KR102039364B1 - 도약 비행 로봇 - Google Patents

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KR102039364B1
KR102039364B1 KR1020180045363A KR20180045363A KR102039364B1 KR 102039364 B1 KR102039364 B1 KR 102039364B1 KR 1020180045363 A KR1020180045363 A KR 1020180045363A KR 20180045363 A KR20180045363 A KR 20180045363A KR 102039364 B1 KR102039364 B1 KR 102039364B1
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박훈철
트롱넉티엔
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건국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 도약 비행 로봇에 관한 것으로 제1 베이스, 상기 제1 베이스 상에 직립 되고 수직 도약을 지원하는 복수의 다리들을 포함하는 도약부, 상기 복수의 다리들을 결합하는 제2 베이스, 상기 제2 베이스 상에 결합된 복수의 플래퍼들을 포함하는 날개부, 상기 제2 베이스 상에 배치되고 상기 복수의 다리들과 상기 복수의 플래퍼들을 동시에 동작시키는 구동부를 포함한다. 따라서 도약 비행 로봇은 도약과 비행 메커니즘을 동시에 수행하여 장애물, 험지 등의 비정형 환경, 예를 들어 붕괴된 벽과 같은 재난 환경에서 신속하게 이동할 수 있다.

Description

도약 비행 로봇{JUMPPING FLAPPER ROBOT}
본 발명은 도약 비행 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 구동 메커니즘을 통해 도약과 비행을 동시에 수행하여 장애물, 험지 등의 비정형 환경, 예를 들어 붕괴된 벽과 같은 재난 환경에서 에서 보다 효율적으로 이동할 수 있는 도약 비행 로봇에 관한 것이다.
최근 로봇은 산업 및 교육 등의 다양한 목적을 위해 발전되고 있으며, 비행 로봇은 비행을 통해 이동하면서 동시에 영상촬영과 같은 특정 목적을 수행할 수 있도록 개발되었다.
비행 로봇은 헬리콥터를 모방한 프로펠러 방식을 도입할 수 있고, 비행 방식은 기존의 헬리콥터 기술을 활용할 수 있으나 지상 인접한 위치에서 효율적으로 운영되기 어려울 수 있다.
또한 지상 이동 로봇은 지상에서 운영 될 수 있으나 장애물, 험지 등의 비정형 환경, 예를 들어 붕괴된 벽과 같은 재난 환경에서 장애물을 우회하여 이동함으로, 구조 활동 및 조난 신호 확인 등의 임무를 효율적으로 수행하기 어려울 수 있다.
한국등록특허 제10-1489156호는 장애물 도약 로봇에 관한 것으로, 서보모터를 지지하는 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임의 제1 연결부에 각각의 일단이 중첩되어 회전 가능하게 결합되고, 각각의 타단이 대칭되어 형성되는 제1 링크부재 및 제2 링크부재와, 상기 제1 링크부재의 타단에 형성된 제2 연결부와 일단이 힌지 결합되어 형성되고 타단에 지지부가 형성된 제3 링크부재와, 상기 제2 링크부재의 타단에 형성된 제3 연결부와 일단이 힌지 결합되어 형성되고 타단에 지지부가 형성된 제4 링크부재 및 상기 제2 연결부 및 제3 연결부에 형성되는 탄성조절부재로 이루어지되, 상기 제3 링크부재 및 제4 링크부재의 각각의 중앙이 교차되어 교차부가 형성되고, 상기 서보모터와 상기 교차부가 꼬임실에 의해 연결된다.
한국등록특허 제10-1766770호는 능동형 클러치 기구 및 이를 구비한 도약 로봇에 관한 것으로, 모터에 연결되어, 상기 모터의 구동력을 전달받아 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 이루어지는 선기어; 상기 선기어에 접촉하도록 배치되어 상기 선기어를 선회하도록 이루어지며, 상기 선기어의 회전축과 이격되는 회전축을 중심으로 회전하는 유성기어; 및 상기 유성기어에 선택적으로 접촉되고, 상기 유성기어의 회전에 의해 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 이루어지는 와인딩기어를 포함하고, 상기 선기어가 일 방향으로 회전 될 때, 상기 유성기어는 상기 일 방향으로 상기 선기어를 선회하여 상기 와인딩기어에 접촉하여 상기 와인딩기어를 회전시켜서 상기 와인딩기어에 연결된 에너지 저장부에 에너지를 저장시키도록 와이어를 감도록 하고, 상기 선기어가 상기 일 방향과 반대 방향으로 회전될 때, 상기 유성기어는 상기 일 방향과 다른 방향으로 상기 선기어를 선회하여 상기 와인딩기어로부터 이격되어 상기 에너지 저장부에 저장된 에너지를 방출 가능하게 한다.
