KR20230163749A - 고속 수영이 가능한 물고기 로봇 - Google Patents

고속 수영이 가능한 물고기 로봇 Download PDF

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KR20230163749A
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박훈철
탄 한 팜
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건국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 고속 수영이 가능한 물고기 로봇에 관한 것으로, 외형을 이루는 몸체부; 상기 몸체부의 내부에 결합되고 꼬리지느러미에 구동력을 제공하는 직류 모터를 포함하는 꼬리치기 구동부; 및 상기 꼬리치기 구동부로부터 구동력을 제공받아 꼬리치기를 수행하는 꼬리지느러미를 포함한다. 따라서, 본 발명의 물고기 로봇은 작고 가벼우면서도 빠르게 수영할 수 있고, 무게중심의 위치를 조절하여 짧은 거리에서 수중 도약할 수 있다.

Description

고속 수영이 가능한 물고기 로봇{FISH ROBOT CAPABLE OF HIGH-SPEED SWIMMING}
본 발명은 물고기 로봇 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소형 경량화하고 빠른 추진력을 가지도록 하여 고속 수영이 가능한 물고기 로봇에 관한 것이다.
생체모방형 수중로봇은 물고기와 같은 수중생물을 모사하여 추진력이나 조종력의 효율을 높인 로봇을 말한다. 최근 많은 연구가 진행되고 있는 물고기형 수중로봇은 수중에서 최대 효율을 낼 수 있는 물고기의 몸의 구조를 모사하여 개발되고 있다.
물고기는 연속적이고 반복적으로 꼬리지느러미를 움직여 추진력을 내는 몸의 구조를 갖고 있다. 이러한 물고기의 몸의 구조를 모사하여 꼬리치기로 구동하는 물고기 로봇들이 개발되고 있다.
현재까지 개발된 꼬리치기로 구동하는 물고기 로봇들은 자세 제어를 우선 목적으로 하기 때문에, 구동장치로 대부분 서보 모터(Servo Motor)를 사용한다. 서보 모터는 모터와 기어박스 그리고 제어회로로 구성되어 있어 특정 위치로 이동하거나 특정한 수치(속도 등)만큼 가동시킬 때 모터로부터의 피드백을 통해 정확하게 제어할 수 있는 구조를 갖추고 있다.
꼬리치기 구동장치로 서보 모터를 사용할 경우 로봇의 안정적인 자세제어는 가능하나, 이 경우 서보 구동 모터의 부피가 크고 무거워서 로봇의 몸체 크기가 커지고 무거워지게 된다. 로봇의 몸체가 크고 무거워질수록 꼬리치기로 발생하는 추력에 비해서 항력이 커지게 되어 수영 속도가 느리게 된다.
따라서, 꼬리치기로 구동하는 물고기 로봇의 추력 및 수영 속도를 향상시킬 수 있는 기술 개발이 요구되었다.
한국 등록특허 제10-0802354호 (2008.02.01 등록)
본 발명의 일 실시예는 소형 경량화하고 빠른 추진력을 가지도록 하여 고속 수영이 가능한 물고기 로봇을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 무게중심이 부력중심보다 하후방에 위치하게 하여 수동적으로 자세 안정성을 보장할 수 있는 물고기 로봇을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 수중에서 공중으로 도약할 수 있는 수공 천이가 가능한 물고기 로봇을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 고속 수영이 가능한 물고기 로봇은 외형을 이루는 몸체부; 상기 몸체부의 내부에 결합되고 꼬리지느러미에 구동력을 제공하는 직류 모터를 포함하는 꼬리치기 구동부; 및 상기 꼬리치기 구동부로부터 구동력을 제공받아 꼬리치기를 수행하는 꼬리지느러미를 포함한다.
상기 몸체부는 PLA(Poly Lactic Acid) 소재로 이루어질 수 있다.
상기 몸체부는 내부에 상기 꼬리치기 구동부를 삽입하여 결합하고 무게중심을 부력중심보다 하후방에 위치시켜 수중에서 전방부가 들리도록 하여 상기 전방부가 수중에서 수면을 향하게 할 수 있다.
상기 몸체부는 무게중심이 부력중심보다 하후방으로 3㎜ 이내에 위치하도록 하여 롤 안정성을 확보할 수 있다.
상기 꼬리치기 구동부는 상기 직류 모터의 회전력을 증폭하는 감속기어; 상기 감속기어를 통해 전달되는 회전력에 의해 회전 운동을 하는 4절 링크; 및 상기 4절 링크의 회전 운동에 따라 회전하여 상기 꼬리지느러미가 꼬리치는 좌우 반복 운동을 하게 하는 풀리-와이어를 포함할 수 있다.
상기 감속기어는 감속 기어비가 8.75:1 일 수 있다.
상기 풀리-와이어는 지름비가 2:1인 2개의 풀리 사이를 와이어로 연결하고, 2개의 풀리 중 지름비가 큰 풀리가 상기 4절 링크의 회전운동에 의해 회전하여 지름비가 작은 풀리가 연결부를 통해 연결된 상기 꼬리지느러미의 꼬리치기를 수행할 수 있다.
상기 꼬리지느러미의 꼬리치기 각(α)은 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
[수학식]
여기에서, r1 및 r2는 각각 큰 풀리의 반경 및 작은 풀리의 반경이고, β는 4절 링크의 회전운동에 의한 큰 풀리의 왕복 운동각이다.
