코드화된 힘을 생성하는 전개 가능한 구조 기반 인공 근육

사례 연구

고객 산터우 대학교

측정 범위

적용 인공 근육, 키리가미에서 영감을 받은 구조, 로봇 팔

분석 대상 인공 근육

사용 장비

인공 근육은 변형을 통해 동력을 생성하는 액추에이터이다. 그것의 개발은 로봇과 인공 팔다리에 대한 연구의 기술 과정을 크게 가속화할 수 있다. 광범위한 응용 시나리오가 있다. 현재 다양한 원리에 따라 힘을 발생시키는 인공 근육이 많이 있다.

접었다 펼쳤을 때 모양이 바뀌는 확장형 구조는 다양한 시나리오에 적용할 수 있다. 이 구조는 자연스럽게 접고 펴는 기능이 있다. 유명한 종이접기 구조는 대표적인 펼칠 수 있는 구조로 접는 변형을 통해 다양한 기능을 구현할 수 있다.

향후 개발을 위해서는 이 구조에 확장 가능한 구조를 종이 없는 대량 생산에 적합하게 만드는 방법에 대한 문제가 있습니다. 종이 접기 구조에 대한 최근 연구에 따르면 외부 하중이 없는 경우에도 종이 접기 구조로 작동할 때 판지가 변형 중에 좌굴 되기 쉽습니다. 그래서 추가 강성을 위해 두꺼운 판지를 사용해야 합니다. 복잡한 종이접기/키리가미 확장 가능한 구조로 두꺼운 판지를 직접 인쇄하는 것은 매우 어렵습니다.

이 문제를 해결하기 위해 Shantou University의 연구원들은 두꺼운 나일론 시트를 연결하고 SMA(형상 기억 합금) 드라이브를 사용하여 인공 근육 구조를 펼치는 퍼즐 같은 방법을 제안했다. 이 구조는 온도 변화에 반응하여 작동되어 당기는 힘과 밀어내는 힘을 생성하고 기하학적 조정을 수행하고 여러 장치의 배열을 변경(직렬 병렬 또는 SMA 삽입 방식 변경)하여 인코딩 가능한 힘 응답을 생성할 수 있다.

구조는 한 변의 길이가 n인 정사각형과 한 변의 길이가 n, m, 각도 α인 평행사변형의 두 가지 기본 단위로 구성되며, 경첩으로 연결된 니켈-티타늄 SMA 시트가 중앙에 삽입되어 구동된다.

실험에서는 구조물의 점 A, D, E, E'에 4개의 반사 마커가 부착되어 있다. 6대의 NOKOV 모션캡쳐 카메라를 이용하여 각 마커의 실시간 공간적 위치를 추적하고, 서로 다른 조건에서 거리 AD와 각도 ∠EDE'를 동시에 계산하여 모델 분석 결과를 측정된 결과와 비교한다. 모션 캡처 시스템. NOKOV 모션 캡처 시스템의 측정 정확도는 매우 높고 좌표 정확도는 밀리미터 이하 수준에 도달할 수 있으며 각도 측정 정확도는 0.1°에 도달할 수 있으므로 변형 과정에서 키리가미 구조의 상태 데이터를 정확하게 얻을 수 있다.

실험 결과, 키리가미 구조는 온도 변화에 따라 예상되는 변형을 나타내며, 측정된 거리 AD와 각도 ∠EDE' 결과는 해석적 기하학적 모델과 잘 일치한다. 측정 데이터에 따르면 거리 AD와 각도 ∠EDE'의 변화 범위는 α가 증가함에 따라 증가한다.

또한 연구진은 이 인공 근육 구조를 이용해 끝단에 10g의 하중을 고정하고 구조물을 가열하여 수축/신장하여 하중을 들어올리는 로봇팔을 제작하고, 로봇팔의 당기는 힘과 미는 힘을 각각 실험했다.

참조:

[1] Yang, N., Deng, Y., Niu 2100493, X., Deployable-Structure-Based Artificial Muscles Generating Coded Forces. Adv. Mater. Technol. 2021, 6, 2100493. https://doi.org/10.1002/admt.202100493