KR101249853B1 - Approximated modeling method of generalized drag torque acting on multi-joint links underwater robot - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해저면에서 다관절 보행다리를 이용하여 보행과 유영으로 이동하는 다관절 해저로봇의 링크에 작용하는 유체력과 관절에 작용하는 일반화된 유체력 토크의 근사적 모델링 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 작용하는 유체력 토크의 근사적 모델링방법은 닫힌 형태의 수중 다관절 링크의 운동방정식에 활용할 수 있는 유체력의 근사적 모델링 방법으로서, 수중에서 유영 및 보행하는 해저 로봇의 다관절 링크 단면에 따른 유체력 계수의 적용 범위를 판단하는 단계와; 유체 속에서 움직이는 다관절 링크에 작용하는 유체력을 근사적으로 계산하는 단계와; 다관절 링크에 작용하는 유체력을 통해 관절 좌표계에 작용하는 유체력 토크를 계산하는 단계; 및 좌표계에 작용하는 유체력을 관절축에 작용하는 유체력으로 변환하고 관절 이후의 모든 링크에 의한 유체력 토크를 계산하는 단계;를 포함한다.
The present invention provides an approximate modeling method of a fluidized force acting on a link of an articulated subsea robot moving to walking and swimming using a articulated walking leg on the sea floor and a generalized fluid force torque acting on a joint.
The approximate modeling method of the fluid force torque acting on the multi-moveable multi-sea subsea robot according to the present invention is an approximate modeling method of the fluid force that can be used for the equation of motion of the closed articulated articulated link. And determining an application range of the fluid force coefficient according to the cross-section of the articulated link of the walking robot. Approximating a fluid force acting on the articulated link moving in the fluid; Calculating fluid force torque acting on the joint coordinate system through fluid force acting on the articulated link; And converting the fluid force acting on the coordinate system into a fluid force acting on the joint axis and calculating the fluid force torque by all the links after the joint.

Description

복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 작용하는 유체저항토크의 근사적 모델링방법{APPROXIMATED MODELING METHOD OF GENERALIZED DRAG TORQUE ACTING ON MULTI-JOINT LINKS UNDERWATER ROBOT} APPROXIMATED MODELING METHOD OF GENERALIZED DRAG TORQUE ACTING ON MULTI-JOINT LINKS UNDERWATER ROBOT}

본 발명은 다관절 링크에 작용하는 일반화된 유체저항토크의 근사적 모델링 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다관절 보행다리를 이용하여 해저면에 도달하여 보행과 유영으로 수중에서 이동하는 다관절 해저로봇의 다관절 링크에 작용하는 유체력과 다관절 링크에 작용하는 유체력으로 인해 관절에 작용하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 작용하는 유체저항토크의 근사적 모델링방법 에 관한 것이다.The present invention relates to an approximate modeling method of a generalized fluid resistance torque acting on the articulated link. More specifically, the articulated seabed moves in the water by walking and swimming by reaching the sea floor using the articulated walking leg. The present invention relates to an approximate modeling method of a fluid resistance torque acting on a multi-joint subsea robot capable of multiple movements on a joint due to the fluid force acting on the articulated link of the robot and the fluid force acting on the articulated link.

한국해양연구원에서는 2010년부터 다관절 복합이동 해저로봇개발에 착수하였다. 다관절 해저로봇의 목적은 해저탐사와 작업이며, 주로 기존의 ROV(remotely operated vehicle)나 AUV(autonomous underwater vehciel)로서는 수행하기 어려운 우리나라 서해안과 같이 강조류, 악시계 해저를 조사하거나, 심해저 퇴적층의 교란을 최소화하면서 정밀탐사를 수행하는 것이다. 다관절 해저로봇은 프로펠러를 이용하여 추진하는 기존의 ROV나 AUV와는 달리 여러 개의 다리를 이용하여 해저보행 또는 유영으로 이동하는 새로운 개념의 해저로봇으로, 마치 게(Crab)와 가재(Lobster)가 해저면에서 이동하고 작업하는 형태와 유사하여 로봇의 이름을 'Crabster'라고 명명하였다.The Korea Ocean Research & Development Institute started to develop multi-joint combined mobile subsea robot since 2010. The purpose of the articulated submarine robot is to investigate and work on the seabed, mainly to study the seabeds of heavy seas and bad-clocks, such as the western coast of Korea, which is difficult to carry out by conventional ROV (remotely operated vehicle) or AUV (autonomous underwater vehciel). It is to conduct an exploration with minimal disturbance. Multi-joint submarine robot is a new concept of submarine robot that moves to submarine walking or swimming by using multiple legs, unlike the existing ROV or AUV that propulsion is promoted by propeller. Crab and Lobster The robot is named 'Crabster' because it is similar in shape and moving.

해저로봇은 공기의 1000배에 달하는 밀도를 가지는 수중환경에서 유체와 상대운동을 하므로, 유체력을 무시할 수 없는 동역학 특성을 가진다. 수중로봇에 작용하는 유체력을 어떻게 해석하고 모델링하며 이용할 것인가 하는 것은 수중로봇기술을 공기중 로봇기술과 차별화하여 특징짓는 주요요소 중 하나이다. 유속이 있는 수중에서 다관절 다족을 이용하여 자세를 유지하고 보행 또는 유영할 경우, 유체력에 대한 고려가 필수적이고 이를 위해서는 링크에 작용하는 유체력의 모델링이 선행되어야 한다. 수중에서 움직이는 다관절 링크의 경우, 복잡하고 다양한 비선형 유체력으로 인해 운동특성이 공기 중에서 움직이는 로봇에 비해 복잡하지만, 이에 대한 연구는 상대적으로 많지 않다.Subsea robots have relative dynamics with fluids in an underwater environment with a density of 1000 times that of air. How to analyze, model, and use the fluid forces acting on underwater robots is one of the main factors that distinguish underwater robot technology from airborne robot technology. When maintaining posture and walking or swimming with multi-joint multi-joints in water with velocity, consideration of the fluid force is essential and the modeling of the fluid force acting on the link must be preceded. In the case of the articulated link moving underwater, the motion characteristics are more complicated than the robot moving in the air due to the complex and various nonlinear fluid forces, but there are relatively few studies.

수중의 강체에 작용하는 주요힘들을 분류하여 정리한 연구가 개시되어있다[J. Yuh, "Modeling and control of underwater robotic vehicles,"IEEE Transaction on Systems, Man and Cybernetics, vol. 20, pp. 1475-1483, November/December 1990, T.I. Fossen, Guidance and Control of Ocean Vehicles,Chichester, John Wiley & Sons Ltd., 1994.]. 또한, 물속의 사각빔에 작용하는 저항토크를 추정하는 방법이 개시되어있다[BenoitL'evesque and Marc J. Richard, "Dynamic analysis of a manipulator in a fluid environment,"International Journal of Robotics Research, vol. 13, no. 3, pp. 221-231, June 1994.]. 위 개시된 자료들은 Hoerner's의 자유흐름(free stream)에 대해 특정각도로 병진운동하는 빔에 작용하는 압력저항력을 얻기 위해 교차유동원리(cross-flow principle)을 이용하였다. 사각빔의 조각에 작용하는 저항력을 추정하고 세장체 이론(strip theory)을 이용하여 긴빔에 작용하는 저항력을 추정하였다. 또한, 전통적인 N-E(Newon-Euler)역학을 수중 로봇팔의 경우로 확장한 연구가 개시되었다[K. Ioi and K. Itoh, "Modeling and simulation of an underwater manipulator,"Advanced Robotics, vol. 4, no. 4, pp. 303-317, 1990.]. 또한, 수중 로봇팔의 N-E 공식에 기초하여 로봇팔을 탑재한 잠수정의 시뮬레이션 알고리즘이 개시되어있다[McMillan, D. E Orin and C. S. G. Lee, "Efficient dynamic simulation of an underwater vehicle with a robotic manipulator," IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics, vol. 25, no. 8, pp. 1194-1206, Aug. 1995.]. 또한, Kane's method를 이용하여 로봇 팔을 가진 잠수정의 동역학모델이 개시되어있다[T. J. Tarn, G. A. Shoults and S. P. Yang, "A dynamic model of an underwater vehicle with a robotic manipulator using Kane's method", Autonomous Robots 3, pp. 269-283, 1996.]. 또한, 단일링크에 대해 부가질량과 유체저항계수의 거동을 실험적으로 고찰하여 로봇팔과 잠수정간의 상호간섭이 클 수 있음을 보여주는 연구가 개시되어있다[T. W. McLain and S. M. Rock, "Experiments in the coordination of underwater manipulator and vehicle control,"Journal of Autonomous Robots, vol. 3, no. 2, pp. 139-158, June/July 1996.]. 이들 선행연구는 수중 로봇팔을 수치적으로 모델링하기 위한 접근들이었으나, 일반화된 좌표계의 변수와 그들의 1차 및 2차 미분으로 표현되는 수중 다관절 링크에 대한 닫힌 형태의 동역학식을 제공하지 못하였고, 일반적인 형태의 다관절 링크에 작용하는 유체력을 유도해 주지 못하는 문제점이 있었다.A study that classifies and organizes the major forces acting on underwater rigid bodies has been disclosed [J. Yuh, "Modeling and control of underwater robotic vehicles," IEEE Transaction on Systems, Man and Cybernetics, vol. 20, pp. 1475-1483, November / December 1990, T.I. Fossen, Guidance and Control of Ocean Vehicles, Chichester, John Wiley & Sons Ltd., 1994.]. Also disclosed is a method for estimating the resistance torque acting on a square beam in water [Benoit L'evesque and Marc J. Richard, "Dynamic analysis of a manipulator in a fluid environment," International Journal of Robotics Research, vol. 13, no. 3, pp. 221-231, June 1994.]. The data disclosed above use the cross-flow principle to obtain the pressure-resistance acting on a beam that translates at a certain angle to Hoerner's free stream. The resistance acting on the fragment of the square beam was estimated, and the resistance acting on the long beam was estimated using the strip theory. In addition, a study that extends traditional N-E (Newon-Euler) mechanics to the case of an underwater robot arm has been disclosed [K. Ioi and K. Itoh, "Modeling and simulation of an underwater manipulator," Advanced Robotics, vol. 4, no. 4, pp. 303-317, 1990.]. In addition, a simulation algorithm for a submersible equipped with a robotic arm has been disclosed based on the NE formula for an underwater robotic arm [McMillan, D. E Orin and CSG Lee, "Efficient dynamic simulation of an underwater vehicle with a robotic manipulator," IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics, vol. 25, no. 8, pp. 1194-1206, Aug. 1995.]. In addition, a kinematic model of a submersible with a robotic arm has been disclosed using Kane's method [T. J. Tarn, G. A. Shoults and S. P. Yang, "A dynamic model of an underwater vehicle with a robotic manipulator using Kane's method", Autonomous Robots 3, pp. 269-283, 1996.]. In addition, studies have been conducted to show that the interaction between the robot arm and the submersible can be large by experimentally examining the behavior of added mass and fluid resistance coefficient for a single link [T. W. McLain and S. M. Rock, "Experiments in the coordination of underwater manipulator and vehicle control," Journal of Autonomous Robots, vol. 3, no. 2, pp. 139-158, June / July 1996.]. These previous studies were approaches to numerically model underwater robotic arms, but they did not provide a closed form dynamic equation for the generalized coordinate system variables and the underwater joints represented by their first and second derivatives. However, there is a problem that cannot induce a fluid force acting on a general type of articulated link.

또한, 수중에 놓인 강체에 작용하는 유체력에 대해서는 많은 연구가 수행되었고 이론이 정립되었으나, 로봇팔이나 다리처럼 여러 개의 관절을 가진 링크가 수중에서 운동하는 경우에 대한 연구는 상대적으로 많지 않은 실정이다.In addition, many studies have been conducted on the hydrodynamic forces acting on rigid bodies in the water, and theories have been established. However, there are relatively few studies on the case where a link with multiple joints, such as a robot arm or leg, moves underwater. .

본 발명의 목적은 닫힌 형태의 운동을 직관적으로 표현해 주는 L-E(Lagrange-Euler)방법에 기초한 운동방정식에 적용가능 하도록 유도된 다관절 링크에 작용하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 작용하는 유체저항토크의 근사적 모델링방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a fluid resistance for a multi-moveable multi-sea subsea robot that operates on an articulated link that is induced to be applicable to a motion equation based on the LE (Lagrange-Euler) method for intuitively expressing closed-type motion. It provides an approximate modeling method of torque.

본 발명의 다른 목적은 피치, 요관절, 및 롤 관절까지 적용 가능한 일반적인 다관절 링크에 작용하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 작용하는 유체저항토크의 근사적 모델링방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an approximate modeling method of a fluid resistance torque acting on a multi-moveable multi-sea subsea robot that operates on a general articulated link applicable to a pitch, ureter, and roll joint.