상기 꼬리지느러미는 0.55㎜ 두께의 탄소섬유 복합재 판으로 이루어질 수 있다.
실시예들 중에서, 고속 수영이 가능한 물고기 로봇은 몸체부; 및 상기 몸체부의 내부에 결합되어 무게중심이 부력중심 보다 하후방에 위치하게 하여 수동적으로 롤링 안전성을 가지게 하고, 직류 모터를 통해 회전력을 발생시켜 말단에 연결되는 꼬리지느러미의 꼬리치기를 수행하여 수중 도약 가능한 추력을 발생하는 꼬리치기 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 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇은 꼬리치기 구동 모터로 직류모터를 사용하여 소형화 및 경량화가 가능하고 빠른 추진력을 가지게 되어 빠르게 수영할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇은 무게중심이 부력중심보다 하후방에 위치하게 하여 수동적으로 자세 안정성을 보장할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇은 무게중심의 위치에 의해 전면부가 들리면서 짧은 거리에서 빠르게 수영하여 수중에서 공중으로 도약하는 수공 천이가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 꼬리치기 구동부를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 있는 꼬리치기 구동부의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 4b는 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 추력 측정 실험을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 고속 수영 가능한 물고기 로봇의 수직 도약 실험을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 있는 물고기 로봇의 수중 수직 하강을 실험한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 5에 있는 물고기 로봇의 수중 수직 상승을 실험한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 수중에서 작용하는 힘을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 도 8에 있는 힘이 작용하는 물고기 로봇의 각도에 따른 수영 특성 예측 곡선을 나타낸 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 수공천이 과정에서 작용하는 힘을 나타낸 도면이다.
도 12는 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 수영 실험 장치를 나타낸 도면이다.
도 13은 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 부력 및 무게 중심 위치를 나타낸 도면이다.
도 14는 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 수평 수영 모습을 촬영한 사진이다.
도 15는 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 수중 도약 모습을 상단에서 촬영한 사진이다.
도 16은 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 수중 도약 모습을 측면에서 촬영한 사진이다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에 있는 꼬리치기 구동부를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 고속 수영이 가능한 물고기 로봇(이하, '물고기 로봇'이라 함)(100)은 크게 몸체부(110), 꼬리치기 구동부(130) 및 꼬리지느러미(150)를 포함한다. 여기에서, 물고기 로봇(100)은 날치 모방형 로봇으로 구현될 수 있다.
몸체부(110)는 물고기 로봇(100)의 외형을 이루며, PLA(Poly Lactic Acid) 소재를 이용하여 제작될 수 있다. PLA는 순수 바이오 기반의 생분해 소재로 단단하고 내화학성이 높다.
몸체부(110)는 내부에 꼬리치기 구동부(130)를 결합하고 후면에 꼬리지느러미(150)를 연결하여 꼬리치기 구동부(130)에 의한 꼬리지느러미(150)의 꼬리치기를 통해 발생되는 추진력에 의해 수영을 할 수 있다. 몸체부(110)는 꼬리치기 구동부(130)를 삽입하면 무게중심이 부력중심보다 약간 하후방에 위치하도록 내부 구조를 설계 및 제작할 수 있다. 일 실시예에서, 몸체부(110)는 꼬리치기 구동부(130)를 내부에 결합한 상태에서 무게중심이 부력중심보다 하후방으로 3㎜ 이내에 위치하게 설계할 수 있다. 이에 따라, 몸체부(110)는 수중에서 전방부가 후방부에 비해 약간 들리는 형태가 되어 수동적으로 롤 안정성을 확보할 수 있다.
몸체부(110)는 수동적인 롤 안정성 확보를 통해 뒤집어지지 않고 특별한 자세제어 없이도 안정적으로 수영할 수 있고, 약간의 피칭 모멘트가 발생하여 짧은 수영 거리에서도 빨리 수중에서 공중으로 도약할 수 있다.
꼬리치기 구동부(130)는 몸체부(110)의 내부에 결합되고 물고기 로봇(100)의 꼬리지느러미(150)에 구동력을 제공하여 꼬리치기를 수행할 수 있다. 꼬리치기 구동부(130)는 모터(210)가 제공하는 토크를 감속기어(230)로 증폭하고 4절 링크(250) 및 풀리-와이어(270)를 통해 꼬리지느러미(150)가 꼬리치는 좌우 반복 운동을 발생할 수 있다. 좀더 구체적으로, 꼬리치기 구동부(130)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 모터(210), 감속기어(230), 4절 링크(250), 풀리-와이어(270) 및 연결부(290)를 포함한다.
모터(210)는 직류 모터를 사용하여 기존 서버 모터 사용에 비해 몸체부(110)의 크기를 소형 경량화할 수 있다. 모터(210)는 몸체부(110)의 내부에서 고정물에 고정될 수 있다. 모터(210)는 배터리(미도시)로부터 전원을 공급받아 구동할 수 있다.
일 실시예에 따른 물고기 로봇(100)은 3개 또는 4개의 리튬-폴리머 배터리를 직렬로 연결하여 꼬리치기 구동부(130)를 구동시킬 수 있다. 여기에서, 물고기 로봇(100)의 질량은 3개의 배터리로 구동하는 경우에는 약 85g, 4개의 배터리로 구동하는 경우에는 약 110g이 될 수 있다.
