KR20150074029A

KR20150074029A - 압축 챔버를 작동시키기 위한 장치, 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20150074029A
Application number: KR1020157012218A
Authority: KR
Inventors: 보박 모사드; 조지 엠. 화이트사이즈
Original assignee: 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2015-07-01
Also published as: EP2908986A2; WO2014066378A2; JP2016500795A; WO2014066378A3; AU2013334747A1; US20150240958A1; EP2908986B1; KR102138870B1

Abstract

본 발명에서는, 압축된 가스를 목표 위치에 제공하는 것을 조절하기 위한 공압 컨트롤러가 기술된다. 상기 공압 컨트롤러는 본체 및 상기 본체의 하측 부분에 결합된 제1 막을 포함하는 엘라스토머 매니폴드를 포함할 수 있다. 본체와 제1 막은 제1 유입부, 제1 출구, 및 배출부를 가진 제1 일체형 채널을 형성할 수 있으며, 상기 제1 일체형 채널은 제1 유입부에서 제1 압력으로 상기 압축된 유체를 수용하고 상기 압축된 유체를 제1 출구로 제공하도록 구성된다. 또한, 본체는 압축된 가스의 압력이 증가해도 견뎌내기에 충분히 큰 강성을 가진다. 공압 컨트롤러는 제1 막을 제1 형상으로부터 제2 형상으로 변경시켜 제1 일체형 채널 내에서 상기 압축된 가스의 흐름을 조절하도록 구성된 액츄에이터를 포함할 수 있다.

Description

압축 챔버를 작동시키기 위한 장치, 시스템 및 방법{APPARATUS, SYSTEMS, AND METHODS FOR ACTUATING PRESSURIZABLE CHAMBERS}

본 특허출원은 Mosadegh씨 등에게 허여되었으며 2012년 10월 22일에 출원되고 발명의 명칭이 "SYSTEMS AND METHODS FOR ACTUATING SOFT ROBOTS"인 미국 가특허출원번호 61/716,765호를 기초로 우선권을 주장한다. 본 명세서에 인용된 모든 특허, 특허출원 및 공보 문헌들은 본 명세서에 기술된 본 발명의 날짜까지 당업자에게 공지된 것과 같이 본 발명을 보다 잘 이해하기 위하여 참조문헌들로서 인용된다.

연방 정부 후원 연구 또는 개발에 관한 설명

본 발명은 미국 정부 지원으로 국방 첨단과학기술 연구소에 의해 수상한 등록번호 W91 lNF-11-1-0094호에 따른 발명이다. 미국 정부는 본 발명에서 특정 권리를 보유한다.

유기체, 가령, 극피동물(불가사리, 성게) 및 자포동물(해파리)은 아주 오래되고 믿을 수 없을 정도로 성공적인데, 상대적으로 단순한 유기체도 심지어 최첨단 경성-로봇 시스템(hard-robotic system)이 수행할 수 없는 움직임이 가능하다. 종래 기술의 로봇 시스템과 자연 간의 이러한 격차에 대한 주요한 이유는 로봇 용도로 선택되는 재료가 심각하게 제한되기 때문이다. 종래 기술의 로봇 시스템과 자연 간의 이러한 격차를 메우기 위하여, 로봇 시스템은 상이한 재료를 활용해 왔다. 예를 들어, Shepherd씨 등에게 허여되었으며 발명의 명칭이 "Soft robotic actuators"인 미국 가특허출원번호 61/598,691호, 및 Mazzeo씨 등에게 허여되었으며 발명의 명칭이 "Flexible robotic actuators"인 미국 가특허출원번호 61/588,596호에 기술된 것과 같이, 연성 로봇 시스템(soft robotic system)이 연성 재료(soft material), 가령, 연성 엘라스토머, 또는 가요성 재료, 가령, 종이 및 니트릴을 사용하여 로봇 시스템의 구조를 제작할 수 있는데, 상기 미국 특허출원들은 본 명세서에서 참조문헌들로 인용된다.

연성 로봇 시스템의 상이한 부분들이 압축된 가스를 이용하여 적절하게 압축될 때, 연성 로봇 시스템은 모션(motion)을 제공할 수 있다. 종종, 연성 로봇 시스템의 상이한 부분들이 개별적으로 압축될 때에는, 연성 로봇 시스템은 복합 모션(complex motion)을 제공할 수도 있다. 유감스럽게도, 압축된 가스를 제공하기 위한 기존의 메커니즘은 용적이 크고(bulky), 속도가 느리며, 다수의 연성 로봇 시스템 분야에 대해 부정확할 뿐만 아니라, 기존의 메커니즘은 다수의 출구에 압축된 가스를 개별적으로 제공하기에 적합하지 못하다.

가요성의 로봇 액츄에이터를 위한 컨트롤 시스템이 기술된다. 본 발명의 실시예들의 특징들과 그 외의 다른 특징들이 밑에서 기술되고 예시된다.

몇몇 실시예들은 압축된 유체를 목표 위치(target location)에 제공하는 것을 조절하기 위한 공압 컨트롤러를 포함한다. 상기 공압 컨트롤러는 본체 및 상기 본체의 한 부분에 결합된 막을 포함하는 엘라스토머 매니폴드를 포함할 수 있는데, 본체와 막 사이에서 제1 용적이 제1 유입부, 제1 출구, 및 제1 배출부를 가진 적어도 제1 일체형 채널을 형성하며, 상기 제1 일체형 채널은 제1 유입부에서 제1 압력으로 상기 압축된 유체를 수용하고 상기 압축된 유체를 제1 출구로 제공하도록 구성된다. 또한, 상기 공압 컨트롤러는 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터를 포함하는 밸브 유닛을 포함할 수 있는데, 제1 액츄에이터는 막의 제1 부분을 편향시켜(deflect) 제1 일체형 채널의 제1 유입부와 제1 출구 사이의 유체 흐름을 조절하도록 구성되며, 제2 액츄에이터는 막의 제2 부분을 편향시켜 제1 일체형 채널의 제1 출구와 제1 배출부 사이의 유체 흐름을 조절하도록 구성된다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터 중 하나 이상은 압전 액츄에이터를 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터 중 하나 이상은: 형상기억 합금, 유전성 엘라스토머, 및 공압/유압 압력 액츄에이터 중 하나 또는 그 이상을 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 본체는 제1 재료를 포함하고 막은 제2 재료를 포함하며, 상기 제2 재료는 적어도 제1 재료만큼 탄성적이다(elastic).

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 본체와 막 사이에서 제2 용적은 제2 유입부, 제2 출구, 및 제2 배출부를 가진 제2 일체형 채널을 형성하고, 공압 컨트롤러는 막의 제3 부분을 편향시켜 제2 유입부, 제2 출구, 및 제2 배출부 사이의 유체 흐름을 조절하도록 구성된 제2 밸브 유닛을 추가로 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제1 출구는 압축 챔버에 결합된다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 압축 챔버는 연성 로봇 시스템의 한 구성요소(component)이다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 압축된 유체의 제1 압력은 적어도 5 psi이다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제1 일체형 채널의 높이가 적어도 100 μm이다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제2 재료는 연성 실리콘 재료와 폴리디메틸실록산(PDMS)의 혼합물(mixture)을 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 막은 150%보다 더 큰 최대 허용가능 변형율(maximum tolerable strain)을 가진 재료를 포함한다.

몇몇 실시예들은 압축된 유체를 제공하는 것을 조절하기 위한 흐름 컨트롤러를 포함한다. 상기 흐름 컨트롤러는 제1 유입부, 제1 출구, 및 제1 일체형 채널을 포함하는 제1 엘라스토머 매니폴드를 포함할 수 있으며, 제1 유입부는 제1 일체형 채널에 결합되고 압축된 유체를 제1 공압원으로부터 수용하도록 구성되며; 제2 유입부, 제2 출구, 및 제2 일체형 채널을 포함하는 제2 엘라스토머 매니폴드를 포함하고, 제2 유입부는 제2 일체형 채널에 결합되며 압축된 유체를 제2 공압원으로부터 수용하도록 구성되고; 제1 엘라스토머 매니폴드와 제2 엘라스토머 매니폴드 사이에 배열된 가요성의 엘라스토머 막을 포함하며, 상기 엘라스토머 막은 제1 엘라스토머 매니폴드의 제1 출구와 제2 엘라스토머 매니폴드의 제2 일체형 채널을 분리시키고(separate); 제1 일체형 채널의 벽을 편향시켜 제1 일체형 채널을 차단하도록(block) 구성된 액츄에이터를 포함하며, 제1 일체형 채널의 벽이 편향되지 않을 때, 제1 일체형 채널은 압축된 유체를 제1 압력 공급원으로부터 가요성의 엘라스토머 막에 제공하며 가요성의 엘라스토머 막이 편향되어 제2 일체형 채널 내의 제2 출구와 제2 유입부를 차단시키도록 구성된다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제2 출구는 압축 챔버에 결합된다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제1 압력은 제2 압력보다 적어도 5 psi 더 크다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 작동 시에 액츄에이터의 변위(displacement)는 제2 일체형 채널의 두께보다 더 작다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제1 엘라스토머 매니폴드는 복수의 제1 일체형 채널을 포함하며, 복수의 제1 일체형 채널은 각각 제1 유입부에 결합되고 개별 출구를 포함하며, 제2 엘라스토머 매니폴드는 복수의 제2 일체형 채널을 포함하고, 복수의 제2 일체형 채널은 각각 제2 출구에 결합되며 개별 압력 공급원에 결합된 개별 유입부를 포함하고, 흐름 컨트롤러는 제1 엘라스토머 매니폴드 내에서 복수의 제1 일체형 채널 중 오직 하나의 유체 흐름을 차단하여 제2 엘라스토머 매니폴드 내에서 복수의 제2 일체형 채널 중 하나를 제외한 모두의 유체 흐름을 차단하도록 구성된 복수의 액츄에이터를 추가로 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 가요성의 엘라스토머 막은 150%보다 더 큰 최대 허용가능 변형율을 가진 재료를 포함한다.