한국등록특허 제10-1489156호 (2015.01.28 등록) 한국등록특허 제10-1766770호 (2017.08.03 등록)
본 발명의 일 실시예는 단일 구동 모터를 통해 도약과 날갯짓을 동시에 수행해 도약 성능을 개선한 도약 비행 로봇을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 단일 구동 모터로 클러치 메커니즘을 이용해 복수의 다리들을 폴딩한 후, 원래 길이로 복원(언-폴딩)하여 수직 도약을 수행하는 도약부를 포함하는 비행 로봇을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 단일 구동 모터로 클러치 메커니즘을 이용해 복수의 플래퍼들을 날갯짓 수행하는 날개부를 포함하는 비행 로봇을 제공하고자 한다
본 발명의 일 실시예는 단일 구동 모터를 포함하고 클러치 메커니즘을 이용하는 구동부로 제1 기어비와 제2 기어비의 구동력을 선택적으로 전달해 도약과 날갯짓을 동시에 수행 할 수 있는 도약 비행 로봇을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 도약 비행 로봇은 제1 베이스, 상기 제1 베이스 상에 직립 되고 수직 도약을 지원하는 복수의 다리들을 포함하는 도약부, 상기 복수의 다리들을 결합하는 제2 베이스, 상기 제2 베이스 상에 결합된 복수의 플래퍼들을 포함하는 날개부, 상기 제2 베이스 상에 배치되고 상기 복수의 다리들과 상기 복수의 플래퍼들을 동시에 동작시키는 구동부를 포함한다.
상기 복수의 다리들 각각은 상기 제1 및 제2 베이스들과 각각 연결된 제1 및 제2 링크들, 상기 제1 및 제2 링크들 간에 배치되는 관절, 상기 구동부에 의해 제어되고 상기 제1 링크의 말단을 당겨서 상기 수직 도약을 위한 도약력을 생성하는 윈칭 케이블을 포함한다. 일 실시예에서, 복수의 다리들 각각은 상기 윈칭 케이블을 통한 수직 도약 과정에서 상기 제2 링크의 중단에 고정되고 상기 제1 링크의 중단을 왕복 이동할 수 있는 제3 링크를 더 포함한다. 일 실시예에서, 복수의 다리들 각각은 상기 제1, 제2 링크를 연결하는 관절과 상기 제3 링크의 왕복 이동 가능한 말단 간에 연결된 수직 도약을 위한 도약력을 생성하는 적어도 하나의 탄성체를 더 포함한다
상기 구동부는 상기 복수의 다리들을 구동시키고 제1 기어비를 통해 윈칭 케이블을 제어하는 제1 기어, 상기 복수의 플래퍼들을 제2 기어비를 통해 구동시키는 제2 기어를 포함한다. 일 실시예에서, 상기 구동부는 상기 제1 기어와 클러치 메커니즘을 통해 체결 또는 이격되고 상기 제1 및 제2 기어들을 선택적으로 구동시키는 제3 기어를 더 포함한다. 일 실시예에서, 상기 구동부는 구동 모터, 상기 구동 모터와 연결되고 상기 제3 기어를 상시 구동하는 제4 기어를 더 포함한다. 일 실시예에서, 상기 구동부는 푸시 상태에서 상기 제3 기어를 상기 제1 기어에 체결시키고 넌-푸시 상태에서 상기 제3 기어를 상기 제2 기어에 체결시켜, 상기 제3 기어의 선택적 구동을 지원하는 푸싱 레버를 더 포함한다. 일 실시예에서, 상기 구동부는 상기 윈칭 케이블의 힘의 방향을 조절하는 적어도 하나의 롤러를 포함하는 롤러부를 더 포함한다. 일 실시예에서, 상기 구동부는 상기 제2 기어와 슬라이더-크랭크를 통해 체결되어 상기 복수의 플래퍼들을 구동시키는 랙-피니언 기어를 더 포함한다.
실시 예들 중에서, 도약 비행 로봇은 제1 베이스, 상기 제1 베이스 상에 직립 되고 수직 도약을 지원하고 각각은 관절을 통해 상호 연결된 제1 및 제2 링크들, 상기 제2 링크의 중단에 고정되고 상기 제1 링크의 중단을 왕복 이동할 수 있는 제3 링크와 상기 관절과 상기 제3 링크의 왕복 이동 가능한 말단 간에 연결된 탄성체를 포함하는 복수의 다리들을 포함하는 도약부, 상기 복수의 다리들을 결합하는 제2 베이스, 상기 제2 베이스 상에 배치되고 구동 모터를 통해 상기 제1 및 제2 링크들을 폴딩시켜 상기 탄성체의 탄성력을 생성하고 상기 탄성력을 통해 수직 도약을 지원하는 구동부를 포함한다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예는 단일 구동 모터를 통해 도약과 날갯짓을 동시에 수행해 도약 성능을 개선한 도약 비행 로봇을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 단일 구동 모터로 클러치 메커니즘을 이용해 복수의 다리들을 폴딩한 후, 원래 길이로 복원(언-폴딩)하여 수직 도약을 수행하는 도약부를 포함하는 비행 로봇을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 단일 구동 모터로 클러치 메커니즘을 이용해 복수의 플래퍼들을 날갯짓 수행하는 날개부를 포함하는 비행 로봇을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 단일 구동 모터를 포함하고 클러치 메커니즘을 이용하는 구동부로 제1 기어비와 제2 기어비의 구동력을 선택적으로 전달해 수직 도약과 날갯짓을 동시에 수행 할 수 있는 도약 비행 로봇을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도약 비행 로봇을 나타내는 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 따른 도약 비행 로봇의 도약부를 나타내는 측면도이다.
