[논문]밴딩 전파 구동을 이용한 파리지옥 로봇의 소프트 모핑 동작

김승원; 고제성; 조맹효; 조규진

doi:10.5302/j.icros.2012.18.3.168

밴딩 전파 구동을 이용한 파리지옥 로봇의 소프트 모핑 동작
Soft Morphing Motion of Flytrap Robot Using Bending Propagating Actuation 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.18 no.3, 2012년, pp.168 - 174

김승원 (서울대학교 기계항공공학부 바이오로보틱스연구실) , 고제성 (서울대학교 기계항공공학부 바이오로보틱스연구실) , 조맹효 (서울대학교 기계항공공학부 지능구조설계 연구실) , 조규진 (서울대학교 기계항공공학부 바이오로보틱스연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a bending propagating actuation using SMA (Shape Memory Alloy) spring for an effective shape transition of a flytrap-inspired soft morphing structure. The flytrap-inspired soft morphing structure is made from unsymmetric CFRP (Carbon Fiber Reinforced Prepreg) structure which shows bi-stability and snap-through phenomenon. For a thin and large curved bistable CFRP structure, SMA spring is more acceptable than SMA wire and piezoelectric actuator which used in previous investigations. A bending propagating actuation is proposed which can induce snap-through of the bi-stable CFRP structure effectively. From this research, effective shape transition of soft morphing structure is possible.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

결과가 동적인 거동에 의한 영향을 받지 않도록 하였다.
기존의 양방향 안정성 CFRP 구조체를 다룬 연구와 다른 점은, 본 연구에서 사용하는 양방향 안정성 CFRP 구조가 기존의 연구에 사용된 구조보다 얇으면서 곡률이 크기 때문에 기존 연구에서 소개하는 구동기와 구동 방식은 얇고 곡률이 큰 경우에 대하여 소프트 모핑을 유도하기에 부적합하다. 따라서 본 연구는 소프트 모핑을 구현하는 파리지옥의 잎처럼, 얇은 양방향 안정성 CFRP 구조체의 큰 곡률에 대한 변형을 유도할 수 있는 구동기인 SMA 스프링과 그의 배치에 따른 특성을 비교하고, SMA 스프링으로 밴딩 모멘트를 전파시킴으로써 구조의 snap-through를 유도하여 새로운 방식의 소프트 모핑 움직임을 생성하는 방식을 소개한다.
본 논문에서는 파리지옥 잎의 양방향 안정성 구조와 snapthrough 현상을 보고서 영감을 얻어 모핑 구조체로 활용 가능한 얇고 곡률이 큰 양방향 안정성 CFRP 구조체를 SMA 스프링을 이용한 밴딩 전파 구동 방식으로 구조의 좌굴 현상이 없이 형상전이가 가능하게 하였다.
본 연구는 앞서 설명한 바와 같이 소프트 모핑 구조에 적합한 소재인 양방향 안정성 CFRP 구조체에 한정하여, 이의 효과적인 형상전이를 유도하기 위한 구동기의 선정과 함께 구동기의 부착 위치에 따른 형상전이의 동작특성에 대하여 다루었다. 기존의 양방향 안정성 CFRP 구조체를 다룬 연구와 다른 점은, 본 연구에서 사용하는 양방향 안정성 CFRP 구조가 기존의 연구에 사용된 구조보다 얇으면서 곡률이 크기 때문에 기존 연구에서 소개하는 구동기와 구동 방식은 얇고 곡률이 큰 경우에 대하여 소프트 모핑을 유도하기에 부적합하다.
앞서 설명한 바와 같이 큰 변형을 가지는 모핑 구조를 설계하는데 있어 비대칭 적층 CFRP 구조의 곡률을 줄이지 않으면서 효과적으로 snap-through를 일으키기 위해서는 새로운 구동기의 개발 혹은 기존의 구동기를 다른 방식으로 활용하는 새로운 메커니즘의 개발이 필요하다. 이 중에서 기존의 구동기를 이용한 새로운 메커니즘의 개발이 새로운 구동기를 개발하는 것보다 빠른 적용 가능성을 기대할 수 있기 때문에 본 연구는 특별히 SMA 와이어를 응용하는 방안을 선택하였다.

