KR20230032659A - Variable Stiffness Structure with Sandwich Structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 가변 강성 구조체에 관한 것으로, 보다 높은 가변 강성을 가지면서도 가볍고 유연한 기능을 유지할 수 있는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체에 관한 것이다. The present invention relates to a variable rigidity structure, and relates to a variable rigidity structure having a sandwich structure capable of maintaining a light and flexible function while having a higher variable rigidity.
일반적으로 진공 압착 방식을 이용한 가변 강성 구조체는 챔버(chamber) 내부에 포함된 매질의 종류에 따라 그 성능이 달라진다. 가장 널리 알려진 방식은 챔버 내부에 작은 알갱이 형태의 매질을 포함하는 파티클 재밍(Particle jamming) 방식이다. In general, the performance of a variable rigidity structure using a vacuum compression method varies depending on the type of medium included in the chamber. The most widely known method is a particle jamming method including a medium in the form of small particles inside the chamber.
파티클 재밍 방식은 압착되지 않은 상태에서는 알갱이들이 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 아주 유연하다. 그러나, 압착된 상태에서는 외력이 압축되는 방향으로 가해졌을 때에는 지지력이 강하지만 외력이 인장되는 방향으로 가해졌을 때에는 지지력이 약해, 결과적으로 굽힘 강성(bending stiffness)이 낮은 편이다. 따라서 보다 큰 지지력을 위해 대형으로 제작될 필요가 있다.The particle jamming method is very flexible because the particles can move freely in the uncompressed state. However, in a compressed state, the supporting force is strong when an external force is applied in a compression direction, but the supporting force is weak when an external force is applied in a tensile direction, resulting in low bending stiffness. Therefore, it needs to be manufactured in a large size for greater bearing capacity.
파티클 재밍 방식의 단점을 극복하기 위해 여러 개의 시트(sheet)가 내장된 레이어 재밍(Layer jamming) 방식이 개발되었다.In order to overcome the disadvantages of the particle jamming method, a layer jamming method in which several sheets are embedded has been developed.
레이어 재밍 장식은 압축되는 방향과 인장되는 방향으로 외력이 가해졌을 때 모두 지지력이 강하여 보다 높은 굽힘 강성을 갖으며, 소형으로 제작이 가능하다. 그러나 레이어 재밍 방식은 시트 구조의 특성상 시트의 면에 평행한 방향으로는 움직임이 제한되기 때문에 여러 방향으로의 유연성은 다소 제한된다. The layer jamming decoration has a higher bending rigidity due to its strong bearing capacity when an external force is applied in both the compression direction and the tension direction, and can be manufactured in a small size. However, in the layer jamming method, flexibility in various directions is somewhat limited because movement in a direction parallel to the plane of the sheet is restricted due to the nature of the sheet structure.
따라서, 압착된 상태에서는 가볍고 높은 굽힘 강성을 가지면서, 압착되지 않은 상태에서는 여러 방향으로 유연한 움직임이 가능한 진공 압착 방식을 이용한 가변 강성 구조체가 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for a variable rigidity structure using a vacuum compression method that is light and has high bending stiffness in a compressed state and is capable of flexible movement in various directions in an uncompressed state.
따라서 상술한 문제점을 해결하기 위한, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 가볍고 높은 굽힘 강성을 가지면서 여러 방향으로 유연한 움직임이 가능한, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다. Accordingly, an object to be solved by the present invention for solving the above problems is to provide a variable rigidity structure having a sandwich structure that is light and has high bending stiffness and is capable of flexible movement in various directions.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the above objects, and may be expanded in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention.
본 발명의 해결하고자 하는 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체는 호스, 인클로저, 코어 및 시트를 포함한다. 호스는 공기가 이동하는 통로이다. 인클로저는 호스와 연결된다. 코어는 인클로저의 내부에 수용된다. 시트는 인클로저의 내부에 수용되고, 코어의 위와 아래에 각각 배치된다. 코어 및, 상기 코어의 위와 아래에 각각 배치되는 시트의 전체 구조는 샌드위치 구조를 나타낸다. 인클로저의 내부에 있는 공기가 호스를 통해 외부로 빠져나가면 인클로저의 내부는 진공 압착된 상태가 된다. In order to solve the problem to be solved by the present invention, a variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention includes a hose, an enclosure, a core, and a sheet. A hose is a passage through which air moves. The enclosure is connected with a hose. The core is housed inside the enclosure. The sheets are accommodated inside the enclosure and are respectively disposed above and below the core. The overall structure of the core and the sheets disposed above and below the core, respectively, exhibits a sandwich structure. When the air inside the enclosure escapes to the outside through the hose, the inside of the enclosure is vacuum-compressed.
일 실시예에 의하면, 코어와, 상기 코어의 위와 아래에 각각 배치되는 시트는 서로 물리적인 결합없이 놓여져 있는 상태이다. 진공 압착된 상태에서, 코어와 시트는 서로 압착된다. According to one embodiment, the core and the sheets respectively disposed above and below the core are placed without being physically coupled to each other. In the vacuum pressed state, the core and sheet are pressed together.
일 실시예에 의하면, 시트는 코어의 위에 배치되는 상부 시트와 코어의 아래에 배치되는 하부 시트를 포함한다. 상부 시트는 외부에 노출되는 상부 제1 시트와, 상기 상부 제1 시트 아래에 배치되는 상부 제2 시트를 포함한다. 하부 시트는 외부에 노출되는 하부 제1 시트와, 상기 하부 제1 시트 위에 배치되는 하부 제2 시트를 포함한다. According to one embodiment, the sheet includes an upper sheet disposed above the core and a lower sheet disposed below the core. The top sheet includes a first top sheet exposed to the outside and a second top sheet disposed below the first top sheet. The lower sheet includes a first lower sheet exposed to the outside and a second lower sheet disposed on the first lower sheet.
일 실시예에 의하면, 상부 제1 시트와 하부 제1 시트는 플라스틱 재질로 형성된다. 진공 압착 상태에서, 상부 제1 시트는 상부 제2 시트에 압력을 가하고, 하부 제1 시트는 하부 제2 시트에 압력을 가한다. According to one embodiment, the upper first sheet and the lower first sheet are formed of a plastic material. In the vacuum compression state, the upper first sheet applies pressure to the upper second sheet, and the lower first sheet applies pressure to the lower second sheet.
일 실시예에 의하면, 상부 제2 시트와 하부 제2 시트는 고무 재질로 형성된다. 진공 압착된 상태에서, 상부 제2 시트와 하부 제2 시트는 코어에 압착되어 탄성 변형된다. According to one embodiment, the upper second sheet and the lower second sheet are formed of a rubber material. In the state of vacuum compression, the upper second sheet and the lower second sheet are compressed to the core and elastically deformed.
일 실시예에 의하면, 코어는 격벽으로 둘러싸인 복수개의 셀들을 포함하며, 격벽은 소정의 높이를 가진다. According to one embodiment, the core includes a plurality of cells surrounded by partition walls, and the partition walls have a predetermined height.
일 실시예에 의하면, 셀들은 세로로 배치되고, 셀의 위와 아래에는 각각 시트가 배치된다. According to one embodiment, the cells are arranged vertically, and sheets are respectively arranged above and below the cells.
일 실시예에 의하면, 셀의 형상은, 코어를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 직사각형 형상을 포함한다. 직사각형의 셀은 엇갈리게 배치된다. According to one embodiment, the shape of the cell includes a rectangular shape when looking down at the core from above. Rectangular cells are staggered.
일 실시예에 의하면, 코어의 일측면과, 상기 일측면과 반대되는 타측면의 중간 부분에는 소정 두께의 층이 형성된다. According to one embodiment, a layer having a predetermined thickness is formed on a middle portion of one side of the core and the other side opposite to the one side.