도 3a 및 도3b는 도 1에 따른 도약 비행 로봇의 구동부를 나타내는 측면도이다.
도 4는 도 1에 따른 도약 비행 로봇의 구동부를 나타내는 측면도이다.
도 5는 도 1에 따른 도약 비행 로봇의 날개부를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 1에 따른 도약 비행 로봇을 단순화한 모델로 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1에 따른 도약 비행 로봇의 도약 속도와 도약력 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1에 따른 도약 비행 로봇의 날개부의 작동 유무와 작동 주파수 별 15Hz, 19Hz에 따른 도약 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 9은 도 1에 있는 도약 비행 로봇 원형의 조립한 상태를 나태나는 사시도이다.
도 10은 도 9에 있는 완성된 도약 비행 로봇의 날개부의 작동 유무와 작동 주파수 별 15Hz, 19Hz에 따른 실제 도약 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 9에 있는 완성된 도약 비행 로봇의 실제 도약 비행에서 날개부의 작동 유무와 작동 주파수 별 15Hz, 19Hz에 따른 도약 기록을 수치적으로 비교하여 나타낸 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
메뚜기와 같이 도약과 비행의 통합적 이동이 가능한 다중 이동 곤충의 생물학적 관찰에 대응하는 도약과 비행을 동시에 수행하는 로봇은 도약 높이의 증가로 향상된 이동성 효과를 가질 수 있다.
이러한 로봇은 자연 재해나 사고에 의해 우회 하지 못하는 장애물을 도약과 비행으로 쉽게 극복 할 수 있어 인명 구조 및 조난 신호 확인 등의 임수 수행에 효율성이 증가함으로 그 수요가 증가하고 있다.
따라서, 본 발명은 메뚜기가 다리를 구부려 도약을 위한 도약 에너지를 저장한 후 짧은 시간에 도약 에너지를 방출하여 도약과 동시에 날개를 날갯짓하여 도약 높이와 이동거리를 증가시키는 이동 방식에서 영감을 얻은 도약과 비행의 다중 이동 기능을 통합적으로 갖춘 도약 비행 로봇에 대한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도약 비행 로봇을 나타내는 사시도이다.
도 1 를 참조하면, 도약 비행 로봇(100)은 제1 베이스(110), 도약부(120), 제2 베이스(130), 날개부(140) 및 구동부(150)를 포함한다.
제1 베이스(110)는 바닥에 접촉될 수 있고 도약부(120)와 연결된다. 일 실시예에서, 제1 베이스(110)는 도약 비행 로봇(100)의 넘어짐 방지와 도약 효율성(도약 및 착지)을 위해 원형으로 구현될 수 있다.
도약부(120)는 도약 비행 로봇(100)의 도약을 위해 설계된 것으로, 복수의 다리들(122)을 포함하고, 복수의 다리들(122)은 제1 베이스(110) 상에 직립되고 제2 베이스(130)와 연결된다.
제2 베이스(130)는 도약부(120)와 구동부(150) 간에 배치되고, 날개부(140)와 구동부(150)를 지지하며, 윈칭 케이블(280)을 통하여 구동부(150)와 도약부(120)를 연결하기 위해 사용된다. 일 실시예에서, 제2 베이스(130)는 도약부(120)와 연결되어 구동부(150)를 마운팅하는 골격으로 구현될 수 있다.
날개부(140)는 구동부(150)의 양쪽에 결합될 수 있는 복수의 플래퍼들(142)로 구현될 수 있고, 구동부(150)와 연동하여 전후 왕복 날갯짓을 수행할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 따른 도약 비행 로봇(100)의 도약부를 나타내는 측면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도약부(120)는 복수의 다리들(122), 복수의 링크들(210,220,230), 복수의 관절들(240,250,260), 하나 이상의 탄성체(270) 및 윈칭 케이블(280)을 포함한다.
복수의 다리들(122) 각각은 복수의 링크들(210,220,230) 간에 배치되는 관절들(240,250,260)의 회전을 통해 폴딩과 원래 길이로 복원(즉, 언폴딩)과정을 수행할 수 있다.
제1 링크(210)는 제1 단에서 제1 베이스(110)와 연결되고 제2 단에서 제2 링크(220)와 연결된다. 제2 링크(220)는 제1 단에서 제1 링크(210)에 연결되고 제2 단에서 제2 베이스(130)와 연결된다. 제1 링크(210)와 제2 링크(220)는 제1 관절(240)을 통해 결합된다.
