KR20200044166A - A soft actuator having a deformation suppressing layer inserted therin and a gripper using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a soft actuator having a deformation suppressing layer inserted therein and a gripper applied therewith. More specifically, the present invention relates to a soft actuator having a deformation suppressing layer inserted therein, which comprises: an actuator which is formed in an inner mesh structure and is in direct contact with a target object while being freely bending; a deformation suppressing layer which is inserted into a bending part on the actuator, controls a bending direction of the actuator, and transfers force to the actuator; and a slope function material which controls thermal expansion coefficient between the actuator and the deformation suppressing layer, and a gripper applied therewith. According to the present invention, deformation of the actuator can be minimized and hardness of a contact region can be increased.

Description

변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터 및 이를 적용한 그리퍼 {A SOFT ACTUATOR HAVING A DEFORMATION SUPPRESSING LAYER INSERTED THERIN AND A GRIPPER USING THE SAME}Soft actuator with a strain suppression layer inserted and a gripper applying the same {A SOFT ACTUATOR HAVING A DEFORMATION SUPPRESSING LAYER INSERTED THERIN AND A GRIPPER USING THE SAME}

본 발명은 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 벤딩의 방향성을 제어하기 위한 변형 억제층이 삽입되며, 상기 변형 억제층과 소프트 액추에이터 사이에 경사기능재료가 부가되는 소프트 액추에이터 및 이를 적용한 소프트 그리퍼에 관한 것이다.The present invention relates to a soft actuator in which a strain suppression layer is inserted, and more specifically, a strain suppression layer for controlling the direction of bending is inserted, and a soft actuator in which an inclined functional material is added between the strain suppression layer and the soft actuator. And a soft gripper to which it is applied.

그리퍼에 대한 연구들은 대부분 산업용 로봇의 그리퍼, 휴머노이드의 그리퍼, 인체 모방형 그리퍼 등의 다양한 관점에서 연구되어 왔다. 상기 그리퍼에 대한 종류를 분류하면, 크게 산업 공정을 목적으로 하는 산업용 그리퍼와 인체 부착을 목적으로 하거나 인간의 행동을 모방하려는 인간형 그리퍼가 있다.Most studies on grippers have been studied from various viewpoints such as grippers of industrial robots, grippers of humanoids, and imitation grippers. When classifying the types of the grippers, there are industrial grippers for the purpose of industrial processing and humanoid grippers for the purpose of attaching the human body or imitating human behavior.

첫 번째, 산업용 그리퍼는 사람을 대신하여 공정에 투입되어 반복적인 작업을 할 수 있도록 기구학적으로 최적화된 기능을 가진다. 두 번째, 인간형 그리퍼는 인체의 부착이나 모방을 목적으로 하기에 외관적으로나 기능적으로 인체와 유사한 구조를 갖는다.First, the industrial gripper has a function that is kinematically optimized so that it can be repeatedly put into the process on behalf of the person to perform repetitive work. Second, the humanoid gripper has a structure similar to the human body in terms of appearance and functionality for the purpose of attachment or imitation of the human body.

이러한 인간형 그리퍼는 최근 해부학적으로 인체에 근사한 뼈, 근육 조직 등에 대해서 면밀한 분석을 통해서 생체 모방형 그리퍼로도 연구가 진행되고 있다.These humanoid grippers have recently been studied as biomimetic grippers through close analysis of bones and muscle tissues that are anatomically close to the human body.

그리퍼에 관하여, 현재까지 사용하는 액추에이터에 따라 모터를 통한 방식과 공유압을 통한 방식으로 나눈다. 모터를 통해 힘을 부여하는 방식의 액추에이터는 주로 강성과 강도를 요구하는 방식에 쓰이며, 모터의 수에 따라 자유도를 부여받는다.Regarding the gripper, it is divided into a method through a motor and a method through a shared pressure, depending on the actuator used to date. Actuators in the way of applying force through a motor are mainly used in methods requiring rigidity and strength, and are given degrees of freedom according to the number of motors.

이에 반해, 공유압을 통해 힘을 부여하는 방식으로 부드러운 재질을 통해 높은 자유도를 가지는 방식은 소프트 액추에이터라고 칭한다.On the other hand, a method having a high degree of freedom through a soft material as a method of applying force through a shared pressure is called a soft actuator.

다만 이러한 소프트 엑추에이터 기반의 그리퍼들은 다양한 물체를 파지하기에는 적합하지만, 평행한 접촉면을 유지하지 못하므로 정밀한 평행 집기에 있어서는 보편적인 산업용 그리퍼보다 불안정하다. 또한 접촉 영역이 단단하지 못하고, 관절부분이 유연하기 때문에 그리퍼의 끝점으로 갈수록 강성이 낮아지는 문제가 있다.However, these soft actuator-based grippers are suitable for gripping various objects, but do not maintain a parallel contact surface, and thus are more unstable than a general industrial gripper in precise parallel gripping. In addition, since the contact area is not rigid and the joint portion is flexible, there is a problem that the stiffness decreases toward the end point of the gripper.

