비정형 유연 식품용 스쿠핑-엔클로징 그리퍼 개발

1. 서 론

식품 산업에서 인력 보조, 생산 비용 절감 및 품질 향상을 위해 식품 공장 자동화의 수요가 증가하고 있다. 식품 공장 자동화에서는 육류, 채소, 과일에 대해 다양한 식품 그리퍼가 개발되었다 [Fig. 1]. 그러나, 기존의 식품 그리퍼를 생굴, 젤리, 두부와 같은 식품군에(본 논문에서는 이와 같은 식품을 비정형 유연 식품으로 칭한다.) 적용할 시 비정형성과 유연성으로 인해 식품이 손상되는 문제가 있다. 따라서, 식품 손상을 최소화할 수 있는 새로운 형식의 그리퍼가 필요하다.

[Fig. 1]

Previous research grippers: (a) Finger gripper, (b) Soft gripper, (c) Suction gripper, (d) Scooping-Binding gripper

이러한 식품군에 적용하기 위해 다양한 형태와 재질로 제작된 식품 그리퍼가 연구되었다^[1]. 기존 연구로는 [Fig. 1]의 (a)처럼 손가락 형식의 그리퍼가 존재한다^[2]. 바닥을 이용한 잠김 매커니즘 기반의 손가락 형태의 그리퍼는 모터 없이 동작할 수 있는 장점을 가지고 있다. 하지만, 실험 결과 강성이 있는 식품은 괜찮으나 유연식품은 손상이 되는 문제가 있다. 이렇듯 손가락 형식의 그리퍼는 강성으로 인해 유연식품이 손상될 수 있는 문제점을 가지고 있다.

또한, 실리콘 재질을 사용한 손가락 형식의 소프트 그리퍼가 존재한다^[3-10]. [Fig. 1]의 (b)처럼 식품을 파지 시 소프트 그리퍼는 끝단에 큰 압력이 발생한다^[3]. 이때, 부드러운 식품을 파지할 때, 식품을 놓치거나 과한 압력으로 식품이 손상되는 현상이 발생한다. 이는 부드러운 유연식품을 파지할 때 적합하지 않다.

이외에 다른 형태의 소프트 그리퍼 연구로는 회전 기반 비틀림 소프트 그리퍼는 땅콩, 쌀, 캔디 등을 파지할 수 있다^[11]. 하지만, 미끄럽고 부드러운 물체에 대해서 제대로 파지가 되지 않았기에 유연식품을 파지하기에는 적합하지 않다. 또한, 다중 스펀지 형식의 적응형 소프트 그리퍼, 전기 접착 기술 기반의 소프트 그리퍼는 높이가 있는 다양한 형상의 식품은 괜찮으나, 면적이 적고 물기가 있는 식품은 파지하기가 어려워지는 문제가 있다^[12-14].

이외에 다른 석션 그리퍼로는 [Fig. 1]의 (c)처럼 벌집 및 자가 적응 형태의 석션 그리퍼가 있다^[15,16]. 유연 식품을 파지할 때 식품이 압착 될 수 있으므로 본 논문에서 제안하는 유연 식품용 그리퍼 형태로는 적합하지 않다.

다음으로, 바닥에서 높이가 낮은 물품이나 식품을 파지하기 위한 그리퍼 연구^[17-21]가 이루어졌다. 바닥에 파지하기 위한 연구 중 대표적으로 [Fig. 1]의 (d)처럼 Scooping-Binding 그리퍼 연구가 존재한다^[21]. 그리퍼가 동작 시, 하단의 Scooping plate가 유연식품을 바닥에서 떠서 들어 올려준다. 이후 내부로 올라온 식품은 실리콘 줄로 감싸는 방식을 사용한다. 이러한 그리퍼들은 유연 식품들을 파지 하기에 적합하나, 줄 간 사이 및 부품 사이로 파지한 식품이 탈출하는 문제가 존재한다.

다른 형식의 그리퍼로는 Enclosing 그리퍼는 식품을 천으로 감싸는 방식으로 생선, 육류 같은 유연식은 파지할 수 있다^[1]. Enclosing 그리퍼는 유연식품 그리퍼로 적합하나, 생 굴 같은 높이가 낮은 유연식품은 바닥에서 뜨기 어려운 문제가 존재 한다.

따라서, 유연 식품을 파지하기 위해서는 식품의 탈출을 막는 기능이 우선적이며, 바닥에서 안전하게 식품을 들어 올릴 수 있는 기능이 필요하다.

본 논문에서 제안하는 Scooping-Enclosing 그리퍼는 기존 Scooping-Binding 그리퍼의 줄 간 사이의 탈출 문제와 Enclosing 그리퍼의 높이가 낮고 유연한 식품을 파지하기 위한 문제를 개선했다.

