KR20210130621A

KR20210130621A - Robot Gripper

Info

Publication number: KR20210130621A
Application number: KR1020200147266A
Authority: KR
Inventors: 경기욱; 황건우; 박지환; 남종석
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2021-11-01
Also published as: KR102410081B1

Abstract

A robot gripper according to the present invention comprises: a gripper body (10); and a driving part (20) coupled to the gripper body (10) to function as a flexible actuator. The robot gripper includes at least two or more of a gripping structure part (30) on both sides of the gripper body (10) that is coupled to the driving part (20) and adapts a shape when gripping an object; a variable stiffness structure (50) having a variable stiffness function by an electrical signal in the gripping structure part (30); and an electrical adhesive pad (60) disposed on the outer surface of the gripper body (10) and having a structure for generating an adhesive force with the object. The robot gripper can reduce the risk with safe gripping even in an environment where there is a lot of cooperation with workers.

Description

Robot Gripper

본 발명은 형상 적응과 가변 강성, 전기적 접착 기능, 유연 구동기를 응용하여, 임의 형상의 물체를 파지하는 로봇 그리퍼에 관한 것이다.The present invention relates to a robot gripper that grips an object of any shape by applying shape adaptation, variable rigidity, electrical bonding function, and flexible actuator.

여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art). Herein, background information related to the present disclosure is provided, and they do not necessarily mean prior art (This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).

현재 로봇 그리퍼 기술은 소재가 가지는 유연성으로 비정형 물체를 효과적이며 안전하게 파지가 가능해 많은 연구가 진행되고 있다. 이 기술은 파지방식에 따라 크게 형상 적응을 이용한 파지, 강성 변화를 이용한 파지, 접착력 제어를 이용한 파지로 분류된다. 형상 적응 방식은 그리퍼의 굽힘 변형을 통해 물체와의 접촉면을 늘이고 그 면에서의 수직 항력과 마찰력으로 물체를 파지하는 방식이다. 공압 또는 텐던 구동기를 유연한 소재와 함께 사용하거나 전기활성 고분자나 형상 기억합금과 같은 구동이 가능한 물질을 사용하는 방식이 그것이다. 이 방식의 경우 다른 방식들과 비교하여 높은 파지력을 제공하지만 접촉면이 볼록한 형상이 아닐 경우 파지가 힘들다는 단점을 가지고 있다. 강성 변화를 이용한 방식은 강성이 작은 상태에서 물체에 적응하고 강성을 높여 물체를 파지하는 방식이다. 이 방식의 대표적인 예시로는 전자기 유변 유체/탄성체, 저융점 합금, 진공식 강성 변화 물질 등이 있다. 이 방식은 형상 적응만을 통해 파지가 힘든 오목한 형상도 파지가 가능하나 종이나 판재와 같이 평평한 형상을 집기에는 부적합하다는 단점을 가지고 있다. 접착력 제어를 이용한 방식은 그리퍼와 물체 사이의 접촉면에서 접착력을 통해 파지하는 방식이다. 대표적인 메커니즘으로는 전기접착, 게코-접착, 진공 흡착 등이 있다. 접착력 제어는 물체의 표면 상태에 따라 파지력이 달라진다는 단점이 있지만, 다른 어떠한 방식으로도 파지하기 어려운 평평한 형상을 접착력을 통해 파지할 수 있다는 장점을 가지고 있다.Currently, a lot of research is being conducted on the robot gripper technology because it can effectively and safely grip irregular objects due to the flexibility of the material. According to the gripping method, this technology is largely classified into gripping using shape adaptation, gripping using stiffness change, and gripping using adhesive force control. The shape adaptation method extends the contact surface with the object through bending deformation of the gripper and grips the object with normal drag and friction forces on the surface. These include using a pneumatic or tendon actuator with a flexible material or using a material that can actuate such as an electroactive polymer or shape memory alloy. Although this method provides a high gripping force compared to other methods, it has a disadvantage in that gripping is difficult when the contact surface is not convex. The method using the change in stiffness is a method of adapting to an object in a state of low stiffness and gripping the object by increasing the stiffness. Representative examples of this method include electromagnetic rheological fluids/elastomers, low-melting alloys, and vacuum-type stiffness change materials. Although this method can grip concave shapes that are difficult to grip only through shape adaptation, it has a disadvantage in that it is not suitable for picking up flat shapes such as paper or plate materials. The method using the adhesive force control is a method of gripping through the adhesive force on the contact surface between the gripper and the object. Representative mechanisms include electro-adhesion, gecko-adhesion, and vacuum adsorption. Although the adhesive force control has a disadvantage that the gripping force varies depending on the surface condition of the object, it has the advantage of being able to grip a flat shape that is difficult to grip in any other way through the adhesive force.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 파지하고자 하는 물체의 형상에 따라 형상 적응 구조, 강성 변화 구조, 접착력 제어 방식을 모두 혼합한 상태의 장점을 갖고 있는 하이브리드 방식의 로봇 그리퍼에 대한 기술을 제안하는 것이다. 또한, 본 발명을 통해 비정형 물체가 많은 환경에서도 단일 그리퍼를 사용하여 모든 물체를 파지할 수 있고 작업자와의 협동이 많은 환경에서도 안전한 파지로 위험성을 줄일 수 있는 로봇 그리퍼 기술을 제안하고자 한다.The present invention is to solve the above conventional problems, and it is a technology for a hybrid robot gripper that has the advantage of a state in which a shape adaptation structure, a rigidity change structure, and an adhesive force control method are mixed according to the shape of an object to be gripped is to propose In addition, through the present invention, it is intended to propose a robot gripper technology that can grip all objects using a single gripper even in an environment with many atypical objects, and can reduce the risk with safe gripping even in an environment where there is a lot of cooperation with workers.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇 그리퍼는, 그리퍼 바디(10); 상기 그리퍼 바디(10)에 결합되어 유연 구동기 기능을 하는 구동부(20); 상기 그리퍼 바디(10)의 양측 상에서 상기 구동부(20)에 결합되는 것과 동시에 물체를 파지 시에 형상 적응을 하는 파지 구조부(30); 상기 파지 구조부(30) 내의 공간을 복수개로 분리하는 복수의 유연 전극부재(40); 상기 파지 구조부(30) 내에서 전기적 신호에 의해 가변 강성 기능을 갖는 가변 강성 구조(50); 및 상기 그리퍼 바디(10)의 외면 상에 배치되어 물체와의 접착력을 발생시키는 구조를 갖는 전기접착패드(60);를 포함하고, 상기 파지 구조부(30)를 통한 형상 적응 기능, 상기 가변 강성 구조(50)를 통한 가변 강성 기능 및 상기 전기접착패드(60)를 통한 전기 접착 기능을 포함한 기능들 중 두 가지 이상을 가지며, 물체를 파지 시에 상기 파지 구조부(30)의 유연적인 구조, 가변 강성 구조(50)의 강성 변화 및 상기 전기접착패드(60)의 접착성을 통해 비정형 물체에 대한 파지를 가능하게 한다. A robot gripper according to the present invention for achieving the above object includes a gripper body 10; a driving unit 20 coupled to the gripper body 10 to function as a flexible actuator; a gripping structure 30 on both sides of the gripper body 10 that is coupled to the driving part 20 and adapts a shape when gripping an object; a plurality of flexible electrode members 40 for separating a plurality of spaces within the gripping structure 30; a variable stiffness structure (50) having a variable stiffness function by an electrical signal in the gripping structure (30); and an electrical adhesive pad (60) disposed on the outer surface of the gripper body (10) and having a structure for generating adhesive force with an object; It has two or more of functions including a variable rigidity function through 50 and an electric bonding function through the electrical adhesive pad 60, and has a flexible structure and variable rigidity of the holding structure part 30 when holding an object. Through the change in the rigidity of the structure 50 and the adhesiveness of the electro-adhesive pad 60, it is possible to grip the amorphous object.

