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다관절 복합이동 해저로봇을 위한 탄소섬유 복합소재 프레임의 구조 해석
Finite Element Analysis of Carbon Fiber Reinforced Plastic Frame for Multi-legged Subsea Robot 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.27 no.6 = no.115, 2013년, pp.65 - 72  

유승열 (한국해양과학기술원 해양시스템연구부) ,  전봉환 (한국해양과학기술원 해양시스템연구부) ,  심형원 (한국해양과학기술원 해양시스템연구부) ,  이판묵 (한국해양과학기술원 해양시스템연구부)

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This paper describes a finite element analysis (FEA) of the body frame of a subsea robot, Crabster200 (CR200). CR200 has six legs for mobility instead of screw type propellers, which distinguishes it from previous underwater robots such as remotely operated vehicles (ROVs) and autonomous underwater ...

주제어

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문제 정의

  • 시편시험을 통해 몸체 프레임에 사용된 복합소재의 재료물성치를 구하여 이를 유한요소모델에 반영하였고, 수중과 공기중의 조건에서 크랩스터 200이 보행 준비 자세를 취하고 있을 때, 몸체 프레임에 대하여 유한요소해석을 수행하였다. 또한 CFRP 재료특성은 해양환경에서 많이 사용되는 알루미늄 6061 T6재질에 대하여 비교연구를 수행함으로서, 구조해석 측면에서 정량적 개선효과를 검증하고자 한다.
  • 또한, 본 논문에서는 시편시험을 통해 얻어진 탄소섬유 복합소재의 재료특성을 기존의 ROV, AUV에서 많이 사용되는 알루미늄 계열의 재료와 비교를 해 보았다. 비교 대상은 크랩스터 200에서 다리관절에 사용되었고, 항부식성이 좋아 수중 구조물 제작에 주로 사용되는 알루미늄 6061 T6 재료를 선정하여 재료의 탄성과 강도특성을 질량에 정상화(Normalize)하여 비교를 수행하였다.
  • 본 논문에서는 수심 200 미터급 다관절 복합이동 해저로봇 크랩스터 200에 사용된 탄소섬유 복합소재 몸체 프레임에 대하여 구조해석을 수행하였다. 프레임의 구조해석은 해저로봇이 육상에 있을 경우와 수중에 있을 경우에 대하여 각각 수행하였다.
  • 본 논문에서는 크랩스터 200에 적용된 탄소섬유 복합소재로 만들어진 몸체 프레임에 대하여 3차원 유한요소해석 프로그램을 이용하여 구조해석을 수행하였다. 유한요소해석의 신뢰성을 확보하기 위해 몸체 프레임과 동일한 방법으로 시편을 제작하여 시편시험을 수행하였다.
  • 본 논문에서는 크랩스터 200의 몸체 프레임에 대한 구조해석을 수행하기 위하여 유한요소모델을 이용하여 복합소재 몸체 프레임을 모델링 하였다. Fig.
  • 본 논문에서는 크랩스터 200의 몸체 프레임에 대한 유한요소해석의 신뢰성을 확보하기 위하여 프레임과 동일한 방법으로 시편을 제작하여 물성 시험을 수행하였다. 시편은 얇은 시트 형태의 카본과 레진이 혼합되어 제작되기 때문에 두 가지 재료의 물성을 모두 고려하기 위하여 인장 및 굽힘시험을 진행하였다.
  • 본 논문에서는 탄소섬유 복합소재로 제작된 프레임에 대하여 유한요소해석을 수행하였다. 수행 결과 공기중과 수중에서 프레임에 발생하는 최대 응력은 최대 인장응력 대비 3.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수중로봇의 대표적인 예는 무엇인가? 최근 수중작업과 해양탐사의 목적으로 원격무인잠수정(Remotely operated vehicle, ROV)와 자율무인잠수정(Autonomous underwater vehicle, AUV) 같은 수중로봇에 대한 수요가 증가하고 있다. 대부분의 ROV와 AUV는 수중에서 이동하거나 호버링(Hovering)하기 위하여 스크류 형태의 구동기를 사용한다(Shim, et.
다족 보행 로봇은 강한 조류가 흐르는 지역에서 어떻게 작업을 수행하는가? 강한 조류가 흐르는 지역에서 다족 보행 로봇은 Fig. 1(c)와 같이 해저면에 밀착하고 로봇의 자세를 앞으로 숙여 접지력을 높여 조류를 극복할 수 있다. 그 동안 여러 가지 형태의 다족 로봇에 대한 연구가 수행되었다.
탄소섬유 복합 소재를 크랩스터 200의 몸체 프레임에 적용 시 어떤 장점이 있는가? , 2010; James and Charles, 2007). 이러한 복합소재를 몸체 프레임에 적용함으로서 크랩스터 200은 다리에 대한 부하를 줄일 수 있고 구조적 강도를 증가시킬 수 있다. 크랩스터 200의 몸체 프레임은 개방구조로 설계되어 자체 무게를 더욱 줄였으며, 사람의 늑골 구조와 비슷한 형상을 가지도록 설계하여 외부로부터 적용될 수 있는 부하를 효과적으로 분산시킬 수 있도록 하였다.
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참고문헌 (16)

