KR20220005897A - 모양 및 배치의 변화에 따른 3차원 전자기계적 접착 표면 특성 제어 - Google Patents

모양 및 배치의 변화에 따른 3차원 전자기계적 접착 표면 특성 제어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 접착력 조작과 촉각 감지가 가능한 3차원 전자기계적 접착 표면 구조의 3D 프린팅을 활용한 설계 및 제조 방법에 관한 것으로, 3차원 전자기계적 접착 표면 구조는 몸체, 상기 몸체에 일정한 각도로 부착되는 복수의 3차원 마이크로 구조물 및 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 전압을 공급하기 위한 도선을 포함하고, 상기 3차원 마이크로 구조물은 상기 몸체에 일정한 각도로 부착되고 상기 몸체와 일체로 제작되는 필러(pillar), 상기 필러를 둘러싸도록 도포되는 전도성 물질 및 상대 표면과의 절연을 위해 상기 전도성 물질을 둘러싸도록 코팅된 절연 물질을 포함하고, 상기 도선을 통해 공급되는 전압은 상기 전도성 물질로 공급되고, 상기 몸체의 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물 하부에는 상기 도선을 구비하기 위한 통로가 형성될 수 있는데, 인간 수준 이상으로 로봇이 물체를 인지하고 느끼며 옮길 수 있는 기술을 구현함으로써 편의성과 효율성을 극대화 할 수 있을 것이다.

Description

모양 및 배치의 변화에 따른 3차원 전자기계적 접착 표면 특성 제어{Manipulation of 3D Electromechanical Adhesives by control of structural shape and arrangement}
다양한 실시 예들은 모양 및 배치의 변화에 따라 특성을 제어할 수 있는 3차원 전자기계적 접착 표면 구조에 관한 것이다.
2000년대 초반부터 활발히 진행되어온 도마뱀 발바닥의 나노섬모 구조의 모사에 기반한 건식 접착 (dry adhesive) 기술은 2014년 스탠포드대 연구진에 의해 사람이 직접 유리벽을 오르게 하는 접착패드, 다양한 물체를 들어올리는 그리퍼(gripper) 등에 성공적으로 응용되고 있다.
이와 더불어 2000년대 후반부터는 접촉 표면에 정전기력(electrostatic force)을 유도하여 접착력을 조작하는 전자 접착 기술을 이용, 마찬가지로 벽을 오르는 로봇, 물체를 들어 올리거나 운반할 수 있는 그리퍼 등이 구현된 바 있다.
하지만 현재의 파지 로봇들은 물건을 능숙하게 파지할 수는 있지만 파지하고자 하는 물체의 재질이 바뀌거나 위치가 조금 변하는 등 환경이 달라지면 물체를 파지하는데 실패할 수 있다. 이는 파지 로봇이 주로 물체에 대한 충분한 인지 없이 '맹목적인 파지 동작(blind grasping)'을 수행하기 때문이다.
이에 비해 사람은 물건을 잡을 때, 시각을 이용해 물건의 위치를 정확히 파악할 뿐 아니라 손의 감촉을 통해 물건의 재질, 무게 등을 인지하여 상황에 맞춰 효율적으로 물체를 잡을 수 있다. 특히 촉각 감지를 통해 물건의 재질, 무게 등을 인지할 수 있다면, 적절한 힘의 방향과 크기를 조절할 수 있어 감각적이고 스마트한 파지가 가능할 수 있다.
기존의 다양한 소재와 형태로 구현된 건식 접착 기술들은 3차원 마이크로 구조물을 활용하여 가역적 접착력 조작이 가능하지만, 조작 방법이 어렵고 촉각 인지 기능이 없다는 단점이 있고, 기존 전자 접착 기술은 건식 접착 기술에 비해 조작 방법이 쉽지만 최대 접착력의 크기가 약하다는 단점이 있다.
전자 접착과 건식 접착 기술을 융합하고자 하는 시도는 있었으나, 단순한 직렬 결합을 통한 최대 접착력 향상에 집중된 연구였을 뿐, 복합 마이크로 구조물 제작을 통한 새로운 접착 원리의 구현이 아니었고 촉각 감지 기능을 결합시키지도 못하였다.
상술한 문제점을 해소하고 파지 시 물체에 해를 입히지 않으면서 감각적이고 스마트한 파지를 구현하기 위해서는 촉각 지능(tactile intelligence)의 결합이 필요할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예는 감각적이고 스마트한 파지를 위한 촉각 감지가 가능한 전자기계의 접촉 표면을 제공하고자 한다.
본 개시의 다양한 실시 예는 새롭게 설계, 제작되는 3차원 마이크로 접착 표면 구조를 제공하고자 한다.
본 개시의 다양한 실시 예는 물체와 접촉하는 면적이 최대가 되도록 제작되는 3차원 마이크로 접착 표면 구조를 제공하고자 한다.
본 개시의 다양한 실시 예는 전자와 기계적 접착 원리를 융합하여 접착력의 가역적 조작뿐만 아니라 물체와의 접촉 및 파지 시 표면에 작용하는 힘의 국부적인 위치, 크기 및 방향을 인지하는 촉각 감지가 가능한 표면 구조를 제공하고자 한다.
본 개시의 다양한 실시 예는 전자 접착 기술과 건식 접착 기술의 장점을 활용하면서도 각 기술의 한계를 극복하고 이에 더해 촉각 감지 기능을 추가한 표면 구조를 제공하고자 한다.
본 개시의 다양한 실시 예는 촉각 감지가 가능한 표면 구조를 채용한 전자 기계, 로봇 또는 장치를 제공하고자 한다.
본 문서에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
표면 구조에 있어서, 몸체, 상기 몸체에 일정한 각도로 부착되는 복수의 3차원 마이크로 구조물 및 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 전압을 공급하기 위한 도선을 포함하고, 상기 3차원 마이크로 구조물은, 상기 몸체에 일정한 각도로 부착되고 상기 몸체와 일체로 제작되는 필러(pillar), 상기 필러를 둘러싸도록 도포되는 전도성 물질 및 상대 표면과의 절연을 위해 상기 전도성 물질을 둘러싸도록 코팅된 절연 물질을 포함하고, 상기 도선을 통해 공급되는 전압은 상기 전도성 물질로 공급되고, 상기 몸체의 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물 하부에는 상기 도선을 구비하기 위한 통로가 형성되고, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물은 행과 열이 지그재그형태로 배치되는 표면 구조를 제공할 수 있다.
또한, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 단면의 형상은 상단의 너비가 하단의 너비보다 넓은 표면 구조를 제공할 수 있다.
또한, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 단면의 형상은 T자 형상인 표면 구조를 제공할 수 있다.
또한, 상기 도선을 구비하기 위한 통로가 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열을 따라 형성되는 표면 구조를 제공할 수 있다.
또한, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급되는 전압은 제1 전원(V+)과 제2 전원(V-)을 포함하고, 상기 제1 전원(V+)과 상기 제2 전원(V-)은 상기 몸체에 부착되는 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열 위치에 따라 번갈아 가면서 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급되는 표면 구조를 제공할 수 있다.
또한, 상기 공급되는 제1 전원(V+)과 제2 전원(V-)의 크기를 제어하는 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기에 의해 제어되는 상기 제1 전원(V+)과 상기 제2 전원(V-)의 크기에 기초하여 상기 표면 구조의 접착력의 크기가 결정되는 표면 구조를 제공할 수 있다.
또한, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급되는 전압은 AC(alternating current) 전압을 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 AC 전압에 의하여 인접하는 열의 복수의 3차원 마이크로 구조물 간의 축전 용량의 변화에 기초하여 촉각 감지를 수행하는 표면 구조를 제공할 수 있다.
또한, 상기 몸체에 부착되는 복수의 3차원 마이크로 구조물이 상기 몸체와 이루는 각도는 15도 내지 75도 중의 어느 하나의 각도인 표면 구조를 제공할 수 있다.
또한, 상기 몸체 및 상기 몸체와 일체로 제작되는 상기 필러는 탄성 중합체로 형성되는 표면 구조를 제공할 수 있다.
또한, 상기 전도성 물질은 은 나노 와이어인 표면 구조를 제공할 수 있다.
또한, 그리퍼(gripper) 장치에 있어서, 힌지, 상기 힌지를 중심으로 양쪽으로 연결된 지지대, 상기 지지대의 구부러짐을 제어하는 스프링 및 상기 지지대에 부착되는 제1항 내지 제10항 중의 어느 하나의 항에 따른 표면 구조를 포함하는, 그리퍼 장치를 제공할 수 있다.