상기 그리퍼 바디(10)에 연결된 구동부(20)는 상기 그리퍼 바디(10)에 대하여 소프트 핑거인 상기 파지 구조부(30)의 회전 또는 병진 운동을 가능하게 한다. The driving part 20 connected to the gripper body 10 enables rotational or translational movement of the gripping structure 30 , which is a soft finger, with respect to the gripper body 10 .

상기 구동부(20)에는 공압 액추에이터, 줄 구동 기반 액추에이터, 전기활성고분자, 형상 기억 합금 등의 유연 액추에이터가 사용될 수 있다. A pneumatic actuator, a string-driven actuator, an electroactive polymer, a flexible actuator such as a shape memory alloy may be used for the driving unit 20 .

상기 가변 강성 구조(50)는 고분자 유체/탄성체(51), 고유전성 입자(52) 및 전극층(53)으로 이루어지며, 상기 전극층(53)에 전압을 인가하여 상기 가변 강성 구조 내부에 전기장이 발생하여 상기 고유전성 입자(52)가 상기 고분자 유체/탄성체(51) 내부에서 일렬로 배열된다. 상기 전극층(53)은 액체금속, 금속나노와이어, 그래핀, 탄소나노튜브 및 전도성 고분자를 포함하는 소재 중 어느 하나의 소재를 사용한다.The variable rigidity structure 50 is composed of a polymer fluid/elastic material 51 , high dielectric particles 52 and an electrode layer 53 , and an electric field is generated inside the variable rigidity structure by applying a voltage to the electrode layer 53 . Thus, the high dielectric particles 52 are arranged in a line inside the polymer fluid/elastic body 51 . For the electrode layer 53, any one of materials including liquid metal, metal nanowires, graphene, carbon nanotubes, and conductive polymers is used.

상기 전기접착패드(60)는 유전성 소재층(67)과 소정 간격으로 배치되는 전극 패턴(61, 62)으로 이루어지며, 상기 전극 패턴(61, 62)에 전압을 인가하여 발생한 전기장(63)이 물체의 표면에 전하(64. 65)를 유도하고, 전극 패턴(61, 62)과 유도된 전하(64, 65) 사이의 인력(66)에 의해 전기 접착력이 발생한다. 이를 통해 비정형 물체에 대한 파지를 가능하게 한다. The electrical adhesive pad 60 includes a dielectric material layer 67 and electrode patterns 61 and 62 disposed at a predetermined interval, and an electric field 63 generated by applying a voltage to the electrode patterns 61 and 62 is formed. An electric charge is induced on the surface of the object, and electrical adhesion is generated by the attractive force 66 between the electrode patterns 61 and 62 and the induced electric charges 64 and 65 . This enables the gripping of atypical objects.

상기 전극 패턴(61, 62)은 전도성을 가지는 물질을 사용함이 바람직하며, 높은 유연성을 확보하기 위해 액체금속, 금속나노와이어, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 등과 같은 유연전극이 사용될 수 있으며, 기계적 강인성을 높이기 위하여 전도성 탄소섬유, 필름형 연성 회로기판(FPCB) 등이 사용될 수도 있다. It is preferable to use a conductive material for the electrode patterns 61 and 62, and flexible electrodes such as liquid metal, metal nanowire, graphene, carbon nanotube, conductive polymer, etc. may be used to ensure high flexibility, Conductive carbon fiber, film-type flexible circuit board (FPCB), etc. may be used to increase mechanical toughness.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 로봇 그리퍼 기술은 농업 분야의 농작물 수확용 로봇, 물류 분야의 이송 로봇, 생산 분야의 협동 로봇, 소방 및 응급 분야의 재난 대응 로봇 등의 그리퍼 또는 엔드 이펙터에 적용 가능하다. The robot gripper technology according to the present invention as described above is applicable to a gripper or end effector such as a crop harvesting robot in the agricultural field, a transport robot in the logistics field, a cooperative robot in the production field, and a disaster response robot in the firefighting and emergency field. .

