As fish have evolved in nature, their shapes, and movements have changed in an optimal manner.Fish generate oscillatory traveling wave motions in the direction of propulsion to propel themselves in water. During this motion, fins push a mass of water backward, and the fish moves forward by the conservation of momentum. Most fish use a caudal fin for propulsion.
In this paper, a novel caudal fin for actuating a robotic fish is presented. The proposed caudal fin waves in a vertical direction with a specific spatial shape, which is determined by a so-called shape factor. For a specific shape factor, a traveling wave with a vertical phase difference is formed on a caudal fin during fin motion. It will be shown by the analysis that the maximum reaction torque at the joint of a caudal fin varies depending on the shape factors. Compared with a conventional plate type caudal fin, the proposed fin with a shape factor of 2 $\pi$ can eliminate the reaction torque perfectly, while keeping the propulsion force unchanged. The benefits of the proposed fin will be demonstrated by experiments.
To analyze the thrust performance of a robotic fish with vertical phase differences (or spanwise variable phase), an analytical method that uses a simplified method and energy equations is proposed. Experiments were also performed to validate the developed method. The analytical results demonstrate that the thrust characteristic of a caudal fin with spanwise variable phase differs from that of a conventional plate-type caudal fin.
And the energy consumption of the robotic fish with vertical phase differences is considered. Energies for thrusting a conventional robotic fish and one with caudal fin with vertical phase differences are obtained and compared each other. It is shown that a robotic fish with a caudal fin with vertical phase differences can save more energy, which implies the efficient thrusting via a vertically waving caudal fin.
To implement the waving motion of a caudal fin with vertical phase differences more easily and efficiently, a novel actuation of a robotic fish with a caudal fin with spanwise variable phase is presented. There are several previous researches about the robotic fish with spanwise variable phase, which can be easily seen in some kinds of real fish. But they usually use complicated mechanical parts like cams, gears,pulleys and so on to implement such motion. To more simply realize this kind of caudal fin motion, a caudal fin actuator using a flexible structure instead of mechanical parts stated before has been devised and considered in this paper. Analyses and experiments show that the proposed actuator for a robotic fish can make the waving motion with spanwise variable phase and it is also known that the actuator makes more thrust while decreasing the reaction torque.
최근 들어, 자연의 동식물의 형상이나 움직임을 모사 또는 모방하여 인간에게 유용한 시스템을
설계 구현하는 자연모사 기술에 대한 연구가 각광을 받기 시작하고 있다. 자연은 지구의 오랜 역사와 함께 수천만년을 통해 진화되어 오면서, 그들이 속한 생태계에서 가장 효율적이고 기능적인 형상과 운동 형태를 가지고 있으므로, 자연의 동식물을 관찰하고, 그들의 형상이나 동작을 잘 모사하면, 인간이 생각할 수 있는 아이디어 보다 더욱 효율적이고 효과적인 시스템을 만들 수 있다. 이러한 자연모사에 대한 연구는 로봇 및 액추에이터 분야에도 적용되고 있으며, 휴머노이드, 견마로봇, 거미 로봇, 플라잉 로봇 등의 자연모사 로봇에 대한 연구가 그 태동기에 있다. 이중에서도 특히 물고기 로봇에 대한 연구는 수중에서의 임무 완수를 위한 더욱 효율적인 로봇으로써 기존의 프로펠러 추진 방식의 선박이나 수중로봇에 비해 독특한 특징과 장점을 가지고 있어 최근에 각광을 받고 있다.
본 논문에서는 수직방향 위상차를 가지는 물고기 꼬리 지느러미 액추에이터를 제안하였고, 이론적해석을 통하여 기존의 평판형 물고기 꼬리 지느러미와 비교 분석하여 장단점을 확인하였다. 제안된 물고기 로봇 꼬리 지느러미의 메카니즘을 해석하기 위해 기존의 물고기의 운동 및 물고기 로봇 설계에 관한 연구 및 이론을 연구하였으며, 이를 바탕으로 다자유도 물고기 로봇의 유영특성 해석을 위한 프로그램을 개발하였다. 또한, 이를 더 발전시켜 수직방향 위상차를 가지는 꼬리 지느러미 해석을 위한 모델링을 하였으며, 기존의 평판형 지느러미와 제안된 수직방향 위상차를 가지는 꼬리 지느러미를 해석하여 결과를 비교 및 대조함으로써, 제안된 시스템의 장단점을 파악하였다.
