3D Motion Control of Biomimetic Robotic Fish

Abstract

본 논문의 목적은 물고기의 외형 및 운동을 생체 모방학적인 접근을 통하여 분석하고 이를 기반으로 3차원상에서 주어진 궤적을 추종할 수 있도록 물고기 로봇의 꼬리와 가슴지느러미의 운동을 생성하고 제어하는 것이다. 물고기 모사 로봇의 대상인 상어는 체내에 부레를 가지고 있지 않으므로 물속에서 움직이기 위해서는 항상 꼬리지느러미를 움직여 주어야 하며, 또한 일반적인 물고기와는 다르게 퇴화되지 않은 가슴지느러미를 이용하여 방향 전환이나 상하운동을 수행한다. 상어는 방추형의 외형을 가지고 있으며 대략적으로 3자유도의 운동을 수행할 수 있는 꼬리지느러미를 가지고 있다. 유체 내에서 물고기 로봇이 진행할 수 있도록 추진력을 발생하기 위해서는 꼬리지느러미의 반복적인 주기운동이 필요하다. 이러한 꼬리지느러미의 주기적인 운동을 생성하기 위하여 생물학적 개념을 이용한 3자유도 CPG 모델을 설계하였다. 또한 물고기 로봇의 가슴지느러미 형태는 실제 비행기 날개의 air foil 형상을 가슴지느러미의 투영형상에 접목하여 유체 내 특성 분석을 위해 설계 및 제작하였으며, 이를 물고기 로봇 머리부분의 좌우에 장착하여 상하운동이 가능하도록 제어하였다. 단순히 물고기의 운동을 모방한 것이 아니라 생체모사의 이점과 특성을 고려하여 비선형성을 갖는 유체 내에서 물고기 로봇의 궤적 추종 성능 향상을 위하여 물고기 로봇의 상태에 대한 피드백 신호를 통해 주기적인 운동의 패턴을 변화시켜 3차원 상의 궤적에 대하여 안정적으로 추종할 수 있도록 하였다.; The purpose of this paper is to analyze the shape and movement of fish by biomimetics approach, and generate and control movement of the tail and pectoral fins of a robotic fish so that it can track a trajectory given in the three dimensional space. Since sharks, which are the model of the biomimetic approach, do not have air bladders, they always have to move the tail fin in the water, and they use the pectoral fin for turns and up-and-down motions unlike other fish which have degenerated pectoral fins. The shape of shark is a pyramid shape and the tail fin can move with three degrees of freedom. In order to generate driving force for robotic fish in fluid, repetitive movement of tail fin is needed. The 3-DOF CPG model is designed to generate the periodic motion of the tail fin. Moreover, the shape of pectoral fin of the robotic fish is designed and constructed for the analysis on the characteristics of fluid by connecting actual air foil shape to the reflection shape of the pectoral fin. The pectoral fins are attached to left and right of the head part and control them to up and down movement is possible. This does not simply imitate the movement of fish, but stably track the trajectory on the 3D phase by changing periodic movement pattern through feedback signal to the robotic fish to improve the following performance on trajectory of the robotic fish in non-linear fluid by considering benefits and characteristics of the biomimetic.