본 발명은 유연 구동기를 이용하여 구동되고, 그리퍼의 구조가 물체의 형상에 적응하며, 물체 파지 시에 그리퍼의 강성이 높아지고, 정전기적 인력을 이용하여 물체에 대한 파지력을 극대화시키는 그리퍼를 개발하는 효과가 있다. 본 발명을 물류 및 생산 로트에 적용할 경우, 로봇 그리퍼의 유연성에 의해 파지 대상 물체에 따라 형상이 적응할 수 있고, 결과적으로 넓은 접촉면을 가지게 되어 안정적으로 물체를 잡을 수 있다. 또한, 강성 가변 구조와 전기 접착력에 의해 파지력을 증대시켜 무거운 물체를 들어올리는 작업을 수행할 수 있다. Effects of the present invention to develop a gripper that is driven using a flexible actuator, the structure of the gripper adapts to the shape of the object, increases the rigidity of the gripper when gripping the object, and maximizes the gripping force on the object using electrostatic attraction there is When the present invention is applied to logistics and production lots, the shape of the robot gripper can be adapted to the object to be gripped due to the flexibility of the robot gripper, and as a result, it has a wide contact surface and can hold the object stably. In addition, by increasing the gripping force by the rigidity variable structure and the electrical adhesive force, it is possible to lift a heavy object.

본 발명에서 제안하는 로봇 그리퍼의 회동부는 공압 액추에이터, 줄 구동 기반 액추에이터, 전기활성고분자, 형상기억합금, 및 초소형 모터 등 유연성을 유지할 수 있는 구동기로 구성되며, 파지 구조부 내부에 배치되는 가변 강성 구조는 전기제어식 가변 강성 구조로 구현한다. 또한, 한 쌍의 파지 구조부의 마주보는 측면 상에 배치되는 전기접착패드는 물체와의 접촉면 상에서 강한 접착력을 발생시킨다. 본 발명에 따르면 형상 적응, 강성 변화, 접착력 제어가 모두 가능하여 비정형 환경에서도 안전하게 파지할 수 있는 로봇 그리퍼를 개발하는 효과가 있다.The rotating part of the robot gripper proposed in the present invention is composed of actuators capable of maintaining flexibility, such as pneumatic actuators, string-driven actuators, electroactive polymers, shape memory alloys, and micro-motors, and the variable rigidity structure disposed inside the gripping structure is It is implemented as an electrically controlled variable rigidity structure. In addition, the electro-adhesive pads disposed on opposite sides of the pair of gripping structures generate a strong adhesive force on the contact surface with the object. According to the present invention, there is an effect of developing a robot gripper that can be safely gripped even in an atypical environment because shape adaptation, rigidity change, and adhesive force control are all possible.

본 발명을 농작물 수확용 로봇의 그리퍼에 적용할 경우에, 파지 시 물체의 변형을 최소화하기 때문에 농작물의 손상을 줄여 상품성 유지가 가능할 뿐만 아니라, 기존의 로봇 그리퍼가 파지하기 어려운 비닐로 포장된 물체, 평평하고 넓은 형태의 물체가 많은 물류 환경의 이송 로봇의 경우 본 발명에 따른 로봇 그리퍼 기술을 우수하게 적용할 수 있을 것으로 예측된다. When the present invention is applied to the gripper of the robot for harvesting crops, since the deformation of the object is minimized during gripping, it is possible to maintain commercial properties by reducing damage to the crops, It is expected that the robot gripper technology according to the present invention can be applied excellently to a transfer robot in a logistics environment with many flat and wide objects.

뿐만 아니라, 생산 분야의 협동 로봇이나 소방/구조 분야의 재난 대응 로봇과 같이 작업자의 안전성을 보장해야 하는 곳에도 활용할 수 있다In addition, it can be used in places where worker safety needs to be ensured, such as collaborative robots in the production field or disaster response robots in the firefighting/rescue field.

도 1은 형상 적응형 가변강성 및 전기접착 로봇 그리퍼의 구조도이다.
도 2는 로봇 그리퍼의 손가락 부분인 파지 구조부의 형상 적응 및 강성 변화
거동을 보이는 상세도이다.
도 3은 전기제어식 가변 강성 구조에 대한 상세도이다.
도 4는 전기접착패드의 작동 방식에 대한 상세도이다.
도 5는 물류 및 생산용 로봇의 물체 파지 방식에 대한 실시예이다.1 is a structural diagram of a shape-adaptive variable rigidity and electro-adhesive robot gripper.
2 is a shape adaptation and rigidity change of a gripping structure that is a finger part of a robot gripper;
It is a detailed view showing the behavior.
3 is a detailed view of an electrically controlled variable stiffness structure.
Figure 4 is a detailed view of the operation method of the electro-adhesive pad.
5 is an embodiment of an object gripping method of a robot for logistics and production.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be embodied in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and the scope of the invention to those of ordinary skill in the art It is provided for complete disclosure. In the drawings, like reference numerals refer to like elements.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components are given the same reference numerals as much as possible even though they are indicated on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 그리퍼를 설명한다.Hereinafter, a robot gripper according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5 .

본 발명의 상세한 설명을 위하여 도면과 함께 설명한다. For a detailed description of the present invention, it will be described in conjunction with the drawings.