일 실시예에 의하면, 코어의 중간부분은 직사각형의 셀들이 엇갈리게 배치되는 패턴을 갖고, 코어의 중간부분과 각각 연결되는 코어의 양측은 테셀레이팅 삼각형(tessellating triangles)의 셀들이 연결되는 패턴을 갖는다. According to one embodiment, the middle portion of the core has a pattern in which rectangular cells are alternately arranged, and both sides of the core connected to the middle portion of the core have a pattern in which cells of tessellating triangles are connected.
일 실시예에 의하면, 셀의 형상은, 코어를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 원형의 형상을 갖는다. 원형의 셀들은 각각 소정 간격 이격되어 배치된다. 그리고, 셀들의 외주면과 내주면의 중간 부분에는 셀들을 서로 연결하는 소정 두께의 층이 형성된다. According to one embodiment, the shape of the cell has a circular shape when looking down the core from above. The circular cells are spaced apart from each other by a predetermined distance. In addition, a layer having a predetermined thickness connecting the cells to each other is formed between the outer and inner circumferential surfaces of the cells.
일 실시예에 의하면, 셀의 형상은, 코어를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 육각형의 형상을 갖는다. 육각형의 셀들이 서로 연결되어 배치된다. According to one embodiment, the shape of the cell has a hexagonal shape when looking down at the core from above. Hexagonal cells are connected to each other and arranged.
일 실시예에 의하면, 셀의 형상은, 코어를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 어제틱(auxetic)의 형상을 갖는다. According to one embodiment, the shape of the cell has an auxiliary shape when looking down at the core from above.
일 실시예에 의하면, 코어는 피라미드 형상의 트러스(pyramidal trusses) 구조를 갖는다. According to one embodiment, the core has a pyramidal truss structure.
일 실시예에 의하면, 시트는 하나의 레이어(layer)로 형성되거나, 또는 중간 영역에만 두 개의 레이어로 조합되거나, 또는 직물로 짜여진 형상을 가진다. 그리고, 시트의 일면에는 고무 재질의 시트가 적층된다. According to one embodiment, the sheet has a shape formed of one layer, combined with two layers only in the middle region, or woven with fabric. Then, a sheet made of rubber is laminated on one surface of the sheet.
본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체는, 높은 가변 강성을 가지면서 가볍다. A variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention has high variable rigidity and is lightweight.
또한, 유연한 움직임이 가능하다.In addition, flexible movement is possible.
또한, 높은 굽힘 강성(bending stiffness)을 가진다.Also, it has high bending stiffness.
또한, 구성이 간단하고 쉽게 구할 수 있다.In addition, the configuration is simple and can be obtained easily.
또한, 웨어러블 기기에 적합하다.Also, it is suitable for wearable devices.
또한, 신체의 다양한 부위를 보조할 수 있는 웨어러블 디자인에 적용될 수 있다. In addition, it can be applied to a wearable design that can assist various parts of the body.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above effects, and may be expanded in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체가 진공 압축된 경우와 진공 압축되지 않은 경우를 나타내는 도면이다.
도 3은 실제 제작된 도 1의 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체의 변위-하중 곡선을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체의 이방성(anisotropic) 코어와 시트의 여러 디자인을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체가 적용된 제1 적용예를 나타낸다.
도 6은 도 5에 적용된 코어 및 시트의 형태를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체가 적용된 제2 적용예를 나타낸다.
도 8은 도 7의 액티브 보호대(active protector)의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7의 액티브 보호대에 물체가 떨어지거나 충격이 가해지는 경우를 단계별로 나타낸다.
도 10은 도 7의 액티브 보호대가 진공 압착되지 않은 상태(unjammed) 및 진공 압착된 상태(jammed)에서, 보호대에 충격력(impact force)이 가해진 경우에 보호대에 나타나는 하중을 나타낸다.
도 11은 도 7의 선택적으로 경직되는 장갑(selectively hardening glove)의 구조를 예시적으로 나타낸 사진이다.
도 12는 도 7의 선택적으로 경직되는 장갑이 진공 압착되지 않은 상태(unjammed) 및 진공 압착된 상태(jammed)에서, 장갑에 충격력(impact force)이 가해진 경우에 장갑에 나타나는 하중을 나타낸다.1 is a view showing a variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a case where the variable-stiffness structure having the sandwich structure of FIG. 1 is vacuum-compressed and a case where it is not vacuum-compressed.
FIG. 3 shows a displacement-load curve of the actually fabricated variable rigidity structure having the sandwich structure of FIG. 1 .
4 shows several designs of an anisotropic core and sheet of a variable stiffness structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention.
5 shows a first application example to which a variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention is applied.
6 is a view showing the shapes of the core and the sheet applied to FIG. 5 by way of example.
7 shows a second application example to which a variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention is applied.
8 is a view showing the structure of the active protector of FIG. 7 by way of example.
FIG. 9 shows a case in which an object falls or an impact is applied to the active guard of FIG. 7 step by step.
FIG. 10 illustrates a load applied to the active protector of FIG. 7 when an impact force is applied to the protector in an unjammed and vacuum-jammed state.
FIG. 11 is a photograph showing the structure of the selectively hardening glove of FIG. 7 as an example.
FIG. 12 shows the load applied to the glove when an impact force is applied to the glove in an unjammed and vacuum-jammed state of the selectively rigid glove of FIG. 7 .
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성요소 중 종래기술에 의하여 통상의 기술자가 명확하게 파악할 수 있고 용이하게 재현할 수 있는 것에 관하여는 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 그 구체적인 설명을 생략하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Among the components of the present invention, specific descriptions of those that can be clearly understood and easily reproduced by those skilled in the art according to the prior art will be omitted in order not to obscure the gist of the present invention.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체에 대하여 설명하도록 한다. Hereinafter, a variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention will be described.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체가 진공 압축된 경우와 진공 압축되지 않은 경우를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a variable rigid structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view showing a case where the variable rigid structure having a sandwich structure of FIG. 1 is vacuum-compressed and not vacuum-compressed. .
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체는 호스(Hose)(10), 인클로저(Enclosure)(20), 코어(Core)(30), 시트(Sheet)(40)를 포함한다. 1 and 2, a variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention includes a
호스(10)는 공기가 이동하는 통로이다. The
호스(10)의 일측은 외부 장비(미도시)와 연결되고, 호스(10)의 타측은 인클로저(20)와 연결된다. 여기서 외부 장비는 공기를 공급하거나 빼낼 수 있는 일반적인 장비를 나타낸다. One side of the
외부 장비의 작동에 의해 공기는 호스(10)를 통해 호스(10)와 연결된 인클로저(20) 안으로 유입되거나 인클로저(20) 밖으로 유출된다.By the operation of the external equipment, air flows into the
호스(10)는 일반적으로 사용되는 진공 호스(vacuum hose)일 수 있다.
