KR20200013219A

KR20200013219A - 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구

Info

Publication number: KR20200013219A
Application number: KR1020190008799A
Authority: KR
Inventors: 조규진; 이해민; 박종후
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-02-06
Also published as: KR102252871B1

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 3차원 프린팅이 가능하도록 구성되는 일체형 관절 기구에 있어서, 서로 이격된 형태로 출력되되 외부 작용에 의해 상기 이격된 형태에서 맞닿은 형태로 변형되어 회동 가능하도록 형성되는 복수개의 바디 및 상기 복수개의 바디와 연결되고 상기 외부 작용에 의해 변형된 상기 복수개의 바디를 맞닿은 형태로 지탱하는 연결부를 포함하는 일체형 관절 기구를 제공한다.

Description

3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구{APPARATUS INCLUDING INTEGRAL JOINT CAPABLE OF OUTPUTTING BY 3D PRINTER}

본 발명은 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 서로 접촉하여 운동하는 바디들이 3차원 프린터를 통해 일체로 성형됨으로써, 조립 없이 3차원 프린터를 이용한 단일의 출력 공정으로 관절 기구를 형성하는 것이 가능한, 일체형 관절기구에 관한 것이다.

로봇 및 3차원 프린터와 관련된 산업은 계속해서 성장하고 있는 산업들에 속하며, 두 산업은 관련도가 깊은 산업이다. 근래에는 로봇의 부품들을 3차원 프린터를 통해 출력하여 제작함으로써 로봇 제작에 들어가는 비용과 시간을 대폭 축소 및 절감시키려 연구가 지속되고 있다.

예컨대, 로봇에는 인간과 유사한 움직임을 구현하기 위해 인공 관절이 필수적으로 적용되어야 하는데, 이러한 인공 관절을 정밀하게 생성하기 위해 3차원 프린팅 기술이 이용되고 있다. 뿐만 아니라, 더 나아가 로봇의 팔이나 다리와 같은 크기가 크기 다양한 기능을 포함하는 완성품 자체도 3차원 프린터를 통해 제작할 수 있게 하기 위한 3차원 프린팅 기술들이 나날이 진보되고 있다.

한편, 로봇에 적용되기 위한 인공 관절은 서로 접촉하여 운동하는 적어도 2개의 바디를 필요로 한다. 그런데, 3차원 프린터를 이용하여 인공 관절을 형성할 경우, 3차원 프린팅의 특성상 서로 접촉하여 운동하는 부분을 일체로 성형할 수 없는 단점이 있다. 즉, 접촉하여 운동하여야 할 2개의 바디를 간격이 없이 출력하는 경우 2개의 바디는 서로 융합되어 하나의 바디를 형성하므로 2개 부분 사이에 운동이 발생할 수 없다. 따라서 종래에는 3차원 프린터를 이용하여 인공 관절을 형성하더라도, 2개의 바디를 각각 따로 프린팅을 한 후 별도의 조립 공정을 통해 바디들을 서로 운동 가능하게 맞닿게 조립하는 공정을 필요로 하였다.

