KR101339790B1 - 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치 - Google Patents

Abstract

물고기 모방 로봇의 지느러미 내부에 자기유변 유체를 충진하고 자기장을 발생시킴은 물론 그 세기를 조절해 줌에 따라, 서로 다른 수중 환경 조건에 대응하여 능동적으로 지느러미 강성을 가변 조절할 수 있는 수중 추진 장치에 관하여 개시한다.
수중에서 물고기 유영을 모방하여 추진하는 수중 추진 장치로서,
내부로 자기유변 유체가 충진되기 위한 수용공간이 마련된 지느러미 하우징;상기 수용공간 내부에 설치되어 자기장을 발생시키는 자기장 발생코일; 및 상기 자기장 발생 코일에 제어전류를 인가함에 따라 자기유변 유체의 점성 및 전단특성을 변화시켜, 상기 지느러미 하우징의 강성을 조절하는 제어부;를 포함하되,
상기 자기장 발생 코일은,
상기 수용공간 내에서 충진된 자기유변 유체에 접촉하며 설치되는 한편, 상기 수용공간의 길이 방향을 따라 환형으로 감겨 형성된 횡방향 권취 코일로 이루어지며, 상기 횡방향 권취 코일은 상기 수용공간 내의 전반에 걸쳐서 다수 개가 상호 연결상태로 배치된 것을 더 포함한다.

Description

지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치{UNDERWATER THRUSTING APPARATUS WITH A FUNCTION OF ADJUSTING STIFFNESS IN CAUDAL FIN}

본 발명은 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물고기 모방 로봇의 지느러미 내부에 자기유변 유체(Magneto-Rheological fluid)를 충진하고 자기장을 발생시켜, 수중 환경 조건에 능동적으로 대응하여 강성을 가변 조절할 수 있는 수중 추진 장치에 관한 것이다.

바이오미메틱스(biomimetics)란, 생물체의 기능을 모방하여 공학적으로 응용하려는 학문으로서, 생체모방 또는 생물모방공학이라 한다. 이러한 바이오메틱스 중 하나의 분야로서, 물고기의 유영 형태를 그대로 모방한 수중 추진 장치에 관한 연구 개발이 이루어지고 있다. 이를 물고기 모방 로봇이라 한다.

일반적인 물고기 유영 형태는, 크게 BCF(Body and Caudal Fin) 운동과, MPF(Median and Paired Fin) 운동으로 나누어 살펴볼 수 있다. 여기서, BCF는 큰 추진력을 발생시켜 수중에서의 빠른 추진 및 가속을 할 수 있도록 해주며, MPF는 수중에서의 유영 능력을 향상시켜주는 데 특징이 있다.

최근까지 개발된 물고기 모방 로봇의 구체적인 예로는, MIT의 로봇 튜나(Robo-Tuna)와, Draper Lap의 VCUUV(Vorticity Control Unmanned Undersea Vehicle)가 있으며, 이 외에도 다양한 지능 재료를 도입하여 적용한 물고기 모방 로봇들이 몇몇 소개되어 있다.

다만, 이들 종래의 물고기 모방 로봇들은 대부분의 경우 물고기의 유영 형태와 유사한 액추에이터의 개발 및 추진력 개선에 관한 연구에만 치우쳐져 있을 뿐, 지느러미의 재질로는 폴리머, 플라스틱 및 금속 중 임의의 소재를 선택적으로 이용하고 있을 뿐이었다. 하지만, 지느러미(특히, 꼬리지느러미)의 경우, 물고기 모방 로봇의 추진 및 방향 전환에 주된 역할을 담당하는 기능 부재로서, 이에 이용되는 소재의 종류에 따라 일정한 강성만을 가질 수밖에 없었다.

그러나 수중 환경은 유체의 다양한 조건(예: 유속)이 시간 및 장소에 따라 크게 변화하는 까닭에, 물고기 모방 로봇의 유영 특성을 안정적으로 확보하기 위해서는 변화하는 조건에 대처하여 지느러미의 강성이 가변적으로 조절될 수 있어야 한다.

즉, 물고기 모방 로봇의 지느러미 강성은 물고기 수중 유영 시의 주파수 특성에 따라 적절하게 달리 조절될 필요성이 있는데, 일예로서 유속이 빠른 경우와 유속이 느린 경우에 요구되는 강성이 서로 다르기 때문이다.