제3 링크(230)는 제1 단에서 제2 링크(220)의 중간에 있는 제2 관절(250)을 통해 연결되고 제2 단에서 제1 링크(210)에 결합된 제3 관절(260)을 통해 연결되어 제1 링크(210)를 따라 폴딩 및 언-폴딩 과정에서 이동할 수 있다.
탄성체(270)는 제1 링크(210)와 제2 링크(220) 간에 있는 제1 관절(240)과 제1 링크(210)와 제3 링크(230)간에 있는 제3 관절(260)을 연결할 수 있고 하나 이상의 탄성 모듈(예를 들어, 스프링)으로 구성될 수 있다.
윈칭 케이블(280)은 제1 링크(210)의 말단과 구동부(150)에 연결되어 구동부(150)의 작동에 의해 장력으로 제1 링크(210) 말단을 당길 수 있다.
도 2b는 복수의 다리들(122)의 폴딩 상태를 나타낸다.
도 2b에서, 복수의 다리들(122)은 도약부(120)에 있는 윈칭 케이블(280)의 장력으로 당겨진 제1 링크(210)에 의해 폴딩된다. 따라서, 제3 링크(230)의 말단이 제3 관절(260)을 따라 제1 링크(210) 중단에서 제1 링크(210)의 말단 쪽으로 이동한다.
결과적으로, 탄성체(270)가 제3 링크(230)의 제2 단의 제3 관절(260)을 통한 제1 링크(210) 상에서의 이동 과정에서 인장됨으로 도약부(120)의 수직 도약을 위한 도약력을 탄성 에너지로 저장할 수 있다. 도약부(120)는 탄성 에너지를 이용하여 복수의 다리들(122)을 짧은 시간 동안 원래 길이로 복원(언-폴딩)하여 수직 도약을 수행할 수 있다.
도 3a 및 도3b는 도 1에 따른 도약 비행 로봇(100)의 구동부(150)를 나타내는 측면도이다.
도 3a는 도 1에 따른 도약 비행 로봇(100)의 구동부(150)에서 제3 기어(330)가 제1 기어(310)와 체결되어 구동 모터(360)의 구동력을 제1 기어비로 제1 기어(310)에게 전달하는 상태를 나타낸다.
도 3a를 참조하면, 구동부(150)는 제1 기어(310), 제2 기어(320), 제3 기어(330), 제4 기어(340), 구동 모터(360) 및 컨트롤 서보(370)를 포함한다.
제 3기어(330)는 컨트롤 서보(370)에 의해 클러치 샤프트(350) 상에서 상승 또는 하강 하며 제1 기어(310)또는 제2 기어(320) 중 하나와 클러치 메커니즘을 통해 선택적으로 체결 또는 이격되고 제1 또는 제2 기어(310, 320) 중 하나에게 구동 모터(360)의 구동력을 제1 기어비 또는 제2 기어비로 전달 한다.
제4 기어(340)는 제3 기어(330)와 상시 체결되어 구동 모터(360)의 구동력을 제 3기어(330)로 전달한다.
구동부(150)는 도약부(120)의 도약 수행을 위해서 제1 기어비로 구동력을 전달한다. 반면에, 날개부(140)의 날갯짓 수행을 위해서 제2 기어비로 구동력을 날개부(140)로 전달한다.
구동부(150)는 단일 구동 모터(360)로 제1 기어비와 제2 기어비를 선택하여 전달하기 위해 컨트롤 서보(370)를 통해 제 3기어(330)를 클러치 샤프트(350) 상에서 상승 또는 하강 시키는 클러치 메커니즘을 이용한다.
제3 기어(330)는 클러치 샤프트(350) 상에서 상승하면 제1 기어(310)와 체결되어 제1 기어비로 구동력을 전달한다. 반면에, 제3 기어(330)가 클러치 샤프트(350) 상에서 하강하면 제2 기어(320)와 도그-클러치 메커니즘으로 체결되어 제2 기어비의 구동력을 전달 할 수 있다.
일 실시예에서, 제3 기어(330)는 400:1 기어비로 제1 기어(310)에게 구동력을 전달 할 수 있다. 또한 제3 기어는(330) 16:1의 기어비로 제2 기어(320)에게 구동력을 전달 할 수 있다.
제1 기어(310)는 구동 모터(360)로부터 구동력을 전달 받아 제1 기어비로 일 방향 회전하여 연결된 윈칭 케이블(280)을 감아 당긴다. 윈칭 케이블(280)은 제1 기어(310)에 의해 감기면서, 제1 링크(210)를 장력으로 당겨 복수의 다리들(122)을 폴딩 상태로 만든다.
컨트롤 서보(370)는 제3 기어(330)를 클러치 샤프트(350) 상에서 상승 또는 하강 시킬 수 있는 푸싱 레버(374)를 포함한다. 푸싱 레버(374)는 푸싱 레버 크랭크(372)에 의해서 상승 또는 하강 하며, 컨트롤 서보(370)는 푸싱 레버 크랭크(372)를 제어 할 수 있다. 컨트롤 서보(370)는 푸싱 레버 크랭크(372)의 제어를 위한 서보 모터를 포함 할 수 있다.