몇몇 실시예들은 압축 챔버의 작동 방법을 포함한다. 상기 방법은 유입부로부터 나온 압축된 유체를 기술된 실시예들에 따른 공압 컨트롤러의 엘라스토머 매니폴드의 일체형 채널 내에 수용하는 단계를 포함하고; 공압 컨트롤러의 제2 액츄에이터를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시켜 제1 막의 제1 부분을 편향시키고, 제1 일체형 채널의 배출부와 출구 사이에서 유체 흐름을 차단시켜, 압축된 유체를 제1 출구를 통해 제1 출구에 결합된 압축 챔버로 보내는(route) 단계를 포함하며; 압축 챔버 내의 압력이 사전결정된 수준에 도달하고 나면, 제1 액츄에이터를 제3 위치로부터 제4 위치로 이동시켜 제1 막의 제2 부분을 편향시키며, 제1 일체형 채널의 출구와 유입부 사이에서 유체 흐름을 차단시키고 압축 챔버 내의 압력을 유지시키는 단계를 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 방법은 제2 액츄에이터를 제2 위치로부터 제1 위치로 이동시켜 유체 흐름이 압축 챔버로부터 배출부로 나갈 수 있게 하는 단계를 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 압축된 유체를 압력 공급원으로부터 수용하는 단계는 압력 공급원으로부터 적어도 5 psi의 압력을 가진 압축된 유체를 수용하는 단계를 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 방법은, 공압 컨트롤러에서 연산 장치로부터, 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터 중 하나 또는 그 이상을 이동시키는 명령(instruction)을 수신하는 단계를 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 명령을 수신하는 단계는 무선 통신 시스템에 걸쳐 명령을 수신하는 단계를 포함한다.

몇몇 실시예들은 압축 챔버의 작동 방법을 포함한다. 상기 방법은: 몇몇 실시예들에 따른 흐름 컨트롤러의 제1 매니폴드 내의 제1 일체형 채널에서, 제1 압력 공급원으로부터 나온 압축된 유체를 수용하는 단계; 흐름 컨트롤러의 제2 매니폴드 내의 제2 일체형 채널에서, 제2 압력 공급원으로부터 나온 압축된 유체를 수용하는 단계; 제2 일체형 채널의 제2 출구를 압축 챔버에 결합시키는 단계; 및 흐름 컨트롤러의 액츄에이터를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시켜 제1 일체형 채널의 벽을 편향시키고 제1 일체형 채널 내의 유체 흐름을 차단시켜, 압축된 유체를 제2 압력 공급원으로부터 압축 챔버에 제공하는 단계를 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 또한, 상기 방법은 흐름 컨트롤러의 액츄에이터를 제2 위치로부터 제1 위치로 이동시켜, 압축된 유체를 제1 압력 공급원으로부터 가요성의 엘라스토머 막에 제공하여, 가요성의 엘라스토머 막이 제2 일체형 채널 내에서 유체 흐름을 차단하게 하는 단계를 포함한다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제1 압력 공급원으로부터 나온 압축된 유체의 압력은 제2 압력 공급원으로부터 나온 압축된 유체의 압력보다 적어도 5 psi 더 크다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제2 일체형 채널의 높이가 적어도 100 μm이다.

본 명세서에 기술된 실시예들 중 임의의 실시예에서, 또한, 상기 방법은 제2 출구를 배출부에 결합시켜 압축된 유체를 압축 챔버에 릴리스하는 단계를 포함한다.

본 발명은 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 오직 예시 목적으로 제공되는 첨부도면들을 참조하여 기술된다.
도 1은 특정 실시예들에 따라 압축에 반응하는 연성 로봇 액츄에이터의 모션을 예시한다.
도 2a-2c는 특정 실시예들에 따른 공압 컨트롤러를 예시한다.
도 3a-3d는 특정 실시예들에 따라 상이한 형상에 있는 공압 컨트롤러의 횡단면도를 예시한다.
도 4는 특정 실시예들에 따른 공압 컨트롤러의 톱-다운 예시를 도시한다.
도 5는 특정 실시예들에 따른 물리적으로 제작된 공압 컨트롤러의 톱-다운 도면을 도시한다.
도 6a-6c는 특정 실시예들에 따른 공압 컨트롤러의 특징들을 예시한다.
도 7a-7c는 특정 실시예들에 따른 공압 컨트롤러 내에 있는 개별적으로 조절되는 밸브 유닛들을 예시한다.
도 8a 및 8b는, 각각, 특정 실시예들에 따라 마스터/슬레이브 매니폴드를 가진 다-단계 엘라스토머 매니폴드 내에 있는 단일 요소의 분해도 및 확대도이다.
도 9a-9b는 특정 실시예들에 따른 다-단계 엘라스토머 매니폴드의 작동을 예시한 횡단면도이다.
도 10a-10b는 특정 실시예들에 따른 마스터/슬레이브 매니폴드의 특징들을 예시한다.
도 11a-11b는 특정 실시예들에 따른 다양한 작동 방법 순서를 사용하여 연성 촉수를 조절하기 위한 압력 프로파일을 도시한다.

공압 또는 유압 액츄에이터 시스템은 모션을 제공하기 위해 압축될 수 있는 채널을 포함할 수 있다. 도 1은 공압 압축에 반응하는 공압 액츄에이터 시스템, 예를 들어, 연성 로봇의 모션을 예시한다. 공압 액츄에이터 시스템에 가해지는 압력이 점점 증가되면(도 1에서 좌측으로부터 우측으로 이동하는 화살표에 의해 표시되는 것과 같이), 연성 로봇은 상이하고 보다 복잡한 형태를 지닌다. 몇몇 경우들에서, 연성 로봇은 연성 로봇의 액츄에이터가 개별적으로 압축될 때 복합 모션(complex motion)을 제공할 수 있다. 통상, 연성 로봇은 대형 솔레노이드-기반 밸브들의 뱅크와 압력 공급원을 포함하는 공압 시스템을 이용하여 압축된다. 솔레노이드-기반 밸브는 압축된 가스를 압력 공급원으로부터 연성 로봇의 상이한 부분들로 분배하도록 구성될 수 있다. 아쉽게도, 솔레노이드-기반 밸브는 복잡하고, 작동이 느리며, 용적이 크고, 가격이 비싸며, 재구성하기가 어려울 뿐만 아니라 많은 양의 전기를 소모하는 경항이 있다. 게다가, 솔레노이드-기반 밸브는 다수의 개별 압축 챔버를 수용하는데 크기가 잘 맞지 않는다.

기술된 장치, 시스템, 및 방법들은 기존의 압축 메커니즘과 관련된 이러한 문제점들을 제기한다. 기술된 장치, 시스템, 및 방법들은 압축된 가스를 다수의 공압 또는 유압 액츄에이터 시스템, 가령, 연성 로봇 액츄에이터에 제공할 수 있는 공압 컨트롤러를 제공한다. 몇몇 경우들에서, 공압 컨트롤러는 단일의 압력 공급원에 결합될 수 있으며 압축된 가스를 단일의 압력 공급원으로부터 다수의 연성 로봇 액츄에이터에 제공할 수 있다. 그 외의 다른 경우들에서, 공압 컨트롤러는 복수의 압력 공급원에 결합될 수 있으며 압축된 가스를 다수의 압력 공급원들 중 하나로부터 연성 로봇 액츄에이터들에 제공할 수 있다. 이러한 다기능적인 공압 컨트롤러로 인해, 복잡한 공압 네트워크를 구성할 수 있으며 이에 따라 정밀한 공압 또는 유압 액츄에이터 시스템의 개발을 촉진할 수 있다. 그 외에도, 위에서 기술한 공압 컨트롤러의 소형화 및 휴대성으로 인해, 요구되는 환경에서, 가령, 수술실과 탐색 및 구조 환경에서 새로운 연성 로봇 분야를 만들 수 있다.

