KR101388909B1 - 수중로봇 및 수중로봇의 방향 제어 방법 및 유영운동이 가능한 플래퍼 - Google Patents

수중로봇 및 수중로봇의 방향 제어 방법 및 유영운동이 가능한 플래퍼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수중로봇 및 수중로봇의 방향 제어 방법 및 유영운동이 가능한 플래퍼에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수중 이동이 가능한 본체(100); 상기 본체(100)의 측방으로 돌출 형성되며, 상기 본체(100)의 전후 방향으로 왕복 운동하는 한 쌍의 플래퍼(200); 및 상기 본체(100)의 측면에 형성되며 상기 플래퍼(200)의 이동을 가이드하는 가이드부(300)를 포함하고, 상기 플래퍼(200)는, 상기 본체(100)의 측면으로부터 돌출되는 지느러미 형태를 갖는 날개(270); 상기 날개(270)를 이동시키는 구동부(210, 230, 250); 및 상기 구동부(210, 230, 250)에 상기 날개(270)를 회전 가능하게 연결하는 종동절(260)을 포함하고, 상기 가이드부(300)는, 상기 종동절(260)이 이동하는 공간의 외측 테두리를 형성하는 제 1 캠(310); 및 상기 종동절(260)이 이동하는 공간의 내측 테두리를 형성하는 제 2 캠(320)을 포함하며, 상기 종동절(260)은 상기 제 1 캠(310) 또는 상기 제 2 캠(320)에 간섭되어 각도가 변경되는 수중로봇을 제공할 수 있다.

Description

수중로봇 및 수중로봇의 방향 제어 방법 및 유영운동이 가능한 플래퍼{Underwater robot and direction control method thereof and flapper capable of swimming}
본 발명은 수중로봇 및 수중로봇의 방향 제어 방법 및 유영운동이 가능한 플래퍼에 관한 것이다.
종래의 수중로봇은 프로펠러형 추진 메커니즘을 사용하여 이동하였으나, 이러한 방식은 유체의 저항으로 인해 에너지 효율이 50-55%에 지나지 않는 단점이 있기 때문에, 프로펠러형보다 에너지 효율이 높다고 판단된 물고기의 유영 방식을 모방한 물고기 유영 메커니즘을 도입하려는 많은 연구가 진행되었다.
예를 들면, 특허문헌 1(한국등록특허 제10-1094789호)에 개시된 것처럼, 몸통 및 꼬리를 구성하는 적어도 세 개의 부위 및 각 부위를 연결하는 적어도 두 개의 링크를 포함하는 몸체, 각 링크를 구동하여 몸체를 추진시키는 추진부 및 각 링크를 구동하여 추진 방향을 전환시키는 방향 전환부를 포함하는 물고기형 로봇도 제시된 바 있으며, 특허문헌 2(한국등록특허 제10-0802354호)에 개시된 것처럼, 캡슐 형태로 후면에 꼬리지느러미를 형성하여 내부 일측에 중공의 튜브를 구비한 몸체부와, 몸체부 내부의 튜브 일측에 형성된 압전세라믹 작동기의 굽힘운동을 회전운동으로 바꾸는 랙-피니언과 4바 링크에 의해 꼬리지느러미의 반복 운동으로 추진력을 가지는 구동부를 포함하는 물고기 로봇이 제시되기도 하였다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술은, 추진을 위한 매커니즘이 매우 복잡하며, 그 복잡성에 비해 효과적으로 양력을 발생시켜 수중로봇의 자세를 제어할 수 없다는 단점이 있다.
