WO2010126223A2 - 자벌레 로봇 - Google Patents

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WO2010126223A2
WO2010126223A2 PCT/KR2010/000825 KR2010000825W WO2010126223A2 WO 2010126223 A2 WO2010126223 A2 WO 2010126223A2 KR 2010000825 W KR2010000825 W KR 2010000825W WO 2010126223 A2 WO2010126223 A2 WO 2010126223A2
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WO
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robot
shape memory
body portion
memory alloy
wire
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PCT/KR2010/000825
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English (en)
French (fr)
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WO2010126223A3 (ko
Inventor
안성훈
추원식
김민생
이길용
김윤미
이재훈
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서울대학교산학협력단
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/1085—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements positioning by means of shape-memory materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/061—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element
    • F03G7/0614—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like characterised by the actuating element using shape memory elements
    • F03G7/06143—Wires
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S901/00—Robots
    • Y10S901/01—Mobile robot

Definitions

  • the present invention relates to a self-moving robot, in which a shape memory alloy (SMA) wire is coupled as an actuator to a composite material.
  • SMA shape memory alloy
  • the present invention is formed on both ends of the body portion and the curvature radius is changed according to the shrinkage and restoration of the shape memory alloy (SMA) wire, and the bottom surface is formed by including a leg portion is formed at different friction coefficients in at least two parts
  • SMA shape memory alloy
  • shape memory alloys (Shape Memory Alloys) is a material having a function associated with the shape memory effect first discovered in the 1960s.
  • SMA shape memory alloy
  • the restoring force generated per unit area of the shape memory alloy (SMA) is significantly more than 10 times higher than that of general electric hydraulic, servomechanical actuators (21 to 35 MPa), high power actuators for vibration control, or thin plate PZT actuators (35 MPa). high.
  • SMAs shape memory alloys
  • the shape memory alloy (SMA) because of the high energy density characteristics, is being provided as the most excellent material for the manufacture of the robot actuator.
  • shape memory alloy (SMA) springs as actuators for robots such as cordless earthworms, it is possible to simulate repeated movements of contraction and expansion.
  • SMA finite shape memory alloy
  • the insect insect robot of the present invention is manufactured by placing a shape memory alloy (SMA) wire in a " ⁇ " shape composite material, the radius of curvature of the insect insect robot using the shape memory alloy (SMA) is changed according to the applied force By moving.
  • SMA shape memory alloy
  • the present invention can minimize the size of the robot by using the shape memory alloy (SMA) wire that exerts the shape memory effect (SME) by heat instead of the motor, which is a general actuator, thereby quickly and precisely performing fine work even in a narrow space Its purpose is to provide a self-manipulating robot.
  • SMA shape memory alloy
  • SME shape memory effect
  • a self-worm robot consisting of a composite material in which the shape memory alloy wire is located inside
  • the radius of curvature of the robot body portion is changed by the shape memory alloy (SMA) wire contracted and tensioned by the power supply so that the leg portion of the robot Provides a self-assessing robot that moves forward in one direction.
  • SMA shape memory alloy
  • the insect insect robot of the present invention has the advantage of being able to move effectively with low power, in particular, the shape memory alloy wire is inserted into the composite to minimize the body of the flexible (flexible) robot, it can be applied to the manufacture of clinical biomedical devices That has an outstanding effect.
  • the copper film is formed on the front surface of the leg portion of the insect insect robot according to the present invention, by reducing the friction between the leg portion and the ground when the robot moves forward, has a remarkable effect that the robot can move naturally.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a "beep" shaped insect bug robot having a unidirectional movement.
  • FIGS 2 to 4 are schematic cross-sectional views of the leg portion of the self-worm robot according to the present invention and the leg portion moves according to the change in the body portion.
  • Figure 5 is a schematic diagram of the movement of the insect insect robot according to the present invention.
  • Figure 6 is a block diagram of the body portion of the insect insect robot according to the present invention.
