피칭 머신 동적 시스템 모델링 및 해석

문서 내 토픽

1. 기어 비율과 RPM 변화

피칭 머신의 성능은 기어 비율에 따라 결정된다. 1단 기어 구성에서 구동부 기어 40개, 중동부 24개, 12개로 설정하여 70rad/s 입력에서 388.8rad/s 출력을 얻었다. 2단 기어 구성에서는 하측부 40개, 24개, 상측부 36개, 12개로 설계하여 100rad/s 입력에서 617.28rad/s 출력을 달성했다. 기어 비율이 높을수록 타이어 축의 회전 속도가 증가하여 공의 비행 거리가 증가한다.
2. 모터 동력과 발사 거리의 관계

모터 동력이 피칭 머신의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 모터를 100% 출력으로 운영했을 때 공이 50cm 거리에서 과녁 가장자리에 도달했으나, 모터 동력을 50%로 감소시켰을 때 30cm 거리에서 과녁 중앙에 명중했다. 이는 모터 동력 조절을 통해 발사 거리를 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준다.
3. 발사각도와 궤적 계산

피칭 머신의 발사각도는 공의 비행 거리에 영향을 미친다. 스마트폰으로 측정한 결과 피칭 머신의 각도는 31도였다. 각도를 고려하지 않은 상태에서는 공이 약 15cm만 날아갔으나, 31도 각도 적용 시 30cm 이상 비행했다. 거리 계산 공식은 X축 좌표(R×cosθ)와 Y축 좌표(R×sinθ)를 이용하여 궤적을 예측한다.
4. 설계 최적화 및 문제 해결

초기 설계에서 각 모터에 기어 2개 연결 시 동력 부족으로 공이 구르지 않았다. 기어 3개 연결로 동력은 증가했으나 바퀴 간격이 넓어져 발사 거리가 감소했다. 기어 4개 사용 및 바퀴 간격 축소로 문제를 해결했다. 최종적으로 30cm 거리에서 모터 50% 출력, 31도 각도, 617rad/s RPM으로 과녁 중앙 명중을 달성했다.

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1. 기어 비율과 RPM 변화

기어 비율은 모터의 회전 속도와 토크를 조절하는 핵심 요소입니다. 높은 기어 비율은 RPM을 감소시키면서 토크를 증가시키므로, 발사 메커니즘에서 더 강력한 힘을 전달할 수 있습니다. 반대로 낮은 기어 비율은 높은 RPM을 유지하여 빠른 발사 속도를 가능하게 합니다. 발사체의 무게와 원하는 성능에 따라 최적의 기어 비율을 선택하는 것이 중요합니다. 기어 시스템의 효율성도 고려해야 하며, 마찰 손실을 최소화하여 에너지 전달 효율을 극대화해야 합니다.
2. 모터 동력과 발사 거리의 관계

모터의 동력은 발사체에 전달되는 초기 속도를 결정하는 주요 인자입니다. 더 높은 동력은 발사체에 더 큰 운동 에너지를 부여하여 발사 거리를 증가시킵니다. 그러나 동력 증가만으로는 충분하지 않으며, 에너지 전달 효율과 발사 메커니즘의 설계도 중요합니다. 모터의 동력, 기어 비율, 발사 메커니즘의 길이 등이 종합적으로 작용하여 최종 발사 거리를 결정합니다. 따라서 모터 선택 시 전체 시스템의 효율성을 고려한 균형잡힌 접근이 필요합니다.
3. 발사각도와 궤적 계산

발사각도는 발사체의 비행 궤적을 결정하는 중요한 변수입니다. 물리학적으로 최대 거리는 일반적으로 45도 각도에서 달성되지만, 실제 환경에서는 공기 저항, 발사체의 형태, 초기 속도 등 여러 요소가 영향을 미칩니다. 정확한 궤적 계산을 위해서는 포물선 운동 방정식을 적용하고, 실험적 검증을 통해 이론값과 실제값의 차이를 보정해야 합니다. 다양한 각도에서의 테스트를 통해 최적의 발사각도를 찾는 것이 효과적입니다.
4. 설계 최적화 및 문제 해결

발사 시스템의 설계 최적화는 여러 변수들 간의 균형을 맞추는 복잡한 과정입니다. 모터 동력, 기어 비율, 발사 메커니즘의 구조, 발사각도 등을 종합적으로 고려하여 목표 성능을 달성해야 합니다. 문제 해결 과정에서는 체계적인 테스트와 데이터 분석이 필수적입니다. 각 구성 요소의 성능을 개별적으로 평가하고, 전체 시스템의 상호작용을 분석하여 병목 지점을 파악해야 합니다. 반복적인 개선과 최적화를 통해 안정적이고 효율적인 발사 시스템을 구현할 수 있습니다.