KR101388713B1 - 물고기 핀 벡터추진기 - Google Patents

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Abstract

종래의 꼬리지느러미를 이용한 추진방식(BCF propulsion) 및 가슴지느러미를 이용한 추진방식(MPF propulsion)으로는 조종성 및 직진성에 제약이 있으며, 페이로드에 많은 제약을 받는 잠수정의 특성상 두 추진방식을 동시에 장비함에도 잠수정의 소형화 및 에너지 측면에서 많은 장애가 발생하는바, 본 발명은 이러한 문제를 극복하고 소형의 잠수정에서 사용하기 적합하도록 설계된 단순구조의 물고기 핀 벡터추진기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기는 2개의 액추에이터로 구성된 꼬리지느러미라는 하나의 추진장치만으로 잠수정의 직진, 선회뿐만 아니라, 잠항, 부상, 제자리회두, 횡이동, 후진 모두가 가능하도록 하였으며, 각각의 운동모드를 조합함으로써 선회하며 잠항하는 운동, 후진하며 횡이동하는 운동과 같은 수중 3차원 운동의 구현도 가능하게 하였다.

Description

물고기 핀 벡터추진기{vector fish fin thruster}
본 발명은 잠수정의 추진기에 적용될 수 있는 물고기 핀 벡터추진기(vector fish fin thruster)에 관한 것이다.
지구온난화에 의한 이상기온 및 해수의 산성화, 해양오염, 그리고 어업에 종사하는 인구의 감소는 어업의 생산형태에 커다란 변화를 가져와 현재에는 해양목장이 출현하는 시대가 되었다. 어업의 추세가 기존의 '연안에서 근해, 근해에서 원양' 대신 200해리 수역에서 농지나 산림과 같이 '만들어 기르는 어업'으로 변모되어, 심각한 해양오염의 가속화 속에서 안정적인 미래 어업식량자원 공급을 도모하고 있다. 해양목장에서는 쾌적한 사육환경을 유지하기 위해 다이버가 활어조에 수시로 들어가 감시하는데, 사육되고 있는 물고기에게 스트레스를 주지 않고 다이버를 대신해 이러한 관리 및 감시라는 중노동을 실시간으로 하기 위해서는 수중로봇 등과 같은 잠수정이 필요하다.
잠수정은 추진방법에 따라 크게 스크류 프로펠러 추진기를 이용한 종래식 프로펠러 추진과 어류의 유영메커니즘을 추진기에 적용한 생물모방형추진으로 대별할 수 있다. 생물모방형추진을 탑재한 물고기로봇(fish robot)은 프로펠러에 비해 소음이 적고 물고기와 같은 높은 조종성 및 고속 유영이 기대되어 해군을 비롯해 해양목장 및 해양환경계측분야에서 많이 연구되어 왔다.
물고기로봇은 어류의 추진방식을 모방하여 기계적으로 기술개발이 이루어져 왔다. 어류의 추진방식은 도 1에 나타내는 Lindsay의 분류에 의해, 꼬리지느러미(anal fin)를 주 추진으로 하는 방식(BCF swimming modes, Body and/or Caudal Fins)과 가슴지느러미(pectoral)를 주 추진으로 하는 방식(MPF swimming modes, Median and/or Paired Fins)의 두 타입으로 분류된다. 가슴지느러미를 이용한 추진방식(MPF propulsion)은 저속에서의 선회 및 정점보지(DPS) 등 조종성능(Maneuverability)이 뛰어나며, 꼬리지느러미를 이용한 추진방식(BCF propulsion)은 고속으로 직진 추진 시 뛰어난 유영성능을 발휘한다. 지금까지의 물고기로봇도 꼬리지느러미로 추진성능(직전성능)에 주안을 둔 유영방식과 가슴지느러미로 선회성능을 포함한 뛰어난 조종성능이 발휘되는 유영방식으로 두 타입으로 나뉘어 개발되어 왔다.
