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문제 정의
- 실제 수중 이동체의 프로펠러형 추진메커니즘은 유체의 저항으로 인해 제한을 받아 효율이 50%-55%로 비교적 낮으나 물고기의 유영 메커니즘은 60%-70%정도로 일반적으로 사용하고 있는 프로펠러 식 추진방식보다 20% 이상 효율이 좋은 것으로 알려져 있다. 이에 따라, 최근 물고기의 유영방식을 모방하여 많은 수중이 동체가 연구1)[1-6]되고 있으며, 본 연구에서는 이러한 물고기의 유영메커니즘을 이용하여 에너지효율을 높이고 장시간 물속에서 유영이 가능한 저에너지소비형 유영메커니즘과 유영알고리즘을 제시한다. 특히, 물고기의 유영방식을 모방한 유영 알고리즘을 구현을 위한 유영메커니즘을 구성함에 있어서 구동부 자유도를 최소화시켜 회전반경이 적으면서도 방향전환에 매우 빠르고 유연한 2자유도의 종속 메커니즘을 제시하고 시뮬레이션을 통한 동작을 검증한 후.
제안 방법
- 여기서는 1주기의 Sinusoildal Motion을 통해 유영을 하는 일반적인 물고기를 대상으로 하며, 이를 위해 필요한 최소 3개의 관절을 이용한 제어가 필요하다. 그러나 본 연구에서는 이를 최소화하고 1개의 구동모터로서 연속적인 유영운동을 하도록 하고 2번째 모터로서 방향제어를 할 수 있도록하는 구조의 유영메커니즘을 구성하였다. 특히 본 연구에서 제시하는 2단으로 구성된 Flapping Mechanism은 좀더 유연한 유영운동이 되도록 구성하였고 이를 통해 회전반경을 최소화시켜 더욱 기민한 움직임이 가능하게 한 것이다.
- [1,2] 그리고 방향전환을 위해서 옆지느러미를 이용하거나 꼬리의 방향을 틀고 흔들어 몸체의 방향을 바꾸며 전진한다. 그림 1은 물고기의 몸체를 위상차를 가진 4-bar Linkage가 2단으로 연결된 구조로 물고기가 꼬리를 한쪽으로 구부리며 작게 흔들며 방향을 전진할 때 PA와 PB를 중심으로 몸체의 회전이 가능하여 로봇의 몸체, Ba, Bb, Bc가 위상차를 가지고 유연하게 움직이며 추력을 발생시킬 수 있도록 구성하였다. 특히 PB를 중심으로 몸체 Bc를 Φ만큼 회전시켜 꼬리부분의 몸체Bc가 θ만큼 종속적인 요동운동이 가능하도록 하여 더욱 유연한 유영운동이 일어날 수 있도록 하고 몸체의 회전반경을 최소화 시켜 실제 물고기와 같이 유연한 동작이 가능하게 하였다.
- 그림 7은 물고기의 유영을 위한 2단 Flapping 메커니즘의 제어를 위한 블록다이어그램으로 이를 기반으로 로봇물고기를 설계하고 해당 로봇의 제작실험 및 수중환경에서의 검증실험을 통해 유영을 위한 최적화 알고리즘을 도출하여 실제 물고기와 유사한 운동성능을 갖도록 제어 알고리즘을 구성하였다.
- 본 연구에서 식 3을 적용한 결과 실제 움직임과 달리 로봇의 동작이 제한적이며 계획한 성능을 충분히 발휘하지 못하였으나 방향제어를 위한 2단 Flapping Mechanism은 매우 효과적임을 확인하였다. 금번 실험을 통한 실제 로봇의 구동실험에서는 옆지느러미의 구동은 하지않고 몸통과 꼬리부의 2단 Flapping Mechanism만을 이용하여 전진과 방향전환 실험을 하였다.
