[논문]소프트 그리퍼를 위한 저압 구동 소프트 액추에이터의 설계

윤진곤; 윤동원

doi:10.7746/jkros.2021.16.1.023

소프트 그리퍼를 위한 저압 구동 소프트 액추에이터의 설계
Design of Low Pressure Driven Soft Actuators for Soft Gripper 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.16 no.1, 2021년, pp.23 - 28

윤진곤 (DGIST) , 윤동원 (DGIST)

Abstract ▼ AI-Helper

The gripper with a soft pneumatic actuator uses a soft material, unlike the gripper that uses a rigid body, so it is safer and lighter to interact with objects without advanced control technology. Among the soft pneumatic actuators that have been studied, PneuNets actuators have bellows shape, which enable quick operation and complete bending with only small material deformation at low pressure. In this study, we suggested improved form of PneuNets actuators to obtain the performance of the soft actuator that a larger bending angle and larger bending force at a small pressure. An experiment was designed and conducted to measure the bending angle and bending force according to the pressure. As a result, it was confirmed through experiments that the improved model has a maximum bending angle at a pressure of 5 kPa lower than that of the previous model, and a maximum bending force of 1.97 times at the same pressure.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 다른 직물강화, 섬유강화 액추에이터에 비해 낮은 압력(125 kPa 이하)에서 완전 굽힘이 가능하고 반복적인 동작(굽힘과 폄)을 위해 추가적인 챔버가 필요 없는 공압 네트워크 액추에이터의 성능, 즉 더 낮은 압력에서 더 큰 굽힘 각도, 더 큰 굽힘 힘을 얻는 개선된 형상의 액추에이터를 제시한다. 기존 공압 네트워크 액추에이터^[1]와 제시한 공압 네트워크 액추에이터의 압력에 따른 굽힘 각도를 비교하여 제시한 액추에이터가 더 큰 굽힘 각을 얻는 지를 보이기 위해 실험을 진행하였다.
이 제안한 공압 네트워크 액추에이터의 형상 최적화에 대한논문의 모델을 차용하였다. 이 논문은 액추에이터 형상에 관한 파라메터에 따라 같은 압력에서 굽힘 각도의 변화를 시뮬레이션 및 실험을 통해 최대의 굽힘 각도를 얻는 최적의 파라메터의 값을 제시하였다. 공압 네트워크 액추에이터의 굽힘 각도 최적화에 관한 파라메터는 [Fig.
있다. 현재 연구되고 있는 소프트 공압 액추에이터의 종류 중 낮은 압력에서 큰 굽힘 각과 빠른 작동을 얻을 수 있는 공압네트워크 액추에이터의(PneuNets actuators) 성능을 올리기 위해 기존 공압 네트워크 액추에이터와 다른 형상을 본 논문에서 제시하였다.

