스마트재료의 운동특성을 활용한 로봇 디자인에 관한 연구

강유훈 서울시립대학교 디자인대학원 2008 국내석사

로봇디자인은 동적인 메커니즘(Mechanism)이 전체 구조 및 형태를 결정하는 중요한 역할을 하며 운동부위의 자유도(Freedom of Degree)가 높아질수록 그 영향력이 심화되기 때문에 앞으로 다(多)자유도를 지향하는 관련기술의 발전 추이를 감안한다면 로봇디자인에서 동적구조를 무시하고 형태를 논하기란 어려운 일이다. 로봇의 구동기(Actuator)는 지능로봇의 이동, 조작과 감정표현을 목적으로 움직임을 능동적으로 생성하는 수단이며 로봇의 디자인을 결정짓는 주요한 요소이다. 기존의 전자기 모터나 솔레노이드(solenoid)는 일반적인 로봇에서 매우 유용하게 사용되고 있으나 자유도가 높아질수록 점차 많은 부피를 차지하는 단점과 특수한 경우 작은 크기로 사용하거나 다목적으로 쓰기 위해서는 많은 어려움이 따른다. 이러한 필요성에 따라 작고 효율적인 액추에이터에 관심이 높아지면서 다양한 구동기들이 등장하고 있다. 이에 지능로봇의 핵심 기술로 지칭되는 ‘Artificial Muscle' 은 스마트 재료(Smart Material)를 기반으로 한 로봇 구동 기술로써 다양한 목적에 따라 기존의 모터 방식을 점차 대체할 것으로 전망되고 있다. 스마트 재료(Smart Material)는 외부 환경 변화에 따라 반응할 수 있는 재료로써 기존의 재료들이 주워진 환경 변화를 수동적으로 견디는 한계를 넘어서 외부자극과 변화에 생물체처럼 환경에 반응하는 특성을 가지고 있기 때문에 자체 구동 기술은 물론 스마트 재료의 능동적인 특성을 활용한 인간 로봇의 인터랙션(Human-Robot Interaction) 디자인 분야에 적용될 수 있을 것이다. 이에 본 논문은 차세대 로봇 엑추에이터로 연구되고 있는 스마트 재료 연구 현황 및 각 재료의 구동 원리에 대하여 제시하고 기존의 모터 구동방식과의 차별되는 요소를 분석하여 특화된 동적 구조의 로봇 디자인 적용 가능성을 판단하고자 로봇의 동적 구성 요인을 구동부(Actuator)와 센서부(Sensor)로 분류하였다. 이후 일반로봇의 동적요인을 기계요소 중심으로 해석하여 스마트 재료와 비교 분석하고 장점 요소를 도출하였으며 스마트 재료로 구성 할 수 있는 센서를 동적 피드백(Feedback) 을 중심으로 해석하고 촉각센서(Haptic Sensor) 적용 가능성을 판단했다. 분석된 자료를 바탕으로 일반 로봇의 동적 구성요인과의 차별적 특징을 추출하고 상관관계를 적용하여 스마트 재료의 동적 특성에 따른 로봇 디자인 요소를 선정하였다. 그리고 지능 재료(Intelligence Material)를 활용한 로봇을 선별하여 각 연구 성과에 적용된 스마트 재료와 구동 메커니즘을 조사하고 추출된 디자인 요소와 동시에 비교 분석하여 문제점을 도출함으로써 디자인의 제안방향을 설정하였다. 디자인의 설정방향을 제시하기 위해 스마트 재료의 물성(物性)적 특징과 운동(Locomotion)특징을 중심으로 생체모방(Biomimetic)구조의 적합성을 분석하고 스마트재료의 구동 및 센서 특성을 활용할 수 있는 생체적 메타포를 적용한 포섭구조(Subsumption Architecture) 로봇시스템의 적용 가능성을 연구하였다. 분석된 스마트 재료의 동적특성과 디자인 요소를 생체모방구조에 적용하여 근 미래에 다양한 영역에서 활용될 수 있는 로봇을 제안하고자 하였으며 이를 통해 로봇의 개발단계에서 디자인이 동시에 관여하는 동시 공학(Concurrent Engineering)적 로봇 디자인 프로세스의 필요성을 밝혔다. It's difficult to deal with the form of robot design ignoring dynamic structure because dynamic mechanism does important role in determination of entire structure and form of robot since the influence of dynamic structure becomes strong according to increasing freedom of degree in motion parts considering development progress which aim multi-freedom of degree. The actuator of robot is not only a significant factor deciding design of robot and also a measure that makes motion of robot actively in purpose of control of intelligent robots and their expression of emotions. Traditional electromagnetism motors and solenoids are employed very usefully in general robots but it is not easy to apply them to a robot with small size or multi-functional purpose because they have a defect that occupy large spaces as increasing freedom of degree. According to these needs for small and efficient actuator lead creations of various actuators. So 'Artificial Muscle' called the core technology which is based on smart material is expected to substitute traditional manner of motor for various purposes. Smart material, responding as change of circumstance can be applied in design of human-robot interaction utilizing it's active factor because it surpasses limit of traditional material which respond to change of circumstance passively and has a feature that respond to change of circumstance and a stimulus from the outside like living things. So this paper divided active constitution factors of robot into parts of actuators and parts of sensors proposing the present condition of research in smart material for next-generation robot actuator and analyzing factors which are different from existing motor-driving manner to decide possibility of appliance of specialized active structure of robot design. And then this paper analyzes active factors of general robot focusing mechanical factors and compares them to smart material and drew their merit factors. Besides this paper analyzes sensors which is constituted by smart material with active feedback mainly and estimate possibility of appliance of haptic sensor. Based on analyzed materials I drew differential features from dynamic composition factors of general robots and applied interrelation and decide the factor of robot design according to dynamic features of smart material. I set up proposal direction of design by conducting comparative analysis that selects robots which employ intelligence material and investigates employed smart material and driving mechanism in each case drawing problems. To propose establishment direction of design this paper analyzed suitability of biomimetic structure of smart material in physical property features and locomotion features primarily and studied possibility of appliance of subsumption architecture robot system employing organism metaphor which can use smart material driving and sensor features. This paper tried to propose a robot which can be used variously in near future by applying analyzed dynamic features of smart material to biomimetic structure, and clarify the necessity of concurrent engineering in robot design from the development step.

