[논문]전방 입사조류에 대한 해저보행로봇의 동적 전복안정성 해석

전봉환; 심형원; 유승열

doi:10.3795/ksme-a.2015.39.8.743

전방 입사조류에 대한 해저보행로봇의 동적 전복안정성 해석
Dynamic Tumble Stability Analysis of Seabed Walking Robot in Forward Incident Currents 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.8, 2015년, pp.743 - 749

전봉환 (선박해양플랜트연구소 해양시스템연구부 수중로봇연구실) , 심형원 (선박해양플랜트연구소 해양시스템연구부 수중로봇연구실) , 유승열 (선박해양플랜트연구소 해양시스템연구부 수중로봇연구실)

초록
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본 논문에서는 해저보행로봇 크랩스터(CR200)의 전방 입사 조류에 대한 동적 전복안정성에 대하여 연구하였다. CR200 은 우리나라 근해 환경의 특징인 강조류 환경에서 운용될 수 있도록 설계되었고, 몸체도 유체역학적 요소를 고려하여 제작되었다. 해저보행로봇의 동적 전복안정성을 판단하기 위하여 육상보행로봇의 동적 전복안정성의 개념을 도입하여 수중환경에 맞도록 전복 판별식을 재정의하고 이를 이용해 전방 조류에 대한 동적 전복안정성을 시뮬레이션으로 해석하였다. 이를 위하여 조류속도가 변할 때 CR200 의 자세변화에 따른 유동해석 결과를 이용하였다. 또한 CR200 의 지지다리를 이동하여 전복축의 위치가 바뀌었을 경우에 대하여 해석을 수행하여 전복축의 이동에 따른 CR200 의 전복안정성 개선효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we describe the dynamic tumble-stability analysis of a seabed-walking robot named Crabster (CR200) in forward-incident currents. CR200 is designed to be operated in tidal-current conditions, and its body shape is also designed to minimize hydrodynamic resistances considering hydrodynamics. To analyze its tumble stability, we adopt the dynamic stability margin of a ground-legged robot and modify the definition of the margin to consider tidal-current effects. To analyze its dynamic tumble stability, we use the estimated hydrodynamic forces that act on the robot in various tidal-current conditions, and analyze the dynamic tumble-stability margin of the robot using the estimated results obtained for the various tidal-current conditions. From the analyses, we confirm the improved tumble stability of the robot according to the movement of the tumble axis caused by the supporting points of the legs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

⁽⁴⁾ 빠른 조류가 존재하는 천해 환경에서는 조류에 의해 몸체에 작용하는 동유체력이 해저로봇의 주된 외력으로 작용한다. 따라서, 해저로봇에 작용하는 조류력의 추정과 이에 의한 로봇의 전복안정성에 대한 연구가 필요한데, 이를 위해 본 논문에서는 육상 보행로봇의 전복안정성 개념을 수중 환경에 맞도록 수정하여 해저 보행로봇의 전복안정성을 판단할 수 있도록 재정의 하였다.
본 논문에서는 천해용 해저보행로봇 CR200 에 대하여 우리나라 천해 수중환경의 특징인 강조류환경을 가정하여 수중 로봇의 동적 전복안정성에 대한 연구를 수행하였다. 육상로봇의 경우 동적 안정성 판단을 위해 보행 중 다리 움직임에 의한 영향을 이용하였지만, 수중 로봇의 경우 다리는 해저면에 고정한 채 몸체에 대한 조류의 영향만을 고려하여 동적 전복안정성을 판단하였다.
본 논문에서는 천해용 해저보행로봇 CR200 에 대한 조류환경에서의 조류극복 전략과 동적 전복 안정성을 제안하였다. 수중 보행로봇에 대한 동적 안정성 개념이 확립되어 있지 않기 때문에, 기존 육상 보행로봇에 대한 동적 전복안정 여유도의 개념을 이용하여 조류에 대한 영향을 고려한 수중 보행로봇의 동적 전복안정 여유도를 유도하여 정의하였다.