제안 방법

3D 프린터를 이용해 몰드를 제작하고, 실리콘 고무(Dragon skin 10, Smooth-On, Inc.)를 사용하여 액상 상태의 실리콘 고무 1A 와 1B를 1:1비율로 섞은 후 탈포 과정을 거쳐 몰드에 부은 후, 오픈에 80도에서 10분정도 가열하여 경화시키는 것으로 공압네트워크 액추에이터의 각 파트를 제작하였다. 각 파트의 접착은 같은 재질의 액체상태의 실리콘 고무를 사용하여 접착하였다.
의 논문에서 제안한 형상으로 선정하였다. 공압 네트워크 액추에이터의 성능에 영향을 미치는파라메터는 하단 레이어 두께, 벽 두께 및 챔버 사이의 간격으로 제안하였다. 성능을 비교하기위해 본 연구에서는 제안한파라메터는 같고 형상만 다른 모델을 설계, 제작하였다.
기존 공압 네트워크 액추에이터^[1]와 제시한 공압 네트워크 액추에이터의 압력에 따른 굽힘 각도를 비교하여 제시한 액추에이터가 더 큰 굽힘 각을 얻는 지를 보이기 위해 실험을 진행하였다. 두 공압 네트워크 액추에이터를 같은 재료의 실리콘을 사용한 몰딩 방식으로 제작하여 압력에 대한 굽힘 각도를 측정하였다.
기존 공압 네트워크 액추에이터와 개선한 모델은 각각 총 2 파트를 몰딩하여 제작하였다. 파트 개수로 보았을 때 제작의 난이도는 기존 공압 네트워크 액추에이터와 비슷하다.
기존 액추에이터와 비교를 위해 기존 모델의 최적 파라메터인 4.5 mm 하단 레이어 두께, 1.5 mm 벽 두께 및 챔버 사이의 간격이 1.5 mm 인 공압 채널, 총 길이 140 mm, 폭 20 mm와 같게 제시한 엑추에이터를 설계하였다. [Fig.
기존 공압 네트워크 액추에이터^[1]와 제시한 공압 네트워크 액추에이터의 압력에 따른 굽힘 각도를 비교하여 제시한 액추에이터가 더 큰 굽힘 각을 얻는 지를 보이기 위해 실험을 진행하였다. 두 공압 네트워크 액추에이터를 같은 재료의 실리콘을 사용한 몰딩 방식으로 제작하여 압력에 대한 굽힘 각도를 측정하였다. 또한 그리퍼의 잡는 힘과 관련된 굽힘 힘의 측정, 두 액추에이터의 성능을 비교하였다.
두 공압 네트워크 액추에이터에 0~17.5 kPa의 압력을 가하였을 때 굽힘 각도를 측정하였다. 공압을 가하기 위해 최대 400 kPa를 가할 수 있는 에어 펌프(DAP-8849 /DC 24V, motorbank) 와 에어펌프의 공압을 일정하게 유지 및 제어 하기위해 전자식공압레귤레이터(IVT 1031- 21N₂BL4, SMC Corporation)를 사용하였다.
1]의 2 부분)이 굽힘 변형에는 관여하지 않고 부피를 차지하는데 반해, 지그재그 모양일 경우 공압이 가해지는 모든 면이 굽힘 변형에 관여할 수 있다. 또한 공압 채널에 의한 굽힘 변형의 방해를 최소화하고 길이 방향 공압 채널의 변형을 최대화하기 위해 양 끝 부분에 위치시켰다.
두 공압 네트워크 액추에이터를 같은 재료의 실리콘을 사용한 몰딩 방식으로 제작하여 압력에 대한 굽힘 각도를 측정하였다. 또한 그리퍼의 잡는 힘과 관련된 굽힘 힘의 측정, 두 액추에이터의 성능을 비교하였다.
공압 네트워크 액추에이터의 성능에 영향을 미치는파라메터는 하단 레이어 두께, 벽 두께 및 챔버 사이의 간격으로 제안하였다. 성능을 비교하기위해 본 연구에서는 제안한파라메터는 같고 형상만 다른 모델을 설계, 제작하였다.
성능의 검증을 위해 압력에 따른 굽힘 각도를 이미지 분석을 통해 측정, 굽힘 힘은 로드셀로 측정하였다. 실험 결과, 최대 굽힘 각에 도달하는 압력이 5 kPa 더 낮아 28.
al. 이 제안한 공압 네트워크 액추에이터의 형상 최적화에 대한논문의 모델을 차용하였다. 이 논문은 액추에이터 형상에 관한 파라메터에 따라 같은 압력에서 굽힘 각도의 변화를 시뮬레이션 및 실험을 통해 최대의 굽힘 각도를 얻는 최적의 파라메터의 값을 제시하였다.
6]과 같이 스탠드에 고정된 액추에이터의 모퉁이를 기준으로 한 수직선으로부터 움직이는 엑추에이터 끝 부분과의 각도로 하였다. 측정방식은 사진을 찍은 후 이미지 분석 프로그램(ImageJ)를 사용하여 액추에이터의 굽힘 각도를 측정하였다.

대상 데이터

5 kPa의 압력을 가하였을 때 굽힘 각도를 측정하였다. 공압을 가하기 위해 최대 400 kPa를 가할 수 있는 에어 펌프(DAP-8849 /DC 24V, motorbank) 와 에어펌프의 공압을 일정하게 유지 및 제어 하기위해 전자식공압레귤레이터(IVT 1031- 21N₂BL4, SMC Corporation)를 사용하였다. 굽힘 각도의 정의는 [Fig.
본 연구에서 제시한 공압 네트워크 액추에이터는 공압채널의 모양을 직선이 아닌 지그재그의 형상을 가지고 있다. 지그재그 모양의 형상을 선택한 이유는 기존 공압 네트워크 액추에이터는 각 공압 채널([Fig.
기존 공압 네트워크 액추에이터의 모델은 Hu Weiping et al.의 논문에서 제안한 형상으로 선정하였다. 공압 네트워크 액추에이터의 성능에 영향을 미치는파라메터는 하단 레이어 두께, 벽 두께 및 챔버 사이의 간격으로 제안하였다.

