KR20230162876A - 섬유 기반 구동-센서시스템 - Google Patents

섬유 기반 구동-센서시스템 Download PDF

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KR20230162876A
KR20230162876A KR1020220062162A KR20220062162A KR20230162876A KR 20230162876 A KR20230162876 A KR 20230162876A KR 1020220062162 A KR1020220062162 A KR 1020220062162A KR 20220062162 A KR20220062162 A KR 20220062162A KR 20230162876 A KR20230162876 A KR 20230162876A
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이주희
한예지
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동국대학교 산학협력단
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Abstract

개시된 본 발명에 의한 섬유 기반 구동-센서시스템은, 형상 변형이 가능한 기능성 섬유로 마련되는 구동부 및 구동부의 적어도 일부 영역에 전도성 섬유로 마련되어, 구동부의 형상 변형에 따른 저항 변화를 감지하는 센서부를 포함하며, 구동부 및 센서부는 상호 일체로 마련된다. 이러한 구성에 의하면, 구동부에 대해 센서부가 부착 방식이 아닌 일체로 마련됨으로써, 구동 변형을 실시간 감지하여 제어할 수 있다.

Description

섬유 기반 구동-센서시스템{FIBER-BASED ACTUATOR-SENSOR SYSTEM}
본 발명은 섬유 기반 구동-센서시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기능성 섬유로 마련되는 구동부에 대해 전도성 섬유를 포함하는 센서부를 일체로 제작함으로써 구동부의 변형을 실시간 감지할 수 있는 섬유 기반 구동-센서시스템에 관한 것이다.
존에 발전되어온 구동 시스템은 기계적인 구동 요소를 통해서만 형태 변형이 가능하다. 그로 인해, 인체에 구동 시스템을 적용하기 위한, 섬유, 의류, 의료 등과 같은 분야에서는 구동 시스템의 적용이 어렵다. 이러한 인체에 대한 구동 시스템을 적용하기 위해, 형태 변형이 가능한 별도의 구동 시스템을 인체에 착용된 의복이나 디바이스에 별도로 부착하거나 삽입하는 방식이 적용될 수도 있으나, 구동이 제한적이다. 특히, 기존의 구동 시스템의 경우, 관절과 유사한 기계 구동 요소가 필수적으로 요구됨에 따라, 2차원 또는 3차원 형태 변형에 한계를 가진다.
이에 따라, 근래에는 구동 허용 한계로부터 보다 자유로운 기능성 섬유를 이용해 제작된 텍스타일 액추에이터에 대한 연구가 이루어지고 있다. 한편, 텍스타일 액추에이터의 구동을 센싱하기 위한 방식으로써, 텍스타일 액추에이터의 구동을 시각적으로 직접 확인하거나, 텍스타일 액추에이터에 직접 접착하는 방식의 필름형 굽힘 센서 또는 안전 센서 등이 제공된다. 여기서, 텍스타일 액추에이터에 대한 직접 접착 방식의 센서는 높은 강도와 낮은 유연성으로 인하여, 액추에이터의 구동력을 방해한다. 또한, 텍스타일 액추에이터의 텍스타일 패턴과 다른 구조를 가지는 센서로 인해, 텍스타일 액추에이터의 구동 센싱 정확도가 낮다.
그로 인해, 근래에는 텍스타일 액추에이터의 보급과 함께, 텍스타일 액추에이터의 구동 센싱 정확도를 향상시키기 위한 다양한 연구가 지속적으로 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0011880호 일본 공개특허공보 제207-170326호
본 발명의 목적은 기능성 섬유와 전도성 섬유를 동시에 적용하여 텍스타일 액추에이터를 포함하는 구동부의 실시간 구동 변형을 정확히 감지할 수 있는 섬유 기반 구동-센서시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 섬유 기반 구동-센서시스템은, 형상 변형이 가능한 기능성 섬유로 마련되는 구동부 및, 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 전도성 섬유로 마련되어, 상기 구동부의 형상 변형에 따른 저항 변화를 감지하는 센서부를 포함하며, 상기 구동부 및 센서부는 상호 일체로 마련된다.
