이 논문에서는 최소의 배터리를 소비하여 물고기 로봇을 구동하고, 물고기와 같은 유연한 운동을 할 수 있는 생체 모방(biomimetic) 물고기 로봇의 설계, 제작, 제어에 관하여 제안 하였다. 두 개 모터를 적용하여 물고기와 같이 유연하게 움직일 수 있는 방법을 제시 하였다. 중성 부력을 유지하는 방법과 빠르게 잠영하고, 방향을 전환 하기 위한 방법을 제시 하였다. 로봇 물고기의 꼬리는 유연한 움직임을 만들기 위하여 폴리머 재질을 사용하여 만들었다. 꼬리 내부는 관절과 강선으로 구성된다. 로봇 물고기에 척추에 해당하는 우레탄 골격과 관절을 이루는 핀에 연결된 강선을 당겨 꼬리에 정현파 명령을 주어 물고기와 비슷한 유영을 할 수 있도록 하였으며, 부력 조절 장치를 설치하였으며, 이 부력 조절 장치를 이용하여 물고기 로봇이 상승, 하강을 할 수 있도록 하였다.
이 논문에서는 최소의 배터리를 소비하여 물고기 로봇을 구동하고, 물고기와 같은 유연한 운동을 할 수 있는 생체 모방(biomimetic) 물고기 로봇의 설계, 제작, 제어에 관하여 제안 하였다. 두 개 모터를 적용하여 물고기와 같이 유연하게 움직일 수 있는 방법을 제시 하였다. 중성 부력을 유지하는 방법과 빠르게 잠영하고, 방향을 전환 하기 위한 방법을 제시 하였다. 로봇 물고기의 꼬리는 유연한 움직임을 만들기 위하여 폴리머 재질을 사용하여 만들었다. 꼬리 내부는 관절과 강선으로 구성된다. 로봇 물고기에 척추에 해당하는 우레탄 골격과 관절을 이루는 핀에 연결된 강선을 당겨 꼬리에 정현파 명령을 주어 물고기와 비슷한 유영을 할 수 있도록 하였으며, 부력 조절 장치를 설치하였으며, 이 부력 조절 장치를 이용하여 물고기 로봇이 상승, 하강을 할 수 있도록 하였다.
This paper introduces the mechanical design, fabrication, and control of a biomimetic fish robot whose driving motions resemble a real fish's flexibility and movement. This robot uses two motors create flexible movement like that of a fish. Several schemes, such as neutral buoyancy, fast underwater ...
This paper introduces the mechanical design, fabrication, and control of a biomimetic fish robot whose driving motions resemble a real fish's flexibility and movement. This robot uses two motors create flexible movement like that of a fish. Several schemes, such as neutral buoyancy, fast underwater swimming, and direction changes, are introduced. The tail of the fish robot is made of a polymer material for flexible movement. The interior of the tail contains a joint and a wire. A sine wave command was applied to the tail to produce motion resembling a real fish swimming, and a buoy control device was installed. The up and down motion of the robot fish was controlled using this device.
This paper introduces the mechanical design, fabrication, and control of a biomimetic fish robot whose driving motions resemble a real fish's flexibility and movement. This robot uses two motors create flexible movement like that of a fish. Several schemes, such as neutral buoyancy, fast underwater swimming, and direction changes, are introduced. The tail of the fish robot is made of a polymer material for flexible movement. The interior of the tail contains a joint and a wire. A sine wave command was applied to the tail to produce motion resembling a real fish swimming, and a buoy control device was installed. The up and down motion of the robot fish was controlled using this device.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 전력소모를 최소화 하기 위하여 꼬리 지느러미를 구성하였으며, 실제 물고기와 같은 유영운동을 할 수 있는 물고기 로봇을 제작하는 방법을 제안하고, 동시에 물고기 로봇의 설계, 제작, 제어에 관한 연구를 소개한다.
본 연구에서는 2 개의 모터를 사용하여 꼬리 지느러미의 운동을 구현하는 방법을 설계하고, 제작 및 실험에 대하여 소개 하였다. 우레탄 꼬리 골격에서 발생하는 굽힘에 의하여 발생된 파동이 물고기와 운동 형태와 같은 Carangiform 운동 구현이 가능하다는 결론을 얻을 수 있었으며, 우레탄 꼬리의 설계를 바탕으로 하여 두 가지의 물고기 로봇 형태를 제작하여 실험하여, 강선을 이용하여 꼬리의 운동을 구현시 모터를 이용하여 구현하는 방법이 모터 에너지 소모 측면에서 더 효과적이며, 모터를 이용한 유영 방법과 비교하여 좀 더 유연한 꼬리 운동을 만들 수 있다는 결론을 얻었다.
제안 방법
6 에 표시하였다. M1, M2모터에 설치한 회전바(rotation bar)에 양쪽 끝에 강선을 각각 연결하였다. 모터를 Fa, Fb방향으로 구동시키면 연결되어 있는 강선이 점 b 와 점 c 의 핀을 당기도록 설계하였다.