또한, 표면 구조 제작 방법에 있어서, 몸체 및 상기 몸체와 일정한 각도를 이루면서 형성되는 복수의 3차원 마이크로 구조물의 일부인 필러(pillar)를 일체로 적층 제조하되, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 행과 열이 지그재그형태로 배치되도록 제조하는 동작, 상기 몸체의 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물 하부에 도선을 구비하기 위한 통로가 형성되도록 적층 제조하는 동작, 상기 통로를 통해 도선을 연결하는 동작, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 필러에 전도성 물질을 도포하는 동작 및 상기 전도성 물질 상에 절연 물질을 코팅하는 동작을 포함하는, 표면 구조 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물을 제조하는 동작은, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 단면의 형상은 상단의 너비가 하단의 너비보다 넓도록 제조하는 동작을 포함하는 표면 구조 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물을 제조하는 동작은, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 단면의 형상은 T자 형상이도록 제조하는 동작을 포함하는 표면 구조 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제조하는 동작은, 상기 통로를 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열을 따라 형성하도록 제조하는 동작을 포함하는 표면 구조 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 도선에 제1 전원(V+)을 제공하기 위한 제1 전원 및 상기 도선에 제2 전원(V-)을 제공하기 위한 제2 전원을 연결하되, 상기 제1 전원(V+)과 상기 제2 전원(V-)이 상기 몸체에 형성되는 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열 위치에 따라 번갈아 가면서 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급되도록 상기 제1 전원 및 상기 제2 전원을 연결하는 동작을 더 포함하는 표면 구조 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 촉감 감지를 수행하기 위하여 상기 도선에 AC(alternating current) 전압을 제공하기 위한 제3 전원을 연결하는 동작을 더 포함하는 표면 구조 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제조하는 동작은, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 일부인 필러가 상기 몸체와 15 내지 75도 중의 어느 하나의 각도를 이루도록 제조하는 동작을 포함하는 표면 구조 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제조하는 동작은 상기 몸체 및 상기 필러를 광경화 방식 3차원 프린터 장비를 이용하여 광경화성 탄성 중합체 수지를 적층하여 제조하는 동작을 포함하는 표면 구조 제작 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 전도성 물질은 은 나노 와이어인 표면 구조 제작 방법 표면 구조 제작 방법을 제공할 수 있다.
로봇용 센서 중에서 가장 많은 관심을 받고 있는 센서는 촉각 센서로, 다양한 실시 예들에 따라 제안하는 촉각 센서는 향후 서비스용 로봇뿐만 아니라 산업용 로봇 시장에서도 새로운 혁신을 제공할 수 있을 것이다.
다양한 실시 예들에 따라, 인간 수준 이상으로 로봇이 물체를 인지하고 느끼며 옮길 수 있는 기술을 구현함으로써 편의성과 효율성을 극대화할 수 있을 것이다.
다양한 실시 예들에 따라, 촉각 센서가 물체를 접촉 또는 파지할 경우 접착력 및 파지력을 최대가 되도록 할 수 있을 것이다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(100)의 제1 실시 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 제1 실시 예에 따른 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(100)의 단면도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(100)가 물체(10)의 표면에 전자기계적으로 접착하는 원리를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)의 제 2 실시예를 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조의 제1 실시 예 및 제2 실시예를 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 적층 가공을 이용하여 제작한 서로 다른 형상의 필러가 구비된 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조의 시작품들을 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 (a) 내지 (f)의 시작품의 필러(121)의 형상 및 인가하는 전압에 따른 접착력 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)를 생산하는 공정을 도시한 흐름도이다.
도 9는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)에 전압을 제공하기 위한 도선을 연결하는 공정을 도시한 도면이고, 도 10은 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)에 도선이 연결된 결과를 도시한 도면이다.
도 11은 전도성 물질인 나노 와이어 잉크를 도포하는 공정을 도시한 도면이다.
도 12는 절연 물질(125)을 코팅하는 공정을 도시한 도면이다.
도 13a는 본 발명에서 제안하는 3차원 마이크로 접착 표면 구조(150)의 기계적 강도 측정을 위한 압축 실험을 도시한 도면이고, 도 13b는 압축 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 14a는 물체가 표면 구조(150) 방향으로 위치가 변화할 때 변위(mm)에 따라 복수의 구조물(170)의 각도 별 압축 강도 변화를 실험한 도면이고, 도 14b는 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 15는 마이크로 접착 표면 구조(150)의 단순 기계적 강도와 비교하였을 때의 전압을 인가한 경우의 접착력 증가율을 도시한 그래프이다.
도 16a 내지 도 16c는 표면 구조(150)에 물체가 접촉하는 경우 기계 접착 및 전자기계 접착의 원리를 도시한 도면이다.
도 17은 물체가 접촉하는 경우 몸체(110)와 구조물(170)의 각도 및 인가 전압에 따른 접착력 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 18a는 접촉하는 물체의 상측 방향으로의 위치 변화에 따른 표면 구조(150)의 접착력 변화 실험을 도시한 도면이고, 도 18b는 접착력 변화 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 19는 나무 표면을 가지는 물체와 30도 각도를 이루는 구조물(120, 170) 간의 접착력을 구조물(120, 170)의 형상에 따라 인가 전압 0kV~3kV로 달리하며 실험한 결과를 도시한 도면이다.
도 20은 3차원 마이크로 접착 표면 구조(100, 150)의 인접한 서로 다른 극성을 가지는 두 열의 구조물(120, 170) 간의 축전 용량(C0)의 예 및 물체(1610)와의 접촉 시의 축전 용량(Cf)의 변화의 예를 도시한 도면이다.
도 21은 위치에 따른 축전 용량 변화를 도시한 도면이다.
도 22는 변형 깊이와 힘에 따른 축전 용량 변화를 도시한 도면이다.
도 23은 마이크로 접착 표면 구조(150)가 잡고자 하는 상대 표면 물체(1910)의 물질에 따른 축전 용량 변화량을 도시한 도면이다.
도 24는 표면 구조(150)와 물체의 접촉 면적에 따른 축전 용량 변화량을 도시한 도면이다.
도 25는 본 발명에서 제안하는 전자기계 마이크로 접착 표면 구조(150)를 적용한 그리퍼의 일 예를 도시한 도면이다.
도 26은 그리퍼(2300)가 집어 올릴 수 있는 최대 지름을 조사하기 위하여 지름이(a) 30mm, (b) 40mm, (c) 50mm, (d) 60mm인 원통형물체에 대한 파지력을 실험한 도면이다.
도 27은 도 26의 (a) 내지 (d)에 따른 파지력 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 '모듈' 또는 '부'는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, '모듈' 또는 '부'는 소프트웨어 구성요소 또는 FPGA(field programmable gate array), ASIC(application specific integrated circuit)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있으며, '부' 또는 '모듈'은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부' 또는 '모듈'은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부' 또는 '모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부' 또는 '모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소들과 '부' 또는 '모듈'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부' 또는 '모듈'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부' 또는 '모듈'들로 더 분리될 수 있다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
사람의 손가락과 비슷하게 물체를 감싸 쥐거나 쥐는 힘에 의한 마찰력을 이용해 물체를 들어올리는 집게 방식의 그리퍼(gripper) 또는 파지 로봇들과는 달리, 접착력을 가역적으로 조작하는 방법은 표면에서 작용하는 인력(Van der Waals force) 혹은 정전기력을 조작하여 물체를 파지함으로써 물체에 큰 힘을 직접 전달할 필요가 없어, 연하고 유연한 (soft, flexible) 기판과의 결합이 용이하고 파지 시 물체에 해를 입히지 않는다는 장점이 있다.
본 개시에서는 상술한 장점을 이용하여 전자 접착과 건식 접착 기술의 장점을 활용하면서도 각 기술의 한계를 극복하고 이에 더해 촉각 감지 기능을 추가한 새로운 원리의 접착 표면 구조를 제안하고자 한다.
도 1은 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(100)의 제1 실시 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에서 제안하는 제1 실시 예에 따른 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(100)의 단면도를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(100)는 다양한 형상 및 중량을 가지는 물체의 표면에 전기기계적으로 접착되도록 제어될 수 있는 3차원 마이크로 구조일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(100)는 몸체(110)에 일정한 각도로 구비되는 복수의 구조물(120)을 포함할 수 있다. 복수의 구조물(120)은 몸체(110) 상에 행과 열을 맞추어서 배치될 수 있다.
도 2를 참조하면, 몸체(110)에 일정한 각도(
Figure pat00001
)로 구비되는 복수의 구조물(120)은 몸체(110)와 일체로 제작될 수 있는 직선 구조의 필러(pillar)(121), 필러(121)를 둘러싸도록 도포되는 전도성 물질(123), 전도성 물질(123)을 둘러싸도록 박막 형태로 코팅되는 절연 물질(125)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 직선 구조의 필러(121)는 폭이 1.5 mm이고 길이가 7 mm일 수 있으며 15도 내지 75도의 각도로 몸체(110)에 구비될 수 있다. 바람직하게는, 직선 구조의 필러(121)는 15도, 40도, 45도 60도 또는 75도의 각도로 몸체(110)에 구비될 수 있다.
