WO2013176412A1 - 물고기 핀 백터추진기 - Google Patents

물고기 핀 백터추진기 Download PDF

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WO2013176412A1
WO2013176412A1 PCT/KR2013/003719 KR2013003719W WO2013176412A1 WO 2013176412 A1 WO2013176412 A1 WO 2013176412A1 KR 2013003719 W KR2013003719 W KR 2013003719W WO 2013176412 A1 WO2013176412 A1 WO 2013176412A1
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WO
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fin
link
shaft
propulsion
actuator
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Application number
PCT/KR2013/003719
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English (en)
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Inventor
박준성
Original Assignee
마린이노텍
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J11/00—Manipulators not otherwise provided for
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63H—TOYS, e.g. TOPS, DOLLS, HOOPS OR BUILDING BLOCKS
    • A63H23/00—Toy boats; Floating toys; Other aquatic toy devices
    • A63H23/10—Other water toys, floating toys, or like buoyant toys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/06—Programme-controlled manipulators characterised by multi-articulated arms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/30—Propulsive elements directly acting on water of non-rotary type
    • B63H1/36—Propulsive elements directly acting on water of non-rotary type swinging sideways, e.g. fishtail type

Definitions

  • the present invention is directed to a vector fish finthruster that can be applied to submersible propellers.
  • Lopel propulsion and fish swimming mechanisms can be roughly classified as biomimetic propulsion applied to propellers.
  • the fish robot equipped with biomimetic propulsion has been studied in marine ranch and marine environment measurement field because it is less noise than propeller and expects high maneuverability and high speed swimming like fish.
  • Fish robots have been mechanically developed to mimic the propulsion of fish.
  • the propulsion method of fish is based on Lindsay's classification shown in FIG. 1, which is mainly driven by anal fins (BCF swimming modes, Body and / or Caudal Fins) and pectoral fins. It is classified into two types (MPF swimming modes, Median and / or Paired Fins).
  • MPF propulsion using the pectoral fin is excellent for turning and vertex support (DPS) and maneuverability at low speed.
  • BCF propulsion using the caudal fin is excellent swimming performance when driving straight at high speed.
  • fish robots have been developed into two types, the tail fin, which focuses on the propulsion performance (previous performance), and the streamlined manner, which exhibits excellent maneuverability, including turning performance by the pectoral fin.
  • the structure of the robot is shown in Figs. 2, 3 and 4, respectively.
  • the propulsion method using the caudal fin has two or more joints, one in the fuselage and one in the connection between the fuselage and the caudal fin.
  • the shape of the body is deformed due to the oscillation of the caudal fin and offset angle to the body joint.
  • the propulsion method using pectoral fins is developed for the purpose of high steering performance by hovering and turning in place at low speed by mounting a pair of pectoral fins on the left and right sides or upper and lower sides of the fuselage. The same goes straight forward. That is, FIG.
  • FIG. 5 illustrates a power stroke that obtains great propulsion by using water resistance by pulling water to the pectoral fin and a recoil reverlock to return the pectoral fin to a position where the water can be pulled back.
  • the propelling method using the pectoral fin has disadvantages such as a need for a pair of propellers and a poor aging time.
  • a method employing both pectoral and caudal fins has been developed as shown in FIG. 3, but many propellers protrude from the body, which may damage the propellers in a complex seabed.
  • the biggest problem lies in the disadvantages of energy utilization and the reduction of payloads in submersibles due to the large number of propellers in the fuselage of small sleep crystals such as fish robots.
  • the problem of propellers in submersibles has already been a problem not only in fish robots but also in conventional propeller propellers.
  • a single propeller, called a vector thruster was developed to solve the problem of submerged energy fingerprinting and miniaturization.
  • BCF propulsion tail fin propulsion
  • MPF propulsion pectoral fin propulsion method
  • a caudal fin that inclines upward and downward or generates a propulsive force while rotating clockwise or counterclockwise;
  • First and second uniaxial links attached to upper and lower portions of the shaft
  • a first actuator for tilting the tail fin connected to the shaft in a vertical direction to move in each opposite direction;
  • a second actuator fixed inside the hull and connected to the shaft via a ball joint and operating in a clockwise or counterclockwise direction to rotate the tail fin connected to the shaft in a clockwise or counterclockwise direction;
  • It provides a fish pin vector thruster comprising a.
  • the present invention is a simple propeller suitable for use in a small submersible, which is not limited to maneuverability, straightness, and payload, and can significantly reduce energy required for operation.
  • 2 to 4 is a structure of a conventional fish robot
  • Figure 6 is a structure of a fish pin vector thruster according to the present invention.
  • Figure 7 is a fish pin vector thruster according to the present invention as seen from above (A direction of Figure 6).
  • Figure 8 is seen from the side of the fish pin vector propeller according to the present invention (direction B in Figure 6).
  • Figure 9 is a layout form between the first link, the second link and the ball joint mutually in accordance with the present invention.
  • 10 and 11 is the principle of the thrust generation by the fish pin vector thruster according to the present invention when going straight horizontally.
  • 20 to 24 is a principle of thrust generation by the fish pin back thruster according to the present invention when injured or settled.
  • caudal fin 2 sea: ft
  • the fish pin vector thruster according to the present invention is a straight forward, turning, as well as submerged, submersible of the submersible with only one propulsion device consisting of two fins consisting of two actuators It is possible to move up, in situ, lateral movement, and backward. Also, by combining each exercise mode, it is possible to implement underwater three-dimensional movement such as turning and submerging movement and backward and lateral movement.