기술된 공압 컨트롤러는 물리적 액츄에이터 및 엘라스토머 장치를 포함한다. 엘라스토머 장치는 가스 흐름을 안내하기 위한 일체형 채널을 포함할 수 있다. 물리적 액츄에이터는 제1 상태 및 제2 상태를 포함하는 복수의 상태 중 하나로 작동될 수 있다. 물리적 액츄에이터는 엘라스토머 장치에 대해 배열될 수 있으며, 제1 상태에서, 물리적 액츄에이터가 엘라스토머 장치 내에서 엘라스토머 장치의 외측 벽을 물리적으로 압축하여 일체형 채널 중 하나에 가까이 가게 하고 이에 따라 일체형 채널 중 하나를 통과하는 가스 흐름이 정지되게 할 수 있다. 다른 한편으로는, 제2 상태에서, 물리적 액츄에이터는 엘라스토머 장치 내에서 일체형 채널 중 하나를 릴리스시켜 이에 따라 가스 흐름이 일체형 채널 중 하나를 통과할 수 있게 한다. 몇몇 실시예들에서, 엘라스토머 장치는 물리적 액츄에이터 위에 배열될 수 있으며, 이 경우 물리적 액츄에이터는 일체형 채널을 통과하는 가스 흐름을 조절하기 위해 수직 방향으로 이동될 수 있다. 그 외의 다른 실시예들에서, 엘라스토머 장치는 물리적 액츄에이터가 엘라스토머 장치의 일체형 채널을 통과하는 가스 흐름을 조절할 수 있도록 물리적 액츄에이터에 대해 임의로 배열될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 물리적 액츄에이터는 압전 액츄에이터를 포함할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 압전 액츄에이터는 가령, 점자 디스플레이 장치에서 사용되는 것과 같은 핀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 핀은 일체형 채널 내에서 공압 흐름을 조절하기 위해 일체형 채널 중 하나를 가역 방식으로 차단하도록 구성될 수 있다. 상기 채널 흐름은 공압 또는 유압 액츄에이터 시스템을 위한 매우 다기능의 공압 컨트롤을 제공할 수 있다. 그 외의 다른 실시예들에서, 물리적 액츄에이터는 엘라스토머 재료의 층을 편향시키기에 충분한 힘을 제공하고 움직임을 제공할 수 있는 임의의 타입의 액츄에이터일 수 있다. 예를 들어, 물리적 액츄에이터는 형상기억 합금, 유전성 엘라스토머-기반 액츄에이터, 또는 공압/유압 압력-기반 액츄에이터일 수도 있다.

점자 디스플레이 장치는 마이크로 유체역학 분야에 사용되어 왔다. 하지만, 마이크로 유체역학 분야에서의 유체 컨트롤러는 종종 거의 대기압(atmospheric pressure)에서 유체를 이송시키기 위해 구성된다. 유체 컨트롤러 내의 유체 채널은 종종 얇아서 속도가 느린 저압의 유체 흐름에는 바람직할 수 있지만 속도가 빠른 고압의 공압 흐름에는 바람직하지 못할 수도 있는데, 유체 컨트롤러 내의 채널 높이는 약 30μm이다. 또한, 유체 컨트롤 아키텍처(fluidic control architecture)는 커다란 채널을 통과하는 유체 흐름을 조절하기에는 바람직하지 못한데 그 이유는 점자 디스플레이 내의 압전 액츄에이터의 이동이 제한되기 때문이다.

이에 비해, 기술된 공압 컨트롤러는 고압에서 고속의 흐름 속도로 가스를 이송시키도록 구성된다. 이러한 특징들은 연성 로봇 액츄에이터의 신속한 압축 또는 감압(depressurization)을 가능하게 할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 공압 컨트롤러는 고압 및 고속의 흐름 속도를 위해 꼭 맞는 일체형 채널을 포함할 수 있다. 예를 들어, 공압 컨트롤러 내의 일체형 채널은 커다란 횡단면적을 가질 수 있으며 본체와 연성의 탄성 막 사이에서 일체형으로 구성될 수 있다. 커다란 횡단면적으로 인해 고속의 흐름 속도에서 공압 흐름이 빠르게 할 수 있다. 또한, 연성 막은 심지어 고압에서도 일체형 채널의 효율적인 밸브형성이 가능할 수 있게 한다. 몇몇 실시예들에서, 공압 컨트롤러는 커다란 횡단면적을 가진 채널 내에서 공압 흐름을 조절하기 위해 2-단계 아키텍처를 가질 수 있다.

도 2a-2c는 특정 실시예들에 따른 공압 컨트롤러를 예시한다. 도 2a에 예시된 것과 같이, 공압 컨트롤러(200)는 압전 액츄에이터(202)의 어레이(array), 압전 액츄에이터(202)의 어레이에 연결된 전기 연결부(204), 압전 액츄에이터(202)의 어레이에 결합된 엘라스토머 매니폴드(206), 및 상부 플레이트(208)를 포함할 수 있다. 엘라스토머 매니폴드(206)는 본체(218) 및 본체(218)의 바닥에 결합된 막(216)을 포함할 수 있다. 본체(218)는 홈(groove)들을 포함할 수 있으며, 상기 홈들은 본체(218)와 막(216) 사이에서 가스 흐름을 수용할 수 있는 일체형 채널(210)을 형성한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 홈들은 연성 리소그래피(soft lithography)를 사용하여 엘라스토머 매니폴드(206) 내에 형성될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 압전 액츄에이터(202)의 어레이는 전자 점자 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 바람직하게도, 전자 점자 장치는 시각장애인들에게 동적 촉각 정보를 제공한다. 하지만, 공압 컨트롤러(200)에서, 점자 디스플레이 장치는 압전 액츄에이터의 어레이로서 작동할 수 있다. 전자 점자 장치 내의 작동 핀(actuated pin)은 일체형 가스 채널(210) 내에서 가스 흐름을 조절하도록 사용될 수 있다. 도 2b는 특정 실시예들에 따른 전자 점자 디스플레이 장치(202)의 작동을 예시한다. 압전 액츄에이터(22)가 도면의 좌측에 도시된 것과 같이 "오프" 상태일 때, 액츄에이터(220) 또는 핀은 점자 디스플레이 장치(202)의 공동 내에 배열된다. 하지만, 압전 액츄에이터(220)가 도면의 우측에 도시된 것과 같이 "온" 상태일 때에는, 액츄에이터(220) 또는 핀은 공동으로부터 나오고 점자 디스플레이 장치(202)의 표면 위로 올라와서, 점자 장치(202)의 표면 위에 "돌출부(bump)" 또는 올라온 특징부(raised feature)를 형성한다.

도 2c는 특정 실시예들에 따른 액츄에이터 어레이와 결합된 엘라스토머 매니폴드를 포함하는 조립된 공압 컨트롤러의 사진이다. 공압 컨트롤러(200)는 공압 라인(212a-212c)을 통해 압력 공급원 및 하나 또는 그 이상의 공압 또는 유압 작동식 시스템, 가령, 연성 로봇에 결합된다. 또한, 공압 컨트롤러(200)는 전기 연결부(204)를 통해 컨트롤 시스템(214)에 결합된다. 컨트롤 시스템(214)은 공압 컨트롤러(200)를 조절하여 공압 라인(212a-212c)을 통해 압력 공급원 중 하나를 공압 또는 유압 액츄에이터 시스템 중 하나에 결합시킬 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 연결부(204)는 무선일 수 있다. 예를 들어, 연결부(204)는 블루투스를 통해 컨트롤 시스템(214)으로부터 명령을 수신하기 위해 블루투스 트랜시버를 포함할 수 있다. 또한, 연결부(204)는 와이-파이 트랜시버, 지그비 트랜시버, 초광대역 트랜시버, 무선 범용직렬버스(USB) 트랜시버, 근거리무선통신 트랜시버, 또는 그 밖의 임의의 타입의 무선 트랜시버 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

도 3a-3d는 특정 실시예들에 따라 상이한 형상에 있는 공압 컨트롤러의 횡단면도를 예시한다. 공압 컨트롤러는 엘라스토머 막(216), 일체형 채널(210), 액츄에이터(302a-302b), 및 압축 챔버(306)로의 출구(308)를 가진 엘라스토머 매니폴드(206)를 포함할 수 있으며, 공압 또는 유압 작동식 연성 로봇일 수 있다. 도 3a-3d에 예시된 공압 컨트롤러의 부분은 2개의 압전 액츄에이터 및 출구를 포함한다. 이러한 압전 액츄에이터와 출구는 연성 로봇 액츄에이터를 압력 공급원에 결합시키거나 배출부에 결합시키기 위해 물리적 메커니즘을 제공하는 밸브 유닛을 형성한다. 도 3a는 압전 액츄에이터(302a-302b)가 "오프" 상태일 때 밸브 유닛의 횡단면도를 예시한다. 압전 액츄에이터(302a-302b)가 일체형 채널(210)을 차단하지 않기 때문에, 압력 공급원(304)으로부터의 압축된 가스는 일체형 채널을 통해 연성 로봇 압축 챔버(306)로 안내될 수 있다. 이 경우, 압력 공급원(304)은 연성 로봇 압축 챔버(306)를 압축한다.

액츄에이터(302a-302b)의 위치를 조절함으로써, 압력 공급원(304)으로부터 나온 압축된 유체는 공압 컨트롤 시스템의 다양한 구성요소들을 통해 안내될 수 있다. 도 3b는 압력 공급원(304)에 더 가까운 압전 액츄에이터(302b)가 오프 상태이고 압력 공급원(304)으로부터 떨어져 있는 압전 액츄에이터(302a)는 온 상태일 때의 밸브 유닛의 횡단면도를 예시한다. 밸브 유닛의 상기 형상은 "압축된" 형상으로 지칭된다. 압전 액츄에이터(302a)가 온 상태일 때, 압전 액츄에이터(302a)는 엘라스토머 매니폴드(206)의 엘라스토머 막(216)에 대해 올라가고, 압전 액츄에이터(302a) 위의 한 위치에서 일체형 채널(210)을 밀폐한다. 상기 형상에서, 압력 공급원(304)이 압축된 가스를 제공할 때, 압축된 가스는 압축 챔버(306)로 안내된다.