제안 방법

그림 3. CFRP의 탄소 섬유 방향에 따른 강성과 열팽창계수 의 크기 비교.
다음으로 CFRP 구조체의 밴딩 전파 구동에 필요한 하중을 만족하며 동작할 수 있는 SMA 스프링 인장 실험을 수행하였다. SMA 스프링은 CFRP 구조체의 밴딩 전파 방식 구동에 필요한 하중 값에 안정계수를 1.15로 설정하여 충분한 구동력이 나오는 범위로 설계하였다. SMA 스프링을 인장한 뒤 0.
SMA 스프링을 이용하면 와이어와 마찬가지로 선형으로 구동 변위를 생성하는 점과 휘어진 CFRP 구조체를 snapthrough시키기 위해서 구조에 밴딩 모멘트를 가해야 하는 점, 이 두 가지를 고려하여 그림 6과 같은 구동기 부착 방식을 고안했다.
다음으로 CFRP 구조체의 밴딩 전파 구동에 필요한 하중을 만족하며 동작할 수 있는 SMA 스프링 인장 실험을 수행하였다. SMA 스프링은 CFRP 구조체의 밴딩 전파 방식 구동에 필요한 하중 값에 안정계수를 1.
앞서 설명한 밴딩 전파 방식은 밴딩 과정 동안 CFRP 구조에 유지되어야 하는 필요 하중을 알아야 이에 맞는 SMA 스프링을 장착하여 구현할 수 있다. 따라서 150 mm x 150 mm 크기의 비대칭 적층 CFRP 구조체를 만들어서 그림 7과 같은 방식으로 인장실험을 수행하였다. 실험에 사용한 CFRP 구조의 재원인 CFRP의 물성은 표 1에 기재하였다.
본 연구실에서는 파리지옥에 대한 연구 결과들과 비대칭으로 적층한 양방향 안정성 CFRP 구조체에 관한 연구들을 참고하여, 그림 1과 같이 파리지옥처럼 구조가 단순하면서 소프트 모핑을 통해 서로 다른 형상간의 전이가 가능한 파리지옥 로봇을 개발하였다[3,4].
이러한 줄의 배치는 CFRP의 모서리에 가해지는 줄의 장력이 항상 일직선으로 향하며 밴딩 모멘트를 발생시켜서 실제로 SMA 스프링을 장착했을 때의 상황을 구현해 준다. 이 과정에서 자중에 의한 구조의 처짐을 방지하기 위해 CFRP 윗부분에 보조 줄을 부착하여 CFRP 구조체가 바닥에 닿지 않도록 하였고, 마찰을 최소화하기 위하여 줄과 고리가 닿는 부분에 윤활유를 발랐다. 인장속도는 20 mm/min으로 하여 실험
앞서 고려한 네 가지의 SMA 스프링 배치들을 종합적으로 비교해보면, 양방향 안정성 CFRP 구조의 모핑을 일으키기 위해 적합한 방식은 그림 6(d)와 같은 밴딩 전파 방식이다. 이 방식으로 구동하기 위해서는 CFRP 구조가 밴딩 모멘트에 의해 휘어지면서 snap-through가 될 때의 필요 하중을 알아야하기 때문에 비대칭 적층 CFRP 구조체의 밴딩 전파에 대한 인장실험을 수행하였다.

대상 데이터

따라서 150 mm x 150 mm 크기의 비대칭 적층 CFRP 구조체를 만들어서 그림 7과 같은 방식으로 인장실험을 수행하였다. 실험에 사용한 CFRP 구조의 재원인 CFRP의 물성은 표 1에 기재하였다.

성능/효과

그림 8은 실험 결과를 바탕으로 SMA 스프링을 장착한 CFRP 구조체의 밴딩 전파 구동 모습이다. SMA 스프링의 작동으로 생긴 밴딩 모멘트가 CFRP 구조의 한 부분에서부터 반대 부분까지 전파되면서 처음의 안정 형상에서 다른 안정 형상으로 빠르고 안정적으로 전환됨을 확인할 수 있다.
결론적으로 파리지옥 잎의 비대칭적인 응력장에 의한 양방향 안정성 구조는 자연에서의 생존이라는 측면에서 잎을 열고 대기하는 동안이나 잎을 닫고 소화하는 동안 에너지의 소모가 거의 없으며 곤충을 잡을 때에도 구조의 특성인 snap-through 현상을 통해 식물의 한계인 정적인 움직임을 극복하여 매우 빠른 속도로 잎을 움직이기에 매우 효율적인 모핑 구조임을 증명한다.
그리고 바깥 면의 SMA 스프링을 구동하면 소프트 모핑 과정을 거쳐 CFRP 구조체를 다시 열린 상태로 만든다. 이를 통해 복합재 구조를 이용한 소프트 모핑 움직임을 생성할 수 있고, 응용 측면에서 구조적으로 단순하면서 변형을 일으키는 단계에서만 에너지를 소비하는 효율적인 gripper의 가능성을 보여주었다. 이러한 소프트 모핑 로봇을 개발하는데 있어서 중요한 것은 소프트 모핑이 가능한 소재와 구조, 그리고 해당 구조에 모핑을 일으킬 수 있는 구동기의 선정과 함께 구동기의 부착 위치이다.

