KR102302454B1 - 물고기 로봇 - Google Patents

Abstract

중력을 증가시켜 잠수 유영을 쉽게 할 수 있도록 한 물고기 로봇을 제시한다. 제시된 물고기 로봇은 메인 몸통부 및 상기 메인 몸통부의 후부에 상호 별개로 좌우 회전가능하게 연속적으로 결합된 하나 이상의 관절부를 포함하는 물고기 로봇에 있어서, 메인 몸통부 및 하나 이상의 관절부는 내부 부품이 설치된 인바디, 인바디의 상하좌우의 외측면에 결합된 아웃바디, 및 아웃바디의 외측면을 감싸는 외피를 포함한다.

Description

물고기 로봇{Fish robot}

본 발명은 물고기 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수중에서의 유영효율을 향상시키도록 하는 물고기 로봇에 관한 것이다.

통상적인 다관절의 물고기 로봇은 도 1에서와 같이 메인 몸통부(100), 제 1 관절부(200), 및 제 2 관절부(300)를 포함한다.

메인 몸통부(100)와 제 1 관절부(200) 및 제 2 관절부(300)는 각각 모듈화되고, 제 1 관절부(200) 및 제 2 관절부(300)는 메인 몸통부(100)에 연속적으로 결합 형성될 수 있다.

메인 몸통부(100)는 머리쪽에 형성된다.

제 1 관절부(200) 및 제 2 관절부(300)는 물고기 로봇의 유영 동작이 가능하도록 회전력을 제어하는 하나 이상의 구동모터 및 회전축을 구비할 수 있으며, 메인 몸통부(100)와 연속적으로 체결되고 이후 꼬리부가 결합되어 물고기 로봇의 전체적인 몸통 형상을 나타낼 수 있다.

특히, 제 1 관절부(200)와 제 2 관절부(300)는 회전 가능하게 고정된 회동부를 각각 포함한다. 회동부는 관절 역할을 수행하기 위한 것으로서 구동모터에 체결되어 구동모터의 회전에 따라 고속 또는 저속, 큰 각도 또는 작은 각도 등과 같은 여러 조건으로 좌우로 움직이게 된다.

제 2 관절부(300)의 후단에는 꼬리부가 연결될 수 있으며, 꼬리부는 제 1 관절부(200) 및 제 2 관절부(300)의 구동에 의한 회전력을 최종적으로 전달받아 좌우 유연운동을 제공하고, 이에 따라 물고기 로봇이 물속에서 유영할 수 있게 된다.

이러한 종래의 물고기 로봇의 메인 몸통부(100)를 세로방향으로 절개하여 내부를 살펴보면 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같을 수 있다. 도 2에서, 메인 몸통부(100)는 콘트롤 보드(101)와 배터리 보드(102) 및 배터리(103) 등의 내부 부품(110)이 설치된 타원원통형의 인바디(120), 및 인바디(120)를 감싸는 외피(130)로 구성될 수 있다. 물론, 제 1 관절부(200) 및 제 2 관절부(300)에도 타원형의 인바디가 설치되고, 제 2 몸통부(200) 및 제 3 몸통부(300)도 외피로 감싸여져 있다.

여기서, 인바디(120)의 체적은 수중에서 물고기 로봇의 부력의 크기를 결정짓는다. 도 3은 물속에 잠겨있는 경우의 물고기 로봇의 인바디(120)의 형상을 단순화한 것이다. 도 3에 예시한 바와 같이, 인바디(120)의 빈공간이 공기로 채워진 물고기 로봇의 인바디(120)의 길이 L = 100 cm 라고 가정하고, 상하방향 장축의 길이 D = 25 cm 라고 가정하고, 좌우방향 단축의 길이 d = 20cm 라고 가정하면, 인바디(120)의 단면적(A) 및 체적(V)은 하기와 같이 구해질 수 있다.

즉, 인바디(120)의 단면적 A = π * D/2 * d/2 = π/4 * D * d = π * 12.5cm * 10cm = 392.5 cm²이고, 인바디(20)의 체적 V = A * L = 392.5 cm² * 100 cm = 39250 cm³ = 0.03925 m³이다.

물고기 로봇이 물속에 잠겼을 때(즉, 인바디(120)가 물속에 잠겼을 때) 물고기 로봇을 위로 떠오르게 하는 부력의 크기는 하기와 같이 인바디(120)에 가해지는 부력(F_B)으로 구해질 수 있다.