압축된 가스가 연장된 시간 기간 동안 연성 로봇 액츄에이터(306)로 안내될 때, 연성 로봇 압축 챔버(306) 내의 압력은 압력 공급원(304)으로부터 나온 압축된 가스의 압력에 도달하고 안정화될 수 있다. 예를 들어, 압력 공급원(304)으로부터 나온 압축된 가스의 압력이 10 psi이고 밸브 유닛이 연장된 시간 기간 동안 도 3b에 예시된 것과 같이 형성되면, 연성 로봇 액츄에이터(306) 내의 압력은 10 psi에 도달하고 안정화된다. 연성 로봇 압축 챔버(306)의 압력을 안정화시키는 데 걸리는 시간은 일체형 채널(210)을 통과하는 압축된 가스의 흐름 속도와 연성 로봇 압축 챔버(306) 내의 공압 챔버의 크기에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 공압 챔버가 크거나 및/또는 압축된 가스의 흐름 속도가 작으면, 연성 로봇 액츄에이터(306)의 압력을 안정화시키는 데에는 더 긴 시간이 소요될 것이다. 또한, 안정화에 필요한 시간의 양은 연성 로봇 액츄에이터를 형성하는 재료의 컴플라이언스(compliance)에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 덜 탄성적인 재료를 이용하여 형성된 연성 로봇은 연성 재료를 이용하여 형성된 연성 로봇에 비해 더 빨리 안정화되는 경향이 있다. 또한, 안정화를 위해 필요한 시간의 양은 연성 로봇 액츄에이터의 용적 변화(volumetric change)의 양에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 용적 변화를 덜 겪는 액츄에이터는 용적 변화를 더 많이 겪는 액츄에이터에 비해 더 빨리 안정화될 것이다.

도 3c는 압력 공급원(304)으로부터 떨어져 있는 압전 액츄에이터(302a)가 오프 상태이고 압력 공급원(304)에 가까이 있는 압전 액츄에이터(302b)가 온 상태일 때 밸브 유닛의 횡단면도를 예시한다. 상기 형상은 "감압된" 형상으로 지칭된다. 압전 액츄에이터(302b)가 온 상태일 때, 압전 액츄에이터(302b)는 엘라스토머 매니폴드(206)의 엘라스토머 막(216)에 대해 올라가서, 압전 액츄에이터(302b) 위에서 일체형 채널(210)에 더 가까이 위치된다. 상기 형상에서, 압력 공급원(304)은 압축된 가스로부터 연성 로봇 액츄에이터(306)로 제공되는 것이 차단된다. 대신, 압전 액츄에이터는 연성 로봇 액츄에이터(306) 내의 임의의 압축된 가스가 배출부(일체형 채널(210)과 소통되도록 위치된)를 통해 릴리스될 수 있도록 형성된다. 연성 로봇 액츄에이터(306)가 연장된 시간 기간 동안 배출부에 결합될 때, 연성 로봇 액츄에이터(306) 내의 압력은 배출부에 결합된 장치의 공압 압력(pneumatic pressure)에 도달될 수 있다. 예를 들어, 배출부가 대기압(atmospheric pressure)에 결합될 때, 그리고, 밸브 유닛이 연장된 시간 기간 동안 도 3c과 같이 형성되면, 연성 로봇 압축 챔버(306) 내의 압축된 가스는 모두 배출부를 통해 릴리스되고 연성 로봇 압축 챔버(306) 내의 압력은 0 psi에 도달하게 될 것이다.

도 3d는 두 압전 액츄에이터(302a-302b)가 모두 온 상태일 때 밸브 유닛의 횡단면도를 예시한다. 상기 형상은 "유지(hold)" 형상으로 지칭되는데 그 이유는 상기 형상이 연성 로봇 액츄에이터(306) 내의 압축된 가스를 유지하기(hold) 때문이다. 압전 액츄에이터(302a-302b)가 온 상태일 때, 압전 액츄에이터(302a-302b)는 엘라스토머 매니폴드(206)의 엘라스토머 막(216)에 대해 올라가서, 압전 액츄에이터(302a-302b) 위에서 일체형 채널(210)에 더 가까이 위치된다. 상기 형상은 압력 공급원(304)은 압력 공급원(304) 또는 배출부로부터 연성 로봇 액츄에이터(306)를 차단한다. 따라서, 상기 형상에서, 연성 로봇 압축 챔버(306)는 압축된 상태를 유지하도록 형성되는데: 연성 로봇 압축 챔버(306)가 특정 압력으로 압축되면, 연성 로봇 압축 챔버(306)는 상기 압력을 유지할 것이다.

몇몇 실시예들에서, 공압 컨트롤러(200)가 연성 로봇 액츄에이터(306)에 넓은 범위의 압력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 공압 컨트롤러(200)는 -1 psi 내지 60 psi의 압축된 가스를 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 공압 컨트롤러(200)는 정압 뿐만 아니라 음압 둘 모두를 제공하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 공압 컨트롤러(200)는 압력 공급원(304)으로부터 나온 가스 압력보다 작은 압력을 출구에 결합된 연성 로봇 액츄에이터에 제공할 수 있다. 예를 들어, 압력 공급원(304)으로부터 나온 가스 압력이 10 psi일 때, 공압 컨트롤러는 연성 로봇 액츄에이터가 5 psi의 압력을 수용하도록 압전 액츄에이터를 조작할 수 있다.

공압 컨트롤러(200)가 2개 이상의 메커니즘 중 하나를 이용하여 압력 공급원(304)으로부터 나온 가스 압력보다 더 작은 압력을 제공할 수 있다. 제1 메커니즘은 연성 로봇 액츄에이터(306) 내의 압력이 압축을 위한 시간 기간에 비례하여 증가될 수 있다는 관측(observation)에 따른다. 따라서, 연성 로봇 액츄에이터(306)가 압축되는 시간 기간을 변경함으로써, 공압 컨트롤러(200)는 연성 로봇 압축 챔버(306) 내의 결과 압력(resulting pressure)을 조절할 수 있다. 상기 제1 메커니즘에서, 공압 컨트롤러(200)는 도 3b의 "압축" 형상을 이용하여 연성 로봇 압축 챔버(306)를 우선적으로 압축시킬 수 있다. 그러면, 연성 로봇 압축 챔버(306) 내의 압력이 압력 공급원(304)의 압력에서 안정화되기 전에, 공압 컨트롤러(200)는 도 3d의 "유지" 형상을 이용하여 연성 로봇 액츄에이터(306)로부터 압력 공급원(304)을 결합해제시킬(decouple) 수 있다. 압력 공급원(304)이 압축된 연성 로봇 압축 챔버(306)와 결합해제되기 때문에, 연성 로봇 압축 챔버(306) 내의 압력은 압력 공급원(304)의 압력보다 더 작을 수 있다.

몇몇 경우들에서, 연성 로봇 압축 챔버(306) 내의 압력은 압축된 가스가 연성 로봇 압축 챔버(306)에 제공되는 시간의 양에 대해 거의 선형으로 증가될 수 있다. 따라서, 연성 로봇 압축 챔버(306)를 10 psi로 압축시키는데 1초가 소요되면, 공압 컨트롤러(200)는 0.55초 동안 연성 로봇 압축 챔버(306)를 압축시킴으로써 연성 로봇 압축 챔버(306)를 5 psi로 압축시킬 수 있다.

제2 메커니즘은 연성 로봇 압축 챔버(306) 내의 압력이 연성 로봇 액츄에이터(306)가 감압되는, 가령, 예를 들어, 배출부에 결합되는 시간 기간에 비례하여 감소될 수 있다는 관측에 따른다. 따라서, 연성 로봇 압축 챔버(306)가 감압되는 시간 기간을 변경함으로써, 공압 컨트롤러(200)는 연성 로봇 압축 챔버(306) 내의 결과 압력을 조절할 수 있다. 상기 제2 메커니즘에서, 공압 컨트롤러(200)는 도 3b의 "압축" 형상을 이용하여 연성 로봇 압축 챔버(306)를 압축된 상태로 우선적으로 압축시킬 수 있다. 그러면, 공압 컨트롤러는, 도 3c의 "감압" 형상을 이용하여, 압력 공급원(304)으로부터 연성 로봇 압축 챔버(306)로부터 결합해제시킬 수 있으며 연성 로봇 압축 챔버(306)를 배출부에 결합시킬 수 있다. 연성 로봇 압축 챔버(306) 내의 압력이 배출부의 압력에서 안정화되기 전에, 공압 컨트롤러는 도 3d의 "유지" 형상을 이용하여 연성 로봇 액츄에이터(306)로부터 배출부를 결합해제시킬 수 있다. 상기 조절 순서는 배출부의 압력과 압력 공급원(304)의 압력에 대해 중간에 있는 압력을 연성 로봇 압축 챔버(306)에 제공할 수 있다.

도 4는 특정 실시예들에 따른 공압 컨트롤러의 톱-다운 예시이다. 공압 컨트롤러(400)는 압력 채널(402)을 통해 압력 공급원(304)에 결합될 수 있으며, 배출 채널(406)을 통해 배출부 또는 진공원(404)에 결합될 수 있다. 압력 채널(402)과 배출 채널(406)은 결합 채널(408)을 통해 결합될 수 있다. 공압 컨트롤러(400)는 결합 채널(408) 내의 공압 흐름을 조절하는 복수의 밸브 유닛을 포함할 수 있다. 밸브 유닛의 형상에 따라, 공압 컨트롤러는, (1) 압축된 가스를 출구에 결합된 연성 로봇 압축 챔버에 제공할 수 있으며, (2) 압축된 가스를 출구에 결합된 연성 로봇 압축 챔버로부터 릴리스시킬 수 있거나, 혹은 (3) 출구에 결합된 연성 로봇 압축 챔버 내에 압축된 가스를 유지시킬 수 있다. 압전 액츄에이터는 커다란 도트(dot)들을 이용하여 예시되며 출구는 작은 도트들을 이용하여 예시된다. 밸브 유닛의 횡단면이 확대되어 도시된다.

