KR20190008145A - 대변형 소프트 로봇 및 대변형 소프트 로봇 제작을 위한 스태킹 몰드 - Google Patents

대변형 소프트 로봇 및 대변형 소프트 로봇 제작을 위한 스태킹 몰드 Download PDF

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KR20190008145A
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Abstract

본 발명은 대변형 소프트 로봇 및 스태킹 몰드에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 팽창에 의해 전개되는 대변형 소프트 로봇과 대변형 소프트 로봇을 주조방식으로 제작하기 위한 스태킹 몰드에 관한 것이다.
상술한 바와 목적을 달성하기 위한 대변형 소프트 로봇은 유연 재질의 팽창을 통해 전개되어매우 컴팩트한 사이즈로 제작이 가능하고, 높은 변형률을 갖는 효과가 있다.
또한, 스태킹 몰드는 저렴한 가격으로 복잡한 형태의 대변형 소프트 로봇을 쉽게 제작할 수 있는 효과가 있다.

Description

대변형 소프트 로봇 및 대변형 소프트 로봇 제작을 위한 스태킹 몰드{Large Deformable Soft Robot and Stacking Mold for Large Deformable Soft Robot}
본 발명은 대변형 소프트 로봇 및 대변형 소프트 로봇 제작을 위한 스태킹 몰드에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 팽창에 의해 전개되는 대변형 소프트 로봇과 대변형 소프트 로봇을 주조방식으로 용이하게 제작하기 위한 스태킹 몰드에 관한 것이다.
소프트 로봇은 재료와 구조의 설계를 통해 부드러운 동작을 만드는 로봇을 의미한다.
현재까지 개발된 소프트 로봇은 변형을 재료의 변형에 크게 의존해 왔으며, 이때 최대 변형률은 일반적으로 100~300%로 보고된다. 이러한 소프트 로봇은 부드러운 재료의 높은 적응성과 안정성 덕분에 의료로봇, 웨어러블 로봇과 같은 다양한 용도로 사용되었다.
종이접기 구조(origami structure)는 졉혀 있는 상태에서 수십 배 길이로 전개될 수 있는 특징이 있다. 이러한 종이접기 구조는 재료의 변형이 없는 강체 변환(rigid transformation)으로 변형된다. 종기접기는 접힘 선에서의 강체 회전에 의한 면들의 이동에 의해 변형된다. 종이접기 구조는 접힌 상태에서는 작은 부피를 차지하고, 변형률이 크기 때문에 우주 공간, 건축학, 의료 공학, 모바일 로봇 등의 다양한 분야에 적용되고 있다.
현재의 종이접기 구조는 변형성이 낮은 종이, 천, 플라스틱, 필름과 같은 재료로 제작되고 있다. 또한, 종이접기 구조의 전개를 위해 별도의 액추에이터를 사용하는 한계가 존재한다. 따라서, 앞서 설명한 소프트 로봇에 종이접기 구조를 접목하여 유연 재료의 변형을 통해 전개되고 높은 변형률을 갖는 구조의 소프트 로봇을 개발할 필요가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 필요성을 충족하기 위하여 안출된 것으로서, 유연 재질을 사용하여 종이접기 구조의 로봇을 구현함으로써, 유연 재질의 팽창을 통해 전개될 수 있는 대변형 소프트 로봇을 제공하고, 대변형 소프트 로봇을 주조방식으로 용이하게 제작할 수 있는 스태킹 몰드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명의 대변형 소프트 로봇은, 탄성 재질의 판상으로 형성된 복수의 신축 부재; 상기 복수의 신축 부재 중 인접하는 두 개의 신축 부재가 서로 접히도록 각각 연결하는 복수의 이음 부재; 및 상기 복수의 신축 부재와 복수의 이음 부재에 의해 기체가 채워질 수 있는 밀폐된 공간을 형성하고 상기 기체가 유입되거나 유출되는 챔버홀을 구비하는 챔버 부재;를 포함하는 점에 특징이 있으며,
본 발명의 대변형 소프트 로봇의 제작을 위한 스태킹 몰드는, 상기 신축 부재 형상의 제1캐비티가 형성된 판상의 제1몰드; 및 상기 제1몰드에 적층되어 상기 신축 부재와 연결되는 이음 부재를 형성하도록 상기 제1캐비티와 통하는 제2캐비티가 형성되는 제2몰드;를 포함하는 점에 특징이 있다.
