KR20200030362A - Apparatus for simulating microgravity - Google Patents

Apparatus for simulating microgravity Download PDF

Info

Publication number
KR20200030362A
KR20200030362A KR1020180109146A KR20180109146A KR20200030362A KR 20200030362 A KR20200030362 A KR 20200030362A KR 1020180109146 A KR1020180109146 A KR 1020180109146A KR 20180109146 A KR20180109146 A KR 20180109146A KR 20200030362 A KR20200030362 A KR 20200030362A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
frame member
gravity
outer frame
angular velocity
inner frame
Prior art date
Application number
KR1020180109146A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102119315B1 (en
Inventor
김택영
조연
김희락
Original Assignee
한국산업기술대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국산업기술대학교산학협력단 filed Critical 한국산업기술대학교산학협력단
Priority to KR1020180109146A priority Critical patent/KR102119315B1/en
Publication of KR20200030362A publication Critical patent/KR20200030362A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102119315B1 publication Critical patent/KR102119315B1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/06—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V7/00—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting
    • G01V7/02—Details

Landscapes

  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Educational Administration (AREA)
  • Educational Technology (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

A microgravity stimulation apparatus according to an embodiment comprises: an outer frame member having a rotation axis perpendicular to a gravity vector; an inner frame member having the same rotation center as the outer frame member and having a rotation axis perpendicular to the rotation axis of the outer frame member; a calculation part for calculating the degree of gravity dispersion according to the rotational movement of the outer frame member and the inner frame member; and a control part for controlling the rotation speed of the outer frame member and the inner frame member so that the gravity dispersion degree calculated by the calculation part becomes 1, wherein the gravity dispersion degree can be calculated from the uniformity of the distribution of residence time per unit area of the gravity vector tip on the entire surface of the unit sphere. The present invention can contribute to the basic research of tissue and organ culture.

Description

미소중력 모사 장치{APPARATUS FOR SIMULATING MICROGRAVITY}Microgravity simulation device {APPARATUS FOR SIMULATING MICROGRAVITY}

본 발명은 미소중력 모사 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중력분산도를 이용하여 외부 프레임 부재 또는 내부 프레임 부재의 회전속도(각속도)를 제어함으로써 미소중력 및 행성중력을 효과적으로 모사할 수 있는 미소중력 모사 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a microgravity simulation apparatus, and more specifically, to control the rotational speed (angular velocity) of an outer frame member or an inner frame member using gravity dispersion degree, to simulate microgravity that can effectively simulate microgravity and planetary gravity. It is about the device.

우주에서 장기체류가 인체에 인체에 미치는 영향에 대한 구체적인 연구결과가 보고되고 있으며, 특히, 우주 미소중력은 근육감소와 근육감소와 골밀도 저하 등의 악영향뿐 아니라 아직 알려지지 않은 다양한 효과로서 작용할 것으로 예측되고 있다. 이에 따라 미소중력 환경에 대한 생명체의 생리적, 심지어는 분자 수준의 세포 반응을 이해하는 것은 향후 우주여행에서 인류의 생존에 관한 지식을 확장시키는 데 중요하다.Detailed research results have been reported on the effect of long-term stay on the human body in space, and in particular, the space microgravity is expected to act as a variety of unknown effects as well as adverse effects such as muscle loss and muscle loss and bone density reduction. have. Accordingly, understanding the physiological and even molecular-level cellular responses of living organisms to the microgravity environment is important to expand the knowledge of human survival in future space travel.

지구 중력장 하에서 미소중력을 모사하기 위하여 제한적인 실험장치와 방법이 제시되고 있다.To simulate microgravity under the Earth's gravitational field, limited experimental equipment and methods have been proposed.

가장 널리 알려진 자유낙하나 포물비행 방법은 미소중력 유지시간이 30s 이하로 매우 짧아서 생명공학을 위한 실험에 적용하기에는 적절치 않다. 국제우주정거장(ISS)에서 실험이 가장 선호되지만 경비가 천문학적이고 실험을 위한 대기시간도 길어서 실용적이지 못하다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 제안된 clinostat나 Random Positioning Machine(RPM)은 생명공학 분야에서 매우 유용하게 적용될 수 있음이 많은 연구를 통하여 보고된 바 있다.The most widely known free-fall, but parabolic, method is not suitable for biotechnological experiments because the microgravity retention time is very short, less than 30s. At the International Space Station (ISS), experimentation is the most preferred, but it is not practical because the cost is astronomical and the waiting time for the experiment is long. To overcome this problem, the proposed clinostat or random positioning machine (RPM) has been reported through many studies that it can be very useful in the field of biotechnology.

