In nature, many small insects are using jumping as a survival strategy. Among them, fleas jump in a unique method. They use an elastomer, 'Resilin', an extensor muscle and a trigger muscle. By contracting the extensor muscle, the elastic energy, that makes a flea to jump, is stored in the resilin. A...
In nature, many small insects are using jumping as a survival strategy. Among them, fleas jump in a unique method. They use an elastomer, 'Resilin', an extensor muscle and a trigger muscle. By contracting the extensor muscle, the elastic energy, that makes a flea to jump, is stored in the resilin. After storing energy, the trigger muscle begins contracting and pulling the extensor muscle. When the extensor muscle crosses the rotational joint, direction of torque generated from the extensor muscle reverses, 'torque reversal mechanism'. Simultaneously, the elastic energy stored in the resilin releases rapidly and is converted into the kinetic energy. It makes a flea to jump 150 times its body length. In this paper, miniaturized jumping robot using flea-inspired catapult mechanism is presented. This mechanism is based on the 4-bar linkage and the reversal joint and is actuated by Shape Memory Alloy (SMA) coiled springs describing the flea's muscle. The robot prototype is fabricated by SCM process using glass fiber prepregs and a sheet of polyimide film. The prototype is 20mm link length, 34mm width and 2.0g weight and can jump 103cm.
In nature, many small insects are using jumping as a survival strategy. Among them, fleas jump in a unique method. They use an elastomer, 'Resilin', an extensor muscle and a trigger muscle. By contracting the extensor muscle, the elastic energy, that makes a flea to jump, is stored in the resilin. After storing energy, the trigger muscle begins contracting and pulling the extensor muscle. When the extensor muscle crosses the rotational joint, direction of torque generated from the extensor muscle reverses, 'torque reversal mechanism'. Simultaneously, the elastic energy stored in the resilin releases rapidly and is converted into the kinetic energy. It makes a flea to jump 150 times its body length. In this paper, miniaturized jumping robot using flea-inspired catapult mechanism is presented. This mechanism is based on the 4-bar linkage and the reversal joint and is actuated by Shape Memory Alloy (SMA) coiled springs describing the flea's muscle. The robot prototype is fabricated by SCM process using glass fiber prepregs and a sheet of polyimide film. The prototype is 20mm link length, 34mm width and 2.0g weight and can jump 103cm.
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문제 정의
. 본 논문에서는 벼룩 모사 캐터펄트 메커니즘을 이용한 재도약이 가능한 초소형 로봇 메커니즘을 제작하고 도약 성능을 평가하여 초소형 도약 로봇으로 적용 가능성을 확인해 보고자 한다. 벼룩은 1 밀리미터이하의 크기로 150mm 가량 도약을 하는 능력을 가지고 있고 이는 도약 다리의 토크 역전 현상에 의해 동작할 수 있다[5].
본 논문에서는 벼룩의 독특한 캐터펄트 메커니즘을 이용한 초소형 로봇 메커니즘을 제작하였다. 이 메커니즘은 형상기억합금 코일 스프링에 탄성에너지를 저장하며 토크 역전현상을 이용하여 빠르게 에너지를 풀어 줌으로서 도약하는 캐터펄트 메커니즘이다.
이러한 한계를 극복하는 방법 중의 하나로, 소형 생체는 에너지를 모았다가 한번에 분출할 수 있는 도약방식을 사용한다. 생물뿐만 아니라 소형 이동 로봇에서도 크기에 따른 같은 한계가 존재하고 이를 도약 메커니즘으로 극복해 보고자 한다.
가설 설정
실험에 사용한 형상기억합금 스프링의 구체적인 사항들은 Table 1에 정리하였다. 인장실험에서 이 스프링은 (2.4V, 0.8A)에서 가장 좋은 성능을 보이며, 변형길이와 힘이 선형적인 관계를 보이므로, 100N/m의 강성을 가지는 일반적인 스프링으로 가정할 수 있다.
제안 방법
시제품의 로봇 구조는 유리섬유 복합재와 폴리이미드 필름을 사용한 Smart Composite Microstructures(SCM) 과정으로 제작되었다. 2D 패턴으로 유리섬유 복합재를 레이저 커터(CO2 laser, Universal Laser, Co.)를 이용해 자른 후, 그위에 로봇의 외곽선을 따라 자른 폴리이미드 필름을 적층하고, 다시 2D 패턴의 유리섬유 복합재를 적층하여 로봇의 2D 구조를 제작하였다. 유리섬유 복합재는 강체들을 구성하며, 유리섬유 복합재의 잘려진 부분들은 폴리이미드 필름으로 연결되어 회전 조인트의 역할을 한다.
형상기억합금 코일 스프링은 전류를 흘려주면 내부저항에 의해 열이 발생한다. 내부저항에 의해 발생한 열은 형상기억합금 스프링을 Austenite phase shape(본 논문에서 사용한 형상기억합금 코일 스프링의 Austenite phase shape는 압축스프링의 형상)로 만든다.
