물고기 로봇 연구는 몸체 및 꼬리 관절 궤적의 크기나 주파수의 크기에 따른 로봇의 추력 비교 또는 꼬리 관절 궤적을 적절한 함수로 선정하여 물고기 로봇의 빠른 회전 등과 관련된 연구가 주를 이루고 있다. 본 연구에서는 물고기 로봇이 추력을 받아 앞으로 유영할 경우, 로봇의 몸체 및 꼬리 관절이 사인파와 같이 좌, 우로 요동치며 움직이므로 피드백 제어를 행하기 어렵다. 따라서 물고기 로봇의 경로에 기초한 가상의 위치를 검출하고, 검출된 위치를 사용하여 주어진 경로 위의 예견 점(look-ahead point)을 기준으로 방향 오차를 정의하여 물고기 로봇이 경로를 추종하도록 제어기를 설계하였다. 모의실험 결과 제안된 방법의 유용성을 확인할 수 있었다.
물고기 로봇 연구는 몸체 및 꼬리 관절 궤적의 크기나 주파수의 크기에 따른 로봇의 추력 비교 또는 꼬리 관절 궤적을 적절한 함수로 선정하여 물고기 로봇의 빠른 회전 등과 관련된 연구가 주를 이루고 있다. 본 연구에서는 물고기 로봇이 추력을 받아 앞으로 유영할 경우, 로봇의 몸체 및 꼬리 관절이 사인파와 같이 좌, 우로 요동치며 움직이므로 피드백 제어를 행하기 어렵다. 따라서 물고기 로봇의 경로에 기초한 가상의 위치를 검출하고, 검출된 위치를 사용하여 주어진 경로 위의 예견 점(look-ahead point)을 기준으로 방향 오차를 정의하여 물고기 로봇이 경로를 추종하도록 제어기를 설계하였다. 모의실험 결과 제안된 방법의 유용성을 확인할 수 있었다.
The study of fish robot is a main subject that are related with the propulsive force comparison using a varying amplitude and frequency for body and tail motion trajectory, and the quick turn using a proper trajectory function. In this study, when a fish robot thrusts forward, feedback control is di...
The study of fish robot is a main subject that are related with the propulsive force comparison using a varying amplitude and frequency for body and tail motion trajectory, and the quick turn using a proper trajectory function. In this study, when a fish robot thrusts forward, feedback control is difficult to apply for a fish robot, because body and tail joints as a sine wave are rolled. Therefore, we detect the virtual position based on the path of the fish robot, define the angle errors using the detected position and the look-ahead point on the given path, and design a controller to track given path. We have found that the proposed method is useful through the computer simulations.
The study of fish robot is a main subject that are related with the propulsive force comparison using a varying amplitude and frequency for body and tail motion trajectory, and the quick turn using a proper trajectory function. In this study, when a fish robot thrusts forward, feedback control is difficult to apply for a fish robot, because body and tail joints as a sine wave are rolled. Therefore, we detect the virtual position based on the path of the fish robot, define the angle errors using the detected position and the look-ahead point on the given path, and design a controller to track given path. We have found that the proposed method is useful through the computer simulations.
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문제 정의
그러나 물고기 로봇이 추력을 받아 앞으로 유영할 경우, 로봇의 몸체 및 꼬리 관절이 사인파와 같이 좌, 우로 요동치며 움직이므로 현재의 로봇 위치를 정확히 안다고 하여도 제어를 행하기 어렵다. 따라서 물고기 로봇의 경로에 기초한 현재의 가상위치를 검출하여 물고기 로봇의 경로 추종 제어를 행하고자 한다.
본 연구에서는 식 (4)와 같이 가상의 위치를 추정하고 기준 경로에 대한 방향 오차만을 정의하여 제어를 행하고자 한다. 이는 로봇의 각 링크가 일정한 주파수 성분을 갖는다면 물고기 로봇의 진행방향의 속도가 같으므로 위치 오차 부분은 고려할 필요가 없다.
