V5 로봇으로 물체를 발사하는 가장 일반적인 방법은 바퀴를 고속으로 회전시킨 다음 바퀴에 물체를 공급하는 것입니다. 이 문서에서는 회전 시스템 뒤에 있는 관련 물리학, 물체가 발사될 때 어떤 일이 발생하는지, 물체를 더 잘 발사하기 위해 시스템을 조정하는 방법에 대해 설명합니다.
회전하는 물체 뒤에 숨은 물리학
회전하는 물체에 포함된 에너지를 측정한 회전 에너지는 다음 방정식으로 정의됩니다.
E회전 = 12
- I 회전 관성("관성 모멘트" 또는 "MOI"라고도 함)을 나타내며, 이는 물체를 회전시키는 것이 얼마나 어려운지를 측정한 것입니다.
- w 은 물체가 회전하는 속도입니다.
이는 발사 시스템의 회전 에너지를 변경하기 위해 시스템의 회전 관성(I) 또는 회전 속도(w)라는 두 가지 변수를 변경할 수 있음을 의미합니다.
그렇다면 발사기의 회전 에너지에 관심을 갖는 이유는 무엇입니까? 에너지 보존의 법칙은 에너지는 생성되거나 소멸되지 않으며 단지 전달될 뿐이라고 말합니다. 이는 발사기 시스템이 회전 에너지의 일부를 우리가 발사하는 물체에 전달하고, 그 에너지가 물체를 공기를 통해 발사하게 한다는 것을 의미합니다!
특정 방향으로 움직이는 물체는 다음 방정식으로 정의되는 선형 에너지를 갖습니다.
E선형 = 2 mv
- 물체의 질량을 나타냅니다.
- 물체의 속도입니다.
이는 특정 속도로 발사된 물체가 정해진 양의 에너지를 가지고 있음을 의미합니다. 이 값은 특정 속도에 대해 고정되어 있지만 발사기의 에너지는 그렇지 않습니다. 발사 직후 발사대의 에너지는 발사된 물체에 에너지가 전달되기 때문에 직전보다 적습니다. 발사 전에 발사기 시스템의 에너지를 변경함으로써 발사된 물체에 전달되는 에너지의 비율을 변경할 수 있으며, 그렇게 함으로써 발사기가 물체를 얼마나 잘 발사하는지와 다음 물체를 발사할 준비가 얼마나 되는지에 영향을 줍니다.
플라이휠이란 무엇입니까?
위에서 언급했듯이 발사기의 회전 에너지를 변경할 수 있는 방법 중 하나는 시스템의 회전 관성을 변경하는 것입니다. 두 가지를 아는 것이 중요합니다. 첫째, 모든 객체는 회전축을 중심으로 특정 회전 관성 값을 가지며, 둘째, 시스템의 모든 부분의 회전 관성이 합쳐져 시스템의 회전 관성을 만듭니다. 시스템의 회전 관성을 높이는 데 사용되는 물체를 플라이휠이라고 하며, V5 생태계에는 이를 정확하게 수행하는 새로운 VEX V5 플라이휠 웨이트 이 있습니다.
플라이휠이 시스템 성능에 미치는 영향
이해해야 할 가장 큰 점은 시스템의 다양한 관성 순간이 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는지입니다.
관성 모멘트를 늘리면 회전 에너지가 증가합니다(위의 첫 번째 방정식에서 볼 수 있듯이). 특정 속도에서 시스템에 더 많은 에너지가 있으면 시스템에 에너지를 얻는 데 더 많은 시간이 걸리므로 회전 시간이 늘어납니다. MOI가 높을수록 발사 후 RPM 저하가 감소하고 일반적으로 물체가 더 멀리 발사됩니다. 관성 모멘트가 감소하면 반대 효과가 모두 발생합니다. 회전 에너지와 스핀업 시간이 감소하고 RPM 강하가 증가하며 물체에 전달되는 에너지와 물체가 이동하는 거리가 모두 감소합니다.
