Shape Memory Alloys (SMAs) possess a high potential for effective utilization in wearable robot systems requiring lightweight solutions due to their ability to produce significant output while being lightweight. However, they have drawbacks, such as slow actuation speed and difficulty in control due to their non-linearity, as they operate based on temperature changes. Previous research has reported that the non-linearity with respect to temperature decreases when SMAs are fabricated in a spring form, but these studies still presented challenges in improving actuation speed. In this dissertation research, we propose a new SMA spring actuator that maximizes one of the features of SMA springs, which can generate restorative force without energy input, possessing linear characteristics between force and displacement at room temperature. The proposed SMA spring in this study is manufactured by applying excessive torsional stress during spring fabrication, so that stress remains internally even after heat treatment. This internal stress transforms the atomic arrangement within the SMA spring from twinned martensite to detwinned martensite without deformation, thus, it does not exhibit non-linearity caused by detwinning when stress is applied at room temperature. Furthermore, in this study, an artificial muscle that applies a refrigerant circulation system is designed to enhance the actuation speed of the SMA actuator. The SMA spring bundle is encased in an elastic tube, designed to allow refrigerant to flow around it, and an artificial muscle, optimized in actuation speed and energy through thermal-mechanical modeling, is designed. The designed artificial muscle has a stiffness of approximately 1125N/m at room temperature and approximately 1732N/m at 70 degrees temperature, and has a bandwidth of 0.5 Hz for maximum contraction and relaxation motions. In this dissertation research, a wearable mechanism that can assist the movements of the upper limb’s elbow, wrist, and forearm by applying the developed high-output artificial muscle is presented. The manufactured wearable mechanism was able to compensate for the gravity of the elbow and enhance the stiffness of the wrist/forearm without energy input, utilizing the characteristic of generating large output while having linear restorative force.
형상기억합금은 가벼우면서도 큰 출력을 낼 수 있기에 경량화가 필요한 웨어러블 로봇 시스템에 효과적으로 사용될 가능성이 높다. 하지만 온도 변화를 기반으로 구동되는 특성으로 구동 속도가 느리며 비선형성이 커 제어가 어려운 단점이 있다. 선행 연구로 형상기억합금을 스프링 형태로 제작했을 때 온도에 대한 비선형성이 감소하는 특성을 보인다는 연구 결과가 보고되었으나, 이러한 연구들은 구동 속도 개선이 여전히 어려운 한계점들이 있었다. 본 학위 연구에서는 형상기억합금 스프링의 특성 중 하나인 에너지를 인가하지 않아도 복원력을 만들어낼 수 있다는 특성을 극대화하여, 상온에서 힘-변위간 선형적 특성을 가지는 새로운 형상기억합금 스프링 구동기를 제안한다. 본 연구에서 제안하는 형상기억합금 스프링은 스프링 제작 시 과도한 torsional stress를 인가하여, 열처리 이후에도 내부에 응력이 존재하도록 제작한다. 이러한 내부 응력은 형상기억합금 스프링에 변형이 인가되지 않아도 내부의 원자 배열을 twinned martensite에서 detwinned martensite로 변형하며, 이로 인해 상온에서의 응력 인가 시 detwinning에 의한 비선형성이 나타나지 않는 특성을 보인다. 또한, 본 연구에서는 형상기억합금 구동기의 구동 속도를 향상시키기 위해 냉매 순환 시스템을 적용한 인공근육을 설계한다. 형상기억합금 스프링 다발 주변을 탄성체 튜브로 감싸 주위로 냉매가 흐를 수 있게 설계하며, 열-기계적 모델링을 통해 구동 속도 및 에너지가 최적화된 인공근육을 설계한다. 설계된 인공근육은 상온에서 약 1125N/m, 70도의 온도에서 약 1732N/m의 stiffness를 가지며, 최대 수축 및 이완 운동에 대해 0.5 Hz의 bandwidth를 가진다. 본 학위연구에서는 개발된 고출력 인공근육을 적용하여 상지의 팔꿈치, 손목, 팔뚝의 움직임을 보조할 수 있는 웨어러블 메커니즘을 제시한다. 제작된 웨어러블 메커니즘은 복원력이 선형적이면서도 큰 출력을 낸다는 특성을 이용하여 에너지 인가 없이도 팔꿈치의 중력 보상 및 손목/팔뚝의 강성 향상이 가능하였다.