대한민국 선행공개특허 제1999-0081884호(명칭: 관절용 보절 장치)는 인접한 뼈 부분에 연결되도록 개조된 2개의 고정 부재 사이에 배열된 관절체를 포함하는 사람 또는 동물에 삽입하기 위한 관절용 보철 장치를 개시한다.Republic of Korea Patent Publication No. 1999-0081884 (name: joint prosthetic device) is a prosthetic device for joints for insertion into a person or animal, including a joint body arranged between two fixed members adapted to be connected to adjacent bone parts Disclosed.

또 다른 대한민국 선행등록특허 제10-0558023호(명칭: 손가락 관절 운동장치)는 손가락 관절운동이 가능하도록 손바닥이 지지되는 손바닥 받침대와, 상기 손가락 선단에 끼워지는 엔드캡과 각각의 일단이 상기 엔드캡에 고정되고 상기 손가락의 상하부에 위치되어 길이방향으로 긴 상/하부와이어와 상기 상/하부 와이어 중 어느 하나가 인장될 때 다른 하나는 풀림이 되도록 각 와이어를 제어하는 제어수단을 개시한다.Another Republic of Korea Patent Registration No. 10-0558023 (name: finger joint exercise device) is a palm rest that supports the palm to enable finger joint movement, the end cap fitted to the tip of the finger and each end of the end cap Disclosed is a control means for controlling each wire to be loosened when the one of the upper / lower wires and the upper / lower wires longitudinally elongated and fixed to the upper and lower portions of the finger is stretched.

다만 상기 특허기술들은 관절체에 해당하는 부분에 스프링 또는 와이어가 형성되어 있을 뿐이므로, 전술한 소프트 액추에이터의 문제점을 해결하기에는 한계가 있다.However, since the above-described patented technologies only have springs or wires formed in the parts corresponding to the joints, there are limitations in solving the above-described problems of the soft actuator.

대한민국 등록특허공보 제 1999-0081884 호Republic of Korea Registered Patent Publication No. 1999-0081884 대한민국 등록특허공보 제 10-0558023 호Republic of Korea Registered Patent Publication No. 10-0558023

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 관절에 해당하는 부분에 강체를 삽입함으로써 변형 억제층을 구비하여, 변형력을 억제하고 접촉영역의 강성을 높인 방식의 소프트 액추에이터를 제공하는 것이다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a soft actuator having a strain suppression layer by inserting a rigid body in a portion corresponding to a joint, thereby suppressing strain and increasing the rigidity of the contact area.

또한, 액추에이터와 변형 억제층 사이의 3D프린팅의 열가소성 고분자 재료 간 층간 박리 현상을 억제하기 위하여 경사기능재료를 압출하여 포함하도록 3D 프린팅되는 방식의 소프트 액추에이터를 제공하는 것이다.In addition, to provide a 3D-printed soft actuator to extrude and include an inclined functional material in order to suppress an interlayer peeling phenomenon between 3D printing thermoplastic polymer materials between the actuator and the strain suppression layer.