또한, 상기 구동부 및 센서부의 상기 기능성 섬유 및 전도성 섬유가 동시에 텍스타일로 패터닝될 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 기능성 섬유가 사슬(Chain) 또는 고리(Loop) 중 적어도 어느 하나의 형상으로 패터닝되어, 상기 사슬 및 고리에서 각각 비틀림(Torsion) 및 굽힘(Bending) 변형에 의한 구동이 발생되는 적어도 하나의 텍스타일 액추에이터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 기능성 섬유가 직조(Weave), 대바늘뜨기(Knit), 코바늘뜨기(Crochet) 및 아프간뜨기(Afghan) 중 적어도 어느 하나의 텍스타일 제조 방식으로 패터닝되며, 상기 센서부는 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 상기 기능성 섬유와 함께 상기 전도성 섬유가 상기 직조, 대바늘뜨기, 코바늘뜨기 및 아프간뜨기 중 적어도 어느 하나의 텍스타일 제조방식으로 패터닝될 수 있다.
또한, 상기 센서부는 상기 전도성 섬유가 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 대해 재봉(Sewing)될 수 있다.
또한, 상기 기능성 섬유 및 전도성 섬유가 동시에 직조(Weave), 대바늘뜨기(Knit), 코바늘뜨기(Crochet) 및 아프간뜨기(Afghan) 중 적어도 어느 하나의 뜨기 방식에 의해 상기 구동부 및 센서부가 2차원으로 마련되어, 3차원으로 변형될 수 있다.
또한, 상기 센서부는 상기 전도성 섬유가 상기 구동부의 가로, 세로 또는 대각선 방향으로 적어도 1열 마련될 수 있다.
또한, 상기 센서부는 상기 구동부의 주대각선 및 보조대각선 방향을 따라 재봉(Sewing)되어 마련되되, 상기 주대각선 및 보조대각선이 상기 구동부의 일면과 타면에 각각 상호 겹치지 않도록 재봉될 수 있다.
또한, 상기 센서부는 상기 구동부와 동일 패턴을 가지고 상기 구동부의 전체 영역에 대응되도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 센서부로부터 감지 신호를 제공받아 처리하는 처리부, 상기 처리부로부터 처리된 신호로 상기 구동부의 구동을 피드백 제어하는 제어부 및, 상기 제어부와 상기 구동부의 사이에서 상기 제어부의 제어 신호에 의해 상기 구동부에 전원을 선택적으로 공급하는 전원공급부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의한 섬유 기반 구동-센서시스템은, 형상 변형이 가능한 기능성 섬유로 마련되는 구동부, 전도성 섬유를 포함하여 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 일체로 마련되어, 상기 구동부의 형상 변형에 따른 저항 변화를 감지하는 센서부 및, 상기 센서부로부터 감지된 상기 구동부의 구동 변형을 피드백 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 기능성 섬유에 의해 패터닝되는 텍스타일 액추에이터를 포함하며, 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 대해 상기 기능성 섬유와 상기 전도성 섬유가 동시에 동일 패턴으로 패터닝되어, 상기 구동부와 센서부가 상호 일체로 마련될 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 기능성 섬유가 직조(Weave), 대바늘뜨기(Knit), 코바늘뜨기(Crochet) 및 아프간뜨기(Afghan) 중 적어도 어느 하나의 텍스타일 제조 방식으로 패터닝되며, 상기 센서부는 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 상기 기능성 섬유와 함께 상기 전도성 섬유가 상기 직조, 대바늘뜨기, 코바늘뜨기 및 아프간뜨기 중 적어도 어느 하나의 텍스타일 제조방식으로 패터닝될 수 있다.
또한, 상기 센서부는 상기 전도성 섬유가 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 대해 재봉(Sewing)될 수 있다.
또한, 상기 기능성 섬유 및 전도성 섬유가 동시에 직조(Weave), 대바늘뜨기(Knit), 코바늘뜨기(Crochet) 및 아프간뜨기(Afghan) 중 적어도 어느 하나의 뜨기 방식에 의해 상기 구동부 및 센서부가 2차원으로 마련되어, 3차원으로 변형될 수 있다.
