WO2017160088A1 - 플렉시블 매니퓰레이터 - Google Patents

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WO2017160088A1
WO2017160088A1 PCT/KR2017/002826 KR2017002826W WO2017160088A1 WO 2017160088 A1 WO2017160088 A1 WO 2017160088A1 KR 2017002826 W KR2017002826 W KR 2017002826W WO 2017160088 A1 WO2017160088 A1 WO 2017160088A1
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WO
WIPO (PCT)
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unit
region
manipulator
stretching
present
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2017/002826
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이의천
이수웅
이강원
권순오
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Institute of Industrial Technology KITECH
Original Assignee
Korea Institute of Industrial Technology KITECH
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Filing date
Publication date
Application filed by Korea Institute of Industrial Technology KITECH filed Critical Korea Institute of Industrial Technology KITECH
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/06—Program-controlled manipulators characterised by multi-articulated arms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J18/00—Arms
    • B25J18/06—Arms flexible
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/10—Program-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements

Definitions

  • the present invention relates to a manipulator, and more particularly, to a flexible manipulator capable of realizing various movements by using a difference in relative elongation through expansion and contraction of a unit unit including an extension part.
  • manipulators that provide similar motions to human arms or living tentacles have been continuously researched and developed. Such manipulators can implement various joint movements, and are used to perform tasks requiring high force, tasks requiring precision, and high risk tasks on behalf of humans.
  • the rigid member constituting the arm and the joint that is, the joint shaft, and implements a degree of freedom limited by the rotation radius of the joint axis.
  • such a conventional manipulator has a problem in that it has a limitation in manipulating a position in space outside the rotation radius along the longitudinal direction.
  • the present invention has been made in order to solve the problems of the prior art described above, has the object of providing a manipulator having a degree of freedom close to infinity is formed to have a flexibility, and also can be formed of a soft material in contact with the human body
  • the purpose of the present invention is to provide a manipulator that does not cause injury even if it is.
  • the present invention provides a novel flexible manipulator for overcoming the limitations of the existing manipulator degrees of freedom described in the background of the invention and overcoming the limitations of the conventional catheter for implementing only simple tilting. Suggest a structure.
  • the flexible manipulator structure proposed below is a kind of continuum manipulators that have been actively researched recently, but is structurally different from the robotic arm that implements continuous movement by dividing the degrees of freedom by the conventional wire method or mechanical parts. There is a difference.
  • the flexible manipulator of the present invention for achieving the above object is provided between the first end, the second end spaced apart from the first end and between the first end and the second end, is formed to be stretchable And a unit unit including a drawing unit, wherein the drawing unit is formed such that a first region formed on one side and a second region formed on an opposite side of the first region are stretchable at different ratios by an external force.
  • the extending portion may be attached to a fiber body that expands or contracts according to electrical and electronic control, and the first region and the second region may be formed to be stretched at different ratios.
  • an injection space is formed inside the drawing portion, and as the fluid flows into or out of the injection space, the first region and the second region may be formed to be stretched at different ratios.
  • the unit unit may have a different elongation of the first region with respect to the same internal pressure of the injection space.
  • the unit unit, the fluid pressure of the first region and the fluid pressure of the second region may be individually controlled.
  • the injection space is divided into a plurality of separation spaces by partition walls, and the plurality of separation spaces may be individually controlled by the fluid pressure.
  • the apparatus may further include a fluid control unit provided in the hollow to inject or discharge fluid into the plurality of separation spaces, respectively.
  • the unit unit may be provided so that a plurality of unit units are connected to each other.
  • the apparatus may further include a bending sensor provided over the plurality of unit units, and the plurality of unit units may control a drawing ratio of the drawing unit according to a measurement result of the bending sensor.
  • the unit unit may be provided with a hollow penetrating the first end, the stretching part, and the second end.
  • the hollow may be formed at an eccentric position of the unit unit.
  • the unit unit may be provided so that a plurality of units are connected to each other, and may further include a penetrating body penetrating the hollow of the plurality of unit units.
  • the flexible manipulator of the present invention for solving the above problems has the following effects.
  • the present invention can implement the movement, such as mollusks, can be minimized incision when applied to the medical sector, there is an advantage that can greatly improve the surgical speed and success rate.
  • the flexible manipulator according to the present invention is designed to require a tilt control by using a hydraulic system which is simple in structure and relatively powerful in comparison with a wire method or a mechanical joint method when a low number of unit units are stacked. There is an advantage that can be easily utilized.
  • the small intestine endoscope currently uses a capsule-type camera, and the medical catheter has a structure that is difficult to enter through one or more refractive sites, whereas the present invention has a structure that is much more advantageous than conventional surgical devices.