몇몇 실시예들에서, 공압 컨트롤러(400) 내의 배출 채널(406)과 압력 채널(402)은 한 손의 손가락들이 다른 손의 손가락들 사이에 끼어지는 것과 같이, 손가락 형태로 구성될 수 있으며(fingered) 서로 깍지구성될 수 있다(inter-digitated). 손가락 형태로 구성되고 깍지구성된 채널은 도 4에 예시된다. 그 외의 다른 실시예들에서, 압력 채널(402)과 배출 채널(406)은 2개의 평행 채널들로서 구성될 수 있다.

도 5는 특정 실시예들에 따른 공압 컨트롤러의 톱-다운 이미지를 도시한다. 상기 공압 컨트롤러(500)는 소형(3" x 3.5")이며 경량(264g)이다.

공압 컨트롤러(500)는 64개의 개별적으로 주소지정 가능한(individually addressable) 압전 액츄에이터를 가진 점자 디스플레이 장치를 포함한다. 압전 액츄에이터는 1.3 mm의 직경 및 2.4 mm의 도트 공간을 가진다. 상기 점자 디스플레이 장치는 KGS America LLC로부터 구매할 수 있다. 각각의 압전 액츄에이터는 0.18 N의 힘으로 작동될 수 있으며 700μm의 수직 변위를 가질 수 있다. 상기 64개의 개벽적으로 주소지정 가능한 압전 액츄에이터는 32개의 밸브 유닛을 형성하여 32개의 연성 로봇 액츄에이터에 개별 연결을 제공할 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 엘라스토머 매니폴드(206) 내의 일체형 채널(210)은 몰딩을 통해 형성될 수 있다. 일체형 채널을 위한 몰드(mold)는 몇몇 기술들 중 하나 또는 그 이상의 기술, 가령, 포토리소그래피, 광-패턴 에폭시를 이용하는 방법, 열가소성 3D 프린팅 내로의 직접 엠보싱 또는 스테레오리소그래피, 플라스틱, 커터-플롯팅으로의 레이저-커팅, 에칭, 및 잉크-기반 리소그래피를 이용하여 제작될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 엘라스토머 매니폴드(206)의 막(216)은 예를 들어 150%보다 더 큰 최대 허용가능 변형율을 가진 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 막(216)은 연성 실리콘 재료의 혼합물, 가령, 에코플렉스(Ecoflex), 및 폴리디메틸실록산(PDMS)을 포함할 수 있다. 이에 따라 엘라스토머 막(216)은 더 크게 신장될 수 있지만 반대로 신속하게 복원될 수도 있다. 따라서, 상기 엘라스토머 막은 더 큰 밸브를 위해 추가적인 변형율을 제공할 수도 있다. 이는 마이크로 유체역학 분야를 위한 엘라스토머 매니폴드에 해당되는데, 그 이유는, 마이크로 유체역학 분야에서, 매니폴드의 막을 포함하는 엘라스토머 매니폴드는 제한된 변형율을 가지는 PDMS만을 이용하며, 커다란 밸브에 대한 사용은 제외되기 때문이다.

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 강성(stiffness)은 제공된 힘에 의한 변형(예컨대, 확장)에 대한 탄성 본체의 저항을 가리킨다. 일반적으로, 탄성계수가 강성을 가리키지만 반드시 동일하지는 않다. 탄성계수는 조성 재료(constituent material)의 성질이며, 강성은 구성의 성질이다. 이는 즉 탄성계수는 재료의 세기 성질(intensive property)이며, 다른 한편으로, 강성은 네트워크의 세기 성질이고 재료 계수 및 형태 그리고 경계 조건들에 좌우된다. 강성은 영의 계수의 함수이기 때문에, 재료 계수는 채널 네트워크의 압축 시에 편향(deflection)의 예측(predictor) 및 채널 벽의 상대적 강성의 상대적인 측정치로서 사용될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 변형율은 재료의 원래 길이에 대해 길이에 있어서의 상대적 변화를 가리킨다. 특히, 변형율은 재료의 원래 길이에 의해 나뉘어진 길이에 있어서의 상대적 변화를 가리킨다. 재료가 최대 허용가능 변형율에 관련될 수 있는데, 이는 제공된 응력이 릴리스된 후에, 재료가 원래 상태로 복원될 수 있기 전에 재료가 겪을 수 있는 변형율의 최대 양을 가리킨다. 일반적으로, 높은 강성을 가진 재료는 낮은 강성을 가진 재료에 비해 똑같은 수준의 변형율을 구현하기 위해 더 큰 응력(또는 더 큰 힘)을 필요로 한다.

엘라스토머 막(216)에 있어서 PDMS에 대한 연성 실리콘 재료의 혼합비는 원하는 밸브 수치와 원하는 엘라스토머 성질들에 좌우될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, PDMS에 대한 연성 실리콘 재료의 혼합비는 1-부분의 PDMS에 대해 대략 2-부분의 연성 실리콘 재료일 수 있다(2:1). 엘라스토머 막(216)의 조성은 PDMS에 대한 연성 실리콘 재료의 상이한 혼합비를 가진 혼합 세트를 테스트하고 일체형 채널에 가깝도록 충분히 팽창될 수 있을 뿐만 아니라 플라즈마 산화법을 이용하여 엘라스토머 매니폴드(206)의 나머지 부분에 결합될 수 있는 혼합물을 선택함으로써 결정될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 엘라스토머 매니폴드(206)의 막(216)은 변형될 수 있으며 그 후에 압전 액츄에이터를 릴리스할 때 자체-복원될 수 있는 높은 최대 허용가능 변형율(>150%)을 가진 그 외의 다른 임의의 타입의 엘라스토머 재료를 이용하여 형성될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 엘라스토머 매니폴드(206)의 본체(218)는 일체형 채널을 유지할 수 있으며 일체형 채널 내에 압력을 유지할 수 있는 임의의 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 막(216)을 위해 사용되는 재료는 본체(218)를 위해 사용되는 재료에 비해 더 탄성적일 수 있다. 이에 따라, 막(216)은 심지어 고압에서도 일체형 채널에 효율적으로 가깝게 배열될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 본체(218)는 약 1:2의 혼합비로 혼합된 연성 실리콘 재료와 PDMS의 혼합물을 이용하여 형성될 수 있다.

도 6a-6c는 특정 실시예들에 따른 공압 컨트롤러의 성질을 예시한다. 공압 컨트롤러의 성능을 특정짓기 위하여, 흐름 속도의 범위, 반응 시간, 및 주어진 압력의 유지를 테스트하였다. 도 6a는 엘라스토머 매니폴드 내에서 일체형 채널을 통과하는 공압 흐름 속도와 압력 공급원에 의해 제공된 공압 압력 사이의 관계를 도시한다. 정렬된 선형 회귀분석선(linear regression line)의 경사(slope)는 일체형 채널의 저항의 역수(inverse)를 나타낼 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 일체형 채널의 저항은 28.0 psi/분당 리터(LPM)이다.

도 6b는 출구가 순차적으로 압력 공급원에 결합되고 압력 공급원으로부터 결합해제될 때 공압 컨트롤러(500)의 출구에서 측정된 압력을 예시한다. 도 6b는 약 10 밀리초의 반응 시간으로 완전 압축(full pressurization)이 발생될 수 있는 것을 예시한다. 또한, 도 6b는 공압 컨트롤러(500)가 사전결정된 시간 기간 동안 사전결정된 압력을 반복적으로 제공할 수 있다는 것을 도시한다. 예를 들어, 도 6b에서, 공압 컨트롤러(500)는 각각 10ms, 50ms, 100ms, 200ms, 500ms, 및 1000ms 동안 출구에 10 psi의 압력을 제공한다.

도 6c는 공압 컨트롤러(500)가 연장된 시간 기간 동안 연성 로봇 압축 챔버 내에 압축된 가스를 유지할 수 있다는 것을 예시한다. 예를 들어, 공압 컨트롤러(500)가 압력 공급원과 3개의 출구에 결합되며, 밸브 유닛은 출구에서 압축된 가스를 유지하도록 조절된다. 라인(602)은 압력 공급원에 의해 제공된 압력을 예시하고, 라인(604-608)은 각각 3개의 출구에서의 압력을 예시한다.

t1에서, 밸브 유닛은 "압축된" 형상으로 들어가며, 여기서 밸브 유닛은 출구에 압축된 가스를 제공한다. 출구에서의 압력이 정상 상태에 도달하고 나면, 밸브 유닛은 "유지" 형상으로 전환될 수 있다. 밸브 유닛이 "유지" 형상으로 들어가고 나면, 입력 압력(602)이 시간의 함수로서 변경된다 하더라도, 3개의 출구(604-608)에서의 압력은 대략 초기의 정상 상태 압력에 유지될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 밸브 유닛은 개별적으로 주소지정되고 조절될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 밸브 유닛은 전자 시스템을 이용하여 개별적으로 또는 선택적으로 주소지정 가능하고 조절될 수 있다. 도 7a-7c는 특정 실시예들에 따른 공압 컨트롤러(500) 내의 개별 조절 밸브 유닛을 도시한다. 도 7a는 개별 밸브 유닛의 순차적인 작동을 예시한다. 전자 시스템(도시되지 않음)이 밸브 유닛 중 하나를 선택적으로 작동시켜, 선택된 밸브 유닛과 결합된 출구에 압축된 가스를 제공할 수 있다.