일 실시 예에 따라, 필러(121)를 둘러싸도록 도포되는 전도성 물질(123)은 은나노 와이어일 수 있다. 제1 전원(예: +1kV) 또는 제2 전원(예: -1kV 또는 0V)이 전도성 물질(123)에 인가될 수 있다. 동일한 제1 전원 또는 동일한 제2 전원이 몸체(110)에서 동일한 열에 위치하는 구조물(120)의 전도성 물질(123)에 인가될 수 있다. 또한, 제1 전원과 제2 전원은 몸체(110)에서 위치한 열에 따라 번갈아 가면서 인가될 수 있다. 예를 들면, 제1 전원이 몸체(110)의 홀수 열(제1열, 제3열, ??)에 위치하는 전도성 물질(123)에 인가될 수 있고, 제2 전원이 몸체(110)의 짝수 열(제2열, 제4열, ??)에 위치하는 전도성 물질(123)에 인가될 수 있다.
몸체(110) 및 필러(121)는 3D 프린터를 이용하여 한번에 구현될 수 있다. 3D 프린터 출력 시, 몸체(110)에 필러(121)가 붙는 것을 방지하기 위하여 몸체(110)의 구조물(120) 하부에는 일정 크기의 통로(130)가 열을 따라 형성될 수 있다. 이러한 통로(130)는 또한, 전도성 물질(123)에 전압을 인가하기 위해 필요한 도선이 지나가도록 할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 일정 크기의 통로(130)는 사분원 모양의 통로일 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(100)가 물체(10)의 표면에 전자기계적으로 접착하는 원리를 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 표면 구조(100)의 몸체(110)에서 튀어나와 있는 각 열의 구조물(120)의 전도성 물질(123)에는 전압원(310)과 전압원(320)에 의해 (+)전압과 제2 전원(V-)이 번갈아 가며 인가될 수 있다. 예를 들면 1열의 구조물(120a), 3열의 구조물(120c) 및 5열의 구조물(120e)에는 전압원(320)에 의해 제2 전원(V-)이 인가되고, 2열의 구조물(120b), 4열의 구조물(120d) 및 6열의 구조물(120f)에는 전압원(310)에 의해 제1 전원(V+)이 인가될 수 있다.
도 3에서 제어기(330)는 전압원(310) 및 전압원(320)을 제어하여 전도성 물질(123)에 인가되는 전압의 크기를 제어할 수 있다. 일실시 예에 따라, 도 3에 도시된 전압원(310), 전압원(320) 및 제어기(330)는 표면 구조(100)와 함께 하나의 장치로 구성될 수 있다. 다른 일실 예에 따르면, 전압원(310), 전압원(320) 및 제어기(330) 중 일부 또는 전부는 표면 구조(100)와 멀리 떨어져 위치하여 별개의 장치로 구성될 수도 있다.
도 3에 도시되어 있지 않지만 추가적으로 전도성 물질(123)에 AC(alternating current) 전압을 제공하기 위한 다른 전압원(미도시)이 인가될 수 있다. 인가되는 AC 전압에 기초하여 인전하는 열에 위치하는 전도성 물질(123) 간의 축전 용량 또는 축전 용량의 변화를 측정할 수 있다. 그리고 이에 기초하여 물체(10)의 접촉을 인지할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 외부 힘이 가해지는 경우 물체(10)와 표면 구조(100)는 밀착될 수 있다. 이렇게 밀착이 되면 표면 구조(100)의 구조물(120)은 기계적 변형이 일어나서 구부러질 수 있다. 이에 따라 표면 구조(100)와 물체(10)의 접촉 면적이 증대되고, 기계적 마찰이 커질 수 있다.
또한, 표면 구조(100)의 구조물(120) 내의 전도성 물질(123) 표면에 절연 물질(125)이 도포되어 있어, 전하가 전압이 인가된 전도성 물질(123)과 물체(10)의 표면 사이에서 자유롭게 이동할 수는 없다. 하지만, 인접한 전도성 물질(123)에 제1 전원(V+)에 의한 양전하와 제2 전원(V-)에 의한 음전하가 유도됨에 따라 전기장이 인접한 전도성 물질(123) 사이에 형성된다. 형성된 전기장은 반대 극성을 갖는 전하가 물체(10)의 표면을 따라 축적되도록 유도한다. 전도성 물질(123)과 물체(10)의 표면에 유도된 서로 다른 극성의 전하는 서로를 끌어당기는 정전기력을 생성할 수 있다. 외부에서 가해지는 힘 외에도 이러한 정전기력에 의하여 표면 구조(100)와 물체(10)가 더욱 밀착되면서 표면 구조(100)의 구조물(120)의 기계적 변형은 더욱 커질 수 있다. 이에 따라 표면 구조의 구조물(120)과 물체(10) 사이의 접촉 면적은 추가로 증가되고 기계적 마찰이 커지면서 표면 구조(100)가 물체(10)를 잡고 있게 할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 전자기계적 표면 구조는 인가된 전압에 의하여 발생하는 정전기적 인력과 추가적으로 구조물(120)의 구조적 변형으로 인한 접착 면적의 증가를 통해 잡고자 하는 물체(10)에 대한 기계적 접착력을 증가시킬 수 있다.
본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(100)는 3D 프린터를 활용해 몸체(110)와 필러(121)들을 구현한 후, 각 필러(121)에 은 나노 와이어와 같은 전도성 물질(123) 및 절연 고분자 소재를 코팅하여 제작할 수 있다.
도 4는 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)의 제 2 실시예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)는 다양한 형상 및 중량을 가지는 물체의 표면에 전기기계적으로 접착되도록 제어될 수 있는 3차원 마이크로 구조일 수 있다. 도 1에 도시된 제1 실시예의 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(100)의 몸체(110)에 일정한 각도로 구비되는 복수의 구조물(120)과 유사하게, 본 발명에서 제안하는 제2 실시예 또한 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)는 몸체(110)에 일정한 각도로 구비되는 복수의 구조물(170)을 포함할 수 있다. 복수의 구조물(170)은 몸체(110) 상에 행과 열을 맞추어서 배치될 수 있다.
복수의 구조물(170)은 완전히 누웠을 때 겹치지 않고 접촉면적이 최대가 되도록 형상이 결정되고 몸체(110) 상에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 구조물(170)은 몸체(110)에 지그재그 형태의 행과 열로 배치될 수 있다.
복수의 구조물(170)의 단면의 형상은 상단의 너비가 하단의 너비보다 넓은 형상일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 구조물(170)의 단면의 형상은 T자 형상일 수 있다. 이에 따라, 복수의 구조물이 완전히 누웠을 때 겹치지 않고 인접한 행 사이의 간격을 줄여 전극 사이의 전기장 밀도를 증가시킬 수 있어 전기장 강도를 높일 수 있으며, 낮은 수직 강성과 큰 접촉 폭을 제공하여 정전기에 의한 접촉면적을 최대화할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조의 제1 실시 예 및 제2 실시 예를 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 복수의 구조물(120)의 단면이 직사각형 형상이고, 몸체(110) 상에 행과 열을 일자로 맞추어서 배치된 본 발명의 제1 실시예를 나타낸다. 도 5a를 참조하면, 복수의 구조물(120)은 전도성 물질(123)에 음전하가 인가되는 음전하접촉부(126), 전도성 물질(123)에 양전하가 인가되는 양전하접촉부(127) 및 물체와 접촉하지 않는 비접촉부(128)를 포함할 수 있다.
도 5b는 복수의 구조물(170)의 단면이 T자형 형상이고, 몸체(110) 상에 행과 열이 지그재그로 배치된 본 발명의 제2 실시예를 나타낸다. 도 5b를 참조하면, 복수의 구조물(170)은 전도성 물질(123)에 음전하가 인가되는 음전하접촉부(176), 전도성 물질(123)에 양전하가 인가되는 양전하접촉부(177) 및 물체와 접촉하지 않는 비접촉부(178)를 포함할 수 있다.
전자기계적 마이크로 접착 표면 구조는 구조물이 완전히 누웠을 때 겹치지 않아야 하는 바, 제1 실시 예의 경우, 도 5a의 (a)에 도시된 바와 같이 직사각형 구조물(120)의 행간 간격은 구조물(120) 단면의 세로 길이보다 더 큰 간격을 가져야 한다. 반면, 제2 실시 예의 경우, 도 5b의 (a)에 도시된 바와 같이 T자형 구조물(170)의 행간 간격을 구조물(170) 단면의 세로 길이보다 줄여도 구조물(170)이 완전히 누웠을 때 겹치지 않도록 배치할 수 있다.
도 5a의 (a)에 도시된 제1 실시 예의 평면도와 도 5b의 (a)에 도시된 제2 실시 예의 평면도를 비교하면, 도 5a의 (b) 및 도 5b의 (b)와 같이 구조물(120,170)이 물체와 접촉할 때, 도 5b (a)에 도시된 제2 실시예에서 물체가 접촉하는 음전하접촉부(176) 및 양전하접촉부(177)의 면적이 도 5a (a)에 도시된 제1 실시예의 음전하접촉부(126) 및 양전하접촉부(127) 보다 넓다. 또한, 도 5a의 (c)에 도시된 제1 실시 예의 측면도와 도 5b의 (c)에 도시된 제2 실시 예의 측면도를 비교하면, 도 5b의 제 2 실시예의 음전하접촉부(176)와 양전하접촉부(177) 사이에서 생성되는 전기장의 밀도가 도 5a의 제1 실시예의 음전하접촉부(126)와 양전하접촉부(127) 사이에서 생성되는 전기장의 밀도보다 높다. 이에 따라, 도 5b의 제2 실시 예에 따른 표면 구조(150)형태가 도 5a의 제1 실시 예에 따른 표면 구조(100)보다 전극 사이의 전기장 밀도를 증가시켜 전기장 강도를 높일 수 있으며, 낮은 수직 강성과 큰 접촉 폭을 제공하여 정전기에 의한 접촉면적을 최대화할 수 있다.
