부(144)에게 제공할 수 있다.
제1 작동부(310) 및 가열부(320)에 대한 정보들은 제1 작동부(310) 및 가열부(320)에 대한 길이 정보, 형상 정보, 각도 정보 또는 위치 정보 등의 변위량 정보들과 중량 정보, 온도 정보, 열 정보, 압력 정보 또는 전기량 정보 등의 물리량 정보들을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 센싱부는 리미트 센서(limit sensor), 압력 센서, 리드 센서(reed sensor), 광 센서, 근접 센서, 초음파 센서, 전류 센서, 전압 센서, 온도 센서, 변형량 센서 또는 열 센서를 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니고, 제1 작동부(310) 및 가열부(320)에 대한 변위량 정보들과 물리량 정보들을 센싱할 수 있는 센서라면 어떠한 센서라도 포함할 수 있다.
제1 센싱부(142)는 제1 작동부(310)의 변형량을 센싱할 수 있다. 제1 센싱부(142)는 센싱된 제1 작동부(310)의 변형량을 전기적 신호로 변환하고, 제1 작동부(310)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 후술할 제1 전원 조절부(144)에게 제공할 수 있다.
제1 전원 조절부(144)는 전기 에너지를 제1 작동부(310)에 공급하는 장치 또는 회로로서, 그 구체적인 구성에 특별한 제한이 없다.
제1 전원 조절부(144)는 제1 센싱부(142)에 연결될 수 있다. 제1 전원 조절부(144)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 제1 센싱부(142)로부터 제공받을 수 있다. 제1 전원 조절부(144)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호에 기초하여 전기 에너지를 조절하고, 조절된 전기 에너지를 상술한 제1 작동부(310)에게 인가할 수 있다.
여기에서, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호는 제1 작동부(310)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 포함할 수 있다.
여기에서, 제1 전원 조절부(144)는 조절된 전기 에너지를 제1 작동부(310)의 상부 전극층(314a) 및 하부 전극층(314b)에게 인가할 수 있다.
제1 전원 조절부(144)는 제1 전원 제어부(144-1), 제1 전원 변환부(144-2), 제1 배터리(144-3), 제1 전원 분배부(144-4)를 포함할 수 있다. 제1 전원 조절부(144)는 제1 배터리 충전부(144-5)를 더 포함할 수 있다.
제1 전원 제어부(144-1)는 제1 센싱부(142)에 연결될 수 있다. 제1 전원 제어부(144-1)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 제1 센싱부(142)로부터 제공받을 수 있다. 여기에서, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호는 제1 작동부(310)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 포함할 수 있다.
제1 전원 제어부(144-1)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호와 기준 신호를 비교하고, 비교 결과에 따라 제1 제어 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제1 전원 제어부(144-1)는 피드백 제어를 통해 제1 제어 신호를 생성할 수 있다. 피드백 제어는 비례 제어(proportional control; P제어), 비례 제어(integral control; I 제어) 및 미분 제어(differential control; D 제어) 중에서 적어도 어느 하나의 제어 방법을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전원 제어부(144-1)는 제1 제어 신호를 후술할 제1 전원 변환부(144-2)에게 제공할 수 있다.
제1 전원 제어부(144-1)는 상술한 피드백 제어를 통해 제1 제어 신호를 생성할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 어떠한 제어 방법을 사용하여도 무방하다.
제1 전원 변환부(144-2)는 제1 전원 제어부(144-1)와 제1 배터리(144-3)에 연결될 수 있다. 제1 전원 변환부(144-2)는 제1 전원 제어부(144-1)로부터 제1 제어 신호를 제공받을 수 있다. 제1 전원 변환부(144-2)는 제1 제어 신호에 기초하여 제1 배터리(144-3)의 전원을 변환하고, 변환된 전원에 상응하는 전기 에너지를 생성할 수 있다. 여기에서, 제1 전원 변환부(144-2)는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)를 포함할 수 있다. 여기에서, 전기 에너지는 전류 또는 전압을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전원 변환부(144-2)는 전기 에너지를 제1 작동부(310)에 인가하거나 후술할 제1 전원 분배부(144-4)에게 제공할 수 있다.