Multi-mode high-speed actuator using smart soft composite

송성혁 Seoul National University 2016 국내박사

Soft morphing is an emerging technology for applications in various industrial fields, such as wearable devices and biomimetic soft robots, because of its advantages in adaptability to various environmental conditions by mimicking the ‘soft’ motions of nature. Various smart materials-based actuators have been developed to generate active soft morphing in structures, but their limited performance in terms of actuated morphing shapes and actuating speeds have prevented them from being used more widely. This work presents a soft composite actuator capable of achieving flexible and complex motions, using a shape-memory alloy (SMA). The anisotropic material properties of the composite, considered a major defect in composite structures, were accentuated using a scaffold structure, so that the actuator could generate more diverse motions, even in a simple, lightweight structure. The composite characteristics depend on the scaffold structure embedded in the actuator, so actuator motion could be designed according to the scaffold structure. The scaffold structure was easy to fabricate using a three-dimensional (3D) printer. SMA wires were also included to generate a force for actuation; these components were combined as a composite using a soft polymer. The actuating characteristics of the actuator depended on the type of scaffold: symmetric, anti-symmetric, and asymmetric scaffolds were evaluated, and four different modes of actuation were realized. A design methodology was proposed to permit more diverse and complex motions than the four basic modes of actuation, and was implemented in a turtle mimetic robot as an example application. The motion of a marine turtle flipper was analyzed and simplified into three sections. The required motion for each was matched with an appropriate scaffold design and the three scaffold structures were combined into a single actuator module. This flipper actuator was capable of mimicking two different swimming gaits of the marine turtle with a single actuator, depending on the current pattern applied. The locomotion characteristics of the two swimming gaits were evaluated in terms of efficiency and swimming speed. An actuator design to increase actuating speed and deformation magnitude was also developed, which extended the range of actuating performance for the SMA-bending actuator. Use of a bundle of SMA wires with a small radius instead of a single, thick SMA wire improved the cooling efficiency of the wire and increased the actuating speed, up to 35 Hz. Also, because the natural frequency of the actuator could be controlled by the scaffold structure design, the resonance effect was used actively to increase the actuating deformation. With this, a scaffold design methodology to achieve the required natural frequency of the actuator was developed and confirmed with experimental data. Actuating performance underwater was also evaluated and a model to predict the appropriate actuator length for the best performance was proposed. As an application of the high-speed actuator, a fish mimetic robot capable of 10 Hz fin flapping was developed and its speed was measured. The actuator was also applied to flying wings to mimic the flapping motion of birds or insects by adding a mechanism for passive rotation.

신개념의 가이드 스프링을 적용한 수평 선형 진동 모터 개발 및 쇼티드 턴 유무에 따른 보이스 코일 모터의 기계적 동특성 연구

이기범 영남대학교 일반대학원 2015 국내석사

A: 스마트 폰 제조업체들은 약 4 ~ 7인치 정도의 대화면을 가진 스마트 폰을 출시하고 있으며, 대화면을 장착함으로써 멀티미디어 콘텐츠 감상에 최적화돼 소비자의 보는 즐거움을 높였다. 하지만 거기에 따른 휴대성이 감소 등의 단점들도 존재한다. 이러한 단점을 줄이기 위해 스마트 폰의 슬림화에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 따라서 스마트 폰 두께 문제 해결과 기존 진동 모터의 단점들을 해결하기 위해 본 연구에서는 스마트 폰용 수평 선형 진동 모터의 개발에 대해 다루었다. B: 전자기 액츄에이터에 쇼티드 턴을 적용할 때 빠른 전류 상승효과는 매우 유용하다. 이러한 쇼티드 턴에 대한 특허와 연구된 논문들이 상당수 제안되었다. 하지만, 기존 논문들은 전기적 관점에 대해서만 언급이 되어있으며 기계적 관점에서는 다루어지지 않았다. 따라서 본 논문에서는 쇼티드 턴을 적용할 때와 적용하지 않은 시스템에 대해 기계적 관점에서 대해 단위 계단 응답을 이용하여 시스템 특성을 분석하였다. A: Smart phones have numerous features and large display. In result, the smart phone is less portable than before due to its large size. In order to improve the portability of a smart phone, the thickness of the smart phone should be reduced. This is one of the important issues in today's smart phone hardware industry. The vibrating actuator is the thickest component in a smart phone. A thinner electric vibration actuator could make smart phones slimmer. Currently, a vertical linear vibrating actuator is used in smart phones, and it vibrates in the thickness direction of the phone. This imposes a restriction on the sliming of smart phones. Also, a vertical actuator has a thickness of approximately 3.0 to 3.6 mm. We develop a horizontal linear vibrating actuator that can be used to reduce the thickness of a smart phone. Mathematical vibration modeling is used to calculate the magnetic force, and a finite element analysis using the commercial electromagnetic analysis software MAXWELL is performed to determine the specifications of a permanent magnet and electromagnetic coil. The guide spring is designed by modal and harmonic response analysis using ANSYS. A horizontal linear vibrating actuator is designed, and a prototype is manufactured for use in experiments. Its thickness is reduced by 30 % compared to a vertical linear vibrating actuator. In addition, the actuator can vibrate with an acceleration of up to 2.10 Gravity (G), which represents an improvement of at least 40 % compared to a vertical linear vibrating actuator. B: This paper presents that the shorted turn in voice coil motor does not guarantee the improvement of initial dynamic response. The transfer functions of VCM without shorted turn and VCM with shorted turn are modeled respectively, and those poles and residues are compared to analyze the dynamic effects of shorted turn.

