The micro robotics is the key technology in medical and biomimetic robots because micro robots can do tasks in highly confined environments. Micro robots with multi-degree-of-freedoms (DOFs) can produce more complex and delicate motions, which have high potential in the robotic surgery and the micro manipulation. The actuator selection is the main design consideration in micro robots. The actuator suitable for micro robots should have miniaturized structure with the capability of producing a controllable force and displacement. In addition, the micro robots require soft actuators or soft mechanisms to allow safe interaction with the environment. Among various soft mechanisms, dielectric elastomer actuators (DEAs) have high potential to be adopted in micro robotics, due to its large strain, fast response time, high energy density, and small size and lightweight structure. In this thesis, we designed the miniaturized DEA-based soft micro actuator which can produce a large output displacement/force with high bandwidth. The proposed micro actuator mainly consists of an DEA and the spiral flexure spring. The actuator utilize a spiral flexure spring as a biasing element of DEA to convert the area expansion of DEAs to the linear displacement. A spiral flexure spring can display a large stroke with high linearity and low hysteresis error despite its low thickness (~ 0.1 mm). The optimal design of the spiral flexure spring was derived based on the analytical dynamic model of the actuator. Fabricated actuator has a thin, compact and miniaturized structure (thickness = 1.5 mm, diameter = 10 mm), and can produce a high actuation strain (> 40 %) with a high bandwidth. In addition, two actuators can lift a mass of 200 g (approximately 670 times its mass) despite its light mass of 0.15 g. In this thesis, we designed and fabricated compliant micro gripper and 3-DOF micro manipulator using proposed actuators. Fabricated micro robots consist of proposed actuators and linkages. We designed the linkages to convert an actuation of the actuator to a rotary motion of the revolute joint. Fabricated compliant micro gripper has a weight of 0.5 gram, but enables gripping various small objects without a sensory feedback due to its compliance. In addition, we showed that the position of the end effector of the fabricated micro manipulator can be controlled.
매우 작은 크기를 갖는 초소형 로봇은 좁고 협소한 공간에서 업무를 수행할 수 있기에 의료용 로봇, 생체모방형 로봇 등 다양한 응용분야에 적용 가능하다. 특히 다자유도 동작이 가능한 초소형 로봇은 의료용 로봇 및 마이크로 매니퓰레이터 등에 적용돼, 복잡한 작업을 할 수 있는 장점이 있다. 이러한 초소형 로봇을 동작하기 위해서는 작은 부피를 갖으면서도 제어 가능한 초소형 구동기가 필요하다. 또한 외부환경과 안전하게 상호작용하기 위해서는 유연한 메커니즘 또는 구동기의 사용이 필요하다. 선행 연구들을 통해 와이어 구동방식, 초음파 모터, 형상기억합금, 전자기장 기반 구동기 등 다양한 방식의 초소형 구동기들이 개발됐으나, 이러한 구동기들은 소형/경량화에 한계가 있거나, 유연성이 부족하거나, 출력 힘/변위가 낮은 한계점들이 있다. 다양한 유연 구동기 중 전기활성 고분자 구동기는 필름형 구동기로써, 인가되는 전기장을 통해서 큰 변형을 일으키는 구동 방식을 갖고 있다. 본 학위 연구에서는 전기활성 고분자 구동기를 사용하여 유연성을 갖고 있으면서도 얇고 소형화된 구조를 갖으며 높은 변위/힘을 높은 주파수대역에서 출력가능한 초소형 선형 구동기를 설계한다. 본 연구에서 제안하는 초소형 구동기는 전기활성 고분자 구동기와 나선형 플랙셔 구조의 스프링으로 구성된다. 사용된 나선형 플랙셔 구조 기반 스프링은 전기활성 고분자 폴리머의 면방향 팽창 변형을 선형 움직임으로 변환시키는 역할을 하며 작고 얇은 구조로 제작 가능하고 높은 변형을 제공할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 구동기의 동적 모델링을 통해 나선형 플랙셔 구조 기반 스프링을 최적화 설계했다. 초소형 유연 구동기는 직경 10mm, 두께 1.5 mm의 얇고 소형화된 구조를 갖고 있으며, 무게는 0.15 g으로 매우 가볍다. 제작된 구동기는 40 % 이상의 높은 변형율을 제공하며, 구동기 무게의 670배 되는 무게를 들어올릴 수 있는 큰 출력 힘을 갖고 있다. 본 학위연구에서는 개발된 초소형 유연 구동기를 적용해서 유연한 초소형 그리퍼 및 3축 매니퓰레이터를 설계 및 제작했다. 제작된 초소형 그리퍼 및 매니퓰레이터는 초소형 구동기와 링크 구조로 구성되며, 링크 구조를 통해 구동기의 선형 움직임은 조인트의 회전 움직임으로 변환됐다. 제작된 유연한 초소형 그리퍼는 다양한 크기와 형태를 갖는 여러 소형 물체들을 복잡한 제어 없이 쉽게 파징할 수 있었다. 또한 제작된 3축 매니퓰레이터는 각 구동기들의 인가전압을 제어함으로써, 원하는 움직임을 제공할 수 있었다.