| 더 높은 MOI | 낮은 MOI |
| 초기 스핀업 시 더 높은 전류 소모 | 초기 스핀업 시 더 낮은 전류 소비 |
| 원하는 거리로 물체를 발사하는 데 필요한 속도 감소 | 원하는 거리로 물체를 발사하려면 더 높은 속도가 필요함 |
| 물체가 발사될 때 속도 저하가 적습니다(발사 간격이 짧음). | 물체가 발사될 때 속도 저하가 더 빨라짐(발사 간격이 길어짐) |
V5 플라이휠 웨이트 사용 방법
V5 플라이휠 웨이트는 두 가지 방법으로 장착할 수 있습니다. 첫째, 표준 ½” 피치 사각형 장착 패턴을 통해 플라이휠을 48T, 60T, 72T 및 84T 고강도 기어에 장착할 수 있습니다. 둘째, 표준 1.875인치 육각 장착 패턴을 사용하면 플라이휠을 Versahub에 장착할 수 있으며, Versahub 어댑터사용하여 고강도 샤프트에 장착할 수 있습니다. 왼쪽 이미지는 V5 플라이휠 웨이트의 장착 구멍을 보여줍니다. 빨간색 구멍은 표준 사각형 장착 패턴과 일치하고 파란색 구멍은 Versahub 육각형 패턴과 일치합니다.
V5 플라이휠 웨이트 장착 예 #1을 보여주는 예입니다.
V5 플라이휠 웨이트 장착 예 #2를 보여주는 예입니다.
제조되는 모든 제품과 마찬가지로 모든 부품에는 제조 과정에서 발생하는 작고 피할 수 없는 부정확성으로 인해 설계에 허용 오차가 있습니다. V5 플라이휠 무게도 이 규칙의 예외는 아니며, 플라이휠에 약간의 비대칭이 발생하여 진동이 발생할 가능성이 있습니다. 로봇의 진동으로 인해 볼트가 느슨해지거나 런처가 부정확해지거나 로봇 구성 요소가 손상될 수도 있습니다. 이에 대처하는 방법에는 두 가지가 있습니다. 첫째, 하나 이상의 플라이휠이 사용되는 경우 플라이휠은 서로의 비대칭 균형을 상쇄하도록 서로에 대해 회전할 수 있습니다. 둘째, 플라이휠이 하나만 사용되는 경우 사용하지 않는 장착 구멍에 볼트를 배치하여 비대칭 균형을 상쇄할 수 있습니다. 두 경우 모두 시행착오 과정을 거쳐 어떤 구성이 가장 적합한지 파악하는 것이 좋습니다.
베어링 또는 부싱: 어느 것이 필요합니까?
고강도 샤프트 볼 베어링의 도입으로 VEX 사용자는 이제 로봇의 회전 시스템을 지원하는 두 가지 다른 방법에 액세스할 수 있습니다. "베어링 플랫"으로 알려진 부품은 움직이는 부품이 없기 때문에 실제로 업계에서는 부싱으로 알려져 있습니다. 베어링과 부싱은 모두 회전 샤프트와 고정 지지대 사이의 마찰을 줄여 작동합니다. 부싱(VEX의 "베어링 플랫" 또는 "고강도 샤프트 베어링"(본 문서에서는 부싱으로 참조))은 샤프트가 접촉할 수 있는 부드럽고 둥근 표면을 제공하여 이를 수행합니다. 반면 베어링에는 샤프트가 회전할 때 구르는 작은 볼이 많이 포함되어 있습니다. 마찰을 줄임에도 불구하고 베어링이나 부싱은 마찰을 완전히 제거하지 않습니다. 다양한 구조와 몇 가지 기타 요인으로 인해 베어링과 부싱은 서로 다른 장점, 약점 및 사용 사례를 갖습니다.
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강점 | 약점 |
| 베어링 |
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| 부싱 |
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에너지의 맥락에서 회전 메커니즘을 살펴보면, 이전에 이 가이드에서 설명한 것처럼 베어링이나 부싱은 마찰을 통해 열의 형태로 시스템에서 에너지를 지속적으로 "누출"합니다. 그러나 그렇게 하는 속도는 다릅니다. 부싱은 볼 베어링보다 더 빨리 시스템에서 에너지를 잃으며 그 영향도 상당합니다.