(특허문헌1) 한국등록특허 제10-1094789호(2011.12.16. 공고)
(특허문헌2) 한국등록특허 제10-0802354호(2008.2.13. 공고)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 최소의 구동장치로 효과적으로 자세 및 방향을 제어할 수 있는 수중로봇 및 수중로봇의 방향 제어 방법 및 유영운동이 가능한 플래퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수중 이동이 가능한 본체(100); 상기 본체(100)의 측방으로 돌출 형성되며, 상기 본체(100)의 전후 방향으로 왕복 운동하는 한 쌍의 플래퍼(200); 및 상기 본체(100)의 측면에 형성되며 상기 플래퍼(200)의 이동을 가이드하는 가이드부(300)를 포함하고, 상기 플래퍼(200)는, 상기 본체(100)의 측면으로부터 돌출되는 지느러미 형태를 갖는 날개(270); 상기 날개(270)를 이동시키는 구동부(210, 230, 250); 및 상기 구동부(210, 230, 250)에 상기 날개(270)를 회전 가능하게 연결하는 종동절(260)을 포함하고, 상기 가이드부(300)는, 상기 종동절(260)이 이동하는 공간의 외측 테두리를 형성하는 제 1 캠(310); 및 상기 종동절(260)이 이동하는 공간의 내측 테두리를 형성하는 제 2 캠(320)을 포함하며, 상기 종동절(260)은 상기 제 1 캠(310) 또는 상기 제 2 캠(320)에 간섭되어 각도가 변경되는 수중로봇을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 2 캠(320)은 상기 종동절(260)이 상기 제 2 캠(320)의 둘레를 회전할 수 있도록 상기 제 1 캠(310)의 내측면으로부터 이격되어 형성되는 수중로봇을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 1 캠(310) 및 상기 제 2 캠(320)은 상기 본체(100)의 수평 방향으로 길게 연장되고, 상기 종동절(260)은, 상기 종동절(260)이 이동 중 상기 제 1 캠(310) 및 상기 제 2 캠(320) 중 어느 하나 이상과 접촉된 상태를 유지하도록 탄성력을 제공하는 제 2 탄성부재(264)를 포함하는 수중로봇을 제공할 수 있다.
또한, 상기 제 2 캠(320)은, 실질적으로 상기 본체(100)의 수평 방향으로 연장되는 수평부(322); 상기 수평부(322)의 상방으로 돌출된 돌출부(324); 및 상기 수평부(322)의 단부에 형성되며, 상기 본체(100)의 상방 또는 하방으로 연장된 절곡부(326)를 포함하는 수중로봇을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 물고기 형태의 본체(100)를 갖는 수중로봇(10)의 플래퍼(200)에 있어서, 상기 본체(100)의 측면에 형성된 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320)의 사이 공간을 따라 이동되는 종동절(260); 상기 종동절(260)에 연결되며, 상기 본체(100)의 측면으로 돌출되고, 지느러미 형태로 형성되는 날개(270); 상기 날개(270)를 상기 본체(100)의 전후 방향으로 이동시키는 동력을 제공하는 모터(230); 상기 모터(230)에 연결되는 회전체(210); 및 상기 회전체(210)에 상하 방향으로 이동 가능하게 제공되며, 상기 종동절(260)이 회동 가능하게 연결되는 구동 암(250)을 포함하고, 상기 종동절(260)은 상기 제 1 캠(310)과 상기 제 2 캠(320) 사이 공간의 폭 및 상기 제 1 캠(310)과 상기 제 2 캠(320)의 프로파일에 따라 각도가 변경되는 수중로봇의 플래퍼를 제공할 수 있다.
또한, 상기 회전체(210)는, 상기 구동 암(250)의 일측이 끼워지는 내측 공간(214); 및 상기 구동 암(250)의 상하 방향 이동을 안내하는 가이드 슬롯(216)을 포함하는 수중로봇의 플래퍼를 제공할 수 있다.
또한, 상기 내측 공간(214)에는 상기 구동 암(250)에 복원력을 작용시키는 제 1 탄성부재(220)가 설치되는 수중로봇의 플래퍼를 제공할 수 있다.
또한, 상기 구동 암(250)은, 상기 회전체(210)의 내측에서 상하 이동되는 플레이트(252); 및 상기 플레이트(252)로부터 연장되며 상기 종동절(260)에 연결되는 로드(254)를 포함하는 수중로봇의 플래퍼를 제공할 수 있다.
또한, 상기 종동절(260)은, 상기 날개(270)에 고정되며 타원 형상의 캠 구조를 갖는 바디(261); 상기 종동절(260)에 복원력을 가하는 제 2 탄성부재(264); 및 상기 구동 암(250)에 상기 바디(261)를 회동 가능하게 연결하는 회전축(263)을 포함하는 수중로봇의 플래퍼를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 수중로봇의 방향 제어 방법에 있어서, 수중 이동이 가능한 본체의 양 측면에 1 사이클을 이루도록 형성된 제 1 캠과 제 2 캠의 사이 공간으로 지느러미 형태의 날개가 연결된 종동절을 이동시키는 단계; 및 상기 종동절이 상기 제 1 캠과 상기 제 2 캠의 프로파일에 따라 각도가 변경됨으로써 각도에 따라 서로 다른 방향의 양력을 발생시키는 단계를 포함하는 수중로봇의 방향 제어 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 본체의 양 측면에 제공된 상기 날개는 독립적으로 제어되는 수중로봇의 방향 제어 방법을 제공할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇 및 수중로봇의 방향 제어 방법 및 유영운동이 가능한 플래퍼에 의하면, 각 플래퍼 마다 하나의 구동장치를 사용함으로써 수중로봇에 필요한 구동장치의 수를 최소화할 수 있다.
