KR20240078348A

KR20240078348A - 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템

Info

Publication number: KR20240078348A
Application number: KR1020230160752A
Authority: KR
Inventors: 신동준; 이승열
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2022-11-25
Filing date: 2023-11-20
Publication date: 2024-06-03

Abstract

본 발명은 유체 압력을 이용한 복합 구동 시스템으로서, 유체의 출입에 의해 길이방향 및 반경방향으로 신축가능한 신축챔버(110)가 구비된 수축형 구동부(100); 상기 수축형 구동부(100)의 유체 출입 단부(101) 내측에 동일한 길이방향으로 삽입 배치되며, 유체의 출입에 의해 길이방향으로 신축가능한 신축챔버(210)가 구비된 내부 구동부(200); 및 상기 내부 구동부(200)와 직렬 연통되도록 수축형 구동부(100)의 내부에 삽입되며, 유체의 출입에 의해 길이방향으로 신축가능한 신축챔버(310)가 구비되되, 신축챔버(310) 일부는 수축형 구동부(100)의 외부로 돌출되어 신축가능하도록 구비된 팽창형 구동부(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템이다.

Description

팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템{Composite driving system with both inflatable and deflatable driving device}

본 발명은 복합 구동 시스템에 관한 것이다. 구체적으로는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 오일, 공기 등의 유체 압력을 이용한 복합 구동 시스템에 관한 것으로서, 물건을 인양하는 로봇 암, 웨어러블 형태로 장착된 인공근육 구동부 등 다양한 용도에 사용될 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명의 설명을 용이하게 하기 위하여, 공압식 인공근육 구동부를 예로 들어 설명할 수 있다. 다만, 그에 국한되지 않는 것을 명확하게 밝힌다.

공압 인공근육은 압력에너지를 기계에너지로 변환하는 일종의 변환기이며, 수축 힘을 생성하는 구동기를 통칭한다.

일반적인 공압 실린더와는 달리, 구동기 자체의 소재가 유연하고 질기며 가벼운 소재로 구성이 되어 있으며 공기를 매질로 사용하기 때문에 매우 가벼운 특성이 있다.

구동기의 크기와 제공되는 공기 압력에 따라서 구동기의 힘이 결정이 되며 파스칼의 원리에 따라 굉장히 강한 힘을 생성할 수 있어 높은 힘밀도의 특성을 지닌다. 따라서 공압 인공근육은 가볍고 유연하며 큰 힘을 낼 수 있는 장점을 지닌다.

공압 인공근육의 단점으로는 큰 공기소모량, 느린 속도, 짧은 작동범위가 있다. 구동기의 입력인 공기는 압축성 유체의 특징을 지니므로 구동기 작동에 많은 공기량을 요구하며 공압 인공근육의 응답성을 지연시키는 원인으로 작용한다. 심지어 대부분의 경우, 공압 인공근육의 배기는 흡기에 비해 느리기 때문에 구동기의 속도를 저해하는 주요원인이다. 또한, 압력에너지를 기계에너지로 전환하는 외피 메커니즘의 구조적인 한계로 인해 공압 인공근육은 25% 수준의 짧은 수축비를 가지며 원하는 작동범위를 충족하기 위해서 긴 구동기의 길이가 필요하다.

공압 인공근육의 압력 소스를 생성하기 위해서 일반적으로 컴프레셔나 유체형태의 공기탱크(CO2 등)를 사용한다. 로봇의 이동성이 중요하게 고려될 경우, 압력 소스의 생성을 위한 기계장치의 사이즈는 제한된다. 따라서, 모바일 컴프레셔는 제공하는 유량이 굉장히 낮아지고, 공기탱크는 공기의 저장량이 소량으로 한정적인 단점이 있다.

공압 인공근육은 로봇 매니퓰레이터, 그리퍼, 웨어러블 로봇 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 특히 웨어러블 로봇의 경우, 공압 인공근육으로 작동하는 웨어러블 로봇은 사람의 다양한 움직임에 대처할 수 있는 유연성이 있어 이질감을 크게 완화할 수 있다. 사람은 다양한 작업을 수행하는데 반해 기존의 단단한 프레임의 웨어러블 모터구동으로 작동하는 웨어러블 로봇은 특정한 움직임만 보조하도록 설계되어 있기 때문에 사람이 설계되지 않은 움직임을 할 경우 불편함과 이질감을 느끼기 때문이다.

(문헌 1) 한국등록특허공보 제10-2402777호 (2022.05.24)

본 발명에 따른 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템은 다음과 같은 해결과제를 가진다.

첫째, 공압식 구동기의 수축길이 및 신장(이완)길이의 차이를 크게 하고자 한다.

둘째, 기존의 수축형 구동기 자체의 길이를 길게 하지 않고도, 원활한 길이의 신축이 수행되도록 한다.

