KR20130134037A

KR20130134037A - 플래핑 기반 수중 로봇

Info

Publication number: KR20130134037A
Application number: KR1020120057263A
Authority: KR
Inventors: 안성훈; 김형중; 송성혁; 한민우; 이길용
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-10
Also published as: KR101376877B1

Abstract

본 발명은 외부 신호에 의해서 그 형상이 변형되는 지능형 재료 및 특정 방향으로 변형을 억제하는 방향성 재료를 포함하는 구동부; 상기 구동부와 연결된 본체; 및 상기 구동부가 일 방향으로 작동하는 제 1스트로크 및 상기 제 1스트로크와 반대방향으로 작동하는 제 2스트로크를 수행하도록 하는 제어부를 포함하고, 상기 구동부는 상기 지능형 재료의 배치 및 상기 방향성 재료의 방향성의 조합에 따라 굽힘 및 비틀림 중 적어도 하나 이상의 변형을 수행하는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇에 관한 것으로,
본 발명에 따르면, 능동 요소인 지능형 재료의 배치와 수동 요소인 방향성 재료의 방향성을 조절하여 간단한 구조로도 자연스러운 굽힘 동작과 비틀림 동작이 동시에 가능한 구동부를 구비한 수중 로봇을 제작할 수 있다.

Description

플래핑 기반 수중 로봇{Underwater Robot based on flapping}

본 발명은 지능형 재료 및 방향성 재료를 포함하는 구동부를 포함하는 플래핑 기반 수중 로봇에 관한 것이다.

지능형 재료는 최근의 연구들을 통하여 구조물의 능동 또는 수동 제어에 대한 다양한 문제에 활용되었다. 이러한 재료들에는 형상기억합금 등이 있다. 이러한 지능형 재료들은 구조에 직접 부착되거나 다른 재료에 삽입되어 구동기 형태로 사용된다.

여러 지능형 재료 중, 형상기억합금을 내장하여 복합재를 제작하는 연구로서, Roger (Craig A. Rogers, "Active vibration and structural acoustic control of shape memory alloy hybrid composites: Experimental results," The Journal of the Acoustical Society of America, Vol.88, No. 6, pp. 2803-2811, 1990)가 형상기억합금을 내장시킨 복합재를 제작하고, 이를 구동시켜 구조체에 추가적인 응력을 가하여 진동을 억제하는 연구를 실시하였다. Baz (A. Baz, T. Chen, and J. Ro, "Shape control of NITINOL-reinforced composite beams," Composites:Part B, Vol. 31, pp. 631-642, 2000) 는 형상을 조절할 수 있는 구조체로써 형상기억합금이 내장된 복합재를 제작하는 연구를 실시하였다. Jung (B. S. Jung, M. S. Kim, Y. M. Kim, W. Y. Lee, and S. H. Ahn, "Fabrication of smart air intake structure using Shape Memory Alloy wire embedded composite," Physica Scripta, accepted, 2010) 은 형상기억합금을 내장시킨 유리섬유 복합재를 제작하고, 그 구동량을 늘이기 위한 다양한 방법을 개발하는 연구를 진행하였다. Villanueva (A. A. Villanueva, K. B. Joshi, J. B. Blottmanm, and S. Priya, "A bio-inspired shape memory alloy composite (BISMAC) actuator," Smart Materials and Structure, Vol.19, pp. 1-17, 2010) 는 형상기억합금과 상온경화 실리콘을 이용하여 다양한 형상의 구동기를 제작하고, 형상에 따라 달라지는 구동을 측정하는 연구를 실시하였다.

형상기억합금을 사용하여 작은 크기의 로봇을 제작하는 연구로서, Kim (B.K Kim, M.G Lee, Y.P Lee, Y.I. Kim and G.H Lee, "An earthworm-like micro robot using shape memory alloy actuator", Sensors and Actuators A 125 (2006) 429~437) 은 형상기억합금과 수축 튜브, 운동방향을 결정해줄 바늘을 이용하여 전진이동이 가능한 지렁이 형상의 로봇을 제작하였다. Koh (J.S Koh and K.J Cho, "Omegabot : Biomimetic Inchworm Robot Using SMA Coil Actuator and Smart Composite Microstructures (SCM)", International Conference on Robotics and Biomimetics, December 19-23, 2009, Guilin, China) 는 SCM공정을 통해 제작한 복합재와 형상기억합금을 이용하여 오메가 봇이라는 자벌레 형상의 로봇을 제작하였다. Kim (M.S. Kim, W.S. Chu, J.H. Lee, Y.M. Kim, B.S. Jung and S.H. Ahn, "Manufacturing of inchworm robot using Shape Memory Alloy (SMA) embedded composite structure," International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, accepted, 2011)은 형상기억합금을 내장시킨 유리섬유 복합재에 이동방향에 따라 마찰력이 달라지도록 특수하게 제작한 발을 부착하여 전진이동이 가능한 자벌레 로봇을 제작하였다.

