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연구개요
전투기 훈련 시뮬레이터를 비롯한 군용 분야와 항공기, 차량 시뮬레이터를 중심으로 한 민간 분야에 시뮬레이터의 응용이 점점 가속화되어 가고 있다. 또한 게임용 시뮬레이터는 최근 여가 산업의 발달과 연계하여 그 부가가치 및 경제적 잠재력이 매우 크다. 이와 같이 경제성이 높고 큰 수요가 예상되는 양방향 시뮬레이터의 국내 기술은 아직 개발의 여지가 많은 편이어서 주로 외국 업체로 부터의 수입에 의존하고 있다. 본 연구에서는 현실적 운동감을 수반하는 양방향 시뮬레이터의 핵심 요소기술과 통합기술을 자체적으로 개발하기 위해 한국과학기술원 원내를 주행하는 양방향 자전거 시뮬레이터를 개발하였다. 본 프로젝트는 이중에서 자기 유변 유체 (Magneto-Rheological Fluid, MRF)를 이용한 조향 반력 장치의 개발에 관한 연구이다.
조향반력의 구현
먼저 자전거 주행 시 운전자에게 전달되는 조향 반력에는 크게 상하 방향의 반력과 좌우 방향의 반력이 있다. 본 연구에서는 이 중에서 좌우 방향의 조향 반력을 구현하고 한다. 좌우 방향의 조향 반력은 노면의 상황 및 자전거의 거동 등의 요인으로 발생되는 것으로 운전자에게 있어 조향 시 핸들의 조작에 영향을 주어 자전거 전체의 거동과 안정성에 민감한 영향을 주는 부분으로 가상 자전거의 경우 조향 반력이 제대로 구현되지 않으면 운전자가 실제와 다른 느낌을 받을 뿐 아니라 자전거의 안정성 유지에 어려움을 받는다. 이러한 좌우 방향의 조향 반력은 노면의 요철 및 굴곡 유무 및 자전거 거동 등에 따라서 핸들을 통하여 토크가 운전자에게 전달되는 능동형 조향 반력과 노면의 종류에 따라서 조향 시 핸들의 경중으로 표현되는 반능동형의 조향 반력으로 나누어 생각할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 두가 종류의 반력을 모두 구현하고자 한다. 자전거 조향 시 발생하는 조향력의 구현을 위해서는 노면의 요철 등에 따라서 핸들이 돌아가는 능동 반력 구현이 필수적이므로 능동 액추에이터의 사용이 필수적이다. 또한 사용 액추에이터를 자전거 주행 장치에 부착 가능하여야 하므로 그 크기 및 무게가 소형이어야한다. 따라서 본 연구에서는 능동 액추에이터로 blushless DC모터를 사용하였다. 자전거 주행 시 운전자가 조향 핸들을 조작하는 운동을 고려해 보면 노면의 반력에 대하여 핸들이 돌아가는 경우 운전자는 핸들이 움직이는 방향을 저지하여 자전거의 중심을 잡아 안정성을 유지하고자한다. 따라서 능동 액추에이터와 핸들의 축을 직접 연결하는 경우 능동 액추에이터의 운동에 대하여 핸들의 실제 운동은 정지 또는 반대가 된다. 이러한 경우 능동 액추에이터인 모터에 과다한 전압이 걸리게 되어 모터가 손상을 입게될 수 있다. 또한 반능동의 반력을 구현하는 경우 그 제어 방식이 어려우며 빠른 제어 속도가 요구되어 진다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 보안하기 위하여 자기 유변 유체를 사용한 MR클러치를 이용하여 능동 및 반능동의 반력을 구현하는 장치를 제작하였다.
MR클러치를 이용한 반력 구현