또한, 상기 센서부는 상기 전도성 섬유가 상기 구동부의 가로, 세로 또는 대각선 방향으로 적어도 1열 마련될 수 있다.
또한, 상기 센서부는 상기 구동부의 주대각선 및 보조대각선 방향을 따라 재봉(Sewing)되어 마련되되, 상기 주대각선 및 보조대각선이 상기 구동부의 일면과 타면에 각각 상호 겹치지 않도록 재봉될 수 있다.
또한, 상기 센서부는 상기 구동부와 동일 패턴을 가지고 상기 구동부의 전체 영역에 대응되도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 센서부로부터 감지 신호를 제공받아 처리하여, 상기 제어부로 제공하는 처리부 및, 상기 제어부와 상기 구동부의 사이에서 상기 제어부의 제어 신호에 의해 상기 구동부에 전원을 선택적으로 공급하는 전원공급부를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 기능성 섬유로 마련되는 구동부의 적어도 일부 영역에 전도성 섬유로 센서부를 마련함으로써, 구동부의 실시간 구동 변형에 따른 저항 변화를 센서부가 실시간 감지할 수 있다.
둘째, 구동부를 구성하는 기능성 섬유와 센서부를 구성하는 전도성 섬유가 재봉, 직조, 대바늘뜨기, 코바늘뜨기 및 아프간뜨기 등과 같은 텍스타일 제조 방식에 의해 동시에 패터닝될 수 있어, 구동부에 대해 센서부가 별도로 제조되어 부착되는 방식과 비교하여 구동 감지 정확도가 우수하다.
셋째, 구동부와 센서부가 상호 동일한 패턴으로 마련됨으로써, 구동부의 구동 변형에 대한 높은 센싱 정확도를 확보할 수 있다.
넷째, 높은 유연성을 가지는 텍스타일 액추에이터를 포함하는 구동부에 센서부가 마련되어도, 구동부의 구동력을 저해하지 않으면서도 구동 제어가 용이하다.
다섯째, 구동부의 일부 영역 또는 전체 영역에 대한 구동 변형을 센서부가 감지할 수 있어, 원하는 구동부 영역에 대한 센싱 효율 향상과 함께 구동부의 에너지 효율도 향상시킬 수 있다.
여섯째, 다양한 패턴으로 구동부와 센서부를 제공할 수 있어, 다양한 분야에 적용 가능하다.
일곱째, 직조, 대바늘뜨기, 코바늘뜨기, 아프간뜨기 및 재봉과 같은 텍스타일 패터닝은 기계 자동화가 가능함에 따라, 구동부에 대해 센서부가 일체로 마련된 섬유 기반 구동-센서시스템의 대량 생산 및 대면적 제작이 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 섬유 기반 구동-센서시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 섬유 기반 구동-센서시스템의 구동부 및 센서부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 구동부 및 센서부가 구동 변형된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 구동부의 전체 영역에 대해 센서부가 마련된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 구동부 및 센서부의 패터닝 제조 방식을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 구동부의 주대각선 및 보조대각선을 따라 재봉된 센서부에 의해 감지된 구동부의 구동 변형에 따른 저항 변화율을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 센서부가 구동부의 2개 라인 이상 마련된 상태를 개략적으로 도시한 이미지들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 센서부가 구동부의 전체 영역에 동시에 제조된 상태를 개략적으로 도시한 이미지들이다.
도 9는 도 8에 도시된 구동부의 변형에 따른 센서부에 의해 감지된 저항 변화율을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 섬유 기반 구동-센서시스템이 적용된 엔드 이펙터의 일 예를 개략적으로 도시한 이미지이다. 그리고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 섬유 기반 구동-센서시스템의 구동부의 구동 변형에 따른 센서부에 감지된 저항 변화와 구동부의 온도 변화를 비교하기 위해 개략적으로 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상은 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 발명의 사상에 포함되는 것이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 섬유 기반 구동-센서시스템(1)은 구동부(10), 센서부(20), 처리부(30), 제어부(40) 및 전원공급부(50)를 포함한다.