호스(10)는 기밀성(airtightness, 氣密性)과 휘는 성질인 가요성(flexibility, 可撓性)을 가진 재질로 형성될 수 있다. The
인클로저(20)는 호스(10)와 연결되고, 코어(30)와 시트(40)를 수용한다.The
인클로저(20)는 일반적으로 사용되는 비닐(vinyl) 재질로 형성될 수 있다.The
인클로저(20)는 내수성과 기밀성을 갖고, 인클로저(20)의 내부는 코어(30)와 시트(40)를 수용하는 수용공간을 갖는다.The
호스(10)를 통해 인클로저(20)의 수용공간으로 공기가 유입되거나 유출되면, 그에 따라 인클로저(20)의 형상은 변할 수 있다. 즉, 인클로저(20)의 수용공간의 체적은 공기가 유입되거나 유출됨에 따라 변할 수 있다.When air flows into or out of the accommodation space of the
인클로저(20)와 호스(10)의 연결부위는 공기가 새지 않도록 체결된다. 상기 연결부위의 체결방식은 공기가 새지 않는다면 특정한 체결방식으로 한정되지 않으며, 다양한 체결방식이 적용될 수 있다.The connection between the
인클로저(20)의 수용공간에 있는 공기가 호스(10)를 통해 외부로 빠져나가면, 인클로저(20)의 내부(수용공간)는 진공 압착된 상태가 된다. 그리고, 인클로저(20)의 수용공간에 있는 공기가 호스(10)를 통해 외부로 빠져나가지 않으면, 인클로저(20)의 내부(수용공간)는 진공 압착되지 않은 상태가 된다.When the air in the accommodation space of the
코어(30)는 인클로저(20)의 내부(수용공간)에 수용되고, 시트(40) 사이에 배치된다. 코어(30)의 위와 아래에는 시트(40)가 배치된다. 코어(30)와, 상기 코어(30)의 위와 아래에 각각 배치되는 시트(40)의 전체적인 구조는 샌드위치 구조를 나타낸다(형성한다). The
코어(30)는 셀(cell) 패턴의 다공성 구조로 형성된다. The
셀 패턴의 다공성 구조는 격벽으로 둘러싸인 복수개의 셀들을 포함하는 구조이며, 셀은 관통공을 포함한다. 구체적으로, 코어(30)는 격벽으로 둘러싸인 복수개의 셀들을 포함하며, 상기 격벽은 소정의 높이를 가진다. The porous structure of the cell pattern is a structure including a plurality of cells surrounded by barrier ribs, and the cells include through holes. Specifically, the
도 1을 참조하면, 코어(30)의 셀(또는 관통공)의 형상은, 코어(30)를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 직사각형 형상을 포함한다. 그리고 직사각형의 셀(또는 관통공)은 엇갈리게 배치될 수 있다.Referring to FIG. 1 , the shape of the cell (or through hole) of the
코어(30)를 설명하기 위해, 직사각형의 셀을 기준으로 코어(30)의 방향을 정의하면, 직사각형의 셀에서 길이가 긴 면(격벽)의 방향을 y축 방향, 길이가 짧은 면의 방향을 x축 방향, 직사각형의 셀의 높이의 방향을 z축 방향이라 할 수 있다.To describe the
따라서, 코어(30)를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 코어(30)는 직사각형 형상이며, 코어(30)의 x축 방향으로의 길이는 y축 방향으로의 길이보다 길다. 그리고 코어(30)의 높이는 직사각형의 셀의 높이와 동일하다. Therefore, when looking down at the core 30 from the top, the
코어(30)는 플라스틱 재질이며, 구체적으로 폴리카보네이트(polycarbonate) 재질일 수 있다.The
코어(30)의 격벽으로 둘러싸인 셀(또는 관통공)들은 z축 방향(세로)으로 배치된다. 그리고, 셀(또는 관통공)의 위와 아래에는 각각 시트(40)가 배치된다.The cells (or through holes) surrounded by the barrier ribs of the core 30 are arranged in the z-axis direction (vertical). And, the
코어(30)는 코어(30)의 위와 아래에 각각 배치된 시트(40)를 소정의 간격 또는 코어(30)의 높이만큼 이격시킨다.The
코어(30)의 격벽은 소정의 강성(rigidity)을 가지며, 코어(30)에 외력이 가해지는 경우에 코어(30)는 굽힘(휘어짐)과 비틀림 특성을 가진다(도 2 참조). The partition wall of the
다시 도 1을 참조하면, y축 방향으로 길이가 긴 직사각형 셀들의 기하학적 구조로 인해, 코어(30) 구조는 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체에 적합한 이등방성(anisotropic) 특성을 가질 수 있다. 여기서 이등방성이란 어떤 재료에 있어서 방향에 따라 다른 성질을 갖는 것을 말한다. Referring back to FIG. 1 , due to the geometric structure of rectangular cells having a long length in the y-axis direction, the structure of the core 30 may have anisotropic characteristics suitable for a variable rigidity structure having a sandwich structure. Here, anisotropy means that a material has different properties depending on the direction.
구체적으로, x축 방향에서 낮은 영률(Young's modulus)은 코어(30) 구조의 굽힘 강성을 상당히 낮추어, 진공 압착되지 않은 상태에서 코어(30)가 잘 구부러지는(유연한) 거동이 가능하도록 허용한다. 영률은 물체의 늘어나는 정도와 변형되는 정도를 나타내는 탄성률을 말한다. Specifically, a low Young's modulus in the x-axis direction significantly lowers the bending rigidity of the core 30 structure, allowing the core 30 to exhibit a well-bent (flexible) behavior in a non-vacuum compression state. Young's modulus refers to the modulus of elasticity that indicates the degree of elongation and deformation of an object.
그리고, z축 방향에서 높은 영률은 코어(30) 구조가 z축 방향의 변형을 제한하여 코어(30)의 위와 아래에 각각 배치된 시트(40) 사이의 거리를 유지할 수 있도록 한다.In addition, the high Young's modulus in the z-axis direction allows the structure of the core 30 to limit deformation in the z-axis direction so that the distance between the
또한, x-z 평면에서 높은 전단 계수(shear modulus)는 전단 변형을 최소화하고 결과적으로 전체 구조의 굽힘 강성을 증가시킨다. In addition, the high shear modulus in the x-z plane minimizes the shear deformation and consequently increases the bending stiffness of the overall structure.
본 발명의 실시예에 따라, 코어(30)의 셀(또는 관통공)의 형상은, 도 4에 도시된 바와 같이 다양한 형상을 가질 수 있다. 도 4에 대한 설명은 이하에서 구체적으로 설명하도록 한다.According to an embodiment of the present invention, the shape of the cell (or through hole) of the core 30 may have various shapes as shown in FIG. 4 . A description of FIG. 4 will be described in detail below.