예를 들어, 2014년 11월에 공개된 '마이크로중력 환경을 활용한 우주바이오융합연구'라는 보고서에는 마이크로중력환경을 활용한 단백질결정성장실험 및 마이크로중력 모사환경 장치를 이용한 세포배양 시스템에 대하여 개시되어 있다.For example, in a report titled 'Cosmic Bio Convergence Research Using Micro-Gravity Environment' published in November 2014, protein crystal growth experiments using micro-gravity environment and cell culture system using micro-gravity simulation environment devices were disclosed. It is.

일반적으로 RPM은 서로 직교하는 두 회전축에 모터를 장착하고 각각 독립적으로 회전시킴으로써 회전 중심부의 대상체에 작용하는 중력의 방향이 항상 변화되도록 하는 장치이다. 이러한 과정을 통하여 실체 중력이 제거되는 것이 아니라 RPM의 총 작동시간 동안 적분된 중력벡터의 합이 상쇄되도록 하는 일종의 중력분산장치이다. RPM을 통한 미소중력모사실험 결과의 일부는 ISS에서 수행된 실험결과와 비교를 통하여 유사한 경향이 나타남이 보고된 바 있다. 우주의 실제 미소중력 하에서 T-임파구가 활성화제 ConA에 노출된 후에도 활성화되지 않음이 이미 잘 알려져 있다. 이러한 현상은 수차례의 RPM 실험을 통하여 재현되었으며, RPM의 실효성 검증의 사례로 제시되곤 한다.In general, the RPM is a device that mounts a motor on two rotational axes orthogonal to each other and rotates independently of each other, so that the direction of gravity acting on an object in the center of rotation is always changed. Through this process, the actual gravity is not removed, but it is a kind of gravity dispersion device that makes the sum of the gravity vectors integrated during the total operating time of the RPM cancel out. It has been reported that some of the results of microgravity simulations through RPM show similar tendencies through comparison with experimental results performed by ISS. It is well known that under real microgravity in space, T-lymphocytes are not activated even after exposure to activator ConA. This phenomenon has been reproduced through several RPM experiments, and is often presented as an example of verifying the effectiveness of RPM.

단층 세포 배양은 전형적인 2D 배양법으로 수십 년간 의미있는 실험 결과를 제시하고 있으나, 최근 생명공학의 주요한 화두인 조직이나 장기의 배양에는 3D 배양조건이 필수적이다. 중력은 3D 배양을 위한 기본 조건에 큰 걸림돌이며, 이를 배제할 수 있는 RPM은 향후 매우 중요한 조직 배양 장치로 대두될 수 있다. 인간 갑상선 암세포주 FTC-133 세포에 대한 우주비행 배양실험 결과 3D 타원체로 성장하는 것이 관찰되는 반면 지구 중력 하에서는 2D 단일층 구조로 성장하였으며, RPM 실험을 통하여 3D 배양이 재차 확인되었다. 이러한 특성이 RPM을 미소중력모사의 개념을 넘어 생물학적 기능에 일반적으로 작용하는 전단력, 인장 및 압축력 등 물리적 또는 기계적으로 부과되는 힘에 의한 효과를 이해하고자 하는 mechanomics 측면에서도 중요한 장치로 인식되는 요인이다.Single-layer cell culture is a typical 2D culture method and has presented meaningful experimental results for decades. However, 3D culture conditions are essential for the cultivation of tissues or organs, which are the main topics of biotechnology in recent years. Gravity is a major obstacle to the basic conditions for 3D culture, and RPM, which can exclude it, can emerge as a very important tissue culture device in the future. As a result of a space flight culture experiment on the human thyroid cancer cell line FTC-133 cells, it was observed to grow as a 3D ellipsoid, while it grew to a 2D monolayer structure under earth gravity, and 3D culture was confirmed again through RPM experiments. This characteristic is a factor recognized as an important device in terms of mechanomics, which seeks to understand the effects of physically or mechanically applied forces, such as shear force, tensile and compressive force, which are generally applied to biological functions beyond the concept of microgravity simulation.

