Summary

• 4-DOF Manual Rig 제작
• 6-DOF Motion Control 제작
• 졸업 통과용 논문으로 작성

4-DOF Manual Rig

설계 : 개략적인 형상의 결정과 그 이유

제한 조건

본 기계는 총 4자유도를 가지고 있으며, 이는 Pan, Tilt, Lift, Track 동작으로 구분된다. 각 동작의 기구적인 Limit 목표를 결정하기 위하여 다음과 같은 기준이 구체적으로 제시되었다.

1. Pan : 정면상태에서 좌우 180도 이상 확보.
2. Tilt : 수평상태에서 상하 90도 이상 확보.
3. Lift : Camera 위치의 최저점은 0.7m 가량, 최고점은 2m 가량 확보.
4. Track : 전후진 범위 3m 이상 확보하되, 약 1m 높이의 피사체 테이블 위로 2m 가량 밀고 들어갈 수 있도록 할 것.

이밖에 Roll, Rotate 동작은 생략되었다. 따라서 일정공간상에서 Camera는 모든 위치와 방향으로 이동될 수는 없다.

이러한 제한된 동작은, 약 1m 높이의 테이블 위에 피사체가 존재하는 스튜디오 내의 환경에 적합하도록 고려되었다. 따라서 본 기계는 클레이 에니메이션 촬영만을 위한 전용 장치이다. 특히 이송운동을 위한 동력은, 핸들을 돌려주는 수동식으로 함으로써 불필요한 복잡성을 제거할 수 있었다. 걱정되는 점은, 핸들의 위치가 오퍼레이터가 접근하기 힘든 곳에 있을 수 있어 사용에 불편함과 위험성을 가지게 된다.

최초의 디자인

선행 검토를 위해 여러가지 관절 레이아웃들을 고려하였다.

최초의 디자인은 4자유도를 주면서 직교운동을 하는 형태를 생각하여 보았다. 이러한 형태를 사용하면, 기계가 차지하는 공간이 커지고 안정도에 문제가 있을 것으로 보아 약간 다른 형태로 발전시켜 보았다.

직교 운동을 하는 모델의 아이디어 스케치

따라서 Boom을 리프트 시키는 동작을 통하여 들어올리도록 하는 구조가 제안되었고 검토되었다.

리드스크류를 이용한 형태의 아이디어 스케치

헤드부분의 운동은, 단순한 Pan, Tilt 가 필요하였는데 이를 위해 아래 그림과 같은 세 가지의 형태를 검토하였으며, 최종적으로 마지막의 것을 선택하였다.

헤드부분을 위한 아이디어 스케치

각 운동부분의 각도측정을 위해 증분형 엔코더를 사용하기로 하였는데, 부착위치는 최종 회전축에 직결하여 전동계통의 오차를 극복하도록 하였다. 엔코더의 신호는 카운터 모듈을 부착하여 읽을 수 있도록 하였다.

각도측정을 위한 장치의 스케치

대략 설계

대략적인 형태를 상상해 보기 위하여, 대략적인 치수를 넣어 도면을 작성하여 보았다.

대략설계의 조감도

여기서 나타난 문제점과 불확실함을 조사를 통하여 확보된 자료를 근거로 상세하게 설계도를 작성할 수가 있었다.

상세 설계

상세설계도면은 아래에 AutoCAD Release14 file로 저장하였다.

상세설계의 조감도

랜더링 그림들

제작 목표와 방향의 규정, 그리고 제작 계획 수립

제작 목표와 방향

• 개괄

본 기계는 Stop Motion 촬영을 위한 Camera의 이송장치로서 제작된다.

장착되는 카메라는 베타캠, 16mm 아리플렉스, 35mm 미첼 카메라 등이며 그 페이로드는 10kg에서 최고 30kg 까지 될 것으로 예상된다.

Fries Mitchell 35R Camera

정지촬영을 위한 특성을 만족하기 위해서는 확실하게 카메라를 고정시킬 수 있는 강건성과 넓은 범위에 걸쳐 움직일 수 있는 자유도가 확보되어야 하는데, 이 두가지 상반된 요소의 절충점을 찾아내는데 주안점을 둔다.

또한 사용중 예상되는 상황에 대처가능하도록 간단한 사용법과 내구성이 요구된다.

• 재료 및 구조관련

1. 재료는 두께 3mm 의 스텐레스 강판사용과 판금가공을 기본으로 한다.
2. 하중 버팀을 위한 최소한의 재료만을 사용하여 낭비를 줄인다.
3. 직선위주의 단순한 형태를 이루어 제작을 용이하게 한다.
4. 하중을 받는 축이음 부분에는 내경 30mm 의 UKF 207 베어링(베어링 하우징과 축물림 너트 장착)과 스러스트 베어링(샌드위치식의 베어링)을 사용하여 강인성을 보장한다.

• 전동장치 관련

1. 모듈화된 기어박스를 사용하여 신뢰성을 높인다.
2. 기어박스 종축은 굵게 하여 충분히 튼튼하게 한다.
3. 수동 핸들 부착 위치에 차후 서보모터를 부착할 수 있도록 고려한다.
4. Boom 의 하중을 지탱하기 위해 리드스크류(Lead Screw Device)를 사용한다.

