본 연구과제의 최종 및 핵심 목표는 자연에서 관찰할 수 있는 기하학적 형상, 배치, 패턴, 화학 분자 결합 구조, 금속/비금속의 결정 및 격자 구조, 그리고 생명체의 근골격계 등을 포함하여 자연에서 영감을 얻은 새로운 설계 방법을 적용한 스마트 멀티 액추에이터 시스템과 멀티 인공근육 번들(bundle) 시스템을 연구 개발하는 것이다(Fig. 1 참고). 그...

기본연구(1~2차년도) o 단일 모듈 인공근육 연구 - 인간/동물의 뼈대 근육 섬유 모사 인공근육 개념 및 상세 설계 - 스마트/형상기억 소재 적용 연구 - 가공 및 제작 방법 연구 - 구동 및 제어 회로/드라이버 설계 - 시스템 모델링, 특성화, 제어 알고리즘 연구 o 단일 모듈 회전 액추에이터 연구 - 생명체의 관절 모션 모사 양방향 회전 액추에이터 개념 및 상세 설계 - 토션 및 비틀림 구조 응용 설계 연구 - 스마트/형상기억 소재 적용 연구 - 가공 및 제작 방법 연구 - 구동 및 제어 회로/드라이버 설계 - 시스템 모델링, 특성화, 제어 알고리즘 연구 (2) 심화연구(3~4차년도) o 멀티 인공근육 번들 시스템 연구 - 인간/동물의 근골격계 모사 멀티 근육 번들 시스템 설계 개념 연구 - 다차원 2D, 3D 모션 구현 연구 - 멀티 근육 시스템 상세 설계 및 시제품 개발 - 시스템 모델링 및 특성화 - 번들 시스템 통합 조화 제어 방법 연구 o 멀티 액추에이터 시스템 연구 - 자연의 형태, 구조, 패턴, 배열, 격자 등 응용 멀티 액추에이터 시스템 설계 개념 연구 - 비정형 및 정형 패턴, 문양 응용 연구 - 다차원 2D, 3D 모션 구현 연구 - 멀티 액추에이터 상세 설계 및 시제품 개발 - 시스템 모델링 및 특성화 - 멀티 시스템의 통합 조화 제어 알고리즘 연구 (3) 응용 및 실증 연구(5차년도) o 인공근육/액추에이터 실증 및 개선 연구 - 테스트베드 설계, 셋업, 테스트 및 분석 - 시스템 개선 및 최적화 연구 o 인공근육/액추에이터 응용 플랫폼 연구 - 로봇 실증 플랫폼 설계 및 시제품 개발 연구 - 응용예시: 얼굴 등의 인공피부, 모핑 로봇, exo-suit, 소프트 로봇, 곤충/벌레 로봇, 소프트 수중 로봇, 인공 근골격계 등

본 연구과제의 최종 및 핵심 목표는 자연에서 관찰할 수 있는 기하학적 형상, 배치, 패턴, 화학 분자 결합 구조, 금속/비금속의 결정 및 격자 구조, 그리고 생명체의 근골격계 등을 포함하여 자연에서 영감을 얻은 새로운 설계 방법을 적용한 스마트 멀티 액추에이터 시스템과 멀티 인공근육 번들(bundle) 시스템을 연구 개발하는 것이다(Fig. 1 참고). 그...

본 연구의 주요 개발 내용은 다음과 같이 구성된다. o 생체영감 파동형 이동 전략, 게이트 맵(gait map), 제어 알고리즘 소프트 생명체와 유사한 조화 함수 및 비조화함수 파동의 전파 또는 변형된 곡률을 갖는 다양한 소프트 이동 패턴의 전파를 활용한 이동 전략 (crawling, inching, vertical undulation, other variations 포함)을 연구한다. 그리고 제안된 로봇의 이동 전략에 따라 게이트 맵(gait map)을 제안한다. 로봇의 변형/회전 센서 피드백, 액추에이터 상태 피드백을 적용하여 이동 게이트 제어 알고리즘을 연구한다. 특히, 최소한의 제한된 액추에이터를 활용하여 소프트 로봇의 몸체를 연속적으로 변형 및 구동하는 방법을 연구한다. o 소프트 재료와 스마트 액추에이터를 활용한 소프트 로봇 플랫폼 설계 및 제작 본 연구에서는 단순화된 디자인과 로봇 시스템을 구현하는 것이 목표이다. 이를 위해 형상기억합금과 같이 가볍고 유연하며 진보된 액추에이션이 가능한 스마트 재료를 적용한다. 로봇 플랫폼의 소프트함을 구현하기 위하여 유연한 elastomer, PDMS, polyimide film, TPU 등과 같은 다양한 재료의 특성을 분석하여 설계에 적용한다. 복잡한 다수의 링크 및 조인트 구조를 사용하지 않고 최소의 액추에이터를 활용하여 소프트 로봇의 연속체 몸체를 변형 및 구동하여 로봇의 이동 게이트(gait) 생성하도록 설계한다. 또한 게이트 모션과 조작이 가능하도록 모듈화 및 스케일화가 가능한 방식으로 로봇 시스템을 설계한다. o 로봇 모델링 및 시뮬레이션 해석 전통적인 단순화된 빔 기반 분석적 방법 및 유한요소(FEM) 방법을 적용하여 로봇 몸체를 모델링하고 구조해석한다. 이를 통해 로봇의 게이트를 예측하여 설계의 적정성을 확인, 검토하고, 설계 및 제어에 반영한다. 또한 SMA constitutive 모델을 기반으로 액추에이터의 힘과 변형량을 예측 또는 실험적으로 측정하여 해석한다. o 생체영감 로봇-지면 접촉 메커니즘 로봇 이동 전략과 게이트 맵에 따라 각 게이트에서 로봇의 지면과 접촉하는 부분/다리는 traction 및 support를 제공하기 위해 지면과의 마찰을 높여서 locking 되고, 반대편의 다른 접촉부/다리는 마찰을 줄여 자유롭게 sliding이 가능하도록 설계한다. 이를 위해 소프트 로봇의 다리를 생체의 발톱과 유사한 아크 형상의 배열 구조를 갖도록 설계하여 게이트 패턴의 변화에 따라 자연스럽게 순응하여 지면과 로봇의 마찰을 원하는 대로 조절하도록 한다. o 하드웨어와 소프트웨어 시스템 통합 및 실험 로봇의 모션/회전을 센싱하여 제어 피드백으로 사용하기 위하여 2개의 IMU 센서를 활용한다. SMA 액추에이터의 상태를 추정하기 위하여 온도센서를 적용한다. 칼만필터를 적용하여 IMU 센서로부터 로봇 몸통의 회전각을 측정한다. 온도센서는 비접촉 IR 열화상카메라 측정값을 사용하여 보정 알고리즘을 개발한다. 그리고 SMA constitutive laws를 활용하여 SMA의 phase transition 상태 및 응력, 변위 등 액추에이터 상태를 추정하는 알고리즘을 개발한다. SMA 액추에이터 구동 driver 회로를 설계 및 제작하여 테스트베드를 구성한다. 다양한 시나리오에 따라 실험 평가하여 결과를 분석하고, 피드백하여 시스템 개선에 활용한다.