도 7b는 공압 컨트롤러(500)가 상이한 출구에 상이한 압력을 제공하기 위해 단일의 압력 공급원을 사용할 수 있다는 것을 예시한다. 이 실험에서, 공압 컨트롤러(500)는 단일의 압력 공급원에 결합되어 10 psi에서 상기 압축된 가스를 제공한다. 라인(702-706)은 공압 컨트롤러(500)의 3개의 출구에서 측정된 압력을 나타낸다. 라인(702)과 관련된 밸브 유닛은 릴리스 형상에 있고(즉 도 3a); 라인(704)과 관련된 밸브 유닛은 출구에 5 psi를 제공하도록 조절되며; 라인(706)과 관련된 밸브 유닛은 동적 조절되어 시간에 걸쳐 압력을 변경시킨다.

또한, 도 7c는 공압 컨트롤러(500)가 단일의 압력 공급원을 이용하여 상이한 출구에 상이한 압력을 제공할 수 있다는 것을 예시한다. 32개의 풍선 어레이는 상이한 양의 시간 동안 팽창될 수 있으며, 상이한 풍선에 상이한 압력을 제공할 수 있다. 이 예에서, 파랑 풍선을 3초 동안 압축시켰으며; 노랑 풍선을 0초 동안 압축시켰고, 초록 풍선을 1초 동안 압축시켰으며; 빨강 풍선을 0.5초 동안 압축시켰다. 이는 공압 컨트롤러가 개별 방식으로 상이한 출구에 상이한 압력을 제공할 수 있다는 것을 예시한다.

몇몇 실시예들에서, 엘라스토머 매니폴드 내의 일체형 채널은 실질적으로 30 μm보다 더 큰 높이와 폭을 가진다. 예를 들어, 일체형 채널의 높이와 폭은 50 μm, 100 μm, 200 μm, 300 μm, 500 μm, 또는 700 μm보다 더 클 수도 있다. 몇몇 실시예들에서, 압전 액츄에이터는 추가적인 수직 변위(vertical displacement)를 제공하기 위해 맞춤 구성될 수 있는데, 이 경우 일체형 채널은 심지어 800 μm보다 더 두꺼울 수 있다. 커다란 횡단면적의 일체형 채널이 바람직한데 그 이유는 일체형 채널의 횡단면적이 일체형 채널의 흐름 저항(flow resistance)을 결정할 수 있으며, 이에 따라 연성 로봇 액츄에이터가 압축될 수 있는 속도에 영향을 끼칠 수 있기 때문이다. 예를 들어, 일체형 채널의 횡단면적이 작은 경우, 압축된 가스의 흐름 속도도 작을 것이다. 따라서, 연성 로봇 액츄에이터를 압축시키는 데에는 오랜 시간이 소요될 것이다. 이에 비해, 일체형 채널의 횡단면적이 클 경우, 압축된 가스의 흐름 속도도 커질 것이다. 따라서, 연성 로봇 액츄에이터를 압축시키는 데에는 짧은 양의 시간이 소요될 것이다.

몇몇 경우들에서, 특정 성능 요건을 충족하기 위하여, 공압 컨트롤러가 일체형 채널이 현저하게 커다란 횡단면적을 가지도록 요구할 수 있으며, 몇몇 경우들에서, 일체형 채널은 압전 액츄에이터가 효율적으로 차단되기에는 너무 두꺼울 수 있다. 예를 들어, 일체형 채널의 높이가 압전 액츄에이터의 최대 수직 변위보다 더 큰 경우, 일체형 채널은 압전 액츄에이터를 이용해서는 효율적으로 차단될 수 없다.

몇몇 실시예들에서, 공압 컨트롤러가 두꺼운 일체형 채널을 효율적으로 차단할 수 있는 마스터/슬레이브 매니폴드를 포함할 수 있다. 마스터/슬레이브 매니폴드는 제1 엘라스토머 매니폴드를 포함할 수 있으며, 상기 제1 엘라스토머 매니폴드는 마스턴 매니폴드로서 작동할 수 있다. 또한, 마스터/슬레이브 매니폴드는 마스터 매니폴드의 상부 위에 위치된 추가적인 엘라스토머 매니폴드를 포함할 수 있는데, 상기 추가적인 엘라스토머 매니폴드는 슬레이브 매니폴드로 지칭된다. 마스터 매니폴드의 출구는 슬레이브 매니폴드의 유입부에 결합된다.

도 8a-8b는 특정 실시예들에 따른 마스터/슬레이브 매니폴드를 가진 다-단계 엘라스토머 매니폴드를 예시한다. 다-단계 엘라스토머 매니폴드(800)는 압력 챔버 층(804), 막(806), 밸브 층(808), 및 채널 층(810)을 포함하는 슬레이브 매니폴드와 마스터 매니폴드(802)를 포함할 수 있다. 마스터 매니폴드(802)는 압력 챔버 층(804)과 압력 공급원(812)에 결합된 일체형 채널을 포함할 수 있으며; 압력 챔버 층(804)은 압력 공급원(812)으로부터 막(806)에 압력을 공급하도록 구성되는데, 상기 막은 밸브 층(808) 내에서 커다란 밸브를 차단하도록 사용된다. 채널 층(810)은 압력 공급원(814)에 결합된다. 또한, 채널 층(810)은 밸브 층(808)에 결합되어 압축된 가스를 압력 공급원(814)으로부터 출구로 보내, 연성 로봇 액츄에이터(도시되지 않음)을 향하게 한다. 채널 층(810) 내의 채널은 마스터 매니폴드(802) 내의 채널에 비해 더 큰 횡단면적을 가질 수 있다.

도 8b는 특정 실시예들에 따른 밸브 층(808) 내의 밸브를 예시한다. 밸브 층(808)은 하나 또는 그 이상의 압력 공급원(814)에 결합된 하나 또는 그 이상의 압력 유입 통로(816)를 포함할 수 있다. 밸브 층(808)은 배출 채널(820)을 이용하여 압력 유입 통로(816) 중 하나를 배출부(818)에 결합시킬 수 있으며, 압력 공급원(814)로부터 나온 압축된 가스가 배출부(818)에 제공될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 하나 또는 그 이상의 압력 유입 통로(816)는 똑같은 압력 공급원에 결합될 수 있으며; 그 외의 다른 경우들에서는 하나 또는 그 이상의 압력 유입 통로(816)는 상이한 압력 공급원에 결합될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 압력 유입 통로(816)가 상이한 압력 공급원에 결합되는 경우, 밸브 층(808)은 한번에 오직 하나의 압력 유입 통로를 배출부(818)에 결합시키도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 압력 유입 통로 중 하나가 배출부에 결합될 수 있어서, 압축된 가스를 배출 채널(820) 내에 릴리스시키도록 구성된다.

도 9a-9b는 특정 실시예들에 따른 다-단계 엘라스토머 매니폴드(800)의 작동을 예시한다. 도 9a-9b는 단일의 압전 액츄에이터가 어떤 방식으로 출구(816)와 압력 공급원(814) 사이에서 밸브를 개방 또는 밀폐할 수 있는지를 예시한 횡단면도이다. 도 9a는 제2 압력 공급원(814)이 밸브 층(808)과 채널 층(810)을 통해 출구에 결합되는 형상을 도시한다. 상기 형상에서, 압전 액츄에이터가 작동하여, 제1 압력 공급원(812)이 압축된 가스를 압력 챔버 층(804)에 제공하는 것을 차단한다. 따라서, 막(806)은 밸브 층(808)과 챔버 층(810) 사이에서 개방 통로를 깨끗하게 유지한다. 그러면, 압력 공급원 2는 압축된 가스를 압력 유입 통로(816)를 통해 밀어서 압축된 가스가 배출부(818)에 제공되게 한다.

도 9b에서, 압전 액츄에이터는 꺼진다. 따라서, 제1 압력 공급원(812)은 챔버 층(804)에 결합되어 압축된 가스를 챔버 층(804)에 제공할 수 있다. 챔버 층(804)이 압축될 때, 압력은 막(806)을 편향시켜 채널 층(810)과 밸브 층(808) 사이의 통로를 차단시켜 채널 층(810)이 출구(816)로부터 결합해제되게 한다. 이에 따라 출구와 제2 압력 공급원(814) 사이의 결합이 파괴된다(break). 따라서, 압전 액츄에이터 및 마스터/슬레이브 매니폴드는 압축된 가스가 제2 압력 공급원(814)으로부터 출구로 효율적으로 통과 또는 차단시킬 수 있다.