셋째, 유체 주입과 배출시, 신축챔버의 반응이 신속하게 되도록 한다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 유체 압력을 이용한 복합 구동 시스템으로서, 유체의 출입에 의해 길이방향 및 반경방향으로 신축가능한 신축챔버가 구비된 수축형 구동부; 상기 수축형 구동부의 유체 출입 단부 내측에 동일한 길이방향으로 삽입 배치되며, 유체의 출입에 의해 길이방향으로 신축가능한 신축챔버가 구비된 내부 구동부; 및 상기 내부 구동부와 직렬 연통되도록 수축형 구동부의 내부에 삽입되며, 유체의 출입에 의해 길이방향으로 신축가능한 신축챔버가 구비되되, 신축챔버 일부는 수축형 구동부의 외부로 돌출되어 신축가능하도록 구비된 팽창형 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템이다.

본 발명에 있어서, 상기 복합 구동 시스템에서, 내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버에 유체가 주입되는 제1 동작; 내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버에 주입된 유체를 배출시키면서, 동시에 수축형 구동부의 신축챔버에 유체가 주입되는 제2 동작; 및 수축형 구동부의 신축챔버에 주입된 유체를 배출시키면서, 동시에 내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버에 유체가 주입되는 제3 동작이 수행되되, 제1 동작이 수행된 후, 제2 동작 및 제3 동작이 반복 수행될 수 있다.

본 발명에 있어서, 제1 동작에서, 팽창형 구동부의 신축챔버는 길이방향으로 신장되면서 수축형 구동부 외부로 더욱 돌출되며, 제2 동작에서, 내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버는 길이방향으로 수축되고, 수축형 구동부의 신축챔버는 반경방향으로 신장되되, 길이방향으로는 수축되며, 제3 동작에서, 수축형 구동부의 신축챔버는 반경방향으로 수축되되, 길이방향으로는 신장되며, 내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버는 길이방향으로 신장될 수 있다.

본 발명에 있어서, 팽창형 구동부의 신축챔버의 길이방향의 신축율은 수축형 구동부의 신축챔버의 길이방향의 신축율보다 큰 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 제2 동작에서, 내부 구동부의 신축챔버 보다 팽창형 구동부의 신축챔버의 수축율이 더 크며, 제3 동작에서, 내부 구동부의 신축챔버 보다 팽창형 구동부의 신축챔버의 신장율이 더 큰 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 상기 수축형 구동부는 중공 구조의 신축가능한 상기 신축챔버; 신축챔버의 유체 출입 단부에 구비된 통로부; 및 신축챔버의 타단에 구비되어, 팽창형 구동부의 신축챔버의 일부가 돌출되도록 구비된 개구부를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 내부 구동부는 중공 구조의 신축가능한 상기 신축챔버; 신축챔버의 일단에 구비되고, 수축형 구동부의 유체 출입 단부에 밀봉 결합되어, 유체를 신축챔버로 출입시키는 제1 통로부; 및 신축챔버의 타단에 구비되고, 팽창형 구동부와 연통되는 제2 통로부를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 팽창형 구동부는 중공 구조의 신축가능한 상기 신축챔버; 및 신축챔버의 일단에 구비되고, 내부 구동부와 연통되어 유체를 신축챔버로 출입시키는 통로부를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 팽창형 구동부는 팽창형 구동부의 통로부와 내부 구동부를 결합시키고, 상기 신축챔버의 신축동작이 수행되도록 지지하는 신축 지지부가 더 구비될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 신축 지지부의 일측 외면에는 연질 재질로 된 적어도 하나의 밀폐 링이 구비되어, 수축형 구동부와의 기밀성이 유지될 수 있다.

본 발명에 있어서, 수축형 구동부의 신축챔버는 유체 출입시 전 방향으로 신축이 가능한 내부커버 및 상기 내부커버의 팽창시에 길이방향으로 수축되고, 반경방향으로 신장되도록 제어하고, 상기 내부커버의 수축시에 길이방향으로 신장되고, 반경방향으로 수축되도록 제어가능한 외부 커버의 2겹 구조로 구비될 수 있다.

본 발명에 있어서, 수축형 구동부의 신축챔버는 유체 유입시에 길이방향으로 수축되고, 반경방향으로 신장되도록 제어하고, 유체 배출시에 길이방향으로 신장되고, 반경방향으로 수축되도록 제어가능한 1겹의 커버로 구비될 수 있다.