즉, 인바디(120)에 가해지는 부력 F_B = ρ_water * V * g = 1000 kg/m³ * 0.03925 m³ * 9.8 m/s² = 384.7 kgm/s² = 384.7 N 이다. 여기서, F_B는 부력(F Buoyance)이고, ρ_water는 물 밀도로서 1000 kg/m³ 이고, g는 중력가속도로서 9.8 m/s²이다.

그리고, 물고기 로봇이 수중에 잠겨 있을 때, 물고기 로봇에게는 도 4에서와 같이 부력(F_B)과 중력(F_G)이 동시에 가해진다.

여기서, 물고기 로봇에 가해지는(보다 구체적으로는 물고기 로봇의 인바디에 가해지는) 부력은 앞서 설명한 바와 같이 F_B = ρ_water * V * g로 구할 수 있다.

그리고, 물고기 로봇에 가해지는(보다 구체적으로는 물고기 로봇의 인바디에 가해지는) 중력은 F_G = ρ_object * V * g로 구할 수 있다. 여기서, F_G는 중력(F Gravity)이고, ρ_object는 물체 밀도이고, V는 체적이고, g는 중력가속도이다.

만약, F_B = F_G 이면 물고기 로봇은 가만히 있고, F_B > F_G 이면 물고기 로봇은 떠 오르고, F_B < F_G 이면 물고기 로봇은 가라앉는다.

결국, 힘은 인바디(120)의 체적 V는 동일하고, 중력가속도 g도 동일하므로 서로 상쇄되어, 밀도 ρ에 따라서 힘의 방향이 결정된다.

기본적으로 물고기 로봇을 조립하면 인바디(120)의 내부는 공기로 채워지게 되므로, 물 밀도 ρ_water = 1000kg /m³(4℃)이고, 공기 밀도 ρ_air = 1.225kg /m³(15℃, 1 bar)이다.

ρ_water = 816 * ρ_air 이므로, F_B = 816 F_G이다. 즉, 부력 F_B 가 중력 F_G 보다 816배 가량 더 크다.

인바디(120) 내부의 부품(110)과 인바디(120)의 무게를 전부 반영을 하여도 F_B ≫ F_G 이므로, 물고기 로봇은 가만히 있으면 기본적으로 떠 오르게 되어 있다. 그에 따라, 물고기 로봇이 잠수를 하기 위해서는 F_B < F_G + F_D(여기서, F_D = F Down)를 만들어 주어야 만이 부력을 극복하고 잠수를 하게 된다.

따라서, F_D를 만들기 위한 추진력을 얻기 위하여 물고기 로봇의 각 관절은 계속해서 운동을 하여야 한다. 그에 따라, 지속적으로 에너지가 소모되어 많은 에너지가 소요되며, 충전 주기가 빨라지게 되어 관리자의 업무 부하가 증가한다. 또한, 배터리의 반복 충전에 의해서 배터리의 수명이 단축된다. 그리고, 잠수를 위한 과도한 운동으로 모터 부하가 증가하여 모터 수명을 단축시키는 문제점 등이 발생한다.

선행기술 1 : 대한민국 등록특허 제10-1329064호(가스 충전 물고기 로봇) 선행기술 2 : 대한민국 공개특허 제10-2017-0143140호(무게조절이 가능한 물고기로봇)

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 중력을 증가시켜 잠수 유영을 쉽게 할 수 있도록 한 물고기 로봇을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 물고기 로봇은, 메인 몸통부 및 상기 메인 몸통부의 후부에 상호 별개로 좌우 회전가능하게 연속적으로 결합된 하나 이상의 관절부를 포함하는 물고기 로봇에 있어서, 상기 메인 몸통부 및 상기 하나 이상의 관절부는, 내부 부품이 설치된 인바디; 상기 인바디의 상하좌우의 외측면에 결합된 아웃바디; 및 상기 아웃바디의 외측면을 감싸는 외피;를 포함한다.

상기 인바디에서 상기 내부 부품이 설치되는 공간에는 공기가 채워지고, 상기 아웃바디는 공기보다는 밀도가 높고 물보다는 밀도가 낮은 재료로 형상화될 수 있다.