또한, 제 1 캠과 제 2 캠의 상호작용에 의해 플래퍼의 각도를 제어함으로써, 간단하게 수중로봇의 자세 및 방향을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇의 평면도.
도 2는 도 1의 수중로봇의 구동부를 보여주는 단면도.
도 3은 도 2의 I-I'로 절개되는 단면도.
도 4는 도 2의 종동절의 결합사시도.
도 5는 도 1의 수중로봇의 종동절이 움직이는 모습을 보여주는 도면.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇의 평면도이고, 도 2는 도 1의 수중로봇의 구동부를 보여주는 단면도이고, 도 3은 도 2의 I-I'로 절개되는 단면도이고, 도 4는 도 2의 종동절의 결합사시도이고, 도 5는 도 1의 수중로봇의 종동절이 움직이는 모습을 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)은 수중 이동이 가능한 본체(100), 본체(100)의 측방으로 돌출 형성되며 본체(100)의 전후 방향으로 왕복 운동하는 플래퍼(flapper, 200), 본체(100)의 측면에 형성되며 플래퍼(200)의 전후 방향 이동을 가이드하는 가이드부(300)를 포함한다.
본체(100)는 머리, 몸통, 꼬리를 포함하는 물고기 형태로 형성될 수 있으며, 전체적으로 유선형으로 형성되어 저항을 최소할 수 있다. 본체(100)에는 등 지느러미(102) 및 꼬리 지느러미(104) 등이 형성될 수 있다.
플래퍼(200)는 본체(100)의 측면으로부터 돌출되는 지느러미 형태를 갖는 날개(270), 날개(270)를 본체(100)의 전후 방향으로 이동시키는 동력을 제공하는 모터(230), 모터(230)에 연결되는 회전체(210), 회전체(210)에 상하 방향으로 이동 가능하게 제공되는 구동 암(250), 구동 암(250)과 날개(270)를 연결하는 종동절(260)을 포함할 수 있다.
날개(270)는 본체(100)의 자세 및 방향 제어에 필요한 양력을 발생시킬 수 있도록 일정한 평면적을 갖는 판(plate) 형태를 띨 수 있으며, 그 형상과 크기는 본체(100)의 크기에 따라 적절히 선택될 수 있다.
모터(230)는 본체(100)의 일측면에 형성된 모터 지지부(150)에 설치될 수 있다. 본 실시예에서는 모터 지지부(150)가 본체(100)의 바닥면으로부터 돌출되는 원통형의 리브인 것을 예로 들어 도시하였으나, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 모터 지지부(150)는 모터(230)를 감싸는 형태로 제공될 수 있으며, 모터(230)의 회전축만 노출되도록 하여 모터(230)를 수밀 상태로 유지할 수도 있다.
회전체(210)는 모터(230)의 회전축에 결합되어 회전된다. 모터(230) 및 회전체(210)는 날개(270)가 본체(100)의 전후 방향으로 왕복운동 할 수 있도록, 회전축이 본체(100)의 바닥면에 대해 수직이 될 수 있게 배치될 수 있다.
회전체(210)는 상하 방향으로 연장되는 원통 형상으로 형성될 수 있으며, 내부에 구동 암(250)의 일측이 수용되어 상하 방향으로 이동될 수 있는 공간(214)을 포함할 수 있다. 또한, 회전체(210)의 일측면에는 구동 암(250)의 상하 방향 이동을 안내하는 가이드 슬롯(216)이 형성될 수 있으며, 회전체(210)의 내측 공간(214)은 가이드 슬롯(216)에 의해 외부와 연통될 수 있다. 구동 암(250)은 가이드 슬롯(216)을 통과하여 회전체(210)로부터 연장되는 형태를 갖는다.
