토폴로지 최적화로 다방향 굽힘 구현한 소프트 공압 액추에이터 TO-mdiSPAs

설계 의존적인 공압 하중을 정확히 반영한 토폴로지 최적화로 3차원 공간에서 임의 방향으로 굽힐 수 있는 소프트 공압 액추에이터를 체계적으로 설계할 수 있는가?

기존 소프트 공압 액추에이터는 설계자의 직관에 의존한 휴리스틱 설계가 많고, 출력 변형이 평면 운동에 머무는 경우가 많다. 3차원 공간에서 복잡한 기동을 하려면 여러 방향 벤딩이 필요한데, 이를 위한 체계적 설계 방법이 제한적이다.

기존 연구는 McKibben 액추에이터, 거머리 모사 다자유도 근육, Suzumori 다방향 액추에이터 등 휴리스틱 기반 설계를 주로 사용했다. 토폴로지 최적화를 소프트 공압 액추에이터에 적용한 일부 연구도 Darcy 법칙 기반 하중 모델을 사용했지만, 대부분 단방향 또는 양방향 벤딩에 초점을 맞췄고 제조 오차까지 고려한 다방향 강건 설계는 드물었다.

저자들은 2D 대칭 단면 설계 영역을 80×320개의 사각형 유한요소로 나누고, blueprint, dilated, eroded 설계를 함께 고려하는 3필드 강건 토폴로지 최적화를 사용했다. Darcy 법칙에 drainage 항을 더해 압력 하중이 재료 분포에 따라 달라지는 설계 의존적 특성을 모델링했고, 목표 출력 변위와 가상 스프링 강성을 반영한 min-max 문제를 MMA로 풀었다. 최적화된 단일 챔버를 네 방향(전방, 후방, 좌측, 우측)에 10개씩 배치하고, 각 방향 채널에 같은 압력 또는 다른 압력을 가해 합성 변형 방향을 제어한다.

최적화 결과는 SoRoTop MATLAB 코드로 생성했고, 이를 2D CAD와 3D CAD로 변환해 Abaqus에서 Ogden 재료 모델(μ1=1.57, α=2, D1=5×10^-5)로 해석했다. 세 개의 암을 가진 그리퍼 형상에서 Case 1로 Arm 1에 전방(C_f)과 좌측(C_l) 채널에 각 0.150 MPa를 가했을 때 끝단 변위는 x축 1.948 mm, y축 -15.667 mm, z축 15.658 mm였다. Arm 2는 후방(C_b)에만 0.150 MPa를 가해 x축 0.994 mm, y축 15.820 mm, z축 0.004 mm 변형했다. Arm 3은 전방과 우측(C_r)에 각 0.150 MPa를 가해 x축 1.948 mm, y축 -15.667 mm, z축 -15.658 mm를 기록했다. Case 2에서는 Arm 1에 전방 0.050 MPa, 좌측 0.075 MPa를 가했고 변위는 x축 0.009 mm, y축 -3.114 mm, z축 5.212 mm였다. Arm 2는 전방 0.100 MPa, 우측 0.150 MPa로 x축 1.131 mm, y축 -7.809 mm, z축 -15.751 mm였고, Arm 3은 후방 0.080 MPa, 우측 0.011 MPa로 x축 0.031 mm, y축 5.676 mm, z축 -0.630 mm였다. 기존 설계와의 정량적 비교는 논문에 제시되지 않았고, 실물 로봇 실험은 수행되지 않았다. 논문 본문에는 Case 1 압력을 0.015 MPa로 적은 곳도 있어 표의 0.150 MPa와 불일치한다.

저자들은 실물 제작과 실험 검증을 향후 연구로 남겼다. 현재 결과는 Abaqus 수치 해석에 국한되며, 실제 공압 시스템의 누설, 재료 비선형성, 반복 내구성은 검증되지 않았다. 최적화는 2D 대칭 단면에서 수행한 뒤 3D로 압출하는 방식이라 완전한 3D 토폴로지 최적화는 아니다. 코드와 CAD 파일의 공개 여부도 논문에 보고되지 않았다.