  • Figure 7 is a side view showing the external size of the insect insect robot according to the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing the measured value of the force generated in the insect insect robot of the present invention.
  • body portion 11 shape memory alloy wire
  • the curvature radius of the body portion is formed at both ends of the body portion and the bottom surface of which is different from the coefficient of curvature at least in two portions, the curvature radius of which changes as the shape memory alloy (SMA) wire shrinks and recovers.
  • SMA shape memory alloy
  • Figure 1 shows a "worm” shaped insect insect robot according to the present invention.
  • the self-worm robot according to the present invention is largely composed of a body portion 10 and a leg portion 20, the body portion 10 is a shape memory alloy (SMA) wire (11), and the shape memory alloy (SMA) The composite material 12 in which the wire 11 is located is formed.
  • SMA shape memory alloy
  • SMA shape memory alloy
  • the body portion 10 is formed by inserting the shape memory alloy (SMA) wire 11 used as an actuator of the robot between the composite material 12, in the present invention, glass fiber as the composite material 12 Reinforced plastics (GFRP) are used.
  • SMA shape memory alloy
  • GFRP Reinforced plastics
  • the shape memory alloy wire 11 and the composite material 12 are firmly coupled by mechanical coupling such as bolts 40a and nuts 40b.
  • Both ends of the body portion 10 are coupled to the hinge portion 30 of the material 20 having a large coefficient of friction having a parallelogram or hemispherical shape hinge 30, thereby moving the self-worm robot according to the present invention in one direction.
  • the self-worm robot according to the present invention configured as described above is a micro robot having a length of about 190 mm and a maximum height of about 75 mm including the leg portion 20.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the robot leg 20, and a copper film 21 having a relatively small coefficient of friction on the front surface of the leg portion 20 having a large coefficient of friction, such as synthetic rubber. This is formed, the leg portion 20 is able to move forward more smoothly.
  • the body portion 10 and the leg portion 20 of the self-worm robot according to the invention is connected by a hinge 30, when the radius of curvature of the body portion 10 changes the front or rear leg portion 20a, 20b) is tilted by the hinge 30. That is, as shown in Figures 3 and 4, when the radius of curvature of the body portion 10 is reduced (shrink), the rear leg portion 20b is inclined to move forward, the body portion 10 When the radius of curvature of (relaxation) increases the forward leg portion 20a is inclined to move forward.
  • the robot is advanced step by step by adjusting the radius of curvature of the body portion 10.
  • each power terminal of a power supply is connected to both ends of a shape memory alloy (SMA) wire 11, and then the shape
  • SMA shape memory alloy
  • PPT phase transformation temperature
  • the wire 11 is returned to the previously elongated length.
  • the body portion 10 composed of the composite material 12 to which the wire 11 is coupled is moved by the voltage and current of the power supply device that controls the shape memory alloy (SMA) wire 11.
  • SMA shape memory alloy
  • the radius of curvature of the body portion 10 is the shape memory alloy (SMA) wire Decreases due to shrinkage of (11). As the body portion 10 contracts, the insect insect robot moves the insect insect robot in one direction by the position, shape, and coefficient of friction of the robot leg 20 (" ⁇ C " and " ⁇ R " are copper). Coefficients of friction between film and synthetic rubber, respectively).
  • SMA shape memory alloy
  • the friction coefficient of the bottom surface of the front leg portion 20a that is in contact with the ground is greater than the friction coefficient of the bottom surface of the rear leg portion 20b that is in contact with the ground.
  • the friction coefficient of the bottom surface of the front leg portion 20a that contacts the ground reaches the rear leg portion 20b. It is formed smaller than the friction coefficient of the bottom surface of the front leg 20a is advanced.
  • Equation 1 E is the Young's module value of glass fiber reinforced plastic (GFRP), "R” is the value of the body portion 10). Radius of curvature, "I” is the moment of inertia).