RPM은 이미 그 효용성이 입증되었음에도 불구하고 2축 회전에 의한 중력분산의 정량적 분석을 위한 이론적 연구는 아직 미흡하다. 단순히 일정한 각속도의 조합으로 정상상태 작동을 할 경우 중력이 대상체에 대하여 3차원적으로 차원적으로 고르게 작용하지 않음이 이미 알려져 있다. 이를 해결하고 미소중력이나 달 등의 저중력 환경을 모사하기 위하여 회전속도와 시간을 Random Walking Algorithm으로 제어하는 연구가 보고되었으나, 이러한 방법은 동일한 재현 실험이 불가능하므로 일정 부분 한계가 있다.Although the effectiveness of RPM has already been demonstrated, the theoretical study for quantitative analysis of gravitational dispersion by two-axis rotation is still insufficient. It is already known that when a steady-state operation is performed simply by a combination of constant angular velocities, gravity does not act three-dimensionally and evenly on the object. In order to solve this and to simulate a low-gravity environment such as a microgravity or a moon, studies have been conducted to control the rotation speed and time with a Random Walking Algorithm, but these methods have some limitations because the same reproduction experiment is impossible.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.The above-described background art is possessed or acquired by the inventor during the derivation process of the present invention, and is not necessarily a known technology disclosed to the general public prior to the filing of the present invention.

일 실시예에 따른 목적은 중력분산도를 이용하여 외부 프레임 부재 또는 내부 프레임 부재의 각속도를 제어함으로써 미소중력 및 행성중력을 효과적으로 모사할 수 있는 미소중력 모사 장치를 제공하는 것이다.An object according to an embodiment is to provide a microgravity simulation apparatus capable of effectively simulating microgravity and planetary gravity by controlling the angular velocity of an outer frame member or an inner frame member using gravity dispersion.

일 실시예에 따른 목적은 달이나 화성 등 지구보다 질량이 작은 행성의 중력을 모사할 수 있는 미소중력 모사 장치를 제공하는 것이다.An object according to an embodiment is to provide a micro-gravity simulation device capable of simulating the gravity of a planet with a smaller mass than the Earth, such as the moon or Mars.

일 실시예에 따른 목적은 회전축 양극의 중력 집중 현상을 해결할 수 있는 미소중력 모사 장치를 제공하는 것이다.An object according to an embodiment is to provide a microgravity simulation apparatus capable of solving the phenomenon of concentration of gravity of the anode of the rotating shaft.

일 실시예에 따른 목적은 RPM 기능에 온도, 습도, CO2 농도 제어가 가능한 RPM 인큐베이터에 적용하여 바이오프린팅을 통한 3D 스캐폴더 배양체와 결합함으로써 세포의 3D 배양실험이 가능하여 조직 및 장기 배양의 기초연구에 기여할 수 있는 미소중력 모사 장치를 제공하는 것이다.The objective according to one embodiment is to apply the RPM function to the RPM incubator capable of controlling the temperature, humidity, and CO 2 concentration and combine it with the 3D scaffold culture through bioprinting to enable 3D culture experiments of cells, thereby enabling the basics of tissue and organ culture. It is to provide a microgravity simulation device that can contribute to the research.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치는, 중력벡터에 수직하는 회전축을 갖는 외부 프레임 부재; 상기 외부 프레임 부재와 동일한 회전 중심을 가지고, 상기 외부 프레임 부재의 회전축에 수직하는 회전축을 갖는 내부 프레임 부재; 상기 외부 프레임 부재 및 상기 내부 프레임 부재의 회전 운동에 따른 중력분산도를 산출하는 연산부; 및 상기 연산부에서 산출된 중력분산도가 1이 되도록 상기 외부 프레임 부재 또는 상기 내부 프레임 부재의 회전 속도를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 중력분산도는 단위구 전체표면에서 중력벡터선단의 단위면적당 체류시간 분포의 균일도로부터 산출될 수 있다.Microgravity simulation apparatus according to an embodiment for achieving the above object, the outer frame member having a rotation axis perpendicular to the gravity vector; An inner frame member having the same rotation center as the outer frame member and having a rotation axis perpendicular to the rotation axis of the outer frame member; A calculation unit for calculating the degree of gravity dispersion according to the rotational movement of the outer frame member and the inner frame member; And a control unit for controlling the rotational speed of the outer frame member or the inner frame member so that the gravity dispersion degree calculated by the calculation unit is 1, wherein the gravity dispersion degree is the residence time per unit area of the gravity vector tip on the entire surface of the unit sphere. It can be calculated from the uniformity of the distribution.