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.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description. There will be.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 내부 메쉬구조로 구성되어, 자유롭게 굽혀지며 대상 물건에 직접 접촉하는 액추에이터; 상기 액추에이터 상의 굽힘 부분에 삽입되며, 상기 액추에이터의 굽힘 방향성을 제어하고 상기 액추에이터에 힘을 전달하는 변형 억제층; 및 상기 액추에이터와 상기 변형 억제층 사이의 열팽창 계수를 제어하는 경사기능재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터를 제공한다.The configuration of the present invention for achieving the above object is composed of an internal mesh structure, the actuator is freely bent and directly in contact with the object; A deformation inhibiting layer inserted into a bent portion on the actuator, controlling a bending direction of the actuator and transmitting a force to the actuator; And an inclined functional material that controls a coefficient of thermal expansion between the actuator and the strain suppression layer.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 3D 프린터를 통해 적층구조로 제조되며, 상기 3D 프린터는 상기 경사기능재료의 토출을 위한 위한 압출기(Extruder)를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the 3D printer is manufactured in a stacked structure, and the 3D printer may further include an extruder for discharging the inclined functional material.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압출기는 제1열가소성 재료가 투입되는 제1유입구; 상기 제1열가소성 재료와 다른 제2열가소성 재료가 투입되며, 상기 제1유입구와 이격되어 형성되는 제2유입구; 및 상기 제1유입구 및 상기 제2유입구로 투입된 열가소성 재료가 토출되는 유출구를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the extruder includes a first inlet through which a first thermoplastic material is introduced; A second inlet through which a second thermoplastic material different from the first thermoplastic material is introduced and formed apart from the first inlet; And an outlet through which the thermoplastic material introduced into the first inlet and the second inlet is discharged.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압출기는 상기 유출구의 노즐목 상에 구비된 스테틱 믹서를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the extruder may further include a static mixer provided on the nozzle neck of the outlet.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 액추에이터는 공압 및 유압을 통해 힘을 부여받는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the actuator may be characterized in that the force is applied through pneumatic and hydraulic pressure.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 액추에이터는 플렉서블 필라멘트(Flexible filament)가 적층되어 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the actuator may be characterized in that the flexible filament (Flexible filament) is configured by stacking.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 변형 억제층은 상기 변형 억제층과 상기 액추에이터와의 접촉 영역의 강성을 증대시키는 방식으로 상기 액추에어티에 힘을 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the strain inhibiting layer may be characterized in that it transmits a force to the actuator in a manner that increases the rigidity of the contact region between the strain inhibiting layer and the actuator.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 변형 억제층은 탄소섬유 필라멘트(Carbon Fiber Filled Filament)가가 적층되어 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the strain inhibiting layer may be characterized in that carbon fiber filaments (Carbon Fiber Filled Filament) are laminated.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 액추에이터의 끝단에 삼각형 구조로 형성되어 물건을 파지하는 파지부; 및 상기 파지부를 연결하는 골격에 해당하는 본체부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the actuator is formed in a triangular structure at the end of the actuator to hold an object; And a body part corresponding to a skeleton connecting the gripping parts.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 본 발명의 일실시예에 따른 변혁억제층이 삽입된 소프트 액추에이터가 적용되어 제조되는 것을 특징으로 하는 변혁억제층이 삽입된 소프트 액추에이터가 적용된 그리퍼를 제공한다.The configuration of the present invention for achieving the above object is a gripper to which a soft actuator with a transformation inhibiting layer inserted is characterized in that it is manufactured by applying a soft actuator with a transformation inhibiting layer according to an embodiment of the present invention. to provide.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는 강도/강성이 높은 재료가 사용된 변형 억제층을 삽입하여, 액추에이터의 변형을 최소화하고 접촉 영역의 강성을 높이는 제1효과이다.The effect of the present invention according to the above configuration is the first effect of minimizing the deformation of the actuator and increasing the rigidity of the contact area by inserting a strain suppression layer in which a material having high strength / rigidity is used.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 또 다른 효과는 경사기능재료가 소프트 액추에이터에 있어서 변형 억제층과 액추에이터 사이의 열팽창계수 차이를 제어하여 층간 박리 현상 및 강성약화 현상을 해결하는 제2효과이다.Another effect of the present invention according to the above configuration is a second effect in which the inclined functional material solves the interlayer peeling phenomenon and the rigidity weakening phenomenon by controlling the difference in the coefficient of thermal expansion between the strain suppression layer and the actuator in the soft actuator.

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.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 변형역제층이 삽입된 소프트 액추에이터의 모식도이다.
도 2은 본 발명의 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터의 제조를 위한 스테틱 믹서를 포함하는 3D 프린터의 정면 투시도이다.
도 3은 본 발명의 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터의 제조를 위한 스테틱 믹서를 포함하는 3D 프린터의 사시도이다.
도 4은 3D 프린터의 2in 1out 방식 노즐 시스템의 예시도이다.
도 5 (a)은 일반적인 관내 고분자 유동의 실험예이다.
도 5 (b)는 방해 요소가 포함된 관내 고분자 운동의 실험예이다.
도 6은 본 발명의 스테틱 믹서로 만들어진 경사기능재료를 포함하는 소프트 액추에이터의 내부 투시도이다.1 is a schematic view of a soft actuator with a strain relief layer of the present invention inserted.
2 is a front perspective view of a 3D printer including a static mixer for manufacturing a soft actuator with a strain suppression layer of the present invention inserted.
3 is a perspective view of a 3D printer including a static mixer for manufacturing a soft actuator in which the strain suppression layer of the present invention is inserted.
4 is an exemplary view of a 2in 1out type nozzle system of a 3D printer.
Fig. 5 (a) is an experimental example of a general flow of polymer in a tube.
Figure 5 (b) is an experimental example of the polymer movement in the tube containing the interference element.
Fig. 6 is an internal perspective view of a soft actuator comprising an inclined functional material made of the static mixer of the present invention.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected (connected, contacted, coupled)" to another part, this is not only when it is "directly connected", but also "indirectly" with another member in between. "It also includes the case where it is. Also, when a part is said to “include” a certain component, this means that other components may be further provided instead of excluding the other component unless otherwise stated.

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 포함한다. 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.The terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 소프트 로봇 사용 시, 인체 손가락의 관절에 해당하는 부분에 강체를 삽입하여, 변형 억제층을 구비한 소프트 액추에이터 기술을 제안한다.In the present invention, when using a soft robot, a rigid actuator is inserted into a portion corresponding to a joint of a human finger, and a soft actuator technology having a strain suppression layer is proposed.