감속기어(230)는 모터(210)의 구동에 의해 발생되는 회전력을 꼬리지느러미(150)에 전달하는 수단으로, 모터(210)의 회전수(RPM)를 필요한 수준으로 감속해 더 높은 회전력(토크)을 얻도록 조정할 수 있다. 여기에서, 감속기어(230)의 감속 기어비는 약 8.75:1이 될 수 있다.
4절 링크(250)와 풀리-와이어(270)는 감속기어(230)를 통해 전달되는 회전력을 이용하여 꼬리지느러미(150)의 운동을 일으키게 된다. 일 실시예에서, 4절 링크(250)와 풀리-와이어(270)의 풀리는 2㎜ 두께의 탄소섬유 복합재료 판 또는 에폭시 판을 정밀 밀링머신으로 잘라서 제작할 수 있다.
4절 링크(250)는 감속기어(230)와 풀리-와이어(270) 사이에 회전 가능하게 축 연결되어 감속기어(230)로부터 전달되는 회전력에 의해 회전 운동을 하게 된다. 풀리-와이어(270)는 지름이 서로 다른 2개의 풀리 사이를 와이어로 연결하여 구성된다. 여기에서, 2개의 풀리의 지름비는 2:1이 될 수 있다. 풀리-와이어(270)는 4절 링크(260)에 회전운동으로 인하여 회전하게 되며, 지름이 상대적으로 작은 풀리와 연결부(290)를 통해 연결된 꼬리지느러미(150)는 좌측 또는 우측으로 움직이게 된다. 이와 같이, 모터(210)의 회전 방향에 따라 꼬리지느러미(150)는 꼬리치는 좌우 반복 운동을 하게 된다.
꼬리지느러미(150)는 0.55㎜ 두께의 탄소섬유 복합재 판, 유리 또는 에폭시 판을 정밀 밀링머신으로 잘라서 제작할 수 있다.
도 3은 도 2에 있는 꼬리치기 구동부의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 4절 링크(250)는 링크(O1O2), 감속기어(230) 중심과 연결하는 선(O0O1), 풀리-와이어(270)의 지름이 큰 풀리의 중심과 연결하는 선(O2O3)으로 구성될 수 있다. 4절 링크(250)는 감속기어(230)에 의해 전달되는 회전력에 의해 회전운동하여 풀리-와이어(270)를 회전시키는데, 이때 풀리-와이어(270)의 지름이 큰 풀리는 β 각 만큼 왕복 운동을 하게 된다. 지름이 큰 풀리의 운동은 와이어를 통해 지름이 작은 풀리로 전이되어 꼬리지느러미(150)의 꼬리치기를 수행하게 된다. 이때, 꼬리지느러미(150)의 꼬리치는 각 α은 다음의 수학식으로 정의될 수 있다.
[수학식]
여기에서, r1 및 r2는 각각 큰 풀리의 반경 및 작은 풀리의 반경을 나타낸다.
꼬리치기 운동으로 발생하는 추력 측정 및 예측
도 4a 및 4b는 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 추력 측정 실험을 나타낸 도면으로, 도 4a는 추력 측정 실험 장치를 나타내며, 도 4b는 추력 측정값과 예측값의 비교 그래프를 나타낸다.
도 4a에서, 추력 측정에는 로드 셀(Nano 17, ATI Industrial Automation, USA)을 사용하였고, 물고기 로봇(100)의 꼬리치기 구동부(130)를 수조에 넣은 후 모터(210)에 전원을 인가하여 꼬리치기 운동 발생하면서 디지털 초고속 카메라로 촬영하였다. 그 결과, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 측정한 추력 이력 곡선의 최대값과 최소값을 다소 낮게 예측하였지만, 평균 추력은 측정한 평균 추력인 0.88N과 거의 일치하였다. 이때 꼬리치기 각도는 60°이고, 주파수는 약 11㎐이다.
항력계수 및 수직 도약 속도 측정 실험
도 5는 일 실시예에 따른 고속 수영 가능한 물고기 로봇의 수직 도약 시험을 나타낸 도면이다.
도 5에서, (a)는 항력계수 측정을 위한 실험에서 사용한 좌표축과 힘의 정의를 나타낸다.
물고기 로봇(100)의 몸체의 항력계수 측정을 위한 수직 하강 실험에서는, 물고기 로봇(100)의 몸체 내부에 무게를 추가하여 전체 무게를 부력(1.08N) 보다 크게 한 후, 물고기 로봇(100)의 몸체를 높이 1.2m, 단면적 0.4×0.4㎡의 수직 수조의 수면으로부터 아래로 0.07m 떨어진 곳에서 살며시 놓아 수직으로 하강하게 하면서, 물고기 로봇(100)의 몸체의 운동을 디지털 초고속 카메라(FASTCAM Mini UX50, Photron, UK)로 촬영하였다. 도 5에서, (b)는 수직 하강 실험 과정에서 촬영한 물고기 로봇(100)의 수직 하강 운동의 이미지를 조합하여 나타낸다.
수중 도약 속도를 측정하기 위한 수중 상승 실험에서는 부력 1.1N, 질량 4g, 표면적 0.0192㎡의 물고기 로봇(100)을 수조 바닥으로부터 0.6m 위치에서 살며시 놓아서 수직 방향으로 약 0.5m 거리를 부상하게 하면서 물고기 로봇(100)의 운동을 디지털 초고속 카메라를 이용하여 촬영하였다. 도 5에서 (c)는 이러한 수중 상승 도약 실험에서 얻은 초고속 카메라 이미지 조합이다.
