KR20210032250A

KR20210032250A - 형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼

Info

Publication number: KR20210032250A
Application number: KR1020190113783A
Authority: KR
Inventors: 김규천
Original assignee: 김규천
Priority date: 2019-09-16
Filing date: 2019-09-16
Publication date: 2021-03-24

Abstract

본 발명은 소정 형상의 프레임; 상기 프레임의 좌,우 양편에 배치된 회전축에 각각 힌지 결합되어 회동 가능하게 설치된 적어도 하나 이상의 제1 핑거와 적어도 하나 이상의 제2 핑거로 이루어진 집게부; 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 양단이 각각 연결되고 감응온도에 도달 시 수축 또는 팽창하여 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거를 각각의 회전축을 중심으로 안쪽으로 회동시켜서 상기 집게부를 클로즈하는 형상기억합금으로 이루어진 클로즈 코일스프링; 및 상기 클로즈 코일스프링으로부터 이격되게 배치되고 양단이 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 각각 연결되어 상기 집게부를 오픈할 수 있는 힘을 제공하는 오픈 코일스프링;을 포함하는 그리퍼를 개시한다.

Description

형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼{GRAPPLE SYSTEM USNING SHAPE MEMORY ALLOY ACTUATOR}

본 발명은 그리퍼에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 집게부를 구동하여 물체를 집는 등의 작업을 수행하는 그리퍼에 관한 것이다.

일반적으로 드론은 본체 프레임과, 상기 본체 프레임으로부터 방사상으로 연장되어 있는 복수개의 암대와, 상기 암대의 끝부분에 설치된 로터를 구비한다. 드론의 본체 프레임 하부에는 촬영장비나, 방제장비, 물류 탑재장치 등과 같은 각종 추가 기기가 장착되어 다양한 산업분야에 활용이 되고 있다.

최근에는 드론의 본체 프레임 하부에 소정의 로봇암이나 그리퍼(gripper)를 장착하여 다양한 물체를 집어서 이동시키는 기술에 대한 관심도 높아지고 있다. 이와 관련하여 특허문헌 1에는 다축으로 이루어진 드론 장착용 로봇팔이 개시되어 있고, 특허문헌 2에는 로봇팔의 끝부분에 집게 형태의 파지장치를 설치한 무인비행체가 개시되어 있다.

그러나, 통상의 로봇팔 시스템에 적용되는 그리퍼는 물체를 충분히 강하게 파지하기가 어렵고 예컨대, 수 내지 수십 센티미터(cm) 길이의 핑거를 가진 다양한 크기로 설계되기가 어려운 취약점이 있어 이를 드론에 적용하기 위해서는 구조가 개선될 필요성이 있다. 이러한 요구에 부합하는 그리퍼로는 헬리콥터나 중장비 등에 적용되고 있는 유압실린더의 강한 힘으로 집게를 구동하는 방식의 그래플 시스템이 고려될 수 있다.

하지만, 기존의 그래플 시스템은 헬리콥터나 중장비에 장착되어 벌목이나 건설 현장 등에서 사용하도록 설계된 수백kg 중량의 유압장비이므로 이를 그대로 드론에 적용하는 것은 현실적으로 불가능한 문제가 있다.

특허문헌 1: 한국공개특허 제10-2017-0130140호(2017.11.28.공개) 특허문헌 2: 한국등록특허 제10-14585호(2014.11.05.공고)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서 저가, 경량화가 가능하고 다양한 크기로 설계가 가능한 제작이 가능한 형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 잣 등과 같은 열매를 쉽게 집어서 채취할 수 있도록 수십 센티미터급의 충분한 길이를 가지면서도 경량화가 가능한 형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 소정 형상의 프레임; 상기 프레임의 좌,우 양편에 배치된 회전축에 각각 힌지 결합되어 회동 가능하게 설치된 적어도 하나 이상의 제1 핑거와 적어도 하나 이상의 제2 핑거로 이루어진 집게부; 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 양단이 각각 연결되고 감응온도에 도달 시 수축 또는 팽창하여 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거를 각각의 회전축을 중심으로 안쪽으로 회동시켜서 상기 집게부를 클로즈하는 형상기억합금으로 이루어진 클로즈 코일스프링; 및 상기 클로즈 코일스프링으로부터 이격되게 배치되고 양단이 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 각각 연결되어 상기 집게부를 오픈할 수 있는 힘을 제공하는 오픈 코일스프링;을 포함하는 그리퍼를 제공한다.