본 발명의 일실시예에 따른 소프트 액추에이터는 내부 메쉬구조로 구성되어, 자유롭게 굽혀지며 대상 물건에 직접 접촉하는 액추에이터(10); 상기 액추에이터(10) 상의 굽힘 부분에 삽입되며, 상기 액추에이터(10)의 굽힘 방향성을 제어하고 상기 액추에이터(10)에 힘을 전달하는 변형 억제층(20); 및 상기 액추에이터(10)와 상기 변형 억제층(20) 사이의 열팽창 계수를 제어하는 경사기능재료(30)를 포함하는 것을 특징으로 한다.Soft actuator according to an embodiment of the present invention is composed of an internal mesh structure, the actuator 10 is bent freely and directly in contact with the object; A deformation inhibiting layer 20 which is inserted into a bent portion on the actuator 10, controls the bending directionality of the actuator 10, and transmits a force to the actuator 10; And an inclined functional material 30 for controlling the coefficient of thermal expansion between the actuator 10 and the strain suppression layer 20.

본 발명의 기술적 특징은 상기 액추에이터(10)와 상기 변형 억제층(20) 사이의 열팽창 계수를 제어하는 상기 경사기능재료(30)를 복잡한 구조의 제품에 이용한다는 것이다.The technical feature of the present invention is that the inclined functional material 30 that controls the coefficient of thermal expansion between the actuator 10 and the strain suppression layer 20 is used for a product having a complex structure.

다만 일반적인 주물 공정(Casting)의 경우에는 공정의 비용이 비싸며, 복잡한 구조에서 상기 경사기능재료(30)를 경사기능을 임의의 좌표방향(X, Y, Z)에 따라 국부적으로 제어함에 한계가 있다.However, in the case of a general casting process, the cost of the process is high, and in a complicated structure, there is a limit to locally control the inclination function according to an arbitrary coordinate direction (X, Y, Z). .

따라서 현재 경제적인 생산공정으로 3D 프린터(Printer)를 이용한 소프트 액추에이터에 대한 연구가 증가하고 있으며, 본 발명의 일실시예는 3D 프린터를 이용하여 적층구조로 제조되는 것을 특징으로 한다.Therefore, research on soft actuators using 3D printers is increasing as an economical production process, and an embodiment of the present invention is characterized by being manufactured in a stacked structure using a 3D printer.

3D 프린터에 의한 상기 액추에이터(10)의 적층 구조는 콤플렉스한 형상을 손쉽게 제어할 수 있으며, 상기 액추에이터(10)의 굽힘(Bending)의 방향은 내부 메쉬(Mesh) 구조의 충진이 덜된 방향으로 가게 된다.The stacked structure of the actuator 10 by a 3D printer can easily control the complex shape, and the direction of bending of the actuator 10 goes to a direction in which the filling of the inner mesh structure is less. .

다만, 이 경우 상기 액추에이터(10)의 굽혀짐의 방향성이 내부 메쉬 구조, 즉 메쉬의 충진에 의해서 결정되기 때문에 상기 액추에이터(10) 내부의 채움에 따른 본 발명의 무게 문제가 야기될 수 있다.However, in this case, since the directionality of bending of the actuator 10 is determined by the filling of the inner mesh structure, that is, the weight problem of the present invention due to the filling inside the actuator 10 may be caused.

이를 해결하기 위하여 본 발명의 소프트 액추에이터는 상기 변형 억제층(20)을 상기 액추에이터(10)의 관절이 되는 부분에 삽입하여, 상기 변형 억제층(20)의 방향성을 억제함으로써 전술한 상기 액추에이터(10)의 채움에 따라 발생할 수 있는 무게 문제를 해소한다.In order to solve this, the soft actuator of the present invention inserts the deformation inhibiting layer 20 into the joint portion of the actuator 10, thereby suppressing the directionality of the deformation inhibiting layer 20 to reduce the directionality of the actuator 10 described above. ) To solve the weight problem that may occur due to filling.

본 발명의 상기 액추에이터(10)의 일실시예는 공압 및 유압을 통해 힘을 부여받는 것을 특징으로 한다.One embodiment of the actuator 10 of the present invention is characterized in that the force is applied through pneumatic and hydraulic pressure.

이에 따라 본 발명의 상기 액추에이터(10)는 손가락의 모션에 해당하는 운동을 기존의 모터 제어가 아닌 공유압을 통해 이루어 지므로, 모터의 설치가 없어짐에 따라 무게 감소 및 필요 동력이 감소하게 된다.Accordingly, the actuator 10 of the present invention is a movement corresponding to the motion of the finger is made through a shared pressure rather than the conventional motor control, the weight is reduced and the required power is reduced as the installation of the motor is eliminated.

