Soft robots have a potential to interact with the human counterparts safely and handle fragile objects without breaking due to their adaptation ability in shape and stiffness to the environment. This capability makes soft robots to be considered as a breakthrough in many robotics applications including grasping hands, rehabilitation robots and physical human-robot interactions. However, their inherent softness from the material also provides reduced structural behaviors and it limits the application and payloads of the soft robot. Therefore, variable stiffness soft actuator is highly expected in soft robotics. In this research, the stiffness modulation method that is inspired by the connected ossicle structures of an echinoderm is proposed. Echinoderm’s body wall actively modulates their stiffness more than 10 times through the material and structural features of the calcite ossicles, connective tissue and inter-ossicular muscle. Based on the analyzation result of echinoderm’s body wall, suggested method is designed and stiffening layer was fabricated with combination of three design parameters which gives large stiffness factor. To figure out that the actuator is fabricated and actuate as intended, micro-CT was used to observe and analyze the change of the internal ossicle position and porous structure according to the vacuum level. As an application to demonstrate the feasibility of the proposed design, the robotic gripper is selected. Bending motion generating parts, needed for use as a finger, was selected based on the ability to robustly realize the performance, such as bending curvature and blocking force, even with vacuum level change. Lastly, grasping ability change by applying suggesting variable stiffness method was tested with three different types of robotic gripper design for different task purpose. This variable stiffness mechanism can be applied not only to robotic gripper but also to various applications where the transition in between compliant and rigid state are needed like active orthosis or pneumatic artificial muscles. Consequentially, this study aims to expand the application range of soft robot by suggesting variable stiffness mechanism to control the rigidity of soft robot according to the given task.
소프트 로봇은 사람과 안전하게 상호작용할 수 있는 잠재력을 가지며 환경에 대한 모양 및 강성의 적응 능력으로 인해 깨지기 쉬운 물체를 처리하기에 용이한 특성을 가진다. 이러한 특성은 재활 로봇 및 사람과 로봇 간의 상호작용을 요구하는 많은 어플리케이션에서 소프트 로봇이 획기적인 돌파구가 될 수 있는 가능성을 제시해준다. 그러나 재료의 고유한 유연성은 로봇이 견딜 수 있는 유효 하중의 감소를 가져와 소프트 로봇의 적용 범위를 제한한다. 따라서, 소프트 로봇 분야에서 가변 강성이 높은 기대를 받고 있다. 본 연구에서는 극피동물의 골편 구조에서 영감을 받은 가변 강성 메커니즘을 제안한다. 극피동물의 체벽은 골편, 결합 조직 및 골편 간 근육의 물질적, 구조적 특성을 통해 10배 이상 강성을 변화시킨다. 이러한 극피동물의 체벽 분석 결과를 바탕으로 가변 강성 메커니즘을 디자인하였으며, 큰 강성 계수를 보이는 3가지 설계 변수를 조합하여 최종적인 가변 강성 구동기를 제작하였다. 구동기가 제작되고 의도한대로 작동하는지를 확인하기 위해 마이크로 CT를 사용하여 진공도에 따라 내부 골편 위치와 다공성 구조의 변화를 관찰하고 분석하였다. 제안된 설계의 실현 가능성을 입증하는 어플리케이션으로는 그리퍼를 선정하였다. 그리퍼의 손가락에 적용하기 위해 필요한 굽힘 동작 생성부는 진공도 변경에도 곡률 및 가할 수 있는 힘과 같은 성능을 강건하게 출력할 수 있는 능력을 기준으로 선정하였다. 마지막으로, 가변 강성 메커니즘을 제안함으로써 생기는 파지 능력 변화는 각각 다른 작업을 위한 세가지 유형의 그리퍼에 대해 실험하였다. 제안하는 가변 강성 메커니즘은 로보틱 그리퍼뿐만 아니라 능동적인 보조기 또는 공압 인공 근육과 같은 유연한 상태와 강직한 상태 사이의 전환이 필요한 여러 분야에 적용될 수 있다. 결론적으로 본 연구는 주어진 작업에 따라 소프트 로봇의 강성을 제어하기 위한 가변 강성 메커니즘을 제안함으로써 소프트 로봇의 적용 범위를 확대하는 것을 목표로한다.