채널 층(810) 내의 채널의 크기가 클 때, 마스터/슬레이브 매니폴드가 있는 공압 컨트롤러가 특히 유용하다. 몇몇 실시예들에서, 채널 층(810) 내의 채널은 압전 액츄에이터의 최대 수직 변위보다 더 클 수 있다. 예를 들어, 채널 층(810) 내의 채널은 100 μm, 300 μm, 500 μm, 700 μm, 1000 μm, 또는 1200 μm보다 더 클 수도 있다. 이런 방식으로, 슬레이브 매니폴드의 흐름 저항은 마스터 매니폴드의 흐름 저항보다 현저하게 더 작을 수 있다. 예를 들어, 슬레이브 매니폴드의 흐름 저항은 마스터 매니폴드의 흐름 저항보다 4배 더 작을 수도 있다. 원하는 채널 높이는 원하는 흐름 속도 및 연성 로봇 액츄에이터를 위해 필요한 압력에 좌우될 수 있다. 채널의 높이가 커지면 더 큰 흐름 속도가 제공되지만 통상적으로 고압을 유지시키지는 못할 것이다. 다수의 실시예들에서, 100 μm, 300 μm, 또는 500 μm의 높이를 가진 채널은 원하는 흐름 속도와 압력 성질을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 압전 액츄에이터 바로 위에 있는 채널은 0.1 mm의 높이와 0.5 mm의 폭을 가진 반-타원 형태로 형성될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 마스터/슬레이브 매니폴드를 적절하게 작동시키기 위하여, 제1 압력 공급원(812)으로부터 나온 가스 압력은 제2 압력 공급원(814)으로부터 나온 가스 압력보다 더 클 수 있다. 몇몇 경우들에서, 제1 압력 공급원(812)으로부터 나온 가스 압력은 제2 압력 공급원(814)으로부터 나온 가스 압력보다 적어도 5 psi 더 클 수도 있다.

몇몇 실시예들에서, 마스터 매니폴드(802)는 두꺼운 PDMS 슬래브를 이용하여 형성될 수 있다. PDMS 슬래브는 PDMS와 연성 실리콘 재료(예컨대, 에코플렉스)를 약 10:1 혼합비로 혼합하여 이 혼합물을 몰드에 직접 붓고 상기 혼합물을 60℃로 적어도 4시간 동안 구워서 형성될 수 있다. PDMS 슬래브는 3D 프린터, 가령, Objet Connex500를 이용하여 몰딩될 수 있다.

PDMS 슬래브는 얇은 PDMS 막에 결합된 내장 채널을 포함할 수 있다. 얇은 PDMS 막은 실란화된(트리데카플루오로-l,2,2-테트라하이드록틸-l-트리클로로실란) 유리 슬라이드 위에서 스핀-코팅(spin-coating)을 이용하여 80℃로 적어도 1시간 동안 구워서 제작될 수 있다. PDMS 슬래브가 PDMS와 연성 실리콘 재료의 혼합물을 포함하기 때문에, PDMS 막과 PDMS 슬래브는 0.3 토르에서 30초 동안 플라즈마 에처(SPI PPII, West Chester, PA)를 이용하여 플라즈마 산화법에 의해 함께 결합될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 슬레이브 매니폴드는 내장 채널(804, 808, 810) 및 하나의 막 층(806)이 있는 3개의 두꺼운 PDMS 층을 포함할 수 있다. 3D 프린터(Objet Connex500)를 사용하여 두꺼운 층들을 몰딩하였다. 모든 층들을 함께 결합시키고 그 후에 플라즈마 산화법을 이용하여 PDMS 마스터 매니폴드의 상부에 결합시켰다.

몇몇 실시예들에서, 막 층(806)은 PDMS와 연성 실리콘 재료(예컨대, 에코플렉스)의 혼합물로서 제작될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 약 1:2의 혼합비의 PDMS와 연성 실리콘 재료가 순수한 PDMS 막보다 변형율이 상대적으로 더 큰 성질을 제공할 수 있으며, 또한 산소 플라즈마에 의해 결합이 수행될 수 있게 한다(연성 실리콘 재료 자체는 PDMS에 플라즈마 결합되지 않을 것이다). 몇몇 실시예들에서, 막 층(806)은 실란화된(트리데카플루오로-l,2,2-테트라하이드록틸-l-트리클로로실란) 유리 슬라이드 위에서 스핀-코팅을 통해 제작될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 막 층(806)은 스핀 코터(spin coater)를 이용하여 60초 동안 1500 분당 회전수(rpm)로 회전될 수 있다. 그 후, 스핀-코팅된 재료는 80℃로 약 1시간 동안 구워서 막(806)을 형성할 수 있다.

채널 층(810)에, 0.75mm 직경의 표피 생검 펀치(Harris Uni-Core, Hatfield, PA)를 이용하여 관통-홀을 뚫을 수 있다. 그 후, 채널 층(810)은 튜브(Tygon)를 이용하여 18 게이지 블런트 바늘을 통해 외부 장치에 결합될 수 있다.

도 10a는 특정 실시예들에 따른 슬레이브 매니폴드를 통과하는 공압 흐름 속도와 압력 공급원에 의해 제공된 공압 압력 사이의 관계를 도시한다. 정렬된 선형 회귀분석선의 경사는 공압 컨트롤러의 저항의 역수(inverse)를 나타낼 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 슬레이브 매니폴드의 저항은 7 psi/분당 리터(LPM)인데, 이는 도 6a의 엘라스토머 매니폴드의 저항보다 약 4배 더 작다.

도 10b는 특정 실시예들에 따른 마스터/슬레이브 매니폴드의 작동을 예시한다. 라인(1002)은 유입 압력을 예시하고, 라인(1004-1008)은 상이한 출구에서 상이한 압력 수준을 예시한다. 예를 들어, 라인(1002)은 3개의 상이한 압력 공급원들 사이에서 변동되는(oscillate) 출구의 압력 수준을 예시하며; 라인(1004)은 대기압 공급원(atmospheric pressure source)에 결합된 출구의 압력 수준을 예시하고; 라인(1006)은 진공(vacuum)에 결합된 출구의 압력 수준을 예시한다. 도 10b는 마스터/슬레이브 매니폴드가 상이한 출구에 상이한 압력을 제공하도록 조절될 수 있는 것을 예시한다.

도 11a-11b는 특정 실싱예들에 따른 다양한 작동 순서를 이용하여 연성 촉수(soft tentacle)를 조절하기 위한 압력 프로파일을 도시한다. 도 11a는 압축된 가스의 압력이 10 psi인 경우를 예시하고; 도 11b는 압축된 가스의 압력이 20 psi인 경우를 예시한다. 도 11a-11b는 마스터/슬레이브 매니폴드가 다양한 압력 순서를 이용하여 연성 로봇 액츄에이터를 조절할 수 있다는 것을 예시한다.

몇몇 실시예들에서, 공압 컨트롤러는 연산 장치에서 작동되는 소프트웨어를 이용하여 조절될 수 있다. 몇몇 경우들에서, 연산 장치는 공압 컨트롤러를 융통성 있고 체계적인 방식으로 조절하기 위해 Lab VIEW 소프트웨어를 사용할 수 있다. Lab VIEW 소프트웨어는 그래픽 유저 인터페이스 상에 버튼을 선택함으로써 실시간으로 또는 미리 정해진 스크립트(script)를 이용하여 밸브를 조절할 수 있다. Lab VIEW 소프트웨어는 밸브 유닛의 작동 순서를 체계적으로 조절하고 이와 동시에 외부 압력/흐름 속도 트랜스듀서(Digi-Key Part #480-1920-ND, Thief River Falls, MN)에 의해 제공된 임의의 데이터를 기록할 수 있다. 이러한 Lab VIEW 소프트웨어는 특정 공압 컨트롤러 디자인의 필요성을 해결하기 위해 신속한 코드 변형을 가능하게 할 수 있다. 상기 소프트웨어는 3개의 계층 레벨(hierarchical level)로 정리된다. 상위 레벨(top level)은 유저 인터페이스를 제공하여 엘라스토머 매니폴드의 기능에 상응하는 조절 옵션을 제공할 수 있다. 엘라스토머 매니폴드는 상이한 기능을 위해 상이한 형상의 일체형 채널로 형성될 수 있다. 예를 들어, 엘라스토머 매니폴드는 상이한 개수의 배출부, 유입부, 및 상이한 다중 계획(multiplexing scheme)을 가질 수 있다. 상기 소프트웨어의 톱 레벨은 사용자에게 더 간단한 명령 버튼을 이용하여(좌측으로 회전하여) 이러한 변수들을 직접 조절하도록 프로그래밍될 수 있다. 중간 레벨(intermediate level)은 64 핀 각각에 대해 온 및 오프 상태에서 2진수의 시간-순서로 사용자 입력을 변환할 수 있는 명령을 포함한다. 마지막으로, 코드의 하위 레벨(lowest level)은 압전 액츄에이터의 작동을 조절할 수 있는 드라이버(driver)와 협력한다(cooperate).

그 외의 다른 실시예들에서, 컨트롤 공정을 구현하기 위해 필요한 소프트웨어는 높은 수준의 절차-지향 또는 객체-지향 언어, 가령, MATLAB®, C, C++, C#, Java, 또는 Perl을 포함한다. 또한, 이러한 소프트웨어는 필요 시에 어셈블리 언어로도 구현될 수 있다. 특정 실시예들에서, 상기 소프트웨어는 저장 매체 또는 장치, 가령, 리드-온리 메모리(ROM), 프로그래밍-리드-온리 메모리(PROM), 전기-삭제 프로그래밍-리드-온리 메모리(EEPROM), 플래시 메모리, 또는 본 명세서에 기술된 공정을 수행하기 위해 일반적 또는 특정 목적-처리 유닛에 의해 판독가능한 자기 디스크에 저장된다. 이러한 프로세서는 임의의 마이크로프로세서(단일 또는 다중 코어), 시스템 온 칩(SoC), 마이크로컨트롤러, 디지털 시그널 프로세서(DSP), 그래픽 처리 유닛(GPU), 또는 명령을 처리할 수 있는 그 밖의 임의의 집적회로, 가령, x86 마이크로프로세서를 포함할 수 있다.