상기 재료의 밀도는 10kg/m³ ~ 200kg/m³ 일 수 있다.

상기 재료는, 발포수지일 수 있다.

상기 인바디는, 전면 판, 후면 판, 상면 판, 및 하면 판이 일체로 형성된 메인 프레임; 및 상기 메인 프레임의 좌우 측면 개구부를 커버하는 좌측면 판 및 우측면 판;을 포함할 수 있다.

상기 메인 프레임은, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(acrylonitrile-butadien-styrene; ABS) 수지로 구성될 수 있다.

상기 좌측면 판 및 우측면 판은, 상기 메인 프레임과 동일 재질 또는 다른 재질로 이루어질 수 있다.

상기 아웃바디는, 상기 좌측면 판의 외측면에 결합되는 좌측 아웃바디; 상기 우측면 판의 외측면에 결합되는 우측 아웃바디; 상기 상면 판의 외측면에 결합되는 상측 아웃바디; 및 상기 하면 판의 외측면에 결합되는 하측 아웃바디;를 포함할 수 있다.

상기 좌측 아웃바디와 상기 우측 아웃바디와 상기 상측 아웃바디 및 상기 하측 아웃바디는 외향되게 볼록한 형상일 수 있다.

상기 아웃바디는 물고기 형상 및 어종에 따라 교체 가능한 형태로 결합될 수 있다.

상기 외피는 탄성 재질로 이루어질 수 있다.

상기 아웃바디는 침수로 인해 상기 인바디에 물이 차도 물고기 로봇을 가라않지 않도록 하는 밀도 및 형상을 가질 수 있다.

이러한 구성의 본 발명에 따르면, 인바디를 조합하여 물고기 로봇의 코어를 구성하고, 인바디의 내부 부품이 차지하는 공간을 제외한 가장자리의 빈 공간을 충진물질로 채워서 물고기 형상의 아웃바디로 하고, 아웃바디의 외측면을 외피로 감싸는 형태를 취함으로써, 물고기 로봇에 가해지는 중력을 증가시킬 수 있다.

이와 같이 물고기 로봇에 가해지는 중력을 증가시킴으로써 물고기 로봇이 잠수 유영을 쉽게 할 수 있게 되어, 물고기 로봇의 유영 효율을 향상시킨다.

이와 같이 물고기 로봇에 가해지는 중력을 증가시킴으로써 소모되는 에너지량을 기존과 대비하여 저감시킬 수 있고, 충전 주기도 늦추게 되어 관리자의 업무 부하를 감소시키고, 배터리의 수명 및 모터의 수명을 연장시킨다.

또, 성형성이 뛰어난 성질을 갖고 있는 아웃바디의 형상 변경으로 다양한 모양의 물고기 로봇을 구현할 수 있다.

도 1은 종래의 물고기 로봇의 측면을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 물고기 로봇의 메인 몸통부의 내부 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 물고기 로봇에서의 부력과 중력간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇의 인바디를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇의 아웃바디를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇의 아웃바디에 대한 부연 설명을 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇의 아웃바디의 형상 변경에 따른 다양한 어종 구현이 가능함을 보여주기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇의 인바디를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇의 아웃바디를 설명하기 위한 도면이고, 도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇의 아웃바디에 대한 부연 설명을 위한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇은 수중에서 물고기 형상으로 잠수 또는 부상하면서 사인곡선형(Sinusoidal)의 유영 운동을 하는 로봇이다.

본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇은, 내부 부품이 위치하는 인바디, 인바디의 상하좌우의 외측면에 결합된 아웃바디, 및 아웃바디의 외측면을 감싸는 외피를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇은 메인 몸통부 및 하나 이상의 관절부를 포함하는데, 메인 몸통부와 각각의 관절부마다 인바디와 아웃바디 및 외피가 있는 것으로 이해하면 된다.

먼저, 인바디에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

이하에서는 머리쪽에 형성된 메인 몸통부의 인바디를 예로 들어 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇의 인바디는 도 5에서와 같이 내부 부품을 최소 공간으로 위치시킬 수 있는 사각함 구조로 형성될 수 있다. 즉, 인바디는 도 5에서와 같이 4개의 판(전면 판(10a), 후면 판(10b), 상면 판(10c), 하면 판(10d))이 일체로 사출형성된 메인 프레임(10), 및 메인 프레임(10)의 좌우 측면 개구부를 커버하는 측면 판(12, 14)으로 구성될 수 있다.