본 발명의 소프트 액추에이터는 상기 변형 억제층(20)을 통해 상기 액추에이터(10) 구조의 변형을 억제하고, 상기 액추에이터(10)의 접촉 영역의 강성을 높이는 것을 일실시예로 한다.In one embodiment, the soft actuator of the present invention suppresses deformation of the actuator 10 structure through the deformation suppressing layer 20 and increases the stiffness of the contact area of the actuator 10.

따라서 인체의 피부 부분에 해당하며 공압을 머금은 상기 액추에이터(10)는 자유도를 부가하기 위해 변형도가 높은(Flexible) 재료를 선정하여 구성되는 것을 특징으로 한다.Therefore, the actuator 10, which corresponds to the skin part of the human body and contains pneumatic pressure, is configured by selecting a flexible material to add freedom.

이에 따라 본 발명의 상기 액추에이터(10) 일실시예는 변형도가 높은 플렉서블 필라멘트(Flexible filament)가 적층되어 구성되는 것을 특징으로 한다.Accordingly, one embodiment of the actuator 10 of the present invention is characterized in that a flexible filament having a high degree of deformation is stacked.

인체의 관절 부분에 해당하는 상기 변형 억제층(20)은 상기 액추에이터에 공압 인가 시 상기 액추에이터(10)의 변형을 최소화하면서 상기 액추에이터(10)에 힘을 전달하여야 하므로, 강도/강성이 높은(Stiff) 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.The deformation suppression layer 20 corresponding to the joint portion of the human body must transmit the force to the actuator 10 while minimizing the deformation of the actuator 10 when applying pneumatic pressure to the actuator, so that strength / stiffness is high (Stiff ) It is characterized by consisting of materials.

본 발명의 상기 변형 억제층(20)의 일실시예는 상기 액추에이터(10)와 상기 변형 억제층(10) 사이의 접촉 영역 강성을 증대시키는 방식으로 상기 액추에이터(10)에 힘을 전달하는 것을 특징으로 한다.One embodiment of the strain inhibiting layer 20 of the present invention is characterized in that a force is transmitted to the actuator 10 in a manner that increases the stiffness of the contact area between the actuator 10 and the strain inhibiting layer 10. Is done.

또한 본 발명의 상기 변형 억제층(20)의 일실시예는 강도/강성이 높은 탄소섬유 필라멘트(Carbon Fiber Filled Filament)로 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, one embodiment of the strain inhibiting layer 20 of the present invention is characterized by being composed of carbon fiber filaments (Carbon Fiber Filled Filament) having high strength / stiffness.

하지만 3d프린터에 의한 적층 시에 재료 간의 열팽창 계수(Coefficient of thermal expansion)차이가 있는 경우에 상온에서 잔류응력(Residual Stress)가 유발되는 문제가 존재한다.However, when there is a difference in coefficient of thermal expansion between materials during lamination by a 3d printer, there is a problem that residual stress is induced at room temperature.

상기 변형 억제층(20)에 사용되는 주로 탄소섬유 필라멘트(Carbon Fiber Filled Filament)의 열팽창계수는 약 57.5μm/m-℃이며, 상기 액추에이터(10)에 주로 사용되는 플렉서블 필라멘트(Flexible Filament)의 열팽창계수는 약 157μm/m-℃이다. 상기 탄소섬유 필라멘트와 플렉서블 필라멘트는 열팽창계수 상 약 100 μm/m-℃ 차이가 있다.The thermal expansion coefficient of carbon fiber filled filament used in the strain suppression layer 20 is about 57.5 μm / m- ℃, and thermal expansion of flexible filament used mainly in the actuator 10 The coefficient is about 157 μm / m- ℃. The carbon fiber filament and the flexible filament have a difference in thermal expansion coefficient of about 100 μm / m- ℃.

이와 같은 열팽창 계수의 차이로 인해, 소프트 액추에이터는 단면으로 보면 볼록한 형상 단면(Convex way 형상)을 가지게 되고, 상기 변형 억제층(20)에 압축잔류응력(Compressive Residual Stress)이 나타난다.Due to the difference in the coefficient of thermal expansion, the soft actuator has a convex-shaped cross-section (Convex way shape) when viewed in cross-section, and compressive residual stress appears in the strain suppression layer 20.

따라서 상온(Room Temp)에서 사용 도중에 소프트 액추에이터는 무응력 상태(Stress Free 상태)로 가게 되는데, 이로 인해 층간박리현상이 일어나며 소프트 액추에이터의 사용이 불가능하게 되는 문제가 발생한다.Therefore, the soft actuator goes to a stress-free state (Stress Free state) during use at room temperature, which causes interlayer peeling and makes it impossible to use the soft actuator.

이에 따라 본 발명의 소프트 액추에이터는 전술한 바와 같이 상기 액추에이터(10)와 상기 변형 억제층(20) 사이의 열팽창 계수를 제어하는 경사기능재료(30)를 포함하며, 3D프린터를 통해 적층 구조로 제조되는 것을 특징으로 한다.Accordingly, the soft actuator of the present invention includes an inclined functional material 30 that controls the coefficient of thermal expansion between the actuator 10 and the strain inhibiting layer 20, as described above, and is manufactured in a stacked structure through a 3D printer. It is characterized by being.