Design and manufacturing of twisting soft composite actuators with shape memory alloy wires

Rodrigue, Hugo 서울대학교 대학원 2015 국내박사

Soft actuators can use a variety of actuation source, and each source of actuation has its own characteristics, limitations and advantages. Although the performance of each type of soft actuator is directly related to the performance of the components used, the envelope of possible functions and applications is also largely advanced by the development of new design and manufacturing methods that allow new ways of implementing the components of these actuators. In this work, an actuation mechanism for a smart soft composite actuator comprised of shape memory alloy (SMA) wires in a soft polymeric matrix was developed that enabled the pure-twisting deformation of the actuator using only two SMA wires. PID control of the twisting angle of the actuator by using the resistance of the SMA wire as the process variable is demonstrated. The design was then extended to allow deformations in multiple directions for multiple modes of actuation using four SMA wires. The developed actuator is capable of forward and backward bending, clockwise and counter-clockwise twisting, and of the four combinations of bending and twisting deformations. The deformation of this actuator are approximated using a commercial finite element analysis software, which shows that it is possible to predict the deformation of this type of actuator. New manufacturing methods for this type of actuator were developed to enable the manufacturing of actuators with different mechanical characteristics and actuation performance. Interference fit molds were used to enable the fabrication of actuators with more complex external geometries and with matrices containing multiple polymeric materials. A method called 3D Soft Lithography was developed for the 3D fabrication of thermocurable polymers with complex external and internal features, and then applied to the developed twisting actuator. Then double Smart Soft Composite (SSC) casting was developed to allow the manufacturing of actuators with non-linear SMA wire positioning. Each of the three methods allows the circumvention of some of the limitations of simple molds. The developed designs and manufacturing methods were implemented in two different applications. The first is a soft artificial wrist capable of both sustaining a load at one end, such as when holding an object, and of producing a twisting deformation. The second application is a soft robotic tongue capable of three different motions that are commonly used during communication and feeding. 유연 구동기는 다양한 구동원을 활용하여 구현될 수 있지만, 사용되는 구동원에 따라 각각의 특징 및 장단점이 존재한다. 각 유연 구동기의 성능은 구동기를 구성하는 개별 요소들의 성능과 직접적인 연관성이 있지만, 새로운 구동기 구성을 가능하게 하는 새로운 설계 및 공정 기법의 개발을 통해 구동 성능의 향상 및 적용 분야의 확장으로 이어질 수 있다. 본 연구에서는 형상기억합금 와이어와 유연 PDMS 기저 재료로 구성되면서, 오직 두 가닥의 형상기억합금만을 이용하여 비틀림 변형 구현이 가능하도록 하는 지능형 연성 복합재 구동기의 구동 메커니즘을 개발하였다. 비틀림 각도는 형상기억합금의 저항 변화에 기반한 PID 제어 방법을 구현하여 적용하였다. 4가닥의 형상기억합금 와이어를 활용하여 여러 방향으로의 변형이 가능하도록 설계를 개선하였으며, 이에 다중 모드 구동을 구현하였다. 구현된 구동기는 전후 방향 굽힘 변형, 시계 방향 및 반 시계 방향으로의 비틀림 변형, 그리고 4가지의 굽힘-비틀림 복합 변형이 가능하다. 개발된 구동기의 변형 량 예측을 위하여 상용 FEA software를 사용하였으며, 그 결과 제작한 구동기의 변형량 예측 가능성을 확인하였다. 이렇듯 기존과 다른 기계적 특성과 구동 성능을 갖는 새로운 형태의 구동기 제작을 가능하게 하기 위해 새로운 공정 기법을 개발하였다. 복잡한 외부 형태를 갖고, 기저재료로서 다양한 폴리머 계통의 재료로 구성되는 구동기 제작을 가능하게 하기 위해 끼워맞춤 몰드를 사용한 공정을 제시하였다. 또한 열경화성 재료로 구성되며 복잡한 내/외부 형상을 갖는 3차원 구조 제작을 위한 3차원 리소그래피 공정을 개발하여 비틀림 구동기 제작에 활용하였다. 그리고 비선형 형상기억합금 와이어의 위치고정을 위해서 지능형 연성 복합체 이중 주물 제조방법을 개발하였다. 상기 세 가지의 제작 방법으로 단순한 주물방식이 가지는 한계를 극복하여 복잡한 형상의 구동기 제작이 가능하였다. 본 연구에서 개발된 설계 및 공정 기법을 활용하여 각기 다른 두 가지 적용 사례를 제시하였다. 첫 번째 적용사례는 물건을 쥐고 있는 것과 같이 한 쪽 끝에 하중이 부가된 상태에서의 고정 및 비틀림 변형이 가능한 유연 로봇 손목 구동기이다. 두 번째 적용사례는 생체 모방 인공 혀로써, 의사소통 및 음식물 섭취 시에 일반적으로 사용되는 것과 관련된 각기 다른 세 가지의 움직임을 구현이 가능하다.