여기서, 메인 프레임(10)의 내부에는 콘트롤 보드(101)와 배터리 보드(102) 및 배터리(103) 등과 같은 내부 부품(110)이 설치되고, 메인 프레임(10)의 좌측 개구부에는 좌측면 판(12)이 결합되고, 메인 프레임(10)의 우측 개구부에는 우측면 판(14)이 결합된다.

메인 프레임(10)의 전면 판(10a)은 상대적으로 머리쪽을 향하게 위치하고, 후면 판(10b)은 상대적으로 꼬리쪽을 향하게 위치하고, 상면 판(10c)은 상대적으로 등지느러미쪽을 향하게 위치하고, 하면 판(10d)은 상대적으로 배지느러미쪽을 향하게 위치한다고 볼 수 있다.

그리고, 배터리(103)는 메인 프레임(10)의 하면 판(10d)의 상면에 수평되게 실장될 수 있고, 배터리 보드(102)는 배터리(103)와 상면 판(10c)의 사이에 수평되게 실장될 수 있고, 콘트롤 보드(101)는 메인 프레임(10)내에서 배터리 보드(102)와는 이격되게 상부에 수평되게 실장될 수 있다.

여기서, 상술한 구조의 메인 프레임(10)이 필요한 이유는 조립의 용이성을 제공하기 위한 것으로서, 내부 부품을 좌우측방으로 손쉽게 실장할 수 있게 하기 위함이다.

예를 들어, 배터리(무게추 역할을 병행)의 경우, 통상적으로 리니어 기어에 의해 전후로 움직이므로 상하 방향으로 집어넣어 조립하는 것보다는 좌우 측방으로 집어넣어 조립하는 것이 훨씬 편리하다. 또한, 모터축의 경우 상하 방향으로 설치되기 때문에 상면이 개방된 구조보다는 상하가 막혀 있는 일체형 사출물 구조에서 보다 안정적으로 설치될 것이다.

특히, 4개의 판(전면 판(10a), 후면 판(10b), 상면 판(10c), 하면 판(10d))을 일체로 형성시키게 되면 물고기 로봇의 길이방향으로의 치수변형, 뒤틀림, 균열 등에 있어서 높은 안정성을 유지할 수 있게 된다.

메인 프레임(10)의 내부에 부품(110)을 설치한 후에는 좌측면 판(12) 및 우측면 판(14)으로 메인 프레임(10)의 좌측면 개구부와 우측면 개구부를 막으면 된다.

예를 들어, 메인 프레임(10)은 ABS(acrylonitrile-butadien-styrene; 아크릴로니트릴부타디엔스티렌) 수지로 사출 성형될 수 있다.

그리고, 좌측면 판(12) 및 우측면 판(14)은 메인 프레임(10)과 동일 재질 또는 다른 재질로 이루어질 수 있다.

인바디의 내부에 부품이 설치되고 남은 공간에는 공기로 채워질 수 있다.

이번에는 아웃바디에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

아웃바디는 도 6에서와 같이 인바디의 외측면에 결합된다. 아웃바디는 소정의 형상을 취하는데, 충진재(예컨대, 발포폴리스티렌 ; Expandable Polystyrene(EPS))에 의해 소정의 형상으로 형상화될 수 있다.

아웃바디는 외향되게 볼록한 형상을 취한다. 아웃바디는 도 6에서와 같이 인바디의 좌측면 판(12)의 외측면에 결합되는 좌측 아웃바디(20), 인바디의 우측면 판(14)의 외측면에 결합되는 우측 아웃바디(22), 인바디의 메인 프레임(10)의 상면 판(10c)의 외측면에 결합되는 상측 아웃바디(24), 및 인바디의 메인 프레임(10)의 하면 판(10d)의 외측면에 결합되는 하측 아웃바디(26)로 구성될 수 있다.

상술한 아웃바디는 성형성이 뛰어나면서, 원가 절감을 충분히 할 수 있는 상용화된 재료, 충격흡수성이 뛰어나 외부 충격의 내부로의 전달율이 낮아야 하며, 변형되었을 때 형상 복원이 용이한 재료로 구성됨이 바람직하다.