상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다관절 링크에 작용하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 작용하는 유체저항토크의 근사적 모델링방법은,Approximate modeling method of fluid resistance torque acting on the multi-joint seabed robot capable of complex movement acting on the articulated link according to an embodiment of the present invention for achieving the above object,

수중의 다관절 링크 단면 형상과, 레이놀즈 수에 따라 수중에서 유영 또는 보행하는 해저 로봇의 다관절 링크 단면 형상에 적용 가능한 유체력 계수를 추정하는 제 1단계와;A first step of estimating a fluid force coefficient applicable to the articulated link cross-sectional shape in the water and the articulated link cross-sectional shape of the subsea robot swimming or walking underwater according to the Reynolds number;

유체력 계산 알고리즘을 사용하여 다관절 해저 로봇의 각 링크를 조각으로 나눈 가상의 원반 조각에 작용하는 유체력을 근사적으로 계산하는 제 2단계와;A second step of calculating a fluid force acting on a virtual disk piece by dividing each link of the articulated submarine robot into pieces using a fluid force calculation algorithm;

j링크상의 원반조각에 작용하는 유체력을 링크의 길이에 대해 적분함으로써 i좌표계에 작용하게 되는 유체력 토크를 계산, 즉, 상기 다관절 링크에 작용하는 유체력을 통해 관절 좌표계에 작용하는 유체력 토크를 계산하는 제 3단계와;Calculate the fluid force torque acting on the i-coordinate system by integrating the fluid force acting on the disk piece on the j link with respect to the link length, that is, the fluid force acting on the joint coordinate system through the fluid force acting on the articulated link. Calculating a torque;

i좌표계에 작용하는 유체력 토크를 i관절 축에 작용하는 유체력 토크로 변환하고 i관절 이후의 링크에 의한 유체력 토크를 모두 더함으로써 일반화된 유체력 토크를 계산하는 단계, 즉, 상기 관절 좌표계에 작용하는 유체력 토크를 관절에 작용하는 유체력 토크로 변환하고, 상기 다관절 링크에 의한 유체력 토크를 계산하는 제 4단계;를 포함한다.calculating a generalized fluid force torque by converting the fluid force torque acting on the i-coordinate system to the fluid force torque acting on the i-joint axis and adding up the fluid force torques by the link after the i-joint, i.e., the joint coordinate system And a fourth step of converting the fluid force torque acting on the fluid force torque acting on the joint, and calculating the fluid force torque caused by the articulated link.

여기서, 상기 제 1단계는 레이놀즈수 계산 알고리즘을 사용하여 레이놀즈수를 계산하는 단계와; 상기 로봇이 일정 범위의 레이놀즈 수 범위 내에서 움직이는 경우, 각 수중 링크의 단면 형상에 따른 유체력 계수 추정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.Wherein the first step comprises: calculating a Reynolds number using a Reynolds number calculation algorithm; When the robot is moving within a range of Reynolds number range, it is preferable to include the step of estimating the fluid force coefficient according to the cross-sectional shape of each underwater link.

그리고, 상기 제 2단계인, 상기 링크의 원반조각에 작용하는 유체력 계산 단계는, 속도 성분 계산 알고리즘을 통해 j번째 링크상의 원반조각의 속도벡터 성분을 관절 각도와 유체의 속도에 대하여 계산하는 단계와; i좌표계에서 정의된 j링크에 직각인 평면(yz평면)으로의 투영행렬 계산 알고리즘을 통해 i좌표에서 정의된 투영행렬을 계산하는 단계와; i좌표계에서 정의된 j번째 링크 상의 원반조각의 속도벡터와 투영행렬을 이용하여 j번째 링크에 직각인 원반조각의 속도성분 벡터를 계산하는 단계와; 유체력 계산 알고리즘을 통해 j번째 링크 상의 한 원반조각에 작용하는 유체력을 계산하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.And, the second step, the fluid force calculation step acting on the disk piece of the link, calculating the velocity vector component of the disk piece on the j-th link with respect to the joint angle and the velocity of the fluid through a velocity component calculation algorithm Wow; calculating a projection matrix defined in the i coordinate through a projection matrix calculation algorithm in a plane perpendicular to the j link defined in the i coordinate system (yz plane); calculating a velocity component vector of the disk fragment perpendicular to the j-th link using the projection vector and the velocity vector of the disk fragment on the j-th link defined in the i-coordinate system; Calculating a fluid force acting on a disc piece on the j-th link through a fluid force calculation algorithm.

또한, 상기 제 3단계인, 상기 링크에 대한 유체력 토크 계산 단계는, 상기 i좌표계에 대한 j링크 상의 한 원반조각의 위치벡터를 계산하는 단계; 및 상기 i좌표계에 작용하는 유체력 토크의 계산 단계를 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the third step, the calculation of the fluid force torque for the link, the step of calculating the position vector of one disk piece on the j link with respect to the i coordinate system; And calculating a hydrodynamic torque acting on the i-coordinate system.

또한, 상기 제 4단계인, 일반화된 유체력 토크 계산 단계는, 상기 i좌표계에 작용하는 유체력 토크를 i관절 축으로 투영시켜 i관절에 작용하는 유체력 토크를 계산하는 단계와, 상기의 과정을 반복하여 i링크에서 j링크에 작용하는 유체력에 의해 i좌표계에 작용하는 유체력 토크를 모두 계산하고 이들을 합함으로써 i관절 이후의 링크에 대한 유체력 토크를 계산하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the fourth step, the generalized fluid force torque calculation step, the step of calculating the fluid force torque acting on the i joint by projecting the fluid force torque acting on the i coordinate system to the i joint axis, and the process It is preferable to repeat the step of calculating all the fluid force torque acting on the i coordinate system by the fluid force acting on the j link in the i-link and sum them to calculate the fluid force torque for the link after the i joint .

본 발명은 수중 다관절 링크에 작용하는 유체력과 이로부터 유기되는 유체력 토크를 근사적으로 모델링함으로써, 닫힌 형태로 유도되어 L-E 운동방정식에 바로 적용 될 수 있으며 각종 해석이나 설계에 활용하기에 용이한 효과를 갖는다.According to the present invention, the fluid force acting on the articulated articulated link and the fluid force torque induced therefrom can be modeled in a closed form and applied directly to the LE motion equation. Has one effect.

또한, 본 발명은 유체 속에서 움직이는 다관절 로봇의 걸음새 계획이나 유영 동작 개발 등 다양한 분야에 용이하게 적용 될 수 있는 효과를 갖는다.In addition, the present invention has an effect that can be easily applied to a variety of fields, such as step planning or swimming motion development of the articulated robot moving in the fluid.

또한, 본 발명은 직관적으로 유체력을 추정할 수 있는 간단한 3절 스카라 로봇에 적용하여 시뮬레이션을 수행함으로써 본 발명의 타당성을 검증할 수 있는 효과를 갖는다.In addition, the present invention has the effect of verifying the validity of the present invention by performing a simulation applied to a simple three-section Scara robot that can intuitively estimate the fluid force.

도 1은 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템에 관한 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇의 내부블록 구성도이다.
도 4 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저로봇의 로봇다리의 관절부분을 나타낸 상세도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저로봇의 전동모터와 하모닉 감속기로 이루어지는 내압방수 관절구조의 일부 측단면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇팔 겸용다리의 관절부분을 나타낸 상세도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇다리 및 로봇팔 겸용다리의 기구학적 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 다관절 링크에 작용하는 일반화된 유체력 토크의 근사적 모델링 방법에서 사용되는 알고리즘을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 다관절 링크에 작용하는 일반화된 유체력 토크의 근사적 모델링 방법에서의 복합이동이 가능한 다관절 수동로봇의 수중 다관절 링크의 벡터도와 링크 좌표계를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10과 유사한 도면으로서, 다관절 링크의 원반조각과 그 속도 벡터를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 다관절 링크에 작용하는 일반화된 유체저항토크의 근사적 모델링 방법을 확인하기 위하여 사용된 3절 링크로봇의 좌표계와 링크파라미터를 나타낸 도면이다.
도 13 내지 도 15는 도 12의 3절 링크로봇의 3,2,1번 관절이 각각 단위 속도를 가질 때, 3번 관절각도 변화에 대한 각 관절의 유체력 토크를 도식적으로 나타낸 그래프이다.
도 16 내지 도 18은 도 12의 3절 링크로봇의 3,2,1번 관절이 각각 단위 속도를 가질 때, 2번 관절각도에 대한 각 관절의 유체력 토크를 도식적으로 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic conceptual diagram of a subsea exploration system using a multi-movement multi-sea subsea robot according to the present invention.
Figure 2 is a perspective view schematically showing a multi-movement multi-sea subsea robot according to an embodiment of the present invention.
3 is an internal block diagram of a multi-moveable multi-sea subsea robot according to the present invention.
Figure 4 is a detailed view showing the joint portion of the robot leg of the articulated subsea robot according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a partial side cross-sectional view of a pressure-resistant waterproof joint structure consisting of an electric motor and a harmonic reducer of a multi-joint subsea robot according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 6 is a detailed view showing the joint portion of the robot arm combined leg according to a preferred embodiment of the present invention.
7 is a view showing the kinematic structure of the robot leg and robot arm combined leg according to a preferred embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating an algorithm used in an approximate modeling method of a generalized fluid force torque acting on an articulated link according to the present invention.
FIG. 9 is a view illustrating FIG. 8 in detail.
FIG. 10 is a diagram illustrating a vector and a link coordinate system of an underwater articulated link of an articulated manual robot capable of multiple movements in the approximate modeling method of generalized hydraulic force torque acting on the articulated link according to the present invention.
FIG. 11 is a view similar to that of FIG. 10, showing a disk piece of the articulated link and its velocity vector.
12 is a view showing the coordinate system and link parameters of a section 3 link robot used to confirm the approximate modeling method of the generalized fluid resistance torque acting on the articulated link according to the present invention.
13 to 15 are graphs showing the fluid torque of each joint with respect to the joint angle change of joint 3 when joints 3, 2, and 1 of the third link robot of FIG. 12 each have a unit speed.
16 to 18 are graphs schematically showing the fluid torque of each joint with respect to the joint angle when joints 3, 2, and 1 of the third link robot of FIG. 12 each have a unit speed.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 링크에 작용하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 작용하는 유체저항토크의 근사적 모델링방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an approximate modeling method of a fluid resistance torque acting on a multi-joint subsea robot capable of moving in accordance with a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

유속이 있는 수중에서 다관절 다족을 이용하여 보행 또는 유영할 경우 유체력을 고려한 관절의 경로계획과 제어가 필요하며 이를 위해 필수적으로 선행되어야 할 것이 바로 다리 링크에 작용하는 유체력의 모델링이다. When walking or swimming with multi-joint multi-foot in water with velocity, the path planning and control of the joint considering the fluid force is necessary. For this purpose, the modeling of the fluid force acting on the bridge link is essential.

본 발명에서는 여기에 주목하고 수중에서 다관절 다리를 이용하여 유체력을 적극적으로 활용하기 위해 필수적으로 선행되어야 하는 다관절링크에 대한 유체력의 수치모델 방법을 제시한다.The present invention focuses on this, and proposes a numerical model method of fluid force for the articulated link that must be preceded in order to actively utilize the fluid force using the articulated leg in water.

본 발명에서는 먼저, 링크를 조각으로 나누고 각 조각에 작용하는 유체력을 추정한 후 세장체 이론에 따라 이를 적분하여 링크에 작용하는 유체력을 관절각도와 관절속도의 함수로 나타내었다. 각 관절에서 링크조각까지의 거리벡터를 고려함으로써 미소토크를 구하고 이를 수치적분하여 일반화된 유체저항토크를 구하였다. 제안된 모델링방법의 타당성을 검증하기 위하여 단순한 3절 스카라 로봇을 이용하여 시뮬레이션하고 그 결과를 고찰하였다.In the present invention, first, by dividing the link into pieces and estimating the fluid force acting on each piece, the fluid force acting on the link is expressed as a function of joint angle and joint velocity by integrating it according to the elongated body theory. The microtorque was calculated by considering the distance vector from each joint to the link fragments and numerically integrated to obtain the generalized fluid resistance torque. In order to verify the validity of the proposed modeling method, a simple three-section SCARA robot is simulated and the results are discussed.

한편, 본 발명에서는 기존의 프로펠러 방식의 잠수정과는 다른 새로운 개념의 해저로봇으로 기존 한계를 극복하고자 하며, 이를 위하여 도 2와 같은 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 개시한다. 종래기술에서 언급된 기존의 한계 또는 문제는 아래와 같은 개념으로 극복한다.On the other hand, the present invention intends to overcome the existing limitations with a subsea robot of a new concept different from the existing propeller type submersible, for this purpose it is disclosed a multi-joint subsea robot capable of a complex movement as shown in FIG. The existing limitations or problems mentioned in the prior art are overcome by the following concept.

먼저, 안전성 문제에 관하여, 다이버가 직접 작업하기에 위험한 환경에서는 다이버 대신 해저로봇을 작업에 이용한다.First of all, in terms of safety issues, submarine robots are used instead of divers in environments where it is dangerous for divers to work directly.

작업시간 문제에 관하여, 해저로봇을 이용함으로써 다이버의 잠수시간 한계를 극복한다.On working time issues, the diver's diving time limit is overcome by using a subsea robot.

조류 문제에 관하여, 로봇은 해저에 밀착하여 접지력이 커지는 자세를 유지함으로써 조류를 극복하고, 해저로봇(100)과 모선(300) 사이에 완충기(200)를 두어 케이블에 걸리는 조류력이 해저로봇(100)에 미치는 영향을 줄인다.Regarding the algae problem, the robot overcomes the algae by maintaining a posture in which the grounding force is increased by being in close contact with the seabed, and by placing the buffer 200 between the subsea robot 100 and the mothership 300, the algae force applied to the cable is a submarine robot ( Reduce the impact on

악시계 문제에 관하여, 비교적 탁도의 영향을 덜 받는 다양한 초음파 영상장치를 활용하고 광학카메라는 근접 확인용으로 활용한다.Regarding the clock problem, various ultrasonic imaging apparatuses, which are relatively less affected by turbidity, are utilized, and optical cameras are used for proximity checking.

장애물과 불규칙 해저지형 문제에 관하여, 스스로 장애물에 얽히지 않도록 다족을 이용하여 해저에 착지하여 정적 안정성을 유지하고 불규칙 해저지형에서도 다관절 다리를 이용하여 원하는 몸체의 자세를 유지하며 보행이동 한다.Regarding obstacles and irregular undersea terrain problems, use a multi-legged landing on the sea floor to maintain static stability so as not to be entangled with obstacles.