WHB(waterproof head box), WBB(waterproof body box), Caudal fin 세 부분으로 분할하여 구성하였다. WHB 에는 제어보드와 옆 지느러미(Pectoral fin)모터 설치 하였으며, WBB 에는 Head 모터, 꼬리몸통(Tail Peduncle)모터, 꼬리지느러미 모터, 배터리, 워터펌프 등을 설치하였다. 꼬리지느러미 역할을 하는 우레탄 골격이 실리콘 몸통 안쪽에 삽입되도록 설계, 제작하여 설치하였다.
WHB(waterproof head box), WBB(waterproof body box), Caudal fin 세 부분으로 분할하여 구성하였다. WHB 에는 제어보드와 옆 지느러미(Pectoral fin)모터 설치 하였으며, WBB 에는 Head 모터, 꼬리몸통(Tail Peduncle)모터, 꼬리지느러미 모터, 배터리, 워터펌프 등을 설치하였다.
WHB 에는 제어보드와 옆 지느러미(Pectoral fin)모터 설치 하였으며, WBB 에는 Head 모터, 꼬리몸통(Tail Peduncle)모터, 꼬리지느러미 모터, 배터리, 워터펌프 등을 설치하였다. 꼬리지느러미 역할을 하는 우레탄 골격이 실리콘 몸통 안쪽에 삽입되도록 설계, 제작하여 설치하였다.
M1, M2모터에 설치한 회전바(rotation bar)에 양쪽 끝에 강선을 각각 연결하였다. 모터를 Fa, Fb방향으로 구동시키면 연결되어 있는 강선이 점 b 와 점 c 의 핀을 당기도록 설계하였다.
물고기 로봇이 잠영과 부상을 할 때, 머리의 방향 전환을 구현하기 위하여 옆 지느러미(pectoral fin)의 회전과 보조부력 조절장치의 부력을 사용하여 물고기 로봇의 머리부 방향전환을 구현하였다. 실제 물고기가 잠영할 때, 머리 부분을 아래로 향하여 물속으로 들어가며, 부상 할 때는 머리 부분을 위쪽으로 향하게 하여 올라온다.
물고기 로봇의 실험은 야외용 풀장에서 진행하였다. 물의 깊이는 60cm 로 하여 물고기 로봇의 속도와 잠영 및 부상의 속도를 측정하였다.
이와 같은 형태의 유영을 구현하기 위하여 로봇 물고기의 배면에 보조 부력 장치를 설치하였고, 내부에는 무게추를 설치하였다. 보조부력 장치에 몸체의 공기를 주입하고, 무게추를 회전하여 무게중심을 변화시키는 방법으로 물고기 로봇의 머리부 방향을 전환할 수 있도록 하였다. Fig.
배터리를 3 시간 사용 후 충전 시간이 약 240 분 걸린다. 보조장치를 이용하여 물고기 로봇의 머리부의 방향을 전환하여 상승속도와 하강 속도를 측정하였다.
본 연구에서는 BCF 형태로 추진을 할 수 있는 꼬리 지느러미를 설계, 제작하였다. 꼬리지느러미를 사용하여 주기적 운동을 하는 물고기를 Carangiform 운동 형태라 한다.
옆 지느러미는 물고기 로봇을 상, 하 방향 전환을 하기 위하여 설치 하였으며, 방향 전환을 빠르게 하기 위하여 보조 부력장치를 배면에 설치하였다. 워터펌프를 이용하여 물 또는 공기를 몸체 밸러스트 탱크에 공급, 또는 배출하는 방식으로 중성부력(Neutral buoyancy)을 형성할 수 있도록 하였다.
실제 물고기가 잠영할 때, 머리 부분을 아래로 향하여 물속으로 들어가며, 부상 할 때는 머리 부분을 위쪽으로 향하게 하여 올라온다. 이와 같은 형태의 유영을 구현하기 위하여 로봇 물고기의 배면에 보조 부력 장치를 설치하였고, 내부에는 무게추를 설치하였다. 보조부력 장치에 몸체의 공기를 주입하고, 무게추를 회전하여 무게중심을 변화시키는 방법으로 물고기 로봇의 머리부 방향을 전환할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
8V, 5000mA 를 사용하였으며, 최대 방전은 36A 이다. 리튬 폴리머 배터리 2 개를 병렬로 연결하여 25.6V 의 전원을 만들어 사용하였다.
물고기 로봇이 물속에서 제어하기 위한 메인 CPU 는 TMS320F2812 DSP 를 사용하였으며, 구동은 AI 모터를 사용하여 제어 하였다. 머리와 꼬리는 AI RX-64 를 사용하였으며, 옆 지느러미는 AI RX-28 을 사용하였다. AI RX-64 의 모터 사양은 Table 3 과 같다.