  • FIG. 1 and 2 are views showing the structure of a unit unit in a manipulator according to a first embodiment of the present invention
  • 3 and 4 are views illustrating a state in which a first region and a second region of a unit unit are drawn at different ratios in the manipulator according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which a plurality of unit units are connected in the manipulator according to the first embodiment of the present invention
  • FIGS. 6 and 7 are views illustrating a state in which a fluid control unit is applied to a unit unit in the manipulator according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a view illustrating a state in which a first region and a second region of a unit unit are drawn at different ratios in a manipulator according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a view illustrating a through body provided in a plurality of unit units in a manipulator according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view illustrating a state in which a bending sensor is provided in a plurality of unit units in a manipulator according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing the structure of a unit unit in the manipulator according to the fifth embodiment of the present invention.
  • connection part 54 fluid flow part
  • unit unit 110 first end
  • FIG. 1 is a view showing a state of the unit unit 100 in the manipulator according to the first embodiment of the present invention.
  • the manipulator according to the first embodiment of the present invention may be implemented based on the unit unit 100 as described above.
  • the unit unit 100 includes a first end portion 110, a second end portion 120, and a drawing portion 130.
  • the first end 110 and the second end 120 are spaced apart from each other and form both ends of the unit unit 100.
  • the material and shape of the first end 110 and the second end 120 may be formed in various ways without limitation.
  • the first end 110 and the second end 120 are formed to have a certain rigidity in a flat shape. This is to ensure a bearing capacity and to be able to continuously connect with other unit units.
  • the stretching portion 130 is provided between the first end portion 110 and the second end portion 120, and is formed of a material having flexibility.
  • the stretching unit 130 may be formed such that the first region formed on one side and the second region formed on the opposite side of the first region may be stretched at different ratios by an external force.
  • the first region and the second region do not mean a specifically designated position, and when a predetermined position is designated as the first region, an opposite side thereof may be the second region.
  • the stretching part 130 may be stretched at a different ratio from one side of the entire circumference and the opposite side thereof, and thus the first end 110 and the second end 120 may have a predetermined angle to each other. It is formed to achieve.
  • the stretching mechanism of the stretching unit 130 may be variously formed.
  • an injection space is formed inside the drawing unit 130, and the first region and the second region are different from each other as fluid is introduced into or discharged from the injection space. It is formed in the form which can be extended
  • the elongation unit 130 may be formed so that the elongation of the first region is different from the elongation of the second region, so that the elongation of the first region may be elongated at different rates with respect to the same fluid pressure.
  • a method of controlling the elongation of the first region and the elongation of the second region by controlling the fluid pressure and the fluid pressure of the second region separately may be used.
  • a method of controlling the elongation of the first region and the elongation of the second region by controlling the fluid pressure of the first region and the fluid pressure of the second region separately is applied.
  • the injection space is divided into a plurality of separation spaces R 1 to R 4 by the partition wall 150, and the plurality of separation spaces R 1 to R 4 are individually controlled by the fluid pressure.
  • the fluid pressure Can be.
  • the third separation space R 3 of the stretching unit 130 corresponds to the third separation space R 3 .
  • the region is expanded more than the region corresponding to the first separation space R 1 , so that the first end 110 and the second end 120 form a predetermined angle as shown in FIG. 4.
  • the pressures of the fluids supplied to the plurality of separation spaces R 1 to R 4 may be individually controlled to adjust angles of the first end 110 and the second end 120.
  • the manipulator may be implemented by connecting the plurality of unit units 100 to each other as shown in FIG. 5 based on the unit unit 100 as described above. At this time, since the stretching form of each unit unit 100 can be controlled individually, the manipulator can reproduce the stretching form near infinity.
  • the present invention can form a desired form in real time by controlling each unit unit 100, it can be applied to various fields such as surgery in the medical field. In other words, if applied to the medical sector, the incision site can be minimized, and the operation speed and success rate will be greatly improved.
  • the separation spaces R 1 to R 4 are formed to have a divided shape into a total of four, but the number of the separation spaces R 1 to R 4 is not limited thereto. That is, the separation space (R 1 ⁇ R 4 ) may be more than four, may be less.
  • FIG. 6 and 7 show a state in which the fluid control unit 50 is applied to each unit unit 100 of the manipulator according to the present embodiment.
  • the fluid control unit 50 may supply or discharge fluid to each separation space R 1 to R 4 .
  • the unit unit 100 includes a hollow 102 penetrating the first end 110, the second end 120, and the stretching unit 130, and the fluid control unit 50 is It is provided in the hollow 102 of the unit unit 100.
  • the fluid control unit 50 is branched in a form connected to each of the separation spaces R 1 to R 4 of the unit unit 100 and passes through the inner circumferential surface 140 of the stretching unit 130. It includes a flow portion 54 and a connection portion 52 for connecting the plurality of fluid flow portion 54 to each other.