따라서 물고기 모방 로봇의 유영 특성을 향상시키기 위해서는, 지느러미(특히, 꼬리지느러미)의 강성을 적절히 가변 조절해 줄 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구된다. 이를 통해, 수중 환경의 다양한 조건 변화에 능동적으로 대처하여 물고기 모방 로봇은 안정적인 유영 성능을 확보할 수 있기 때문이다.

본 발명의 목적은, 수중 환경의 다양한 조건 변화(예: 유속 변화)에 대응하여, 물고기 모방 로봇의 유영 성능을 향상시켜 줄 수 있도록 지느러미의 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 유연한 소재의 지느러미 내부에서 자기유변 유체(Magneto-Rheological fluid)를 충진하고, 이의 점성 또는 전단특성에 변화를 줌에 따라 지느러미의 강성을 가변 제어할 수 있는 수중 추진 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 자기유변 유체가 충진된 지느러미 내부에서 자기장을 발생시키는 코일의 배치 형태를 여러 가지 실시예로 제시해 줌으로써, 수중 조건에 적합한 형태로 다양하게 제작될 수 있는 수중 추진 장치를 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제들에 국한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 사상에 따르면, 수중에서 물고기 유영을 모방하여 추진하는 수중 추진 장치로서, 내부로 자기유변 유체가 충진되기 위한 수용공간이 마련된 지느러미 하우징; 상기 수용공간 내부에 설치되어 자기장을 발생시키는 자기장 발생코일; 및 상기 자기장 발생 코일에 제어전류를 인가함에 따라 자기유변 유체의 점성 및 전단특성을 변화시켜, 상기 지느러미 하우징의 강성을 조절하는 제어부;를 포함하되,
상기 자기장 발생 코일은,
상기 수용공간 내에서 충진된 자기유변 유체에 접촉하며 설치되는 한편, 상기 수용공간의 길이 방향을 따라 환형으로 감겨 형성된 횡방향 권취 코일로 이루어지며, 상기 횡방향 권취 코일은 상기 수용공간 내의 전반에 걸쳐서 다수 개가 상호 연결상태로 배치된 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치가 제공된다.

또한, 본 발명은, 상기 수용공간 내에서 상기 자기장 발생 코일에 인접하여 이격 설치되는 자성체 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 지느러미 하우징은, 상기 수용공간 내에 충진된 자기유변 유체를 밀봉하는 동시에 유연성을 갖는 폴리머(Polymer) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 수중에서 물고기 유영을 모방하여 추진하는 수중 추진 장치로서, 내부로 자기유변 유체가 충진되기 위한 수용공간이 마련된 지느러미 하우징; 상기 수용공간 내부에 설치되어 자기장을 발생시키는 자기장 발생코일; 상기 자기장 발생 코일에 제어전류를 인가함에 따라 자기유변 유체의 점성 및 전단특성을 변화시켜, 상기 지느러미 하우징의 강성을 조절하는 제어부; 및 상기 수용공간 내에서 상기 자기장 발생 코일에 인접하여 이격 설치되는 자성체 플레이트;를 포함하되,
상기 자기장 발생 코일은, 상기 수용공간 내에서 충진된 자기유변 유체에 접촉하며 설치되는 한편, 상기 수용공간의 폭 방향을 따라 환형으로 감겨 형성된 종방향 권취 코일로 이루어지며, 상기 종방향 권취 코일은 상기 수용공간 내의 전반에 걸쳐서 다수 개가 상호 연결상태로 배치된 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치가 제공된다.

또한, 본 발명은 상기 수용공간 내에서 상기 자기장 발생 코일에 인접하여 이격 설치되는 자성체 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 지느러미 하우징의 표면에는, 상기 수중 추진 장치의 속도 및 주변 유동 유체의 속도 및 방향을 검출하는 센싱부가 더 구비되되,
상기 제어부는, 상기 센싱부로부터 전달 받은 검출 신호를 이용하여 상기 자기장 발생 코일에 인가해야 할 제어전류를 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다.