제1 전원 분배부(144-4)는 제1 전원 변환부(144-2)에 연결될 수 있다. 제1 전원 분배부(144-4)는 제1 전원 변환부(144-2)로부터 전기 에너지를 제공받을 수 있다. 제1 전원 분배부(144-4)는 전기 에너지를 분배하여 서로 다른 크기를 가지는 조절된 전기 에너지를 생성할 수 있다. 여기에서, 제1 전원 분배부(144-4)는 SMPS(Switching Mode Power Supply)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전원 분배부(144-4)는 조절된 전기 에너지를 제1 작동부(310)에게 인가할 수 있다.
제1 배터리(144-3) 충전부는 외부의 전원에 연결될 수 있다. 제1 배터리(144-3) 충전부는 외부의 전원으로부터 충전 에너지를 제공받을 수 있다. 여기에서, 충전 에너지는 전류 또는 전압을 포함할 수 있다. 또한, 제1 배터리(144-3) 충전부는 충전 에너지에 기초하여 제1 배터리(144-3)를 충전할 수 있다.
계속해서 도 7 및 도 9를 참조하면, 제2 제어부(240)는 제2 작동부(330)의 변형량을 센싱하고, 센싱된 제2 작동부(330)의 변형량에 기초하여 가열부(320)에 인가되는 전기 에너지를 조절하며, 조절된 전기 에너지를 가열부(320)에 인가할 수 있다.
제2 제어부(240)는 제2 센싱부(242) 및 제2 전원 조절부(244)를 포함할 수 있다.
제2 센싱부(242)는 가열부(320) 및 제2 작동부(330)에 연결될 수 있다. 제2 센싱부(242)는 가열부(320) 및 제2 작동부(330)에 대한 정보들을 센싱할 수 있다. 일 예에서, 제2 센싱부(242)는 가열부(320) 및 제2 작동부(330)에 대한 정보들을 주기적으로 센싱할 수 있다. 다른 예에서, 제2 센싱부(242)는 가열부(320) 및 제2 작동부(330)에 대한 정보들을 실시간으로 센싱할 수 있다. 제2 센싱부(242)는 센싱된 정보들을 전기적 신호로 변환하고, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 후술할 제2 전원 조절부(244)에게 제공할 수 있다.
가열부(320) 및 제2 작동부(330)에 대한 정보들은 가열부(320) 및 제2 작동부(330)에 대한 길이 정보, 형상 정보, 각도 정보 또는 위치 정보 등의 변위량 정보들과 중량 정보, 온도 정보, 열 정보, 압력 정보 또는 전기량 정보 등의 물리량 정보들을 포함할 수 있다. 따라서, 제2 센싱부(242)는 리미트 센서(limit sensor), 압력 센서, 리드 센서(reed sensor), 광 센서, 근접 센서, 초음파 센서, 전류 센서, 전압 센서, 온도 센서, 변형량 센서 또는 열 센서를 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니고, 가열부(320) 및 제2 작동부(330)에 대한 변위량 정보들과 물리량 정보들을 센싱할 수 있는 센서라면 어떠한 센서라도 포함할 수 있다.
제2 센싱부(242)는 제2 작동부(330)의 변형량을 센싱할 수 있다. 제2 센싱부(242)는 센싱된 제2 작동부(330)의 변형량을 전기적 신호로 변환하고, 제2 작동부(330)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 후술할 제2 전원 조절부(244)에게 제공할 수 있다.
제2 전원 조절부(244)는 전기 에너지를 가열부(320)에 공급하는 장치 또는 회로로서, 그 구체적인 구성에 특별한 제한이 없다.
