자동화 공정에서 그리퍼는 작업 환경에 적합한 소재와 형상으로 제작 및 운용된다. 이 가운데 유연 소재로 제작된 소프트 그리퍼(soft gripper)는 연속체형 굽힘(continuous bending) 특성으로 충격에 민감한 농작물이나 제품의 파지에 유리하지만, 소재 특성상 가반하중(payload)이 낮고 말단으로 갈수록 강성이 감소하는 한계가 있다. 반면 기계식 그리퍼(mechanical gripper)는 높은 가반하중과 일정한 강성을 제공하나, 구조가 복잡하고 대상 형상에 대한 범용성이 제한적이다. 본 연구는 단위 구조체(cell)의 직렬 연결(serial connection)로 기계식 그리퍼에 연속체형 굽힘을 구현하고, 양방향 접힘을 통해 형상 적응성을 확보함으로써 양측의 단점을 상호 보완하는 메커니즘을 제안한다.

단위 구조체는 KinetiX design을 기반으로 설계하였다. 그림 1-(a)와 같이 마주보는 한 쌍의 조인트(joint)는 반대 방향으로 비틀려 있으며, 조인트 회전 시 비틀림이 3차원 꺾임으로 전환된다. 비틀림 각을 45°로 설정하여 최대 약 60°의 꺾임각을 유도하였고, 조인트 회전 방향에 따라 꺾임 방향이 전환된다. 그리퍼는 단위 구조체 3개를 직렬로 연결한 핑거(finger) 3개로 구성된다. 각 핑거에서는 그림 1-(b)와 같이 연쇄적으로 세 번의 꺾임이 발생해 연속체형 굽힘을 구현하고, 내각 120°의 육각형 파지 공간을 형성한다. 구동부는 카메라 조리개 메커니즘을 응용하여 단일 모터로 중앙 기어(center gear)를 구동하고, 조인트에 연결된 가이드 기어(guide gear)를 동기적으로 움직이도록 설계하였다(그림 1-(c)). 또한 조인트의 회전 방향을 내향/외향 두 모드로 정의해 그리퍼가 파지 방향(forward) 또는 파지 반대 방향(backward)으로 접히도록 구성하였다.

의도한 형상 구현 및 파지 가능성은 시제품을 제작해 테스트하였다. 구동부를 통해 조인트를 내향으로 구동하면 파지 방향으로 접히며 물체를 감싸 쥐는 형태로 파지가 이루어졌다. 조인트를 외향으로 구동하면 파지 방향의 반대로 접혀 양방향 형상 전환이 가능함을 확인하였다(그림 2-(a)). 파지 시험은 대칭∙비대칭 및 다양한 강성의 물체를 대상으로 수행했으며(그림 2-(b)), 파지 공간이 충분할 경우 케이스와 무관하게 파지가 가능함을 관찰하였다. 특히 정육면체(cube)나 비대칭형 마우스(asymmetric mouse)처럼 돌출부가 있는 물체는 파지 반대 방향으로 접은 후 접근하면 물체와 그리퍼 간의 간섭을 줄이며 파지가 가능했다.

본 연구는 기계식 구조에 연속체형 굽힘과 양방향 접힘을 결합한 형상 적응형 그리퍼 메커니즘을 제안한다. KinetiX design을 단위 구조체로 사용하여 조인트 회전 시 최대 60° 꺾이도록 설계했고, 이를 3개 연결한 핑거 3개로 그리퍼를 구성한다. 그리퍼는 카메라 조리개 메커니즘을 응용한 구동부를 통해 움직이며, 이때 내각 120°의 육각형 파지 공간을 형성한다. 시스템은 여러 형상과 강성의 물체를 대상으로 실험을 진행하여 양방향 구동 및 연속체형 굽힘의 구현 가능성과 파지 성능을 확인하였다. 향후에는 구조의 설계 변수를 파라미터화 및 수식 모델로 정식화하고, 조인트 결합 방식과 소재를 최적화하여 구조적 완성도와 성능을 개선할 계획이다.