초록 ▼

1. 단계최종목표
1단계 연구의 최종 목표는 '유연 액추에이터에 기반한 로봇손 개발'이다. 이를 달성하기 위하여, 각 년차별로 Conducting Polymer와 Dielectric elastomer를 이용한 선형 macro 액추에이터 개발, 액추에이터 특성평가 및 제어 기법 개발 및 유연 액추에이터 시작품 개발을 중점적으로 추진하였다.
2. 개발내용 및 결과
1) Dielectric elastomer를 이용한 인공근육 개발
Dielectric elastomer 구동기의 구동 원리를 명확히 검

1. 단계최종목표
1단계 연구의 최종 목표는 '유연 액추에이터에 기반한 로봇손 개발'이다. 이를 달성하기 위하여, 각 년차별로 Conducting Polymer와 Dielectric elastomer를 이용한 선형 macro 액추에이터 개발, 액추에이터 특성평가 및 제어 기법 개발 및 유연 액추에이터 시작품 개발을 중점적으로 추진하였다.
2. 개발내용 및 결과
1) Dielectric elastomer를 이용한 인공근육 개발
Dielectric elastomer 구동기의 구동 원리를 명확히 검증하고, 이에 따라 기존의 연구에서 활용되던 구동 재료(VHB, silicone 등)의 문제점을 파악하였다. 특히 그동안 정형화된 제조방법이었던 prestrain의 문제점을 기계적, 전기적으로 규명하였다. 이를 바탕으로 dielectric elastomer를 이용한 cylinder type의 인공근육을 개발하게 되었다. 이 선형 인공근육은 10%의 변위와 단위 구동기 모듈당 500g이상의 고출력을 낼 수 있다. 또한 단위 모듈을 직렬 또는 병렬로 손쉽게 결합하여 구동기의 변위와 출력을 증가시킬 수 있어서 다양한 응용에 활용이 가능하다.
본 연구의 핵심성과는 Dielectric elastomer 구동기가 범용의 구동기로서 가져야 하는 물성을 규정하고, 고성능의 안정적인 인공근육 개발을 위하여 actuator에 최적화된 새로운 재료(Enhanced synthetic rubber, NBR)를 개발하였다는 것이다. 더욱이 다양한 형태의 활용이 가능하도록 과감히 기존의 제조 공정을 버리고 새로운 형태의 rubber 제조 방식인 'solvent를 이용한 open vulcanization method'를 개발하였다. 최적화된 신재료와 그 재료를 이용한 제조 공정을 개발하는 연구에 많은 시간과 노력이 투입되었으나, 이 연구의 결과로 보다 실용적 목적에 가까운 인공근육 구동기의 개발을 할 수 있었다는 점은 본 연구의 가장 핵심적 성과라 할 수 있습니다.
2) Constitutive 모델링 및 State-Space equation 개발
비선형적인 기계적 전기적 특성을 지닌 dielectric elastomer의 특성을 실험적으로 파악하여 spring-damper 모델에 적용하였으며, 특히 대칭형 구동 모델의 State-Space equation을 개발하였다. 시뮬레이션과 실재 실험을 통하여 이 모델에 대한 타당성을 검증 하였다. 또한 기계적 대변형에 의해 전기적 물성이 같이 영향을 받는 기계-전기의 복합적인 변형 특성을 고려하여 일반적인 대변형 모델에 적합한 Ogden model과 실험적으로 얻어진 electromechanical 변형 특성을 모두 적용하여 시뮬레이션을 실시하였으며 이러한 과정을 통하여 좀 더 실제 변형 결과와 일치하는 시뮬레이션 결과를 도출하였다.
근육 모듈의 높은 결합성과 활용 가능성을 보여준 것이다.
3) 6자유도 로봇손 및 로봇팔 개발
2자유도 손가락 3개를 갖는 6자유도 로봇손의 시작품을 개발하였다. 이 로봇손은 성인손의 1.5배 크기를 가지며 각 관절은 대칭구동형 구조를 가지고 있어서 양쪽에 두개의 인공근육이 각각 위치하여 관절을 구동하는 방식이다. 따라서 각각의 구동기에 인가되는 전압을 조절하여 관절의 강성을 조절하는 것이 가능하다. 특히 actuator, driving circuit, controller 가 모두 손안에 내장되어 외부 사용자용 컴퓨터에서 USB 통신을 통하여 명령을 전달 받아 처리할 수 있다. 추가적으로 인공근육의 직/병렬 결합을 통하여 변위와 출력을 증가시켜 모형 골격에 적용하여 1자유도의 로봇팔을 제작하였다. 이러한 시도는 개발된 인공근육 모듈의 높은 결합성과 활용 가능성을 보여준 것이다.
4) Dry type conducting polymer actuator 개발
기존의 액상 전해질속에서 구동되는 CP 구동기의 경우 그 활용 영역이 극히 제한되므로 대기중에서도 구동이 가능한 solid-state 상태의 CP 구동기를 개발 하였Laboratory(Ian W. hunter)를 비롯하여 전 세계적으로 2-3곳에 불과하다.
3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)
본 연구를 통하여 얻어질 수 있는 인공근육 기술은 Dependable manipulation기술을 위한 Breakthrough가 될 수 있는 기술이며 향후 지능로봇발전의 핵심적인 역할을 할 수 있는 핵심요소기술이다. 인공근육을 이용한 로봇 손과 팔의 개발은 소형, 경량의 Arm의 개발을 가능하게 하며 Manipulation에 있어서 안전한 인간과의 Interaction을 가능하게 한다. 인공근육의 기본 재료인 고분자 물질의 특성상 Macro/milli/micro/nano를 포함하여 Scale-independent한 응용을 가능하게 하여 산업전반에 지대한 영향을 미치게 될 것으로 예상된다. 또한, 인공근육의 가장 큰 장점인 인체 친화성을 고려하면 다양한 의료로봇 및 장비의 개발에도 활용이 예상되며, 저렴한 생산 원가와 대량 생산이 가능하기에 일회용 로봇이라는 신개념의 로봇개발도 가능하게 할 것이다. 아울러 거동이 불편한 노인이나 장애인, 그리고 일시적인 재활 치료를 요하는 환자들을 위한 착용형 보조 액추에이터 개발을 가능하게 할 수 있다. 이를 위해서는 안정된 성능과 신뢰성의 확보가 필수적이며, 생산 기술의 뒷받침을 위해 산학 연계를 통한 연구 개발한 성과의 실용화와 지적 재산권의 보호를 병행 추진해야 한다. 본 연구자는 이를 위하여 산업체와의 밀접한 연계를 통한 공동연구를 수행하려고 있으며 실용화의 명확한 목표 위한 연구개발을 추진하여 실질적 국가이익이 될 수 있는 연구를 수행하고자 한다.
4. 적용분야
- 모터를 대체할 수 있는 새로운 actuator
- 지능형 로봇의 구동기
- 인공근육 및 인공피부, 인공 장기
- 혈관 내부진단용 로봇
- 보철 기구(Prosthetic Device)
- 상하수관 균열/누수 검사 마이크로로봇
- 촉각 자극기(tactile stimulator)