구동 암(250)은 회전체(210)의 내부 공간(214)을 따라 상하 방향으로 이동하는 플레이트(plate, 252)와, 플레이트(252)로부터 연장되는 막대 형상의 로드(rod, 254)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 플레이트(252)는 회전체(210)의 내부 공간(214)의 평면 형상에 대응되는 형상으로 형성되어 내부 공간(214)을 따라 상하 방향으로 이동 가능하게 형성된다. 이때, 플레이트(252)의 외주면과 회전체(210)의 내부 공간(214)의 측면에는 서로 대응되는 가이드 레일, 롤러 등이 형성될 수도 있다.
플레이트(252)는 회전체(210)의 내부 공간(214)의 일측에 제공된 제 1 탄성부재(220)에 의해 지지될 수 있다. 본 실시예에서는, 제 1 탄성부재(220)로 내부 공간(214)의 천장면에 일측에 고정된 압축 스프링이 제공되는 것을 예로 들어 도시하였다. 제 1 탄성부재(220)에 의해, 플레이트(252)는 후술할 가이드부(300)의 안내에 의해 상방 또는 하방으로 이동되었다가 원래의 위치로 복귀할 수 있다. 여기서, 제 1 탄성부재(220)는 선택적으로 제공될 수 있다.
로드(254)는 플레이트(252)로부터 연장되며, 종동절(260)을 매개로 날개(270)를 지지한다. 로드(254)의 단부에는 종동절(260)이 삽입되기 위한 종동절 회전 가이드(255) 및 회전축 삽입부(256)가 마련될 수 있다. 종동절 회전 가이드(255)는 로드(254)의 단부에 고정 설치되며, 회전축 삽입부는 종동절 회전 가이드(255)의 중앙부에 후술하는 회전축(265)을 수용할 수 있도록 형성된다.
한편, 가이드 슬롯(216)은 회전체(100)의 회전 시 회전력을 구동 암(250)으로 전달하는 역할을 할 수도 있다. 구체적으로, 가이드 슬롯(216)은 로드(254)의 폭에 대응되는 폭으로 형성되어, 회전체(100)가 회전될 때 로드(254)가 가이드 슬롯(216)에 끼워진 상태로 함께 회전되도록 함으로써 구동 암(250)이 회전되도록 한다.
종동절(260)은 날개(270)가 로드(254)에 대해 회전 가능하도록 날개(270)와 로드(254)를 연결한다. 종동절(260)은 날개(270)에 고정 설치되어 날개(270)와 함께 회전되는 바디(261), 바디(261)의 내측에 마련되며 종동절 회전 가이드(255)의 내측으로 삽입되는 돌출부(262), 바디(261)의 중앙부로부터 돌출되며 회전축 삽입부(256)에 삽입되는 회전축(263), 바디(261)와 로드(254)의 사이에 배치되며 종동절이 특정 위치를 유지하도록 탄성력을 가하는 제 2 탄성부재(264)를 포함할 수 있다.
바디(261)는 날개(270)로부터 돌출되는 형태를 가질 수 있으며, 일 방향으로 길쭉한 타원 형태를 갖는다. 본 실시예에서는 날개(270)와 같은 방향으로 길게 연장되는 타원 형태의 캠 형상 갖는 것을 예로 도시하였다.
여기서, 제 2 탄성부재(264)는 토션 스프링일 수 있으며, 바디(261)의 내측 및 종동절 회전 가이드(255)의 내측에는 토션 스프링의 일측과 타측을 각각 지지하는 지지편(미도시)이 제공될 수 있다.
위와 같은 구조에 의해, 날개(270)는 로드(254)에 회전 가능하게 연결되며, 가이드부(300)의 안내에 의해 회전되더라도 제 2 탄성부재(264)의 탄성력에 의해 특정 위치로 복귀하려는 성질을 갖게 된다.
상기와 같은 종동절(260)의 구성은 일 예에 불과하며, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않는다. 종동절(260)은 날개(270)가 로드(254)에 회전 가능하게 결합되면서, 특정 위치를 유지하기 위한 제 2 탄성부재(264)를 포함하는 임의의 구성을 가질 수 있다.
종동절(260)은 본체(100)의 측면에 형성된 가이드부(300)를 따라 움직이며, 종동절(260)이 가이드부(300)의 안내에 따라 회전됨에 의해 날개(270)가 종동절(260)과 함께 회전될 수 있다.
구체적으로, 도 5를 참조하면, 가이드부(300)는 종동절(260)이 이동하는 공간의 외측 테두리를 형성하는 제 1 캠(310)과 내측 테두리를 형성하는 제 2 캠(320)을 포함할 수 있다. 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320)의 사이 공간은 종동절(260)이 1회전에 의해 하나의 사이클을 이루도록 형성된다.