상술한 바와 목적을 달성하기 위한 대변형 소프트 로봇은 유연 재질의 팽창을 통해 전개되어 매우 컴팩트한 사이즈로 제작이 가능하고, 높은 변형률을 갖는 효과가 있다.
또한, 스태킹 몰드는 저렴한 가격으로 복잡한 형태의 대변형 소프트 로봇을 쉽게 제작할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 대변형 소프트 로봇의 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 대변형 소프트 로봇이 전개된 상태의 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 대변형 소프트 로봇이 팽창한 상태의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대변형 소프트 로봇의 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 대변형 소프트 로봇을 제작하기 위한 스태킹 몰드의 사시도이다.
이하에서는 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 대변형 소프트 로봇에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 대변형 소프트 로봇의 측면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 대변형 소프트 로봇이 전개된 상태의 측면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 대변형 소프트 로봇이 팽창한 상태의 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 대변형 소프트 로봇은 복수의 신축 부재(10)와 복수의 이음 부재(30)와 챔버 부재(50)를 포함하여 이루어진다. 본 실시예에 따른 대변형 소프트 로봇은 복수의 신축 부재(10)와 복수의 이음 부재(30)로 형성되는 챔버 부재(50)에 기체가 주입되어 전개된 뒤 팽창한다.
신축 부재(10)는 탄성 재질로 형성된다. 탄성을 갖는 다양한 물질로 신축 부재(10)를 형성할 수 있다. 본 실시예의 경우에는 엘라스토머(elastomer)로 신축 부재(10)를 형성한다. 엘라스토머는 고무 같은 탄성을 갖는 산업용 재료의 총칭이다. 엘라스토머는 사출성형이나 압출성형과 같은 방법으로 성형이 가능하여 제작에 용이한 장점이 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 본 실시예의 신축 부재(10)는 육각형 판상으로 형성된다. 기체가 챔버 부재(50)에 주입되기 전, 신축 부재(10)는 종이접기와 같은 상태로 접혀있다. 도 2를 참조하면, 신축 부재(10)는 서로 적층되어 배열된다. 신축 부재(10)는 서로 다른 강성을 갖도록 형성된다. 도 2 및 도 3을 기준으로 바깥쪽 신축 부재(10)에 비해 안쪽 신축 부재(10)의 강성이 더 크다. 강성이 큰 신축 부재(10)는 강성이 작은 신축 부재(10)에 비해 덜 팽창한다. 탄성 계수가 서로 다른 물질을 이용하여 강성을 서로 다르게 할 수도 있고, 두께를 조절하여 강성을 서로 다르게 할 수도 있다.
이음 부재(30)는 인접하는 신축 부재(10)를 연결한다. 본 실시예의 경우 이음 부재(30)도 신축 부재(10)와 마찬가지로 엘라스토머로 형성된다. 이음 부재(30)는 신축 부재(10)가 서로 접힐 수 있도록 신축 부재(10) 사이를 연결한다.
이음 부재(30)는 유입부(31)를 포함한다. 이음 부재(30)의 유입부(31)는 인접하는 신축 부재(10) 사이에서 기체가 이동할 수 있는 채널이다. 도 1에 도시된 것과 같이 본 실시예의 유입부(31)는 지그재그(zigzag)로 배치된다.