본 발명에 있어서, 내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버는 튜브 형태의 주름 구조체로 구비될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 튜브 형태의 주름 구조체는 유체 출입시 전 방향으로 신축이 가능한 내부커버 및 상기 내부커버의 팽창시에 길이방향으로 신장되고, 상기 내부커버의 수축시에 길이방향으로 수축되도록 제어가능한 외부 커버의 2겹 구조로 구비될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 튜브 형태의 주름 구조체는 유체 유입시에 길이방향으로 신장되고, 유체 배출시에 길이방향으로 수축되도록 제어가능한 1겹의 커버로 구비될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 주입되는 유체는 오일, 공기 또는 기체 질소를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 팽창형 구동부는 복수개가 병렬배치되고, 복수개의 팽창형 구동부에 대응되는 각 내부 구동부가 구비되며, 각 팽창형 구동부의 신축챔버 일부는 수축형 구동부의 외부로 각각 돌출되어 신축가능하도록 구비될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 수축형 구동부의 유체 출입 단부와 상기 팽창형 구동부의 신축되는 단부에는 구동대상체와 연결되는 연결부재가 결합될 수 있다.

본 발명에 따른 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 수축형 구동기 내부에 내부 구동기 및 팽창형 구동기를 삽입배치한 복합 구동 시스템을 채택함으로써, 공압식 구동기의 수축길이 및 신장(이완)길이의 차이를 크게 하는 효과가 있다.

둘째, 따라서, 기존의 수축형 구동기와 같이 자체의 길이를 길게 하지 않고도, 원활한 길이의 신축이 수행되는 효과가 있다.

셋째, 신축챔버를 전방향 신축이 가능한 내부 커버와 방향성이 제한되는 외부 커버로 구비함으로써, 유체의 주입과 배출시 신축챔버의 반응이 신속하게 되는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 내부를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합 구동 시스템의 작동을 설명하는 개념도로서, 도 2a는 기존 수축형 구동부(100)와 본 발명에 따른 복합 구동 시스템의 준비상태를 나타내며, 도 2b는 복합 구동 시스템의 제1 동작을 나타내며, 도 2c는 복합 구동 시스템의 제2 동작을 나타내며, 도 2d는 복합 구동 시스템의 제3 동작을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 사시도로 복합 구동 시스템의 작동을 설명하는 모식도로서, 도 3a는 기존 수축형 구동부(100)와 본 발명에 따른 복합 구동 시스템의 준비상태를 나타내며, 도 3b는 복합 구동 시스템의 제1 동작을 나타내며, 도 3c는 복합 구동 시스템의 제2 동작을 나타내며, 도 3d는 복합 구동 시스템의 제3 동작을 나타낸다.
도 4는 도 3의 단면도로 복합 구동 시스템의 작동을 설명하는 모식도로서, 도 4a는 기존 수축형 구동부(100)와 본 발명에 따른 복합 구동 시스템의 준비상태를 나타내며, 도 4b는 복합 구동 시스템의 제1 동작을 나타내며, 도 4c는 복합 구동 시스템의 제2 동작을 나타내며, 도 4d는 복합 구동 시스템의 제3 동작을 나타낸다.
도 5a는 본 발명에 따른 수축형 구동부(100)의 모식도이고, 도 5b는 도 5a의 단면도이다.
도 6은 수축형 구동부의 일 실시예를 나타낸다.
도 7a는 본 발명에 따른 내부 구동부(200)의 모식도이고, 도 7b는 도 7a의 단면도이다.
도 8은 내부 구동부의 일 실시예를 나타낸다.
도 9a는 본 발명에 따른 팽창형 구동부(300)의 모식도이고, 도 9b는 도 9a의 단면도이다.
도 10은 팽창형 구동부의 일 실시예를 나타낸다.
도 11은 1개의 수축형 구동부(100) 내부에 3개의 팽창형 구동부(300)가 삽입 배치된 일 실시예를 나타내는 모식도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용되는 방향에 관한 표현, 예를 들어 전/후/좌/우의 표현, 상/하의 표현, 종방향/횡방향의 표현은 도면에 개시된 방향을 참고하여 해석될 수 있다.

본 발명은 유체 압력을 이용한 복합 구동 시스템이다. 유체는 액체와 기체를 포함하므로, 오일, 공기, 기체 질소 등 다양한 형태의 유체가 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 구동부는 주입되는 유체의 압력을 이용하는 구동부로서, 유압 구동부, 공압 구동부, 음압 구동부 등 다양한 형태의 구동부로 구현될 수 있다.

이하에서는 도면을 참고하여 본 발명을 설명하고자 한다. 참고로, 도면은 본 발명의 특징을 설명하기 위하여, 일부 과장되게 표현될 수도 있다. 이 경우, 본 명세서의 전 취지에 비추어 해석되는 것이 바람직하다.

도 1a는 본 발명에 따른 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 내부를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 복합 구동 시스템의 작동을 설명하는 개념도로서, 도 2a는 기존 수축형 구동부(100)와 본 발명에 따른 복합 구동 시스템의 준비상태를 나타내며, 도 2b는 복합 구동 시스템의 제1 동작을 나타내며, 도 2c는 복합 구동 시스템의 제2 동작을 나타내며, 도 2d는 복합 구동 시스템의 제3 동작을 나타낸다.

