KR20210048392A - 능동형 3차원 점착 구조 및 이를 포함하는 소프트 그리퍼 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

공압 제어식 소프트 그리퍼가 개시된다. 상기 소프트 그리퍼는 하부 방향으로 개구되는 음압작용공간을 갖는 챔버부; 상기 챔버부의 하부로부터 방사상으로 연장되는 빨판부; 상기 음압작용공간의 상부면으로부터 돌출되어 상기 음압작용공간 내에 위치하고, 기체주머니로 구비되며, 팽창 및 수축 가능한 탄성을 갖고, 팽창하여 상기 음압작용공간 내에 음압을 형성하고 수축하여 상기 음압작용공간 내의 음압이 제거되도록 하는 융상돌기; 및 상기 챔버부의 상단부로부터 상기 융상돌기의 기체주머니에 관통되고, 상기 융상돌기가 팽창하도록 상기 기체주머니 내에 유체가 주입되도록 하고 상기 융상돌기가 수축하도록 상기 기체주머니 내의 유체가 흡입되도록 하는 기체출입부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공압 제어식 소프트 그리퍼, 이의 제조방법 및 소프트 그리퍼를 이용한 물품 이송 방법{PNEUMATIC CONTROLLED SOFT GRIPPER, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND ARTICLE TRANSPORT METHOD USING SOFT GRIPPER}
본 발명은 공압 제어식 소프트 그리퍼, 이의 제조방법 및 소프트 그리퍼를 이용한 물품 이송 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 표면에 접착이 가능한 공압 제어식 소프트 그리퍼, 이의 제조방법 및 소프트 그리퍼를 이용한 물품 이송 방법에 관한 것이다.
반도체 장비, 가전 생산, 의료용품 생산 등 다양한 분야에서 물품의 이송을 위한 흡착 시스템이 널리 이용되고 있다.
상기 흡착 시스템은 탄성 재질의 흡착구와 물체 사이의 인터페이스에서 음압을 유도하여 접착력을 생성하는 기술이 이용된다.
그런데 종래 대부분의 흡착 시스템은 흡착구와 물체 사이의 음압을 유도하는 방식이 흡착구의 상부로부터 물체의 표면 방향으로 수직의 압력을 가하여 음압을 유도하는 방식으로 흡착구 및 표면 간의 접착이 이루어지는 구조이거나, 흡착구의 내부로부터 유체를 흡입하는 방식으로 음압을 형성하여 흡착구 및 표면 간의 접착이 이루어지는 구조를 갖는다.
이러한 종래의 흡착 시스템에서, 수직 압력을 가하여 음압을 형성하는 방식의 경우에는 흡착구 및 표면 사이의 음압이 충분히 발휘되지 못하므로 물체의 이송 중 쉽게 접착력이 해제되어 물체의 이송이 어려워지는 문제가 있었고, 특히 습한 환경 나아가 수중 환경의 경우, 음압 형성시 액체가 유입되어 음압 형성에 방해되어 습한환경 또는 수중 환경에서는 이러한 음압에 기초한 빨판 챔버는 접착력이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 본 발명자의 한국등록특허 10-1745803가 있으며, 이 한국등록특허는 문어 빨판을 모사한 빨판내 융상돌기를 형성시켜 빨판에 의한 접착력을 향상시켰고 특히 습한 환경에서의 접착력을 향상시켰다. 이 등록된 특허의 경우도, 매우 우수한 접착력을 보이지만, 융상돌기의 빨판 챔버 내벽에의 접착을 유도하기 위해 그리고 빨판 챔버 내의 감압을 유도하기 위해 위에서 아래로의 수직한 가압이 필요했고 융상돌기와 챔버 내벽의 접촉을 보장하기 위해 제한된 빨판의 모양 및 크기 그리고 융상돌기의 제한된 크기의 제약이 있었다. 이는 빨판 챔버에 의한 접착력의 한계로 작용할 수 있었다.
또한, 빨판 챔버 접착의 경우 탈착은 쉽지 않다. 탈착을 위해 빨판을 비틀거나 빨판의 접촉면을 들어올리는 등의 동작으로 빨판 챔버 내의 압력을 올려야 한다. 아니면, 빨판과 피접착물간에 강한 당김을 주어 압력 차이로 빨판이 접착될 수 있는 최대치 이상의 힘을 더 가하여 빨판을 탈착하도록 한다. 그러나 이러한 동작들은 접촉면을 손상시키거나 이의 동작을 위한 복잡하고 어려운 구성이 필요한 단점이 있다.
즉, 종래의 흡착 시스템은 접착 가능 대상이 제한적이며, 안정적인 접착을 위한 충분한 음압을 발휘하기 어려워서 안정적인 물체의 이송이 어려워지는 문제가 있고, 건조 환경 및 수중 환경과 같은 다양한 환경에서의 사용이 어려운 문제가 있었고, 압력에 민감한 제품에 사용이 어려운 문제가 있었다.
본 발명은, 수중에서도 접착력을 쉽게 발휘할 수 있고, 쉬운 음압 제공에 따른 쉬운 흡착 그리고 쉬운 음압 제거 방법에 따른 쉬운 탈착을 제공할 수 있는 새로운 공압 제어식 음압 흡착 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다양한 표면에 충분한 접착력을 발휘 및 유지할 수 있고, 탈부착 반복이 쉽게 제어될 수 있도록 한 소프트 그리퍼, 이의 제조방법 및 소프트 그리퍼를 이용한 물품 이송 방법을 제공하는데 있다.
다른 목적으로, 다양한 환경에서 충분한 접착력을 발휘 및 유지할 수 있도록 한 소프트 그리퍼, 이의 제조방법 및 소프트 그리퍼를 이용한 물품 이송 방법을 제공하는데 있다.
또 다른 목적으로, 다양한 표면 및 압력에 민감한 물질과도 쉽게 접착이 가능해질 수 있도록 한 소프트 그리퍼, 이의 제조방법 및 소프트 그리퍼를 이용한 물품 이송 방법을 제공하는데 있다.
일 측면으로서, 본 발명은 개구를 포함하는 음압작용공간(114)을 갖는 챔버부; 상기 챔버부의 상기 개구로부터 바깥 방향의 방사상으로 연장되는 환형 접촉면을 갖는 빨판부; 상기 음압작용공간의 상기 개구를 마주하는 상부면으로부터 돌출되어 상기 음압작용공간 내에 위치하고, 내부에 기체주머니를 가지며, 팽창 및 수축 가능한 융상 돌기(130); 상기 챔버부의 외면으로부터 상기 융상돌기의 기체주머니에 관통되어 상기 기체주머니로 기체가 유출입되는 경로인 기체출입부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공압 제어식 그리퍼를 제공한다.
상기 챔버부의 음압작용공간 내에 융상 돌기를 가지며 이 융상돌기는 외부로부터 주입되는 기체에 의해 팽창 수축 가능하도록 구성되어 상기 음압작용공간의 내부의 음압 및 양압 형성을 가능하게 하여 공압에 의해 능동적으로 음압 흡착식 접착 및 탈착을 가능하게 한다.
상기 빨판부와 상기 융상돌기 사이의 상기 내측벽은 상기 음압작용공간의 내측방향으로 만곡된 형상임을 특징으로 한다.
상기 융상돌기는 팽창시 상기 내측벽의 만곡된 형성 부분을 가압하게 되고 상기 챔버부를 위로 들어올려 융상돌기와 내측벽 그리고 접촉면이 형성하는 부피를 증가시키게 하여 음압으로의 압력 강하를 더욱 크게 하여 강한 흡착력을 제공하게 한다. 반대로, 융상돌기가 수축시 상기 내측벽의 가압을 해제하여 상기 챔버부를 다시 아래로 되돌려 상기 음압작용공간 내의 음압이 제거되도록 하여 상기 흡착구를 탈착할 수 있도록 한다.
