[논문]가변강성 메커니즘을 적용한 로봇 돌고래 설계 및 제작

박용재

doi:10.5762/kais.2020.21.5.103

가변강성 메커니즘을 적용한 로봇 돌고래 설계 및 제작
Design and Manufacturing of Robotic Dolphin with Variable Stiffness Mechanism 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.5, 2020년, pp.103 - 110

박용재 (강원대학교 메카트로닉스공학과)

초록
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수중 로봇의 가장 기본 성능이라 할 수 있는 동적 성능인 유영속도와 동적 효율 향상을 위해 수중생물을 모사한 로봇들이 주로 연구되고 있다. 그중에서 생체모사 소프트 로봇은 유연한 꼬리지느러미를 적용함으로써 높은 자유도를 구현할 수 있다. 다만, 유연한 구동부의 효율을 높이기 위해서는 구동 주파수에 맞추어 꼬리지느러미의 강성이 바뀌어야 한다. 따라서, 연구를 통해 새로운 형태의 가변강성 메커니즘을 구현하고, 이를 연구 과정에서 검증하였다. 본 연구에서는 실제 돌고래의 해부도에서 영감을 얻어, 가변강성 메커니즘을 적용한 돌고래 로봇을 새로이 설계하고 제작하는 과정을 기술하였다. 실제 돌고래의 척추 모양을 모사하여, 절삭과 적층형 공정으로 가변강성 구동부를 제작하였다. 로봇 돌고래를 구동하기 위한 텐던도 실제 돌고래의 텐던 위치를 고려하여 배치하였으며, 추가로 강성 변화를 위한 텐던을 설치하였다. 돌고래의 유선형 외형을 모사하여 로봇 돌고래를 제작하였고, 강성 변화에 따른 로봇 돌고래의 유영속도를 측정하였다. 동일한 구동 주파수에 꼬리지느러미 구동부의 강성을 변화시켰을 때, 로봇 돌고래의 유영속도의 차이가 약 1.24배, 추력으로는 약 1.5배 변화하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bio-inspired underwater robots have been studied to improve the dynamic performance of fins, such as swimming speed and efficiency, which is the most basic performance. Among them, bio-inspired soft robots with a compliant tail fin can have high degrees of freedom. On the other hand, to improve the driving efficiency of the compliant fins, the stiffness of the tail fin should be changed with the driving frequency. Therefore, a new type of variable stiffness mechanism has been developed and verified. This study, which was inspired by the anatomy of a real dolphin, assessed a process of designing and manufacturing a robotic dolphin with a variable stiffness mechanism. By mimicking the vertebrae of a dolphin, the variable stiffness driving part was manufactured using subtractive and additive manufacturing. A driving tendon was placed considering the location of the tendon in the actual dolphin, and the additional tendon was installed to change its stiffness. A robotic dolphin was designed and manufactured in a streamlined shape, and the swimming speed was measured by varying the stiffness. When the stiffness of the tail fin was varied at the same driving frequency, the swimming speed and thrust changed by approximately 1.24 and 1.5 times, respectively.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Robotic fish with joints and rigid links and robotic fish with compliance.
그림 Fig. 2. Schematic drawing depicting the concept of a variable stiffness structure.
그림 Fig. 3. Concept of the robotic dolphin adopted from the anatomy of the dolphin.
그림 Fig. 4. Manufacturing process of the driving parts: First, mold is machined for flexible segments.
그림 Fig. 5. Manufacturing process of the peduncle part.
그림 Fig. 6. Design of robotic dolphin.
그림 Fig. 7. Schematic design of the robotic dolphin driving system.
그림 Fig. 8. Internal structure of the robotic dolphin and an assembled robotic dolphin.
그림 Fig. 9. Robotic dolphin with a bio-inspired variable stiffness mechanism
표 Table 1. Specification of robotic dolphin adapted from [22]
그림 Fig. 10. Snapshot sequence of a robotic dolphin when it swims.
표 Table 2. Parameters for thrust calculation
표 Table 3. Experimental results
표 Table 4. Comparison of swimming speed

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 가변강성 메커니즘을 적용한 로봇 돌고래의 설계와 제작 및 실험 결과에 대하여 다룬다. 기존의 강성 조인트로 구성된 로봇 시스템과 달리 연성 재질로 이루어진 소프트 로봇 시스템은 설계에서부터 제작까지 새로운 방법으로 진행해야 한다.