제2 전원 조절부(244)는 제2 센싱부(242)에 연결될 수 있다. 제2 전원 조절부(244)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 제2 센싱부(242)로부터 제공받을 수 있다. 제2 전원 조절부(244)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호에 기초하여 전기 에너지를 조절하고, 조절된 전기 에너지를 상술한 가열부(320)게 인가할 수 있다.
여기에서, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호는 제2 작동부(330)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 포함할 수 있다.
제2 전원 조절부(244)는 제2 전원 제어부(244-1), 제2 전원 변환부(244-2), 제2 배터리(244-3), 제2 전원 분배부(244-4)를 포함할 수 있다. 제2 전원 조절부(244)는 제2 배터리 충전부(244-5)를 더 포함할 수 있다.
제2 전원 제어부(244-1)는 제2 센싱부(242)에 연결될 수 있다. 제2 전원 제어부(244-1)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호를 제2 센싱부(242)로부터 제공받을 수 있다. 여기에서, 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호는 제2 작동부(330)의 변형량이 변환된 전기적 신호를 포함할 수 있다.
제2 전원 제어부(244-1)는 센싱된 정보들이 변환된 전기적 신호와 기준 신호를 비교하고, 비교 결과에 따라 제2 제어 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제2 전원 제어부(244-1)는 피드백 제어를 통해 제2 제어 신호를 생성할 수 있다. 피드백 제어는 비례 제어(proportional control; P제어), 비례 제어(integral control; I 제어) 및 미분 제어(differential control; D 제어) 중에서 적어도 어느 하나의 제어 방법을 포함할 수 있다. 또한, 제2 전원 제어부(244-1)는 제2 제어 신호를 후술할 제2 전원 변환부(244-2)에게 제공할 수 있다.
제2 전원 제어부(244-1)는 상술한 피드백 제어를 통해 제2 제어 신호를 생성할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 어떠한 제어 방법을 사용하여도 무방하다.
제2 전원 변환부(244-2)는 제2 전원 제어부(244-1)와 제2 배터리(244-3)에 연결될 수 있다. 제2 전원 변환부(244-2)는 제2 전원 제어부(244-1)로부터 제2 제어 신호를 제공받을 수 있다. 제2 전원 변환부(244-2)는 제2 제어 신호에 기초하여 제2 배터리(244-3)의 전원을 변환하고, 변환된 전원에 상응하는 전기 에너지를 생성할 수 있다. 여기에서, 제2 전원 변환부(244-2)는 직류-직류 변환기(DC-DC converter)를 포함할 수 있다. 여기에서, 전기 에너지는 전류 또는 전압을 포함할 수 있다. 또한, 제2 전원 변환부(244-2)는 전기 에너지를 가열부(320)에 인가하거나 후술할 제2 전원 분배부(244-4)에게 제공할 수 있다.
제2 전원 분배부(244-4)는 제2 전원 변환부(244-2)에 연결될 수 있다. 제2 전원 분배부(244-4)는 제2 전원 변환부(244-2)로부터 전기 에너지를 제공받을 수 있다. 제2 전원 분배부(244-4)는 전기 에너지를 분배하여 서로 다른 크기를 가지는 조절된 전기 에너지를 생성할 수 있다. 여기에서, 제2 전원 분배부(244-4)는 SMPS(Switching Mode Power Supply)을 포함할 수 있다. 또한, 제2 전원 분배부(244-4)는 조절된 전기 에너지를 가열부(320)게 인가할 수 있다.
제2 배터리 충전부(244-5)는 외부의 전원에 연결될 수 있다. 제2 배터리 충전부(244-5)는 외부의 전원으로부터 충전 에너지를 제공받을 수 있다. 여기에서, 충전 에너지는 전류 또는 전압을 포함할 수 있다. 또한, 제2 배터리 충전부(244-5)는 충전 에너지에 기초하여 제2 배터리(244-3)를 충전할 수 있다.