종래의 물고기로봇의 구조를 도 2, 도 3, 도 4에 각각 표시한다. 도 2, 도 3, 도 4 각각은 꼬리지느러미를 이용한 추진방식(BCF propulsion), 가슴지느러미를 이용한 추진방식(MPF propulsion), 그리고 두 방식을 동시에 다 채용한 물고기로봇의 예를 보여준다. 일반적으로 꼬리지느러미를 이용한 추진방식은 동체 중에 1개, 동체와 꼬리지느러미 사이 연결부에 1개 등 총 2개 이상의 관절을 가지고 있다. 선회운동을 하기 위해서는 꼬리지느러미의 진동과 함께 동체 관절에 오프셋 각을 주어야 하므로 동체의 형상이 변형되며, 다관절로 인한 선미부의 추진부가 선체에서 많은 비중을 차지하게 된다. 가슴지느러미를 이용한 추진방식은 동체의 좌우현 혹은 상하측에 1쌍의 가슴지느러미를 장착해 저속 시, 선회 및 제자리에서 호버링 하는 높은 조종성능의 구현을 목적으로 개발되고 있으며, 도 5에 나타낸 것과 같이 직진도 구현 가능하다. 즉, 도 5는 가슴지느러미로 물살을 끌어당겨 물의 저항을 이용해 큰 추진력을 얻는 파워스트로크 및 가슴지느러미를 다시 물을 끌어당길 수 있는 위치로 되돌리는 리커버리스트로크를 설명해 주고 있다. 그러나 가슴지느러미를 이용한 추진방식은 추진기가 1쌍이 필요한 점, 직진 시 효율이 좋지 않다는 점과 같은 단점이 있다. 그리하여 가슴지느러미 및 꼬리지느러미 모두를 채용한 방식이 도 3에 나타낸 것처럼 개발되고 있으나 많은 추진기가 몸체에서 돌출되어 복잡한 해저에서 추진기의 파손 우려가 있다. 하지만 무엇보다 큰 문제는 물고기로봇과 같은 소형 잠수정의 동체 내에 많은 추진기가 들어가 에너지 활용 측면에서 불리한 점과 다수의 추진기로 인한 잠수정 내의 페이로드의 감소에 있다.
이렇듯 잠수정에 있어서 추진기의 문제는 비단 물고기로봇에서 뿐만 아니라 종래형 프로펠러 추진기에 있어서도 이미 문제가 되어왔다. 복수의 프로펠러 추진기는 시장경쟁력을 갖추기 위하여 소형화 및 단순단일화 되어, 추진기의 추력 방향을 바꿀 수 있는 벡터추진기(vector thruster)라는 단일추진기가 개발되어 잠수정의 에너지문제, 소형화문제 등이 해결될 수 있었다.
종래의 꼬리지느러미를 이용한 추진방식(BCF propulsion) 및 가슴지느러미를 이용한 추진방식(MPF propulsion)으로는 조종성 및 직진성에 제약이 있으며, 페이로드에 많은 제약을 받는 잠수정의 특성상 두 추진방식을 동시에 장비함에도 잠수정의 소형화 및 에너지 측면에서 많은 장애가 발생하는바, 본 발명은 이러한 문제를 극복하고 소형의 물고기로봇 등 잠수정에서 사용하기 적합하도록 설계된 단순구조의 물고기 핀 벡터추진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
상하방향으로 기울어지거나 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전하면서 추진력을 발생시키는 꼬리지느러미;
꼬리지느러미와 제2액추에이터를 연결하는 샤프트;
샤프트의 상하부에 부착되는 일축의 제1링크 및 제2링크;
선체 내부에 고정되고, 한 쪽 일 끝단은 제1링크에 다른 쪽일 끝단은 제2링크에 연결되며, 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동하면서 제1링크 및 제2링크가 각각 상반된 방향으로 움직이도록 하여 샤프트에 연결된 꼬리지느러미를 상하방향으로 기울이는 제1액추에이터;
선체 내부에 고정되고, 볼조인트를 매개로 샤프트와 연결되며, 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동함으로써 샤프트에 연결된 꼬리지느러미를 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전시키는 제2액추에이터 및;
샤프트와 제2액추에이터를 연결하고, 제1링크 및 제2링크와 더불어 센터라인 상에 일직선으로 배치됨과 동시에 제1링크 및 제2링크의 중심에 위치하며, 제1액추에이터 또는 제2액추에이터의 작동과 연동하여 샤프트가 상하방향으로 기울어지거나 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전할 수 있도록 하는 볼조인트;
를 포함하는 물고기 핀 벡터추진기를 제공한다.
