In this thesis, we describe the development progress of a feedback controllable soft actuator that is composed of Shape Memory Alloy that has high output force and displacement and optical strain sensor that can stretch over 100 % of its initial length. We have designed a system that can achieve a fast cooling rate by applying the coolant circulation system in a SMA coil spring actuator. The optimization of cooling and heating rate with respect to the thermal properties of the coolants and flowrate of the fluid were performed by simulation of heat transfer model for the actuator and several experiments with various coolants. From the experiments, the actuator that applies cooling system with mineral oil shows fastest actuation speed of 0.5 Hz with 40 % Contraction. Also, the fabricated stretchable strain sensor can measure up to 100 % extension strain with high signal-to-noise ratio. The sensor was fabricated to tube shape for easy integration with soft actuator above, and the performances in dynamic situation were experimented. Through this research, we suggested the possibility of producing a new type of soft actuator for artificial muscle that combines a soft actuator and sensor together.
본 학위논문에서는 소프트 액추에이터 중에서도 변위와 출력 힘이 큰 형상기억합금을 유연하고 잘 늘어나는 광 스트레인 센서와 결합하여 피드백 컨트롤이 가능한 새로운 소프트 액추에이터의 개발 과정에 대해 기술한다. 형상기억합금 스프링 액추에이터에 냉매 순환 시스템을 도입하여, 빠른 냉각 속도를 얻을 수 있는 시스템을 설계하였다. 열전달 모델링 및 실험을 통해 유체의 열특성 및 유속에 대해 냉각 속도와 가열 속도를 비교하였고, 이를 통해 최적의 유체 열특성 및 유속을 선정하였다. 이를 통해, 미네랄 오일을 이용한 냉각 시스템이 최적화된 에너지 소모를 보이며, 0.5 Hz의 속도로 원래 길이의 40 %까지 수축 및 이완 동작을 반복할 수 있음을 확인하였다. 또한, 개발된 광 스트레인 센서는 100 %의 인장 스트레인까지 측정할 수 있으며, 신호 대비 노이즈가 낮은 우수한 성능을 보인다. 제시된 소프트 액추에이터와 쉽게 결합할 수 있도록 튜브형으로 센서를 제작하고, 동적 상황에 대한 성능을 평가하였다. 이러한 연구를 통해, 액추에이터와 센서가 결합된 하나의 모듈을 개발하여 향후 인공 근육으로 활용이 가능한 액추에이터 모듈 제작의 가능성을 제시하였다.