  • a solenoid valve may be provided inside the connection part 52, and thus, a solenoid valve may be provided to control the flow rate of the fluid flowing to each fluid flow part 54. And the flow rate for each valve can be controlled independently.
  • the fluid control unit 50 may be provided in a plural number corresponding to each unit unit 100 in a form in which each connection unit 52 is connected to each other. Accordingly, it is possible to collectively supply fluid to each fluid control unit 50 from a single or a plurality of compressors (not shown) provided separately.
  • FIG 8 is a view illustrating a state in which a first region and a second region of a unit unit are drawn at different ratios in the manipulator according to the second embodiment of the present invention.
  • the first end part 110, the second end part 120, and the stretching part 130 are formed in the same manner as the first embodiment described above.
  • the elongation of the stretching unit 130 is controlled by the pressure control of the fluid, whereas in the present embodiment, the fiber body 30 expands or contracts according to electrical and electronic control. The difference is that the elongation of the stretching unit 130 is controlled.
  • the fiber body 30 is formed to expand or contract according to electrical and electronic control, and for example, carbon nanotube fiber artificial muscle may be applied.
  • 1 kg of the carbon nanotube fiber artificial muscle is capable of generating a force of about 7.1 horsepower, and is known to have a force of about 100 times as compared to the actual human muscle of the same weight.
  • such a fiber body 30 is attached to the circumference of the stretching unit 130, and electrical and electronic control of the first region and the second region is performed differently to adjust the stretching of the stretching unit 130.
  • electrical and electronic control of the first region and the second region is performed differently to adjust the stretching of the stretching unit 130.
  • the bending control of the stretching unit 130 may be performed by various methods in addition to the method of controlling the fluid pressure.
  • FIG. 9 is a view illustrating a through body 10 provided in a plurality of unit units 100 in the manipulator according to the third embodiment of the present invention.
  • a plurality of penetrating bodies 10 are inserted through the hollows of the unit units 100 connected to each other.
  • the penetrating body 10 may be formed to have flexibility, and thus, the penetrating body 10 may be formed to be deformable in correspondence with the stretching of the unit unit 100.
  • the manipulator of the present invention can deform not only the deformation of the unit unit 100 itself but also the separate penetrating body 10 together, thereby further extending its application range.
  • FIG 10 is a view illustrating a state in which a bending sensor 20 is provided in a plurality of unit units 100 in the manipulator according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the bending sensor 20 is attached to facilitate the control of the plurality of unit units 100.
  • the length of the bending measurement segment is changed slightly and the resistance value is changed, so that the bending degree can be measured as a voltage value according to the change of the resistance value.
  • the bending sensor 20 when the bending sensor 20 is attached to the plurality of unit units 100, the bending degree for each position of the manipulator can be recognized, and the control can be performed more easily.
  • the bending sensor 20 is formed to have a shape attached to the inside of the hollow 102, that is, the inner peripheral surface of the stretching unit of the plurality of unit units 100.
  • the attachment position of the bending sensor 20 is not limited to this embodiment may be provided at various positions, of course.
  • FIG 11 is a view showing the structure of a unit unit 200 in the manipulator according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the unit unit 200 includes the first end 210, the second end 220, and the stretcher 230. Is formed identically. However, the unit 200 of the present embodiment is formed in a cylindrical shape as a whole, the difference is that the hollow 202 is formed in the eccentric position of the unit unit 200.
  • each point of the inner surface 240 of the stretching portion 230 is formed to have a different distance to the outer circumferential surface of the stretching portion 230. Therefore, in the present embodiment, the width T 1 of the first region is smaller than the width T 2 of the second region on the opposite side, and the elastic forces of the first region and the second region are different from each other.
  • the first region is reduced in pressure based on the hollow 202, and in FIG. 13, the first region is inflated by pressure based on the hollow 202. It is shown. Accordingly, in the case of FIG. 12, the unit unit 200 is stretched in the direction of the first region, and in the case of FIG. 13, the unit unit 200 is stretched in the direction of the second region.
  • the first region formed on one side of the drawing portion and the second region formed on the opposite side of the first region are formed to be stretchable at different ratios by the external force so that the operation of the manipulator can be performed. It can be seen that the shape of the unit unit 200 can be implemented in various ways.

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Abstract

본 발명에 따른 플렉시블 매니퓰레이터는, 제1단부, 상기 제1단부와 상호 대향하여 이격된 제2단부 및 상기 제1단부와 상기 제2단부 사이에 구비되며, 연신 가능하게 형성된 연신부를 포함하는 단위유닛을 포함하며, 상기 연신부는, 일측에 형성되는 제1영역과, 상기 제1영역의 반대 측에 형성되는 제2영역이 외력에 의해 서로 다른 비율로 연신 가능하게 형성된다.