- 로봇물고기는 수중의 3차원공간 내에서 x, y, z 축상으로 각각 Yawing, Pitching과 Rolling 및 Translation이 이루어지게 되므로 이를 제어하기 위한 최소한의 Actuator로 구성하였다. 특히, 그림 4에서 보는 바와 같이 꼬리부분의 Flapping운동을 제어하기 위해 구성한 2단 구조의 4-bar 링크 메커니즘과 종속된 2번째관절의 각도조절로 몸체의 구부림을 통해 꼬리부분의 Flapping 및 방향제어가 가능한 구조로 설계하였으며 이를 위해 Flapping및 굽힘제어용으로 각각 1개씩의 Actuator를 선정하였다.
- 본 연구에서 2단 Flapping Mechanism을 적용한 로봇물고기를 제작하였다. 로봇의 움직임을 제어하기 위해 필요한 명령은 블루투스 통신을 이용하여 수조내에서의 다양한 동작제어가 가능하도록 전달하고 전방에 설치된 IR센서를 통한 장애물회피, 무선충전이 가능하도록 구성되어 있으며, 옆지느러미와 입의 동작이 가능하도록 하여 다양한 움직임과 미션을 수행할 수 있도록 구성하였다.
- 본 연구에서 2단 Flapping Mechanism을 적용한 로봇물고기를 제작하였다. 로봇의 움직임을 제어하기 위해 필요한 명령은 블루투스 통신을 이용하여 수조내에서의 다양한 동작제어가 가능하도록 전달하고 전방에 설치된 IR센서를 통한 장애물회피, 무선충전이 가능하도록 구성되어 있으며, 옆지느러미와 입의 동작이 가능하도록 하여 다양한 움직임과 미션을 수행할 수 있도록 구성하였다.
- 본 연구에서는 무선 전원공급 장치를 통해 충전하는 방식을 택하였고 그림 8과 같이 수조에 1차 코일의 전원공급 장치를 두고 로봇내부에 2차 코일을 설치하여 로봇에 무선으로 전원을 공급할 수 있도록 구성하였다. 로봇물고기는 전원감지를 통해 외부에 설치되어 있는 Main 제어기에 잔여 충전량을 전달하고 충전이 필요한 경우 충전스테이지로 이동하여 무접점으로 충전이 가능하도록 구성할 예정이다.
- 그림 2. 유영시 물고기의 몸체에 작용하는 힘 분석.
- 특히 PB를 중심으로 몸체 Bc를 Φ만큼 회전시켜 꼬리부분의 몸체Bc가 θ만큼 종속적인 요동운동이 가능하도록 하여 더욱 유연한 유영운동이 일어날 수 있도록 하고 몸체의 회전반경을 최소화 시켜 실제 물고기와 같이 유연한 동작이 가능하게 하였다.
- 로봇물고기는 수중의 3차원공간 내에서 x, y, z 축상으로 각각 Yawing, Pitching과 Rolling 및 Translation이 이루어지게 되므로 이를 제어하기 위한 최소한의 Actuator로 구성하였다. 특히, 그림 4에서 보는 바와 같이 꼬리부분의 Flapping운동을 제어하기 위해 구성한 2단 구조의 4-bar 링크 메커니즘과 종속된 2번째관절의 각도조절로 몸체의 구부림을 통해 꼬리부분의 Flapping 및 방향제어가 가능한 구조로 설계하였으며 이를 위해 Flapping및 굽힘제어용으로 각각 1개씩의 Actuator를 선정하였다. 옆지느러미의 제어를 통한 미세 운동 및 방향제어를 위해 2 개의 모터를 사용하였다.
- 이에 따라, 최근 물고기의 유영방식을 모방하여 많은 수중이 동체가 연구1)[1-6]되고 있으며, 본 연구에서는 이러한 물고기의 유영메커니즘을 이용하여 에너지효율을 높이고 장시간 물속에서 유영이 가능한 저에너지소비형 유영메커니즘과 유영알고리즘을 제시한다. 특히, 물고기의 유영방식을 모방한 유영 알고리즘을 구현을 위한 유영메커니즘을 구성함에 있어서 구동부 자유도를 최소화시켜 회전반경이 적으면서도 방향전환에 매우 빠르고 유연한 2자유도의 종속 메커니즘을 제시하고 시뮬레이션을 통한 동작을 검증한 후. 하드웨어 구현을 통한 실증을 해 보기로 한다.