도 6은 적층 가공을 이용하여 제작한 서로 다른 형상의 필러가 구비된 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조의 시작품들을 도시한 도면이다.
(a)는 필러(121)가 직사각형 형상에 열과 행을 직선으로 맞추어 배치된 시작품이고, (b)는 필러(121)가 삼각형 형상에 열과 행을 직선으로 맞추어 배치된 시작품이고, (c)는 필러(121)가 나무 형상에 열과 행을 직선으로 맞추어 배치된 시작품이고, (d)는 필러(121)가 역삼각형 형상에 열과 행을 직선으로 맞추어 배치된 시작품이고, 도 (e)는 필러(121)가 T형 형상에 열과 행을 직선으로 맞추어 배치된 시작품이고, (f)는 필러(121)가 T형 형상에 열과 행이 지그재그로 배치된 시작품이다.
도 7은 도 6의 (a) 내지 (f)의 시작품의 필러(121)의 형상 및 인가하는 전압에 따른 접착력 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 6의 (a)에 따른 직사각형 형상의 필러(121)의 접착력 증가율은 전압을 인가하지 않은 경우에 비하여 3kV전압을 인가한 경우 57% 향상되었다. 도 6의 (b)에 따른 삼각형 형상의 필러(121)의 접착력 증가율은 상단의 너비가 하부의 너비보다 좁아 25%로 낮았다. 도 6의 (c)에 따른 나무 형상의 필러(121)의 접착력 증가율은 경첩과 같은 바닥이 수직 강성을 감소시키기 때문에 삼각 기둥보다 약간 더 높은 31% 였다. 필러(121) 상단의 너비가 크고 하단의 너비가 작은 도 6의 (d)에 따른 역삼각형 형상과 도 6의 (e)에 따른 T형 형상은, 전기적 영향으로 인한 접착력 향상은 각각 58%, 49%로 직사각형 모양과 비슷하거나 그 이하인 것으로 나타났다. 도 6의 (f)와 같이, 전기 접착 증가율을 더욱 향상시키기 위해 얕은 바닥 사이에 추가의 필러행을 배치할 수 있는 여분의 공간을 제공하는 지그재그 T형을 제작했다. 도 6의 (f)에 따른 지그재그 T형을 사용하면, 구조물이 완전히 누웠을 때에도 겹치지 않고 인접한 행 사이의 간격을 줄일 수 있고, 상단 필러(121)의 폭은 큰 반면 하단 폭은 작은 크기로 유지될 수 있다. 이에 따라, 전극 사이의 전기장 밀도를 증가시킬 수 있어 전기장 강도를 높일 수 있으며, 낮은 수직 강성과 큰 접촉 폭을 제공하여 정전기에 의한 접촉면적을 최대화할 수 있다. 도 7의 실험 결과에 따르면, 도 6의 (f)의 지그재그 T형 형상의 필러(121)를 이용하면 전압을 인가하지 않은 경우에 비하여 3kV 전압을 인가한 경우 접착력이 100% 이상 향상되었다. 표면 구조를 다양한 형상으로 제작하는 경우에, 단순히 직사각형 형상의 표면 구조로 제작하는 경우에 비하여 전자기계적 접착 표면 구조의 접착력이 향상될 수 있다.
도 8은 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)를 생산하는 공정을 도시한 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 공정 S100에서, 광경화 방식(DLP) 3D 프린터 장비와 광경화성 탄성 중합체 수지(flexible resin) 재료를 이용하여 몸체(110)와 표면 마이크로 구조물의 일부인 필러(121)를 일체로 적층 제조할 수 있다. 이때 몸체(110)에서 시작되는 필러(121)의 각도와 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 일실시 예에 따라 몸체(110)에 대한 필러(121)의 각도는 15도 내지 75도일 수 있는데, 바람직하게는 15도, 30도, 45도, 60도 또는 75도 중 하나일 수 있다. 또한, 필러의 형상은 직선, 곡선, 또는 임의의 형상을 가질 수 있다. 필러(121)는 완전히 누웠을 때 겹치지 않고 접촉면적이 최대인 형상이 되도록 제작할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 필러(121)는 행과 열이 지그재그형태로 몸체(110)에 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 필러(121)의 단면의 형상은 상단의 너비가 하단의 너비보다 넓은 형상일 수 있다. 또한, 필러(121)의 단면의 형상은 T자 형상일 수 있다.
이에 따라, 복수의 구조물이 완전히 누웠을 때 겹치지 않고 인접한 행 사이의 간격을 줄여 전극 사이의 전기장 밀도를 증가시킬 수 있어 전기장 강도를 높일 수 있으며, 낮은 수직 강성과 큰 접촉 폭을 제공하여 정전기에 의한 접촉면적을 최대화할 수 있다.
또한, 몸체(110)에서 표면 마이크로 구조물의 하부에는 도선을 구비하기 위한 통로(130)가 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따라 통로(130)는 사분원 모양일 수 있다.
공정 S200에서, 필러(121)에 도포되는 전도성 물질(123)에 제1 전압 또는 제2 전압을 제공하기 위한 도선을 공정 S100에서 제작된 몸체(110)에 연결할 수 있다.
도 9는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)에 전압을 제공하기 위한 도선을 연결하는 공정을 도시한 도면이고, 도 10은 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)에 도선이 연결된 결과를 도시한다. 도선은 몸체(110)의 구조물(170) 하단에 위치하는 통로(130)에 위치할 수 있다.
도 9를 참고하면, 도 9의 (b)에 도시된 바처럼 제작된 마이크로 접착 표면 구조(150)의 통로(130)의 양쪽 끝(131a, 131b)을 가운데 구멍이 있는 주사기 바늘(610)로 뚫는다. 그리고 도 9의 (c)에 도시된 바처럼 주사기 바늘 구멍을 통하여 도선을 통과시킨 후, 주사기 바늘(610)만 제거하면 도 9의 (d)에 도시된 바처럼 도선만 남는다. 이후 남겨진 도선을 마이크로 접착 표면 구조(150)의 통로(130)에 구비되도록 처리한다. 그리고 도선의 일측 끝은 전압원과의 연결을 위하여 길게 뽑고, 다른 일측은 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150) 고정되도록 처리할 수 있다. 이때 길게 뽑히는 일측은 연결되는 전압원의 극성에 따라 서로 반대 방향이 될 수 있다. 제1 전원(V+)을 제공하는 전압원(310)에 연결되는 도선(예: 710a, 710c, 710e)은 제1 방향으로 길게 뽑힐 수 있다. 제2 전원(V-)을 제공하는 전압원(310)에 연결되는 도선(예: 710b, 710d, 710f)은 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 길게 뽑힐 수 있다. 또한, 도선에 공급되는 전원은 열에 따라 번갈아 가며제1 전원(V+)과 제2 전원(V-)이 되도록 구성할 수 있다. 그리고 전압원과의 연결을 위하여 길게 뽑은 일측 끝의 반대편 끝은 서로 간 단락되는 것을 방지하기 위하여 표면 구조의 뒤편에서 필요한 부분만 남기고 가능한 한 짧게 잘라낸 후 광경화성 탄성 중합체 수지를 도포한 후 소형 UV 경화기로 경화시켜 절연 물질을 코팅을 할 수 있다. 또한, 몸체(110)의 통로(130)의 양쪽 끝(131a, 131b)에서 주사기 바늘(610)에 의해 뚫린 구멍은 도선이 통과된 상태에서 탄성 중합체 수지를 소량 주입한 후, 소형 UV 경화기로 경화시켜 밀봉 처리할 수 있다. 이에 따라 도선 또한 움직이지 않고 고정될 수 있다. 이에 따라, 도 10에 도시된 바와 같이 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)에 도선(710a 내지 710f)이 연결된 결과를 획득할 수 있다.
이후 공정 S300에서, 전도성 물질을 도포할 수 있다.
도 11은 전도성 물질인 나노 와이어 잉크를 도포하는 공정을 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 몸체(110)의 필러(121) 아래의 통로(130)에 구비되는 도선과 필러(121)의 양쪽 표면을 붓과 같은 도구(810)를 이용하여 은 나노 와이어 잉크를 도포함으로써 전자 접착을 위한 전극 패턴을 형성하는 전도성 물질(123)을 도포할 수 있다. 이후, 필러(121) 및 도선에 도포된 전도성 물질(123)을 경화시키기 위하여 마이크로 접착 표면 구조(150)를 90도로 예열된 오븐에 5분 동안 둘 수 있다.
이후 공정 S400에서, 절연 물질을 코팅할 수 있다.
도 12는 절연 물질(125)을 코팅하는 공정을 도시한 도면이다.
