Though mobile robots are developing in many research areas, it is hard to maintain high performances while reducing weight and volume of the robot, due to the limitations of actuators. To overcome these constraints, researches on many types of actuator are proceeding, but still the performances are far behind the required performances. Among many actuators, pneumatic actuator has many advantages, has a potential as an actuator for wearable robots, due to its flexibility. Since the lack of portable mobile pneumatic energy source is one of the most challenging drawback of pneumatic actuator, novel real-time pressurized gas generation mechanism for robot hand is newly proposed in this thesis, with passive fuel injection and pressure feedback mechanism, which regulates pressure by itself. Based on the dynamic mathematical model, the performances of the proposed mechanism are estimated and verified from the experiment. In addition, dual-mode pneumatic tendon actuation mechanism with reduced gas consumption rate is proposed for efficient actuation, while satisfying fast bending speed and large grasp force of the robot hand. To figure out the suitability of proposed actuation mechanism, position and force controllers for dual-mode actuator are designed. Finally, the grasping performances of the developed pneumatic robot hand are observed and the energy performance is evaluated.
의료, 국방, 서비스 등 다양한 분야에서 모바일 로봇의 개발이 진행되고 있으나, 구동기의 성능 한계로 인해 고성능을 유지하면서 소형/경량화 하는데 한계가 존재한다. 이러한 구동기의 한계를 극복하기 위해 모터, 유압, 공압 및 신소재 기반 구동기에 대한 연구가 진행되고 있으나, 여전히 성능 한계를 극복하기는 쉽지 않다. 다양한 구동 방식 중에서, 내제된 유연성과 출력 유지의 효율성 등으로 인해 공압 구동기가 의수와 같은 착용형 인간 보조 로봇에 적합할 것으로 생각되지만, 콤프레서의 필요로 인한 휴대성 감소는 큰 단점이다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 본 연구에서는 과산화수소수의 촉매 분해에 기반한 실시간 공압 발생 기법과, 이에 기반하여 구동되는 로봇 핸드를 위한 듀얼 모드 공압 구동 메커니즘을 새롭게 제안한다. 제안된 공압 생성 기법은 별도 밸브와 인젝터를 사용하지 않고 가스스프링을 이용한 패시브한 연료 주입 메커니즘을 이용하였으며, 생성된 공압의 피드백을 통해 자동 공압 조절 메커니즘을 구현하였다. 이를 통해 별도의 제어기를 사용하지 않음에도 불구하고 콤팩트한 크기에서 높은 공압을 효율적으로 생성하고 조절할 수 있도록 하였다. 또한, 생성된 공압을 보다 효율적으로 사용하면서도, 로봇 핸드에서 필요로 하는 빠른 파지 속도와 파지력을 충족시키기 위해 듀얼 모드 공압 구동 메커니즘을 새롭게 제안하여, 촉매 분해에 기반한 듀얼 모드 공압 구동 시스템을 완성하였다. 실제 제안된 구동 시스템에 대하여 수학적 모델링에 기반한 해석과 실험 결과를 비교하여 그 성능을 확인하였으며, 실제 로봇 핸드에 적용 시 구동 성능을 확인하기 위하여 인간형 로봇 핸드를 개발하여 파지 성능과 운용 시간 등의 성능을 관찰하였다.