경사기능재료(30)(Functionally Graded Materials, FGMs)란 공간적으로 하나의 기능에서 다른 기능으로 연속적 혹은 단계적으로 변화하는 일체의 재료를 의미하며, 보다 구체적으로는 금속에서 내열 세라믹스로 조성을 연속적으로 변화하여 열팽창계수를 연속적으로 변화시킨 재료로 고온에서 발행하는 열응력을 완화시키는 재료이다.Functionally graded materials (FGMs) mean any material that changes continuously or stepwise from one function to another spatially, and more specifically, by continuously changing the composition from metal to heat-resistant ceramics. It is a material that continuously changes the thermal expansion coefficient, and is a material that relieves thermal stress generated at high temperatures.

전술한 대로 상기 경사기능재료(30)를 복잡한 구조에 이용하기 위하여 본 발명의 생산공정은 경제적으로 3d 프린터를 통하여 적층구조에 의하는 것을 특징으로 한다.As described above, in order to use the inclined functional material 30 in a complex structure, the production process of the present invention is characterized by a lamination structure through a 3d printer economically.

이하 본 발명의 제조에 이용되는 3d 프린터에 대하여 설명한다.Hereinafter, a 3d printer used for manufacturing the present invention will be described.

도2 및 도3은 각각 상기 경사기능재료(30)를 위하여 압출기(200)를 보완한 상기 3D 프린터의 정면 투시도 및 사시도를 도시한다. 도4는 현재 시판 중인 2in 1out 방식의 노즐 시스템의 사시도이다.2 and 3 respectively show a front perspective view and a perspective view of the 3D printer supplementing the extruder 200 for the inclined functional material 30. Figure 4 is a perspective view of a commercially available 2in 1out type nozzle system.

본 발명의 상기 3D 프린터는 상기 경사기능재료(30)의 토출을 위한 위한 상기 압출기(200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.The 3D printer of the present invention is characterized by including the extruder 200 for discharging the inclined functional material 30.

도4에 도시된 바와 같이 본 발명의 압출기(200)는 종래의 이종재료 토출을 위한 2in 2out 방식의 노즐시스템과 달리 2in 1out 방식의 노즐시스템을 채택하는 것을 특징으로 한다.4, the extruder 200 of the present invention is characterized by adopting a 2in 1out type nozzle system, unlike a conventional 2in 2out type nozzle system for discharging heterogeneous materials.

보다 구체적으로 본 발명의 압출기(200)는 제1열가소성 재료가 투입되는 제1유입구(210); 상기 제1열가소성 재료와 다른 제2열가소성 재료가 투입되며, 상기 제1유입구(210)와 이격되어 형성되는 제2유입구(220); 및 상기 제1유입구 및 상기 제2유입구로 투입된 열가소성 재료가 토출되는 유출구(230)를 포함하는 것을 특징으로 한다.More specifically, the extruder 200 of the present invention includes a first inlet 210 into which a first thermoplastic material is introduced; A second inlet 220 which is different from the first thermoplastic material and is spaced apart from the first inlet 210; And an outlet 230 through which the thermoplastic material introduced into the first inlet and the second inlet is discharged.

다만, 많은 연구들이 2in 1out 방식의 노즐 시스템을 기반으로 경사재료(Graded Material)를 구현하려는 연구를 계속하였으나 대부분 컬러 그레이딩(Color Grading)에 한계가 있어 왔다.However, many studies have continued to implement a gradient material based on a 2in 1out nozzle system, but most have been limited in color grading.

대부분 동일 재료의 다른 색상의 필라멘트들은 점성(Viscosity)가 낮기 때문에 낮은 유동 시에도 고르게 혼합될 수 있었으며, 시판 중인 짧은 교반 길이의 압출기(200)에도 적합하다.Most of the filaments of different colors of the same material have a low viscosity, so they can be evenly mixed even at low flow, and are suitable for a commercially available extruder 200 with a short stirring length.

다만, 3D 프린팅에서 사용되는 재료는 열가소성 고분자 재료로, 가열 시에 높은 점도를 가진다. 이에 따라 상기 열가소성 고분자가 토출구로 이송할 때, 유동이 층류(Laminar flow)로 형성되고 특수한 유동이 없기에 두 가지 재료를 섞는 것이 어렵게 된다. However, the material used in 3D printing is a thermoplastic polymer material and has a high viscosity when heated. Accordingly, when the thermoplastic polymer is transferred to the discharge port, it is difficult to mix the two materials because the flow is formed in a laminar flow and there is no special flow.