또한, 아웃바디는 물고기 형상 및 어종에 따라 교체 가능한 다양한 형태를 가지며, 인바디의 메인 프레임(10)에 결합됨으로써, 물고기 형상에 따른 다양한 형태 변경에 의한 어종다양성을 구현할 수 있다.

물고기 로봇은 수중내에서 동작을 멈추게 되면 부력에 의하여 물 표면으로 상승하도록 제작되었으므로, 아웃바디(20, 22, 24, 26)는 물 밀도보다는 가벼운 재료를 사용하여야 할 것이다.

따라서, 아웃바디(20, 22, 24, 26)는 공기보다는 밀도가 높고 물보다는 밀도가 낮은 발포폴리스티렌(EPS)과 같은 발포수지로 구성될 수 있다. 공기의 밀도(ρ_air)는 1.225kg/m³ 이며, 물의 밀도(ρ_water)는 1000kg/m³ 이므로, 예를 들어 아웃바디(20, 22, 24, 26)의 재료(예컨대, EPS)의 밀도(ρfilling substance)는 1.225kg/m³ < ρfilling substance < 1000kg/m³ 이어야 할 것이다. 보다 바람직하게는, 인바디 내부에 설치된 부품들(배터리, 센서, 모터 등)과 인바디 재질(ABS ρ_ABS = 1050kg/m³) 등을 모두 고려하였을 때, 아웃바디(20, 22, 24, 26)의 재료(예컨대, EPS)의 밀도는 10kg/m³ < ρ_{filling substance} < 200kg/m³으로 하는 것이 적합하다.

상술한 바와 같이 충진재(예컨대, 발포폴리스티렌(EPS))로 형상화된 아웃바디(20, 22, 24, 26)의 필요성에 대해 도 7 및 도 8을 참조하여 부연 설명을 하면 하기와 같다.

먼저, 도 2 또는 도 3과 같이 물고기 로봇의 형태를 단순화하여 타원원통구조로 하고, 길이 L = 100cm로 하고, 단면의 장축길이 D = 25cm로 하고, 단면의 단축길이 d = 20cm로 가정한 경우를 상정한다. 이 경우, 물고기 로봇의 인바디 내부에는 부품이 차지하는 공간 이외로, 가운데 부분을 중심으로 상하좌우 가장자리에 빈 공간이 생기게 된다. 이 경우에서의 인바디 단면적 A_ellipse = π * D/2 * d/2 = 392.5 cm²이고, 인바디 체적 V_ellipse = A_ellipse * L = 0.03925 m³이다.

이번에는 도 7과 같이 인바디의 상하좌우 가장자리의 빈 공간을 다른 충진재로 채워 넣는 경우를 생각하여 보자. 도 7과 같은 경우에 있어서, 가운데 단면적 A_rectangular = 15cm * 12cm = 180 cm²이 되고, 충진재로 채워진 가장자리 공간의 단면적 A_eps = A_ellipse - A_rectangular = 392.5 cm² - 180 cm² = 212.5 cm²이 될 것이다. 또한, 발포폴리스티렌(EPS)을 충진재로 사용하는 경우에 있어서, EPS의 밀도 ρ_eps = 16kg/m³ 이고, 공기의 밀도 ρ_air = 1.225kg/m³ 이다.

따라서, 도 7과 같이 인바디의 가장자리에 충진재(예컨대, EPS)가 채워진 경우에 있어서, 평균밀도 ρ_fill = (공기층 체적/총 체적) * ρ_air + (충진재 체적/총체적) * ρ_eps = (180/392.5) * ρ_air + (212.5/392.5) * ρ_eps = (180/392.5) * 1.225 kg/m³ + (212,5/392.5) * 16 kg/m³ = 9.2655 kg/m³ 이다.

물고기 로봇이 물속에 잠수하고 있는 경우를 생각하여 보자.

일 예로, 도 8의 (a)와 같이 인바디의 빈 공간이 공기로 채워진 상태에서 물속에 잠겼을 때, 물고기 로봇이 받는 부력(F_B-air)과 중력(F_G-air)은 하기와 같다.

