본 논문의 수중로봇 도미(Domi) ver1.0는 관상어용 물고기 로봇 개발을 목표로 연구 개발되었다. 물고기 로봇은 머리, 1단, 2단 몸체와 꼬리 부분과 2개의 구동 관절로 구성되어있다. 물고기 로봇의 추력에 적합한 구동부 선정을 위하여 물고기 로봇 모델링과 유영 해석을 통하여 관절 구동부가 설계되었다. 또한 물고기 로봇의 유영알고리즘은 Lighthill 운동학 해석을 기초로 생체 모방의 유영 근사화 방법을 적용하였다. 설계된 물고기는 수동유영 및 자율운영모드로 동작된다. 수동유영모드는 RF송수신기를 이용하여 운용되며, 자율유영모드는 머리 부분에 부착된 PSD센서, 마이컴 제어부, 서보구동장치에 의하여 구현된다. 본 설계된 물고기 로봇 도미 ver1.0은 수중 현장시험 평가를 통하여 추력, 내구성, 방수성 등의 성능이 우수함을 확인하였다.
본 논문의 수중로봇 도미(Domi) ver1.0는 관상어용 물고기 로봇 개발을 목표로 연구 개발되었다. 물고기 로봇은 머리, 1단, 2단 몸체와 꼬리 부분과 2개의 구동 관절로 구성되어있다. 물고기 로봇의 추력에 적합한 구동부 선정을 위하여 물고기 로봇 모델링과 유영 해석을 통하여 관절 구동부가 설계되었다. 또한 물고기 로봇의 유영알고리즘은 Lighthill 운동학 해석을 기초로 생체 모방의 유영 근사화 방법을 적용하였다. 설계된 물고기는 수동유영 및 자율운영모드로 동작된다. 수동유영모드는 RF 송수신기를 이용하여 운용되며, 자율유영모드는 머리 부분에 부착된 PSD센서, 마이컴 제어부, 서보 구동장치에 의하여 구현된다. 본 설계된 물고기 로봇 도미 ver1.0은 수중 현장시험 평가를 통하여 추력, 내구성, 방수성 등의 성능이 우수함을 확인하였다.
In this paper, the designed fish robots DOMI ver1.0 is researched and development for aquarium underwater robot. The presented fish robot consists of the head, 1'st stage body, 2nd stage body and tail, which is connected two point driving joints. The model of the robot fish is analysis to maximize t...
In this paper, the designed fish robots DOMI ver1.0 is researched and development for aquarium underwater robot. The presented fish robot consists of the head, 1'st stage body, 2nd stage body and tail, which is connected two point driving joints. The model of the robot fish is analysis to maximize the momentum of the robot fish and the body of the robot is designed through the analysis of the biological fish swimming. Also, Lighthill was applied to the kinematics analysis of robot fish swimming algorithms, we are applied to the approximate method of the streamer model that utilizes techniques mimic the biological fish. The swimming robot has two operating mode such as manual and autonomous operation modes. In manual mode the fish robot is operated to using the RF transceiver, and in autonomous mode the robot is controlled by microprocessor board that is consist PSD sensor for the object recognition and avoidance. In order to the submerged and emerged, the robot has the bladder device in a head portion. The robot gravity center weight is transferred to a one-axis sliding and it is possible to the submerged and emerged of DOMI robot by the breath unit. It was verified by the performance test of this design robot DOMI ver1.0. It was confirmed that excellent performance, such as driving force, durability and water resistance through the underwater field test.
In this paper, the designed fish robots DOMI ver1.0 is researched and development for aquarium underwater robot. The presented fish robot consists of the head, 1'st stage body, 2nd stage body and tail, which is connected two point driving joints. The model of the robot fish is analysis to maximize the momentum of the robot fish and the body of the robot is designed through the analysis of the biological fish swimming. Also, Lighthill was applied to the kinematics analysis of robot fish swimming algorithms, we are applied to the approximate method of the streamer model that utilizes techniques mimic the biological fish. The swimming robot has two operating mode such as manual and autonomous operation modes. In manual mode the fish robot is operated to using the RF transceiver, and in autonomous mode the robot is controlled by microprocessor board that is consist PSD sensor for the object recognition and avoidance. In order to the submerged and emerged, the robot has the bladder device in a head portion. The robot gravity center weight is transferred to a one-axis sliding and it is possible to the submerged and emerged of DOMI robot by the breath unit. It was verified by the performance test of this design robot DOMI ver1.0. It was confirmed that excellent performance, such as driving force, durability and water resistance through the underwater field test.