  • Figure 6 shows the structure of a fish pin vector thruster according to the present invention.
  • Fish pin vector thruster according to the present invention, the tail fin (1) to generate a propulsion while being tilted in the vertical direction or rotated clockwise or counterclockwise;
  • a shaft 2 connecting the caudal fin 1 and the second liquid actuator 22;
  • Uniaxial first links 11 and second links 12 attached to upper and lower portions of the shaft 2; It is fixed inside the hull, one end is connected to the first link 11 and the other end is connected to the second link 12, the first link (11) and the clockwise or counterclockwise operation
  • a first actuator 21 which drives the second link 12 to tilt the tail fin 1 connected to the shaft 2 in the up and down direction; It is fixed inside the hull, connected to the shaft (2) via the ball joint (30), and operated clockwise or counterclockwise to turn the tail fin (1) connected to the shaft (2) clockwise or counterclockwise.
  • a second actuator 22 which rotates with;
  • the shaft 2 and the second actuator 22 are connected together with the first link 11 and the second link 12 to be disposed in a straight line on the center line, and at the same time, the first link 11 and the second actuator 12 are arranged.
  • the shaft 2 is tilted up and down or clockwise or counterclockwise. It comprises a; ball joint (30) to be rotated.
  • the first link 11 and the second link 12 are attached to the shaft 2 connecting the tail fin 1 and the second actuator 22.
  • Each end of the first actuator 21 is connected to the first link 11 and the second link 12, respectively.
  • first actuator 21 is connected to the first link 11, the other end is connected to the second link (12).
  • the first actuator 21 fixed inside the hull serves to tilt the tail fin 1 connected to the shaft 2 up and down by operating clockwise or counterclockwise (FIG. 8).
  • the second actuator 22 fixed inside the hull serves to rotate the caudal fin 1 connected to the shaft 2 clockwise or counterclockwise by operating clockwise or counterclockwise (FIG. 7).
  • the first link 11, the second link 12, and the ball joint 30 are arranged in a straight line on the center line of the submersible, and the ball joint 30 is located at the center thereof. It is good to be located.
  • FIG. 7 is a view of the fish pin vector thruster according to the present invention seen from above (A direction in Fig. 6), Figure 8 is a side view (direction B in Fig. 6), Figures 7 and 8 respectively The operation principle of the fish pin vector propeller according to the invention is shown.
  • FIG. 7 the caudal fin 1 and the shaft 2 rotate while the second actuator 22 is operated.
  • FIG. 8 the caudal fin 1 and the shaft 2 are inclined up and down while the first actuator 21 operates.
  • FIG. 10 and 11 show the thrust generation mechanism (principle) by the lift force of the fish pin vector thruster according to the present invention as a side view (XZ plan).
  • the direction of thrust generation is in the X-axis direction, so the submersible goes straight horizontally.
  • -The merit of using the tail fin (1) as a thrust source is that the hydrodynamically effective 'lift' can be used.
  • 'lift' refers to the fluid force acting in the direction perpendicular to the flow
  • 'thrust' refers to the fluid force generated in the direction of the submersible (X axis in Figure 11).
  • the submersible is omitted and only the tail fin 1 is shown, and the tail fin 1 is moving from the right side to the left side of FIG. 10.
  • FIG. 11 The schematic diagram of the submersible in each state (1-5) of FIG. 10 is shown in FIG. In FIG. 11 both the submersible and the caudal fin 1 and the shaft 2 connecting them are shown. In addition, in FIG. 11, each state on the left side. Show the side view (XZ plan) in (1 ⁇ 5) and the rear view (YZ plan) on the right side. In the side view, denotes the angle that the X axis makes with the shaft (2) and defines the upward direction as positive. On the other hand, denoted in the rear view defines as positive the angle at which the shaft (2) rotates counterclockwise.
  • the tail fin (1) has a pitch angle (elevation angle) with respect to the relative flow rate to the fluid by the vertical motion (hebbing) of the entire tail fin, like a dolphin pinch, as a result Lift is generated.
  • the components perpendicular to the propulsion direction (X-axis) vanish from each other due to the reciprocating motion, so only the components in the propulsion direction remain when averaged over time.
  • This is the basic principle of the thrust generation of the fish pin vector thruster according to the present invention and an example of the simplest wing-finging movement to go straight horizontally.
  • the submersible moves to move horizontally.
  • Fig. 12 shows a thrust generating mechanism (principle) when turning left with a fish pin vector thruster according to the present invention. Since the direction of thrust generation in Fig. 12 is the Y-axis direction, the submersible implements a left turning motion.
  • the side view (XZ plan) in each state (1-5) is shown on the left side
  • the back view (YZ plan) is shown on the right side.
  • Left line horizontally
  • the movement of the caudal fin 1 in the case of rotation not only moves up and down (change of) of the caudal fin 1, but also the rotation angle () of the shaft 2 moves as shown in FIG. 12.
  • the simple mechanism in the case of turning left like this is demonstrated by the following simple calculation method.
  • CG when the vertical distance in the Z-axis direction of the center of the tail fin having an arbitrary shape, CG can be represented by the following equation. Where is the length of the caudal fin, The width of the caudal fin, / 2
  • ⁇ velocity of the tail fin perpendicular to the surface of the tail fin can be expressed by the other equation used in shipbuilding engineering as follows.
