KR20230075262A - 전자석을 이용한 인공근육 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자석을 이용한 인공근육을 개시한다. 구체적으로, 평판형상으로 이루어지고 일정간격을 두고 배열되는 복수개의 노드판; 코일이 권선되고 상기 노드판 사이 사이에 한 쌍이 직렬로 배열되는 전자석; 상기 노드판에 방사상으로 회전 가능하게 장착되는 복수개의 고정도르래; 일단이 상기 전자석 중 좌측 전자석에 연결되고, 타단은 상기 좌측 전자석에 인접한 노드판에 설치된 고정도르래 및 우측 전자석에 인접한 노드판에 설치된 고정도르래를 차례로 경유하여, 상기 우측 전자석에 연결되는 하나 이상의 와이어;를 포함하여 이루어져, 어느 하나의 노드판을 사이에 두고 마주하는 두 전자석 사이에 척력이 작용하여 멀어지면, 각 노드판 사이에 배열된 전자석이 서로 근접하면서 각 노드판 사이의 거리가 축소되는 것을 특징으로 한다.

Description

전자석을 이용한 인공근육{Artficial muscle using electromagnet}

본 발명은 인공근육에 관한 것으로서, 상세하게는 전자석의 척력을 이용하여 근육이 축소되는 동작을 구현한 전자석을 이용한 인공근육에 관한 것이다.

생체근육은 신경세포로부터 전달되는 전기적 신호에 의해 반응한다.

즉, 신경을 통해 자극을 받으면 화학변화를 일으키고 이때 에너지를 사용하여 근육의 길이를 짧게 수축시키려고 하는데, 이와 같은 근육의 움직임을 '근육수축'이라 한다. 골격근은 일반적으로 관절에 연결된 2개의 뼈에 근육의 양 끝이 각각 부착되어 있다. 다시 말해서, 근육은 그 양쪽 끝부분이 근육 이외의 다른 물체(뼈나 조직)와 접촉하고 있으며, 근육과 물체 간의 상호작용을 통해 힘이 발생시킨다.

근육수축의 원리는, 수축상태에 있는 근육은 그 길이를 수축하려고 하기 때문에 근육에서 외부 물체(뼈나 조직)에 작용하는 힘(근육의 수축력)은 외부의 물체를 근육 쪽으로 잡아당기는 작용을 한다.

이때, 근육세포막은 적당한 전기자극을 받으면 활동전위를 발생시키고 이것이 근육소포체 막의 전위변화를 일으켜 거기에서 칼슘 이온을 방출한다. 이 칼슘 이온이 근육 원섬유 중의 트로포닌과 결합하여 마이오신 필라멘트와 액틴 필라멘트의 활주를 일으키고 근육 원섬유를 일시적으로 단축시킨다.

근육 수축은 마이오신 필라멘트 사이로 액틴 필라멘트가 미끄러져 들어가 전체 근육의 길이가 짧아지는 현상을 말한다.(활주설)

근육 원섬유는 마디를 가지며 각 마디들이 여러 개 일렬로 연결된 구조인데, 마디 사이의 거리가 단축되면서 수축하고, 마이오신 필라멘트와 액틴 필라멘트의 겹치는 부분만큼 힘이 발생한다.

이러한 원리를 바탕으로 오래 전부터 인공근육 혹은 인조근육이 연구, 개발되어 왔다.

인공근육은 외부의 전기적 입력에 의해 반응하도록 제작되어 생체근육의 대용기능을 수행할 수 있다.

이러한 인공근육은 대개 자유로운 신체활동이 어려운 장애인의 팔다리 역할을 하는 재활 로봇이나, 우주 탐사 또는 해저 탐사나 원자력발전소 같이 인간이 직접 작업하기 어려운 특수 환경에서 작업을 수행하는 작업용 로봇, 더 나아가 초소형이며 고도의 복잡한 동작을 위한 미세전자기계시스템(Micro Electro Mechanical System, MEMS) 같은 첨단 제품 등에 활용되기 위한 목적으로 제작되고 있다.