환경간섭 문제에 관하여, 해저의 교란을 최소화 할 수 있도록 해저 보행의 방법으로 이동 및 작업한다.Regarding the problem of environmental interference, move and work in the way of seabed walking to minimize the disturbance of the seabed.

본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 개발하기 위한 네 가지 핵심기술을 정의하며, 기술개발의 접근방법을 제안한다. 새로이 제안되는 해저로봇은 프로펠러 방식으로 추력을 얻는 기존의 해저로봇과는 달리 여러 개의 관절로 이루어진 다리를 이용하여 해저면에 근접해서 보행과 유영으로 이동하는 새로운 개념의 해저로봇을 제공하는 것이다.We define four core technologies for developing multi-moveable multi-sea subsea robots according to the present invention, and propose an approach for technology development. Unlike the existing submarine robot, which propels the thrust, the newly proposed submarine robot provides a new concept of submarine robot that moves and walks and walks close to the sea floor using legs consisting of several joints.

이 해저로봇의 개념은 마치 게(Crab)와 가재(Lobster)가 해저면에서 이동하고 작업하는 형태와 유사하여 로봇의 이름을 'Crabster'라고 명명하였다.The concept of undersea robots is similar to the way crabs and lobsters move and work on the bottom of the sea, so the robot is named 'Crabster'.

본 발명에 따른 해저로봇은 우리나라 연근해 200m 수심까지의 해저에서 침몰선 탐사와 해양과학 조사를 수행한다(또한 6000m 수심까지의 해저에서 해양과학 조사를 수행한다). 특히, 조류(Tidal current)가 세고, 시계(Visibility)가 나쁜 서해안의 환경에서 작업할 수 있고, 또한 퇴적 토양에서 환경교란 없이 유영과 보행기능을 갖는 형태이다.The subsea robot according to the present invention performs a sunken ship exploration and marine science survey in the seabed up to 200m deep offshore in Korea (also performs marine science survey in the seabed up to 6000m depth). In particular, it can work in the environment of the west coast where the tidal current is strong and visibility is poor, and it has a swimming and walking function without disturbing the environment in the sedimented soil.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템에 관한 개략적인 개념도이다.1A and 1B are schematic conceptual views of a seabed exploration system using a multi-joint seabed robot capable of moving in accordance with the present invention.

도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇을 이용한 해저탐사시스템(1000)은 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇(100)이 해저 200m에 도달하여 보행하는 상태를 나타내고, 상기 다관절 해저로봇(100)은 완충기(depressor)(200)에 2차 케이블(240)로 연결되고, 완충기(200)는 모선(300)에 1차 케이블(220)로 연결된다. 1차 케이블(220)의 저항력은 완충기(200)까지 걸리며 해저로봇(100)으로 전달되지 않는다.Referring to FIG. 1A, the sea floor exploration system 1000 using the multi-joint seabed robot capable of complex movement according to the present invention shows a state in which the multi-joint seabed robot 100 capable of complex movement reaches and reaches 200 m below the sea floor. The articulated subsea robot 100 is connected to the depressor 200 by a secondary cable 240, and the shock absorber 200 is connected to the bus bar 300 by a primary cable 220. The resistance of the primary cable 220 takes up to the shock absorber 200 and is not transmitted to the subsea robot 100.

상기 복합이동이 가능한 200m 탐사용 다관절 해저로봇(100)을 이용한 해저탐사시스템(1000)은 강조류 환경에서 테더 케이블에 작용하는 유체력이 로봇에 주는 영향을 최소화하기 위하여 완충기(depressor)(200)를 두어 운용하는 개념이다. 상기 해저탐사시스템(1000)은 다음과 같이 두 가지 임무를 갖는다.The subsea exploration system 1000 using the 200 m multi-role subsea robot 100 capable of moving complex is a depressor 200 to minimize the influence of the fluid force acting on the tether cable to the robot in the heavy current environment. It is a concept to put and operate). The subsea exploration system 1000 has two tasks as follows.

해저 구조물이나 침몰선박의 조사ㅇ관찰Observation of submarine structures or sinking ships

2 노트까지의 강조류 환경에서 해저에 밀착 이동함으로써 해저구조물이나 침몰선박 등에 접근하고, 광학 및 음향 장비를 이용하여 악시계 해저환경에 존재하는 구조물을 조사ㅇ관찰한다.It moves close to the seabed in the stress environment up to 2 knots to approach the seabed structures and sinking ships, and to investigate the structures existing in the dark clock undersea environment using optical and acoustic equipment.

해저구조물이나 침몰선박의 조사ㅇ관찰을 위해 필요한, 와이어 절단, 그라인딩, 드릴링 등의 작업을 로봇팔로 수행한다.Robotic arms are used to cut, grind and drill wires, which are necessary for the observation and observation of subsea structures and sinking ships.

천해역 해양과학 조사Cheonhae Marine Science Research

200m 이내의 해저환경에서 다족 보행으로 이동함으로써 해저의 교란을 최소화하면서 해양 물리, 화학, 생물, 지질 등의 연구에 필요한 과학조사 데이터를 취득한다.By moving to a multi-pedestrian walk within 200m of the seabed, it acquires scientific research data necessary for research on marine physics, chemistry, biology and geology while minimizing disturbance of the seabed.

200m 이내의 해저에서 과학조사를 위해 필요한 생물, 토양, 해수 등의 샘플을 채취한다. Samples of organisms, soil, and seawater needed for scientific investigations are taken within 200 meters of the seabed.

도 1b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 구현 예인 6,000m까지 복합이동으로 탐사가 가능한 심해용 해저탐사시스템(1000-1)이 해저 6000m에 도달하여 유영하고 보행하는 상태를 나타내고, 상기 다관절 해저로봇(100-1)은 완충기(depressor)(200)에 케이블로 연결되고, 완충기(200)는 모선(300)에 케이블로 연결된다. 완충기(200)와 다관절 해저로봇(100-1)은 유선 통신 또는 무선 통신이 가능하다.Referring to FIG. 1B, another embodiment of the present invention shows a state in which a deep sea submarine exploration system 1000-1 capable of exploring by complex movement reaches and swims and walks at 6000 m under the sea, and the articulated seabed The robot 100-1 is connected by a cable to the depressor 200, and the shock absorber 200 is connected by a cable to the bus bar 300. The shock absorber 200 and the articulated subsea robot 100-1 are capable of wired communication or wireless communication.

상기 복합이동이 가능한 6,000m 탐사용 다관절 해저로봇(100)을 이용한 해저탐사시스템(1000)은 조류가 거의 없는 심해환경을 상정하여 고안되었으나, 테더 케이블의 중량이 로봇에 주는 영향을 최소화하기 위하여 완충기(depressor)(200)를 두어 운용하는 개념이다. 심해용 다관절 해저롭로봇은 심해의 퇴적층에 대한 교란을 최소화하고, 로봇의 발이 해저 토양에 빠지는 것을 방지하기 위해 부력조절 기능을 갖는다. 상기 해저탐사시스템(1000)은 다음과 같이 두 가지 임무를 갖는다.The subsea exploration system 1000 using the 6,000 m exploration articulated subsea robot 100 that is capable of combined movement was designed to assume a deep sea environment with little algae, but to minimize the effect of the weight of the tether cable on the robot. It is a concept of operating by operating a depressor (200). Deep articulated subsea robots have a buoyancy control function to minimize disturbance to deep sea sediment and prevent the robot's foot from falling into the sea soil. The subsea exploration system 1000 has two tasks as follows.

심해 해양과학 조사Deep Sea Marine Science Research

퇴적 토양으로 이루어진 연약지반의 심해저 환경에서 해저교란을 최소화 하면서 해양 물리, 화학, 생물, 지질 등의 연구에 필요한 과학조사 데이터를 취득한다.Acquire scientific research data necessary for research of marine physics, chemistry, biology and geology while minimizing sea disturbance in the deep subsea environment of soft ground consisting of sedimentary soil.

6,000m 까지의 해저에서 과학조사를 위해 필요한 생물, 토양, 해수 등의 샘플을 채취한다.Samples of organisms, soil, and seawater needed for scientific research are taken from up to 6,000 meters of seabed.

장기 정밀 해저 조사Long-term Precision Subsea Survey

해저 열수광상 등 불규칙한 해저지형을 근접 정밀 탐사한다.Investigate close-up precision of irregular seabed topography such as subsea thermal receiving image.

무선자율제어 모드에서는 완충기 없이 단독으로 운용되며 에너지를 최소화 하면서 정해진 지역을 장기 관측한다.In the wireless autonomous control mode, it operates alone without a buffer and observes a long-term view of a fixed area with minimal energy.

표 1은 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇의 구현 예인 도 1a와 도 1b 에 대한 개략적인 제원을 각각 나타낸 것이다.Table 1 shows schematic specifications for FIGS. 1A and 1B, which are examples of the multi-joint seabed robot capable of moving in accordance with the present invention, respectively.

[표 1] [Table 1]

Figure 112011045053373-pat00001
Figure 112011045053373-pat00001

표 1 에 도시된 바와 같이, 다리수는 보행다리가 4개이고, 로봇팔겸용다리는 2개이다.As shown in Table 1, the number of legs is four walking legs and two robot arm combined legs.

또한 본 발명에 따른 해저로봇은 해저에서 악시계를 탐지할 수 있는 장치를 구비한다. 기본제원(다리를 접었을 때)은 길이 2.2m, 폭 1m, 높이 1.1m, 최대중량 300kg(적재하중 포함), 최대지상고 0.5m, 다리수는 보행다리 4 DOF 4개, 로봇팔 겸용다리 6 DOF 2개, 최대사양은 최대보행속도 0.5m/sec(1.8km/h), 최대작동수심 200m, 최대극복조속 2 knots, 최대전력 소모량 20kW이하이다. 해상상태 극복능력은 최대작업조건 Sea state 3, 최대생존조건 Sea state 4 이다. 악시계 탐지능력은 탐지거리 100m이상 및 10m이상 두 가지 형태를 수행할 수 있다. 즉, 최대탐지거리 100m이상으로 해저에서 전방을 스캐닝할 수 있는 전방스캐닝 소나와 최대탐지거리 10m이상으로 실시간 소나 영상을 제공하는 초음파카메라가 장착되어 악시계 환경에서의 시계를 확보한다. 제어방식은 유선원격제어방식이 사용되고, 전원공급은 테더케이블을 이용한다.In addition, the subsea robot according to the present invention is provided with a device capable of detecting a bad clock on the sea floor. The basic specifications (when the legs are folded) are 2.2m in length, 1m in width, 1.1m in height, maximum weight 300kg (including load capacity), 0.5m above ground level, 4 feet of walking legs, 4 DOF legs, 6 DOF legs Two, the maximum specification is a maximum walking speed of 0.5m / sec (1.8km / h), a maximum operating depth of 200m, a maximum bimodulation speed of 2 knots, and a maximum power consumption of 20kW or less. The ability to overcome sea conditions is the maximum working condition Sea state 3 and the maximum survival condition Sea state 4. The bad watch detection capability can be performed in two types, a detection distance of 100m or more and a 10m or more. In other words, it is equipped with a front scanning sonar that can scan the front from the sea floor with a maximum detection distance of more than 100m and an ultrasonic camera that provides a real-time sonar image with a maximum detection distance of more than 10m. The control method is wired remote control method, and the power supply uses a tether cable.

상기 복합이동이 가능한 해저로봇의 기능을 다시 한번 정리한다.The function of the subsea robot capable of combined movement is once again summarized.

기능function

- 해저에 착지하여 다관절 다족으로 몸체의 자세를 조절하고 보행 이동.-Adjust the posture of the body with multi-joint multi-legs by walking on the sea floor and moving the gait.

- 해저에서 작업용 로봇팔 2기 장착.-Equipped with two robotic arms for working on the sea floor.

- 악시계를 극복하기 위하여 초음파 영상장비 장착.-Equipped with ultrasonic imaging equipment to overcome the bad clock.

- 탁도, 용존산소량, 전도도, 온도, 심도, pH 계측센서 내장.-Built in turbidity, dissolved oxygen, conductivity, temperature, depth and pH measurement sensor.

- 해저로봇의 모든 정보는 실시간으로 원격모니터링.-All information of the submarine robot is remotely monitored in real time.

- 불규칙 지형, 조류 등 외란에 의한 전복위험 대응 자세 안정화 및 걸음새 보정 기능.-Posture stabilization and footstep correction function for overturning risk due to disturbance such as irregular terrain, bird, etc.

내압 수밀 방식Pressure tight watertight method

- 200m의 수심에서 구조적으로 안정한 내압,수밀 성능.-Structurally stable pressure and watertight performance at a depth of 200m.

- 회전축계 등 유적식 수밀의 경우, 절연유 내 작동보장.-In case of watertight water tightness such as rotating shaft system, guarantee operation in insulating oil.

- 해수와 염분에 의한 부식에 대한 방식 기능.-Anticorrosive function against corrosion by sea water and salt.

강인성Toughness

- 해상상태 3에서 동작, 해상상태 4에서 생존.-Operation in Sea State 3, Survive in Sea State 4.

- 2노트의 해류에서 이동 및 작업, 3노트의 해류에서 생존.-Move and work in 2 knots of current, survive in 3 knots of current.

- 영하 10도에서 영상 40도까지의 온도 환경에서 정상 작동, 영하 30도에서 75도까지의 환경에서 생존.-Normal operation in temperatures from minus 10 degrees to 40 degrees and survives from minus 30 degrees to 75 degrees.

