[논문]미니어처 3휠 피칭머신 설계 및 제작

김윤기; 반영훈; 임형택; 이동언; 이진규; 김성걸

doi:10.7735/ksmte.2017.26.1.130

문제 정의

이와 같이 제작된 미니어처 피칭머신 시스템을 통하여 실험하고 이전 작품에서 발생하였던 문제점들을 분석하고 보완하고자 한다. 덧붙여 비전기술을 이용한 구종궤적을 조절하는 기술^[5] 등을 접목하기 위한 기본 기구 개발을 하고자 한다. 또한 편리하고 안정성이 높은 피칭머신 시스템을 구축하여 국내 피칭머신 기술 발전에 기여하는 것이 본 연구의 목적이다.
따라서 역학적 개념을 기반으로 기존의 3휠 피칭머신을 축소 재설계하여 미니어처를 만드는 것이 효율적이라고 판단하였으며 개념 설계단계에 그친 피더를 미니어처에 맞게 설계/제작하여 피칭머 신의 자동화 시스템을 구축하고자 한다. 이와 같이 제작된 미니어처 피칭머신 시스템을 통하여 실험하고 이전 작품에서 발생하였던 문제점들을 분석하고 보완하고자 한다.
덧붙여 비전기술을 이용한 구종궤적을 조절하는 기술^[5] 등을 접목하기 위한 기본 기구 개발을 하고자 한다. 또한 편리하고 안정성이 높은 피칭머신 시스템을 구축하여 국내 피칭머신 기술 발전에 기여하는 것이 본 연구의 목적이다.
본 기기는 기존에 실물 크기로 제작한 3휠 피칭머신이 기능에 중점을 두고 개발되었기 때문에 본 미니어처 피칭머신 제작을 통해 문제점을 개선하고, 보다 다양한 기능을 추가할 목적으로 제작되었다. 실제 크기로 확대 제작하면 기존 대비 30%의 무게 절감효과를 얻을 수 있다고 판단되며, 절반 정도의 크기로 제작하는 과정에서 비용을 최소화하기 위하여 불필요한 부품을 제거하였지만, 결과적으로 가공과 조립이 용이하여 양산까지 고려한 재설계가 되었다.
본 작품은 공의 발사와 공급 작동 등을 모두 자동화하기 위해 스마트폰과 기구를 원격으로 통신할 수 있도록 설계했다. 전체적인 작동 개요는 Fig.
따라서 역학적 개념을 기반으로 기존의 3휠 피칭머신을 축소 재설계하여 미니어처를 만드는 것이 효율적이라고 판단하였으며 개념 설계단계에 그친 피더를 미니어처에 맞게 설계/제작하여 피칭머 신의 자동화 시스템을 구축하고자 한다. 이와 같이 제작된 미니어처 피칭머신 시스템을 통하여 실험하고 이전 작품에서 발생하였던 문제점들을 분석하고 보완하고자 한다. 덧붙여 비전기술을 이용한 구종궤적을 조절하는 기술^[5] 등을 접목하기 위한 기본 기구 개발을 하고자 한다.

가설 설정

. 우선 공기가 비압축성이고 점성력이 없으면 정상상태(Steady state)라고 가정하며, 식 (1)과 같이 Bernoulli 방정식을 적용할 수 있다.