본 논문의 기여도는 다음과 같다.

• ㆍ비정형 유연 식품을 다룰 수 있는 새로운 형식의 Scooping-Enclosing 그리퍼를 제시한다. 제안하는 그리퍼는 유연 식품의 손상 및 탈출 방지를 위한 Silicone net과 유연 식품을 바닥에서 파지 하기 위해 설계된 Scooping plate로 구성된다.
• ㆍ그리퍼의 요소별 설계를 검증하기 위해 시뮬레이션을 진행한다. 형상에 대한 유효성을 검증하기 위해 수직하중이 존재하는 상황에서 역 아치형이 가장 작은 내부응력이 발생하였음을 보인다. 다음으로 그리퍼가 수직으로 하강할 때, 수직하중을 줄이기 위해 부착한 길이 10 mm, 스프링 상수 1.96 N/mm를 가지는 스프링이 유효함을 검증한다. 마지막으로 Pick and Place 시뮬레이션을 통해 Silicone net 탄성계수 이하로 파지할 수 있음을 검증한다.
• ㆍ제안하는 그리퍼를 제작하여 압력 센서를 활용한 PID 제어를 통해 3종의 식품군에 대해 적절한 힘을 가해 파지할 수 있음을 보인다. 최종적으로 비정형 유연 식품 4종에 대해 제안하는 그리퍼를 활용하여 파지 실험을 진행하여 파손 없이 파지할 수 있음을 보인다.

이 논문은 2장에서는 Scooping-Enclosing 그리퍼의 형상과 설계 사양에 관해 설명한다. 3장에서는 동역학 해석 프로그램인 Recurdyn을 통해 그리퍼 요소별 응력 해석을 수행한다. 4장에서는 제안하는 그리퍼를 실제 실험을 통해 성능을 입증하고, 마지막으로는 5장에서 이 연구의 결론에 관해 서술한다.

2. Scooping-Enclosing 그리퍼

제안하는 Scooping-Enclosing 그리퍼는 식품의 손상 및 이탈을 방지하는 Silicone Net과 식품을 파지하기 위한 Scooping plate로 구성된다[Fig. 2].

[Fig. 2]

Scooping-Enclosing gripper: (a) Scooping plate, (b) Silicone net, (c) Spring

[Fig. 2]의 (a)는 Scooping plate이며 90 mm × 56 mm로 제작되었다. Scooping plate의 주요 특징으로는 바닥과의 경사각이 15°로 구성되어 있다. 이 연구에서는 경사각을 결정하기 위해 90°, 60°, 30°, 15°로 테스트를 진행한 후, 15°의 경사면에서는 압착 및 손상 없이 식품을 안전하게 이송할 수 있음을 확인하였다. 또한, 식품의 이탈을 억제하기 위해 내부의 2.4 mm 타원형 홈 공간을 설계하여 식품이 안착하도록 구성했다.

Silicone net의 경우 [Fig. 2]의 (b)에서 확인할 수 있다. Silicone net은 82 mm × 32 mm의 막 형태로 설계되었으며, 내부에서 유연 식품의 탈출을 방지한다. 비정형 유연 식품이 파지력에 의해 파손되는 것을 방지하고자 Silicone Net 내부에 압력 센서를 추가하여 PID 제어를 통해 힘 제어를 할 수 있도록 구성했다.

Scooping-Enclosing 그리퍼는 전체 파지 영역이 75 mm로 설계되었으며, Silicone Net의 탄성계수는 0.5376 MPa로 선정했다. 또한, 그리퍼가 식품을 파지 시 컨베이어 벨트와의 충격을 줄이기 위해 스프링을 적용했다. 적용한 스프링은 스프링 상수 1.96 N/mm, 길이 10 mm로 선정했다.

체결부품으로 인한 식품의 오염을 방지하기 위해 체결 부위에 [Fig. 2]의 Screw Cover를 부착하여 식품이 오염되는 것을 방지한다.

마지막으로, 제안하는 scooping-enclosing 그리퍼의 동작 방식은 아래의 순서를 따라 움직인다[Fig. 3].

• ① (a)에서 모터가 동작하여 회전 운동이 일어난다.
• ② (b)에서 회전운동이 링크를 통해 직선운동으로 변화되어 작동한다.
• ③ (c) 에서 보이듯이 직선운동으로 인해 그리퍼가 폐쇄된 모습이다.

[Fig. 3]

Gripper mechanism: (a) Rotation motion (b) Linear motion (c) Close gripper

3. 그리퍼 요소별 해석

설계 사양의 적합성을 검증하기 위해 상용 동역학 시뮬레이터인 Recurdyn을 활용하여 시뮬레이션을 진행한다.