부력 F_B-air = ρ_water * V_ellipse * g = (1000kg/m³) * 0.03925 m³ * 9.80666 m/s² = 384.9 kg ㆍm/s² 이다. 중력 F_G-air = ρ_air * V_ellipse * g = (1.225kg/m³) * 0.03925 m³ * 9.80666 m/s² = 0.472 kg ㆍ m/s² 이다. 따라서, 인바디의 빈 공간이 공기로 채워진 상태에서 물속에 잠겼을 때, F_B-air ≫ F_G-air 이므로 물고기 로봇은 물위로 떠오르게 된다.

한편, 다른 예로 도 8의 (b)와 같이 인바디의 빈 공간이 충진재(예: EPS)로 채워진 상태에서 물속에 잠겼을 때, 물고기 로봇이 받는 부력(F_B-fill)과 중력(F_G-fill)은 하기와 같다.

부력 F_B-fill = ρ_water * V_ellipse * g = (1000kg/m³) * 0.03925 m³ * 9.80666 m/s² = 384.9 kg ㆍ m/s2이다. 즉, 물고기 로봇이 받는 부력(F_B-fill)은 물고기 로봇이 받는 부력(F_B-air)과 동일하다. 한편, 중력 F_G-fill = ρ_average * V_ellipse * g = (9.2242kg/m³) * 0.03925 m³ * 9.80666 m/s² = 3.550 kg ㆍm/s² 이다. 따라서, 인바디의 빈 공간이 충진재(예: EPS)로 채워진 상태에서 물속에 잠겼을 때, F_B-fill ≫ F_G-fill 이므로 물고기 로봇은 물위로 떠오르게 된다.

결국, 부력 - 중력의 차이만큼의 힘을 가해야만 물고기 로봇이 수중으로 잠수유영을 할 수 있다. 따라서, 크기가 일정한 물고기 로봇은 부력이 동일하므로, 물고기 로봇에 가해지는 중력이 커질수록 잠수를 하는데 유리하고, 소요되는 에너지량 역시 작아지게 된다.

상술한 바와 같이 인바디 내부의 빈공간이 전부 공기로 채워진 경우와 내부 부품이 위치하는 곳을 제외한 가장자리 부분(즉, 아웃바디가 될 부분)을 충진재로 채운 경우에서의 중력을 비교하여 보면, 중력(F_G-fill)은 대략 7.5 중력(F_G-air)이다. 따라서, 인바디 내부 가장자리를 충진재(예: EPS)로 채워진 경우, 잠수를 위해서 필요한 에너지는 대략 1/8 정도로 줄어들게 된다.

실제로 본 출원인의 2관절 물고기 로봇(모델명 ; MIRO-9)의 경우, 내장된 총 배터리 용량이 83.22watt에서 인바디의 빈공간이 공기로 채워진 경우에 있어서, 부력 F_B-air를 극복하면서 수중에서 잠수 상태를 유지하면서 유영할 수 있는 시간은 최초에는 대략 4시간 정도였다. 그러나, 다양한 실험을 통하여 인바디 빈공간의 크기를 최적화하고 그 가장자리를 적합한 충진재로 채운 경우, 수중에서 잠수 상태에서의 계속 유영시간은 16시간 이상으로 증가되었으며, 물의 조건에 따라 최대 24시간동안 계속 유영이 가능하게 유영능력이 향상되었다.

이와 같은 설명을 근거로, 아웃바디(즉, 기존의 인바디의 빈 공간을 채운 충진재로 형상화된 구조물)(20, 22, 24, 26)는 상술한 바와 같이 공기 밀도 보다는 무거우면서 물 밀도보다는 가벼운 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 그에 따라, 아웃바디(20, 22, 24, 26)의 재료의 밀도는 상기에서 언급한 바와 같이 인바디 내부에 설치된 부품들(배터리, 센서, 모터 등)과 인바디 재질(ABS ρ_ABS = 1050kg/m³) 등을 모두 고려하였을 때, 10kg/m³ < ρ_{filling substance} < 200kg/m³으로 하는 것이 가장 적합하다.

특히, 아웃바디(20, 22, 24, 26)에 의한 효과라고 할 수 있는데, 본 발명에서와 같이 아웃바디를 충진재(예컨대, EPS)로 채운 구조의 물고기 로봇은 인바디가 완전 침수가 되어도 기존과 달리 물고기 로봇의 평균 밀도가 물의 밀도보다 낮아서 물위로 떠오르게 된다. 이에 대해 하기에 부연설명한다.