챔버 부재(50)는 신축 부재(10)와 이음 부재(30)에 의해 형성된 밀폐된 공간이다. 챔버 부재(50)는 챔버홀(51)을 구비한다. 챔버 부재(50)의 챔버홀(51)을 통해 기체가 유입되거나 유출되면서 신축 부재(10)가 팽창 또는 수축할 수 있다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 대변형 소프트 로봇의 작동에 대해 설명한다.
도 1을 참조하면, 기체가 챔버 부재(50)에 주입되기 전에는 신축 부재(10)가 서로 접혀있는 상태로 유지된다. 신축 부재(10)는 접혀서 서로 포개진다.
이와 같은 상태에서, 챔버 부재(50)의 챔버홀(51)에 기체를 주입한다. 챔버 부재(50)에 기체가 주입되면 신축 부재(10)가 팽창하기 시작한다. 이음 부재(30)의 유입부(31)를 통해 기체가 신축 부재(10) 사이로 이동되므로 복수의 신축 부재(10)는 거의 동시에 팽창을 시작한다. 신축 부재(10)가 팽창하면 접힌 상태의 신축 부재(10)가 펼쳐지며 전개된다. 상술한 바와 같이 유입부(31)는 지그재그로 배치되므로 신축 부재(10)도 유입부(31)를 기준으로 아래 위로 전개될 수 있다.
기체의 주입에 따라 신축 부재(10)는 팽창하며 계속 전개된다. 상술한 바와 같이 신축 부재(10)의 강성은 서로 다르다. 안쪽 신축 부재(10)의 강성이 바깥쪽 신축 부재(10)의 강성보다 크다. 이 때문에 바깥쪽 신축 부재(10)는 안쪽 신축 부재(10)보다 더 많이 팽창하여 결과적으로 도 3에 도시된 것과 같이 본 실시예의 대변형 소프트 로봇은 안쪽으로 굽은 모양으로 전개된다.
기체가 어느 정도 주입되면 신축 부재(10)의 전개가 완료된다. 신축 부재(10)가 완전히 펴진 상태에서도 신축 부재(10)의 팽창은 계속될 수 있다. 신축 부재(10)가 완전히 팽창하면 도 3에 도시된 상태가 된다.
본 실시예의 대변형 소프트 로봇은 팽창하여 전개되기 전에는 아주 작은 사이즈로 제작이 가능하기 때문에 소형 기기에 장착되는 구동기로 활용할 수 있다. 도 1에 도시된 것과 같은 상태에서 도 3에 도시된 것과 같은 상태가 될 때까지 본 실시예의 대변형 소프트 로봇은 10배 이상 변형된다. 따라서, 큰 변형률이 필요한 기구나 장치에 본 실시예의 대변형 소프트 로봇을 활용하는 것이 가능하다. 본 실시예의 대변형 소프트 로봇은 접힌 상태에서 펼쳐지는 과정과, 부피가 증가하는 과정을 기체 주입에 따른 팽창을 통해 구현한다. 즉, 본 실시예의 대변형 소프트 로봇은 하나의 입력(기체 주입)으로 두 개의 운동을 동시에 수행할 수 있다.
또한, 신축 부재(10)의 강성을 서로 다르게 구성하여 전개되는 방향을 자유자재로 조절할 수 있으므로 필요한 움직임을 쉽게 구현하는 것이 가능하다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 대변형 소프트 로봇을 설명한다.
본 실시예의 대변형 소프트 로봇은 복수의 신축 부재(20)와 복수의 이음 부재(40)와 챔버 부재(60)를 포함하여 이루어진다.
본 실시예의 신축 부재(20)는 삼각형 모양의 판상으로 형성된다. 이음 부재(40)는 인접한 신축 부재(20)를 서로 접힘 가능하게 연결한다. 본 실시예의 신축 부재(20)와 이음 부재(40)는 널리 알려진 종이접기 패턴인 요시무라(yoshimura) 패턴을 형성한다. 챔버 부재(60)는 복수의 신축 부재(20)와 복수의 이음 부재(40)로 둘러 쌓여 형성된 공간이다. 본 실시예의 경우 챔버 부재(60)는 원통형으로 형성된다. 챔버 부재(60)에는 챔버홀(61)이 형성된다. 기체는 챔버홀(61)을 통해 챔버 부재(60)에 유입되거나 유출된다.