조립 공정을 없애기 위하여 서로 접촉하여 운동하는 바디들 사이에 간격을 최소한으로 출력하려는 여러 가지 시도가 이루어지고 있으나, 서로 접촉하여 운동하여야 할 바디들 사이에 간격이 존재하는 경우 이러한 간격이 운동의 정확성을 방해하는 요소가 되어 정밀한 운동 제어가 불가능하며, 기구적으로 불안정한 관절 기구가 되는 단점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 서로 접촉하여 운동하는 적어도 2개의 바디가 서로 이격되고 연결부로 연결된 상태로 3차원 프린터에 의해 일체로 출력된 후, 연결부에 의해 지지된 상태로 서로 맞닿게 변형된 후, 바디들이 서로 접촉하여 운동할 수 있게 한, 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는, 서로 이격된 제1 상태로 출력되되 서로 맞닿은 형태로 제2 상태로 변형되는 복수의 바디 및 제1 상태에서 상기 복수개의 바디들이 서로 이격된 상태로 연결하며, 제2 상태에서 변형되어 상기 복수개의 바디들이 서로 맞닿은 상태를 지탱하는 연결부를 포함하는 일체형 관절기구로서, 3차원 프린터로 일체로 출력되고, 외부 작용에 의해 제1 상태에서 제2 상태로 변형되어 운동이 가능한, 3차원 프린터로 출력가능한 일체형 관절기구를 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 복수의 바디는, 서로 접촉하여 운동하는 구름면을 각각 가지고 상기 구름면이 서로 대면하면서 이격된 제1 상태로 출력되고, 외부 작용에 의해 상기 구름면이 접촉하는 제2 상태로 변형되는 제1 바디 및 제2 바디를 포함하고, 상기 연결부는, 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디에 양단이 연결되고, 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디가 서로 맞닿은 제2 상태에서 변형을 통해 발생하는 힘에 의해 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디가 맞닿은 상태로 운동하는 것을 지지한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디는 서로 접촉하여 구름면 상에서 굽힘 운동이 가능하게 형성되며, 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디에는, 상기 연결부가 서로 접촉하는 방향으로 힘을 제공하도록 상기 연결부와 접촉하여 변형을 안내하는 가이드부가 형성된다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 가이드부는 적어도 부분적으로 호 형상을 갖는다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 연결부는 상기 가이드부에 접촉하면 인장되는, 평평한 표면을 갖는 끈 형태로 형성된다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 구름면에는 치형이 구비된다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 복수의 바디는, 서로 접촉하는 구름면을 각각 가지며, 상기 구름면이 이격된 제1 상태로 출력되고, 상기 구름면이 접촉하는 제2 상태로 변형되는 제1 바디 및 제2 바디를 포함하고, 상기 연결부는 제1 연결부 및 제2 연결부를 포함하며, 상기 제1 연결부는 상기 제1 바디의 상면과 상기 제2 바디의 하면에 양단이 연결되고, 상기 제2 연결부는 상기 제1 바디의 하면과 상기 제2 바디의 상면에 양단이 연결되어 상기 제1 연결부와 교차하게 배치되고, 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부 각각은 적어도 일단에 작용하는 외부 작용에 의해 변형되면서, 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디는 서로 맞닿는 제2 상태로 변형되며, 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부가 변형에 의해 제공되는 힘에 의해 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디가 서로 맞닿은 상태로 운동하는 것이 지지된다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부의 각각의 적어도 일단은, 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디가 서로 맞닿게 이동하는 방향의 반대방향으로 당겨질 수 있게 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 이격된 형태의 복수개의 바디와 상기 복수개의 바디를 맞닿은 형태로 지지할 수 있는 연결부를 포함하는 일체형 관절기구를 3차원 프린터를 통해 일체화된 상태로 출력하는 출력단계 및 상기 복수개의 바디를 이격된 형태에서 맞닿은 형태로 변형하여 운동이 가능한 상태가 되는, 변형단계를 포함하는 3차원 프린터에 의한 일체형 관절기구의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 서로 접촉하여 운동하는 부품 사이의 간격이 존재하는 상태로 연결부를 통해 연결된 상태로 일체로 출력된 후 외부 작용에 의해 쉽게 해당 간격을 없앨 수 있도록 형성되는 일체형 관절 기구를 출력함으로써, 조립이 필요 없는 일체형 관절 기구를 단일의 3차원 프린팅 절차만으로 형성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 3차원 프린팅 기술을 활용하여 인공 관절을 제작할 수 있으므로 조립 없이 종래의 관절과 유사한 효과를 가지는 관절을 구현할 수 있다. 이에 따라, 로봇 제작 공정을 단순화할 수 있고 공정 비용 역시 절감이 가능하다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구의 구성을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구의 일 구현 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 일체형 관절 기구와 다른 구현 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3은 도 2a에 도시된 구현 예의 동작을 모형을 통해 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구의 다른 구현 예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구를 갖는 손가락 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구의 제조 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성 요소로 명명될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터로 출력 가능한, 굽힘 관절 형태의 일체형 관절 기구의 모식도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 관절 기구(100)는 제1 바디(110), 제2 바디(120), 및 연결부(130)를 포함한다.