도 2a는 준비상태로서, 기존 수축형 구동부는 본 발명에 따른 복합 구동 시스템과 동일한 길이로 준비된다.

기존 수축형 구동부의 경우, 도 2c와 도 2d의 수축 및 신장의 길이 차이가 신축가능한 범위가 된다. 또한, 본 발명에 따른 복합 구동 시스템도 도 2c와 도 2d의 수축 및 신장의 길이 차이가 신축가능한 범위가 된다. 양 자의 신축가능한 범위를 비교하면, 신축율은 매우 큰 차이가 있음을 알수 있다.

이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 복합 구동 시스템에서, 내부 구동부의 신축챔버(210) 및 팽창형 구동부의 신축챔버(310)에 유체가 주입되는 제1 동작; 내부 구동부의 신축챔버(210) 및 팽창형 구동부의 신축챔버(310)에 주입된 유체를 배출시키면서, 동시에 수축형 구동부의 신축챔버(110)에 유체가 주입되는 제2 동작; 및 수축형 구동부의 신축챔버(110)에 주입된 유체를 배출시키면서, 동시에 내부 구동부의 신축챔버(210) 및 팽창형 구동부의 신축챔버(310)에 유체가 주입되는 제3 동작이 수행되되, 제1 동작이 수행된 후, 제2 동작 및 제3 동작이 반복 수행될 수 있다.

제1 동작에서, 팽창형 구동부의 신축챔버(310)는 길이방향으로 신장되면서 수축형 구동부(100) 외부로 더욱 돌출된다.

제2 동작에서, 내부 구동부의 신축챔버(210) 및 팽창형 구동부의 신축챔버(310)는 길이방향으로 수축되고, 수축형 구동부의 신축챔버(110)는 반경방향으로 신장되되, 길이방향으로는 수축된다.

제3 동작에서, 수축형 구동부의 신축챔버(110)는 반경방향으로 수축되되, 길이방향으로는 신장되며, 내부 구동부의 신축챔버(210) 및 팽창형 구동부의 신축챔버(310)는 길이방향으로 신장된다.

본 발명에 따른 복합 구동 시스템은 기존 수축형 구동부에 비해 공기 소모량을 절반이상 감소시킬 수 있다. 기존 수축형 구동부는 도 2의 파란색 영역에 모두 공기를 주입해야 작동할 수 있는 반면, 본 발명에 따른 복합 구동 시스템은 도 2의 주황색 영역에 공기를 주입하면 작동하게 된다. 공압식 구동부와 같은 실린더 형상에서 공간의 부피는 반지름의 제곱과 길이의 곱으로 구성되기 때문에 반지름의 감소는 부피의 큰 감소에 효과가 있다.

본 발명에 따른 복합 구동 시스템은 수축형 구동부의 내부에서, 내부 구동부에 의한 부피감소 효과를 가지며, 반지름이 비교적 작은 팽창형 구동부는 공기소모량이 크지 않기 때문에 총합적인 효과로서 공기 소모량이 감소하는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 팽창형 구동부는 길이방향으로 일 예로서, 최대 300% 이상까지 신장이 가능하기 때문에 구동기의 작동범위를 크게 향상할 수 있다

본 발명에 있어서, 팽창형 구동부의 신축챔버(310)의 길이방향의 신축율은 수축형 구동부의 신축챔버(110)의 길이방향의 신축율보다 큰 것이 바람직하다.

팽창형 구동부의 신축챔버(310)의 길이방향의 수축율이 큰 점을 활용하면, 수축형 구동부 자체의 길이를 너무 길게 구비하지 않아도, 소정의 긴 길이로 신축되는 것이 가능하다.

또한, 제2 동작에서, 내부 구동부의 신축챔버(210) 보다 팽창형 구동부의 신축챔버(310)의 수축율이 더 크며, 제3 동작에서, 내부 구동부의 신축챔버(210) 보다 팽창형 구동부의 신축챔버(310)의 신장율이 더 큰 것이 바람직하다.

팽창형 구동부(300)의 신축챔버(310)의 역할은 많은 변위를 빠른 속도로 움직임으로써 구동부 전체의 작동범위와 속도를 높이기 위한 장치로 기능한다, 따라서, 내부 구동부의 신축챔버(210) 보다 팽창형 구동부의 신축챔버(310)의 수축율 및 신장율이 더 크게 될 수 있다.