이러한 문제를 해결하기 위해서 기계내부에 점도가 높은 물질을 난류(Tubulent flow)로 만들어 주게 되는 경우 장비의 진동과 위치의 정밀성을 떨어뜨리게 된다.In order to solve this problem, if a material with a high viscosity is made into a turbulent flow inside the machine, the precision of the vibration and the position of the equipment is reduced.

이를 해결하기 위한 본 발명을 위함 실험예는 소형 유체 시스템에서 사용되는 확산에 의한 교반시스템을 선정하였다. 본 실험예의 확산 시간(t)과 확산 거리(X)의 관계는 하기의 식 (1)에 의해 설명한다.In order to solve this, an experimental example for selecting the agitation system by diffusion used in a small fluid system was selected. The relationship between the diffusion time (t) and the diffusion distance (X) in this experimental example is described by the following equation (1).

Diffusion distance in time t,

Figure pat00001
Diffusion distance in time t,
Figure pat00001

Figure pat00002
(1)
Figure pat00002
(One)

상기 식(1)의 K는 볼츠만 상수(Boltzman constant)를, T는 온도를, μ는 점성을, r은 유체역학반경(Hydrodynamics radius)을 각각 의미한다.K in Equation (1) is a Boltzman constant, T is a temperature, μ is a viscosity, and r is a hydrodynamics radius.

상기 식(1)에 따라, 확산에 충분한 거리 X를 만족시키기 위해서는 확산시간 t가 증가하여야 한다. 또한 유체역학반경 r을 고려할 때, 이동 경로 중 방해요소가 있다면 유동분리가 일어날 수 있다.According to the formula (1), in order to satisfy the distance X sufficient for diffusion, the diffusion time t must be increased. Also, when considering the hydrodynamic radius r, if there are any obstacles in the movement path, flow separation may occur.

따라서 유동 분리 시, 유체역학반경 r이 커짐으로써 확산 교반이 성공적으로 이루어 질 수 있게 된다. 도 5의 (a)와 (b)는 일반적인 관내 고분자 재료의 유동과 방해요소가 포함된 관내 고분자 재료의 유동을 각각 비교하여 도시한다.Therefore, when separating the flow, the diffusion dynamics can be successfully achieved by increasing the hydrodynamic radius r. 5 (a) and 5 (b) show a comparison between the flow of the polymer material in the tube and the flow of the polymer material in the tube containing the obstacles, respectively.

이에 따라 상기 유출구(230)의 노즐목 상에 구비된 스테틱 믹서(231)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Accordingly, it characterized in that it further comprises a static mixer 231 provided on the nozzle neck of the outlet 230.

도6은 본 발명의 일실시예를 적용하여 두 열가소성 고분자 재료가 유동분리가 일어난 실험예를 도시한다.6 shows an experimental example in which two thermoplastic polymer materials are subjected to flow separation by applying an embodiment of the present invention.

도6의 붉은색 도시된 부분은 경질층을, 파란색으로 도시된 부분은 연질층을 각각 나타내며, 보라색 도시된 부분은 상기 두 상이 섞인 층을 나타낸다. 도시된 바와 같이 충분한 유동을 가지고 경질층과 연질층이 충분히 혼합된 것을 확인할 수 있다.The red part in FIG. 6 represents a hard layer, the blue part represents a soft layer, and the purple part represents a layer in which the two phases are mixed. As shown, it can be seen that the hard layer and the soft layer are sufficiently mixed with sufficient flow.

이에 따라 상기 유출구(230)의 노즐목 상에 상기 스테틱 믹서(231)가 구비된 2in 1out 압출기(200)를 통해 상기 변형 억제층(20)과 상기 액추에이터(10) 사이의 열팽창계수를 제어함으로써 층간박리 및 강성약화를 해결할 수 있다.Accordingly, by controlling the coefficient of thermal expansion between the strain suppression layer 20 and the actuator 10 through a 2in 1out extruder 200 equipped with the static mixer 231 on the nozzle neck of the outlet 230 Interlayer peeling and weakening of stiffness can be solved.

본 발명의 또 다른 기술적 특징은 본 발명의 일실시예에 따른 상기 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터가 적용된 그리퍼에 있다.Another technical feature of the present invention lies in the gripper to which the soft actuator having the deformation suppression layer inserted according to an embodiment of the present invention is applied.

이에 따라 본 발명의 일실시예에 따른 상기 액추에이터(10) 상기 액추에이터(10)의 끝단에 삼각형 구조로 형성되어 물건을 파지하는 파지부(11); 및 상기 파지부(11)를 연결하는 골격에 해당하는 본체부(12)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이를 통해 불균일한 접촉면을 가진 물건에 대한 보다 안정적인 파지가 가능해 진다.Accordingly, the actuator 10 according to an embodiment of the present invention is formed in a triangular structure at the end of the actuator 10, the gripping portion 11 for holding an object; And a main body portion 12 corresponding to a skeleton connecting the gripping portion 11. This allows more stable gripping of objects with non-uniform contact surfaces.

전술한 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. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration only, and a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

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.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present invention.