본 발명이 위에서 기술한 특정 실시예들에 대해 기술되고 예시되었지만, 이 특정 실시예들은 단지 예시일 뿐이며 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않고도 밑의 청구범위에 의해서만 제한되는 다수의 변형예가 가능하다는 것을 이해해야 한다. 오직 비-제한적인 예로서, 액츄에이터 어레이는 임의의 액츄에이터를 사용할 수 있으며 일반적인 압전 액츄에이터, 또는 특별히 점자 핀에만 제한되지 않는다. 그 외의 다른 실시예들은 하기 청구항들 내에 있다.

Claims

압축된 유체를 목표 위치에 제공하는 것을 조절하기 위한 공압 컨트롤러에 있어서, 상기 공압 컨트롤러는:
본체 및 상기 본체의 한 부분에 결합된 막을 포함하는 엘라스토머 매니폴드를 포함하고, 본체와 막 사이에서 제1 용적이 제1 유입부, 제1 출구, 및 제1 배출부를 가진 적어도 제1 일체형 채널을 형성하며, 상기 제1 일체형 채널은 제1 유입부에서 제1 압력으로 상기 압축된 유체를 수용하고 상기 압축된 유체를 제1 출구로 제공하도록 구성되며;
제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터를 포함하는 밸브 유닛을 포함하고, 제1 액츄에이터는 막의 제1 부분을 편향시켜 제1 일체형 채널의 제1 유입부와 제1 출구 사이의 유체 흐름을 조절하도록 구성되며, 제2 액츄에이터는 막의 제2 부분을 편향시켜 제1 일체형 채널의 제1 출구와 제1 배출부 사이의 유체 흐름을 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공압 컨트롤러.
제1항에 있어서, 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터 중 하나 이상은 압전 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 공압 컨트롤러.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터 중 하나 이상은: 형상기억 합금, 유전성 엘라스토머, 및 공압/유압 압력 액츄에이터 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 공압 컨트롤러.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 본체는 제1 재료를 포함하고 막은 제2 재료를 포함하며, 상기 제2 재료는 적어도 제1 재료만큼 탄성적인 것을 특징으로 하는 공압 컨트롤러.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 본체와 막 사이에서 제2 용적은 제2 유입부, 제2 출구, 및 제2 배출부를 가진 제2 일체형 채널을 형성하고, 공압 컨트롤러는 막의 제3 부분을 편향시켜 제2 유입부, 제2 출구, 및 제2 배출부 사이의 유체 흐름을 조절하도록 구성된 제2 밸브 유닛을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 공압 컨트롤러.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 출구는 압축 챔버에 결합되는 것을 특징으로 하는 공압 컨트롤러.
제6항에 있어서, 압축 챔버는 연성 로봇 시스템의 한 구성요소인 것을 특징으로 하는 공압 컨트롤러.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 압축된 유체의 제1 압력은 적어도 5 psi인 것을 특징으로 하는 공압 컨트롤러.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 일체형 채널의 높이가 적어도 100 μm인 것을 특징으로 하는 공압 컨트롤러.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 재료는 연성 실리콘 재료와 폴리디메틸실록산(PDMS)의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 공압 컨트롤러.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 막은 150%보다 더 큰 최대 허용가능 변형율을 가진 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 공압 컨트롤러.
압축된 유체를 제공하는 것을 조절하기 위한 흐름 컨트롤러에 있어서, 상기 흐름 컨트롤러는:
제1 유입부, 제1 출구, 및 제1 일체형 채널을 포함하는 제1 엘라스토머 매니폴드를 포함하며, 제1 유입부는 제1 일체형 채널에 결합되고 압축된 유체를 제1 공압원으로부터 수용하도록 구성되며;
제2 유입부, 제2 출구, 및 제2 일체형 채널을 포함하는 제2 엘라스토머 매니폴드를 포함하고, 제2 유입부는 제2 일체형 채널에 결합되며 압축된 유체를 제2 공압원으로부터 수용하도록 구성되고;
제1 엘라스토머 매니폴드와 제2 엘라스토머 매니폴드 사이에 배열된 가요성의 엘라스토머 막을 포함하며, 상기 엘라스토머 막은 제1 엘라스토머 매니폴드의 제1 출구와 제2 엘라스토머 매니폴드의 제2 일체형 채널을 분리시키고;
제1 일체형 채널의 벽을 편향시켜 제1 일체형 채널을 차단하도록 구성된 액츄에이터를 포함하며,
제1 일체형 채널의 벽이 편향되지 않을 때, 제1 일체형 채널은 압축된 유체를 제1 압력 공급원으로부터 가요성의 엘라스토머 막에 제공하며 가요성의 엘라스토머 막이 편향되어 제2 일체형 채널 내의 제2 출구와 제2 유입부를 차단시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 흐름 컨트롤러.
제12항에 있어서, 제2 출구는 압축 챔버에 결합되는 것을 특징으로 하는 흐름 컨트롤러.
제12항 또는 제13항에 있어서, 제1 압력은 제2 압력보다 적어도 5 psi 더 큰 것을 특징으로 하는 흐름 컨트롤러.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 작동 시에 액츄에이터의 변위(displacement)는 제2 일체형 채널의 두께보다 더 작은 것을 특징으로 하는 흐름 컨트롤러.
제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 엘라스토머 매니폴드는 복수의 제1 일체형 채널을 포함하며, 복수의 제1 일체형 채널은 각각 제1 유입부에 결합되고 개별 출구를 포함하며,
제2 엘라스토머 매니폴드는 복수의 제2 일체형 채널을 포함하고, 복수의 제2 일체형 채널은 각각 제2 출구에 결합되며 개별 압력 공급원에 결합된 개별 유입부를 포함하고,
흐름 컨트롤러는 제1 엘라스토머 매니폴드 내에서 복수의 제1 일체형 채널 중 오직 하나의 유체 흐름을 차단하여 제2 엘라스토머 매니폴드 내에서 복수의 제2 일체형 채널 중 하나를 제외한 모두의 유체 흐름을 차단하도록 구성된 복수의 액츄에이터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름 컨트롤러.
제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 가요성의 엘라스토머 막은 150%보다 더 큰 최대 허용가능 변형율을 가진 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 흐름 컨트롤러.
압축 챔버의 작동 방법에 있어서, 상기 방법은:
유입부로부터 나온 압축된 유체를 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 공압 컨트롤러의 엘라스토머 매니폴드의 일체형 채널 내에 수용하는 단계를 포함하고;
공압 컨트롤러의 제2 액츄에이터를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시켜 제1 막의 제1 부분을 편향시키고, 제1 일체형 채널의 배출부와 출구 사이에서 유체 흐름을 차단시켜, 압축된 유체를 제1 출구를 통해 제1 출구에 결합된 압축 챔버로 보내는 단계를 포함하며;
압축 챔버 내의 압력이 사전결정된 수준에 도달하고 나면, 제1 액츄에이터를 제3 위치로부터 제4 위치로 이동시켜 제1 막의 제2 부분을 편향시키며, 제1 일체형 채널의 출구와 유입부 사이에서 유체 흐름을 차단시키고 압축 챔버 내의 압력을 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 챔버 작동 방법.
제18항에 있어서, 제2 액츄에이터를 제2 위치로부터 제1 위치로 이동시켜 유체 흐름이 압축 챔버로부터 배출부로 나갈 수 있게 하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 챔버 작동 방법.
제18항 또는 제19항에 있어서, 압축된 유체를 압력 공급원으로부터 수용하는 단계는 압력 공급원으로부터 적어도 5 psi의 압력을 가진 압축된 유체를 수용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 챔버 작동 방법.
제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 공압 컨트롤러에서 연산 장치로부터, 제1 액츄에이터와 제2 액츄에이터 중 하나 또는 그 이상을 이동시키는 명령을 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 챔버 작동 방법.
제21항에 있어서, 명령을 수신하는 단계는 무선 통신 시스템에 걸쳐 명령을 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 챔버 작동 방법.
압축 챔버의 작동 방법에 있어서, 상기 방법은:
제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 흐름 컨트롤러의 제1 매니폴드 내의 제1 일체형 채널에서, 제1 압력 공급원으로부터 나온 압축된 유체를 수용하는 단계;
흐름 컨트롤러의 제2 매니폴드 내의 제2 일체형 채널에서, 제2 압력 공급원으로부터 나온 압축된 유체를 수용하는 단계;
제2 일체형 채널의 제2 출구를 압축 챔버에 결합시키는 단계; 및
흐름 컨트롤러의 액츄에이터를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시켜 제1 일체형 채널의 벽을 편향시키고 제1 일체형 채널 내의 유체 흐름을 차단시켜, 압축된 유체를 제2 압력 공급원으로부터 압축 챔버에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 챔버 작동 방법.
제23항에 있어서, 흐름 컨트롤러의 액츄에이터를 제2 위치로부터 제1 위치로 이동시켜, 압축된 유체를 제1 압력 공급원으로부터 가요성의 엘라스토머 막에 제공하여, 가요성의 엘라스토머 막이 제2 일체형 채널 내에서 유체 흐름을 차단하게 하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 챔버 작동 방법.
제23항 또는 제24항에 있어서, 제1 압력 공급원으로부터 나온 압축된 유체의 압력은 제2 압력 공급원으로부터 나온 압축된 유체의 압력보다 적어도 5 psi 더 큰 것을 특징으로 하는 압축 챔버 작동 방법.
제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 일체형 채널의 높이가 적어도 100 μm인 것을 특징으로 하는 압축 챔버 작동 방법.
제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 출구를 배출부에 결합시켜 압축된 유체를 압축 챔버에 릴리스하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압축 챔버 작동 방법.