Description

플렉시블 매니퓰레이터
본 발명은 매니퓰레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연신부를 포함하는 단위유닛의 팽창 및 수축을 통한 상대적인 연신률의 차이를 이용하여 다양한 움직임을 구현할 수 있는 플렉시블 매니퓰레이터에 관한 것이다.
최근에는 기술의 발전에 따라 인간의 팔, 또는 생물체의 촉수 등과 유사한 동작을 제공하는 매니퓰레이터가 지속적으로 연구 및 개발되고 있다. 이와 같은 매니퓰레이터는 다양한 관절의 움직임을 구현할 수 있어, 인간을 대신하여 큰 힘이 요구되는 작업, 정밀성이 요구되는 작업 및 위험도가 높은 작업 등을 수행하는 데 사용되고 있다.
종래의 일반적인 로봇 팔의 경우, 팔을 구성하는 강성이 있는 부재와 관절, 즉 조인트축으로 구성되며, 조인트축의 회전 반경에 의해 자유도가 제한되는 자유도를 구현하게 된다.
따라서 이러한 기존의 매니퓰레이터는 길이 방향에 따른 회전반경 밖에 있는 공간 상의 위치를 매니퓰레이션 하는데 제약이 있다는 문제가 있다.
뿐만 아니라, 축을 잇는 부재의 길이가 정해져 있고 축에 의한 회전반경이 정해져 있는 경우 다수의 굴곡이 있는 좁은 틈을 피해 작업을 수행하는데 어려움이 있다는 문제가 있다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 유연성을 가지도록 형성되어 무한에 가까운 자유도를 가지는 매니퓰레이터를 제공하기 위한 목적을 가지며, 또한 부드러운 재질로 형성이 가능하여 인체와 접촉할 경우에도 상해를 유발하지 않도록 할 수 있는 매니퓰레이터를 제공하기 위한 목적을 가진다.
또한 본 발명은 발명의 배경이 되는 기술 부분에서 설명한 기존의 매니퓰레이터의 자유도에 의한 제약을 극복하고, 기존의 단순한 기울어짐만을 구현하는 의료용 카테터 등의 성능적 한계를 극복하기 위한 새로운 플렉시블 메니퓰레이터의 구조를 제안한다.
특히 이하 제안되는 플렉시블 매니퓰레이터 구조의 경우 최근 연구가 활발한 연속체 매니퓰레이터(Continuum Manipulators)의 일종이나, 기존의 와이어 방식이나 기계 부품으로 자유도를 나누어 연속적인 움직임을 구현한 로봇 팔과는 구조적으로, 구동 방식 측면에서 차이가 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플렉시블 매니퓰레이터는, 제1단부, 상기 제1단부와 상호 대향하여 이격된 제2단부 및 상기 제1단부와 상기 제2단부 사이에 구비되며, 연신 가능하게 형성된 연신부를 포함하는 단위유닛을 포함하며, 상기 연신부는, 일측에 형성되는 제1영역과, 상기 제1영역의 반대 측에 형성되는 제2영역이 외력에 의해 서로 다른 비율로 연신 가능하게 형성된다.
그리고 상기 연신부에는, 전기 및 전자 제어에 따라 팽창 또는 수축하는 섬유체가 부착되어, 상기 제1영역 및 상기 제2영역이 서로 다른 비율로 연신 가능하게 형성될 수 있다.
또한 상기 연신부의 내부에는 주입공간이 형성되어, 상기 주입공간에 유체가 유입되거나 배출됨에 따라 상기 제1영역 및 상기 제2영역이 서로 다른 비율로 연신 가능하게 형성될 수 있다.
그리고 상기 단위유닛은, 상기 주입공간의 동일 내압에 대한 상기 제1영역의 연신률이 상기 제2영역의 연신률과 다르게 형성될 수 있다.
또한 상기 단위유닛은, 상기 제1영역의 유체 압력 및 상기 제2영역의 유체 압력이 개별적으로 제어될 수 있다.
그리고 상기 주입공간은 격벽에 의해 복수 개의 분리공간으로 분할되며, 상기 복수 개의 분리공간은, 유체 압력이 개별적으로 제어될 수 있다.
또한 상기 중공에 구비되어, 상기 복수 개의 분리공간에 각각 유체를 주입시키거나 배출시키는 유체제어유닛을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 단위유닛은 복수 개가 연접하도록 구비될 수 있다.
또한 상기 복수 개 단위유닛에 걸쳐 구비되는 굽힘센서를 더 포함하며, 상기 복수 개의 단위유닛은, 상기 굽힘센서의 측정 결과에 따라 상기 연신부의 연신 비율이 제어될 수 있다.
그리고 상기 단위유닛에는 상기 제1단부, 상기 연신부 및 상기 제2단부를 관통하는 중공이 형성될 수 있다.