가설 설정
0002]으로 설정하였다. 그리고 로봇 물고기의 최초 위치는 원점 (0,0)에서 출발하여, 식 (7)과 같이 추종 경로를 설정하였으며, 예견점 추정을 위해 반지름 R=10.5설정하였다.
제안 방법
본 연구에서는 물고기 로봇이 추력을 받아 앞으로 유영할 경우, 로봇의 몸체 및 꼬리 관절이 사인파와 같이 좌, 우로 요동치며 움직이므로 피드백 제어를 행하기 어렵다. 따라서 물고기 로봇의 경로에 기초한 가상의위치를 검출하고, 검출된 위치를 사용하여 주어진 경로 위의 예견 점(look-ahead point)을 기준으로 방향 오차를 정의하여 물고기 로봇이 경로를 추종하도록 제어기를 설계하였다. 모의실험 결과 제안된 방법의 유용성을 확인할 수 있었다.
유체 모델은 완벽한 유체모델을 사용하여, 노이만 경계 값 문제를 사용하여 유체 내의 역학식을 해결하였다. 로봇 물고기의 몸체 설계는 carangiform 형태로 설계하였으며, 로봇 물고기의 제원은 표 1과 같으며, 로봇 물고기 머리 부분의 무게 중심을 원점으로 놓았으며, 각 꼬리 관절은 독립적인 좌표를 가지고 있다.
본 연구는 물고기 로봇의 경로 추종과 관련하여 물고기 로봇의 가상 위치를 검출하고, 검출된 위치를 사용하여 주어진 경로 위의 예견 점(look-ahead point)을 기준으로 방향 오차를 정의하여 물고기 로봇이 경로를 추종하도록 제어기를 설계하였다. 모의실험 결과 제안된 방법의 유용성을 확인할 수 있었다.
물고기 로봇은 첫 번째 꼬리 관절이나 모든 꼬리 관절을 일정 각도로 치우쳐 진동(oscillation)하면 회전과 추력을 동시에 발생한다. 본 연구에서는 모든 꼬리 관절 모션에 경로 추종을 위한 PID 제어기를 구성하여 직진 유영과 회전이 동시에 발생하도록 제어기를 구성하였다. 식 (2)는 물고기 로봇의 각 관절 궤적에 경로추정을 위한 PID 제어기를 첨가하여 제어기를 구성하였다.
본 연구에서는 물고기 로봇의 링크 길이[l1, l2, l3, l4]=[0.045, 0.045, 0.043, 0.085]로 설정하여, 로봇 물고기의 직진 유영에 대한 꼬리 관절 모션을 그림 2와 같이 구하였다.
그림 2로부터 그림 1과 같이 각 링크에 대한 상대 관절 각도를 구하여 직진 유영 패턴을 만들었다. 본 연구에서는 위의 로봇 물고기의 링크 궤적을 식 (1)과 같이 푸우리에 급수 전개를 통하여 표현하고 이를 각 링크의 궤적으로 선정하였다.
기본적인 고체 역학과 유체 역학을 기초로 유체-구조 상호 작용 시스템에 대한 해석도 가능하다. 유체 모델은 완벽한 유체모델을 사용하여, 노이만 경계 값 문제를 사용하여 유체 내의 역학식을 해결하였다. 로봇 물고기의 몸체 설계는 carangiform 형태로 설계하였으며, 로봇 물고기의 제원은 표 1과 같으며, 로봇 물고기 머리 부분의 무게 중심을 원점으로 놓았으며, 각 꼬리 관절은 독립적인 좌표를 가지고 있다.
그림 6은 물고기 로봇이 임의의 유영 시 로봇 머리의 무게 중심과 그에 대한 가상의 위치 값을 식 (4)에 의해 표시하였다. 초기 7초까지는 정지 상태에서 물고기 로봇의 꼬리 지느러미가 추력을 받아 진폭의 차이가 커 선형 근사가 어려우나, 이 부분은 초기 위치에서 정상속도로 가는 가속 구간으로 간주하여 추정 위치를 시간에 대한 시그모이드 함수(sigmoid function)를 사용하여 영향을 적도록 설정하였다.