특히 본 발명의 상기 공압 제어식 음압 그리퍼는 통상의 음압 흡착구와는 달리 수중에서도 강한 흡착력을 제공할 수 있다. 수중 사용환경에서는 흡착구 내에 물이 가득 차게 되고 음압 형성이 어려운데, 본 발명의 그리퍼(흡착구)는 팽창수축가능한 융상돌기, 및 이 융상돌기로부터 바깥방향으로 가압되는 항아리 형성과 같은 만곡된 형상의 내측벽을 가져서, 융상 돌기의 팽창시 상기 내측벽의 만곡된 형성 부분을 가압하게 되고 상기 챔버부를 위로 들어올려, 융상돌기, 내측벽 및 접촉면이 형성하는 물이 찬 공간에 진공 공간을 형성시켜 매우 강한 음압 흡착을 수중에서 제공할 수 있다.
상기 융상돌기는 반 구 형상을 이루도록 구비될 수 있다.
음압 그리퍼는 고분자 물질로 이루어질 수 있고, 상기 고분자 물질은 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리우레탄, 폴리에틸렌글리콜, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
상기 소프트 그리퍼는, 상기 빨판부의 표면 상에 돌기를 추가로 포함할 수 있다.
상기 고도로 부드러운 돌기가 상기 소프트 그리퍼의 빨판부의 표면 상에 밀집하여 인쇄되어, 수중에서 보다 향상된 흡착-기반 접착 및 밀봉을 통해 고도로 거칠고 휘어진 물체에 대한 부착을 향상시킬 수 있다.
이들 구조는 접착 계면에 대한 압력 차이를 더욱 확립할 수 있고, 뿐만 아니라 빨판부 및 빨판부와 접착되는 물체의 표면 사이의 마찰을 향상시킬 수 있다. 상기 돌기의 계층 구조는, 이들의 많은 흡착 상호작용 및 향상된 모세관-보조 밀봉 때문에, 거칠고 휘어진 표면에 대한 소프트 그리퍼의 부착을 향상시킬 수 있다.
다른 측면으로서, 본 발명은 공압 제어식 음압 그리퍼를 제조하는 방법으로서, 챔버부 및 빨판부의 외관 형상에 대응하는 입체 형상의 제1 고분자주입홈 및 상기 제1 고분자주입홈의 가운데의 상측에 위치하는 제2 고분자주입홈을 갖는 제1 몰드를 준비하는 단계; 덮개판부, 상기 덮개판부의 중앙으로부터 연장되는 기둥 형상의 기체출입부성형부, 및 상기 기둥 형상의 끝단에 구비되고 상기 제2 고분자주입홈의 내면에 대응하는 형상을 갖는 융상돌기 성형부를 포함하는 제2 몰드를 준비하는 단계; 상기 제1 고분자주입홈 및 상기 제2 고분자주입홈에 고분자 물질을 주입하는 단계; 상기 융상돌기 성형부가 상기 제2 고분자주입홈 내에 삽입되도록 상기 제2 몰드를 상기 제1 몰드 상부에 덮는 단계; 상기 제1 몰드를 고온환경에서 일정 시간 경화하는 단계; 상기 제2 몰드를 분리하는 단계; 및 상기 제1 몰드 내에서 성형된 소프트 그리퍼를 상기 제1 몰드로부터 인출하는 단계를 제공한다.
상기 제2 몰드를 준비하는 단계 이후에, 상기 제1 몰드 및 상기 제2 몰드를 표면처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 몰드 및 상기 제2 몰드를 표면처리 하는 단계는, 상기 제1 몰드 및 상기 제2 몰드를 자기조립단분자막(Self-Assimbled Monolayer, SAM)용액에 50 내지 70분 동안 침지시키는 단계; 및 상기 용액으로부터 상기 제1 몰드 및 상기 제2 몰드를 인출하여 50 내지 70℃ 이상의 오븐에서 11 내지 13시간 동안 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고분자 물질은 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리우레탄, 폴리에틸렌글리콜, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
다른 측면으로서, 본 발명은, 공압 제어식 음압 그리퍼를 이용한 물품 이송 방법을 제공하며, 이 방법은 상기 소프트 그리퍼가 이용되고, 빨판부를 이송대상 물체의 표면에 밀착하는 단계; 챔버부의 음압작용공간 방향으로 유체를 공급하여 상기 음압작용공간 내에 음압을 형성하는 단계; 상기 이송대상 물체를 이송하는 단계; 및 상기 음압작용공간의 외부 방향으로 유체를 흡입하여 상기 음압작용공간 내의 음압을 제거하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 음압작용공간 내에 음압을 형성하는 단계는 상기 음압작용공간 내에 위치하는 융상돌기의 중공의 내부로 유체를 주입하여 상기 융상돌기를 팽창시키고, 상기 음압작용공간 내의 음압을 제거하는 단계는 상기 융상돌기의 중공의 내부로부터 상기 기체주머니의 외부 방향으로 유체를 흡입할 수 있다.
본 발명에 따른 소프트 그리퍼는 융상돌기의 팽창 및 수축을 통해 챔버부 내의 진공 현상을 제어하여 다양한 표면에 충분한 접착력을 발휘 및 유지할 수 있고, 탈부착 반복이 쉽게 제어될 수 있는 이점이 있다.
또한, 건조한 환경뿐만 아니라 수중 환경에서도 충분한 접착력을 발휘 및 유지할 수 있는 이점이 있다.
또한, 외부 압력 없이 융상돌기의 팽창 및 수축을 통해 충분한 접착력이 발휘될 수 있으므로 다양한 표면 및 압력에 민감한 물질과도 쉽게 접착이 가능해지는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 소프트 그리퍼의 외관 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 소프트 그리퍼가 수중에 잠긴 물체의 표면에 흡착되는 과정의 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼 제조방법의 공정 순서를 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼 제조방법의 공정 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 환경 조건에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 융상돌기 유무에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 융상돌기 팽창 유무에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9a는 건조 환경에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 탄성에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9b는 수중 환경에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 탄성에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10a는 건조 환경에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 시간 및 공압에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10b는 수중 환경에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 시간 및 공압에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11a는 음압 흡착 동안 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 FEM 시뮬레이션 이미지이다.
도 11b는 투입 압력에 대한, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 계면 영역 및 챔버 높이의 예측값 및 실험값을 나타낸 그래프이다.
도 11c는 투입 압력에 대한, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 부피의 예측값 및 실험값을 나타낸 그래프, 및 FEM 시뮬레이션 이미지이다.
도 11d는 투입 압력에 대한, 건조 및 수중 조건 내 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 압력 차이의 예측값 및 실험값을 나타낸 그래프이다.
도 12a는 투입 압력에 대한, 건조 및 수중 조건 내 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 접착 강도의 예측값 및 실험값을 나타낸 그래프이다.
도 12b는 시간에 대한, 건조 및 수중 조건 내 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 접착 강도; 투입 압력; 및 FEM 시뮬레이션 이미지를 나타낸 그래프이다.
도 12c는 작동/비작동(온/오프) 횟수에 대한, 건조 및 수중 조건 내 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 접착 강도를 나타낸 그래프이다.
도 13a는 표면의 거칠기에 대한, 돌기를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼; 부드럽고 평평하게 코팅된 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼; 및 추가적인 향상이 없는 소프트 그리퍼의 접착 강도를 나타낸 그래프이다.
도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼 대 표면 곡률의 비율에 대한, 건조 및 수중 조건 내 접착 강도를 나타낸 그래프이다.
도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼를 이용하여 수중에서 물체를 흡착하여 이송하는 모습을 나타낸다.
도 15는 문어 팔-유래 소프트 작동기와, 3개의 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼를 통합한 모습을 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 소프트 그리퍼, 이의 제조방법 및 소프트 그리퍼를 이용한 물품 이송 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 소프트 그리퍼의 파지 능력은, 생물학적으로 대응되는 빨판의 근육 역학에 부합하는, 상기 소프트 그리퍼 내부의 융상돌기(130)의 팽창 및 수축에 의해 좌우된다.