제1 바디(110) 및 제2 바디(120)는 서로 접촉하여 운동하는 관절(joint)을 이루는 부분으로, 서로 부분적으로 접촉하면서 운동이 일어나는 구름면(140)을 구비한다. 도 1 에서 제1 바디(110)와 제2 바디(120)는 구름면(140)을 통해 접촉하며, 일체형 관절 기구(100)는 굽힘 운동을 할 수 있다.

연결부(130)는 제1 바디(110)와 제2 바디(120)를 일체로 연결하여, 3차원 프린터로 일체로 출력가능하게 한다. 제1 바디(110), 제2 바디(120), 연결부(130)가 3차원 프린터로 일체로 출력되므로, 일체형 관절 기구는 하나의 동일한 재료로 제작된다. 그러나, 특성이 다른 2가지 이상의 재료를 하나의 공정 안에서 동시에 출력하여 대상물을 제작하는 3차원 프린터에서는 각 부분들이 이종의 소재로 형성될 수 있다. 이 경우 연결부(130)는 제1 바디(110)와 제2 바디(120)에 비해 상대적으로 유연한 소재를 사용하여 형성할 수 있다.

또한, 연결부(130)는 제1 바디(110)와 제2 바디(120)가 서로 접촉되도록 일체형 관절기구가 변형된 상태에서 서로 간의 접촉이 유지되면서 일체형 관절기구가 운동을 수행할 수 있도록 유지시키는 기능을 한다. 따라서 제1 바디(110)와 제2 바디(120)는 서로 접촉된 상태로 운동이 가능하게 한다.

본 명세서에서는 제1 바디(110)와 제2 바디(120)가 간격을 가지고 이격된 상태를 제1 상태로 정의하고, 제1 바디(110)와 제2 바디(120)가 서로 접촉하여 운동이 일어날 수 있도록 맞닿은 제2 상태로 정의한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 제1 상태에서는 연결부(130)가 변형되지 아니한 상태에 있으며, 제2 상태에서 제1 바디(110)와 제2 바디(120)가 접촉을 유지한 상태로 운동이 일어나면, 연결부(130)는 변형되면서 제1 바디(110)와 제2 바디(120)의 간의 상대적 변위 즉, 운동을 허용한다.

제1 상태와 제2 상태는 도 2a 를 참조하여 아래에서 보다 자세하게 설명되며, 도 1 에 도시된 상태는 일체형 관절기구가 제2 상태에 있는 것을 도시하고 있다.

연결부(130)는 와이어 또는 끈 형태로 형성될 수 있으며, 도 2a 를 참조하면, 연결부(130)는 끈 형태로 형성될 수 있다. 연결부(130)는 양 끝단이 제1 바디(110)와 제2 바디(120)와 일체로 성형된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 제1 바디(110)와 제2 바디(120) 각각에는 가이드부(150)가 구비된다. 가이드부(150)는 일체형 관절기구의 운동시에 연결부(130)의 변형을 안내한다. 도 1을 참조하면, 일체형 관절기구가 굽힘 방향으로 운동할 때, 연결부(130)가 가이드부(150)에 감기는 방향으로 변형되면서 인장되는 데, 이에 의해 제1 바디(110)와 제2 바디(120)가 외부 작용 하에서도 서로 이탈되지 않고 접촉하도록 접촉력을 제공할 수 있다. 가이드부(150)는 적어도 부분적으로 호형으로 형성되는 것이 굽힘 운동에 유리하다.

도 2a 는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구의 구현 예를 설명하기 위한 도면으로, 일체형 관절기구는 상측의 제1 상태로 출력되며, 외부 작용에 의해 하측의 제2 상태로 변형되어 두 바디들이 접촉하면서 운동이 일어난다.

본 명세서 상에서 사용되는 외부 작용은 중력 또는 인장력 등의 외력을 인가하는 것, 열에너지 등의 외부 에너지를 인가하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 외부로부터 인가되는 소정의 힘, 에너지, 외부 동력원이나 에너지원이 제공하는 것 작용 등을 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

일체형 관절 기구의 제1 상태를 도시하고 있는 도 2a 의 상측 도면을 참조하면, 일체형 관절 기구(100)는 운동시 서로 접촉하는 구름면(140) 사이에 미세한 간격이 가지도록 두 바디(110, 120)가 이격되어 배치되며, 양 끝단이 바디(110, 120)에 각각 일체로 성형된 연결부(130)를 포함한다. 연결부(130)를 통해 일체로 연결되므로 3차원 프린터를 이용한 단일의 프린팅으로 제작 가능하다.