도 1은 본 발명에서 제안하는 전기접착식 로봇 그리퍼에 대한 대표도이다. 도 2는 로봇 그리퍼의 손가락 부분의 형상 적응 및 강성 변화, 접착력 발생 거동 상세도이다. 1 is a representative view of the electro-adhesive robot gripper proposed in the present invention. 2 is a detailed view of the shape adaptation, rigidity change, and adhesive force generation behavior of the finger part of the robot gripper.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 제안하는 로봇 그리퍼는 전체적인 구조를 형성하는 그리퍼 바디(10), 그리퍼 바디(10)의 양측 상에서 손가락 부분인 파지 구조부(30)의 구동을 위한 유연 구동기 기능을 하는 구동부(20), 그리퍼 바디(10)의 양측 상에서 구동부(20)에 결합되는 것과 동시에 물체를 파지 시에 형상 적응을 하는 파지 구조부(30), 파지 구조부(30) 내의 공간을 복수개로 분리하는 격벽 기능을 하는 복수의 유연 전극부재(40), 파지 구조부(30) 내에서 전기적 신호에 의해 가변 강성 기능을 갖는 가변 강성 구조(50) 및 그리퍼 바디(10)의 외면 상에 배치되어 물체와의 접착력을 발생시키는 구조를 갖는 전기접착패드(60)를 포함한다.As shown in Figs. 1 and 2, the proposed robot gripper functions as a flexible actuator for driving the gripper body 10, which forms the overall structure, and the gripping structure 30, which is a finger part, on both sides of the gripper body 10. A driving unit 20 that is coupled to the driving unit 20 on both sides of the gripper body 10, and a gripping structure 30 that adapts to a shape when gripping an object at the same time as a plurality of spaces within the gripping structure 30 A plurality of flexible electrode members 40 serving as barrier ribs, a variable rigidity structure 50 having a variable rigidity function by an electrical signal within the holding structure 30, and the gripper body 10 are disposed on the outer surface of the object It includes an electrical adhesive pad 60 having a structure for generating an adhesive force.

상기 파지 구조부(30)를 통한 형상 적응 기능, 상기 가변 강성 구조(50)를 통한 가변 강성 기능 및 상기 전기접착패드(60)를 통한 전기 접착 기능을 포함한 기능들 중 두 가지 이상을 갖는다.It has at least two of the functions including a shape adaptation function through the gripping structure 30 , a variable rigidity function through the variable rigidity structure 50 , and an electrical adhesion function through the electro-adhesive pad 60 .

본 발명에서 제안하는 로봇 그리퍼의 파지 구조부(30)는 필요에 따라 그 개수가 1개 내지 2개 또는 그 이상이 될 수 있다. 본 발명에 따른 로봇 그리퍼에서 손가락 부분인 파지 구조부(30)는 구동부(20)를 통해 그리퍼 바디(10)에 고정되어 있다. 그리퍼 바디(10)는 그리퍼 전체의 유연성을 확보하기 위하여 기계적 강성이 낮은 유연한 폴리머로 구성될 수 있으며, 금속 재질 또는 ABS, PLA, PMMA 및 PC 등을 비롯한 단단한 비전도성 물질로 구성될 수도 있다. The number of the gripping structures 30 of the robot gripper proposed in the present invention may be 1 to 2 or more as necessary. In the robot gripper according to the present invention, the gripping structure 30 , which is a finger part, is fixed to the gripper body 10 through the driving unit 20 . The gripper body 10 may be made of a flexible polymer having low mechanical rigidity in order to secure the flexibility of the entire gripper, and may be made of a metal material or a hard non-conductive material including ABS, PLA, PMMA, and PC.

그리퍼 바디(10)에 연결된 구동부(20)는 그리퍼 바디(10)에 대하여 소프트 핑거인 파지 구조부(30)가 회전 또는 병진운동을 할 수 있도록 한다. The driving part 20 connected to the gripper body 10 allows the gripping structure 30 , which is a soft finger, to rotate or translate with respect to the gripper body 10 .

만약, 그리퍼 전체 시스템의 유연성을 확보하기 위하여 그리퍼 바디(10)가 유연 소재로 제작될 경우, 구동부(20)도 공압 액추에이터, 줄 구동 기반 액추에이터, 전기활성고분자, 형상 기억 합금 등의 유연 액추에이터를 사용함이 바람직하다. If the gripper body 10 is made of a flexible material to secure the flexibility of the entire gripper system, the driving unit 20 also uses a flexible actuator such as a pneumatic actuator, a string-driven actuator, an electroactive polymer, or a shape memory alloy. This is preferable.

그리퍼의 손가락 부분인 파지 구조부(30)는 물체와 접촉 시 형상이 적응하여 그리퍼와 물체 사이의 접촉면을 넓힌다. 따라서, 파지 구조부(30)는 강성이 낮은 폴리머 등의 유연 소재를 사용하는 것이 유리하다. The gripping structure 30 , which is a finger portion of the gripper, adjusts its shape when in contact with an object to widen the contact surface between the gripper and the object. Therefore, it is advantageous to use a flexible material such as a polymer having low rigidity for the gripping structure 30 .