한편, 캐터펄트 메커니즘이 작동하는 과정에서 굴근 스프링이 늘어나므로, 도약을 위한 탄성에너지의 일부가 굴근 스프링을 늘이는데 소모된다. 따라서, 굴근 형상기억합금 스프링을 양방향 형상 기억효과(Two Way Shape Memory Effect)를 가지도록 설계한다. 즉, 자세를 조정할 때는 스프링이 가열되어(Austenite) 수축하며 자세를 조정한 이후에는 스프링이 식으면서(Martensite) 늘어나는 특성을 가진 형상기억합금 스프링을 사용한다.
이와 같이, 신근 스프링과 방아쇠 스프링, 멈춤 구조 이용해 도약을 하는 로봇을 제작한다. 또한, 여러 번의 도약이 가능하도록, 다리를 멈춤 구조까지 올려주는 굴근 스프링도 포함된 로봇을 제작한다.
즉, 공기저항에 대한 효율은 시제품의 디자인에 종속적이다. 시제품의 도약과정을 촬영하여, 영상 처리를 통해 시제품의 도약궤적과 최고 도약 높이를 측정하였다(Fig. 11). 시제품의 최고 도약높이는 103.
벼룩의 캐터펄트 메커니즘에서는 신근과 방아쇠 근육이 붙어있어 방아쇠 근육이 수축하면서 신근을 당기는 구조다. 이 과정에서 토크가 역전된 후, 방아쇠 근육의 힘의 일부 성분은 신근의 수축을 방해하는 방향으로 작용하기 때문에 도약에 방해가 될 수 있으므로, 본 논문의 벼룩 모사 캐터펄트 메커니즘에서는 신근 스프링과 방아쇠 스프링이 분리된 디자인을 제안한다. 방아쇠 스프링이 수축함에 따라 둥근 구조물을 아래로 누르게 되며, 이 구조물은 신근 스프링을 아래로 내리는 구조이다.
벼룩은 1 밀리미터이하의 크기로 150mm 가량 도약을 하는 능력을 가지고 있고 이는 도약 다리의 토크 역전 현상에 의해 동작할 수 있다[5]. 이러한 특징을 가진 캐터펄트 메커니즘을 유리 섬유 복합재와 형상기억합금 코일 스프링 구동기를 이용하여 3센티미터 크기의 도약 메커니즘을 제작하였고, 재도약이 가능할 수 있도록 설계하였다. 이는 능동 저장, 능동 풀림 캐터펄트 메커니즘으로 분류 될 수 있으며 초소형 메커니즘으로서 순간적인 빠른 움직임이나 큰 힘이 필요한 기계 요소로 사용될 수 있을 것이다.
3 (b))을 하는 캐터펄트 메커니즘이다. 이와 같이, 신근 스프링과 방아쇠 스프링, 멈춤 구조 이용해 도약을 하는 로봇을 제작한다. 또한, 여러 번의 도약이 가능하도록, 다리를 멈춤 구조까지 올려주는 굴근 스프링도 포함된 로봇을 제작한다.
방아쇠 스프링이 수축함에 따라 둥근 구조물을 아래로 누르게 되며, 이 구조물은 신근 스프링을 아래로 내리는 구조이다. 토크가 역전되어 로봇이 도약을 시작함과 동시에 두 스프링이 분리되어 서로 영향을 끼치지 않는 캐터펄트 메커니즘을 설계하여, 벼룩의 캐터펄트 메커니즘 구조에서 두 근육이 연결되어 있어 생기는 단점을 보완하였다.
대상 데이터
이 메커니즘은 형상기억합금 코일 스프링에 탄성에너지를 저장하며 토크 역전현상을 이용하여 빠르게 에너지를 풀어 줌으로서 도약하는 캐터펄트 메커니즘이다. 4-bar 링크를 기본 골격으로 가지며, 로봇은 유리 섬유 복합재의 SCM 과정으로 제작되었다. 제작된 로봇은 크기가 3.
로봇의 시제품에 사용된 신근 형상기억합금 코일 스프링은 인장실험에 사용한 스프링과 동일한 재질과 조건으로 만들어 졌으며, 코일 수가 14개이다. 이전 인장실험에서 코일수가 24개인 스프링에 0.
방아쇠 스프링에 의해 눌려지며 신근 스프링을 눌러 토크를 역전시키는, 지름 12mm-두께 3mm의 둥근 구조물은 아크릴로 제작되었다.
시제품의 로봇 구조는 유리섬유 복합재와 폴리이미드 필름을 사용한 Smart Composite Microstructures(SCM) 과정으로 제작되었다. 2D 패턴으로 유리섬유 복합재를 레이저 커터(CO2 laser, Universal Laser, Co.