참고로, 본 발명에서 설명하는 섬유 기반 구동-센서시스템(1)은 웨어러블 장치(wearable device)에 적용되는 구동기인 것으로 예시한다. 그러나, 꼭 이에 한정하는 것은 아니며 본 발명에서 설명하는 섬유 기반 구동-센서시스템(1)이 외골격 로봇 및 착용형 로봇 등과 같은 로봇 분야를 비롯하여, 섬유 및 의류를 포함하는 헬스케어 분야와 같은, 다양한 분야에 적용될 수 있음은 당연하다.
구동부(10)는 도 2 내지 도 4의 도시와 같이, 형상 변형이 가능한 기능성 섬유로 마련된다. 이러한 구동부(10)는 적어도 하나의 기능성 섬유에 의해 패터닝된 적어도 하나의 섬유 기반의 텍스타일 액추에이터로 마련된다. 텍스타일 액추에이터를 포함하는 구동부(10)는 자체적으로 형상 변형이 가능한 적어도 하나의 기능성 섬유가 사슬(Chain) 또는 고리(Loop)를 기본 형태로 하여, 패터닝된다. 여기서, 구동부(10)는 기능성 섬유의 사슬 및 고리에서 각각 비틀림(Torsion) 및 굽힘(Bending) 변형에 의한 구동이 발생된다.
한편, 기능성 섬유로 패터닝되어 마련된 섬유 기반의 구동부(10)는 외부 환경에 반응하거나, 기능성 섬유에 가해지는 외부 작용에 의하여, 기능성 섬유가 특정 형상으로 변형되도록 구동된다. 이러한 구동부(10)를 구성하는 기능성 섬유의 형상 변형에 의한 응력의 상호작용에 의해, 소정 패턴을 가지는 구동부(10)가 변형되어 구동되는 것이다. 이때, 구동부(10)는 1차원 형상으로 마련되어 2차원 또는 3차원 형상으로 변형되도록 구동되거나, 2차원 형상으로 마련되어 3차원 형상으로 구동되어 변형될 수 있다.
참고로, 본 실시예에서는 구동부(10)를 구성하는 기능성 섬유는 온도 변화와 같은 외부 환경에 대한 반응 또는 외부로부터 가해지는 전기 신호와 같은 외부 작용에 따라 기 설정된 형태로 변형되는 기능성 재료로 마련될 수 있다. 또한, 구동부(10)를 구성하는 기능성 섬유는 자세히 도시되지 않았으나, 기능성 재료 및, 기능성 재료를 보호하도록 피복하는 피복재로 구성될 수 있다.
이러한 기능성 섬유로 인해, 구동부(10)는 도 3과 같이, 기능성 섬유의 자체적인 외부 요인 감지를 통한 굽힘 및 비틀림 변형으로 인해, 구동된다. 이때, 구동부(10)는 별도의 자극 인가수단 없이도, 구동부(10)를 구성하는 기능성 섬유가 자체적으로 형상 변형된다. 한편, 구동부(10)가 외부 요인에 의해 자체 변형 가능한 것으로만 한정되지 않으며, 외부 요인에 상관없이 기 설정된 신호에 의해 변형되는 변형예도 가능하다.
참고로, 구동부(10)는 도 5의 (a)에 도시된 직조(Weave), 도 5의 (b)에 도시된 대바늘뜨기(Knit), 도 5의 (c)에 도시된 코바늘뜨기(Crochet) 및 도 5의 (d)에 도시된 아프간뜨기(Afghan) 중 적어도 어느 하나의 텍스타일 제조 방식으로 기능성 섬유가 패터닝된다. 이러한 직조, 대바늘뜨기, 코바늘뜨기 및 아프간뜨기는 섬유를 텍스타일로 제작하기 위한 일반적인 구성이므로, 자세한 설명은 생략한다.