도 12을 참조하면, 롤러(910)를 이용하여 전도성 물질(123)이 도포된 필러(121)의 양면에 얇은 탄성 중합체 수지를 박막 형태로 도포 후 소형 UV 경화기로 경화시킬 수 있다. 절연 물질이 너무 얇게 코팅되면 방전 및 단락이 일어날 가능성이 있으므로 수차례 도포 및 경화시켜 절연 물질을 코팅할 수 있다.
상술한 바와 같은 공정을 통해 탄성 중합체로 형성되는 몸체(110) 및 필러(121)와 필러(121)에 도포되는 전도성 물질(123) 및 절연 물질(125)로 구성된 3차원의 마이크로 접착 표면 구조(150)는 몸체(110)에 부착된 구조물(170)이 전기적으로 큰 탄성 변형을 일으키면서도 전도성을 유지할 수 있도록 하는 유연한 물성 및 높은 전도성을 가져 전자기계적 접착의 효과를 극대화할 수 있다.
접촉역학 기반 전자기계 접착 기술의 원리 및 성능을 규명하기 위하여 본 발명에서 제안하는 마이크로 접착 표면 구조(150)의 제작된 시작품(1000)을 이용하여 다양한 실험을 수행하였다.
도 13a는 본 발명에서 제안하는 3차원 마이크로 접착 표면 구조(150)의 기계적 강도 측정을 위한 압축 실험을 도시한 것이고 도 13b는 압축 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 13a의 실험은 몸체(110)에 부착되는 구조물(170)의 각도를 15도부터 75도까지 15도 간격으로 조정된 총 5개의 마이크로 접착 표면 구조(150)의 시작품(1000)을 압축실험이기(1010)를 이용하여 실험하였다. 도 13의 실험은 몸체(110)에 대한 구조물(170)의 각도에 따라 발생하는 변형량 또는 일정한 변형량을 얻기 위해 필요한 압축력(compression force)을 측정하는 것일 수 있다. 또한, 도 13의 실험은 미리 정해진 변형량(예: 1.5mm)을 얻기 위해 필요한 압축력을 측정하여 마이크로 접착 표면 구조(150)의 구조물(170)의 각도에 따른 기계적 강도(stiffness) 변화를 측정하는 것일 수 있다.
도 13b의 실험 결과를 참고하면, 몸체(110)에 부착되는 구조물(170)의 각도가 증가할수록 강도가 증가한다는 것을 확인할 수 하였으며, 특히 45°이상의 구조에서 강도가 급격히 변한다는 것을 볼 수 있다. 또한, 구조물(170)의 부착된 각도가 커짐으로 인하여 굽힘(bending)뿐 아니라 좌굴(buckling)의 영향이 많이 작용하여 변형을 위해 작용하는 힘이 급격히 커지며 오차도 크게 발생한다는 것을 알 수 있다.
도 14a는 물체가 표면 구조(150) 방향으로 위치가 가까워질 때 변위(mm)에 따라 복수의 구조물(170)의 각도 별 압축 강도 변화를 실험한 도면이고, 도 14b는 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 14b의 실험 결과에 따르면, 물체의 위치가 표면 구조(150)방향으로 이동할 수록 압축 강도는 커지고, 복수의 구조물(170)의 각도가 75도인 경우 변위 대비 압축 강도 변화 기울기가 가장 컸다. 즉, 물체가 복수의 구조물(170)에 1.5mm 가까워지기 위해서는 각도가 75도인 경우에 가장 큰 압축 강도가 필요함을 알 수 있다.
도 15는 마이크로 접착 표면 구조(150)의 단순 기계적 강도와 비교하였을 때의 전압을 인가한 경우의 접착력 증가율을 도시한 그래프이다. 도 15를 참고하면, 기계적 강도가 0.4~0.6 N/mm 범위에서는 외부 인가 전압에 의한 영향이 매우 크게 나타났다. 반면에 기계적 강도가 0.6N/mm보다 크게 되는 경우, 외부 인가 전압에 의한 영향이 있었으나 비교적 낮게 나타났다.
마이크로 접착 표면 구조(150)의 각 열에 도 3에 도시된 바와 같이 제1 전압(V+)과 제2 전압(V-)을 인가하면 전자 접착 원리에 의하여 상대 표면과 정전기적 인력이 발생한다. 이 때, 마이크로 접착 표면 구조(150)의 기계적 강도가 작을수록 정전기적 인력(electrostatic attraction)에 의한 기계적 변형(mechanical deformation)이 더 크게 일어난다. 이로 인해 마이크로 접착 표면 구조(150)와 상대 물체의 표면 사이의 접촉 면적이 증대되고, 접촉 면적이 증가할수록 높은 기계적 마찰을 기대할 수 있다.
정리하면, 3차원 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)는 전압이 인가되면, 먼저 전자 접착 원리에 의하여 정전기적 인력이 발생하고 추가적으로 구조물(170)의 구조적 변형으로 인한 접착면적의 증가를 통해 기계적 접착력 또한 함께 증가한다는 결론을 내릴 수 있다.
도 16a 내지 도 16c는 물체(2000)가 표면 구조(150)에 접촉하는 경우 기계 접착 및 전자기계 접착의 원리를 도시한 도면이다.
도 16a를 참고하면, 마이크로 접착 표면 구조(150)는 몸체(110)와 몸체(110)에 일정한 각도로 구비되는 복수의 구조물(170)을 포함할 수 있다. 복수의 구조물(170)은 몸체(110)와 일체로 제작될 수 있는 필러(121), 필러(121)를 둘러싸도록 도포되는 전도성 물질(123), 전도성 물질(123)을 둘러싸도록 박막 형태로 코팅되는 절연 물질(125)을 포함할 수 있다. 몸체(110)의 구조물(170) 하부에는 일정 크기의 통로(130)가 열을 따라 형성될 수 있다. 이러한 통로(130)는 전도성 물질(123)에 전압을 인가하기 위해 필요한 도선이 지나가도록 할 수 있다. 일 실시예에 따라, 일정 크기의 통로(130)는 사분원 모양의 통로일 수 있다.
도 16b를 참고하면, 마이크로 접착 표면 구조(150) 방향으로 물체(2000)가 다가오는 경우, 물체(2000)와 복수의 구조물(170)이 기계적으로 접촉하게 되고, 물체(2000)가 표면 구조(150)의 수직 방향으로 접촉하는 힘(FM)에 의하여 표면 구조(150)의 수평 방향으로 접착력(Fadhe)이 발생한다.
도 16c를 참고하면, 제1 전원(예: +1kV) 또는 제2 전원(예: -1kV 또는 0V)이 도선(129)을 통하여 전도성 물질(123)에 인가될 수 있다. 동일한 제1 전원 또는 동일한 제2 전원이 몸체(110)에서 동일한 열에 위치하는 구조물(170)의 전도성 물질(123)에 인가될 수 있다. 또한, 제1 전원과 제2 전원은 몸체(110)에서 위치한 열에 따라 번갈아 가면서 인가될 수 있다. 예를 들면, 제1 전원이 몸체(110)의 홀수 열(제1열, 제3열, ??)에 위치하는 전도성 물질(123)에 인가될 수 있고, 제2 전원이 몸체(110)의 짝수 열(제2열, 제4열, ??)에 위치하는 전도성 물질(123)에 인가될 수 있다.
마이크로 접착 표면 구조(150)의 각 열에 도 16c에 도시된 바와 같이 제1 전원(V+)과 제2 전원(V-)을 인가하면 전자 접착 원리에 의하여 상대 물체의 표면과 정전기적 인력(FE)이 발생한다. 이 때, 정전기적 인력(FE)에 의한 기계적 변형(mechanical deformation)이 크게 일어나 마이크로 접착 표면 구조(150)와 상대 물체의 표면 사이의 접촉 면적(176, 177)이 증가하게 된다. 정전기적 인력(FE)과 접촉 면적(176, 177)이 증가할수록 상측 방향의 접착력(Fadhe)이 증가할 수 있다.
도 17은 물체가 접촉하는 경우 몸체(110)와 구조물(170)의 각도 및 인가 전압에 따른 접착력 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 17의 x축의 각 각도별 4개의 막대기둥은 왼쪽에서부터 0, 1, 2, 3kV를 초기 전압으로 인가하였을 때의 접착력을 나타낸다. 도 17의 실험 결과를 참고하면, 모든 각도에 있어 구조물(170)에 초기 인가되는 전압이 클수록 접착력이 커진다는 것을 확인할 수 있다. 구조물(170)의 각도가 15도인 경우 순수 기계적 접촉 시의 접착력에 비하여 3kV의 전압이 인가된 경우 접착력이 162% 증가한 반면, 구조물(170)의 각도가 75도인 경우 순수 기계적 접촉 시의 접착력에 비하여 3kV의 전압이 인가된 경우 접착력이 20% 증가하였다.
도 18a는 접촉하는 물체의 상측 방향으로의 위치 변화에 따른 표면 구조(150)의 접착력 변화 실험을 도시한 것이고 도 18b는 접착력 변화 실험 결과를 도시한 도면이다.