이와 같은 방법으로 획득한 영상으로부터 두 경우의 시간-변위 곡선을 도출하고, 이를 미분하여 시간-속도 곡선을 얻은 후, 운동방정식의 해와 비교하여 항력계수를 결정하였다.
도 5의 (a)를 적용하면, 수직 상승하는 물고기 로봇(100)의 운동을 다음 수학식 1의 운동방정식으로 표현할 수 있다.
[수학식 1]
여기서, ρ는 물의 밀도, V는 물고기 로봇 외형의 체적, g는 중력 가속도, CD는 항력계수, S는 물고기 로봇 외형의 표면적, m는 물고기 로봇 외형의 질량, 은 각각 위치, 속도, 가속도를 의미한다. 상기 수학식 1의 운동방정식은 Trapezoidal rule로 수치적 해를 얻을 수 있다. 수학식 1을 단순화하기 위하여 기호로 표기하면 시간 t=tn와 t=tn+1에서 운동방정식은 아래의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
여기서, 이다.
시간 적분 방법의 하나인 Trapezoidal rule에서는 아래 수학식 3의 근사식을 적용한다.
[수학식 3]
여기서, Δt는 t=tn와 t=tn+1 사이의 시간 구간 크기이다.
수학식 2를 수학식 3에 대입하면, 각각 아래의 수학식 4를 유도할 수 있다.
[수학식 4]
수학식 4로부터 다음의 수학식 5가 성립한다.
[수학식 5]
Δt가 작은 경우, 으로 근사할 수 있으므로, 수학식 5는 아래의 수학식 6으로 근사할 수 있다.
[수학식 6]
최종적으로, 초기조건과 수학식 4와 수학식 6을 이용하여 각 시간 구간에서의 위치와 속도를 구할 수 있다. 그 결과는 도 6 및 도 7에 나타낸다.
도 6는 도 5의 물고기 로봇의 수중 수직 하강을 실험한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6에서, 물고기 로봇(100)의 외형 내부에 추가로 무게를 더하여 질량을 120g으로 증가시켜서 중력을 부력(=1.08N)보다 약간 큰 1.185N이 되도록 만든 후 수조에 넣어 수직 하강 운동을 하게 하였다. 이를 디지털 초고속 카메라로 촬영한 위치와 이의 시간 미분으로 얻은 속도를 나타내고 있다.
도 6의 Simulation은 수학식 1의 운동방정식을 수직 하강 운동의 경우에 맞도록 수정하고 이후의 수학식도 이에 맞추어 수정한 후, CD=0.02일 때 초기조건 을 적용하여 수치적으로 구한 위치와 속도를 의미한다. CD=0.02일 때 수치적으로 계산한 위치와 속도가 측정값과 가장 근사하게 일치하였으므로, 물고기 로봇(100) 외형의 항력계수는 0.02로 결정하였다.
도 7은 도 5의 물고기 로봇의 수중 수직 상승을 실험한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7에서, 질량 40g을 갖는 물고기 로봇(100) 외형이 부력(=1.1N)에 의하여 수조 하단에서 수직으로 이동하여 수면을 돌파하는 모습을 초고속 카메라로 촬영한 이미지로부터 물고기 로봇(100) 외형의 시간-무게 중심 이동 위치 관계를 구하고 이를 미분으로 얻은 시간-속도 관계를 나타낸다.
도 7의 Simulation은 도 6과 마찬가지로 수학식 1의 운동방정식을 수직 상승 운동의 경우에 맞도록 수정하고 이후의 수학식도 이에 맞추어 수정한 후, CD=0.02일 때 초기조건 을 적용하여 수치적으로 구한 위치와 속도 곡선이다. 수치해가 운동 초기에는 측정값을 잘 예측하지만, 시간이 지남에 따라서 위치와 속도를 다소 과대하게 예측함을 알 수 있다. 이는 항력을 단순하게 근사하였기 때문으로 판단할 수 있다.
동일한 수직 상승 실험을 서로 다른 질량을 가지는 물고기 로봇 외형에 대하여 실험하여, 최소 수중 도약 속도를 측정하였다. 여기서 수중 도약 속도는 물고기 로봇(100) 외형의 전단부가 수면에 도달했을 때 무게 중심의 속도로 정의하였다. 물고기 로봇(100) 외형의 질량이 40g일 때의 수중 도약 속도는 도 6에 나타낸 바와 같이, 최종 속도인 약 2.42m/s로 측정되었으며, 도 5의 (c)로부터 이때 물고기 로봇(100) 외형은 완전히 수면 밖으로 도약할 수 있음을 알 수 있다. 동일한 방법을 적용하되, 물고기 로봇(100) 외형 내부에 무게를 더하여 질량을 늘려서 속도를 늦춤으로써 다양한 수중 도약 속도를 발생하게 하면서, 물고기 로봇(100) 외형이 수면을 완전히 돌파할 수 있는지 여부를 관찰하였다. 그 결과는 하기 표 1로 정리하였다.
[표 1]
표 1을 보면, 물고기 로봇(100) 외형의 질량이 90g일 때, 수면 돌파 속도가 약 1.29m/s이고 이때 물고기 로봇(100) 외형의 끝이 수면을 완전히 돌파하지 않음을 알 수 있다. 이로부터, 동일한 외형을 가지는 물고기 로봇(100)의 수중 돌파 속도는 최소한 1.29m/s 이상이 되어야 함을 알 수 있다.
도 5의 (a)에서의 힘의 정의와 충격량(impulse)-운동량(momentum) 관계는 수학식 7로 표현할 수 있다.