제 2 캠(320)은 본체(100)에 고정될 수 있으며, 일 예로 본체(100)의 외측으로 날개(270)의 이동 영역을 우회하도록 형성된 지지리브(미도시)에 의해 지지될 수 있다.
제 1 캠(310)과 제 2 캠(320)은 직선 또는 곡선이 연속적으로 배치되어 직선 구간과 커브 구간을 갖는 캠 프로파일(profile)을 갖도록 형성된다. 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320)의 사이의 공간으로 종동절(260)이 이동할 수 있도록 배치되며, 종동절(260)의 전단부(260a)와 후단부(260b)가 제 1 캠(310) 및 제 2 캠(320)에 접촉, 간섭됨으로써종동절(260)의 각도가 변화할 수 있다. 이때, 회전축(263)은 종동절(260)의 센터부(260c)에 배치될 수 있으며, 종동절(260)의 회전 중심으로서 기능한다.
제 1 캠(310)과 제 2 캠(320)의 사이 공간의 최대 폭은 종동절(260)이 소정 각도로 기울어진 상태를 유지하도록 종동절(260)의 장축의 길이보다 짧게 형성될 수 있다. 또한, 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320) 사이 공간의 최소 폭은 종동절(260)이 원활하게 이동될 수 있도록 종동절(260)의 단축의 길이보다 길게 형성된다. 여기서, 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320) 사이 공간의 폭은 제 2 캠(320)의 접선에 수직인 방향으로 제 2 캠(320)으로부터 제 1 캠(310)까지의 거리이다.
제 1 캠(310)의 내측 공간은 제 2 캠(320)에 의해 크게 제 2 캠(320)의 상측 공간과 하측 공간으로 나뉠 수 있으며, 상측 공간과 하측 공간의 폭은 서로 다르게 설정될 수 있다. 이에 의해, 제 2 캠(320)의 상측 공간과 하측 공간을 지날 때 종동절(260)의 회전 각도가 서로 다르게 설정될 수 있다.
본 실시예에서는, 제 2 캠(320)의 상측 공간의 폭이 하측 공간의 폭보다 작은 것을 예로 들어 도시하였다.
제 1 캠(310)과 제 2 캠(320)은 그 사이를 지나는 종동절(260)의 각도를 변화시킨다. 여기서 종동절(260)의 각도는 로드(254)에 연결된 회전축(263)을 중심으로 한 회전 각도로서, 본체(100)의 전후 방향에 대한 종동절(260)의 넓은 면이 이루는 각도로 이해될 수 있을 것이다.
구체적으로, 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320)은 둘 사이의 공간의 폭이 변화되도록 형성된다. 예를 들어, 도 5에 도시된 것처럼, 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320) 사이의 공간은, 제 2 캠(320)의 하측에서 폭이 가장 넓고, 제 2 캠(320)의 후단부측에서 다소 좁아졌다가, 제 2 캠(320)의 상측에서 폭이 가장 좁고, 제 2 캠(320)의 전단부측에서 다소 넓어질 수 있다. 이처럼, 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320) 사이의 공간을 구간별로 다르게 설정함으로써, 종동절(260)이 기울어진 각도를 조절할 수 있다.
또한, 종동절(260)은 제 2 탄성부재(264)에 의해 특정 위치를 유지하려고 하며, 그 특정 위치에서 기울어진 상태인 경우 탄성력이 종동절(260)에 작용한다. 이에 의해, 종동절(260)은 전단부(260a) 및 후단부(260b) 중 하나가 제 1 캠(310) 또는 제 2 캠(320)에 접촉된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320)은 캠 프로파일에 의해 종동절(260)의 기울어진 각도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제 2 캠(320)은 실질적으로 본체(100)의 수평 방향으로 연장되는 수평부(312)와, 수평부(312)의 상부에 돌출 형성되는 돌출부(324)와, 수평부(312)의 후단부에 형성되어 상측 또는 하측으로 절곡되는 절곡부(326)를 포함할 수 있다. 종동절(260)은 위와 같은 제 2 캠(320)의 프로파일에 접촉되어 이동함으로써 각도가 바뀔 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 절곡부(326)가 하측으로 절곡되어 있는 것을 예로 들어 설명하겠다.