또한 상기 중공은 상기 단위유닛의 편심된 위치에 형성될 수 있다.
그리고 상기 단위유닛은 복수 개가 연접하도록 구비되며, 상기 복수 개 단위유닛의 중공을 관통하는 관통체를 더 포함할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 플렉시블 매니퓰레이터는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 영역 별로 서로 다른 연신률을 가지는 단위유닛에 의해 유연성을 가지며, 무한에 가까운 자유도를 구현 가능하다는 장점이 있다.
둘째, 각 단위유닛의 양단부가 평면으로 형성되어 연신부의 부피 팽창에 의해 위치가 결정되므로, 유입되는 유체의 양에 비례하여 미소 변위 제어가 가능하다는 장점이 있다.
셋째, 설계의 다양성 측면에서도 활용도가 높다는 장점이 있다. 강성이 있는 양단부의 위치 결정 판재를 고정하는 측면의 연신 소재의 두께 및 물성치 설계에 따라 넓은 범위의 휘어짐 각을 구현 할 수 있기 때문이다.
넷째. 이에 따라 의료 분야에서의 수술 등 종래의 매니퓰레이터를 적용하기 어려운 분야에서 용이하게 사용이 가능하다는 장점이 있다. 예컨대 본 발명은 연체동물과 같은 움직임을 구현 가능하므로, 의료 부문에 적용될 경우 절개부위를 최소화할 수 있으며, 수술 속도와 성공률을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
다섯째, 본 발명의 플렉시블 매니퓰레이터는 낮은 단수의 단위유닛이 스택된 경우, 구조가 간단하고 와이어 방식 또는 기계 조인트 방식에 비해 상대적으로 힘이 좋은 유압방식을 사용 가능하여 틸트(Tilt)제어가 필요한 구조물 설계에 용이하게 활용 할 수 있는 장점이 있다.
여섯째, 단위유닛을 작게 만들어 높은 단수의 단의유닛을 스택할 경우, 자유도가 거의 무한히 연속적이므로 설계에 따라 좁은 신체 내부, 예컨대 소장 등 구불구불한 구조 내부로 진입하기 유용한 구조를 가질 수 있다. 즉 현재 소장 내시경은 캡슐형태의 카메라를 활용하고 있으며, 의료용 카테터는 1번 이상의 굴절 부위를 타고 들어가기 힘든 구조를 가지는 반면, 본원발명은 종래의 수술장치들에 비해 월등히 유리한 구조를 가진다.
일곱째, 강성이 낮은 재질로 구현하는 것도 가능하여, 인체와 접촉 시 인체에 상해를 입히는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
여덟째, 복잡한 움직임을 단순한 구조로서 구현할 수 있어 제어가 용이함은 물론 고장을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 단위유닛의 구조를 나타낸 도면;
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 단위유닛의 제1영역과 제2영역이 서로 다른 비율로 연신된 모습을 나타낸 도면;
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 복수 개의 단위유닛이 연결된 모습을 나타낸 도면;
도 6 및 도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 단위유닛에 유체제어유닛이 적용된 모습을 나타낸 도면;
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 단위유닛의 제1영역과 제2영역이 서로 다른 비율로 연신된 모습을 나타낸 도면;
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 복수 개의 단위유닛에 관통체가 구비된 모습을 나타낸 도면;
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 복수 개의 단위유닛에 굽힘센서가 구비된 모습을 나타낸 도면;
도 11은 본 발명의 제5실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 단위유닛의 구조를 나타낸 도면; 및
도 12 및 도 13은 본 발명의 제5실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 단위유닛의 제1영역과 제2영역이 서로 다른 비율로 연신된 모습을 나타낸 도면이다.
<부호의 설명>
10: 관통체 20: 굽힘센서
30: 섬유체 50: 유체제어유닛
52: 연결부 54: 유체유동부
100: 단위유닛 110: 제1단부
120: 제2단부 130: 연신부
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 단위유닛(100)의 모습을 나타낸 도면이다. 본 발명의 제1실시예에 따른 매니퓰레이터는 이와 같은 단위유닛(100)을 기초로 하여 구현될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 단위유닛(100)은 제1단부(110)와, 제2단부(120)와, 연신부(130)를 포함한다.
상기 제1단부(110) 및 상기 제2단부(120)는 상호 대향하여 이격되며, 상기 단위유닛(100)의 양단을 형성한다. 그리고 상기 제1단부(110) 및 상기 제2단부(120)의 재질 및 형태는 제한 없이 다양하게 형성될 수 있다.
본 실시예의 경우, 상기 제1단부(110) 및 상기 제2단부(120)는 편평한 형태로 일정 강성을 가지도록 형성된다. 이는 지지력을 확보하고, 다른 단위유닛과 연속적으로 연결이 가능하도록 하기 위해서이다.