제안된 수직방향 위상차를 가지는 꼬리지느러미를 가지는 물고기 로봇을 제작하였다. 수직방향 위상차를 가지는 물고기 꼬리 지느러미 운동을 실제로 구현하고자 모터와 캠 매커니즘을 사용하여 실제 수직방향 위상차를 가지는 물고기 로봇용 꼬리지느러미 구동기를 설계 및 제작 하였으며, 부드러운 조화파 운동을 만들기 위하여 편심캠을 사용하였다. 제안된 액추에이터가 장착된 물고기 로봇을 이용하여 수조내 실험도 수행하였다. 로드셀과 토크미터를 이용한 물고기 로봇 성능실험장치를 제작하였고, 이를 이용하여 제안된 액추에이터가 적용된 물고기 로봇과 기존의 평판형 액추에이터가 적용된 물고기 로봇의 추력과 그에 따른 반작용 토크를 측정하였다.
두 가지 형태의 꼬리지느러미에 대해서 지느러미의 구동주파수를 1Hz에서 2Hz까지 변화시켜가면서 실험한 결과, 물고기의 몸체가 받는 반작용 토크의 경우, (기존의 평판형 꼬리지느러미가 발생하는 반작용 토크/수직방향 위상차를 가지는 꼬리지느러미의 반작용 토크)의 비가 작게는 3.8배에서 크게는 4.7배까지 차이가 나는 것을 확인하였다. 또한 2Hz로 구동시 물고기 유영 실험을 수행하고 유영 속도의 비를 비교한 결과, 기존의 평판형 꼬리지느러미의 속도를 v1, 수직방향 위상차를 가지는 꼬리지느러미를 가진 물고기 로봇의 유영속도를 v2라 할 때, (v2-v1)/v2의 비가 78.6% 가 되는 것을 알 수 있었으며, 이를 통하여 제안된 꼬리 지느러미 메카니즘이 물로기 로봇의 자세를 안정화하면서, 유영속도도 더 증가시키는 것을 알 수 있었다. 또한, 꼬리지느러미의 각 서브핀의 강성을 달리하여 실험을 수행하였으며, 실험을 통하여 물고기 로봇의 유영특성은 서브핀의 강성에 의해 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.
제안된 꼬리지느러미를 사용한 물고기 로봇에서의 추력에 대한 보다 정확한 해석을 위한 해석이 수행되었으며, 이를 위하여 지느러미에서 유동이 발생하는 물의 질량부분을 수평과 수직 방향으로 분해하여 고찰하였다. 이러한 고찰을 통하여 제안된 꼬리 지느러미 메카니즘에 대한 새로운 해석 방법을 제안하였으며, 실험결과와 비교하여 제안된 방법을 검증하였다. 또한, 제안된 꼬리 지느러미 액추에이터를 사용한 로봇에 대해 전체적으로 동역학적 모델을 수행하고, 이를 기존의 평판형 꼬리 지느러미를가지는 물고기 로봇과 비교하였다. 해석 및 비교를 통하여 제안된 수직방향 위상차를 가지는 꼬리지느러미를 장착한 물고기 로봇에서 소모되는 파워(에너지)가 더 작은 것을 확인하였으며, 같은 파워가 입력될 때, 제안된 꼬리느러미를 가지는 물고기 로봇의 속도가 더 빠르다는 것을 확인하였으며, 실험결과와 비교하여 검증하였다.
실제 물고기를 관찰하게 되면, 근육이라는 액추에이터를 이용하여 유연한 몸체 또는 지느러미를
구동하여 움직이는 것을 볼 수 있다. 이러한 점에 착안하여, 유연조인트를 이용한 꼬리지느러미 구동 메카니즘을 고안하였다. 즉, 수직방향 위상차를 가지는 물고기 꼬리 지느러미를 보다 용이하게 구현하고 실제와 가깝게 구현하기 위하여 유연한 비틀림 기구를 가지는 꼬리 지느러미 메카니즘이 제안되었다. 앞서의 연구에서 수직방향 위상차를 구현하기 위하여 캠을 사용한데 비하여 새로이 제안된 메카니즘은 비틀림바의 동역학적 특성을 이용하여 수직방향 위상차를 가지는 웨이브 운동을 구현하였다. 제안된 메카니즘을 검증하고자, 이론적 모델링과 해석을 수행하였으며, 이를 바탕으로 제안된 메카니즘이 적용된 물고기 로봇을 만들어 수조실험을 수행하였다.
위와 같이 이론적 해석과 실험을 통하여, 제안된 수직방향 위상차를 가지는 물고기 로봇 꼬리 지느러미는 기존의 연구에서 주로 사용되어지던 평판형 꼬리지느러미에 비해서 지느러미 운동에 의한 반작용 토크를 크게 감소시키는 장점이 있음을 확인할 수 있었으며, 추력은 다소 감소하는 경향이 있었으나, 물고기 로봇에 작용하는 반작용 토크의 감소에 의해서 불필요한 좌우 요동에너지가 감소하여, 전체적인 추진성능은 제안된 수직방향 위상차를 가지는 꼬리지느러미를 가지는 물고기 로봇이 기존의 평판형 꼬리지느러미를 가지는 물고기 로봇에 비해서 더 향상됨을 확인할 수 있었다.