한편, 내부 구동부의 신축챔버(210)과 팽창형 구동부의 신축챔버(310) 모두 주름구조(오리가미 패턴 구조)로 구비될 수 있는데, 양 신축챔버의 동적 특성에 차이가 있는 이유는 초기 조립상태가 어떻게 되어있는지에 따라 다를 수 있기 때문이다. 내부 구동부의 신축챔버(210)는 주름구조(오리가미 패턴구조)가 대부분 펴져있는 상태에서 조립될 수 있다. 따라서 더 늘어나기 보다는 수축하는데 유리하도록 조립되어 있다. 반면에 팽창형 구동부의 신축챔버(310)은 주름구조(오리가미 패턴구조)가 밀집하게 접혀져 있는 상태에서 조립이 되기 때문에, 수축하기보다는 늘어나는 것이 유리하도록 조립이 되어 있다. 특정 목적에 따라 조립 상태를 바꾸어 주면내부 구동부의 신축챔버(210)과 팽창형 구동부의 신축챔버(310)의 특정한 대소 관계가 성립될 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 복합 구동 시스템에서, 준비상태와 제1 동작 내지 제3 동작을 사시도 및 단면도를 통해 살펴보면 도 3 및 도 4와 같이 나타낼 수 있다.

도 3은 본 발명의 사시도로 복합 구동 시스템의 작동을 설명하는 모식도로서, 도 3a는 기존 수축형 구동부(100)와 본 발명에 따른 복합 구동 시스템의 준비상태를 나타내며, 도 3b는 복합 구동 시스템의 제1 동작을 나타내며, 도 3c는 복합 구동 시스템의 제2 동작을 나타내며, 도 3d는 복합 구동 시스템의 제3 동작을 나타낸다.

도 4는 도 3의 단면도로 복합 구동 시스템의 작동을 설명하는 모식도로서, 도 4a는 기존 수축형 구동부(100)와 본 발명에 따른 복합 구동 시스템의 준비상태를 나타내며, 도 4b는 복합 구동 시스템의 제1 동작을 나타내며, 도 4c는 복합 구동 시스템의 제2 동작을 나타내며, 도 4d는 복합 구동 시스템의 제3 동작을 나타낸다.

도 4b는 제1 동작으로서, 내부 구동부(200)의 제1 통로부(220)를 통해 유체가 주입되면, 주입된 유체는 내부 구동부(200)의 신축챔버(210)를 통과하여, 팽창형 구동부(300)로 이동된다. 이동된 유체에 의해 팽창형 구동부(300)의 신축챔버(310)는 길이방향으로 급격하게 신장된다.

본 발명에 있어서, 내부 구동부(200)의 신축챔버(210)는 초기에 주름구조(오리가미 패턴구조)가 대부분 펼쳐진 상태에서 조립되므로 길이방향으로 신장할 수 있는 변위가 매우 작게 된다. 또한, 구동부의 전체적 거동의 관점에서는 수축형 구동부의 신축챔버(110)의 제약으로 인해 길이방향의 신장이 제한될 수 있다. 따라서, 제1 동작에서 내부 구동부(200)의 신축챔버(210)의 길이방향으로의 신장되는 변위는 매우 미약할 수 있다.

다만, 구동부의 조립상태에 따라서 길이방향으로 신장되는 변위를 기 설정된 범위로 조정하는 것이 가능하다. 예를 들어, 내부 구동부(200)의 신축챔버(210)의 초기 조립 상태를 오리가미가 일부분 겹쳐져 있도록 조립을 하고, 수축형 구동부의 신축챔버(110)의 조립상태를 어느정도 길이방향으로 신장할 수 있도록 조립을 하면, 수축형 구동부(100)는 잡아당기는 힘에도 늘어날 수 있는 변위를 가질 수 있다.

도 4c는 제2 동작으로서, 팽창형 구동부(300)의 신축챔버(210)를 신장시킨 유체는 다시 내부 구동부(200)의 신축챔버(210)를 통과하여, 내부 구동부(200)의 제1 통로부(220)를 통해 배출된다. 이때, 팽창형 구동부(300)의 신축챔버(210) 및 내부 구동부(200)의 신축챔버(210)는 길이방향으로 급격하게 축소된다.

동시에, 수축형 구동부(100)의 통로부(120)를 통해 수축형 구동부(100)의 신축챔버(110)로 유체가 주입된다. 유체가 주입되면, 수축형 구동부(100)의 신축챔버(110)는 반경방향으로 신장(팽창)되며, 길이방향으로는 수축된다.

도 4d는 제3 동작으로서, 수축형 구동부(100)의 신축챔버(110)에 주입된 유체는 통로부(120)를 통해 배출된다. 이때, 수축형 구동부(100)의 신축챔버(110)는 반경방향으로 수축되며, 길이방향으로는 신장(팽창)된다.

동시에, 내부 구동부(200)의 제1 통로부(220)를 통해 유체가 주입되면, 주입된 유체는 내부 구동부(200)의 신축챔버(210)를 통과하여, 팽창형 구동부(300)로 이동된다. 이동된 유체에 의해 팽창형 구동부(300)의 신축챔버(310)는 길이방향으로 급격하게 신장된다.