여기서, 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320) 사이 공간의 폭은 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320)의 프로파일에 의해 결정된다고 할 수 있으므로, 종동절(260)의 각도는 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320)의 프로파일에 의해 결정된다고 할 수도 있다.
종동절(260)은 상기와 같은 특성을 갖는 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320) 사이의 공간을 따라 이동하며, 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320) 사이의 거리 및 캠 프로파일에 의해 각도가 조절될 수 있다. 이하에서는 도 5를 참조하여, 종동절(260)이 제 2 캠(320)의 둘레를 따라 시계방향으로 한 바퀴 회전될 때의 움직임에 대해 설명하도록 하겠다. 여기서, 종동절(260)은 제 2 탄성부재(264)의 변위가 0일 때(이하, "종동절(260)의 기본 상태"라고 함), 도면부호 260'과 같은 각도인 것을 예로 들어 설명하겠다.
종동절(260)이 제 2 캠(320)의 하측에 위치한 A상태의 경우, 종동절(260)은 기본 상태에서 우측으로 기울어진 상태가 된다. 이때, 종동절(260)에는 제 2 탄성부재(264)에 의해 반시계 방향의 복원력이 작용하므로, 종동절(260)은 제 2 캠(320)의 하측 구간을 이동하는 동안 A상태와 같은 각도를 유지할 수 있다. 또한, 제 1 탄성부재(220)는 A상태에서 변위가 0일 수 있다.
종동절(260)이 회전체(210)의 회전에 의해 후방으로 이동하면, 종동절(260)의 전단부(260a)가 제 2 캠(320)의 절곡부(326)에 간섭되고, 종동절(260)은 우측으로 더 기울어지게 된다(B상태). 이에 의해, 종동절(260)에는 제 2 탄성부재(264)에 의한 반시계 방향의 복원력이 더 크게 작용한다.
종동절(260)이 후방으로 더 이동하게 되면, 종동절(260)의 전단부(260a)가 절곡부(326)에 간섭된 상태가 해제되고, 종동절(260)은 기본 상태로 복귀한다. 그리고, 종동절(260)이 후방으로 더 이동하게 되면, 종동절(260)의 후단부(260b)가 제 1 캠(210)에 접촉되어 종동절(260)은 기본 상태에서 좌측으로 기울어진 상태(C상태)가 될 수 있다. 이때, 종동절(260)에는 제 2 탄성부재(264)에 의해 시계 방향의 복원력이 작용할 수 있다. 또한, 제 1 탄성부재(220)는 종동절(260)이 상방으로 이동함에 따라 압축될 수 있다.
종동절(260)은 제 1 캠(310)의 후단부까지 이동한 후, 다시 전방으로 이동된다. 이때, 종동절(260)은 절곡부(326)에 간섭되어 다시 우측으로 기울어질 수 있으며, 제 2 캠(320)의 상측 공간으로 이동된다(D상태). 종동절(260)은 제 2 캠(320)의 상측을 이동하는 동안 제 2 캠(320)의 돌출부(324)에 의해 각도가 변경될 수 있다.
또한, 종동절(260)에는 제 2 탄성부재(264)에 의해 반시계 방향의 복원력이 지속적으로 작용하므로, 종동절(260)이 제 2 캠(320)의 상측 공간을 이동하는 동안, 종동절(260)의 전단부(260a)는 제 1 캠(310)에 접촉되고, 후단부(260b)는 제 2 캠(320)에 접촉된 상태가 유지될 수 있다(E상태).
종동절(260)이 전방으로 이동함에 따라, 후단부(260b)가 제 2 캠(320)에 간섭된 상태가 해제되면, 종동절(260)은 제 2 탄성부재(264)의 복원력에 의해 반시계 방향으로 회전된다(F 상태). 이때, 제 1 캠(310)은 종동절(260)이 기본 상태의 우측으로 기운 상태를 유지하도록 형성될 수 있다.
이후, 종동절(260)은 회전체(210)의 회전 및 제 1 탄성부재(220)의 복원력에 의해, 다시 제 2 캠(320)의 하측으로 이동되며, 이 과정에서, 종동절(260)의 전단부(260a)가 제 2 캠(320)의 전단부에 간섭됨으로써 종동절(260)은 기본 상태에 대해 우측으로 기운 A상태로 전환될 수 있다.
모터(110)는 종동절(260)이 위에서 설명한 경로를 1사이클로서 반복 운동할 수 있도록, 정방향 회전과 역방향 회전을 반복할 수 있다.