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도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치인 물고기 모방 로봇의 외형을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치에 있어서, 꼬리지느러미의 길이 방향 단면 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A′ 구간 단면 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 A-A′ 구간 단면 모습을 통해 자기장 발생 코일에 인접하여 자성체 플레이트가 설치된 모습을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치에 있어서, 꼬리지느러미의 길이 방향 단면 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 A-A′ 구간 단면 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치에 있어서, 꼬리지느러미의 길이 방향 단면 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 A-A′ 구간 단면 모습을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따라 주변 수중 환경 조건에 능동적으로 지느러미 강성이 조절될 수 있는 흐름을 순차적으로 도시한 순서도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 아울러, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치는, 물고기의 유영을 모방하여 수중 환경에서 추진 가능한 장치(이하, 간략하게 ‘물고기 모방 로봇’이라 함)를 말한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치를 개략적으로 도시한 모식도이다.

도시된 수중 추진 장치(1), 즉 물고기 모방 로봇은 하나의 예시적인 형태로서, 머리부터 꼬리까지의 구간 별로 서로 구분된 몸체로 구성될 수 있는데, 도시된 바와 같이, 제1몸체(10), 제2몸체(20), 제3몸체(30) 및 제4몸체(즉 꼬리지느러미(C))로 나누어 구성될 수 있다.

다만, 도시된 형태는 본 발명에 따른 수중 추진 장치(1)를 개략적인 형태를 살펴보기 위한 하나의 예시적인 것에 불과할 뿐, 이러한 특정 형태에 본 발명은 제한될 필요는 없다. 즉, 별도로 도시하진 않았으니, 수중 추진 장치(1)의 몸체는 적어도 2개 이상의 몸체로 나누어 제작될 수 있다.

그리고 각각의 몸체(10, 20, 30, C)는 그 배치 위치 및 기능에 따라 다양한 수의 지느러미를 각기 다른 형상으로 구비할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 수중 추진 장치(1)가 물고기의 기본적인 외형을 모방하여 형상화시킨 것이기 때문이다.

도시된 수중 추진 장치(1)의 제1몸체(10)에는 한 쌍의 옆지느러미(40)가 구비되며, 제2몸체(20)와 제3몸체(30)의 배 부위에는 배지느러미(50)가 구비된다. 그리고 수중 추진 장치(1)의 제2몸체(20)와 제3몸체(30)의 등 부위에는 등지느러미(60)가 구비되며, 이들 몸체의 꼬리 부분, 즉 제4몸체(C)에는 꼬리지느러미가 구비될 수 있다.

본 발명인 수중 추진 장치(1)에 있어서, 지느러미의 강성 조절이 가능함을 살펴보기 위하여, 대표적으로 꼬리지느러미의 구조만을 설명하지만, 이와 다른 지느러미에도 적용 가능함은 자명하다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치에 있어서, 꼬리지느러미의 길이 방향 단면 구조를 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 A-A′ 구간 단면을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 도시된 수중 추진 장치인 물고기 모방 로봇은, 자기유변 유체가 내부에 충진된 지느러미 하우징(110)과, 그 내부에 설치된 자기장 발생 코일(130)과, 자기장 발생 코일에 제어전류를 인가하는 제어부(150)를 포함한다.

지느러미(특히, 꼬리지느러미)는 물고기 모방 로봇의 추진 및 방향 전환 등 유영 성능에 주된 역할을 담당하는 데, 종래에는 단일의 소재(예: 폴리머, 플라스틱 및 금속)가 사용되는 것이 전부였다. 이와 같이 선택된 임의의 단일 소재만이 사용될 경우, 지느러미는 일정한 강성만을 지닐 수밖에 없게 되어, 다양한 수중 환경에 능동적으로 대응하여 안정적인 유영 특성을 발휘하기 어려웠다. 즉, 소재의 강성(또는 형상)에 따라 물고기 모방 로봇의 경우 수중 유영 주파수 특성이 달라지기 때문이다.

이를 위해, 본 발명인 수중 추진 장치의 지느러미 부재는, 자체 강성을 능동적으로 가변시킬 수 있는 구조를 채택하고 있으며, 이를 통해 다양한 수중 환경 조건에 대해 능동적으로 강성을 조절할 수 있도록 되어 있다.

