KR20240041077A - 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치 - Google Patents

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KR20240041077A
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강태삼
박정근
박재성
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건국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치에 관한 것으로, 모터, 날개, 상기 모터 및 상기 날개 사이에 연결되어 상기 모터의 회전 운동을 상기 날개의 날갯짓으로 전달하는 날갯짓 구동을 수행하는 기어부재, 및 일단이 프레임에 고정되고 다른 일단이 상기 기어부재에 연결되어 상기 날개가 한쪽 방향으로 날갯짓할 때 생기는 탄성 에너지를 축적하고 축적된 상기 탄성 에너지를 통해 상기 날개의 날갯짓 방향이 반대쪽으로 전환될 때 공진 현상이 발생하여 날갯짓 구동에 필요한 에너지를 줄이도록 하는 인장 스프링을 포함한다. 따라서, 본 발명은 인장 스프링의 공진 현상을 통해 보다 적은 에너지로 날갯짓 구동을 수행하여 효율적인 비행을 할 수 있다.

Description

곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치{FLAPPING WING STRUCTURE OF INSECT-LIKE TAILLESS FLYING ROBOT}
본 발명은 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 날갯짓 과정에서 인장 스프링의 공진 현상을 통해 날갯짓의 에너지 효율을 높여 적은 에너지로도 효율적인 날갯짓을 할 수 있는 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치에 관한 것이다.
날갯짓형 비행 로봇은 조류 및 곤충의 움직임을 모방하여 비행하는 생체 모방 로봇의 일종으로, 날개의 움직임에 의해 발생하는 주변의 불안정한 공기 흐름을 이용하여 호버링(Hovering) 등 다양한 비행을 수행할 수 있는 장점이 있다. 날갯짓형 비행 로봇은 꼬리 날개의 유무에 따라 조류 모방형 날갯짓 로봇과 곤충 모방형 날갯짓 로봇으로 분류할 수 있다. 이 중 곤충 모방형 날갯짓 로봇은 날개의 움직임만으로 정지 비행과 수직 이착륙, 그리고 빠른 방향 전환을 수행할 수 있어 더욱 민첩하고 자유도 높은 움직임을 보일 수 있어 활발하게 연구되고 있다.
현재 곤충 모방형 날갯짓 비행체는 날개의 움직임을 구현하기 위하여 모터를 활용하는 방법이 연구되고 있다. 이러한 형태의 비행체에서는 모터의 회전 운동을 링크와 기어 및 도르래, 실 등의 기계적인 장치들을 활용하여 날개의 왕복 운동으로 변환함으로써 날갯짓을 구현한다. 날개를 구동하기 위한 동력으로 하나의 모터만을 사용할 경우, 두 날개를 독립적으로 제어할 수 없기 때문에 비행 및 자세 제어를 위하여 3개의 서보 모터가 필요하다. 서보 모터는 무게를 줄이기 위하여 초경량으로 제작되며 링크를 통하여 날갯짓 장치에 연결되는데 이러한 서보 시스템은 고가일 뿐 아니라 전체 시스템을 복잡하게 하고, 특히 진동 및 충격에 약하여 비행 횟수가 증가함에 따라 서보 시스템의 성능이 떨어지는 단점이 있다. 또한 날개의 양 끝단에서 날갯짓 스트로크가 반전될 때의 관성을 이기기 위해 에너지를 지나치게 소모하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 모터의 회전 운동을 기어 박스 등의 복잡한 기계장치 없이 직접 구동하는 모터 직접 양방향 구동형 날갯짓 장치가 제시되었다. 이것은 기어를 통해 모터와 날개를 직접 연결하는 방식이다. 이 방식에서는 날개의 왕복 운동을 구현하기 위해 모터의 회전 방향을 바꾸는 방법을 사용한다. 하나의 모터가 하나의 날개를 구동하므로 날개를 서로 독립적으로 구동할 수 있고 각 날갯짓의 각도와 날갯짓 움직임의 속도 차를 변경함으로써 방향 전환 및 자세 제어를 수행할 수 있다. 따라서 하나의 모터만을 사용하는 날갯짓 비행체에 비해 구조적으로 간단하다는 장점을 가진다. 또한 날갯짓 장치에서 한쪽 방향으로 날갯짓을 할 때 생기는 에너지를 탄성체를 활용하여 저장하였다가 반대쪽 방향으로 날갯짓 하는데 사용할 수 있도록 공진 현상을 유도함으로써 관성을 극복하기 위하여 소비되는 에너지를 최소한으로 줄일 수 있다.