제어부(340)는 제1 제어부(140)와 제2 제어부(240)로 각각 독립되어 구성될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 제1 작동부(310)와 가열부(320)에 각각 전기 에너지를 인가할 수 있다면 하나로 통합되어 구성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 이완/수축 변형이 발생하는 인공 근육을 팔에 적용한 모습을 나타내는 도면이다.
(a)는 팔에 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육이 이완 변형이 발생했을 때의 모습을 나타내는 도면이도, (b)는 팔에 적용한 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육이 수축 변형이 발생했을 때의 모습을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육(300)은 이완 변형을 발생시키는 전기 활성 고분자를 포함하는 제1 작동부(310)와 수축 변형을 발생시키는 얀(yarn)구조 기반의 제2 작동부(330)를 연동시킨 하이브리드 액추에이터(hybrid actuator) 구조이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 액추에이터 구조는 소량의 힘과 정밀한 움직임이 필요한 이완 변형 및 강한 힘이 필요한 수축 변형을 모두 발생시킬 수 있으므로 인체의 근육을 구성하는 근섬유의 지구적인 운동, 짧은 고강도 운동 또는 순간적 폭발 운동을 선택적으로 구현할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 액추에이터 구조는 제1 작동부(310)에 포함된 전기 활성 고분자층의 수 또는 전기 활성 고분자 층에 포함된 전기 활성 고분자의 물성을 조절하거나 얀(yarn) 구조의 제2 작동부(330)를 구성하는 물질의 강성 또는 구성하는 물질의 밀도를 조절하여 사용 목적에 따라 다양한 성능(힘)을 낼 수 있도록 설계가 가능하다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이완/수축 변형이 발생하는 인공 근육을 로봇 팔에 적용한 모습을 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 다른 이완/수축 변형이 발생하는 인공 근육은 소형화가 가능하고 유연함으로써 다수의 관절로 구성되고, 섬세한 움직임을 필요로 하는 인간 친화적 생활형 로봇에 적용할 수 있다.
이때, 로봇의 운동을 구현함에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 로봇(400)의 관절에 필요한 힘의 종류(일 예로, 지구적인 운동, 짧은 고강도 운동 또는 순간적 폭발 운동)를 고려하여 도면에 도시된 로봇 팔(400)의 관절(401, 402, 403, 404)에 하나 또는 다수 개가 배치될 수 있고, 이완 변형을 발생시키는 전기 활성 고분자를 포함하는 제1 작동부(310) 및 수축 변형을 발생시키는 얀(yarn)구조 기반의 제2 작동부(330) 중에서 적어도 어느 하나의 작동부를 선택적으로 작동시킬 수 있다.
특히, 전기 활성 고분자를 포함하는 제1 작동부(310) 및 얀(yarn)구조 기반의 제2 작동부(330)들은 제어부(340)와 연동하여 피드백 제어됨으로써 로봇의 움직임에 있어서 다양한 외적 변수를 피드백하는 상황 인지형 거동이 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 인체의 운동을 담당하는 (근섬유, 운동 신경/중추, 스핀들, 골지체 및 혈관 등으로 구성된) 근육의 특성을 모사할 수 있는 능동형 인공 근육에 관한 것이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 전기 활성 고분자를 포함하는 제1 작동부와 나노 물질 또는 고분자 물질을 포함하는 얀(yarn)구조 기반의 제2 작동부를 통해 이완/수축 거동을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 제어부를 통해 제1 작동부와 제2 작동부에 대한 이완/수축 거동을 근육의 필요 출력에 상응하여 선택적으로 제어할 수 있다.
