Recently, many soft pneumatic actuators (SPAs) have been developed attribute to their inherent compliant components and backdrivability, providing safe human-robot interaction. Inflatable actuators have been prominently exploited in diverse robotic applications due to their theoretical model-based manufacturability and high form factor. In particular, they have been widely used in soft wearable robots to support human joint motions. Although inflatable actuators are lightweight and have fast inflation response, their deflation time has not been rapid enough to enhance the actuator bandwidth; therefore, they have been unable to provide assistance at desired moments. In this dissertation, an inflatable wrinkle actuator, manufactured based on the devised theoretical model with high-frequency welding fabricating process, provided fast inflation and deflation responses. First, a theoretical model was proposed to develop the actuator that satisfies the design requirements, such as the desired assistive torque and wearability. Second, the deflation time was reduced by designing a pneumatic inflatable exhaust valve. The proposed valve covered a large exhaust area, allowing it to increase the amount of exhausted air compared with commercial pneumatic components, such as solenoid valves or regulators, and tubes with limited exhaust area. Based on the actuator's inflation and deflation response times, it was found that it did not interfere with human joint movements because the air in the actuator did not remain in the actuator after depressurization. Finally, the performance of the actuator was validated by applying it to a soft knee-wearable robot. The developed robot was able successfully to assist in knee motions during static motions (deep squat and front lunge), ground walking, and stair ascending without creating any residual resistance.
최근, 고유의 컴플라이언스한 특성과 역구동성 덕분에 안전한 인간-로봇 상호작용을 보장할 수 있는 소프트 공압식 구동기가 많이 개발되고 있다. 팽창형 구동기는 이론적인 모델 기반의 제작이 가능하고 높은 폼 팩터를 가지고 있어 다양한 로봇 분야에 두드러지게 활용되고 있다. 특히, 인간의 관절 운동을 보조하기 위한 소프트 웨어러블 로봇에 널리 사용되어 왔다. 팽창형 구동기는 가볍고 팽창 반응이 빠르지만 공기의 배기 시간이 구동기 대역폭을 향상시킬 만큼 빠르지 않아 원하는 순간에 적절하게 보조를 할 수 없다. 본 논문에서는 고주파 용접 제작 공정을 통해 설계된, 이론 모델 기반의 빠른 공기의 공급과 배기를 제공하는 팽창형 주름 구동기를 개발했다. 이를 위해, 첫째, 원하는 보조 토크 및 착용성의 설계 조건을 충족하는 구동기를 개발하기 위한 이론적 모델을 제안했다. 둘째, 공압 팽창형 배기 밸브를 설계하여 배기 시간을 줄였다. 제안된 밸브는 솔레노이드 밸브 또는 조절기 같은 상용 공압 구성품, 그리고 제한된 배기 면적을 가진 상용 튜브와 비교해 넓은 배기 면적을 커버하여 배기량을 증가시킨다. 구동기의 공급 및 배기 시간을 측정해 본 결과, 수축 후 구동기 내 공기가 구동기에 남아 있지 않기 때문에 사람의 관절 움직임을 방해하지 않을 수 있음을 확인했다. 마지막으로, 구동기의 성능을 소프트 웨어러블 로봇에 적용하여 검증했다. 개발된 로봇은 정적 동작 (스쿼트와 런지), 일반 보행, 계단 오름 보행 시 관절에 잔여 공기로 인한 저항을 제공하지 않으며 무릎 펴짐 동작을 성공적으로 지원할 수 있는 것을 확인했다.
