In this dissertation, a newly designed mechanism for generating a highly compressed and large quantity gas is presented. As the increment in the need of pneumatically actuated mobile robots due to its high power per weight and compliance, many kinds of pneumatically operated robots have been developed to make it comfortable to operate for human with enough power. However, the available compressors on a market tend to be bulky, noisy, and heavy and no one even wants to take a vibrator on one’s back though it help a lot doing difficult tasks, for example simple walking for the disable or lifting heavy substance for the older. This would be good motivations to develop the pneumatic generator that needs to not only perform well generating a highly compressed gas but also be quite, compact, and no vibration.
With respect to its performance of compressors, the commercial compressor has its limited maximum pressure due to its motor power, which means the bigger motor is taken, the higher pressure could be generated in a reservoir. There have been researches to get high pressure with a relatively small reservoir because it can store large energy within a compact design using highly compressed nitrogen gas in a fuel tank. In this case, the pre-stored inert gas energy is used for injection of hydrogen peroxide overcoming the back pressure of a reactor but this would make it difficult to refuel hydrogen peroxide without a nitrogen gas tank in a field of operation.
Other approach have been investigated to make a compressor less noisy and vibrational so that a human could be more comfortable with the interaction of wearable robots. The commercially available motor-driven compressor has reduced noise and vibration a lot more than the conventional engine-based compressor which is heavy and noisy with lots of vibration. However, this could not only perform the pressure and gas flow rate as high as other compressors can achieve but also operate with some noise and vibration which are still unpleasant to human.
A newly proposed system for generating pneumatic energy can suggest several contributions: 1) a compact and function-integrated component design makes it light and compact. The pneumatic system designed for the implementation on a wearable robot could be beneficial to its mobility provided that it can store the amount of energy by holding high pressure. Therefore, a reactor where a catalyst decomposes hydrogen peroxide is located in a reservoir that can make it compact and more capable of decomposing hydrogen peroxide as well; 2) No active energy is taken advantage of injecting hydrogen peroxide to a reactor except the weight of liquid itself because a small portion of generated gas helps forcing liquid running down to a reactor withstanding a back pressure. This mechanism also brings a promising advantage to a proposed system, the compact design, which can store the same or more amount of energy by generating extremely high pressure of gas in a small reservoir. In other words, there is no pressure limitation that the proposed system can achieve though it only controls an on-off valve passively; 3) The system could supply pneumatic energy without noise and vibration as well. With all the other conventional compressors, noise and vibration are always unpleasant to human so that pneumatics is not even tried to apply to human assisting robots. However, the proposed system can generate pneumatics stably without noise and vibration, which can be regard as an implemented compressor on a wearable human assisting robot system.
The well-known obstacles of using hydrogen peroxide as a pneumatic source is the large portion of water vapor on a gas product. Two third of mole fraction on gas products is water vapor, which is critical to conventional pneumatic actuators for endurance. For more in detail, some of water vapor is condensed into water liquid through expansion and it could have a bad influence on pneumatic components. Therefore, a liquid removal method must be investigated. The proposed system try to remove liquidized water that is intentionally collected on the bottom of a reservoir when it is not in operation by running it down through a hole on a bottom surface.
The performance of a manufactured system is also verified with a cylinder type pneumatic actuator. The pressure information from two pressure transducers is transferred to microcontroller DSP and control inputs sent to valves are given by Bang-Bang control method. The proposed system can provide approximately 153kJ for 1kg hydrogen peroxide with almost 100W operation which cannot work as much as the work that electric motor-based compressor could do but can achieve higher power than that of an electric motor-based system. For more specific on energy consideration, the efficient way of doing work a lot has been discussed and the comparison with other commercially available compressors follows next for final investigation.
이 논문에서는 고압의 압축 공기를 생성시키기 위한 새로운 메커니즘을 제안하고자 한다. 공압 구동기는 무게 대비 큰 파워를 낼 수 있을 뿐만 아니라, Compliance를 갖기 때문에, 최근 사람을 보조하는 로봇의 개발에 많이 이용되고 있다. 하지만 현재의 컴프레서는 소음, 진동, 그리고 무게로 인해 인간을 보조하는 로봇에 적용하기에는 한계가 있음이 명백하다. 따라서 본 연구를 통해서 큰 출력을 내기 위한 높은 공압 생성과 저소음, 무진동의 공압 발생 장치를 개발하고자 한다.
