KR101139354B1 - 생체모사형 날개장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 곤충의 비행을 모사하여 날개를 접어 펼칠 수 있는 초소형 비행체(micro air vehicle)에 이용되는 날개장치에 관한 것으로서, 특히 곤충류 중 큰 종에 속하여 시각적으로 관찰하기가 쉬운 장수풍뎅이의 비행원리를 분석하여 이를 바탕으로 접힘 및 펼침이 가능한 판넬; 상기 판넬의 평면 상에 설치되어 상기 판넬을 지지하는 동시에 상기 판넬이 접힘 및 펼침을 하기 위한 제1 지지부재, 제2 지지부재, 제3 지지부재 및 제4 지지부재; 상기 제1 지지부재와 상기 제2 지지부재가 만나는 접점에 위치하는 제1 가동 조인트; 및 상기 제3 지지부재와 상기 제4 지지부재가 만나는 접점에 위치하는 제2 가동 조인트를 포함하는 생체모사형 날개장치에 관한 것이다.
곤충모사, 날개 펼칩-접힘, 플래핑, 딱정벌레, 장수풍뎅이, 형상기억합금

Description

생체모사형 날개장치{BIOMIMETIC WING DEVICE}
본 발명은 곤충의 비행을 모사하여 날개를 접어 펼칠 수 있는 초소형 비행체(micro air vehicle)에 이용되는 생체모사형 날개장치에 관한 것이다.
근래 들어, 초소형 비행체(micro air vehicle)를 개발하는데 곤충의 비행을 적용하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
곤충의 비행을 설명하는 다양한 작동원리들이 제시되어 왔으며, 이러한 작동원리에 대한 연구와는 별도로 곤충의 비행을 실질적으로 모사하기 위한 노력이 많은 연구에서 수행되고 있다.
대부분의 초소형 비행체들은 비행 도중 또는 보관 및 운반 중에 날개가 부러지는 현상이 발생된다. 이에 따라 부러진 날개를 수리하는데 오랜 시간이 걸릴 뿐더러 초소형이라는 특성상 날개를 제작하는 비용에 있어서도 곤란함을 겪게 되었다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 고려하여, 날개를 접어 펼칠 수 있는 초소형 비행체(micro air vehicle)에 이용되는 날개장치를 용이하게 제작할 뿐만 아니라 초소형 비행체가 장기간 비행할 수 있도록 날개의 반복적인 접힘-펼침 구동에 대한 내구성 및 신뢰성을 갖는 생체모사형 날개장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 생체모사형 날개장치는 판넬(300), 상기 판넬(300)의 평면 상에 설치되어 상기 판넬(300)을 지지하는 동시에 상기 판넬(300)이 접힘 및 펼침을 하기 위한 제1 지지부재(370a) 내지 제4 지지부재(370d), 상기 제1 지지부재(370a)와 제2 지지부재(370b)가 만나는 접점에 위치하는 제1 가동 조인트(390a), 및 상기 제3 지지부재(370c)와 제4 지지부재(370d)가 만나는 접점에 위치하는 제2 가동 조인트(390b)를 포함한다.
또한 상기 생체모사형 날개장치의 상기 판넬(300)은 복수의 면으로 이루어지고, 상기 판넬(300)에는 상기 제1 지지부재(370a) 내지 제4 지지부재(370d)와 이의 접점인 제1 가동 조인트(390a)와 제2 가동 조인트(390b)를 통하여 접힘 및 펼침이 가능하도록 복수의 면이 만나는 가동점(350)이 형성된다.
특히 상기 제1 지지부재(370a) 내지 상기 제4 지지부재(370d)는 상기 판넬 및 상기 복수의 면에 가해지는 압력을 견뎌내기 위해서 4겹의 글래스/에폭시로 형성된다.
뿐만 아니라, 상기 생체모사형 날개장치는 전기적으로 구동하기 위하여 전기적으로 작동하는 인공근육부재를 더 포함하며 상기 인공근육부재(400)는 전원장치로부터 전원공급이 가능한 제1 형상기억합금 와이어(410) 및 전원장치로부터 전원공급이 가능한 제2 형상기억합금 와이어(420)를 포함한다.