또한, 가변 강성 구조(50)는 파지 구조부(30) 사이의 빈 공간에 존재한다. 가변 강성 구조(50)는 그리퍼가 물체를 잡는 과정에서 낮은 강성을 가지고, 물체를 잡은 후 강성을 높여 파지력을 증대시키는 기능을 가진다. 이때 강성을 조절하기 위한 신호는 파지 구조부(30)의 내부에 존재하는 유연 전극부재(40)에 의해 발생된다. 즉, 강성 조절을 위한 전극 패턴은 소프트 핑거인 파지 구조부(30)의 내부에 배치된 상태에서 가변 강성 구조를 제어하는 전기적 신호를 발생시킨다. Also, the variable stiffness structure 50 is present in the empty space between the gripping structures 30 . The variable rigidity structure 50 has a function of increasing the gripping force by increasing the rigidity after the gripper grabs the object and has low rigidity in the process of grasping the object. At this time, a signal for adjusting the rigidity is generated by the flexible electrode member 40 present in the gripping structure 30 . That is, the electrode pattern for adjusting the stiffness generates an electrical signal for controlling the variable stiffness structure in a state in which the electrode pattern is disposed inside the gripping structure part 30 which is a soft finger.

유연 전극부재(40)는 파지 구동부(30)와 가변 강성 구조(50) 사이에 존재하는 것이 바람직하며, 그리퍼의 반복 변형에도 우수한 내구성을 가지도록 신축성이 우수한 전극 소재 또는 신축성을 보장할 수 있는 전극 구조를 사용하는 것이 바람직하다. 물체를 파지한 후에는 유연 전극부재(40)에서 발생하는 신호에 의해 낮은 강성 상태의 가변 강성 구조(50)가 높은 강성 상태의 가변 강성 구조(50)로 변화한다. The flexible electrode member 40 is preferably present between the gripping driver 30 and the variable rigidity structure 50, and an electrode material with excellent elasticity to have excellent durability even in repeated deformation of the gripper or an electrode capable of ensuring elasticity It is preferable to use a structure. After the object is gripped, the variable rigidity structure 50 in the low rigidity state is changed to the variable rigidity structure 50 in the high rigidity state by a signal generated from the flexible electrode member 40 .

물체와 접촉하는 로봇 그리퍼의 외부 접촉면에는 전기 접착력 발생을 위한 전기접착패드(60)가 존재한다. 이때, 전기접착패드(60)는 유전성 소재층(67) 및 전극 패턴(61, 62)으로 이루어져 있다. 유전성 소재층(67)은 전극 패턴(61, 62)을 절연하는 역할을 하며, 이때 유전성 소재층은 높은 유전율을 가지며, 항복 전압이 높은 유전체로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 전극 패턴으로는 전도성을 띠는 다양한 소재의 사용이 가능하다. 특히, 높은 유연성을 확보하기 위하여 액체금속, 금속나노와이어, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 등과 같은 유연전극이 사용될 수 있으며, 기계적 강인성을 높이기 위하여 전도성 탄소섬유, 필름형 연성 회로기판(FPCB) 등이 사용될 수도 있다. 전기접착식 패턴 전극은 소프트 핑거인 파지 구조부(30)의 표면인 물체와의 접촉면상에 배치되어져 전기 접착력 제어를 위한 전기적 신호를 발생시킨다. An electrical adhesive pad 60 for generating electrical adhesive force is present on the external contact surface of the robot gripper in contact with the object. At this time, the electrical adhesive pad 60 is composed of a dielectric material layer 67 and electrode patterns 61 and 62 . The dielectric material layer 67 serves to insulate the electrode patterns 61 and 62, and in this case, the dielectric material layer has a high dielectric constant and is preferably made of a dielectric material having a high breakdown voltage. In addition, various materials having conductivity may be used as the electrode pattern. In particular, flexible electrodes such as liquid metal, metal nanowires, graphene, carbon nanotubes, conductive polymers, etc. can be used to ensure high flexibility, and conductive carbon fibers, film-type flexible circuit boards (FPCBs) to increase mechanical toughness etc. may be used. The electro-adhesive pattern electrode is disposed on the contact surface with the object, which is the surface of the gripping structure 30 , which is a soft finger, to generate an electrical signal for controlling the electrical adhesive force.

전기접착패드(60)를 이루는 전극 패턴(61, 62)으로 액체금속, 금속나노와이어, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 등과 같은 유연전극이 사용되는 경우에는 높은 유연성을 가지기 때문에 물체 파지 시 형상 변형이 용이하다는 장점을 가진다. 전극 패턴(61, 62)으로 전도성 탄소섬유는 유연하면서도 길이 방향으로는 높은 강성을 지니기 때문에, 물체 파지 시 전기접착력을 만들어내는 것과 동시에 무게를 지탱해주는 역할을 수행한다. 필름형 연성 회로기판(FPCB)도 유연성과 기계적 강성을 동시에 지니기 때문에, 전기 접착력 생성과 함께 무게 지지 역할을 수행할 수 있다. When flexible electrodes such as liquid metal, metal nanowires, graphene, carbon nanotubes, conductive polymers, etc. are used as electrode patterns 61 and 62 constituting the electrical adhesive pad 60, they have high flexibility, so the shape when holding an object It has the advantage of being easy to deform. As the electrode patterns 61 and 62, the conductive carbon fiber is flexible and has high rigidity in the longitudinal direction, so it creates an electrical adhesive force when holding an object and at the same time supports the weight. Since the film-type flexible circuit board (FPCB) also has flexibility and mechanical rigidity at the same time, it can perform a role of supporting weight while generating electrical adhesion.

도 3은 전기제어식 가변 강성 구조(50)의 작동 방식을 나타내는 상세도이다. 3 is a detailed view showing an operation method of the electrically controlled variable stiffness structure 50 .