신뢰성responsibility

- 수중 및 해상에서 24시간 연속으로 사용 가능.-Can be used continuously for 24 hours underwater and at sea.

- 과학조사 데이터는 국제사회 공인 신뢰도 유지.-Scientific research data maintain internationally recognized credibility.

운용편의성Operational Convenience

- 해상상태 3 이하에서 진수 인양 가능.-Launching is possible at sea level 3 or lower.

- 조작자 편리를 위한 사용자 그래픽 인터페이스 장착.-User graphic interface for operator convenience.

- 일부 자동기능을 제공하여 조작자의 부담 경감.-Reduced operator burden by providing some automatic functions.

유지보수성Maintainability

- 해저로봇과 그 지원장치는 장비의 분해,조립,교체 용이.-The submarine robot and its supporting devices are easy to disassemble, assemble and replace.

- 모듈화 제작, 충분한 여유품 확보.-Modular production, sufficient spare parts.

- 다양한 모선을 활용가능, 포장, 이동, 설치 용이.-Various buses can be used, easy to pack, move and install.

확장성Scalability

- 추가 장비를 위한 여유 채널의 통신라인과 전원라인 확보.-Secure communication channel and power line of extra channel for additional equipment.

- 수중 작업 공구들의 로봇팔 교체 장착.-Robot arm replacement of underwater work tools.

비상상태 대처기능Emergency response function

- 해저로봇과 원격시스템과의 기계적 연결 장치가 끊어졌을 경우 해저로봇은 3일 이상 자체 전원을 이용하여 자신의 수중위치를 초음파로 송신.-When the mechanical connection between the submarine robot and the remote system is broken, the submarine robot uses its own power for more than 3 days to transmit its underwater position by ultrasound.

-해저로봇이 수중에서 과도한 해저의 급경사나 순간적인 해류 또는 운용의 실수로 전복되었을 경우, 스스로 또는 원격 지원장치의 도움을 받아 그 자세를 회복할 수 있는 기능 확보.-If the submarine robot is overturned underwater due to excessive seabed steepness, instantaneous current flow or operation mistake, secure the ability to recover its posture by itself or with the help of a remote support device.

본 발명에 따른 6,000m 탐사용 해저로봇은 200m 탐사용 해저로봇과 유사하나 조류의 영향이 거의 없고 시계가 좋은 안정된 심해 환경에서 과학조사를 수행하는 것을 목적으로 하므로, 부력조절 기능을 추가로 내장하고 유영기능을 가짐으로써, 퇴적토양의 교란을 최소화 한다. 또한, 무선통신기능과 자율제어기능을 추가하여 탐사의 종류와 방식을 확장하였다.The 6,000m exploration submarine robot according to the present invention is similar to the 200m exploration submarine robot, but has little effect of algae and aims to carry out scientific research in a stable deep sea environment with a good watch, and further has a built-in buoyancy control function. By having a swimming function, disturbance of sediment soil is minimized. In addition, wireless communication and autonomous control were added to expand the type and method of exploration.

본 발명에 따른 해저로봇의 수중관절 메커니즘 개발의 접근방법에 대한 내용은 아래 표 2에 정리하였다.Details of the approach to the development of underwater joint mechanism of the subsea robot according to the present invention are summarized in Table 2 below.

[표 2][Table 2]

Figure 112011045053373-pat00002
Figure 112011045053373-pat00002

표 2에 따르면, 수중관절 메커니즘에 주요 요구기능으로서 먼저 기계분야에서는 내압/수밀이 요구되고, 모터/기어/베어링 일체 방수형 관절 모듈이 개발되었으며, 유적식 오링구조에 의한 회전 축계의 내압방식 구조 개발을 수행한다. 방식에 있어서, 알루미늄, 스텐레스등 내식성 재료가 적용되었고, 절연유 충전 방식의 유적식 설계가 적용되었으며, 희생양극 설치에 의한 방식 구조를 가진다. 또한, 하모닉 드라이브 감속기를 채택하여 제로 백래쉬가 되도록 하였고, 구조해석 기반 최적 설계를 수행하였으며, 경량 고강도 재질을 사용하였다.According to Table 2, as the main demanding function of the underwater joint mechanism, first, pressure / watertight is required in the mechanical field, and a motor / gear / bearing integrated waterproof joint module was developed. Perform development. In the anticorrosion method, corrosion resistant materials such as aluminum and stainless steel were applied, and oil repellent design of the insulating oil filling method was applied, and the anticorrosive structure was installed by installing a sacrificial anode. In addition, it adopts harmonic drive reducer to achieve zero backlash, performs structural analysis based optimal design, and uses lightweight high strength material.

전기분야에서는 소형 경량 고출력 관절을 가진 해저로봇을 제공하기 위하여, 저속 고토크 비엘디씨(BLDC)모터를 채택하였으며, 해수와 충진유를 이용한 방열구조를 설계하였고, 관절위치 피드백을 위하여, 홀센터 타입 근접 리미트 센서 및 전기식 절대위치 엔코더를 적용하였다. 제어분야에서는 컴플라이언스 제어기 설계를 적용하였다.In the electric field, to provide a submarine robot with a small, lightweight, high-power joint, a low-speed, high-torque BDC motor is adopted, a heat dissipation structure is designed using sea water and filling oil, and a hole center type for joint position feedback. A proximity limit sensor and an electric absolute position encoder are applied. In the field of control, compliance controller design is applied.

본 발명에 따른 다관절 해저로봇의 구조를 도 2 및 도 3에서 보다 상세히 설명하기로 한다.The structure of the articulated subsea robot according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.

우선, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다관절 해저로봇을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 2의 다관절 해저로봇의 형태는 실시예에 불과하며, 외형은 변형가능하다.First, Figure 2 is a perspective view schematically showing a multi-joint subsea robot according to an embodiment of the present invention. The articulated subsea robot of FIG. 2 is merely an embodiment, and its appearance is deformable.

도 2를 참조하면, 다관절 해저로봇(100)은 유선형의 몸체(110); 상기 몸체 좌우측에 각각 한 쌍씩 복수개가 장착되며 다수개의 관절로 구성된 다관절 보행다리; 상기 몸체내에 장착되고, 상기 다관절 보행다리를 통해 보행상태 및 수중에서의 유영상태를 제어하는 제어수단; 상기 제어수단에 의해 제어되며 상기 다관절 보행다리를 구동시키는 구동신호를 발생하는 보행다리 구동수단; 상기 몸체내에 장착되어 몸체의 자세 및 외부 물체와의 접촉을 감지하는 감지수단; 상기 몸체내에 장착되어 몸체의 부력을 감지하는 부력감지수단 및 외부장치와 유무선 신호를 송수신하는 통신수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.2, the articulated subsea robot 100 is a streamlined body (110); A multi-jointed walking leg having a plurality of pairs mounted on the left and right sides of the body and composed of a plurality of joints; Control means mounted in the body and controlling a walking state and a swimming state in the water through the articulated walking leg; Walking leg driving means controlled by the control means for generating a driving signal for driving the articulated walking leg; Sensing means mounted in the body to sense a posture of the body and contact with an external object; And a buoyancy sensing means for detecting buoyancy of the body and communication means for transmitting / receiving a wired / wireless signal with the external device.

상기 부력감지수단은 부력감지기능을 제공하기 위한 부력감지센서를 구비하며, 부력을 감지센서에 의해 감지된 감지신호 따라 몸체의 부력을 조절할 수 있는 기능을 제공한다.The buoyancy sensing means has a buoyancy sensor for providing a buoyancy sensing function, and provides a function to adjust the buoyancy of the body according to the sense signal detected by the buoyancy sensor.

상기 감지수단은 자세 및 운동 계측센서(42), 수중위치추적장치(50), 및 상기 몸체 저면에 설치된 힘/모멘트 센서(43)를 포함하는 것을 특징으로 한다.The sensing means is characterized in that it comprises a posture and motion measurement sensor 42, the underwater position tracking device 50, and a force / moment sensor 43 installed on the bottom of the body.

상기 몸체 전면에 장착되어 수중 영상을 촬영하는 촬영수단을 포함하며, 상기 촬영수단은 초음파 카메라(20) 및 팬/틸팅 기능 수중카메라(22) 및 조명장치(22a, 미도시)를 포함하는 것을 특징으로 한다.It is mounted on the front of the body includes a photographing means for photographing the underwater image, wherein the photographing means comprises an ultrasonic camera 20 and the pan / tilt function underwater camera 22 and the lighting device (22a, not shown) It is done.

상기 통신수단은 광통신모뎀(60)을 포함하는 것을 특징으로 한다.The communication means is characterized in that it comprises an optical communication modem (60).

상기 통신수단은 광섬유 및 전원선 내장 2차케이블(240)을 통해 완충기와 연결되는 것을 특징으로 한다.The communication means is characterized in that connected to the shock absorber through the optical fiber and the power cable built-in secondary cable 240.

상기 몸체는 경량 고강도 복합 섬유소재로 제작된 것을 특징으로 한다.The body is characterized in that made of lightweight high strength composite fiber material.

또한, 상기 감지수단은 해저로봇의 앞쪽 전방 두 개의 다리에 설치되어 접지감지를 수행하는 모멘트센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the sensing means is characterized in that it comprises a moment sensor is installed on the two front front legs of the subsea robot to perform the ground detection.

상기 해저로봇(100-1)의 몸체부(110)의 측면에는 복수개의 다관절 보행다리(121,122,123(미도시),124,125(미도시),126)가 총 6개가 구비되는데, 양측면에 각각 두 개씩 구비되고(123,124,125,126), 전방측에 두개(121,122)가 구비된다. 이중 전방측에 부착된 두 개의 다관절 보행다리(121,122)는 로봇팔 겸용 다리로써 다리와 팔의 기능을 수행한다. 각각의 다관절 보행다리(121,122,123,124,125,126)는 각각 복수개의 관절부(예를 들면, 121a,121b,122a,122b 등)로 구성된다.A plurality of articulated walking legs 121, 122, 123 (not shown), 124, 125 (not shown), and 126 are provided on the side of the body portion 110 of the subsea robot 100-1, two on each side. It is provided (123, 124, 125, 126), and two (121, 122) is provided on the front side. Two articulated walking legs (121, 122) attached to the double front side is a robot arm combined legs to perform the functions of the legs and arms. Each articulated walking leg 121, 122, 123, 124, 125, 126 is composed of a plurality of joints (for example, 121a, 121b, 122a, 122b, etc.).

본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇(100)은 6족 또는 4족으로 해저보행하고, 두 개의 앞다리는 로봇팔로도 활용될 수 있다. 네 개의 다리(123,124,125,126)는 전동모터에 의해 능동적으로 제어되는 네 개의 관절구조를 가지고, 앞 두 다리는 6개의 관절과 1개의 그리퍼를 가진다. 이러한 개념은 생체기능 모사에 초점을 둔 가재로봇과 각각의 다리가 하나의 관절과 페달로 구성된 기술[Christina, G., Meyer, N., Martin, B., "Simulation of an underwater hexapod robot," Ocean Engineering, Vol 36, pp 39-47, 2009.]과 차별화된다. 또한, 유체력에 대응하여 능동적으로 자세를 제어하는 새로운 해저로봇이다.The multi-joint subsea robot 100 according to the present invention can walk on the seabed in a group of 6 or 4, and two front legs can also be used as robot arms. The four legs 123, 124, 125 and 126 have four joint structures actively controlled by the electric motor, and the front two legs have six joints and one gripper. This concept is based on lobster robots, which focus on biomechanical simulation, and a technique in which each leg consists of a joint and a pedal [Christina, G., Meyer, N., Martin, B., "Simulation of an underwater hexapod robot," Ocean Engineering, Vol 36, pp 39-47, 2009.]. In addition, it is a new submarine robot that actively controls posture in response to fluid force.

다관절 해저로봇의 다리의 구조는 이하 도 4 내지 도 7에서 좀더 자세히 설명한다. 해저로봇이 이동할 경우에는 6개의 다리를 이용하여 자세의 안정성을 확보하면서 빠른 보행이 가능하다. 로봇팔겸용 다리를 이용하여 작업하거나 물건을 옮길 경우 네 다리로 몸체를 지지하거나 보행 이동한다. 해저 로봇이 네 다리로 이동할 경우에는 여섯 다리로 이동할 경우에 비해 보행 안정성과 속도가 상대적으로 떨어지지만 수중에서 필요한 작업과 이동 기능은 모두 달성될 수 있다. The structure of the leg of the articulated subsea robot is described in more detail below with reference to FIGS. 4 to 7. When the submarine robot moves, it is possible to walk quickly while securing posture stability using six legs. When working or moving things using the robot arm combined legs, support the body or walk with four legs. When the submarine robot moves on four legs, walking stability and speed are relatively lower than when moving on six legs, but all the necessary work and moving functions can be achieved underwater.

본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇은 강조류 환경에서 작업하기 적합하도록 유선형의 몸체와 다관절 구조의 다리 형상을 가지며, 유체력 등에 의한 외란을 감지하고 이에 따른 영향을 최소화하도록 몸과 다리의 자세를 제어하는 기능을 갖는다.The multi-moveable multi-sea subsea robot according to the present invention has a streamlined body and a leg shape of a multi-joint structure to be suitable for working in a stress-based environment, and detects disturbance caused by fluid force and minimizes the effects thereof. Has the function of controlling the posture of the legs.

다음으로, 도 3은 본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇의 블록구성도이다.Next, Figure 3 is a block diagram of a multi-joint subsea robot capable of moving in accordance with the present invention.

