덕트형 수중 이동 로봇의 선회력 극대화를 위한 방향타 메커니즘 설계 :Design of rudder mechanism to maximize the turning force of a ducted-type underwater robot

김영현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김영현 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 김진현

발행연도: 2016

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이용수2

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

덕트형 수중 이동 로봇의 선회력 극대화를 위한 방향타 메커니즘 설계

김영현 , 황동욱 , 김진현 제어로봇시스템학회 논문지 2017.09 학술저널

2016

덕트형 수중이동 로봇의 선회력 극대화를 위한 방향타 설치 형태 및 각 방향타 간의 위치 관계 연구

김영현 , 황호연 , 김진현 대한기계학회 춘추학술대회 2016.12 학술대회자료

덕트형 수중 이동 로봇의 선회력 극대화를 위한 방향타 메커니즘 설계

김영현 2016.01 학위논문

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덕트형 수중 이동 로봇은 유선형 외형과 내부 덕트를 갖고 있는 형상이며 유선형 외형을 가져 유체저항이 작고 동체의 길이가 짧아 작은 선회반경을 가져 운동성이 좋다. 또한 동체 크기 대비 큰 추진기를 덕트 내부에 설치할 수 있으며 설치된 추진기는 벤츄리 효과를 이용하여 추력을 극대화 할 수 있다. 개발한 덕트형 수중 이동 로봇은 로봇의 외형 변화를 줄이며 덕트 내부의 유량을 활용하기 위해 덕트 내부에 방향타가 설치되었지만 방향타 면적 증가의 한계, 방향타 간의 간섭 등의 문제가 있었다. 또한 내부 방향타 구동을 위한 메커니즘으로 선택한 Slider crank mechanism의 경우 3개의 링크에 의해 동력 전달이 일어나므로 Servo motor에 같은 신호를 주더라도 작용점 끝부분의 위치 오차가 생기고 에너지 효율적 측면에서도 좋지 않다는 문제점이 있었다.
이를 개선하기 위해 덕트 외부에 방향타 구동부가 설치되는 방향타 메커니즘 설계를 진행하였다. 외부 방향타 구동 메커니즘은 직접적으로 정확하게 동력 전달이 가능한 Bevel gear를 채택하여 불필요한 동력 전달 구조를 줄인다. 또한 덕트 외부에 상하좌우 사방향으로 부착되어 덕트 내부에 비해 방향타에 작용하는 유체가 닿는 면적을 변경시키기가 쉬우며, 방향타 간의 간섭과 구동각도에서 자유롭기 때문에 운동 자유도가 높아진다. 따라서 덕트 내부 또는 외부 유량이 방향타에 작용하며 방향타 구동 각도에 따른 선회력 차이가 발생하며 이는 각 방향타 간의 위치 조합에 따라 영향을 받을 것이다. 이러한 관계를 해석하기 위해서는 내부 유속만 존재하는 상태에서의 관계를 해석하고 더 나아가 내외부 유속 모두 존재하는 상태에서의 관계까지 해석할 필요가 있다. 이 중 내부 유속만 존재하는 상태의 관계를 유체역학적으로 해석하여 선회력 극대화를 위한 각 방향타 간의 구동각도별 최적의 각도 관계 도출을 목표로 한다. 유체역학적으로 해석을 하고 CFD시뮬레이션, 그리고 실험을 통해 해석한 내용을 검증하였다.

Ducted type submersible mobile robot has a streamlined outer shape and an inner duct, and has low fluid resistance, short body length, so it takes a small turn radius and have good mobility.
Also, a large propeller, compared to the size of the fuselage, can be installed inside the duct and the installed propeller can maximize thrust by using the venturi effect.
The developed duct-type underwater mobile robot reduced the external shape of the robot and installed a rudder inside the duct to utilize the flow inside the duct, but there were problems such as limitation of increase of rudder area and interference between rudder.
In the case of the slider crank mechanism selected as a mechanism for driving the inner rudder, power transmission is performed by three links. Therefore, even if the same signal is given to the servomotor, there is a problem that the positional error occurs at the end of the operating point and is not good in terms of energy efficiency.
In order to improve this, a rudder mechanism design in which a rudder driving part is installed outside the duct was carried out.
The external rudder drive mechanism reduces the unnecessary power transmission structure by adopting the bevel gear which can directly transmit the power accurately.
In addition, it is attached to the outer side of the duct on 4 directions, so it is easy to change the area of contact with the fluid acting on the rudder compared to the inside of the duct and the degree of freedom of motion is increased because it is free from interference and drive angle between rudders.
Therefore, the flow inside or outside of the duct acts on the rudder, and the difference of the turning force according to the rudder driving angle occurs, which will be affected by the combination of the positions of the rudders.
In order to interpret this relationship, it is necessary to analyze the relationship in the state where only the internal flow velocity exists, and furthermore, the relation in the state where both the internal and external flow velocities exist.
It is aimed to derive the optimal angle relationship between the driving angles of each rudder for maximizing the turning force by fluid-dynamically analyzing the relation of the state in which only the internal flow rate exists.
We analyzed fluid-dynamically and then did CFD simulations and experiments for verification.

I. 서 론 1
1. 연구 배경 및 목적 1
II. 덕트형 수중 이동 로봇 3
1. 하드웨어 3
2. 소프트웨어 10
III. 방향타 메커니즘 설계 12
1. 선회력 극대화를 위한 방향타 메커니즘 개선안 13
2. 유체역학적 해석 14
3. CFD 해석 23
IV. 메커니즘 검증을 위한 실험 26
1. 실험 환경 26
2. 실험 방법 및 실험 29
3. 실험 결과 및 고찰 32
V. 결론 39
참고문헌 41
영문초록(Abstract) 43
감사의글 45

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