이와 다른 지능형 구조로는 멀티스테이블 (Multi-stable)복합체구조와 형상기억합금을 삽입한 복합체구조이다. 멀티스테이블 복합체구조로는 Diaconu (Diaconu, C.G., Weaver, P.M., Mattioni, F., Concepts for morphing airfoil sections using bi-stable laminated composite structures, Thin-Walled Structures 46 (6), pp. 689-701, 2008)가 제안한 바이 스테이블 (bi-stable) 모핑 애어포일 (morphing airfoil)과 Iannucci (L. Iannucci and A. Fontanazza, Design of Morphing Wing Structures, 3rd SEAS DTC Technical Conference, Edinburgh, 2008)가 제안한 멀티스테이블 모핑 윙 (multi-stable morphing wing) 등이 있는데 비록 추가의 에너지가 없이 변형된 형상을 유지하지만 지정된 형상으로만 변형 할 수 있어 원하는 형상으로 변화 시킬 수 없는 단점이 있다. 형상기억합금을 삽입한 복합체구조 (Shape Memory Alloy Comosites)는 가장 널리 알려져 있는 지능형구조로써 Lagoudas et al. 1994, Kawai et al. 1999, Murasawa et al. 2004, Khalili et al. 2007a, b, Yongsheng and Shuangshuang 2007, Zhou et al. 2004, Dano and Hyer 2003 등 많은 연구가 진행되었다. 이 유형의 지능형 구조는 원하는 형상으로 변형제어가 되지만 형상을 유지하려면 추가의 에너지가 필요하다. 또한 위에서 언급한 지능형구조들은 딱딱한 기저(hard matrix)에 국한되었다.

상술한 바와 같이, 지능형 재료는 최근의 연구들을 통하여 구조물의 능동 또는 수동 제어에 대한 다양한 문제에 활용되었다.

하지만, 다양한 연구 성과들에도 불구하고 대부분의 지능형 재료를 이용한 구조물의 변형 형태는 선형 또는 면외 굽힘을 보이는 정도에 그치고 있다. 또한 변형의 정도가 미미하여, 활용에는 한계가 있다. 또한 구동부가 전체 구조에서 차지하는 영역이 커 구조를 소형화하는데 한계가 있다.

또한, 보다 유연하고 연속적인 동작을 구현하기 위해 복잡한 구조(예를 들어 모터의 갯수, 관절의 갯수 증가)를 필요로 하는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 바와 문제점을 해결하고자 고안된 것으로, 본 발명은 간단한 구조로도 추력을 얻기 위한 굽힘 및 비틀림 동작이 자연스럽게 구현 가능한 구동부를 구비한 플래핑 기반 수중 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해서, 외부 신호에 의해서 그 형상이 변형되는 지능형 재료 및 특정 방향으로 변형을 억제하는 방향성 재료를 포함하는 구동부; 상기 구동부와 연결된 본체; 및 상기 구동부가 일 방향으로 작동하는 제 1스트로크 및 상기 제 1스트로크와 반대방향으로 작동하는 제 2스트로크를 수행하도록 하는 제어부를 포함하고, 상기 구동부는 상기 지능형 재료의 배치 및 상기 방향성 재료의 방향성의 조합에 따라 굽힘 및 비틀림 중 적어도 하나 이상의 변형을 수행하는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇을 제공한다.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 우선, 능동 요소인 지능형 재료의 배치와 수동 요소인 방향성 재료의 방향성을 조절하여 간단한 구조로도 자연스러운 굽힘 동작과 비틀림 동작이 동시에 가능한 구동부를 구비한 수중 로봇을 제작할 수 있다.

또한, 본 발명은 종래의 구동기를 이용한 로봇에 비해 그 구조가 간단하며, 제어가 용이하고, 크기가 작고, 에너지 소모가 적은 수중 로봇을 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 개략적인 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부의 일 실시예를 나타내는 분해사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 구동부의 제 1스트로크 및 제 2스트로크의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 링크부를 나타내는 도면이다.
도 8은 링크부 및 구동부의 연결관계를 나타내는 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부의 다른 실시예를 나타내기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부에서 굽힘 변형을 측정하는 실험장치를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부에서 비틀림 각도를 측정하는 실험장치를 나타내는 도면이다.
도 13은 다양한 방향각을 갖는 복수의 방향층을 포함하는 방향성 재료의 최대 굽힘 변형 및 최대 비틀림 각도를 측정한 실험데이터이다.
도 14는 지능형 재료의 굵기에 따른 최대 굽힘 변형 및 최대 비틀림 각도를 측정한 실험데이터이다.
도 15는 지능형 재료의 굵기에 따라 인가전류 및 구동 주파수가 어떻게 변하는지 측정한 실험데이터이다.
도 16은 지능형 재료의 굵기에 따른 방향성 재료의 최대 비틀림 각도를 측정한 실험데이터이다.
도 17은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부를 구동하여 발생되는 추력을 측정하기 위한 실험장치를 나타내는 도면이다.
도 18은 도 17의 실험장치를 통해 측정한 실험데이터를 정리한 도면이다.

이하에서는 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇은 구동부에서 발생된 추력으로 구동된다. 구동부는 지능형 재료 배치 및 방향성 재료의 방향성에 따라 서로 다른 비틀림 각도를 갖는 스트로크를 구현할 수 있어, 간단한 구조로도 자연스럽게 추력을 발생시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 개략적인 구성을 나타내는 블럭도이다.

도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇(100)은 본체(110), 구동부(120), 제어부(130)를 포함하고, 경우에 따라서 조향부(140), 및 링크부(150, 도 7참조)를 더 포함할 수 있다.