도 18a의 실험은 물체의 변위를 상측 방향으로 0mm 부터 3mm까지 변화시킬 때에 표면 구조(150)의 접착력의 변화를 실험하였다. 도 18b의 실험 결과에 따르면, 물체의 위치가 기준점에서부터 약 0.5mm까지 변화하는 경우에는 접착력이 상승하다가, 0.5mm 이후에는 위치 변화에 관계없이 비교적 일정한 접착력을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 19는 나무 표면을 가지는 물체와 30도 각도를 이루는 구조물(120, 170) 간의 접착력을 구조물(120, 170)의 형상에 따라 인가 전압 0kV~3kV로 달리하며 실험한 결과를 도시한 도면이다. 도 19 (a)는 초기 접착력이 1N인 경우, 도 19 (b)는 초기 접착력이 5N인 경우에서 실험하였다.
도 19 (a)에 따르면, 직사각형 형상의 구조물(120)의 경우 순수 기계적 접촉 시의 접착력 1N에 비하여 3kV의 전압이 인가된 경우 접착력이 1.22N로 22% 증가한 반면, 지그재그 T 형상의 구조물(170)의 경우 순수 기계적 접촉 시의 접착력 1N에 비하여 3kV의 전압이 인가된 경우 접착력이 1.44N로 44% 증가하였다.
도 19 (b)에 따르면, 직사각형 형상의 구조물(120)의 경우 순수 기계적 접촉 시의 접착력 5.3N에 비하여 3kV의 전압이 인가된 경우 접착력이 5.97N로 12% 증가한 반면, 지그재그 T 형상의 구조물(170)의 경우 순수 기계적 접촉 시의 접착력 5.16N에 비하여 3kV의 전압이 인가된 경우 접착력이 5.89N로 14% 증가하였음을 알 수 있다.
전자기계 접착을 구현하기 위한 3차원 마이크로 접착 표면 구조(100, 150)는 인접한 두 열이 서로 다른 극에 연결되어 있어 축전기를 형성할 수 있다. 즉, 3차원 마이크로 접착 표면 구조(100, 150)의 두 열의 구조물(120, 170) 간에는 일정 크기의 축전 용량을 가지게 된다. 그런데 구조물(120, 170)이 외부요인에 의해 변형이 생기면 축전 용량의 변화가 야기된다. 이러한 축전 용량의 변화를 감지함으로써 촉각 감지가 가능하다. 접촉 위치, 힘과 변형 깊이, 물질 그리고 접촉 면적에 따른 축전 용량 변화를 멀티미터(CEM, DT-6500)와 같은 측정 장치를 이용하여 측정할 수 있다.
도 20은 3차원 마이크로 접착 표면 구조(100, 150)의 인접한 서로 다른 극성을 가지는 두 열의 구조물(120, 170) 간의 축전 용량(C0)의 예 및 물체(1610)와의 접촉 시의 축전 용량(Cf)의 변화의 예를 도시한 도면이다.
도 20의 (a)를 참조하면, 도 3의 제어기(330)는 인접한 구조물(예: 120a, 120b)에 포함되어 있는 전도성 물질(123)에 제1 전원(V+) 및 제2 전원(V-) 외에 AC 전압을 추가로 인가하고, 인접한 두 개의 구조물(예: 120a, 120b)을 통해 흐르는 전류를 측정할 수 있다. 이때, 인접한 구조물들은 축전기의 기능을 수행하여 인가된 AC 전압에 의해 I=C dv/dt에 의한 전류가 측정될 수 있다. 따라서, 인가된 AC 전압 및 측정된 전류에 기초하여 축전 용량(C0)을 결정할 수 있다.
유사하게 도 20의 (b)를 참조하면, 마이크로 접착 표면 구조(100, 150)가 물체(1610)와 접촉하게 되면 물체(1610)와 구조물(예: 120a, 120b)이 축전기로 기능할 수 있고, 이에 따라 인접한 두 개의 구조물(예: 120a, 120b) 간의 축전 용량(Cf)이 변화될 수 있다. 도 3의 제어기(330)는 AC 전압 인가 후에 측정된 전류에 기초하여 변화된 축전 용량(Cf)을 결정할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 3차원 마이크로 접착 표면 구조(100, 150)에서 축전 용량의 변화와 관련된 실험을 진행하였으며, 변형 깊이와 힘에 따른 축전 용량 변화 실험을 제외한 실험은 구조물(120, 170)의 각도가 15도의 기울기를 가진 마이크로 접착 표면 구조(100, 150)에 대해서만 진행하였다.
도 21은 위치에 따른 축전 용량 변화를 도시한 도면이다.
위치에 따른 축전 용량 변화 실험은 도 21의 (a)에 도시된 바와 같이 마이크로 접착 표면 구조(150)의 각 행 및 각 열에서의 축전 용량의 변화를 측정한 것이다.
도 21의 (b)에서 10g, 20g 또는 30g는 표면 구조와 접촉하는 상대 물체의 무게를 나타낸 것이다. 도 21의 (b)에 도시된 실험 결과를 참조하면, 상대 물체의 무게가 커질수록 축전 용량 변화율이 큰 것을 알 수 있지만, 도 21의 (b) 및 (c)에 도시된 실험 결과에서 알 수 있듯이 모든 행과 열에 있어서 위치에 따른 축전 용량의 변화는 1% 범위 내에 있다. 이 실험을 통해 물체가 임의의 위치에 접촉 시, 유사한 축전 용량 측정값을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
도 22는 변형 깊이와 힘에 따른 축전 용량 변화를 도시한 도면이다.
도 22를 참조하면, 변형 깊이와 힘에 따른 축전 용량 변화 실험은 마이크로 접착 표면 구조(150) 전체에 힘을 주어 힘, 변형 깊이에 따른 축전 용량 변화량을 측정한 것이다. 도 22은 구조물(170)의 각도가 30도 마이크로 접착 표면 구조(150)를 사용하였을 때의 결과(1810, 1830) 및 구조물(170)의 각도가 60도 마이크로 접착 표면 구조(150)를 사용하였을 때의 결과(1820, 1840)를 도시한 것이다. 도 22에 도시된 바와 같이 변형 깊이와 힘이 증가함에 따라 축전 용량 변화량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에서 제안하는 전자기계적 마이크로 접착 표면 구조(150)의 축전 용량 변화량을 측정한다면 접촉 힘을 감지하고 그 크기에 대한 정보 또한 알 수 있다.
도 23은 마이크로 접착 표면 구조(150)가 잡고자 하는 상대 표면 물체(1910)의 물질에 따른 축전 용량 변화량을 도시한 도면이다.
물질에 따른 축전 용량 변화량은 서로 다른 소재의 물체(1910) 표면에 3차원 마이크로 접착 표면 구조(150)를 뒤집어 위치시킨 후, 500g 추를 올려서 동일한 힘을 가한 후의 축전 용량 변화량을 측정하였다. 금속의 경우, 단락회로가 형성되는 것을 방지하기 위해 물체(1910) 위에 A4용지를 두어 실험을 진행하였다. 도 24를 참조하면, 실험 결과 플라스틱은 24%, 종이박스는 32% 변화율을 보인 것과 대비하여 철자의 경우에는 280%, 손을 접촉했을 시 8,800%의 큰 변화율을 보이고 있다. 따라서, 실험 결과로부터 부도체보다 도체의 축전 용량 변화율이 더 높은 것을 확인하였다.
도 24는 표면 구조(150)와 물체와 표면 구조(150)의 접촉 면적에 따른 축전 용량 변화량을 도시한 도면이다.
접촉 면적에 따른 축전 용량 변화량은 동일한 힘을 가하면서 접촉 면적에 따른 축전 용량 변화량을 측정하였다. 도 24에 도시된 바와 같이 면적이 증가함에 따라 축전 용량의 변화는 거의 없거나, 오히려 줄어듦을 확인할 수 있다. 특히, 동일한 접촉 면적에 대해서 힘을 두 배로 늘렸을 경우보다, 동일한 힘에 대해 면적을 두배로 늘렸을 경우의 축전 용량 변화량이 더 작게 측정되었다.
본 연구를 통해 얻은 이해도를 바탕으로 접착력을 더 증폭시키기 위한 일 실시 예로서, 3차원 전자기계 마이크로 접착 표면 구조(150)의 구조물(170)의 기계적 강도를 최소화한다면 인가 전압에 따른 정전기력에 의한 상대 물체와의 접촉 면적이 넓어져 접착력 상승효과를 극대화할 수 있다. 또한, 다른 일 실시 예에 따라 본 발명에서 제안하는 3차원 전자기계 마이크로 접착 표면 구조(150)를 다방면의 일체형 그리퍼 형태로 제작함으로써 접착력 상승을 획득할 수 있다. 즉, 본 발명에서 제안하는 전자기계 마이크로 접착 표면 구조를 로봇 그리퍼의 각 손가락에 적용하여 수직 하중과 동반된 파지를 시도할 경우, 인가 전압에 따른 접착력의 변화율을 증가시킬 수 있으므로 보다 기능적인 물체의 파지 동작을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
도 25는 본 발명에서 제안하는 전자기계 마이크로 접착 표면 구조(150)를 적용한 그리퍼의 일 예를 도시한 도면이다.