이러한 인공근육은 형상기억합금(Shape-memory Alloy, SMA), 형상기억수지, 탄소나노근막체, 나일론 등과 같이 온도 변화에 따라 수축 또는 팽창 형상이 일어나는 열반응구동소자가 이용된다.

일예로, 형상기억합금은 빠른 동작 속도를 구현하기 위해 효과적인 가열/냉각 구조가 필요하다. 이에 대해 종래에는 전기저항을 이용한 가열방법이 이용되었고, 공기나 물을 이용한 냉각방법이 이용되었다.

하지만, 전기저항을 이용한 가열방법의 경우, 인공근육의 응답성이 낮고, 에너지 소모가 많으며, 인공근육의 부하용량을 높이기 위해서는 전원의 크기를 증가시켜야 하고, 전기 절연이 필수적이었다

대부분의 인공근육은 기계적, 전기적, 자기적, 화학적 방법으로 팽창 또는 수축을 유도하여 일으키는 구조를 가진다.

이러한 다양한 방식으로 구현한 인공근육이 아래 선행기술에 공지되어 있다.

이 가운데 응답속도가 빠르고 소형화가 가능한 방식의 '전자석을 이용한 인공근육'이 대한민국 등록특허 10-0249420(1999.12.24.)에 공지되어 있다.

그러나 이 경우는 쇠볼과 같은 피자력체가 내설되고 전자석의 인력을 이용하여 길이가 축소되는 원리를 이용한다. 따라서, 피자력체의 무게로 인해 인공근육 자체의 중량이 증가하는 단점이 있다.

그리고 전자석과 피자력체가 멀리 떨어진 상태에서 인력이 작용하기 때문에 피자력체가 전자력에 반응하여 끌려오기 위해서는 상대적으로 큰 전자력이 필요하고, 피자력체가 반응하는 시간도 많이 걸린다. 즉, 피자력체 중량으로 인해 일정 크기 이상의 힘이 필요하고 관성때문에 응답이 늦어지므로, 결국 근육이 축소되는 반응이 지연된다. 그래서 반응속도를 높이기 위해서는 더 큰 전자력이 필요하고, 제어하기가 까다로운 문제가 있다.

대한민국 등록특허 10-1834970(2018.2.27.)"인공근육모듈의 구동장치와 인공근육모듈의 구동방법" 대한민국 등록특허 10-0249420(1999.12.24.)"전자석 방식의 인조근육모듈" 대한민국 등록특허 10-1740904(2017.5.23.)"전자기적 구동방식의 인공근육 모듈" 대한민국 공개특허 10-2021-0074183(2021.06.21.)"소프트 액츄에이터 및 이를 포함하는 인공근육" 대한민국 등록특허 10-1827312(2018.2.2.)"형상기억합금을 이용한 인공근육모듈 및 이를 포함하는 시스템"

이에 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하고자 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 간단한 구조를 가지면서 자체 중량이 가볍고 전자석의 척력을 이용하여 인공근육의 수축을 구현할 수 있는 전자석을 이용한 인공근육을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자석을 이용한 인공근육은, 평판형상으로 이루어지고 일정간격을 두고 배열되는 복수개의 노드판; 코일이 권선되고 상기 노드판 사이 사이에 한 쌍이 직렬로 배열되는 전자석; 상기 노드판에 방사상으로 회전 가능하게 장착되는 복수개의 고정도르래; 일단이 상기 전자석 중 좌측 전자석에 연결되고, 타단은 상기 좌측 전자석에 인접한 노드판에 설치된 고정도르래 및 우측 전자석에 인접한 노드판에 설치된 고정도르래를 차례로 경유하여, 상기 우측 전자석에 연결되는 하나 이상의 와이어;를 포함하여 이루어져, 어느 하나의 노드판을 사이에 두고 마주하는 두 전자석 사이에 척력이 작용하여 멀어지면, 각 노드판 사이에 배열된 전자석이 서로 근접하면서 각 노드판 사이의 거리가 축소될 수 있다.