제안 방법

또한 제구력을 테스트하기 위해 평균 스트라이크 존 크기인 가로 500 mm, 세로 470 mm의 사각형을 그리고 각 구종별로 20번 발사한 후 들어온 횟수를 측정했다.
5 mm, 질량은 약 45 g이다. Fig. 2와 같이 크기가 대략 절반으로 줄었기 때문에 기존 피칭머신의 크기인 가로 600 mm, 폭 250 mm, 높이 680 mm에서 가로 350 mm, 폭 110 mm, 높이 320 mm으로 전체적인 발사부 크기도 절반 크기로 설계하였다. Fig.
본 작품의 5가지의 구종에 대한 실험 결과는 Table 6에 기재하였다. 각 구종의 구속은 각각 20회의 테스트에서 구한 값의 평균으로 기재했고, 제구력 테스트는 각 구종마다 20회의 발사 테스트를 실시하면서 스트라이크 존에 들어온 총 횟수를 기재했다. 우선 5가지의 구종 중에서 너클볼을 제외한 나머지 4가지 구종의 구속은 일반적으로 아마추어 투수의 구속과 비슷한 양상을 나타냈고, 제구력 테스트에서는 커브볼과 포크볼이 20회의 테스트에서 한 번의 오차가 나왔고 나머지 직구와 슬라이더는 모두 스트라이크존에 들어왔다.
우선 발사부의 모터는 장시간 사용이 가능하고 수명이 길며, 소음이 적은 특성을 가져야 한다. 그리고 기초 역학해석을 통해 휠의 기준 회전속도인 2,000 RPM을 무리 없이 구동하면서 구종 변화를 위해 추가적으로 3,000 RPM까지 올라갈 수 있는 모터 중에서 모터 자체적으로 홀센서를 가지고 있어 RPM을 자동으로 회복할 수 있는 BLDC 모터를 선정하고 Table 2의 스펙을 가진 모터를 사용했다. 또한, 기구의 전원을 차단했을 때, 발사부 모터가 휠의 회전관성 때문에 계속해서 회전하여 역기전력을 발생시켜 모터에 무리를 줄 수 있기 때문에^[11] 브레이킹 기능을 갖춘 Table 4의 모터 드라이버를 함께 선정했다.
기존의 피칭머신을 기반으로 미니어처를 만들기 위한 기준은 공의 크기에 맞춰 설계했다. 일반적인 피칭머신 공의 지름은 약 72 mm, 질량은 135 g이고, 미니어처 피칭머신을 위해 본 연구에서 선택한 골프공의 지름은 약 42.
또한 공과 휠의 접촉했을 때 휠의 재질이 탄성적으로 압축되어야 하기 때문에 60 Sh A(Shore hardness A)의 경도의 우레탄 고무로 휠의 겉면에 두께 30 mm만큼 코팅하였다.
실제 크기로 확대 제작하면 기존 대비 30%의 무게 절감효과를 얻을 수 있다고 판단되며, 절반 정도의 크기로 제작하는 과정에서 비용을 최소화하기 위하여 불필요한 부품을 제거하였지만, 결과적으로 가공과 조립이 용이하여 양산까지 고려한 재설계가 되었다. 또한 기기 전체의 자동화 시스템 구축을 위해 피더와 가이드를 추가했으며, 블루투스 통신을 이용하여 스마트폰 어플리케이션으로 원격제어가 가능하도록 제작했다.
모든 구종을 고려하여 필요한 틸팅 각도는 횡 방향으로 ±25°, 종 방향으로 0°~18°가 필요하다. 또한 틸팅 시 발사부의 하중을 견디고 밀어내기에는 회전운동으로 구성되는 구조보다 직선운동을 회전운동으로 변환하는 것이 효율적이기 때문에 Fig. 4와 같은 구조로 전동 실린더를 사용하여 설계하였으며 미니어처의 크기를 고려할 때 50 mm 이하의 직선운동으로도 충분한 틸팅 각도를 작동할 수 있기 때문에 50 mm의 스트로크 길이를 가진 전동 실린더를 채택하였다.
변화구의 구현은 각 휠의 RPM 값의 크기와 비율의 조절로 수행 하기 때문에 회전속도를 조절하면 다양한 구종을 구사할 수 있는데, 본 연구에서 테스트를 위한 구종별 회전속도는 우완투수를 기준으로 하였고 추가적으로 휠의 RPM을 개별적으로 조절해 다른 구종을 구현하거나 상단의 좌 휠과 우 휠의 회전속도를 반전시켜 좌완투수의 투구 또한 구현할 수 있게 했다.
이런 이유로 비싸지만 성능이 좋은 외국 제품을 주로 사용하고 있다. 본교인 서울과기대에서 축의 경사도를 자동으로 변경하는 시스템을 구성하여 변화구까지 구사가 가능한 2휠 피칭머신을 제작했다^[4]. 문제점을 개선하기 위한 3휠 피칭머신도 제작하였으나 큰 중량으로 인한 이동의 불편함이 생기고 완전 자동화를 위해 공의 투입을 자동으로 해주는 피더의 필요성이 대두하였다.
우선 블루투스(bluetooth)에서 기구와 스마트폰의 연결을 설정한 후에 ‘Machine State’ 기능에서는 원하는 구종을 선택할 수 있는데, 본 연구에서는 대표적으로 사용되는 4가지 구종과 마구로 불리는 너클볼 등 총 5가지 구종을 구현했다.
5와 같이 설계했다. 우선 피더부는 기존의 여러 방식 중에 교반기의 구조에서 아이디어를 얻어 지름 300 mm, 높이 400 mm의 원통형 구조로 설계하였고 전체 높이는 공의 낙차로 인한 공 공급을 위해 발사부보다 높은 1.8 m으로 설계하였다. 피더부에는 골프공 기준으로 대략 60~70개의 공을 저장할 수 있으며 많은 공이 걸리지 않고 원활하게 하나씩 배출하기 위해 중앙에는 3날의 프로펠러가 작동한다.
이때 앞서 언급한 구종 구현을 위해 상하좌우 틸팅은 기구의 작동준비가 되면 인터럽트 기능을 통해 언제든지 조작이 가능하지만, 이외에 휠의 RPM을 바로 변경하는 동작은 모터에 무리를 줄 수 있으므로 이를 방지하기 위해 MCU에서는 설정 회전속도에 도달할 때까지 신호를 수신하지 않도록 설계하였다.
다양한 구종을 구현하기 위해 각 휠에 입력해야 하는 RPM 값을 산출해야 한다. 이를 위해 MSC ADAMS 상용 프로그램을 사용하여, 발사부를 간단하게 모델링하고, 기본 구속을 80 km/h로 설정하기 위한 휠의 RPM 값을 조절하여 평균적으로 전체 휠의 회전속도를 2,000 RPM 값으로 산출했다. 이 RPM을 기준 회전속도로 설정한 후 각 휠의 회전속도를 세부 조절하여 구종에 맞는 RPM비율을 산출했다.
발사부의휠 파트에서 모터와 베어링 간의 접촉으로 인해 소음이 발생하였는데 이에 대해 추가적으로 두께 1 mm의 아크릴을 가공하고 끼워 넣어 휠 파트의 소음을 대폭 줄일 수 있었다. 추가적으로 조립 시 미세하게 유격이 발생한 부분에 대해서는 얇은 고무패킹을 삽입하여 흔들림을 최소화하였고, 가이드를 제작할 때 중량이 크면 약간의 떨림에도 큰 진동으로 이어질 수 있기 때문에 전체 구조는 실린더 형태로 설계하면서 외벽 부분을 와이어프레임 형식으로 재설계하고 제작하여 중량을 낮추고 본체의 떨림에 대한 영향을 적게 받게 하였다.

