삼중주기 구조를 활용한 과수 수확용 유연 그리퍼 = A Soft Gripper Utilizing Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) Structures for Fruits Harvesting

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 과수 수확 과정에서 발생하는 파지 불안정 및 과실 손상 문제를 개선하기 위해 삼중주기 최소곡면(Triply Periodic Minimal Surface, TPMS) 기반 내부 구조를 적용한 유연 그리퍼를 제안하고 그 기계적 특성과 파지 성능을 분석하는 것을 목적으로 한다. 기존의 강체(Solid) 구조를 적용한 소프트 그리퍼는 국부적인 응력 집중으로 인해 파지 안정성이 저하되고 과실 손상을 유발할 가능성이 있다. 이에 본 연구에서는 TPMS 격자 구조를 그리퍼 내부 구조로 적용하여 하중 분산 특성과 변형 거동을 개선하고자 하였다. 제안된 그리퍼는 TPU 소재를 사용하여 FDM 방식의 3D 프린팅으로 제작되었으며 수치해석을 통해 Solid 구조와 TPMS 기반 구조 간의 응력 분포, 변형 특성 및 접촉 특성을 비교 분석하였다. 또한 파지 시 과실 표면에 작용하는 응력과 변형 거동을 기반으로 파지 안정성과 손상 가능성을 정량적으로 평가하였다. 해석 결과 TPMS 구조를 적용한 그리퍼는 기존 Solid 구조 대비 최대 응력이 유의미하게 감소하였으며 접촉 면적 증가를 통해 보다 안정적인 파지 특성을 나타내었다. 연구 결과는 TPMS 기반 내부 구조 설계가 과수 수확용 유연 그리퍼의 파지 성능 향상과 과실 손상 저감에 효과적임을 보여주며, 향후 농업용 로봇 그리퍼 설계에 있어 구조적 설계 전략으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 연구 배경 3
• 2.1 파지 안정성의 정리 3
• 2.2 과피의 기계적 특성 4
• 2.3 과육의 기계적 특성과 파손 기준 6
• 2.4 과수의 형상 및 크기 다양성 8
• 2.5 동역학적 요인 9
• 제 3 장 소프트 그리퍼의 구동 원리 및 설계 방식 11
• 3.1 소프트 그리퍼의 기본 원리 11
• 3.2 구동 방식 11
• 3.3 기계적 설계 및 파지 메커니즘 13
• 3.4 제작 및 장점 16
• 3.5 그리퍼 제작 18
• 3.6 nTop 기반 내부 Lattice 구조 설계 절차 19
• 제 4 장 결과 24
• 4.1 nTop 기반 시뮬레이션 결과 24
• 4.2 실측 압력 검증 실험 구성 27
• 4.3 내부 구조 설계별 시뮬레이션 결과 비교 32
• 4.4 그리퍼의 파지 안전성 평가 36
• 4.5 종합 분석 37
• 제 5 장 결론 38
• 제 6 장 참고문헌 39