As the development of highly improved mechanical devices for use at outdoors, long operation time is required more and more. To increase the operation time, weight lightening and increment of energy density is required. Since the weight lightening is directly influenced by all hardware components, actuators, which are essential for the driving of the mechanical devices, are required to become lighter while maintaining perfor-mance. However, conventional electromagnetic motors show weak performance when scaled down, so weight lightening of the electromagnetic motor with same performance is hard to realize. To substitute electromagnetic motors, actuators utilizing smart materials such as PZT, SMA, and EAP are developed but obvious pros and cons of smart materials restrict their applications for general purposes. Pneumatic actuators have also appeared as alternatives too, but heavy and noisy compressor made them hard to utilize for portable purposes. Not only actuators, but also present battery systems have problems. Lithium polymer or lithium ion batteries are known to have highest energy density, but they inherently have explosive characteristic when fully charged. For that reason, charging circuits preventing full-charging are used or, in some cases other types of batteries such as Ni-Mh batteries are used despite of their lower energy density. To overcome such limitations, researches on novel actuators and chemical energy sources are receiving wide attention. Concerning on the problems, we focused on integrated actuator-energy source system, in which actuator carries chemical fuel as an energy source and converts chemical energy directly into the mechanical energy, which is similar to that of human muscle, which carries ATP as an energy source, and converts chemical energy of the ATP into the mechanical work. Moreover human muscle has high power-to-mass ratio, large displacement and fast reactivity. Motivated by human muscle, actuator system carrying fuel with characteristics similar to human muscle is proposed. To convert fuel’s chemical energy into mechanical work, hydrogen peroxide is used due to its large energy density compared to lithium polymer battery and ecofriendly and simple decomposition process. For the actuation part, commercial flexible air muscle is chosen since they show high force, fast response, and high power-to-mass ration. In this thesis, for the development of suggested actuator-energy source system, portable silent pneumatic generator based on decomposition of hydrogen peroxide is developed to generate pressurized air required for actuation of the air muscle. For the development of the pneumatic generator based on the decomposition of hydrogen peroxide, catalytic decomposition mechanism of the hydrogen peroxide is studied to figure out the relationship between reactant and product. Based on understandings about decomposition process, pneumatic generator prototype is modeled and analyzed to figure out the design parameters. Based on the parameters found, prototype of the pneumatic generator satisfying desired performance requirements is designed. Feasibility test for producing pressurized air is confirmed, and controller is designed to maintain pressure level of the gas reservoir