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강성 증가용 락킹 요소를 가지는 전개식 오리가미 붐 구조의 개발
정순필(S.-P. Jung),박용민(Y.-M. Park),김재경(J.-K. Kim),조규진(K.-J. Cho) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
우주 궤도에 올릴 물체의 크기가 크고 무거워질수록 많은 비용이 소요되므로, 인공위성에 탑재되는 시스템을 소형화 및 경량화하는 연구들이 진행되어 왔다. 최근에는 고비용이 요구되는 대형 위성보다 상대적으로 저비용의 초소형 인공위성 위주로 우주 관련 시장이 급팽창하고 있으며, 안테나, 태양 전지판, 태양 돛 등의 전개 시스템을 탑재하여 작은 사이즈의 초소형 인공위성의 성능 한계를 극복하고자 하는 연구들도 진행되고 있다. 초소형 인공위성에 탑재되는 전개 시스템은 한정된 공간 내에 압축된 상태로 저장되어 있다가, 궤도 상에서 임무 수행을 위해 목표 형상으로 전개되어야 한다. 오리가미 구조물은 접혀서 저장되어 있다가 필요 시 3 차원 형상으로 전개될 수 있다는 점에서 초소형 인공위성의 전개 시스템으로의 높은 잠재성을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 초소형 인공위성에 적용 가능한 높은 압축률을 가지는 전개식 오리가미 붐 구조를 제시한다. 제시하는 오리가미 붐 구조는 여러 개의 오리가미 사러스 링키지들이 연결된 형태이며, 전개 후 붐 형상을 유지할 수 있도록 오리가미 사러스 링키지 패턴에 락킹 패턴이 추가되었다. 한편, 락킹 패턴에 따라 붐의 특성이 달라질 수 있으므로 붐의 끝단에 작용되는 외력에 따라 적합한 락킹 패턴의 적용이 요구된다. 제작 방법은 기존의 오리가미 구조 제작 방법과 동일하게 강성이 서로 다른 소재들을 레이저 패터닝 후 접합하여 강성 차이에 의해 쉽게 접힐 수 있도록 제작되었다. 제작된 붐 구조의 압축 두께는 약 4 cm 이며, 전개 시 길이는 약 140 cm 로 약 35 배의 길이 방향 전개율을 가진다.
정원영(W.-Y. Jeong),정순필(S.-P. Jung),김재경(J.-K. Kim),박용민(Y.-M. Park),조규진(K.-J. Cho) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
본 논문에서는 종이접기 패턴을 이용하여 태양 돛 시스템의 돛대인 붐 구조를 보다 가볍고 견고하게 디자인하였습니다. 링크는 단단한 레이어로 유연한 레이어를 위아래로 감싸 구성했으며, 조인트는 유연한 레이어만으로 구성하여 기계적인 부품없이 접을 수 있는 얇은 구조(0.7 mm)를 구현하였습니다. 이를 압축률이 높은 사러스 링키지(Sarrus Linkage) 패턴에 적용하여 모듈을 설계하고, 이를 연결하여 긴 붐 구조를 제작하였습니다. 이 붐 구조는 10 cm 이하로 압축되어, 1 m 로 전개됩니다. 좌굴 힘을 더 버틸 수 있도록 설계된 특수한 날개를 연결하면 전개 후 좌굴 힘이 자중의 약 86 배로 매우 커집니다. 모터를 이용하지 않고 탄성체의 힘만으로 자가 전개를 시킨다면, 전체 태양 돛 시스템의 부피와 질량을 최소화할 수 있습니다. HRM (Holding & Releasing Mechanism) 방식을 적용하여, 압축된 붐 구조를 나일론선으로 고정하고, 니크롬선을 통해 열을 가해 나일론 선이 끊어지면서 자가 전개가 되도록 설계하였습니다. 이러한 붐 구조 4 개를 십자가 형태로 배치하고, 사이에 미우라-오리(Miura-ori) 패턴의 돛을 연결하면 전체 태양 돛 시스템을 구성할 수 있습니다. 우주 환경에서는 저항이 없기 때문에 광압에 의한 미세한 돛의 진동도 돛대와 공진한다면 시스템의 파괴로 이어질 수 있습니다. 이 태양 돛 시스템은 다른 태양 돛 시스템보다 가볍고 높은 고유 진동수를 가지기 때문에 동일한 복사 압력에서 파괴되지 않고 안정적으로 더 많은 가속을 받을 수 있습니다.
박용민(Y.-M. Park),정순필(S.-P. Jung),고제성(J.-S. Go),유장우(J.-W. You),이홍석(H.-S. Lee),이창건(C.-K. Lee),조규진(K.-J. Cho) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
현재까지 개발된 다자유도 구동기 방식에는 델타로봇, 헥사포드형 병렬 메커니즘, 케이블 드리븐 메커니즘, 로봇팔 메커니즘 등 다양한 메커니즘이 있다. 이 중 델타로봇은 구동부가 이동부에 부착되어 있는 직렬로봇과는 달리 구동부가 기저부에 있어 이동부와는 분리되어 있기 때문에 이동부의 관성모멘트를 최소화할 수 있어 엔드이펙터의 고속 움직임이 가능하다. 또한 델타로봇은 병렬로봇 메커니즘을 갖기 때문에 직렬로봇과 달리 오차가 축적되지 않아 빠르고 정확하게 반복적인 움직임을 만들 수 있다. 이러한 특성으로 인해 빠른 속도가 필요한 식품 공장이나 정교함이 필요한 수술로봇 등으로 사용되고 있다. 하지만 델타로봇을 포함한 일반적인 구동 메커니즘들에 사용되는 볼조인트나 유니버셜 조인트와 같은 상용 정밀 부품의 경우 조립의 복잡성으로 인해 생산성에 어려움을 갖는다. 마찬가지로 소형부품의 높은 단가로 소형화에 어려움이 있다. 하지만 종이접기 기반의 설계의 경우 제작과정에서 면 형태의 링크와 접히는 관절 구조가 일체형으로 완성됨으로 조립 과정의 복잡성이 단순화되고 소형화가 가능하다. 또한 경량 복합재료의 사용으로 링키지의 경량화가 가능하다. 따라서 본 연구에서는 델타로봇에 오리가미 메커니즘을 도입하여 링키지와 관절 구조 제작 시 가벼운 면 형태의 소재를 적층, 제작하여 제작과 동시에 링키지-관절 일체형 구조가 완성되는 고속 정밀 이동이 가능한 경량 오리가미 델타로봇을 제시하려고 한다.