Design and Manufacturing of Twisting Soft Composite Actuators with Shape Memory Alloy Wires

Abstract

유연 구동기는 다양한 구동원을 활용하여 구현될 수 있지만, 사용되는 구동원에 따라 각각의 특징 및 장단점이 존재한다. 각 유연 구동기의 성능은 구동기를 구성하는 개별 요소들의 성능과 직접적인 연관성이 있지만, 새로운 구동기 구성을 가능하게 하는 새로운 설계 및 공정 기법의 개발을 통해 구동 성능의 향상 및 적용 분야의 확장으로 이어질 수 있다. 본 연구에서는 형상기억합금 와이어와 유연 PDMS 기저 재료로 구성되면서, 오직 두 가닥의 형상기억합금만을 이용하여 비틀림 변형 구현이 가능하도록 하는 지능형 연성 복합재 구동기의 구동 메커니즘을 개발하였다. 비틀림 각도는 형상기억합금의 저항 변화에 기반한 PID 제어 방법을 구현하여 적용하였다. 4가닥의 형상기억합금 와이어를 활용하여 여러 방향으로의 변형이 가능하도록 설계를 개선하였으며, 이에 다중 모드 구동을 구현하였다. 구현된 구동기는 전후 방향 굽힘 변형, 시계 방향 및 반 시계 방향으로의 비틀림 변형, 그리고 4가지의 굽힘-비틀림 복합 변형이 가능하다. 개발된 구동기의 변형 량 예측을 위하여 상용 FEA software를 사용하였으며, 그 결과 제작한 구동기의 변형량 예측 가능성을 확인하였다. 이렇듯 기존과 다른 기계적 특성과 구동 성능을 갖는 새로운 형태의 구동기 제작을 가능하게 하기 위해 새로운 공정 기법을 개발하였다. 복잡한 외부 형태를 갖고, 기저재료로서 다양한 폴리머 계통의 재료로 구성되는 구동기 제작을 가능하게 하기 위해 끼워맞춤 몰드를 사용한 공정을 제시하였다. 또한 열경화성 재료로 구성되며 복잡한 내/외부 형상을 갖는 3차원 구조 제작을 위한 3차원 리소그래피 공정을 개발하여 비틀림 구동기 제작에 활용하였다. 그리고 비선형 형상기억합금 와이어의 위치고정을 위해서 지능형 연성 복합체 이중 주물 제조방법을 개발하였다. 상기 세 가지의 제작 방법으로 단순한 주물방식이 가지는 한계를 극복하여 복잡한 형상의 구동기 제작이 가능하였다. 본 연구에서 개발된 설계 및 공정 기법을 활용하여 각기 다른 두 가지 적용 사례를 제시하였다. 첫 번째 적용사례는 물건을 쥐고 있는 것과 같이 한 쪽 끝에 하중이 부가된 상태에서의 고정 및 비틀림 변형이 가능한 유연 로봇 손목 구동기이다. 두 번째 적용사례는 생체 모방 인공 혀로써, 의사소통 및 음식물 섭취 시에 일반적으로 사용되는 것과 관련된 각기 다른 세 가지의 움직임을 구현이 가능하다.

Soft actuators can use a variety of actuation source, and each source of actuation has its own characteristics, limitations and advantages. Although the performance of each type of soft actuator is directly related to the performance of the components used, the envelope of possible functions and applications is also largely advanced by the development of new design and manufacturing methods that allow new ways of implementing the components of these actuators. In this work, an actuation mechanism for a smart soft composite actuator comprised of shape memory alloy (SMA) wires in a soft polymeric matrix was developed that enabled the pure-twisting deformation of the actuator using only two SMA wires. PID control of the twisting angle of the actuator by using the resistance of the SMA wire as the process variable is demonstrated. The design was then extended to allow deformations in multiple directions for multiple modes of actuation using four SMA wires. The developed actuator is capable of forward and backward bending, clockwise and counter-clockwise twisting, and of the four combinations of bending and twisting deformations. The deformation of this actuator are approximated using a commercial finite element analysis software, which shows that it is possible to predict the deformation of this type of actuator. New manufacturing methods for this type of actuator were developed to enable the manufacturing of actuators with different mechanical characteristics and actuation performance. Interference fit molds were used to enable the fabrication of actuators with more complex external geometries and with matrices containing multiple polymeric materials. A method called 3D Soft Lithography was developed for the 3D fabrication of thermocurable polymers with complex external and internal features, and then applied to the developed twisting actuator. Then double Smart Soft Composite (SSC) casting was developed to allow the manufacturing of actuators with non-linear SMA wire positioning. Each of the three methods allows the circumvention of some of the limitations of simple molds. The developed designs and manufacturing methods were implemented in two different applications. The first is a soft artificial wrist capable of both sustaining a load at one end, such as when holding an object, and of producing a twisting deformation. The second application is a soft robotic tongue capable of three different motions that are commonly used during communication and feeding.