제3 기어(330)는 푸싱 레버(374)가 하강하면 푸시 상태로 클러치 샤프트(350) 상에서 하강하여 제1 기어(310)와 체결된다. 반대로, 제3 기어(330)는 푸싱 레버(374)가 상승하면 넌-푸시 상태로 클러치 샤프트(350) 상에서 상승하며 제1 기어(310)와 이격되고 제2 기어(320)와 도그-클러치 메커니즘으로 체결된다.
제1 기어(310)는 푸시 상태에서 넌-푸시 상태로 변환 될 때, 일 방향의 역 방향으로 회전하며 윈칭 케이블(280)을 릴리즈 한다. 도약부(120)는 푸시 상태에서 넌-푸시 상태로 변환 될 때, 폴딩 상태에서 저장한 탄성 에너지를 이용하여 복수의 다리들(122)을 짧은 시간에 원래 길이로 복원(언-폴딩)하여 수직 도약을 수행할 수 있다.
도 3b는 도 1에 따른 도약 비행 로봇(100)의 구동부(150)에서 제3 기어(330)가 넌-푸시 상태에서 도그-클러치 메커니즘으로 제2 기어(320)와 체결해 구동 모터(360)의 구동력을 제2 기어비로 전달하는 것을 나타낸다.
제3 기어(330)는 넌-푸시 상태에서 일 방향으로 회전하며 클러치 샤프트(350)상에서 상승하여 제2 기어(320)와 도그-클러치 메커니즘 체결된다. 단일 구동 모터(360)의 구동력은 제2 기어비로 제2 기어(320)를 거처 날개부(140)로 전달된다. 따라서, 날개부(140)는 전달 받은 제2 기어비의 구동력으로 복수의 플래퍼들(142)을 날갯짓 수행한다.
결과적으로, 도약 비행 로봇(100)은 컨트롤 서보(370)에 푸싱 레버(374)가 넌-푸시 상태로 되어 제 3기어(330)가 제 2기어(320)와 도그-클러치 결합 할 때 수직 도약과 날갯짓을 동시에 수행 하게 된다.
도 4는 도1 에 따른 도약 비행 로봇(100)의 구동부(150)에서 제1 기어(310)가 넌-푸시 상태에서 제3 기어(330)와 이격되어 제1 기어(310)가 일 방향의 역방향으로 회전해 윈칭 케이블(280)의 릴리즈 상태를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 롤러부(410)는 복수의 롤러들(420)을 포함한다.
롤러부(410)는 복수의 롤러들(420)을 이용해 푸시 상태 및 넌-푸시 상태에서 윈칭 케이블(280)이 제1 기어(310)의 회전에 따라 감기거나 릴리즈 되는 궤도의 방향을 제어 한다.
제3 기어(330)는 넌-푸시 상태에서 제2 기어(320)와 도그-클러치 결합을 해 제2 기어(320)를 제2 기어비의 구동력으로 구동시킨다.
날개부(140)는 제2 기어(320)를 통해 제2 기어비로 전환된 구동력을 이용해 슬라이더-크랭크(510)와 랙-피니언(520) 메커니즘의 조합을 기반으로 복수의 플래퍼들(142)을 날갯짓 시킨다.
도 5는 도 1에 따른 도약 비행 로봇(100)의 날개부를 나타내는 사시도이다.
도 5를 참조하면, 날개부(140)는 슬라이더-크랭크 기어(510) 및 랙-피니언 기어(520)를 포함한다.
랙-피니언 기어(520)는 좌우 대칭의 랙 기어 배열로 인해 양 쪽에 복수의 피니언 기어들을 구동 할 수 있고, 상기 복수의 피니언 기어 들에 연결된 복수의 플래퍼들(142) 작동 시킬 수 있다.
날개부(140)는 제 2기어(320)로부터 전달 받은 구동력을 슬라이더-크랭크(510)와 랙-피니언(520) 메커니즘을 이용해 복수의 플래퍼들(142)을 날갯짓 시킨다. 일 실시예에서, 복수의 플래퍼들(142)은 약 140°의 진폭으로 날갯짓 할 수 있다.
도 6은 도 1에 따른 도약 비행 로봇(100)을 단순화한 모델로 나타낸 도면이다.
도약력 R의 방향은 속도 벡터와 방향과 동일할 수 있다. 도약 각도 θ는 지면에 대해 수직일 수 있다. 따라서, 도약 비행 로봇(100)의 도약은 제1 링크(210)와 제2 링크(220) 간의 제1 관절(240)에서 이루어지는 각도 δ로 표현 할 수 있다.
일 실시예에서, 도약 비행 로봇(100)의 제1 링크(210)와 제2 링크(220) 간의 각도 δ는 아래의 수학식으로 표현 할 수 있다.
[수학식1]
Figure 112018038769400-pat00001
α는 제2 링크(220)와 제3 링크(230)가 제2 관절(250)에서 이루는 각도, a는 제1 관절(240)과 제2 관절(250)간의 거리, c는 제3 링크(230)의 길이에 해당한다.