준비상태에서 제1 동작, 제2 동작 및 제3 동작이 순차적으로 진행된 후, 제2 동작과 제2 동작이 반복수행되면서 구동 시스템이 작동하게 된다.

그리고 주입된 모든 유체를 배기하여, 준비상태로 돌아갈 수 있다.

한편, 준비 상태를 특정하게 설정하는 것도 가능하다. 예를 들어, 웨어러블 로봇에 사용될 경우, 구동부에 유체가 미주입되어 구동기부가 미작동되는 경우, 구동부의 짧은 길이로 인해 사람의 움직임이 제한되는 문제점이 발생된다면, 팽창형 구동부에 유체를 일정 정도 넣어두고 구동부의 길이를 신장시켜 사람의 움직임을 방해하지 않는 상태를 준비 상태를 만들 수 있을 것이다.

이하에서는 본 발명에 따른 수축형 구동부(100)를 설명한다.

본 발명에 따른 수축형 구동부(100)는 유체의 출입에 의해 길이방향 및 반경방향으로 신축가능한 신축챔버(110)가 구비될 수 있다.

도 5a는 본 발명에 따른 수축형 구동부(100)의 모식도이고, 도 5b는 도 5a의 단면도이다. 도 6은 수축형 구동부의 일 실시예를 나타낸다.

도 5에 도시된 바와 같이, 수축형 구동부(100)는 중공 구조의 신축가능한 상기 신축챔버(110); 신축챔버(110)의 유체 출입 단부(101)에 구비된 통로부(120); 및 신축챔버(110)의 타단에 구비되어, 팽창형 구동부의 신축챔버(310)의 일부가 돌출되도록 구비된 개구부(130)를 포함한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 내부 구동부(200)를 설명한다.

본 발명에 따른 내부 구동부(200)는 수축형 구동부(100)의 유체 출입 단부(101) 내측에 동일한 길이방향으로 삽입 배치되며, 유체의 출입에 의해 길이방향으로 신축가능한 신축챔버(210)가 구비될 수 있다.

도 7a는 본 발명에 따른 내부 구동부(200)의 모식도이고, 도 7b는 도 7a의 단면도이다. 도 8은 내부 구동부의 일 실시예를 나타낸다.

도 7에 도시된 바와 같이, 내부 구동부(200)는 중공 구조의 신축가능한 상기 신축챔버(210); 신축챔버(210)의 일단에 구비되고, 수축형 구동부(100)의 유체 출입 단부(101)에 밀봉 결합되어, 유체를 신축챔버(210)로 출입시키는 제1 통로부(220); 및 신축챔버(210)의 타단에 구비되고, 팽창형 구동부(300)와 연통되는 제2 통로부(230)를 포함한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 팽창형 구동부(300)를 설명한다.

본 발명에 따른 팽창형 구동부(300)는 내부 구동부(200)와 직렬 연통되도록 수축형 구동부(100)의 내부에 삽입되며, 유체의 출입에 의해 길이방향으로 신축가능한 신축챔버(310)가 구비되되, 신축챔버(310) 일부는 수축형 구동부(100)의 외부로 돌출되어 신축가능하도록 구비될 수 있다.

도 9a는 본 발명에 따른 팽창형 구동부(300)의 모식도이고, 도 9b는 도 9a의 단면도이다. 도 10은 팽창형 구동부의 일 실시예를 나타낸다.

도 9에 도시된 바와 같이, 팽창형 구동부(300)는 중공 구조의 신축가능한 상기 신축챔버(310); 및 신축챔버(310)의 일단에 구비되고, 내부 구동부(200)와 연통되어 유체를 신축챔버(310)로 출입시키는 통로부(320)를 포함한다.

본 발명에 따른 팽창형 구동부(300)는 팽창형 구동부의 통로부(320)와 내부 구동부(200)를 결합시키고, 상기 신축챔버(310)의 신축동작이 수행되도록 지지하는 신축 지지부(330)가 더 구비될 수 있다. 수축형 구동부(100)에 유체가 배출되어 반경방향으로 수축된 경우, 신축 지지부(330)는 수축형 구동부(100)의 내면에 밀착 또는 이격될 수 있다. 다만, 수축형 구동부(100)에 유체가 주입되어 반경방향으로 신창(팽창)된 경우, 신축 지지부(330)는 수축형 구동부(100)의 내면과 이격될 수 있다.

수축형 구동부(100)의 내부에 삽입된 팽창형 구동부(300)로 인하여, 수축형 구동부(100)에 주입된 유체가 누설되는 것은 방지되어야 한다.

이를 위하여, 본 발명은 신축 지지부(330)의 일측 외면에는 연질 재질로 된 적어도 하나의 밀폐 링(331)이 구비되어, 수축형 구동부(100)와의 기밀성이 유지될 수 있다.