[수학식 7]
여기서, T, D는 추력과 항력, v1,v2는 각각 시간 t1,t2에서의 수직 방향(+y 방향) 속도이다. 이때, 추력 T는 일정한 부력(B)과 동일하고 v1=0이므로 평균 항력(Davg)과 시간 구간 크기(Δt=t2-t1)를 적용하면 수학식 7은 아래의 수학식 8로 변형된다.
[수학식 8]
여기에서, T-Davg-mg는 수중 수직 도약을 위해 필요한 순추력(net thrust)에 해당한다.
물고기 로봇(100) 외형의 질량이 90g, 측정된 v2는 약 1.29m/s, Δt는 약 0.918s이므로, 순추력은 약 0.126N으로 계산된다. 한편, 일(work)-에너지(energy) 관계식으로부터 아래 수학식 9가 성립한다.
[수학식 9]
수학식 7 및 8에서와 마찬가지 방법을 적용하면, 수학식 9는 아래 수학식 10으로 변형할 수 있다.
[수학식 10]
여기서, s는 약 0.731m이므로, 순추력은 0.102N으로 계산된다. 이는 충격량-운동량 관계식으로부터 산출한 순추력인 0.126N과 약 19% 차이가 발생하는데, 이 차이는 거리와 속도 측정 과정에서의 발생한 오차와 에너지 손실 등 때문인 것으로 판단된다. 이러한 계산으로부터, 동일한 외형을 가지는 물고기 로봇(100)이 0.126N~0.102N 이상 크기의 순추력을 발생하고 수면 도달 속도가 약 1.29m/s 이상이면 물고기 로봇(100)이 수중에서 공중으로 도약 가능함을 알 수 있다.
수영 특성 예측
물고기 로봇(100)의 형상이 상하 대칭이고, 물고기 로봇(100)의 길이 방향의 무게(W) 중심과 부력(B) 중심이 일치하며 물고기 로봇(100)의 중심선 위에 위치하여 부력, 추력(T) 및 항력(D)에 의한 모멘트가 발생하지 않는 경우, 물고기 로봇(100)은 수중에서 초기에 설정된 특정한 방향으로 수영한다. 이는 도 8에 나타낸 바와 같다.
도 9 및 도 10은 각도에 따른 수영 특성 예측 곡선을 나타내는 도면으로, 각각 물고기 로봇(100)의 수중에서 수영 각도(θ)가 15°일 때와 30°일 때의 시간-거리 및 시간-속도 곡선을 나타낸다.
도 9 및 도 10에서, 물고기 로봇(100)의 질량 m=106g, 추력 T=0.88N, 표면적 S=0.0145㎡, 부력 B=1.08N 일때 수면 도달 속도는 약 2.4m/s으로 예측되었다. 이 속도에 도달하는데 걸리는 직선 거리는 각각 1.05m 및 0.99m로 약 1m이다. 각도 15°일 때 수평 거리 1.01m, 수직 거리 0.27m이고, 각도 30°일 때 수평 거리 0.85m, 수직 거리 0.49m이다. 이로부터 수중 도약 실험에 필요한 수조 또는 물풀의 최소한 크기를 산출할 수 있다.
수평 수영에 의한 수중 도약 속도 예측
수평 수영에 의하여 물고기 로봇(100)이 수중에서 공중으로 도약하는 데 필요한 속도를 예측하였다. 여기서는 물고기 로봇(100)의 길이 방향의 무게(W) 중심과 부력(B) 중심이 일치하며 물고기 로봇(100)의 중심선 위에 위치하여 부력, 추력(T) 및 항력(D)에 의한 모멘트가 발생하지 않는다고 가정하였습니다. 또한, 물고기 로봇(100)의 무게 중, 수중에 잠긴 부분의 부력과 중력은 그 크기가 같다고 가정하고, 꼬리치기로 발생하는 수중 추력은 물고기 로봇(100)의 몸체부(110)가 완전히 수면을 떠날 때까지 일정하게 작용한다고 가정하였다. 물고기 로봇(100)이 수면(Water surface)을 돌파할 때 몸체부(110) 주위에 발생하는 파도 항력(wave drag) 크기와 몸체부(110)의 앞부분이 수면 위로 나와서 공중에 노출됨으로써 줄어드는 압력 항력(pressure drag)의 크기가 서로 유사하다고 가정하여, 수중에서와 도약 과정에서의 항력계수가 동일하다고 가정한다. 공중에 노출된 몸체부(110)가 발생하는 양력과 항력은 무시한다. 수중에서 공중으로 도약하는 물고기 로봇(100)에 작용하는 힘은 도 11과 같이 나타낼 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 수공천이 과정에서 작용하는 힘을 나타내는 도면이다.
도 11에서, 물고기 로봇(100)이 수평면에 대해서 특정 각도를 가지고 수중에서 공중으로 도약할 때 물고기 로봇(100)이 받는 힘을 나타낸다. 여기에서, T는 꼬리치기로 발생하는 추력, Df는 수면 돌파 때 물고기 로봇(100)이 받는 항력, Wf는 공중 노출부의 무게에 의한 중력이다. 이때, 수면에 잠긴 부분의 중력은 부력과 상쇄된다고 가정하였다. 두 축(x,z) 방향으로 뉴튼의 제2법칙을 적용하면 아래 수학식 11의 운동방정식을 표현할 수 있다.