본 발명의 상기 복수의 지지부재는 제1 지지부재(370a), 제2 지지부재(370b), 제3 지지부재(370c) 및 제4 지지부재(370d)로 이루어 지고, 상기 제1 형상기억합금 와이어(410)는 상기 판넬(300)의 상기 제1 지지부재(370a)와 상기 제3 지지부재(370c)의 전면에 "U"자 형상으로 설치되고, 상기 제2 형상기억합금 와이어(420)는 상기 제1 지지부재(370a)에서부터 상기 제2 지지부재(370b)까지 상기 판넬(300)의 후면에 직선으로 설치된다.
뿐만아니라, 접힘 및 펼침운동에 의한 변형이 자연스럽게 발생하도록 상기 판넬(300)의 전체 면에 잔주름이 형성될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 초소형 비행체가 장기간 비행할 수 있도록 날개에 대한 내구성 뿐만아니라 동시에 날개의 반복적인 접힘-펼침 구동에 대한 신뢰성을 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 날개장치의 면은 폴리프로필렌(polypropylene)으로 제작된 막으로 형성되고 지지부재는 접힘 또는 펼침운동에 의한 변형이 진행되는 동안 판넬 및 상기 복수의 면에 가해지는 압력을 견뎌내기 위해서 4겹의 글래스/에폭시로 구성되기 때문에 초소형 비행체의 날개 무게 및 크기를 줄이는 동시에 내구성을 향상 시키는 효과를 제공한다.
뿐만아니라 상기 생체모사형 날개장치의 상기 판넬의 전체 면에 잔주름이 형성되어 있어 접힘 및 펼침운동에 의한 상기 판넬의 변형이 자연스럽게 발생하는 효과가 있다.
전술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 접힘 및 펼침이 가능한 판넬(300); 상기 판넬(300)의 평면 상에 설치되어 상기 판넬(300)을 지지하는 동시에 상기 판넬(300)이 접힘 및 펼침을 하기 위한 제1 지지부재(370a), 제2 지지부재(370b), 제3 지지부재(370c) 및 제4 지지부재(370d); 상기 제1 지지부재(370a)와 상기 제2 지지부재(370b)가 만나는 접점에 위치하는 제1 가동 조인트(390a); 및 상기 제3 지지(370c)부재와 상기 제4 지지부재(370d)가 만나는 접점에 위치하는 제2 가동 조인트(390b)를 포함하는 생체모사형 날개장치를 제공한다.
도1은 일반적인 곤충(100)의 외형을 나타내는 해부도이다. 도1에 도시된 바와 같이 일반적인 곤충(100)은 한 쌍의 앞날개(200)와 변형 가능한 한 쌍의 뒷날개(210)를 갖는다. 본 발명에서는 비행하는 곤충류 중 큰 종에 속하여 사람의 눈 또는 정밀한 카메라로 비교적 관찰하기가 쉬운 장수풍뎅이를 모델로 설명한다.
또한 장수풍뎅이의 날개 구조는 일반적인 곤충(100)과 유사하기 때문에 장수풍뎅이의 해부도는 본 발명의 도1로 대체할 수 있다.
본 발명의 주된 관찰 대상인 장수풍뎅이의 뒷날개(210)의 구성은 크게 보았을 때 접힘 및 펼침운동에 의해 변형 가능한 막으로 구성된 4 개의 면과 상기 면에 있는 강성을 갖는 시맥으로 이루어져 있다.
실험에 의한 관찰 및 조사를 통해서 상기 장수풍뎅이의 비행원리를 분석한 결과 지상에서 이동할 때는 상기 앞날개의 안쪽으로 상기 뒷날개를 접어 넣고 오직 비행할 때만 앞날개와 뒷날개를 펼친다.