본체(110)는 구동부(120)를 제어하는 제어부(130)를 포함한다. 본체(110)에는 추력을 발생시키는 구동부(120)가 결합되며, 경우에 따라 구동부(120)는 해당 구동부(120)의 크기, 위치 등에 따라 주구동부, 보조구동부 등으로 세분화될 수 있으며, 상기 구동부(120)는 본체(110)를 기준으로 좌우에 대칭되게 형성되어 추력 발생 외에 조향을 도울 수도 있다.

본체(110)는 경우에 따라서 방향을 전환하는 조향부(140), 구동부(120)와 본체(110) 사이에 결합되는 링크부(150, 도 7참조)를 더 포함할 수 있다.

구동부(120)는 외부 신호에 의해서 그 형상이 변형되는 지능형 재료 및 특정 방향으로 변형을 억제하는 방향성 재료를 포함할 수 있고, 경우에 따라 외부 형태를 규정하는 기저 재료를 더 포함할 수 있다.

구동부(120)는 상기 지능형 재료의 배치 및 상기 방향성 재료의 방향성의 조합에 따라 굽힘 및 비틀림 중 적어도 하나 이상의 변형을 수행한다. 또한, 구동부(120)는 추력을 발생시키기 위해 일 방향으로 움직이는 제 1스트로크 및 상기 제 1스트로크와 반대방향으로 움직이는 제 2스트로크를 반복하여 추력을 발생한다.

이하, 상기한 굽힘 및 비틀림의 변형을 토대로 구동부(120)의 제 1스트로크 및 제 2스트로크를 반복하여 추력을 발생시키는 동작을 플래핑 동작이라 칭하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부의 일 실시예를 나타내는 평면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부의 일 실시예를 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부의 일 실시예를 나타내는 분해사시도이다.

도 2 내지 도 4에서 알 수 있듯이, 구동부(120)는 지능형 재료(121a, 121b), 방향성 재료(123), 및 기저 재료(125)를 포함한다.

기저 재료(125)는 상기 지능형 재료(121a, 121b) 또는 방향성 재료(123) 중 적어도 하나를 지지하면서 외부 형태를 규정한다. 기저 재료(125)는 구동부(120)의 효율적인 추력발생을 위해 유선형의 형상, 수중 동물의 물갈퀴 형상 등과 유사하게 형성할 수 있다.

상기 기저 재료(125)는 그 내부 또는 표면에 위치하는 지능형 재료(121a, 121b)를 지지할 수 있으면서 상기 지능형 재료(121a, 121b)의 큰 변형에 견딜 수 있도록 유연한(soft) 재료로 이루어진다. 보다 구체적으로, 상기 기저 재료(125)는 영률(Young's modulus)이 1GPa 이하의 재료로 이루어진 것이 상기 기능을 수행하는데 보다 바람직할 수 있다. 이와 같은 기저 재료(125)는 고분자 탄성체, 실리콘, 또는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)으로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 이하 모든 실시예에서, 기저 재료(125)의 재료는 상기와 마찬가지이므로, 반복설명은 생략하기로 한다.

지능형 재료(121a, 121b)는 상기 구동부의 굽힘 또는 비틀림을 구현하기 위한 능동 요소(active component)로 기능한다. 즉, 상기 지능형 재료(121a, 121b)는 전류 신호와 같은 외부의 신호에 의해서 그 형상이 변형될 수 있는 재료로서, 이와 같은 지능형 재료(121a, 121b)의 작동에 의해서 구동부가 변형된다.

상기 지능형 재료(121a, 121b)는 형상 기억 합금(shape memory alloy: SMA), 압전소자(piezoelectric element), 이오닉 폴리머와 금속 복합체(IPMC), 또는 전도성 고분자(conductive polymer: CP)로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니고, 전류 신호와 같은 외부의 신호에 의해 그 형상이 변형될 수 있는 재료이면 어느 것이나 적용될 수 있다. 이하 모든 실시예에서, 지능형 재료(121a, 121b)의 재료는 상기와 마찬가지이므로, 반복설명은 생략하기로 한다.

방향성 재료(123)는 특정 방향으로 변형을 억제하는 수동 요소(passive component)로 기능한다. 따라서, 특정 방향으로 변형을 유도하는 능동 요소로 기능하는 지능형 재료(121a, 121b)와 특정 방향으로 변형을 억제하는 수동 요소로 기능하는 방향성 재료(123)를 적절히 조합할 경우, 구동부(120)의 다양한 변형이 구현될 수 있다.

상기 방향성 재료(123)는 수동 요소로 기능하기 위해서 거친(stiff) 재료로 이루어지며, 특히, 영률(Young's modulus)이 1GPa 이상의 재료로 이루어진 것이 상기 기능을 수행하는데 보다 바람직할 수 있다.

이와 같은 특성의 방향성 재료(123)는 섬유의 직조공정, 쾌속조형공정, 또는 사출공정을 통해 얻어질 수 있다. 얻어진 방향성 재료(123)는 메쉬(mesh) 구조로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 상기 방향성 재료(123)로 이용가능한 재료로는 공지된 다양한 섬유(fiber) 또는 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 수지를 예로 들 수 있다.

이하, 지능형 재료(121a, 121b)의 배치 및 방향성 재료(123)의 방향성에 따른 구동부(120)의 굽힘 및 비틀림에 대해 설명하도록 한다.

