Deployable Origami Soft Robots with Dual Sequential Motions

Abstract

본 논문에서는 유연재료로 만든 전개형 종이접기 구조를 개발하고 이를 전개 및 추가 동작이 가능한 소프트 로봇으로 활용하는 연구들을 기술하였다. 전개형 종이접기 구조는 운동학적으로 정의된 변형을 접힘 및 펴짐으로 구현한다. 개발한 유연 전개형 종이접기 구조는 종이접기 기존 가동범위에 더하여 유연재료의 신축에 의한 가동범위를 지니게 된다. 이에 공압 구동을 가능케하면 인가하는 압력에 따라 접힘 및 펴짐에 의한 가동과 유연재료의 신축에 의한 가동을 유사-연속적으로 거치도록 유도될 수 있다. 개발한 설계 기법은 크게 2가지로, 접이식 구조의 펴짐과 유연재료의 인장을 각각 활용하는 이중-모핑(Dual-morphing) 설계 원리와 접이식 구조의 펴짐에 차이를 주는 이중-종이접기(Dual-origami) 설계 원리가 있다. 심해에 서식하는 물고기인 펠리컨 장어 (학술명 Eurypharynx pelecanoides)의 머리뼈를 전개한 뒤 피부를 늘이는 독특한 거동에서 영감을 얻어 종이접기의 펴짐과 고인장 엘라스토머 재료 표면의 늘어남을 유사-연속적으로 구현하는 이중-구동 종이접기 구조를 개발하였다. 개발한 구조는 전체가 늘어날 수 있는 종이접기 단위로 유체 네트워크(fluid networks)가 구성되어 있다. 이중-모핑의 특징인 유사-연속 구동은 유체 구조 및 재료적으로 설계된 유체 네트워크에 유압이 몸체의 전개를 우선적으로 하는 방향으로 작동하여 나타나게 된다. 개발한 설계 기법을 확인하기 위해, 펠리컨 장어를 모사하는 인공 생물을 제작하였고 이중-모핑 특성을 유사하게 함을 확인하였다. 이중-모핑 종이접기 셀을 기존의 종이접기 구조에 적용하여 전개 가능한 그리퍼, 크롤러, 그리고 수중 로봇을 개발하였다. 나아가 하나의 적용 사례로, 이중-모핑 구조 중 요시무라 종이접기 실린더 (Yoshimura origami cylinder)를 활용한 소프트 공압 구동기를 개발하였다. 개발한 전개가능한 소프트 공압 구동기 (D-PneuNets actuator)는 인가된 공압에 의해 공압 챔버들이 높이방향으로 자라서 모멘트 암을 키울 수 있어, 낼 수 있는 힘과 구동기 부피의 트레이드-오프 관계를 극복할 수 있다. 또한, 전개가능한 소프트 공압 구동기를 활용하는 공간 효율적인 착용형 로봇 장갑을 개발하였다. 이중-종이접기(Dual-origami) 설계 원리는 공압으로 구동되는 종이접기 구조와 종이접기 레이어를 연결하여 설계한 것으로, 두 종이접기 구조의 펴지는 길이 차이를 이용하여 전개 및 굽힘의 유사-연속구동을 구현한다. 고인장 엘라스토머에 비해 비교적 강성이 높은 재료를 사용하고 재료의 인장을 활용하지 않으므로 상대적으로 높은 힘을 낼 수 있으며 저가형 FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린터로 간단한 제작이 가능하다. 두 종이접기 구조의 거동차이를 설계하여 전개와 굽힘의 비중을 조절할 수 있다. 이를 활용하여 개발한 전개형 소프트 그리퍼는 힘, 섬세함, 정확성, 그리고 민첩함을 요구하는 파지 업무를 수행할 수 있으며, 접혀 있는 상태의 높은 공간 효율성은 물리적 간섭없이 흡입 컵 그리퍼와 함께 사용할 수 있도록 하였다. 본 학위논문에서 개발한 전개형 종이접기 구조의 설계 기법들은 소프트 로봇을 사용하지 않을 때의 작은 형태에서 사용시 전개 후 기능적인 동작을 가능하게 하는 설계 지침을 제공하여, 고도화된 차세대 소프트 로봇 시스템에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

In this thesis, development of deployable origami structures made of soft and flexible materials, and their soft robotic applications capable of deployment and additional motion (e.g., bending, inflating) are presented. The deployable origami structures produce the kinematically defined deployment by folding and unfolding. The developed soft deployable origami structures have additional range of motion due to the flexibility of the materials in addition to the kinematic deployment. By enabling pneumatic actuation, the soft deployable structures can be guided to undergo quasi-sequential unfolding and additional motion of soft material. Two design methods are developed: the dual-morphing design method that utilizes the unfolding of the foldable structure and the stretching of soft materials, respectively, and the dual-origami design method that utilizes the asymmetric unfolding of origami structures. Inspired by a peculiar motion of a pelican eel (Eurypharynx pelecanoides) that first unfolds its mouth and then inflates it, the dual-morphing structures that embody quasi-sequential behaviors of origami unfolding and skin stretching in response to fluid pressure were developed. In the proposed system, fluid paths are enclosed and guided by a set of entirely stretchable origami units. The dual-morphing feature arises from this geometric and elastomeric design of fluid networks in which fluid pressure acts in the direction that the whole body deploys first, resulting in quasi-sequential dual-morphing response. To verify the effectiveness of our design rule, an artificial creature mimicking a pelican eel and reproduced biomimetic dual-morphing behavior is built. By compositing the basic dual-morphing unit cells into conventional origami frames, unprecedented architectures of soft machines that exhibit deployment-combined adaptive gripping, crawling, and large range of underwater motion are demonstrated. Furthermore, as an application, a soft bending actuator that using dual-morphing Yoshimura origami cylinder structures is developed. In response to applied pressure, the deployable soft pneumatic bending actuator (D-PneuNets actuator) can increase the moment arm due to the deployment of the origami chambers, thus overcoming the trade-off relationship between the output force and the bulkiness. A robotic soft glove using D-PneuNets actuator with space-efficient advantage was also developed. The dual-origami design method is to superimpose a pneumatic-driven origami structure and an origami strain-limiting layer, to produce a quasi-sequential deployment and bending motion that is guided by unsymmetric unfolding of two origami components. The dual-origami structure is made of flexible materials with high stiffness compared to highly stretchable elastomers, thus produces relatively high force and can be easily fabricated using low-cost FDM (Fused Deposition Modeling) 3D printer. The dominance between the deployment and bending can be shifted by varying the unfolding behavior, enabling pre-programming of the motion. Finally, soft gripper applications are presented: they successfully demonstrate gripping tasks that each requires strength, delicacy, precision and dexterity, and the high compactness when folded enables cooperation with a suction gripper without physical interference. The design methods of deployable soft origami presented in this thesis provide guidelines that enable initially small soft robots but can be deployed to be functional, and they are expected to be applied to advanced next-generation soft robot systems.