다음으로, 본 실시예에 따른 대변형 소프트 로봇의 작동에 대해 설명한다.
챔버 부재(60)의 챔버홀(61)을 통해 기체가 주입되면, 신축 부재(20)가 팽창한다. 신축 부재(20)의 팽창으로 서로 접혀있던 팽창 부재가 도 4에 도시된 것과 같이 전개된다. 어느 정도 전개된 신축 부재(20)는 계속 팽창하여 부피가 증가할 수 있다.
본 실시예의 대변형 소프트 로봇은 기체가 주입되기 전에 부피가 매우 작다. 따라서, 작은 기구에 공압 액추에이터로 활용될 수 있고, 공압을 이용한 인공 근육으로 활용될 수도 있다. 또한, 변형률이 매우 크기 때문에 큰 변위 변화가 필요한 장치에 폭넓게 활용될 수 있는 장점이 있다.
다음으로, 도 5를 참조하여 스태킹 몰드에 대해 설명한다.
도 5에 도시된 것과 같이, 스태킹 몰드는 제1몰드(100)와 제2몰드(200)와 제3몰드(300)와 제4몰드(400)로 구성된다.
제1몰드(100)는 판상으로 형성된다. 제1몰드(100)는 금속이나 열경화성 플라스틱과 같은 재질로 제작될 수 있다. 본 실시예의 경우, 제1몰드(100)의 두께는 1mm 이다. 제1몰드(100)에는 제1캐비티(110)가 형성된다. 제1캐비티(110)는 신축 부재(10)가 형성될 수 있도록 신축 부재(10)의 형상과 동일한 모양으로 형성된다.
제2몰드(200)는 제1몰드(100)와 마찬가지로 판상으로 형성된다. 제2몰드(200)도 금속이나 열경화성 플라스틱과 같은 재질로 제작될 수 있다. 본 실시예의 경우, 제2몰드(200)의 두께는 0.5mm 이다. 제2몰드(200)는 상술한 제1몰드(100)에 적층된다. 제2몰드(200)에는 제2캐비티(210)가 형성된다. 제2캐비티(210)는 신축 부재(10)를 서로 연결하는 이음 부재(30)가 형성될 수 있도록 이음 부재(30)의 형상과 동일한 모양으로 형성된다. 제2캐비티(210)는 제1몰드(100)의 제1캐비티(110)와 통하도록 형성된다.
제3몰드(300)는 제1몰드(100)와 마찬가지로 판상으로 형성된다. 제3몰드(300)도 금속이나 열경화성 플라스틱과 같은 재질로 제작될 수 있다. 본 실시예의 경우, 제3몰드(300)의 두께는 제1몰드(100)와 동일하게 1mm 이다. 제3몰드(300)는 상술한 제2몰드(200)에 적층된다. 제3몰드(300)에는 제3캐비티(310)가 형성된다. 도 4에 도시된 것과 같이, 제3캐비티(310)는 신축 부재(10)가 형성되는 부분은 개방되어 형성되고 이음 부재(30)의 유입부(31)가 형성되는 부분은 폐쇄되어 형성된다. 제3캐비티(310)는 제2몰드(200)의 제2캐비티(210)와 통하도록 형성된다.
제4몰드(400)는 제1몰드(100)와 마찬가지로 판상으로 형성된다. 제4몰드(400)도 금속이나 열경화성 플라스틱과 같은 재질로 제작될 수 있다. 본 실시예의 경우, 제4몰드(400)의 두께는 제2몰드(200)와 동일하게 0.5mm 이다. 제4몰드(400)는 상술한 제3몰드(300)에 적층된다. 제4몰드(400)에는 제4캐비티(410)가 형성된다. 제4캐비티(410)는 이음 부재(30)와 유입부(31)의 형상과 동일한 모양으로 형성된다. 제4캐비티(410)는 제3몰드(300)의 제3캐비티(310)와 통하도록 형성된다.