팽창형 구동부(300)의 밀폐 링(331)은 수축형 구동부(100)의 개구부(130)와 밀폐결합되는데, 이로 인하여, 수축형 구동부(100)의 수축 및 신장시에도 팽창형 구동부(300)와 틈새가 발생되지 않게 되어, 유체의 누설이 방지될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 신축챔버를 설명한다.

본 발명에 따른 신축챔버들은 1겹 구조 또는 2겹 구조로 구비될 수 있다. 아래에서 각 신축챔버를 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 수축형 구동부의 신축챔버(110)를 설명한다.

수축형 구동부의 신축챔버(110)는 유체 출입시 전 방향으로 신축이 가능한 내부 커버(112) 및 상기 내부 커버(112)의 팽창시에 길이방향으로 수축되고, 반경방향으로 신장되도록 제어하고, 상기 내부 커버(112)의 수축시에 길이방향으로 신장되고, 반경방향으로 수축되도록 제어가능한 외부 커버(111)의 2겹 구조로 구비될 수 있다.

또한, 수축형 구동부의 신축챔버(110)는 유체 유입시에 길이방향으로 수축되고, 반경방향으로 신장되도록 제어하고, 유체 배출시에 길이방향으로 신장되고, 반경방향으로 수축되도록 제어가능한 1겹의 커버로 구비될 수도 있다.

다음으로, 내부 구동부의 신축챔버(210) 및 팽창형 구동부의 신축챔버(310)을 설명한다.

내부 구동부의 신축챔버(210) 및 팽창형 구동부의 신축챔버(310)는 튜브 형태의 주름 구조체로 구비될 수 있다.

도 7은 1겹 구조의 내부 구동부의 신축챔버(210)를 나타내며, 도 9는 2겹 구조의 팽창형 구동부의 신축챔버(310)를 나타낸다.

2겹 구조의 경우, 도 9에 도시된 팽창형 구동부의 신축챔버(310)를 예를 들어 설명한다. 튜브 형태의 주름 구조체는 유체 출입시 전 방향으로 신축이 가능한 내부 커버(312) 및 상기 내부 커버(312)의 팽창시에 길이방향으로 신장되고, 상기 내부 커버(312)의 수축시에 길이방향으로 수축되도록 제어가능한 외부 커버(311)의 2겹 구조로 구비될 수 있다.

1겹 구조의 경우, 튜브 형태의 주름 구조체는 유체 유입시에 길이방향으로 신장되고, 유체 배출시에 길이방향으로 수축되도록 제어가능한 1겹의 커버로 구비될 수 있다.(도 7 참조)

본 발명에 따른 복합 구동 시스템에 주입되는 유체는 특정한 유체에 국한되지 않고 다양하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 공기 또는 기체 질소가 사용될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 복합 구동 시스템에 있어서, 1개의 수축형 구동부(100) 내부에 복수개의 팽창형 구동부(300)가 삽입 배치되는 실시예가 가능하다.

도 11은 1개의 수축형 구동부(100) 내부에 3개의 팽창형 구동부(300A)(300B)(300C)가 삽입 배치된 일 실시예를 나타내는 모식도이다.

본 실시예에 있어서, 팽창형 구동부(300)는 복수개가 병렬배치되고, 복수개의 팽창형 구동부(300)에 대응되는 각 내부 구동부(200)가 구비되며, 각 팽창형 구동부의 신축챔버(310) 일부는 수축형 구동부(100)의 외부로 각각 돌출되어 신축가능하도록 구비될 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 수축형 구동부(100)의 유체 출입 단부(101)와 상기 팽창형 구동부(300)의 신축되는 단부에는 구동대상체(미도시)와 연결되는 연결부재(400)가 결합될 수 있다.

본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 수축형 구동부 101 : 유체 출입 단부
110 : 신축챔버 111 : 외부 커버
112 : 내부 커버 120 : 통로부
130 : 개구부
200 : 내부 구동부 210 : 신축챔버
220 : 제1 통로부 230 : 제2 통로부
300 : 팽창형 구동부 301 : 신축 단부
310 : 신축챔버 311 : 외부 커버
312 : 내부 커버 320 : 통로부
330 : 신축 지지부 331 : 밀폐 링
400 : 연결부재