  • ⁇ is the density of water
  • ⁇ is the area of the caudal fin
  • f a is the aspect ratio of the caudal fin (aspect ratio: the tail linear pressure gradient coefficient expressed as a function of jj, Simply by Fuji, you can simply calculate r 6.13 ⁇
  • 16 to 19 show examples of virtual calculation (simulation) of each parameter in the case of horizontally left turning. The value used in the calculation is as follows.
  • Fig. 16 the change of the vertical motion angle ( ⁇ ) of the tail fin and the rotation angle ( ⁇ ) of the shaft are shown.
  • the vertical axis is angle (deg) and the horizontal axis is time (sec). It is one cycle that the rotation angle () of the shaft rises from Odeg to 45deg, starts to descend, passes through the Odeg, falls to -45deg, and returns to the original Odeg.
  • the shaft's rotation angle () becomes Odeg when the caudal fin vertical movement angle ( 2 ) reaches its peak 45deg, -45deg, and it becomes the peak when the caudal fin vertical movement angle ( ⁇ ) reaches the origin Odeg.
  • 45deg, -45deg. 17 is the center of the caudal fin Vertical distance in Z direction ⁇ ⁇ ⁇ ) (FIG. 13). Over time, the maximum value at 0 (m)
  • FIG. 14 shows each change by dividing the linear pressure 1 of the caudal fin by the thrust of the caudal fin and the thrust Z ⁇ of the caudal fin (FIG. 14).
  • the tail fin is rotated in a direction symmetrical to the Z axis (symmetry with the left figure in FIG. If the exercise is given, it can be implemented, and the rest of the content is the same as the 'movement left horizontally', so the detailed description is omitted.
  • FIG. 20 shows a case where the shaft is settled vertically by giving an initial rotational angle (increase and decrease of the initial angle) on the shaft (leftmost figure in FIG. 20), and FIGS. 21 to 24 show the virtual calculation of each parameter in this case ( Simulation).
  • the value used in the calculation is the same as in the case of 'b) turning left or turning horizontally.
  • the present invention as can be seen in the vertical movement angle () and the rotation angle () of the tail fin shown in Figure 21, By adding an angle by a predetermined angle (increasing or decreasing the initial angle), the motion of 'vertically sinking' can be realized. In the example of FIG. 21, 45 deg (the increment of the initial angle) was added to the rotation angle () of the shaft.
  • FIG. 22 shows the change of the center of the caudal fin (T ⁇ m, which is the vertical distance in the Z-axis direction of 3 ⁇ 4) (FIG. 13), which can be seen as 'b) when turning left or turning horizontally.' .
  • FIG. 23 shows the change in the direct pressure 3 ⁇ 4) (FIG. 14) of the tail fin perpendicular to the face of the tail fin, and
  • FIG. 24 separates the direct pressure 1 of the tail fin into the thrust of the caudal fin and the thrust Z c of the caudal fin.
  • FIG. 14 shows each change. As shown in FIG. 24, is summed to zero for one cycle, and is obtained about 10 (N).
  • the present invention is a simple propeller suitable for use in a small submersible, and is not limited to maneuverability, straightness, and payload, and provides energy for operation. Significant savings can be made, and this invention is a technology that can realize its practical and economic value in the field of marine resources acquisition and seabed exploration technology.

Landscapes

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Abstract

종래의 꼬리지느러미를 이용한 추진방식 (BCF propulsion) 및 가슴지느러미를 이용한추진방식 (MPF propulsion)으로는조종성 및 직진성에 제약이 있으며, 페이로드에 많은 제약을 받는 잠수정의 특성상 두 추진방식을 동시에 장비함에도 잠수정의 소형화 및 에너지 측면에서 많은 장애가 발생하는바, 본 발명은 이러한 문제를 극복하고 소형의 잠수정에서 사용하기 적합하도록 설계된 단순구조의 물고기 핀 백터추진기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 물고기 핀 백터추진기는 2개의 액추에이터로 구성된 꼬리지느러미라는 하나의 추진장치만으로 잠수정의 직진, 선회뿐만 아니라, 잠항, 부상, 제자리회두, 횡이동, 후진 모두가 가능하도록 하였으며, 각각의 운동모드를 조합함으로써 선회하며 잠항하는 운동, 후진하며 횡이동하는 운동과 같은 수증 3차원 운동의 구현도 가능하게 하였다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
물고기 핀 백터추진기
【기술분야】
본발명은잠수정의 추진기에 적용될수 있는물고기 핀 백터추진기 (vector fish finthruster)에관한것이다.