in specific range. Finally, air muscle is attached to the pressure generator, and force and displacement of the air muscle are observed experimentally. With the data obtained from the experiments, energy density of the suggested system is compared theoretically to that of conventional electromagnetic motor system supplied by lithium polymer battery. From the analysis, suggested system is 36% more efficient than conventional electromagnetic motor and lithium polymer battery system, though considerable amount of heat loss occurred. With the assumption that no heat loss occurred, efficiency of the given system is shown to be 220% more efficient that motor and battery system.
최근 무인자동차로봇, 외골격, 의수 등과 같이 휴대성이 강조되는 자동화 기계장치에 대한 요구가 증가하고 있으며, 그에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 정해진 공간에 주어진 작업을 위해 필요한 구동기와 제어 모듈, 배터리 등을 모두 장착하기 위해서 부품들의 소형화가 요구되고 있다. 더욱이, 주어진 배터리를 가지고 모든 출력을 공급해야 하기 때문에, 페이로드를 최소화하고 운용시간을 증가시키기 위해서는 전체적인 시스템의 소형화가 더욱 필수적이다. 이를 위해, 대부분의 공간을 차지하는 구동기의 소형화가 필요하지만, 현재 널리 사용되는 전자기모터의 경우에는 무게 대비 토크 밀도가 낮고, 소형화 할 경우에 그 효율이 저하되는 단점이 지적되고 있어 소형화가 쉽지 않다. 이를 해결하기 위해 등장한 신소재 물질을 이용한 구동기 등의 경우에도 극명한 장, 단점으로 인해 제한된 적용만이 가능할 뿐이다. 또한, 배터리의 경우에도 무게 대비 에너지 밀도가 여타 화학 물질에 비해 현저히 낮기 때문에 무게 대비 운용시간이 현저히 저하되는 단점을 가진다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 구동기와 에너지 시스템에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위한 방법의 일환으로 사람의 근육을 모사하여 에너지를 가지고 다니는 구동기 시스템에 대한 연구를 제안을 하였다. 사람의 근육은 무게 대비 높은 출력과 빠른 응답 속도, 큰 변위 등을 가지며 유연하다. 또한, ATP라는 에너지원을 가지고 다니다가 출력이 필요할 때 분해하여 바로 기계적인 에너지로 바꾸기 때문에, 화학에너지를 배터리에서 전기에너지로 바꾸고, 그 에너지를 다시 모터에서 기계적인 일로 변환하는 모터와 배터리 시스템에 비해 에너지 변환과정도 적어 에너지 효율도 높다. 더욱이, 높은 에너지 밀도를 가지는 화학 물질을 에너지원으로 사용하기에 동일한 무게에서 더 많은 양의 에너지를 가질 수 있다. 이러한 특성을 모사하기 위해 본 연구에서는 화학반응, 그 중에서도 과산화수소의 촉매분해에 기반한 공압 발생 장치를 제안을 하였으며, 제안된 공압 발생 장치에서 생성된 공압을 이용하여 근육형 공압 구동기를 구동하여 근육을 모사하는 방안을 제안하였다. 굳이 과산화수소를 연료로 사용하게 된 이유는, 현재 가장 에너지 밀도가 높다고 알려진 리튬이온 배터리에 비해 약 10배 정도 높은 에너지 밀도를 가지고 있으며, 가솔린 등의 석유연료와 비교해 보았을 때 연소 반응에 비해 촉매 분해 반응이 보다 간편하여 시스템의 간편화가 가능하며, 산소와 물만 생성되기 때문에 반응 후 매연이 발생하지 않아 환경친화적이기 때문이다. 제안된 과산화수소의 촉매분해 기반 공압 발생 장치를 이용한 근육형 공압 구동기 시스템 연구를 위해 먼저 과산화수소의 화학반응에 대해 이해하기 위한 몇 가지 실험을 진행하였다. 이를 통해 촉매를 선정하였으며, 반응에 사용된 과산화수소의 양에 대한 발생한 산소 기체의 부피의 관계 등을 알 수 있었고, 근육형 공압 구동기를 구동시키기에 충분한 공압이 생성되는지를 확인하였다. 또한, 제안된 시스템의 모델링과 해석을 통해 설계 변수를 찾아내고, 이를 이용하여 공압 발생 장치에서 사용할 인젝터 모듈을 설계하고 제작하였다. 제작된 인젝터 모듈과, 촉매, 그리고 공압 탱크를 이용하여 공압 발생 장치를 제작하였으며, 제어기를 설계하여 항상 일정한 압력을 생성할 수 있도록 하였다. 실험 결과 약 3bar와 5bar의 압력을 생성하는 것을 확인할 수 있었으며, 공압을 일부 빼서 사용하여도 다시 압력을 생성하여 일정 수준으로 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 제작된 공압 발생 장치를 이용하여 실제로 근육형 공압 구동기를 구동하였으며, 근육형 공압 구동기의 힘과 변위를 측정하여 주어진 사양서와 비교하여 거의 유사한 성능을 나타냄을 확인하였다. 또한, 실험 결과를 이용하여 제안된 시스템의 에너지 특성을 기존의 리튬이온 배터리와 모터 시스템과 비교하였으며, 이 때 약 8배 정도 높은 무게 대비 에너지 밀도를 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 동일한 기계적인 일을 하는 경우 이론적인 작동시간을 계산해본 결과, 제작된 시스템은 비록 열손실 등으로 인해 전체적인 출력 소모가 증가함에도 불구하고 약 36% 정도 긴 운용 시간을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한 열손실이 없다고 가정할 경우 최대 220% 정도 긴 운용시간을 가질 수 있을 것이라고 예측할 수 있었다. 또한 기존의 연구들과 비교할 때도 상대적으로 작은 질량을 가지면서 무소음의 구동이 가능하고, 환경친화적이라는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 본 연구에서는 촉매의 반응성이 떨어지고, 분사된 연료를 완전 반응 시키지 못하는 현상이 관찰되었으며, 반응 후 생성된 물이 응결되고, 열손실이 발생하는 등의 문제가 관찰되었다. 따라서 향후 이를 해결하는 방향으로 연구가 진행될 것이다.