제안 방법

따라서, 로봇 돌고래에 적합할 수 있도록 실제 돌고래 형상을 고려하고, 척추 모양을 본뜬 구동부 설계와 이를 바탕으로 제작하는 시스템에 대하여 정리하였다. 구동부와 외형, 제어기를 통합하여 로봇 돌고래를 제작하였고, 이를 대형수조에 넣어 구동부의 강성을 변화시킨 후, 추력을 비교하여, 구동부 강성 변화 시스템의 효용성을 확인하였다.
기존의 강성 조인트로 구성된 로봇 시스템과 달리 연성 재질로 이루어진 소프트 로봇 시스템은 설계에서부터 제작까지 새로운 방법으로 진행해야 한다. 따라서, 로봇 돌고래에 적합할 수 있도록 실제 돌고래 형상을 고려하고, 척추 모양을 본뜬 구동부 설계와 이를 바탕으로 제작하는 시스템에 대하여 정리하였다. 구동부와 외형, 제어기를 통합하여 로봇 돌고래를 제작하였고, 이를 대형수조에 넣어 구동부의 강성을 변화시킨 후, 추력을 비교하여, 구동부 강성 변화 시스템의 효용성을 확인하였다.

대상 데이터

10에서는 로봇 돌고래가 좌측에서 우측으로 움직이는 것을 확인할 수 있다. 강성 변화에 따른 유영속도를 확인하기 위하여 구동 주파수를 2Hz로 고정한 후 로봇 돌고래의 속도를 측정하였다.

성능/효과

3) 로봇 돌고래의 강성 변화에 따른 동적 성능을 실험한 결과, 같은 구동 주파수에서 로봇 돌고래의 유영 속도의 차이가 약 1.24배, 추력으로는 약 1.5배 변화하는 것을 확인하였다.
로봇의 길이 대비 속도로 비교한 결과, Table 4에서 와 같이 가변강성 로봇 돌고래의 유영속도가 구동부의 강성 최적화를 수행하지 않았음에도 전반적으로 높은 것을 확인할 수 있다.

후속연구

본 연구를 보다 확장하기 위해서는 구동 주파수 상태에 맞추어 강성을 실시간으로 조절할 수 있는 제어시스템이 필요하다. 앞으로는 로봇의 움직임을 확인하여 강성을 조절할 수 있는 자동 제어시스템에 관한 연구를 수행할 계획이다.
본 연구를 보다 확장하기 위해서는 구동 주파수 상태에 맞추어 강성을 실시간으로 조절할 수 있는 제어시스템이 필요하다. 앞으로는 로봇의 움직임을 확인하여 강성을 조절할 수 있는 자동 제어시스템에 관한 연구를 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트 액추에이터의 특징은 무엇인가?	그러나 수중 로봇의 크기에 따라 스마트 액추에이터를 적용하는 것에 제약이 발생할 수 있다. 스마트 액추에이터는 수중 로봇이 커지면 커질수록 상대적으로 발생하는 힘이 기존의 모터와 같은 액추에이터에 비해 작은 특징이 있다. 특히, 빠른 유속을 가르며 유영하기 위해서는 추력이 높아야 한다.
	수중 로봇을 구동하는 방법은 어떤 방법이 있는가?	수중 로봇을 구동하는 방법은 주로 프로펠러를 사용하 여 회전력을 이용하는 방법과 물고기와 같이 지느러미를 왕복운동 함으로써 추력을 얻는 방법이 있다. 한정된 공간에서 추력을 최대한으로 얻기 위해서는 수중생물의 유 영 방법을 모사하는 것이 좋은 방법일 수 있으며, 왕복운동으로 구동하는 시스템이 수중에서 효율 측면에서 효과적이라는 연구 결과도 있다[5].
	본 논문은 구동부의 강성을 변화시켜 동적 성능을 향상할 수 있는 로봇 돌고래에 대한 설계와 제작 과정 및 실험 결과를 다루었다, 이에 대한 결과는 무엇인가?	1) 이러한 원리를 로봇 돌고래에 구현하기 위하여 가변강성 메커니즘을 로봇 돌고래에 맞추어 새롭게 설계하였다. 즉, 로봇 구동부에 가변강성 메커니즘과 왕복운동을 동시에 탑재하기 위한 시스템을 고려하여 설계하였다. 2) 로봇 돌고래 시제품은 절삭공정과 적층공정을 융합하여 제작을 진행하였다. 구동부의 강성이 있는 파트는 절삭공정으로, 실리콘으로 구성된 연성 파트는 주로 적층공정을 활용하였다. 3) 로봇 돌고래의 강성 변화에 따른 동적 성능을 실험한 결과, 같은 구동 주파수에서 로봇 돌고래의 유영 속도의 차이가 약 1.24배, 추력으로는 약 1.5배 변화하는 것을 확인하였다.