  • the shape memory alloy (SMA) wire 11 is formed of a NiTi shape memory alloy, the NiTi shape memory alloy wire 11 has a breaking strength of 1300 MPa or more, such a shape memory alloy (SMA) material Is ideal for use as a small size and high power actuator.
  • NiTi shape memory alloy (SMA) wire 11 of the present invention is formed to a diameter of 0.4 mm, an austenite finish temperature of 80 ° C was applied (Johnson Matthey Co. Ltd., USA).
  • the manufacturing temperature can be a very important factor.
  • FIG. 6 is a block diagram of the body portion 10 of the self-worm robot according to the present invention, in order to form a body portion 10 having a radius of curvature, first, a "mold" shape mold is required. do. By using a holder and a grip, the shape memory alloy wire 11 is elongated about 8% in advance, and the wire 11 is inserted into the composite 12.
  • the shape memory alloy wire 11 and the composite material 12 are firmly coupled to the bolt 40a and the nut 40b.
  • the composite material 12 stacks two glass fiber reinforcement layers 12a on top of the wire 11, and forms one glass fiber reinforcement layer 12b on the bottom of the wire 11 to form at least three layers. It may be formed of a glass fiber reinforced plastic having a glass fiber reinforced layer, the composite material 12 can be modified into a variety of materials that can form a shape memory alloy wire therein.
  • the friction coefficient of the synthetic rubber and copper film 21 forming the leg portion 20 of the present invention is measured using FCMS 170 (Neoplus LTD., ASTM D 1894), as shown in FIG.
  • the friction coefficient of rubber is about 5.3 times higher than that of copper film.
  • the bending (deflection rate) of the body portion 10 caused by the activity of the shape memory alloy wire 11 can be measured by strain gauges attached to the center of the body portion 10,
  • the shape memory alloy wire 11 has a temperature of approximately 90 ° C. at 3.72 W (1.38 A, 2.7 V), with a strain of 624 ⁇ .
  • Table 1 shows the weights of the components of the self-worming robot of the present invention, and the frictional force can be obtained from the following Equation 2 using the weight of each component of the self-worming robot of the present invention and the measured friction coefficient.
  • the insect insect robot needs a driving force of at least 0.013N.
  • the propulsion can be measured using a dynamometer (Dynamometer, Type 9256c1, Kistler, Swiss) and dSPACE (DS1103 PPC Controllor Board, Germany), powered by 3.72W to achieve this result.
  • dynamometer Dynamicometer, Type 9256c1, Kistler, Swiss
  • dSPACE DS1103 PPC Controllor Board, Germany
  • the force generated by the insect insect robot can be analyzed using a "MATLAB" program applying a lowpass filter of 4 kHz and a sample frequency of 200 kHz. 0.278N) lasts longer than 90 seconds.
  • the comparison between the calculated value of the moving force and the measured value of the robot indicates that the robot can be moved by the applied electric power, and the displacement of the body part 10 can be calculated from the frictional force of the formula (1) and the leg part. And 4.47 mm is obtained (where “E” is 2.757 ⁇ 104N / mm2 and “I” is 1.535 ⁇ 103mm4).
  • the measured value (4.03 mm) and the calculated value (4.47 mm) for the displacement of the body portion 10 are very close.
  • the present invention locates the shape memory alloy wire 11 used as an actuator of the robot inside the composite material 12, and the bolt 40a and the nut 40b are formed of the composite material 12 and the shape memory alloy wire. Used to mechanically couple (11) to prevent mutual separation.
  • the self-assorted robot of the present invention is manufactured by placing the shape memory alloy (SMA) wire 11 in a " ⁇ " -shaped composite material, and the self-supporting robot using the shape memory alloy (SMA) wire 11 is applied.
  • the radius of curvature of the body portion 10 is changed according to the force to be moved.
  • the body portion 10 may be replaced with an ionic polymer-metal composite (IPMC), which can obtain a large amount of deformation with a relatively fast response speed even at a low driving voltage.
