보고서 정보
주관연구기관 |
건국대학교 KonKuk University |
연구책임자 |
박훈철
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2012-05 |
과제시작연도 |
2011 |
주관부처 |
교육과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국연구재단 |
등록번호 |
TRKO201300019707 |
과제고유번호 |
1345156063 |
DB 구축일자 |
2013-09-14
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키워드 |
곤충비행 모사,날갯짓,날개 펼침/접힘,지능재료 작동기,형상 가변 날개,초소형 비행체insect-mimicking,flapping,smart actuator,morphing wing,wing folding/unfolding,micro air vehicle
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초록
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연구의목적 및 내용
본 연구에서는 10g중 내외의 최대 중량을 가지고 최소한 자체 무게 만큼의 양력 (수직방향 힘)과 수직력의 20%에 해당하는 추력 (수평 방향 힘)을 발생시킬 수 있는 장수풍뎅이 모사 날갯짓 초소형 비행체를 구현하기 위하여, 다음과 같은 연구를 수행한다. 우선 디지털 고속 카메라를 이용하여 장수풍뎅이의 날갯짓과 날개 펼침-접힘을 관찰하고,각각을 공학적으로 구현할 수 있는 창의적인 방법을 도출한다. 이를 바탕으로, 날갯짓기구와 날개 펼침-접힘 기구를 구현하고 각각을 분석한다. 유체-구조 연성해석을 바탕으로 날
연구의목적 및 내용
본 연구에서는 10g중 내외의 최대 중량을 가지고 최소한 자체 무게 만큼의 양력 (수직방향 힘)과 수직력의 20%에 해당하는 추력 (수평 방향 힘)을 발생시킬 수 있는 장수풍뎅이 모사 날갯짓 초소형 비행체를 구현하기 위하여, 다음과 같은 연구를 수행한다. 우선 디지털 고속 카메라를 이용하여 장수풍뎅이의 날갯짓과 날개 펼침-접힘을 관찰하고,각각을 공학적으로 구현할 수 있는 창의적인 방법을 도출한다. 이를 바탕으로, 날갯짓기구와 날개 펼침-접힘 기구를 구현하고 각각을 분석한다. 유체-구조 연성해석을 바탕으로 날개 상호작용과 유연성이 공기력 발생에 미치는 영향을 조사하고, 장수풍뎅이의날개를 모사한 인공날개를 설계, 제작, 평가한다. 최종적으로는 인공날개, 날갯짓 기구,날개 펼침-접힘 기구 등이 조합된 날갯짓 비행체를 완성한다. 개발된 날갯짓 비행체가발생하는 양력 및 추력을 측정하여 성능을 시험하고, 유동가시화을 통하여 장수풍뎅이와 유사한 공기흐름을 발생하는가를 검토한다. 날갯짓 시스템을 유선으로 고정하여 비행 안정성을 보장한 후, 추력과 양력이 목표한 정도로 발생할 수 있는 조건을 찾는다.
연구결과
본 연구에서는 10g중 이내의 무게를 가지며, 최대 160도의 날갯짓과, 100도 이상의 날개 회전을 통하여 상향 날갯짓과 하향 날갯짓에서 모두 추력을 발생할 수 있는 날갯짓장치를 개발하고, 이를 대한미국 특허와 미국 특허로 등록하였다. 인공 날개는 MEMS기법 또는 경량 복합재료로 제작하였고, 날개 펼침-접힘 기구와 날갯짓 장치를 결합하여, 접힐 수 있는 날개가 날갯짓을 하도록 하였다. 유체-구조 연성해석을 통하여, 장수풍뎅이 뒷날개의 유연성과 앞날개-뒷날개 상호 작용이 공기력 발생을 향상한다는 것을밝혔다. 공기흐름 가시화를 통하여, 본 연구에서 개발한 날갯짓 비행체가 장수풍뎅이와같이 앞전 와류를 발생함을 확인하였다. 날갯짓 비행체의 발생력 측정을 통하여, 이 비행체가 수직축에서 30도 내외로 기울여졌을 때, 수직력은 무게 이상이며, 무게의 약50%에 해당하는 수평력으로 전진 비행이 가능함을 제시하였다. 이 날갯짓 장치를 경량화 하고 개선하여, 아무런 조종 장치와 가이드 와이어 없이 수직으로 상승할 수 있고,수평 방향으로 전진 비행이 가능하게 하였다. 이 과정에서, 비정상 깃 요소 이론을 개발하여, 평균 공기력 중심을 예측하고, 공기력 중심과 무게 중심을 축 방향으로 일치 시켜서 피칭 모멘트의 발생을 방지함으로써, 내재적인 비행 안정성을 확보하였다. 비행 시험을 통하여, 본 장수풍뎅이모방 날갯짓 비행체가 조종 장치와 가이드 없이 안정적 수직상승 및 전진 비행을 할 수 있음을 확인하였다.
