Design of Single Step Fabricable Robotic Mechanisms via 4D Printing = 4D 프린팅 기반 단일 단계 제작이 가능한 로봇 메커니즘 설계

국문 초록 (Abstract)

본 학위논문은 FDM 기반 단일 공정 3D 프린팅을 이용한 로봇 메커니즘 제작에서 발생하는 근본적인 한계점을 해결하기 위한 체계적인 전략을 제안한다. 특히, 치수 공차 축소와 비등방적 기계적 특성으로 인해 발생하는 빌드 오리엔테이션 제약을 극복하는 데 중점을 두었다. 단일 공정 3D 프린팅은 후가공 없이 완전 조립된 메커니즘 제작이 가능하다는 장점이 있으나, 유격에 따른 관절 흔들림과 고정된 관절 오리엔테이션 문제로 인해 3차원의 로봇 메커니즘 적용에는 제약이 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 출력 후 열 자극을 활용하여 출력된 관절 메커니즘의 자가 조정과 재구성을 구현하는 4D 프린팅 기반 제작 방법론을 제시한다.

제안된 전략은 두 가지 핵심 요소로 구성된다. 첫째, 열 자극을 통한 수축으로 유격을 보정하는 셀프 타이트닝 롤링 컨택 조인트를 개발하였다. 해당 조인트 설계는 기계적 모델링, 유한요소해석, 그리고 실험적 검증을 통해 지지되었으며, 작동 하중 조건에서의 치수 일관성과 운동 정밀성이 향상됨을 보였다. 둘째, 셀프 얼라이닝 벤딩 및 트위스팅 유닛을 구조 요소로 도입하여 관절 축의 공간적 오정렬을 보정하였다. 이 유닛들은 제어된 바이레이어 변형을 이용하여 열 자극 시 설계된 오리엔테이션을 회복함으로써, 최종 형상을 3차원 공간에서의 로봇 메커니즘의 움직임 구현하였다.

안정적이고 반복 가능한 변형 거동을 보장하기 위해 재료 선택과 프린팅 공정 변수에 대한 체계적인 조사를 수행하였다. 층 두께, 적층 패턴, 그리고 열 자극 조건이 변형 정확도에 미치는 영향을 파라메트릭 연구를 통해 분석하였으며, 후보 재료의 열적 특성 평가를 통해 안정적인 기계적 성능을 갖는 재료 조합 선정 가이드라인을 제시하였다. 이러한 결과는 제안된 제작 워크플로우에 통합되어, 출력 이후 가열을 통해 최종 기능적 형상으로 고정되는 로봇 메커니즘 제작 공정으로 구현되었다.

본 설계 프레임워크의 적용 가능성은 공간상에서 다양한 방향으로 배열된 관절을 포함한 인체모사형 로봇 손 제작을 통해 입증되었다. 해당 로봇 손은 전 과정이 단일 공정 4D 프린팅으로 제작되었으며, 셀프 타이트닝 조인트, 셀프 얼라이닝 벤딩 및 트위스팅 유닛, 그리고 텐던 구동 액추에이션 시스템을 포함한다. 파지 정확도 향상을 위해 엄지 위치 최적화를 수행하였으며, 손가락 궤적에 대한 분석을 통해 적응형의 파지가 가능하도록 하였다. 실험 결과, 제안된 로봇 손은 기존 단일 공정 3D 프린팅 손 대비 충격 저항성과 동작 전달 효율이 향상되었고, 다양한 물체와 일상생활에서의 파지 작업을 수행할 수 있음을 보였다.

