Development and research of soft pneumatic telescopic bidirectional actuator

국문 초록 (Abstract)

소프트 공압 액추에이터는 보다 안전한 인간-로봇 상호작용을 가능하게 해줄 수 있다는 기대에 높은 관심을 가지고 있는 유망한 분야이다. 기존의 소프트 공압 액추에이터는 확장성이 부족하고 특유의 높은 수축률을 유지하면서 큰 가동범위를 가지기 힘들다는 한계점이 있었다. 또 다른 잠재력인 장애 요인은 숙련된 기술자의 다단계 수동 작업을 요구하는 복잡하고 노동 소모적인 제작 방식으로 대량 생산이 어렵고 실용화에 한계가 있다는 점이 있다.
본 연구에서는 텔레스코픽 구조를 공압 액추에이터에 적용해 이러한 잠재적인 장애 요인을 극복하는 것을 목표로 하고 있다. 텔레스코픽 구조는 반복적인 기하학적 구조가 서로의 안으로 겹쳐 들어가 공간 활용이 뛰어나면서 확장성이 큰 구조를 뜻한다. 텔레스코픽 구조 특유의 복잡한 디자인으로 인해 공압 액추에이터에 적용되기에는 어려움이 있다. 이 연구에서 소개하는 두 제작 방법인 적층 제조와 열 프린팅 공법은 이런 한계를 극복하면서 텔레스코픽 구조와 상호적인 장점을 제공해줄 수 있다.
본 연구에서는 두 가지 디자인의 공압 텔레스코픽 액추에이터와 그를 만드는 방법을 상세하게 소개한다. 제작된 액추에이터의 성능은 차단력, 등압력, 반복성, 내구성 시험을 통해 검증되고 이는 준정석 해석으로 계산된 근사화된 수치 모델을 통해 비교 검증되고 이론적으로 분석하였다. PID 제어기를 활용한 폐회로 제어 방식으로 액추에이터의 제어 가능성과 성능을 평가한다. 또한 향후 로봇 응용을 위한 제어 가능성을 평가하고, 일상적 동작을 모사한 시뮬레이션을 통해 잠재적 활용 가능성을 검증하였다. 마지막으로 기존 연구와의 비교를 통해 본 연구의 결과를 논의하고, 새롭게 제기된 기술적 과제에 대한 해결 방향을 제안하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Soft pneumatic actuator is a promising field of growing interest of possibilities of adaptable robotic application for safer human-robot interactions. Traditional soft pneumatic actuators have a challenge to overcome before being able to replace the conventional rigid motors in terms of limited scalability for bulky system with large range of motion. Another potential obstacle is the difficulty in mass production due to complex and labor-consuming manufacturing methods, requiring skilled and experienced engineers with multi-step manual work.
This research presents an adaptation of telescopic structure on pneumatic actuators for a potential solution to these challenges. Telescopic structure is a layer of structures nested within one another, enabling volumetrically efficient scalable design. Due to its complicated inner structure, telescopic actuator possesses manufacturing challenges. This work employs two solutions of additive manufacturing and a heat-print hybrid fabrication method, which addresses this issue and provides mutual benefits.
In this research, two different designs and manufacturing of pneumatic telescopic actuators are demonstrated with detailed parameters and methods. The performance and concept of the actuator is then validated by blocked force, isobaric force, repeatability test and durability test. The evaluated performance is then verified using an approximated numerical model. Controllability for future robotic applications is also evaluated. Possible robotic applications are demonstrated through simulated daily tasks. These results are discussed with existing robotic research and solutions for newly found challenges are proposed.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research background 1
• 1.2. Objectives and Approaches 8
• Chapter 2. 3D Printed Telescopic Actuator 11
• 2.1. Introduction 11
• 2.2. Material and fabrication 12
• 2.2.1. Fabrication of the linear 3DPTA 12
• 2.2.2. Fabrication of the rotational 3DPTA 13
• 2.2.3. 3D printing parameters 14
• 2.3. Numerical model 22
• 2.4. Performance evaluation of the linear 3DPTA 29
• 2.4.1. Blocked force in positive pressure 29
• 2.4.2. Isobaric force in positive pressure 31
• 2.4.3. Maximum payload in negative pressure 33
• 2.4.4. Repeatability of manufacturing 34
• 2.4.5. Linear displacement control 34
• 2.4.6. Cyclic experiment 36
• 2.4.7. Actuation speed of 3DPTA 37
• 2.5. Performance evaluation of the rotational 3DPTA 55
• 2.5.1. Blocked torque 55
• 2.5.2. Gripping force 57
• 2.5.3. Angular displacement control 58
• 2.6. Robotic Applications 71
• 2.6.1. Extendable robot link application 71
• 2.6.2. Gripper application 72
• 2.6.3. Robotic manipulator application 73
• 2.7. Summary 77
• Chapter 3. Heat-Print Hybrid Pneumatic Telescopic Actuator 80
• 3.1. Introduction 80
• 3.2. Material and fabrication 81
• 3.2.1. Fabrication of HP2TA 81
• 3.2.2. Fabricating parameter 82
• 3.3. Numerical model 89
• 3.4. Performance evaluation of HP2TA 95
• 3.4.1. Blocked force 95
• 3.4.2. Payload lifting 96
• 3.4.3. Durability 97
• 3.4.4. Position control 98
• 3.4.5. Actuation speed of HP2TA 101
• 3.5. Robotic Applications 115
• 3.5.1. Large-scale VAM 115
• 3.5.2. Pipe robot 117
• 3.6. Summary 124
• Chapter 4. Conclusion 127