상기 연신부(130)는 상기 제1단부(110)와 상기 제2단부(120) 사이에 구비되며, 유연성을 가지는 재질로 형성된다. 그리고 상기 연신부(130)는 일측에 형성되는 제1영역과, 상기 제1영역의 반대 측에 형성되는 제2영역이 외력에 의해 서로 다른 비율로 연신 가능하게 형성될 수 있다. 여기서 상기 제1영역 및 상기 제2영역은 특정하게 지정된 위치를 뜻하는 것이 아니며, 소정 위치를 제1영역으로 지정할 경우, 이의 반대 측이 제2영역이 될 수 있다.
즉 상기 연신부(130)는 전체 둘레 중 어느 일측과, 그 반대 측이 서로 다른 비율로 연신될 수 있으며, 이에 따라 상기 제1단부(110) 및 상기 제2단부(120)가 서로 소정 각도를 이루도록 형성된다.
그리고 상기 연신부(130)의 연신 매커니즘은 다양하게 형성될 수 있다. 본 실시예의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 연신부(130)의 내부에 주입공간이 형성되어, 상기 주입공간에 유체가 유입되거나 배출됨에 따라 상기 제1영역 및 상기 제2영역이 서로 다른 비율로 연신 가능하게 형성되는 형태로 형성된다.
이와 같은 경우, 상기 연신부(130)는 상기 제1영역의 연신률이 상기 제2영역의 연신률과 다르게 형성되어, 동일한 유체 압력에 대해 서로 다른 비율로 연신되도록 할 수도 있으며, 또는 상기 제1영역의 유체 압력 및 상기 제2영역의 유체 압력이 개별적으로 제어되도록 하여 제1영역의 연신률과 제2영역의 연신률을 조절하는 방식이 사용될 수도 있다.
본 실시예의 경우, 상기 제1영역의 유체 압력 및 상기 제2영역의 유체 압력이 개별적으로 제어되도록 하여 제1영역의 연신률과 제2영역의 연신률을 조절하는 방식이 적용되었다.
구체적으로 본 실시예의 경우 상기 주입공간은 격벽(150)에 의해 복수 개의 분리공간(R1~R4)으로 분할되며, 상기 복수 개의 분리공간(R1~R4)은 유체 압력이 개별적으로 제어될 수 있다.
예컨대 도 3과 같이 제1분리공간(R1)에 비해 제3분리공간(R3)의 유체 압력을 보다 높게 형성할 경우, 연신부(130)의 제3분리공간(R3)에 대응되는 영역이 제1분리공간(R1)에 대응되는 영역에 비해 보다 팽창되며, 이에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 제1단부(110)와 제2단부(120)가 소정 각도를 이루게 된다.
이와 같이 본 실시예의 경우, 복수 개의 분리공간(R1~R4)에 공급되는 유체의 압력을 개별적으로 제어하여 제1단부(110)와 제2단부(120)의 각도를 조절할 수 있다.
본 실시예에서는 이와 같은 단위유닛(100)을 기본으로 하여, 도 5와 같이 복수 개의 단위유닛(100)을 서로 연결하여 매니퓰레이터를 구현할 수 있다. 이때 각 단위유닛(100)의 연신 형태는 개별적으로 제어될 수 있으므로, 매니퓰레이터는 무한에 가까운 굴신 형태를 재현할 수 있다.
예를 들어 도 5와 같이 모든 단위유닛(100)의 동일 영역을 팽창시켰을 경우 일 방향으로의 굴신을 구현할 수 있으며, 각 단위유닛(100)의 서로 다른 영역을 팽창시켰을 경우에는 촉수와 같이 다양한 방향으로의 굴신을 동시에 구현할 수 있다. 따라서 본 발명은 각 단위유닛(100)을 제어하여 실시간으로 원하는 형태를 형성할 수 있으므로, 의료 분야에서의 수술 등 다양한 분야에 적용이 가능하다. 즉 의료 부문에 적용될 경우 절개부위를 최소화할 수 있으며, 수술 속도와 성공률을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.
한편 본 실시예의 경우, 상기 분리공간(R1~R4)이 총 4개로 분할된 형태를 가지도록 형성되나, 상기 분리공간(R1~R4)의 개수는 이에 제한되지 않음은 물론이다. 즉 상기 분리공간(R1~R4)은 4개보다 많을 수도 있으며, 보다 적을 수도 있다.
도 6 및 도 7에는, 본 실시예에 따른 매니퓰레이터의 각 단위유닛(100)에 유체제어유닛(50)을 적용한 모습이 도시된다. 이와 같이 본 실시예의 경우 유체제어유닛(50)에 의해 각 분리공간(R1~R4)에 유체를 공급하거나 배출시킬 수 있다.