[수학식 11]
여기서, M은 물고기 로봇(100)의 총 질량, r은 수면 돌파 때 물고기 로봇(100)의 몸체부(110)와 함께 이동하는 물의 질량을 보정하기 위한 상수로 0.2로 한다.
수면 돌파 때의 항력(Df)과 수중에서의 항력(Do)은 각각 아래의 수학식 12로 표현한다.
[수학식 12]
여기서, vo는 물고기 로봇(100)의 길이 방향 수영 속도, v는 수면 돌파 때의 속도이다. 수면 돌파 때와 수중에서의 항력계수가 같다고 하면, 이고 이므로, 위의 수학식 12로부터 다음 수학식 13의 관계가 성립한다.
[수학식 13]
수학식 13을 수학식 11에 대입하면, 아래의 수학식 14와 같다.
[수학식 14]
물고기 로봇(100)이 수평 방향으로 일정한 속도로 수영할 때, 이고, 이때 이므로, 이로부터 아래의 수학식 15가 성립한다.
[수학식 15]
이로부터 수면 돌파 때 물고기 로봇(100)의 속도는 아래의 수학식 16으로 표현된다.
[수학식 16]
위 수학식 16에서, 물고기 로봇(100)이 수중에서 일정 속도 vo로 수영하기 위해서는 T=Do이므로, 이다. 즉, 로, 수면 돌파 동안의 물고기 로봇(100)의 길이 방향 속도는 수면 도달 속도 또는 초기 수중 도약 속도인 vo로 일정한 것으로 근사할 수 있다. 이 경우, 물고기 로봇(100)이 수면 돌파에 걸리는 시간은 물고기 로봇(100)의 길이를 L이라고 하면, tf = L/vo이다. 즉, 이 수치해석은 시간 구간 에서만 의미가 있다.
앞에서, 수면 돌파 때 수평 정속 수영을 위해서 T=Df이므로, 수학식 11은 아래의 수학식 17로 단순화된다.
[수학식 17]
여기서, Wf는 수면 위로 올라온 물고기 로봇(100)의 무게이므로, 물고기 로봇(100)의 질량의 무차원 분포식을 λ(l)라고 하면 Wf를 아래의 수학식 18과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 18]
수학식 18에서 λ(l)을 우선 물고기 로봇(100)의 일반적인 질량 분포인 아래의 수학식 19로 가정하고 최종적으로는 실제 물고기 로봇(100)의 질량 분포를 분석하여 수정하여 λ(l)을 적용한다.
[수학식 19]
수학식 18를 수학식 17에 대입하고, 수학식 19을 적용하면 아래의 수학식 20을 얻을 수 있다.
[수학식 20]
물고기 로봇(100)의 몸체 길이(L)가 모두 공중으로 도약하는데 걸리는 시간이 tf = L/vo이므로, 길이 l만큼 공중 도약하는데 걸리는 시간은 t=l/vo이다. 따라서, l=tvo로 표현할 수 있고, 이를 상기 수학식 20에 대입하면 수학식 20은 아래의 수학식 21로 수정된다.
[수학식 21]
이를 시간에 대해서 한번 적분하면, 수직 속도 는 아래 수학식 22로 표현할 수 있다.
[수학식 22]
수면 돌파 시작 때인 시간 t=0에서의 수직 속도 이므로, 이다. 이를 수학식 22에 대입하고 시간에 대하여 적분하면 수직 위치 (t)는 아래 수학식 23으로 표현할 수 있다.
[수학식 23]
여기서, Lc를 물고기 로봇(100)의 전방 끝에서 무게 중심까지의 거리라고 하면, 물고기 로봇(100)의 전방이 수면에 닿을 때 즉, t=0일 때 물고기 로봇(100)의 무게 중심은 수면에서 Lcsinθ만큼 수직 방향 아래에 놓이게 된다. 따라서, c2=-Lcsinθ이고, 수학식 23은 아래의 수학식 24과 같다.
[수학식 24]
여기서, Lc=L/2로 근사한다.
수중 도약 속도와 도약 각도에 따른 도약 높이 예측 결과는 하기 표 2로 정리될 수 있다.
[표 2]
표 2는 L=0.25m, Lc=0.125m, r=0.2, 무게 중심 위치의 높이 0.05m인 물고기 로봇(100)의 수면 도달 속도 vo가 각각 1.5, 2.0, 2.5 m/s일 때, 각도 θ가 20°, 25°, 30°일 때의 물고기 로봇(100)의 무게 중심의 수면 위 수직 높이를 수학식 31로 계산한 결과를 나타낸다.
수면 위 도약 높이 z가 물고기 로봇(100)의 무게 중심 위치에서의 몸체 높이인 0.05m의 50%인 0.025m 이상인 경우에만 물고기 로봇(100)이 공중으로 완전히 도약했다고 가정하면, 수중에서 공중으로 도약이 가능한 경우는 위의 표 2에서 음영으로 표시한 경우이다. 즉, 물고기 로봇(100)의 수중 도약 속도 vo가 1.5m/s일 때는 θ=30°때만 가능하고, vo가 2.0m/s일 때는 θ=20°, θ=25°때 가능하며, 수중 도약 속도 vo가 2.5m/s일 때는 θ=20°, 25°, 30°때 모두 가능함을 알 수 있다.
로봇의 수영 실험
앞의 수치 모델은 여러 가정을 설정한 근사 해석이고, 또한 실제 실험에서 정확한 도약 각도와 도약 속도를 구하기는 어렵다. 실제 수영 실험에서 제작한 물고기 로봇(100)의 최대 수영 속도를 측정하기 위하여 수영 도약 실험을 수행하였다. 앞서 예측한 물고기 로봇(100)의 수평 수영 특성 및 수중 도약 예측을 기반으로, 도 12와 같은 수영 실험 장치에 물을 채워서 물고기 로봇(100)의 수영 실험을 실시하였다.
도 12는 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 수영 실험 장치를 나타내는 도면이다.
도 12에서, 수영 실험 장치는 물풀(Water pool)에 물고기 로봇(100)이 수영할 수 있도록 물을 채웠다. 물풀 사이즈는 외측 2.62×1.75×0.51㎥, 내측 2.10×1.40×0.45㎥로 하였다. 물이 채워진 물풀 상단의 천장에는 물고기 로봇(100)의 수영 모습을 촬영할 수 있도록 디지털 초고속 카메라를 설치하였다. 초고속 카메라로 촬영한 영상으로부터 물고기 로봇(100)이 수영한 거리를 측정하기 위하여, 물풀의 바닥에는 거리를 표시하였다.
이론적 예측에서는 부력 중심과 무게 중심이 일치한다고 가정하였으나, 실제 물고기 로봇(100)은 도 13과 같이 부력 중심이 무게 중심보다 약간 높고 뒤쪽에 위치한다.
도 13은 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 부력 및 무게 중심 위치를 나타내는 도면이다.
도 13에서, 물고기 로봇(100)은 무게 중심(CG)이 부력 중심(CB)보다 약간 하후방에 위치하여, 바꿔 말하면 부력 중심(CB)이 무게 중심(CG) 보다 약간 높은 곳에 놓여 수동적으로 롤링(rolling) 안정성을 가질 수 있다. 여기에서, 무게 중심(CG)은 부력 중심(CB) 보다 뒤쪽으로 0.02L(=0.5L-0.48L, L=160㎜), 아래쪽으로 7H/90(H=90㎜)에 위치할 수 있다.
또한, 부력 중심(CB)이 무게 중심(CG) 보다 약간 앞에 놓임으로써 부력이 무게보다 약간 큰 물고기 로봇(100)의 전방이 수중에서 항상 수면을 향하게 한다.
한편, 물고기 로봇(100)의 후방 상하에 설치한 중앙 지느러미(median fins)는 물고기 로봇(100)의 요잉(yawing) 운동을 줄이지만, 부력 중심(CB)과 무게 중심(CG)이 일치하지 않아서 빠르게 수영하는 조정 없는 즉, 자세 제어 없는 물고기 로봇(100)이 수평으로 수영하기 어렵다. 따라서, 실제 수평 수영과 수중 도약 실험에서는 꼬리지느러미(150)의 부착 위치를 조금씩 변경하여 목표하는 수영 실험이 가능하게 하였다.
수영 실험에서는 물고기 로봇(100)을 직렬로 연결된 4개의 수형 리튬-폴리머 배터리(4×3.7V)로 구동하였고, 물고기 로봇(100)에 부착한 꼬리지느러미(150)는 0.5㎜ 두께의 탄소/에폭시 판을 잘라서 제작하였으며 그 면적은 2,047㎟로 하였다. 실험 결과는 도 14에 나타낸 바와 같다.
도 14는 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 수평 수영 모습을 촬영한 사진이다.
도 14에서, 천장에 설치된 디지털 초고속 카메라를 이용하여 물고기 로봇(100)이 0~1.5m 구간을 수평 수영하는 모습을 촬영하였다. 여기에서, 화살표는 물고기 로봇(100)의 위치를 가리킨다. 물고기 로봇(100)이 1.5m까지 수영하는 동안 측정된 구간별 수평 수영 속도(m/s)는 하기 표 3과 같다.
[표 3]
앞서 수영 속도가 약 2.4 m/s에 도달할 것으로 예측하였으나, 실제로 측정된 수영 속도는 예측 속도보다 현저히 낮은 약 1.44 m/s(=6.5 body length/s)임을 알 수 있다. 이는 예측에 적용한 측정 추력은 수영하는 물고기 로봇(100)을 좌우로 흔드는 요잉 운동이 없고 전방에서 유입하는 유동이 없는 경우이므로, 모델로부터 예측된 수영 속도는 실제 수용 속도보다 더 큰 것으로 판단될 수 있다.
수중 도약 실험
물고기 로봇(100)의 수평 수영 실험 속도가 1.4m/s로서 1.5m/s에 가까우므로 상기 표 2의 예측 중, 도약 각도는 속도가 1.5m/s의 경우인 30°로 설정한다. 낮은 도약 속도에도 불구하고 짧은 거리 안에서 큰 도약 각도를 가져서 수중 도약이 가능하기 위해서, 꼬리지느러미(150)의 위치를 변경하여 물고기 로봇(100)의 앞쪽이 수면 방향으로 회전하는 모멘트를 발생하게 함으로써, 수영 개시 후 짧은 시간과 거리 이내에 큰 각도로 수면을 향하게 하였다. 실험 결과는 도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같다.
도 15는 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 수중 도약 모습을 상단에서 촬영한 사진이다.