대상 데이터

제어부에서 사용되는 MCU는 다양한 오픈소스를 활용하기 위해 Arduino를 선정하였으며 특히 액추에이터를 사용하기 위해 포트가 많이 필요하기 때문에 Fig. 7(a)의 Arduino MEGA를 사용했다. 또한, 스마트폰과 블루투스 통신을 통한 원격제어를 위해 블루투스 모듈을 사용하였는데, 실제 투수와 타자 간 거리가 18.
가이드에는 도착한 공을 서보 실린더를 이용하여 발사부에 하나씩 공급하기 위한 장치가 있으며, 발사부가 종 방향 틸팅 시에 공이 낙차를 이용하여 공급되기 어려운 문제를 해결하고 추가로 공의 발사 주기를 조절할 수 있는 장점이 있다. 골프공의 지름보다 약간 큰 43 mm로 설계하고, 전체 길이는 서보 실린더의 스트로크 길이인 140 mm을 고려하여 300 mm으로 설계하였다.
이 RPM을 기준 회전속도로 설정한 후 각 휠의 회전속도를 세부 조절하여 구종에 맞는 RPM비율을 산출했다. 본 연구에서 실험할 구종은 총 5가지로, 야구경기에서 주로 사용되는 직구, 포크, 커브, 슬라이더 4가지와 공에 회전을 주지 않고 공기의 흐름에 의해 구질이 변하는 마구의 일종인 너클볼을 선정했다. Fig.
본 작품의 원격제어를 위해 MIT 앱 인벤터(inventor)를 이용하여 Fig. 9의 스마트폰 어플리케이션을 제작했다^[13]. 우선 블루투스(bluetooth)에서 기구와 스마트폰의 연결을 설정한 후에 ‘Machine State’ 기능에서는 원하는 구종을 선택할 수 있는데, 본 연구에서는 대표적으로 사용되는 4가지 구종과 마구로 불리는 너클볼 등 총 5가지 구종을 구현했다.
3은 발사부를 포함한 본체의 모습으로 세 개의 휠로 서로 120°만큼 떨어져 위치하며 이는 휠의 회전비를 이용하여 회전방향 설정에 용이하게 하기 위함이다^[6]. 휠은 기존의 휠 크기인 지름 350 mm에 두께 60 mm에서 축소한 지름 210 mm, 두께 25 mm으로 설계하였다. 또한 공과 휠의 접촉했을 때 휠의 재질이 탄성적으로 압축되어야 하기 때문에 60 Sh A(Shore hardness A)의 경도의 우레탄 고무로 휠의 겉면에 두께 30 mm만큼 코팅하였다.

