KR20140120459A

KR20140120459A - 종방향 자세 제어를 위한 피칭 모멘트 발생장치를 갖는 날갯짓 비행체

Info

Publication number: KR20140120459A
Application number: KR20130036144A
Authority: KR
Inventors: 박훈철; 판호앙부; 트롱쾅트리
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2014-10-14
Also published as: KR101477687B1

Abstract

본 발명은 종방향 자세 제어를 위한 피칭 모멘트 발생장치를 갖는 날갯짓 비행체에 관한 것으로, 날갯짓 비행체의 동체를 구성하는 프레임(110)과; 상기 프레임(110)에 고정되어 회전 구동력을 발생시키는 구동모듈(120)과; 상기 구동모듈(120)의 회전 구동력에 의해 상기 프레임(110)에 상하방향으로 슬라이딩 가능하게 마련되는 슬라이더(130)와; 상기 프레임의 양측에 대칭되게 마련되어 각각 날개를 고정하는 한 쌍의 날개고정홀더(140)와; 상기 날개고정홀더(140) 각각에 일단이 회동 가능하게 연결되고 타단이 상기 슬라이더(130)와 회동 가능하게 연결되는 한 쌍의 링크부재(150)와; 상기 한 쌍의 날개고정홀더(140) 각각에 회동 가능하게 연결되며, 상기 프레임(110)에 힌지 조립되어 날개고정홀더(140)의 틸팅각 범위의 조정이 가능한 틸팅각 조작부재(160)를 포함하여, 복잡한 기구적인 구성이 없이도 날갯짓 비행체의 플랩핑각 범위의 조작만으로도 용이하게 자세 제어가 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Description

종방향 자세 제어를 위한 피칭 모멘트 발생장치를 갖는 날갯짓 비행체{FLAPPING-WING SYSTEM HAVING A PITCHING MOMENT GENERATOR FOR LONGITUDINAL ATTITUDE CONTROL}

본 발명은 종방향 자세 제어를 위한 피칭 모멘트 발생장치를 갖는 날갯짓 비행체에 관한 것으로, 특히 꼬리가 없는 곤충 모방형 날갯짓 비행체에서 플랩핑각 범위의 조정으로 발생된 피칭 모멘트에 의해 종방향 자세 제어가 이루어질 수 있는 피칭 모멘트 발생장치를 갖는 날갯짓 비행체에 관한 것이다.

일반적으로 날갯짓 비행체(ORNITHOPTER)는 날개를 퍼덕거리면서 나는 비행체를 말하며, 이처럼 플래핑 운동(FLAPPING MOTION)을 하는 날갯짓 비행체에 관한 연구는 1490년 레오나르도 다빈치의 설계 이후 그 기술이 고도로 발달하여 현재는 다양한 종류의 비행체가 개발되고 있는데, 이는 간단한 완구용으로뿐만 아니라 각종 산업용 및 기타 군사용으로까지 응용범위가 방대하고, 또한, 그것을 이용함으로써 뛰어난 효과를 얻을 수 있기 때문이다.

종래의 날갯짓 비행체는 엔진, 고무줄 또는 압축가스를 동력원으로 사용하고 있는데, 상기 엔진 동력 날갯짓 비행체는 출력이 큰 반면에 소음이 크고 초보자가 엔진과 연료를 취급하는 것이 어려운 문제가 있다. 또한, 고무동력 또는 압축가스 동력을 이용한 날갯짓 비행체는 다루기가 쉽지만 비행시간이 매우 짧고 사용자가 방향이나 고도 등을 마음대로 조종할 수 없는 문제점이 있었다.

한편, 곤충은 조류와는 달리 꼬리에서의 조종면(control surface)이 없으면서도 날개만을 이용하여 양력이나 추력 발생 이외에도 양 날개만으로 자세 제어가 이루어지므로, 곤충 모방형 날갯짓 비행체를 구현하는 것은 매우 어렵다.

본 발명자는 양 날개 만을 이용하여 비행이 이루어지는 곤충 모방형 날갯짓 비행체를 다년간 연구 개발하였으며, 예를 들어 등록특허 제10-1031869호(등록일자: 2011.04.21)(이하, "선행기술문헌"이라 함)에서 큰 날갯짓 각도를 발생하는 날갯짓 장치를 제안하였다.

상기 선행기술문헌에서는 초소형의 날갯짓 비행체에서 큰 각도로 날갯짓이 이루어져 충분한 양력을 발생시킬 수 있도록 큰 날갯짓 각도를 얻을 수 있는 날갯짓 장치를 제시하고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 날갯짓 비행체의 날갯짓 메커니즘을 도식적으로 보여주는 도면으로, 상기 선행기술문헌의 날갯짓 장치에서 사용된 작동 메커니즘을 보여주고 있으며, 동체를 중심으로 좌우가 대칭되게 구동이 이루어지며 도면에서는 한 쪽 날개만을 도시하고 있다.