센서부(20)는 전도성 섬유로 포함하며, 구동부(10)의 적어도 일부 영역에 일체로 마련되어 구동부(10)의 형상 변형에 따른 저항 변화를 감지하여 구동부(10)의 구동을 감지한다. 이러한 센서부(20)는 도 2의 (a) 및 (b)와 같이, 전도성 섬유가 구동부(10)의 가로, 세로 또는 대각선 방향으로 적어도 1열 마련되거나, 도 2의 (c)와 같이, 구동부(10)의 전체 영역에 대응되도록 마련된다.
센서부(20)는 전도성 섬유가 구동부(10)의 기능성 섬유와 함께 상호 동일 패턴으로 패터닝되어 상호 일체로 마련된다. 그로 인해, 도 3의 도시와 같이, 텍스타일 액추에이터인 구동부(10)의 구동 변형에 의해 구동부(10)의 패턴과 동일하게 마련된 센서부(20)도 함께 변형됨으로써, 구동부(10) 변형에 의한 센서부(20)의 전도성 섬유의 저항이 변화하게 된다.
센서부(20)는 도 2의 (a) 및 (b)와 같이 기능성 섬유 기반의 구동부(10)의 대각선 방향으로 1열로 마련되거나, 구동부(10)의 가로 방향으로 2열 이상의 다열로 센서부(20)가 일체로 마련될 수 있다. 또한, 도 2의 (c)와 같이, 기능성 섬유 기반의 구동부(10)의 전체 영역에 대응되도록 센서부(20)가 구동부(10)와 일체로 마련될 수 있다. 이때, 도 4의 (a) 및 (b)와 같이, 텍스타일 액추에이터를 포함하는 구동부(10)와 센서부(20)가 상호 동일 패턴으로 마련됨으로써, 구동부(10)와 센서부(20)의 전체 영역이 동시에 구동 변형된다.
한편, 도 2의 (a) 및 도 3의 (a)와 같이, 센서부(20)가 전도성 섬유의 선택적 재봉(Sewing)에 의해, 구동부(10)의 특정 섹션의 1차원에서 2차원으로의 변형을 저항 변화로 감지할 수 있다. 여기서, 구동부(10)에 대해 1개 라인이 재봉되어 센서부(20)가 마련됨으로써, 텍스타일 액추에이터인 구동부(10)의 구동에 따른 해당 재봉 라인 즉, 센서부(20)에 대한 곡률 변화를 파악할 수 있다. 이때, 센서부(20)는 구동부(10)의 1차원에서 2차원으로의 변형을 파악한다.
참고로, 구동부(10)가 짧은 뜨기 방식으로 제작된 것으로 예시할 경우, 구동부(10)에 대해 주대각선(main diagonal)과 보조대각선(anti diagonal)에 각각 1개 라인으로 전도성 섬유를 재봉하여, 센서부(20)가 구동부(10)에 대한 주대각선 및 보조대각선의 곡률 변화를 감지할 수 있다. 이때, 센서부(20)의 전도성 섬유가 겹치지 않도록 구동부(10)의 일면과 타면에 나누어 재봉됨이 좋다.
이와 같이, 구동부(10)의 주대각선을 따라 마련된 센서부(20)는 구동부(10)의 구동에 따라 저항이 감소하며, 구동부(10)의 최대 변형에서 최소 저항이 약 -20%의 저항 변화율에 도달함을 도 6의 그래프를 통해 확인할 수 있다. 구동부(10)의 보조대각선에 추가된 1개의 재봉 라인인 센서부(20)는 상대적으로 작은 -7% 내외의 저항 변화율을 보임으로써, 최대 변형이 발생하는 파트와 최소 변형이 발생하는 파트를 확인할 수 있다.