도 2a 에서 가이드부(150)는 제1 바디(110) 및 제2 바디(120) 각각에 연결부(130)의 하측에 호형으로 형성되어 있다. 제1 바디(110) 및 제2 바디(120)가 서로 접촉하도록 외부 작용, 예컨대, 중력 또는 인장력에 의하여 제1 바디(110) 및 제2 바디(120)가 움직일 때, 가이드부(150)가 연결부(130)에 접촉한다. 제1 바디(110)와 제2 바디(120)가 서로 접촉하여 운동할 때, 연결부(130)가 제1 바디(110)와 제2 바디(120)가 서로 접촉하는 방향으로 힘을 제공하도록, 가이드부(150)가 연결부(130)의 변형을 안내한다.

일체형 관절기구(100)는 상측의 제1 상태로 출력된 후, 외부 작용에 의해 바디(110, 120)가 서로 접촉하는 제2 상태로 변경되어 운동하게 된다. 관절기구의 굽힘이 증가하도록 제1 바디(110)와 제2 바디(120)가 운동될 때, 연결부(130)가 가이드부(150)와 접촉하여 가이드부(150)를 따라 안내되면서 인장된다. 연결부(130)의 인장 시 발생하는 힘이 두 바디(110, 120)사이의 접촉을 유지시키면서 두 바디(110, 120) 사이의 운동을 가능하게 한다.

이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 관절기구는, 서로 이격된 형태로 출력되되 외부 작용에 의해 맞닿은 형태로 변형되어 서로에 대해 회동 가능하도록 형성되는 복수개의 바디와, 서로 이격된 복수의 바디를 서로 연결하면서 연결된 바디들과 일체로 성형되며 상기 복수개의 바디들이 맞닿은 형태로 변형될 때 맞닿은 형태로 지탱하는 유연한 연결부를 포함하도록 구현될 수 있다. 유연한 연결부의 의미는 3차원 프린터로 출력시에 변형이 가능하도록 출력되는 것을 의미한다. 예컨대, 연결부는 와이어나 끈 형태를 가질 수 있다. 연결부는 변형에 의하여 발생하는 힘을 통하여 바디들이 맞닿은 상태로 운동하는 것을 지지할 수 있는 다양한 형태로 구현할 수 있다.

한편, 복수개의 바디는 제1 바디(110) 및 제2 바디(120)일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 서로 이격된 형태로 출력되되 외부 작용에 의해 상기 이격된 형태에서 맞닿은 형태로 변형되어 회동 가능하도록 형성되는 세 개 이상의 바디 역시 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어 도 2b에 도시된 바와 같이, 일체형 관절 기구는 제1 바디(21), 제2 바디(22) 및 제3 바디(23)와 3개의 바디를 연결하는 연결부(24)를 포함하도록 구현될 수도 있다.

위 구현예에서, 상기 복수개의 바디는 제1 바디(110) 및 제2 바디(120)이고, 이들은, 상호 접촉되는 구름면(140)을 구비한다. 연결부(130)는 구름면(140) 상에서 제1 바디(110) 및 제2 바디(120)가 서로 접촉 상태를 유지하면서 회동할 수 있도록 지탱하는 기능을 한다. 이 때 가이드부(150)는, 제1 바디(110)와 제2 바디(120)가 서로에 대해 변위가 발생되는 굽힘운동을 할 때, 굽힘 운동의 반대방향으로 힘을 제공하여, 제1 바디(110) 및 제2 바디(120)가 서로 맞닿은 상태를 유지하면서 운동을 할 수 있게 한다. 따라서 외부 작용의 크기가 감소되면 제1 바디(110)와 제2 바디(120)는 연결부(130)에 의해 운동이 시작되기 전의 위치로 복원된다.

도 3 은 도 2a 에 도시된 일체형 관절 기구를 실제로 구현한 모형을 이용하여 관절기구의 동작을 보여주는 도면으로, 서로 이격된 상태로 출력된 바디들(110, 120)이 연결부(130)에 의해 서로 맞닿은 형태로 지탱되면서 관절 운동을 할 수 있음을 보여준다.