Development of a twisting actuator using a single SMA wire : 형상기억합금을 이용한 비틀림 변형 구동기

심재율 서울대학교 대학원 2015 국내석사

Recently robots have become a topic of interest with regards to their functionality as they need to complete a large number of diverse tasks in a variety of environment. When using traditional mechanical parts, many parts are needed to realize complex deformations such as motor, hinge, crank, etc. In order to produce complex deformations, this work introduces a torsional actuator made from a simple smart soft composite using a single shape memory alloy (SMA) wire without any additional element. The proposed twisting actuator is composed of a torsionally pre-strained SMA wire embedded at the center of a polydimethylsiloxane (PDMS) matrix which twists upon joule heating of the SMA wire by applying current. This report shows the actuator design, fabrication method, and result for the twisting angle and actuation force for varying number of turns during pre-straining of the SMA wire, applied current and length, width, thickness of the matrix. Results show that a higher current helps reach the maximum twisting angle faster, but that if the current is too low or too high it will not be able to actuate fully. Also both the twisting angle and the twisting force increases for a large applied twisting pre-strain, but that this increase has an asymptotic behavior. However, results for both the width and the thickness of the actuator show that a larger width and thickness reduces the actuation of the actuator, but also that these do not have a significant effect on the twisting force generated by the actuator. The proposed twisting actuator is capable of larger twisting deformations than previous SMA-based soft composite efforts. This paper also presents a new mechanism for a SMA-actuated active catheter using the proposed twisting mechanism.

Design and control of enhanced multistacked dielectric elastomer actuators for macroscale soft robotic applications