도 6에 따른 도약 비행 로봇(100)의 속도는 아래의 수학식으로 표현 할 수 있다.
[수학식2]
Figure 112018038769400-pat00002
V는 도약 비행 로봇(100)의 속도, L는 제2 링크(220)의 길이에 해당한다.
도 6에 따른 도약 비행 로봇(100)의 가속도는 아래의 수학식으로 표현 할 수 있다.
[수학식3]
Figure 112018038769400-pat00003
일 실시예에서, 도약 비행 로봇(100)의 도약력은 아래의 수학식으로 표현 할 수 있다.
[수학식4]
Figure 112018038769400-pat00004
R은 도약 비행 로봇의 도약력, b는 제1 관절(240)과 제3 관절(260)에 연결되어 폴딩 상태에서 늘어난 탄성체(270)의 길이, b0는 제1 관절(240)과 제3 관절(260)에 연결된 탄성체(270)의 복수의 다리들(112)이 폴딩 되기 전 상태(즉, 언-폴딩)에서의 길이, K는 탄성체(270)의 탄성 계수에 해당한다.
일 실시예에서, 도 6에 따른 도약 비행 로봇(100)의 도약 운동방정식은 아래의 수학식으로 표현 할 수 있다.
[수학식5]
Figure 112018038769400-pat00005
m은 도약 비행 로봇의 질량에 해당한다.
일 실시예에서, 도 6에 따른 도약 비행 로봇(100)의 비행 운동방정식은 아래의 수학식으로 표현 할 수 있다.
[수학식6]
Figure 112018038769400-pat00006
비행 운동 방정식을 구하기 위해 Oξη 좌표계를 사용한다. ξ은 수평축 η은 수직축을 나타낸다. A는 도약 비행 로봇(100)의 단면적, ρair는 1.225kg/m3으로 해수면의 공기 밀도, 항력 계수 CD는 1.3 및 FT는 도약 비행 로봇(100)의 날갯짓에 의한 추진력에 해당한다.
도 7은 도 1에 따른 도약 비행 로봇(100)의 도약 속도와 도약력 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
예를 들어, [수학식 6]을 이용하여 도약 비행 로봇(100)을 시뮬레이션 하기 위해 b0 = 0.018 m, m = 0.023 kg, K = 850 N/m, L = 0.04 m, a = 0.01 m, c = 0.025 m 및 δ = 20°을 조건으로 정하였다. 시뮬레이션은 Matlab (Release 2015) 과 ODE45 solver (Shampine et al., 2003)를 이용했다.
도약 속도와 도약력 시뮬레이션 결과, 도약 비행 로봇(100)의 도약 속도는 약 176 m/s2의 일정한 가속도로 선형적으로 증가했다. 도약 비행 로봇(100)의 복수의 다리들(122)은 약 0.025 초의 짧은 시간동안 원래 길이로 복원된다. 도약 비행 로봇(100)은 0.025초에 최대 속도인 4.4m/s에 도달한다. 도약 비행 로봇(100)의 도약력은 초기 0.015 초 동안은 증가하고 이후로는 감소하여 “0”이 된다. 시간 “t = 0” 에서, 탄성체(270)에 의해 1.6N의 도약력이 생성된다. 도약 비행 로봇(100)의 도약력은 2.78N의 힘으로 0.015 초에 최대 값을 가진다.
도 8은 도 1에 따른 도약 비행 로봇(100)의 날개부(140)의 작동 유무와 작동 주파수 별 15Hz, 19Hz에 따른 도약 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 8에서, 날개부의 날갯짓 수행이 없는 상태에서의 도약 (Without FW), 도약과 15 Hz 날갯짓 수행 및 도약과 19 Hz 날갯짓 수행에 따른 도약 시뮬레이션 결과를 보여준다. 각 시뮬레이션 사례는 해당 로봇의 실제 중량과 동일하게 설정되어 시뮬레이션 되었다. 도약 비행 로봇의 15 Hz 날갯짓 추진력 FT = 5.83gf 과 19 Hz 날갯짓 추진력 FT = 10.34gf은 실험을 통해 측정했다. 날개부의 날갯짓 수행이 없는 도약 비행 로봇(100)의 도약 시뮬레이션 결과는 약 0.72m 이었다.
도약과 15 Hz 날갯짓 수행하는 도약 비행 로봇(100)은 0.89m 높이로 도약해 날개부의 날갯짓 수행이 없는 상태에서의 도약보다 약 23.6 %의 증가를 보였다. 도약과 19 Hz 날갯짓 수행하는 도약 비행 로봇(100)은 1.00m 높이로 도약해 날개부의 날갯짓 수행이 없는 상태에서의 도약보다 약 38.9%의 증가를 보였다. 따라서, 도약 비행 로봇(100)의 도약 비행 메커니즘은 도약 높이를 향상 시키는 시뮬레이션 결과를 보여준다.
도 9은 도 1에 따른 도약 비행 로봇(100)의 원형을 조립한 모습을 나타낸다.