10: 액추에이터
11: 파지부
12: 본체부
20: 변형 억제층
30: 경사기능재료
100: 3D 프린터 본체
200: 압출기
210: 제1유입구
220: 제2유입구
230: 유출구
231: 스테틱 믹서10: actuator
11: gripping part
12: main body
20: strain inhibiting layer
30: inclined functional material
100: 3D printer body
200: extruder
210: first inlet
220: second inlet
230: outlet
231: static mixer

Claims (10)

내부 메쉬구조로 구성되어, 자유롭게 굽혀지며 대상 물건에 직접 접촉하는 액추에이터;
상기 액추에이터 상의 굽힘 부분에 삽입되며, 상기 액추에이터의 굽힘 방향성을 제어하고 상기 액추에이터에 힘을 전달하는 변형 억제층; 및
상기 액추에이터와 상기 변형 억제층 사이의 열팽창 계수를 제어하는 경사기능재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터.
An actuator made of an internal mesh structure, freely bent and directly in contact with a target object;
A deformation inhibiting layer inserted into a bent portion on the actuator, controlling a bending direction of the actuator and transmitting a force to the actuator; And
And an inclined functional material for controlling the coefficient of thermal expansion between the actuator and the strain inhibiting layer.
제1항에 있어서,
상기 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터는 3D 프린터를 통해 적층구조로 제조되는 것을 특징으로 하며,
상기 3D 프린터는 상기 경사기능재료의 토출을 위한 위한 압출기(Extruder)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터.
According to claim 1,
The deformation control layer is inserted into the soft actuator is characterized in that it is manufactured in a laminated structure through a 3D printer,
The 3D printer further comprises an extruder (Extruder) for discharging the inclined functional material, the soft actuator is inserted deformation suppression layer.
제2항에 있어서, 상기 압출기는,
제1열가소성 재료가 투입되는 제1유입구;
상기 제1열가소성 재료와 다른 제2열가소성 재료가 투입되며, 상기 제1유입구와 이격되어 형성되는 제2유입구; 및
상기 제1유입구 및 상기 제2유입구로 투입된 열가소성 재료가 토출되는 유출구; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터.
According to claim 2, The extruder,
A first inlet through which a first thermoplastic material is introduced;
A second inlet through which a second thermoplastic material different from the first thermoplastic material is introduced and formed apart from the first inlet; And
An outlet through which the thermoplastic material introduced into the first inlet and the second inlet is discharged; It characterized in that it comprises a soft actuator having a strain suppression layer is inserted.
제3항에 있어서, 상기 압출기는,
상기 유출구의 노즐목 상에 구비된 스테틱 믹서를 더 포함하는 것을 특징으로 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터.
According to claim 3, The extruder,
And a static mixer provided on the nozzle neck of the outlet.
제1항에 있어서, 상기 액추에이터는,
공압 및 유압을 통해 힘을 부여받는 것을 특징으로 하는 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터.
According to claim 1, The actuator,
Soft actuator with a strain suppression layer characterized in that the force is applied through pneumatic and hydraulic pressure.
제1항에 있어서, 상기 액추에이터는,
플렉서블 필라멘트(Flexible filament)가 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터.
According to claim 1, The actuator,
A soft actuator with a strain-inhibiting layer inserted therein, characterized in that the flexible filaments are stacked.
제1항에 있어서,
상기 변형 억제층과 상기 액추에이터와의 접촉 영역의 강성을 증대시키는 방식으로 상기 액추에어티에 힘을 전달하는 것을 특징으로 하는 변형 억제층이 삽입된 3D프린티드 소프트 액추에이터.
According to claim 1,
3D printed soft actuator with a strain-suppressing layer inserted therein, characterized in that a force is transmitted to the actuator in a manner that increases the stiffness of the contact region between the strain-suppressing layer and the actuator.
제1항에 있어서,
상기 변형 억제층은 탄소섬유 필라멘트(Carbon Fiber Filled Filament)가 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터.
According to claim 1,
The strain suppression layer is a soft actuator having a strain suppression layer inserted therein, characterized in that carbon fiber filaments (Carbon Fiber Filled Filament) are laminated.
제1항에 있어서, 상기 액추에이터는,
상기 액추에이터의 끝단에 삼각형 구조로 형성되어 물건을 파지하는 파지부; 및
상기 파지부를 연결하는 골격에 해당하는 본체부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터.
According to claim 1, The actuator,
A gripping part formed in a triangular structure at the end of the actuator to grip an object; And
A body part corresponding to a skeleton connecting the gripping part; It characterized in that it comprises a soft actuator having a strain suppression layer is inserted.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 변형 억제층이 삽입된 소프트 액추에이터가 적용되어 제조되는 것을 특징으로 하는 그리퍼.A gripper characterized by being manufactured by applying a soft actuator into which the strain suppression layer of any one of claims 1 to 9 is inserted.
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