물고기 로봇의 실험은 야외용 풀장에서 진행하였다. 물의 깊이는 60cm 로 하여 물고기 로봇의 속도와 잠영 및 부상의 속도를 측정하였다.
전원은 리튬 폴리머 14.8V, 5000mA 를 사용하였으며, 최대 방전은 36A 이다. 리튬 폴리머 배터리 2 개를 병렬로 연결하여 25.
실험 조건은 물에 의한 외력이 물고기 로봇에 가해지지 않는 상태이다. 파도나 유체의 흐름이 없는 정지 유체 상태에서 실험을 하였다. Table 5 는 풀장의 크기이다.
성능/효과
꼬리지느러미를 사용하여 주기적 운동을 하는 물고기를 Carangiform 운동 형태라 한다.(7) Carangiform 운동을 하는 물고기는 몸통은 움직이지 않고, 몸통에서부터 1/3 지점에 해당하는 꼬리지느러미(Caudal fin)까지 주기적으로 움직이는 운동을 한다.(7,9) Carangiform 운동은 몸의 일부에서부터 파장을 일으켜 꼬리 지느러미까지 힘을 전달하여 파동을 일으키는 운동이다.
우레탄 꼬리 골격에서 발생하는 굽힘에 의하여 발생된 파동이 물고기와 운동 형태와 같은 Carangiform 운동 구현이 가능하다는 결론을 얻을 수 있었으며, 우레탄 꼬리의 설계를 바탕으로 하여 두 가지의 물고기 로봇 형태를 제작하여 실험하여, 강선을 이용하여 꼬리의 운동을 구현시 모터를 이용하여 구현하는 방법이 모터 에너지 소모 측면에서 더 효과적이며, 모터를 이용한 유영 방법과 비교하여 좀 더 유연한 꼬리 운동을 만들 수 있다는 결론을 얻었다. 그리고 승, 하강을 위하여 부력제어를 실하여 보다 유연한 운동을 구현 할 수 있었다.
Table 6 은 물고기 로봇을 속도와 전력 소모를 나타낸 것이다. 물고기 로봇의 속도는 0.2m/s 의 속도로 추진을 하였으며, 2 개의 배터리 25.6V 5000mAh 의 용량으로 3 시간 가량 운용이 가능함을 확인할 수 있었다. 배터리를 3 시간 사용 후 충전 시간이 약 240 분 걸린다.
11 에 물 밖에서 촬영한 사진과 수중에서 촬영한 사진을 보여주고 있다. 물고기 로봇이 유영을 할 때에 꼬리 부분에서 추진 위한 파동 발생 시 실제 물고기와 같은 Carangiform 운동을 함을 확인할 수 있었다.
부력제어를 통하여 물고기 로봇의 머리부의 방향 전환이 이루어짐을 확인하였다.
본 연구에서는 2 개의 모터를 사용하여 꼬리 지느러미의 운동을 구현하는 방법을 설계하고, 제작 및 실험에 대하여 소개 하였다. 우레탄 꼬리 골격에서 발생하는 굽힘에 의하여 발생된 파동이 물고기와 운동 형태와 같은 Carangiform 운동 구현이 가능하다는 결론을 얻을 수 있었으며, 우레탄 꼬리의 설계를 바탕으로 하여 두 가지의 물고기 로봇 형태를 제작하여 실험하여, 강선을 이용하여 꼬리의 운동을 구현시 모터를 이용하여 구현하는 방법이 모터 에너지 소모 측면에서 더 효과적이며, 모터를 이용한 유영 방법과 비교하여 좀 더 유연한 꼬리 운동을 만들 수 있다는 결론을 얻었다. 그리고 승, 하강을 위하여 부력제어를 실하여 보다 유연한 운동을 구현 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
실제 물고기와 같은 유영 운동을 모방을 위해 어떤 노력을 하고 있는가?
실제 물고기와 같은 유영 운동을 모방하기 위해서 로봇의 관절을 구성하고, 다수의 모터와 링크를 구성하고, 제어하여 물고기의 유영운동을 구현하고 있다. 최근에는 물고기의 지느러미가 프로펠러보다 유체역학적으로 효율적 이다는 것이 밝혀지면서 물고기 꼬리에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
물고기 로봇이 물속에서 제어하기 위해 사용한 AI 모터의 특징은?
AI 모터는 RC 서버모터와 달리 PWM 방식의 펄스 신호를 제어명령으로 사용하지 않고, RS485 비 동기 직렬통신 방식으로 명령패킷을 전달 받는다.
Carangiform 운동이란?
(7) Carangiform 운동을 하는 물고기는 몸통은 움직이지 않고, 몸통에서부터 1/3 지점에 해당하는 꼬리지느러미(Caudal fin)까지 주기적으로 움직이는 운동을 한다.(7,9) Carangiform 운동은 몸의 일부에서부터 파장을 일으켜 꼬리 지느러미까지 힘을 전달하여 파동을 일으키는 운동이다.(8)
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