도 1을 참고하면, 동체에 마련된 구동모터의 구동력은 감속기어를 통해 크랭크(R)로 전달되며, 크랭크(R)의 회전운동은 스코치 요크(scotch yoke) 기구에 의해 슬라이더(S)의 상하(y축 방향) 운동이 이루어지며, 이때 슬라이더(S) 일단에 힌지(O₁) 체결된 제1링크(L1)가 마련되고 제1링크(L1)와 힌지(O₂) 체결된 제2링크(L2)는 동체에 고정된 힌지(O₃)를 중심으로 하여 슬라이더(S)의 상하 운동에 따라서 제1링크(L1)를 매개로 일정 각도(β) 범위 내에서 회전이 이루어진다. 한편 제2링크(L2)는 비행체의 날개가 고정되어 제2링크(L2)의 회전각은 날갯짓 각도에 해당한다.

이러한 날갯짓 작동 메커니즘을 갖는 날갯짓 비행체는 다음의 [수학식 1]과 같이 벡터식이 성립한다.

[수학식 1]

한편, [수학식 1]의 벡터식은 x, y성분에 대해 다음과 같이 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

위 식에서, A는 링크(R)의 길이이며, Φ는 구동모터의 회전에 의한 회전각도이다. 이와 같은 [수학식 2]로부터 날갯짓 각도(β)는 다음의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 3]

이와 같은 날갯짓 장치는 적절한 링크의 조합에 의해 매우 큰 날갯짓 각도를 얻을 수가 있다.

한편, 앞서도 언급한 것과 같이 곤충은 날갯짓 동작에 의해 비행에 필요한 추력이나 양력을 발생시킴과 함께 날갯짓을 이용하여 자세 제어가 이루어지며, 구체적으로 곤충들의 자세 제어를 위한 조종력(control force)은 날갯짓 스트로크의 크기(플랩핑각), 날갯짓 주파수(또는 플랩핑 주파수), 자세의 변화에 영향을 받는다.

날갯짓 스트로크의 진폭은 초파리의 공력(aerodynamic force) 발생에서 중요한 조정 파라미터로 고려되며, 스트로크 진폭을 변화하여 평균 공력중심(aerodynamic force center; AC)을 변화시킬 수 있다.

날갯짓 주파수는 비행력과 조종력 발생에서 또 다른 중요한 파라미터로 고려되며, 힘의 발생과 비행 속도에 많은 영향을 미친다.

곤충의 자세 변화는 실질적으로 비행체의 무게중심(CG)의 위치를 변경하게 되며, 따라서 평균 공력중심(AC)과 무게중심(CG) 사이의 거리를 조정하게 되어 조종 모멘트를 발생시키게 된다.

이 밖에도 어떤 곤충들에서는 몸통축에 대해 스트로크 면각(stroke plane angle)을 변화시켜서 공력을 조정하여 조종력을 얻기도 하는 것이 알려져 있다.

이와 같이 곤충의 자세 조정 메커니즘에 대한 이해는 곤충 모방형 날갯짓 비행체의 개발과 연구에 유용하게 활용될 수 있으며, 본 발명자는 날갯짓 비행체에서 날갯짓 스트로크 진폭의 범위(range)를 조정하여 피칭 모멘트(pitching moment) 발생을 방지하여 비행체의 자세 제어가 이루어질 수 있음을 확인한 바 있다.

본 발명은 양 날개 만을 이용하여 비행이 이루어지는 곤충 등과 같은 초소형 날갯짓 비행체의 종방향 자세를 제어함에 있어서 복잡한 기구적인 구성을 배제하고 간단히 플랩핑각 범위의 조작만으로 비행체의 종방향 자세 제어가 이루어질 수 있는 피칭 모멘트 발생장치를 갖는 날갯짓 비행체를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 날갯짓 비행체는, 날갯짓 비행체의 동체를 구성하는 프레임과; 상기 프레임에 고정되어 회전 구동력을 발생시키는 구동모듈과; 상기 구동모듈의 회전 구동력에 의해 상기 프레임에 상하방향으로 슬라이딩 가능하게 마련되는 슬라이더와; 상기 프레임의 양측에 대칭되게 마련되어 각각 날개를 고정하는 한 쌍의 날개고정홀더와; 상기 날개고정홀더 각각에 일단이 회동 가능하게 연결되고 타단이 상기 슬라이더와 회동 가능하게 연결되는 한 쌍의 링크부재와; 상기 한 쌍의 날개고정홀더 각각에 회동 가능하게 연결되며, 상기 프레임에 힌지 조립되어 날개고정홀더의 틸팅각 범위의 조정이 가능한 틸팅각 조작부재에 의해 달성된다.