전기제어식 가변 강성 구조(50)는 고분자 유체/탄성체(51), 고유전성 입자(52) 및 전극층(53)으로 이루어져 있다. 전극층(53)에 전압을 인가하면 가변 강성 구조 내부에 전기장이 발생하여 고유전성 입자(52)가 고분자 유체/탄성체(51) 내부에서 일렬로 배열되고, 이로 인해 강성이 높아지는 효과를 낸다. 전극층(53)은 유연 전극부재(40)의 적어도 일부분일 수 있다. 예를 들어 유연 전극부재(40) 전체가 전극층(53)일 수도 있지만 유연 전극부재(40)는 신축성을 보장할 수 있는 기재(미도시)에 전극층(53)이 형성되어 있을 수 있다.The electrically controlled variable stiffness structure 50 includes a polymer fluid/elastic material 51 , high dielectric particles 52 , and an electrode layer 53 . When a voltage is applied to the electrode layer 53, an electric field is generated inside the variable rigidity structure, so that the high dielectric particles 52 are arranged in a line inside the polymer fluid/elastic material 51, thereby increasing the rigidity. The electrode layer 53 may be at least a portion of the flexible electrode member 40 . For example, although the entire flexible electrode member 40 may be the electrode layer 53 , the flexible electrode member 40 may have an electrode layer 53 formed on a substrate (not shown) that can ensure elasticity.

따라서, 고유전성 입자(52)와 고분자 유체/탄성체(51)는 전기장을 높이기 위해 높은 유전율을 가지면서도 항복 전압이 높은 소재를 사용하는 것이 바람직하다. Therefore, it is preferable to use a material having a high dielectric constant and a high breakdown voltage for the high dielectric particles 52 and the polymer fluid/elastic material 51 to increase the electric field.

또한, 전극층(53)은 강성이 낮은 상태에서 유연성을 가지면서도 높은 전도성을 가지는 유연전극을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 유연전극은 액체금속, 금속나노와이어, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 등일 수 있다. 강성변화 방식에 따라 가변 강성 구조는 전기유변성 유체/탄성체 뿐만 아니라, 자기유변성 유체/탄성체(Magnetorheological fluid/elastomer), 정전기적 협착(Electrostatic jamming), 진공 협착(Vacuum jamming), 녹는점이 낮은 합금(Low melting point alloy), 형상 기억 합금/폴리머 (Shape memory alloy / polymer) 등이 사용될 수 있다.In addition, it is preferable to use a flexible electrode having high conductivity while having flexibility in a state of low rigidity for the electrode layer 53 . The flexible electrode may be liquid metal, metal nanowire, graphene, carbon nanotube, conductive polymer, or the like. Variable stiffness structure according to the stiffness change method is not only electrorheological fluid/elastomer, but also magnetorheological fluid/elastomer, electrostatic jamming, vacuum jamming, low melting point alloy (Low melting point alloy), shape memory alloy / polymer (Shape memory alloy / polymer), etc. may be used.

도 4는 전기접착패드(60)의 작동 방식을 나타내는 상세도이다. 4 is a detailed view showing an operation method of the electrical adhesive pad (60).

절연부인 유전성 소재층(67) 내부에 소정 간격으로 배치되는 전극 패턴(61, 62)에 전압을 인가하면 전기장의 전계 효과(fringe effect,63)이 발생하여 물체의 표면에 전하(64, 65)를 유도하고, 전극 패턴(61, 62)과 유도된 전하(64, 65) 사이의 인력(66)에 의하여 전기 접착력이 발생한다. When a voltage is applied to the electrode patterns 61 and 62 disposed at a predetermined interval inside the dielectric material layer 67, which is an insulating part, a fringe effect 63 of an electric field is generated and charges 64 and 65 are generated on the surface of the object. , and electrical adhesion is generated by the attractive force 66 between the electrode patterns 61 and 62 and the induced charges 64 and 65 .

따라서 전극 패턴(61, 62)은 전도성이 높은 소재를 사용하고, 전기장전계 효과를 높게 나타낼 수 있는 구조로 구성하는 것이 바람직하다. Therefore, it is preferable that the electrode patterns 61 and 62 use a material with high conductivity and have a structure capable of exhibiting a high electric field effect.

또한, 전극 사이의 유전성 소재층(67)은 높은 유전율을 가지면서도 항복 전압이 높은 소재를 사용하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to use a material having a high dielectric constant and a high breakdown voltage for the dielectric material layer 67 between the electrodes.

도 5는 본 발명의 형상 적응, 가변 강성, 전기접착식 로봇 그리퍼를 물류/생산 시스템에 응용하는 방법에 관한 설명도이다. 5 is an explanatory diagram of a method of applying the shape adaptation, variable rigidity, and electro-adhesive robot gripper of the present invention to a logistics/production system.

도 5에 도시한 바와 같이 본 발명에서 제안한 로봇 그리퍼는 낮은 강성 상태에서 유연성을 가지기 때문에 구형, 다면체형, 원기둥형, 판형 등 다양한 형상을 가진 물체에 대한 형상 변형이 용이하며, 물체 파지 후 강성을 높이고 접착력을 발생시킨 상태에서는 물체를 안정적으로 파지할 수 있다. As shown in FIG. 5, the robot gripper proposed in the present invention has flexibility in a low rigidity state, so it is easy to shape deformation for objects having various shapes such as spherical, polyhedral, cylindrical, and plate-shaped, and the rigidity after gripping the object is improved. It can hold the object stably in the state where it is raised and the adhesive force is generated.

또한, 로봇 그리퍼의 손가락 부분인 파지 구조부(30)을 어떻게 변형시키는가에 따라 그리퍼보다 큰 물체를 잡을 수도 있고, 넓은 형태의 물체를 부착하여 들어올릴 수도 있다. 물체를 들어올릴 때는 손가락을 움직이는 기계적 구동힘, 가변 강성 물질의 높은 강성 상태, 전기접착패드의 부착력이 모두 동시에 작용하여, 강한 힘으로 물체를 들어올릴 수 있다. In addition, depending on how the gripping structure 30, which is the finger part of the robot gripper, is deformed, an object larger than the gripper may be grasped, or a wide object may be attached and lifted. When lifting an object, the mechanical driving force that moves the finger, the high rigidity state of the variable rigidity material, and the adhesion force of the electro-adhesive pad all act simultaneously, so that the object can be lifted with a strong force.