시트(40)는 인클로저(20)의 내부(수용공간)에 수용되고, 코어(30)의 위와 아래에 각각 배치된다. The
시트(40)는 코어(30)의 위에 배치되는 상부 시트(41)와 코어(30)의 아래에 배치되는 하부 시트(42)를 포함한다.The
상부 시트(41)와 하부 시트(42)는 소정의 두께를 가지며, 판 형상일 수 있다. The
상부 시트(41)는 외부에 노출되는 상부 제1 시트(41a)와, 상부 제1 시트(41a) 아래에 배치되는 상부 제2 시트(41b)를 포함한다. 그리고, 하부 시트(42)는 외부에 노출되는 하부 제1 시트(42a)와, 하부 제1 시트(42a) 위에 배치되는 하부 제2 시트(42b)를 포함한다. The
상부 제2 시트(41b)와 하부 제2 시트(42b)는 코어(30)와 접촉할 수 있도록 배치된다. 즉, 코어(30)의 위에는 상부 제2 시트(41b)가 배치되고, 코어(30)의 아래에는 하부 제2 시트(42b)가 배치된다.The upper
코어(30)와, 상기 코어(30)의 위와 아래에 각각 배치되는 시트(40)는 서로 물리적인 결합없이 놓여져 있는 상태이다. 즉, 상부 시트(41), 상기 상부 시트(41) 아래에 배치되는 코어(30), 상기 코어(30) 아래에 배치되는 하부 시트(42)는 서로 물리적인 결합없이 놓여져 있는 상태이다.The
좀더 구체적으로, 상부 제1 시트(41a)와 상부 제2 시트(41b)는 겹쳐진 상태이며, 상부 제1 시트(41a)와 상부 제2 시트(41b)는 물리적인 결합없이 놓여져 있는 상태이다. 또한, 하부 제1 시트(42a)와 하부 제2 시트(42b)는 겹쳐진 상태이며, 하부 제1 시트(42a)와 하부 제2 시트(42b)는 물리적인 결합없이 놓여져 있는 상태이다.More specifically, the upper
상부 제1 시트(41a)와 하부 제1 시트(42a)는 소정의 두께를 갖으며, 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상부 제1 시트(41a)와 하부 제1 시트(42a)는 폴리카보네이트(polycarbonate) 재질로 형성될 수 있다.The upper
인클로저(20)의 내부(수용공간)가 진공 압착 상태가 되면, 코어(30)와 시트(40)는 서로 압착된다.When the inside (receiving space) of the
인클로저(20)의 내부(수용공간)가 진공 압착 상태가 되면, 상부 제1 시트(41a)는 상부 제1 시트(41a) 아래에 배치된 상부 제2 시트(41b)에 압력을 가할 수 있고, 하부 제1 시트(42a)는 하부 제1 시트(42a) 위에 배치된 하부 제2 시트(42b)에 압력을 가할 수 있다.When the inside (receiving space) of the
상부 제2 시트(41b)와 하부 제2 시트(42b)는 소정의 두께를 갖고, 고무 재질로 형성된다. The upper
인클로저(20)의 내부(수용공간)가 진공 압착 상태가 되면, 상부 제2 시트(41b)와 하부 제2 시트(42b)는 코어(30)에 압착되어 탄성 변형될 수 있다.When the inside (receiving space) of the
인클로저(20)의 내부(수용공간)가 진공 압착 상태가 되면, 상부 제2 시트(41b)와 하부 제2 시트(42b)는 코어(30)에 압착되며, 도 2의 하단에 도시된 바와 같이, 코어(30)의 격벽이 상부 제2 시트(41b)와 하부 제2 시트(42b)를 강하게 압착하여 상부 제2 시트(41b)와 하부 제2 시트(42b)는 탄성 변형될 수 있다. 이때 상부 제2 시트(41b)와 하부 제2 시트(42b)에서 코어(30)의 격벽과 접촉하지 않는 부분은 탄성 변형에 의해 코어(30)의 셀(또는 관통공) 안으로 돌출될 수 있다. When the inside (receiving space) of the
상부 시트(41)와 하부 시트(42)는 코어(30)에 의해 이격된다. 코어(30)에 의해 이격된 상부 시트(41)와 하부 시트(42)는 낮은 유효 밀도와 코어(30)의 높이로 인해 가변 강성 구조체의 관성 모멘트를 증가시키고, 결과적으로 굽힘 강성/강도(bending stiffness/strength)를 크게 증가시킨다. The
도 3은 실제 제작된 도 1의 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체의 변위-하중 곡선을 나타낸다. 이는 가변 강성 구조체가 진공 압축된 경우(jammed)와 진공 압축되지 않은 경우(unjammed)로 나누어 실험을 통해 행해졌다.FIG. 3 shows a displacement-load curve of the actually fabricated variable rigidity structure having the sandwich structure of FIG. 1 . This was done through experiments by dividing the variable rigidity structure into a case where it was vacuum-compressed (jammed) and a case where it was not vacuum-compressed (unjammed).
도 3를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가변 강성 구조체는 진공 압축된 상태(jammed)에서 변위당 하중이 점점 증가함을 나타낸다.Referring to FIG. 3 , the variable rigidity structure according to the embodiment of the present invention shows that the load per displacement gradually increases in a vacuum-compressed state (jammed).
본 발명의 실시예에 따라, 코어(30)의 셀(또는 관통공)의 형상과 코어(30)의 구조는 도 4에 도시된 바와 같이 다양하게 형성될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the shape of the cell (or through hole) of the
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체의 이방성(anisotropic) 코어와 시트의 여러 디자인을 나타낸다.4 shows several designs of an anisotropic core and sheet of a variable stiffness structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체는 웨어러블 기기에 적합하며, 웨어러블 기기의 디자인이나 용도에 적합하게 제작될 수 있으며, 이에 따라 코어(30)의 형상이나 재질을 다양하게 형성할 수 있다.The variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention is suitable for a wearable device and can be manufactured to suit the design or use of the wearable device, and accordingly, the shape or material of the core 30 can be formed in various ways. can
본 발명의 실시예에 따라, 웨어러블 기기가 장착될 수 있는 인체의 각 관절은 근골격 구조에 따라 하나 또는 여러 개의 자유도를 가지며, 관절 주위의 표면 변형 및 전체적인 형태 변화는 관절의 종류에 따라 달라진다. 예를 들어, 몸통(torso)의 움직임을 주로 담당하는 척추는 직렬로 연결된 많은 관절로 구성되어 있기 때문에 높은 자유도의 움직임을 제공한다. According to an embodiment of the present invention, each joint of the human body to which the wearable device can be mounted has one or several degrees of freedom according to the musculoskeletal structure, and surface deformation and overall shape change around the joint vary depending on the type of joint. For example, the spine, which is mainly responsible for the movement of the torso, provides a high degree of freedom of movement because it is composed of many joints connected in series.
의복의 일부가 되기 위해 제안되는 샌드위치 구조는, 착용자의 민첩하고 역동적인 움직임을 허용할 수 있도록, 대상 신체 부위의 국소 변형을 위해 낮은 강성을 가진 충분한 수의 자유도를 보장해야 한다. 이 특성은 진공 압착 상태(jammed state)에서 의복의 강화 성능(딱딱해 지는 성능, stiffening performance)만큼이나 중요하다. A sandwich structure proposed to be part of a garment must ensure a sufficient number of degrees of freedom with low stiffness for local deformation of the target body part, so as to allow agile and dynamic movements of the wearer. This property is as important as the strengthening performance (stiffening performance) of the garment in the jammed state.
본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체는 샌드위치 구조(이등방성 특성을 가진 코어(30)의 구조와 시트(40))의 설계를 통해 자유도의 수 뿐만 아니라, 각 자유도의 기계적 특성을 미리 설정할 수 있다.The variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention has not only the number of degrees of freedom through the design of the sandwich structure (the structure of the
본 발명의 실시예에 따라, 코어(30)의 셀(또는 관통공)의 형상과 코어(30)의 구조는 도 4에 도시된 바와 같이 다양하게 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the shape of the cell (or through hole) of the
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 지그재그로 배치된 직사각형의 셀 패턴(도 4의 A)은 4개의 자유도(y축 및 z축에 대한 굽힘(bending), x축에 대한 비틀림(twisting), x축의 확장/압축(extension/compression))에서 유연성을 가진 구조를 제공한다. 상기 셀의 기하학적 구조는 상술한 동작은 허용하지만 다른 모든 동작은 제한한다. Referring to FIGS. 1, 2, and 4, the rectangular cell pattern arranged in a zigzag pattern (A in FIG. 4) has four degrees of freedom (bending along the y-axis and z-axis, twisting along the x-axis) twisting) and x-axis extension/compression). The geometry of the cell permits the above operations but restricts all other operations.