일 측에 의하면, 상기 중력분산도는 다음의 식에 의해 산출되고,According to one side, the gravitational dispersion is calculated by the following equation,

Figure pat00001
Figure pat00001

이때, Gn은 중력분산도이고, tRPM은 상기 미소중력 모사 장치의 총 작동시간이고, N은 단위면적의 개수이고, Δtn은 단위면적당 체류시간이다.At this time, Gn is the gravitational dispersion, t RPM is the total operating time of the microgravity simulation device, N is the number of unit areas, and Δt n is the residence time per unit area.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치는, 중력벡터에 수직하는 회전축을 갖는 외부 프레임 부재; 상기 외부 프레임 부재와 동일한 회전 중심을 가지고, 상기 외부 프레임 부재의 회전축에 수직하는 회전축을 갖는 내부 프레임 부재; 및 상기 외부 프레임 부재 및 상기 내부 프레임 부재의 각속도를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 외부 프레임 부재 및 상기 내부 프레임 부재의 위치에 따라서 상기 외부 프레임 부재 및 상기 내부 프레임 부재의 각속도를 변화시킬 수 있다.Microgravity simulation apparatus according to an embodiment for achieving the above object, the outer frame member having a rotation axis perpendicular to the gravity vector; An inner frame member having the same rotation center as the outer frame member and having a rotation axis perpendicular to the rotation axis of the outer frame member; And a control unit for controlling the angular velocity of the outer frame member and the inner frame member, wherein the control unit changes the angular velocity of the outer frame member and the inner frame member according to the positions of the outer frame member and the inner frame member. I can do it.

일 측에 의하면, 상기 제어부에서 상기 외부 프레임 부재의 각속도는 포물선 톱니형으로 설계된 수식에 의해서 제어되고, 상기 제어부는 상기 외부 프레임 부재 및 상기 내부 프레임 부재의 회전수 비가 무리수가 되도록 상기 외부 프레임 부재 및 상기 내부 프레임 부재의 각속도를 제어하여 미소중력을 모사할 수 있다.According to one side, the angular velocity of the outer frame member in the control unit is controlled by a formula designed as a parabolic serration, and the control unit controls the outer frame member and the outer frame member such that the rotational ratio of the outer frame member and the inner frame member is unreasonable. The micro-gravity can be simulated by controlling the angular velocity of the inner frame member.

일 측에 의하면, 상기 제어부는, 중력이 집중되는 한 지역에서는 상기 외부 프레임 부재의 각속도가 포물선 톱니형으로 변하게 하고, 중력이 집중되는 다른 지역에서는 상기 외부 프레임 부재의 각속도가 일정하게 하고, θ=0에서 상기 외부 프레임 부재를 일정 시간 동안 정지시킴으로써 행성중력을 모사할 수 있다.According to one side, the control unit causes the angular velocity of the outer frame member to be parabolic in one region where gravity is concentrated, and the angular velocity of the outer frame member is constant in the other region where gravity is concentrated, θ = Planetary gravity can be simulated by stopping the outer frame member at 0 for a period of time.

일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치에 의하면, 중력분산도를 이용하여 외부 프레임 부재 또는 내부 프레임 부재의 각속도를 제어함으로써 미소중력 및 행성중력을 효과적으로 모사할 수 있다.According to the apparatus for simulating microgravity according to an embodiment, it is possible to effectively simulate microgravity and planetary gravity by controlling the angular velocity of the outer frame member or the inner frame member by using gravity dispersion.

일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치에 의하면, 달이나 화성 등 지구보다 질량이 작은 행성의 중력을 모사할 수 있다.According to the micro-gravity simulation apparatus according to an embodiment, it is possible to simulate the gravity of a planet with a smaller mass than the Earth, such as the moon or Mars.

일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치에 의하면, 회전축 양극의 중력 집중 현상을 해결할 수 있다.According to the micro-gravity simulation apparatus according to an embodiment, it is possible to solve the gravity concentration phenomenon of the anode of the rotating shaft.

일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치에 의하면, RPM 기능에 온도, 습도, CO2 농도 제어가 가능한 RPM 인큐베이터에 적용하여 바이오프린팅을 통한 3D 스캐폴더 배양체와 결합함으로써 세포의 3D 배양실험이 가능하여 조직 및 장기 배양의 기초연구에 기여할 수 있다.According to the micro-gravity simulation apparatus according to an embodiment, 3D culture experiment of cells is possible by applying to an RPM incubator capable of controlling temperature, humidity, and CO 2 concentration in the RPM function and combining with a 3D scaffold culture through bioprinting. And basic research of organ culture.