바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 틸팅각 조작부재는, 상기 프레임에 회동 가능하게 힌지 조립되는 고정 힌지축과, 상기 한 쌍의 날개고정홀더 각각에 힌지 조립되어 상기 고정 힌지축을 회전축으로 하여 회동이 가능한 가동 힌지축을 포함하는 한 쌍의 피동부와; 상기 고정 힌지축을 회전축으로 하는 상기 피동부의 회동 각도를 규제하게 되는 구동부를 포함한다.

보다 바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 구동부는 동체에 직선 이동이 가능한 랙기어를 포함하며, 상기 피동부는 상기 랙기어와 치합되는 피니언기어를 포함한다.

더욱 바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 구동부는 상기 동체의 중심축 상에 상하 이동 가능하게 마련되어 한 쌍의 피동부 각각에 대응되도록 상기 랙기어가 양측에 대칭되게 형성된 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명의 날갯짓 비행체는, 양 날개의 날갯짓에 의해 비행이 이루어지는 날갯짓 비행체으로서, 동체에 마련된 구동원의 회전 구동력을 상하 왕복 운동으로 변환하여 양 날개의 상하 날갯짓 운동을 발생시키되, 양 날개는 동체에 대해 위치 조작이 가능한 가동 힌지축을 포함하며, 상기 가동 힌지축의 위치에 따라서 양 날개의 플랩핑각 범위의 조작이 이루어져 비행체의 피칭 모멘트가 발생됨으로써 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 날갯짓 비행체는, 양 날개는 동체에 대해 위치 조작이 가능한 가동 힌지축을 포함하며, 상기 가동 힌지축의 위치 조작에 따라서 양 날개의 플랩핑각 범위의 조작이 이루어져 비행체의 피칭 모멘트가 발생됨으로써, 날갯짓 비행체의 종방향 제어를 위하여 복잡한 기구적인 구성이 없이도 날갯짓 비행체의 플랩핑각 범위의 조작만으로도 용이하게 자세 제어가 이루어질 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 날갯짓 비행체의 날갯짓 메커니즘을 도식적으로 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 전체 구성을 보여주는 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 분해 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 날갯짓 메커니즘을 도식적으로 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체에서 정의된 각도를 설명하기 위한 도면,
도 6의 (a)(b)는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 요부 구성 및 작동예를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 실물 사진,
도 8의 (a)(b)는 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 플랩핑 운동과 날개 회전 운동을 측정하여 얻은 그래프,
도 9는 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체를 테스트하기 위한 테스트 셋업 상태를 보여주는 사진,
도 10은 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 노말 케이스에 대한 테스트 세업 상태를 보여주는 사진,
도 11은 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 피칭업 케이스에 대한 테스트 세업 상태를 보여주는 사진,
도 12는 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 피칭다운 케이스에 대한 테스트 세업 상태를 보여주는 사진,
도 13은 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 종방향 자세제어를 시연하기 위한 실험장치를 보여주는 사진,
도 14의 (a)(b)(c)는 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체에 있어서 각각 다른 플랩핑각 범위에 의한 비행체의 동작을 연속적으로 보여주는 사진.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에"또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 날갯짓 비행체는 동체에 마련된 구동원의 회전 구동력을 상하 왕복 운동으로 변환하여 양 날개의 상하 날갯짓 운동을 발생시키게 되며, 이때 양 날개는 동체에 대해 위치 조작이 가능한 가동 힌지축을 포함하며, 상기 가동 힌지축의 위치에 따라서 양 날개의 플랩핑각 범위의 조작이 이루어져 비행체의 피칭 모멘트가 발생되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 전체 구성을 보여주는 사시도로써, 비행체(100)에 대해 횡방향(좌우 방향)을 X축, X축과 직교하는 비행체(100)의 종방향을 Z축, X-Z평면과 직교하는 방향을 Z축으로 하며, Z축 둘레의 회전을 롤링(R), X축 둘레의 회전을 피칭(P), Y축 둘레의 회전을 요잉(Y)으로 설명한다.

도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 날갯짓 비행체(100)는, 날갯짓 비행체의 동체를 구성하는 프레임(110)과; 상기 프레임(110)에 고정되어 회전 구동력을 발생시키는 구동모듈(120)과; 상기 구동모듈(120)의 회전 구동력에 의해 상기 프레임(110)에 상하방향으로 슬라이딩 가능하게 마련되는 슬라이더(130)와; 상기 프레임의 양측에 대칭되게 마련되어 각각 날개를 고정하는 한 쌍의 날개고정홀더(140)와; 상기 날개고정홀더(140) 각각에 일단이 회동 가능하게 연결되고 타단이 상기 슬라이더(130)와 회동 가능하게 연결되는 한 쌍의 링크부재(150)와; 상기 한 쌍의 날개고정홀더(140) 각각에 회동 가능하게 연결되며, 상기 프레임(110)에 힌지 조립되어 날개고정홀더(140)의 틸팅각 범위의 조정이 가능한 틸팅각 조작부재(160)를 포함한다.