도 4의 B에 도시된 코어(30)의 구조는, 코어(30)의 중간부분은 직사각형의 셀이 엇갈리게 배치되는 패턴을 갖고, 코어(30)의 중간부분과 각각 연결되는 코어(30)의 양측은 테셀레이팅 삼각형(tessellating triangles)의 셀들이 연결되는 패턴을 갖는 것을, 나타낸다.In the structure of the core 30 shown in B of FIG. 4, the middle portion of the
지그재그로 배치된 직사각형의 셀 패턴이 모든 방향에서 견고한 테셀레이팅 삼각형(tessellating triangles)의 셀 패턴과 결합하면(도 4의 B), 코어(30)의 구조는 직사각형의 셀 패턴이 있는 중간 영역에서만 부분적으로 유연해진다. 이것은 본 발명의 실시에 따라, 의복의 영역에 따라 다른 기계적 특성을 가진 단일의 코어(30) 구조를 디자인할 수 있음을 나타낸다. When the zigzag-arranged rectangular cell pattern is combined with the solid tessellating triangle cell pattern in all directions (FIG. 4B), the structure of the
도 4의 C에 도시된 코어(30)의 구조는, 코어(30)의 일측면과, 상기 일측면과 반대되는 타측면의 중간 부분에는 소정 두께의 층이 형성(코어(30)의 x-z 평면의 중간 부분에 얇은 층이 형성)된 것을 제외하고는 도 4의 A에 도시된 코어(30)의 구조와 동일한 것을, 나타낸다. 여기서 추가된 중간 층은 구조체에 대해 y축에 대한 단일 자유도의 굽힘 동작을 허용하는 동시에, z축에 대한 굽힘, x축에 대한 비틀림 및 x축에 대한 확장/압축을 제한한다. 이러한 구조체의 자유도 차이는 이등방성 특성에 의해 결정되며, 이는 각 방향에서 서로 다른 강성을 갖는다. In the structure of the core 30 shown in C of FIG. 4, a layer having a predetermined thickness is formed in the middle of one side of the
도 4의 D에 도시된 코어(30)의 구조는 다음과 같다. 셀의 형상은, 코어(30)를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 원형의 형상을 갖고, 원형의 셀들은 각각 소정 간격 이격되어 배치된다. 그리고, 상기 셀들의 외주면과 내주면의 중간 부분에는 상기 셀들을 서로 연결하는 소정 두께의 층이 형성된다.The structure of the core 30 shown in D of FIG. 4 is as follows. When the
코어(30)의 x-z 평면의 중간 부분에 얇은 층이 형성되어 있는 원형의 셀 패턴을 가진 구조(도 4의 D)는 어떤 방향으로든 단일 축을 중심으로 구부러질 때 항상 단일 곡률을 형성한다. 반면에 육각형(도 4의 E) 및 어제틱(auxetic)의 셀 패턴(도 4의 F)을 갖는 구조는 단일 축에 대해서만 구부러져도 이중 곡률을 갖는 표면을 형성한다. 육각형의 셀 구조의 가우스 곡률(Gaussian curvature)은 음수(-)이며, 이는 구조가 구부러졌을 때 쌍곡 포물면 모양(hyperbolic paraboloid shape)이 됨을 의미한다. 둥근 모서리를 가진 어제틱(auxetic)의 셀 구조는 양(+)의 가우스 곡률을 가지며 변형될 때 돔(dome) 모양의 표면을 형성한다. A structure having a circular cell pattern in which a thin layer is formed in the middle of the x-z plane of the core 30 (Fig. 4D) always forms a single curvature when bent around a single axis in any direction. On the other hand, structures with hexagonal (Fig. 4E) and auxetic cell patterns (Fig. 4F) form surfaces with double curvature even when bent only about a single axis. The Gaussian curvature of the hexagonal cell structure is negative, which means that the structure becomes a hyperbolic paraboloid shape when bent. The auxetic cell structure with rounded corners has a positive Gaussian curvature and forms a dome-shaped surface when deformed.
도 4의 E에 도시된 코어(30)의 셀의 형상은, 코어(30)를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 육각형의 형상을 갖는다. 육각형의 셀들은 서로 연결되어 배치된다. 도 4의 F에 도시된 코어(30)의 셀의 형상은, 코어(30)를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 어제틱(auxetic)의 형상을 갖는다. The shape of the cell of the core 30 shown in E of FIG. 4 has a hexagonal shape when the
도 4의 E 와 F에 도시된 두 코어(30)의 구조는 이중 곡률 굽힘(double-curvature bending)을 갖는 3차원(3D) 형상을 형성할 수 있다. 다만, 셀의 변형은 인접한 셀의 변형에 영향을 미치기 때문에 각 셀은 완전히 자유로운 형태의 변형을 할 수는 없다. The structure of the two
코어(30)의 패턴은 피라미드 형상의 트러스(pyramidal trusses) 구조(도 4의 G)와 같이 다층으로 더 복잡하게 형성될 수 있다. 각 구조 단위의 노드(node)는 진공 압착이 없을 때(when unjammed)에는 개별적(독립적)으로 유연하여 자유로운 형태의 변형이 가능하지만, 경량 피라미드 구조(lightweight pyramidal structure)는 진공 압착이 있을 때(when jammed)에는 압축력과 전단력(shear force)에 대해 효과적으로 견딜 수 있다. The pattern of the core 30 may be more complexly formed in multiple layers, such as a pyramidal truss structure (G in FIG. 4). Nodes of each structural unit are individually (independently) flexible and can be freely deformed when unjammed, but in a lightweight pyramidal structure when vacuum squeezed. jammed) can effectively withstand compression and shear forces.
도 4의 G에 도시된 코어(30) 디자인의 장점은 다른 코어(30) 디자인에 비해 각 셀을 형성하기 복잡하지만 더 나은 성능을 위해 변형이 가능하다는 것이다. 예를 들어, 각 셀의 상단 및 하단 플레이트(plate)를 확대하여 코어(30)와 시트(40) 사이의 접촉 면적을 늘릴 수 있다. 이로 인해 코어(30) 구조의 다른 이방성 거동을 형성할 수 있다. An advantage of the core 30 design shown in Fig. 4G is that each cell is more complex to form than
본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체는 코어(30)와 시트(40)의 조합이므로 시트(40)의 디자인을 달리함으로써 전체적인 기계적 거동 또한 달리 형성할 수 있다. Since the variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention is a combination of the
도 4의 H에 도시된 시트(40)는 하나의 레이어(layer)로 형성되고, 도 4의 I에 도시된 시트(40)는 중간 영역에만 두 개의 레이어로 조합된다. 그리고, 도 4의 J에 도시된 시트(40)는 직물로 짜여진 형상을 가진다. 상기 시트(40)의 일면에는 고무 재질의 시트가 적층된다.The
하나의 레이어(layer)로 형성된 시트(40)(도 4의 H)는 두께의 관성 모멘트가 낮아 y축을 중심으로 구부릴 때 강성이 낮은 반면, 폭의 관성 모멘트가 커서 z축을 중심으로 구부릴 때 강성이 높다. 따라서, 이러한 시트(40) 디자인과 도 4의 A 및 B와 같은 코어(30) 디자인의 조합을 갖는 가변 강성 구조체는 움직임이 허용되더라도 z축에 대한 굽힘 움직임(bending motion)은 제한될 수 있다. The sheet 40 (H in FIG. 4) formed of one layer has a low moment of inertia of thickness and low rigidity when bent around the y-axis, while the moment of inertia of width is large and has high stiffness when bent around the z-axis. high. Accordingly, the variable rigidity structure having a combination of the design of the
중간 영역에만 두 개의 레이어를 조합한 시트(40)(도 4의 I)은 상술한 제한된 자유도를 극복할 수 있다. 도 4의 I에 도시된 시트(40) 디자인은 z축에 대한 굽힘 및 x축의 확장/압축과 같은 추가 동작(움직임)을 허용한다. 도 4의 I에 도시된 이중 레이어 시트는 코어의 전체 자유도를 허용하기 위해 도 4의 A 및 B에 도시된 코어(30)와 함께 사용될 수 있다. 그러나 도 4의 H 및 I에 도시된 시트(40) 디자인은 단일 곡면 변형만 제공하기 때문에, 상기 시트(40) 디자인이 이중 곡면 변형(도 4의 E와 F) 또는 자유형 변형(도 4의 G)을 가진 코어(30) 디자인과 결합되는 경우에 이중 곡면 변형(도 4의 E와 F) 또는 자유형 변형(도 4의 G)을 가진 코어(30) 디자인의 움직임은 제한될 수 있다. 이러한 문제점은 도 4의 J에 도시된 시트(40) 디자인(직물로 짜여진 형상을 가진 시트 디자인)을 사용함으로써 해결할 수 있다. 도 4의 J에 도시된 시트(40) 디자인(직물로 짜여진 형상을 가진 시트 디자인)은 직조 스트립(woven strips) 사이의 작은 움직임을 허용하여 다양한 표면 변형에 적용될 수 있다.The sheet 40 (I in FIG. 4 ) in which two layers are combined only in the middle region can overcome the above-described limited degrees of freedom. The
새로운 기능성 의류를 디자인할 때 디자이너는 도 4에서 제안하고 있는 코어(30)와 시트(40)의 다양한 조합을 선택하여 대상 특성과 자유도를 프로그래밍할 수 있다. 예를 들어, 직물로 짜여진 형상을 가진 시트(도 4의 J)와, 피라미드 형상의 트러스 구조를 가진 코어(도 4의 G)를 구비하는 가변 강성 구조체는 자유형 변형 능력을 고려하여 인체의 대부분의 영역에 적용될 수 있다. When designing a new functional clothing, the designer may select various combinations of the
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체가 적용된 제1 적용예를 나타내고, 도 6은 도 5에 적용된 코어 및 시트의 형태를 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 6에서 위의 도면은 코어(30)를 나타내고, 아래의 도면은 시트(40)를 나타낸다.FIG. 5 shows a first application example to which a variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 6 is a view showing the shapes of a core and a sheet applied to FIG. 5 exemplarily. In FIG. 6 , the upper drawing shows the
도 1, 도 2, 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체가 적용된 제1 적용예는, 착용자의 상지(upper extremities)의 무게를 상쇄하기 위해 원하는 자세에서 선택적으로 경직될 수 있는 팔 지지대(arm support)이다. Referring to FIGS. 1, 2, 5, and 6, a first application example to which the variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention is applied is to offset the weight of the wearer's upper extremities. It is an arm support that can be selectively stiffened in a desired position.