  • IPMC ionic polymer-metal composite

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Abstract

본 발명은 형상기억합금(SMA) 와이어의 수축 및 복원에 따라 곡률반경이 변하는 몸체부와, 상기 몸체부의 양단에 형성되고 바닥면은 적어도 두 부분에서 마찰계수가 서로 다르게 형성되어 상기 몸체부의 곡률반경의 변화에 따라 한 방향으로 전진 이동하는 다리부를 포함하는 자벌레 로봇(inchworm robot)에 관한 것이다. 또한, 상기 몸체부는, 온도에 따라 수축, 복원되는 형상기억합금(SMA) 와이어 및 상기 형상기억합금(SMA) 와이어가 내부에 위치하는 복합재가 체결수단에 의해 상호 결합하여 이루어지고, 상기 다리부는 마찰계수가 큰 재질로 형성되며 전면에는 이동시 지면과의 마찰력을 감소시켜 부드럽게 이동할 수 있도록 구리필름이 형성된다.

Description

자벌레 로봇
본 발명은 복합재에 형상기억합금(SMA) 와이어가 액추에이터로서 결합되어 움직이는 자벌레 로봇에 관한 것이다.
본 발명은 형상기억합금(SMA) 와이어의 수축 및 복원에 따라 곡률반경이 변하는 몸체부와, 상기 몸체부의 양단에 형성되어 바닥면은 적어도 두 부분에서 마찰계수가 서로 다르게 형성되는 다리부를 포함하여 형성되는 자벌레 로봇(inchworm robot)에 관한 것이다.
일반적으로, 형상기억합금(Shape Memory Alloys)은 1960년대에 처음 발견된 형상기억효과(Shape Memory Effect)와 관계된 기능을 갖는 물질이다.
다른 액추에이터(actuator) 재료보다 상기 형상기억합금(SMA)의 뛰어난 장점 중 하나는 최초 변형 후 단계 변환에 의해 생성되는 큰 복원력이다.
상기 형상기억합금(SMA)의 단위 면적당 생성되는 상기 복원력은 일반적인 전동유압, servomechanical 액추에이터(21∼35 MPa), 진동조절을 위한 고출력 액추에이터, 또는 박판의 PZT 액추에이터(35 MPa)보다 10배 이상 현저하게 높다.
특히, 펌프(pump), 그리퍼(grippers) 및 밀봉장치 등과 같은 많은 임상 생의학적 기기들은 형상기억합금(SMA)을 사용하여 개발되고 있으며, 이러한 상기 형상기억합금(SMA)은 이 분야에서 특히 유용한 물질이다.
상기 형상기억합금(SMA)은, 높은 에너지 밀도 특성으로 인하여, 로봇 액추에이터의 제작에 가장 뛰어난 소재로 제공되고 있다. 일례로, 무선 지렁이와 같은 로봇의 액추에이터로 형상기억합금(SMA) 스프링을 사용함으로써, 수축과 팽창의 반복된 움직임의 모의실험이 가능해졌다.
또한, 일부 연구자들은 고무 또는 실리콘 안에 형상기억합금(SMA) 와이어를 사용하여, 오징어처럼 지느러미 움직임을 가지며 무선 주파수로 제어되는 마이크로 물고기 로봇(micro fish robot)을 개발하였다.
이러한 선행 연구들은 형상기억합금(SMA)에 대한 다양한 실용적인 적용을 설명하는 것이며, 이러한 연구결과, 복합재에 형상기억합금(SMA)을 사용한 자벌레 로봇(inchworm robot)이 개발되었다.
본 발명의 자벌레 로봇은 "∩" 형상의 복합재에 형상기억합금(SMA) 와이어(wire)를 위치시켜 제작되며, 형상기억합금(SMA)을 이용한 자벌레 로봇은 적용되는 힘에 따라 그 곡률 반경이 변화함으로써 움직이게 된다.