도 1 내지 도 3 에서는 관절 기구를 운동시키기 위한 외력을 제공하는 액추에이터가 더 연결될 수 있다. 도 3 에서 보이는 실험자가 양쪽 바디를 잡고서 바디를 움직이고 있으나, 양측 바디 사이에 액추에이터를 연결하고 액추에이터를 당기는 경우 바디들이 도 3에서 보이는 방식과 동일하게 동작하게 될 것이다.

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 관절 기구의 변형예로서, 구름면(140)에 치형(145)이 형성된 예를 도시하고 있다. 제1 바디(110) 및 제2 바디(120)의 각 구름면(140)에 치형(145)이 형성되어 기어 운동을 하게 되므로 일체형 관절 기구의 굽힘 운동시에 구름면(140)에서 미끄럼이 방지되면서 굽힘 운동이 가능하다.

일체형 관절 기구(100)는 두 바디(110, 120)가 접촉을 이루기 때문에 외부로부터 관절에 가해지는 힘에 대하여 견고하며, 연결부(130)를 얇고 긴 끈 형상을 형상으로 구현하는 경우 관절의 큰 굽힘 각도를 구현할 수 있다. 또한, 일체형 관절 기구(100)는 가이드부(150)의 형상 설계를 통하여 연결부(130)가 변형되는 형상을 규정하고, 관절의 굽힘 특성을 설정할 수 있다.

다시 말해, 일체형 관절 기구(100)는 두 바디의 구름면(140)이 접촉을 이루어 수직방향의 힘을 전달할 수 있으므로 외부로부터 가해지는 압축력을 견고히 지지할 수 있다. 이에 더하여, 제1 바디(110) 및 제2 바디(120)에 구비된 구름면(140)의 형상은 관절의 움직임 경로를 결정할 수 있다. 관절의 굽힘에 따라 연결부(130)의 변형이 발생하므로 연결부(130)의 유연성에 따라 일체형 관절 기구(100)의 굽힘 특성이 결정된다. 얇고 긴 형태로 형성되는 연결부(130)는 잘 굽혀지는 관절을, 굵고 짧은 형태로 형성되는 연결부(130)는 보다 단단한 관절에 적용되도록 구현될 수 있다. 가이드부(150)는 관절 굽힘에 따라 연결부(130)와 접촉을 이루는 면으로, 관절 굽힘에 의하여 발생하는 연결부(130)의 변형을 의도된 특정 형상으로 규정하는 역할을 한다. 이를 통하여, 일체형 관절 기구(100)는 연결부(130)가 특정 부분에서 급격하게 굽혀지는 변형을 방지하여 견고성을 향상시킨다.

이러한, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 관절 기구(100)는 3차원 프린터를 사용하여 일체형으로 제작 가능한 굽힘 관절에 관한 것이므로, 굽힘 관절이 사용되는 로봇, 기계 구조물, 기타 구조물에 적용될 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구의 활용예를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 5a 및 도 5b에는, 일체형 관절 기구(100)를 활용하여 총 3개의 굽힘 관절을 가지는 로봇 손가락 구조가 개시된다. 도 5b에는 도 5a의 일부 부호와 도 5a에 나타난 일부 형상이 생략되어 있다. 예컨대 도 5b에는 간결한 도식 표현을 위해 도 5a에 나타난 치형이나 액추에이터가 생략되어 있다. 도 5b에 도시된 로봇 손가락 구조와 도 5a의 로봇 손가락 구조는 상태만 상이할 뿐 동일한 구조를 나타낸 것이다. 그러나, 도 5b 에서 보이는 바와 같이, 로봇 손가락 구조는 치형이 없는 상태로 형성될 수도 있다.

로봇 손가락은 4개의 바디(210, 220, 230, 240)를 구비하며, 서로 인접한 두 개의 바디, 예컨대, 제1 바디(210)과 제2 바디(220)는 제1 연결부(330)를 통해 연결되며, 동일한 방식으로 제2 바디(220)와 제3바디(230)는 제2 연결부(340)를 통해 연결되며, 제3바디(230)와 제4바디(240)는 제3연결부(350)를 통해 연결된다. 제1 내지 제3 연결부(330, 340, 350)는 도 1 내지 도 4 를 참조하여 설명한 연결부(130)와 동일하며, 각각의 바디(210, 220, 230, 240)에 도 2a를 참조하여 설명한 가이드부(450)가 동일하게 형성된다.

