WO2024043425A1 - 메타구조가 적용된 로봇용 소프트 피복구조체 - Google Patents
메타구조가 적용된 로봇용 소프트 피복구조체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 로봇 손 또는 로봇의 임의의 부분의 외면을 덮도록 결합되면서 탄성 및 유연성을 제공하며, 3D 프린팅 방식으로 제작되는 메타구조가 적용된 로봇용 소프트 피복구조체에 관한 것으로, 본 발명에 따른 로봇용 소프트 피복구조체는, 탄력성이 있는 수지 재질로 되어 로봇의 손바닥 또는 손등과 로봇의 손가락의 표면에 연접하게 결합되며, 일정한 패턴이 연속적으로 배열되면서 복수의 통공이 형성된 격자 형태를 갖는 피복체; 및, 상기 피복체 중 로봇의 손가락에 연접하게 결합되는 부분의 끝단부에 고정되며, 적어도 일측면이 개방된 통 형태로 되어 개방된 일측면을 통해 로봇의 손가락 끝단이 삽입되면서 결합되는 커플링캡;을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 로봇의 외면에 결합되어 외골격을 형성하는 소프트 피복구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇의 손에 해당하는 부분 또는 로봇의 임의의 부분의 외면을 덮도록 결합되면서 탄성 및 유연성을 제공하며, 3D 프린팅 방식으로 제작되는 메타구조가 적용된 로봇용 소프트 피복구조체에 관한 것이다.
웨어러블 로봇은 재료에 따라 강체 소재 로봇과 유연 소재 로봇으로 나눌 수 있으며, 유연 소재 로봇은 엘라 스토머, 직물, 겔과 같은 유연한 소재로 이루어진 로봇으로 강체 소재에 유연 소재를 결합한 경우까지 포함한다. 센서, 제어, 소프트웨어 기술이 발전하면서 웨어러블 로봇은 군용, 산업 작업용, 재난 구조용, 재활 치료용, 일상생활 보조용 등의 용도로 사용되며, 착용 부위는 상지, 하지, 전신, 손·손목, 발·발목 부위에 적용이 가능하다.
이 중 스마트 장갑은 유연 소재 웨어러블 로봇 중 하나로 사람의 손에 착용되는 형태를 갖는다. 주로 재활치료용, 일 상생활 보조용, 시각·청각 약자를 위한 소통용 등의 제품 개발이 진행되고 있으며, 이 중 손 재활을 위한 소프트 웨어러블 로봇 재활장치에 대한 연구 및 제품 개발이 활발히 진행되고 있다.
손은 신체 중 가장 작은 공간에 가장 많은 관절과 자유도(degree of freedom)가 포함되어 있는 기관이며, 일상생활의 상지를 활용한 동작에는 항상 필요로 되어 중요한 역할을 맡는다. 손은 상지의 가장 말단에 위치하여 뇌졸중(stroke), 척추손상(spinal cord injury), 뇌성마비(cerebral palsy)등의 질환 후 가장 후유증이 심하게 나타나며, 재활 치료가 가장 어려운 부위 중 하나이다. 손 재활은 대부분 어깨, 팔꿈치, 손목 등의 재활운동과 손 재활치료가 따로 이루어진다. 손 재활을 위한 유연 소재 웨어러블 로봇은 부피와 무게를 감소시키기 위해 네오프렌, 벨크로 파스너 등의 유연한 소재가 주로 사용되며, 손가락의 힘을 보조해주는 DC 모터, push-pull 구동기 장치가 부착된다.
이러한 웨어러블 로봇은 인간의 신체에 착용되어 신체 활동을 보조하기 때문에 전체 또는 적어도 신체와 접촉하는 부분이 부드럽고 유연한 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
이에 종래에는 강체로 된 로봇의 외면에 유연한 천이나 수지 피복구조체를 결합하여 사용하고 있으나, 종래의 피복구조체는 인장강도와 충격 흡수성, 탄력성이 낮고, 내구성이 좋지 않으며, 로봇의 동작 구현을 어렵게 하는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 강체로 된 로봇의 외면에 결합되어 로봇과 함께 동작하며, 우수한 인장강도와 충격 흡수성, 경량성 및 탄력성을 갖는 메타구조가 적용된 로봇용 소프트 피복구조체를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따른 로봇용 소프트 피복구조체는, 탄력성이 있는 수지 재질로 되어 로봇의 표면에 연접하게 결합되며, 일정한 패턴이 연속적으로 배열되면서 복수의 통공이 형성된 격자 형태를 갖는 피복체;를 포함한다.
상기 피복체의 패턴은 푸아송비(Poisson's ratio)가 -0.5 ~ 0인 오그제틱(Auxetic) 패턴일 수 있다.
상기 피복체는, 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 열가소성 고무(TPE), 형상기억 고분자(SMP)로 된 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터로 출력하여 일정한 패턴을 갖도록 만들어진 것일 수 있다.