따라서 본 발명은 일반적인 액추에이터인 모터 대신 열에 의해 형상기억효과(SME)를 발휘하는 형상기억합금(SMA) 와이어를 사용함으로써 로봇의 크기를 초소형화할 수 있으며, 이로 인해 좁은 공간에서도 세밀한 작업을 신속 정확하게 수행할 수 있는 자벌레 로봇을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 전원의 공급여부에 따라 곡률 반경이 변하는 몸체부와, 상기 몸체부의 양단에 결합되고 바닥면은 적어도 두 부분에서 마찰계수가 서로 다르게 형성되는 다리부로 이루어지며, 상기 몸체부는 형상기억합금 와이어 및 상기 형상기억합금 와이어가 내부에 위치하는 복합재로 구성되는 자벌레 로봇을 제공함으로써, 전원공급에 의해 수축 및 인장하는 형상기억합금(SMA) 와이어에 의해 로봇 몸체부의 곡률반경이 변화되어 로봇의 다리부가 한 방향으로 전진 이동하는 자벌레 로봇을 제공한다.
본 발명의 자벌레 로봇은 적은 전력으로도 효과적으로 움직일 수 있는 장점이 있으며, 특히 형상기억합금 와이어가 복합재에 삽입되어 플렉시블(flexible)하게 휘어지는 로봇의 몸체를 최소화하여, 임상 생의학적 기기의 제작에 응용할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 다리부 전면에는 구리필름이 형성되어, 로봇의 전진 이동시 다리부와 지면과의 마찰력을 줄여줌으로써, 로봇이 자연스럽게 이동할 수 있는 현저한 효과를 갖는다.
도 1은 단방향 움직임을 갖는 "∩" 형상의 자벌레 로봇을 나타낸 모식도.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 다리부의 단면도 및 몸체부에 변화에 따른 다리부가 이동하는 모식도.
도 5는 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 이동 모식도.
도 6은 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 몸체부의 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 외장크기를 나타낸 측면도.
도 8은 구리와 고무의 마찰계수 값을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 자벌레 로봇에 발생한 힘의 측정값을 도시한 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 몸체부 11 : 형상기억합금 와이어
12 : 복합재 20 : 다리부
20a : 전방 다리부 20b : 후방 다리부
21 : 구리필름 30 : 힌지
40a : 볼트 40b : 너트
본 발명은 형상기억합금(SMA) 와이어의 수축 및 복원에 따라 곡률반경이 변하는 몸체부와, 상기 몸체부의 양단에 형성되고 바닥면은 적어도 두 부분에서 마찰계수가 서로 다르게 형성되어 상기 몸체부의 곡률반경의 변화에 따라 한 방향으로 전진 이동하는 다리부를 갖는 자벌레 로봇(inchworm robot)에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 바람직한 실시예를 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 "∩" 형상의 자벌레 로봇을 나타낸다.
본 발명에 따른 자벌레 로봇은 크게 몸체부(10)와 다리부(20)로 구성되며, 상기 몸체부(10)는 형상기억합금(SMA) 와이어(wire,11)와, 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)가 내부에 위치하는 복합재(12)가 형성된다.
즉, 상기 몸체부(10)는 로봇의 액추에이터(actuator)로 사용되는 형상기억합금(SMA) 와이어(11)가 복합재(12) 사이에 삽입되어 형성되고, 본 발명에서는 복합재(12)로서 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)이 사용된다.
그리고 상기 형상기억합금 와이어(11)와 복합재(12)는 볼트(40a)와 너트(40b) 등의 기계적 결합에 의해서 단단히 결합한다.
상기 몸체부(10)의 양단에는 평행사변형 또는 반구 형상을 갖는 마찰계수가 큰 재질의 다리부(20)가 힌지(30) 결합하여, 본 발명에 따른 자벌레 로봇을 한 방향으로 이동시킨다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 자벌레 로봇은, 190 mm 정도의 길이와 상기 다리부(20)를 포함하여 약 75 mm 정도의 최대높이를 갖는 초소형 로봇이다.