Jung, Hosang Sungkyunkwan university 2021 국내박사

본 논문은 기존 적층형 유전탄성체 구동기의 성능을 향상시키는 새로운 다중적층 유전탄성체 구동기의 세 가지 유형을 제시합니다. 제안된 다중 적층 유전탄성체 구동기, 강력한 고전압 컨트롤러 및 스마트 메커니즘을 기반으로 세 가지 유형의 소프트 로봇 응용 프로그램이 개발되었습니다: 로봇 팔 관절 모듈, 미사일 핀 제어 작동 시스템 및 형상 적응형 정전기 소프트 그리퍼. 연구는 여러 단계를 거쳐 체계적으로 이루어졌으며 다음과 같이 간략하게 설명 할 수 있습니다. 첫째, 최첨단 유전탄성체 구동기 (DEA) 및 DEA에 의해 구동되는 소프트 로봇 응용 분야에 대한 광범위한 조사가 1장에서 연구되었습니다. 그런 다음 연구의 목표를 달성하기 위해 이 논문의 각 장에서 몇 가지 특정 목표가 제시되고 구현됩니다. 둘째, 3가지 유형의 새로운 다중 적층 유전탄성체 구동기가 2장에 소개되었습니다. 첫 번째 제안 된 액추에이터는 단일체의 적측형 구동기(SDEA)로 외부 프레임없이 형태를 유지하고 자연 차폐 및 활성 영역을 극대화하여 스트로크 성능을 높입니다. 두 번째로 제안 된 액추에이터는 텐셔너가 삽입된 롤 유전탄성체 구동기(TCRDEA)로, 마이크로 미사일 시스템에 적용하기 위해 매우 가볍고 컴팩트 한 크기입니다. 이 액추에이터는 roll DEA의 코어에 링형 텐셔너를 삽입하고 최적화된 사전변형을 적용하여 스트로크 성능을 향상시킵니다. 세 번째로 제안 된 액추에 이터는 전기 접착 패드와 다층 유전체탄성체 벤딩 액추에이터를 통합하는 기계적으로 강화 된 EA-DEA 패드 액추에이터입니다. 최적화 된 다기능 EA-DEA 패드 액추에이터는 얇고 평평하며 가벼운 물체를 빠르게 부착 및 분리하고 곡선 물체에 적응하는 모양 적응형 EA-DEA 패드 그리퍼로 사용됩니다. 셋째, 세 가지 버전의 고전압 컨트롤러의 설계 및 제어 시스템은 3장에 설명되어 있습니다. HV 컨트롤러의 첫 번째 버전은 저전력 HV 증폭기와 광 커플러로만 구성된 HV 스위칭 회로로 구성됩니다. SDEA의 4개의 채널을 독립적으로 작동 할 수 있습니다. HV 컨트롤러의 두 번째 버전은 고전력 HV 증폭기와 광 커플러 및 전력 MOSFET으로 구성된 개선 된 HV 스위칭 회로로 인해 두 채널의 길항 구조 TCRDEA를 고속으로 작동시킬 수 있습니다. HV 컨트롤러의 세 번째 버전은 DEA의 한 채널과 EA의 한 채널을 동시에 독립적이고 가변적으로 작동 할 수 있습니다. 특히 EA 채널은 역 극성 전압을 생성하여 다기능 그리퍼에 전기 솔루션을 제공 할 수 있습니다. 이를 통해 EA-DEA 패드 액추에이터가 빠른 릴리스 기능을 구현할 수 있습니다. 마지막으로 4장에서는 이전에 개발 된 새로운 다중 적층형 DEA에 의해 구동되는 세 가지 유형의 소프트 로봇 애플리케이션이 제시됩니다. 각 애플리케이션의 특성에 맞는 스마트 메커니즘을 개발하고, 구현 된 애플리케이션의 유용성과 실용성을 실험 평가를 통해 검증합니다. 첫 번째로 개발 된 애플리케이션은 사전 구현된 SDEA, HV 컨트롤러의 첫 번째 버전 및 슬라이딩 필라멘트 조인트 메커니즘을 갖춘 로봇 팔 조인트 모듈입니다. 로봇 팔 관절 모듈의 타당성을 검증하기 위해 시스템의 위치 및 가변 강성 제어에 대한 실험을 수행하고 전체 시스템의 특성을 분석합니다. 두 번째로 개발 된 애플리케이션은 사전 구현 된 TCRDEA, 고전력 HV 컨트롤러의 두 번째 버전 및 제어 핀 하드웨어를 기반으로하는 작고 가벼운 핀 제어 작동 시스템입니다. 고성능 HV 컨트롤러와 통합 된 FCAS를 사용하여 단계 응답, 주파수 응답 및 반복성과 관련하여 FCAS의 폐쇄 루프 제어 성능을 평가하고 시스템의 효율성을 확인했습니다. 또한 -20에서 50도씨까지 온도에 대한 시스템의 제어 성능 변화에 대한 실험을 수행하여 제안 된 시스템의 실용성을 입증합니다. 세번째로 개발 된 애플리케이션은 사전 구현 된 EA-DEA 패드 액추에이터, EA/DEA HV 컨트롤러 및 변형 메커니즘을 결합한 형태 적응형 정전식 소프트 그리퍼입니다. 사전 구현 된 EA-DEA 패드 액추에이터와 변형 메커니즘을 통합하고 그립 방식을 세가지 모드로 전환하여 얇고 가벼운 물체뿐만 아니라 무겁고 다양한 유형의 물체도 처리 할 수있는 다기능 그리퍼를 구현합니다. 다양한 물체를 순차적으로 집어 들고 개발 된 다기능 그리퍼의 유용성과 실용성을 입증하기 위해 Gipping 작업을 수행합니다. This thesis presents three types of novel multistacked dielectric elastomer actuators that improve the performance of coventional stacked dielectric elastomer actuators. Based on the proposed multistacked DEAs, powerful high voltage controllers, and smart mechanisms, three types of soft robotics applications have been developed: a robotic arm joint module, a missile fin control actuation system, and a shape-adaptive electrostatic soft gripper. The research has been done systematically through several steps and can be briefly explained as follows. First, a extensive survey on the state of the art of dielectric elastomer actuators (DEAs) and soft robotic applications driven by DEAs was studied in Chapter 1. Then, to achieve the goal of the research, several specific objectives are given and is implemented in each chapter of this thesis. Second, three types of novel mutistacked dielectric elastomer actuators are introduced in Chapter 2. The first proposed actuator is a single body dielectric elastomer actuator (SDEA). It maintain its shape without an external frame and maximized natural shielding and active area to increase stroke performance. The second proposed actuator is a tensioner-constrained roll dielectric elastomer actuator (TCRDEA), which has a very light weight and compact size for application to micro missile system. This actuator improve stroke performance by inserting a ring-type tensioner into the core of the rolled DEA and applying optimized presrain. The third proposed actuator is a mechanically reinforced EA-DEA pad actuator that integrates an electroadhesion pad and a multi-layered dielectric elastomer bending actuator. The optimized mutifunctional EA-DEA pad actuator is used as a shape-adaptive EA-DEA pad gripper that rapidly attach and release thin, flat and light objects and also adapt to curved objects. Third, the design and control system of the three versions of the high voltage controller are described in Chapter 3. The first version of the HV controller comprise with low power HV amplifiers and HV switching circuit made of opto-couplers only. It can independently actuate 4 channels of SDEA. The second version of the HV controller can actuate 2 channels of antagonistic structure TCRDEAs at high speed due to a high power HV amplifier and the improved HV switching cicuit consisting of opto-couplers and power MOSFETs. The third version of the HV controller can independently and variably actuate 1 channel of DEA and 1 channel of EA simultaneously. In particular, the EA channel can create a reverse polarity voltage to provide an electrical solution for a multifunctional gripper. This enable the EA-DEA pad actuator to implement a rapid release function. Finally, in Chapter 4, three types of soft robotics applications driven by the novel multistacked DEA developed earlier are presented. A smart mechanism suitable for the characteristics of each application are developed, and the usefulness and practicality of the implemented application are verified through experimental evaluation. The first developed application is a robotic arm joint module with the pre-implemented SDEA, the first version of HV controller, and a sliding filament joint mechanism. To verify the feasibility of the robotic arm joint module, we conduct experiments on the position and variable stiffness control of the system and analyze the characteristics of the total system. The second developed application is a small and lightweight fin control actuation system based on the pre-implemented TCRDEA, the second version of high-power HV controller, and a control fin hardware. Using the FCAS integrated with high performance HV controller, we evaluate the closed-loop control performance of the FCAS with regard to the step response, frequency response, and repeatability and verified the effectiveness of the system. We also prove the practicality of the proposed systems by conducting an experiment regarding the change in the control performance of the systems with respect to temperature from -20C to 50C. The third developed application is a shape-adaptive electrostatic soft gripper that combines the pre-implemented EA-DEA pad actuator, EA/DEA HV controller, and a transform mechanism. By integrating the pre-implemented EA-DEA pad actuator with the transform mechanism and switching the gripping method into three modes, we implement a multifunctional gripper that can handle not only thin and light objects, but also heavy and various types of objects. Gipping tasks is performed to sequentially pick up various objects and prove the usefulness and practicality of the developed multifunctional gripper.

