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Title Page

Contents

ABBREVIATIONS 12

ABSTRACT 13

I. INTRODUCTION 15

1.1. Motivation 15

1.2. Research Objectives and Contributions 19

1.3. Research Overview 21

II. HARDWARE DESIGN AND METHOD 22

2.1. Shape Morphing Blocks 22

2.2. Inflatable Structure 26

2.3. Individual Block Activation 27

2.4. Theorical Backgroud for EIT 33

III. FABRICATION 38

3.1. Material 38

3.2. Deploying and Stakcing Method for Hardware 40

3.3. Tactile Sensor Fabrication 45

IV. EXPERIMENT AND RESULT 47

4.1. Reconfigurable Shape Morphing Blocks Performance 47

4.1.1. Properties of Single Block 47

4.1.2. Experiment Setup 49

4.1.3. Mechanical Performance of Multiblock 50

4.1.4. Individual Activations for Multiblock 59

4.2. Tatile Sensng Performance 62

V. CONCLUSION 70

VI. REFERENCES 73

ABSTRACT IN KOREAN 77

List of Tables

Table 1. Energy consumpsion and response time about two structures. 25

Table 2. Response time(s) depending on the valve diameter at different pressures. 31

Table 3. Comparing the power mass ratio of positive pressure and negative pressures. 55

Table 4. Comparison of mechanical properties with several module structures. 58

Table 5. Material properties for finite element analysis. 65

List of Figures

Figure 1. Folding mechanism-inspired pneumatic actuator. (a) reconfigurable... 20

Figure 2. Possible folding modes for the shape morphing block. (a) Single... 23

Figure 3. Two block design for comparison the energy. 25

Figure 4. Inflatable structure with bistablility. 26

Figure 5. Proposed design of the two passages for individual activation. 28

Figure 6. Stretchable pneuamtic passage. 28

Figure 7. Proposed design of the pneumatic custom valve and the valve... 31

Figure 8. Diagram of the block during inflation from state 1 to state 2. 31

Figure 9. Working mechanism of individual pneumatic activations for two blocks. 32

Figure 10. The materials of main two structures. (a) Reconfigurable shape... 39

Figure 11. Fabrication process for the shape morphing block. 42

Figure 12. Connection method for shape morphing block. (a) Vertical... 42

Figure 13. Fabrication process for the inflatable structure. 44

Figure 14. Fabrication process for the folding mechanism based tactile sensing. 46

Figure 15. Characterization of a single block in active and passive... 48

Figure 16. The experiment setting for measuring the force and deformation. 49

Figure 17. Pneumatic passage property. (a) Relation between the pneumatic... 51

Figure 18. Expansion and Compression force of the single block. (a)... 53

Figure 19. The four different multiblock for experiments of multiblock performance. 57

Figure 20. Response time and compression force for four different multiblock.... 57

Figure 21. Response time o f single block when location of activated block... 60

Figure 22. Changes of bending angle and length according to individual block... 61

Figure 23. Examples of individual activations for three-block stacked... 61

Figure 24. Folding simulation of sphere-to-rod folding mechanism-based... 65

Figure 25. Evaluation of the mechanical stress distribution from single-point... 66

Figure 26. Evaluation a piezoresistive performance of the proposed sensor... 68

초록보기

폴딩 메커니즘 기반의 공압 액츄에이터는 로봇 공학에서 빠르고, 커스터마이징이 가능하며, 큰 변형과 3 차원 형상 변형이 가능하여 엄청난 잠재력을 가지고 있다. 최근 모듈형 로봇은 폴딩 메커니즘 기반의 자체 변형이 가능한 블록 배열에서 그 구성과 모양을 변경할 수 있어, 다중 기능을 수행할 수 있는 재구성 가능한 로봇 시스템에서 자주 활용된다. 본 연구에서는 재구성이 가능한 형상 변화 블록과 촉각 센싱이 가능한 폴딩 메커니즘 기반의 공압 엑츄에이터를 제시한다. 형상 변화 블록 시스템은 효과적인 공압 제어를 위해 내부 공압 통로와 단일 압력 입력만으로 각 블록(13g)을 수동으로 개별 제어할 수 있는 수동 밸브로 구성되었다. 폴딩 메커니즘 기반의 3 차원 구조에서의 촉각 감지 기능은 정확성과 안정성을 고려하여 3 가지 파트를 갖는 센서 층을 포함한 하드웨어 제작 방법을 통해 제시된다. 형상 변화 블록의 확장성과 가역성을 증명하기 위해 팽창 및 압축에 따른 블록의 힘의 크기와 그의 반응 속도를 측정했다. 촉각 센서 성능 확인을 위해 유한 요소 해석을 기반으로 구와 기둥 상태에서의 하드웨어의 응력 분포 분석과 시편 실험을 통해 터치 센서 층의 국부적인 피에조저항 변화에 대해 분석했다. 본 논문에서 제시하는 형상 변화 블록과 촉각 센싱 방법을 기반으로 하는 공압 액츄에이터는 향후 효율적인 제어를 기반으로 다자유도를 갖는 로봇과 촉각 센싱을 기반으로 하여 사용자와의 상호작용이 가능한 로봇으로의 활용을 기대한다.

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