3.1 그리퍼 형상 별 정적 상태의 수직하중 해석

식품 파지 시 컨베이어 벨트 위로 그리퍼가 수직 하강할 때 충격으로 파손될 수 있다. 따라서 적절한 그리퍼의 형상을 채택하여 충격을 최소화할 필요가 있다.

이 논문에서는 [Fig. 4]의 사각형(Square), 아치형(Arch), 역 아치형(Inverse arch)에 대해서 고려한다. 사각형은 기존 연구인 Scooping-Binding 그리퍼^[21]의 형상으로, 일반적으로 많이 사용되는 형태이다. 아치 형상은 구조의 내부에서 모멘트가 발생하지 않고, 매우 큰 영역을 커버할 수 있다^[22]. 역 아치 형상은 그리퍼가 수직으로 하강하여 바닥 평면과 충격이 일어날 때 자중의 방향이 반대로 작용하는 특징이 있다. 이러한 3가지 형상에 대해 동일한 환경에서 시뮬레이션을 진행한다.

[Fig. 4]

Different plate type: (a) Square, (b) Arch, (c) Inverse arch

시뮬레이션은 1초에 15 N의 정적 상태에서 수직 하중을 가하고, 200 mm × 100 mm × 50 mm 철판과 플라스틱으로 가정한 플레이트 형상에 대해 진행하였다. [Fig. 5]는 시뮬레이션 결과로 응력에 따른 비교 결과를 나타냈다.

[Fig. 5]

Different plate type stress

시뮬레이션 결과, 아치형은 1초에 0.9 Mpa이 도달한다. 역 아치형는 0.2초에 순간적인 충격 하중 0.3 Mpa이 일어난 후 3초에 충격 하중은 0.5 Mpa 에 도달한다. 사각형 형상은 응력은 점차적으로 증가하여 4초에 1.6 Mpa에 도달한다. 시뮬레이션 결과, 3가지 형상 중 역 아치 형상이 제일 적은 응력을 보였다. 이를 바탕으로 최종 형상으로 선정했다.

3.2 수직하중 스프링 선정

다음으로 충격 하중을 줄이기 위한 스프링에 대한 시뮬레이션을 진행했다.

[Fig. 6]는 정적 상태에서 15 N의 수직 하중을 적용했을 때, 스프링 유무에 따른 결과이다. 먼저, 스프링이 없을 때 그리퍼는 정적 상태에서 수직 하중과 자체 하중을 합친 하중을 합한 17 N의 하중을 받았다. 이때, 시뮬레이션에서 길이 10 mm, 스프링 상수 1.96 N/mm의 스프링을 사용한 결과, 17 N의 하중이 8 N으로 감소하여 충격 하중이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

[Fig. 6]

Impact factor simulation

3.3 모사 실험을 통한 실리콘 탄성계수 해석

실리콘 탄성계수를 검증하기 위해 시뮬레이션을 수행했다. 시뮬레이션 환경은 두산 협동 로봇 A0509를 대상으로 하며, 150 mm × 150 mm × 135 mm의 컨베이어 벨트 상에서 수행한다. 그리퍼는 지름 50 mm의 알루미늄 공에 대한 Pick and Place 움직임을 수행한 후 해석을 진행한다. 시뮬레이션 진행 방식은 [Fig. 7]과 같다.

[Fig. 7]

Gripper simulation: (a) Picking, (b) Grasping, (c) Moving, (d) Placing

시뮬레이션에 사용한 Silicone net의 탄성계수는 0.5376 Mpa로 지정하여 시뮬레이션을 진행한다. 시뮬레이션 결과, [Fig. 8]에서 보이듯 파지하는 구간인 1.2 s부터 0.08 Mpa의 응력이 발생하였다. 이 결과는 Silicone net의 탄성계수 이하로 파지할 수 있음을 보였다.

[Fig. 8]

Silicone net grasping stress

4. 그리퍼 제작 및 실험

4.1 그리퍼 제어기 성능 시험

앞 장에서 시뮬레이션 결과를 바탕으로 제안하는 그리퍼를 제작한다. 실험에 사용할 그리퍼는 필라멘트를 사용하여 제작하였고, Silicone net은 Dragon Skin 20을 사용하며, 압력 센서 Single Tact 10 N을 활용하여 제작했다.

제작한 그리퍼의 유효성을 검증하기 위해 파지력 실험 및 식품별 파지 실험을 진행한다.

먼저, 비정형 유연 식품은 그리퍼 파지력이 강하면 파손이 된다. 이를 적합한 파지력을 적용하기 위해 PID 제어에 대해서 실험한다. PID 계수는 K_p = 3.5, K_i = 1.0, K_d = 0.8 로 선정했다. 실험 식품군으로 두부, 젤리, 떡 3가지 제품을 대상으로 테스트를 진행한다 [Fig. 9]. 식품이 부숴지지 않고 파지하기 위한 압력 값은 반복 실험을 통해 결정했으며, 두부는 0.5 N, 젤리는 0.4 N, 떡은 0.3 N을 적용하여 실험을 수행했다.