목차 Contents

• 제 1 장 서론...8
• 제 1 절 연구개발의 필요성 및 중요성...8
• 1. 연구개발의 필요성...8
• 2. 연구개발의 과학기술, 사회경제적 중요성...10
• 가. 기술적 측면...10
• 나. 경제.산업적 측면...11
• 다. 사회.문화적 측면...11
• 제 2 절 국내.외 연구개발 현황...12
• 1. 국내 연구개발 실적...12
• 2. 국외 연구개발 실적...12
• 3. 현기술상태의 취약성...13
• 4. 앞으로의 전망...14
• 제 3 절 연구개발의 목표...16
• 1. 1단계 연구개발 목표...16
• 2. 연차별 연구 개발 목표...17
• 제 4 절 연구 내용 및 범위...19
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법...20
• 제 1 절 연구 범위 및 내용...20
• 1. 1차년도...20
• 2. 2차년도...21
• 3. 3차년도...22
• 제 2 절 연구 수행 내용...24
• 1. Dielectric elastomer actuator의 구동 원리...24
• 2. Prestrain method에 따른 구동기 성능의 time-dependent현상 분석...25
• 가. Viscoelastic behavior...25
• 나. Prestrain과 변형과의 관계...26
• 다. Prestrain에 따른 물성 변화 가능성 검증...27
• 1) 기계적 물성...27
• 2) 분자 구조의 변화 가능성 검증...29
• 3) prestrain에 따른 전기적 특성 변화 검증...30
• 4) Prestrain에 actuator의 거동 특성...31
• 3. 새로운 인공근육 재료 개발 연구...32
• 가. 새로운 재료의 선정...32
• 나. 개발된 재료의 물성 비교...34
• 다. 구동 능력 비교 실험...35
• 4. Dielectric elastomer의 최적화...37
• 가. Base resin의 선정 및 제조 공정 개발...38
• 나. synthetic rubber의 물성.최적화...39
• 다. 구동 성능 비교...42
• 5. Dielectric elastomer 인공근육 개발...43
• 가. 기본 구조...43
• 나. Cylinder type 인공근육의 제작 과정...45
• 6. 인공근육을 이용한 로봇손 및 로봇팔...46
• 가. 6자유도 로봇손의 개발...46
• 나. 병렬 결합형 인공근육 및 로봇팔...48
• 7. Dielectric elastomer의 제어 관련 연구...49
• 가. 상태방정식 (State-Space equation)...49
• 나. 시뮬레이션 수행 및 실험...50
• 다. 대변형 모델의 적용...52
• 8. Conducting polymer를 이용한 dry type actuator 개발...53
• 가. 피롤의 전기 중합...54
• 나. 전도성 고분자의 산화/환원에 따른 구동 특성...54
• 다. $PPy^+/PTS^-$ 필름의 구동 특성...54
• 라. $PPy^+/ClO_4^-$ 필름의 구동 특성...55
• 마. $PPy^+/DBS^-$ 필름의 구동 특성...56
• 9. Conducting polymer를 이용한 나노 Fiber 제작...56
• 10. Conducting polymer를 이용한 Dry type actuator 개발...58
• 제 3 장 결과 및 향후계획...61
• 제 1 절 주요 성과...61
• 1. Dielectric elastomer를 이용한 인공근육 개발...61
• 2. Constitutive 모델링 및 State-Space equation 개발...62
• 3. 6자유도 로봇손 및 로봇팔 개발...62
• 4. Dry type conducting polymer actuator 개발...63
• 제 2 절 연구 수행 목표 달성도...63
• 제 3 절 향후 연구 계획...66
• 1. Synthetic elastomer 물성 개선 연구...66
• 2. 고출력 밀도를 갖는 인공근육 개발...66
• 3. 개발된 인공근육를 이용한 로봇손 개발 및 타당성 검증...67
• 4. Feedback을 통한 제어 구현...67
• 5. 초소형 인공근육 모듈 개발...67
• 제 4 장 연구개발결과의 활용계획...69
• [부록] 연구개발 성과 목록...71