• 관절의 이동 한계 관련

1. 헤드의 Tilt, Pan 운동은 부품간 간섭이 없도록 하여 360도 회전이 가능하도록 한다.
2. Lift 운동은 최소 -5도에서 +45도 까지 움직일 수 있도록 한다.
3. Track 운동은 2m 길이의 레일을 연결하여 연장할 수 있도록 한다.
4. 레일은 2조를 완성하여 연장길이 4m 가 되도록 하며, 이때 왕복운동 행정길이는 약 3m 가 된다.
5. 피사체가 놓인 Set table 위로 카메라가 1.5m 이상 뻗을 수 있도록 한다.

Set table 위로 카메라가 비행할 수 있도록 한다

• 오차 및 공차 관련

1. 하중에 의한 재료의 탄성 변형이 있을 수 있으나 경험적으로 이는 무시할 만 하다고 본다.
2. 재료의 변형보다 심각한 문제는, 축이음시 체결력이 약하여 끄덕거리는 현상이 있을때라고 본다. 이 부분은, 넓은 면적의 스러스트 베어링과 축이음 후 양 축을 꽉 눌러주는 볼팅 작업을 더해 줌으로써 해결하려 한다.
3. 기어박스에서 발생하는 Back-lash(기어가 약간 헛도는 현상)에 대해 대항할 수 있도록 하기위해 변위측정용 엔코더를 맨 마지막 종축에 부착하려 한다.
4. 엔코더의 분해능은 국산(LG산전 또는 Autonics사)의 경우 최고 2000 Pulse/Revolution 이 있으며, 이를 사용할 경우 분해능은 0.18도가 된다. 2000 펄스 제품이 재고가 없을 경우 1000펄스 제품을 사용하면 된다고 본다(분해능 0.36도).

Resolution 2000 Pulse Encoder Device

예상 비용 산출

아래에 예상되는 견적을 제시하여 보았다. 예상되는 비용은 재료비 밑 가공비를 합하여 600여만원이 소요되는 것으로 나타났다.

제작계획

제작을 위한 비용은, 구체적인 설계가 완료된 후 시장조사를 통하여 견적을 산출한 것을 근거로 한다. 제작장소는 학교내 공용공작실을 이용하도록 한다.

결론 : 예산 집행 내역과 맺음말

예산집행 내역

총계 : 5,409,870 원

기타 식사비나 차비 등은 영수증을 확보하지 못하여 계산되어있지 않다. 예상되었던 견적과 크게 차이가 나지 않음을 알 수 있다.

평가

제작된 기계를 테스트해 본 결과, 좌우방향 및 상하방향의 진동이 존재함을 알 수 있었다. 진동상태에서는 피사체를 촬영하기에 곤란할 정도이나, 진동이 충분히 감쇠하고 난후 촬영시에는 큰 이상이 발견되지 않았다. 진동의 원인은 다음과 같이 생각된다.

• Boom을 지지하는 타워의 비틀림이 좌우방향의 진동을 유발
• Track이 전체 무게를 견디지 못하여 탄성변형을 일으키며 이는 상하진동을 유발

따라서 이러한 진동을 줄이기 위해서는 다음과 같은 보완이 이루어진다면 효과를 볼 수 있다고 본다.

• 타워의 ㄷ 자 단면을 부재를 부착하여 ㅁ 자 단면으로 고친다면 비틀림을 효과적으로 줄일 수 있으므로 좌우진동이 크게 감소할 것으로 기대됨

• Track 의 떠있는 부분에 각목 등으로 지지한다면 상하진동을 막을 수 있음

이밖에 다음과 같은 문제점이 발견되었다.

• Track 운동을 위한 기어장치에 내장된 타이밍 벨트의 장력이 부족하여 탈조현상이 발생
• 기어박스 조립시 부정확성으로 인한 토크의 불규칙성 발생
• 분해조립에 어려움이 많음

이러한 문제점들은 사용과 함께 개선되어 나갈 수 있으리라 생각된다.

제작 사진들

맺음말

본 Stop Motion 촬영을 위한 기계는, 클레이 에니메이션 촬영을 위한 전용의 장치로서 제작되었다. 최초에 의도한 단기간/저비용으로 실용성있는 장치를 제작하는 목표에는 어느정도 근접하였다고 생각된다. 그러나 아직 사용되어 보지 못하여 그 유용성을 검증받지는 못한 상태이다. 실제 현장에서 사용될때 예상되는 문제점에 대한 검토는 물론 있었으나 충분치 못하다고 믿어지므로 지속적인 관리와 개선이 요구된다고 생각한다.

감사의 말

제작과정에 다음의 분들에게 특히 도움과 격려를 받았습니다.

• 아낌없는 배려와 관심을 보여주신 곽문규 교수님
• 모든 지원을 아끼지 않으신 이미지 플러스의 정원만 사장님
• 세부적인 부분까지 일일이 챙겨주신 신일진 차장님
• 기회가 되도록 해 주신 서명석 형님
• 많은 조언과 편의를 봐 주신 실험실의 허석 선배님
• 공용공작실의 하동규 기사님
• 함께 작업한 Kart의 후배들
• 고향에서 아들걱정하시는 부모님과 가족들
• 사랑하는 여자친구 진섭이
• 함께 작업한 충실한 명일이
• 까다로운 작업을 끝까지 받아주신 형제기공사 사장님

보고서

• 가계부-5679.pdf
• 견적서-6070.pdf
• 서명석형-8384.pdf
• 앰프연결도큐멘테이션.pdf
• 이미지플러스.pdf
• 이미지플러스가계부.pdf
• MEDIART.pdf
• PROJECT1.pdf
• PROJECT2.pdf
• SFX-4729.pdf

논문

• 논문계획.pdf
• 표지.pdf
• 차례.pdf
• 본문.pdf

6-DOF Motion Control