따라서, 응답 특성이 우수한 반면, 고성능을 내기 위해 규모가 큰 공압 장비가 필요함에 따라 소형화가 어려운 종래의 유압을 이용한 인공 근육 보다, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 유연성 및 신축성이 우수한 고분자 물질 또는 나노 물질을 기반으로 제1 작동부와 제2 작동부를 구성함으로써 소형화가 가능할 뿐만 아니라 유연성이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 큰 출력을 낼수 있는 반면, 열에 의한 변형을 기반으로 하므로 외부의 온도에 민감하게 반응할 수 있어 내환경성이 우수하지 못하고, 정밀 제어가 어려워 정밀 운동 구현이 불가능한 종래의 형상 기억 합금을 이용한 인공 근육에 비해, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 이완 변형을 발생시키는 전기 활성 고분자를 포함하는 제1 작동부, 수축 변형을 발생시키는 나노 물질 또는 고분자 물질을 포함하는 얀(yarn)구조 기반의 제2 작동부 및 제1 작동부와 제2 작동부에 대한 이완/수축 거동을 근육의 필요 출력에 상응하여 선택적으로 제어하는 제어부로 구성됨으로써 정밀 운동 구현이 가능하고, 근육의 필요 출력에 따른 선택적 이완/수축 거동이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 인체의 운동을 담당하는 (근섬유, 운동 신경/중추, 스핀들, 골지체 및 혈관 등으로 구성된) 근육 또는 로봇에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 근육은 재활용 의료 기기, 정밀 로봇 또는 생활 지원 로봇에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 이완 변형이 발생하는 인공 근육
110: 제1 작동부 120: 변형 복원부
140: 제1 제어부
200: 수축 변형이 발생하는 인공 근육
210: 관 220: 가열부
230: 제2 작동부 240: 제2 제어부
300: 이완/수축 변형이 발생하는 인공 근육
310: 제1 작동부 320: 가열부
330: 제2 작동부 340: 제어부

Claims (20)

  1. 인가되는 전기 에너지에 기초하여 이완(relaxation) 변형이 발생하는 전기 활성 고분자를 포함하는 제1 작동부;
    상기 이완 변형된 제1 작동부를 복원시키는 변형 복원부; 및
    상기 전기 에너지를 인가하는 제1 제어부를 포함하는 인공 근육.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 작동부는,
    상기 전기 활성 고분자를 포함하는 전기 활성 고분자층;
    상기 전기 활성 고분자층의 상부와 하부에 각각 위치하고, 상기 전기 에너지를 인가받는 상부 및 하부 전극층; 및
    상기 상부 전극층의 상부와 상기 하부 전극층의 하부에 각각 위치하고, 상기 상부 전극층과 상기 하부 전극층 각각을 절연하는 상부 및 하부 절연층을 포함하는 인공 근육.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전기 활성 고분자층은,
    적어도 하나의 박막형 전기 활성 고분자층을 포함하는 인공 근육.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 작동부는,
    관 형상을 가지는 인공 근육.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 변형 복원부는,
    상기 제1 작동부의 내부에 위치하고, 스프링을 포함하는 인공 근육.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 제어부는,
    상기 제1 작동부의 변형량을 센싱하는 제1 센싱부; 및
    상기 제1 센싱부의 센싱된 변형량에 기초하여 상기 전기 에너지를 조절하는 제1 전원 조절부를 포함하는 인공 근육.
  7. 인가되는 전기 에너지에 기초하여 열 에너지를 발생하는 가열부;
    상기 가열부에서 발생하는 열 에너지에 기초하여 수축(contraction) 변형이 발생하는 얀(Yarn) 구조의 제2 작동부; 및
    상기 전기 에너지를 인가하는 제2 제어부를 포함하는 인공 근육.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가열부는,
    스프링을 포함하는 인공 근육.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 작동부는,
    상기 가열부의 내부에 위치하는 인공 근육.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 스프링은,
    냉각 유체를 유동시킬 수 있는 중공 형상을 가지는 인공 근육.
  11. 제7항에 있어서
    상기 제2 제어부는,
    상기 제2 작동부의 변형량을 센싱하는 제2 센싱부; 및
    상기 제2 센싱부의 센싱된 변형량에 기초하여 상기 전기 에너지를 조절하는 제2 전원 조절부를 포함하는 인공 근육.