가설 설정

① CR200 의 안정성은 해저면과 로봇의 발끝 사이의 기계적인 접촉으로 확보되며 항상 세 다리 이상을 지면과 접촉한 상태를 유지한다.
이는 정적인 힘으로 무게중심과 부력중심의 위치와 몸체의 기울어진 각도로 계산이 가능하다. 본 논문에서는 정적 복원력 보다는 동적 유체력에 의한 전복 안정성을 판단하기 위하여 무게중심과 부력중심을 일치하는 것으로 가정하고 해석을 수행하였다. 이 때, 몸체의 종동요각(Pitch angle)은 θ 로 표기하였다.
조류가 존재하는 환경에서 조류극복 시 여섯 개의 발끝과 지면은 접촉을 유지하는 것을 가정하며 위치는 Fig. 3(a)에서 보는 것과 같다.
3(b)). 조류는 로봇의 전방에서 일정한 속도로 흐른다고 가정하며, 해저면의 저질, 평평도 등 경계조건에 따른 영향은 본 연구에서 고려하지 않았다.

제안 방법

4 와 같이 ANSYS-CFX 패키지를 이용하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다. ANSYSCFX 는 CR200 주위의 유체 유동을 모사하기 위해 난류 유동의 지배방정식인 연속방정식과 운동량 방정식을 포함한 Reynolds-averaged Navier-Strokes 방정식을 풀어 몸체에 작용하는 힘과 모멘트를 추정하였다.⁽¹⁸⁾ Fig.
공기 중 총 중량은 약 680 kg, 수중중량은 약 200 kg 이다. CR200 의 몸체에는 해저탐사를 위한 여러 가지 장비탑재를 위해 충분한 공간 확보가 요구되지만, 뭉툭하고 각진 사각기둥 형태의 일반적인 몸체 형상은 조류 속에서의 유체역학적 특성을 저하시키기 때문에 몸체의 형상은 유선형을 유지하도록 설계하고 유리섬유 강화플라스틱(FRP)으로 만들어진 외피를 장착하여 CR200 의 유체역학적 특성을 개선하였다.
7m/s 정도로 조사되었다. CR200 의 조류극복 성능 지표가 2knot(1m/s) 내 작업가능, 3knot(1.5m/s) 생존 가능이기 때문에 본 논문에서는 CR200 이 0 ~ 2 m/s 인 조류환경에 있을 때, 몸체의 종동요각 변화에 따른 동적 전복안정 여유도를 전복축의 위치가 몸체중심에서 가장 가까울 경우(0.5m)와 먼 경우(0.8m)에 대하여 구하였다.
여섯 개의 다리는 24 개의 관절로 이루어져 있다(로봇팔 작업 시 30 관절). 각 관절은 BLDC 모터와 하모닉 드라이브로 구성되어 있고, 내압 수밀 방식으로 제작하고 FRP 로 씌워 유선형 형상을 이루도록 하였다. 자세한 시스템 구성 및 세부 사양은 Fig.
유속이 1m/s 일 때, 몸체에 작용하는 저항력은 –50 ° 에서 약 55kg 이고, -10 ° 에서 약 15kg 으로 나타났다. 무차원화를 수행하기 위해 조류의 투영면적을 사용하는 것이 보통이지만, 본 해석의 경우 주어진 크기와 형상을 가지는 로봇에 대해 유속의 변화에 따른 유체력의 변화를 구하는 것이 목적이므로, 유체력과 그에 의한 모멘트를 조류 속도에 대하여 정규화시켜 사용하였다.
본 논문에서는 천해용 해저보행로봇 CR200 에 대한 조류환경에서의 조류극복 전략과 동적 전복 안정성을 제안하였다. 수중 보행로봇에 대한 동적 안정성 개념이 확립되어 있지 않기 때문에, 기존 육상 보행로봇에 대한 동적 전복안정 여유도의 개념을 이용하여 조류에 대한 영향을 고려한 수중 보행로봇의 동적 전복안정 여유도를 유도하여 정의하였다. 이를 이용하여 CR200 이 조류극복을 위해 자세제어를 수행할 경우, 전방 조류에 대한 동적 전복안정 여유도를 구하였다.