먼저, 종래의 물고기 로봇은 도 3과 같은 타원원통형의 인바디(120)를 가진 것으로 가정하고, 이에 비교되는 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇은 도 7과 같은 조건을 가진 것으로 가정한다.

도 3의 종래의 물고기 로봇의 인바디(120)의 내부가 모두 공기 상태에서 침수로 인하여 물로 다 채워지게 되는 경우, 내부 부품의 밀도와 인바디의 밀도 등을 모두 고려하면, 침수 물고기 로봇의 평균밀도 ρ_{water flooding} = 인바디 밀도 ρ_ABS *(인바디 체적/총체적) + 내부부품 밀도 ρ_parts * (내부부품 체적/총체적) +침수공간 물밀도 ρ_water * (침수부분 체적/총체적) 이다.

여기서, 인바디 밀도 ρ_ABS 와 내부부품 밀도 ρ_parts는 모두 물 밀도 ρ_water 보다 크다.

따라서, 침수된 물고기 로봇의 평균 밀도 ρ_{water flooding} > ρ_water이므로, 인바디(120)의 내부가 모두 공기 상태에서 침수로 인하여 물로 다 채워지게 되면 기존의 물고기 로봇은 무조건 바닥에 가라앉는다.

이에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇은 인바디의 내부가 모두 공기 상태에서 침수로 인하여 물로 다 채워지게 되더라도 하기와 같은 이유로 인해 가라않지 않는다.

도 7의 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇의 인바디의 가장 자리(즉, 아웃바디가 되는 부분)가 충진재(예컨대, EPS)로 채워진 상태에서 침수가 되어서 인바디의 내부 공간에 물이 가득 찬 경우이면,

Ρ_{fill-flooding} = (공기층 체적/총 체적) * ρ_water + (충진재 체적/총체적) *ρ_eps

= (180/392.5) * ρ_water + (212.5/392.5) * ρ_eps

= (180/392.5) * 1000 kg/m³ + (212.5/392.5) * 16 kg/m³

= 467.3 kg/m³ < 1000 kg/m³ = Ρ_water 이다.

그에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇은 인바디의 내부가 모두 공기 상태에서 침수로 인하여 물로 다 채워지게 되더라도 물 위로 떠오르게 된다. 이는 상술한 바와 같이 공기보다는 밀도가 높고 물보다는 밀도가 낮은 재질로 형상화된 아웃바디를 인바디의 상하좌우 외측면에 결합시켰기 때문이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇의 아웃바디의 형상 변경에 따른 다양한 어종 구현이 가능함을 보여주기 위한 도면이다.

상술한 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇은 아웃바디의 형상을 변경함으로써 다양한 어종을 구현할 수 있다.

즉, 도 9의 (a), (b), (c)에 예시한 바와 같이 아웃바디(20, 22, 24, 26)의 형상은 구현하고자 하는 어종의 형태에 따라 변경하면 되므로, 언제든지 자신이 원하는 형태의 어종을 구현할 수 있다.

그리고, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇의 아웃바디(20, 22, 24, 26)는 외피(30)로 감싸여진다. 즉, 외피(30)는 아웃바디(20, 22, 24, 26)의 외측면에 부착 또는 밀착된다고 볼 수 있다.

외피(30)는 아웃바디(20, 22, 24, 26)의 외측면이 물에 직접 닿는 것을 방지한다. 이를 통해, 아웃바디(20, 22, 24, 26)의 수분 흡수를 방지할 수 있어서 아웃바디(20, 22, 24, 26)의 팽창을 방지하게 된다. 따라서, 물속에서 흡수에 의한 아웃바디(20, 22, 24, 26)의 팽창과 충전시 건조에 의한 아웃바디(20, 22, 24, 26)의 수축을 방지할 수 있어서 형상 변형, 뒤틀림 등에 의한 틈새 발생, 균열 발생, 조립 풀림 등을 방지하여 누수를 막아준다.

또한, 물고기 로봇이 타 물체와 출동시 외피(30)가 충격을 완화하여 아웃바디(20, 22, 24, 26)로의 충격 전달을 감소시키고, 이로 인해 인바디 내부의 부품의 안전성을 향상시킨다.

그에 따라, 외피(30)는 물고기 로봇이 외부 물체와의 충돌시에 충격을 완화시켜 줄 수 있는 정도의 탄성을 가지는 것이 바람직하다.