상기 소프트 그리퍼는, 상기 챔버부(110) 이내의 압력 차이에 의해 유발되는 건조 (~26 N) 및 수중 (~45 N) 조건 둘 모두에서의 주목할 만한 접착 성능, 뿐만 아니라, 외부의 물리적 요소 없이 음압 흡착의 작동/비작동 스위치에 대한 높은 반복성 및 반응성을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그리퍼(흡착구)의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 그리퍼의 외관 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼는 챔버부(110), 빨판부(120), 융상돌기(130), 및 기체출입부(140)를 포함할 수 있다.
챔버부(110)는 하부 방향으로 개구되는 음압작용공간(114)을 내부에 가질 수 있다. 챔버부(110)의 형상에는 특별한 제한은 없으며, 예를 들어, 챔버부(110)는 평면부(111), 상기 평면부(111)로부터 구의 일부 형상을 이루도록 연장되는 측면부(112) 및 상기 평면부(111)에 대향하고 상기 측면부(112) 하부에 위치하는 저면부(113)를 포함할 수 있다.
상기 음압작용공간(114)은 소프트 그리퍼가 물체를 흡착할 때 음압이 작용하는 공간을 제공할 수 있다. 음압작용공간(114)의 내측벽(114a)은 음압작용공간(114)의 내측방향으로 만곡되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 음압작용공간(114)은 음압작용공간(114)의 상부로부터 아래 방향으로 좁아지다가 다시 넓어지는 형태로 형성될 수 있다.
빨판부(120)는 소프트 그리퍼에서 물체의 표면에 흡착되는 부분이다. 빨판부(120)는 챔버부(110)의 하부로부터 방사상으로 연장될 수 있다. 일 예로, 빨판부(120)는 챔버부(110)의 상기 저면부(113)의 중심부로부터 방사상으로 연장될 수 있다. 빨판부(120)의 내부는 상기 음압작용공간(114)과 소통될 수 있고, 이에 따라 빨판부(120)를 통해 음압작용공간(114) 내로 공기 및 물이 유입될 수 있다.
융상돌기(130)는 음압작용공간(114)의 상부면으로부터 돌출되어 음압작용공간(114) 내에 위치할 수 있고, 음압작용공간(114) 내에 음압이 작용하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 융상돌기(130)는 팽창 및 수축 가능한 탄성을 갖고, 팽창하여 음압작용공간(114) 내에 음압을 형성하고 수축하여 음압작용공간(114) 내의 음압이 제거되도록 할 수 있다. 일 예로, 융상돌기(130)는 반 구 형상일 수 있다. 반 구 형상의 융상돌기(130)는 팽창하면 음압작용공간(114)의 만곡된 내측벽(114a)에 밀착되는 크기로 팽창될 수 있다.
기체출입부(140)는 챔버부(110)의 상단부, 즉 챔버부(110)의 평면부(111)로부터 융상돌기(130)의 기체주머니에 관통될 수 있다. 이러한 기체출입부(140)는 융상돌기(130)가 팽창하도록 기체주머니 내에 기체가 주입되도록 하고 융상돌기(130)가 수축하도록 기체주머니 내의 기체가 흡입되게 할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼는 실리콘 플라스틱 화합물, 고무계열의 고분자 전구체 중 어느 하나의 재질일 수 있다. 일 예로, 소프트 그리퍼는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄아크릴레이트(polyurethaneacrylate, PUA), 폴리스티렌(polystylene, PS), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함할 수 있다.
상기 소프트 그리퍼의 융상돌기(130)는 작동 동안 팽창하고, 팽창하는 융상돌기(130)가 내측벽(114a)과 접촉하여 챔버부(110)의 구조적 변화로 이어진다. 두 개의 주요 요소는 소프트 그리퍼의 접착을 좌우한다: (1) 증가된 계면 영역 및 표면 순응성 및 (2) 소프트 그리퍼 챔버부(110)의 내부 압력의 감소를 유발하는 부피 팽창.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 그리퍼가 건조한 환경 및 수중 환경에서 물체의 표면에 흡착되는 과정을 설명하는 도면이다.
건조한 표면의 예에서, 첫 번째 그림은 그리퍼가 접촉면에 안착하는 모습이다. 두 번째 그림은 기체출입구를 통해 융상돌기를 팽창시켜 상기 내측벽의 만곡된 부분에 접촉한 모습이다. 그리고 세 번째 그림은 융상돌기를 더욱 팽창시켜 상기 내측벽의 만곡된 부분을 바깥쪽으로 더욱 밀어, 그리퍼가 위로 올라가는 모습을 보여준다. 두 번째 그림에서 융상돌기, 내측벽 및 접촉면이 형성하는 부피보다, 세 번째 그림에서 부피는 더욱 커지게 되고 더욱 감압된 음압이 형성되어 강한 접착을 제공하게 된다.
또 다른 환경이 습한 표면 환경에서의 예는 도 3의 아래 도면에 있다. 습환 표면 환경의 첫 번째 그림은 그리퍼가 수중 환경에서 접촉면에 안착하는 모습이다. 두 번째 그림은 기체출입구를 통해 융상돌기를 팽창시켜 상기 내측벽의 만곡된 부분에 접촉한 모습이다. 그리고 세 번째 그림은 융상돌기를 더욱 팽창시켜 상기 내측벽의 만곡된 부분을 바깥쪽으로 더욱 밀어, 그리퍼가 위로 올라가는 모습을 보여준다. 두 번째 그림에서 융상돌기, 내측벽 및 접촉면이 형성하는 부피는 물로 가득차있어 수중환경에서는 음압 형성이 어렵고 접착력을 발휘하기 어렵다. 그러나 본 발명은 세 번째 그림에서 부피는 더욱 커지게 되고 진공이 형성되어 매우 강한 음압이 형성되어 수중 환경에서도 매우 강한 접착을 제공하게 된다.
본 발명의 그리퍼를 접착면으로부터 탈착 시키고자 하는 경우 융상돌기(130)의 기체주머니로부터 외측 방향으로 기체를 흡입하면 융상돌기(130)가 수축하면서 만곡된 내측벽을 누르는 힘은 없어지고 다시 좁아지고 상승했던 그리퍼는 낮아지고 증가되었던 융상돌기, 내측벽 및 접촉면이 형성하는 부피는 작아지게 되어 음압을 상실해서 탈착이 이뤄진다.
소프트 그리퍼의 구체적인 파지 메커니즘
본 발명의 소프트 그리퍼의 구체적인 파지 메커니즘을 설명하기 위해, 첫째로 흡착 동안 소프트 그리퍼의 기하학적 구조의 변화를 조사했다. 도 3에서 보여진 것과 같은 소프트 그리퍼 계면 영역 및 챔버 높이의 증가는 투입 공압 압력의 변화에 상응하여 측정되고; 비작동 상태 (0 kPa), 챔버부(110) 내측벽(114a)과 부푼 융상돌기(130)의 초기 접촉 (20 kPa), 및 소프트 그리퍼의 완전한 작동 (80 kPa)의 단계에 대한 유한 요소 방법 (FEM) 시뮬레이션을 사용하여 얻어진 분석 결과와 비교하였고, 이를 도 11a에 도시했다. 기존의 논문, 뭐랑 뭐에 기초하여 (논문 37. S. Licht, E. Collins, D. Ballat-Durand, M. Lopes-Mendes, Universal jamming grippers for deep-sea manipulation, in OCEANS 2016 MTS/IEEE Monterey (IEEE, 2016), pp. 1-5., 및 38. Z. E. Teoh, B. T. Phillips, K. P. Becker, G. Whittredge, J. C. Weaver, C. Hoberman, D. F. Gruber, R. J. Wood, Rotary-actuated folding polyhedrons for midwater investigation of delicate marine organisms. Sci. Robot. 3, eaat5276 (2018)), 수중에서의 소프트 그리퍼의 총 흡착력 (Fs)은 Fs=-PA 로서 표현될 수 있고, 여기서 P 는 챔버부(110) 내부의 압력(Pv) 및 대기 압력 (P0 ~ 101.3 kPa) 사이의 압력 차이이고, A는 흡착 효과의 계면 영역이다. 도 3을 기반으로, A=πDv2/4이고, 여기서 Dv는 챔버부(110) 내부에 진공이 확립될 때의 계면 영역의 직경이다.
