[논문 리뷰] Origami-Inspired Composite Springs with Bi-directional Translational-Rotational Functionalities

Ravindra Masana, Mohammed F. Daqaq|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 03.

Advanced Materials and Mechanics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Kresling 오리가미 패턴을 영감으로 삼은 새로운 복합 스프링 설계를 제안하며, 연속적으로 연결된 Kresling 오리가미 스프링(KOSs)을 사용하여 분리된 선형 및 회전 운동을 실현하고 프로그래밍 가능한 스프링 강성 특성을 구현한다. 예비 압축 높이를 조절함으로써 스프링은 이방향 기능을 가지며, 대칭 또는 비대칭 특성을 가진 일중, 이중, 삼중 안정성 또는 준영강성(QZS) 행동을 조절 가능하게 한다. 이는 3D 프린팅 및 실험 테스트를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Many of the patterns seen in Origami are currently being explored as a platform for building functional engineering systems with versatile characteristics that cater to niche applications in various technological fields. One such pattern is the Kresling pattern, which offers unconventional mechanical properties with rich coupled translation and rotational kinematics. In this paper, we design and manufacture a composite spring inspired by the Kresling Origami pattern, which is capable of simultaneously behaving as an axial and torsional restoring element with bi-directional functionalities. We study, numerically and experimentally, the restoring behavior of this spring, its equilibria, and their bifurcations for different combination of the design parameters. We show that the fabricated springs can have fixed, quasi-zero, or variable stiffness, and can be customized to exhibit single- or multi-stable states (symmetric and asymmetric) as needed. The proposed spring demonstrates how combining additive manufacturing with Origami principles can offer a new pathway towards the design of new structural and machine elements with versatile functionalities.

연구 동기 및 목표

• 오리가미 원리를 활용하여 선형-회전 운동의 이중 기능을 가진 새로운 종류의 프로그래밍 가능한 기계적 스프링을 개발한다.
• 단일 Kresling 오리가미 스프링(KOSs)에서 발생하는 운동의 본질적 결합 문제를 해결하여 축 방향 및 토크 반응을 독립적으로 요구하는 응용 분야에서의 사용을 제한한다.
• 적층 제조를 통해 Kresling 오리가미 스프링 쌍(KOSP)을 설계 및 제작하여 분리된 자유도와 맞춤형 안정 상태를 실현한다.
• 예비 압축 높이가 KOSP의 정적 평형 상태, 분기 현상 및 강성 특성에 미치는 영향을 조사한다.
• 기하학적 매개변수 조절을 통해 준영강성(QZS), 고정 강성 및 다중 안정성 행동을 달성할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• KOSP는 서로 다른 기하학적 매개변수를 가진 두 개의 KOSs를 직렬로 연결하여 선형 및 회전 운동을 분리한다.
• 비선형 복원 거동를 시뮬레이션하고 평형 구성 상태를 예측하기 위해 트러스 기반의 수치 모델을 개발한다.
• 3D 프린팅을 사용하여 수치 제어가 가능한 물리적 프로토타입을 제작하며, 변형 수의 수(예: n), 반지름(R), 예비 압축 높이(u₀), 그리고 회전 각도(φ₀) 등의 설계 매개변수를 정밀하게 제어한다.
• quasi-정적 토크 및 압축 시험을 수행하여 복원 토크와 힘을 측정하고, 실험 데이터에서 잠재 에너지 함수를 유도한다.
• 보간된 실험 데이터를 사용하여 분기 다이어그램을 구성하여 다양한 예비 압축 수준에서의 안정 및 불안정 평형 상태를 맵핑한다.
• 잠재 에너지 함수를 사용하여 안정성 분석을 수행하며, 일중 안정, 이중 안정 및 삼중 안정 구성 상태를 포함하여 대칭성 및 강성 조절에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Kresling 오리가미 스프링 쌍(KOSP)은 단일 KOSs에서 발생하는 본질적 결합 문제를 해결하여 선형 및 회전 운동을 분리할 수 있는가?
• RQ2 예비 압축 높이는 KOSP의 평형 상태 수와 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 KOSP는 대칭 또는 비대칭 특성을 가진 채로 준영강성(QZS), 고정 강성 또는 다중 안정성 행동을 조절할 수 있는가?
• RQ4 기하학적 매개변수와 KOSP의 잠재 에너지 장의 분기 행동 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ5 설계 매개변수를 통해 KOSP의 복원 거동을 얼마나 프로그래밍 가능한가? 이는 실험 및 수치적 방법으로 검증된다.

주요 결과

• KOSP는 단일 KOSs가 본질적으로 결합된 자유도를 가지는 것과는 달리, 분리된 선형 및 회전 운동을 보이며 축 방향 및 토크 반응을 독립적으로 제어할 수 있다.
• 예비 압축 높이(uT/R)를 조절함으로써 KOSP는 일중 안정, 이중 안정 및 삼중 안정 구성 상태로 전이되며, 잠재 에너지 함수는 명확한 평형 상태를 드러낸다.
• uT/R = 2.5일 때 KOSP는 비대칭 특성을 지닌 준영강성(QZS) 행동을 보이며, φT = 25° 근처에서 거의 평탄한 잠재 에너지 영역을 나타낸다.
• 분기 다이어그램은 KOSP가 항상 비대칭임을 확인하며, 극단적인 예비 압축 수준에서는 일중 안정 행동, 중간 수준에서는 이중 안정 행동을 보인다.
• 실험 결과는 시뮬레이션과 양호한 일치를 보이며, 잠재 에너지 함수 및 복원 토크 곡선은 예측된 강성 조절 및 안정성 전이를 검증한다.
• KOSP는 n=6, R=15 mm, u₀/R=1.65, φ₀=45° 등의 설계 매개변수를 통해 조절 가능한 강성, QZS, 고정 강성 및 다중 안정 상태를 달성하며 기계적 반응을 정밀하게 제어할 수 있다.