도 25를 참조하면, 그리퍼(2300)는 중심에 힌지(2330) 및 스프링(2320)을 두어 지지대(2340)의 구부러짐을 제어할 수 있도록 하였다. 그리퍼(2300)가 물체(2390)를 파지하기 위하여 누르게 되면 힘(F)을 받아 힌지(2330)를 중심으로 양쪽의 지지대(2340)가 구부러질 수 있다. 그리고 본 발명에서 제안하는 전자기계 마이크로 접착 표면 구조(150)는 폴리이미드 필름(2350)에 부착되어 지지대(2340)와 연결될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 전자기계 마이크로 접착 표면 구조(150)는 몸체(110)에 부착된 구조물(170)의 각도가 30도이고, 구조물(170)이 10x6의 배열을 가질 수 있다. 또한, 2개의 전자기계 마이크로 접착 표면 구조(150)가 제작되어 힌지(2330)를 중심으로 양쪽에 있는 폴리이미드 필름(2350)에 각각 부착될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 폴리이미드 필름(2350)은 0.05mm 두께일 수 있다. 추가적으로, 그리퍼(2300)는 스프링(2320) 동작에 의하여 지지대가 상부의 거치대와 부딪치는 것을 방지하기 위하여 범퍼(예: 스펀지)(2310)가 있을 수 있다.
그리퍼(2300)가 물체(2390)를 파지하기 위하여 물체(2390)를 누르게 되면 반발력에 의한 힘을 받아 지지대(2340)가 구부러지면서 전자기계 마이크로 접착 표면 구조(100)는 파지하고자 하는 물체(2390)와 접촉하여 물체(2390)를 효과적으로 파지할 수 있다. 특히 전자기계 마이크로 접착 표면 구조(150)의 구조물(170)이 탄성 중합체를 기초로 제작되어 쉽게 구부러질 수 있고, 구부러지면서 기계적 접착력이 더욱 커질 수 있다. 또한, 정전기력에 의한 접착력을 키우기 위하여 추가적으로 전압을 제공할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 전자기계 마이크로 접착 표면 구조는 접착되는 순수 기계적 강도에 의한 접착력이 작을수록 인가 전압에 따른 접착력 변화율이 증가한다.
도 26은 그리퍼(2300)가 집어 올릴 수 있는 최대 지름을 조사하기 위하여 지름이(a) 30mm, (b) 40mm, (c) 50mm, (d) 60mm인 원통형물체에 대한 파지력을 실험한 도면이다.
도 27는 도 26의 (a) 내지 (d)에 따른 파지력 실험 결과를 나타내며, 이에 더하여 전압을 인가하지 않은 순수 기계적 파지와 3kV 전압 인가 시의 전자기계적 파지의 힘의 비교하고, 물체의 표면이 폴리프로필렌(polypropylene, PP) 또는 종이인 경우 및 구조물의 형상이 직사각형인 구조물(120) 또는 지그재그 T형인 구조물(170)을 비교하였다.
도 27을 참조하면, 모든 경우에 있어서 3kV의 전압이 인가됨에 따라 획득하게되는 전자기계적 파지력이 순수 기계적 접촉에 기초한 파지력보다 더 큰 것을 알 수 있다. 또한, 3kV의 전압이 인가됨에 따라 획득하는 전자기계적 파지력이 가장 큰 원통형 물체의 직경은 40mm임을 알 수 있다.
물체의 표면이 프로프릴렌인 경우, 직경이 40mm인 원통형물체에서 직사각형 형상의 구조물(120) 그리퍼의 최대 파지력은 순수 기계적 최대 파지력에 비하여 3kV 전압이 인가된 경우 45% 증가한 반면, 지그재그 T형 형상의 구조물(170) 그리퍼의 최대 파지력은 순수 기계적 최대 파지력에 비하여 3kV 전압이 인가된 경우 72% 증가하였다.
물체의 표면이 종이인 경우, 직사각형 형상 구조물의 그리퍼의 최대 파지력은 순수 기계적 최대 파지력에 비하여 3kV 전압이 인가된 경우 32% 증가한 반면, 지그재그 T형 형상 구조물의 그리퍼의 최대 파지력은 순수 기계적 최대 파지력에 비하여 3kV 전압이 인가된 경우 48% 증가하였다.
로봇의 유용성은 인간이 할 수 없는 기능을 수행할 때 비로소 극대화되지만, 현재 사물 핸들링 기술은 인간의 손과 손가락이 할 수 있는 기능의 절반도 수행하지 못한다. 접촉력의 가역적 조작 기능은 도마뱀 등 오직 소수의 특정 개체만이 소유한 특별한 기능이며, 본 발명에서는 이에 더해 인위적인 전자접촉 기술을 효과적으로 접목시켜 그 기능을 극대화하고자 하였다. 접촉력 조작 기능뿐만 아니라 감각적인 파지 동작에 필수적인 촉각 감지 기능을 더한 새로운 표면 기술을 개발함으로써 효율성을 개선할 수 있었다. 인간의 손보다 더 감각이고 기능적인 파지구현을 위해 나노 소재와 최신 접착 기술들의 융합을 통한 새로운 해결책 제시하였다.
다양한 실시 예들에 따르면, 본 개시에서 제안하는 표면 구조는 몸체, 상기 몸체에 일정한 각도로 부착되는 복수의 3차원 마이크로 구조물 및 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 전압을 공급하기 위한 도선을 포함할 수 있다.
또한, 상기 3차원 마이크로 구조물은 상기 몸체에 일정한 각도로 부착되고 상기 몸체와 일체로 제작되는 필러(pillar), 상기 필러를 둘러싸도록 도포되는 전도성 물질 및 상대 표면과의 절연을 위해 상기 전도성 물질을 둘러싸도록 코팅된 절연 물질을 포함하고, 상기 도선을 통해 공급되는 전압은 상기 전도성 물질로 공급되고, 상기 몸체의 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물 하부에는 상기 도선을 구비하기 위한 통로가 형성될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물은 행과 열을 맞추어 상기 몸체에 배치되고, 상기 도선을 구비하기 위한 통로가 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열을 따라 형성될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물은 완전히 누웠을 때 겹치지 않고 접촉면적이 최대가 되도록 형상이 결정되고 몸체 상에 행과 열이 배치될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 복수의 3차원 구조물은 행과 열이 몸체에 지그재그형태로 배치될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 복수의 구조물의 단면의 형상은 상단의 너비가 하단의 너비보다 넓은 형상일 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 복수의 구조물의 단면의 형상은 T자 형상일 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급되는 전압은 제1 전원(V+)과 제2 전원(V-)을 포함하고, 상기 제1 전원(V+)과 상기 제2 전원(V-)은 상기 몸체에 부착되는 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열 위치에 따라 번갈아 가면서 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 공급되는 제1 전원(V+)과 제2 전원(V-)의 크기를 제어하는 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기에 의해 제어되는 상기 제1 전원(V+)과 상기 제2 전원(V-)의 크기에 기초하여 상기 표면 구조의 접착력의 크기가 결정될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급되는 전압은 AC(alternating current) 전압을 더 포함하고, 상기 제어기는 상기 AC 전압에 의하여 인접하는 열의 복수의 3차원 마이크로 구조물 간의 축전 용량의 변화에 기초하여 촉각 감지를 수행할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 몸체에 부착되는 복수의 3차원 마이크로 구조물이 상기 몸체와 이루는 각도는 15도 내지 75도 중의 어느 하나의 각도일 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 몸체 및 상기 몸체와 일체로 제작되는 상기 필러는 탄성 중합체로 형성될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 전도성 물질은 은 나노 와이어일 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 그리퍼(gripper) 장치는 힌지, 상기 힌지를 중심으로 양쪽으로 연결된 지지대, 상기 지지대의 구부러짐을 제어하는 스프링 및 상기 지지대에 부착되는 상술한 표면 구조를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 본 개시에 따른 표면 구조 제작 방법은 몸체 및 상기 몸체와 일정한 각도를 이루면서 형성되는 복수의 3차원 마이크로 구조물의 일부인 필러(pillar)를 일체로 적층 제조하되, 상기 몸체의 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물 하부에 도선을 구비하기 위한 통로가 형성되도록 적층 제조하는 동작, 상기 통로를 통해 도선을 연결하는 동작, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 필러에 전도성 물질을 도포하는 동작 및 상기 전도성 물질 상에 절연 물질을 코팅하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 제조하는 동작은 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물을 행과 열을 맞추어 상기 몸체에 형성하고, 상기 통로를 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열을 따라 형성하도록 제조하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 표면 구조 제작 방법은 상기 도선에 제1 전원(V+)을 제공하기 위한 제1 전원 및 상기 도선에 제2 전원(V-)을 제공하기 위한 제2 전원을 연결하되, 상기 제1 전원(V+)과 상기 제2 전원(V-)이 상기 몸체에 형성되는 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열 위치에 따라 번갈아 가면서 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급되도록 상기 제 전원 및 상기 제2 전원을 연결하는 동작을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 표면 구조 제작 방법은 촉감 감지를 수행하기 위하여 상기 도선에 AC(alternating current) 전압을 제공하기 위한 제3 전원을 연결하는 동작을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 제조하는 동작은 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 일부인 필러가 상기 몸체와 15 내지 75도 중의 어느 하나의 각도를 이루도록 제조하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 제조하는 동작은 상기 몸체 및 상기 필러를 광경화 방식 3차원 프린터 장비를 이용하여 광경화성 탄성 중합체 수지를 적층하여 제조하는 동작을 포함할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 마이크로 접착 표면 구조는 전자와 기계적 접착 원리를 융합하여 접착력의 가역적 조작뿐만 아니라 물체와의 접촉 및 파지 시 표면에 작용하는 힘의 국부적인 위치, 크기 및 방향을 인지 가능하게 하는 혁신 기술이다.