전기구동형 고분자 필름의 물성 평가를 통한 다이아프램형 액츄에이터의 구동특성에 관한 연구

정영대 부산대학교 2005 국내박사

To overcome limitations of traditional actuators, new materials are required for various types of actuation. electro-active polymer(EAP), one of smart materials, is a new alternative technology, which can get an ultra precision movements and bio-compatibility. but it has viscoelasticity, the nature of polymers as a weak point. This paper is focused on a diaphragm-type actuator using a segmented polyurethane(SPU) as a electrostrictive polymer and a flexible electrode for muscle-like polymer actuators. As a case of the body of a actuator, static and dynamic property evaluation of the body and the electrode of actuators is essential for the analysis and the prediction of performances of polymer actuators. So, Young's (elastic) modulus, E was measured by UTM as a static property and storage modulus, E' & dissipation factor, tanδ was measured by DMTA as dynamic properties, in order to measure mechanical properties of SPU synthesized by a prepolymer process. these parameters mainly affect the step and dynamic response of a polymer actuator. as result, by increasing the hard segment content of the body of a SPU, the modulus of SPU is decreased. This paper also presents the relationship between maximum deflection the elastic modulus as a key property of the maxwell stress effect and also presents the relationship between maximum deflection and the dielectric constant as a key property of the electrostriction effect. As a flexible electrode, carbon black(CB) composite electrode, mixed with a water-dispersed SPU, was developed for large strain of a electrostrictive polymer. for evaluation of this compliant thin-film electrode using spin coater, the surface resistance was measured by a 4 point probe system. compared with the conductive silver grease, the displacement of polymer actuators using CB electrodes is comparably small but CB electrode should be the practical approach for the improvement of the performance of all-solid actuators, compared with another types of electrode materials. Polymer actuator using SPU body and CB electrodes was manufactured in type of diaphragm and unimorph. in order to understand an effect of higher-order structure of PU, crosslinking agent are controlled by 0.5wt% and 1wt%. dynamic response was measured according to frequency and displacement and recovery time according to PU thickness. 1wt% crosslinked PU samples show higher displacement and lower recovery time than 0.5wt% crosslinking agent contents PU. If the PU thickness is increased, the input voltage for a generation of same displacement is increased, too. For the derivation of equation between maximum displacement and vertically distributed load of a circular plate, we use Rayleigh-ritz method using polar coordinates and boundary condition of fully clamped circular plate and to apply to design parameters of a micro-fluidics system. To acknowledge the reliability, actuation force calculated by the derived equation was compared with actuation force measured by load cell. measured force is similar to calculated force at the low input voltage region, but it is somewhat different at the high voltage region because of the electrostriction effect caused by asymmetric status of electric dipole moments. Although a few problem, like high actuating voltage, high recovery time and high viscoelasticity, was still remained. however, we knew that SPU as a electroactive polymer has possibility of applying to a micro-actuator or a muscle-like actuator in this study.

Deployable Soft Composite Structures with Morphing and Shape Retention

왕웨이 서울대학교 대학원 2016 국내박사

In this dissertation, the possibilities of systematically designing and constructing deployable soft composite structures utilizing smart soft actuators composed of shape memory alloy (SMA) based smart soft composites (SSCs) as the basic elements are proposed and explored. The first part of the dissertation describes the working principles of SMA based SSC actuators and presents new basic actuators that are suitable for implementation in deployable structures. The base SSC actuator design is extended from simple bending actuators to hinge actuators and linear actuators. A brief mathematical model is described to predict the deformation of the proposed SSC actuators. These actuators with diverse and large deformation are simple to fabricate, inexpensive, lightweight and simple to actuate. Based on these advantages, soft robots such as crawling robots and compliant gripper are designed and evaluated. In the second part, a structure based on the variable stiffness principle is integrated into the SSC actuator which can enable the proposed composite actuator to both produce a soft morphing motion and to have shape retention capability. This is accomplished by embedding low-melting-point material with heating components in a SSC actuator structure. The stiffness variation of the actuator is accomplished by melting the embedded low-melting-point material using heating components embedded in the structure. The actuator can then retain its deformed configuration with the variable stiffness structure in the high stiffness state after the low-melting-point material structure is solidified. In the third part, deployable structures are proposed using the proposed actuators with stiffness reversible property as the basic element of the assembly. This basic actuator can be used to form modules capable of different types of deformations, and these modules can then be assembled into deployable structures. The design of deployable structures is based on three principles: design of basic actuators, assembly of modules and assembly of modules into large scale deployable structures. Various deployable structures such as a segmented triangular mast, a planar structure comprised of single-loop hexagonal modules and a ring structure comprised of single-loop quadrilateral modules are designed and fabricated to verify this approach. The final part of the dissertation is a study of tiling techniques for use as a reference for the construction of planar deployable networks based on the proposed SSC hinge and linear actuators. A general approach to construct planar deployable networks has been proposed which can be divided into three steps: selection or design of suitable tiling, design and validation of joint connections, and construction of networks. Several possible configurations have been discussed and verified using the assembled structures.