[Fig. 9]

Unstructured flexible food: (a) Tofu, (b) Jelly, (c) Rice cake

[Fig. 10]에서는 각 식품별 압력 실험 결과를 나타냈다. 두부에는 0.5 N의 힘이 작용했으며 떡과 젤리는 각각 0.37 N의 힘이 작용하였고, 0.28 N의 힘이 적용됨을 확인했다. PID 제어기가 식품에 적절한 힘을 가하여 식품별로 파손 한계점 이하로 파지할 수 있음을 보였다.

[Fig. 10]

PID test results: (a) Tofu, (b) Jelly, (c) Rice cake

4.2 그리퍼 파지 시험

그리퍼 파지 실험은 [Fig. 11]과 같이 구축된 환경에서 진행했다. 실험에 사용하는 식품군은 앞선 파지 실험에서 사용한 3가지 식품군과 생굴을 이용한다[Fig. 12].

[Fig. 11]

Unstructured flexible food gripping experiment

[Fig. 12]

Unstructured flexible food: (a) Tofu, (b) Jelly, (c) Mochi, (d) Raw oyster

실험과정은 협동 로봇을 활용하여 실험 식품군을 파지 한 후, 지정된 장소로 옮기는 것을 반복적으로 수행한다.

실험 결과는 [Fig. 13]과 [Table 1]과 같다. [Fig. 13]은 4가지 식품에 대해 파지하는 모습을 나타내며, [Table 1]에서는 4가지 식품군으로 실험을 진행했다.

[Fig. 13]

Grasping test results: (a) Rice cake, (b) Jelly, (c) Tofu, (d) Raw oyster

[Table 1]

Unstructured food grasping experiment results

기존 연구인 Scooping-Binding 그리퍼와 제안하는 그리퍼의 실험 결과를 나타냈다. 제안하는 그리퍼는 5번의 반복 실험을 통해 4가지 식품군 모두 변형 없이 안전하게 파지가 되는 것을 실험을 통해 확인했다.

5. 결 론

본 논문에서는 비정형 유연 식품을 파지 하기 위한 scooping-enclosing 그리퍼를 제안한다. 제안하는 그리퍼는 식품을 이송 중 손상 및 탈출을 방지하기 위한 silicone net과 바닥에서 식품을 파지 할 수 있도록 고안된 scooping plate로 이루어져 있다.

제안하는 그리퍼의 요소별 유효성을 확인하기 위해 동역학 해석을 수행했다. 먼저, 형상에 대한 해석을 위해 3가지 형상인 사각형, 아치형, 역 아치형에 1초에 15 N의 정적 상태의 수직하중을 적용했다. 그중 0.5 Mpa로 가장 작은 응력이 발생하는 역 아치형이 그리퍼 형상으로 적합함을 보였다. 다음으로, 수직 하강 시 충격을 줄이기 위한 스프링의 계수를 검증하기 위한 시뮬레이션을 진행했다. 스프링의 길이 10 mm, 스프링 상수 1.96 N/mm를 적용하였고, 시뮬레이션 결과 17 N의 힘이 8 N으로 줄어듦을 검증했다. 마지막으로 Silicone net의 탄성계수를 검증하기 위해 반복적인 Pick and Place 시뮬레이션을 수행했다. 테스트 식품보다 큰 50 mm 알루미늄 공을 파지하여 테스트했다. 이를 통해, 0.5376 MPa의 Silicone net 탄성계수의 적합성을 확인했다.

제안하는 그리퍼는 필라멘트를 사용하여 제작하였고, Silicone net은 Dragon Skin 20을 사용하며, 압력 센서 Single Tact 10 N을 활용하여 제작했다. 먼저, 압력 센서를 활용한 PID 제어 실험에서 실험 식품군으로 두부, 젤리, 떡 3가지 제품을 대상으로 적절한 제어 입력을 생성함을 보였다. 마지막으로, 협동 로봇에 제안하는 그리퍼를 장착하여 비정형성과 유연성을 가진 두부, 젤리, 떡, 생굴에 대해 파지 실험을 진행했다. 식품별로 5회씩 테스트를 진행한 결과, 제안하는 Scooping-Enclosing 그리퍼는 4가지 식품군 모두 압축 및 손상 없이 안전하게 파지되는 것을 확인했다.

향후 연구에서는 실제 자동화 환경에서 제안하는 그리퍼를 사용하여 실용성을 검증할 계획이다.

Acknowledgments

This research was supported by Korea Institute of Marine Science & Technology Promotion (KIMST) funded by the Ministry of Oceans and Fisheries (KS211536, Development of smart Processing Technology for Fishery Products).

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