한편 본 실시예에서 단위유닛(100)에는 제1단부(110), 제2단부(120) 및 연신부(130)를 관통하는 중공(102)이 형성되며, 상기 유체제어유닛(50)은 상기 단위유닛(100)의 중공(102)에 구비된다.
그리고 상기 유체제어유닛(50)은, 단위유닛(100)의 각 분리공간(R1~R4)에 연결된 형태로 분지되며, 상기 연신부(130)의 내주면(140)을 관통하는 복수의 유체유동부(54)와, 복수의 유체유동부(54)를 서로 연결하는 연결부(52)를 포함한다.
이때 상기 연결부(52)의 내부에는 솔레노이드 밸브가 구비될 수 있으며, 이에 따라 각 유체유동부(54)로 유동되는 유체의 유량을 제어할 수 있도록 형성된다. 그리고 각 밸브마다 유량은 독립적으로 제어될 수 있다.
다만, 본 실시예와 같은 솔레노이드 밸브 방식과 달리, 유체의 제어를 위한 장치로서 다양한 유량제어모듈이 제한 없이 적용될 수 있음은 물론이다.
또한 상기 유체제어유닛(50)은, 도 7에 도시된 바와 같이 각 연결부(52)가 서로 연결된 형태로 각 단위유닛(100)마다 대응되어 복수 개가 구비될 수 있다. 이에 따라 별도로 구비되는 단일 또는 복수 개의 컴프레서(미도시)로부터 각 유체제어유닛(50)에 유체를 일괄적으로 공급할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 제1실시예에 대해 설명하였으며, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예들에 대해 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 단위유닛의 제1영역과 제2영역이 서로 다른 비율로 연신된 모습을 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 본 발명의 제2실시예의 경우, 전술한 제1실시예와 마찬가지로 제1단부(110)와, 제2단부(120)와, 연신부(130)를 포함하는 형태로 형성된다. 다만, 전술한 제1실시의 경우 유체의 압력 제어에 의해 상기 연신부(130)의 연신률을 제어한 반면, 본 실시예의 경우 전기 및 전자 제어에 따라 팽창 또는 수축하는 섬유체(30)에 의해 상기 연신부(130)의 연신률을 제어한다는 점이 다르다.
상기 섬유체(30)는 전기 및 전자 제어에 따라 팽창 또는 수축하도록 형성되며, 예컨대 탄소나노튜브섬유 인공근육 등이 적용될 수 있다. 상기 탄소나노튜브섬유 인공근육 1㎏은 약 7.1마력의 힘을 생성 가능하며, 동일 무게의 실제 인간 근육과 비교할 때 100배 정도의 힘을 가지는 것으로 알려져 있다.
즉 본 실시예의 경우 이와 같은 섬유체(30)를 연신부(130)의 둘레에 부착하고, 제1영역 및 제2영역의 전기 및 전자 제어를 달리 수행하여 상기 연신부(130)의 굴신을 조절할 수 있다.
이와 같이, 상기 연신부(130)의 굴신 제어는 유체 압력을 제어하는 방법 외에도 다양한 방법에 의해 수행될 수 있을 것이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 복수 개의 단위유닛(100)에 관통체(10)가 구비된 모습을 나타낸 도면이다.
*도 9에 도시된 제3실시예의 경우, 복수 개가 연접한 단위유닛(100)의 중공을 통해 관통체(10)를 삽입한 형태로 형성된다. 이때 상기 관통체(10)는 유연성을 가지도록 형성될 수 있으며, 따라서 상기 관통체(10)는 상기 단위유닛(100)의 연신에 대응되어 변형 가능하게 형성된다.
이와 같이 본 발명의 매니퓰레이터는 상기 단위유닛(100) 자체의 변형뿐만 아니라 별도의 관통체(10)를 함께 변형시킬 수 있으므로, 그 적용 범위를 보다 확장시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 복수 개의 단위유닛(100)에 굽힘센서(20)가 구비된 모습을 나타낸 도면이다.
도 10에 도시된 본 발명의 제4실시예는 복수 개의 단위유닛(100)의 용이한 제어를 위해, 굽힘센서(20)를 부착하였다. 상기 굽힘센서(20)는 휘어질 경우 굽힘 측정 세그먼트의 길이가 미세하게 변하며 저항 값이 변동되므로, 이와 같은 저항 값의 변화에 따라 굽힘 정도를 전압 값으로 측정이 가능하다.
즉 이와 같은 굽힘센서(20)를 복수 개의 단위유닛(100)에 부착할 경우, 매니퓰레이터의 위치 별 굽힘 정도를 인식할 수 있게 되며, 제어를 보다 용이하게 수행할 수 있다.