도 3은 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 분해 사시도이다.

도 3에 예시된 것과 같이, 프레임(110)은 전면 플레이트(111)와 후면 플레이트(112)를 포함하며, 전면 플레이트(111)와 후면 플레이트(112)는 상하단에 각각 수평 플레이트(113)에 의해 고정되어 상호 이격되어 평행하게 마련된다.

상하단의 수평 플레이트(113)에는 한 쌍의 수직봉(114)이 조립되며, 이 수직봉(114)에는 슬라이더(130)가 조립되어 슬라이더(130)의 수직 이동을 안내한다.

구동모듈(120)은 구동모터(121)와, 이 구동모터(121)에 의해 회전 구동하는 기어군(122)과, 이 기어군(122)에 마련된 크랭크축(123)을 포함하며, 크랭크축(123)은 슬라이더(130)와 조립되어 크랭크축(123)의 회전 구동에 의해 슬라이더(130)는 수직방향으로 왕복운동이 이루어진다.

슬라이더(130)는 수평방향으로 장공의 가이드홈(131)이 형성되어 크랭크축(123)과 조립되어 구동모듈(120)에 의해 프레임(110)의 수직방향으로 왕복운동이 이루어진다. 또한, 슬라이더(130)는 좌우 대칭된 형상을 가지며 양단은 각각 힌지핀에 의해 링크부재(150) 하단과 힌지 조립된다.

슬라이더(130)는 수직봉(114)과 조립되는 조립공(132)이 마련된다.

날개고정홀더(140)는 프레임(110)의 좌우 양측에 대칭되게 한 쌍으로 마련되어 날개(미도시)가 고정된다. 날개고정홀더(140)의 일단에는 개구된 끼움홈(141)이 마련되어 날개의 고정이 이루어지며, 타단에는 제1힌지공(142)이 형성되어 링크부재(150) 상단과 힌지핀에 의해 조립이 이루어지며, 대략 날개고정홀더(140)의 중앙 위치에 제2힌지공(143)이 형성되어 틸팅각 조작부재(160)와 힌지핀에 의해 조립이 이루어진다.

링크부재(150)는 양단이 각각 슬라이더(130)와 날개고정홀더(140)와 힌지핀에 의해 회동 가능하게 조립되어, 슬라이더(130)의 수직 운동에 의해 날개고정홀더(140)의 날갯짓 운동이 이루어진다.

틸팅각 조작부재(160)는 프레임(110)에 힌지 조립된 상태에서 한 쌍의 날개고정홀더(140) 각각에 회동 가능하게 조립되며, 날개고정홀더(140)의 틸팅각 범위의 조정이 이루어질 수 있다.

본 실시예에서 틸팅각 조작부재(160)는 프레임(110)에 회동 가능하게 힌지 조립되는 고정 힌지축(O₄)과, 한 쌍의 날개고정홀더(140) 각각에 힌지 조립되어 고정 힌지축(O₄)을 회전축으로 하여 회동이 가능한 가동 힌지축(O₃)을 포함하는 한 쌍의 피동부(161)와; 고정 힌지축(O₄)을 회전축으로 하는 피동부(161)의 회동 각도를 규제하게 되는 구동부(162)로 구성됨을 보여주고 있다.

도 3에 예시된 것과 같이, 피동부(161)는 대략 중앙에 제1힌지공(161a)이 형성되어 전면 플레이트(111)와 힌지핀에 의해 조립되며, 이때 제1힌지공(161a)은 피동부(161)의 고정 힌지축으로 기능하며, 일단에 마련된 제2힌지공(161b)은 날개고정홀더(140)의 제2힌지공(143)과 힌지핀에 의해 회동 가능하게 조립되어 고정 힌지축을 회전축으로 하여 회동이 가능한 가동 힌지축으로 기능한다.

한편, 피동부(161) 일단은 제1힌지공(161a)을 중심으로 하는 원호 형상에 다수의 피니언기어(161c)가 마련된다.

바람직하게는, 본 실시예에서 구동부(162)는 동체에 수직방향으로 직선 이동이 가능한 랙기어(162a)가 양측에 대칭되게 형성되며, 이 랙기어(162a)는 피동부(161)의 피니언기어(161c)와 치합되어, 구동부(162)의 상하 위치에 따라서 피동부(161)의 회동 각도의 규제가 이루어질 수 있으며, 피동부(161)의 위치(각도)에 의해 날개고정홀더(140)의 틸팅각 범위의 조정이 이루어진다.