지느러미 하우징(110)은, 수중 추진 장치(즉, 물고기 모방 로봇)가 수중에서 추진력을 발생시키고 원활하게 방향 전환을 할 수 있도록 해주는 역할을 담당한다. 이를 위해, 상기 지느러미 하우징(110)은 내측에 소정의 수용공간(112)을 구비하고 있으며, 이러한 수용공간(112)에 자기유변 유체(MR)를 충진하여 수용하는 형태로 이루어진다.

즉, 지느러미 하우징(110)은 막 형태의 두께를 갖는 튜브 타입으로 제작될 수 있다. 이와 동시에, 수용공간(112)에 충진된 자기유변 유체의 점성 및 전단특성 변화에 따라 전체 지느러미 하우징(110)의 강성이 달라질 수 있어야 하며, 충진된 자기유변 유체의 누설을 방지할 수 있어야 하므로, 유연성 및 내구성을 동시에 지닌 플렉시블(flexible)한 재질로 제작되는 것이 바람직하다. 지느러미 하우징(110)의 재질에 대한 구체적인 예로는, 폴리머(Polymer) 등이 해당될 수 있다.

또한, 지느러미 하우징(110)의 선단 단면(P) 쪽에는 지느러미 하우징(110)과 일체로 제작된 부재 또는 별도로 구비된 실링 부재 등을 이용하여 격막을 형성하는 것이 바람직한데, 이는 충진된 자기유변 유체의 누설을 차단하기 위함이다.

지느러미 하우징(110)의 수용공간(112)에 충진되는 자기유변 유체는, MR(magneto-Rheological) 유체라 통칭되는 것으로, 비전도성 용매에 수 미크론 크기의 극성 입자를 분산시킨 현탁액(suspension)을 말한다.

이러한 자기유변 유체는, 외부에서 부하된 자기장의 세기에 따라 수 밀리세컨드(msec) 이내에 유변학적 특성이 연속적이면서도 가역적으로 변하는 기능성 유체이다.

특히, 자기유변 유체는, 외부 자기장의 세기에 따라 그 유체의 점성이 변화한다. 그리고 이러한 점성 변화에 따라 유체의 전단응력은 증가한다.

자기유변 유체의 이러한 성질은 외부 자기장에 의해 유체 중에 용해된 극성 입자들이 자기장의 방향을 따라 일렬로 정렬되는 현상으로부터 기인된다. 다시 말해서, 자기장의 방향을 따라 극성 입자들이 정렬되는 현상에 의해 유체의 흐름이 방해될 수밖에 없으며, 결과적으로 유체의 점성이 증가하게 되는 것이다.

이러한 연유에 따라, 자기유변 유체는 자기장이 발생되지 않는 경우에는 뉴턴 유체로 거동하고, 반대로 자기장이 발생되는 경우에는 Bingham-plastic 모델처럼 거동하게 된다.

즉, 자기유변 유체는 유체에 가해지는 자기장의 세기에 따라 점성이 달라지며, 자기장의 세기가 커질수록 전단응력도 커져, 결과적으로는 이러한 자기유변 유체를 수용하는 지느러미 하우징(110)의 자체 강성이 커지는 효과가 발휘된다.

자기장 발생 코일(130)은, 상술한 바와 같이, 지느러미 하우징(110)의 수용공간(112)에 충진된 자기유변 유체의 점성 및 전단응력을 변화시켜 주도록 자기장을 발생시키는 역할을 담당한다.

즉, 이러한 자기장 발생 코일(130)은 외부로부터 제어전류를 인가받아 소정 공간 내에서 자기장을 발생시키는 코일 부재를 의미한다. 그리고 자기장 발생 코일(130)은 상기 수용공간(112) 내에서 충진된 자기유변 유체에 접촉하도록 설치된다.

본 발명의 제1실시예에 따른 자기장 발생 코일(130)은 도 2를 통해 확인할 수 있다. 도시된 바와 같이, 자기장 발생 코일(130)은 수용공간(112)의 길이 방향을 따라 내측에서 환형으로 감겨 형성된 횡방향 권취 코일(130)의 형태를 갖는다. 그리고 제어전류를 인가받기 위하여 양극 연결라인은 지느러미 하우징(110)의 외측으로 연장될 수 있다.