도 1은 일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치를 도시한다.
도 2(a) 및 (b)는 초기 정렬 상태 및 작동 상태를 도시한다.
도 3(a) 및 (b)는 중력벡터선단 3D 및 2D 궤적을 도시한다.
도 4는 중력벡터선단에 대한 계측된 데이터와 이론식으로 산출된 데이터의 비교를 도시한다.
도 5(a) 및 (b)는 단위구 상의 격자계 및 국부 면적을 통과하는 중력벡터선단의 경로를 도시한다.
도 6(a) 내지 (c)는 각속도의 조합에 따른 중력벡터선단의 2D 및 3D 궤적과 중력분산도 분포를 도시한다.
도 7(a) 내지 (c)는 외부 프레임 부재의 각속도 프로파일을 도시한다.
도 8(a) 내지 (c)는 변화하는 각속도에 대한 미소중력 모사 결과를 도시한다.
도 9(a) 및 (b)는 변화하는 각속도에 대한 행성중력 모사 결과를 도시한다.1 is a microgravity simulation apparatus according to an embodiment.
2 (a) and 2 (b) show the initial alignment state and the operating state.
3 (a) and 3 (b) show the gravity vector tip 3D and 2D trajectories.
4 shows a comparison of the measured data for the gravity vector tip and the data calculated by the theoretical formula.
5 (a) and 5 (b) show the path of the gravitational vector tip passing through the lattice system and the local area on the unit sphere.
6 (a) to 6 (c) show the 2D and 3D trajectory and the distribution of gravitational dispersion of the gravity vector tip according to the combination of angular velocity.
7 (a) to 7 (c) show the angular velocity profile of the outer frame member.
8 (a) to 8 (c) show the results of microgravity simulation for varying angular velocity.
9 (a) and 9 (b) show the results of simulating planetary gravity for varying angular velocities.

이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail through exemplary drawings. It should be noted that in adding reference numerals to the components of each drawing, the same components have the same reference numerals as possible even though they are displayed on different drawings. In addition, in describing the embodiments, when it is determined that detailed descriptions of related well-known configurations or functions interfere with understanding of the embodiments, detailed descriptions thereof will be omitted.

또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only for distinguishing the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being "connected", "coupled" or "connected" to another component, that component may be directly connected to or connected to the other component, but another component between each component It should be understood that may be "connected", "coupled" or "connected".

어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in any one embodiment and components including a common function will be described using the same name in other embodiments. Unless there is an objection to the contrary, the description in any one embodiment may be applied to other embodiments, and a detailed description will be omitted in the overlapping scope.

도 1은 일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치를 도시하고, 도 2(a) 및 (b)는 초기 정렬 상태 및 작동 상태를 도시하고, 도 3(a) 및 (b)는 중력벡터선단 3D 및 2D 궤적을 도시하고, 도 4는 중력벡터선단에 대한 계측된 데이터와 이론식으로 산출된 데이터의 비교를 도시하고, 도 5(a) 및 (b)는 단위구 상의 그리드 시스템 및 국부 면적을 통과하는 중력벡터선단의 경로를 도시하고, 도 6(a) 내지 (c)는 각속도의 조합에 따른 중력벡터선단의 2D 및 3D 궤적과 중력분산도 분포를 도시하고, 도 7(a) 내지 (c)는 외부 프레임 부재의 각속도 프로파일을 도시하고, 도 8(a) 내지 (c)는 변화하는 각속도에 대한 미소중력 모사 결과를 도시하고, 도 9(a) 및 (b)는 변화하는 각속도에 대한 행성중력 모사 결과를 도시한다.1 shows a microgravity simulation apparatus according to an embodiment, FIGS. 2 (a) and (b) show an initial alignment state and an operating state, and FIGS. 3 (a) and (b) show a gravity vector tip 3D And 2D trajectory, FIG. 4 shows a comparison of the measured data for the gravity vector tip and the theoretically calculated data, and FIGS. 5 (a) and (b) pass through the grid system and the local area on the unit sphere. 6 (a) to (c) show the 2D and 3D trajectories and the distribution of gravitational dispersion of the gravity vector tip according to the combination of angular velocity, and FIGS. 7 (a) to (c) ) Shows the angular velocity profile of the outer frame member, and FIGS. 8 (a) to 8 (c) show the results of the microgravity simulation for the changing angular velocity, and FIGS. 9 (a) and (b) show the angular velocity variation. The results of the planetary gravity simulation are shown.