현재 탄성체를 활용한 날갯짓 장치는 주로 비틀림 스프링을 활용하여 제작되고 있다. 비틀림 스프링은 부착된 면들의 비틀림에 의해 생긴 기계적인 에너지를 저장하는 탄성체이다. 비틀린 각도에 비례하여 반대 방향으로 토크 력을 가하도록 설계되어 있고, 보통 스프링이 꼬인 방향으로의 비틀림만 사용된다. 날갯짓 장치는 180도 이상의 피크 대 피크 날갯짓 진폭을 필요로 하는데, 보통 소형 비틀림 스프링의 비틀림 범위는 180도에 미치지 못하기 때문에 180도 이상으로 오랫동안 구동 시 스프링이 변형되거나 파괴를 일으키는 문제가 있었다. 또한 힘이 스프링에 정확히 수직으로 작용하지 못해 스프링의 중심축이 회전에 따라 비틀리는 문제점이 있으며, 스프링을 단단하게 고정하는 데에 어려움이 있다.
한국등록특허 제10-1838534호 (2018.03.08)
본 발명의 일 실시예는 날갯짓 과정에서 인장 스프링의 공진 현상을 통해 날갯짓의 에너지 효율을 높여 적은 에너지로도 효율적인 날갯짓을 할 수 있는 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치는 모터, 날개, 상기 모터 및 상기 날개 사이에 연결되어 상기 모터의 회전 운동을 상기 날개의 날갯짓으로 전달하는 날갯짓 구동을 수행하는 기어부재, 및 일단이 프레임에 고정되고 다른 일단이 상기 기어부재에 연결되어 상기 날개가 한쪽 방향으로 날갯짓할 때 생기는 탄성 에너지를 축적하고 축적된 상기 탄성 에너지를 통해 상기 날개의 날갯짓 방향이 반대쪽으로 전환될 때 공진 현상이 발생하여 날갯짓 구동에 필요한 에너지를 줄이도록 하는 인장 스프링을 포함한다.
상기 날갯짓 장치는 중앙에 상기 프레임이 위치하고 상기 프레임의 양쪽으로 대칭되게 설치될 수 있다.
상기 기어부재는 상기 모터에 연결되고 상기 모터의 회전에 의해 구동되는 제1 기어, 및 상기 날개에 연결되고 상기 제1 기어에 맞물리어 상기 제1 기어의 구동에 따라 구동하여 상기 날개를 움직이는 동력을 상기 날개에 전달하는 제2 기어를 포함할 수 있다.
상기 기어부재는 상기 제1 기어로서 피니언 기어를 사용하고, 상기 제2 기어로서 스퍼 기어를 사용할 수 있다.
상기 인장 스프링은 상기 제2 기어에 연결되고 상기 제2 기어의 회전에 따라 길이가 변화하여 길이 방향 확장에 의해 생기는 상기 탄성 에너지가 축적되고 상기 날갯짓의 방향이 반대쪽으로 바뀔 때에 상기 날갯짓의 고유 진동수와 동일한 진동수로 스프링의 힘(토크)이 상기 제2 기어에 가해져 공진 현상을 유도할 수 있다.
상기 날갯짓 장치는 공진 주파수로 상기 날개짓 구동이 수행될 때 상기 인장 스프링에 의한 구동 에너지의 절약이 최대가 되고, 상기 공진 주파수는 기어 비와 스프링 탄성계수의 값을 통해 결정될 수 있다.
상기 인장 스프링은 상기 날개의 각도가 θW 만큼 움직임에 따라 길이가 d에서 d'로 증가했을 때 상기 제2 기어에 가해지는 스프링 토크가 하기 수학식 1로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
여기에서, ke는 인장 스프링의 탄성계수이고 R은 제2 기어의 중심에서 제2 기어에 고정된 인장 스프링의 고정부 까지의 거리로, ke, d, R은 각각 상수이고, α와 d'는 사인(sin)법칙에 의해서 날개 각도 θW에 대한 함수이다.