육상로봇의 경우 동적 안정성 판단을 위해 보행 중 다리 움직임에 의한 영향을 이용하였지만, 수중 로봇의 경우 다리는 해저면에 고정한 채 몸체에 대한 조류의 영향만을 고려하여 동적 전복안정성을 판단하였다. 이를 위하여 몸체에 대한 유동해석을 수행하고 이를 이용해 전방 입사 조류의 영향을 고려한 수중로봇의 동적 전복안정성을 해석하여 그 결과를 제시하고자 한다. 조류력에 대한 동적 전복안정성을 판단하기 위해서는 각 방향 별 입사조류에 대하여 전복안정성 해석을 수행해야 하지만, 수립된 조류극복 전략과, 조류의 방향 변화가 약 6 시간을 주기로 일어나는 것에 근거하여 본 논문에서는 전방 입사조류로 해석조건을 한정하였다.
수중 보행로봇에 대한 동적 안정성 개념이 확립되어 있지 않기 때문에, 기존 육상 보행로봇에 대한 동적 전복안정 여유도의 개념을 이용하여 조류에 대한 영향을 고려한 수중 보행로봇의 동적 전복안정 여유도를 유도하여 정의하였다. 이를 이용하여 CR200 이 조류극복을 위해 자세제어를 수행할 경우, 전방 조류에 대한 동적 전복안정 여유도를 구하였다. 자세제어각(종동요각)과 조속 변화에 따른 여유도의 변화를 구하여 안정적으로 극복할 수 있는 조류의 속도와 자세제어각의 범위를 구하여 우리나라 서남해 연안의 조류환경에서 해저보행로봇 CR200 의 동적 전복안정성을 해석하였다.
이를 이용하여 CR200 이 조류극복을 위해 자세제어를 수행할 경우, 전방 조류에 대한 동적 전복안정 여유도를 구하였다. 자세제어각(종동요각)과 조속 변화에 따른 여유도의 변화를 구하여 안정적으로 극복할 수 있는 조류의 속도와 자세제어각의 범위를 구하여 우리나라 서남해 연안의 조류환경에서 해저보행로봇 CR200 의 동적 전복안정성을 해석하였다. 또한 지지 다리의 접지점 이동에 따른 전복안정성 변화를 정량적으로 제시하였고, 이를 통해 천해용 해저보행로봇 CR200 의 조류환경에 대한 동적 전복안정성을 판별하여 실제 서남해안에서 로봇의 운용에 적용할 수 있을 것으로 생각된다.
이를 위하여 몸체에 대한 유동해석을 수행하고 이를 이용해 전방 입사 조류의 영향을 고려한 수중로봇의 동적 전복안정성을 해석하여 그 결과를 제시하고자 한다. 조류력에 대한 동적 전복안정성을 판단하기 위해서는 각 방향 별 입사조류에 대하여 전복안정성 해석을 수행해야 하지만, 수립된 조류극복 전략과, 조류의 방향 변화가 약 6 시간을 주기로 일어나는 것에 근거하여 본 논문에서는 전방 입사조류로 해석조건을 한정하였다.
조류환경에서 CR200 의 자세변화(종동요각 변화)에 따라 CR200 의 몸체에 작용하는 유체력을 추정하기 위해 Fig. 4 와 같이 ANSYS-CFX 패키지를 이용하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다. ANSYSCFX 는 CR200 주위의 유체 유동을 모사하기 위해 난류 유동의 지배방정식인 연속방정식과 운동량 방정식을 포함한 Reynolds-averaged Navier-Strokes 방정식을 풀어 몸체에 작용하는 힘과 모멘트를 추정하였다.