이러한 로봇 손가락 구조에서는 로봇 손가락의 움직임을 구현하기 위하여 액추에이터(600)가 연결된다. 액추에이터는 제1 바디(210)에 일단이 연결되어, 제2 내지 제4바디(220, 230, 240)을 관통하여 연장된다. 제4바디(240) 측에서 액추에이터(600)가 당겨지면, 인체의 손가락 굽힘 운동과 동일하게 로봇 손가락이 굽힘 동작하여 오므려진다. 액추에이터(600)가 느슨해지면 로봇 손가락은 다시 펴지게 된다.

앞서 설명한 내용을 참조하면, 도 5b의 (a)에 도시된 바와 같이, 서로 접촉하여 운동하는 복수개의 바디가 서로 이격되고 연결부로 연결된 상태로 3차원 프린터에 의해 일체로 출력될 수 있다.

이 후, 도 5b의 (b)에 도시된 바와 같이, 복수개의 바디는 연결부에 의해 지지된 상태로 서로 맞닿게 변형되어 로봇 손가락 구조를 형성할 수 있고, 이러한 로봇 손가락 구조는 도 5b의 (c)에 도시된 바와 같이, 액추에이터를 통해 오므리거나 다시 복원되는 등 복수개의 바디들이 서로 접촉하여 운동할 수 있다.

액추에이터(600)는 로봇 손가락을 오므리게 하며, 연결부(330, 340, 350)는 로봇 손가락을 펴지게 하는 기능을 하므로, 굽힘 운동을 하는 로봇 손가락 형태의 일체형 관절기구에서는 구름면(140)을 사이에 두고 연결부(330, 340, 350)와, 액추에이터(600)는 서로 대향하는 위치에 설치된다.

본 발명에 의하면 이러한 로봇 손가락, 또는 로봇 손가락을 구비한 로봇 손의 구조를 3차원 프린터로 한 번에 제작 가능하므로 별도로 조립 공정을 수행할 필요가 없다. 즉, 일체형 관절 기구(100)를 활용하면, 3차원 프린팅의 단일 제작 공정으로 매우 간편하게 로봇 손가락 구조 등을 제작할 수 있게 되어 로봇의수 등의 제조 단가와 시간 등을 대폭 절감할 수 있다.

이외에도, 일체형 관절 기구(100)는 의료로봇, 재활로봇, 문화산업 (3차원 프린팅을 사용한 움직이는 피큐어 등), 연구개발 전반 (움직이는 시제품 간편 제작). 군사탐사로봇 (저렴한 가격, 조립 불필요하여 소형로봇의 제작, 생산에 적합) 등에 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면 본 발명에 따른 일체형 관절 기구(100)는 구름면을 가지는 두 바디와 두 바디를 연결하는 유연한 연결부(flexible strap)를 가지는 관절로서, 두 바디가 서로 미끄러짐 없이 구름 접촉을 이루며 작동하므로 마찰이 매우 작고, 바디의 형상에 따라 다양한 관절 움직임 구현이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 일체형 관절 기구(100)는 3차원 프린팅 기술을 활용하여 한 번에 제작될 수 있으므로 조립 없이 종래의 관절과 유사한 효과를 가지는 관절을 구현할 수 있다.

도 6 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 관절 기구를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 상기 복수개의 바디는 제1 바디(110) 및 제2 바디(120)이고, 연결부(130)는 제1 연결부(131) 및 제2 연결부(132)를 포함할 수 있다.

또한, 제1 연결부(131)는 제1 바디(110)의 상면과 제2 바디(120)의 하면에 연결되고, 제2 연결부(132)은 제1 바디(110)의 하면과 제2 바디(120)의 상면에 연결될 수 있다.

여기서, 제1 연결부(131) 및 제2 연결부(132) 각각은 바디(110, 120)들과 연결된 적어도 일측, 도 6 의 실시예에서는 양측에서 작용하는 외부 작용에 의해 제1 바디(110) 및 제2 바디(110)가 이격된 상태에서(도 6의 상측 도면) 맞닿은 형태로(도 6의 하측 도면) 변형된다.