첫째로, 소프트 그리퍼는 특정한 표면에 접근하여 특정한 표면과 접촉한다. 건조 조건에서, 소프트 그리퍼 내부 및 외부 압력 차이는, 다음과 같은, 그의 챔버부(110) 내부의 부피 변화에 의해 정의된다:
Fs,dry = πDv 2/4 * P0 (1 - V0/Vv) (1)
여기서, V0는 음압 흡착의 초기 단계 동안 내측벽(114a)과 융상돌기(130)의 접촉 시 챔버부(110) 하부의 부피이고; Vv는 진공 상태의 챔버부(110) 하부의 부피이다.
하지만, 수중 조건에서, 압력 차이는 건조 조건과 상이한 방식으로 유도된다. 도 3에서 보여진 것처럼, 잔류 공기는 음압 흡착의 초기 단계 동안 챔버부(110) 내부에서 대부분 완전하게 배출되고, 이는 내부에 극단적으로 낮은 압력을 유발하여 최소한의 부피 변화를 통해서도 거의 진공 상태를 형성한다. Pv ~ 0 로서, 소프트 그리퍼의 내부 및 외부 사이의 압력 차이는 최대화되고 ΔPmax= -P0로서 표현될 수 있다. 이런 이유로, 수중 조건 내 소프트 그리퍼의 흡착력 (σ s,UW ) 은 다음과 같이 표현된다:
Fs,UW = -ΔPmax (πDv 2/4) (2)
도 11b은, 소형 레이저 변위 측정 센서 (CD22-15VM12; Fastus, Japan) 및 캘리퍼(Vernier scale)를 사용하여 측정된, 공압 압력의 투입 동안 계면 영역 및 챔버 높이의 예측값 및 실험값을 드러낸다. 계면 영역 및 챔버 높이 내 증가는, 그의 내부 압력의 감소를 야기하는, 소프트 그리퍼 챔버부(110) 부피의 팽창을 이해하기 위해 측정된다. 작동 동안, 계면 영역은 공압 압력의 낮은 투입에 대해 무시해도 될 정도로 변화한다 (<20 kPa). 더욱 높은 압력 투입에 대해 (>20 kPa), 부푼 융상돌기(130)는 소프트 그리퍼 챔버부(110)의 내측벽(114a)에 접촉하고; 이는 빨판부(120)의 계면 영역을 확장시키고 둥근 표면에 대항하는 적응에 도움이 되는 곡선을 형성한다. 유사하게, 소프트 그리퍼의 높이는 팽창의 시작 동안 약간 감소하지만, 소프트 그리퍼가 기반으로부터 멀어질수록 꾸준하게 증가한다. 실험적인 관찰 및 FEM 시뮬레이션에 대한 계면 영역 및 챔버부(110) 높이의 거동이 서로 일치하기 때문에, 공압 압력의 달라지는 투입에 따른 부피의 이론적인 및 실험적인 변화를 계산했다. 챔버부(110) 내부는 말단이 절단된 원뿔의 형태로 가정하고, 음압 흡착 이전 및 이후의 챔버부(110)의 부피 변화(V=V0-Vv)는 다음과 같이 표현될 수 있고
ΔV = π/12 * [h0 (d0 2+d0D0+D0 2 )-hv(dv 2+dvDv+Dv 2)] (3)
여기서 d0는 접촉 초기 동안의 챔버부(110) 내부의 상부 부분의 직경이고, D0는 접촉 초기 동안의 소프트 그리퍼 챔버부(110)의 계면 영역의 직경이고, 및 h0는 접촉 초기 동안의 챔버부(110)의 높이이다. 게다가, dv는 진공 상태의 챔버부(110) 내부의 상부 부분의 직경이고, Dv는 진공 상태의 계면 영역의 직경이고, 및 hv는 진공 상태의 챔버부(110)의 높이이다. 도 11c에서 보여진 것처럼, 소프트 그리퍼 챔버부(110) 부피의 예측값 및 실험값은 서로 동일하고; 20 kPa 이상의 음압 흡착으로부터, 계면 및 챔버부(110) 높이를 접착하는 소프트 그리퍼의 팽창은 그의 내부 부피의 꾸준한 증가를 야기한다. 투입 압력이 80 kPa까지 증가함에 따라, 소프트 그리퍼 챔버부(110)의 계면 영역 및 챔버 높이는 증가하는 것을 중지하고, 및 따라서, 상기 소프트 그리퍼의 부피는 최대화된다. 부피 변화의 예측값은 이후 소프트 그리퍼의 내부 및 외부의 압력 차이를 계산하기 위해 사용된다. 소프트 그리퍼의 챔버부(110) 내 압력을 측정하기 위해 맞춤형 장치를 사용하여, 계산된 결과를 측정된 압력 차이의 실험값과 비교했다. 도 11d에서 보여진 것처럼, 투입 압력의 변화에 대한 소프트 그리퍼 챔버부(110) 내부의 압력 차이에 대한 이론적인 결과는 실험적인 결과와 잘 일치한다.