지능형 재료(121a, 121b)의 배치에 따라 지능형 재료(121a, 121b)가 변형될 때 구동부(120)의 굽힘 방향이 달라지고, 방향성 재료(123)의 방향성에 따라 구동부(120)의 비틀림 방향과 각도가 상이해지므로, 지능형 재료(121a, 121b)의 배치 및 방향성 재료(123)의 방향성을 적절히 설정할 필요가 있다.

제 1실시예에 있어서, 도 3의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 지능형 재료(121a, 121b)는, 상기 구동부(120)의 수평 중심면(L2) 밖에 형성될 수 있다. 즉, 지능형 재료(121a, 121b)는 수평 중심면(L2)을 기준으로 제 2축 방향으로 이격된 위치에 형성될 수 있다. 또한, 방향성 재료(123)가 구동부(120)의 가운데 위치한 경우에 상기 지능형 재료(121a, 121b)는 방향성 재료(123)를 기준으로 서로 다른 면에 형성될 수도 있다.

지능형 재료(121a, 121b)는 상기 제 1스트로크를 수행하기 위한 적어도 하나 이상의 제 1지능형 재료(121a) 및 상기 제 2스트로크를 위한 적어도 하나 이상의 제 2지능형 재료(121b)를 포함할 수 있다. 이때, 제 1지능형 재료(121a)는 상기 제 1스트로크의 방향으로 편향되어 위치하고, 제 2지능형 재료(121b)는 상기 제 2스크로크의 방향으로 편향되어 위치할 수 있다.

즉, 상기 제 1스트로크가 제 2축의 양의 방향으로 진행되는 경우 제 1지능형 재료(121a)는 수평 중심면(L2)를 기준으로 제 2축의 양의 방향으로 편향되게 형성한다. 이렇게 제 1지능형 재료(121a)를 배치하면, 제 1지능형 재료(121a)에 외부 신호를 인가하여 제 1지능형 재료(121a)가 수축(변형)할 때 상기 구동부(120)가 제 2축의 양의 방향으로 동작하여 제 1스트로크를 수행할 수 있다.

또한, 상기 제 2스트로크가 제 2축의 음의 방향으로 진행되는 경우 제 2지능형 재료(121b)는 수평 중심면(L2)를 기준으로 제 2축의 음의 방향으로 편향되게 형성한다. 이렇게 제 2지능형 재료(121b)를 배치하면, 제 2지능형 재료(121b)에 외부 신호를 인가하여 제 2지능형 재료(121b)가 수축(변형)할 때 상기 구동부(120)가 제 2축의 음의 방향으로 동작하여 제 2스트로크를 수행할 수 있다.

제 2실시예에 있어서, 도 3의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 지능형 재료(121a, 121b)는, 상기 구동부의 수평 중심면(L2) 및 수직 중심면(L1) 밖에 형성될 수 있다. 즉, 지능형 재료(121a, 121b)는 수평 중심면(L2)을 기준으로 제 2축 방향으로 이격된 위치에 형성될 수 있고, 수직 중심면(L1)을 기준으로 제 1축 방향으로 이격된 위치에 형성될 수 있다. 또한, 방향성 재료(123)가 구동부(120)의 가운데 위치한 경우에 상기 지능형 재료(121a, 121b)는 방향성 재료(123)를 기준으로 서로 다른 면에 형성될 수도 있다.

즉, 상기 제 1스트로크가 제 2축의 양의 방향 및 제 1축 양의 방향으로 진행되는 경우, 제 1지능형 재료(121a)는 수평 중심면(L2)을 기준으로 제 2축의 양의 방향으로 편향되게 형성하고, 수직 중심면(L1)을 기준으로 제 1축의 양의 방향으로 편향되게 형성한다. 이렇게 제 1지능형 재료(121a)를 배치하면, 제 1지능형 재료(121a)에 외부 신호를 인가하여 제 1지능형 재료(121a)가 수축(변형)할 때 상기 구동부(120)가 제 2축의 양의 방향 및 제 1축 양의 방향으로 동작하여 제 1스트로크를 수행할 수 있다.

또한, 상기 제 2스트로크가 제 2축의 음의 방향 및 제 1축 음의 방향으로 진행되는 경우, 제 2지능형 재료(121b)는 수평 중심면(L2)을 기준으로 제 2축의 음의 방향으로 편향되게 형성하고, 수직 중심면(L1)을 기준으로 제 1축의 음의 방향으로 편향되게 형성한다. 이렇게 제 2지능형 재료(121b)를 배치하면, 제 2지능형 재료(121b)에 외부 신호를 인가하여 제 2지능형 재료(121b)가 수축(변형)할 때 상기 구동부(120)가 제 2축의 음의 방향 및 제 1축의 음의 방향으로 동작하여 제 2스트로크를 수행할 수 있다.

도 4에서 알 수 있듯이, 상기 방향성 재료(123)는 상기 본체로부터 상기 지능형 재료(121a, 121b)가 연장되는 기준 방향을 기준으로 0°이상 180° 이하의 방향각을 갖는 방향층을 적어도 하나 이상 포함한다.

도 4에 도시한 상기 방향성 재료(123)의 일 실시예에 있어서, 상기 방향성 재료(123)는 제 1방향각(θ₁)을 갖는 제 1방향층(123a), 제 2방향각(θ₂)을 갖는 제 2방향층(123b), 및 제 3방향각(θ₃)을 갖는 제 3방향층(123c)을 포함한다. 이하, 제 1방향각(θ₁), 제 2방향각(θ₂), 및 제 3방향각(θ₃)을 갖는 방향성 재료(123)의 방향각 표시를 "[θ_1, θ₂, θ₃]" 와 같이 표시하도록 한다.

제 3실시예에 있어서, 상기 방향성 재료(123)는 특별 직교이방성(specially orthotropic)을 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같이 방향성 재료(123)가 특별 직교이방성을 갖게 되면, 외부의 신호에 의해서 상기 지능형 재료(121a, 121b)가 변형될 때, 즉, 수평면을 기준으로 상하로 변형될 때 그 변형을 억제하지 않게 된다. 다시 말하면, 상기 방향성 재료(123)는 변형을 억제하는 수동 요소로 기능하는 것이지만, 본 발명의 제 3실시예에서는 변형을 억제하지 않도록 구성되며, 그를 위해서 특별 직교이방성을 갖게 된다. 이러한 특별 직교이방성을 갖는 방향성 재료(123)의 실시예는 [0°, 90°, 0°] , [45°, 90°, 135°] 와 같이 제 1방향각(θ₁) 및 제 3방향각(θ₃)이 서로 상쇄되는 경우를 예로 들 수 있다. 이와 같이, 방향성 재료(123)가 서로 직교하는 제 1방향각(θ₁) 및 제 3방향각(θ₃)의 조합으로 이루지면 그 방향성이 서로 상쇄될 수 있고, 따라서, 전술한 바와 같이 구동부(120)의 변형을 억제하지 않게 된다.

제 4실시예에 있어서, 상기 방향성 재료(123)는 이방성(anisotropic)을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 방향성 재료(123)가 다른 방향에 비하여 특정 방향으로 강성이 크도록 구성된다.

이와 같이 방향성 재료(123)가 이방성을 갖게 되면, 외부의 신호에 의해서 상기 지능형 재료(121a, 121b)가 변형될 때, 상기 방향성 재료(123)의 강성이 큰 방향을 축으로 하여, 비틀림이 발생하게 된다.

즉, 상기 방향성 재료(123)가 변형을 억제하는 수동 요소로 기능하게 됨으로써, 상기 지능형 재료(121a, 121b)와 방향성 재료(123)의 조합에 의해서 굽힘과 비틀림이 동시에 구현된다.

이와 같이 이방성을 갖는 방향성 재료(123)는 서로 직교하지 않는 복수 개의 방향층의 조합으로 이루어질 수 있으며, 그 다양한 실시예로는 [30°, 90°, 30°] , [45°, 90°, 45°] , [60°, 90°, 60°] , [45°, 30°, 45°] , [30°, 40°, 50°] 등이 있을 수 있다. 특히, [30°, 40°, 50°] 의 실시예의 경우처럼 제 1방향각 및 제 3방향각이 서로 다른 비대칭 구조의 경우 제 1스트로크 및 제 2스크로크에서의 비틀림 각도가 더욱 비대칭으로 형성될 수 있다.

상술한 실시예에 있어서는 상기 방향층의 갯수를 3개로 설명하였지만, 본 발명에 활용되는 방향성 재료(123)의 방향층이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 방향층의 갯수가 2개인 경우에도 서로 직교하지 않는 복수 개의 방향층의 조합으로 이방성을 갖는 방향성 재료(123)를 형성할 수 있다.

또한, 상술한 실시예에 있어서는 상기 방향성 재료(123)의 상하면에 지능형 재료(121a, 121b)가 형성된 경우를 설명하였지만, 본 발명에 활용되는 구동부(120)의 구조가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 지능형 재료(121a, 121b) 및 방향성 재료(123)는 상기 기저 재료(125)의 내부 또는 표면에 형성될 수 있다. 즉, 지능형 재료(121a, 121b)를 중심으로 그 상하에 방향성 재료(123)가 형성되고, 방향성 재료(123) 및 지능형 재료(121a, 121b)를 기저 재료(125)가 감싸는 형상으로 형성될 수도 있다.

다시 도 1을 참조하면, 제어부(130)는 상기 지능형 재료에 상기 외부 신호를 인가하여 상기 지능형 재료의 변형을 유도한다. 예를 들면, 형상기억합금을 상기 지능형 재료로 사용하는 경우, 제어부(130)에서 전기 에너지를 공급하면 형상기억합금에 열이 발생하게 되고, 이에 따라 형상기억합금이 수축한다.

제어부(130)는 복수의 지능형 재료에 서로 다른 주기로 외부 신호를 인가하여 상기 구동부(120)가 일방향으로 제 1스트로크를 수행하도록 하고 상기 제 1스트로크와 반대방향으로 제 2스트로크를 수행하도록 한다.

제어부(130)는, 상기 지능형 재료에 인가되는 상기 외부 신호의 강도 및 주기를 조절하여 상기 본체(110)의 추력 및 양력을 제어할 수 있다. 즉, 형상기억합금에 전기 에너지가 인가되면 열이 발생하게 되는데, 열의 크기에 따라 형상기억합금의 수축하는 속도, 변위가 달라지게 된다. 따라서, 이는 구동부(120)의 작동 속도에 영향을 미치게 된다. 따라서, 제어부(130)는 상기 전기 에너지의 강도 및 인가 주기를 조절하여 상기 구동부(120)에서 발생되는 추력을 제어한다.