  12. 인가되는 전기 에너지에 기초하여 이완(Relaxation) 변형이 발생하는 전기 활성 고분자를 포함하는 제1 작동부;
    인가되는 전기 에너지에 기초하여 열 에너지를 발생하는 가열부;
    상기 가열부에서 발생하는 열 에너지에 기초하여 수축(Contraction) 변형이 발생하는 얀(Yarn) 구조의 제2 작동부; 및
    상기 제1 작동부 및 상기 가열부에 전기 에너지를 인가하는 제어부를 포함하는 인공 근육.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 작동부는,
    상기 전기 활성 고분자를 포함하는 전기 활성 고분자층;
    상기 전기 활성 고분자층의 상부와 하부에 각각 위치하고, 상기 전기 에너지를 인가받는 상부 및 하부 전극층; 및
    상기 상부 전극층의 상부와 상기 하부 전극층의 하부에 각각 위치하고, 상기 상부 전극층과 상기 하부 전극층 각각을 절연하는 상부 및 하부 절연층을 포함하는 인공 근육.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전기 활성 고분자층은,
    적어도 하나의 박막형 전기 활성 고분자층을 포함하는 인공 근육.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 작동부는,
    관 형상을 가지는 인공 근육.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 가열부는,
    상기 제1 작동부의 내부에 위치하고, 스프링을 포함하는 인공 근육.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제2 작동부는,
    상기 가열부 내부에 위치하는 인공 근육.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 스프링은,
    냉각 유체를 유동시킬 수 있는 중공 형상을 가지는 인공 근육.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 스프링은,
    중공 실린더 형태를 포함하는 인공 근육.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 작동부의 변형량을 센싱하고, 상기 센싱된 제1 작동부의 변형량에 기초하여 상기 제1 작동부에 인가되는 전기 에너지를 조절하는 제1 제어부; 및
    상기 제2 작동부의 변형량을 센싱하고, 상기 센싱된 제2 작동부의 변형량에 기초하여 가열부에 인가되는 전기 에너지를 조절하는 제2 제어부를 포함하는 인공 근육.
KR1020150007345A 2015-01-15 2015-01-15 인공 근육 KR102209508B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150007345A KR102209508B1 (ko) 2015-01-15 2015-01-15 인공 근육
US14/817,386 US9662197B2 (en) 2015-01-15 2015-08-04 Artificial muscle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150007345A KR102209508B1 (ko) 2015-01-15 2015-01-15 인공 근육

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160088093A true KR20160088093A (ko) 2016-07-25
KR102209508B1 KR102209508B1 (ko) 2021-02-01

Family

ID=56406943

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150007345A KR102209508B1 (ko) 2015-01-15 2015-01-15 인공 근육

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9662197B2 (ko)
KR (1) KR102209508B1 (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018110874A1 (ko) * 2016-12-14 2018-06-21 한국기계연구원 인공근육모듈의 구동장치와 인공근육모듈의 구동방법
KR20180106511A (ko) * 2017-03-20 2018-10-01 한국전자통신연구원 인공 근육
KR20190070829A (ko) * 2017-12-13 2019-06-21 한국전자통신연구원 피드백 제어 가능한 인공 근육
KR20190124866A (ko) * 2018-04-27 2019-11-06 엘지전자 주식회사 전기 활성 섬유
KR20210087264A (ko) * 2020-01-02 2021-07-12 한국기계연구원 호흡을 통한 냉각공기 공급장치를 포함하는 유연구동기 조립체, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 이의 제어방법
CN114474029A (zh) * 2022-02-16 2022-05-13 之江实验室 一种可高频驱动的热响应人工肌肉

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11028835B2 (en) * 2016-12-08 2021-06-08 Lintec Of America, Inc. Artificial muscle actuators
US20180243110A1 (en) * 2017-02-27 2018-08-30 Intel Corporation Robotic apparatus with an actuator formed by fibers
CN106880470B (zh) * 2017-03-07 2023-05-09 浙江大学 多自由度变形结构及包括该结构的穿着式动作辅助装置