소프트 그리퍼 챔버부(110) 이내의 압력 차이를 분석하는 것에 의해, 건조 조건에서의 공압 압력의 달라지는 투입에 상응하는 소프트 그리퍼의 접착 강도를 측정할 수 있다.(도 12a) 여기서, 접착 강도의 모든 실험은 주위 건조 조건 하에서 맞춤형 장비를 사용하여 수행됐다. 접착의 실험값은 예측값과 일치하고, 이는 공압 압력의 투입 증가를 위한 소프트 그리퍼 챔버부(110) 압력 차이의 거동의 일치를 통해 설명될 수 있다. 도 12a에서 보여진 것처럼, 소프트 그리퍼의 건조 접착 강도는, 소프트 그리퍼 챔버부(110) 내부 및 빨판부(120)의 계면 영역의 최대화된 압력 차이로 인해, 80 kPa의 투입 압력에 대해 ~26 N 에서 최대화된다. 유사한 실험적인 설정을 사용하여, 우리는 또한 수중 침지된 평평한 기판에 대한 이론적인 및 실험적인 소프트 그리퍼 접착 강도를 비교한다. 마찬가지로, 도 12a에서 보여진 것처럼, 소프트 그리퍼는, 진공 상태의 형성을 통한 챔버부(110) 이내의 훨씬 더 큰 압력 차이 때문에, 80 kPa 투입 공압 압력에서 ~45 N의 최대 접착 강도에 도달한다. 도9a 및 도9b은 건조/수중 환경 내 공압 압력의 투입의 작동/비작동 전환에 따른, 소프트 그리퍼의 탄성 계수에 대한 소프트 그리퍼의 접착 강도를 보여준다. 상기 소프트 그리퍼를 제조하기 위하여, 상이한 탄성 계수를 갖는 실리콘 탄성중합체, 구체적으로 Ecoflex 10 (E ~ 10 kPa), Ecoflex 30 (E ~ 30 kPa), Ecoflex 50 (E ~ 50 kPa), 및 Dragonskin 10 (E ~ 300 kPa)을 사용했다. 여기서, 작동 상태는 공압 압력 (20-80 kPa)의 투입과 유사하면서, 비작동 상태는 소프트 그리퍼의 완전한 공기배출과 유사하다. 이후, 작동 상태 동안 부착의 견고성, 및 비작동 상태 동안 분리를 이해하기 위하여, 접착 강도를 측정했다. 건조 및 수중 조건 둘 모두에 대해, 소프트 그리퍼는 탄성 계수와 함께 정상적인 접착 강도 증가를 나타낸다. 이는 접착 강도 (FN)는, E는 접착 계면의 탄성 계수인, C ~ 1/E면서, 시스템 순응도 (C) (FN ~ √(A/C), 여기서 A는 소프트 그리퍼의 계면 영역)의 제곱근과 반비례 관계를 갖기 때문이다. 전반적으로, 소프트 그리퍼의 정상적인 접착은 건조 및 수중 조건 둘 모두에서 강성에 따라 증가하지만; 더 큰 E를 갖는 실리콘으로 구성된 소프트 그리퍼는 본 발명의 복제 방법을 사용하여 제조될 수 없다. 반대로, 비작동 상태에 대해, 소프트 그리퍼 챔버부(110) 부피는 초기 상태로 되돌아오고, 빨판부(120)의 접촉부는 실리콘 재료의 탄성력을 복원하는 것에 의해 복귀된다. 이는 소프트 그리퍼 및 맞물리는 기판 사이의 밀봉을 파열시키고, 비교적 무시해도 될 정도의 소프트 그리퍼, 특히 실리콘의 더 큰 복원 거동 때문에 더 큰 강성의 소프트 그리퍼의 접착 강도를 수득한다. 도 12b은 소프트 그리퍼의 일반적인 부착 및 분리 거동을 요약한다. 소프트 그리퍼 챔버부(110) 부피의 팽창은 흡착 효과를 통해 접착을 개시하면서, 계면 영역의 팽창은 20 내지 80 kPa 범위인 공압 압력 투입에 상응하여 전반적인 접착이 증가하는 것을 가능하게 한다. 챔버부(110) 내의 진공 상태 때문에, 건조 조건 내 접착과는 반대로, 소프트 그리퍼는 수중 조건 내 더 큰 압력 차이를 확립하고, 훨씬 더 큰 접착 강도를 수득한다. 융상돌기(130)가 공기배출될 때 접촉부에서 응력이 끊어지기 때문에 소프트 그리퍼의 분리가 발생한다. 도 12b에서 소프트 그리퍼는 수중에서 1 kg 중량에 대한 견고하게 부착하고 (~30 kPa의 공압 압력), 수송하고 그의 내부 융상돌기(130)의 공기배출 시 대부분 즉각적으로 분리된다. 따라서, 소프트 그리퍼는 건조 (~26 N) 및 수중 (~45 N) 조건 내 최대 정상적인 접착을 달성하고 공기배출 시 대부분 즉시 분리된다. 소프트 그리퍼의 그러한 부착 및 분리 능력은 공압 압력을 사용하여 용이하게 제어되어, 건조 및 수중 환경 내 파지 조작에 고도로 적합하다. 소프트 그리퍼의 음압 흡착 이후에, 몸체는 그의 접착 과정 동안 상승되고 맞물리는 기판에 단단하게 접착한다. 융상돌기(130)의 공기배출 시, 표면에 대한 소프트 그리퍼의 밀봉이 떼어지기 때문에 대부분 즉시 분리된다. 그의 파지 능력의 내구성을 실험하기 위해, 소프트 그리퍼의 주기적인 건조/수중 접착 측정은, 도 12c에서 보여진 것처럼, 작동/비작동 스위치로 테스트되었다. 소프트 그리퍼는 건조 및 수중 환경 둘 모두에서 작동 상태 동안 10000 배까지의 단단한, 안정한, 및 장기간의 부착, 뿐만 아니라 비작동 상태 시 즉각적인 분리에 따른 높은 반응성을 나타낸다.
추가로, 우리는 소프트 그리퍼 빨판부(120)의 표면 상에 고도로 부드러운, 돌기를 배열시켜, 불규칙한 형태를 갖는 대상 상에서의 파지를 위한 접착 순응성을 향상시킨다. 돌기는 실리콘 탄성중합체 (Ecoflex 10)의 훨씬 더 부드러운 유도체 및 역방향 구조를 갖는 고분자 마스터(master)를 사용하여 단순한 각인 방법을 통해 제조된다. 상기 돌기는 높은 구조적 충실도 및 완전성을 갖는 소프트 그리퍼 빨판부(120) 상에 밀집하여 분포한다. 최대화된 접착 성질을 위한, 상기 돌기의 계층 구조는, 생물학적 돌기의 기하학적 구조 뿐만 아니라 30㎛ 의 직경 및 ~1의 간격 비율로 설계된다 (간격 비율은 너비에 의해 나누어진 각각의 구조 사이의 거리). 우리는 이후, RRMS=√(1/n∑i=1 n*yi 2)로서 나타내는 평균 제곱근 (RMS) 거칠기에 의해 정의된, 수중에서 고도로 부드러운 돌기를 갖는 소프트 그리퍼 (소프트 그리퍼-sm)의 달라지는 거칠기를 갖는 기판에 대한 접착 강도를 측정한다. RRMS은 데이터의 일관성을 위해 사용되지만, RRMS ~ 100 ㎛ 의 기판이 ~ 160 ㎛ 의 RMax을 가지면서, RRMS ~ 30 ㎛ 의 기판은 ~ 80 ㎛의 최대 거칠기 (RMax)를 갖는다. 상기 측정은, 80 kPa 압력 투입에서 완전한 음압 흡착 시 측정되고, 부드럽고 평평한 표면 (소프트 그리퍼-sf)을 갖는 코팅된 소프트 그리퍼 샘플 및 추가적인 향상이 없는 소프트 그리퍼 샘플과 비교된다. 평평한 기판에 대한, 소프트 그리퍼-sm는, 돌기의 많은 상호작용으로 인해, 정상적인 접착의 경미한 증가를 드러낸다. 구체적으로, 아주 작은 규모의 구조는 향상된 부착 계면 및 음압작용공간(114)의 진공을 위한 내측벽(114a)의 펼침에 의해 맞물리는 표면에 대항하는 흡착을 유발한다. 더욱이, 모세관 브릿지는 돌기 및 맞물리는 표면 사이에서 형성되고, 이는 소프트 그리퍼 빨판부(120)의 밀봉을 향상시키고 돌기의 전반적인 접착에 기여한다. 특히 달라지는 거칠기를 갖는 표면에 대한 상기 돌기의 계층 구조는, 향상된 표면 적응성에 대한 상기 돌기의 영향을 입증한다. 불규칙한 특징은 추가적인 향상이 없는 소프트 그리퍼 및 맞물리는 기판 사이의 접촉 및 밀봉을 방해하고, 및 따라서, 추가적인 향상이 없는 소프트 그리퍼의 접착 성능을 약화시킨다. 하지만, 도 13a에서 보여진 것과 같이, 소프트 그리퍼-sm은, 고도로 부드러운 돌기의 일치하는 접촉 때문에, 30 ㎛ 및 100 ㎛의 RRMS을 갖는 표면에 대해 고도로 견고한 정상적인 접착을 보여준다. 이들 성능은 소프트 그리퍼-sm 및 추가적인 향상이 없는 소프트 그리퍼의 것과 모순되고, 이는 거칠기가 증가함에 따라 이들의 접착 성질의 실질적인 감소를 드러낸다 (도 13a). 따라서, 건조 조건 내 거칠은 표면에 대한 부착 대신에, 소프트 그리퍼-sm는, 향상된 흡착 및 모세관 힘을 갖는 상기 돌기의 계층 구조의 상호작용으로 인해, 거칠은 특징을 갖는 표면에 대한 주목할 만한 그립 능력을 드러낸다.