상기 오픈 코일스프링은 상기 클로즈 코일스프링과 나란하게 배치되고, 감응온도에 도달 시 수축 또는 팽창하여 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거를 각각의 회전축을 중심으로 바깥쪽으로 회동시켜서 상기 집게부를 오픈하는 형상기억합금으로 이루어질 수 있다.

상기 클로즈 코일 스프링은 상기 회전축 주변에서 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 양단이 각각 연결되고 전류에 의한 주울열에 의해 수축되어 상기 집게부를 클로즈하는 힘을 가하고, 상기 오픈 코일스프링은 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거의 후미에 양단이 각각 연결되고 전류에 의한 주울열에 의해 수축되어 상기 집게부를 오픈하는 힘을 가할 수 있다.

상기 클로즈 코일 스프링은 상기 회전축 주변에서 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 양단이 각각 연결되고 전류에 의한 주울열에 의해 수축되어 상기 집게부를 클로즈하는 힘을 가하고, 상기 오픈 코일스프링은 상기 클로즈 코일스프링과 나란하게 배치되고, 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거의 후미를 서로 당기는 방향으로 탄성력을 가하여 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거를 각각의 회전축을 중심으로 바깥쪽으로 회동시켜서 상기 집게부를 오픈하는 힘을 제공할 수 있다.

상기 제1 핑거 및 제2 핑거와 동시에 회동 가능하게 배치되어 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거가 안쪽으로 회동될 때 역회전을 방지하도록 톱니바퀴와 상기 톱니바퀴의 외주에 접촉하는 폴을 구비한 래칫; 및 일단이 상기 폴에 연결되게 배치되고 감응온도에 도달 시 수축하여 상기 폴을 당겨서 상기 톱니바퀴에서 분리하는 형상기억합금으로 이루어진 래칫 구동스프링;을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거의 회동 중심에는 상기 회전축이 삽입될 수 있는 래디얼 베어링이 끼워지고, 상기 톱니바퀴는 상기 래디얼 베어링의 외륜에 연결되어 일체로 회전할 수 있다.

상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거는 서로 엇갈리게 배치되고, 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 있어서 상기 클로즈 코일스프링이 연결되는 부분에는 전도성의 원통형 슬리브를 관통하여 연결핀이 끼워지고, 상기 클로즈 코일스프링의 양단은 각각 상기 원통형 슬리브에 연결되고, 상기 원통형 슬리브와 상기 연결핀은 서로 전기적으로 절연되고, 상기 클로즈 코일스프링에 전류를 흘려서 주울열 발생시키기 위한 전극이 상기 원통형 슬리브에 연결될 수 있다.

본 발명은 프레임의 일측에 고정되어 상기 집게부가 클로즈 된 상태에서 상기 집게부에 집힌 물체를 절단하는 칼날판;을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 형상기억합금을 이용한 액추에이터에 의해 경량화, 저가화가 가능한 그리퍼를 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명을 적용할 경우 로봇이나 드론에 장착 가능한 수 내지 수십 센티미터(cm) 길이의 핑거를 가진 등 다양한 크기의 그리퍼를 제작할 수 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그리퍼의 구성을 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에서 집게부를 클로즈한 상태를 도시한 정면도이다.
도 3은 도 1의 주요 구성을 도시한 내부 평면도이다.
도 4는 도 3에서 역회전 방지수단을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 5는 도 2에서 전원 연결 구성을 개략적으로 도시한 정면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그리퍼의 구성을 도시한 정면도이고, 도 2는 도 1에서 집게부를 클로즈한 상태를 도시한 정면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 그리퍼는 소정 형상의 프레임(10)과, 프레임(10)의 좌,우 양편에 힌지 결합되어 회동 가능하게 설치된 집게부(20)와, 집게부(20)에 연결되어 구동력을 제공하는 적어도 하나 이상의 클로즈 코일스프링(50) 및 오픈 코일스프링(51)을 포함한다.