성능/효과

5 kPa에서 기울기가 변하는 것을 볼 수 있다. 17.5 kPa에서 기존 모델이 22.3 gf, 개선한 모델이 44 gf를 보여 같은 압력에서 1.97 배 높은 굽힘 힘을 보이는 것을 알 수 있었다.
92로 나타났다. 개선 모델과 기존 모델은 각각 7.5 kPa 이후, 12.5 kPa이후에서 급격하게 굽힘 각도가 증가하였으며 5~7.5 kPa, 10~12.5 kPa 구간에서 굽힘 각도 증가폭이 작았다. 기존 모델은 개선한 모델이 기존의 모델보다 최대각도인 90도에 5 kPa 낮은 압력에서 도달한 것을 볼 수 있다.
6% 빨리 도달하였다. 또한 굽힘 힘은 최대 1.97배 크게 나타났으며 압력에 대해 증가하는 굽힘 힘은 선형으로 추정하였을 때 1.79배 크게 나왔다. 따라서 제시한 형상이 성능을 개선시켰다고 보인다.
통해 측정, 굽힘 힘은 로드셀로 측정하였다. 실험 결과, 최대 굽힘 각에 도달하는 압력이 5 kPa 더 낮아 28.6% 빨리 도달하였다. 또한 굽힘 힘은 최대 1.

후속연구

향후 본 연구에서 사용한 Dragon skin 10이 가진 낮은 강성으로 인해 낮은 압력에서 큰 변위를 가져 높은 압력에서의 굽힘 범위가 제한되었다. 따라서 소프트 액추에이터에 대해 낮은 압력에서 높은 힘을 가지게 하는 연구가 필요하다.

참고문헌 (20)

W. Hu, R. Mutlu, W. Li, and G. Alici, "A structural optimisation method for a soft pneumatic actuator," Robotics, vol. 7, no. 2, 2018, DOI: 10.3390/robotics7020024.

상세보기
H. K. Yap, P. M. Khin, T.-H. Koh, Y. Sun, X. Liang, J. H. Lim, and C.-H. Yeow, "A Fully Fabric-Based Bidirectional Soft Robotic Glove for Assistance and Rehabilitation of Hand Impaired Patients," IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 2, no. 3, pp. 1383-1390, Jul., 2017, DOI: 10.1109/LRA.2017.2669366.

상세보기
B. S. Homberg, R. K. Katzschmann, M. R. Dogar, and D. Rus, "Haptic identification of objects using a modular soft robotic gripper," 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Hamburg, Germany, pp. 1698-1705, 2015, DOI: 10.1109/IROS.2015.7353596.
H. K. Yap, J. H. Lim, F. Nasrallah, J. C. H. Goh, and R. C. Yeow, "A soft exoskeleton for hand assistive and rehabilitation application using pneumatic actuators with variable stiffness," 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Seattle, WA, USA, pp. 4967-4972, 2015, DOI: 10.1109/ICRA. 2015.7139889.
K. Suzumori, S. Iikura, and H. Tanaka, "Flexible microactuator for miniature robots," Micro Electro Mechanical Systems, Nara, Japan, pp. 204-209, 1991, DOI: 10.1109/MEMSYS.1991.114797.
A. D. Marchese, R. K. Katzschmann, and D. Rus, "Whole arm planning for a soft and highly compliant 2d robotic manipulator," 2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Chicago, IL, USA, pp. 554-560, 2014, DOI: 10.1109/IROS.2014.6942614.
K. C. Galloway, K. P. Becker, B. Phillips, J. Kirby, S. Licht, D. Tchernov, R. J. Wood, and D. F. Gruber, "Soft robotic grippers for biological sampling on deep reefs," Soft Robotics, vol. 3, pp. 23-33, 2016, DOI: 10.1089/soro.2015.0019.