일 실시예에서, 도약 비행 로봇(100)은 CAD (Computer Aid Design)로 설계되어 CNC 기계 (MM-30S, 해상도 10μm, MANIX, Korea) 및 3D 프린터 (3DWOX DP200, 층 두께 0.05-0.4 mm, Sindoh, Korea)를 사용하여 완성 될 수 있다.
날개부(140)의 기어들은 에폭시 글라스 시트로 제작 될 수 있다. 도약부(120)의 복수의 다리들(122)을 구성하는 복수의 링크들(210,220,230)과 프레임은 0.8mm 카본 에폭시 시트로 조립 될 수 있다. 4 개의 스프링 (Misumi, WFSP4-0.5)이 탄성체(270)로 수직 도약을 위한 탄성 에너지 저장에 사용 될 수 있다.
도약 비행 로봇(100)은 신호 수신기로 R/C 900MHz 대역 수신기 (Hip-hop II RC 수신기, Micro Flier Radio)가 사용되고, 구동 모터(360)로 DC 모터 (Didel MK-07, Switzerland)가 사용되었으며 컨트롤 서보(370)의 서보 모터로 마이크로 서보 (HK5320, HobbyKing, Hong Kong)가 사용 될 수 있다.
15Hz 날개부(140) 작동을 위한 제1 소형 50mAh 리튬 폴리머 배터리(1.7g)와 19Hz 날개부(140) 작동을 위한 제2 소형 30mAh 리튬 폴리머 배터리(1.2g)를 사용하여 전원을 공급 할 수 있다.
컨트롤 서보(370)와 푸시 레버(374)를 연결하는 푸시 레버 크랭크(372)는 강철로드를 사용 할 수 있으며 원칭 케이블(280)은 고강도 케이블을 사용 할 수 있다.
복수의 플래퍼들(142)는 날갯짓 동작 중 날개 관성의 영향을 줄이기 위해 설계 될 수 있다. 복수의 플래퍼들(142)의 앞 가장자리는 지름 1mm, 길이 80mm의 카본로드가 사용될 수 있다. 복수의 플래퍼들(142)을 구성하는 플래퍼 막은 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (Polyethylene Terephthalate, PET)로 구성되며 한 층의 탄소 스트립으로 보강 될 수 있으며 면적은 약 20 cm2 이며 약 3의 종횡비를 가질 수 있다. 각 플래퍼(142)의 무게는 약 0.12g 이다.
도 10은 도 9에 있는 완성된 도약 비행 로봇(100)의 날개부(140) 작동 유무와 날개부(140) 작동 주파수 별 15Hz, 19Hz에 따른 도약 높이 차이를 나타낸다.
날개부(140)를 작동 시키지 않고 도약부(120)의 도약 동작만 수행한 도약 비행 로봇(100)은 최대 도약 높이가 0.67m를 기록하고 최대 도약 높이 도달 시간은 0.38s가 소요되었다. 도약부(120)의 도약과 동시에 날개부(140)를 15Hz 로 작동 하는 도약 비행 로봇(100)은 최대 도약 높이가 0.77m 를 기록하고 최대 도약 높이 도달 시간은 0.55s가 소요되었다. 도약부(120)의 도약과 동시에 날개부(140)를 19Hz 로 작동 하는 도약 비행 로봇(100)은 최대 도약 높이가 0.85m 를 기록하고 최대 도약 높이 도달 시간은 0.56s가 소요되었다.
결과적으로, 도약부(120)의 도약과 동시에 작동하는 날개부(140)의 날갯짓 동작은 도약 비행 로봇(100)의 최대 도약 높이를 크게 개선시켰다.
도 11은 도 9에 따른 완성된 도약 비행 로봇(100)의 실제 도약 비행에서 날개부(140)의 작동 유무와 작동 주파수 별 15Hz, 19Hz에 따른 도약 기록들을 추적하여 수치적으로 비교해 나타낸 도면이다.
도 11에서, 도약 비행 로봇(100)의 실제 도약 과정에서 회전 하여 도 8에 다른 도약 시뮬레이션 결과보다 8.3% 에서 14.0% 정도 감소했다. 날개부(140)를 작동 시키지 않고 도약부(120)의 도약만을 한 도약 비행 로봇(100)에 비해 도약부(120)의 도약과 동시에 15Hz 와 19Hz 로 날개부(140)를 작동하는 도약 비행 로봇(100)은 각각 18.2% 와 30.3% 높은 현저한 도약 높이 증가를 나타냈다.
도약 비행 로봇(100)은 하나의 구동 모터(360)를 통해 도약부(120)의 도약과 날개부(140)의 날갯짓을 동시에 수행 하기 위해 단일 구동 모터(360)의 동력 전달을 제1 기어비와 제2 기어비 중 선택하여 전환 할 수 있는 클러치 메커니즘을 이용하는 구동부(150)를 포함한다.