DE102017207913A1 (de) * 2017-05-10 2018-11-15 Robert Bosch Gmbh Robotergliedmaße
US11028504B2 (en) * 2018-04-16 2021-06-08 The Hong Kong Polytechnic University Multi-level-architecture multifiber composite yarn
US10653516B1 (en) * 2018-07-24 2020-05-19 The Government Of The United States As Represented By The Secretary Of The Air Force Electromagnetic artificial muscle
US11131907B2 (en) * 2018-12-19 2021-09-28 Lintec Of America, Inc. Device sweeper
US10973620B2 (en) * 2019-01-31 2021-04-13 Korea Institute Of Machinery & Materials Biomimetic artificial muscle module, biomimetic artificial muscle assembly having the same, and method of controlling the same
US11286964B2 (en) 2019-12-11 2022-03-29 Electronics And Telecommunications Research Institute Soft actuator and artificial muscle including the same
US20210196555A1 (en) * 2019-12-31 2021-07-01 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Wearable robot for assisting upper limb movement by using artificial muscle
RU2750015C1 (ru) * 2020-08-11 2021-06-21 Денис Владимирович Горбачев Устройство и способ полифункционального моделирования нервно-мышечного аппарата
CN112571440B (zh) * 2020-12-09 2022-02-18 中国空间技术研究院 关节单元、指形装置及抓手
US11536255B1 (en) 2022-03-10 2022-12-27 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Hybrid actuation device including fluidly cooled SMA wires
CN115890643B (zh) * 2022-12-15 2023-09-05 之江实验室 一种双向线性应变的电驱动人工肌肉纤维及其制备方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59221475A (ja) * 1983-05-31 1984-12-13 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 形状記憶合金を利用したエネルギ−回収装置
US7233097B2 (en) * 2001-05-22 2007-06-19 Sri International Rolled electroactive polymers
JP2007279508A (ja) * 2006-04-10 2007-10-25 Fujifilm Corp レンズ駆動機構
KR100845655B1 (ko) 2007-05-04 2008-07-10 양 원 김 인조근육 단위체 및 이를 이용한 인조근육 모듈
JP2010505637A (ja) * 2006-10-13 2010-02-25 ロボティクス テクノロジー リーダーズ ゲーエムベーハー 蠕虫状機構

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5389222A (en) * 1993-09-21 1995-02-14 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Spring-loaded polymeric gel actuators
KR100558098B1 (ko) 2003-07-04 2006-03-07 학교법인 한양학원 전기적 자극을 이용한 미세 인공 근육 제어 방법 및 장치
JP2006203982A (ja) 2005-01-19 2006-08-03 Yaskawa Electric Corp 高分子アクチュエータおよび多関節ハンドロボット
JP2006297005A (ja) 2005-04-15 2006-11-02 Yoshimoto Ando 二層構造の人工筋肉
JP2009000366A (ja) 2007-06-22 2009-01-08 Toyota Motor Corp アクチュエータおよびアクチュエータを用いた人工筋肉
KR20090124552A (ko) 2008-05-30 2009-12-03 한국전자통신연구원 로봇 암 및 이를 포함하는 로봇
KR101172427B1 (ko) 2010-03-19 2012-08-10 전남대학교산학협력단 Ｐｖａ-ｓｐｔｅｓ 고분자막 제조방법, 그 방법으로 제조된 ｐｖａ-ｓｐｔｅｓ 고분자막, ｐｖａ-ｓｐｔｅｓ 고분자막 기반 전기활성고분자작동기 및 그 제조방법
US9523797B2 (en) 2012-09-21 2016-12-20 Electronics And Telecommunications Research Institute Microlens array film and display device including the same
KR101365108B1 (ko) 2012-11-21 2014-02-20 한양대학교 산학협력단 꼬임 구조의 전극 섬유 및 이의 제조방법