이때, 수중에서 상기 구동부(120)가 동작하는 경우, 상기 형상기억합금이 빠르게 냉각되므로, 전기 에너지를 차단 한 후 형상기억합금의 회복속도가 증가하게 되고, 이는 전체적으로 형상기억합금의 수축 및 회복 시간을 단축시키는 장점이 있다.

한편, 제어부(130)는 본체(110)를 기준으로 좌우 대칭되는 한 쌍의 구동부(120)가 형성된 경우, 좌우 구동부(120)에 서로 다른 외부 신호를 인가하여 상기 본체(110)의 이동방향을 변경시킬 수 있다.

이하, 제어부(130)에서 구동부(120)를 제어하여 제 1스트로크 및 제 2스트로크로 구성된 플래핑 동작으로 추력을 형성하는 것에 대해 설명하도록 한다.

상술한 제 1 내지 제 4실시예에서 알 수 있듯이, 상기 구동부(120)는, 상기 지능형 재료의 배치 및 상기 방향성 재료의 방향성의 조합에 따라, 굽힘 및 비틀림 변형이 일어남을 알 수 있다. 따라서, 제어부(130)가 이러한 구조의 구동부(120)에 포함된 지능형 재료에 외부 신호를 인가하여 지능형 재료를 수축(변형)시키면, 구동부(120)는 고유의 굽힘 및 비틀림 변형이 일어난다.

본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇(100)은 이러한 구동부(120) 고유의 굽힘 및 비틀림 변형을 제 1 및 제 2스트로크에 적용하여 추력을 얻을 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 구동부의 제 1스트로크 및 제 2스트로크의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

제 5실시예에 있어서, 도 5에서 알 수 있듯이, 제 1스트로크의 방향은 제 1축 및 제 2축의 양의 방향으로 진행할 수 있다. 또한, 도 6에서 알 수 있듯이 제 2스트로크의 방향은 제 1축 및 제 2축의 음의 방향으로 진행할 수 있다.

이러한 스트로크의 방향을 갖도록 하기 위해 상기 구동부(120)의 단면은 도 3의 (b)와 같이 구성될 수 있다. 즉, 제 1지능형 재료(121a)에 외부 신호가 인가되면 상기 제 1지능형 재료(121a)가 수축(변형)하여 제 1 및 제 2축의 양의 방향으로 구동부(120)를 진행시킨다. 또한, 제 2지능형 재료(121b)에 외부 신호가 인가되면 상기 제 2지능형 재료(121b)가 수축(변형)하여 제 1 및 제 2축의 음의 방향으로 구동부(120)를 진행시킨다.

제어부(130)는 상기 지능형 재료(121a, 121b)의 배치 및 상기 방향성 재료(123)의 방향성의 조합에 따라 고유의 굽힘 및 비틀림 변형을 갖는 구동부(120)를 구동하여, 제 1스트로크의 비틀림 각도 및 제 2스트로크의 비틀림 각도를 서로 다르게 하여 추력을 발생시킬 수 있다. 이는 제 1스트로크 및 제 2스트로크의 비틀림 각도가 같다면 플래핑 동작을 반복하는 동안 힘의 합력이 서로 상쇄되므로 추력을 얻을 수 없기 때문이다.

또한, 상기 제어부(130)는, 상기 지능형 재료(121a, 121b)의 배치 및 상기 방향성 재료(123)의 방향성의 조합에 따라 고유의 굽힘 및 비틀림 변형을 갖는 구동부(120)를 구동하여, 제 1스트로크 및 제 2스트로크 간 유체의 저항차이를 이용하여 추력을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 제 1스트로크를 진행하는 동안 구동부의 비틀림을 조절하여 유체의 저항이 작게하고, 제 2스트로크를 진행하는 동안 구동부의 비틀림을 조절하여 유체의 저항이 크게하면, 양 스트로크 간의 유체의 저항차이에 따라 추력을 발생시킬 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 제 6실시예는 상기 본체(110)에 형성되고, 상기 지능형 재료 및 상기 지능형 재료를 지지하면서 외부 형태를 규정하는 기저 재료를 포함하는 조향부(140)를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 조향부(140)는 상기 본체(110)의 머리에 해당하는 부분 또는 꼬리에 해당하는 부분에 형성되어 본체(110)의 이동 방향을 조절할 수 있다.

상기 조향부(140)에 포함된 지능형 재료는 상기 조향부(140)의 굽힘 변형을 수행한다. 한편, 경우에 따라 상기 조향부(140)는 방향성 재료를 포함할 수 있으며 이에 따라 조향부(140)는 비틀림 변형을 수행할 수 있다.

제 7실시예에 있어서, 상기 구동부(120)는 상기 본체(110)의 전단부 좌우에 한 쌍으로 형성된 주구동부(예를 들면, 거북이의 앞발) 및 상기 본체(110)의 후단부 좌우에 한 쌍으로 형성된 보조구동부(예를 들면, 거북이의 뒷발)를 포함할 수 있다. 상기 주구동부는 상기 본체(110)에 주된 추력을 제공하며, 경우에 따라 방향을 제어할 수 있도록 한다. 상기 보조구동부는 상기 본체(110)에 보조적인 추력을 제공하며, 경우에 따라 방향을 제어할 수 있도록 한다.

도 7은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 링크부를 나타내는 도면이다. 제 8실시예에 있어서, 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇은 링크부(150)를 포함할 수 있다. 링크부(150)는 상기 본체(110) 및 구동부(120) 사이에 형성되어 상기 구동부(120)의 굽힘 및 비틀림 변형을 더욱 극대화할 수 있다.