진동 액츄에이팅 스마트 의류 디자인의 방향 연구

송지현 연세대학교 대학원 2021 국내석사

본 연구는 의류에 부착 가능한 진동 자극 장치의 부착 위치 및 진동 신호 유형에 따른 진동 자극 감지 민감도를 평가하여, 그 결과를 토대로 진동 액츄에이터를 활용한 스마트 의류의 디자인 방안을 연구하고자 하였다. 이를 위하여, 본 연구는 햅틱 인터페이스를 기반으로 하는 스마트 의류의 연구개발 동향을 알아보고, 햅틱 인터페이스를 사용하는 스마트 의류의 진동 감각 인지 성능에 영향을 미치는 변인을 실증적으로 연구하였다. 선정된 변인은 부착 위치, 진동 길이, 진동 세기로, 10명의 피험자를 대상으로 진동 자극 장치가 부착된 암 밴드 형태의 스트레치성 의류를 착용하고, 3가지 진동 자극 장치 부착 위치에서 3가지의 진동 길이와 3가지 진동 세기에 따른 9가지의 진동 자극 신호 유형을 부여하여 실험하였다. Chi-squared test를 통해 각 변인의 집단별 자극 미인지 횟수를 교차분석하고, Kruskal-Wallis test 및 Mann-Whitney test를 활용하여 진동 신호 인지 반응 시간의 차이를 확인함으로써, 각 변인이 진동 신호의 인지효율성에 미치는 영향을 고찰하였으며, 실증적 결과를 토대로 진동 자극 감지 효율성이 높은 진동 액츄에이팅 스마트 의류 디자인 방향을 제시하였다. 서로 다른 진동 길이와 세기를 갖는 9가지 신호 유형에 따라 손목, 전완, 상완 부위의 3가지 위치에 따른 진동 자극 감지 민감도를 고찰한 결과, 손목 부위에서 진동 자극 인지율이 가장 높고, 자극 인지 응답 시간이 가장 짧아, 진동 액츄에이터 부착 위치 요건으로서 손목 부위가 가장 적합한 형태로 도출되었다. 손목 부위에 진동 액츄에이터를 배치할 경우, 전력의 소모가 적은 짧은 길이-약 세기를 지닌 신호를 부여하더라도, 다른 위치에 비해 상대적으로 인지율이 높으며 인지 속도가 빨라, 진동 피드백에 대한 인지 성능이 유지되는 것을 확인하였으므로, 이와 유사한 수준의 저전력 소모 진동 신호 유형의 활용이 가능하여 사용성이 높을 것으로 사료된다. 더불어 손목 다음으로 진동 자극 인지 성능이 우수하며, 특히 약 세기의 신호에서 손목과 유사한 진동 감지 민감도를 보인 전완 부위의 경우, 손목까지 오는 긴 소매 형태의 구성이 어려운 S/S시즌 의류 디자인의 경우 활용이 가능할 것으로 보인다. This study evaluated the vibration stimulation detection sensitivity according to the attachment position and vibration signal type of a vibration stimulation device that can be attached to clothing, and based on the results, it was intended to study a design method for smart clothing using a vibration actuator. For this purpose, this study investigated the research and development trends of smart clothing based on haptic interfaces, and empirically studied the variables affecting the vibration sensory perception performance of smart clothing using haptic interfaces. The selected variables were attachment location, vibration length, and vibration intensity. The experiment was conducted by giving 9 types of vibration stimulation signal types according to 3 vibration lengths and 3 vibration strengths, by 10 subjects, wearing stretchy armband with a vibration stimulator attached. Vibration signal recognition rate by group of each variable was cross-analyzed through the Chi-squared test, and Kruskal-Wallis test and Mann-Whitney test was used to check the difference in the vibration signal recognition response time. Based on the empirical results, a design direction for smart clothing based on a vibration interface with high vibration stimulus detection efficiency was suggested. As a result of examining the vibration stimulus detection sensitivity according to 3 locations, wrist, forearm, and upper arm, for 9 signal types with different vibration lengths and strengths, the vibration stimulus recognition rate was the highest, and the stimulus recognition response time was the highest in the wrist region, so the arrangement of the wrist area was derived as the most suitable form as the vibration actuator attachment location. It was confirmed that when a vibration actuator is attached to the wrist, the recognition rate is relatively high compared to other attachment positions, and the recognition performance for vibration feedback is maintained even if a signal with weak strength is given in a short length that consumes less power. In addition, in the case of the forearm, which showed vibration detection sensitivity similar to that of the wrist at a weak signal, it seems that it can be used in the design of clothing for the S/S season, which is difficult to make with long sleeves that reach the wrist.