본 연구의 결과는 4D 프린팅 개념을 FDM 기반 단일 공정 제작에 통합함으로써, 3차원으로 움직이는 로봇 메커니즘 제작을 위한 관절 유격 저감, 관절 오리엔테이션 정렬을 효과적으로 구현할 수 있음을 보여준다. 본 논문은 기존의 평면형 로봇 메커니즘 제작만 가능하던 FDM기반 단일 공정 3D 프린팅 방식의 한계를 극복하고 3차원으로 움직이는 로봇 메커니즘의 설계와 제작을 위한 프레임워크를 제시한다. 제안된 설계 원리, 모델링 접근법, 그리고 제작 방법론은 향후 조립 없이 제작되는 단일 공정 제작 방식의 기초를 제공하며 다양한 로봇 메커니즘에 적용 될 수 있는 가능성을 보인다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis proposes a systematic strategy to address the fundamental limi- tations of fused deposition modeling (FDM) single-step 3D printing for robotic mechanisms, with particular emphasis on reducing dimensional tolerances and overcoming build orientation constraints imposed by anisotropic mechanical properties. While single-step 3D printing enables fully assembled mechanisms to be fabricated without post-processing, clearance-induced wobbling and fixed joint orientations have hindered its application to spatial robotic systems. To overcome these limitations, this work introduces a 4D printing-based method- ology that exploits post-print thermal activation to achieve self-adjustment and reconfiguration of 3D printed articulated mechanisms.
The proposed strategy comprises two core components. First, a self-tightening rolling contact joint (RCJ) is developed to passively compensate for clear- ance through thermally induced tightening. This joint design is supported by mechanical modeling, finite element simulation, and experimental validation, demonstrating improved dimensional consistency and motion precision underoperational loads. Second, self-aligning bending and twisting units are intro- duced as structural elements capable of correcting the spatial misalignment of joint axes. These units employ controlled bi-layer deformation to restore intended orientations upon activation, thereby enabling complex spatial con- figurations that cannot be directly printed in their final arrangement.
Material selection and printing process parameters are systematically in- vestigated to ensure repeatable transformation behavior. Parametric studies evaluate the influence of layer thickness, infill pattern, and thermal activation conditions on the precision of deformative behavior, while thermal characteri- zation of candidate materials provides guidelines for selecting material combi- nations and heating conditions. The proposed fabrication workflow integrates these findings into a sequential process for printing and assembling robotic mechanisms for their functional configurations.
The applicability of this design framework is demonstrated through the fabrication of an anthropomorphic robotic hand with spatially arranged joints, produced entirely in a single step 4D printing process. The hand incorporates self-tightening RCJs, self-aligning bending and twisting units, and a tendon- driven actuation system. Thumb positioning optimization is performed to im- prove grasping efficiency, supported by kinematic modeling of finger trajec- tories to enable conformal grasping. Experimental evaluation confirms that the proposed hand achieves superior mechanical robustness, and actuation ef- ficiency compared to existing single step 3D printed hands while performing various grasping tasks and activities of daily living (ADL).
The results of this thesis demonstrate that integrating 4D printing prin-ciples into FDM-based single-step fabrication enables effective solutions for clearance reduction, joint orientation flexibility, and functional reliability in spatial robotic mechanisms. This work establishes a validated framework that bridges the gap between traditional planar Single Step 3D printed mechanisms and fully integrated spatial robotic systems. The presented design principles, modeling approaches, and fabrication methodologies provide a foundation for future research on Single Step 3D printing fabrication, with potential applica- tions in diverse articulated robotic mechanisms.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Background and Motivation 1
• 1.2 Overview of Related Work 4
• 1.3 Problem Definition 20
• 1.4 Objectives of the Thesis 25
• 1.5 Scope and Organization of the Thesis 28
• 2 Design Strategy for Robotic Mechanisms via 4D Printing 31
• 2.1 Background 31
• 2.2 4D Printing Strategy for Single Step Fabrication of Robotic Mechanisms 34
• 2.3 Integrated Fabrication Workflow 38
• 2.4 Parametric Studies on Printing Conditions 43
• 2.5 Thermal Behaviors of Active and Passive Materials 52
• i3 Self-tightening Rolling Contact Joint for Clearance Reduction 62
• 3.1 Background 62
• 3.2 Self-tightening Rolling Contact Joint (RCJ) Design 65
• 3.3 Evaluation of Self-tightening RCJ 71
• 3.4 Joint Stiffness Modeling and Simulation 82
• 4 Self-aligning Bending/Twisting Unit for Orientation Adjustment 88
• 4.1 Background 88
• 4.2 Design of Self-aligning Bending Unit 90
• 4.3 Modeling and Simulation of the Bending Unit 92
• 4.4 Design of Self-aligning Twisting Unit 97
• 4.5 Modeling and Simulation of the Twisting Unit 99
• 4.6 Structural Rigidity of Self-aligning Bending/Twisting Unit 103
• 5 Application to an Anthropomorphic Robotic Hand 106
• 5.1 Background 106
• 5.2 Anthropomorphic Robotic Hand Design 109
• 5.3 Fabrication Process of A Robotic Hand 111
• 5.4 Design Variants 115
• 5.5 Thumb Position Optimization 118
• 5.6 Finger Trajectory Design 121
• 5.7 Actuation and Control Strategy 124
• 5.8 Grasping Performance Evaluation 125
• ii6 Conclusion
• 133
• 6.1 Summary of Contributions 133
• 6.2 Limitation and Discussion 134
• 6.3 Future Work 135
• References 137
• A Cable-driven Series Elastic Actuator (SEA) for an Anthropomorphic Robotic Hand 149
• A.1 Actuator Design 149
• A.2 Performance of the cable-driven SEA 152
• B Passive Locking Joint Design For Thumb Opposition 156
• B.1 Design of Passive Locking Joint 156