팔 지지대는 호스(10)와 인클로저(20)를 포함하며, 인클로저(20)의 내부(수용공간)에는 코어(30)와, 상기 코어(30)의 위와 아래에 각각 배치되는 시트(40)가 구비된다. 팔 지지대는 몸에 고정되어 하중을 분산시킬 수 있다. The arm support includes a
팔 지지대에 적용된 코어(30)는 도 4의 A에 도시된 코어 디자인이며, 시트(40)는 도 4의 I에 도시된 시트 디자인이다. The core 30 applied to the arm support is a core design shown in A in FIG. 4, and the
코어(30)는 중간에 다른 패턴을 가지고 있다. 코어(30)의 양 측면에 형성된 엇갈린(지그재그로 배치된) 직사각형의 셀의 방향은 수직인 반면, 중간 면에 형성된 엇갈린(지그재그로 배치된) 직사각형의 셀의 방향은 양 측면에 형성된 셀의 방향에 대해 직교한다. The
코어(30)의 중간부에 형성된 셀은, 진공 압착되지 않은 상태(when unjammed)에서는 외전-내전(abduction-adduction) 및 수평 외전-내전(horizontal abduction-adduction)을 포함하는 착용자의 다중 자유도의 어깨 동작을 허용하지만, 진공 압착된 상태(when jammed)에서는 팔의 무게를 지탱할 만큼 충분히 단단해 진다. 이때 코어(30)의 양 측면은 상완(upper arm)과 몸통(torso)에 맞게 편안하게 변형될 수 있다. 진공 압착된 상태가 되면 팔 지지대는 넓은 접촉 면적을 사용하여 착용자의 신체에 강성을 효과적으로 전달할 수 있다. 따라서, 팔 지지대는 착용자가 팔을 들어 올리고 작업을 마칠 때까지 그 자세를 유지해야 하는 동작을 수행하는데 도움을 준다. The cell formed in the middle of the
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체가 적용된 제2 적용예를 나타낸다.7 shows a second application example to which a variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention is applied.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체가 적용된 제2 적용예는, 액티브 보호대(active protector)와 선택적으로 경직되는 장갑(selectively hardening glove)이다. Referring to FIG. 7 , a second application example to which the variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention is applied is an active protector and a selectively hardening glove.
도 8은 도 7의 액티브 보호대(active protector)의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 9는 도 7의 액티브 보호대에 물체가 떨어지거나 충격이 가해지는 경우를 단계별로 나타내고, 도 10은 도 7의 액티브 보호대가 진공 압착되지 않은 상태(unjammed) 및 진공 압착된 상태(jammed)에서, 보호대에 충격력(impact force)이 가해진 경우에 보호대에 나타나는 하중을 나타낸다.8 is a view showing the structure of the active protector of FIG. 7 by way of example, FIG. 9 shows the case where an object falls or an impact is applied to the active protector of FIG. 7 step by step, and FIG. Shows the load that appears on the protector when an impact force is applied to the protector when the active protector of is not vacuum-pressed (unjammed) and in a vacuum-jammed state (jammed).
도 7 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체가 적용된 액티브 보호대(active protector)는 호스(10)(도 1 참조)와 인클로저(120)를 포함하며, 인클로저(120)의 내부(수용공간)에는 고무가 적층된 피라미드 형상의 코어(rubber-laminated pyramidal core)(130)와, 상기 코어(130)의 위와 아래에 각각 배치되는 직물로 짜여진 형상을 가진 시트(woven face sheet)(141, 142)가 구비된다. 인클로저(120)의 일면에는 전도성의 섬유(conductive fabric)(150)가 부착된다. 7 to 10, an active protector to which a variable stiffness structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention is applied includes a hose 10 (see FIG. 1) and an
액티브 보호대는 충돌을 사전에 감지하여 모드(mode)를 '부드러운(soft)' 모드에서 '강성(rigid)' 모드로 전환할 수 있다. 따라서, 액티브 보호대는 단단한 물체에 의한 예상치 못한 충돌로부터 착용자를 보호하는 데 사용될 수 있다. The active guard may detect a collision in advance and switch the mode from a 'soft' mode to a 'rigid' mode. Thus, active guards can be used to protect the wearer from unexpected impacts by hard objects.
액티브 보호대의 전체적인 구조는 유연하다. 따라서 액티브 보호대는 착용자의 신체 부위의 움직임이나 형상에 상관없이 쉽게 변형될 수 있어 착용자의 신체 부위에 밀착될 수 있다. 또한, 액티브 보호대는 진공 압착(jamming)에 의해 능동적으로 굳어져도, 보호대와 착용자의 신체 사이의 넓은 접촉 면적은 유지될 수 있다. 이는 예상치 못한 충돌로 인한 국부적 충격을 착용자의 신체의 더 넓은 영역으로 분산시키는 것을 용이하게 한다. The overall structure of the active protector is flexible. Therefore, the active guard can be easily deformed regardless of the movement or shape of the wearer's body part, and can adhere to the wearer's body part. In addition, even if the active protector is actively hardened by vacuum jamming, a large contact area between the protector and the wearer's body can be maintained. This facilitates dispersing the localized impact of an unexpected impact over a wider area of the wearer's body.
액티브 보호대의 고무가 적층된 피라미드 형상의 코어(rubber-laminated pyramidal core)(130)는 도 4의 G에 도시된 코어 디자인에 고무가 적층된 구조이며, 직물로 짜여진 형상을 가진 시트(woven face sheet)(141, 142)는 도 4의 J에 도시된 시트 디자인이다. 상기 시트(141, 142)는 모든 방향으로 큰 변형을 허용한다. The rubber-laminated
액티브 보호대의 인클로저(120)의 일면에는 전도성의 섬유(conductive fabric)(150)가 부착된다. 전도성의 섬유(150)는 정전식 근접 감지에 의해 물체의 접근을 감지할 수 있다. 전도성의 섬유(150)가 신호를 주는 순간 액티브 보호대는 물체의 충돌 전에 빠르게 진공 압착된 상태로 진행될 수 있다. A
도 9의 제1 단계(phase 1)는, 물체가 액티브 보호대에 충돌하기 전에는 진공 압착되지 않은 상태(vacuum OFF)이고, 이때 액티브 보호대는 활성화 영역(activation zone) 외부에서 유연함을, 나타낸다.In the first phase (phase 1) of FIG. 9, the object is in a vacuum OFF state before colliding with the active guard, and at this time, the active guard is flexible outside the activation zone.