상기 인장 스프링은 길이(d'-d)가 만큼 줄어들 때 상기 제2 기어에 가해지는 스프링 토크가 하기 수학식 2로 표현될 수 있다.
[수학식 2]
실시예들 중에서, 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치는 모터, 상기 모터의 회전을 따라 구동하는 피니언 기어, 상기 피니어 기어의 구동을 따라 구동하는 스퍼 기어, 상기 스퍼 기어에 직접 연결되어 구동하는 날개, 및 상기 날개가 한쪽으로 움직임에 따라 인장되어 상기 날개의 운동 에너지가 탄성 에너지로 축적되고 토크가 상기 날개의 움직임을 반대하는 방향으로 작용하여 상기 날개의 날갯짓 구동 에너지를 절약하도록 하는 인장 스프링을 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 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치는 날갯짓 과정에서 인장 스프링의 공진 현상을 통해 날갯짓의 에너지 효율을 높여 적은 에너지로도 효율적인 날갯짓을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 날갯짓 장치가 적용된 곤충 모방 비행로봇을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 날갯짓 장치를 나타내는 측면도이다.
도 3은 도 1에 있는 날갯짓 장치를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3에 있는 날갯짓 장치의 날갯짓 구동 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치에서 인장 스프링의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a-7b는 날개 각도에 따른 스프링 토크를 나타내는 그래프이다.
도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른 날갯짓 장치의 인장 스프링을 활용한 날갯짓 구동 실험 및 결과를 설명하는 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.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
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.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
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 날갯짓 장치가 적용된 곤충 모방 비행로봇을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 곤충 모방 비행로봇(100)은 프레임(110) 및 한쌍의 날갯짓 장치(130)를 포함한다.
프레임(110)은 곤충 모방 비행로봇(100)의 중심에 위치하고 양측으로 한쌍의 날갯짓 장치(130)를 고정할 수 있다.
한쌍의 날갯짓 장치(130)는 프레임(110)을 중심으로 양측에 대칭되게 마련될 수 있다. 한쌍의 날갯짓 장치(130)는 각각 모터에서 발생된 구동력으로 날개의 독립적인 날갯짓을 발생시킬 수 있다. 여기에서, 한쌍의 날갯짓 장치(130)는 서로 동일하게 구성되므로 한쪽의 날갯짓 장치(130)의 구성에 대해 도 2 및 도 3을 통해 설명한다.
도 2는 도 1에 있는 날갯짓 장치를 나타내는 측면도이고, 도 3은 도 1에 있는 날갯짓 장치를 나타내는 평면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 날갯짓 장치(130)는 날개(210), 기어부재(230), 모터(250) 및 인장 스프링(270)으로 구성된다.
날개(210)는 막 구조(membrane)로 형성될 수 있으며, 기어부재(230)를 통해 모터(250)의 동력을 전달받아 왕복 날갯짓을 수행할 수 있다.
기어부재(230)는 날개(210) 및 모터(250) 사이에 연결되고 서로 맞물려 회전하는 제1 기어(231) 및 제2 기어(233)로 구성된다. 제1 기어(231)는 제2 기어(233)에 비해 잇수가 적은 피니언 기어로 구성되고 제2 기어(233)는 스퍼 기어로 구성되어 맞물리는 기어의 두 축에 평행한 회전 및 동력을 전달할 수 있다. 제1 기어(231)는 모터(250)에 연결되고 모터(250)의 회전에 의해 구동하여 모터(250)의 회전 동력을 제2 기어(233)로 전달한다. 제2 기어(233)는 날개(210)에 연결되고 제1 기어(231)와 맞물리어 제1 기어(231)의 구동에 따라 구동하여 날개(210)를 움직일 수 있는 동력을 날개(210)에 전달한다. 여기에서, 날개(210)는 제2 기어(233)에 직접 연결되어 제2 기어(233)가 회전함에 따라 움직이게 된다.