본 발명은 소형의 잠수정에서 사용하기 적합한 단순구조의 추진기로서, 조종성 및 직진성, 그리고 페이로드 등에 제약을 받지 않으며, 작동에 필요한 에너지를 상당히 절감할 수 있다.
도 1은 Lindsay의 분류.
도 2 내지 도 4는 종래의 물고기로봇의 구조.
도 5는 물고기로봇의 파워스트로크 및 리커버리스트로크.
도 6은 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기의 구조.
도 7은 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기를 위(도 6의 A방향)에서 본 모습.
도 8은 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기를 옆(도 6의 B방향)에서 본 모습.
도 9는 본 발명에 따른 제1링크, 제2링크 및 볼조인트 상호간의 배치형태.
도 10 및 도 11은 수평으로 직진하는 경우 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기에 의한 추력발생의 원리.
도 12 내지 도 19는 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기에 의한 추력발생의 원리.
도 20 내지 도 24는 부상 또는 침강하는 경우 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기에 의한 추력발생의 원리.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
일반적으로 생물모방형 잠수정은 추진성능에 주안점을 두어 꼬리지느러미의 제어 및 그 기구에 대해 많이 연구되어 채용되어 왔다. 또한 잠수정의 핏치각 및 헤딩각을 제어하기 위해 꼬리지느러미 외에 부가적으로 일반 잠수정에서 엘리베이터 및 러더 역할을 하는 가슴지느러미를 잠수정의 선수부에 장착한 형태가 대부분이었다. 그러나 잠수정은 자체의 전력(배터리)을 사용하므로 이렇듯 액추에이터를 많이 사용하는 것은 불리하며, 제어 또한 간단하지 않다. 게다가 많은 액추에이터로 인해 복잡한 해양환경 속에서 추진기의 손상을 가져와 항해불능 상태가 되어 잠수정이 플랫폼 혹은 육상기지로 복귀하는 데 문제가 될 수도 있다.
이에 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기는 2개의 액추에이터로 구성된 꼬리지느러미라는 하나의 추진장치만으로 잠수정의 직진, 선회뿐만 아니라, 잠항, 부상, 제자리회두, 횡이동, 후진 모두가 가능하도록 하였으며, 각각의 운동모드를 조합함으로써 선회하며 잠항하는 운동, 후진하며 횡이동하는 운동과 같은 수중 3차원 운동의 구현도 가능하게 하였다.