상기와 같이, 본 발명에서는 파지 구조부(30)를 통한 형상 적응 구조, 가변 강성 물질을 이용한 가변 강성 구조 및 유전성 소재층과 전극 패턴을 갖는 전기접착패드(60)를 이용한 전기 접착 구조 및 유연 구동기인 구동부(20)를 포함한 로봇 그리퍼를 제안한다. 이를 통해 형상 적응을 위한 유연성을 가지면서도, 전기적 제어가 가능한 강성 증대 및 접착 방식을 통해 파지력을 극대화할 수 있다.As described above, in the present invention, in the present invention, the shape adaptation structure through the gripping structure 30, the variable rigidity structure using a variable rigidity material, and the electrical adhesive structure using the electric adhesive pad 60 having a dielectric material layer and an electrode pattern and a flexible actuator are A robot gripper including a driving unit 20 is proposed. Through this, it is possible to maximize the gripping force through an increase in rigidity that can be electrically controlled and an adhesive method while having flexibility for shape adaptation.

상기한 본 발명은 형상 적응 기능, 가변 강성 기능 및 전기 접착 기능을 포함한 기능들 중에서 두 가지 이상의 기능을 갖도록 형성된다.The present invention described above is formed to have two or more functions among functions including a shape adaptation function, a variable rigidity function, and an electric bonding function.

또한, 형상 적응형 그리퍼 구조는 임의 형상의 물체를 파지할 수 있도록 하며, 유연 구동기로 작동되기 때문에 전체적인 시스템을 부드러운 물질(Soft material)로 구성할 수 있는 로봇 그리퍼 기술을 제안한다. In addition, the shape-adaptive gripper structure enables gripping of objects of any shape, and since it operates as a flexible actuator, we propose a robot gripper technology that can compose the entire system with a soft material.

본 발명에 따른 형상 적응형 구조는 큰 변형을 발생시킬 수 있는 유연 물질로 구성되며 형상 적응을 용이하게 하기 위해서 내부에 빈 공간 또는 가변 강성이 가능한 물질로 채워진 공간을 가진다. The shape adaptable structure according to the present invention is composed of a flexible material capable of generating a large deformation, and has an empty space or a space filled with a material capable of variable rigidity in order to facilitate shape adaptation.

또한, 가변 강성 구조는 형상 적응형 구조의 내부에 존재하며, 가변 강성을 극대화할 수 있는 형태로 배치될 수 있다. In addition, the variable rigidity structure exists inside the shape adaptable structure, and may be disposed in a form capable of maximizing the variable rigidity.

또한, 도 3에서 설명한 것처럼 전극층(53)을 이용하여 전기적으로 강성을 제어할 수 있게 한다. 또한 강성변화 방식에 따른 가변 강성 구조는 전기유변성 유체/탄성체(Electrorheological fluid/elastomer), 자기유변성 유체/탄성체(Magnetorheological fluid/elastomer), 정전기적 협착(Electrostatic jamming), 진공 협착 (Vacuum jamming), 녹는점이 낮은 합금(Low melting point alloy), 형상기억 합금/폴리머(Shape memory alloy/polymer) 등이 사용될 수 있다. 또한, 강성제어를 위한 전극 물질은 액체금속, 금속나노 와이어, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 등 유연성을 갖는 전극물질로 형성될 수 있다.In addition, as described with reference to FIG. 3 , it is possible to electrically control the rigidity by using the electrode layer 53 . In addition, the variable rigidity structure according to the rigidity change method is an electrorheological fluid/elastomer, a magnetorheological fluid/elastomer, an electrostatic jamming, and a vacuum jamming. , an alloy having a low melting point, a shape memory alloy/polymer, and the like may be used. In addition, the electrode material for rigidity control may be formed of an electrode material having flexibility, such as liquid metal, metal nanowire, graphene, carbon nanotube, conductive polymer, and the like.

또한, 본 발명에서 제안하는 로봇 그리퍼는 전술한 손가락(Finger) 부분의 접촉면에 전기 접착력을 발생시키기 위한 전기접착패드(60)가 존재한다. In addition, the robot gripper proposed in the present invention has an electrical adhesive pad 60 for generating electrical adhesive force on the contact surface of the above-described finger portion.

상기 전기접착패드(60)는 유전성 소재층(67)과 전극 패턴(61, 62)으로 구성된다. The electrical adhesive pad 60 includes a dielectric material layer 67 and electrode patterns 61 and 62 .

유전성 소재층(67)은 전기 접착력을 크게 발생시킬 수 있는 유전성 물질로 구성되며 유전율이 높을수록 유리하다. 또한, 유연성이 있는 고유전성 폴리머 소재 등을 사용할 수 있다. The dielectric material layer 67 is made of a dielectric material capable of generating a large electrical adhesive force, and a higher dielectric constant is advantageous. In addition, a flexible high dielectric polymer material or the like may be used.

전극 패턴(61, 62)은 유전성 소재층(67) 내부에 위치하여 전기 접착력을 발생시키기 위한 특유의 전극 패턴을 갖는다. 전극 패턴(61, 62)은 일반적으로 사용되는 전도성 소재 뿐만 아니라 액체 금속, 금속나노 와이어, 그래핀, 탄소나노튜브, 전도성 고분자 등 유연성을 갖는 전극물질로 형성될 수 있다. 또한, 전극 패턴 자체의 기계적 강인성을 높이기 위해 전도성 탄소섬유, 필름형 연성 회로기판(FPCB, Flexible Printed Circuit Board) 등의 소재를 사용하는 것이 가능하다. The electrode patterns 61 and 62 are positioned inside the dielectric material layer 67 to have a unique electrode pattern for generating electrical adhesion. The electrode patterns 61 and 62 may be formed of electrode materials having flexibility, such as liquid metal, metal nanowire, graphene, carbon nanotube, conductive polymer, as well as a commonly used conductive material. In addition, in order to increase the mechanical toughness of the electrode pattern itself, it is possible to use a material such as conductive carbon fiber or a film-type flexible printed circuit board (FPCB).