후속연구

앞서 설명한 바와 같이 큰 변형을 가지는 모핑 구조를 설계하는데 있어 비대칭 적층 CFRP 구조의 곡률을 줄이지 않으면서 효과적으로 snap-through를 일으키기 위해서는 새로운 구동기의 개발 혹은 기존의 구동기를 다른 방식으로 활용하는 새로운 메커니즘의 개발이 필요하다. 이 중에서 기존의 구동기를 이용한 새로운 메커니즘의 개발이 새로운 구동기를 개발하는 것보다 빠른 적용 가능성을 기대할 수 있기 때문에 본 연구는 특별히 SMA 와이어를 응용하는 방안을 선택하였다.
향후에는 구동기를 구조에 장착한 형태를 모듈화하고, 여러 개의 모듈을 이어 붙여 다양한 모핑 움직임과 형상을 구현하는 연구를 수행할 것이다. 이를 통해 소프트 모핑 구조체의 효율적인 형상 전이 및 제어가 가능할 것으로 기대한다.
향후에는 구동기를 구조에 장착한 형태를 모듈화하고, 여러 개의 모듈을 이어 붙여 다양한 모핑 움직임과 형상을 구현하는 연구를 수행할 것이다. 이를 통해 소프트 모핑 구조체의 효율적인 형상 전이 및 제어가 가능할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파리지옥 잎의 어떤 구조로 인해 곤충을 잡는가?	1초에 해당한다. 파리지옥은 잎의 구조가 섬유 재질에 기반한 양방향 안정성 구조체(bistable structure)이며, 그 구조의 특성인 snap-through 현상을 이용한 빠른 형상 전이를 통해 곤충을 잡는다. 파리지옥의 단순한 구조와 빠른 형상 전이 특성은 하나의 구조가 서로 다른 형상으로 변형할 수 있고 외부의 에너지 공급이 없이 변형된 형상을 유지할 수 있는 모핑(morphing) 구조체의 설계에 있어서 모사 대상으로 적합하다.
	생체모사 공학에서 식물이 모사 대상의 범주에 해당하는 경우가 거의 없는 까닭은 무엇인가?	그 중에서 움직이는 대상에 적용하는 생체모사 공학 기술은 생물의 움직임에서 도출하는데, 일반적으로 식물이 모사 대상의 범주에 해당하는 경우는 거의 없다. 이는 대다수의 식물들이 거의 움직이지 않는다는 점을 고려하면 당연하다고 볼 수 있다. 하지만 식물 중에서도 정적인 것과는 거리가 먼 동적인 특성을 갖는 종들이 있고, 그 중에서도 파리지옥(Venus flytrap, Dionaea muscipula)은 자연계에서 가장 빠른 움직임을 갖는 식물로서 그것의 잎이 닫히는데 걸리는 시간은 약 0.
	CFRP는 어떤 소재인가?	모핑 구조에 활용할 수 있는 양방향 안정성 구조체와 snap-through 현상은 파리지옥처럼 섬유재질에 기반한 탄소섬유강화복합재(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Prepreg)를 이용하여 구현할 수 있다. CFRP는 가벼우면서도 강한 구조를 제작할 수 있는 소재이기 때문에 비행기의 동체에서부터 스포츠 용품, 그리고 최근에는 소형 로봇의 프레임에도 사용하고 있다. 이 CFRP를 비대칭으로 적층하면 양방향 안정성 구조체가 된다.

참고문헌 (9)

Y. S. Ryuh, C. H. Chung, S. H. Lee, K. S. Kim, and Y. S. Cha, "optimization of input parameters by using doe for dynamic analysis of bio-inspired robotic fish 'Ichthus'," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 16, no. 8, pp. 799-803, 2010.

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Y. J. Lee, J. H. Seo, and H. M. Son, "New gel-type biomimetic variable-focus lens system," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 16, no. 11, pp. 1082-1088, 2010.

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S. W. Kim, J. S. Koh, M. H. Cho, and K. J. Cho, "Towards a bio-mimetic flytrap robot based on a snap-through mechanism," IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics, no. 5627994, pp. 534-539, 2010.
S. W. Kim, J. S. Koh, M. H. Cho, and K. J. Cho, "Design & analysis a flytrap robot using bi-stable composite," IEEE International Conference on Robotics and Automation, no. 5980318, pp. 215-220, 2011.
Y. Forterre, J. M. Skotheim, J. Dumais, and L. Mahadevan, "How the Venus flytrap snaps," Nature, vol. 433, no. 7024, pp. 421-425, 2005.

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M. L. Dano and M. W. Hyer, "SMA-induced snap-through of unsymmetric fiber-reinforced composite laminates," International Journal of Solids and Structures, vol. 40, no. 22, pp. 5949-5972, 2003.

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M. R. Schultz and M. W. Hyer, "Snap-through of unsymmetric cross-ply laminates using piezoceramic actuators," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 14, no. 12, pp. 795-814, 2003.

상세보기
J. S. Koh and K. J. Cho, "Omegabot: Biomimetic inchworm robot using SMA coil actuator and SCM (Smart Composite Microstructures)," IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, no. 5420752, pp. 1154-1159, 2009.
M. K. Noh, S. W. Kim, and K. J. Cho, "A miniature jumping robot with flea-inspired catapult system: active latch and trigger," Proc. of International Workshop on Bio-inspired Robots, poster no. 53, 2011.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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