도 3을 참조하면, 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇(100)의 유영 및 보행과정을 제어하는 제어시스템(10)과, Referring to Figure 3, the control system 10 for controlling the swimming and walking process of the multi-joint seabed robot 100 that can move complex,

초음파로 100m까지의 전방을 촬영하는 전방스캐닝 소나(20)Front-scanning sonar 20 to shoot up to 100m ahead with ultrasound

초음파로 10m까지의 전방영상을 실시간으로 촬영하는 초음파카메라(20a),Ultrasonic camera 20a for capturing a front image up to 10m with ultrasound in real time,

수중상태를 촬영하고 회전 및 각도전환이 가능한 팬/틸팅기능 수중카메라(22) 및 조명장치 (22a, 미도시),Pan / tilting function underwater camera 22 and lighting device (22a, not shown) that can shoot underwater and rotate and switch angles,

유영 및 보행과정시 센싱된 데이터 및 촬영된 영상데이터를 저장하는 데이터저장부(30),Data storage unit 30 for storing the sensed data and the captured image data during the swimming and walking process,

해저로봇의 자세를 감지하고 운동상태를 계측하는 자세 및 운동계측센서(42),Posture and motion measurement sensor 42 for detecting the posture of the subsea robot and measuring the state of movement,

해저로봇의 보행다리에 작용하는 힘과 모멘트를 센싱하는 힘/모멘트센서(43),Force / moment sensor 43 for sensing the force and moment acting on the walking leg of the subsea robot,

관절 각도의 리미트를 감지하기 위한 근접센서 (44),Proximity sensor (44) for detecting the limit of the joint angle,

로봇의 속도와 유속을 센싱하는 속도센서(48),Speed sensor 48 for sensing the speed and flow rate of the robot,

수행로봇의 수중위치를 실시간으로 추적하고 센싱하는 수중위치추적장치 (50),Underwater position tracking device for tracking and sensing the underwater position of the performing robot in real time (50),

완충기와의 신호 송수신을 처리하는 광통신모뎀(60),Optical communication modem 60, which handles the signal transmission and reception with the buffer,

모터구동신호를 발생하는 모터구동부(70),A motor driving unit 70 for generating a motor driving signal,

모터구동부의 신호에 따라 동작하는 제1 내지 제N전동모터(72-1,…,72-N),First to Nth electric motors 72-1, ..., 72-N operating according to the signal of the motor driver;

전동모터에 따라 동작되고 관절메카니즘과 연결되어 모터의 동작을 전달하는 제1 내지 제N감속기(74-1,…,74-N),First to N-th reduction gears 74-1, ..., 74-N, which are operated according to the electric motor and connected to the joint mechanism to transmit the motion of the motor,

광통신모뎀을 통해 완충기 및 지상 모선과 신호를 송수신하고, 해저로봇의 유영 및 보행시 입수된 데이터를 전송하는 기능을 제어하는 제어시스템(10); 및A control system 10 for transmitting and receiving signals to and from a buffer and a ground bus through an optical communication modem, and controlling a function of transmitting data obtained when swimming and walking the submarine robot; And

전원을 공급하는 전원부(80),Power supply unit 80 for supplying power,

를 포함한다.It includes.

기타 각각의 다리부분 단부에는 접지 감지를 위한 힘센서 혹은 감지센서가 장착된다(도시안됨).Each other leg end is equipped with a force sensor or a sensing sensor for ground sensing (not shown).

도 4 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저로봇의 로봇다리의 관절부분을 나타낸 상세도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해절로봇의 전동모터와 하모닉 감속기로 이루어지는 내압방수 관절구조의 일부 측단면도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇팔 겸용다리의 관절부분을 나타낸 상세도이고, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇다리 및 로봇팔 겸용다리의 기구학적 구조를 나타낸 도면이다.Figure 4 is a detailed view showing the joint portion of the robot leg of the articulated subsea robot according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 5 is an electric motor and harmonic reducer of the articulated sea robot according to a preferred embodiment of the present invention Partial cross-sectional side view of the pressure-resistant waterproof joint structure, Figure 6 is a detailed view showing the joint portion of the robot arm combined leg according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 7 is a robot leg and robot arm according to a preferred embodiment of the present invention It is a figure which shows the kinematic structure of a combined leg.

도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수중유영이 가능한 다관절 해저로봇의 로봇다리의 관절부분은 제1관절(125a), 제2관절(125b), 제3관절(125c) 및 제4관절(125d)로 구성된다. 상기 제4 관절(125d) 단부에 로봇다리(124a)가 연결되며, 제3 관절(125c) 및 제4 관절(125d)에 사이에 로봇다리(124b)가 연결된다.4, the joint portion of the robot leg of the multi-joint subsea robot capable of swimming underwater according to a preferred embodiment of the present invention is the first joint (125a), the second joint (125b), the third joint (125c) and It consists of the 4th joint 125d. The robot leg 124a is connected to the end of the fourth joint 125d, and the robot leg 124b is connected between the third joint 125c and the fourth joint 125d.

상기 제1관절(125a), 제2관절(125b), 및 제3관절(125c)은 내압방수 관절구조에 의해 방수 조립되어있다(도 5참조).The first joint 125a, the second joint 125b, and the third joint 125c are waterproof assembled by the pressure-resistant waterproof joint structure (see FIG. 5).

도 5를 참조하면, 상기 제1관절(125a), 제2관절(125b), 및 제3관절(125c)은 내압방수 관절구조에 의해 방수 조립되어 있는데, 구체적으로는 제1 방수몸체(410), 제2 방수몸체(420) 및 제3 방수몸체(430)으로 구성되며, 제1 방수몸체(410)에는 프레임리스 BLDC모터(72-1)가 방수용오링(414)에 의해 감싸져서 내압방수 하우징(418)에 내접되어 베어링(412)을 매개로 장착된다. 상기 프레임리스 BLDC모터(72-1)의 구동력을 감속시키는 감속기(74-1)는 베어링(412)을 매개로 상기 내방방수 하우징(418)내에 회전가능하게 연결된다.Referring to FIG. 5, the first joint 125a, the second joint 125b, and the third joint 125c are waterproof assembled by the pressure-resistant waterproof joint structure, specifically, the first waterproof body 410. , The second waterproof body 420 and the third waterproof body 430, and the first waterproof body 410 is frameless BLDC motor 72-1 is wrapped by the waterproof O-ring 414, pressure-resistant waterproof housing Inscribed to 418 is mounted via the bearing 412. The speed reducer 74-1 for reducing the driving force of the frameless BLDC motor 72-1 is rotatably connected to the waterproof housing 418 through a bearing 412.

도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇팔 겸용다리의 관절부분은 제1관절(125a), 제2관절(125b), 제3관절(125c), 제4관절(124d), 제5관절(125e) 및 제6 관절(125f)로 구성된다. 상기 제6 관절(125f) 단부에 그리퍼(122a-1)가 연결되며, 제3 관절(125c) 및 제4 관절(125d)에 사이에 로봇다리(121c)가 연결되고, 제4 관절(125d) 및 제5 관절(125e)에 사이에 로봇다리(121b)가 연결되고, 제5 관절(125e) 및 제6 관절(125f)에 사이에 로봇다리(121a)가 연결된다.6, the joint portion of the robot arm combined leg according to a preferred embodiment of the present invention is the first joint 125a, the second joint 125b, the third joint 125c, the fourth joint 124d, It consists of the 5th joint 125e and the 6th joint 125f. A gripper 122a-1 is connected to an end of the sixth joint 125f, a robot leg 121c is connected between the third joint 125c and the fourth joint 125d, and a fourth joint 125d. And a robot leg 121b is connected between the fifth joint 125e and a robot leg 121a is connected between the fifth joint 125e and the sixth joint 125f.

상기 제1관절(125a), 제2관절(125b), 및 제3관절(125c)은 내압방수 관절구조에 의해 방수 조립되어있다(도 5참조). 기타 관절 또한 내압방수구조로 조립된다. 각각의 관절의 피드백(feedback)은 관절에 설치된 리미트센서를 통해 감지될 수 있으며, 리미트 센서는 홀센서(미도시)가 사용될 수 있다.The first joint 125a, the second joint 125b, and the third joint 125c are waterproof assembled by the pressure-resistant waterproof joint structure (see FIG. 5). Other joints are also assembled in a pressure-resistant waterproof structure. Feedback of each joint may be detected through a limit sensor installed in the joint, and the limit sensor may be a hall sensor (not shown).

도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 로봇다리 및 로봇팔 겸용다리의 기구학적 구조를 살펴보면, 해저로봇 몸체(110)에 4개의 로봇다리가 연결되며, 해저로봇 몸체(110)의 전방에 2개의 로봇팔 겸용다리가 연결된다. 각각 X,Y, Z축을 중심으로 롤(ROLL), 피치(PITCH) 및 요축(YAW) 회전운동 한다.Referring to Figure 7, looking at the kinematic structure of the robot leg and the robot arm combined leg according to a preferred embodiment of the present invention, four robot legs are connected to the subsea robot body 110, of the subsea robot body 110 Two robotic arms are connected to the front. Roll, pitch and yaw rotations are rotated around X, Y and Z axes, respectively.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다관절 해저로봇(100)은 총 6개의 다리에 28개의 관절을 가지고 능동적으로 해저 보행을 수행하는 구조이다. 각 관절은 제1 내지 제 N 전동모터(74-1,…,74-N)에 의해 구동된다. 해저로봇의 관절을 기계적, 전기적으로 설계하고 제어하는 기술은 수중 메커니즘 기술로 정의한다. 육상에서 적용되는 관절 메커니즘 기술은 수압이 존재하는 해수 중에서 적용될 수 있도록 확장 또는 재설계 되었다.The articulated subsea robot 100 according to a preferred embodiment of the present invention is a structure that actively performs subsea walking with 28 joints on a total of six legs. Each joint is driven by the first to Nth electric motors 74-1, ..., 74-N. The technique of mechanically and electrically designing and controlling the joints of the submarine robot is defined as the underwater mechanism technology. The articulation mechanisms applied on land have been extended or redesigned to apply in seawater where water pressure exists.

상기 관절메카니즘은 도 2에 도시된 바와 같은, 본 발명에 따른 다관절 링크 해저로봇의 6개의 다리 각각에 구성된 관절메카니즘을 말하며, 각각의 다리는 4개의 관절로 연결되며, 전방 두개의 다리는 6개의 관절로 연결된다. 전방 두 개의 다리에 연결된 관절은 각각 로봇팔 역할을 겸한다.The joint mechanism refers to a joint mechanism composed of each of the six legs of the articulated link subsea robot according to the present invention, as shown in Figure 2, each leg is connected to four joints, the front two legs are 6 Connected to the joints of the dog. Joints connected to the two anterior legs each serve as a robot arm.

각 관절 메커니즘은 관절구동 모터, 하모닉 감속기, 관절각도센서, 관절 리미트센서로 구성된다. 관절구동 모터는 소형 경량 저속 고토크를 얻기 위하여 프래임리스 BLDC 모터를 사용하여, 내압방수하우징을 설계하여 그 안에 장착하였다. 내압방수 하우징은 오링을 이용하여 수밀하였다. 관절의 백래쉬를 최소화하고 적절한 감속비를 얻기 위하여 하모닉드라이브 감속기를 채택하였다. 또한 절대각도를 제공하는 전기식 엔코더를 관절에 감속기 출력 측에 착함으로써 관절의 절대 각도를 얻을 수 있다. 안전을 위하여 관절 각도 리미트에는 마그네틱 형식의 근접 스위치를 장착하였다.Each joint mechanism consists of a joint drive motor, harmonic reducer, joint angle sensor, and joint limit sensor. The joint drive motor was designed and mounted in a pressure resistant waterproof housing using a frameless BLDC motor to obtain a small, lightweight, low speed, high torque. The pressure-resistant waterproof housing was watertight using an O-ring. The harmonic drive reducer is adopted to minimize the backlash of the joint and to obtain the proper reduction ratio. In addition, the absolute angle of the joint can be obtained by attaching an absolute encoder to the joint to the reducer output. For safety, the joint angle limit is equipped with a magnetic proximity switch.

본 발명에 따른 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇은 해저에 설치되며 완충기에 중간 연결되고 지상모선과 완충기를 통해 연결된다. 지상모선은 해저 지형에 대한 촬영된 영상정보를 해저로봇을 통해 전송받아 저장하며, 특정 지역의 탐색을 위해 이동 명령신호를 송신한다.The multi-movement multi-joint subsea robot according to the present invention is installed on the sea floor and is connected to the buffer medium and connected through the ground bus and the shock absorber. The ground bus receives and stores the photographed image information of the seabed topography through the seabed robot, and transmits a movement command signal to search for a specific area.

해저로봇은 특정 지역을 향해 해저 지면을 따라 이동하며, 이동시 보행 또는 유영이 가능하다. Submarine robots move along the sea floor to a specific area and can walk or swim when moving.

도 8은 본 발명에 따른 다관절 링크에 작용하는 일반화된 유체저항토크의 근사적 모델링 방법에서 사용되는 알고리즘을 나타낸 도면이다.8 is a diagram illustrating an algorithm used in the approximate modeling method of the generalized fluid resistance torque acting on the articulated link according to the present invention.

도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 다관절 링크에 작용하는 일반화된 유체저항토크의 근사적 모델링 방법은 수중 다관절 링크의 운동방정식(이하 수학식 1 참조) 중에서

Figure 112011045053373-pat00003
을 계산하는 것으로 다음과 같은 알고리즘을 포함하고 있다.Referring to FIG. 8, the approximate modeling method of the generalized fluid resistance torque acting on the articulated link according to the present invention is based on the equation of motion of the articulated articulated link (see Equation 1 below).
Figure 112011045053373-pat00003
Calculate the following algorithm.