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문제 정의
물고기 로봇의 동력학 힘은 로봇의 순간적인 유영에 의하여 결정된다. 물고기 로봇의 물리적 파라미터(크기와 중량)와 관련된 추력 모델의 상수 파라미터와 유영과 관계 추정 파라미터를 해석하고자 한다. 각 몸체의 추력 모델링을 위하여 각 구성부의 크기 제원은 Table 1과 같다
본 논문의 물고기 로봇은 관상어를 목적으로 연구되어왔으며, 로봇의 유체역학적 모델링과 유영 메커니즘에 대한 연구를 진행하였다. 본 로봇은 대형수조와 아쿠아리움에서 운용하기 위하여 국내 해역에서 생활하고 있는 도미를 표방하여 유영 메커니즘을 연구하였고, PSD 센서를 내장하여 장애물을 회피할 수 있도록 하였으며, 유영 경로를 자율생성 알고리즘을 적용한 인공지능형 DOMI ver1.
본 논문의 수중로봇 도미(Domi) ver1.0는 관상어용 물고기 로봇 개발을 목표로 연구 개발되었다. 물고기 로봇은 머리, 1∼2단 몸체와 꼬리 부분과 2개의 구동 관절로 구성되어있다.
본 논문의 물고기 로봇은 관상어를 목적으로 연구되어왔으며, 로봇의 유체역학적 모델링과 유영 메커니즘에 대한 연구를 진행하였다. 본 로봇은 대형수조와 아쿠아리움에서 운용하기 위하여 국내 해역에서 생활하고 있는 도미를 표방하여 유영 메커니즘을 연구하였고, PSD 센서를 내장하여 장애물을 회피할 수 있도록 하였으며, 유영 경로를 자율생성 알고리즘을 적용한 인공지능형 DOMI ver1.0 물고기 로봇을 개발하였다. 설계된 DOMI 물고기는 관상어 전시용을 목적으로 설계되었으며, 물고기 로봇의 유영알고리즘은 Lighthill 운동학 해석을 기초로 하여 생체 모방의 유영 근사화 방법을 적용하였다.
제안 방법
설계된 물고기 로봇은 배터리를 이용하여 서보모터를 구동 제어하고 물고기와 같이 유연한 운동을 할 수 있는 생체모방 물고기 로봇의 설계, 제작 및 제어에 관한 실험을 진행하였다. 2개의 서보모터를 이용하여 물고기를 모방한 유영을 구현하였고, 물체를 감지하고 회피하는 유영방법을 연구하였다.
제1몸체, 제2몸체에는 절대각 위치센서를 내장한 서보모터가 내장되어있으며, 마이컴의 유영알고리즘의 지령값에 의하여 서보모터는 위치제어가 구현된다. 꼬리부는 추진력 향상을 위하여 꼬리 형상과 재질을 생체 모방기술을 통하여 설계 제작하였다. 또한 각 구성 부별 방수를 위하여 외부보다 가압을 통하여 외부 물이 내부로 침투할 수 없도록 방수기능을 구현했다.
3과 같이 AVR 마이컴을 적용하였다. 또한 각 관절에 회전각 감지센서 포텐시오미터를 부착한 서보모터 2개와 전방 PSD센서 3개를 장착하여 장애물을 감지하도록 설계되었다. 또한 물고기의 잠영 및 부상을 위하여 슬라이딩방식의 부레장치와 데이터 획득을 위하여 통신포트를 설계하였다.
꼬리부는 추진력 향상을 위하여 꼬리 형상과 재질을 생체 모방기술을 통하여 설계 제작하였다. 또한 각 구성 부별 방수를 위하여 외부보다 가압을 통하여 외부 물이 내부로 침투할 수 없도록 방수기능을 구현했다. 각 몸체는 Fig.
또한 각 관절에 회전각 감지센서 포텐시오미터를 부착한 서보모터 2개와 전방 PSD센서 3개를 장착하여 장애물을 감지하도록 설계되었다. 또한 물고기의 잠영 및 부상을 위하여 슬라이딩방식의 부레장치와 데이터 획득을 위하여 통신포트를 설계하였다.
2와 같이 구성되어있다. 또한 설계된 물고기 로봇 전체 제어시스템의 구성은 인공지능 유영알고리즘을 적용하고 생체를 모방 제어하기 위하여 Fig. 3과 같이 AVR 마이컴을 적용하였다. 또한 각 관절에 회전각 감지센서 포텐시오미터를 부착한 서보모터 2개와 전방 PSD센서 3개를 장착하여 장애물을 감지하도록 설계되었다.
설계된 DOMI 물고기는 관상어 전시용을 목적으로 설계되었으며, 물고기 로봇의 유영알고리즘은 Lighthill 운동학 해석을 기초로 하여 생체 모방의 유영 근사화 방법을 적용하였다. 로봇의 각 관절은 추진력을 갖는 사인파로 유영알고리즘을 근사화함으로써 추진력을 최적화로 구현하였고, 관상어용 물고기 로봇의 특성상 필요한 내구성, 방수성, 충전 등의 연구도 진행되었다. 본 물고기 로봇은 대형수조의 현장실험 평가 결과로 설계사양을 만족함을 확인하였다.
물고기 로봇은 머리, 1∼2단 몸체와 꼬리 부분과 2개의 구동 관절로 구성되어있다. 물고기 로봇의 추력에 적합한 구동부 선정을 위하여 물고기 로봇 모델링과 유영 해석을 통하여 관절 구동부가 설계되었다. 또한 물고기 로봇의 유영알고리즘은 Lighthill 운동학 해석을 기초로 근사화 방법을 적용하였다.
본 DOMI 로봇은 생체 물고기의 공기주입에 의하여 부력을 가변하는 원리를 이용하여 Fig. 7과 같이 슬라이딩 방법에 의하여 무게 중심 추를 앞뒤로 이동할 수 있도록 설계하여, 물고기 로봇이 자율유형 시에 잠항 또는 부상이 용이하도록하는 물고기 로봇의 부레장치를 설계하였다.
상기 물고기 로봇은 유영 구동모터의 출력과 외형상 크기와 항력계수 및 유체 저항계수 조건이 다르기 때문에 상대적 비교는 어려움이 있다고 판단된다. 본 논문에서 제안한 물고기 로봇은 유영속도의 특성 및 기능을 고려하여 아쿠아리움의 관상용 로봇으로 설계 제작되었다.
설계 제작된 Fig. 1의 물고기 로봇의 동작유형을 실험하기 위하여 Fig. 2의 물고기 로봇의 제1관절과 제2관절 구동 모터의 회전각도 측정시험을 실시하였다. 구동모터로 적용된 RC 서보모터에 부착된 회전각 센서를 이용하여 Fig.
설계된 물고기 로봇은 배터리를 이용하여 서보모터를 구동 제어하고 물고기와 같이 유연한 운동을 할 수 있는 생체모방 물고기 로봇의 설계, 제작 및 제어에 관한 실험을 진행하였다. 2개의 서보모터를 이용하여 물고기를 모방한 유영을 구현하였고, 물체를 감지하고 회피하는 유영방법을 연구하였다.
대상 데이터
본 논문에서 설계된 물고기 로봇은 Fig. 11과 같이 대형 수족관에서 6개월 동안 성능실험 및 평가를 진행하였다. 성능 실험 결과, 유영속도는 유영주파수 1.
98[cm/s]의 수영속도를 보였다[9]. 본 논문에서 제안한 물고기 로봇은 유영주파수 1.6[Hz]에서 유영속도 280[mm/sec]가 출력되었다. 상기 물고기 로봇은 유영 구동모터의 출력과 외형상 크기와 항력계수 및 유체 저항계수 조건이 다르기 때문에 상대적 비교는 어려움이 있다고 판단된다.
본 논문에서는 3개의 관절의 카랑지폼(Carangiform) 형태로 유영하는 물고기 로봇을 Fig. 1과 같이 설계하였다. 설계된 물고기는 머리, 제1몸체와 제2몸체 및 꼬리부로 Fig.
1과 같이 설계하였다. 설계된 물고기는 머리, 제1몸체와 제2몸체 및 꼬리부로 Fig. 2와 같이 구성되어있다. 또한 설계된 물고기 로봇 전체 제어시스템의 구성은 인공지능 유영알고리즘을 적용하고 생체를 모방 제어하기 위하여 Fig.
이론/모형
물고기 로봇의 추력에 적합한 구동부 선정을 위하여 물고기 로봇 모델링과 유영 해석을 통하여 관절 구동부가 설계되었다. 또한 물고기 로봇의 유영알고리즘은 Lighthill 운동학 해석을 기초로 근사화 방법을 적용하였다. 설계된 물고기는 수동유영 및 자율운영모드로 동작된다.