상세보기
T. Giffney, M. Xie, A. Yong, A. Wong, P. Mousset, A. McDaid, and K. Aw, "Soft pneumatic bending actuator with integrated carbon nanotube displacement sensor," Robotics, vol. 5, no. 7, 2016, DOI: 10.3390/robotics5010007.

상세보기
P. Polygerinos, Z. Wang, J. T. B. Overvelde, K. C. Galloway, R. J. Wood, K. Bertoldi, and C. J. Walsh, "Modeling of Soft Fiber-Reinforced Bending Actuators," IEEE Transactions on Robotics, vol. 31, no. 3, pp. 778-789, 2015, DOI: 10.1109/TRO.2015.2428504.

상세보기
Z. Wang, P. Polygerinos, J. T. B. Overvelde, K. C. Galloway, K. Bertoldi, and C. J. Walsh, "Interaction forces of soft fiber reinforced bending actuators," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 22, pp. 717-727, 2017, DOI: 10.1109/TMECH. 2016.2638468.

상세보기
K. C. Galloway, P. Polygerinos, C. J. Walsh, and R. J. Wood, "Mechanically programmable bend radius for fiber-reinforced soft actuators," 2013 16th International Conference on Advanced Robotics (ICAR), Montevideo, Uruguay, pp. 1-6, 2013, DOI: 10.1109/ICAR.2013.6766586.
F. Connolly, C. J. Walsh, and K. Bertoldi, "Automatic design of fiber-reinforced soft actuators for trajectory matching," National Academy of Sciences, vol. 114, no. 1, 2017, DOI: 10.1073/pnas.1615140114.

상세보기
J. Bishop-Moser, G. Krishnan, C. Kim, and S. Kota, "Design of soft robotic actuators using fluid-filled fiber-reinforced elastomeric enclosures in parallel combinations," 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Vilamoura, Portugal, pp. 4264-4269, 2012, DOI: 10.1109/IROS.2012.6385966.
G. Singh, C. Xiao, E. T. Hsiao-Wecksler, and G. Krishnan, "Design and analysis of coiled fiber reinforced soft pneumatic actuator," Bioinspiration & Biomimetics, vol. 13, no. 3, 2018, DOI: 10.1088/1748-3190/aab19c.

상세보기
L. Cappello, K. C. Galloway, S. Sanan, D. A. Wagner, R. Granberry, S. Engelhardt, F. L. Haufe, J. D. Peisner, and C. J. Walsh, "Exploiting Textile Mechanical Anisotropy for Fabric-Based Pneumatic Actuators," Soft Robotics, vol. 5, no. 5, pp. 662-674, 2018, DOI: 10.1089/soro.2017.0076.

상세보기
F. Connolly, D. A. Wagner, C. J. Walsh, and K. Bertoldi, "Sew-free anisotropic textile composites for rapid design and manufacturing of soft wearable robots," Extreme Mechanics Letters, vol. 27, pp. 52-58, Feb., 2019, DOI: 10.1016/j.eml.2019.01.007.

상세보기
P. H. Nguyen, F. Lopez-Arellano, W. Zhang, and P. Polygerinos, "Design, Characterization, and Mechanical Programming of Fabric-Reinforced Textile Actuators for a Soft Robotic Hand," 2019 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Macau, China, pp. 8312-8317, 2019, DOI: 10.1109/IROS40897.2019.8968497.
H. K. Yap, F. Sebastian, C. Wiedeman, and C.-H. Yeow, "Design and characterization of low-cost fabric-based flat pneumatic actuators for soft assistive glove application," 2017 International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR), London, UK, pp. 1465-1470, 2017, DOI: 10.1109/ICORR.2017.8009454.
P. H. Nguyen and W. Zhang, "Design and Computational Modeling of Fabric Soft Pneumatic Actuators for Wearable Assistive Devices," Scientific Report, vol. 10, no. 9638, 2020, DOI: 10.1038/s41598-020-65003-2.

상세보기
J. H. Low, N. Cheng, P. M. Khin, N. V. Thakor, S. L. Kukreja, H. L. Ren, and C. H. Yeow, "A bidirectional soft pneumatic fabric-based actuator for grasping applications," 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Vancouver, BC, Cannda, pp. 1180-1186, 2017, DOI: 10.1109/IROS.2017.8202290.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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