그리고 상기 자기장 발생 코일(130)은, 특히, 이러한 지느러미 하우징(110)의 내부 수용공간(112)의 길이 방향 단면을 통해 가능한 한 큰 직경을 가지면서 배치될 수 있다. 이러한 배치 형상은 수용공간(112)에 충진된 자기유변 유체(MR)에 대하여 가능한 한 자기장의 영향을 골고루 작용시켜 주기 위한 것이다.

그리고 도 3의 A-A′ 구간 단면도를 통해서, 본 발명의 제1실시예에 따른 자기장 발생 코일(130)의 전면 형상을 확인할 수 있는데, 이때의 수용공간(112) 내에서 자기장 발생 코일(130)의 정면 면적(즉, 직경 및 코일 턴 수)은 크면 클수록 좋다. 이에 따라, 자기유변 유체에 부하해 줄 수 있는 자기장의 세기를 더욱 강화시켜 줄 수 있다.

한편, 도 4는 상술한 제1실시예의 자기장 발생 코일(130)에 인접하게 별도의 자성체 플레이트(120)를 구획 설치한 모습을 도 2의 A-A′ 구간 단면을 통해 도시한 도면이다.

여기서, 자성체 플레이트(120)는, 추가적인 자성재료로서, 구체적인 예로는 스틸(steel) 등이 해당될 수 있다. 별도의 자성체 플레이트(120)를 자기장 발생 코일(130)에 인접하게 구획 배치시켜, 자기유변 유체에 부하해 줄 수 있는 자기장의 세기를 더욱 강화시켜 줄 수 있다.

제어부(150)는, 전술한 자기장 발생 코일에 제어전류를 인가해 주는 역할을 담당한다. 특히, 이러한 제어전류의 인가 조절에 따라 자기장 발생 코일(130)을 통해 발생되는 자기장의 세기를 조절해 줄 수 있으며, 그 결과 지느러미 하우징(110)의 수용공간(112)에 충진된 자기유변 유체의 점성 또는 전단특성(즉, 전단응력)이 커질 수 있다. 이는 지느러미 하우징의 자체 강성을 조절 제어하는 효과를 가져 온다.

특히, 이러한 제어부(150)의 구성 이외에, 지느러미 하우징(110)의 표면에는 도 2에 도시된 바와 같이, 센싱부(160)의 구성이 더 구비될 수 있는데, 센싱부(160)에서 검출된 여러 가지 신호는 상기 제어부(150)에 전달되어 능동 제어가 가능해 질 수 있다.

다시 말해서, 이러한 센싱부(160)는 본 발명인 수중 추진 장치인 물고기 모방 로봇이 유영하는 수중 환경 조건(예: 수중 추진 장치의 속도, 주변 유동 유체의 속도 및 방향 등)을 검출하여 신호를 출력한다. 그리고 상기 센싱부(160)에서 출력된 검출 신호는 제어부(150)로 전달된다.

제어부(150)는 전달 받은 검출 신호를 이용하여 자기장 발생 코일에 인가해 줄 제어전류의 크기를 산출하고, 이를 자기장 발생 코일에 인가해 줌으로써, 자기유변 유체의 점성 및 전단특성 변화를 도모한다. 그 결과, 지느러미의 강성이 능동적으로 가변 제어될 수 있다.

다음으로, 도 5 및 도 6을 병행 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치에 관하여 살펴보기로 한다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치에 있어서, 꼬리지느러미의 길이 방향 단면 구조를 도시한 도면이며, 도 6은 도 5의 A-A′ 구간 단면 모습을 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 도시된 지느러미 하우징(110) 내에는 전술한 제1실시예와 달리, 상대적으로 직경이 작은 횡방향 권취 코일(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)이 수용공간(112)의 길이 방향 단면에 대하여 복수 배치된 모습을 확인할 수 있다. 아울러, 도 6을 참조하면, 이들 복수 배치된 직경이 작은 횡방향 권취 코일(130a, 130e)이 수직 방향으로 서로 이격되어 나란히 정렬된 모습을 확인할 수 있다.

즉, 도 5 및 도 6에 도시된 본 발명의 제2실시예의 경우, 자기장 발생 코일(130)의 턴(turn) 수를 증가시키기 위한 형태라고 볼 수 있는데, 이를 통해 자기유변 유체에 부하되는 자기장의 세기를 더욱 강화시켜 조절해 줄 수 있다.