도 1을 참조하여, 일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치(10)는 외부 프레임 부재(100), 내부 프레임 부재(200), 연산부(미도시) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the microgravity simulating device 10 according to an embodiment may include an outer frame member 100, an inner frame member 200, a calculation unit (not shown), and a control unit (not shown).

예를 들어, 일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치(10)는 RPM(Random Positioning Machine)으로 마련될 수 있으며, 일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치(10)의 회전 중심에는 대상체가 장착될 수 있다.For example, the microgravity simulating device 10 according to an embodiment may be provided with a RPM (Random Positioning Machine), and an object may be mounted at the rotation center of the microgravity simulating device 10 according to an embodiment. have.

이하에서는 일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치(10)가 RPM인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, a case in which the microgravity simulation apparatus 10 according to an embodiment is RPM will be described as an example.

상기 외부 프레임 부재(100)는 중력벡터에 수직하는 회전축을 가지고 회전 운동할 수 있다.The outer frame member 100 may rotate with a rotation axis perpendicular to the gravity vector.

상기 내부 프레임 부재(200)는 외부 프레임 부재(100)와 동일한 회전 중심을 가지고, 외부 프레임 부재(100)의 회전축에 수직하는 회전축을 가질 수 있다.The inner frame member 200 may have the same rotation center as the outer frame member 100, and may have a rotation axis perpendicular to the rotation axis of the outer frame member 100.

이때, 외부 프레임 부재(100)의 회전축 및 내부 프레임 부재(200)의 회전축에는 각각 모터가 장착되어 독립적으로 회전될 수 있다.At this time, a motor may be mounted on the rotational axis of the outer frame member 100 and the rotational axis of the inner frame member 200, respectively, to rotate independently.

이에 의해서 외부 프레임 부재(100) 및 내부 프레임 부재(100)의 회전 중심에 장착된 대상체에 작용하는 중력의 방향이 항상 변화될 수 있다.Thereby, the direction of gravity acting on the object mounted to the center of rotation of the outer frame member 100 and the inner frame member 100 can always be changed.

특히, 도 2(a) 및 (b)에서는 독립적으로 회전이 가능한 외부 프레임 부재(100) 및 내부 프레임 부재(200)에 대하여 회전 중심(O)을 기준으로 고정좌표계

Figure pat00002
가 Y-축이 외부 프레임 부재(100)의 회전축에 놓이고 Z-축이 중력 중심을 향하도록 정의하였다.In particular, in Figs. 2 (a) and 2 (b), the fixed coordinate system is based on the rotation center (O) with respect to the outer frame member 100 and the inner frame member 200 that can be rotated independently.
Figure pat00002
It is defined that the Y-axis lies on the rotation axis of the outer frame member 100 and the Z-axis faces the center of gravity.

구체적으로, 도 2(a)는 작동 초기 정렬된 상태로서, 외부 프레임 부재(100)에 부착된 좌표계

Figure pat00003
와 내부 프레임 부재(200)에 부착된 좌표계
Figure pat00004
가 고정좌표계와 일치한다. 외부 프레임 부재(100) 및 내부 프레임 부재(200)가 각속도
Figure pat00005
및
Figure pat00006
로 회전함에 따라서 부착된 좌표계도 도 2(b)에 도시된 바와 같이 회전하고, 각좌표계에 속한 단위벡터에 대하여 다음과 같이 회전에 의한 변환식이 도출될 수 있다.Specifically, Figure 2 (a) is in the initial alignment of the operation, the coordinate system attached to the outer frame member 100
Figure pat00003
Coordinate system attached to the inner frame member 200
Figure pat00004
Is consistent with the fixed coordinate system. The outer frame member 100 and the inner frame member 200 are angular velocity
Figure pat00005
And
Figure pat00006
According to the rotation, the attached coordinate system also rotates as shown in Fig. 2 (b), and a transformation equation by rotation can be derived for a unit vector belonging to each coordinate system as follows.

Figure pat00007
(1)
Figure pat00007
(One)

Figure pat00008
(2)
Figure pat00008
(2)

중력벡터와 평행인 단위벡터의 방향은 고정좌표계에서

Figure pat00009
이며, 내부 프레임 부재(200)에 부착된 좌표계로 변환하면 다음과 같이 될 수 있다.The direction of the unit vector parallel to the gravity vector is in a fixed coordinate system.
Figure pat00009
Is, and converted to a coordinate system attached to the inner frame member 200 may be as follows.