현재의 컴프레서는 로터를 이용하여 공기를 밀어주기 때문에 높은 공압을 생성하기 위해서는 더 큰 출력을 갖는 로터를 사용해야 한다. 따라서 압축기가 갖는 최대 압력이 정해져 있다고 할 수 있다. 최대 압력을 높이기 위한 기존의 연구로는 고압으로 압축된 질소 기체를 이용하여 과산화수소를 밀어주고자 하는 연구가 존재했다. 하지만 이 연구의 경우 연료를 재충전하기 위해 반드시 고압의 압축 질소 탱크가 필요하다는 한계점이 있다.
이러한 한계를 극복하고자 가솔린 엔진 기반의 공압 및 유압 발생 장치를 개발한 사례가 있었다. 가솔린 엔진을 기반은 충분한 파워를 제공할 수 있었지만, 극심한 소음과 진동이 결국 사용자에게 그대로 전해졌으며, 매연 가스를 발생시키는 문제점도 존재한다. 이러한 문제들로 인하여, 결국 사람을 보조하는 로봇에 적용하여 사용하기에는 부적합함을 알 수 있다.
새롭게 제안하고자 하는 공압 발생 장치는 첫 번째로 가볍고, 컴팩트하게 설계를 진행하였다. 공압 발생 장치를 이동성을 갖는 착용형 로봇에 적용하기 위해서는 가벼워야 하며, 작은 부피에 많은 에너지를 저장할 수 있어야 한다. 반응기를 공압 탱크 내에 위치시킴에 따라 컴팩트한 설계를 하였으며, 반응기도 빠른 시간 안에 많은 양의 과산화수소를 분해할 수 있도록 설계하였다. 두 번째는 과산화수소 주입을 위한 외부의 에너지 도움 없이 중력을 이용하였다. 그 결과, 연료 주입을 위한 추가적인 전기 에너지 없이 고압의 압축 공기를 생성할 수 있다. 또한 공압 피드백을 통해 백 프레셔의 효과를 상쇄시킴에 따라 기존 컴프레서의 최대 압력 이상의 압력을 생성시킴으로써 소형의 공압 탱크에 많은 양의 공압 에너지를 저장할 수 있다. 이렇게 개발된 공압 발생 장치는 소음과 진동이 없기 때문에 인간을 보조하는 로봇에 적용하기에 매우 유리할 것으로 기대된다.
과산화수소 촉매 분해 반응 과정에서 생성되는 많은 양의 수증기는 이 시스템의 문제점으로 제기된다. 생성된 가스의 약 2/3가 수증기 이며 이를 바로 기존 공압 구동기에 적용하여 사용하기에는 내구성 등의 문제가 존재한다. 일부의 수증기는 생성과정에서 열손실이 발생하고 그 결과 일부는 액체로 존재하게 되는데, 이 액체는 공압 탱크 내부의 부피를 줄이게 되기 때문에 반드시 제거해야 한다. 본 시스템은 개발 과정에서 아래쪽으로 드레인 시키는 방법을 적용하여 물의 일부를 제거하고자 하였다.
개발된 시스템은 실린더 타입의 공압 구동기에 적용하여 성능 검증을 거쳤으며 연료 탱크과 공기 탱크 각각의 압력을 압력 센서로부터 받아 DSP로 넣어주어 컨트롤을 하였으며, On-Off 솔레노이드 밸브를 사용하였기 때문에 뱅뱅 컨트롤러를 설계하여 실험을 진행하였다. 실험 결과 제안된 시스템은 1kg의 과산화수소를 이용하여 100W의 파워로 153kJ의 일을 할 수 있었다. 이론적으로 검토해 볼 때, 일률 측면에서 제안된 시스템은 같은 무게의 모터 기반의 컴프레서보다 더 큰 출력을 얻을 수 있었으며, 동일한 무게의 베터리 기반의 시스템과 비슷한 일을 할 수 있을 것으로 예상되었다. 이는 과산화수소 촉매 분해 반응을 통해 나온 많은 양의 에너지가 주변과의 열 교환 과정에서 많은 양의 에너지가 손실됨과 동시에, 생성된 공압이 비효율적으로 이용되었기 때문이다. 앞으로 생성된 공압의 효율적인 사용에 대한 연구가 수반된다면 기존의 배터리 모터 기반의 컴프레서 보다 더 큰 파워로 많은 일을 할 수 있을 것이다.