도 6은 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기의 구조를 보여준다. 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기는, 상하방향으로 기울어지거나 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전하면서 추진력을 발생시키는 꼬리지느러미(1); 꼬리지느러미(1)와 제2액추에이터(22)를 연결하는 샤프트(2); 샤프트(2)의 상하부에 부착되는 일축의 제1링크(11) 및 제2링크(12); 선체 내부에 고정되고, 한 쪽 일 끝단은 제1링크(11)에 다른 쪽 일 끝단은 제2링크(12)에 연결되며, 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동하면서 제1링크(11) 및 제2링크(12)를 구동시켜 샤프트(2)에 연결된 꼬리지느러미(1)를 상하방향으로 기울이는 제1액추에이터(21); 선체 내부에 고정되고, 볼조인트(30)를 매개로 샤프트(2)와 연결되며, 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동함으로써 샤프트(2)에 연결된 꼬리지느러미(1)를 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전시키는 제2액추에이터(22) 및; 샤프트(2)와 제2액추에이터(22)를 연결하고, 제1링크(11) 및 제2링크(12)와 더불어 센터라인 상에 일직선으로 배치됨과 동시에 제1링크(11) 및 제2링크(12)의 중심에 위치하며, 제1액추에이터(21) 또는 제2액추에이터(22)의 작동과 연동하여 샤프트(2)가 상하방향으로 기울어지거나 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전할 수 있도록 하는 볼조인트(30);를 포함하여 이루어진다. 이하, 이들 각각의 구성요소 및 이에 따른 본 발명의 작동원리에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
제1링크(11) 및 제2링크(12)는 꼬리지느러미(1)와 제2액추에이터(22)를 연결하는 샤프트(2)에 부착된다. 제1액추에이터(21)는 각 끝단들이 제1링크(11) 및 제2링크(12)에 각각 연결된다. 즉, 제1액추에이터(21)의 한 쪽 일 끝단은 제1링크(11)에, 다른 쪽 일 끝단은 제2링크(12)에 연결된다. 선체 내부에 고정된 제1액추에이터(21)는 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동함으로써 샤프트(2)에 연결된 꼬리지느러미(1)를 상하방향으로 기울이는 역할을 한다(도 8). 선체 내부에 고정된 제2액추에이터(22)는 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동함으로써 샤프트(2)에 연결된 꼬리지느러미(1)를 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전시키는 역할을 한다(도 7).
한편, 도 9에 도시된 바와 같이 제1링크(11) 및 제2링크(12)와 볼조인트(30)는 잠수정의 센터라인 상에 일직선으로 배치되도록 하며, 볼조인트(30)는 그 중심에 위치하는 것이 좋다. 이처럼 제1링크(11) 및 제2링크(12) 그리고 볼조인트(30)를 일직선으로 배치한 것은 제1액추에이터(21)의 작동으로 인한 샤프트(2)의 운동이 상하로 수행되도록 하기 위함이며 또한 제2액추에이터(22)의 회전운동과도 연동시킬 수 있도록 하기 위함이다.
도 7은 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기를 위(도 6의 A방향)에서 본 모습이며, 도 8은 옆(도 6의 B방향)에서 본 모습인데, 도 7 및 도 8은 각각 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기의 작동원리를 보여주고 있다. 도 7에서는 제2액추에이터(22)가 작동하면서 꼬리지느러미(1) 및 샤프트(2)가 회전하는 모습이 나타나 있으며, 도 8에서는 제1액추에이터(21)가 작동하면서 꼬리지느러미(1) 및 샤프트(2)가 상하로 기울어지는 모습이 나타나 있다. 도 8의 상하운동을 도 7의 회전운동과 조합하면 잠수정의 날개짓운동(flapping motion)을 구현할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기에 의하여 잠수정이 a) 수평으로 직진하는 경우, b) 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우, c) 부상 또는 침강하는 경우, d) 부상 또는 침강하면서 선회하는 경우(스파이럴 운동)로 구분하여 각각의 작동원리를 설명한다.
a) 수평으로 직진하는 경우
도 10, 도 11에서는 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기의 양력에 의한 추력발생 메커니즘(원리)을 측면도(X-Z plan)로써 도시한다. 여기서 추력발생의 방향은 X축 방향이므로 잠수정은 수평으로 직진하게 된다. 꼬리지느러미(1)를 추력원으로 하는 메리트는 유체역학적으로 효율이 좋은 '양력'을 이용할 수 있다는 데 있다. 여기서 '양력'은 흐름에 수직인 방향으로 작용하는 유체력, '추력'은 잠수정의 진행방향(도 11에서는 X축)으로 발생하는 유체력을 의미한다. 도 10에서는 잠수정을 생략하고 꼬리지느러미(1)만을 도시했으며, 꼬리지느러미(1)는 도 10의 오른쪽에서 왼쪽으로 전진하고 있는 상태이다. 도 10의 각 상태(①∼⑤)에 있어서의 잠수정의 모식도를 도 11에 나타내었다. 도 11에서는 잠수정 및 꼬리지느러미(1), 그리고 이들을 서로 연결시켜주는 샤프트(2)를 모두 표시하고 있다. 또한, 도 11에서는 좌측에 각 상태(①∼⑤)에 있어서의 측면도(X-Z plan)를, 우측에 후면도(Y-Z plan)를 표시한다. 측면도에서 표시된 θ f 2는 X축이 샤프트(2)와 이루는 각을 의미하며 상방향을 Positive로 정의한다. 한편, 후면도에서 표시된 θ f 1는 샤프트(2)가 반시계방향으로 회전하는 각도를 Positive로 정의한다.