【배경기술】
지구온난화에 의한 이상기온 및 해수의 산성화, 해양오염, 그리고 어업에 종 사하는 인구의 감소는 어업의 생산형태에 커다란 변화를 가져와 현재에는 해양목장 이 출현하는 시대가 되었다. 어업의 추세가 기존의 '연안에서 근해, 근해에서 원양' 대신 200해리 수역에서 농지나 산림과 같이 '만들어 기르는 어업'으로 변모되어, 심 각한 해양오염의 가속화 속에서 안정적인 미래 어업식량자원 공급을 도모하고 있다. 해양목장에서는 쾌적한 사육환경을 유지하기 위해 다이버가 활어조에 수시로 들어 가 감시하는데, 사육되고 있는 물고기에게 스트레스를 주지 않고 다이버를 대신해 이러한 관리 및 감시라는 중노동을 실시간으로 하기 위해서는 수중로봇 둥과 같은 잠수정이 필요하다. 잠수정은 추진방법에 따라 크게 스크류 프로펠러 추진기를 이용한 종래식 프 로펠러 추진과 어류의 유영메커니즘을 추진기에 적용한 생물모방형추진으로 대별할 수 있다. 생물모방형추진을 탑재한 물고기로봇 (fish robot)은 프로펠러에 비해 소음이 적고 물고기와 같은 높은 조종성 및 고속 유영이 기대되어 해군을 비롯해 해양목장 및 해양환경계측분야에서 많이 연구되 어 왔다. 물고기로봇은 어류의 추진방식을 모방하여 기계적으로 기술개발이 이루어져 왔다. 어류의 추진방식은 도 1에 나타내는 Lindsay의 분류에 의해, 꼬리지느러미 (anal fin)를 주 추진으로 하는 방식 (BCF swimming modes, Body and/ or Caudal Fins)과 가슴지느러미 (pectoral)를 주 추진으로 하는 방식 (MPF swimming modes, Median and/or Paired Fins)의 두 타입으로 분류된다. 가슴지느러미를 이용한 추진 방식 (MPF propulsion)은 저속에서의 선회 및 정점보지 (DPS) 둥 조종성능 (Maneuverability) o] 뛰어나며, 꼬리지느러미를 이용한 추진방식 (BCF propulsion)은 고속으로 직진 추진 시 뛰어난 유영성능을 발휘한다. 지금까지의 물고기로봇도 꼬리 지느러미로 추진성능 (직전성능)에 주안을 둔 유영방식과 가슴지느러미로 선회성능을 포함한 뛰어난 조종성능이 발휘되는 유영방식으로 두 타입으로 나뉘어 개발되 어 왔 다- 종래의 물고기로봇의 구조를 도 2, 도 3, 도 4에 각각 표시한다. 도 2, 도 : , 도 4 각각은 꼬리지느러미를 이용한 추진방식 (BCF propulsion), 가슴지느러미를 이 용한 추진방식 (MPF propulsion), 그리고 두 방식을 동시에 다 채용한 물고기로홋의 예를 보여준다. 일반적으로 꼬리지느러미를 이용한 추진방식은 동체 중에 1개, 동체 와 꼬리지느러미 사이 연결부에 1개 둥 총 2개 이상의 관절을 가지고 있다. 선회운 동을 하기 위해서는 꼬리지느러미의 진동과 함께 동체 관절에 오프셋 각올 주어야 하므로 동체의 형상이 변형되며, 다관절로 인한 선미부의 추진부가 선체에서 많은 비증을 차지하게 된다. 가슴지느러미를 이용한 추진방식은 동체의 좌우현 혹은 상하 측에 1쌍의 가슴지느러미를 장착해 저속 시, 선회 및 제자리 에서 호버 링 하는 높은 조종성능의 구현을 목적으로 개발되고 있으며, 도 5에 나타낸 것과 같아 직진도 구 현 가능하다. 즉, 도 5는 가슴지느러미로 물살을 끌어당겨 물의 저항을 이용해 큰 추진력을 얻는 파워스트로크 및 가슴지느러미를 다시 물을 끌어당길 수 있는 위치 로 되돌리는 리커 버 리스트로크를 설명해 주고 있다. 그러나 가슴지느러미를 이용한 추진방식은 추진기가 1쌍이 필요한 점, 직진 시 효을이 좋지 않다는 점과 같은 단점 이 있다. 그리하여 가슴지느러미 및 꼬리지느러미 모두를 채용한 방식 이 도 3에 나 타낸 것처럼 개발되고 있으나 많은 추진기가 몸체에서 돌출되어 복잡한 해저에서 추진기의 파손 우려가 있다. 하지만 무엇보다 큰 문제는 물고기로봇과 같은 소형 잠 수정의 동체 내에 많은 추진기가 들어가 에너지 활용 측면에서 불리한 점과 다수의 추진기로 인한 잠수정 내의 페이로드의 감소에 있다. 이렇듯 잠수정에 있어서 추진기의 문제는 비단 물고기로봇에서 뿐만 아니라 종래형 프로펠러 추진기에 있어서도 이미 문제가 되어왔다. 복수의 프로펠러 추진기 는 시장경쟁력을 갖추기 위하여 소형화 및 단순단일화 되 어,ᅩ추진 의 추력ᅩ방^^ 바끌 수 있는 백터추진기 (vector thruster)라는 단일추진기가 개발되어 잠수정의 에너 지문제, 소형화문제 둥이 해결될 수 있었다.
【발명의 상세한 설명】
【기술적 과제】
종래의 꼬리지느러미를 이용한 추진방식 (BCF propulsion) 및 가슴지느러미를 이용한 추진방식 (MPF propulsion)으로는 조종성 및 직진성에 제약이 있으며, 페이로 드에 많은 제약을 받는 잠수정의 특성상 두 추진방식을 동시에 장비함에도 잠수정 의 소형화 및 에너지 측면에서 많은 장애가 발생하는바, 본 발명은 이 러한 문제를 극복하고 소형의 물고기로봇 둥 잠수정 에서 사용하기 적합하도록 설계된 단순구조 의 물고기 핀 백터추진기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
【기술적 해결방법】
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
상하방향으로 기울어지거나 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전하면서 추진 력을 발생시키는 꼬리지느러미;
꼬리지느러미와 제 2액추에 이터를 연결하는 샤프트;
샤프트의 상하부에 부착되는 일축의 제 1링크 및 제 2링크;
선체 내부에 고정되고, 한 쪽 일 끝단은 제 1링크에 다른 쪽 일 끝단은 제 2링 크에 연결되며, 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동하면서 제 1링크 및 제 2링크가 각 각 상반된 방향으로 움직이도록 하여 샤프트에 연결된 꼬리지느러미를 상하방향으 로 기울이는 제 1액추에이터;
선체 내부에 고정되고, 볼조인트를 매개로 샤프트와 연결되며, 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동함으로써 샤프트에 연결된 꼬리지느러 미를 시계방향 혹은 반시 계방향으로 회전시키는 제 2액추에이터 및;
샤프트와 제 2액추에이터를 연결하고, 제 1링크 및 제 2링크와 더불어 센터라인 상에 일직선으로 배치됨과 동시에 제 1링크 및 제 2링크의 중심에 위치하며, 제 1액추 에이터 또는 제 2액추에이터의 작동과 연동하여 샤프트가 상하방향으로 기을어지거 나 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전할 수 있도록 하는 볼조인트;
를 포함하는 물고기 핀 백터추진기를 제공한다.