도 9에서, 미설명 부호 32는 등 지느러미를 나타내고, 미설명 부호 34는 가슴 지느러미를 나타낸다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇을 기존의 물고기 로봇과 비교하여 보면 하기와 같다.

기존의 물고기 로봇은 가스 또는 공기를 공간에 가두어 공기 탱크를 만들어 부력을 생성시킨다. 이와 같은 경우 인바디(밀폐 용기)에 누수가 발생하면 침수가 되어 물고기 로봇이 바닥으로 가라앉아 버리는 문제가 발생한다. 침수로 인한 피해는 내부 회로와 내부 부품의 부식을 가져와서 더 이상 사용하기 어렵게 만든다. 한편, 기존에는 질소를 가압하여 동일 공간에 압축시키기도 하는데, 이 경우에도 공기밀도 상승에 의한 중력 증가 효과는 미미하다. 그에 따라, 동일한 체적, 동일한 부력에서 중력이 크게 늘어나지 않아서 부력을 거슬려서 잠수 능력을 배가시키는 역할을 하지 못한다.

그러나, 본 발명의 실시예에 따른 물고기 로봇은 내부 부품이 설치되는 사각함 구조의 인바디의 사이즈를 최적화하여 공기층을 최소화하고, 공기 밀도보다는 무거우면서 물 밀도보다는 가벼운 재료(예컨대, EPS)를 사용하여 인바디의 외측에 아웃바디를 설치함으로써, 평균밀도를 기존 대비 8배 가량 대폭 증가시켜 잠수 능력을 대폭 향상시킨다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 메인 프레임 12, 14 : 측면 판
20, 22, 24, 26 : 아웃바디 30 : 외피

Claims (12)

1. 메인 몸통부 및 상기 메인 몸통부의 후부에 상호 별개로 좌우 회전가능하게 연속적으로 결합된 하나 이상의 관절부를 포함하는 물고기 로봇에 있어서,
   상기 메인 몸통부 및 상기 하나 이상의 관절부는,
   내부 부품이 설치된 인바디;
   상기 인바디의 상하좌우의 외측면에 결합된 아웃바디; 및
   상기 아웃바디의 외측면을 감싸는 외피;를 포함하고,
   상기 인바디에서 상기 내부 부품이 설치되는 공간에는 공기가 채워지고,
   상기 아웃바디는 공기보다는 밀도가 높고 물보다는 밀도가 낮은 재료로 형상화되고,
   상기 인바디는 전면 판, 후면 판, 상면 판, 및 하면 판이 일체로 형성된 메인 프레임; 및 상기 메인 프레임의 좌우 측면 개구부를 커버하는 좌측면 판 및 우측면 판;을 포함하고,
   상기 아웃바디는 상기 좌측면 판의 외측면에 결합되는 좌측 아웃바디; 상기 우측면 판의 외측면에 결합되는 우측 아웃바디; 상기 상면 판의 외측면에 결합되는 상측 아웃바디; 및 상기 하면 판의 외측면에 결합되는 하측 아웃바디;를 포함하는 것을 특징으로 하는 물고기 로봇.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 재료의 밀도는
   10kg/m³ ~ 200kg/m³ 인 것을 특징으로 하는 물고기 로봇.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 재료는,
   발포수지인 것을 특징으로 하는 물고기 로봇.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 메인 프레임은,
   아크릴로니트릴부타디엔스티렌(acrylonitrile-butadien-styrene; ABS) 수지로 구성되는 것을 특징으로 하는 물고기 로봇.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 좌측면 판 및 우측면 판은,
   상기 메인 프레임과 동일 재질 또는 다른 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 물고기 로봇.
8. 삭제
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 좌측 아웃바디와 상기 우측 아웃바디와 상기 상측 아웃바디 및 상기 하측 아웃바디는 외향되게 볼록한 형상인 것을 특징으로 하는 물고기 로봇.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 아웃바디는 물고기 형상 및 어종에 따라 교체 가능한 형태로 결합되는 것을 특징으로 하는 물고기 로봇.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 외피는 탄성 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 물고기 로봇.
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 아웃바디는 침수로 인해 상기 인바디에 물이 차도 물고기 로봇을 가라않지 않도록 하는 밀도 및 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 물고기 로봇.

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