대상 데이터

CR200 은 경량화와 유체공학적 형상 설계를 구현하기 위해 몸체의 프레임을 탄소 섬유를 이용하여 제작하였다.^(15,16) 수중 이동을 위한 여섯 개의 다리는 몸체의 양 옆으로 장착되고, 왼쪽 전방부터 1, 2, 3 번 순으로, 오른쪽 전방부터 4, 5, 6 번순으로 정하였다.

성능/효과

(5) 로봇의 무게중심점이 지지다각형의 바깥쪽에 있으면 불안정하고 무게중심이 다각형의 안쪽에 있으면 안정하다는 개념이다. 보행로봇의 정적 안정성에 대한 연구는 최근 수 십년 동안 여러 가지 방향으로 연구되어 왔다.
8 m 떨어진 위치로 이동하였을 경우 조류에 따른 동적 전복 안정여유도를 보여준다. 조류의 속도가 0 인 정적 상태에서 전복 안정여유도는 기존 위치에 비해서 약 60%개선되었다. 이는 무게중심에서 전복축이 기존에 비해 더 멀어졌기 때문이다.
8 은 조류의 속도와 종동요각의 변화에 따른 동적 전복안정 여유도의 변화를 3 차원 그래프로 보여주고 있다. 조류의 속도가 빨라질수록, 로봇의 종동요각이 음의 방향으로 커질수록 로봇의 전복안정 여유도는 작아지지만 지지점 이동에 의한 안정성 개선 효과는 줄어든다. 이는 몸체의 종동요각이 감소하면서(몸체의 앞부분이 들리면서)몸체에 작용하는 양력은 증가하지만 저항력은 양력의 반대방향으로 커져 두 힘이 상쇄되기 때문이다.

후속연구

자세제어각(종동요각)과 조속 변화에 따른 여유도의 변화를 구하여 안정적으로 극복할 수 있는 조류의 속도와 자세제어각의 범위를 구하여 우리나라 서남해 연안의 조류환경에서 해저보행로봇 CR200 의 동적 전복안정성을 해석하였다. 또한 지지 다리의 접지점 이동에 따른 전복안정성 변화를 정량적으로 제시하였고, 이를 통해 천해용 해저보행로봇 CR200 의 조류환경에 대한 동적 전복안정성을 판별하여 실제 서남해안에서 로봇의 운용에 적용할 수 있을 것으로 생각된다.
하지만, 우리나라의 서해와 남해의 경우 시계가 탁하고 조류가 빠르기 때문에 프로펠러 추진기와 광학식 카메라의 의존도가 높은 기존의 수중로봇은 우리나라의 서해, 남해에서 활용하기에 제한적일 수 밖에 없다. 이러한 환경적 제약요소를 극복하기 위한 대안으로 여섯 개의 다리를 장착한 해저보행로봇 크랩스터(CR200)가 개발되어 시험운용에 있다.^(1~3) CR200 은 조류가 존재하고 시계가 불량한 해저환경에서, 기존의 수중로봇보다 정확하고 정밀한 해저 관측과 수중작업을 수행할 수 있는 수중 보행로봇으로서 조류극복이 가능하도록 설계되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CR200은 어떻게 설계되었는가?	이러한 환경적 제약요소를 극복하기 위한 대안으로 여섯 개의 다리를 장착한 해저보행로봇 크랩스터(CR200)가 개발되어 시험운용에 있다. (1~3) CR200 은 조류가 존재하고 시계가 불량한 해저환경에서, 기존의 수중로봇보다 정확하고 정밀한 해저 관측과 수중작업을 수행할 수 있는 수중 보행로봇으로서 조류극복이 가능하도록 설계되었다. 이러한 수중 보행로봇 크랩스터의 개발에 필요한 핵심기술 중 하나는 수중에서 조류를 만났을 때, 조류에 의해 로봇이 전복되지 않도록 자세를 제어하는 기술이다.
	수중로봇의 역할이 해양자원 개발에 중요한 이유는 무엇인가?	우리나라는 삼면이 바다로 둘러 쌓여 있어 해양으로의 진출과 해양자원의 개발이 매우 용이한 지리적 요건을 가지고 있다. 해양자원의 개발에 있어 수중이라는 환경적 제약으로 인해 수중로봇의 역할은 매우 중요하다. 하지만, 우리나라의 서해와 남해의 경우 시계가 탁하고 조류가 빠르기 때문에 프로펠러 추진기와 광학식 카메라의 의존도가 높은 기존의 수중로봇은 우리나라의 서해, 남해에서 활용하기에 제한적일 수 밖에 없다.
	해저보행로봇 크랩스터가 개발된 배경은 무엇인가?	해양자원의 개발에 있어 수중이라는 환경적 제약으로 인해 수중로봇의 역할은 매우 중요하다. 하지만, 우리나라의 서해와 남해의 경우 시계가 탁하고 조류가 빠르기 때문에 프로펠러 추진기와 광학식 카메라의 의존도가 높은 기존의 수중로봇은 우리나라의 서해, 남해에서 활용하기에 제한적일 수 밖에 없다. 이러한 환경적 제약요소를 극복하기 위한 대안으로 여섯 개의 다리를 장착한 해저보행로봇 크랩스터(CR200)가 개발되어 시험운용에 있다.

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Http://www.khoa.go.kr

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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