이때, 상기 노드판의 일측에는 상기 전자석의 코일이 통과할 수 있는 코일홀이 형성될 수 있다.

그리고 인접하는 상기 전자석은 서로 반대방향으로 코일이 권취되는 것이 바람직하다.

또 상기 노드판에 일정 간격을 두고 방사상으로 복수개의 도르래홀이 형성되고, 상기 도르래홀 내에 각각 고정도르래가 회전 가능하게 장착될 수 있다.

한편, 신축 가능하도록 유연한 재질로 이루어지거나 자바라 구조를 가진 근막체의 내부에 상기 노드판, 전자석, 와이어가 수용되게 하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명에 의하면, 아래와 같은 효과가 있다.

첫째, 쇠볼과 같은 피자력체 없이 전자석의 척력과 고정도르래 및 와이어로 작동되므로 종전에 비해 상대적으로 가볍기 때문에 실제 적용시 자체 중량을 매우 줄일 수 있다.

둘째, 별도의 중량을 가지는 피자력체가 없고, 노드판을 기준으로 전자석이 거의 인접한 상태에서 척력이 작용하므로 상대적으로 처음부터 전자력이 최대로 작용하여 즉각적이고 신속한 응답이 실현될 수 있다. 즉, 근육이 축소되는 반응시간이 짧고 제어가 용이한 장점이 있다.

셋째, 상대적으로 작은 전자력에 의해서도 작동할 수 있으므로 전력소모량도 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예를 따른 전자석을 이용한 인공근육을 나타내는 사시도
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 노드판을 나타내는 정면도
도 3은 본 발명의 다른 실시 예를 나타내는 단면도
도 4는 본 발명의 작동상태도
도 5는 본 발명의 로봇 활용예시도

이하, 본 발명에 따른 일 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

참고로, 도면을 참조한 설명은 본 발명을 더 쉽게 이해하기 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예를 따른 전자석을 이용한 인공근육을 나타내는 사시도이다.

본 발명은 크게 한 쌍의 노드판(100) 사이에 한 쌍의 전자석(200)이 직렬로 배열되고, 각 노드판(100)에 복수개의 고정도르래(300)가 설치되며, 인접하는 두 노드판(100) 및 그 사이에 위치하는 두 전자석(200)이 와이어(400)로 연결된 구조를 가진다.

먼저, 도 2를 함께 참조하여 상기 노드판에 대해 설명한다. 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 노드판을 나타내는 정면도이다.

상기 노드판(100)은 디스크와 같이 원형평판 형상으로 이루어질 수 있고 복수개가 일정간격을 두고 병렬로 배열된다.

이때, 상기 노드판(100)은 서로 근접하거나 멀어지도록 이동할 수 있다.

그리고 상기 노드판(100)은 일정한 두께를 가지며 가장자리에 복수개의 도르래홀(110)이 관통 형성된다.

여기서, 상기 도르래홀(110)에는 후술하는 고정도르래(300)가 회전 가능하게 내설될 수 있다.

상기 도르래홀(110)은 설치되는 고정도르래(300)의 수에 대응하게 복수개로 형성되는데, 본 발명에서는 도시된 바와 같이 4개가 12, 3, 6, 9시방향에 방사상으로 형성되는 것이 바람직하다.

그러나 이에 한정되는 것은 아니고 더 많은 수의 고정도르래(300)가 사용될 수 있으므로 상기 도르래홀(110)도 그에 대응하여 더 형성될 수 있다.

참고로 상기 도르래홀(110)은 도시된 바와 같이 직사각형으로 형성되고, 상기 노드판(100)의 반경방향으로 상기 도르래홀(110)의 길이가 긴 쪽이 배치되게 할 수 있다. 이것은 후술하는 상기 고정도르래(300)가 상기 노드판(100)의 반경방향으로 배치되게 하기 위함이다. 그러나 상기 도르래홀(110)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니고 상기 고정도르래(300)가 장착될 수 있는 어떤 형상도 가능하다.

