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물고기 로봇의 기하학적 경로 추종
Geometric Path Tracking for a Fish Robot 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.18 no.4, 2014년, pp.906 - 912  

박진현 (Dept. of Mechatronics Eng., Kyeognam National University of Science and Technology) ,  최영규 (Department of Electrical Engineering, Pusan National University)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (14)

  1. L. A. Zadeh, "Fuzzy Sets," Information and Control, Vol. 8, pp. 338-358, 1965. 

  2. E. H. Mamdani, "Application of Fuzzy Algorithms for the Control of a Dynamic Plant," Proceeding of IEEE 121, No. 12, pp. 1585-1588, 1974. 

  3. J. W. Hines, MATLAB Supplement to Fuzzy and Neural Aproaches in Engineering, John Wiley and Sons, Inc, 1997. 

  4. Jinding Liu and Huosheng Hu, "Biological Inspiration: From Carangiform Fish to Multi-Joint Robotic Fish," Journal of Bionic Engineering 7, pp. 35-48, 2010. 

  5. J. shao, L. Wang, J. Yu, "Development of an artificial fish-like robot and its application in cooperation transportation," Control Engineering Practice 16, pp. 569-584, 2008. 

  6. Liu J D, Dukes I, Hu H S, "Novel mechatronics design for a robotic fish," IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Edmonton, Canada, pp. 2077-2082. 2005. 

  7. Liu J D, Hu H S. "Mimicry of sharp turning behaviours in a robotic fish." Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Barcelona, Spain, pp. 3329- 3334, 2005. 

  8. J. H. Park, T.H. Lee and Y. K. Choi, 'A study on the straight cruise of fish robot according to biological mimic', Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 15, no. 8, pp. 1756-1763, 2011. 

  9. Qun Yan, Zhen Han, Shi-wu Zhang, Jie Yang, "Parametric Research of Experiments on a Carangiform Robot Fish," Journal of Bionic Engineering 5, pp. 95-101, 2008. 

  10. Lighthill M J, "Note on the swimming of slender fish." Journal of Fluid Mechanics, Vol. 9, pp. 305-317, 1960. 

  11. K.C.Koh and H.S. Cho, "A smooth path tracking algorithm for wheeled mobile robots with dynamic contraints," Journal of Intellignet and Robotics Systems, vol. 24, pp. 367-385, 1999. 

  12. D. H. Kim, C. J. Kim, C. S. Han, "Geometric path tracking and obstacle avoidance methds for an autonomous navigation of nonholonomic mobile robot," Journal of Intellignet and Robotics Systems, vol. 16, pp. 771-779, 2010. 

  13. Biohydrodynamics MATLAB Toolbox, A. Munnier and B. Pincon, http://bht.gforge.inria.fr/ 

  14. Mathworks, matlabcentral File Exchange page [2009-04-04], http://www.mathworks.com/mat-labcentral/fileexchange/ 21872 

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