다만, 도 5 및 도 6을 통해 나타낸 코일의 개수 및 배치 형태에 따라 본 발명의 범위가 굳이 제한될 필요는 없으며, 이러한 코일의 크기, 개수 및 배치 형태는 조금씩 달라져도 무방하다.

다음으로, 도 7 및 도 8을 병행 참조하여 본 발명의 제3실시예에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치에 관하여 살펴보기로 한다.

도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치에 있어서, 꼬리지느러미의 길이 방향 단면 구조를 도시한 도면이며, 도 8은 도 7의 A-A′ 구간 단면 모습을 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 도시된 지느러미 하우징(110) 내에는 전술한 제1실시예 및 제2실시예와 다른 형상 및 구조의 자기장 발생 코일(140)이 개시된 모습을 확인할 수 있다.

즉, 도 7에 도시된 자기장 발생 코일(140)은 전술된 실시예들과 동일하게 수용공간(112) 내에서 충진된 자기유변 유체와 접촉하며 내장 설치되는 것은 동일하나, 그 설치 방향에서 차이점이 존재한다.

도시된 본 발명의 제3실시예에 따를 경우, 자기장 발생 코일(140)이 상기 수용공간(112)의 폭 방향을 따라 환형으로 감겨 형성된 종방향 권취 코일(140a, 140b, 140c)의 모습을 띠고 있다. 그리고 도 8을 참조하면, 이들 배치된 종방향 권취 코일(140a, 140b, 140c)의 정면 구조를 확인할 수 있다.

이러한 제3실시예의 경우에도, 자기장 발생 코일(140)의 턴(turn) 수를 증가시키기 위한 또 하나의 실시예라 볼 수 있다. 다만, 코일 각각의 직경 및 길이가 지나치게 커질 경우, 꼬리지느러미 부위의 동작 유연성이 저하될 수 있으므로, 설계 시 이 점을 고려하는 것이 바람직하다.

아울러, 도 7 및 도 8을 통해 종방향 권취 코일 구조를 갖는 자기장 발생 코일(140)에 관하여 개시하였으나, 이들 코일의 개수 및 배치 형태에 따라 본 발명의 범위가 제한될 필요가 없다. 즉, 코일의 크기, 개수 및 배치 형태는 조금씩 달라져도 무방하다.

도 9는 본 발명의 실시예들에 따라 주변 수중 환경 조건에 능동적으로 지느러미 강성이 조절될 수 있는 흐름을 순차적으로 도시한 순서도이다.

도시된 바와 같이, 먼저, 지느러미 하우징의 표면에 구비된 센싱부를 통해 수중 추진 조건이 검출될 수 있다(ST100).

여기서 ‘수중 추진 조건’이라 함은, 다양한 수중 환경마다 서로 다른 조건(예: 수중 유체의 유속 변화, 유동 방향 변화 및 수중 추진 장치 자체의 속도 등)이 모두 해당될 수 있으며, 특정 기능의 센서로 한정적으로 이해될 필요는 없다.

이어서, 수중 추진 조건에 필요한 검출 신호가 제어부로 전달되면, 제어부에서는 해당 조건에 필요한 제어전류를 생성하고 자기장 발생 코일에 제어전류를 인가한다(ST200).

이어서, 필요한 제어전류를 인가 받은 자기장 발생 코일에서는 해당 조건에 필요한 자기장을 발생시킨다(ST300).

한편, 자기장이 발생되면, 지느러미 하우징 내에 충진된 자기유변 유체의 특성 상 점도 및 전단특성(즉, 전단응력)에 변화가 발생되게 되는데(ST400), 그 결과 검출된 수중 추진 조건에 부합되는 지느러미 강성이 확보되게 된다(ST500).

이로써, 다양한 수중 환경 변화에 능동적으로 대처하여, 본 발명에 따른 수중 추진 장치인 물고기 모방 로봇의 지느러미 강성은 가변 조절될 수 있다. 이에 따라 유영 성능이 안정적으로 개선된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 수중 추진 장치인 물고기 모방 로봇의 지느러미 강성을 가변 조절함에 따라 다양한 수중 환경의 유체 조건 변화에 능동적으로 대처하여 유영 특성을 안정적으로 향상시켜 줄 수 있다.