- 로봇물고기는 전원감지를 통해 외부에 설치되어 있는 Main 제어기에 잔여 충전량을 전달하고 충전이 필요한 경우 충전스테이지로 이동하여 무접점으로 충전이 가능하도록 구성할 예정이다. 현재는 수조부에 직접 충전장치를 부착하지 못하였고 우선 별도의 충전판을 이용하여 무선충전이 가능하도록 하였다.
성능/효과
- 본 연구에서 식 3을 적용한 결과 실제 움직임과 달리 로봇의 동작이 제한적이며 계획한 성능을 충분히 발휘하지 못하였으나 방향제어를 위한 2단 Flapping Mechanism은 매우 효과적임을 확인하였다. 금번 실험을 통한 실제 로봇의 구동실험에서는 옆지느러미의 구동은 하지않고 몸통과 꼬리부의 2단 Flapping Mechanism만을 이용하여 전진과 방향전환 실험을 하였다.
- 여기서 로봇이 2단 Flapper Mechanism을 이용하여 유영을 할 경우 좁은 수조(폭 60cm)에서도 원활하게 회전이 가능함을 보여주었고, 회전반경이 더 작아짐을 확인할 수 있었다.(그림 8, 그림 9) 그러나 외피 부착에 따른 부하가 커지고 링크의 제작상 오차로 인해 발생하는 유격으로 원하는 성능(몸체길이의 1.
- 여기서, 배터리의 구동실험결과 2cell형 리튬폴리머 전지를 사용할 경우 동일 규격의 모터의 연속구동실험과 비교하였을 경우 유영운동은 수조내에서 4시간 이상 가능하여 2.5배 이상의 구동수명을 보였다. 그러나 무접접 충전실험은 동 전지의 충전시간이 24시간 가량되는 등 매우 길어 실용화에 문제가 있음을 발견하였다.
- 전체적으로 2단 Flapper메커니즘은 실제 물고기의 운동과 유사한 형태의 운동성을 보여주었고 소형 로봇물고기의 제작에 유리한 것으로 보여주었다. 실제 본 연구에서 제작한 로봇물고기는 현재까지 연구된 로봇물고기중 가장 작은 크기로 향후 보완을 통해 다양한 용도로 활용 가능하도록 할 예정이다.
- 최초 시뮬레이션 결과에서 기대했던 바와 같이 최소의 회전반경을 얻지는 못했으나 허리 굽힘을 통한 2단 Flapper Mechanism은 유용함을 확인하였다. 다만 외피로 인한 저항으로 인해 유영운동이 장애를 받아 회전반경이 원하는 수준에 도달하지 못하였다.
후속연구
- 또한 무접점 충전방식의 효율이 떨어져 이의 개선이 필요함을 확인하였고 실용화를 위해서는 1차코일의 인가 전류를 높이고 충전효율을 제고하기 위해 충전장치의 개선을 하고 다음 실험에서 그 결과를 확인할 예정이다.
- 또한 앞서 언급한 바와 같이 본 실험에서는 옆지느러미를 부착하지 않은 상태에서 진행하여 2단 Flapper 메커니즘에 의한 회전반경 개선효과만을 실험하였기 때문에 옆지느러미로 인한 회전반경의 최소화를 위한 실험은 차후 실시하기로 한다.
- 전체적으로 2단 Flapper메커니즘은 실제 물고기의 운동과 유사한 형태의 운동성을 보여주었고 소형 로봇물고기의 제작에 유리한 것으로 보여주었다. 실제 본 연구에서 제작한 로봇물고기는 현재까지 연구된 로봇물고기중 가장 작은 크기로 향후 보완을 통해 다양한 용도로 활용 가능하도록 할 예정이다.
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