여기서, 꼬리지느러미(1)는 돌고래 핀처럼 꼬리지느러미 전체의 상하운동(히빙)에 의해, 유체에 대한 상대유속에 대해 핏치각(attack angle, 앙각)을 가지게 되며 그 결과로 추진방향성분을 가진 양력이 발생한다. 추진방향(X축)과 수직인 성분은 왕복운동으로 인해 서로 소멸되므로, 시간평균하면 추진방향의 성분만 남는다. 이것이 바로 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기의 추력발생의 기본원리이자 수평으로 직진하는 가장 심플한 날개짓운동의 예이다. 이때, 도 11의 후면도에 표시된 바와 같이 샤프트(2)를 축으로 한 꼬리지느러미(1)의 회전(θ f 1)은 없다. 즉, 본 발명에서 샤프트(2)를 상하로 진동시켜 θ f 2를 변화시키기만 하는 경우에는 잠수정이 수평으로 직진하는 운동이 구현되는 것이다.
b) 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우
도 12에서는 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기로써 좌선회하는 경우의 추력발생 메커니즘(원리)을 도시한다. 도 12에서 추력발생의 방향은 Y축 방향이므로 잠수정은 좌선회하는 운동을 구현하게 된다. 도 12에서는 좌측에 각 상태(①∼⑤)에 있어서의 측면도(X-Z plan)를, 우측에 후면도(Y-Z plan)를 표시한다. 수평으로 좌선회하는 경우의 꼬리지느러미(1)의 운동은 도 12에서처럼 꼬리지느러미(1)의 상하운동(θ f 2의 변화)뿐만 아니라, 샤프트(2)의 회전각도(θ f 1)도 연동하여 움직인다. 이처럼 좌선회하는 경우의 간략한 메커니즘을 이하의 간이계산법에 의해 설명한다.
도 13에서, 임의의 형상을 지닌 꼬리지느러미의 중심
Figure 112012501695878-pat00064
의 Z축방향의 수직거리를 x G 라 했을 때, x G 는 다음 식으로 나타내어 질 수 있다.
Figure 112012501695878-pat00066
여기서, l a 는 꼬리지느러미의 길이, l f 는 꼬리지느러미의 폭을 뜻하며, f 2(Hz)는 상하운동의 주파수를, θ f 2max는 θ f 2의 최대값을 의미한다. 따라서 중심
Figure 112012501695878-pat00065
의 속도 v G (m/s)는 다음 식으로 나타내어진다.
Figure 112012501695878-pat00067
그러므로 도 14에 표시된 바와 같이, 꼬리지느러미의 면과 수직인 꼬리지느러미의 직압력
Figure 112012501695878-pat00068
은 속도 v G 를 이용하면 다음과 같이 조선공학에서 이용되는 타의 식으로 표현할 수 있다.
Figure 112012501695878-pat00041
여기서, ρ는 물의 밀도,
Figure 112012501695878-pat00069
은 꼬리지느러미의 면적, f α 는 꼬리지느러미의 종횡비(아스펙트비: Λ)의 함수로 표현되는 꼬리직압력구배계수이며, 본 계산에서는 간단히 후지에 의한 다음과 같은 식으로 간이적으로 계산할 수 있다.
