Pneumatic Artificial Muscle (PAM) is a soft actuator driven by injecting air into a flexible, inflatable membrane. Many researchers have attempted to apply PAM to wearable robots or rehabilitation devices because of their high force-to-weight ratio and their compliance and hazard-free characteristics, allowing safe physical Human-Robot Interaction (pHRI). However, previous PAMs have shown limitations in practical wearable applications due to their cylinder structure and the main material rubber’s viscoelastic property. The cylindrical shape, which occupies a large volume of whether the air is injected or not, led to low wearability, and the viscoelastic property produced a slow response and a significant hysteresis error.
This study proposes a flat fabric pneumatic artificial muscle (ffPAM), achieving high compactness, rapid response, and low hysteresis error. The flat structure using the commercially available rip-stop nylon fabric and 3D printed end fittings allows a cost-effective and straightforward manufacturing process. The aspect ratio of the ffPAM determined through the design parameter study was 1 : 1.79. Using the thin fabric of 0.4g as a base material, the actuator’s total weight is only 34.8g.
The ffPAM exerts a maximum force of 118 N at 172 kPa, and the average maximum contraction ratio is about 24 %. By reducing the internal friction between the fiber or braid and the rubber material, the ffPAM achieved a low hysteresis error of 6.2 % and is reduced by more than half compared to other flat-type PAMs. Based on dynamic response experiments, the ffPAM was verified to have a response time of 0.032 s for contraction, and the bandwidth of more than 4 Hz, regarding the contraction length with respect to input pressure. Moreover, a maximum contraction length was maintained during 10,000 cycles. To emphasize the compactness of the ffPAM in practical wearable applications, the actuator was placed between the legs, and its compactness was compared with that of previous PAMs. Additionally, the ffPAM has a fabric-based soft contractile sensor for the measurement of the contraction. Based on the flat surface of the ffPAM, a direct embedding of a soft sensor by simply stacking a planar soft sensor over the actuator’s flat surface was introduced. The capacitance of the embedded capacitive contractile sensor has a linear relationship with the contraction length at constant pressures. Position control of the ffPAM using the embedded contractile sensor exhibited a remarkably rapid rise time of 0.25 s under the contraction length of 10 mm.
공압 인공 근육(PAM)은 유연하고 팽창 가능한 막에 공기를 주입하여 구동되는 소프트 엑추에이터입니다. 많은 연구자들이 공압 인공 근육을 웨어러블 로봇과 재활 장치에 적용하려고 시도하였는데, 그 이유는 무게 대비 힘 비율이 높고 안전한 물리적 인간-로봇 상호작용(pHRI)을 가능하게 하는 컴플라이언스와 위험이 없는 특성 때문입니다. 하지만 이전에 개발된 공압 인공 근육들은 원통형 형태의 구조와 주요 재료로 사용되는 고무 재료의 점탄성 특성으로 인행 실제 웨어러블 응용 분야에서 한계점들을 보여왔습니다. 공기 주입 여부와 관계없이 많은 부피를 차지하는 원통형 형상은 착용성이 낮고, 점탄성 특성으로 인해 느린 반응과 큰 이력 오차가 발생했습니다.
이 연구는 높은 컴팩트 함, 빠른 응답 및 낮은 이력 오차를 달성하는 평면형 천 소재 공압 인공 근육 (ffPAM)을 제안합니다. 상용 립 스톱 나일론 천 소재와 3D 프린팅 된 양 끝 연결부를 사용한 평평한 구조는 비용 효율적이고 간단한 제조 공정을 가능하게 합니다. 설계 매개 변수 연구를 통해 결정된 엑추에이터 셀의 종횡비는 1 : 1.79이며 0.4g의 얇은 천을 기본 소재로 사용하여 엑추에이터의 총 중량은 34.8g에 불과합니다.
제안된 엑추에이터는 172kPa의 압력에서 최대 118N의 힘을 출력하며 평균 최대 수축률은 약 24%입니다. 또한, 섬유 또는 브레이드와 고무 소재 사이의 내부 마찰을 줄임으로써 제안된 엑추에이터는 6.2%의 낮은 이력 오차를 달성하였으며 이는 다른 평면형 공압 인공 근육들에 비해 절반 아래로 감소한 값입니다. 동적 응답 실험을 기반으로 제안된 구동기는 입력 압력에 대한 수축 길이와 관련하여 0.032초의 수축 응답을 갖으며 대역폭이 4Hz 이상임을 확인하였습니다. 또한 최대 수축 길이는 10,000회의 실험 동안 유지되는 것을 확인하였습니다. 실제 웨어러블 어플리케이션에서 제안된 구동기의 컴팩트함을 강조하기 위해서 엑추에이터를 다리 사이에 배치하고 이를 이전 공압 인공 근육들과 비교하였습니다. 제안된 엑추에이터에는 수축 측정을 위한 천 소재 기반 소프트 수축 센서가 내제되어 있습니다. 엑추에이터의 평평한 표면을 기반으로 이 위에 평면형 소프트 센서 층을 간단히 쌓는 것으로 소프트 센서 내제가 진행되었습니다. 내재된 수축 센서의 정전 용량은 일정한 압력에서 수축 길이와 선형의 관계를 갖습니다. 내재된 수축 센서를 활용한 엑추에이터의 위치 제어에서 목표 수축 길이가 10mm 일 때, 0.25 초의 현저하게 빠른 상승 시간을 나타냈습니다.
