Design and Validation of Soft Variable Stiffness Actuator

Abstract

The development of soft exoskeletons has prompted a corresponding need for advanced soft actuators, which have now become a crucial component. Ensuring the safety of individuals with disabilities requires the ability to adjust stiffness levels based on the severity and recovery progress of specific patients. Additionally, mechanisms capable of appropriate rehabilitation exercises in accordance with individual muscle stiffness and tension are imperative. This thesis focused on the developing soft actuator with various stiffness mechanism that can be potentially used in the soft exoskeleton.

Wearing a soft exoskeleton with soft actuators can provide assistance to human muscles. For instance, muscle support in the forward-backward direction is necessary for the knee, while support in the side-to-side direction is needed for the ankle. Therefore, the exoskeleton must be capable of adjusting its stiffness assistance both in the axial and radial directions to accommodate the human body's changing needs. To address this, the actuators were strategically positioned on the human body, ensuring they could effectively provide the necessary assistance in the required directions.

Modeling and bench testing of the mechanism were conducted to verify the mechanism applied to the actuator. A stiffness value was obtained through bench test by measuring the amount of force required when one side of the actuator is fixed while the length is changed on the other side. By analyzing the calculated values obtained through modeling and the data from the bench tests, it was possible to validate that the stiffness change occurred. As the mechanism was driven, different stiffness values could be implemented step by step. With the jamming mechanism, it can be seen that the stiffness stages increased sequentially as the layers are combined one by one. With the sliding mechanism, the stiffness stages increased gradually as the layer slides.

Consequently, we have successfully demonstrated the effectiveness of the mechanism and validated the precision of our analytical modeling. Furthermore, we are confident that soft actuators equipped with a various stiffness mechanisms will be beneficial in providing support for human muscles.| 소프트 외골격의 개발이 활성화되면서 소프트 외골격에 사용되는 소프트 액추에이터도 중요한 부분이 되고 있다. 장애인의 안전을 위해서는 특정 환자의 중증도와 회복 정도에 따라 강성을 조절해야 하며, 근육의 경직도와 근육의 긴장도에 따라 적절한 재활 운동이 가능한 메커니즘이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 소프트 외골격에 잠재적으로 사용될 수 있는 다양한 강성 메커니즘을 가진 소프트 액추에이터 개발에 초점을 맞추었다.

소프트 액추에이터가 장착되어 있는 소프트 외골격을 착용함으로써 인간의 근육은 보조를 받을 수 있다. 무릎과 같은 경우는 축방향의 근육 보조가 필요하며, 발목과 같은 경우는 경방향의 근육 보조가 필요하다. 따라서 인간의 몸에는 축방향과 경방향의 강성 보조 단계의 변화가 필요하다. 이를 고려하여, 액추에이터가 인간의 몸에 어느 부분에 부착될지를 정하고, 이에 따라 강성 변화가 필요한 방향에 효과적으로 적용될 수 있는 액추에이터를 디자인하였다.

액추에이터에 적용된 메커니즘을 검증하기 위해서 메커니즘에 대한 모델링과 벤치 테스트를 실행하였다. 액추에이터의 한쪽은 고정된 상태에서 다른 쪽은 길이가 변화될 때 필요한 힘의 양을 측정하여 벤치 테스트를 통하여 강성값을 구하였다. 모델링을 통해 구해진 계산값과 벤치 테스트의 데이터를 분석하여 강성 변화가 일어남을 검증할 수 있었다. 메커니즘이 구동함에 따라 단계별로 서로 다른 강성 값을 구현할 수 있었다. 재밍 메커니즘의 경우, 레이어가 하나씩 합쳐짐에 따라 강성 단계가 순차적으로 증가함을 볼 수 있었다. 슬라이딩 메커니즘의 경우, 레이어가 슬라이딩 됨에 따라 강성 단계가 순차적으로 증가함을 볼 수 있었다.

결과적으로 메커니즘의 효과를 성공적으로 입증하고 해석 모델링의 정확성을 검증하였다. 또한 다양한 강성 메커니즘을 갖춘 소프트 액추에이터가 인간 근육을 지지하는 데 유용할 것이라고 확신한다.