먼저, 수중 다관절 링크의 단면형상과 레이놀즈 수(수학식 4참조)에 따라 수중에서 유영 또는 보행하는 해저로봇의 다관절 링크 단면 형상에 적용 가능한 유체력 계수를 추정하는 알고리즘(10)과,First, an algorithm (10) for estimating a fluid force coefficient applicable to the cross-sectional shape of an articulated link of a subsea robot swimming or walking underwater according to the cross-sectional shape of the articulated articulated link and the Reynolds number (see Equation 4),

유체력 계산 알고리즘을 통해 다관절 해저로봇의 각 링크에 작용하는 유체력을 계산하는 복수개의 알고리즘(이하 수학식 7 내지 수학식 18 참조)을 포함하는 유체력 계산 알고리즘(20)과,A fluid force calculation algorithm 20 including a plurality of algorithms (see Equations 7 to 18 below) for calculating a fluid force acting on each link of the articulated subsea robot through a fluid force calculation algorithm,

j링크에 작용하는 유체력에 의해 i좌표계에 작용하게 되는 유체력 토크를 계산하기 위한 복수개의 알고리즘(이하 수학식 19 내지 수학식 21 참조)을 포함하는 유체력 토크 계산 알고리즘(30)과,a fluid force torque calculation algorithm 30 including a plurality of algorithms (see Equations 19 to 21 below) for calculating a fluid force torque acting on the i-coordinate system by the fluid force acting on the j-link, and

i에서 j링크까지에 의한 i좌표계의 유체력 토크를 i관절의 유체력 토크로 변환하고, 모든 링크에 대해 더함으로써 유체력 토크(저항력 토크)를 계산하는 복수개의 알고리즘(수학식 22 내지 수학식 24 참조)을 포함하는 유체력 토크 계산 알고리즘(40);을 포함한다.A plurality of algorithms (Equations 22 to Equations) for converting the fluid force torque of the i-coordinate system from i to j links into the fluid force torque of the i-joint, and adding them for all the links to calculate the fluid force torque (resistance torque) Fluid force torque calculation algorithm 40, including the reference numeral 24).

도 9는 도 8을 구체적으로 나타낸 도면이다.FIG. 9 is a view illustrating FIG. 8 in detail.

n자유도 다관절 링크 로봇 운동방정식(수학식 1 참조)을 상정하고, 이후 유체저항력 및 양력

Figure 112011045053373-pat00004
추정 과정이 진행된다.n Freedom of articulated link robot motion equation (refer to Equation 1), and then fluid resistance and lift
Figure 112011045053373-pat00004
The estimation process proceeds.

먼저, 레이놀즈 수를 계산하고(수학식 4 참조), 유체 계수의 적용 범위 내에 있는 지를 판단하고(S10), 링크 단면의 형상에 따라 유체력계수를 추정한다(S20).First, the Reynolds number is calculated (see Equation 4), it is determined whether it is within an application range of the fluid coefficient (S10), and the fluid force coefficient is estimated according to the shape of the link cross section (S20).

이후, 링크 상에 작용하는 유체력 계산 알고리즘이 진행된다(S200).Thereafter, the fluid force calculation algorithm acting on the link is performed (S200).

먼저, j 링크상의 원반 조각의 속도벡터 계산 알고리즘 (수학식 10 내지 수학식 12 참조) 처리과정이 진행된다(S222). 이후, i좌표계에서 정의된 j링크에 직각인 평면으로의 투영행렬 계산 알고리즘(수학식 9) 처리과정이 진행된다(S224). 이후, j링크에 직각인 원반조각의 속도성분 벡터 계산 알고리즘(수학식 8, 수학식 13 내지 수학식 14 참조) 처리과정이 진행된다(S226). 이후, j링크상의 한 원반조각에 작용하는 유체력을 계산하는 알고리즘 (수학식 7 참조) 처리과정이 진행된다(S228).First, a process of calculating a velocity vector of a disk fragment on a link j (see Equations 10 to 12) is performed (S222). Thereafter, a process of calculating a projection matrix algorithm (Equation 9) in a plane perpendicular to the j-link defined in the i-coordinate system is performed (S224). Subsequently, a process of calculating a velocity component vector of a disk piece perpendicular to the j-link (see Equation 8 and Equations 13 to 14) is performed (S226). Subsequently, an algorithm (see Equation 7) for calculating a fluid force acting on a disk piece on j-link is performed (S228).

이후, j링크의 유체력에 의한 i좌표계에 작용하는 유체력 토크 계산 알고리즘 처리과정은 아래 세부과정(S300)을 포함한다.Subsequently, the processing process of the fluid force torque calculation algorithm acting on the i-coordinate system by the fluid force of j-link includes the following detailed process (S300).

먼저, i좌표계에 대한 j링크 상의 한 원반조각의 위치벡터 계산 알고리즘 (수학식 21 참조) 처리과정이 진행된다(S30). 이후, i좌표계에 작용하는 유체력 토크의 계산 알고리즘 (수학식 20 참조) 처리과정이 진행된다(S32).First, a process of calculating a position vector of a disc on a j-link for an i-coordinate system (see Equation 21) is performed (S30). Thereafter, a processing algorithm (see Equation 20) for calculating the torque of the fluid force acting on the i-coordinate system is performed (S32).

이후, i에서 j까지의 링크에 의한 일반화된 유체력 토크 계산 알고리즘 처리과정은 아래 세부과정(S400)을 포함한다. Then, the generalized fluid force torque calculation algorithm processing by the link from i to j includes the following detailed process (S400).

먼저, i좌표계에 작용하는 유체력 토크를 i관절 축으로 투영하여 i관절에 작용하는 유체력 토크를 계산하는 알고리즘 (수학식 22 참조) 처리과정이 진행된다(S42). 이후, i링크부터 j링크까지 i관절 이후의 모든 링크에 대한 유체력 토크를 더하여 i관절에 작용하는 최종 유체력 토크를 계산하는 알고리즘 (수학식 24 참조)의 처리과정이 진행된다(S44).First, an algorithm (see Equation 22) for calculating the fluid force torque acting on the i joint by projecting the fluid force torque acting on the i coordinate system to the i joint axis is performed (S42). Subsequently, a process of an algorithm (see Equation 24) for calculating the final fluid force torque acting on the i joint by adding the fluid force torques for all the links after the i joint from the i link to the j link is performed (S44).

도 10은 본 발명에 따른 다관절 링크에 작용하는 일반화된 유체저항토크의 근사적 모델링 방법에서의 복합이동이 가능한 다관절 수중로봇의 수중 다관절 링크의 벡터도와 링크 좌표계를 나타낸 도면이다.FIG. 10 is a diagram showing a vector and a link coordinate system of an underwater multi-joint link of a multi-joint underwater robot capable of complex movement in the approximate modeling method of a generalized fluid resistance torque acting on a multi-joint link according to the present invention.

도 11은 도 10과 유사한 도면으로서, 다관절 링크의 원반조각과 그 속도 벡터를 나타낸 도면이다.FIG. 11 is a view similar to that of FIG. 10, showing a disk piece of the articulated link and its velocity vector.

<유체 저항력의 근사적 모델링>Approximate Modeling of Fluid Resistance

수중 다관절 링크의 운동방정식Kinetic Equation for Underwater Articulated Links

n자유도의 다관절 링크로봇이 수중환경에서 움직일 경우, 일반적으로 로봇의 운동방정식은 다음 [수학식1]로 표현될 수 있다.When the n-degree of freedom articulated link robot moves in the underwater environment, the motion equation of the robot can be expressed as Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112011045053373-pat00005
,
Figure 112011045053373-pat00005
,

여기서

Figure 112011045053373-pat00006
은 부가질량을 포함하는 관성행렬이고,
Figure 112011045053373-pat00007
는 강체와 부가질량에 의한 코리올리와 구심력,
Figure 112011045053373-pat00008
는 유체저항 및 양력항,
Figure 112011045053373-pat00009
는 부력, 중력, 그리고 유체가속도항이다.
Figure 112011045053373-pat00010
는 로봇의 관절변수,
Figure 112011045053373-pat00011
는 관절토크벡터이다. [수학식 1]의 각 항 중에서 유체저항력에 의한 항
Figure 112011045053373-pat00012
을 다음절에서 근사적으로 추정한다.here
Figure 112011045053373-pat00006
Is an inertial matrix containing additional mass,
Figure 112011045053373-pat00007
Is the Coriolis and centripetal force due to the rigid body and the added mass,
Figure 112011045053373-pat00008
Is the fluid resistance and lift term,
Figure 112011045053373-pat00009
Are the buoyancy, gravity, and fluid acceleration terms.
Figure 112011045053373-pat00010
Is the joint variable of the robot,
Figure 112011045053373-pat00011
Is the joint torque vector. In each term of [Equation 1], the term due to fluid resistance
Figure 112011045053373-pat00012
Is approximated in the next section.

유체력Fluid

다관절 링크가 점성유체 속에서 움직일 때 링크는 저항 및 양력을 받게 되고 이는 단면의 형상과 관련된 유체력 계수와 링크의 유체에 대한 상대속도의 함수로 다음과 같이 나타낼 수 있다.When an articulated link moves in a viscous fluid, the link is subject to resistance and lift, which can be expressed as a function of the fluid force coefficient associated with the cross-sectional shape and the relative velocity of the link's fluid.

[수학식 2]&Quot; (2) &quot;

Figure 112011045053373-pat00013
Figure 112011045053373-pat00013

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112011045053373-pat00014
,
Figure 112011045053373-pat00014
,

여기서,fD는 저항력이고 링크와 유체의 상대속도와 방향이 반대이다.fL는 양력이며 링크와 유체의 상대속도방향과 직각인 방향으로 작용한다.

Figure 112011045053373-pat00015
Figure 112011045053373-pat00016
는 각각 마찰저항계수와 압력저항계수이다.
Figure 112011045053373-pat00017
은 링크의 양력계수,
Figure 112011045053373-pat00018
,
Figure 112011045053373-pat00019
Figure 112011045053373-pat00020
는 각각 링크의 침수표면적, 횡단면적 및 평면형상의 면적이다.
Figure 112011045053373-pat00021
는 유체의 속도에 대한 강체의 상대속도이다. 저항력 및 양력계수는 링크의 앙각(angle of attack)
Figure 112011045053373-pat00022
와 다음 [수학식 4]로 정의되는 레이놀즈수에 의해 결정된다.Where fD is the resistive force and the relative velocity and direction of the link and fluid are opposite. FL is the lift and acts in a direction perpendicular to the relative velocity of the link and fluid.
Figure 112011045053373-pat00015
Wow
Figure 112011045053373-pat00016
Are the frictional resistance coefficient and the pressure resistance coefficient, respectively.
Figure 112011045053373-pat00017
Is the lift coefficient of the link,
Figure 112011045053373-pat00018
,
Figure 112011045053373-pat00019
And
Figure 112011045053373-pat00020
Are the submerged surface area, cross sectional area and planar area of the link, respectively.
Figure 112011045053373-pat00021
Is the relative velocity of the body to the velocity of the fluid. Resistance and lift factors are the angle of attack
Figure 112011045053373-pat00022
And Reynolds number defined by Equation 4 below.

[수학식 4]&Quot; (4) &quot;

Figure 112011045053373-pat00023
Figure 112011045053373-pat00023

여기서,

Figure 112011045053373-pat00024
는 유체의 점성계수이고 는 몰수체의 길이이다.
Figure 112011045053373-pat00026
Figure 112011045053373-pat00027
로 정의되는 동점성 계수이다. 20℃의 청수인 경우 동점성 계수는
Figure 112011045053373-pat00028
이다. 몰수체의 저항 및 유체력 계수는 몰수체의 표면과 물 사이의 경계조건에 따라 다른 특성을 가진다. 경계층의 조건은 몸체의 형상, 표면거칠기 및 레이놀즈수에 의해 정의되므로, 해석적으로 정확한 계수를 유도하는 것은 거의 불가능하다. 저항계수와 양력계수를 결정하는 한가지 방법은 기하학적으로 유사한 모델에 대해 실험적으로 구하는 것이다.here,
Figure 112011045053373-pat00024
Is the viscosity of the fluid Is the length of the condensate.
Figure 112011045053373-pat00026
The
Figure 112011045053373-pat00027
The kinematic viscosity defined by For fresh water at 20 ° C, the kinematic viscosity
Figure 112011045053373-pat00028
to be. The resistivity and fluid force coefficient of the condensate have different characteristics depending on the boundary condition between the surface of the condensate and the water. Since the condition of the boundary layer is defined by the shape of the body, the surface roughness and the Reynolds number, it is almost impossible to derive an analytically accurate coefficient. One way to determine the resistance and lift coefficients is to obtain experimental results for geometrically similar models.