Figure pat00010
(3)
Figure pat00010
(3)

또한, 내부 프레임 부재(200)에 부착된 좌표계를 기준으로 하면 RPM의 작동에 따라서 중력벡터는 역회전 상대운동을 하므로 다음의 식으로 순간 위치를 구하여 식(3)에 대입하면 중력벡터선단(Gravity Vector Tip; GVT)의 단위구상 이동경로를 구할 수 있다.In addition, based on the coordinate system attached to the inner frame member 200, the gravity vector performs a counter-rotating relative motion according to the operation of the RPM, so if the instantaneous position is obtained using the following equation and substituted in equation (3), the gravity vector tip (Gravity) Vector Tip; GVT) can be obtained.

Figure pat00011
(4)
Figure pat00011
(4)

또한, 중력벡터선단의 경로 추적은 중력벡터선단의 선속도벡터를 이용하여 구할 수 있다. 내부 프레임 부재(200)에 부착된 좌표계를 기준으로 한 중력벡터의 상대 각속도는 회전변환식을 이용하면 다음과 같이 내부 프레임 부재(200)에 부착된 좌표계로 나타낼 수 있다.In addition, the path tracking of the gravitational vector tip can be obtained by using the linear velocity vector of the gravitational vector tip. The relative angular velocity of the gravity vector based on the coordinate system attached to the inner frame member 200 may be represented by a coordinate system attached to the inner frame member 200 as follows using a rotation conversion formula.

Figure pat00012
(5)
Figure pat00012
(5)

단위구 표면을 이동하는 중력벡터선단의 속도는

Figure pat00013
로 구하며, 식(3) 및 (5)을 대입하면 다음과 같다.The velocity of the gravity vector tip moving over the surface of the unit sphere is
Figure pat00013
Equation (3) and (5) are substituted as follows.

Figure pat00014
(6)
Figure pat00014
(6)

식(6)을 시간에 따라 적분하면 중력벡터선단의 이동경도를 구할 수 있다. 외부 프레임 부재(100) 및 내부 프레임 부재(200)가 등각속도로 회전할 때 중력벡터선단의 이동경로를 단위구 표면에 3D로 표시하면 도 3(a)와 같다. 각속도가 적절히 설계되었다면 시간이 흐르면서 궤적이 단위구 표면을 모두 지날 것이다. 도 3(b)는 중력벡터선단의 이동궤적을

Figure pat00015
-
Figure pat00016
좌표계 상에 2D로 도시한 것이다.By integrating Eq. (6) over time, the moving hardness of the gravitational vector tip can be obtained. When the outer frame member 100 and the inner frame member 200 rotate at a constant velocity, the movement path of the tip of the gravity vector is displayed in 3D on the surface of the unit sphere, as shown in FIG. 3 (a). If the angular velocity is properly designed, over time, the trajectory will pass all over the surface of the unit sphere. 3 (b) shows the trajectory of the gravity vector tip
Figure pat00015
-
Figure pat00016
It is shown in 2D on the coordinate system.

전술된 이론식의 타당성 확인을 위하여, RPM의 회전 중심에 부착한 가속도계로부터 계측된 데이터를 전술된 데이터와 비교하였다.In order to confirm the validity of the above-described theoretical formula, the data measured from the accelerometer attached to the rotation center of the RPM was compared with the above-described data.

특히, 도 4를 참조하여, 각속도는

Figure pat00017
= 2rpm,
Figure pat00018
= 7rpm이며, 두 결과는 거의 일치하였고, 이로써 이론식이 정확함을 확인할 수 있다.In particular, referring to Figure 4, the angular velocity
Figure pat00017
= 2 rpm,
Figure pat00018
= 7rpm, and the two results are almost identical, which confirms that the theoretical formula is correct.

