Soft robots have been developed to provide safe human–robot interactions and improve portability. Although soft locking devices are essential components of robotic systems, little research has been conducted on them compared to soft actuators and sensors. Locking devices, including brakes and clutches, are necessary to maintain a stable position, reduce the number of actuators, and prevent unintended movements in robots. Conventional locking devices, such as electromagnetic and electrorheological types, have rigid structures that limit their compactness. Therefore, soft locking devices that use electrostatic (ES) adhesive or pneumatic jamming forces have recently gained popularity. However, their range of motion cannot exceed their sizes, and their application is limited because they require high voltage or a massive compressor to operate. This study proposes two types of tubular brakes that do not restrict the robots’ range of motion while maintaining flexibility and compactness: hygroscopic and shape memory alloy- (SMA-) based brakes. The tubular brakes can also be a guiding tube when used in a tendon-driven robot. Moreover, this study validates the performance of these two types of brakes. In particular, theoretical modeling is introduced in the SMA-based brake to analyze the locking mechanism and performance, which can be used to determine the locking force and response time according to temperature. Improved compactness resulting from the use of the proposed brakes is demonstrated by its application to soft wearable devices.
소프트 로봇은 안전한 인간-로봇 상호 작용을 제공하고 휴대성을 향상시키기 위해 개발되어오고 있다. 잠금 장치는 로봇의 소형화와 효율적인 구동을 위해 필수적이지만, 소프트 구동기 및 소프트 센서에 비해 이에 대한 연구는 거의 수행되지 않았다. 브레이크와 클러치를 포함한 잠금 장치는 안정적인 위치를 유지하고 구동기의 수를 줄이며 로봇의 의도하지 않은 움직임을 방지하는 역할을 한다. 기존의 잠금 장치는 전자기 및 자기흐름유체를 활용한 장치들로, 소형화를 제한하는 단단한 구조를 가지고 있다. 이에 따라 최근 정전기 또는 공압 힘을 사용하는 소프트 잠금 장치가 연구되어오고 있지만, 가동 범위가 브레이크 자체의 크기를 초과할 수 없으며 작동을 위해 고전압 또는 대용량 압축기가 필요하기 때문에 적용이 제한된다. 본 연구에서는 유연성과 소형화를 유지하면서 로봇의 동작 범위를 제한하지 않는 두 가지 유형의 튜브형 브레이크, 즉 흡습성 및 형상 기억 합금(SMA) 기반 브레이크를 개발하였다. 튜브형 브레이크는 얇은 구조를 가지며 케이블 구동 로봇에 사용될 때 가이드 튜브로써 사용될 수 있다. 이후 이 두 가지 유형의 브레이크의 성능을 검증하였다. 특히, SMA 기반 브레이크에 이론적인 모델링을 제시함으로써 온도에 따른 브레이크힘과 응답시간을 결정하는 데 사용될 수 있도록 한다. 각 브레이크는 소프트 웨어러블 장치에 적용하여 그 효과를 검증하였다.