한편, 상기 노드판(100)의 일측 또는 중앙에는 코일(210)이 통과할 수 있는 코일홀(120)이 형성되는 것이 바람직하다. 상기 코일홀(120)을 통해 상기 노드판(100)을 기준으로 양쪽에 위치하는 전자석(200)이 하나의 코일(210)로 연속적으로 권취될 수 있다.

다음으로 상기 전자석(200)에 대해 설명한다.

상기 전자석(200)은 원형봉 또는 원형파이프의 외주면에 전류가 흐를 수 있는 코일(210)을 권취한 구조이다.

상기 전자석(200)의 외경은 상기 노드판(100)의 직경보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 전자석(200)은 상기 노드판(100) 사이 사이에 한 쌍이 직렬로 배열된다.

그리고 인접하는 전자석(200)은 서로 코일(210)이 반대방향으로 권취된다.

즉, 다수개의 전자석(200)이 직렬로 배열되고, 2개의 전자석(200)마다 상기 노드판(100)이 삽입되어 구획하며, 홀수번째 전자석에 코일이 시계방향으로 권취되는 반면, 짝수번째 전자석에는 코일이 반시계방향으로 권취된다.

따라서, 상기 코일(210)에 전류가 흐르면 인접하는 전자석(200)끼리 척력이 발생하게 되어 서로 밀게 된다.

다음으로 상기 고정도르래에 대해 설명한다.

상기 고정도르래(300)는 상기 노드판(100)의 도르래홀(110)에 회전 가능하게 설치된다.

이를 위해, 상기 고정도르래(300)의 축이 상기 도르래홀(110) 내부의 양면에 구비된 베어링(미도시)에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다.

그리고 도 2에 도시된 바와 같이 상기 고정도르래(300)는 각각 상기 노드판(100)의 반경방향을 따라 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 각 고정도르래(300)가 상기 노드판(100)의 중심을 방향하도록 방사상으로 배치된다.

또 상기 고정도르래(300)는 복수개가 구비되어 절반은 상기 노드판(100)의 일편에서 작동하는 와이어(400)에 사용되고, 나머지는 상기 노드판(100)의 타편에서 작동하는 와이어(400)에 사용된다.

사용되는 와이어(400)의 수에 따라 상기 고정도르래(300)의 수도 정해질 수 있다.

본 발명에서 상기 노드판(100) 사이에 두 개의 와이어(400)가 사용되는 경우 상기 고정도르래(300)는 4개가 구비될 수 있다.

다른 실시 예로, 상기 노드판(100) 사이에 3개의 와이어가 사용되는 경우 상기 고정도르래(300)는 6개가 구비되되, 각각 상기 노드판(100)에 60°간격으로 배열될 수 있고, 상기 노드판(100) 사이에 4개의 와이어(400)가 사용되는 경우 상기 고정도르래(300)는 8개가 구비되되, 각각 상기 노드판(100)에 45°간격으로 배열될 수 있을 것이다.

다음으로 상기 와이어(400)에 대해 설명한다.

일단, 두 노드판(100) 사이에 배열된 두 전자석(200) 중 일측을 좌측 전자석이라고 하고 타측을 우측 전자석이라고 할 때, 상기 와이어(400)는 일단이 좌측 전자석에 연결되고, 타단이 우측 전자석에 연결되되, 상기 와이어(400)는 인접하는 두 노드판(100)에 장착된 고정도르래(300)를 각각 경유한다.

다시 말해서, 상기 와이어(400)의 일단은 좌측 전자석의 단부에 연결되고, 타단은 이에 인접한 노드판(100)에 설치된 고정도르래(300)를 경유하여 우측 전자석으로 연장되며, 연장된 와이어(400)의 타단은 우측 전자석에 인접한 노드판(100)에 설치된 고정도르래(300)를 경유하여 우측 전자석 단부에 연결된다.