또한, 도 2의 (b) 및 도 3의 (b)와 같이, 구동부(10)의 일부 영역에 대해 구동부(10)의 기능성 섬유와 센서부(20)의 전도성 섬유가 동시에 직조, 대바늘뜨기, 코바늘뜨기 및 아프간뜨기 등과 같은 텍스타일 제조 방식을 통해 제조된다. 여기서, 센서부(20)는 전도성 섬유에 의해 구동부(10)의 기능성 섬유와 함께 적어도 2개 라인 이상으로 직조, 대바늘뜨기, 코바늘뜨기 및 아프간뜨기를 통한 마련됨으로써, 구동부(10)의 2차원에서 3차원 변형을 감지할 수 있다. 이때, 구동부(10)에 대해 센서부(20)가 동일 패턴으로 마련됨으로써, 도 3의 (b) 와 같이, 구동부(10)의 구동 변형에 연동하여 센서부(20)도 동일한 형상으로 변형된다.
도 7을 참고하면, 센서부(20)가 구동부(10)에 대해, 2개 라인 이상을 포함한 직조, 대바늘뜨기, 코바늘뜨기 및 아프간뜨기 방식으로 마련됨으로써, 구동부(10)의 특정 영역의 2차원에서 3차원으로의 변형을 확인할 수 있다. 참고로, 도 7에 도시된 이미지 (a)는 센서부(20)가 구동부(10)에 대해 2개 이상으로 마련된 상태이며, 도 7의 (b) 및 (c)는 구동부(10)와 센서부(20)의 변형 전 및 후를 각각 촬영한 이미지이다.
한편, 도 2의 (c) 및 도 3의 (c)와 같이, 구동부(10)의 전체 영역에 대한 직조, 대바늘뜨기, 코바늘뜨기 및 아프간뜨기 방식을 통해 센서부(20)의 전도성 섬유가 구동부(10)의 기능성 섬유와 함께 제조될 수 있다. 이 경우, 센서부(20)는 구동부(10)의 전체 영역에 대한 구동 변형을 감지한다.
도 8의 (a)는 대바늘뜨기 방식으로 구동부(10)의 전체 영역에 일체로 제조된 센서부(20)를 촬영한 이미지이며, 도 8의 (b)는 코바늘뜨기 방식으로 구동부(10)의 전체 영역에 일체로 제조된 센서부(20)를 촬영한 이미지이다. 또한, 도 9는 구동부(10)의 전체 영역을 대응되도록 일체로 마련된 센서부(20)가 구동부(10)의 변형에 따른 감지된 저항 변화율을 시간에 따라 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 9를 참고하면, 구동부(10)는 대략 75초 정도에 최대 변형이 발생되며, 구동부(10)의 최대 구동 변형이 발생된 시점에서 센서부(20)에 감지된 저항 변화율은 대략 -16.7%으로 최대 저항 변화율을 보인다. 또한, 구동부(10)로 인가되는 전압이 중지되어 구동부(10)의 구동이 종료된 이후에는 구동부(10)의 냉각(Cooling)이 진행됨으로써, 구동부(10) 및 센서부(20)가 압축되어 센서부(20)의 저항이 다시 증가된다. 여기서, 구동부(10)의 형상, 크기, 뜨기 방식 등과 같은 조건 변경에 따라, 구성부(10)의 최대 변형에 도달하는 시간은 달라질 수 있다.
처리부(30)는 센서부(20)로부터 감지 신호를 제공받아 처리한다. 이러한 처리부(30)는 후술할 제어부(40)로 처리된 감지 신호를 제공한다.
제어부(40)는 처리부(30)로부터 처리된 신호로 구동부(10)의 구동을 피드백 제어한다. 이러한 제어부(40)는 인쇄회로기판과 같은 제어기판을 포함할 수 있으며, 제어부(40)에 센서부(20)와 연결된 처리부(30)가 마련될 수 있다.
전원공급부(50)는 제어부(40)와 구동부(10)의 사이에서 제어부(40)의 제어 신호에 의해 구동부(10)에 전원을 선택적으로 공급한다. 즉, 구동부(10)의 구동 변형에 의해 센서부(20)로부터 실시간으로 감지된 저항 변화율이 기 설정된 특정 변형 조건에 이르면, 제어부(40)는 구동부(10)로의 전원 공급을 차단하거나 전압의 추가적인 인가를 통해 변형을 만들 수 있다. 이때, 구동부(10)의 구동 변형이 중지되면, 구동부(10)는 냉각되어 초기 온도로 복귀됨에 따라 원래의 형상으로 다소간 복원된다.