도 9의 제2 단계(phase 2)는, 전도성의 섬유(150)가 물체의 접근을 감지하여 진공 압착이 진행되는 상태(vacuum ON)이고, 이때 액티브 보호대는 활성화 영역(activation zone) 내부에서 단단해 지고 있음을, 나타낸다. In the second phase (phase 2) of FIG. 9, the
도 9의 제3 단계(phase 3)는, 물체가 액티브 보호대에 충돌되고 진공 압착이 완료된 상태(vacuum ON)이며, 이때 액티브 보호대는 단단해 졌음을, 나타낸다.The third phase (phase 3) of FIG. 9 is a state in which an object collides with the active protector and vacuum compression is completed (vacuum ON), and at this time, the active protector is hardened.
도 10은 액티브 보호대가 진공 압착되지 않은 상태(unjammed)에서 보호대에 충격력이 가해진 경우에 보호대의 국부 영역에서 하중이 강하게 나타나며, 진공 압착된 상태(jammed)에서는 보호대에 충격력이 가해진 경우에 보호대의 넓은 영역에서 하중이 약하게 나타나는 것을 보여준다. 이는 진공 압착된 상태에서 보호대에 가해진 충격력은 보호대의 단단해진 면을 따라 분산됨을 의미한다. 따라서, 물체의 충돌로 인해 보호대의 국소 부위에 높은 충격력이 가해졌을 때, 액티브 보호대는 착용자를 보호할 수 있다.10 shows a strong load in a local area of the protector when an impact force is applied to the protector in a state where the active protector is not vacuum-pressed (jammed), and when an impact force is applied to the protector in a vacuum-jammed state (jammed), a wide It shows that the load appears weak in the region. This means that the impact force applied to the protector in the vacuum compressed state is distributed along the hardened surface of the protector. Therefore, when a high impact force is applied to a local area of the protector due to a collision with an object, the active protector can protect the wearer.
도 11은 도 7의 선택적으로 경직되는 장갑(selectively hardening glove)의 구조를 예시적으로 나타낸 사진이고, 도 12는 도 7의 선택적으로 경직되는 장갑이 진공 압착되지 않은 상태(unjammed) 및 진공 압착된 상태(jammed)에서, 장갑에 충격력(impact force)이 가해진 경우에 장갑에 나타나는 하중을 나타낸다.11 is a photograph showing the structure of the selectively hardening glove of FIG. 7 exemplarily, and FIG. 12 is the selectively hardening glove of FIG. 7 in an unjammed and vacuum-compressed state. In the jammed state, it represents the load that appears on the glove when an impact force is applied to the glove.
도 11 및 도 12를 참조하면, 선택적으로 경직되는 장갑(selectively hardening glove)은 통상적인 장갑에 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체가 장착(결합)된 실시예이다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체는 통상적인 장갑의 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체의 구성요소인 인클로저(20)(도 1 참조)와, 상기 인클로저(20)의 내부(수용공간)에 구비되는 코어(30)(도 1 참조) 및 시트(40)(도 1 참조)는 통상적인 장갑의 형상으로 형성될 수 있다.Referring to FIGS. 11 and 12 , a selectively hardening glove is an embodiment in which a variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention is mounted (coupled) to a conventional glove. Here, the variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention may be formed in the shape of a conventional glove. That is, the enclosure 20 (see FIG. 1), which is a component of a variable rigidity structure having a sandwich structure, and the core 30 (see FIG. 1) and the sheet ( 40) (see FIG. 1) may be formed in the shape of a conventional glove.
선택적으로 경직되는 장갑은 호스(10)(도 1 참조)와 인클로저(20)를 포함하며, 인클로저(20)의 내부(수용공간)에는 도 4에 도시된 다양한 형상의 코어와, 상기 코어의 위와 아래에 각각 배치되는 다양한 형상의 시트가 구비된다. The selectively rigid glove includes a hose 10 (see FIG. 1) and an
선택적으로 경직되는 장갑은, 진공 압착된 상태(jammed)에서 착용자가 물체에 가하는 최대 충격 압력을 높이는 데 사용할 수 있어 비상시 공구 없이 물체를 파괴하는 기능성 장갑에 유용하다. Selectively rigid gloves can be used to increase the maximum impact pressure applied to an object by the wearer in a vacuum jammed state, and thus are useful for functional gloves that destroy objects without tools in an emergency.
선택적으로 경직되는 장갑은 엄지손가락을 제외한 손가락의 근위 지골(proximal phalanges of the fingers)을 보호하기 위해 손등을 덮습니다. Optionally, rigid gloves cover the back of the hand to protect the proximal phalanges of the fingers, excluding the thumb.
선택적으로 경직되는 장갑은 진공 압착되지 않은 상태(unjammed)에서는 비등방성의 유연한 코어(30) 구조로 인해 손의 움직임이 자유로우며, 필요한 경우에는 진공 압착(jammed)되어 단단해 질 수 있다. The selectively rigid glove is free of movement of the hand due to the anisotropic
도 12를 참조하면, 선택적으로 경직되는 장갑의 높은 강성은 착용자의 손에 가해지는 반력을 넓은 영역으로 분산시켜 피부와 손의 뼈에 전달되는 최대 충격 압력의 크기를 감소시킬 뿐만 아니라 국소 영역에 힘을 집중시킨다(압력 집중 효과). Referring to FIG. 12, the high stiffness of the selectively rigid glove disperses the reaction force applied to the wearer's hand over a wide area, thereby reducing the magnitude of the maximum impact pressure transmitted to the skin and bones of the hand, as well as reducing the force in a localized area. (pressure concentration effect).
압력 감지 패드의 상면은 진공 압착된 상태(jammed) 및 진공 압착되지 않은 상태(unjammed) 모두에서 압축력이 50N에 도달할 때까지 본 발명의 실시예에 따른 장갑에 의해 압축되었다. 진공 압착되지 않은 상태에서 피크 압력은 134.2kPa(SD: 17.1kPa), 접촉 면적은 13.85cm2 (SD: 1.17cm2)이었고, 진공 압착된 상태에서 피크 압력은 184.0kPa(SD: 31.2kPa), 접촉 면적은 11.25cm2 (SD: 0.73cm2)이었다. 진공 압착된 상태에서 최대 압력은 37% 증가했지만 접촉 면적은 19% 감소하였다. 이는 선택적으로 경직되는 장갑이 손을 보호하면서도 물체에 가하는 최대 충격 압력을 높일 수 있음을 나타낸다. The upper surface of the pressure-sensing pad was compressed by the glove according to an embodiment of the present invention until the compression force reached 50 N in both the vacuum jammed and unjammed states. The peak pressure in the non-vacuum compression state was 134.2 kPa (SD: 17.1 kPa), the contact area was 13.85 cm 2 (SD: 1.17 cm 2 ), and the peak pressure in the vacuum compression state was 184.0 kPa (SD: 31.2 kPa), The contact area was 11.25 cm 2 (SD: 0.73 cm 2 ). In the vacuum compressed state, the maximum pressure increased by 37%, but the contact area decreased by 19%. This indicates that the selectively rigid glove can increase the maximum impact pressure applied to an object while protecting the hand.
상술한 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체는 높은 가변 강성을 가지면서 가볍고, 유연한 움직임이 가능하다. The above-described variable rigidity structure having a sandwich structure according to an exemplary embodiment of the present invention has high variable rigidity and is lightweight and capable of flexible movement.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체는 높은 굽힘 강성을 가지며, 구성이 간단하고 쉽게 구할 수 있다.In addition, the variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention has high bending stiffness, is simple in construction, and can be easily obtained.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체는 웨어러블 기기에 적합하며, 신체의 다양한 부위를 보조할 수 있는 웨어러블 디자인에 적용될 수 있다.In addition, the variable rigidity structure having a sandwich structure according to an embodiment of the present invention is suitable for a wearable device and can be applied to a wearable design capable of assisting various parts of the body.