만약 수중에서 로봇이

Figure 112011045053373-pat00029
의 레이놀즈수 범위내에서 움직인다고 가정하고, 실험적으로 얻어진 저항 및 양력계수를 사용한다고 가정하면, 상기 [수학식2] 및 [수학식3]은 다음과 같이 쓸 수 있다.If the robot underwater
Figure 112011045053373-pat00029
Assuming that it is moved within the Reynolds number range, and using the experimentally obtained resistance and lift coefficient, [Equation 2] and [Equation 3] can be written as follows.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112011045053373-pat00030
Figure 112011045053373-pat00030

[수학식 6]&Quot; (6) &quot;

Figure 112011045053373-pat00031
Figure 112011045053373-pat00031

링크에 작용하는 유체저항력Fluid resistance to the link

다관절 링크로봇에 작용하는 일반화된 유체력 토크와 양력토크([수학식1]의 D항)는 관절각도, 각속도, 유체의 속도 그리고 링크의 형상에 따라 결정되는 유체력 계수의 함수로 나타난다. 도 10과 같이 n자유도의 링크좌표계와 벡터도에서 j번째 링크가 미소두께dl을 가지는 작은 원반조각으로 나누어진다고 가정하면, 원반조각에 걸리는 저항력은 i좌표계에 대하여 다음과 같이 쓸 수 있다.The generalized fluid and lift torques (D term in [Equation 1]) acting on the articulated link robot are represented as a function of the coefficients of fluid force determined by joint angle, angular velocity, fluid velocity and link shape. Assuming that the j-th link is divided into small disk pieces having a micro-thickness dl in the link coordinate system of the n degrees of freedom and the vector diagram as shown in FIG. 10, the resistance applied to the disk pieces can be written as follows for the i coordinate system.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112011045053373-pat00032
,
Figure 112011045053373-pat00032
,

여기서,

Figure 112011045053373-pat00033
는 i좌표계에서 표현된 j번째 링크상의 한 원반조각에 작용하는 저항력이고,
Figure 112011045053373-pat00034
는 앙각
Figure 112011045053373-pat00035
의 함수로 표현되는 j번째 링크의 2차원저항계수이고, 앙각
Figure 112011045053373-pat00036
는 유체속도벡터
Figure 112011045053373-pat00037
와 원반조각의 속도벡터
Figure 112011045053373-pat00038
사이의 각도이다.
Figure 112011045053373-pat00039
Figure 112011045053373-pat00040
에 직각인 평면에 투영된 원반의 투영길이이다.
Figure 112011045053373-pat00041
는 j번째 링크에 직각인 방향의 속도의 성분이다. 도6으로 부터,
Figure 112011045053373-pat00042
는 유체에 대한 원반조각의 속도를(
Figure 112011045053373-pat00043
)평면으로 투영하여 다음과 같이 얻어진다.
here,
Figure 112011045053373-pat00033
Is the resistance acting on a disk piece on the jth link expressed in the i coordinate system,
Figure 112011045053373-pat00034
Elevation
Figure 112011045053373-pat00035
2D resistance coefficient of the jth link expressed as a function of
Figure 112011045053373-pat00036
Is the fluid velocity vector
Figure 112011045053373-pat00037
Velocity vector
Figure 112011045053373-pat00038
Angle between.
Figure 112011045053373-pat00039
The
Figure 112011045053373-pat00040
Projection length of the disc, projected on a plane perpendicular to.
Figure 112011045053373-pat00041
Is a component of velocity in the direction perpendicular to the jth link. 6,
Figure 112011045053373-pat00042
Is the speed of the disk piece relative to the fluid (
Figure 112011045053373-pat00043
Projected onto a plane, it is obtained as follows.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112011045053373-pat00044
,
Figure 112011045053373-pat00044
,

여기서,

Figure 112011045053373-pat00045
는 i좌표계에서 표현된 j번째 링크의 속도이고,
Figure 112011045053373-pat00046
는 i좌표계에서 정의된(
Figure 112011045053373-pat00047
)평면으로의 투영행렬로 다음과 같이 정의된다.
here,
Figure 112011045053373-pat00045
Is the speed of the jth link expressed in the i coordinate system,
Figure 112011045053373-pat00046
Is defined in i
Figure 112011045053373-pat00047
The projection matrix onto the plane is defined as

[수학식 9]&Quot; (9) &quot;

Figure 112011045053373-pat00048
,
Figure 112011045053373-pat00048
,

여기서,

Figure 112011045053373-pat00049
는 i좌표계에서 j좌표계로의 회전행렬이다.
Figure 112011045053373-pat00050
Figure 112011045053373-pat00051
는 각각 i좌표계에서 표현된 y축과 z축의 단위벡터이고,
Figure 112011045053373-pat00052
Figure 112011045053373-pat00053
는 j좌표계에서 표현된 단위벡터이다.here,
Figure 112011045053373-pat00049
Is the rotation matrix from the i coordinate system to the j coordinate system.
Figure 112011045053373-pat00050
Wow
Figure 112011045053373-pat00051
Are unit vectors of y-axis and z-axis respectively expressed in i-coordinate system,
Figure 112011045053373-pat00052
Wow
Figure 112011045053373-pat00053
Is the unit vector expressed in the j coordinate system.

(i+1)번째 관절에 작용하는 저항력을 관절변수와 그의 1차 미분의 함수로 표현하기 위해 먼저, j번째 링크에 고정된 한점의 속도를 i좌표계에 대해 유도한다. i좌표계에서 표현된 j링크의 속도는 다음과 같이 얻어진다.In order to express the resistance acting on the (i + 1) th joint as a function of the joint variable and its first derivative, the velocity of one point fixed to the jth link is derived with respect to the i coordinate system. The speed of j link expressed in i coordinate system is obtained as follows.

[수학식 10]&Quot; (10) &quot;

Figure 112011045053373-pat00054
.
Figure 112011045053373-pat00054
.

여기서,

Figure 112011045053373-pat00055
Figure 112011045053373-pat00056
로 정의되는 직교좌표계 벡터로부터 동차 좌표계 벡터로의 변환이다.
Figure 112011045053373-pat00057
는 동차좌표변환행렬이다.
Figure 112011045053373-pat00058
Figure 112011045053373-pat00059
Figure 112011045053373-pat00060
에 대한 편미분이다.here,
Figure 112011045053373-pat00055
The
Figure 112011045053373-pat00056
Is a transformation from a rectangular coordinate system vector defined in the equation to a homogeneous coordinate system vector.
Figure 112011045053373-pat00057
Is a homogeneous coordinate transformation matrix.
Figure 112011045053373-pat00058
The
Figure 112011045053373-pat00059
of
Figure 112011045053373-pat00060
Partial differential for.

아래 [수학식 11]과 같이 새로운 표기를 도입하면,
Introducing a new notation, as shown in Equation 11 below,

[수학식 11]&Quot; (11) &quot;

Figure 112011045053373-pat00061
,
Figure 112011045053373-pat00061
,

상기 [수학식 10]은 아래와 같이 단순화된 형태로 쓸 수 있다.Equation 10 may be written in a simplified form as follows.

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112011045053373-pat00062
.
Figure 112011045053373-pat00062
.

상기 [수학식 12]를 [수학식 8]에 대입하면,

Figure 112011045053373-pat00063
는 관절변수와 그 1차 미분의 함수로 다음과 같이 유도된다.Substituting Equation 12 into Equation 8,
Figure 112011045053373-pat00063
Is a function of the joint variable and its first derivative as

[수학식 13]&Quot; (13) &quot;

Figure 112011045053373-pat00064
.
Figure 112011045053373-pat00064
.

Figure 112011045053373-pat00065
Figure 112011045053373-pat00066
로 정의되는
Figure 112011045053373-pat00067
의 역변환이다. [수학식 13]의
Figure 112011045053373-pat00068
Figure 112011045053373-pat00069
는 관절변수
Figure 112011045053373-pat00070
의 함수이고
Figure 112011045053373-pat00071
는 j좌표계의 원점에서 j링크에 위치한 원반조각까지의 위치벡터이다. j좌표계는 j번째링크에 고정되어 있으므로,
Figure 112011045053373-pat00072
는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112011045053373-pat00065
The
Figure 112011045053373-pat00066
Defined as
Figure 112011045053373-pat00067
Is the inverse of. Of Equation 13
Figure 112011045053373-pat00068
Wow
Figure 112011045053373-pat00069
Is a joint variable
Figure 112011045053373-pat00070
Is a function of
Figure 112011045053373-pat00071
Is the position vector from the origin of j coordinate system to the disk piece located at j link. Since the j coordinate system is fixed to the jth link,
Figure 112011045053373-pat00072
Is expressed as follows.

[수학식 14]&Quot; (14) &quot;

Figure 112011045053373-pat00073
,
Figure 112011045053373-pat00073
,

여기서, x는 j좌표계에서 원반조각까지의 거리이다.Where x is the distance from the j coordinate system to the disk piece.

구조물이 충분히 가늘고 유체 속도가 구조물의 길이에 걸쳐 현저히 바뀔 때, 구조물의 단위 길이 당 힘이 정수 중 움직이는 구조물에 미치는 국부적인 반작용력에 해당하는 국부적인 유체속도에 의해 작용하는데 이것을 세장체 이론 (strip theory) 이라고 한다.When the structure is sufficiently thin and the fluid velocity changes significantly over the length of the structure, the force per unit length of the structure is acted by the local fluid velocity, which corresponds to the local reaction force on the moving structure in integer, which is the theory).

세장체 이론에 따라 j번째 링크에 작용하는 저항력은 원반에 작용하는 유체력 [수학식 7]의 적분으로 다음과 같이 쓸 수 있다.According to the elongated body theory, the resistive force acting on the j-th link is the integral of the fluid force acting on the disk [Equation 7].

[수학식 15]&Quot; (15) &quot;

Figure 112011045053373-pat00074
.
Figure 112011045053373-pat00074
.

[수학식 13]을 [수학식 15]에 대입하면 다음 [수학식 16]을 얻는다.Substituting [Equation 13] into [Equation 15], the following [Equation 16] is obtained.

[수학식 16]&Quot; (16) &quot;

Figure 112011045053373-pat00075
.
Figure 112011045053373-pat00075
.

여기서, 링크가 도 10처럼 s개의 조각으로 나누어져 있다고 가정하면, [수학식 16]의 정적분은 [수학식 17]과 같이 수치적분으로 근사화 될 수 있다.Here, assuming that the link is divided into s pieces as shown in FIG. 10, the static integral of Equation 16 may be approximated by a numerical integral as in Equation 17. FIG.

[수학식 17]&Quot; (17) &quot;

Figure 112011045053373-pat00076
Figure 112011045053373-pat00076

[수학식 18]&Quot; (18) &quot;

Figure 112011045053373-pat00077
,
Figure 112011045053373-pat00077
,

일반화된 유체저항 토크Generalized Fluid Resistance Torque

다음으로, j번째 링크의 저항력에 의해서 i좌표축에 작용하는 유체력 토크는 다음 [수학식 19]과 같이 쓸 수 있다.Next, the fluid force torque acting on the i-coordinate axis by the resistance of the j-th link can be written as Equation 19 below.

[수학식 19]&Quot; (19) &quot;

Figure 112011045053373-pat00078
Figure 112011045053373-pat00078

여기서,

Figure 112011045053373-pat00079
는 i좌표계에서 j좌표계로의 위치벡터이다. [수학식 17]과 같은 방법으로 [수학식 19]는 다음과 같이 근사화된다(도 11 참조).here,
Figure 112011045053373-pat00079
Is the position vector from the i coordinate system to the j coordinate system. In the same manner as in Equation 17, Equation 19 is approximated as follows (see FIG. 11).

[수학식 20]&Quot; (20) &quot;

Figure 112011045053373-pat00080
Figure 112011045053373-pat00080

[수학식 21]&Quot; (21) &quot;

Figure 112011045053373-pat00081
Figure 112011045053373-pat00081

다관절 링크의 i번째 관절은(

Figure 112011045053373-pat00082
)좌표계의
Figure 112011045053373-pat00083
축과 일치하므로, j번째 링크에 의해 i번째 관절에 작용하는 유체력 토크는
Figure 112011045053373-pat00084
Figure 112011045053373-pat00085
축으로 투영함으로써 다음과 같이 얻어진다.The i joint of the articulated link is (
Figure 112011045053373-pat00082
Of the coordinate system
Figure 112011045053373-pat00083
Coincident with the axis, the fluid force torque acting on the i-th joint by the j-th link is
Figure 112011045053373-pat00084
of
Figure 112011045053373-pat00085
By projecting on the axis, it is obtained as follows.

[수학식 22]&Quot; (22) &quot;

Figure 112011045053373-pat00086
,
Figure 112011045053373-pat00086
,

여기서,here,

[수학식 23]&Quot; (23) &quot;

Figure 112011045053373-pat00087
Figure 112011045053373-pat00087

마침내, 모든 링크에 의해 i번째 관절에 작용하는 유체력 토크

Figure 112011045053373-pat00088
는 아래 [수학시 24]와 같이 얻을 수 있다.Finally, the hydrodynamic torque acting on the i-th joint by all links
Figure 112011045053373-pat00088
Can be obtained as shown below.

[수학식 24]&Quot; (24) &quot;

Figure 112011045053373-pat00089
,
Figure 112011045053373-pat00089
,

같은 방법으로 i번째 관절에 작용하는 유체양력도 구할 수 있다. 여기서는 지면 관계상 생략한다.In the same way, the fluid lift applied to the i-th joint can be obtained. It is omitted here because of space.

도 12는 본 발명에 따른 다관절 링크에 작용하는 일반화된 유체저항토크의 근사적 모델링 방법을 확인하기 위하여 사용된 3절 링크로봇의 좌표계와 링크파라미터를 나타낸 도면이다.12 is a view showing the coordinate system and link parameters of a section 3 link robot used to confirm the approximate modeling method of the generalized fluid resistance torque acting on the articulated link according to the present invention.

도 13 내지 도 15는 도 12의 3절 링크로봇의 3번 관절각도에 대한 각 관절의 유체력 토크를 도식적으로 나타낸 그래프이다.13 to 15 are graphs schematically showing the fluid torque of each joint with respect to the joint angle of joint 3 of the third link robot of FIG. 12.

도 16 내지 도 18은 도 12의 3절 링크로봇의 2번 관절각도에 대한 각 관절의 유체력 토크를 도식적으로 나타낸 그래프이다.16 to 18 are graphs schematically showing the fluid torque of each joint with respect to the joint angle of the second joint robot of FIG. 12.