프레임(10)은 제1면(10a)과, 상기 제1면(10a)과 인접하고 서로 대향하는 제2면(10b) 및 제3면(10c)을 포함한다. 프레임(10)의 전체 형상은 사각형, 사다리꼴 등 다양한 예가 있을 수 있다.

프레임(10)의 좌,우 양측면은 집게부(20)의 회동 시 집게부(20)의 후미 부분의 이동공간이 확보되도록 일부 또는 전부가 개방되어 있다.

집게부(20)는 프레임(10)의 서로 마주보는 제2면(10b) 및 제3면(10c)의 양편에 각각 힌지 결합되어 회동 가능하게 설치된 적어도 하나 이상의 제1 핑거(21)와 적어도 하나 이상의 제2 핑거(22)의 조립체이다. 집게부(20)는 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)가 회동하여 정해진 각도로 오픈(open)되는 위치와 클로즈(close)되는 위치 사이에서 구동된다.

제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)는 예컨대, 2~5t 정도의 두께를 가진 스테인레스 스틸판이나 알루미늄판으로 형성되고 각각 서로를 향하는 방향으로 소정 곡률로 굴곡된 형상으로 구성된다. 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)의 개수는 다양한 변형예가 있을 수 있다.

제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)는 각각 핀 형태의 제1 회전축(23)과 제2 회전축(24)에 의해 프레임(10)에 힌지결합된다. 집게부(20)가 물체를 집은 상태에서 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)가 충분히 접힐 수 있도록 적어도 하나 이상의 제1 핑거(21)와 적어도 하나 이상의 제2 핑거(22)는 서로 교호적으로 배열된다.

집게부(20)를 프레임(10)에 힌지 결합하는 제1 회전축(23)과 제2 회전축(24)은 각각 프레임(10)의 제2면(10b)과 제3면(10c) 사이를 가로질러서 끼워져서 설치된다.

클로즈 코일스프링(50)은 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)에 양단이 각각 연결되고 감응온도에 도달 시 수축 또는 팽창하여 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)를 각각의 회전축을 중심으로 안쪽으로 회동시켜서 집게부(20)를 클로즈하는 용수철 형태의 형상기억합금 액추에이터(shape memory alloy actuator; SMA)로 구성된다.

클로즈 코일스프링(50)은 회전축(23,24) 주변에서 상기 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)에 양단이 각각 연결되고 전류에 의한 주울열에 의해 수축되어 집게부(20)를 클로즈하는 힘을 가한다.

오픈 코일스프링(51)은 클로즈 코일스프링(50)으로부터 상방으로 이격되게 배치되고 양단이 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)의 후미에 각각 연결되어 집게부(20)를 오픈할 수 있는 힘을 제공한다. 오픈 코일스프링(51)은 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)의 후미에 양단이 각각 연결되고 전류에 의한 주울열에 의해 수축되어 집게부(20)를 오픈하는 힘을 가한다.

대안으로, 오픈 코일스프링(51)은 클로즈 코일스프링(50)과 나란하게 배치되고, 제1 핑거와 상기 제2 핑거의 후미를 서로 당기는 방향으로 탄성력을 가하여 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)를 각각의 회전축을 중심으로 바깥쪽으로 회동시켜서 집게부(20)를 오픈하는 힘을 제공하는 상온에서 탄성을 가진 스프링으로 구성된다.

