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제안 방법
- 유연 전개 구조는 앞서 소개한 지능형 연성 복합재 구동기를 특정 방향으로 엮어, 보다 복합적인 움직임을 구현할 수 있도록 하였다. 구동기 내부에 삽입되는 구조체에 있어, 목표 위치에서 변형량을 극대화할 수 있도록 하는 설계가 적용되었고, 가융 합금(fusible alloy)를 구동기 내에 같이 삽입하여 온도에 따라 강성을 바꿀 수 있도록 하였다. 따라서 경량의 구조에서 유연한 동작을 구현함과 동시에 높은 지지 용량을 가질 수 있다는 장점이 있다.
- 이에 더하여 3D 프린터로 제작된 경첩 구조를 지능형 연성 복합재 구동기에 결합할 경우 삼각형 기둥 구조, 육각 루프 모듈로 구성된 평면 전개 구조, 사변형 구동부를 루프 형태로 구성한 고리 전개 구조 등 보다 입체적이고 복합적인 움직임을 구현할 수 있다. 또한 고리 전개 구조에 접이식 반사체를 부착하여, 구조가 전개된 후 반사체가 펼쳐지면서 태양광 발전 패널이 위치한 곳으로 태양광을 반사시킬 수 있는 구조를 제시하였다. 그 외에도 앞서 언급한 유연 전개 구조의 장점으로 인해 접이식 안테나 및 접이식 텐트 등의 다양한 분야에 활용이 가능할 것으로 예상된다.
- 이렇게 제작된 구동기는 실제 바다거북 플리퍼의 움직임 궤적, 각 순간의 비틀림 각도를 구현할 뿐 아니라, 연속 비틀림 동작 등 기존 모터 기반 로봇에서 구현할 수 없던 동작까지 구현할 수 있도록 하였다. 또한 구동기에 삽입되는 네 가닥의 형상기억합금 와이어에 각기 서로 다른 전류 프로파일을 인가하여, 바다거북의 두 가지 서로 다른 영법을 단일 구동기에서 구현할 수 있도록 하였다.
- 자벌레는 긴 몸통을 굽혔다 피는 움직임을 반복함으로써 전진하는 생물로, 이를 모사하기 위해 몸통 전체를 지능형 연성 복합재로 제작하였다. 로봇은 크게 뒷발, 몸통, 앞발로 나눌 수 있으며 각각 독립적으로 움직이도록 설계되었다. 세 부분을 관통하여 길이방향으로 형상기억합금이 삽입되어 있으며 3D프린터를 활용하여 폴리머 주형틀을 제작, 각 구동부가 단일 복합재로 형성될 수 있도록 하였다.
- 복잡하고 유연한 동작을 복합재 형태의 단일 구조체 내에서 간단히 구현할 수 있다는 지능형 연성 복합재 구동기의 장점을 활용하여 다양한 생체모사 로봇들이 개발되었다. 모사 대상 생물체의 움직임에 따라 적합한 지지체 설계를 도출하여, 목표로 하는 구동 형상 및 변형 크기를 구현할 수 있도록 하였다. 이에 따라 자벌레, 바다거북 및 가오리의 동작을 모사할 수있는 유연 로봇이 개발되었다.
- 로봇은 크게 뒷발, 몸통, 앞발로 나눌 수 있으며 각각 독립적으로 움직이도록 설계되었다. 세 부분을 관통하여 길이방향으로 형상기억합금이 삽입되어 있으며 3D프린터를 활용하여 폴리머 주형틀을 제작, 각 구동부가 단일 복합재로 형성될 수 있도록 하였다. 앞발과 뒷발에는 각각 가로방향으로 형상기억합금이 삽입되어 있으며 이를 구동시켰을 때의 굽힘으로 앞, 뒷발의 바닥과의 접촉 면적을 조절한다.
- 유연 전개 구조는 앞서 소개한 지능형 연성 복합재 구동기를 특정 방향으로 엮어, 보다 복합적인 움직임을 구현할 수 있도록 하였다. 구동기 내부에 삽입되는 구조체에 있어, 목표 위치에서 변형량을 극대화할 수 있도록 하는 설계가 적용되었고, 가융 합금(fusible alloy)를 구동기 내에 같이 삽입하여 온도에 따라 강성을 바꿀 수 있도록 하였다.