또한, 도 13b 에서 보여진 것처럼, 소프트 그리퍼-대-표면 곡률 비율 (r/R)로서 정의된 것처럼, 달라지는 곡률을 갖는 기판에 대한 건조 및 수중 환경 내 소프트 그리퍼-sm의 접착 강도를 측정했다. 상기 소프트 그리퍼-sm는, 소프트 그리퍼의 증가하는 작동에 따른 부착하는 계면의 변화 때문에, 기하학적 구조에 대한 적응을 달성하고 단단한 흡착을 수득한다. 첫째로, 소프트 그리퍼-sm 빨판부(120) 및 돌기가 접착 대상의 휘어진 표면과 일치하도록 공압 압력이 적용된다. 이후, 압력의 추가적인 투입은 그의 챔버부(110) 내부 이내에 압력 차이를 확립하여, 흡착-기반 부착을 야기한다. 건조 및 수중 조건 둘 모두에서 비작동 상태로 전환시킬 시, 소프트 그리퍼-sm는, 그의 밀봉의 파열이 곡률에 의해 용이하게 획득되기 때문에, 그의 맞물리는 기판으로부터 즉시 분리된다.
고도로 부드러운 돌기가 갖는 소프트 그리퍼의 향상된 부착 능력으로, 수중에서 달라지는 기하학적 구조 및 형태를 갖는 물체의 파지 및 수송을 입증하기 위해, 상용 로봇 매니퓰레이터(manipulator) (OpenMANIPULATOR-X RM-X52-TNM, ROBOTIS)와 소프트 그리퍼를 통합하는 것에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 실용적인 적용을 입증한다. 상기 소프트 그리퍼-sm를 사용하여, 음압 흡착 시 평면, 취성 실리콘 웨이퍼에 대항하는 손쉬운 부착을 나타낸다. 상기 매니퓰레이터(manipulator)는 다양한 동작 및 비틀림에 용이하게 웨이퍼를 다루고, 이후 유리 페트리 접시에 웨이퍼를 이동시킬 수 있으며, 분리 시 웨이퍼의 임의의 표면 오염 또는 손상은 관찰되지 않았다. 소프트 그리퍼-sm가 부푸는 것에 따라, 빨판부(120)는, 접착 대상의 곡률을 따르고 돌기가 거칠은 표면과의 접촉을 확립하는 것을 가능하게 만들도록 변형된다. 추가로, 습한 조건 내 비교적 부드러운 접착 대상에 대항하는 소프트 그리퍼-sm의 그립 능력은, 휘어진 표면에 대한 접착을 용이하게 확립할 수 있고, 상기 소프트 그리퍼-sm가 접착 대상과 음압 흡착에 의해 접착되고 난 뒤 공기배출 시 거의 즉시 분리될 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼는 성형 몰드를 통해 제조될 수 있다. 상기 성형 몰드는 제1 몰드(210) 및 제2 몰드(220)를 포함할 수 있다. 제1 몰드(210) 및 제2 몰드(220)는 도 5에 도시되어 있다.
제1 몰드(210)는 제1 고분자주입홈(211) 및 제2 고분자주입홈(212)을 포함할 수 있다. 제1 고분자주입홈(211)은 소프트 그리퍼의 챔버부(110) 및 빨판부(120)의 외관 형상에 대응하는 입체 형상을 가질 수 있다. 제2 고분자주입홈(212)은 제1 고분자주입홈(211)의 가운데의 상측에 위치할 수 있다. 제2 고분자주입홈(212)은 반 구 형상일 수 있다.
제2 몰드(220)는 덮개판부(221), 기체출입부 성형부(222), 및 융상돌기 성형부(223)를 포함할 수 있다. 덮개판부(221)는 제1 몰드(210)를 덮을 수 있는 크기를 갖는 사각의 플레이트 형상일 수 있다. 기체출입부 성형부(222)는 덮개판부(221)의 저면으로부터 기둥 형상으로 연장되어 형성될 수 있다. 융상돌기 성형부(223)는 기체출입부 성형부(222)의 기둥 형상의 끝단에 구비되고 제2 고분자주입홈(212)의 내면에 대응하는 형상을 가질 수 있다.
이러한 제1 몰드(210) 및 제2 몰드(220)는 3D 프린팅 또는 포토리소그래피(Photo Lithography)를 통해 제조될 수 있다.
상기 3D-인쇄된 제1 몰드(210) 및 제2 몰드(220)는 3D CAD(Computer-aided design) (CAD) 소프트웨어 (Autodesk Fusion 360, Autodesk Inc., CA, USA)를 사용하여 설계될 수 있다.
상기 두 개의 몰드를 서로 견고하게 고정시키기 위해 Parafilm을 사용했다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼 제조방법의 공정 순서를 나타낸 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼 제조방법의 공정 모습을 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼 제조방법은, 상기 제1 몰드(210)를 준비하는 단계(S110); 상기 제2 몰드(220)를 준비하는 단계(S120); 상기 제1 몰드(210) 및 상기 제2 몰드(220)를 표면처리 하는 단계(S130); 상기 제1 고분자주입홈(211) 및 상기 제2 고분자주입홈(212)에 고분자 물질을 주입하는 단계(S140); 상기 융상돌기 성형부(223)가 상기 제2 고분자주입홈(212) 내에 삽입되도록 상기 제2 몰드(220)를 상기 제1 몰드(210) 상부에 덮는 단계(S150); 상기 제1 몰드(210)를 고온환경에서 일정 시간 경화하는 단계(S160); 상기 제2 몰드(220)를 분리하는 단계(S170); 및 상기 제1 몰드(210) 내에서 성형된 소프트 그리퍼를 상기 제1 몰드(210)로부터 인출하는 단계(S180)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 소프트 그리퍼의 부드러운, 팽창식 부분을 제조하기 위해, 경화제와 혼합하여(Dragon Skin 10:경화제=1:1) 실리콘 탄성중합체 프리폴리머 (Dragon Skin 10, Smooth-On Inc.)를 생성했고, 상기 프리폴리머 혼합물을 10분 동안 진공 챔버 내에서 탈기시켰다. 탈기 이후에, 상기 프리폴리머 혼합물을 기반 몰드 내로 침착시켜, 실리콘 전구체 DragonSkin10를 침착시켰다. 이후, 상부 3D-인쇄된 몰드를 조립하여 융상돌기(130)를 생성했다. 4시간 동안 실온에서 프리폴리머를 경화시켰고, 어셈블리로부터 탈형시켰다.
이후, 실리콘 접착제(Sil-Poxy, Smooth-On Inc.)를 사용하여 3D-인쇄된 기반에 부드러운 팽창식 부분을 부착하는 것에 의해 소프트 그리퍼를 완성했다.
도 5에서, (a)는 상기 S110 단계 및 상기 S120 단계의 모습을 나타내고, (b)는 상기 S130 단계의 모습을 나타내고, (c)는 상기 S140 단계의 모습을 나타낸다.
한편, 상기 제1 몰드 및 상기 제2 몰드를 표면처리 하는 단계(S130)는, 상기 제1 몰드 및 상기 제2 몰드를 헥산 내 1% 희석된 자기조립단분자막(Self-Assimbled Monolayer, SAM)용액(트리클로로(옥타데실)실란(ODTS); Sigma-Aldrich Inc.)에 50 내지 70분 동안 침지시키는 단계; 및 상기 용액으로부터 상기 제1 몰드 및 상기 제2 몰드를 인출하여 50 내지 70℃ 이상의 오븐에서 11 내지 13시간 동안 경화시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 예로, 상기 고분자는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리우레탄아크릴레이트(polyurethaneacrylate, PUA), 폴리스티렌(polystylene, PS), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기와 같이 제조된 소프트 그리퍼의 빨판부(120) 표면 상에서 돌기의 각인이 수행될 수 있다.