이러한 상기 와이어(400)는 하나 이상 구비될 수 있다.

예를 들어, 도시된 바와 같이 두 와이어(400)의 일단이 각각 상기 좌측 전자석에 결합되고, 인접하는 노드판(100)에 설치된 두 고정도르래(300)를 경유하여 좌측 전자석과 우측 전자석을 지나 상기 우측 전자석에 인접하는 노드판(100)에 설치된 두 고정도르래(300)를 경유한 후 우측 전자석에 결합될 수 있다.

이때, 두 와이어(400)는 서로 180°간격으로 마주하는 두 고정도르래(300)를 경유하므로 서로 반대측에 마주하도록 위치한다.

이하에서 도 3을 함께 참조하여 본 발명의 다른 실시 예를 살펴본다. 도 3 은 본 발명의 다른 실시 예를 나타내는 단면도이다.

본 발명의 다른 실시 예는 도시된 바와 같이, 본 발명의 외부를 근막체(500)로 감싸서 보호할 수 있는 구조이다.

이를 위해, 관이나 튜브 형상의 근막체(500)가 구비되고, 내부에 상기 노드판(100)이 일정간격으로 배치되고, 상기 전자석(200) 및 와이어(400)가 수용된 구조일 수 있다.

이때, 상기 근막체(500)는 유연하거나 연질의 재질로 이루어지거나 자바라 구조로 이루어져 신축이 가능한 것이 바람직하다.

실제 인공근육으로 적용할 때 전류를 높여 전자력을 향상시키거나 와이어(400)의 개수를 증가시키거나 다수개의 근막체(500)를 함께 사용하여 근력을 강화할 수 있을 것이다.

이하에서 본 발명의 도 4, 5를 참조하여 작동과정을 간략하게 설명한다. 도 4는 본 발명의 작동상태도를 나타내고, 도 5는 본 발명의 활용예시도를 나타낸다.

도 4(a)는 상기 전자석에 전류가 흐르지 않는 상태를 나타낸다.

이 상태에서 각 전자석(200)은 상기 노드판(100)에 가장 근접한 상태가 되고, 각 노드판(100) 사이의 거리(d₁)은 가장 긴 상태를 유지한다.

만일, 상기 전자석(200)에 전류를 공급하면, 각 노드판(100)을 중심으로 양쪽에 마주하는 두 전자석(200)은 서로 척력에 의해 멀어진다.

이로 인해 두 노드판(100) 사이에 배열된 좌측 전자석과 우측 전자석은 상기 노드판으로부터 멀어지면서 상기 와이어(400)를 당긴다.

각 전자석(200)이 당긴 와이어(400)의 길이의 합만큼 두 노드판(100) 사이의 거리(d₂)는 근접하게 되어 전체적으로 길이가 줄어들면서 인공근육이 수축되는 작동을 구현할 수 있다.

여기서, 상기 좌측 전자석과 우측 전자석은 서로 충분히 멀리 떨어지도록 배치되는 것이 바람직하다. 만일, 상기 좌측 전자석과 우측 전자석이 더 가까워지더라도 마주하는 극성이 모두 반대로 형성되므로 근접하더라도 적절한 간격에서 척력 때문에 멈출 수 있다.

이것은 상기 노드판(100)이 일정거리 이상 가까워지는 것을 제한할 수 있다.

이러한 원리를 이용하여 도 5와 같이, 실제 로봇 팔에 적용할 수 있다.

도 5(a)에 도시된 바와 같이 로봇 팔은 제1링크(L1)와 제2링크(L2) 및 두 링크 사이에 구비되는 관절(J)로 구성할 수 있다.