이하, 상술한 바와 같이 구성된 본 실시예에 따른 스태킹 몰드를 이용하여 대변형 소프트 로봇을 제작하는 방법에 대해 설명한다.
먼저, 판상의 베이스 몰드 위에 제1몰드(100) 내지 제4몰드(400)를 제1몰드(100), 제2몰드(200), 제3몰드(300), 제4몰드(400) 순서로 적층한다. 다음으로 제3몰드(300), 제2몰드(200), 제3몰드(300), 제4몰드(400)를 계속 반복하여 적층한다. 상술한 바와 같이, 제3몰드(300)와 제4몰드(400)의 제3캐비티(310)와 제4캐비티(410)는 이음 부재(30)의 유입부(31)가 형성되는 부분이 존재한다. 이음 부재(30)의 유입부(31)를 앞서 설명한 실시예와 같이 지그재그로 배치하기 위해 제3몰드(300)와 제4몰드(400)의 방향을 서로 바꿔가며 적층한다.
적층이 완료되면 최상단에 적층된 제4몰드(400)의 제4캐비티(410)로 액체 상태의 엘라스토머를 붓는다. 제1몰드(100) 내지 제4몰드(400)가 적층되면, 제1캐비티(110)와 제2캐비티(210)와 제3캐비티(310)와 제4캐비티(410)는 모두 통하므로 엘라스토머는 하강하며 제1캐비티(110) 내지 제4캐비티(410)에 채워진다.
엘라스토머가 제1캐비티(110) 내지 제4캐비티(410)에 채워지면 엘라스토머를 경화시킨다. 엘라스토머의 경화가 완료되면 제1몰드(100) 내지 제4몰드(400)를 제거한다.
본 실시예에 따른 스태킹 몰드는 신축 부재(10) 사이에서 기체가 이동하는 채널을 다양하게 변경할 수 있으며 복잡한 기체 이동 채널을 갖는 대변형 소프트 로봇도 쉽게 제작할 수 있다. 또한, 전체 형상을 틀로 만드는 것보다 단순하고 제작 단가도 획기적으로 낮출 수 있다.
경우에 따라서는, 본 실시예에 따른 스태킹 몰드를 이용하여 서로 다른 재질의 신축 부재(10)를 갖는 대변형 소프트 로봇을 제작하는 것도 가능하다. 이 경우에는 몰드를 적층하기 전에 엘라스토머를 붓는 방식을 사용한다. 제1몰드(100)의 제1캐비티(110)와 제3몰드(300)의 제3캐비티(310)에 채워지는 엘라스토머가 경화되면 신축 부재(10)가 형성된다. 따라서, 제1캐비티(110)와 제3캐비티(310)에 서로 다른 엘라스토머를 채우면 서로 다른 재질의 신축 부재(10)를 갖는 대변형 소프트 로봇을 제작할 수 있다.
이상 본 발명의 대변형 소프트 로봇과 스태킹 몰드에 대해 바람직한 실시예를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 범위가 앞에서 설명하고 도시한 구조로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 대변형 소프트 로봇은 이음 부재(30)가 유입부(31)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 유입부를 구비하지 않는 이음 부재로 대변형 소프트 로봇을 구성하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 대변형 소프트 로봇의 유입부(31)는 지그재그로 배치되는 것으로 설명하였으나, 유입부의 배치는 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어 한쪽 방향에 유입부가 서로 나란하게 배치되는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 대변형 소프트 로봇의 신축 부재(10)는 서로 강성이 다른 것으로 설명하였으나 강성이 서로 같은 신축 부재로 대변형 소프트 로봇을 구성하는 것도 얼마든지 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 대변형 소프트 로봇의 경우 챔버 부재(60)가 원통형으로 형성되는 것으로 설명하였으나, 챔버 부재를 튜브 형태로 형성하는 것도 가능하다. 이 경우 신축 부재가 팽창하면 튜브 형태의 챔버 부재로 형성되는 내부 공간의 부피가 감소한다. 내부 공간에 부피 감소를 이용하여 물체를 잡는 용도로 대변형 소프트 로봇을 활용할 수도 있다. 또한, 튜브 형태의 챔버 부재를 갖는 대변형 소프트 로봇 내부에 동일한 모양의 대변형 소프트 로봇을 삽입하여 물체를 잡는 대변형 소프트 로봇을 구성하는 것도 가능하다.