Claims

유체 압력을 이용한 복합 구동 시스템으로서,
유체의 출입에 의해 길이방향 및 반경방향으로 신축가능한 신축챔버가 구비된 수축형 구동부;
상기 수축형 구동부의 유체 출입 단부 내측에 동일한 길이방향으로 삽입 배치되며, 유체의 출입에 의해 길이방향으로 신축가능한 신축챔버가 구비된 내부 구동부; 및
상기 내부 구동부와 직렬 연통되도록 수축형 구동부의 내부에 삽입되며, 유체의 출입에 의해 길이방향으로 신축가능한 신축챔버가 구비되되, 신축챔버 일부는 수축형 구동부의 외부로 돌출되어 신축가능하도록 구비된 팽창형 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 복합 구동 시스템에서,
내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버에 유체가 주입되는 제1 동작;
내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버에 주입된 유체를 배출시키면서, 동시에 수축형 구동부의 신축챔버에 유체가 주입되는 제2 동작; 및
수축형 구동부의 신축챔버에 주입된 유체를 배출시키면서, 동시에 내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버에 유체가 주입되는 제3 동작이 수행되되,
제1 동작이 수행된 후, 제2 동작 및 제3 동작이 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 2에 있어서,
제1 동작에서, 팽창형 구동부의 신축챔버는 길이방향으로 신장되면서 수축형 구동부 외부로 더욱 돌출되며,
제2 동작에서, 내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버는 길이방향으로 수축되고, 수축형 구동부의 신축챔버는 반경방향으로 신장되되, 길이방향으로는 수축되며,
제3 동작에서, 수축형 구동부의 신축챔버는 반경방향으로 수축되되, 길이방향으로는 신장되며, 내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버는 길이방향으로 신장되는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 3에 있어서,
팽창형 구동부의 신축챔버의 길이방향의 신축율은 수축형 구동부의 신축챔버의 길이방향의 신축율보다 큰 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 3에 있어서,
제2 동작에서, 내부 구동부의 신축챔버 보다 팽창형 구동부의 신축챔버의 수축율이 더 크며,
제3 동작에서, 내부 구동부의 신축챔버 보다 팽창형 구동부의 신축챔버의 신장율이 더 큰 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 수축형 구동부는
중공 구조의 신축가능한 상기 신축챔버;
신축챔버의 유체 출입 단부에 구비된 통로부; 및
신축챔버의 타단에 구비되어, 팽창형 구동부의 신축챔버의 일부가 돌출되도록 구비된 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 내부 구동부는
중공 구조의 신축가능한 상기 신축챔버;
신축챔버의 일단에 구비되고, 수축형 구동부의 유체 출입 단부에 밀봉 결합되어, 유체를 신축챔버로 출입시키는 제1 통로부; 및
신축챔버의 타단에 구비되고, 팽창형 구동부와 연통되는 제2 통로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 팽창형 구동부는
중공 구조의 신축가능한 상기 신축챔버; 및
신축챔버의 일단에 구비되고, 내부 구동부와 연통되어 유체를 신축챔버로 출입시키는 통로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 팽창형 구동부는
팽창형 구동부의 통로부와 내부 구동부를 결합시키고,
상기 신축챔버의 신축동작이 수행되도록 지지하는 신축 지지부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 신축 지지부의 일측 외면에는 연질 재질로 된 적어도 하나의 밀폐 링이 구비되어, 수축형 구동부와의 기밀성이 유지되는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
수축형 구동부의 신축챔버는
유체 출입시 전 방향으로 신축이 가능한 내부커버 및
상기 내부커버의 팽창시에 길이방향으로 수축되고, 반경방향으로 신장되도록 제어하고, 상기 내부커버의 수축시에 길이방향으로 신장되고, 반경방향으로 수축되도록 제어가능한 외부 커버의 2겹 구조로 구비되는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
수축형 구동부의 신축챔버는
유체 유입시에 길이방향으로 수축되고, 반경방향으로 신장되도록 제어하고,
유체 배출시에 길이방향으로 신장되고, 반경방향으로 수축되도록 제어가능한 1겹의 커버로 구비되는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
내부 구동부의 신축챔버 및 팽창형 구동부의 신축챔버는 튜브 형태의 주름 구조체로 구비되는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 튜브 형태의 주름 구조체는
유체 출입시 전 방향으로 신축이 가능한 내부커버 및
상기 내부커버의 팽창시에 길이방향으로 신장되고, 상기 내부커버의 수축시에 길이방향으로 수축되도록 제어가능한 외부 커버의 2겹 구조로 구비되는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 튜브 형태의 주름 구조체는
유체 유입시에 길이방향으로 신장되고, 유체 배출시에 길이방향으로 수축되도록 제어가능한 1겹의 커버로 구비되는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 주입되는 유체는 오일, 공기 또는 기체 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 팽창형 구동부는 복수개가 병렬배치되고,
복수개의 팽창형 구동부에 대응되는 각 내부 구동부가 구비되며,
각 팽창형 구동부의 신축챔버 일부는 수축형 구동부의 외부로 각각 돌출되어 신축가능하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 수축형 구동부의 유체 출입 단부와 상기 팽창형 구동부의 신축되는 단부에는 구동대상체와 연결되는 연결부재가 결합되는 것을 특징으로 하는 팽창형 구동부와 수축형 구동부가 함께 구비된 복합 구동 시스템.