그리고 본 발명의 일단이 상기 제1링크(L1)의 일측에 결합되고, 타단이 상기 제2링크(L2)의 일측에 결합되게 하며, 탄성체(E)의 일단이 상기 제1링크(L1)의 타측에 결합되고, 타단이 상기 제2링크(L2)의 타측에 결합되게 할 수 있다.

이 상태에서 상기 전자석(200)에 전류를 공급하면 상술한 바와 같이 두 노드판(100) 사이의 거리가 줄어들면서 본 발명의 전체 길이가 축소된다. 따라서, 도 5(b)에 도시된 바와 같이 상기 제1링크(L1)가 상기 관절(J)을 중심으로 토크가 발생하여 회전하게 되어, 마치 로봇팔을 굽히는 것과 같은 동작을 수행할 수 있다.

반대로 상기 전자석(200)에 공급되는 전류를 차단하면 상기 전자석(200)들은 이동하지 않고 그 상태를 유지하지만, 상기 탄성체(E)의 복원력에 의해 상기 제1링크(L1)는 반대로 회전하여 원상태가 될 수 있다.

한편, 도시하지는 않았으나 상기 탄성체(E) 대신 본 발명에 따른 인공근육을 설치함으로써 상기 관절(J)의 양측에 각각 본 발명이 부착된 구조를 가지게 할 수도 있다.

이 경우 상기 제1링크(L1)를 굽히고자 하는 방향에 있는 전자석(200)에 전류를 공급함으로써 양방향으로 제1링크(L1)를 굽힐 수 있다.

만일, 상기 관절(J)이 3자유도로 자유롭게 굽힐 수 있는 관절이고 본 발명에 따른 인공근육을 상기 제1링크(L1)과 제2링크(L2) 사이에 복수개를 부착한다면, 여러 개의 인공근육 중에 필요한 일부만 전류를 공급함으로써 상기 제1링크(L1)를 원하는 방향과 각도로 용이하게 굽힐 수 있을 것이다.

이상에서 도면을 참조하여 본 발명의 대표적인 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : 노드판
110 : 도르래홀 120 : 코일홀
200 : 전자석 210 : 코일
300 : 고정도르래
400 : 와이어
500 : 근막체
L1 : 제1링크 L2 : 제2링크
J : 관절 E : 탄성체

Claims (5)

1. 평판형상으로 이루어지고 일정간격을 두고 배열되는 복수개의 노드판;
   코일이 권선되고 상기 노드판 사이 사이에 한 쌍이 직렬로 배열되는 전자석;
   상기 노드판에 방사상으로 회전 가능하게 장착되는 복수개의 고정도르래;
   일단이 상기 전자석 중 좌측 전자석에 연결되고, 타단은 상기 좌측 전자석에 인접한 노드판에 설치된 고정도르래 및 우측 전자석에 인접한 노드판에 설치된 고정도르래를 차례로 경유하여, 상기 우측 전자석에 연결되는 하나 이상의 와이어;를 포함하여 이루어져,
   어느 하나의 노드판을 사이에 두고 마주하는 두 전자석 사이에 척력이 작용하여 멀어지면, 각 노드판 사이에 배열된 전자석이 서로 근접하면서 각 노드판 사이의 거리가 축소되는 것을 특징으로 하는 전자석을 이용한 인공근육.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 노드판의 일측에는 상기 전자석의 코일이 통과할 수 있는 코일홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 전자석을 이용한 인공근육.
3. 제 2 항에 있어서,
   인접하는 상기 전자석은 서로 반대방향으로 코일이 권취되는 것을 특징으로 하는 전자석을 이용한 인공근육.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 노드판에 일정 간격을 두고 방사상으로 복수개의 도르래홀이 형성되고, 상기 도르래홀 내에 각각 상기 고정도르래가 회전 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 전자석을 이용한 인공근육.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   신축 가능하도록 유연한 재질로 이루어지거나 자바라 구조를 가진 근막체의 내부에 상기 노드판, 전자석, 와이어가 수용되는 것을 특징으로 하는 전자석을 이용한 인공근육.

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