특히 본 실시예의 경우 굽힘센서(20)가 상기 복수 개의 단위유닛(100)의 중공(102) 내부, 즉 연신부의 내주면에 부착된 형태를 가지도록 형성된다. 다만, 상기 굽힘센서(20)의 부착 위치는 본 실시예에 제한되지 않고 다양한 위치에 구비될 수 있음은 물론이다.
도 11은 본 발명의 제5실시예에 따른 매니퓰레이터에 있어서, 단위유닛(200)의 구조를 나타낸 도면이다.
도 11에 도시된 본 발명의 제5실시예의 경우, 단위유닛(200)이 제1단부(210), 제2단부(220) 및 연신부(230)를 포함한다는 것은 전술한 제1실시예와 동일하게 형성된다. 다만, 본 실시예의 단위유닛(200)은 전체적으로 원기둥 형태로 형성되고, 중공(202)이 상기 단위유닛(200)의 편심된 위치에 형성된다는 점이 다르다.
즉 본 실시예의 경우 중공(202)이 편심됨에 따라 연신부(230)의 내부면(240)의 각 지점은 상기 연신부(230)의 외주면까지의 거리가 다르게 형성된다. 따라서 본 실시예는 제1영역의 폭(T1)이 반대 측의 제2영역의 폭(T2)보다 작게 형성되며, 제1영역과 제2영역의 탄성력이 서로 다르게 형성된다.
따라서 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 중공(202)을 기준으로 하여 어느 일측이 압력 팽창, 또는 저압 수축할 경우 단위유닛(200)의 굴신 현상이 발생하게 된다.
도 12의 경우, 상기 중공(202)을 기준으로 하여 제1영역이 저압 수축된 형태를 나타낸 것이며, 도 13의 경우 상기 중공(202)을 기준으로 하여 제1영역이 압력에 의해 팽창된 형태를 나타낸 것이다. 이에 따라 도 12의 경우 상기 단위유닛(200)은 제1영역 방향으로 굴신되며, 도 13의 경우 상기 단위유닛(200)은 제2영역 방향으로 굴신된 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 연신부의 일측에 형성되는 제1영역과, 상기 제1영역의 반대 측에 형성되는 제2영역이 외력에 의해 상기 연신부가 서로 다른 비율로 연신 가능하게 형성되어 매니퓰레이터의 동작을 제어할 수 있으며, 단위유닛(200)의 형태는 다양하게 구현될 수 있음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

Claims (12)

  1. 제1단부;
    상기 제1단부와 상호 대향하여 이격된 제2단부; 및
    상기 제1단부와 상기 제2단부 사이에 구비되며, 연신 가능하게 형성된 연신부;
    를 포함하는 단위유닛을 포함하며,
    상기 연신부는,
    일측에 형성되는 제1영역과, 상기 제1영역의 반대 측에 형성되는 제2영역이 외력에 의해 서로 다른 비율로 연신 가능하게 형성되는 매니퓰레이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연신부에는,
    전기 및 전자 제어에 따라 팽창 또는 수축하는 섬유체가 부착되어, 상기 제1영역 및 상기 제2영역이 서로 다른 비율로 연신 가능하게 형성되는 매니퓰레이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연신부의 내부에는 주입공간이 형성되어, 상기 주입공간에 유체가 유입되거나 배출됨에 따라 상기 제1영역 및 상기 제2영역이 서로 다른 비율로 연신 가능하게 형성되는 매니퓰레이터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 단위유닛은,
    상기 주입공간의 동일 내압에 대한 상기 제1영역의 연신률이 상기 제2영역의 연신률과 다르게 형성되는 매니퓰레이터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 단위유닛은,
    상기 제1영역의 유체 압력 및 상기 제2영역의 유체 압력이 개별적으로 제어되는 매니퓰레이터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 주입공간은 격벽에 의해 복수 개의 분리공간으로 분할되며,
    상기 복수 개의 분리공간은, 유체 압력이 개별적으로 제어되는 매니퓰레이터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 중공에 구비되어, 상기 복수 개의 분리공간에 각각 유체를 주입시키거나 배출시키는 유체제어유닛을 더 포함하는 매니퓰레이터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단위유닛은 복수 개가 연접하도록 구비된 매니퓰레이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수 개 단위유닛에 걸쳐 구비되는 굽힘센서를 더 포함하며,
    상기 복수 개의 단위유닛은, 상기 굽힘센서의 측정 결과에 따라 상기 연신부의 연신 비율이 제어되는 매니퓰레이터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단위유닛에는 상기 제1단부, 상기 연신부 및 상기 제2단부를 관통하는 중공이 형성된 매니퓰레이터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 중공은 상기 단위유닛의 편심된 위치에 형성된 매니퓰레이터.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 단위유닛은 복수 개가 연접하도록 구비되며,
    상기 복수 개 단위유닛의 중공을 관통하는 관통체를 더 포함하는 매니퓰레이터.
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