연구결과의 활용계획
본 연구는 최근 선진국을 중심으로 활성화 되고 있는 생체모방 로봇의 플랫폼 개발과관련된 연구로서, 생체모방공학 (bio-inspired engineering 또는 biomimetics)의 한 연구분야이다. 생체모방공학은 현재로서는 연구 분야로만 활성화 되고 있으나, 본 연구성과를 통하여, 생체모방공학이 향후 10년 이내에 공학과 생물학 또는 의학 분야를 연계하는 새로운 학문으로 자리 잡는데 기여할 것으로 예상된다. 본 연구의 곤충 모방형 초소형 날갯짓 비행체는 가장 최근에 연구 대상이 된 로봇 중 하나로서, 로봇기술 분야에서 국제 경쟁력을 가질 수 있는 분야로 판단된다. 본 연구는 초소형 로봇의설계 기술에 기여하고, 창의적인 젊은 유망 과학자를 육성하는데 기여하며, 나가서는 실용화를 통한 로봇 산업 발전에도 기여할 것으로 기대한다. 이러한 생체모방 초소형 로봇은 화성과 같은 타 행성의 탐사와 국방용 탐지 및 공격 로봇으로도 활용할 수 있으므로, 우주 개발 기술 개발 및 국방기술의 우위를 유지하는 데도 기여할 것으로예상된다.
Abstract
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Purpose&contents
The final goal of the proposed research is realization of a beetle-mimicking micro air vehicle (FE-MAV). The maximum weight of the FW-MAV is a bfolaupt p1in0g -gwraimng, tghreav vitearttioicnaall foforcrcee ,p roadnudc etdh eb yh otrhiez oFnaWl -fMorAceV iiss amboouret itths anw
Purpose&contents
The final goal of the proposed research is realization of a beetle-mimicking micro air vehicle (FE-MAV). The maximum weight of the FW-MAV is a bfolaupt p1in0g -gwraimng, tghreav vitearttioicnaall foforcrcee ,p roadnudc etdh eb yh otrhiez oFnaWl -fMorAceV iiss amboouret itths anw e2ig0h%t, wohf icihts isw teoi gohvt.e rcFoomr et hitiss fpluarpppoinseg, wwineg fikrisnte minavteicssti gaantde wwionrgk infogl dpinrgin-ciupnlfeosl doinf ga, abnede tmlea, kAel lcormeiartyivnea edncghionteoemrein gi ndcelusdiginngs tmoe crheaanliizsem t haerme . dBeamsoends torna tethde aindde asa,n afllyazpepdin. gA-nwailnygs ism ebcyh atnhisem cso manpdu twatiinogn aflo lfdliunigd--ustnrfuocldtuinreg ifnotrecrea cgtieonne riast iouns.e dA rttoi fisctiauld yw ienfgfes,c t floafp pwinign-g winintge ramcteicohna nainsdm ,f leanxdib ilwitiyn go nf oltdhien ga emroedcyhnanaimsmic amreea sausrsee mvbelretdic atl o anfadb rhicoartizeo nFtaWl -fMorAceVss . prAo dusceerdie sb yo f thpee rfFoWrm-aMncAeV teasntds taor ev icsounadliuzece df lotwo teon vtihroant moef nat nreeaalr btheee tlfela. pTpihneg FwWin-g MtoA Vc hiesc kin sift atlhleed FinW -a MwAirVin gc asny sptreomdu ctoe gsiumarilaanrt eaeir flfilgohwt stability and search for the condition to produce the required vertical and horizontal forces.
Result
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Expected Contribution
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목차 Contents
- 도약연구사업 최종보고서 (제출용) ... 1
- 목 차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10
- A. 장수풍뎅이의 구조 및 비행원리 ... 10
- B. 날갯짓 장치의 설계 및 제작 ... 17
- C. 날갯짓 장치의 분석 ... 24
- D. 날갯짓 비행체의 구현 및 비행시험 ... 47
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 51
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 52
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 53
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 56
- 8. 참고문헌 ... 57
- 9. 연구성과 ... 59
- 10. 기타사항 ... 77
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