일 실시예에서, 모터(250)가 시계 방향으로 구동하게 되면 제1 기어(231)도 시계 방향으로 회전하고 제1 기어(231)에 맞물려 구동하는 제2 기어(233)는 제1 기어(231)와 반대인 반시계 방향으로 회전하게 되며 제2 기어(233)에 직결되어 있는 날개(210) 또한 제2 기어(233)를 따라 반시계 방향으로 회전하게 된다. 날개(210)가 최대 위치로 움직이게 되면 모터(250)의 회전 방향이 반시계 방향으로 변경되며 날개(210) 또한 시계 방향으로 회전하게 된다.
인장 스프링(270)은 날개(210)가 한쪽 방향으로 날갯짓을 할 때 생기는 에너지를 저장하는 탄성체로서 프레임(110)과 제2 기어(233) 사이에 연결될 수 있다. 인장 스프링(270)은 일측이 프레임(110)에 의해 고정되고 다른 일측이 제2 기어(233)를 따라 회전할 수 있도록 제2 기어(233)에 고정된다. 여기에서, 인장 스프링(270)은 제2 기어(233)에 연결된 날개(210)의 고정부와 동일선상에 위치하도록 고정될 필요는 없다. 인장 스프링(270)은 잡아당기는 힘에 저항하는 스프링으로, 제2 기어(233)가 회전함에 따라 길이가 변화하게 된다. 인장 스프링(270)은 길이 방향 확장에 의해 생기는 기계적인 에너지를 저장하는 탄성체로, 확장된 길이에 비례하여 탄성력을 가하도록 설계된 스프링이다. 즉, 인장 스프링(270)은 길이가 확장되는 방향으로만 설계되어 스프링의 모양에 변형이 일어나지 않고 지속적인 구동에도 파괴되지 않을 수 있다. 인장 스프링(270)은 날개(210)가 움직임에 따라 인장되어 탄성 에너지가 축적된다.
도 4는 도 3에 있는 날갯짓 장치의 날갯짓 구동 과정을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 날갯짓 장치(130)는 (a)의 정상 상태(normal state)에서 날개(210)가 중앙에 위치하게 되고 이때 인장 스프링(270)의 길이는 가장 짧게 된다. 날갯짓 장치(130)는 모터(250)가 회전함에 따라 기어부재(230)를 통해 날개(210)에 동력이 전달되고 (b)와 같이 날개(210)가 한쪽으로 움직이면 인장 스프링(270)의 길이가 늘어나고 인장 스프링(270)에 탄성 에너지가 축적되게 된다. 이때, 인장 스프링(270)에 의한 힘(토크)은 날갯짓의 움직임을 방해하는 방향 즉, 날개(210)의 움직임을 반대하는 방향으로 작용한다. 날개(210)가 한쪽 끝까지 움직였을 때, 인장 스프링(270)에 의한 날개(210)가 중앙(원 위치)으로 돌아오려는 힘이 최대가 된다. 날개(210)가 최대 위치에 도달한 후, 날갯짓의 방향을 반대로 하기 위해 모터(250)는 반대 방향으로 회전하기 시작한다.
일반적인 날갯짓은 사인파 구동을 하는데, 날개가 가운데 원점을 지날 때 속도가 제일 빠르며 반대쪽 끝에 도달할 때는 운동 방향을 바꾸기 위하여 많은 에너지를 쓰면서 감속 운동을 한다. 즉, 날개에 저장된 운동 에너지를 줄이기 위하여 모터의 에너지를 사용한다.
본 발명에 따른 날갯짓 장치(130)는 인장 스프링(270)에 의한 돌아오려는 힘을 활용하여 모터(250)에서 작은 토크만 가하여도 날갯짓의 방향을 쉽게 바꿀 수 있다. 즉, 날개(210)의 운동 에너지가 인장 스프링(270)에 저장되면서 인장 스프링(270)에 의해 발생하는 운동을 바꾸려는 토크는 날개(210)의 변위가 커질수록 커지므로 모터(250)에서는 작은 토크를 주어도 날갯짓 방향을 바꿀 수 있다. 이러한 인장 스프링(270)에 의한 구동 에너지의 절약은 날갯짓 장치(130)가 공진 주파수로 구동될 때 최대가 된다. 날갯짓이 일정한 진동수로 움직이는 경우 인장 스프링(270)의 힘도 같은 진동수로 가해지고 이 진동수가 전체 시스템의 고유 진동수와 같아지는 경우 공진 현상이 발생하여 보다 적은 에너지로도 날갯짓의 구동이 가능하게 된다.