KR20140103092A (ko) 2014-08-04 2014-08-25 박지후 유연 구조를 갖는 로봇

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59221475A (ja) * 1983-05-31 1984-12-13 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 形状記憶合金を利用したエネルギ−回収装置
US7233097B2 (en) * 2001-05-22 2007-06-19 Sri International Rolled electroactive polymers
JP2007279508A (ja) * 2006-04-10 2007-10-25 Fujifilm Corp レンズ駆動機構
JP2010505637A (ja) * 2006-10-13 2010-02-25 ロボティクス テクノロジー リーダーズ ゲーエムベーハー 蠕虫状機構
KR100845655B1 (ko) 2007-05-04 2008-07-10 양 원 김 인조근육 단위체 및 이를 이용한 인조근육 모듈

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018110874A1 (ko) * 2016-12-14 2018-06-21 한국기계연구원 인공근육모듈의 구동장치와 인공근육모듈의 구동방법
US10792806B2 (en) 2016-12-14 2020-10-06 Korea Institute Of Machinery & Materials Device for driving artificial muscle module and method for driving artificial muscle module
KR20180106511A (ko) * 2017-03-20 2018-10-01 한국전자통신연구원 인공 근육
US10898404B2 (en) 2017-03-20 2021-01-26 Electronics And Telecommunications Research Institute Artificial muscle
KR20190070829A (ko) * 2017-12-13 2019-06-21 한국전자통신연구원 피드백 제어 가능한 인공 근육
KR20190124866A (ko) * 2018-04-27 2019-11-06 엘지전자 주식회사 전기 활성 섬유
KR20210087264A (ko) * 2020-01-02 2021-07-12 한국기계연구원 호흡을 통한 냉각공기 공급장치를 포함하는 유연구동기 조립체, 이를 포함하는 웨어러블 로봇 및 이의 제어방법
CN114474029A (zh) * 2022-02-16 2022-05-13 之江实验室 一种可高频驱动的热响应人工肌肉
CN114474029B (zh) * 2022-02-16 2023-09-01 之江实验室 一种可高频驱动的热响应人工肌肉

Also Published As

Publication number Publication date
KR102209508B1 (ko) 2021-02-01
US20160206420A1 (en) 2016-07-21
US9662197B2 (en) 2017-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102209508B1 (ko) 인공 근육
Mirfakhrai et al. Polymer artificial muscles
Yoon et al. Sustainable powering triboelectric nanogenerators: Approaches and the path towards efficient use
US8237324B2 (en) Bistable electroactive polymers
EP2585717B1 (en) A three-electrode linear and bending polymeric actuator
JP3939337B2 (ja) 高分子アクチュエータ
US8405277B2 (en) Actuator
JP5733964B2 (ja) 高分子アクチュエータ
Chen et al. Low‐voltage soft actuators for interactive human–machine interfaces
JP2013055877A (ja) アクチュエータ
KR20180106511A (ko) 인공 근육
CN109787502B (zh) 基于负泊松比介电弹性体的电活性聚合物
JP4383505B1 (ja) 発電効率及び耐久性が改善された電場応答性高分子
Chen et al. Networked soft actuators with large deformations
JP7502995B2 (ja) 誘電エラストマートランスデューサー
Choi et al. Digital polymer motor for robotic applications
CN108281542B (zh) 一种仿生人工驱动装置
CN113734420B (zh) 一种静电吸附式无缝变刚度结构、机构及控制方法
Behboodi et al. An artificial skeletal muscle for use in pediatric rehabilitation robotics
JP2008211879A (ja) アクチュエータおよび駆動装置
KR20150056340A (ko) 전기 활성 고분자를 이용한 가변 날개 시스템
US20230147640A1 (en) Dielectric elastomer microfiber actuators
Fang Anisotropic D-EAP Electrodes and their Application in Spring Roll Actuators.
CN108281543B (zh) 一种仿生人工驱动装置
WO2020175257A1 (ja) 誘電エラストマー発電システム

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant