Development of a Fully Pneumatic Legged Robot Using Spider-Inspired Soft Actuators and a Camera-LiDAR Perception System

국문 초록 (Abstract)

소형 보행 로봇에서 효율적이고 신뢰성 있는 보행을 실현하기 위해서는, 가볍고 순응적이며 기계적으로 안전한 상태를 유지하면서도 큰 변위를 정밀하게 생성할 수 있는 구동기가 필수적이다. 그러나 기존의 거미 다리에서 착안한 연성 공압 액추에이터는 대부분 단일 구성품 상태에서만 평가되어 왔으며, 실제 로봇 시스템에 통합되었을 때의 성능에 대한 이해는 매우 제한적이다. 본 연구는 이러한 한계를 해결하기 위해, 거미 다리의 유압식 관절 구조를 모사한 생체모방형 연성 공압 액추에이터를 설계·제작·특성평가하고, 이를 완전 공압 기반의 거미형 로봇에 통합하여 그 기능적 성능을 실험적으로 검증하였다.
두 종류의 액추에이터를 설계하였으며, 무릎 관절에 해당하는 대퇴–슬개(femur–patella) 구조를 모사하여 압력 기반 굽힘 변형을 생성하는 무릎 액추에이터와, 보행 안정성을 위해 앞뒤 방향의 다리 움직임을 제공하는 어깨 액추에이터를 제작하였다. 두 액추에이터는 다단계 실리콘 주조 공정을 통해 제작되었으며 원하는 방향으로만 팽창이 발생하도록 직물층을 부착하였다. 제작된 액추에이터의 성능은 기존 문헌의 거미 모사 연성 액추에이터와 비교하여 평가하였다.
무릎 액추에이터는 100 kPa에서 49°의 굽힘각을 나타내어 기존 대비 21% 향상된 굽힘 성능을 보였으며, 150 kPa에서 0.61 N·m의 최대 토크를 생성하여 약 45% 증가된 토크 출력을 달성하였다. 어깨 액추에이터는 100 kPa에서 66°의 굽힘각을 생성하여 다리의 전후 움직임을 안정적으로 구현하였다. Nylon-12 탄소섬유 필라멘트로 제작된 로봇 본체에 두 액추에이터를 통합한 결과, 제작된 거미형 로봇은 다양한 지면 조건에서 5.08 mm/s의 전진 속도로 안정적이고 반복 가능한 보행 성능을 보였다.
또한, 엔코더·모터·IMU 등 기존의 오도메트리 센서가 없는 완전 공압형 로봇의 환경 인지 문제를 해결하기 위해, 카메라–LiDAR 기반의 하이브리드 지각 시스템을 구성하였다. ESP32-CAM은 Wi-Fi 기반 영상 스트리밍으로 YOLO 기반의 사람·장애물 탐지를 수행하였고, 2D LiDAR(YDLIDAR G2)는 360도 거리 정보를 제공하며 Cartographer 알고리즘을 이용한 odometry free SLAM을 가능하게 하였다. 실험 결과, LiDAR의 장애물 거리 측정값은 실제 측정값과 일치하였으며, 생성된 2D 점유지도 또한 신뢰성 있게 환경을 표현하였다.
추가적으로, 비선형 유한요소해석(FEA)을 통해 동일 압력 조건 하에서 액추에이터의 변형, 응력, 변형률 분포를 분석한 결과, 실험과 높은 일치도를 보였으며 Dragon Skin 10 실리콘의 탄성 한계 내에서 안전하게 작동함을 확인하였다.
종합적으로, 본 연구는 거미 다리에서 영감을 얻은 공압 액추에이터의 설계–제작–검증에 이르는 완전한 프레임워크를 제시하고, 이를 완전 공압식 보행 로봇에 성공적으로 통합하였으며, 카메라–LiDAR 기반 지각 시스템을 통해 자율 매핑 및 장애물 인지 기능까지 확장하였다. 이러한 결과는 연성 공압 로보틱스가 탐색·구조, 자율 점검, 협소 공간 탐사 등 순응성과 경량성이 요구되는 다양한 응용 분야에서 높은 잠재력을 지님을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Efficient and reliable locomotion in small-scale legged robots requires actuators that can produce large, controllable motions while being lightweight, compliant, and mechanically safe. However, most existing spider-inspired soft actuators have been evaluated only as isolated components, leaving a critical gap in understanding their performance when integrated into a complete robotic system. This thesis research addresses this limitation by developing, characterizing, and experimentally validating a set of bio-inspired soft pneumatic actuators modeled after the hydraulic leg mechanisms of spiders, and by demonstrating their functional integration into a fully pneumatic spider robot with environmental awareness. Two actuator types were designed to replicate key arachnid joint functions: a knee actuator modeled after the femur-patella joint, enabling pressure-driven bending analogous to pressurized hemolymph powered extension in real spiders; and a shoulder actuator responsible for forward and backward limb motion to stabilize gait cycles. Both the actuators were fabricated using dragon skin 10 silicone through a multi-stage process, and then the fabric layer was attached to ensure that the expansion occurs in the desired direction. The knee actuator, when tested, showed a bending angle of 490 at 100 kPa, which shows an improvement of 21% in terms of bending performance, and produced a peak torque of about 0.61 N.m at 150 kPa, highlighting a 45% increase in torque production when compared to the previously reported designs. The shoulder actuator, on the other hand, demonstrated a bending angle of 660 at 100 kPa. The spider robot body, manufactured using nylon-12 carbon fiber filament, was then integrated with these soft actuators. The spider robot was subsequently tested for locomotion, which demonstrated stable and repetitive motion with a forward speed of 5.08 mm.s-1 on different surfaces. To facilitate environmental awareness in the absence of conventional odometry such as encoders, motors, or IMU feedback, the robot was equipped with a hybrid Camera-LiDAR perception system. The ESP32-CAM module transmitted video over wifi for YOLO-based human and obstacle detection, while a 2d LiDAR (YDLIDAR G2) provided 3600 geometric sensing and enabled odometry-free simultaneous localization and mapping (SLAM) using the Cartographer algorithm. Experimental results demonstrate reliable obstacle detection and precise range estimation, with LiDAR-measured distances aligning with ground-truth measurements and generating consistent two-dimensional occupancy maps. Finite element analysis was subsequently performed to examine deformation and stress distributions under equivalent pressures, confirming that the actuators operate safely within the elastic limit of material and validating the experimentally observed motion. Collectively, this work presents a complete design-to-validation framework for spider-inspired pneumatic actuators, demonstrates their successful integration into a fully pneumatic legged robot, and extends its functionality through a Camera-LiDAR perception system enabling 2d mapping and obstacle awareness. The results underscore the potential of soft pneumatic robotics for applications in search & rescue, inspection and confined-space exploration requiring compliant and lightweight robotic systems.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Tables v
• List of Figures vi
• Chapter 1. Introduction １
• 1.1. Research Background １
• 1.2. Research Objectives ６
• 1.3. Research methodology and thesis outline ７
• Chapter 2. Literature Review 12
• 2.1 Overview of literature 12
• 2.2 Research gaps and scope of the present study 18
• Chapter 3. Design methodology and manufacturing of soft actuators 20
• 3.1 Biological inspiration and design of soft pneumatic actuators 20
• 3.2 Material selection 23
• 3.3 Fabrication process 26
• Chapter 4. Experimental setup and testing 30
• 4.1 Experimental setup 30
• 4.2 Bending angle measurement 30
• 4.3 Torque output performance 32
• 4.4 Spider robot 36
• 4.4.1 Integrated Camera-LiDAR perception system 40
• Chapter 5. Finite Element Analysis and Experimental Validation 45
• 5.1 Overview 45
• 5.2 Simulation setup and boundary conditions 45
• 5.3 Material modelling 46
• 5.4 Deformation analysis 46
• 5.5 Strain and stress distribution 47
• 5.6 Validation and correlation with experimental results 48
• 5.7 Summary 48
• Chapter 6. Discussions 55
• Chapter 7. Conclusion and future work 58
• References 60
• 국문 초록 64
• Curriculum Vitae 67