시뮬레이션 예제와 고찰Simulation examples and considerations

유도된 유체저항력 모델을 확인하기 위하여 스카라형 3절 링크로봇을 이용하여 수치시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 고찰한다. 시뮬레이션에 사용된 로봇은 도 12에 나타낸 것과 같은 좌표계와 DH 파라미터를 가지는 3절 링크로봇이다. 로봇의 링크는 단위길이를 가지는 지름 0.1m의 실린더로 가정하였다. 각 링크의 2차원저항계수는 1.1로, 링크당 원반조각의 개수(도 10 및 도 11 참조)는 20으로 하여 시뮬레이션을 수행하였다.Numerical simulation is performed using SCARA-type three-section link robot to identify the induced fluid resistance model and the results are discussed. The robot used in the simulation is a three-section link robot having a coordinate system and a DH parameter as shown in FIG. The link of the robot is assumed to be a cylinder of 0.1m in diameter with a unit length. The two-dimensional resistance coefficient of each link was 1.1, and the number of disc pieces per link (see FIGS. 10 and 11) was 20, and the simulation was performed.

도 13은 3번 관절각도가 0도에서 360도 사이를 변화할 때 각 관절의 각속도에 따라 상호작용으로 나타나는 관절의 유체유체력 토크를 나타낸 결과이다. 도 13은 3번 관절이 단위속도를 가질 때의 결과를 나타낸다. 3번 관절의 각도에 관계없이 3번 관절에는 항상 일정한 유체력 토크가 걸리게 된다. 그러나 1번과 2번 관절에 걸리는 유체유체력 토크는 팔을 완전히 뻗어있는 0도에서 가장 크게 나타나고 저항력 벡터와 관절축의 거리가 가장 먼 1번 관절에 가장 큰 토크가 걸린다. 토크의 방향은 3번 관절의 회전속도 방향과 반대인 유체저항력에 의한 토크이므로 방향이 반대이며 음수로 나타난다. 90도와 270도에서는 3번 링크에 걸리는 유체력 벡터와 각 관절축과의 거리가 같아지므로 모두 같은 크기의 유체력 토크가 작용한다. 유체력 벡터와 관절축과의 거리가 0이 되는 3번 관절의 각도(112도와 137도)에서는 1, 2번 관절토크가 0이 된다. 180도에서는 유체력 토크가 반대방향으로 최대값이 되지만 유체력 벡터와 관절간의 거리가 짧으므로 그 크기는 0도에 비해 작음을 알 수 있다.FIG. 13 is a result showing the fluid fluid force torque of a joint that appears as an interaction according to the angular velocity of each joint when the joint angle 3 changes between 0 degrees and 360 degrees. Fig. 13 shows the result when joint 3 has a unit speed. Regardless of the angle of joint 3, joint 3 always receives a constant fluid torque. However, the fluid fluid torque applied to joints 1 and 2 is greatest at 0 degrees with the arm fully extended, and the largest torque is applied to joint 1, where the distance between the resistance vector and the joint axis is farthest. The direction of the torque is the torque due to the fluid resistance force that is opposite to the rotational speed of joint 3, so the direction is reversed and negative. At 90 degrees and 270 degrees, the fluid force vector on link 3 and the distance between each joint axis are equal, so all of the same force torque is applied. Joint torques 1 and 2 become 0 at the angle of joint 3 (112 degrees and 137 degrees) where the distance between the fluid force vector and the joint axis becomes zero. At 180 degrees, the torque is the maximum value in the opposite direction, but the distance between the fluid force vector and the joint is short, so the magnitude is smaller than 0 degrees.

2번 관절과 3번 관절이 각각 단위속도를 가질 때 각 관절의 유체저항토크는 도 14 및 도 15에 각각 나타내었다. 3번 관절이 0도일경우, 모든 관절에는 가장 큰 토크가 작용하게 되며, 그 크기는 3번 관절이 속도를 가지는 도 13의 경우에 비해 증가하였다. 3번 관절각도가 각각 130도, 115도, 110도일 때 3번 2번 1번 관절에 걸리는 유체력의 절대크기가 각각 최소가 되며 이때가 유체력 측면에서 3번 관절의 최적자세로 볼 수 있다. 3번 관절의 최적자세를 지나 각도가 증가함에 따라 3번 관절에 걸리는 토크는 부호가 반대가 되고, 1번 및 2번 관절에 걸리는 토크의 크기는 다시 증가한다.When joints 2 and 3 each have a unit velocity, the fluid resistance torques of the joints are shown in FIGS. 14 and 15, respectively. When joint 3 is 0 degrees, the largest torque is applied to all joints, and the size thereof is increased compared to the case of FIG. 13 in which joint 3 has a speed. When the joint angle of joint 3 is 130 degrees, 115 degrees, and 110 degrees, the absolute magnitude of the fluid force applied to joints 3 and 2 is minimized, respectively, and this can be seen as the optimal position of joint 3 in terms of fluid force. . As the angle increases beyond the optimal position of joint 3, the torque on joint 3 is reversed, and the torque on joints 1 and 2 increases again.

1번 관절이 단위 각속도를 가질 때, 약 110도에서 3번 관절의 토크의 방향이 반대로 되고, 102도와 108도에서 1번 및 2번 관절의 토크의 절대 크기가 각각 최소로 된다. 주어진 조건에서 일종의 유체력 최적자세라 할 수 있다. 1번 관절이 단위 각속도를 가지는 경우에 있어서는 2번 3번 링크의 선속도가 상대적으로 커짐에 따라 유체력 토크 역시 도 13과 도 14에 비해 훨씬 크게 나타남을 확인할 수 있다.When joint 1 has a unit angular velocity, the direction of torque of joint 3 at about 110 degrees is reversed, and the absolute magnitudes of the torques of joints 1 and 2 at 102 degrees and 108 degrees are minimized, respectively. It can be said to be a kind of fluid force optimum under given conditions. In the case where the joint 1 has a unit angular velocity, as the linear velocity of the link 2 and 3 increases relatively, the fluid torque is also shown to be much larger than in FIGS. 13 and 14.

도 16은 2번 관절각도가 0도에서 360도 사이를 변화 할 때 각 관절의 각속도에 따라 상호작용으로 나타나는 관절의 유체유체력 토크를 나타낸 결과이다. 3번 관절이 단위각속도를 가지는 도 16에서는 2링크와 3번 링크의 상대자세가 일정하므로 2번 관절과 3번 관절에 걸리는 토크는 둘 다 일정하게 나타난다. 1번 관절토크는 0도에서 최대 180도에서 최소가 된다. 이는 이 자세에서 1번 관절과 3번 링크에 작용하는 유체력과의 거리가 각각 최대 최소가 되기 때문이다. 2번 관절이 단위각속도를 가지는 도 17의 경우는 도 16의 경우와 같은 상황이 되지만, 링크의 선속도가 커짐으로 인해 관절토크의 절대값이 도 16에 비해 크게 나타난다. 3번 관절이 단위각속도를 가지는 도 18의 경우는 180도에서 1번 및 3번 관절의 토크가 최소가 되고, 2번 관절에 걸리는 토크는 127도에서 방향이 바뀐다. 16 is a result showing the fluid fluid force torque of the joints appearing in interaction according to the angular velocity of each joint when the second joint angle is changed between 0 degrees and 360 degrees. In FIG. 16, in which joint 3 has a unit angular velocity, the relative positions of links 2 and 3 are constant, so torques applied to joints 2 and 3 are both constant. Joint torque 1 is the minimum from 0 degrees to the maximum 180 degrees. This is because the distance between the fluid force acting on the joint 1 and the link 3 in this position becomes the maximum minimum respectively. In the case of FIG. 17 in which the second joint has a unit angular velocity, the same situation as in FIG. 16 is obtained. However, the absolute value of the joint torque is larger than in FIG. 16 due to the increase in the linear velocity of the link. In the case of FIG. 18 where joint 3 has a unit angular velocity, torques of joints 1 and 3 become minimum at 180 degrees, and torque applied to joint 2 is changed at 127 degrees.

3절 스카라 로봇을 이용하여 수행한 유체력 토크 시뮬레이션결과에서 이전 모델링된 유체력 모델은 직관적으로 추측할 수 있는 결과와 잘 일치하고 있음을 확인 할 수 있다.In the hydrodynamic torque simulation results performed using the SCARA robot, we can confirm that the previously modeled hydrodynamic force model agrees well with the intuitively inferred result.

본 발명에서는 수중 다관절 링크에 작용하는 유체력과 이로부터 유기되는 유체력 토크를 근사적으로 모델링하였다. 제안된 모델은 닫힌 형태로 유도되어 L-E 운동방정식에 바로 적용 될 수 있으며 각종 해석이나 설계에 활용하기 용이하다. 제안된 모델을 검증하기 위하여 직관적으로 유체력을 추정할 수 있는 간단한 3절 스카라 로봇에 적용하여 시뮬레이션을 수행함으로써 그 타당성을 고찰하였다. 이는 유체속에서 움직이는 다관절 로봇의 걸음새계획이나 유영 동작개발등 다양한 분야에 적용 될 수 있을 것으로 기대된다.In the present invention, the fluid force acting on the articulated articulated link and the fluid force torque induced therefrom are modeled approximately. The proposed model is derived in a closed form and can be directly applied to the L-E equation and is easy to use for various analysis or design. In order to verify the proposed model, the validity of the proposed model is investigated by applying it to a simple three-section SCARA robot that can intuitively estimate the fluid force. This is expected to be applicable to various fields such as step planning and swimming motion development of articulated robots moving in fluid.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. Such changes and modifications can be said to belong to the present invention without departing from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of the present invention will be determined by the claims described below.

100: 해저로봇
110: 몸체
200: 완충기
300: 모선
100: submarine robot
110: body
200: shock absorber
300: Mothership

Claims (5)

수중에서 유영 또는 보행하는 해저 로봇의 다관절 링크 단면에 따른 유체력 계수의 적용 범위를 판단하는 제 1단계;
상기 수중에서 움직이는 다관절 링크에 작용하는 유체력을 근사적으로 계산하는 제 2단계;
상기 다관절 링크에 작용하는 유체력을 통해 관절 좌표계에 작용하는 유체력 토크를 계산하는 제 3단계; 및
상기 관절 좌표계에 작용하는 유체력 토크를 관절에 작용하는 유체력 토크로 변환하고, 상기 다관절 링크에 의한 유체력 토크를 계산하는 제 4단계;를
포함하고,
상기 제 1단계는, 레이놀즈수 계산 알고리즘을 사용하여 레이놀즈수를 계산하는 단계와; 상기 로봇이 일정 범위의 레이놀즈 수 범위 내에서 움직이는 경우, 각 수중 링크의 단면 형상에 따른 유체력 계수 추정하는 단계;를 포함하고,
상기 제 2단계는, 유체력 계산 알고리즘을 통해 링크를 다수의 원반조각으로 나누고, i좌표계에서 j링크 상의 한 원반조각의 속도 성분 벡터를 계산하는 단계와; 투영행렬 계산 알고리즘을 통해 i좌표계에서 정의된 j링크에 직각인 평면으로의 투영 행렬을 계산하는 단계와; j링크에 직각인 원반조각의 속도 성분 벡터를 계산하는 단계; 및 j링크 상의 한 원반조각에 작용하는 유체력을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 작용하는 유체저항토크의 근사적 모델링방법.
A first step of determining an application range of the fluid force coefficient according to the cross-section of the articulated link of the subsea robot swimming or walking underwater;
A second step of approximating a fluid force acting on the articulated link moving in the water;
Calculating a fluid force torque acting on the joint coordinate system through the fluid force acting on the articulated link; And
A fourth step of converting the fluid force torque acting on the joint coordinate system into the fluid force torque acting on the joint, and calculating the fluid force torque caused by the articulated link;
Including,
The first step includes: calculating a Reynolds number using a Reynolds number calculation algorithm; Estimating a fluid force coefficient according to the cross-sectional shape of each underwater link when the robot moves within a range of Reynolds numbers.
The second step includes: dividing the link into a plurality of disk pieces through a fluid force calculation algorithm, and calculating a velocity component vector of one disk piece on j links in the i coordinate system; Calculating a projection matrix onto a plane perpendicular to j-link defined in the i-coordinate system through a projection matrix calculation algorithm; calculating a velocity component vector of the disk piece perpendicular to the j-link; And calculating a fluid force acting on a disc piece on j-links. Approximate modeling method of fluid resistance torque acting on a multi-moveable multi-sea subsea robot, comprising:
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 제 3단계는,
상기 i좌표계에 대한 j링크 상의 한 원반조각의 위치벡터를 계산하는 단계; 및
상기 i좌표계에 작용하는 유체력 토크의 계산 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 작용하는 유체저항토크의 근사적 모델링방법.
The method of claim 1,
In the third step,
Calculating a position vector of a disk piece on j link with respect to the i coordinate system; And
Calculating a fluid force torque acting on the i-coordinate system;
Approximate modeling method of fluid resistance torque acting on a multi-moveable multi-sea subsea robot, comprising a.
제 4 항에 있어서,
상기 제 4단계는,
상기 i좌표계에 작용하는 유체력 토크를 i관절에 작용하는 유체력 토크로 변환하는 단계; 및
i링크 및 j링크 상의 i관절에 작용하는 유체력 토크를 계산하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합이동이 가능한 다관절 해저로봇에 작용하는 유체저항토크의 근사적 모델링방법.
The method of claim 4, wherein
The fourth step,
Converting the fluid force torque acting on the i coordinate system to the fluid force torque acting on the i joint; And
calculating a fluid force torque acting on the i-joint on the i-link and j-link;
Approximate modeling method of fluid resistance torque acting on a multi-moveable multi-sea subsea robot, comprising a.
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