이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects, etc. described in the embodiments above are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, etc. illustrated in each embodiment can be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art in the field to which the embodiments belong. Therefore, contents related to these combinations and variations should be construed as being included in the scope of the present invention.
또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In addition, although the embodiment has been described above, this is only an example and does not limit the present invention, and those skilled in the art to the present invention pertain to the above to the extent that does not deviate from the essential characteristics of the present embodiment. It will be appreciated that various modifications and applications not exemplified are possible. That is, each component specifically shown in the embodiment can be implemented by modifying it. And differences related to these modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention as defined in the appended claims.
10: 호스(Hose)
20: 인클로저(Enclosure)
30: 코어(Core)
40: 시트(Sheet)10: Hose
20: Enclosure
30: Core
40: Sheet
Claims (15)
상기 호스와 연결되는 인클로저;
상기 인클로저의 내부에 수용되는 코어; 및
상기 인클로저의 내부에 수용되고, 상기 코어의 위와 아래에 각각 배치되는 시트;를 포함하고,
상기 코어 및, 상기 코어의 위와 아래에 각각 배치되는 상기 시트의 전체 구조는 샌드위치 구조를 나타내고,
상기 인클로저의 내부에 있는 공기가 상기 호스를 통해 외부로 빠져나가면 상기 인클로저의 내부는 진공 압착된 상태가 되는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
A hose that is a passage through which air moves;
an enclosure connected to the hose;
a core accommodated inside the enclosure; and
A sheet accommodated inside the enclosure and disposed above and below the core, respectively,
The overall structure of the core and the sheets respectively disposed above and below the core represents a sandwich structure,
Variable rigidity structure having a sandwich structure, wherein the inside of the enclosure is in a vacuum compressed state when the air inside the enclosure escapes to the outside through the hose.
상기 코어와, 상기 코어의 위와 아래에 각각 배치되는 시트는 서로 물리적인 결합없이 놓여져 있는 상태이고,
상기 진공 압착된 상태에서, 상기 코어와 상기 시트는 서로 압착되는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 1,
The core and the sheets disposed above and below the core are placed without being physically coupled to each other,
Variable rigidity structure having a sandwich structure, wherein the core and the sheet are compressed to each other in the vacuum compressed state.
상기 시트는 상기 코어의 위에 배치되는 상부 시트와 상기 코어의 아래에 배치되는 하부 시트를 포함하고,
상기 상부 시트는 외부에 노출되는 상부 제1 시트와, 상기 상부 제1 시트 아래에 배치되는 상부 제2 시트를 포함하고, 상기 하부 시트는 외부에 노출되는 하부 제1 시트와, 상기 하부 제1 시트 위에 배치되는 하부 제2 시트를 포함하는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 1,
The sheet includes an upper sheet disposed above the core and a lower sheet disposed below the core,
The upper sheet includes a first upper sheet exposed to the outside and a second upper sheet disposed below the first upper sheet, wherein the lower sheet includes a first lower sheet exposed to the outside and the first lower sheet A variable rigidity structure having a sandwich structure, including a lower second sheet disposed thereon.
상기 상부 제1 시트와 하부 제1 시트는 플라스틱 재질로 형성되고,
상기 진공 압착 상태에서, 상기 상부 제1 시트는 상기 상부 제2 시트에 압력을 가하고, 상기 하부 제1 시트는 상기 하부 제2 시트에 압력을 가하는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 3,
The upper first sheet and the lower first sheet are formed of a plastic material,
In the vacuum compression state, the upper first sheet applies pressure to the upper second sheet, and the lower first sheet applies pressure to the lower second sheet.
상기 상부 제2 시트와 하부 제2 시트는 고무 재질로 형성되고,
상기 진공 압착된 상태에서, 상기 상부 제2 시트와 하부 제2 시트는 상기 코어에 압착되어 탄성 변형되는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 3,
The upper second sheet and the lower second sheet are formed of a rubber material,
In the vacuum-compressed state, the upper second sheet and the lower second sheet are elastically deformed by being compressed by the core, the variable rigidity structure having a sandwich structure.
상기 코어는 격벽으로 둘러싸인 복수개의 셀들을 포함하며, 상기 격벽은 소정의 높이를 가지는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 1,
The variable rigidity structure having a sandwich structure, wherein the core includes a plurality of cells surrounded by barrier ribs, and the barrier rib has a predetermined height.
상기 셀들은 세로로 배치되고, 상기 셀의 위와 아래에는 각각 시트가 배치되는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 6,
The variable rigidity structure having a sandwich structure, wherein the cells are arranged vertically, and sheets are disposed above and below the cells, respectively.
상기 셀의 형상은, 상기 코어를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 직사각형 형상을 포함하고, 상기 직사각형의 셀은 엇갈리게 배치되는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 6,
The variable rigidity structure having a sandwich structure, wherein the shape of the cells includes a rectangular shape when looking down at the core from top to bottom, and the rectangular cells are alternately disposed.
상기 코어의 일측면과, 상기 일측면과 반대되는 타측면의 중간 부분에는 소정 두께의 층이 형성된, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 8,
A variable rigidity structure having a sandwich structure, wherein a layer having a predetermined thickness is formed on a middle portion of one side of the core and the other side opposite to the one side.
상기 코어의 중간부분은 직사각형의 셀들이 엇갈리게 배치되는 패턴을 갖고,
상기 코어의 중간부분과 각각 연결되는 상기 코어의 양측은 테셀레이팅 삼각형(tessellating triangles)의 셀들이 연결되는 패턴을 갖는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 6,
The middle part of the core has a pattern in which rectangular cells are alternately arranged,
Variable rigidity structure having a sandwich structure, wherein both sides of the core connected to the middle portion of the core have a pattern in which cells of tessellating triangles are connected.
상기 셀의 형상은, 상기 코어를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 원형의 형상을 갖고, 상기 원형의 셀들은 각각 소정 간격 이격되어 배치되고,
상기 셀들의 외주면과 내주면의 중간 부분에는 상기 셀들을 서로 연결하는 소정 두께의 층이 형성된, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 6,
The shape of the cell, when looking down at the core from top to bottom, has a circular shape, and the circular cells are spaced apart from each other by a predetermined interval,
A variable rigidity structure having a sandwich structure, wherein a layer having a predetermined thickness connecting the cells to each other is formed between the outer and inner circumferential surfaces of the cells.
상기 셀의 형상은, 상기 코어를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 육각형의 형상을 갖고, 상기 육각형의 셀들이 서로 연결되어 배치되는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 6,
The variable rigidity structure having a sandwich structure, wherein the shape of the cells has a hexagonal shape when looking down at the core from top to bottom, and the hexagonal cells are connected to each other and disposed.
상기 셀의 형상은, 상기 코어를 위에서 아래로 내려 다 볼 때, 어제틱(auxetic)의 형상을 갖는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 6,
The variable rigidity structure having a sandwich structure, wherein the shape of the cell has an auxetic shape when looking down at the core from top to bottom.
상기 코어는 피라미드 형상의 트러스(pyramidal trusses) 구조를 갖는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 1,
The variable rigidity structure having a sandwich structure, wherein the core has a pyramidal truss structure.
상기 시트는 하나의 레이어(layer)로 형성되거나, 또는 중간 영역에만 두 개의 레이어로 조합되거나, 또는 직물로 짜여진 형상을 가지며,
상기 시트의 일면에는 고무 재질의 시트가 적층되는, 샌드위치 구조를 가진 가변 강성 구조체.
According to claim 1,
The sheet is formed of one layer, or combined with two layers only in the middle region, or has a shape woven into a fabric,
A variable rigidity structure having a sandwich structure in which a rubber sheet is laminated on one side of the sheet.
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KR102658664B1 (en) | 2024-04-17 |
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