링크부(150)는 지능형 재료(151a, 151b) 및 방향성 재료(153)를 포함할 수 있고, 경우에 따라 기저 재료(155)를 더 포함할 수 있다. 링크부(150)는 구동부(120)와 일체형으로 형성될 수 있으며, 경우에 따라 동일한 지능형 재료(121a, 121b)를 공유할 수 있다.

도 8은 링크부 및 구동부의 연결관계를 나타내는 단면도이다.

상기 링크부(150)는 상기 구동부(120)와 소정의 각도를 갖도록 연결된다. 즉, 도 8의 일 실시예에서 알 수 있듯이, 링크부(150)는 구동부(120)와 90도의 각도를 갖도록 연결될 수 있다.

또한, 제 1지능형 재료(121a) 및 제 2지능형 재료(121b)는 링크부의 방향성 재료(153) 및 구동부의 방향성 재료(123)의 교차점을 기준으로 서로 대각선 방향으로 이격되어 형성될 수 있다. 이에 따라, 제 1지능형 재료(121a)에 외부 신호가 인가되면 상기 링크부(150)는 제 1축 및 제 2축의 양의 방향으로 굽힘 변형이 일어나며, 제 2지능형 재료(121b)에 외부 신호가 인가되면 상기 링크부(150)는 제 1축 및 제 2축의 음의 방향으로 굽힘 변형이 일어난다. 또한, 링크부(150)에 포함된 방향성 재료(153)가 이방성으로 형성되는 경우 상기 링크부(150)는 비틀림 변형을 수행할 수 있다.

따라서, 링크부(150)의 굽힘 및 비틀림 변형에 의해, 링크부(150)에 연결된 상기 구동부(120)의 굽힘 및 비틀림 변형이 더욱 극대화될 수 있다.

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부의 다른 실시예를 나타내기 위한 도면이다.

도 9 및 도 10에서 알 수 있듯이, 제 9실시예에 있어서, 상기 구동부(120)는 제 1지능형 재료(121a), 제 2지능형 재료(121b), 제 3지능형 재료(121c), 방향성 재료(123), 및 기저 재료(125)를 포함한다.

제어부는 상기 제 1지능형 재료(121a)에 외부신호를 인가하여 구동부를 제 1축 및 제 2축 양의 방향으로 굽힘 변형시킬 수 있고, 상기 제 2지능형 재료(121b)에 외부신호를 인가하여 구동부를 제 1축 음의 방향 및 제 2축 양의 방향으로 굽힘 변형시킬 수 있고, 상기 제 1지능형 재료(121a) 및 제 2지능형 재료(121b)에 동시에 외부신호를 인가하여 구동부를 제 2축 양의 방향으로 굽힘 변형시킬 수 있다. 이때, 방향성 재료(123)의 방향성에 따라 상기 구동부(120)는 비틀림 변형을 수행할 수도 있다. 또한, 제어부는 상기 제 3지능형 재료(121c)에 외부신호를 인가하여 구동부(120)를 제 2축 음의 방향으로 굽힘 변형시킬 수 있다.

상기 제 9실시예에 따른 구동부(120)는 경우에 따라 본체의 후단부에 결합되는 보조구동부에 사용될 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부에서 굽힘 변형을 측정하는 실험장치를 나타내는 도면이고, 도 12는 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부에서 비틀림 각도를 측정하는 실험장치를 나타내는 도면이다.

도 11에서 알 수 있듯이, 구동부의 굽힘 변형은 지능형 재료에 외부 신호를 인가하여 구동부가 무변형 상태인 경우와 비교하여 얼마나 변형되었는가를 길이단위로 측정한다(δ).

도 12에서 알 수 있듯이, 구동부의 비틀림 각도는 지능형 재료에 외부 신호를 인가하여 구동부가 무변형 상태인 경우와 비교하여 얼마나 비틀어졌는가를 각도 단위로 측정한다(θ_t).

도 13은 다양한 방향각을 갖는 복수의 방향층을 포함하는 방향성 재료의 최대 굽힘 변형 및 최대 비틀림 각도를 측정한 실험데이터이다.

상기 실험데이터는 각각 [30°, 90°, 30°] , [45°, 90°, 45°] , [60°, 90°, 60°] 의 제 1 내지 제 3방향각을 갖는 방향성 재료를 사용하여 실험하였다. 실험결과에서 알 수 있듯이, 최대 비틀림 각도는 [45°, 90°, 45°] 의 방향각을 갖는 방향성 재료에서 최대가 되고, 최대 굽힘 변형은 [60°, 90°, 60°] 의 방향각을 갖는 방향성 재료에서 최대가 된다.

도 14는 지능형 재료의 굵기에 따른 최대 굽힘 변형 및 최대 비틀림 각도를 측정한 실험데이터이다.

도 14에서 알 수 있듯이, 최대 굽힘 변형 및 최대 비틀림 각도는 지능형 재료의 굵기에 따라 변화한다. 실험결과에서 알 수 있듯이, 최대 굽힘 변형은 지능형 재료가 100um의 굵기를 가질 때 최대가 되고, 최대 비틀림 각도는 지능형 재료가 150um의 굵기를 가질 때 최대가 된다.

도 15는 지능형 재료의 굵기에 따라 인가전류 및 구동 주파수가 어떻게 변하는지 측정한 실험데이터이다.

