IPMC 고유특성에 기반한 액추에이터 모델링 및 위치 제어 시스템 개발

Abstract

최근 센서 및 액추에이터는 과거 물리적 신호에 의한 동작 방식에 비해 측정된 데이터의 처리, 보정, 사용자 인터페이스 등 좀 더 복합적, 지능적 시스템의 개념으로 변화하고 있다. 그리고 신소재를 바탕으로 한 센서들이 많이 등장하고 있는데 이를 활용하여 인간의 동작 구성과 유사한 액추에이터들이 개발되고 있다. 이 중에서도 EAP(Electro-active Polymer)는 실제 인간의 근육과 비슷한 탄성, 복원력, 변형력 때문에 차세대 인공 근육으로서 많은 분야에서 다양한 연구가 진행되고 있다. 그 중 EAP의 한 종류인 IPMC(Ionic Polymer Metal Composites)를 이용하여 추가적인 센서 없이 자체적인 특성을 이용하여 위치를 측정 및 유지할 수 있는 새로운 센서 시스템으로서의 가능성을 보였다. 본 논문에서는 IPMC가 낮은 구동 전압 하에서도 변형을 하며, 가볍고 부드럽다는 특징 및 충전된 전압을 통해 스스로 위치를 추정할 수 있는 특징을 통해 액추에이터와 센서로서 적용 가능하다는 가능성이 있다는 것을 증명하였다. 이를 이용하여 전압을 가하면 내부 이온들의 움직임으로 인해 음극 방향의 IPMC가 팽창하여 양극 방향으로 휘어지는 현상과 IPMC 내부에 전하가 충전되는 성질을 응용한 Self-sensing Method를 이용하여 추가적인 센서 없이 IPMC 액추에이터 자체만으로 위치를 유지할 수 있었다. 그래서 IPMC를 모델링하고 제어이론을 적용하여 IPMC 액추에이터를 이용한 위치 제어 시스템을 설계하고 가볍고 약한 물체를 다룰 수 있는 방법을 제안하고자 한다.; Recently, sensors and actuators are changed from simple devices, which process physical signals, to more complex and intellectual systems for various tasks such as handling complicated measured data, calibration, user friendly interface. Also, new types of sensors are developed by using new materials. This kind of technical progress helps the development of new type of actuator which is operated like real motions of human. Various studies are preceded as an artificial muscle using Electro-active Polymer (EAP) because of its elasticity, strength of stability, stress component, which are similar characteristics to actual human's muscle. It is shown that an Ionic Polymer Metal Composites (IPMC) is a kind of EAP which has sensory function. It can be utilized for both actuator and sensor to keep a position without any additional sensors. This paper represents that the IPMC generates bending motions by low driving voltage. It is light, soft and also has the ability to accumulate charges inside the IPMC, which make it possible for IPMC to be used as an actuator and a sensor. As a result, IPMC can keep the position without any additional sensors by the advanced self-sensing method which is possible by using the accumulated charges inside the IPMC actuator. This paper proposes a method by which the position control of an IPMC actuator is possible, and represents a viability to handle a weak object using the proposed position control system for the IPMC actuator.