대상 데이터
로봇 물고기의 꼬리 관절 수를 4개로 사용하였으며, 꼬리 관절 각은 그림 1과 같이 정의하였다. 관절의 링크길이는 lj로 정의하고, 각 링크의 좌표는 (xij, yij)로 정의하였다.
이론/모형
모의실험은 유체 속에서 다 관절 몸체에 대한 추력 및 모션 등을 연구할 수 있는 Biohydrodynamics Toolbox[13, 14]를 사용하였다. 기본적인 고체 역학과 유체 역학을 기초로 유체-구조 상호 작용 시스템에 대한 해석도 가능하다.
물고기 로봇의 직진 유형 모션 함수는 Lighthill에 의해 정의[10]된 몸체함수를 Liu 등이 변형한 모션함수를 사용하였다[6-8]. 이러한 모션 함수에 과거 본 연구자들에 의해 제안된 꼬리 모션 궤적 함수를 사용하여 적용하였다[8].
성능/효과
본 연구는 물고기 로봇의 경로 추종과 관련하여 물고기 로봇의 가상 위치를 검출하고, 검출된 위치를 사용하여 주어진 경로 위의 예견 점(look-ahead point)을 기준으로 방향 오차를 정의하여 물고기 로봇이 경로를 추종하도록 제어기를 설계하였다. 모의실험 결과 제안된 방법의 유용성을 확인할 수 있었다.
물고기 로봇의 주행 방향인 -x축 방향의 값이 일정하게 증가됨을 알 수 있다. 이는 물고기 로봇의 각 링크가 일정한 주파수 성분을 갖는 경우, 물고기 로봇의 진행방향의 속도가 거의 같음을 모의실험을 통하여 확인하였다. 또한 경로가 바뀌어도 잘 추종함을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모의 실험에서 물고기 로봇의 몸체 형태는 어떤 형태로 설계하였는가?
유체 모델은 완벽한 유체모델을 사용하여, 노이만 경계 값 문제를 사용하여 유체 내의 역학식을 해결하였다. 로봇 물고기의 몸체 설계는 carangiform 형태로 설계하였으며, 로봇 물고기의 제원은 표 1과 같으며, 로봇 물고기 머리 부분의 무게 중심을 원점으로 놓았으며, 각 꼬리 관절은 독립적인 좌표를 가지고 있다.
물고기 로봇의 현재 위치를 정확히 알아내기 힘든 이유는?
본 연구에서도 이와 유사한 방법을 적용하려면 제어 대상인 물고기 로봇의 현재 위치를 정확히 알아야 한다. 그러나 물고기 로봇이 추력을받아 앞으로 유영할 경우, 로봇의 몸체 및 꼬리 관절이사인파와 같이 좌, 우로 요동치며 움직이므로 현재의로봇 위치를 정확히 안다고 하여도 제어를 행하기 어렵다. 따라서 물고기 로봇의 경로에 기초한 현재의 가상위치를 검출하여 물고기 로봇의 경로 추종 제어를 행하고자 한다.
BCF의 장점은?
이는 수중생물체들은 여러 세대를 걸쳐 수중 환경에 최적화된 운동 메커니즘을 가지고 있기 때문이다. 특히 물고기의유형 중 몸체와 꼬리 지느러미를 사용하는 BCF(Bodyand/or Caudal Fin)는 빠른 속도와 추진 효율이 뛰어나많은 연구자들의 기본 연구 테마로 연구가 되어왔다[4,5,7-9]. 90년대 초 MIT에서 Robotuna가 개발되었고, Mason과 Burdick은 carangiform 모델을 개발하여 꼬리 지느러미의 추력을 실험적으로 확인하였다.
참고문헌 (14)
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Biohydrodynamics MATLAB Toolbox, A. Munnier and B. Pincon, http://bht.gforge.inria.fr/
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