Smart actuator를 이용한 비폭발식 저충격 분리장치 개발에 관한 연구

탁원준 한국항공대학교 대학원 2011 국내석사

In order to start the mission of the satellite successfully, the satellite should be separated on time from the launcher in space. After the satellite gets in the targeted orbit, appendices such as solar panels and antennas should be separated for power generation and communication. At the early stage of development of the satellite, the pyrotechnic-based separation devices are widely used because of a simple operating principle and fast response time. However, it requires to be handled with extreme care, since the pyrotechnic-based separation device comprises gunpowder. In addition, it generates a pyro-shock over 5,000g and contaminants since that device is activated by firing of the gunpowder. Therefore, it sometimes causes malfunction of electrical device and dirt particles on the optic lens or solar panel in the satellite. There were many failed satellite mission because of the pyro-technique separation device. A survey of pyroshock flight failures revealed 83 shock related anomalies out of 600 launches with over 50% of these resulting in catastrophic failure. Recently, the rapid growth of nano-technology has enabled small satellites to have almost all the functions that big and medium-sized satellites have. In the viewpoint of cost effectiveness, these small satellites have many advantages compared to the big and medium-sized satellites. As a satellite's size decreases, many devices within the satellite should be tightly integrated. As a result, satellites have become more sensitive to shocks and contaminants. Therefore, that pyrotechnic-based separation devices, which generate high shock and contaminants, are not suitable for small satellites. Therefore, there has been a great deal of research activity for developing a non-explosive separation device. As another effort to replace the pyrotechnic-based separation device, we designed and manufactured a non-pyrotechnic separation device. We design the separation device which can be distinguished by over-sea product. After design and manufacture the proposed separation device, we perform the response-time test, maximum-preload test and shock test to prove the mechanism performance. Then, to verify the proposed separation device can be used in space environment, vibration test and thermal vacuum test were carried out refer to MIL-STD and ESA spec.[9] 본 논문에서는 위성 본체에 장착된 탑재체를 위성으로부터 분리하기 위한 비폭발식 분리 메커니즘을 제안하였다. 하나의 분리장치를 제작하기 위해서는 제일 먼저 그동안 해외에서 제작된 메커니즘들과는 차별화된 아이디어를 구상하고 Brain storming을 통하여 설계와 제작의 가능성을 논의한다. 두 번째로 분리장치를 상세 설계하면서 가능하면 빠르게 작동 할 수 있고 높은 사전하중에도 작동될 수 있는지를 검토하기 위해서 Ansys와 같은 해석툴을 사용하기도 한다. 또한, 구동기의 힘으로 작동이 가능한지를 미리 시뮬레이션함으로써 최적화된 형상과 구동기의 설계를 한다. 세 번째 단계로 설계된 분리장치를 가공 및 제작 한다. 네 번째로, 조립된 분리장치는 성능 평가를 위하여 분리반응속도 측정 시험, 분리 시 발생하는 충격 측정 시험 그리고 얼마나 높은 사전하중에서도 작동이 가능한지를 평가하는 사전 하중 시험을 수행한다. 위의 시험 가운데 분리반응속도 측정 시험은 여러 개의 분리장치가 동시에 탑재체를 전개해주어야 할 때, 동시에 분리가 이루어져야 하므로, 사용자의 명령에 의해 빠르게 반응할 수 있는 분리장치가 필요하다. 일반적으로 0.5 sec 이하의 분리속도를 갖는 분리장치가 해외에서 개발되고 있다. 또한, 질량이 큰 탑재체의 경우 분리장치에 가해지는 사전하중의 크기가 커지므로 1000N 이상의 높은 사전하중에서도 안정적으로 분리해줄 수 있는 분리장치가 요구된다. 전력의 경우에도 위성에서 일반적으로 사용할 수 있는 30W 이하의 전력을 사용하는 분리장치가 제작되어야 한다. 마지막으로, 위의 조건을 만족하게 하기 위해서 분리장치는 여러 번의 수정을 거쳐서 환경시험을 수행하게 된다. 이전까지는 ESA나 MIL-STD의 높은 레벨의 환경시험을 수행하였으나 최근 너무 높은 비용이 발생하여 자체적으로 발사체의 환경이나 자체적인 인증 레벨을 정하여 실험하고 보여주는 경우도 있다. 하지만, 본 과제에서는 특정 발사체가 지정되지 않았기 때문에 진동시험 같은 경우에는 Astrium 사에서 개발된 분리장치인 LSRU의 가진 시험 레벨을 따르고 있다. 위의 가진 시험 레벨은 ESA의 진동 시험 레벨보다 조금 낮은 수준이나 국내의 과학기술위성이나 기타 여러 탑재체의 진동 레벨보다는 높은 수준이다. 진동 시험 이후, 수행되는 열진공 시험은 1 x 10-3 torr의 진공 레벨과 +110℃ ~ -180℃의 온도 범위에서 ESA의 규격을 참조하여 시험을 실시한다. 위의 과정으로 개발된 분리장치는 여러 가지 시험을 거치며 우주환경에서 사용 가능함이 증명되었고, 성능부분에서는 해외의 것과 준하거나 더욱 좋은 성능을 보일 수 있도록 앞으로 더욱 심도 있는 연구가 필요할 것이다. 또한 한가지의 모델이 정해지면 그 모델이 얼마만큼 신뢰성이 있는지 여러 개의 샘플을 제작하여 신뢰도를 평가해야 하며, 기타 EMC test, Creep test, External shock test를 수행하여 더욱 신뢰성 있는 분리장치를 제작해야 할 것이다. 위에서 언급한 바와 같이 설계/제작/실험의 과정을 검증하기 위하여, 제 2장에서는 소형직류모터를 사용한 분리장치의 구성, 작동원리, 성능시험, 환경시험에 관한 결과를 나타내었고, 제 3장에서는 Fuse wire actuator를 이용한 분리장치에 관하여 구성, 작동원리, 성능시험, 환경시험에 관한 결과를 나타내었다.