0 물고기 로봇을 개발하였다. 설계된 DOMI 물고기는 관상어 전시용을 목적으로 설계되었으며, 물고기 로봇의 유영알고리즘은 Lighthill 운동학 해석을 기초로 하여 생체 모방의 유영 근사화 방법을 적용하였다. 로봇의 각 관절은 추진력을 갖는 사인파로 유영알고리즘을 근사화함으로써 추진력을 최적화로 구현하였고, 관상어용 물고기 로봇의 특성상 필요한 내구성, 방수성, 충전 등의 연구도 진행되었다.
성능/효과
6[Hz]에서 280 [mm/sec],최소 유영 회전반경은 480[mm] 이내이고, 자율유영 및 잠항 및 부상 반복 연속실험에도 우수한 성능이 검증되었다. 또한 니켈수소 전지 8,100[mA]를 사용하여 6시간 연속운전이 가능하고, 로봇 내부에 가스를 가압으로 충전하여 밀폐성능을 향상시킴으로써 방수 성능이 우수함을 확인하였다.
로봇의 각 관절은 추진력을 갖는 사인파로 유영알고리즘을 근사화함으로써 추진력을 최적화로 구현하였고, 관상어용 물고기 로봇의 특성상 필요한 내구성, 방수성, 충전 등의 연구도 진행되었다. 본 물고기 로봇은 대형수조의 현장실험 평가 결과로 설계사양을 만족함을 확인하였다.
수동유영모드는 RF 송수신기를 이용하여 운용되며, 자율유영모드는 머리 부분에 부착된 PSD센서, 마이컴 제어부, 서보 구동장치에 의하여 구현된다. 본 설계된 물고기 로봇 도미 ver1.0은 지난 2년 동안의 현장실험 평가를 통하여 추력, 내구성, 방수성 등의 성능이 우수함을 확인하였다.
11과 같이 대형 수족관에서 6개월 동안 성능실험 및 평가를 진행하였다. 성능 실험 결과, 유영속도는 유영주파수 1.6[Hz]에서 280 [mm/sec],최소 유영 회전반경은 480[mm] 이내이고, 자율유영 및 잠항 및 부상 반복 연속실험에도 우수한 성능이 검증되었다. 또한 니켈수소 전지 8,100[mA]를 사용하여 6시간 연속운전이 가능하고, 로봇 내부에 가스를 가압으로 충전하여 밀폐성능을 향상시킴으로써 방수 성능이 우수함을 확인하였다.
실험 결과, 링크1과 링크2의 스윙 회전각이 각기 ±36.4° 범위 이내로 동작하여 장애물을 양호하게 회피함을 확인할 수 있다.
후속연구
앞으로 다양한 어종에 대한 유영방식에 대한 연구, 수중 로봇 간 군집 및 협업에 대한 연구와 충방전 상태를 자가진단하여 수중상태에서 자율 유영하여 회귀하는 충전 스테이션에 대한 연구를 진행할 계획이다.
추후, 대형 아쿠아리움에서 다양한 형태의 물고기 로봇에 대한 유영연구와 물고기 로봇의 군집유영 및 협업작업에 대한 물고기 로봇의 플랫폼 설계와 다양한 어종의 유영 메커니즘에 대한 연구가 진행되고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DOMI 로봇은 어떤 방식으로 운용되는가?
DOMI 로봇은 수동모드, 자동모드, 휴식모드로 운용된다. 수동모드에서는 RF 송수신기를 통하여 운용자가 조정하고,자동모드에서는 추진 유영 근사한 Equation (5)와 로봇에 내장된 센서에 의하여 수조 환경에 최적화된 경로 탐색을 통하여 3개의 관절과 부레장치를 제어하게 된다.
물고기 로봇의 동력학 힘은 무엇으로 결정되는가?
물고기 로봇의 동력학 힘은 로봇의 순간적인 유영에 의하여 결정된다. 물고기 로봇의 물리적 파라미터(크기와 중량)와 관련된 추력 모델의 상수 파라미터와 유영과 관계 추정 파라미터를 해석하고자 한다.
수중로봇 도미의 구성은 어떻게 되어있는가?
0는 관상어용 물고기 로봇 개발을 목표로 연구 개발되었다. 물고기 로봇은 머리, 1단, 2단 몸체와 꼬리 부분과 2개의 구동 관절로 구성되어있다. 물고기 로봇의 추력에 적합한 구동부 선정을 위하여 물고기 로봇 모델링과 유영 해석을 통하여 관절 구동부가 설계되었다.
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