본 발명은 마이크로 구조물만으로 구성된 간단한 형태의 3차원 마이크로 접착 표면 구조로 추후 탄소나노튜브를 이용한 멀티 스케일의 통합 전자기계 접착 표면의 주요 기능을 구현하고, 원리를 규명할 수 있다.
본 발명은 3차원 전극 패턴을 0.02mm이하의 얇은 금속 박판을 미세 가공 및 소성 변형으로 제작하고, 두 전극 패턴을 유연 기판 위에 조립한 후 절연체 박막을 표면에 균일하게 증착하는 공정에 기초하여 전자기계적 접착 기술 구현을 위한 3차원 마이크로 접착 표면을 설계 및 제작할 수 있음을 도시한다.
본 발명의 접착력 조작은 각기 다른 극의 전하량을 축적한 표면의 3차원 마이크로 접착 표면의 구조물들이 물체와의 접촉 시 일어나는 구조적 변형에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명은 제안하는 3차원 마이크로 접착 표면의 마이크로 구조물들이 물체와 다양한 형태로 접촉할 때 전하량의 변화를 측정함으로써 물체와의 접촉위치, 접촉방향 등을 감지하는 촉각 감지 기능을 포함하고 있다. 두 3차원 전극 패턴에 일정 전압을 유지한 후 표면에 수직 혹은 수평 방향의 물리적 접촉 시 전하량의 변화를 측정하여 촉각을 감지하고, 표면 구조물의 형태나 크기, 배열에 따른 감지 정밀도(sensitivity) 등을 평가할 수 있다. 특히 수평방향 접촉력에 대하여 정지와 미끄러짐을 감지하는 기능을 포함하고 있다.
본 발명에서 제안하는 3차원 마이크로 접착 표면의 마이크로 구조물의 접착력 측정을 측정하고, 표면 마이크로 구조물에 의한 물체 파지를 구현할 수 있다. 접착력 측정을 수직과 수평 방향에 대해 측정하고, 수평 방향의 접착력 측정 시 비등성의 마이크로 구조물 형태에 따른 방향성을 고려할 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안하는 표면 마이크로 구조물의 성능 확인을 위하여 3차원 마이크로 구조물 간에 가해지는 0kV에서 1 kV 사이의 외부 전압에 의해 조절하면서 접착력을 측정할 수 있다. 또한, 촉각 감지 기능을 활용하여 다양한 형태와 크기를 가진 물체를 먼저 접촉하여 필요한 힘의 크기와 방향을 판단하고 이를 자유롭게 들어올렸다 내려놓는 (pick-and-placing) 기능을 최종적으로 구현할 수 있다.
100 : 표면구조
110 : 몸체
120 : 구조물
121 : 필러
123 : 전도성물질
125 : 절연물질
126 : 음전하접촉부
127 : 양전하접촉부
128 : 비접촉부
129 : 도선
130 : 통로
150 : 표면구조
170 : 구조물

Claims (20)

  1. 표면 구조에 있어서,
    몸체;
    상기 몸체에 일정한 각도로 부착되는 복수의 3차원 마이크로 구조물; 및
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 전압을 공급하기 위한 도선을 포함하고,
    상기 3차원 마이크로 구조물은,
    상기 몸체에 일정한 각도로 부착되고 상기 몸체와 일체로 제작되는 필러(pillar);
    상기 필러를 둘러싸도록 도포되는 전도성 물질; 및
    상대 표면과의 절연을 위해 상기 전도성 물질을 둘러싸도록 코팅된 절연 물질을 포함하고,
    상기 도선을 통해 공급되는 전압은 상기 전도성 물질로 공급되고,
    상기 몸체의 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물 하부에는 상기 도선을 구비하기 위한 통로가 형성되고,
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물은 행과 열이 지그재그형태로 배치되는,
    표면 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 단면의 형상은 상단의 너비가 하단의 너비보다 넓은,
    표면 구조.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 단면의 형상은 T자 형상인,
    표면 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도선을 구비하기 위한 통로가 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열을 따라 형성되는,
    표면 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급되는 전압은 제1 전원(V+)과 제2 전원(V-)을 포함하고,
    상기 제1 전원(V+)과 상기 제2 전원(V-)은 상기 몸체에 부착되는 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열 위치에 따라 번갈아 가면서 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급되는, 표면 구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 공급되는 제1 전원(V+)과 제2 전원(V-)의 크기를 제어하는 제어기를 더 포함하고,
    상기 제어기에 의해 제어되는 상기 제1 전원(V+)과 상기 제2 전원(V-)의 크기에 기초하여 상기 표면 구조의 접착력의 크기가 결정되는, 표면 구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급되는 전압은 AC(alternating current) 전압을 더 포함하고,
    상기 제어기는 상기 AC 전압에 의하여 인접하는 열의 복수의 3차원 마이크로 구조물 간의 축전 용량의 변화에 기초하여 촉각 감지를 수행하는, 표면 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 몸체에 부착되는 복수의 3차원 마이크로 구조물이 상기 몸체와 이루는 각도는 15도 내지 75도 중의 어느 하나의 각도인, 표면 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 몸체 및 상기 몸체와 일체로 제작되는 상기 필러는 탄성 중합체로 형성되는, 표면 구조.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 은 나노 와이어인, 표면 구조.
  11. 그리퍼(gripper) 장치에 있어서,
    힌지;
    상기 힌지를 중심으로 양쪽으로 연결된 지지대;
    상기 지지대의 구부러짐을 제어하는 스프링 및
    상기 지지대에 부착되는 제1항 내지 제10항 중의 어느 하나의 항에 따른 표면 구조를 포함하는, 그리퍼 장치.
  12. 표면 구조 제작 방법에 있어서,
    몸체 및 상기 몸체와 일정한 각도를 이루면서 형성되는 복수의 3차원 마이크로 구조물의 일부인 필러(pillar)를 일체로 적층 제조하되, 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 행과 열이 지그재그형태로 배치되도록 제조하는 동작;
    상기 몸체의 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물 하부에 도선을 구비하기 위한 통로가 형성되도록 적층 제조하는 동작;
    상기 통로를 통해 도선을 연결하는 동작;
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 필러에 전도성 물질을 도포하는 동작; 및
    상기 전도성 물질 상에 절연 물질을 코팅하는 동작을 포함하는, 표면 구조 제작 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물을 제조하는 동작은,
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 단면의 형상은 상단의 너비가 하단의 너비보다 넓도록 제조하는 동작을 포함하는
    표면 구조 제작 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물을 제조하는 동작은,
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 단면의 형상은 T자 형상이도록 제조하는 동작을 포함하는
    표면 구조 제작 방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 제조하는 동작은,
    상기 통로를 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열을 따라 형성하도록 제조하는 동작을 포함하는, 표면 구조 제작 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 도선에 제1 전원(V+)을 제공하기 위한 제1 전원 및 상기 도선에 제2 전원(V-)을 제공하기 위한 제2 전원을 연결하되, 상기 제1 전원(V+)과 상기 제2 전원(V-)이 상기 몸체에 형성되는 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 열 위치에 따라 번갈아 가면서 상기 복수의 3차원 마이크로 구조물에 공급되도록 상기 제1 전원 및 상기 제2 전원을 연결하는 동작을 더 포함하는, 표면 구조 제작 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    촉감 감지를 수행하기 위하여 상기 도선에 AC(alternating current) 전압을 제공하기 위한 제3 전원을 연결하는 동작을 더 포함하는, 표면 구조 제작 방법.
  18. 제 12항에 있어서,
    상기 제조하는 동작은,
    상기 복수의 3차원 마이크로 구조물의 일부인 필러가 상기 몸체와 15 내지 75도 중의 어느 하나의 각도를 이루도록 제조하는 동작을 포함하는, 표면 구조 제작 방법.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 제조하는 동작은,
    상기 몸체 및 상기 필러를 광경화 방식 3차원 프린터 장비를 이용하여 광경화성 탄성 중합체 수지를 적층하여 제조하는 동작을 포함하는, 표면 구조 제작 방법.
  20. 제 12항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 은 나노 와이어인 표면 구조 제작 방법.


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