SAM-처리된 PDMS 마스터(master)를 유리 기판에 첫째로 부착했다. 고도로 부드러운 실리콘 탄성중합체 프리폴리머 (Ecoflex 10, Smooth-On Inc.) 를 PDMS 마스터(master) 상에 침착시켰고, 뒤이어 1 분 동안 200 rpm에서 스핀-코팅했다. 이후 소프트 그리퍼를, 빨판부(120)가 오로지 아주 작은 패턴과 접촉하도록, 스핀-코팅된 PDMS 마스터(master) 상에서 조심스럽게 옮겼다. 4시간 동안 실온에서 경화시킨 이후에, 소프트 그리퍼를 PDMS 마스터(master)로부터 제거했고 돌기를 소프트 그리퍼 빨판부(120) 상에 이식했다.
[실시예 1]
제1 몰드(210) 및 제2 몰드(220)를 준비하고, 제1 몰드(210) 및 제2 몰드(220)를 자기조립단분자막(Self-Assimbled Monolayer, SAM)용액에 60분 동안 침지한 후 60℃ 오븐에서 12시간 동안 경화를 진행하여 표면처리하고, 제1 몰드(210)의 제1 고분자주입홈(211) 및 제2 고분자주입홈(212)에 UV 경화성 고분자 물질로서 액상의 폴리우레탄아크릴레이트(PUA)(또는 자외선 경화성 고분자 물질은 PDMS)를 주입하고, 융상돌기 성형부(223)가 제2 고분자주입홈(212) 내에 삽입되도록 제2 몰드(220)를 제1 몰드(210) 상부에 덮은 후 UV를 이용하여 2시간 경화를 진행하였다. 이어서 제2 몰드(220)를 제1 몰드(210)로부터 분리한 후, 고분자 물질이 경화되어 성형된 소프트 그리퍼를 제1 몰드(210)로부터 인출하였다.
소프트 그리퍼의 기하학적 측정 방법
소프트 그리퍼 챔버부(110)의 높이의 변화를 측정하기 위해, 상승된 플랫폼에 부착된 소형 레이저 변위 측정 센서 (CD22-15VM12, Fastus, Japan)를 활용했다. 3D 인쇄된 모델을 사용하여 레이저를 융상돌기(130)의 중간 소프트 그리퍼에 위치시켰다. 공압 압력을, 전기 압력 교정기 (719Pro, Fluke Inc.)를 사용하여, 10 kPa의 단위 증가로 0 kPa에서 80 kPa까지 융상돌기(130) 챔버에 적용했고, 변위의 변화를 측정했다. 소프트 그리퍼 빨판부(120)의 내부 (Di) 및 외부 (Do) 직경, 뿐만 아니라 부푼 융상돌기(130) (d)의 직경의 측정을 캘리퍼(Vernier scale)를 사용하여 수행했다.
소프트 그리퍼 챔버부(110) 압력 측정
소프트 그리퍼 샘플을 3D-인쇄된 스탠드 내로 위치시켜, 상부로부터 소프트 그리퍼의 작동 측정 및 하부로부터 소프트 그리퍼 챔버부(110) 이내의 압력 측정 둘 모두를 가능하게 했다. 전기 압력 교정기를 사용하여 공압 압력을 적용시키면서, 하부를 투입 튜브를 갖는 압력 센서 (40PC001B1A Honeywell Inc.)에 연결했다. 공압 압력을 10 kPa의 단위 증가로 0 kPa에서 80 kPa까지 챔버부(110) 내 융상돌기(130)로 투입시켰고, 전압 출력 내 차이를 통해 오실로스코프를 사용하여 챔버부(110) 압력의 변화를 관찰했다.
소프트 그리퍼의 접착 측정
맞춤형 장비 (Adhesion tester, Neo-Plus, Korea)를 사용하여 주위 조건 하에서 건조 (~50% 상대 습도) 및 수중 조건 내 평평한, 거칠은, 및 휘어진 s-PUA 기판 (영역 ~5 × 5 cm2)에 대한 모든 정상적인 접착 테스트를 수행했다. 수중 조건 내 측정을 실행하기 위해, s-PUA 기판을 증류수 내 침지시켰다. 이후, 상기 소프트 그리퍼 샘플을 지그(jig)에 고정시켰고 튜브를 통해 전기 압력 교정기에 연결했다. 투입 압력의 특정한 값에 따라 소프트 그리퍼의 작동을 보장하기 위해 전기 압력 교정기를 활용했다. 상기 소프트 그리퍼는 무시해도 될 정도의 예비하중(preload)을 갖는 기판과 첫째로 접촉했다. 특정한 공압 압력이 융상돌기(130) 내로 삽입될 때, 소프트 그리퍼는 샘플이 기판으로부터 완전히 분리될 때까지 접착을 겪었다. 정상적인 접착 프로파일의 가장 낮은 피크는 소프트 그리퍼의 접착 강도를 결정했다. PUA 기판에 대항하는 접착 성능은 유리 또는 실리콘 기판에 대항하는 것과 대부분 유사했다. 모든 측정을 적어도 10 번 반복했고, 평균 값을 표시했다.
환경 조건에 따른 접착력 측정
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 환경 조건에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
실리콘 기판 위에서 실시예 1의 소프트 그리퍼를 부착시켜서 접착력을 측정하였고, 건조 상태 및 수중 상태 각각의 환경에서 실시예 1의 접착력을 측정하였다. 그 결과, 도 6에 도시된 바와 같이, 건조 상태보다 수중 상태에서의 접착이 약 2배 이상 높은 것을 확인할 수 있었다.
[비교예]
실시예 1에 따른 소프트 그리퍼의 비교예로서 융상돌기(130)가 생략된 소프트 그리퍼를 제조하였다.
융상돌기 유무에 따른 접착력 측정
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 융상돌기(130) 유무에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
수중의 실리콘 기판 위에서 실시예 1에 따른 소프트 그리퍼 및 비교예에 따른 소프트 그리퍼를 부착시켜서 각각의 접착력을 측정하였다. 그 결과, 도 7에 도시된 바와 같이, 실시예 1(a)의 접착력이 비교예(b)보다 월등하게 높은 것을 확인할 수 있었다.
융상돌기 팽창 유무에 따른 접착력 측정
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 융상돌기(130) 팽창 유무에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
수중의 실리콘 기판 위에서 실시예 1에 따른 소프트 그리퍼를 부착시키되, 융상돌기(130)에 공압을 주입하여 융상돌기(130)가 팽창하여 접착되는 경우(a) 및 공압의 주입 없이 수직 압력으로만 접착되는 경우(b) 각각에 따른 접착력을 측정하였다. 그 결과, 도 8에 도시된 바와 같이, (a)의 경우에 접착력이 더 높은 것을 확인할 수 있었다.
소프트 그리퍼의 탄성에 따른 접착력 측정
도 9a는 건조 환경에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 탄성에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 9b는 수중 환경에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 탄성에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
상기 실시예 1에 따라 소프트 그리퍼를 제조하되, 탄성 계수를 달리하는 4개의 소프트 그리퍼 각각에 대해 접착력을 측정하였다. 4개의 소프트 그리퍼는 각각 탄성계수 10kPa, 30kPa, 50kPa, 70kPa이고, 이러한 각각의 소프트 그리퍼에 대해 실리콘 기판 위에 부착시켜서 접착력을 측정하였고, 건조 환경 및 수중 환경에서 각각 접착력을 측정하였다. 그 결과, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 탄성계수가 높을수록 접착력이 큰 것을 확인할 수 있었다.
시간 및 공압에 따른 접착력 측정
도 10a는 건조 환경에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 시간 및 공압에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 10b는 수중 환경에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼의 시간 및 공압에 따른 접착력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
실리콘 기판 위에서 상기 실시예 1에 따른 소프트 그리퍼를 부착시킨 후 시간 및 공압을 점차 증가시키면서 접착력을 측정하였고, 건조 환경 및 수중 환경에서 각각 접착력을 측정하였다. 그 결과, 도 10a 및 도 10b와 같이 시간 및 공압이 증가할수록 접착력이 증대되는 것을 확인할 수 있었다.