- 하지만 거북 플리퍼 움직임을 플리퍼 부위 별로 단순화시키고, 단순화된 움직임을 구현할 수 있는 지지체를 구동기의 각 해당 부위에 위치시킴으로써 소형화-경량화된 단일 구동 모듈 내에서 바다거북의 복합적인 움직임을 구현할 수 있도록 하였다. 이렇게 제작된 구동기는 실제 바다거북 플리퍼의 움직임 궤적, 각 순간의 비틀림 각도를 구현할 뿐 아니라, 연속 비틀림 동작 등 기존 모터 기반 로봇에서 구현할 수 없던 동작까지 구현할 수 있도록 하였다. 또한 구동기에 삽입되는 네 가닥의 형상기억합금 와이어에 각기 서로 다른 전류 프로파일을 인가하여, 바다거북의 두 가지 서로 다른 영법을 단일 구동기에서 구현할 수 있도록 하였다.
- 유연한 몸통의 파동형 움직임을 통해 와류를 지속적으로 발생시키며 이를 통해 매우 효율적인 유영이 가능하다. 이를 모사하기 위해 몸체 전체를 유연 복합재로 제작하였으며 지느러미 앞부분에 지능형 연성 복합재를 삽입하였다. 앞부분의 단순 진동운동을 통해 몸통 전체에 파동형 움직임을 생성하며 이를 통해 실제 가오리와 마찬가지로 와류를 생성해 추력을 얻게 된다.
- 하지만 지능형 연성 복합재 구동기에서 형상기억합금을 미세 굵기 와이어 다발로 구성하여 동일 부피 대비 표면적을 최대화하면서, 다수의 미세 굵기 와이어 위치를 안정적으로 고정시킬 수 있도록 복합재로 구성하여, 대변형의 안정적인 고속 구동을 구현할 수 있도록 하였다. 이와 더불어 목표 구동 속도와 구동기의 고유 진동수를 일치시킬 수 있도록 하기 위해 3D 프린터로 제작되는 지지체 구조를 이용한 최적 강성 설계 기법을 도입하였고, 이에 따라 구동기 구동 시 공진 특성을 극대화할 수 있도록 하였다. 그 결과 최대 35Hz의 구동 속도를 구현하여, 일반적인 형상기억합금 구동속도를 약 10배 정도 향상시킬 수 있었다.
- 하지만 복잡하고 연속적인 바다 거북 플리퍼 움직임을 구현하기 위해서는 복잡한 기계 요소 설계 등이 요구되어 대부분 바다 거북 모사 로봇들의 크기가 크고 무겁다는 문제가 있었다. 하지만 거북 플리퍼 움직임을 플리퍼 부위 별로 단순화시키고, 단순화된 움직임을 구현할 수 있는 지지체를 구동기의 각 해당 부위에 위치시킴으로써 소형화-경량화된 단일 구동 모듈 내에서 바다거북의 복합적인 움직임을 구현할 수 있도록 하였다. 이렇게 제작된 구동기는 실제 바다거북 플리퍼의 움직임 궤적, 각 순간의 비틀림 각도를 구현할 뿐 아니라, 연속 비틀림 동작 등 기존 모터 기반 로봇에서 구현할 수 없던 동작까지 구현할 수 있도록 하였다.
- 이에 형상기억합금의 냉각 속도를 극대화 하여 구동 속도를 증가시키고자 하는 연구가 진행되어 왔지만, 구동 속도와 변위를 동시에 효과적으로 증가시키는 방안이 개발된 바 없었다. 하지만 지능형 연성 복합재 구동기에서 형상기억합금을 미세 굵기 와이어 다발로 구성하여 동일 부피 대비 표면적을 최대화하면서, 다수의 미세 굵기 와이어 위치를 안정적으로 고정시킬 수 있도록 복합재로 구성하여, 대변형의 안정적인 고속 구동을 구현할 수 있도록 하였다. 이와 더불어 목표 구동 속도와 구동기의 고유 진동수를 일치시킬 수 있도록 하기 위해 3D 프린터로 제작되는 지지체 구조를 이용한 최적 강성 설계 기법을 도입하였고, 이에 따라 구동기 구동 시 공진 특성을 극대화할 수 있도록 하였다.
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