도2는 장수풍뎅이 뒷날개의 펼침운동 과정을 시간의 순서로 연속 촬영한 사진이다. 위에서 언급한 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 상기 뒷날개의 한 쪽 끝단을 손으로 잡은 상태에서 접힘 및 펼침운동을 반복한 결과 상기 뒷날개(210)의 접어 펼칠 수 있는 막으로 구성된 뒷날개의 4개의 면은 하나의 임의의 점인 가동점(350)에서 서로 만나게 되어 임의의 각도를 이루는데 상기 가동점(350)을 중심으로 평면운동을 한다.
본 발명에서는 일반적인 곤충(100) 및 장수풍뎅이 뒷날개의 평면운동을 모사하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 생체모사형 날개장치를 도시한 상기 도3에 도시된 바와 같이, 생체모사형 날개장치는 접힘 및 펼침이 가능한 판넬(300); 상기 판넬(300)의 평면 상에 설치되어 상기 판넬(300)을 지지하는 동시에 상기 판넬(300)이 접힘 및 펼침을 하기 위한 제1 지지부재(370a), 제2 지지부재(370b), 제 3 지지부재(370c) 및 제4 지지부재(370d); 상기 제1 지지부재(370a)와 상기 제2 지지부재(370b)가 만나는 접점에 위치하는 제1 가동 조인트(390a); 및 상기 제3 지지(370c)부재와 상기 제4 지지부재(370d)가 만나는 접점에 위치하는 제2 가동 조인트(390b)를 포함한다.
또한 상기 판넬(300)은 제1 면(310), 제2 면(320), 제3 면(330) 및 제4 면(340)의 복수의 면으로 이루어지고, 상기 판넬(300)에는 접힘 및 펼침이 가능하도록 복수의 면이 만나는 가동점(350)이 형성된다.
도4는 본 발명에 따른 생체모사형 날개장치의 작동을 연속적으로 도시한 실시도이다. 도4에 도시된 바와 같이 상기 생체모사형 날개장치의 변형 가능한 상기 판넬(300)은 가동점(350)을 교차하는 4개의 접힘선(점선)을 형성하여 이를 따라 순차적으로 접힘과 펼침운동을 한다.
자세히 설명하자면, 도4의 1번은 접힘 상태로, 제일 위 부재인 제1 지지부재(370a), 제2 지지부재(370b)와 다음 아래 부재인 제3 지지부재(370c) 및 제4 지지부재(370d) 사이의 각도가 약 10도 벌려진다.
2번은 펼쳐지기 시작하는 상태로 상기 위 부재와 아래 부재의 각도가 증가하기 시작한다.
3번은 그 각도가 더 커지는 상황이고, 4번은 완전히 날개가 펼쳐져, 상기 위 부재와 아래 부재의 각도는 20도 정도로 벌려 진다.
반대로 상술한 펼침 과정을 거꾸로 하면 접힘 과정이 된다.
또한 도4와 도6에서 보는 바와 같이, 날개가 접히면 제1 가동 조인트(390a), 벤딩 존(380), 제3 가동 조인트(390c) 부재와 그 아래의 제2 가동 조인트(390b)가 포함된 부재의 각도가 20도에서 10도로 변하면서(U 자 형상기억합금의 굽힘변형으로) 이 사이의 판넬이 구겨지면서 잔주름이 생긴다.
상기 제1 지지부재(370a)와 상기 제3 지지부재(370c)의 각이 줄어들면서 상기 판넬(300)은 접히게 되고, 상기 제1 지지부재(370a)와 상기 제3 지지부재(370c)의 각이 늘어나면서 상기 판넬(300)은 펼쳐진다.
이를 위해서 본 발명의 상기 생체모사형 날개장치는 형상기억합금(shape memory alloy)으로 구성된 인공근육부재(400)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 인공근육부재(400)는 5V와 1.5A를 공급할 수 있는 전원공급장치(미도시)로부터 전원공급이 가능한 제1 형상기억합금 와이어(410)와 제2 형상기억합금 와이어(420)를 포함하며 상기 제1 형상기억합금 와이어(410) 및 제2 형상기억합금 와이어(420)는 0.5mm 두께로 형성된다.