도 15에서 알 수 있듯이, 지능형 재료의 굵기가 증가할 수록 인가되는 전류의 양은 줄어들고, 구동되는 주파수(cycle/s)은 증가함을 알 수 있다.

도 16은 지능형 재료의 굵기에 따른 방향성 재료의 최대 비틀림 각도를 측정한 실험데이터이다.

[45°, 30°, 45°] 의 방향각을 갖는 방향성 재료는 [45°, 30°, 45°] 의 방향각을 갖는 방향성 재료보다 비틀림 각도가 큼을 알 수 있다.

또한, [45°, 30°, 45°] 의 방향각을 갖는 방향성 재료는 제 1스트로크 및 제 2스트로크에서 비틀림 각도에 차이가 있음을 알 수 있다. 특히, 지능형 재료의 굵기가 300um인 경우에 비틀림 각도의 차이가 가장 큰 것을 알 수 있다. 이러한 양 스트로크 간 비틀림 각도의 차이를 이용하여 구동부에서 추력을 발생시킴은 상술한 바와 같다.

도 17은 본 발명에 따른 플래핑 기반 수중 로봇의 구동부를 구동하여 발생되는 추력을 측정하기 위한 실험장치를 나타내는 도면이다.

도 17에서 알 수 있듯이, 실험장치에서는 플래핑 기반 수중 로봇을 다이나모 측정기에 고정시킨 후 1900mA의 전류를 이용하여 구동부를 구동시킨 후 물을 밀어낸 반력을 측정하였다.

도 18은 도 17의 실험장치를 통해 측정한 실험데이터를 정리한 도면이다.

도 18의 (a)에서 알 수 있듯이, 진행방향인 X축 방향 기준에서 구동부가 제 1스트로크 일 때는 힘을 받지 않지만 제 2스트로크 일 때는 0.004N의 추력이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 구성을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해하여야한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 - 플래핑 기반 수중 로봇
110 - 본체
120 - 구동부
130 - 제어부
140 - 조향부
150 - 링크부

Claims

외부 신호에 의해서 그 형상이 변형되는 지능형 재료 및 특정 방향으로 변형을 억제하는 방향성 재료를 포함하는 구동부;
상기 구동부와 연결된 본체; 및
상기 구동부가 일 방향으로 작동하는 제 1스트로크 및 상기 제 1스트로크와 반대방향으로 작동하는 제 2스트로크를 수행하도록 하는 제어부를 포함하고,
상기 구동부는 상기 지능형 재료의 배치 및 상기 방향성 재료의 방향성의 조합에 따라 굽힘 및 비틀림 중 적어도 하나 이상의 변형을 수행하는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 방향성 재료는 상기 본체로부터 상기 지능형 재료가 연장되는 기준 방향을 기준으로 0°이상 180° 이하의 방향각을 갖는 방향층을 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 방향성 재료는 이방성(anisotropic)을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 구동부는, 상기 제 1스트로크를 수행하기 위한 적어도 하나 이상의 제 1지능형 재료 및 상기 제 2스트로크를 위한 적어도 하나 이상의 제 2지능형 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 구동부는, 상기 제 1스트로크의 방향으로 편향되어 위치한 제 1지능형 재료 및 상기 제 2스크로크의 방향으로 편향되어 위치한 제 2지능형 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 지능형 재료는, 상기 구동부의 수평 중심면 및 수직 중심면 밖에 형성되는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 구동부는, 상기 지능형 재료의 배치 및 상기 방향성 재료의 방향성의 조합에 따라, 상기 제 1 및 제 2스트로크의 비틀림 각도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 구동부는, 상기 지능형 재료의 배치 및 상기 방향성 재료의 방향성의 조합에 따라, 제 1스트로크 및 제 2스트로크 간 유체의 저항차이를 이용하여 추력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 구동부는 상기 지능형 재료 및 방향성 재료를 지지하면서 외부 형태를 규정하는 기저 재료를 포함하고,
상기 지능형 재료 및 방향성 재료는 상기 기저 재료의 내부 또는 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 지능형 재료에 상기 외부 신호를 인가하여 상기 지능형 재료의 변형을 유도하는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 지능형 재료에 인가되는 상기 외부 신호의 강도 및 주기를 조절하여 상기 몸체의 추력 및 양력을 제어하는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 본체 및 상기 구동부 사이에 형성되고, 상기 지능형 재료 및 상기 방향성 재료를 포함하는 링크부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 12항에 있어서,
상기 링크부는, 상기 링크부와 상기 구동부가 소정의 각도를 갖도록 연결되는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 구동부는, 상기 본체의 전단부 좌우에 형성된 주구동부 및 상기 본체의 후단부 좌우에 형성된 보조구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 본체에 형성되어 상기 본체의 방향을 조절하고, 상기 지능형 재료 및 상기 지능형 재료를 지지하면서 외부 형태를 규정하는 기저 재료를 포함하는 조향부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 지능형 재료는 형상 기억 합금(shape memory alloy: SMA), 압전소자(piezoelectric element), 이오닉 폴리머와 금속 복합체(IPMC), 또는 전도성 고분자(conductive polymer: CP) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 1항에 있어서,
상기 방향성 재료는 ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.
제 9항 또는 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기저 재료는 고분자 탄성체, 실리콘, 또는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플래핑 기반 수중 로봇.