도 5는 일 실시예에 따른 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 날갯짓 장치(130)는 모터(250)가 θM 각도 움직였을 때 제1 기어(231)를 중심으로 한 운동 방정식은 하기의 수학식 1로 정의된다.
[수학식 1]
여기서, IM은 모터(250)의 회전자 관성 모멘트, IG1은 제1 기어(231)의 관성 모멘트, DM은 모터(250)의 댐핑(Damping), DG1은 제1 기어(231)의 댐핑, τe는 날개(210) 등에 의한 전체 외력, τ는 모터(250)에서 발생된 토크이다.
날개(210)가 θW 만큼 움직였을 때, 날개(210)와 제2 기어(233)를 중심으로 한 운동 방정식은 하기의 수학식 2로 정의된다.
[수학식 2]
여기서, IW은 날개(210)의 관성 모멘트, IG2은 제2 기어(233)의 관성 모멘트, DW은 날개(210)의 댐핑, DG2은 제2 기어(233)의 댐핑, k는 인장 스프링(270)의 탄성 계수이고, 는 날개(210)에서 작용하는 총 토크이다.
상기 수학식 1 및 2에서, 가 성립해야 하고 제1 기어(231) 및 제2 기어(233)의 기어 잇수가 각각 n1, n2일 때, 모터(250)가 움직인 각도 θM과 날개(210)가 움직인 각도 θ\ 사이에 관계가 성립한다. 이로부터 임을 알 수 있고, 을 n이라 할 때, 로 표현할 수 있다. 상기 수학식 1 및 2를 정리하면 하기의 수학식 3과 같은 관성 모멘트-스프링-댐퍼 시스템 식을 유도할 수 있다.
[수학식 3]
상기 수학식 3의 운동방정식에서, 관성 모멘트항 을 전체 관성 모멘트 IT, 댐핑 항 을 전체 댐핑 DT, 스프링 항 을 전체 탄성 계수 KT로 정리하면 하기의 수학식 4로 표현할 수 있다.
[수학식 4]
상기 수학식 4에서, 전체 자연 공진 주파수 ωn는 로 주어지며, 실제 공진 주파수는 댐핑 효과 때문에 로 주어진다. 여기서, ζ는 상기 수학식 4에서의 부하계수이다. 따라서 댐핑을 고려한 공진 주파수 ωd는 자연 공진 주파수 ωn 보다 작게 나타난다. 그러므로 댐핑을 고려하여 자연 공진 주파수 ωn을 목표 공진 주파수에 비해 크게 설정한다. 시스템의 자연 공진 주파수는 관성모멘트 IT와 스프링상수 KT의 영향을 받으므로 기어 비 n과 스프링상수 k값의 조정을 통해 시스템의 공진주파수를 결정할 수 있다.
상기 수학식 4에서, 관성모멘트 요소 IT는 관성모멘트 상수 I1, I2, IM, IW와 기어 비 n에 영향을 받는다. 스프링상수 요소 KT는 필요한 물리량을 가진 스프링을 장착하면 되므로 임의의 값으로 설정할 수 있다. 날개(210)에 인장 스프링(270)을 적용하기 위해서는 인장 스프링(270)의 직선운동에 대한 탄성 계수를 회전운동에 대한 탄성 계수로 변환하는 과정이 필요하다.
도 6은 일 실시예에 따른 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치에서 인장 스프링의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 인장 스프링(270)의 일측은 프레임(110)에 의해 고정되고 다른 일측은 회전할 수 있도록 스퍼 기어인 제2 기어(233)에 연결된다. 제2 기어(233)에는 날개(210)가 연결되고 날개(210)가 중앙에 위치한 상태에서 (a)와 같이 화살표 방향으로 특정 각도 움직임에 따라 인장 스프링(270)의 길이가 특정 길이만큼 증가하게 된다. 이는 (b) 및 (c)와 같이 도식화될 수 있다.