【유리한 효과】
본 발명은 소형의 잠수정에서 사용하기 적합한 단순구조의 추진기로서, 조종 성 및 직진성, 그리고 페이로드 등에 제약을 받지 않으며, 작동에 필요한 에너지를 상당히 절감할 수 있다.
【도면의 간단한 설명】
도 1은 Lindsay의 분류.
도 2 내지 도 4는 종래의 물고기로봇의 구조,
도 5는 물고기로봇의 파워스트로크 및 리커버리스트로크. 도 6은 본 발명에 따른 물고기 핀 백터추진기의 구조.
도 7은 본 발명에 따른 물고기 핀 백터추진기를 위 (도 6의 A방향)에서 본 모 습.
도 8은 본 발명에 따른 물고기 핀 백터추진기를 옆 (도 6의 B방향)에서 본 모 습.
도 9는 본 발명에 따른 제 1링크, 제 2링크 및 볼조인트상호간의 배치형태. 도 10 및 도 11은 수평으로 직진하는 경우 본 발명에 따른 물고기 핀 백터추 진기에 의한 추력발생의 원리.
도 12 내지 도 19는 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우 본 발명에 따른 물고기 핀 백터추진기에 의한 추력발생의 원리.
도 20 내지 도 24는 부상 또는 침강하는 경우 본 발명에 따른 물고기 핀 백 터추진기에 의한추력발생의 원리.
<부호의 설명 >
1: 꼬리지느러미 2:시:프트
11: 제 1링크 12: 제 2링크
21: 제 1액추에이터 22: 제 2액추에이터
30:볼조인트
【발명의실시를위한최선의형태】 이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명 한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요 소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지 도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적 인 설명 이 본 발명 의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경 우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되 어 다양하게 실시 될 수 있음은 물론이다. 일반적으로 생물모방형 잠수정은 추진성능에 주안점을 두어 꼬리지느러미의 제어 및 그 기구에 대해 많이 연구되어 채용되어 왔다. 또한 잠수정의 핏치각 및 헤 딩각을 제어하기 위해 꼬리지느러미 외에 부가적으로 일반 잠수정에서 엘리 베 이터 및 러더 역할을 하는 가슴지느러미를 잠수정의 선수부에 장착한 형태가 대부분이 었 다. 그러나 잠수정은 자체의 전력 (배터 리)을 사용하므로 이렇듯 액추에 이터를 많이 사용하는 것은 불리하며, 제어 또한 간단하지 않다. 게다가 많은 액추에 이터로 인해 복잡한 해양환경 속에서 추진기의 손상을 가져와 항해불능 상태가 되어 잠수정 이 플랫폼 혹은 육상기지로 복귀하는 데 문제가 될 수도 있다. 이에 본 발명에 따른 물고기 핀 백터추진기는 2개의 액추에이터로 구성된 꼬 리지느러미라는 하나의 추진장치만으로 잠수정의 직진, 선회뿐만 아니라, 잠항, 부 상, 제자리회두, 횡이동, 후진 모두가 가능하도록 하였으며, 각각의 운동모드를 조합 함으로써 선회하며 잠항하는 운동, 후진하며 횡 이동하는 운동과 같은 수중 3차원 운 동의 구현도 가능하게 하였다. 도 6은 본 발명에 따른 물고기 핀 백터추진기의 구조를 보여준다. 본 발명 에 따른 물고기 핀 백터추진기는, 상하방향으로 기을어지거나 시계방향 혹은 반시계방 향으로 회전하면서 추진력을 발생시키는 꼬리지느러미 (1); 꼬리지느러미 (1)와 제 2액 추에이터 (22)를 연결하는 샤프트 (2); 샤프트 (2)의 상하부에 부착되는 일축의 제 1링크 (11) 및 제 2링크 (12); 선체 내부에 고정되고, 한 쪽 일 끝단은 제 1링크 (11)에 다른 쪽 일 끝단은 제 2링크 (12)에 연결되며, 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동하면서 제 1링 크 (11) 및 제 2링크 (12)를 구동시켜 샤프트 (2)에 연결된 꼬리지느러미 (1)를 상하방향으 로 기울이는 제 1액추에이터 (21); 선체 내부에 고정되고, 볼조인트 (30)를 매개로 샤프 트 (2)와 연결되며, 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동함으로써 샤프트 (2)에 연결된 꼬리지느러미 (1)를 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전시키는 제 2액추에 이터 (22) 및; 샤프트 (2)와 제 2액추에 이터 (22)를 연결하고, 제 1링크 (11) 및 제 2링크 (12)와 더불어 센 터라인 상에 일직선으로 배치됨과 동시에 제 1링크 (11) 및 제 2링크 (12)의 중심에 위치 하며, 제 1액추에이터 (21) 또는 제 2액추에 이터 (22)의 작동과 연동하여 샤프트 (2)가 상 하방향으로 기을어지거나 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전할 수 있도록 하는 볼 조인트 (30);를 포함하여 이루어진다. 이하, 이들 각각의 구성요소 및 이에 따른 본 발 명의 작동원리에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 제 1링크 (11) 및 제 2링크 (12)는 꼬리지느러미 (1)와 제 2액추에이터 (22)를 연결하 는 샤프트 (2)에 부착된다. 