또한, 앞에서는 스태킹 몰드가 제1몰드(100), 제2몰드(200), 제3몰드(300), 제4몰드(400)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 제3몰드(300)와 제4몰드(400)는 생략 가능하다.
또한, 앞에서는 제1몰드(100)와 제3몰드(300)의 두께는 1mm 이고, 제2몰드(200)와 제4몰드(400)의 두계는 0.5mm 인 것으로 설명하였으나, 몰드의 두께는 다양하게 변경할 수 있다. 경우에 따라서는 제3몰드의 두께를 서로 다르게 구성하여 제3몰드에 의해 형성되는 신축 부재의 두께를 서로 다르게 할 수 있다. 이 경우 두께가 서로 다른 신축 부재의 강성을 이용하여 대변형 소프트 로봇의 움직임을 다양하게 변경할 수 있다.
10, 20: 신축 부재 30, 40: 이음 부재
31: 유입부 50, 60: 챔버 부재
51, 61: 챔버홀 100: 제1몰드
110: 제1캐비티 200: 제2몰드
210: 제2캐비티 300: 제3몰드
310: 제3캐비티 400: 제4몰드
410: 제4캐비티 500: 베이스 몰드

Claims (9)

  1. 탄성 재질의 판상으로 형성된 복수의 신축 부재;
    상기 복수의 신축 부재 중 인접하는 두 개의 신축 부재가 서로 접히도록 각각 연결하는 복수의 이음 부재;
    상기 복수의 신축 부재와 복수의 이음 부재에 의해 기체가 채워질 수 있는 밀폐된 공간을 형성하고 상기 기체가 유입되거나 유출되는 챔버홀을 구비하는 챔버 부재;를 포함하는 대변형 소프트 로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 이음 부재는,
    인접하는 신축 부재 사이에서 상기 기체가 이동되는 유입부를 더 포함하는 대변형 소프트 로봇.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 신축 부재는 각각 서로 다른 강성을 갖도록 형성되는 대변형 소프트 로봇.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 신축 부재는 삼각형으로 형성되고,
    상기 챔버 부재는 원통형으로 형성되는 대변형 소프트 로봇.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 신축 부재는 삼각형으로 형성되고,
    상기 챔버 부재는 튜브형으로 형성되는 대변형 소프트 로봇.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신축 부재 형상의 제1캐비티가 형성된 판상의 제1몰드; 및
    상기 제1몰드에 적층되어 상기 신축 부재와 연결되는 이음 부재를 형성하도록 상기 제1캐비티와 통하는 제2캐비티가 형성되는 제2몰드;를 포함하는 스태킹 몰드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1몰드와 제2몰드의 두께는 서로 다른 스태킹 몰드.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2몰드에 적층되어 상기 신축 부재 형상으로 개방되고 상기 이음 부재의 유입부 형상은 폐쇄되어 형성되는 제3캐비티가 형성된 판상의 제3몰드; 및
    상기 제3몰드에 적층되어 상기 이음 부재의 유입부가 형성되도록 상기 제1캐비티와 통하는 제4캐비티가 형성되는 제4몰드;를 더 포함하는 스태킹 몰드.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1몰드 및 제3몰드의 두께와 상기 제2몰드 및 제4몰드의 두께는 서로 다른 스태킹 몰드.
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