성능/효과

제작과정에서 개선한 것은 진동과 소음에 대한 취약점이 축소과정에서 재설계를 통해 해결하였다. 모터와 베어링 사이의 접촉 부분에 보강재를 추가함으로써 가공 시에 발생하는 공차로 인하여 진동이 생기는 문제를 해결하였고, 발사부가 하나의 축에 의하여 지지되는 구조를 틸팅을 위한 실린더의 위치를 변경하여 안정성을 향상시킬 수 있었다. 또한 사용자의 의도에 맞추어 3휠의 RPM을 각각 조절할 수 있어 좌투, 우투의 투구를 구현 가능하고 기본 구종 외의 다양한 구질과 속도를 연출하여 연습효과를 극대화시킬 것으로 기대한다.
기본적으로 피칭머신은 휠의 회전이 가장 중요한 부분인데 휠이 가동할 때 여러 이유로 인해 소음과 진동이 발생하였다. 발사부의휠 파트에서 모터와 베어링 간의 접촉으로 인해 소음이 발생하였는데 이에 대해 추가적으로 두께 1 mm의 아크릴을 가공하고 끼워 넣어 휠 파트의 소음을 대폭 줄일 수 있었다. 추가적으로 조립 시 미세하게 유격이 발생한 부분에 대해서는 얇은 고무패킹을 삽입하여 흔들림을 최소화하였고, 가이드를 제작할 때 중량이 크면 약간의 떨림에도 큰 진동으로 이어질 수 있기 때문에 전체 구조는 실린더 형태로 설계하면서 외벽 부분을 와이어프레임 형식으로 재설계하고 제작하여 중량을 낮추고 본체의 떨림에 대한 영향을 적게 받게 하였다.
본 기기는 기존에 실물 크기로 제작한 3휠 피칭머신이 기능에 중점을 두고 개발되었기 때문에 본 미니어처 피칭머신 제작을 통해 문제점을 개선하고, 보다 다양한 기능을 추가할 목적으로 제작되었다. 실제 크기로 확대 제작하면 기존 대비 30%의 무게 절감효과를 얻을 수 있다고 판단되며, 절반 정도의 크기로 제작하는 과정에서 비용을 최소화하기 위하여 불필요한 부품을 제거하였지만, 결과적으로 가공과 조립이 용이하여 양산까지 고려한 재설계가 되었다. 또한 기기 전체의 자동화 시스템 구축을 위해 피더와 가이드를 추가했으며, 블루투스 통신을 이용하여 스마트폰 어플리케이션으로 원격제어가 가능하도록 제작했다.
각 구종의 구속은 각각 20회의 테스트에서 구한 값의 평균으로 기재했고, 제구력 테스트는 각 구종마다 20회의 발사 테스트를 실시하면서 스트라이크 존에 들어온 총 횟수를 기재했다. 우선 5가지의 구종 중에서 너클볼을 제외한 나머지 4가지 구종의 구속은 일반적으로 아마추어 투수의 구속과 비슷한 양상을 나타냈고, 제구력 테스트에서는 커브볼과 포크볼이 20회의 테스트에서 한 번의 오차가 나왔고 나머지 직구와 슬라이더는 모두 스트라이크존에 들어왔다. 이번 테스트에서 가장 흥미로운 구종은 너클볼로, 실제로 너클볼은 발사 시에 공에 회전을 주지 않는 일종의 마구로서 실제 테스트에서도 구속이 가장 낮게 나왔으며 제구력 테스트에서도 20회에서 총 17번만 스트라이크 존에 들어갔다.
우선 5가지의 구종 중에서 너클볼을 제외한 나머지 4가지 구종의 구속은 일반적으로 아마추어 투수의 구속과 비슷한 양상을 나타냈고, 제구력 테스트에서는 커브볼과 포크볼이 20회의 테스트에서 한 번의 오차가 나왔고 나머지 직구와 슬라이더는 모두 스트라이크존에 들어왔다. 이번 테스트에서 가장 흥미로운 구종은 너클볼로, 실제로 너클볼은 발사 시에 공에 회전을 주지 않는 일종의 마구로서 실제 테스트에서도 구속이 가장 낮게 나왔으며 제구력 테스트에서도 20회에서 총 17번만 스트라이크 존에 들어갔다. Fig.