  1. Baek, H., Jun, B.H., Kim, B.R., Shim, H.W., 2012. Operating Strategy and Experimental Study on High Resolution Scanning Sonar of Multi-legged Seabed Robot to Overcome the Low Visibility Environment. KAOSTS Spring Proc. 1704-1710. 

  2. James, T., Charles, E., 2007. The Deepglider: A Full Ocean Depth Glider for Oceanographic Researc. Oceans2007, 1-7. 

  3. Jun, B.H., Shim, H.W., Lee, P.M., 2011a. An Approximation of Generalized Torques by the Hydrodynamic Forces Acting on Legs of Underwater Walking Robot. International Journal of Ocean System Engineering, 1(4), 222-229. 

  4. Jun, B.H., Shim, H.W., Park, J.Y., Kim, B.H., Lee, P.M., Kim, W.J., Park, Y.S., 2011b. A New Concept and Technologies of Multi-legged Underwater Robot for High Tidal Current Environment. Proceedings of IEEE Symposium on Underwater Technology (UT), and 2011 Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technologies (SSC), 1-5. 

  5. Kang, H.G., Shim, H.W., Jun, B.H., Lee, P.M., 2012. Design of the Underwater Link-Joint System for the Multi-Legged Underwater Robot 'CR200'. Proc. of MTS/IEEE OCEANS, 1-6. 

  6. Korean Industrial Standards KS M 3006, 2003 

  7. Korean Industrial Standards KS B 0804, 2001 

  8. Lee, P.M., Jun, B.H., Park, J.Y., Shim, H.S. Shim, Kim, J.S., Jung, H.S., Yoon, J.Y., 2011. An in-situ Correction Method of Position Error for an Autonomous Underwater Vehicle Surveying the Sea Floor. International Journal of Ocean System Engineering, 1(2), 60-67. 

  9. Loebis, D., Sutton, R., Chudley, J., Naeem, W., 2004. Adaptive Tuning of Kalman Filter via Fuzzy Logic for an Intelligent AUV navigation System. Control Engineering Practice, 12(12), 1531-1539. 

  10. Schmucker, A., Inme, T., 1996. Hexagonal Walking Vehicle with Force Sensing Capability. Proceedings of the International Symposium on Measurement and Control in Robotics(ISMCR), 354-359. 

  11. Shim, H.W., Jun, B.H., Lee, P.M., 2013. Mobility and Agility Analysis of a Multi-legged Subsea Robot System. Ocean Engineering, 61, 88-96. 

  12. Shim, H.W., Jun, B.H., Lee, P.M., Baek, H., Lee, J.H., 2010. Workspace Control System of Underwater Tele-operated Manipulators on an ROV. Ocean Engineering, 37, 1036-1047. 

  13. Takahashi, H., Iwasaki, M., Akizono, J., Asakura, O., Shiraiwa, S., Nakagawa, K., 1993. Development of an Aquatic Walking Robot for Underwater Inspection. The Report of the Port and Harbor Research Institute, 31(5) 313-357. 

  14. Wang, Y., Sun, M., Zheng, Z., Zhu, S., 2010. Finite Element Modeling of Carbon Fiber Reinforced Polymer Pressure Vessel. Internatinal Conference on Educational and Network Technology. 

  15. Weidemann, H.J., Pfeiffer, F., Elize, J., 1994. Sixlegged TUM Walking Robot. Proceedings of the IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems, 1026-1033. 

  16. Wernli, R., Jaeger, J., 1984. ROV Technology Update from an International Perspective. Proceedings of the MTS/IEEE OCEANS 1984, 639-645. 

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