제 1액추에이터 (21)는 각 끝단들이 제 1링크 (11) 및 제 2링크 (12)에 각각 연결된다. 즉, 제 1액추에이터 (21)의 한 쪽 일 끝단은 제 1링크 (11)에, 다른 쪽 일 끝단은 제 2링크 (12)에 연결된다. 선체 내부에 고정된 제 1액추에 이터 (21)는 시 계방향 혹은 반시계방향으로 작동함으로써 샤프트 (2)에 연결된 꼬리 지느러미 (1)를 상 하방향으로 기울이는 역할을 한다 (도 8). 선체 내부에 고정된 제 2액추에이터 (22)는 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동함으로써 샤프트 (2)에 연결된 꼬리지느러미 (1)를 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전시키는 역할을 한다 (도 7). 한편, 도 9에 도시된 바와 같이 제 1링크 (11) 및 제 2링크 (12)와 볼조인트 (30)는 잠수정의 센터라인 상에 일직선으로 배치되도록 하며, 볼조인트 (30)는 그 중심에 위 치하는 것이 좋다. 이처 럼 제 1링크 (11) 및 제 2링크 (12) 그리고 볼조인트 (30)를 일직선 으로 배치한 것은 제 1액추에이터 (21)의 작동으로 인한 샤프트 (2)의 운동이 상하로 수 행되도록 하기 위함이며 또한 제 2액추에 이터 (22)의 회전운동과도 연동시 킬 수 있도 록 하기 위함이다. 도 7은 본 발명에 따른 물고기 핀 백터추진기를 위 (도 6의 A방향)에서 본 모 습이며, 도 8은 옆 (도 6의 B방향)에서 본 모습인데, 도 7 및 도 8은 각각 본 발명 에 따른 물고기 핀 백터추진기의 작동원리를 보여주고 있다. 도 7에서는 제 2액추에이터 (22)가 작동하면서 꼬리지느러미 (1) 및 샤프트 (2)가 회전하는 모습이 나타나 있으며, 도 8에서는 제 1액추에이터 (21)가 작동하면서 꼬리지느러미 (1) 및 샤프트 (2)가 상하로 기울어지는 모습이 나타나 있다. 도 8의 상하운동을 도 7의 회 전운동과 조합하면 잠 수정의 날개짓운동 (flapping motion)을 구현할 수 있다. 이하에서는, 본 발명 에 따른 물고기 핀 백터추진기에 의하여 잠수정 이 a) 수 평으로 직진하는 경우, b) 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우, c) 부상 또는 침 강하는 경우, d) 부상 또는 침강하면서 선회하는 경우 (스파이 럴 운동)로 구분하여 각 각의 작동원리를 설명한다. a) 수평으로 직진하는 경우
도 10, 도 11에서는 본 발명 에 따른 물고기 핀 백터추진기의 양력에 의한 추 력발생 메커니즘 (원리)을 측면도 (X-Z plan)로써 도시한다. 여 기서 추력발생의 방향은 X축 방향이므로 잠수정은 수평으로 직진하게 된다. -꼬리지느러미 (1)를 추력원으로 하는 메리트는 유체 역학적으로 효을이 좋은 '양력'을 이용할 수 있다는 데 있다. 여 기서 '양력 '은 흐름에 수직 인 방향으로 작용하는 유체력, '추력 '은 잠수정의 진행방향 (도 11에서는 X축)으로 발생하는 유체 력을 의미한다. 도 10에서는 잠수정을 생 략하 고 꼬리지느러미 (1)만을 도시했으며, 꼬리지느러미 (1)는 도 10의 오른쪽에서 왼쪽으 로 전진하고 있는 상태이다. 도 10의 각 상태 (① -⑤)에 있어서의 잠수정의 모식도를 도 11에 나타내었다. 도 11에서는 잠수정 및 꼬리지느러미 (1), 그리고 이들을 서로 연결시켜주는 샤프트 (2)를 모두 표시하고 있다. 또한, 도 11에서는 좌측에 각 상태 (① ~⑤)에 있어서의 측면도 (X-Z plan)를, 우측에 후면도 (Y-Z plan)를 표시한다. 측면 도에서 표시된 는 X축이 샤프트 (2)와 이루는 각을 의미하며 상방향을 Positive로 정의한다. 한편, 후면도에서 표시 된 는 샤프트 (2)가 반시계방향으로 회전하는 각도 를 Positive로 정의한다. 여기서, 꼬리지느러미 (1)는 돌고래 핀처 럼 꼬리지느러미 전체의 상하운동 (히 빙)에 의해, 유체에 대한 상대유속에 대해 핏치각 (attack angle, 앙각)을 가지게 되며 그 결과로 추진방향성분을 가진 양력 이 발생한다. 추진방향 (X축)과 수직 인 성분은 왕복운동으로 인해 서로 소멸되므로, 시간평균하면 추진방향의 성분만 남는다. 이 것 이 바로 본 발명에 따른 물고기 핀 백터추진기의 추력발생의 기본원리 이자 수평으 로 직진하는 가장 심플한 날개짓운동의 예 이다. 이때, 도 11의 후면도에 표시된 바 와 같이 샤프트 (2)를 축으로 한 꼬리지느러미 (1)의 회전 ( )은 없다. 즉, 본 발명에서 샤프트 (2)를 상하로 진동시켜 를 변화시키 기만 하는 경우에는 잠수정 이 수평으로 직진하는 운동이 구현되는 것이다. b) 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우
도 12에서는 본 발명에 따른 물고기 핀 백터추진기로써 좌선회하는 경우의 추력발생 메커니즘 (원리)을 도시한다. 도 12에서 추력발생의 방향은 Y축 방향이므로 잠수정은 좌선회하는 운동을 구현하게 된다. 도 12에서는 좌측에 각 상태 (① ~⑤)에 있어서의 측면도 (X-Z plan)를, 우측에 후면도 (Y-Z plan)를 표시한다. 수평으로 좌선 회하는 경우의 꼬리지느러미 (1)의 운동은 도 12에서처럼 꼬리지느러미 (1)의 상하운동 ( 의 변화)뿐만 아니라, 샤프트 (2)의 회전각도 ( )도 연동하여 움직인다. 이처럼 좌 선회하는 경우의 간략한 메커니즘을 이하의 간이계산법에 의해 설명한다.
