In this study, the flapping-wing mechanism using resonance was developed for an efficient flapping-wing MAV. This mechanism minimizes the energy loss due to the inertia effect of the parts or friction loss between parts through a simple structure and reciprocating motion of motor without using complicated links; it is designed to enable flapping using resonance by inserting a torsion spring.
Based on this conceptual design, the power consumption of the resonance flapping-wing mechanism was compared with that of the linkage-based flapping-wing mechanism using a simple aerodynamic model to investigate the efficiency of the resonance-based flapping-wing mechanism. The linkage-based flapping-wing mechanism has a large heat energy loss due to resistance of DC motor and a loss of the kinematic energy. On the other hand, it was revealed through simulation and analysis that the resonance-based flapping-wing mechanism is more efficient. It has relatively small loss of motor resistance and converts the residual kinematic energy which is not consumed by the drag, into the elastic energy.
The dynamic model of the proposed mechanism was established; the wing kinematics was mathematically expressed and a simple aerodynamic model was employed. Through this model, how the wing kinematics is affected by the gear ratio was found. Based on these results, an experimental model was prepared and it showed the feasibility of the model. In addition, the damping effect inside the model was revealed through the experiment using no-wing-surface model and the result shows the possibility of improvement.
본 연구에서는 효율적인 초소형 날갯짓 비행체를 위한 공진을 이용하는 날갯짓 메커니즘을 개발하였다. 이 메커니즘은 복잡한 링크를 사용하지 않고 간단한 구조와 모터의 왕복 회전 운동을 통해 부품의 관성효과 또는 부품간의 마찰로 인한 손실을 최소화 하였으며, 비틀림 용수철을 삽입하여 공진을 이용한 날갯짓이 가능하도록 설계되었다.
이 개념 설계를 바탕으로 공진을 이용한 날갯짓 메커니즘의 효율성을 알아보기 위해, 단순 공력 모델을 이용하여 링크형 날갯짓 메커니즘과 에너지 소비량을 시뮬레이션 및 분석을 통해 비교하였다. 링크 기반 메커니즘은 모터의 저항으로 인한 손실이 크고 운동에너지 상의 손실이 존재한다. 반면, 공진을 이용하는 메커니즘은 저항으로 빠져나가는 손실이 비교적 적고, 항력으로 소모되지 못한 잔여 운동에너지를 탄성에너지로 전환하기 때문에 더 효율적임을 밝혀내었다.
또한 공진을 이용한 메커니즘의 동역학적 모델을 수립하였으며, 단순공력모델을 이용하여 날갯짓 움직임을 수식으로 나타내고, 기어비와의 상관관계를 찾았다. 이러한 내용을 바탕으로 실제 실험 모델을 제작하였으며, 실험 모델을 통해 실제 날갯짓이 가능함을 보였다. 이에 더해 날개면 없는 모델 실험 등을 통하여 모델 내부의 감쇠효과를 밝혀, 모델의 개선 가능성을 보였다.