제1 바디(110) 및 제2 바디(110)는 제1 연결부(131) 및 제2 연결부(132)에 의해 맞닿은 상태가 지탱되면서 서로 접촉하는 구름면(140)에서 회동한다. 도 6 에 도시된 실시예서는 구름면(140)이 가이드부(150) 기능을 하면서 제1 및 제 연결부(132)의 인장을 안내한다.

도 6 에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 관절 기구(100)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 일체형 관절기구와 동일하게, 두 바디(110, 120)가 이격된 상태로 출력된 후, 외부 작용에 의해 두 바디(110, 120)가 이격된 형태에서 맞닿은 형태로 변형될 수 있다. 변형에 의해 연결부(130)를 구성하는 제1 연결부(131)와 제2 연결부(132)는 두 바디(110, 120)를 맞닿은 형태로 지탱하며, 두 바디(110, 120)는 구름면(140) 상에서 에서 회동할 수 있다. 제1 및 제2 연결부(131, 132)는 두 개의 바디(110, 120)들이 맞닿는 반대방향으로 적어도 일측 단부가 당겨지도록 형성된다. 따라서 외부 작용에 의해 제1 및 제2 연결부(131, 132) 각각의 적어도 일측 단부가 당겨지면 두 바디(110, 120)는 서로 접촉한다.

도 7 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 프린터로 출력 가능한 일체형 관절 기구의 제조 방법의 절차를 도시한 흐름도로서, 본 실시예에 따른 일체형 관절 기구의 제조 방법은 앞서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 일체형 관절 기구(100)를 이용한 제조 방법이므로, 상술한 설명과 중복되는 내용은 생략하도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린터에 의한 일체형 관절 기구의 제조 방법은, 이격된 형태의 복수개의 바디와 상기 복수개의 바디를 맞닿은 형태로 지탱할 수 있는 연결부를 포함하는 일체형 관절 기구를 출력하는, 출력 단계(s710)와, 상기 복수개의 바디를 이격된 형태에서 맞닿은 형태로 변형하는, 변형 단계(s720)를 포함한다.

본 명세서에 의하면, 일체형 관절 기구에서 바디들이 간격을 가지고 서로 이격된 상태를 제1 상태, 바디들이 서로 맞닿게 접촉하여 관절운동이 가능하게 변형된 상태를 제2 상태로 정의되므로, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 프린터에 의한 일체형 관절기구의 제조방법은, 일체형 관절 기구를 제1 상태로 출력하여, 제2 상태로 변형하는 것을 포함한다.

출력 단계(s710)에 의하면, 서로 이격된 형태로 출력되는 복수개의 바디는 연결부와 일체화된 상태로 출력된다. 따라서 3차원 프린터에 의해 단일의 출력공정으로 출력되는 것이 가능하다.

복수개의 바디는 서로 이격된 제1 바디와, 제2 바디를 포함할 수 있다. 연결부는 제1 바디에 일단이 결합된 상태로 제2 바디에 타단이 결합된 상태로 제1 바디 및 제2 바디와 일체로 출력된다. 이때 연결부의 변형을 가이드하는 가이드부가 제1 바디 및 제2 바디 각각에 형성될 수 있으며, 제1 바디와 제2 바디가 서로 접촉하는 구름면에는 치형이 형성될 수 있다.

변형 단계(s720)에서, 복수개의 바디는 외부 작용에 의하여 서로 맞닿은 제2 상태로 변형된다. 이때 변형된 연결부로부터 제공되는 힘에 의해 복수개의 바디들이 서로 맞닿은 상태에서 운동할 수 있게 된다.

액추에이터 등에 의해 제공되는 힘은 일체형 관절기구가 제1 상태에서 제2 상태로 변형되기 위한 외력으로 작용되거나 제2 상태에서의 관절운동을 위한 구동력으로도 작용할 수 있다. 이때 액추에이터의 힘에 의해 한쪽 방향의 관절운동이 발생하며, 액추에이터에 의해 가해진 힘이 줄어들면 변형된 연결부의 복원력에 의해 대립된 방향의 관절운동이 발생한다.