도 3에 도시된 바와 같이 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)에 있어서 클로즈 코일스프링(50)이 연결되는 부분에는 전도성의 원통형 슬리브(41,42)를 관통하여 연결핀(39)이 끼워진다. 여기서, 클로즈 코일스프링(50)의 양단은 각각 상기 원통형 슬리브(41,42)에 연결되고, 상기 원통형 슬리브(41,42)와 연결핀(39)은 서로 전기적으로 절연되고, 도 5에 도시된 바와 같이 소정의 배터리(70)로부터 클로즈 코일스프링(50)에 전류를 흘려서 주울열 발생시키기 위한 전극(43)이 원통형 슬리브(41,42)에 연결된다.

역회전 방지수단은 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)가 안쪽으로 회동되어 클로즈 상태가 될 때 역회전을 방지하는 기능을 수행한다.

도 4에 도시된 바와 같이 역회전 방지수단은 제1 핑거(21) 및 제2 핑거(22)와 동시에 회동 가능하게 배치되어 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)가 안쪽으로 회동될 때 역회전을 방지하도록 톱니바퀴(61)와 상기 톱니바퀴(61)의 외주에 접촉하는 폴(pawl)(62)을 구비한 래칫(ratchet)(60)과, 일단이 폴(62)에 연결되게 배치되고 감응온도에 도달 시 수축하여 폴(62)을 당겨서 톱니바퀴(61)에서 분리하는 형상기억합금으로 이루어진 래칫 구동스프링(63)을 포함한다.

바람직하게, 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)의 회동 중심에는 회전축(23,24)이 삽입될 수 있는 래디얼 베어링(40)이 끼워지고, 톱니바퀴(61)는 래디얼 베어링(40)의 외륜(40a)에 연결되어 일체로 회전한다. 이때, 래디얼 베어링(40)의 외륜(40a) 가장자리단은 톱니바퀴(61)의 중공에 끼워져서 고정되는 것이 바람직하다.

프레임(10)의 일측에는 칼날판(38)이 고정되어 집게부(20)가 클로즈 된 상태에서 상기 집게부(20)에 집힌 물체를 절단할 수 있다.

따라서, 클로즈 코일스프링(50)에 전류를 흘려주어 감응온도에 도달하도록 하면 클로즈 코일스프링(50)이 수축하면서 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)는 각각의 회전축(23,24)을 중심으로 안쪽으로 회동하여 집게부(20)는 클로즈 상태가 되어 물체를 집는 동작을 수행한다. 이때, 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)는 래칫(60)에 의해 역회전이 방지되어 벌어지지 않고 견고하게 물체를 집을 수 있다.

집게부(20)를 오픈하고자 할 경우에는 래칫 구동스프링(63)에 전류를 흘려서 래칫 구동스프링(63)을 수축시킨다. 이에 따라, 래칫 구동스프링(63)이 폴(62)을 당겨서 톱니바퀴(61)에서 분리하여 역회전 방지기능이 해제된다.

래칫(60)의 역회전 방지 작동이 해제된 상태에서 클로즈 코일스프링(51)의 탄성 복원력이나 열변형에 의한 수축에 의해 제1 핑거(21)와 제2 핑거(22)의 후미가 서로 당겨져서 집게부(20)는 오픈 상태로 전환된다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다

10: 프레임 20: 집게부
21: 제1 핑거 22: 제2 핑거
23: 제1 회전축 24: 제2 회전축
38: 칼날판 39: 연결핀
40: 래디얼 베어링 41,42: 원통형 슬리브
50: 클로즈 코일스프링 51: 오픈 코일스프링
60: 래칫 61: 톱니바퀴
62: 폴 63: 래칫 구동스프링