도 13에서, 임의의 형상을 지닌 꼬리지느러미의 중심 의 Z축방향의 수직거 리를 했을 때, CG는 다음 식으로 나타내어 질 수 있다.
Figure imgf000014_0001
여기서, 는 꼬리지느러미의 길이,
Figure imgf000014_0002
꼬리지느러미의 폭을 뜻하며, /2
(Hz)는 상하운동의 주파수를, 2 는 <¾의 최대값을 의미한다. 따라서 중심 (¾의 속도 ^m/s)는 다음 식으로 나타내어진다.
Figure imgf000014_0003
그러므로 도 14에 표시된 바와 같이, 꼬리지느러미의 면과 수직인 꼬리지느 러미의 직압력 ^ 속도 이용하면 다음과 같이 조선공학에서 이용되는 타의 식으로 표현할 수 있다.
Figure imgf000014_0004
여기서, ^ 물의 밀도, Λ은 꼬리지느러미의 면적, fa는 꼬리지느러미의 종횡비 (아스펙트비: jj의 함수로 표현되는 꼬리직압력구배계수이며, 본 계산에서는 간단히 후지에 의한 다음과 같은 식으로 간이적으로 계산할수 있다. r 6.13Λ
Τα~ +2.25
또한 γ축 방향 (그림에서 우방향)의 꼬리지느러미의 추력 i ^및 z축 방향 (그림에서 상방향)의 꼬리지느러미의 추력 Z≠—로 분리해 표현할 수 있다.
Figure imgf000015_0001
도 16 내지 도 19는 수평으로 좌선회하는 경우의 각각의 파라미터를 가상계 산 (시뮬레이션)한 예를 나타낸다. 계산 시 사용 값은 다음과 같다.
=0.2(m), IfO im), lrQ2(m), ^(Ηζ), /^1(Ηζ), ^^nHX=45(deg)/
Figure imgf000015_0002
도 16에서는 꼬리지느러미의 상하운동각 (^) 및 샤프트의 회전각 (쒜)의 변화 가 나타나 있다. 세로축은 각도 (deg), 가로축은 시간 (sec)이다. 샤프트의 회전각 ( )이 Odeg에서 상승하여 45deg까지 도달한 후, 하강하기 시작하여 Odeg를 지나 -45deg까 지 하강한 후 다시 원래상태인 Odeg까지 돌아오는 것이 한 사이클이다. 한편, 샤프 트의 회전각 ( )은 꼬리지느러미 상하운동각 ( 2)이 정점인 45deg, -45deg에 도달할 때 Odeg가 되고, 꼬리지느러미 상하운동각 (^)이 원점인 Odeg에 도달하면 정점인
45deg, -45deg가 된다. 도 17은 꼬리지느러미의 중심
Figure imgf000015_0003
Z축방향의 수직거리인 Λ^πι) (도 13)의 변화를 나타낸다. 시간이 경과함에 따라, 0(m)에서 최대값인
0.07(m)까지 상승한 후, 최소값인 0.07(m)까자 하강한 다음, 처음의 위치로 돌아음 을 알 수 있다. 도 18은 꼬리지느러미의 면과 수직인 꼬리지느러미의 직압력 1\1)
(도 14)의 변화를, 도 19는 꼬리지느러미의 직압력 1 을 꼬리지느러미의 추력 및 꼬리지느러미의 추력 Z ^로 분리 (도 14)하여 각각의 변화를 나타낸다. 도 19에 서 나타낸 것과 같이, 는 한 사이클 동안 합하면 0이 되며, 는 약 10(N)이 된 다. 상술한 것과는 반대로 '수평으로 우선회하는 운동'의 경우에는, 도 15에 나타 낸 것과 같이, Z축으로 대칭 (도 14의 왼쪽 그림과 대칭)인 방향으로 꼬리지느러 미를 회전시켜 도 16의 운동을 부여하면 구현할 수 있으며, 나머지 내용에 대해서는 '수 평으로 좌선회하는 운동'과 같은 내용이므로 상세한 설명을 생략한다. c) 부상 또는 침강하는 경우
도 20은 샤프트에 초기회전각 ( +초기각의 증감분)을 부여함으로써 (도 20의 맨 좌측 그림) 수직으로 침강하는 경우를 나타내며, 도 21 내지 도 24는 이 경우의 각각의 파라미터를 가상계산 (시물레 이션)한 예를 나타낸다. 계산 시 사용 값은 상술 한 'b) 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우'와 같다. 본 발명은, 도 21에 나타낸 꼬리지느러미의 상하운동각 ( ) 및 샤프트의 회전각 ( )에서 볼 수 있듯, 의 초기 각을 소정의 각도만큼 더해주는 것 (초기각의 증감분)으로 '수직으로 침강'하는 운동 을 구현할 수 있다. 도 21의 실시 예에서는 샤프트의 회전각 ( )에 45deg (초기각의 증감분)를 더했다. 그러므로 는 시간축에 대해 90deg~0deg사이를 반복하게 된다. 도 22는 꼬리지느러미의 중심 (¾의 Z축방향의 수직거리인 T^m) (도 13)의 변화를 나타내는데, 이는 'b) 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우'와 같음을 알 수 있다. 