도면부호 163은 구동부(162)를 프레임에 조립하기 위한 고정브라켓이며, 하나 또는 두 개의 고정브라켓이 구동부(162)를 감싸도록 전면 플레이트(111)와 조립되어 구동부(162)는 프레임에 대해 수직방향으로 이동이 가능하다.

도시되지는 않았으나, 본 발명에서 구동부는 별도의 선형모터와 같은 액츄에이터에 의해 상하 조작이 이루어질 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체의 날갯짓 메커니즘을 도식적으로 보여주는 도면으로, 본 발명에서 좌우 날개는 동체 중심으로 좌우 대칭되게 구동이 이루어지며 도 4에서는 좌측 날개의 구동 메커니즘만을 도시하였다.

도 4를 참고하면, 슬라이더(130)는 링크부재(150) 하단과 회동 가능하게 조인트(O₁) 연결되며, 링크부재(150) 상단은 날개고정홀더(140) 일단과 회동 가능하게 조인트(O₂) 연결되고 날개고정홀더(140)는 타단은 피동부(161) 일단과 회동 가능하게 조인트(O₃) 연결된다. 피동부(161) 일단은 동체에 회동 가능하게 힌지 체결되며, 이 힌지축은 고정 힌지축(O₄)으로서 피동부(161)는 고정 힌지축(O₄)을 회전축으로 하여 날개고정홀더(140)와 연결되는 조인트(O₃)는 링크부재(150)의 구동에 의해 회전이 이루어지는 날개고정홀더(140)의 가동 힌지축(O₃)으로 기능하게 된다.

따라서 스코치 요크(scotch yoke) 메커니즘에 의해 구동모듈의 회전운동은 슬라이더(130)의 상하 왕복운동으로 전환되며, 슬라이더(130)의 상하 운동에 의해 날개고정홀더(140)는 가동 힌지축(O₃)을 회전축으로 하여 링크부재(150)에 의해 일정 틸팅각(β) 범위 내에서 날갯짓 운동이 이루어진다.

한편, 가동 힌지축(O₃)의 틸팅각(χ)은 구동부(162)(도 3 참고)의 상하 위치에 따라서 결정되며, 따라서 힌지축(O₃)의 위치에 따라서 날개의 플랩핑각(flapping angle)을 임의 각도 범위로 조작이 가능하다.

도 4에서

는 크랭크축(123)의 회전운동에 의한 회전 각도를 나타내며, γ는 슬라이더(130)와 링크부재(150)의 조인트(O₁)를 지나는 수직축과 가동 힌지축(O₃) 사이의 사잇각을 나타낸다.

이러한 본 발명의 날갯짓 비행체는 크랭크축의 회전운동에 의한 날개고정홀더(140)의 출력각(output angle)(β)은 다음의 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 4]

한편, [수학식 4]에서 γ는 다음의 [수학식 5]와 같이 표현된다.

[수학식 5]

한편, 도 5는 본 발명에 따른 날갯짓 비행체에서 정의된 각도를 설명하기 위한 도면으로, 이를 참고하면 플랩핑각(ψ)은 다음의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 6]

예를 들어, 가동 힌지축(O₃)의 틸팅각(χ)이 0(영)인 경우(이하, "노말 케이스(normal case)"라 함)에,

가 -π/2에서 π/2 만큼 회전하게 되면 날개 축(feather axis)은 ψ_max에서 ψ_min 각도 범위를 갖게 되며, 이때 ψ_max와 ψ_min은 각각 업스트로크와 다운스트로크에서의 최대 각도에 해당한다.

크랭크축의 회전축과 고정 힌지축(O₄) 사이의 수직거리(h)와, 조인트(O₂)와 조인트(O₃) 사이의 길이가 결정되면, [수학식 4]와 [수학식 6]으로부터 ψ_max와 ψ_min을 계산할 수 있으며, 이때 링크부재(150)의 두 조인트(O₁)(O₂) 사이의 길이와 크랭크축(123)의 반경(R)은 다음의 [수학식 7]로부터 계산할 수 있다.

[수학식 7]

본 실시예에서 수직거리(h)는 8.0㎜이며, 조인트(O₂)와 조인트(O₃) 사이의 길이는 4㎜로 설정하였으며, 노말 케이스에서 출력 플랩핑각(output flapping angle)은 100°이며, 이때 날갯짓은 x축에 대해 대칭이므로 ψ_max, ψ_min은 각각 50°와 -50°가 된다. 이러한 값을 [수학식 7]에 대입하여 크랭크축의 반경(R)과 두 조인트(O₁)(O₂) 사이의 길이를 계산할 수 있으며, 이와 같이 계산된 반경(R)은 3.1㎜이며 두 조인트(O₁)(O₂) 사이의 길이는 8.4㎜이다.