도5a는 본 발명의 실시예에 따른 제1 형상기억합금 와이어를 설치한 생체모사형 날개장치를 나타내는 평면도이고 도5b는 본 발명의 실시예에 따른 제2 형상기억합금 와이어를 설치한 생체모사형 날개장치를 나타내는 평면도이다 도5a 및 도5b에 도시된 바와 같이, 상기 생체모사형 날개장치를 전기적으로 작동시키기 위해 상기 전원공급장치로부터 전원공급이 가능한 상기 제1 형상기억합금 와이어(410)는 상기 판넬(300)의 상기 제1 지지부재(370a)와 상기 제3 지지부재(370c)의 전면에 "U"자 형상으로 설치되고 상기 제2 형상기억합금 와이어(420)는 상기 제1 지지부재(370a)에서부터 상기 제2 지지부재(370b)까지 상기 판넬(300)의 후면에 직선으로 설치된다.
이로써 상기 생체모사형 날개장치에 전원을 공급하는 상기 제1 형상기억합금 와이어(410)가 전면에 "U"자 형상으로 설치된 상기 제1 지지부재(370a)와 상기 제3 지지부재(370c)는 상기 제1 형상기억합금 와이어(410)의 전기적 작동에 의해 가위운동(scissor motion)을 하게 되고 상기 제1 지지부재(370a)와 상기 제2 지지부재(370b)의 후면에는 상기 제2 와이어(420)를 설치함으로써 상기 제2 형상기억합금 와이어(420)의 전기적 작동에 의해 일직선 방향으로 곧게 뻗어 지는 동시에 상기 제1 지지부재(370a)와 상기 제3 지지부재(370c) 사이의 각도를 증가시키는 힘을 발생시킨다.
또한 상기 제1 형상기억합금 와이어(410) 및 제2 형상기억합금 와이어(420) 이외에도 다수의 형상기억합금 와이어가 상기 판넬(300)의 다른 부위에도 설치되어 접힘 및 펼침운동에 의해 상기 생체모사형 날개장치가 부드럽고 빠르고 완전하게 변형될 수 있도록 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 판넬(300)이 초소형 비행체에 적용되고 평면운동을 자유 자제로 하기 위해서는 상기 판넬(300)의 복수의 면은 탄성 에너지를 저장할 수 있어야 한다. 따라서 본 발명에서의 복수의 면인 상기 제1 면(310), 상기 제2 면(320), 상기 제3 면(330) 및 상기 제4 면(340)은 7㎛ 내지 15㎛ 두께의 폴리프로필렌(polypropylene) 막으로 제작된다.
또한 다수의 상기 지지부재(370a, 370b, 370c, 370d)는 상기 생체모사형 날개장치가 접힘 또는 펼침운동에 의해 변형이 되는 동안 상기 판넬(300) 및 상기 제1 면(310), 상기 제2 면(320), 상기 제3 면(330) 및 상기 제4 면(340)에 가해지는 압력을 견뎌내기 위해서 4겹의 글래스/에폭시로 구성된 0.4mm 두께로 제작된다.
특히 상기 제1 지지부재(370a)의 경우 초소형 비행체가 접힘 또는 펼침운동 및 플래핑(flapping) 비행을 하는 동안 상기 생체모사형 날개장치에 가해지는 굽힘운동(bending montion)과 작동압(acting forcd)에 의해 상기 판넬(300)이 접히지 않도록 하기 위한 벤딩 존(bending zone)(380)의 기능을 한다.
또한 도6에 도시된 바와 같이, 상기 벤딩 존(380)은 다수의 힌지를 더 구비함으로써 상기 생체모사형 날개장치에 가해지는 굽힙운동과 작동압을 견딜 수 있도록 구성된다.
이로써 상기 판넬(300)과 제1 면(310) 내지 상기 제4 면(340) 및 다수의 상기 지지부재(370a, 370b, 370c, 370d)는 강성을 갖는 동시에 유연함을 가지게 되어 수 차례 반복되는 접힘과 펼침운동에 의한 변형이 진행되는 동안 파손되는 문제를 해결한다.
더욱이 상기 생체모사형 날개장치는 상기 판넬(300)의 전체 면에 잔주름(미도시)이 형성되어 있어 접힘 및 펼침운동에 의한 변형이 보다 쉽게 일어나게 된다.