도 23은 꼬리지느러미의 면과 수직인 꼬리지느러미의 직압력 ¾ ) (도 14)의 변화 를, 도 24는 꼬리지느러미의 직압력 1 을 꼬리지느러미의 추력 및 꼬리지느러 미의 추력 Zj숏로 분리 (도 14)하여 각각의 변화를 나타낸다. 도 24에서 나타낸 것과 같이, 는 한 사이클 동안 합하면 0이 되며, 는 약 10(N)이 얻어진다. 즉, Z축 방향 (위쪽 방향)으로의 꼬리지느러미의 추력 이 플러스의 힘으로 작용하므로 잠 수정은 아래쪽 방향으로 향하게 되어 잠수정은 침강하게 된다. 상술한 것과는 반대로 '수직으로 부상하는 운동'의 경우에는, Y축으로 대칭인 방향으로 꼬리지느러미를 회전시켜 도 21의 운동을 부여하면 구현할 수 있으며, 나 머지 내용에 대해서는 '수직으로 침강하는 운동'과 같은 내용이므로 상세한 설명을 생략한다. d)부상 또는 침강하면서 선회하는 경우 (스파이럴 운동)
수증에서 3차원으로 스파이럴 운동하는 경우는 상술한 'b) 수평으로 좌선회 또는 우선회하는 경우'와 'C) 부상 또는 침강하는 경우'의 운동을 조합하여 구현할 수 있다. 이상과 같이 본 발명 에 따른 물고기 핀 백터추진기를 이용함으로써 잠수정의
3차원 수중환경에서 직진, 선회와 같은 수평운동 및 부상, 침강과 같은 수직운동 뿐 만 아니라 두 운동을 조합하여 침강하면서 선회하는 스파이 럴 운동과 같은 3차원 운동도 구현 가능하다. 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명 한 것에 불과한 것으 로서, 본 발명 이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질 적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것 아다. 따라서 본 발명 에 개시 된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이 러한 실시 예 및 첨부된 도면 에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범 위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
【산업상 이용가능성】
본 발명은 소형의 잠수정에서 사용하기 적합한 단순구조의 추진기로서, 조종 성 및 직진성, 그리고 페이로드 둥에 제약을 받지 않으며, 작동에 필요한 에너지를 상당히 절감할 수 있는바, 이러한본발명은해양자원확보및해저 탐사기술분야에 있어서그실용적이고경제적인가치를실현할수있는기술이다.

Claims

【청구의 범위】
【청구항 1】
상하방향으로 기울어지거나 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전하면서 추진 력을 발생시키는 꼬리지느러미 (1);
꼬리지느러미 (1)와 제 2액추에 이터 (22)를 연결하는 샤프트 (2);
샤프트 (2)의 상하부에 부착되는 일축의 제 1링크 (11) 및 제 2링크 (12);
선체 내부에 고정되고, 한 쪽 일 끝단은 계 1링크 (11)에 다른 쪽 일 끝단은 제 2링크 (12)에 연결되며, 시계방향 혹은 반시계방향으로 작동하면서 제 1링크 (11) 및 제 2링크 (12)가 각각 상반된 방향으로 움직 이도록 하여 샤프트 (2)에 연결된 꼬리지느러 미 (1)를 상하방향으로 기울이는 제 1액추에 이터 (21);
선체 내부에 고정되고, 볼조인트 (30)를 매개로 샤프트 (2)와 연결되며, 시 계방 향 혹은 반시계방향으로 작동함으로써 샤프트 (2)에 연결된 꼬리지느러미 (1)를 시계방 향 혹은 반시계방향으로 회 전시키는 제 2액추에이터 (22) 및;
샤프트 (2)와 제 2액추에이터 (22)를 연결하고, 제 1링크 (11) 및 제 2링크 (12)와 더 불어 센터라인 상에 일직선으로 배치 됨과 동시 에 계 1링크 (11) 및 제 2링크 (12)의 중심 에 위치하며, 제 1액추에이터 (21) 또는 제 2액추에이터 (22)의 작동과 연동하여 샤프트 (2)가 상하방향으로 기을어지거나 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전할 수 있도록 하는 볼조인트 (30);
를 포함하는 물고기 핀 백터추진기.
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