4-bar 링크를 기본 골격으로 가지며, 로봇은 유리 섬유 복합재의 SCM 과정으로 제작되었다. 제작된 로봇은 크기가 3.4cm, 무게 2g의 초소형 도약로봇이다. 대부분의 소형 도약로봇은 Escapement Cam을 이용한 수동 저장, 수동 풀림 방식의 캐터펄트 메커니즘을 가지고 있는 반면, 본 논문의 초소형 도약로봇은 모터와 기어 대신 형상기억합금 코일 스프링을 이용한 능동 저장, 능동 풀림 방식의 캐터펄트 메커니즘을 가지고 있다.
형상기억합금 코일 스프링은 형상기억합금 와이어(Dynalloy Co.)를 감아 고온에서 구워 제작하였다. 형상기억합금 코일 스프링은 전류를 흘려주면 내부저항에 의해 열이 발생한다.
성능/효과
2cm이다. 본 논문에서 제작한 로봇의 기계적 캐터펄트 메커니즘의 에너지 전환 효율은 62%이며, 공기저항에 대한 도약 효율은 59.6%이다.
11). 시제품의 최고 도약높이는 103.2cm이며, 시제품의 공기저항에 대한 도약 효율은 59.6%이다.
후속연구
이는 능동 저장, 능동 풀림 캐터펄트 메커니즘으로 분류 될 수 있으며 초소형 메커니즘으로서 순간적인 빠른 움직임이나 큰 힘이 필요한 기계 요소로 사용될 수 있을 것이다. 앞으로 국방용 소형 로봇, 의료용 도구 등의 응용 분야에 적용할 수 있는 메커니즘으로 성능 개선 및 다양한 설계안을 제시할 수 있을 것이다.
이러한 특징을 가진 캐터펄트 메커니즘을 유리 섬유 복합재와 형상기억합금 코일 스프링 구동기를 이용하여 3센티미터 크기의 도약 메커니즘을 제작하였고, 재도약이 가능할 수 있도록 설계하였다. 이는 능동 저장, 능동 풀림 캐터펄트 메커니즘으로 분류 될 수 있으며 초소형 메커니즘으로서 순간적인 빠른 움직임이나 큰 힘이 필요한 기계 요소로 사용될 수 있을 것이다. 앞으로 국방용 소형 로봇, 의료용 도구 등의 응용 분야에 적용할 수 있는 메커니즘으로 성능 개선 및 다양한 설계안을 제시할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
캐터펄트 메커니즘이란 무엇인가?
소형 도약 로봇은 대부분 스프링을 이용하여 탄성에너지를 저장했다가 스프링을 한번에 풀 수 있는 메커니즘을 이용하여 도약 메커니즘을 개발한다. 캐터펄트 (Catapult) 메커니즘은 탄성 에너지를 한번에 풀어 운동에너지로 순식간에 바꾸는 메커니즘을 지칭한다. 다양한 캐터펄트 메커니즘이 존재하는데 그 중 소형 도약 로봇에 가장 많이 사용 되는 메커니즘이 Escapement Cam 메커니즘이다.
크기가 작은 생물이 이동 속도의 한계를 극복하기 위한 방법은 무엇이 있는가
크기가 작은 생물은 다리 길이 또한 작아 이동 속도에 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하는 방법 중의 하나로, 소형 생체는 에너지를 모았다가 한번에 분출할 수 있는 도약방식을 사용한다. 생물뿐만 아니라 소형 이동 로봇에서도 크기에 따른 같은 한계가 존재하고 이를 도약 메커니즘으로 극복해 보고자 한다.
벼룩의 다리는 무엇으로 구성되어 있는가?
1과 같다. 벼룩의 다리는 다리를 이루는 외골격[흉부(Thorax), 밑마디(Coxa), 넓적다리(Femur)]과 탄성체인 레실린, 신근(Extensor muscle), 굴근 (Flexor muscle), 방아쇠 근육(Trigger muscle)으로 이루어져 있다. 이들을 이용해 벼룩은 자신의 신장보다 150배 높은 도약을 할 수 있다.
참고문헌 (5)
M. Kovac, M. Fuchs, A. Guignard, J.-C. Zufferey, and D. Floreano, "A miniature 7g jumping robot," in Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2008, pp. 373-378.
U. Scarfogliero, C. Stefanini, and P. Dario, "The use of compliant joints and elastic energy storage in bioinspired legged robots," Mechanism and Machine Theory, vol. 44, no. 3, pp. 580-590, 2009.
B. G. A. Lambrecht, A. D. Horchler, and R. D. Quinn, "A small, insect-inspired robot that runs and jumps," in Proc. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2005, pp. 1240-1245.
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M. -K. Noh, S. -W. Kim, S. -M. An, J. -S. Koh and K.-J. Cho, "Flea-Inspired Catapult Mechanism for Miniature Jumping Robots", Robotics, IEEE Transactions on (TRO), vol. 28, no. 5, p1007-1018, Oct. 2012.
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