본 발명에 따른 로봇용 소프트 피복구조체는, 상기 피복체의 일단부에 고정되며, 적어도 일측면이 개방된 통 형태로 되어 개방된 일측면을 통해 로봇의 끝단부가 삽입되면서 결합되는 커플링캡;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 한 형태에 따른 로봇용 소프트 피복구조체는, 사람의 손과 대응하는 형태로 된 로봇의 표면에 결합되는 피복구조체로서, 탄력성이 있는 수지 재질로 되어 로봇의 손바닥 또는 손등과 로봇의 손가락의 표면에 연접하게 결합되며, 일정한 패턴이 연속적으로 배열되면서 복수의 통공이 형성된 격자 형태를 갖는 피복체; 및, 상기 피복체 중 로봇의 손가락에 연접하게 결합되는 부분의 끝단부에 고정되며, 적어도 일측면이 개방된 통 형태로 되어 개방된 일측면을 통해 로봇의 손가락 끝단이 삽입되면서 결합되는 커플링캡;을 포함할 수 있다.
상기 피복체의 패턴은 푸아송비(Poisson's ratio)가 -0.5 ~ 0인 오그제틱(Auxetic) 패턴일 수 있다.
또한 상기 피복체는, 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 열가소성 고무(TPE), 형상기억 고분자(SMP)로 된 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터로 출력하여 일정한 패턴을 갖도록 만들어진 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 소프트 피복구조체의 피복체가 오그제틱(Auxetic) 패턴을 갖는 격자 구조로 이루어져 우수한 탄력성과 경량성, 높은 인장강도를 가지며, 로봇을 움직여서 물건을 잡거나 다양한 동작을 취할 때 피복체가 로봇과 함께 원활하게 탄성 거동하여 로봇이 자연스럽게 동작할 수 있다.
그리고 소프트 피복구조체의 피복체에 패턴에 의한 복수의 통공이 격자 형태로 배열되므로 사람이 로봇을 착용한 상태에서 항상 공기가 통하여 쾌적함과 편안함을 느낄 수 있는 효과도 있다.
또한 피복체의 일단에 로봇에 끼워져 결합되는 커플링캡을 고정되게 형성하여, 커플링캡을 이용하여 피복구조체를 로봇에 용이하게 설치하여 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 소프트 피복구조체를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 소프트 피복구조체의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 소프트 피복구조체가 로봇 손에 착용된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 소프트 피복구조체가 로봇 손의 동작에 의해 탄성 변형된 예를 나타낸 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 메타구조가 적용된 로봇용 소프트 피복구조체를 후술된 실시예들에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1 내지 도 4에 도시한 로봇용 소프트 피복구조체는, 사람의 손과 대응하는 형태로 된 로봇(이하 '로봇 손'이라 함)의 표면에 결합되는 피복구조체로서 적용된 예를 나타낸 것이지만, 본 발명의 로봇용 소프트 피복구조체는 로봇 손 외에도 다양한 로봇에 적용될 수 있을 것이다.
도 1 내지 도 4에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 소프트 피복구조체(100)는, 로봇 손(R)의 손바닥 또는 손등과 로봇의 손가락의 표면에 연접하게 결합되는 피복체(110)와, 상기 피복체(110) 중 로봇 손(R)의 손가락에 연접하게 결합되는 부분의 끝단부에 고정되는 커플링캡(120)을 포함할 수 있다.
피복체(110)는 로봇 손(R)의 손등 표면에 연접하는 바디부(111)와, 상기 바디부(111)의 전단부에 전방으로 연장되어 로봇 손(R)의 손가락 표면과 연접하는 스트립 형태의 복수의 핑거부(112)를 포함할 수 있다.
피복체(110)의 바디부(111)와 핑거부(112)는 열가소성 폴리우레탄(TPU; thermoplastic polyurethane) 또는 열가소성 고무(TPE; thermoplastic elastomer), 형상기억 고분자(SMP)와 같이 탄력성이 우수한 열가소성 수지 재질로 이루어지며, 일정한 패턴이 연속적으로 배열되면서 복수의 통공이 형성된 격자 형태를 갖는다.
상기 피복체(110)는 열가소성 수지 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터로 출력하여 소정의 패턴을 갖게 만들어질 수 있는데, 열가소성 수지 필라멘트로서 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 열가소성 고무(TPE), 형상기억 고분자(SMP)로 된 필라멘트를 사용할 수 있다. 특히 형상기억 고분자(SMP) 필라멘트를 사용할 경우, 열가소성 폴리우레탄(TPU) 필라멘트 또는 열가소성 고무(TPE)를 사용할 경우보다 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있다.
상기 피복체(110)의 바디부(111)와 핑거부(112)들은 독립적으로 3D 프린팅되어 제작된 후 서로 접합되어 일체화될 수 있다.