날개(270)는 상기와 같은 종동절(260) 움직임에 종속되어 종동절(260)과 동일하게 회전될 수 있다. 즉, 종동절(260)의 각도 변화에 따라 날개(270)의 각도도 변화된다.
날개(270)의 각도가 변화하게 되면, 날개(270)를 따라 흐르는 유속에 변화가 생기게 되고, 이에 의해 발생되는 양력의 방향이 변화하게 된다. 예를 들어, 종동절(260)이 A상태일 때 발생하는 양력은 Fa 방향일 수 있으며, E상태일 때 발생하는 양력은 Fe 방향일 수 있다.
상기와 같은 플래퍼(200) 및 가이드부(300)는 본체(100)의 양측에 한 쌍으로 제공될 수 있으며, 각각 독립적으로 제어될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)은 종동절(260)의 각도를 변화시켜 날개(270)의 각도를 조절함으로써, 수중로봇(10)에 작용하는 양력의 방향, 크기를 변화시킬 수 있다.
구체적으로, 모터(110)의 회전 속도를 조절함으로써 주변 유체의 흐름에 대한 날개(270)의 상대 속도를 변화시킴으로써 양력의 크기를 조절할 수 있다. 또한, 날개(270)를 특정 각도로 유지시키는 경우, 주변 유체의 흐름에 의해 발생되는 양력에 의해, 수중로봇(10)이 상승 또는 하강할 수 있다.
또한, 본체(100)의 양측에 제공된 날개(270)의 위치를 독립적으로 제어하면, 본체(100)의 양측에서 발생되는 양력의 크기 및 방향을 서로 다르게 조절할 수 있으므로, 본체(100)의 진행 방향을 조절할 수도 있다.
또한, 본체(100)의 양측에 제공된 모터(230)의 회전 운동을 각도가 계속 변하는 날개(270)의 왕복 운동으로 변화시킴에 의해, 날개(270)가 노(oar)와 같은 역할을 할 수 있으므로, 본체(100)는 양호한 추진력을 얻을 수 있다. 특히, 날개(270)의 회전 방향을 변경시킴으로써 전진뿐만 아니라 후진도 용이하게 수행할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇(10)은 각각의 날개(270)마다 하나의 모터(230)만 제공되면 되므로 수중로봇(10)의 방향 및 자세제어를 위해 필요한 구동장치의 수를 최소화시킬 수 있다. 또한, 최소화된 구동장치를 사용하면서도 효과적으로 수중로봇(10)의 자세 및 방향을 제어할 수 있다.
특히, 모터(230)는 왕복 운동만 제공하면 되고, 양력을 발생시키기 위한 날개(270)의 각도 제어는 종동절(260)과 가이드부(300)의 상호 작용에 의해 이루어지므로, 수중로봇(10)의 전체적인 구조를 간단하게 할 수 있으며, 그 결과 수중로봇(10)의 단가를 낮출 수 있어 가격경쟁력을 확보할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 수중로봇 및 수중로봇의 방향 제어 방법 및 유영운동이 가능한 플래퍼의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
10 : 수중로봇 100 : 본체
150 : 모터 지지부 200 : 플래퍼
210 : 회전체 214 : 내부 공간
216 : 가이드 슬롯 220 : 제 1 탄성부재
230 : 모터 250 : 구동 암
252 : 플레이트 254 : 로드
255 : 종동절 회전 가이드 256 : 회전축 삽입부
260 : 종동절 261 : 바디
262 : 돌출부 263 : 회전축
264 : 제 2 탄성부재 270 : 날개
300 : 가이드부 310 : 제 1 캠
320 : 제 2 캠 322 : 수평부
324 : 돌출부 326 : 절곡부

Claims (11)

  1. 수중 이동이 가능한 본체(100);
    상기 본체(100)의 측방으로 돌출 형성되며, 상기 본체(100)의 전후 방향으로 왕복 운동하는 한 쌍의 플래퍼(200); 및
    상기 본체(100)의 측면에 형성되며 상기 플래퍼(200)의 이동을 가이드하는 가이드부(300)를 포함하고,
    상기 플래퍼(200)는,
    상기 본체(100)의 측면으로부터 돌출되는 지느러미 형태를 갖는 날개(270);
    상기 날개(270)를 이동시키는 구동부(210, 230, 250); 및
    상기 구동부(210, 230, 250)에 상기 날개(270)를 회전 가능하게 연결하는 종동절(260)을 포함하고,
    상기 가이드부(300)는,
    상기 종동절(260)이 이동하는 공간의 외측 테두리를 형성하는 제 1 캠(310); 및
    상기 종동절(260)이 이동하는 공간의 내측 테두리를 형성하는 제 2 캠(320)을 포함하며,