후속연구

모터와 베어링 사이의 접촉 부분에 보강재를 추가함으로써 가공 시에 발생하는 공차로 인하여 진동이 생기는 문제를 해결하였고, 발사부가 하나의 축에 의하여 지지되는 구조를 틸팅을 위한 실린더의 위치를 변경하여 안정성을 향상시킬 수 있었다. 또한 사용자의 의도에 맞추어 3휠의 RPM을 각각 조절할 수 있어 좌투, 우투의 투구를 구현 가능하고 기본 구종 외의 다양한 구질과 속도를 연출하여 연습효과를 극대화시킬 것으로 기대한다. 물론 미니어처 피칭머신에서 사용되는 골프공과 실제 사용되는 피칭머신의 공과는 그 크기와 질량 그리고 질량관성모멘트 등이 서로 다르다.
모든 작동의 자동화 및 원격제어로 인해 본 기기 사용자에게 더 큰 편의성을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로 본 연구를 기반으로 다양하고 효율적인 피칭머신이 개발되기를 희망하고, 또한 선행 연구로 야구 이외에 구기 종목의 연습 기구의 개발에도 도움이 되어 한국 스포츠문화산업의 발전에 기여하고자 한다.
모든 작동의 자동화 및 원격제어로 인해 본 기기 사용자에게 더 큰 편의성을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 앞으로 본 연구를 기반으로 다양하고 효율적인 피칭머신이 개발되기를 희망하고, 또한 선행 연구로 야구 이외에 구기 종목의 연습 기구의 개발에도 도움이 되어 한국 스포츠문화산업의 발전에 기여하고자 한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피칭머신의 기본 원리는 무엇인가?	피칭머신의 기본 원리는 휠 사이에 공을 투입하여 타석으로 발사 하는 방식으로, 상용화된 피칭머신은 Fig. 1과 같이 2휠 구조와 3 휠 구조가 있다.
	야구 경기에서 공을 던져줄 사람과 넓은 공간이 필요한 단점을 극복하기 위한 방법은 무엇인가?	하지만 야구 경기를 위해서는 공을 던져줄 사람과 넓은 공간이 있어야 하는 단점이 있다. 이러한 단점은 피칭머신의 개발로 투수를 대신하여 공을 타석으로 발사해 줌으로써 해결할 수 있으며 선수들의 타격 연습에도 도움이 되고 있다. 동호회나 야구팀에 소속되지 않은 일반인들도 쉽게 야구를 즐길 수 있는 야구 연습장이 생겼으며, 간단하게 실제 야구 타석을 모사하고 타구를 추적하여 실제 경기처럼 야구를 즐길 수 있는 스크린 야구장도 생겨나기 시작했다.
	틸팅부가 필요한 이유는 무엇인가?	틸팅부는 여러 구종을 구현하고 수비 연습기능을 위해 발사부를 상하좌우로 움직이기 위해 필요한 부분이다. 모든 구종을 고려하여 필요한 틸팅 각도는 횡 방향으로 ±25°, 종 방향으로 0°~18°가 필요하다.

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