도약 비행 로봇(100)은 단일 구동 모터(360)를 포함하는 구동부(150)를 통해 도약부(120)의 복수의 다리들(122)을 원칭 케이블(280)을 이용하여 폴딩 상태에서 탄성체(270)에 저장된 탄성력을 이용해 짧은 시간에 원래 길이로 복원함으로 수직 도약을 수행하고 동시에 날개부(140)의 복수의 플래퍼들(142)을 날갯짓 수행 시켜 도약부(120)의 도약 수행만을 할 때 보다 더 높이 도약 이동 할 수 있다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 도약 비행 로봇
110: 제1 베이스 120: 도약부
122: 복수의 다리들 130: 제2 베이스
140: 날개부 142: 복수의 플래퍼들
150: 구동부
210: 제1 링크 220: 제2 링크
230: 제3 링크 240: 제1 관절
250: 제2 관절 260: 제3 관절
270: 복수의 탄성체들 280: 윈칭 케이블
310: 제1 기어 320: 제2 기어
330: 제3 기어 340: 제4 기어
350: 클러치 샤프트 360: 구동 모터
370: 컨트롤 서보 372: 푸싱 레버 크랭크
374: 푸싱 레버 410: 롤러 부
420: 복수의 롤러들
510: 슬라이딩-크랭크 기어 520: 랙-피니언 기어

Claims (11)

  1. 제1 베이스;
    상기 제1 베이스 상에 직립 되고 수직 도약을 지원하는 복수의 다리들을 포함하는 도약부;
    상기 복수의 다리들을 결합하는 제2 베이스;
    상기 제2 베이스 상에 결합된 복수의 플래퍼들을 포함하는 날개부; 및
    상기 제2 베이스 상에 배치되고 상기 복수의 다리들과 상기 복수의 플래퍼들을 동시에 동작시키는 구동부를 포함하는 도약 비행 로봇.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 다리들 각각은
    상기 제1 및 제2 베이스들과 각각 연결된 제1 및 제2 링크들;
    상기 제1 및 제2 링크들 간에 배치되는 관절; 및
    상기 구동부에 의해 제어되고 상기 제1 링크의 말단을 당길 수 있는 윈칭 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 비행 로봇.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 다리들 각각은
    상기 윈칭 케이블을 통한 수직 도약 과정에서 상기 제2 링크의 중단에 연결되고 상기 제1 링크의 중단을 왕복 이동할 수 있는 제3 링크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 비행 로봇.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 다리들 각각은
    상기 제1, 제2 링크를 연결하는 관절과 상기 제3 링크의 왕복 이동 가능한 말단 간에 연결된 수직 도약을 위한 도약력을 생성하는 적어도 하나의 탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 비행 로봇.
  5. 제1항에 있어서, 상기 구동부는
    상기 복수의 다리들을 구동시키고 제1 기어비를 통해 윈칭 케이블을 제어하는 제1 기어;
    상기 복수의 플래퍼들을 제2 기어비를 통해 구동시키는 제2 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 비행 로봇.
  6. 제5항에 있어서, 상기 구동부는
    상기 제1 및 제2 기어들과 클러치 메커니즘을 통해 체결 또는 이격되고 상기 제1 및 제2 기어들을 선택적으로 구동시키는 제3 기어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 비행 로봇.
  7. 제6항에 있어서, 상기 구동부는
    구동 모터; 및
    상기 구동 모터와 연결되고 상기 제3 기어를 상시 구동하는 제4 기어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 비행 로봇.
  8. 제6항에 있어서, 상기 구동부는
    푸시 상태에서 상기 제3 기어를 상기 제1 기어에 체결시키고 넌-푸시 상태에서 상기 제3 기어를 상기 제2 기어에 체결시켜, 상기 제3 기어의 선택적 구동을 지원하는 푸싱 레버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 비행 로봇.
  9. 제5항에 있어서, 상기 구동부는
    상기 윈칭 케이블의 힘의 방향을 조절하는 적어도 하나의 롤러를 포함하는 롤러부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 비행 로봇.
  10. 제5항에 있어서, 상기 구동부는
    상기 제2 기어와 슬라이더-크랭크를 통해 체결되어 상기 복수의 플래퍼들을 구동시키는 랙-피니언 기어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 도약 비행 로봇.
  11. 제1 베이스;
    상기 제1 베이스 상에 직립 되고 수직 도약을 지원하고 각각은 관절을 통해 상호 연결된 제1 및 제2 링크들, 상기 제2 링크의 중단에 고정되고 상기 제1 링크의 중단을 왕복 이동할 수 있는 제3 링크와 상기 관절과 상기 제3 링크의 왕복 이동 가능한 말단 간에 연결된 탄성체를 포함하는 복수의 다리들을 포함하는 도약부;
    상기 복수의 다리들을 결합하는 제2 베이스;
    상기 제2 베이스 상에 배치되고 구동 모터를 통해 상기 제1 및 제2 링크들을 폴딩 시켜 상기 탄성체의 탄성력을 생성하고 상기 탄성력을 통해 수직 도약을 지원하는 구동부를 포함하는 도약 비행 로봇.




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