    상기 종동절(260)은 상기 제 1 캠(310) 또는 상기 제 2 캠(320)에 간섭되어 각도가 변경되는 수중로봇.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 캠(320)은 상기 종동절(260)이 상기 제 2 캠(320)의 둘레를 회전할 수 있도록 상기 제 1 캠(310)의 내측면으로부터 이격되어 형성되는 수중로봇.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 캠(310) 및 상기 제 2 캠(320)은 상기 본체(100)의 수평 방향으로 길게 연장되고,
    상기 종동절(260)은,
    상기 종동절(260)이 이동 중 상기 제 1 캠(310) 및 상기 제 2 캠(320) 중 어느 하나 이상과 접촉된 상태를 유지하도록 탄성력을 제공하는 제 2 탄성부재(264)를 포함하는 수중로봇.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 캠(320)은,
    실질적으로 상기 본체(100)의 수평 방향으로 연장되는 수평부(322);
    상기 수평부(322)의 상방으로 돌출된 돌출부(324); 및
    상기 수평부(322)의 단부에 형성되며, 상기 본체(100)의 상방 또는 하방으로 연장된 절곡부(326)를 포함하는 수중로봇.
  5. 물고기 형태의 본체(100)를 갖는 수중로봇(10)의 플래퍼(200)에 있어서,
    상기 본체(100)의 측면에 형성된 제 1 캠(310)과 제 2 캠(320)의 사이 공간을 따라 이동되는 종동절(260);
    상기 종동절(260)에 연결되며, 상기 본체(100)의 측면으로 돌출되고, 지느러미 형태로 형성되는 날개(270);
    상기 날개(270)를 상기 본체(100)의 전후 방향으로 이동시키는 동력을 제공하는 모터(230);
    상기 모터(230)에 연결되는 회전체(210); 및
    상기 회전체(210)에 상하 방향으로 이동 가능하게 제공되며, 상기 종동절(260)이 회동 가능하게 연결되는 구동 암(250)을 포함하고,
    상기 종동절(260)은 상기 제 1 캠(310)과 상기 제 2 캠(320) 사이 공간의 폭 및 상기 제 1 캠(310)과 상기 제 2 캠(320)의 프로파일에 따라 각도가 변경되는 수중로봇의 플래퍼.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 회전체(210)는,
    상기 구동 암(250)의 일측이 끼워지는 내측 공간(214); 및
    상기 구동 암(250)의 상하 방향 이동을 안내하는 가이드 슬롯(216)을 포함하는 수중로봇의 플래퍼.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 내측 공간(214)에는 상기 구동 암(250)에 복원력을 작용시키는 제 1 탄성부재(220)가 설치되는 수중로봇의 플래퍼.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 구동 암(250)은,
    상기 회전체(210)의 내측에서 상하 이동되는 플레이트(252); 및
    상기 플레이트(252)로부터 연장되며 상기 종동절(260)에 연결되는 로드(254)를 포함하는 수중로봇의 플래퍼.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 종동절(260)은,
    상기 날개(270)에 고정되며 타원 형상의 캠 구조를 갖는 바디(261);
    상기 종동절(260)에 복원력을 가하는 제 2 탄성부재(264); 및
    상기 구동 암(250)에 상기 바디(261)를 회동 가능하게 연결하는 회전축(263)을 포함하는 수중로봇의 플래퍼.
  10. 수중로봇의 방향 제어 방법에 있어서,
    수중 이동이 가능한 본체의 양 측면에 1 사이클을 이루도록 형성된 제 1 캠과 제 2 캠의 사이 공간으로 지느러미 형태의 날개가 연결된 종동절을 이동시키는 단계; 및
    상기 종동절이 상기 제 1 캠과 상기 제 2 캠의 프로파일에 따라 각도가 변경됨으로써 각도에 따라 서로 다른 방향의 양력을 발생시키는 단계를 포함하는 수중로봇의 방향 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 본체의 양 측면에 제공된 상기 날개는 독립적으로 제어되는 수중로봇의 방향 제어 방법.
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