(b) 및 (c)에 도식화한 것처럼, 날개(210)의 각도가 θW 만큼 움직임에 따라 인장 스프링(270)의 길이가 d에서 d'로 증가하고, 이때 인장 스프링(270)의 탄성계수를 ke라고 하면, 제2 기어(233)에 가해지는 스프링의 토크 τ1는 하기 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 5]
여기서, ke, d, R은 각각 상수이고 α와 d'는 사인(sin)법칙에 의해서 날개의 각도 θW에 대한 함수로 표현된다. 이때, ke=0.324N/㎜, R=8㎜, d=32㎜일 때 날개(210)의 움직임 각도에 대한 인장 스프링(270)에 의해 가해지는 토크 그래프는 도 7a과 같다.
도 7a 및 7b는 날개 각도에 따른 스프링 토크를 나타내는 그래프이다.
도 7a에서 알 수 있듯이, 날개(210)가 움직인 각도가 작은 구간(~30도)에서는 인장 스프링(270)의 힘이 거의 미치지 않는다. 여기서, 인장 스프링(270)에 원점에서 만큼 늘어나도록 기본 길이를 줄 경우, 인장 스프링(270)의 힘은 기존 ke(d'-d)에서 ke(d'-d+ )로 증가한다. 따라서 제2 기어(233)에 가해지는 인장 스프링(270)의 토크 τ2는 하기 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 6]
이때, ke=0.324N/㎜, R=8㎜, d=32㎜, =4.7㎜일 때 날개(210)의 움직임 각도에 대한 인장 스프링(270)에 의해 가해지는 토크 그래프는 도 7b과 같다. 도 7a의 그래프와 비교하였을 때, 도 7b의 그래프에서 날개 각도와 스프링 토크는 비교적 선형적인 모습을 보임을 알 수 있다.
도 8 및 도 9는 일 실시예에 따른 날갯짓 장치의 인장 스프링을 활용한 날갯짓 구동 실험 및 결과를 설명하는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 모터 전압을 8V로 고정하고 15㎐에서 30㎐까지 주파수를 천천히 증가시키며 실험을 진행하였다. 도 9a는 날갯짓 주파수에 따른 피크 대 피크 날갯짓 진폭을 보여준다. 실험 결과, 22~24㎐의 주파수에서 일정한 피크 대 피크 날갯짓 진폭 122도를 유지하였고, 이를 통해 이 날갯짓 장치의 공진주파수는 22~24㎐에서 형성되었음을 확인하였다.
다음으로, 날갯짓 주파수는 24㎐로 고정된 상태에서 직류 구동 전압의 크기를 변화시키면서 전압에 따른 최대 피크 대 피크 날갯짓 진폭과 날갯짓에 의하여 발생된 추력을 측정하였다. 모터 인가 전압을 8V부터 천천히 증가시키며 실험하였고, 날개의 최대 피크 대 피크 날갯짓 진폭은 8V에서 140도, 12V에서 190도가 되었다. 도 9b는 전압에 따른 피크 대 피크 날갯짓 진폭과 이때 로드셀로 측정된 추력을 나타낸다.
공급 전압이 증가할수록 피크 대 피크 날갯짓 진폭이 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 12V 전압 공급 시 11.1g의 추력을 나타내었다. 따라서 두개의 날갯짓 장치가 곤충 모방 비행체에 적용될 경우 22.2g 정도의 추력을 낼 수 있다.
스프링 없이 양방향 구동 날갯짓 장치를 제작하여 실험을 진행하였을 때 공진에 의한 진폭의 증폭이 발생하지 않아 같은 12V 직류 전압, 24㎐ 사인파 조건에서 피크 대 피크 날갯짓 진폭이 60도 정도로 매우 작게 나왔다. 15V의 직류 전압과 28㎐의 진동수를 가하였을 때 190도의 피크 대 피크 날갯짓 진폭을 얻을 수 있었지만 위 조건으로 구동하였을 경우 12V, 24㎐ 사인파 조건과 비교하기 힘들 뿐 아니라 모터에 심한 열이 발생하여 추가적인 비교 실험을 진행하지 못하였다. 그러나 인장 스프링을 설치함으로써 날개의 추력 효율에 확실한 영향이 있음을 추론하였다.