도 6을 참고하면, 앞서도 설명한 것과 같이, 플랩핑각 범위의 변경은 가동 힌지축(O₃)의 위치 조작에 의해 이루어지며, 가동 힌지축(O₃)의 위치 조작은 고정 힌지축(O₄)을 회전축으로 하여 회동 가능한 피동부(161)와, 이 피동부(161)의 회동을 규제하는 구동부(162)에 의해 이루어지며, 본 실시예에서 피동부와 구동부는 랙-피니어 기어에 의해 제공됨을 보여주고 있다.

실시예

다음의 [표 1]은 본 실시예에 따른 날갯짓 비행체에 사용된 주요 구성의 제원을 보여주고 있다.

[표 1]

다음의 [표 2]는 세 가지 틸팅각(χ)에 대한 플랩핑각을 보여주고 있으며, 틸팅각(χ)을 조작하여 플랩핑각과 그 중간 스트로크 각을 조작할 수 있고 이를 통하여 비행체의 무게중심(CG)에 대해 피칭 모멘트 조정에 이용될 수가 있다.

[표 2]

참고로, 도 7은 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체의 실물 사진을 보여주고 있으며, CNC 머신(MM-300S, 정밀도 10㎛, MAXIX, Korea)을 사용하여 제작되었다.

- 날개 운동 궤적의 측정 -

비행체의 날개 운동 궤적은 두 대의 동기화한 고속 카메라에 의해 2000fps의 속도로 캡쳐된 날개의 연속 이미지로부터 날개 표면에 표시된 점(marked point)들의 3차원 좌표를 트랙킹하여 결정하였다. 플랩핑 주파수는 대략 38㎐ 였다.

도 8의 (a)는 본 실시예에서 플랩핑각의 시간에 따른 변화를 보여주고 있으며, 플랩핑각은 하나의 날갯짓 사이클에서 업스트로크 끝과 다운스트로크 끝 사이의 각도에 해당되며, 세 가지의 경우-노말(normal), 피칭다운(pitching-down), 피칭업(pitching-up)-에서 플랩핑각은 각각 대략 104°, 99° 및 116°를 보여주었다. 이러한 플랩핑각은 당초 디자인된 도 6(b)의 플랩핑각보다는 다소 크게 나타났으며, 이는 플랩핑 동작 시에 날개의 선단 시맥(leading edge vein)의 굽힘변형과, 제작과정에서 발생된 공차에 의한 것이다.

도 8의 (b)는 본 실시예에서 날개의 회전각(rotation angle)을 보여주고 있으며, 회전각은 세 가지 케이스의 세 가지 다른 날개 위치에서 날개 시위(wing chord)와 스트로크 평면(stroke plane) 사이의 각도로 정의된다. 최종 날개 운동 궤적은 측정된 세 주기의 날개 운동 궤적을 평균하여 결정하였다.

도 8의 (b)로부터, 다운스트로크 동안에 날개가 음성 비틀림(negative twist)을 가짐을 보여주며 업스트로크에서는 그 반대 현상이 나타남을 알 수 있다.

- 실험 장치 -

본 실시예에 대한 테스트에는 다축 로드셀(Nano 17, ATI Industrial Automation, USA, 해상도 0.3 gf)이 사용되어 날갯짓 비행체에 의해 발생된 힘과 피칭 모멘트를 측정하였다. 도 9에 예시된 것과 같이, 로드셀은 지름이 7 ㎜이고 길이가 20㎜인 카본 로드를 통해 날갯짓 비행체와 수직하게 설치되었다. 로드셀의 z축(Z_L)은 날갯짓 비행체의 무게중심(CG)을 지나며 스트로크 평면과는 수직하다. 무게중심(CG)은 날개 시위의 선단으로부터 약 36%에 위치한다. 날갯짓 비행체는 외부 전원공급부(E3646A, Agilent, Malaysia)에 의해 약 38.3ㅁ 0.3 ㎐의 플랩핑 주파수로 동작이 이루어졌다.

평균 힘과 모멘트는 플랩핑 운동이 이루어지는 동안에 약 100 회의 플랩핑 사이클에 대하여 평균값을 취하여 계산하였으며, 틸팅각(χ)(이하, "피치 조정각"으로도 지칭함)의 변화에 대해 세 가지 케이스로서 노말(normal), 피칭업(pitching up), 및 피칭다운(pitching down)에 대한 힘과 모멘트를 측정하였다.

1. 노말 케이스(Normal Case)

노말 케이스에서는 피치 조정각(χ)은 0°로 고정되었으며, 힘과 모멘트를 10번씩 측정하여 평균값을 구하였다.

도 10은 노말 케이스에 대한 실험 셋업 상태를 보여주고 있으며, 다음의 [표 3]은 그 결과를 보여주고 있다.