피복체(110)를 이루는 패턴은 하중방향으로 확장되는 변위가 발생할 때 하중방향과 직각인 방향에서도 확장되는 변위가 발생하여 푸아송비(Poisson's ratio)가 -0.5 ~ 0인 오그제틱(Auxetic) 패턴인 것이 바람직하다. 오그제틱 패턴으로서 이 실시예에서 적용된 나비 형태의 Re-entrant 패턴 외에도, 화살 모양 Re-entrant 패턴, 별(star) 모양 Re-entrant 패턴, 육각형(hexagonal) Re-entrant 패턴 등 다양한 Re-entrant 패턴이나 다양한 카이랄 하니컴(chiral honeycomb) 패턴 등을 적용할 수 있을 것이다.
이와 같이 피복체(110)가 오그제틱(Auxetic) 패턴을 갖는 격자 구조로 이루어지면, 로봇 손의 움직임에 따라 피복체(110)가 용이하게 탄성 변형되면서 길이방향과 폭방향으로 동시에 확장되어 로봇 손(R)의 움직임에 저항하는 힘을 최소화할 수 있다.
그리고 피복체(110)에 복수의 통공이 격자 형태로 배열되어 있으므로 사람이 로봇 손을 착용한 상태에서 항상 공기가 통하여 쾌적함과 편안함을 느낄 수 있는 이점도 있다.
상기 피복체(110)는 커플링캡(120)에 의해 로봇 손(R)에 결합될 수 있다. 커플링캡(120)은 일측면이 개방된 통 형태로 되어 개방된 일측면을 통해 로봇 손(R)의 손가락 끝단에 삽입되면서 결합된다. 커플링캡(120)은 피복체(110)와 동일한 열가소성 폴리우레탄(TPU; thermoplastic polyurethane) 또는 열가소성 고무(TPE), 형상기억 고분자(SMP) 수지로 이루어질 수 있으며, 피복체(110)와 마찬가지로 3D 프린팅 방식으로 제작될 수 있다.
3D 프린팅 방식으로 제작된 피복체(110)는 오그제틱 패턴의 격자 구조로 이루어지며, 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 열가소성 고무(TPE), 형상기억 고분자(SMP) 수지와 같은 탄성 재질로 이루어져 높은 인장강도를 가짐과 동시에 무게가 매우 작고, 높은 탄력성을 갖는 것으로 확인되었다.
따라서 로봇 손(R)의 손가락을 움직여서 물건을 잡거나 다양한 동작을 취할 때 피복체(110)가 로봇 손(R)과 함께 원활하게 탄성 거동하여 로봇 손(R)이 자연스럽게 동작할 수 있다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 로봇의 외면에 결합되어 외골격을 형성하는 소프트 피복구조체에 관한 것으로, 인간의 신체에 착용 가능한 웨어러블 로봇, 산업용 로봇 등 다양한 로봇의 피복체로서 적용될 수 있다.
Claims (7)
- 탄력성이 있는 수지 재질로 되어 로봇의 표면에 연접하게 결합되며, 일정한 패턴이 연속적으로 배열되면서 복수의 통공이 형성된 격자 형태를 갖는 피복체;를 포함하는 로봇용 소프트 피복구조체.
- 제1항에 있어서, 상기 피복체의 패턴은 푸아송비(Poisson's ratio)가 -0.5 ~ 0인 오그제틱(Auxetic) 패턴인 로봇용 소프트 피복구조체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피복체는, 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 열가소성 고무(TPE), 형상기억 고분자(SMP)로 된 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터로 출력하여 일정한 패턴을 갖도록 만들어진 로봇용 소프트 피복구조체.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피복체의 일단부에 고정되며, 적어도 일측면이 개방된 통 형태로 되어 개방된 일측면을 통해 로봇의 끝단부가 삽입되면서 결합되는 커플링캡;을 더 포함하는 로봇용 소프트 피복구조체.
- 사람의 손과 대응하는 형태로 된 로봇의 표면에 결합되는 피복구조체로서,탄력성이 있는 수지 재질로 되어 로봇의 손바닥 또는 손등과 로봇의 손가락의 표면에 연접하게 결합되며, 일정한 패턴이 연속적으로 배열되면서 복수의 통공이 형성된 격자 형태를 갖는 피복체; 및,상기 피복체 중 로봇의 손가락에 연접하게 결합되는 부분의 끝단부에 고정되며, 적어도 일측면이 개방된 통 형태로 되어 개방된 일측면을 통해 로봇의 손가락 끝단이 삽입되면서 결합되는 커플링캡;을 포함하는 로봇용 소프트 피복구조체.
- 제5항에 있어서, 상기 피복체의 패턴은 푸아송비(Poisson's ratio)가 -0.5 ~ 0인 오그제틱(Auxetic) 패턴인 로봇용 소프트 피복구조체.
- 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 피복체는, 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 열가소성 고무(TPE), 형상기억 고분자(SMP)로 된 필라멘트를 FDM 방식의 3D 프린터로 출력하여 일정한 패턴을 갖도록 만들어진 로봇용 소프트 피복구조체.
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