상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

서로 이격된 제1 상태로 출력되되 서로 맞닿은 형태로 제2 상태로 변형되는 복수의 바디; 및
제1 상태에서 상기 복수개의 바디들이 서로 이격된 상태로 연결하며, 제2 상태에서 변형되어 상기 복수개의 바디들이 서로 맞닿은 상태를 지탱하는 연결부;를 포함하는 일체형 관절기구로서, 3차원 프린터로 일체로 출력되고, 외부 작용에 의해 제1 상태에서 제2 상태로 변형되어 운동이 가능한 것을 특징으로 하는, 3차원 프린터로 출력가능한 일체형 관절기구.
제1항에 있어서,
상기 복수의 바디는, 서로 접촉하여 운동하는 구름면을 각각 가지고 상기 구름면이 서로 대면하면서 이격된 제1 상태로 출력되고, 외부 작용에 의해 상기 구름면이 접촉하는 제2 상태로 변형되는 제1 바디 및 제2 바디를 포함하고,
상기 연결부는, 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디에 양단이 연결되고, 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디가 서로 맞닿은 제2 상태에서 변형을 통해 발생하는 힘에 의해 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디가 맞닿은 상태로 운동하는 것을 지지하는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린터로 출력가능한 일체형 관절기구.
제2항에 있어서,
상기 제1 바디 및 상기 제2 바디는 서로 접촉하여 구름면 상에서 굽힘 운동이 가능하게 형성되며,
상기 제1 바디 및 상기 제2 바디에는, 상기 연결부가 서로 접촉하는 방향으로 힘을 제공하도록 상기 연결부와 접촉하여 변형을 안내하는 가이드부가 형성되는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린터로 출력가능한 일체형 관절기구.
제3항에 있어서,
상기 가이드부는 적어도 부분적으로 호 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린터로 출력가능한 일체형 관절기구.
제4항에 있어서,
상기 연결부는 상기 가이드부에 접촉하면 인장되는, 평평한 표면을 갖는 끈 형태인 것을 특징으로 하는, 3차원 프린터로 출력가능한 일체형 관절기구.
제3항에 있어서,
상기 구름면에는 치형이 구비되는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린터로 출력가능한 일체형 관절기구.
제1항에 있어서,
상기 복수의 바디는, 서로 접촉하는 구름면을 각각 가지며, 상기 구름면이 이격된 제1 상태로 출력되고, 상기 구름면이 접촉하는 제2 상태로 변형되는 제1 바디 및 제2 바디를 포함하고,
상기 연결부는 제1 연결부 및 제2 연결부를 포함하며,
상기 제1 연결부는 상기 제1 바디의 상면과 상기 제2 바디의 하면에 양단이 연결되고,
상기 제2 연결부는 상기 제1 바디의 하면과 상기 제2 바디의 상면에 양단이 연결되어 상기 제1 연결부와 교차하게 배치되고,
상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부 각각은 적어도 일단에 작용하는 외부 작용에 의해 변형되면서, 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디는 서로 맞닿는 제2 상태로 변형되며,
상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부가 변형에 의해 발생되는 힘에 의해 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디가 서로 맞닿은 상태로 운동하는 것이 지지되는 것을 특징으로 하는, 3차원 프린터로 출력가능한 일체형 관절기구.
제7항에 있어서,
상기 제1 연결부 및 상기 제2 연결부의 각각의 적어도 일단은, 상기 제1 바디 및 상기 제2 바디가 서로 맞닿게 이동하는 방향의 반대방향으로 당겨질 수 있게 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 프린터로 출력가능한 일체형 관절기구.
3차원 프린터에 의한 일체형 관절기구의 제조방법으로서,
이격된 형태의 복수개의 바디와 상기 복수개의 바디를 맞닿은 형태로 지지할 수 있는 연결부를 포함하는 일체형 관절기구를 3차원 프린터를 통해 일체화된 상태로 출력하는, 출력단계; 및
상기 복수개의 바디를 이격된 형태에서 맞닿은 형태로 변형하여 운동이 가능한 상태가 되게 하는, 변형단계를 포함하는 3차원 프린터에 의한 일체형 관절기구의 제조방법.