[표 3]

[표 3]을 참고하면, 평균 수직력(Fz)은 5.12g이며, 수평력(Fy)은 수직력의 약 2.8%임을 알 수 있으며, 이는 날갯짓 비행체가 x축에 대해 대칭적인 플랩핑 운동이 이루어지므로 타당한 결과할 수 있으며, 업/다운 스트로크 과정에서 수평력은 상쇄된다.

로드셀은 전체 피칭 모멘트(

)를 측정할 수 있으며, 전체 피칭 모멘트는 로드셀 축(x_L)에 대한 Fz에 의한 피칭 모멘트(

)와 Fy에 의한 피칭 모멘트(

)의 합이다. 무게중심(CG)과 로드셀의 축(x_L) 사이의 거리를 알기 때문에 무게중심(CG)에서의 피칭 모멘트를 계산할 수 있다. 우선 Fy의 힘중심과 로드셀 사이의 거리를 Fy와 곱하여

를 구하고 전체 모멘트(

)에서

를 빼서 로드셀 축에 대한 피칭 모멘트(

)를 결정할 수 있다.

노말 케이스에서 무게중심(CG)에 대한 피칭 모멘트는 약 0.05 mN-m(5 g-㎜)이지만 로드셀에서 모멘트에 대한 정밀도는 약 1.6 g-㎜이므로 이러한 평균 피칭 모멘트는 거의 0(영)이라 할 수 있다.

2. 피칭업 케이스(Pitching up Case)

피칭업 케이스에서의 힘과 모멘트에 대한 측정은 노말 케이스와 동일하고 피치 조정각(χ) 만을 달리하여 측정하였다. 피칭업에 대한 각도는 -10°로 하였다.

테스트는 10번을 실시하여 평균값을 취하였으며, 다음의 [표 4]에서 결과를 보여주고 있다.

[표 4]

본 케이스에서 플랩핑각은 노말 케이스 보다 크기 때문에 평균 수직력(Fz)은 약 6.2g 정도로써 노말 케이스의 수직력보다 크다. 다운스트로크와 업스트로크 동안에 도 8의 날개 회전각에서 알 수 있듯이 날개 형상의 비대칭(asymmetry)으로 인하여 y 방향으로 상대적으로 큰 수평력(Fy)이 발생되었다. 업스트로크 동안의 날갯짓에 의해 발생된 y 방향의 힘은 다운스트로크 동안에 발생된 힘보다는 크다. 결국은 약 0.5g의 평균 수평력이 비행체의 날갯짓에 의해 발생하였으며 도 11에서 좌측 방향에 해당한다. [표 4]로부터 알 수 있듯이, 플랩핑각 범위의 조작으로 인하여 본 케이스에서는 무게중심(CG)에 대하여 음의 피칭 모멘트가 발생되었다. 플랩핑각 범위의 조작이 있더라도 수평력(Fy)의 중심은 무게중심(CG)을 지나게 되며, 따라서 수평력(Fy)은 무게중심(CG)에 대한 어떤 피칭 모멘트도 발생시키지 않는다. 무게중심(CG)은 z 방향의 로드셀 좌표와 정렬되며, 따라서 피치 조정각(χ)이 -10°인 경우에 무게중심(CG)에 대한 발생된 비행체의 피칭 모멘트는 로드셀의 전체 모멘트(

)로부터 로드셀의 수평력(

)에 의한 모멘트를 빼주어 계산할 수 있다. 이는 시계방향으로 대략 46.4g-㎜로써 피칭업 모멘트를 발생시킨다.

3. 피칭다운 케이스(Pitching down Case)

피칭다운 케이스에 대하여 다른 실험 셋업 상태에 대한 변화 없이 피치 조정각(χ)을 20°로 하여 노말 케이스 및 피칭업 케이스와 동일한 방법에 의해 힘과 모멘트를 측정하였다.

본 케이스에서 Fz와 Fy의 평균 중심들은 도 12에서 도시된 것과 같이 무게중심(CG)의 우측에 위치하도록 해야 한다. [표 5]에서는 날갯짓으로 발생된 평균 수직력, 수평력 및 무게중심(CG)에 대한 양의 피칭 모멘트를 보여주고 있다. 본 케이스에서 플랩핑각의 크기는 노말 케이스와 피칭업 케이스와 비교하여 다소 작기 때문에 세 가지의 케이스 중에서 수직력(Fz)은 약 4.5g으로써 가장 작게 발생되었다. 평균 수평력(Fy)은 약 +0.086g으로써 도 12에서 도시하고 있듯이 힘의 방향은 우측이다. 무게중심(CG)에 대한 모멘트는 반시계방향으로 약 36.8g-㎜로써 피칭다운 모멘트를 발생시킨다.

