Reconfigurable structures have attracted numerous interests as having potentials for the emerging engineering field, owing to the nature that a single structure can be utilizable for various purposes without redesigning the system. In the last few decades, the origami design principle has been extensively applied for designing reconfigurable structures, since the sophisticated three-dimensional shape can easily be produced by folding a flat sheet, while the drastic shape changes are achievable with a simple actuation mechanism. The high tunability of mechanical properties and the drastic changes of configuration leads the origami-based reconfigurable structure to a variety of applications in engineering fields. One of the most challenging issues in designing an origami-based reconfigurable structure is to ensure a load-bearing capacity in the operation while keeping the flexibility to avoid mechanical failure during reconfiguration. To address this issue, the structure can either be designed to exhibit kinematical contact during the reconfiguration or to have multiple stable configurations. Several concepts of 3-D origami building blocks have been introduced in the aforementioned aspects. However, the unpredictable behavior in the region of self-blocking or the complicated geometrical shapes with significant deformation in the boundary region remains as obstacles disrupting practical applications.
In this dissertation, we present a novel 3-D origami-based tubular structure, which reconfigurable to multiple configurations having significant differences in their axial stiffness while keeping the tubular shapes. The reconfiguration of the proposed structure can be achieved in a multi-stable manner, thus continuous actuation is not necessary to retain a certain configuration. We mathematically identify and classify a complete set of configurations that a single design can be reconfigured. The geometrical analysis is conducted to investigate the effect of the design parameters on the dimension, and some notable geometrical relationships between unit cells of different types of configuration are reported. The stiffness differences in the various configurations are both analytically and experimentally investigated, and a certain regularity in their stiffness differences are discussed. Also, the scaling law of the proposed reconfigurable origami tube is derived based on the dimensional analysis. Further, we demonstrated the self-deployable tubular structure adopting the proposed reconfigurable concept, which automatically reinforces its own stiffness about an order of magnitude through changes in its kinematical composition. As another potential application, the adaptive vibration isolator concept using the reconfigurable origami modules is proposed and validated through the vibration test.
가변 형상 구조는 시스템의 재설계 없이 단일 구조를 다양한 용도에 활용할 수 있다는 장점으로 인해 많은 관심을 받고 있다. 최근 종이접기 기반의 구조 설계 방식은 얇은 시트를 접어 정교한 3차원 구조 형상을 쉽게 구현할 수 있음과 간단한 작동 메커니즘으로 급격한 형상 변화를 이룰 수 있다는 장점으로 인해 이러한 가변 형상 구조 설계에 있어 다수 적용되어왔다. 종이접기에 기반한 형상 재구성이 가능한 구조물을 설계함에 있어 가장 어려운 문제 중 하나는 형상 재구성이 원활히 일어날 수 있도록 구조가 유연해야 하며 목표한 형상에 도달하여서는 구조물의 역할을 할 수 있도록 강건해야하는 두 가지 조건을 동시에 만족시켜야 한다는 점이다.
본 논문에서는 종이접기에 기반하여 다양한 형상으로의 재구성을 통해 축 방향 강성을 달리 만들 수 있는 새로운 튜브형 구조를 제안한다. 제안된 구조는 다중 안정성을 가지도록 설계할 수 있어 재구성 이후 형상을 유지하기 위하여 추가적인 에너지를 필요로 하지 않는다. 단일 구조가 가질 수 있는 모든 재구성 형상을 수학적으로 식별하고 분류한다. 설계 변수가 구조 형상에 미치는 영향을 알아내기 위하여 기하학적 분석을 수행한다. 여러 형상에서의 축 방향 강성 차이를 수학적, 실험적으로 분석하고 형상 분류별 강성 순차를 밝혀낸다. 구조를 이루는 재료 물성과 두께의 영향을 고려하기 위하여 차원 분석과 유한요소해석을 수행하며 이를 통해 제안한 구조의 축 방향 강성을 표현하는 경험적 모델을 제시한다. 본 연구에서 제안하는 재구성 가능한 튜브 구조를 적용하여 자가 전개, 및 강성 보완이 가능한 전개형 구조물 개념을 시연하며, 또한 다양한 진동 환경하에서 최적의 진동 저감 성능을 나타낼 수 있는 적응형 제진기 개념을 시연한다.