본 발명에서 제안하는 로봇 그리퍼는 손가락 부분인 파지 구조부(30)를 구동시키기 위한 구동부(20)가 존재한다. 유연 구동기인 구동부(20)는 형상 적응형 핑거를 기계적으로 구동시키는 역할을 수행하며, 공압 액추에이터(Pneumatic actuator), 줄 구동 기반 액추에이터 (Tendon driven actuator), 전기활성 고분자 (Electroactive polymer), 형상 기억 합금 (Shape memory alloy), 초소형 전기모터 등이 사용될 수 있다. The robot gripper proposed in the present invention has a driving unit 20 for driving the gripping structure 30 , which is a finger part. The actuator 20, which is a flexible actuator, serves to mechanically drive the shape-adaptive finger, and includes a pneumatic actuator, a Tendon driven actuator, an electroactive polymer, and a shape memory alloy. (Shape memory alloy), an ultra-small electric motor, etc. may be used.

본 발명에서 제안하는 로봇 그리퍼의 구조에서, 그리퍼 바디(10)는 전체적으로는 로봇 그리퍼 구동 모듈이 연결되는 파트이며, 구동부(20)는 형상 적응 및 가변 강성형 손가락인 파지 구조부(30)를 구동시키는 역할을 한다. 또한, 가변 강성 구조(50)는 전기적 신호에 의하여 강성이 변화되며, 파지 구조부(30)의 강성 조절은 유연전극 패턴으로 이루어진다. In the structure of the robot gripper proposed in the present invention, the gripper body 10 is a part to which the robot gripper driving module is connected as a whole, and the driving unit 20 serves to drive the gripping structure part 30 which is a shape-adaptive and variable rigidity finger. do In addition, the rigidity of the variable rigidity structure 50 is changed by an electrical signal, and the rigidity adjustment of the gripping structure 30 is made of a flexible electrode pattern.

전기접착패드(60)는 로봇 그리퍼의 손가락(Finger)의 접촉면에 배치되며, 절연부인 유전성 소재층(67)과 전극 패턴(61, 62)으로 구성된다. The electrical adhesive pad 60 is disposed on the contact surface of the finger of the robot gripper, and is composed of a dielectric material layer 67 which is an insulating part and electrode patterns 61 and 62 .

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

10 : 그리퍼 바디
20 : 구동부
30 : 파지 구조부
40 : 유연 전극부재
50 : 가변 강성 구조
60 : 전기접착패드10: gripper body
20: drive unit
30: gripping structure
40: flexible electrode member
50: variable rigidity structure
60: electric adhesive pad

Claims

In the robot gripper,
gripper body 10; and
and a driving unit 20 coupled to the gripper body 10 to function as a flexible actuator.
a gripping structure portion 30 coupled to the driving portion 20 on both sides of the gripper body 10 and adapted to a shape when gripping an object; a variable stiffness structure (50) having a variable stiffness function by an electrical signal in the gripping structure (30); and an electrical adhesive pad (60) disposed on the outer surface of the gripper body (10) and having a structure for generating adhesive force with an object; A robot gripper comprising at least two or more of:

The method of claim 1,
A robot gripper that enables rotational or translational movement of the gripping structure (30), which is a soft finger, with respect to the gripper body (10), wherein the driving part (20) connected to the gripper body (10).

The method of claim 1,
A plurality of flexible electrode members 40 present inside the holding structure 30; includes;
The rigidity control signal of the variable rigidity structure (50) is a robot gripper generated by the flexible electrode member (40).

4. The method of claim 3,
The flexible electrode member (40) is a robot gripper existing between the gripping driving unit (30) and the variable rigidity structure (50).

The method of claim 1,
The variable rigidity structure 50 is an electrorheological fluid/elastic body, a magnetorheological fluid/elastomer, an electrostatic jamming, a vacuum jamming, an alloy with a low melting point (Low melting) A robot gripper that is at least one of a point alloy) and a shape memory alloy/polymer.

6. The method of claim 5,
The variable rigidity structure 50 according to the electrorheological fluid/elastic body consists of a polymer fluid/elastic body 51, high dielectric particles 52, and an electrode layer 53, and by applying a voltage to the electrode layer 53, the A robot gripper in which an electric field is generated inside the variable rigidity structure (50) so that the high dielectric particles (52) are arranged in a line inside the polymer fluid/elastic body (51).

7. The method of claim 6,
The electrode layer 53 is a robot gripper using any one of materials including liquid metal, metal nanowires, graphene, carbon nanotubes, and conductive polymers.

7. The method of claim 6,
A plurality of flexible electrode members 40 present inside the holding structure 30; includes;
The electrode layer 53 is at least a part of the flexible electrode member 40,
The rigidity control signal of the variable rigidity structure (50) is a robot gripper generated by the electrode layer (53) of the flexible electrode member (40).

The method of claim 1,
The electrical adhesive pad (60) is a robot gripper formed of a dielectric material layer (67) and electrode patterns (61, 62) disposed at predetermined intervals inside the dielectric material layer (67).

10. The method of claim 9,
The electrode patterns 61 and 62 are a robot gripper using any one of a material including a liquid metal, a metal nanowire, graphene, a carbon nanotube, and a conductive polymer.