참고문헌 (22)

A. Raj, A. Thakur, "Fish-inspired robots: design, sensing, actuation, and autonomy-a review of research", Bioinspiration & Biomimetics, Vol.11, No.3, p.031001, Apr. 2016. DOI: https://doi.org/10.1088/1748-3190/11/3/031001

상세보기
D. S. Barrett, Propulsive efficiency of a flexible hull underwater vehicle, Ph.D.'s thesis, MIT, Cambridge, MA, USA, 1996.
H. Morikawa, S. Nakao, S.-I. Kobayashi, H. Wada, "Experimental study on oscillating wing for propulsor with bending mechanism modeled on caudal muscle-skeletal structure of tuna", JSME International Journal Series C Mechanical Systems, Machine Elements and Manufacturing, Vol.44, No.4, pp.1117-1124, Sep. 2001. DOI: https://doi.org/10.1299/jsmec.44.1117

상세보기
D. T. Roper, S. Sharma, R. Sutton, P. Culverhouse, "A review of developments towards biologically inspired propulsion systems for autonomous underwater vehicles", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment, Vol.225, No.2, pp.77-96, May 2011. DOI: https://doi.org/10.1177/1475090210397438

상세보기
J. Liang, T. Wang, L. Wen, "Development of a two-joint robotic fish for real-world exploration", Journal of Field Robotics, Vol.28, No.1, pp.70-79, Jan. 2011. DOI: https://doi.org/10.1002/rob.20363

상세보기
W.-S. Chu, K.-T. Lee, S.-H. Song, M.-W. Han, J.-Y. Lee, H.-S. Kim, M.-S. Kim, Y.-J. Park, K.-J. Cho, S.-H. Ahn, "Review of biomimetic underwater robots using smart actuators", International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol.13, No.7, pp.1281-1292, 2012. DOI: https://doi.org/10.1007/s12541-012-0171-7

원문보기 상세보기
C. J. Esposito, J. L. Tangorra, B. E. Flammang, G. V. Lauder, "A robotic fish caudal fin: effects of stiffness and motor program on locomotor performance", Journal of Experimental Biology, Vol.215, No.1, pp.56-67, Jan. 2012. DOI: https://doi.org/10.1242/jeb.062711

상세보기
A. Jusufi, D. M. Vogt, R. J. Wood, G. V. Lauder, "Undulatory Swimming Performance and Body Stiffness Modulation in a Soft Robotic Fish-Inspired Physical Model", Soft Robotics, Vol.4, No.3, pp.202-210, May 2017. DOI: https://doi.org/10.1089/soro.2016.0053

상세보기
P. V. y Alvarado, K. Youcef-Toumi, "Design of Machines With Compliant Bodies for Biomimetic Locomotion in Liquid Environments", Journal of Dynamic System, Measurement, and Control, Vol.128, No.1, pp.3-13, Mar. 2006. DOI: https://doi.org/10.1115/1.2168476