도 15에서, 수중 도약하는 물고기 로봇(100)의 모습을 천정에 설치된 초고속 카메라로 촬영하였다. 여기에서, 화살표는 물고기 로봇(100)을 가리킨다. 물고기 로봇(100)이 처음에는 수평 수영을 하다가(사진 (a) 참조), 약 0.5m를 지나면서 물고기 로봇(100)의 전방이 급속히 수면을 향하고(사진 (b) 및 (c) 참조), 수영 거리 1m 부근에서 물고기 로봇(100)의 몸체부(110) 전방이 수면 밖으로 도약한 후(사진 (d) 내지 (f) 참조), 재입수하여 1.5m 구간까지 수영하였다(사진 (g) 및 (h) 참조).
도 16은 일 실시예에 따른 고속 수영이 가능한 물고기 로봇의 수중 도약 모습을 측면에서 촬영한 사진이다.
도 16에서, 수중 도약하는 물고기 로봇(100)의 모습을 일반 카메라(Nikon D7000, Japan)를 이용하여 1fps의 속도로 측면에서 촬영하였다. 여기에서, 화살표는 물고기 로봇(100)을 가리킨다. 물고기 로봇(100)은 처음에는 수평 수영을 하다가(사진 (a) 참조), 약 0.5m를 지나면서 물고기 로봇(100)의 전방이 수면으로 향하고(사진 (b) 및 (c) 참조), 큰 각도로 수면을 돌파하여 공중으로 도약한 후(사진 (d) 및 (e) 참조), 다시 입수하였다(사진 (f) 참조).
이러한 실험으로부터, 앞서 예측한 대로 약 1.5m/s의 도약 속도로도 수면을 향하는 모멘트가 발생하게 하여 높은 도약 각도를 유지하면 물고기 로봇(100)이 수중에서 공중으로 도약 가능함을 실험적으로 입증하였다.
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: 고속 수영이 가능한 물고기 로봇
110: 몸체부 130: 꼬리치기 구동부
150: 꼬리지느러미
210: 모터 230: 감속기어
250: 4절 링크 270: 풀리-와이어
290: 연결부

Claims (10)

  1. 외형을 이루는 몸체부;
    상기 몸체부의 내부에 결합되고 꼬리지느러미에 구동력을 제공하는 직류 모터를 포함하는 꼬리치기 구동부; 및
    상기 꼬리치기 구동부로부터 구동력을 제공받아 꼬리치기를 수행하는 꼬리지느러미를 포함하는 고속 수영이 가능한 물고기 로봇.
  2. 제1항에 있어서, 상기 몸체부는
    PLA(Poly Lactic Acid) 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 고속 수영이 가능한 물고기 로봇.
  3. 제1항에 있어서, 상기 몸체부는
    내부에 상기 꼬리치기 구동부를 삽입하여 결합하고 무게중심을 부력중심보다 하후방에 위치시켜 수중에서 전방부가 들리도록 하여 상기 전방부가 수중에서 수면을 향하게 하는 것을 특징으로 하는 고속 수영이 가능한 물고기 로봇.
  4. 제3항에 있어서, 상기 몸체부는
    무게중심이 부력중심보다 하후방으로 3㎜ 이내에 위치하도록 하여 롤 안정성을 확보하는 것을 특징으로 하는 고속 수영이 가능한 물고기 로봇.
  5. 제1항에 있어서, 상기 꼬리치기 구동부는
    상기 직류 모터의 회전력을 증폭하는 감속기어;
    상기 감속기어를 통해 전달되는 회전력에 의해 회전 운동을 하는 4절 링크; 및
    상기 4절 링크의 회전 운동에 따라 회전하여 상기 꼬리지느러미가 꼬리치는 좌우 반복 운동을 하게 하는 풀리-와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 수영이 가능한 물고기 로봇.
  6. 제5항에 있어서, 상기 감속기어는
    감속 기어비가 8.75:1 인 것을 특징으로 하는 고속 수영이 가능한 물고기 로봇.
  7. 제5항에 있어서, 상기 풀리-와이어는
    지름비가 2:1인 2개의 풀리 사이를 와이어로 연결하고, 2개의 풀리 중 지름비가 큰 풀리가 상기 4절 링크의 회전운동에 의해 회전하여 지름비가 작은 풀리가 연결부를 통해 연결된 상기 꼬리지느러미의 꼬리치기를 수행하는 것을 특징으로 하는 고속 수영이 가능한 물고기 로봇.
  8. 제7항에 있어서, 상기 꼬리지느러미의 꼬리치기 각(α)은
    다음의 수학식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 고속 수영이 가능한 물고기 로봇.
    [수학식]

    여기에서, r1 및 r2는 각각 큰 풀리의 반경 및 작은 풀리의 반경이고, β는 4절 링크의 회전운동에 의한 큰 풀리의 왕복 운동각이다.
  9. 제1항에 있어서, 상기 꼬리지느러미는
    0.55㎜ 두께의 탄소섬유 복합재 판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고속 수영이 가능한 물고기 로봇.
  10. 몸체부; 및
    상기 몸체부의 내부에 결합되어 무게중심이 부력중심 보다 하후방에 위치하게 하여 수동적으로 롤링 안전성을 가지게 하고, 직류 모터를 통해 회전력을 발생시켜 말단에 연결되는 꼬리지느러미의 꼬리치기를 수행하여 수중 도약 가능한 추력을 발생하는 꼬리치기 구동부를 포함하는 고속 수영이 가능한 물고기 로봇.
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KR100802354B1 (ko) 2006-11-23 2008-02-13 건국대학교 산학협력단 압전세라믹 작동기로 구동되는 물고기 로봇

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