일 실시예에 따른 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치는 날갯짓 에너지 저장 탄성체로서 인장 스프링을 활용함으로써 스프링의 피로 파괴 및 변형에 강하고 공진 현상을 통해 보다 적은 에너지로 날갯짓 장치를 구동할 수 있어 날갯짓 비행체의 비행 효율을 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 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: 곤충 모방 비행 로봇
110: 프레임 130: 날갯짓 장치
210: 날개 230: 기어부재
231: 제1 기어(피니언 기어) 233: 제2 기어(스퍼 기어)
250: 모터 270: 인장 스프링

Claims (9)

  1. 모터;
    날개;
    상기 모터 및 상기 날개 사이에 연결되어 상기 모터의 회전 운동을 상기 날개의 날갯짓으로 전달하는 날갯짓 구동을 수행하는 기어부재; 및
    일단이 프레임에 고정되고 다른 일단이 상기 기어부재에 연결되어 상기 날개가 한쪽 방향으로 날갯짓할 때 생기는 탄성 에너지를 축적하고 축적된 상기 탄성 에너지를 통해 상기 날개의 날갯짓 방향이 반대쪽으로 전환될 때 공진 현상이 발생하여 날갯짓 구동에 필요한 에너지를 줄이도록 하는 인장 스프링을 포함하는 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 날갯짓 장치는
    중앙에 상기 프레임이 위치하고 상기 프레임의 양쪽으로 대칭되게 설치되는 것을 특징으로 하는 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기어부재는
    상기 모터에 연결되고 상기 모터의 회전에 의해 구동되는 제1 기어; 및
    상기 날개에 연결되고 상기 제1 기어에 맞물리어 상기 제1 기어의 구동에 따라 구동하여 상기 날개를 움직이는 동력을 상기 날개에 전달하는 제2 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기어부재는
    상기 제1 기어로서 피니언 기어를 사용하고,
    상기 제2 기어로서 스퍼 기어를 사용하는 것을 특징으로 하는 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 인장 스프링은
    상기 제2 기어에 연결되고 상기 제2 기어의 회전에 따라 길이가 변화하여 길이 방향 확장에 의해 생기는 상기 탄성 에너지가 축적되고 상기 날갯짓의 방향이 반대쪽으로 바뀔 때에 상기 날갯짓의 고유 진동수와 동일한 진동수로 스프링의 힘(토크)이 상기 제2 기어에 가해져 공진 현상을 유도하는 것을 특징으로 하는 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 날갯짓 장치는
    공진 주파수로 상기 날개짓 구동이 수행될 때 상기 인장 스프링에 의한 구동 에너지의 절약이 최대가 되고,
    상기 공진 주파수는
    기어 비와 스프링 탄성계수의 값을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 인장 스프링은
    상기 날개의 각도가 θW 만큼 움직임에 따라 길이가 d에서 d'로 증가했을 때 상기 제2 기어에 가해지는 스프링 토크가 하기 수학식 1로 표현되는 것을 특징으로 하는 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치.
    [수학식 1]

    여기에서, ke는 인장 스프링의 탄성계수이고 R은 제2 기어의 중심에서 제2 기어에 고정된 인장 스프링의 고정부 까지의 거리로, ke, d, R은 각각 상수이고, α와 d'는 사인(sin)법칙에 의해서 날개 각도 θW에 대한 함수이다.
  8. 제7항에 있어서, 상기 인장 스프링은
    길이(d'-d)가 만큼 줄어들 때 상기 제2 기어에 가해지는 스프링 토크가 하기 수학식 2로 표현되는 것을 특징으로 하는 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치.
    [수학식 2]

  9. 모터;
    상기 모터의 회전을 따라 구동하는 피니언 기어;
    상기 피니어 기어의 구동을 따라 구동하는 스퍼 기어;
    상기 스퍼 기어에 직접 연결되어 구동하는 날개; 및
    상기 날개가 한쪽으로 움직임에 따라 인장되어 상기 날개의 운동 에너지가 탄성 에너지로 축적되고 토크가 상기 날개의 움직임을 반대하는 방향으로 작용하여 상기 날개의 날갯짓 구동 에너지를 절약하도록 하는 인장 스프링을 포함하는 곤충 모방 비행로봇의 날갯짓 장치.
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