다음, 도 2는 로봇 다리부(20)의 횡단면을 도시한 것으로, 합성고무 등과 같이 마찰계수가 큰 재질의 다리부(20)의 전면에는 비교적 작은 마찰계수를 갖는 구리필름(copper film,21)이 형성되어, 상기 다리부(20)가 한층 부드럽게 전진 이동할 수 있게 된다.
도 2에서 "FC", "FR"은 상기 구리필름(21)과 합성고무의 마찰력을 각각 나타내며, "N"은 로봇의 무게(W)에 작용하는 힘을 나타낸다.
본 발명에 따른 자벌레 로봇의 상기 몸체부(10)와 다리부(20)는 힌지(30)에 의해 연결되며, 상기 몸체부(10)의 곡률반경이 변할 때 전방 또는 후방의 다리부(20a,20b)가 상기 힌지(30)에 의해 기울어지게 된다. 즉, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 몸체부(10)의 곡률반경이 감소하게 되면(수축) 후방 다리부(20b)가 기울어지면서 전방으로 이동하게 되고, 상기 몸체부(10)의 곡률반경이 증가하게 되면(이완) 전방 다리부(20a)가 기울어지면서 전방으로 이동하게 된다.
따라서 본 발명의 로봇은 상기 몸체부(10)의 곡률반경 조절에 의해 로봇이 단계적으로 전진하게 된다.
다음은 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 실시예를 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 자벌레 로봇의 이동 메카니즘을 도시한 것으로, 먼저, 전원공급장치(power supply)의 각 전원단자를 형상기억합금(SMA) 와이어(11)의 양단에 각각 연결한 후, 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)에 DC 전원을 공급하게 되면, 상기 와이어(11)의 온도가 공급된 전원에 의해 증가하게 된다. 상기 와이어(11)의 온도가 계속 증가하여 상전이온도(phase transformation temperature, PPT)를 초과하게 되면, 상기 형상기억합금 와이어(11)는 최초 본래의 길이로 회복된다.
또한, 상기 와이어(11)의 온도가 상전이온도(PPT) 이하로 떨어지게 되면, 상기 와이어(11)는 미리 신장된 길이로 다시 돌아오게 된다.
따라서 상기 와이어(11)가 결합된 복합재(12)로 구성되는 몸체부(10)는 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)를 제어하는 전원공급장치의 전압과 전류에 의해 움직이게 된다.
상기와 같은 원리로 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 구동을 살펴보면, 상기 전원공급장치의 전원이 본 발명의 자벌레 로봇에 공급되면, 상기 몸체부(10)의 곡률반경이 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)의 수축으로 인해 감소한다. 상기 몸체부(10)가 수축함에 따라 자벌레 로봇은 상기 로봇 다리부(20)의 위치, 모양 및 마찰계수에 의해 자벌레 로봇을 한 방향으로 이동시키게 된다("μC" 및 "μR"은 구리필름과 합성고무의 마찰계수를 각각 나타낸다).
즉, 상기 몸체부(10)의 곡률 반경이 감소할 때는 지면과 닿는 전방 다리부(20a)의 바닥면의 마찰계수가 지면과 닿는 후방 다리부(20b)의 바닥면의 마찰계수보다 크게 형성되어 상기 후방 다리부(20b)가 전진하게 되고, 상기 몸체부(10)의 곡률 반경이 증가할 때는 지면과 닿는 전방 다리부(20a)의 바닥면의 마찰계수가 지면과 닿는 후방 다리부(20b)의 바닥면의 마찰계수보다 작게 형성되어 상기 전방 다리부(20a)가 전진하게 된다.