Figure 112012501695878-pat00044
또한
Figure 112012501695878-pat00070
은 Y축 방향(그림에서 우방향)의 꼬리지느러미의 추력
Figure 112012501695878-pat00071
및 Z축 방향(그림에서 상방향)의 꼬리지느러미의 추력
Figure 112012501695878-pat00072
으로 분리해 표현할 수 있다.
Figure 112012501695878-pat00050
도 16 내지 도 19는 수평으로 좌선회하는 경우의 각각의 파라미터를 가상계산(시뮬레이션)한 예를 나타낸다. 계산 시 사용 값은 다음과 같다.
Figure 112012501695878-pat00051
도 16에서는 꼬리지느러미의 상하운동각(θ f 2) 및 샤프트의 회전각(θ f 1)의 변화가 나타나 있다. 세로축은 각도(deg), 가로축은 시간(sec)이다. 샤프트의 회전각(θ f 1)이 0deg에서 상승하여 45deg까지 도달한 후, 하강하기 시작하여 0deg를 지나 -45deg까지 하강한 후 다시 원래상태인 0deg까지 돌아오는 것이 한 사이클이다. 한편, 샤프트의 회전각(θ f 1)은 꼬리지느러미 상하운동각(θ f 2)이 정점인 45deg, -45deg에 도달할 때 0deg가 되고, 꼬리지느러미 상하운동각(θ f 2)이 원점인 0deg에 도달하면 정점인 45deg, -45deg가 된다. 도 17은 꼬리지느러미의 중심
Figure 112012501695878-pat00073
의 Z축방향의 수직거리인 x G (m)(도 13)의 변화를 나타낸다. 시간이 경과함에 따라, x G 는 0(m)에서 최대값인 0.07(m)까지 상승한 후, 최소값인 -0.07(m)까지 하강한 다음, 처음의 위치로 돌아옴을 알 수 있다. 도 18은 꼬리지느러미의 면과 수직인 꼬리지느러미의 직압력
Figure 112012501695878-pat00074
(도 14)의 변화를, 도 19는 꼬리지느러미의 직압력
Figure 112012501695878-pat00075
을 꼬리지느러미의 추력
Figure 112012501695878-pat00076
및 꼬리지느러미의 추력
Figure 112012501695878-pat00077
으로 분리(도 14)하여 각각의 변화를 나타낸다. 도 19에서 나타낸 것과 같이,
Figure 112012501695878-pat00078
는 한 사이클 동안 합하면 0이 되며,
Figure 112012501695878-pat00079
는 약 10(N)이 된다.
상술한 것과는 반대로 '수평으로 우선회하는 운동'의 경우에는, 도 15에 나타낸 것과 같이, Z축으로 대칭(도 14의 왼쪽 그림과 대칭)인 방향으로 꼬리지느러미를 회전시켜 도 16의 운동을 부여하면 구현할 수 있으며, 나머지 내용에 대해서는 '수평으로 좌선회하는 운동'과 같은 내용이므로 상세한 설명을 생략한다.