Claims

소정 형상의 프레임;
상기 프레임의 좌,우 양편에 배치된 회전축에 각각 힌지 결합되어 회동 가능하게 설치된 적어도 하나 이상의 제1 핑거와 적어도 하나 이상의 제2 핑거로 이루어진 집게부;
상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 양단이 각각 연결되고 감응온도에 도달 시 수축 또는 팽창하여 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거를 각각의 회전축을 중심으로 안쪽으로 회동시켜서 상기 집게부를 클로즈하는 형상기억합금으로 이루어진 클로즈 코일스프링; 및
상기 클로즈 코일스프링으로부터 이격되게 배치되고 양단이 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 각각 연결되어 상기 집게부를 오픈할 수 있는 힘을 제공하는 오픈 코일스프링;을 포함하는 형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼.
제1항에 있어서,
상기 오픈 코일스프링은 상기 클로즈 코일스프링과 나란하게 배치되고, 감응온도에 도달 시 수축 또는 팽창하여 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거를 각각의 회전축을 중심으로 바깥쪽으로 회동시켜서 상기 집게부를 오픈하는 형상기억합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼.
제2항에 있어서,
상기 클로즈 코일 스프링은 상기 회전축 주변에서 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 양단이 각각 연결되고 전류에 의한 주울열에 의해 수축되어 상기 집게부를 클로즈하는 힘을 가하고,
상기 오픈 코일스프링은 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거의 후미에 양단이 각각 연결되고 전류에 의한 주울열에 의해 수축되어 상기 집게부를 오픈하는 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼.
제1항에 있어서,
상기 클로즈 코일 스프링은 상기 회전축 주변에서 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 양단이 각각 연결되고 전류에 의한 주울열에 의해 수축되어 상기 집게부를 클로즈하는 힘을 가하고,
상기 오픈 코일스프링은 상기 클로즈 코일스프링과 나란하게 배치되고, 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거의 후미를 서로 당기는 방향으로 탄성력을 가하여 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거를 각각의 회전축을 중심으로 바깥쪽으로 회동시켜서 상기 집게부를 오픈하는 힘을 제공하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼.
제1항에 있어서,
상기 제1 핑거 및 제2 핑거와 동시에 회동 가능하게 배치되어 상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거가 안쪽으로 회동될 때 역회전을 방지하도록 톱니바퀴와 상기 톱니바퀴의 외주에 접촉하는 폴을 구비한 래칫; 및
일단이 상기 폴에 연결되게 배치되고 감응온도에 도달 시 수축하여 상기 폴을 당겨서 상기 톱니바퀴에서 분리하는 형상기억합금으로 이루어진 래칫 구동스프링;을 더 포함하는 형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼.
제5항에 있어서,
상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거의 회동 중심에는 상기 회전축이 삽입될 수 있는 래디얼 베어링이 끼워지고,
상기 톱니바퀴는 상기 래디얼 베어링의 외륜에 연결되어 상기 제1 핑거 및 상기 제2 핑거와 일체로 회동하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼.
제1항에 있어서,
상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거는 서로 엇갈리게 배치되고,
상기 제1 핑거와 상기 제2 핑거에 있어서 상기 클로즈 코일스프링이 연결되는 부분에는 전도성의 원통형 슬리브를 관통하여 연결핀이 끼워지고,
상기 클로즈 코일스프링의 양단은 각각 상기 원통형 슬리브에 연결되고,
상기 원통형 슬리브와 상기 연결핀은 서로 전기적으로 절연되고,
상기 클로즈 코일스프링에 전류를 흘려서 주울열 발생시키기 위한 전극이 상기 원통형 슬리브에 연결된 것을 특징으로 하는 형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼.
제1항에 있어서,
상기 프레임의 일측에 고정되어 상기 집게부가 클로즈 된 상태에서 상기 집게부에 집힌 물체를 절단하는 칼날판;을 더 포함하는 형상기억합금 액추에이터를 이용한 그리퍼.