한편, 제어부(40)는 구동부(10)의 구동 감지 신호가 기 설정된 특정 변형 조건에 도달하지 않을 경우에는, 전원공급부(50)로 전원을 지속적으로 공급하도록 제어 신호를 제공하여 구동부(10)의 변형 상태를 유지시킬 수도 있다.
이상과 같이, 구동부(10)의 구동 변형을 실시간으로 센서부(20)가 감지하여 처리부(30)를 통해 전기적 신호로 처리하여 제어부(40)로 제공함으로써, 제어부(40)는 구동부(10)로의 전원 공급을 전원공급부(50)를 통해 제어한다. 즉, 제어부(40)는 구동부(10)의 구동 변형을 감지하는 센서부(20)와의 신호 교환을 통해, 구동부(10)의 구동력을 피드백 제어한다.
참고로, 물체를 들어 올리는 목적으로 본 발명의 일 실시예에 의한 섬유 기반 구동-센서시스템(1)이 적용될 경우, 구동부(10)로 구성된 엔드 이펙터(End-effector)가 물체의 무게에 의하여 변형될 시 추가적인 전압 인가를 통해 구동부(10)가 물체를 들어 올린 상태를 유지할 수 있도록 제어부(40)가 전원공급부(50)를 제어할 수 있다. 이러한 구동부(10)의 구동 상태는 센서부(20)와 연결된 처리부(30)에 의해 피드백되어 구현 가능하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 의한 섬유 기반 구동-센서시스템(1)이 적용된 엔드 이펙터의 일 예가 도 10에 도시된다. 도 10을 참고하면, 구동부(10)와 일체로 마련된 센서부(20)가 구동부(10)의 구동 상태를 실시간으로 감지하여 처리부(30) 및 제어부(40)를 통해 피드백 제어가 가능함을 확인할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서 설명하는 구동부(10) 및 센서부(20)가 적용된 엔드 이펙터의 효율적인 거동이 가능하다.
도 11을 참고하면, 구동부(10)의 구동 변형에 따른 전도성 섬유를 포함하는 센서부(20)에 감지된 저항 변화를 실험한 결과가 그래프로 도시된다. 도 11과 같이, 구동부(10)의 구동 변형에 따라 센서부(20)는 저항의 변화를 감지한다. 여기서, 구동부(10)의 구동에 연동하여 센서부(20)에 감지된 저항은 감소하는 반면에, 구동부(10)의 구동 변화에 연동하여 구동부(10)의 온도는 점차 증가하게 되며, 반대로 구동부(10)의 구동 변형이 중지되면 구동부(10)는 냉각되어 초기 온도로 복귀하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 섬유 기반 구동-센서시스템
10: 구동부
20: 센서부
30: 처리부
40: 제어부
50: 전원공급부

Claims (19)

  1. 형상 변형이 가능한 기능성 섬유로 마련되는 구동부; 및
    상기 구동부의 적어도 일부 영역에 전도성 섬유로 마련되어, 상기 구동부의 형상 변형에 따른 저항 변화를 감지하는 센서부;
    를 포함하며,
    상기 구동부 및 센서부는 상호 일체로 마련되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부 및 센서부의 상기 기능성 섬유 및 전도성 섬유가 동시에 텍스타일로 패터닝되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 기능성 섬유가 사슬(Chain) 또는 고리(Loop) 중 적어도 어느 하나의 형상으로 패터닝되어, 상기 사슬 및 고리에서 각각 비틀림(Torsion) 및 굽힘(Bending) 변형에 의한 구동이 발생되는 적어도 하나의 텍스타일 액추에이터를 포함하는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 기능성 섬유가 직조(Weave), 대바늘뜨기(Knit), 코바늘뜨기(Crochet) 및 아프간뜨기(Afghan) 중 적어도 어느 하나의 텍스타일 제조 방식으로 패터닝되며,
    상기 센서부는 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 상기 기능성 섬유와 함께 상기 전도성 섬유가 상기 직조, 대바늘뜨기, 코바늘뜨기 및 아프간뜨기 중 적어도 어느 하나의 텍스타일 제조방식으로 패터닝되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 전도성 섬유가 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 대해 재봉(Sewing)되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기능성 섬유 및 전도성 섬유가 동시에 직조(Weave), 대바늘뜨기(Knit), 코바늘뜨기(Crochet) 및 아프간뜨기(Afghan) 중 적어도 어느 하나의 뜨기 방식에 의해 상기 구동부 및 센서부가 2차원으로 