c) 부상 또는 침강하는 경우
도 20은 샤프트에 초기회전각(θ f 1+초기각의 증감분)을 부여함으로써(도 20의 맨 좌측 그림) 수직으로 침강하는 경우를 나타내며, 도 21 내지 도 24는 이 경우의 각각의 파라미터를 가상계산(시뮬레이션)한 예를 나타낸다. 계산 시 사용 값은 상술한 'b) 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우'와 같다. 본 발명은, 도 21에 나타낸 꼬리지느러미의 상하운동각(θ f 2) 및 샤프트의 회전각(θ f 1)에서 볼 수 있듯, θ f 1의 초기각을 소정의 각도만큼 더해주는 것(초기각의 증감분)으로 '수직으로 침강'하는 운동을 구현할 수 있다. 도 21의 실시 예에서는 샤프트의 회전각(θ f 1)에 45deg(초기각의 증감분)를 더했다. 그러므로 θ f 1는 시간축에 대해 90deg∼0deg 사이를 반복하게 된다. 도 22는 꼬리지느러미의 중심
Figure 112012501695878-pat00080
의 Z축방향의 수직거리인 x G (m)(도 13)의 변화를 나타내는데, 이는 'b) 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우'와 같음을 알 수 있다. 도 23은 꼬리지느러미의 면과 수직인 꼬리지느러미의 직압력
Figure 112012501695878-pat00081
(도 14)의 변화를, 도 24는 꼬리지느러미의 직압력
Figure 112012501695878-pat00082
을 꼬리지느러미의 추력
Figure 112012501695878-pat00083
및 꼬리지느러미의 추력
Figure 112012501695878-pat00087
으로 분리(도 14)하여 각각의 변화를 나타낸다. 도 24에서 나타낸 것과 같이,
Figure 112012501695878-pat00084
는 한 사이클 동안 합하면 0이 되며,
Figure 112012501695878-pat00085
는 약 10(N)이 얻어진다. 즉, Z축방향(위쪽 방향)으로의 꼬리지느러미의 추력
Figure 112012501695878-pat00086
이 플러스의 힘으로 작용하므로 잠수정은 아래쪽 방향으로 향하게 되어 잠수정은 침강하게 된다.
상술한 것과는 반대로 '수직으로 부상하는 운동'의 경우에는, Y축으로 대칭인 방향으로 꼬리지느러미를 회전시켜 도 21의 운동을 부여하면 구현할 수 있으며, 나머지 내용에 대해서는 '수직으로 침강하는 운동'과 같은 내용이므로 상세한 설명을 생략한다.
d) 부상 또는 침강하면서 선회하는 경우(스파이럴 운동)
수중에서 3차원으로 스파이럴 운동하는 경우는 상술한 'b) 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우'와 'c) 부상 또는 침강하는 경우'의 운동을 조합하여 구현할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 물고기 핀 벡터추진기를 이용함으로써 잠수정의 3차원 수중환경에서 직진, 선회와 같은 수평운동 및 부상, 침강과 같은 수직운동 뿐만 아니라 두 운동을 조합하여 침강하면서 선회하는 스파이럴 운동과 같은 3차원 운동도 구현 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 꼬리지느러미 2: 샤프트
11: 제1링크 12: 제2링크
21: 제1액추에이터 22: 제2액추에이터
30: 볼조인트

Claims (1)

  1. 상하방향으로 기울어지거나 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전하면서 추진력을 발생시키는 꼬리지느러미(1);
    꼬리지느러미(1)와 제2액추에이터(22)를 연결하는 샤프트(2);
    샤프트(2)의 상하부에 부착되는 일축의 제1링크(11) 및 제2링크(12);
    선체 내부에 고정되고, 한 쪽 일 끝단은 제1링크(11)에 다른 쪽 일 끝단은 제2링크(12)에 연결되며, 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동하면서 제1링크(11) 및 제2링크(12)가 각각 상반된 방향으로 움직이도록 하여 샤프트(2)에 연결된 꼬리지느러미(1)를 상하방향으로 기울이는 제1액추에이터(21);
    선체 내부에 고정되고, 볼조인트(30)를 매개로 샤프트(2)와 연결되며, 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동함으로써 샤프트(2)에 연결된 꼬리지느러미(1)를 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전시키는 제2액추에이터(22) 및;
    샤프트(2)와 제2액추에이터(22)를 연결하고, 제1링크(11) 및 제2링크(12)와 더불어 센터라인 상에 일직선으로 배치됨과 동시에 제1링크(11) 및 제2링크(12)의 중심에 위치하며, 제1액추에이터(21) 또는 제2액추에이터(22)의 작동과 연동하여 샤프트(2)가 상하방향으로 기울어지거나 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전할 수 있도록 하는 볼조인트(30);
    를 포함하는 물고기 핀 벡터추진기.
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