상세보기
P. V. y Alvarado, K. Youcef-Toumi, "Performance of Machines with Flexible Bodies Designed for Biomimetic Locomotion in Liquid Environments", in Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, IEEE, Barcelona, Spain, pp.3324-3329, April 2005. DOI: https://doi.org/10.1109/ROBOT.2005.1570623
B. Epps, P. Valdivia y Alvarado, K. Youcef-Toumi, A. Techet, "Swimming performance of a biomimetic compliant fish-like robot", Experiments in Fluids, Vol.47, No.6, pp.927-939, Dec. 2009. DOI: https://doi.org/10.1007/s00348-009-0684-8

상세보기
H. El Daou, T. Salumae, A. Ristolainen, G. Toming, M. Listak, M. Kruusmaa, "A bio-mimetic design and control of a fish-like robot using compliant structures", in 2011 15th International Conference on Advanced Robotics, IEEE, Tallinn, Estonia, pp.563-568, June 2011. DOI: https://doi.org/10.1109/ICAR.2011.6088645
K. H. Low, C. W. Chong, "Parametric study of the swimming performance of a fish robot propelled by a flexible caudal fin", Bioinspiration & Biomimetics, Vol.5, No.4, p.046002, Dec. 2010. DOI: https://doi.org/10.1088/1748-3182/5/4/046002

상세보기
R. Fan, J. Yu, L. Wang, G. Xie, Y. Fang, Y. Hu, "Optimized design and implementation of biomimetic robotic dolphin", 2005 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), IEEE, Shatin, China, pp.484-489, July 2005. DOI: https://doi.org/10.1109/ROBIO.2005.246315
I. Yamamoto, Y. Terada, T. Nagamatu, Y. Imaizumi, "Propulsion system with flexible/rigid oscillating fin", IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol.20, No.1, pp.23-30, Jan. 1995. DOI: https://doi.org/10.1109/48.380249

상세보기
B. Ahlborn, S. Chapman, R. Stafford, R. Harper, "Experimental simulation of the thrust phases of fast-start swimming of fish", Journal of Experimental Biology, Vol.200, No.17, pp.2301-2312, Sep. 1997.

상세보기
S. B. Behbahani, X. Tan, "Design and dynamic modeling of electrorheological fluid-based variable-stiffness fin for robotic fish", Smart Materials and Structures, Vol.26, No.8, p.085014, Jul. 2017. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-665X/aa7238

상세보기
Y.-J. Park, U. Jeong, J. Lee, S.-R. Kwon, H.-Y. Kim, K.-J. Cho, "Kinematic Condition for Maximizing the Thrust of a Robotic Fish Using a Compliant Caudal Fin", IEEE Transactions on Robotics, Vol.28, No.6, pp.1216-1227, Dec. 2012. DOI: https://doi.org/10.1109/TRO.2012.2205490

상세보기
T. M. Huh, Y.-J. Park, K.-J. Cho, "Design and analysis of a stiffness adjustable structure using an endoskeleton", International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol.13, No.7, pp.1255-1258, Jul. 2012. DOI: https://doi.org/10.1007/s12541-012-0168-2

원문보기 상세보기
Y.-J. Park, T. M. Huh, D. Park, K.-J. Cho, "Design of a variable-stiffness flapping mechanism for maximizing the thrust of a bio-inspired underwater robot", Bioinspiration & Biomimetics, Vol.9, No.3, p.036002, Sep. 2014. DOI: https://doi.org/10.1088/1748-3182/9/3/036002

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Y.-J. Park, Maximizing the thrust of a bio-inspired robotic fish with compliance, Ph.D.'s thesis, Seoul National University, Seoul, Korea, pp.4-88, 2013.
Y.-J. Park, D. Park, K.-J. Cho, "Design and manufacturing a robotic dolphin to increase dynamic performance", in 2013 10th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI), IEEE, Jeju, Korea, pp.76-77, Nov. 2013. DOI: https://doi.org/10.1109/URAI.2013.6677475

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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