마련되어, 3차원으로 변형되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 전도성 섬유가 상기 구동부의 가로, 세로 또는 대각선 방향으로 적어도 1열 마련되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 구동부의 주대각선 및 보조대각선 방향을 따라 재봉(Sewing)되어 마련되되, 상기 주대각선 및 보조대각선이 상기 구동부의 일면과 타면에 각각 상호 겹치지 않도록 재봉되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 구동부와 동일 패턴을 가지고 상기 구동부의 전체 영역에 대응되도록 마련되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 센서부로부터 감지 신호를 제공받아 처리하는 처리부;
    상기 처리부로부터 처리된 신호로 상기 구동부의 구동을 피드백 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부와 상기 구동부의 사이에서 상기 제어부의 제어 신호에 의해 상기 구동부에 전원을 선택적으로 공급하는 전원공급부;
    를 포함하는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  11. 형상 변형이 가능한 기능성 섬유로 마련되는 구동부;
    전도성 섬유를 포함하여 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 일체로 마련되어, 상기 구동부의 형상 변형에 따른 저항 변화를 감지하는 센서부; 및
    상기 센서부로부터 감지된 상기 구동부의 구동 변형을 피드백 제어하는 제어부;
    를 포함하는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 기능성 섬유에 의해 패터닝되는 텍스타일 액추에이터를 포함하며,
    상기 구동부의 적어도 일부 영역에 대해 상기 기능성 섬유와 상기 전도성 섬유가 동시에 동일 패턴으로 패터닝되어, 상기 구동부와 센서부가 상호 일체로 마련되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 기능성 섬유가 직조(Weave), 대바늘뜨기(Knit), 코바늘뜨기(Crochet) 및 아프간뜨기(Afghan) 중 적어도 어느 하나의 텍스타일 제조 방식으로 패터닝되며,
    상기 센서부는 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 상기 기능성 섬유와 함께 상기 전도성 섬유가 상기 직조, 대바늘뜨기, 코바늘뜨기 및 아프간뜨기 중 적어도 어느 하나의 텍스타일 제조방식으로 패터닝되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 전도성 섬유가 상기 구동부의 적어도 일부 영역에 대해 재봉(Sewing)되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 기능성 섬유 및 전도성 섬유가 동시에 직조(Weave), 대바늘뜨기(Knit), 코바늘뜨기(Crochet) 및 아프간뜨기(Afghan) 중 적어도 어느 하나의 뜨기 방식에 의해 상기 구동부 및 센서부가 2차원으로 마련되어, 3차원으로 변형되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 전도성 섬유가 상기 구동부의 가로, 세로 또는 대각선 방향으로 적어도 1열 마련되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 구동부의 주대각선 및 보조대각선 방향을 따라 재봉(Sewing)되어 마련되되, 상기 주대각선 및 보조대각선이 상기 구동부의 일면과 타면에 각각 상호 겹치지 않도록 재봉되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 구동부와 동일 패턴을 가지고 상기 구동부의 전체 영역에 대응되도록 마련되는 섬유 기반 구동-센서시스템.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 센서부로부터 감지 신호를 제공받아 처리하여, 상기 제어부로 제공하는 처리부; 및
    상기 제어부와 상기 구동부의 사이에서 상기 제어부의 제어 신호에 의해 상기 구동부에 전원을 선택적으로 공급하는 전원공급부;
    를 포함하는 섬유 기반 구동-센서시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017170326A (ja) 2016-03-23 2017-09-28 大陽日酸株式会社 排ガス処理装置、及び排ガス処理方法

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