[표 5]

4. 피칭 모멘트 발생의 시연

본 발명의 비행체는 피치 조정각(χ)의 조작에 의하여 날갯짓 동안에 피칭 모멘트가 발생될 수 있음을 보여주고 위하여 도 13에서와 같은 실험장치를 제작하였다. 비행체는 yz 평면 상에서 무게중심(CG)에 대해 자유 회전이 가능하도록 테스트 지그(test jig)에 설치하였다. 전력 시동은 무선 적외선 송신기(ITX2H-V2, 38 ㎑) 및 수신기(IRX262, 38 ㎑)를 이용하여 이루어졌으며, 전원은 직렬 연결된 한 쌍의 리튬 배터리(3.7 V, 20 mAh, Fullriver, 중국)를 사용하였다.

도 14의 (a)(b)(c)는 본 발명에 따라 제작된 날갯짓 비행체에 있어서 각각 다른 플랩핑각 범위에 의한 비행체의 동작을 연속적으로 보여주는 사진으로, 고속카메라(2,000fps)로 촬영하여 캡쳐하였다.

플랩핑 주파수는 38 ㎐ ~ 40 ㎐이며, 배터리의 충전 상태에 따라서 다소 차이가 발생된다.

도 14의 (a)는 노말 케이스(χ=0°)로써 3 초 동안의 수직비행 상태를 시현한 것이며, 비행체는 테스트 지그와의 힌지부에서 약간의 진동이 발생하고는 있으나 날갯짓 동안에 수직 방향을 유지하는 것을 확인할 수 있다.

도 14의 (b)는 피칭업 케이스(χ=-10°)로써 비행체는 날갯짓에 의해 피칭업 모멘트가 발생되어 테스트 지그와의 힌지부에서 회전하여 좌측으로 틸팅(tilting)되는 것을 확인할 수 있다.

도 14의 (c)는 피칭다운 케이스(χ=20°)로써 비행체는 날갯짓에 의해 피칭다운 모멘트가 발생되어 테스트 지그와의 힌지부에서 우측 방향으로 회전하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 비행체는 플랩핑각 범위의 조작에 의하여 피칭 모멘트가 발생됨을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

100 : 날갯짓 비행체 110 : 프레임
120 : 구동모듈 130: 슬라이더
140 : 날개고정홀더 150 : 링크부재
160 : 틸팅각 조작부재

Claims

날갯짓 비행체의 동체를 구성하는 프레임과;
상기 프레임에 고정되어 회전 구동력을 발생시키는 구동모듈과;
상기 구동모듈의 회전 구동력에 의해 상기 프레임에 상하방향으로 슬라이딩 가능하게 마련되는 슬라이더와;
상기 프레임의 양측에 대칭되게 마련되어 각각 날개를 고정하는 한 쌍의 날개고정홀더와;
상기 날개고정홀더 각각에 일단이 회동 가능하게 연결되고 타단이 상기 슬라이더와 회동 가능하게 연결되는 한 쌍의 링크부재와;
상기 한 쌍의 날개고정홀더 각각에 회동 가능하게 연결되며, 상기 프레임에 힌지 조립되어 날개고정홀더의 틸팅각 범위의 조정이 가능한 틸팅각 조작부재를 포함하는 날갯짓 비행체.
제1항에 있어서, 상기 틸팅각 조작부재는,
상기 프레임에 회동 가능하게 힌지 조립되는 고정 힌지축과, 상기 한 쌍의 날개고정홀더 각각에 힌지 조립되어 상기 고정 힌지축을 회전축으로 하여 회동이 가능한 가동 힌지축을 포함하는 한 쌍의 피동부와;
상기 고정 힌지축을 회전축으로 하는 상기 피동부의 회동 각도를 규제하게 되는 구동부를 포함하는 날갯짓 비행체.
제2항에 있어서, 상기 구동부는 동체에 직선 이동이 가능한 랙기어를 포함하며, 상기 피동부는 상기 랙기어와 치합되는 피니언기어를 포함하는 날갯짓 비행체.
제3항에 있어서, 상기 구동부는 상기 동체의 중심축 상에 상하 이동 가능하게 마련되어 한 쌍의 피동부 각각에 대응되도록 상기 랙기어가 양측에 대칭되게 형성된 것을 특징으로 하는 날갯짓 비행체.
양 날개의 날갯짓에 의해 비행이 이루어지는 날갯짓 비행체으로서,
동체에 마련된 구동원의 회전 구동력을 상하 왕복 운동으로 변환하여 양 날개의 상하 날갯짓 운동을 발생시키되, 양 날개는 동체에 대해 위치 조작이 가능한 가동 힌지축을 포함하며, 상기 가동 힌지축의 위치에 따라서 양 날개의 플랩핑각 범위의 조작이 이루어져 비행체의 피칭 모멘트가 발생되는 것을 특징으로 하는 날갯짓 비행체.