특히, 유연한 재질(예: 폴리머)인 지느러미 내부 수용공간으로 자기유변 유체를 충진한 후 자기장을 발생시켜, 지느러미 내부에 수용된 유체의 점성 또는 전단특성을 변화시켜 지느러미 자체 강성을 신속하게 조절해 줄 수 있다.

이에 더하여, 본 발명에 따르면 물고기 모방 로봇의 유영 시작 후, 주변 유체의 조건 변화(예: 물고기 모방 로봇의 속도, 주변 유체의 속도 및 유동 방향 등)를 검출하고, 지느러미의 강성 변화를 검출된 조건에 따라 제어할 수 있다.

나아가, 본 발명은 자기유변 유체가 수용된 지느러미 내부에서 자기장을 발생시키는 코일의 배치 형태를 다양하게 제시해 줌으로써, 선택적으로 코일의 턴 수를 증가하거나 감소시켜 필요한 만큼 자기장의 세기를 조절해 줄 수 있다.

이상으로, 본 발명에 따른 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치에 관한 바람직한 실시예들에 관하여 살펴보았다.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어질 것이다. 그리고 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형된 형태가 본 발명의 범주에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

MR: 자기유변 유체
110: 지느러미 하우징
112: 수용공간
120: 자성체 플레이트
130, 140: 자기장 발생 코일
150: 제어부
160: 센싱부

Claims (6)

1. 수중에서 물고기 유영을 모방하여 추진하는 수중 추진 장치로서,
   내부로 자기유변 유체가 충진되기 위한 수용공간이 마련된 지느러미 하우징;
   상기 수용공간 내부에 설치되어 자기장을 발생시키는 자기장 발생코일; 및
   상기 자기장 발생 코일에 제어전류를 인가함에 따라 자기유변 유체의 점성 및 전단특성을 변화시켜, 상기 지느러미 하우징의 강성을 조절하는 제어부;를 포함하되,
   
   상기 자기장 발생 코일은,
   상기 수용공간 내에서 충진된 자기유변 유체에 접촉하며 설치되는 한편, 상기 수용공간의 길이 방향을 따라 환형으로 감겨 형성된 횡방향 권취 코일로 이루어지며,
   상기 횡방향 권취 코일은 상기 수용공간 내의 전반에 걸쳐서 다수 개가 상호 연결상태로 배치된 것을 더 포함하는 것을
   특징으로 하는 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치.
   
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 수용공간 내에서 상기 자기장 발생 코일에 인접하여 이격 설치되는 자성체 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 지느러미 하우징은,
   상기 수용공간 내에 충진된 자기유변 유체를 밀봉하는 동시에 유연성을 갖는 폴리머(Polymer) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치.
   
4. 수중에서 물고기 유영을 모방하여 추진하는 수중 추진 장치로서,
   내부로 자기유변 유체가 충진되기 위한 수용공간이 마련된 지느러미 하우징;
   상기 수용공간 내부에 설치되어 자기장을 발생시키는 자기장 발생코일;
   상기 자기장 발생 코일에 제어전류를 인가함에 따라 자기유변 유체의 점성 및 전단특성을 변화시켜, 상기 지느러미 하우징의 강성을 조절하는 제어부; 및
   상기 수용공간 내에서 상기 자기장 발생 코일에 인접하여 이격 설치되는 자성체 플레이트;를 포함하되,
   
   상기 자기장 발생 코일은,
   상기 수용공간 내에서 충진된 자기유변 유체에 접촉하며 설치되는 한편, 상기 수용공간의 폭 방향을 따라 환형으로 감겨 형성된 종방향 권취 코일로 이루어지며,
   상기 종방향 권취 코일은 상기 수용공간 내의 전반에 걸쳐서 다수 개가 상호 연결상태로 배치된 것을 더 포함하는 것을
   특징으로 하는 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 수용공간 내에서 상기 자기장 발생 코일에 인접하여 이격 설치되는 자성체 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치.
   
6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 지느러미 하우징의 표면에는,
   상기 수중 추진 장치의 속도 및 주변 유동 유체의 속도 및 방향을 검출하는 센싱부가 더 구비되되,
   상기 제어부는,
   상기 센싱부로부터 전달 받은 검출 신호를 이용하여 상기 자기장 발생 코일에 인가해야 할 제어전류를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 지느러미 강성 조절이 가능한 수중 추진 장치.

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