도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 소프트 그리퍼를 이용하여 수중에서 물체를 흡착하여 이송하는 모습을 나타낸다. 도 14에 도시된 물체는 500g의 무게를 갖는 물체이다.
도 14에 도시된 바와 같이 수중에서 공압을 주입하여 소프트 그리퍼를 물체의 표면에 흡착시킨 후 수중 밖으로 물체를 이송하면 쉽게 물체가 소프트 그리퍼에 의해 수중 밖으로 이동하며, 다시 주입된 공압을 빼면 소프트 그리퍼를 물체로부터 제거할 수 있었다.
복잡한 대상 및 생체 샘플의 다용도 파지를 위한 소프트 그리퍼
게다가, 본 발명에서, 음압 흡착에 반응하여 변형될 수 있는, 문어 팔-유래 소프트 작동기와 3개의 소프트 그리퍼-sms를 통합하는 것에 의해 통합된 소프트 그리퍼를 조립한다. 상기 통합된 소프트 그리퍼는 도 15에 도시되어있다. 이는, 복잡한 다면체, 거칠은 대상, 및 섬세한 및/또는 습한 생물학적 샘플 (예를 들어, 돼지 심장, 및 간) 상에서 단단한, 형태-알맞은 파지에 더욱 효과적이다.
추가로, 우리는 소프트 그리퍼 팔 및 소프트 그리퍼-sms의 작동을 동시에 조절하기 위하여 신호 및 압력 회로를 설계한다. 상기 통합된 소프트 그리퍼 및 회로는 이후 상용 매니퓰레이터(manipulator)에 연결되고, 복잡한 대상의 더 많은 파지 입증을 위한 버튼 모듈을 사용하여 제어된다. 우리는 소프트 그리퍼의 공압 팽창 및 공기배출을 위한 곡률 프로파일을 초기에 측정한다. 여기서, 변형은 투입 압력의 증가 및 감소에 대하여 고도로 반응성이고, 다양한 복잡성을 갖는 대상에 일치할 수 있는 능력을 명시한다. 도 15에서 보여진 것과 같이, 소프트 그리퍼 팔은 투입 압력에 반응하여 구부러지고 소프트 그리퍼-sms는 별개의 공압 압력의 경로를 통해 작동시킨다. 따라서, 소프트 그리퍼는 “젖은” 돼지 저금통, 뿐만 아니라 수중 환경 내 돼지 간 및 심장 생체 샘플에 대한 적응성 및 매우 일치하는 파지 성능을 달성한다. 상기 통합된 소프트 그리퍼는 습윤 상태의 돼지 저금통, 돼지 심장, 및 돼지 간 등의 음압 흡착 및 수송에 효과적이다. 이는, 상기 통합된 소프트 그리퍼의 뛰어난 파지 능력 자체 뿐만 아니라 상기 통합된 소프트 그리퍼의 수술 중 활용에 의한 의료용에서의 본 발명의 소프트 그리퍼의 잠재력을 강조한다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 개구를 포함하는 음압작용공간을 갖는 챔버부;
    상기 챔버부의 상기 개구로부터 바깥 방향의 방사상으로 연장되는 환형 접촉면을 갖는 빨판부;
    상기 음압작용공간의 상기 개구를 마주하는 상부면으로부터 돌출되어 상기 음압작용공간 내에 위치하고, 내부에 기체주머니를 가지며, 팽창 및 수축 가능한 융상 돌기;
    상기 챔버부의 외면으로부터 상기 융상돌기의 기체주머니에 관통되어 상기 기체주머니로 기체가 유출입되는 경로인 기체출입부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공압 제어식 음압 그리퍼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빨판부와 상기 융상돌기 사이의 상기 내측벽은 상기 음압작용공간의 내측방향으로 만곡된 형상임을 특징으로 하는,
    공압 제어식 음압 그리퍼.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 챔버부는 항아리 모양임을 특징으로 하는,
    공압 제어식 음압 그리퍼.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 융상돌기는 반구 형상임을 특징으로 하는,
    공압 제어식 음압 그리퍼.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소프트 그리퍼의 빨판부(120)의 표면 상에 돌기를 추가로 포함함을 특징으로 하는,
    공압 제어식 음압 그리퍼.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 공압 제어식 음압 흡착구는 수중에서 사용될 수 있음을 특징으로 하는,
    공압 제어식 소프트 그리퍼.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공압 제어식 그리퍼는 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리우레탄, 폴리에틸렌글리콜, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질로 이뤄짐을 특징으로 하는,
    공압 제어식 소프트 그리퍼.
  8. 제1항의 공압 제어식 그리퍼의 제조방법으로서,
    챔버부 및 빨판부의 외관 형상에 대응하는 입체 형상의 제1 고분자주입홈 및 상기 제1 고분자주입홈의 가운데의 상측에 위치하는 제2 고분자주입홈을 갖는 제1 몰드를 준비하는 단계;
    덮개판부, 상기 덮개판부의 중앙으로부터 연장되는 기둥 형상의 기체출입부성형부, 및 상기 기둥 형상의 끝단에 구비되고 상기 제2 고분자주입홈의 내면에 대응하는 형상을 갖는 융상돌기 성형부를 포함하는 제2 몰드를 준비하는 단계;
    상기 제1 고분자주입홈 및 상기 제2 고분자주입홈에 고분자 물질을 주입하는 단계;
    상기 융상돌기 성형부가 상기 제2 고분자주입홈 내에 삽입되도록 상기 제2 몰드를 상기 제1 몰드 상부에 덮는 단계;
    상기 제1 몰드를 고온환경에서 일정 시간 경화하는 단계;
    상기 제2 몰드를 분리하는 단계; 및
    상기 제1 몰드 내에서 성형된 소프트 그리퍼를 상기 제1 몰드로부터 인출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공압 제어식 그리퍼 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 몰드를 준비하는 단계 이후에,
    상기 제1 몰드 및 상기 제2 몰드를 표면처리 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공압 제어식 그리퍼 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 몰드 및 상기 제2 몰드를 표면처리 하는 단계는,
    상기 제1 몰드 및 상기 제2 몰드를 자기조립단분자막(Self-Assimbled Monolayer, SAM)용액에 50 내지 70분 동안 침지시키는 단계; 및
    상기 용액으로부터 상기 제1 몰드 및 상기 제2 몰드를 인출하여 50 내지 70℃ 이상의 오븐에서 11 내지 13시간 동안 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공압 제어식 그리퍼 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 폴리디메틸실록산, 폴리우레탄아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리비닐알코올, 폴리우레탄, 폴리에틸렌글리콜, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공압 제어식 소프트 그리퍼 제조방법.
  12. 제1항의 공압 소프트 그리퍼가 이용되고,
    빨판부를 이송대상 물체의 표면에 밀착하는 단계;
    챔버부의 음압작용공간 방향으로 기체를 공급하여 상기 음압작용공간 내에 음압을 형성하는 단계;
    상기 이송대상 물체를 이송하는 단계; 및
    상기 음압작용공간의 외부 방향으로 유체를 흡입하여 상기 음압작용공간 내의 음압을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    공압 제어식 그리퍼를 이용한 물품 이송 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 음압작용공간 내에 음압을 형성하는 단계는 상기 음압작용공간 내에 위치하는 융상돌기의 기체주머니의 내부로 유체를 주입하여 상기 융상돌기를 팽창시키고,
    상기 음압작용공간 내의 음압을 제거하는 단계는 상기 융상돌기의 기체주머니의 내부로부터 상기 기체주머니의 외부 방향으로 유체를 흡입하는 것을 특징으로 하는,
    공압 제어식 그리퍼를 이용한 물품 이송 방법.
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