상기 자벌레 로봇의 휘어짐(편심)을 예측하기 위해, 카스티글리아노의 에너지 이론(Castigliano's energy theory)이 이용된다. 상기 로봇의 몸체부(10)는 대칭을 이루기 때문에, 상기 몸체부(10)의 중심은 움직이지 않게 되고, 상기 형상기억합금(SMA,11)으로부터 발생하는 부하(load, P)가 양단에 걸리게 된다. 부하(load, P)에 전달되는 편심률은 다음 식 1에 의해 얻을 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2010000825-appb-M000001
상기 식 1로 상기 몸체부(10)의 X-축방향의 편심률을 구할 수 있다("E"는 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)의 Young's 모듈 값, "R"은 상기 몸체부(10)의 곡률반경, "I"는 관성모멘트 이다).
본 발명에 따른 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)는 NiTi 형상기억합금으로 형성되며, 상기 NiTi 형상기억합금 와이어(11)는 1300 MPa 이상의 파괴강도를 가지며, 이러한 형상기억합금(SMA) 물질은 작은 크기와 고출력 액추에이터로 사용하기에 가장 이상적이다.
본 발명의 상기 NiTi 형상기억합금(SMA) 와이어(11)는 0.4 mm의 직경으로 형성되며, 80℃의 오스테나이트 끝 온도(austenite finish temperature)가 적용되었다(Johnson Matthey Co. Ltd., USA).
본 발명에 있어, 상기 형상기억합금(SMA)은 온도에 따라 변형되기 때문에 제작 온도는 상당히 중요한 요소가 될 수 있다.
다음 도 6은 본 발명에 따른 자벌레 로봇의 몸체부(10)의 구성도를 도시한 것으로, 곡률반경을 갖는 몸체부(10)를 형성하기 위해서는 먼저 "∩"형상의 형판(mold)이 필요하게 된다. 홀더(holder)와 그립(grip)을 이용하여, 상기 형상기억합금 와이어(11)를 약 8% 정도로 미리 신장시키고, 상기 와이어(11)를 복합재(12)에 삽입시킨다.
그리고 상기 형상기억합금 와이어(11)와 복합재(12)를 볼트(40a)와 너트(40b)로 단단히 결합한다.
상기 복합재(12)는 상기 와이어(11)의 상부로 2개의 유리섬유 강화층(12a)을 적층하고, 상기 와이어(11)의 하부에 1개의 유리섬유 강화층(12b)을 형성하여 적어도 3개의 유리섬유 강화층을 갖는 유리섬유 강화 플라스틱으로 형성될 수 있으며, 상기 복합재(12)는 내부에 형상기억합금 와이어를 형성할 수 있는 다양한 재질로 변형이 가능하다.
본 발명의 다리부(20)를 형성하는 합성고무와 구리필름(21)의 마찰계수는 FCMS 170(Neoplus LTD., ASTM D 1894)을 사용하여 측정되는데, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 합성고무의 마찰계수는 구리필름의 마찰계수보다 약 5.3배 정도 더 높다.
상기 형상기억합금 와이어(11)의 활동에 의해 일어나는 상기 몸체부(10)의 휘어짐(편향률)은 상기 몸체부(10)의 중심에 부착된 변형계(strain gauges)에 의해 측정할 수 있는데, 상기 형상기억합금 와이어(11)의 온도가 3.72W(1.38A, 2.7V)에서 대략 90℃의 온도를 형성하며, 이때 변형률은 624με이다.
표 1
PART MAIN BODY LEG TOTAL
WEIGHT(N) 0.097 0.039 X 2 0.175
상기 표 1은 본 발명의 자벌레 로봇의 구성요소의 무게를 나타낸 것이며, 본 발명의 자벌레 로봇의 각 구성요소의 무게와 측정된 마찰계수를 이용하여 다음 식 2로부터 마찰력을 구할 수 있는데, 본 발명의 자벌레 로봇은 상기 마찰력을 극복하고 움직이기 위해 최소 0.013N의 추진력이 필요하게 된다.