즉 상술한 바와 같이 접힘 및 펼침운동에 의한 변형이 자연스럽게 발생하도록 상기 판넬(300)의 전체 면에 잔주름이 형성되어 있어,
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
도1은 일반적인 곤충의 외형을 나타내는 해부도.
도2는 장수풍뎅이의 뒷날개의 실제 펼침운동 과정을 촬영한 사진.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 생체모사형 날개장치를 도시한 평면도.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 제1 형상기억합금 와이어 및 제2 형상기억합금 와이어를 설치한 생체모사형 날개장치의 접힘 및 펼침운동 과정을 모식적으로 나타내는 사시도.
도5a는 본 발명의 실시예에 따른 제1 형상기억합금 와이어를 설치한 생체모사형 날개장치를 나타내는 평면도.
도5b는 본 발명의 실시예에 따른 제2 형상기억합금 와이어를 설치한 생체모사형 날개장치를 나타내는 평면도.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 다수의 힌지를 구비한 생체모사형 날개장치의 벤딩 존을 나타내는 평면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 일반적인 곤충 200: 앞날개
210: 뒷날개 300: 판넬
310: 제1 면 320: 제2 면
330: 제3 면 340: 제4 면
350: 가동점 360: 부착점
370a: 제1 지지부재 370b: 제2 지지부재
370c: 제3 지지부재 370d: 제4 지지부재
380: 벤딩 존 390a: 제1 가동 조인트
390b: 제2 가동 조인트 400: 인공근육부재
410: 제1 형상기억합금 와이어 420: 제2 형상기억합금 와이어

Claims (8)

  1. 판넬(300);
    상기 판넬(300)의 평면 상에 설치되어 상기 판넬(300)을 지지하는 동시에 상기 판넬(300)이 접힘 및 펼침을 하기 위한 제1 지지부재(370a) 내지 제4 지지부재(370d);
    상기 제1 지지부재(370a)와 제2 지지부재(370b)가 만나는 접점에 위치하는 제1 가동 조인트(390a); 및
    제3 지지부재(370c)와 제4 지지부재(370d)가 만나는 접점에 위치하는 제2 가동 조인트(390b)를 포함하되,
    상기 판넬(300)은 복수의 면으로 이루어지고, 상기 판넬(300)에는 상기 제1 지지부재(370a) 내지 제4 지지부재(370d)와 이의 접점인 제1 가동 조인트(390a)와 제2 가동 조인트(390b)를 통하여 접힘 및 펼침이 가능하도록 복수의 면이 만나는 가동점(350)이 형성되는
    생체모사형 날개장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    전원공급장치로부터 전원공급을 받아 작동하는 인공근육부재(400)를 더 포함하는
    생체모사형 날개장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인공근육부재(400)는
    전원장치로부터 전원공급이 가능한 제1 형상기억합금 와이어(410); 및
    전원장치로부터 전원공급이 가능한 제2 형상기억합금 와이어(420)를 포함하는
    생체모사형 날개장치.
  7. 제6항에있어서,
    상기 복수의 지지부재는 제1 지지부재(370a), 제2 지지부재(370b), 제3 지지부재(370c) 및 제4 지지부재(370d)로 이루어 지고;
    상기 제1 형상기억합금 와이어(410)는 상기 판넬(300)의 상기 제1 지지부재(370a)와 상기 제3 지지부재(370c)의 전면에 "U"자 형상으로 설치되고
    상기 제2 형상기억합금 와이어(420)는 상기 제1 지지부재(370a)에서부터 상기 제2 지지부재(370b)까지 상기 판넬(300)의 후면에 직선으로 설치되는
    생체모사형 날개장치.
  8. 제1항에 있어서,
    접힘 및 펼침운동에 의한 변형이 발생하도록 상기 판넬(300)의 전체 면에 잔주름이 형성되어 있는
    생체모사형 날개장치.
KR1020090001673A 2009-01-08 2009-01-08 생체모사형 날개장치 KR101139354B1 (ko)

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