우리는 런처를 사용하여 먼저 부싱을 사용한 다음 베어링을 사용하여 일련의 테스트를 실행했습니다. 두 버전 모두에서 런처에는 파란색 카트리지가 있는 2개의 V5 스마트 모터 사용하여 600rpm에 맞춰진 2개의 베어링/부싱과 3600RPM에 맞춰진 2개의 베어링/부싱이 있었습니다. 베어링과 부싱의 차이는 상당했습니다. 이것은 정상적인 회전 중 모터 속도의 그래프입니다.
베어링은 부싱보다 훨씬 더 높은 안정적인 최고 속도를 달성했으며 더 빠르게 가속되었습니다. 에너지 측면에서 이는 베어링이 있는 시스템이 시스템에 더 많은 에너지를 유지할 수 있었고 부싱이 있는 시스템보다 물체를 더 멀리, 더 빠르게 발사할 수 있음을 의미합니다. 효율 차이는 약 8% 정도였으며, 기어박스 출력에서 300RPM 차이가 났다.
동일한 설정으로 런처가 정상적으로 회전하는 동안 모터 중 하나의 전류 소모를 측정했습니다. 마지막 테스트와 마찬가지로 부싱과 베어링을 사용하여 다른 테스트를 수행했으며 그 외에는 동일한 설정을 사용했습니다. 전류 소모의 차이는 상당했는데, 부싱 기반 발사 장치는 베어링 기반 발사 장치의 전류를 두 배 이상 소모했습니다. 이것은 시간에 따른 현재 소비량을 그래프로 나타낸 것입니다.
마지막으로, 이 기사의 앞부분에서 설명한 플라이휠의 영향을 입증하기 위해 3개의 디스크를 실행하는 동안 모터 중 하나의 RPM을 추적하는 테스트를 실행했습니다. 한 테스트에는 플라이휠이 없었고 다른 테스트에는 두 개가 있었습니다. 그래프는 다음과 같습니다.
이 그래프에서 볼 수 있는 몇 가지 중요한 사항은 다음과 같습니다.
- 플라이휠 2개를 사용한 테스트에서는 RPM 드롭(목표 RPM(600)과 샷 직후 가장 느린 RPM의 차이)이 크게 감소했습니다. 0개의 플라이휠을 사용한 테스트에서는 ~150RPM 하락이 있었고, 2개의 플라이휠을 사용한 테스트에서는 ~75RPM 하락이 있었습니다.
- 런처가 목표 RPM(600)으로 돌아가는 데 걸리는 시간인 복구 시간은 2개의 플라이휠을 사용한 테스트에서 크게 단축되었습니다. 이는 기사 앞부분에서 설명한 것처럼 총 에너지 중 더 낮은 비율이 발사된 디스크로 전달된다는 점에서 의미가 있습니다.
- 전체 발사 시간은 2개의 플라이휠을 사용한 테스트에서 샷당 최대 40%까지 단축되었습니다.
결론
- 회전 에너지 측면에서 발사기를 생각하는 것이 가장 쉽고 회전 에너지를 발사된 물체에 전달하는 것으로 발사합니다.
- 플라이휠을 사용하면 발사기의 회전 에너지를 증가시켜 물체를 더 멀리 발사할 수 있습니다. 새로운 V5 플라이휠 웨이트는 VRC 및 V5 생태계의 플라이휠 옵션을 열어줍니다.
- V5 플라이휠 웨이트는 제조 과정에서 발생하는 비대칭 균형을 줄이기 위해 서로 상대적인 방식으로 부착해야 할 수도 있습니다.
- 베어링과 부싱은 마찰로 인한 열을 통해 발사대에서 에너지를 "누출"합니다. 기존 베어링 플랫(부싱) 위에 새로운 고강도 베어링을 사용하면 런처에서 더 높은 최고 속도를 달성하고 런처 모터의 지속적인 전류 소모를 줄일 수 있습니다. 이는 모터를 더 시원하게 유지하면서 발사기 시스템의 에너지를 증가시킵니다.