수학식 2
Figure PCTKR2010000825-appb-M000002
추진력은 동력계(Dynamometer, Type 9256c1, Kistler, Swiss)와 dSPACE(DS1103 PPC Controllor Board, Germany)를 사용하여 측정할 수 있으며, 상기와 같은 결과를 얻기 위해 3.72W의 전력이 공급되었다.
도 9에 도시된 바와 같이, 자벌레 로봇에 발생한 힘은 4 kHz의 로우패스(lowpass) 필터(filter)와 200kHz의 표본주파수를 적용한 "MATLAB" 프로그램을 사용하여 분석할 수 있으며, 이렇게 측정된 힘(0.278N)은 90초 이상 지속됨을 알 수 있다.
이러한 로봇의 이동하는 힘의 계산값과 측정값의 비교는 적용된 전력에 의해 로봇의 움직임이 가능하다는 것을 지시하며, 상기 몸체부(10)의 변위는 상기 식(1)과 다리부의 마찰력으로부터 계산할 수 있고 그 값으로 4.47mm를 얻게 된다(여기서, "E"는 2.757×10⁴N/mm², "I"는 1.535×10³mm⁴이다).
따라서, 상기 몸체부(10)의 변위에 대한 측정값(4.03mm)과 계산값(4.47mm)은 매우 근접하게 된다.
본 발명은 로봇의 액추에이터(actuator)로 사용되는 상기 형상기억합금 와이어(11)를 복합재(12) 내부에 위치시키고, 볼트(40a)와 너트(40b)는 상기 복합재(12)와 형상기억합금 와이어(11)를 기계적으로 결합시켜 상호 분리되는 것을 막기 위해 사용된다.
따라서 본 발명의 자벌레 로봇은 "∩" 형상의 복합재에 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(wire,11)를 위치시켜서 제작되며, 상기 형상기억합금(SMA) 와이어(11)을 이용한 자벌레 로봇은 적용되는 힘에 따라 상기 몸체부(10)의 곡률 반경이 변화함으로써 움직이게 된다.
또한, 상기 몸체부(10)는 낮은 구동 전압에서도 비교적 빠른 응답속도를 가지고 큰 변형량을 얻을 수 있는 이온성 고분자-금속 복합체(Ionic Polymer-Metal Composite, IPMC)로 대체될 수 있으며, 전원 또는 전압의 인가에 의해 곡률 반경이 변할 수 있는 다양한 재질의 몸체부(10)가 사용될 수 있는 것이다.

Claims (6)

  1. 전원의 공급여부에 따라 곡률 반경이 변하는 몸체부(10); 및
    상기 몸체부(10)의 양단에 결합되고, 바닥면은 적어도 두 부분에서 마찰계수가 서로 다르게 형성되는 다리부(20);를 포함하는 것을 특징으로 하는 자벌레 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 몸체부(10)의 곡률 반경이 감소할 때는 지면과 닿는 전방 다리부(20a)의 바닥면의 마찰계수가 지면과 닿는 후방 다리부(20b)의 바닥면의 마찰계수보다 크고,
    상기 몸체부(10)의 곡률 반경이 증가할 때는 지면과 닿는 전방 다리부(20a)의 바닥면의 마찰계수가 지면과 닿는 후방 다리부(20b)의 바닥면의 마찰계수보다 작은 것을 특징으로 하는 자벌레 로봇.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다리부(20)의 형상은 평형사변형 또는 반구형인 것을 특징으로 하는 자벌레 로봇.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 몸체부(10)는,
    형상기억합금 와이어(11); 및
    상기 형상기억합금 와이어(11)가 내부에 위치하는 복합재(12);를 포함하는 것을 특징으로 하는 자벌레 로봇.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 형상기억합금 와이어(11)와 복합재(12)는 볼트(40a)와 너트(40b)로 결합되는 것을 특징으로 하는 자벌레 로봇.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 몸체부(10)는 이온성 고분자-금속 복합체(Ionic Polymer-Metal Composite)인 것을 특징으로 하는 자벌레 로봇.
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