일반적인 RPM에서 외부 프레임 부재(100)의 회전축은 중력벡터에 수직하고 내부 프레임 부재(200)의 회전축은 외부 프레임 부재(100)의 회전축에 수직하므로, 내부 프레임 부재(200)의 회전축이 외부 프레임 부재(100)의 매 회전마다 중력벡터와 평행한 상태를 경험한다. 외부 프레임 부재(100)의 회전 각속도가 일정하다면 중력벡터선단의 궤적이 매 회전마다 내부 프레임 부재(200)의 회전축의 두 극을 지나므로 내부 프레임 부재(100)의 각속도와 무관하게 이 지역에 중력이 집중되어 중력 분산에 악영향을 끼칠 수 있다.In a typical RPM, since the rotation axis of the outer frame member 100 is perpendicular to the gravity vector and the rotation axis of the inner frame member 200 is perpendicular to the rotation axis of the outer frame member 100, the rotation axis of the inner frame member 200 is the outer frame member Every rotation of (100) experiences a state parallel to the gravity vector. If the rotational angular velocity of the outer frame member 100 is constant, the trajectory of the gravitational vector tip passes through two poles of the rotation axis of the inner frame member 200 for every rotation, so the gravity is in this region regardless of the angular velocity of the inner frame member 100. This concentration can adversely affect the dispersion of gravity.

따라서 중력 집중 지역에서 외부 프레임 부재(100) 또는 내부 프레임 부재(200)의 회전속도를 빠르게 제어함으로써 중력벡터선단의 체류시간을 단축할 필요가 있다.Therefore, it is necessary to shorten the residence time of the gravity vector tip by rapidly controlling the rotational speed of the outer frame member 100 or the inner frame member 200 in the center of gravity.

또한, RPM 작동에 있어 대부분의 외부 프레임 부재(100) 또는 내부 프레임 부재(200)의 각속도 조합에서 중력벡터선단의 이동궤적은 도 4에 도시된 바와 같이 일정 시간 후에 경로가 반복되고 궤적이 중첩된다. 결과적으로 중력은 모든 입체각에 작용하지 못하며, 중력벡터선단이 지나는 지역에 대해서만 분산된다.In addition, in the RPM operation, in most angular velocity combinations of the outer frame member 100 or the inner frame member 200, the trajectory of the gravity vector tip repeats the path after a certain time as shown in FIG. 4 and the trajectories overlap. . As a result, gravity does not act on all three-dimensional angles, and is only distributed over the region where the gravitational vector tip passes.

이를 이해하기 위해서, 다음과 같이 임의의 시간 t에서 각각의 회전속도에 의한 회전수 비가 정의하였다.In order to understand this, the ratio of the number of revolutions by each rotational speed at an arbitrary time t is defined as follows.

Figure pat00019
(7)
Figure pat00019
(7)

식(7)에서

Figure pat00020
,
Figure pat00021
로 정의된 회전수에 해당한다.In equation (7)
Figure pat00020
,
Figure pat00021
Corresponds to the number of revolutions defined by.

특정한 시간 tc에서 원주각 비

Figure pat00022
가 유리수가 된다면, 각각의 회전수
Figure pat00023
및
Figure pat00024
는 동시에 정수가 됨을 의미한다. 이러한 특정 시간의 정수배가 되는 시간마다 중력벡터선단은 처음 출발한 시작 위치로 복귀하여 중첩궤적을 반복하여 따라간다. 유리수가 되는
Figure pat00025
는 서로소인 정수의 비
Figure pat00026
/
Figure pat00027
로 치환될 수 있으며, 반복 경도로 회귀하기까지 걸린
Figure pat00028
와
Figure pat00029
의 회전수가 각각
Figure pat00030
와
Figure pat00031
이다. 이때, 중력벡터선단의 반복되는 궤적을 회피하려면
Figure pat00032
가 항상 무리수가 되어야 한다. 이 경우
Figure pat00033
를 대신할 서로소인 정수비는 존재하지 않으며, 중력벡터선단의 궤적은 중첩 없이 무한히 지속된다.
Figure pat00034
가 유리수일지라도 이를 대신할 서로소인 정수가 매우 큰 값이면 단위구 표면을 충분히 지난 후 중첩되므로 중력분산 효과를 높일 수 있다.Circumferential ratio at a specific time t c
Figure pat00022
If is rational, each revolution
Figure pat00023
And
Figure pat00024
Means it becomes an integer at the same time. At each time that is an integer multiple of this specific time, the gravitational vector tip returns to the starting position at the beginning and repeats the overlapping trajectory. Rational
Figure pat00025
Is the ratio of prime factors
Figure pat00026
/
Figure pat00027
It can be substituted with
Figure pat00028
Wow
Figure pat00029
The number of revolutions of each
Figure pat00030
Wow
Figure pat00031
to be. At this time, to avoid repeated trajectory of the gravity vector tip
Figure pat00032
Must always be irrational. in this case
Figure pat00033
There is no integer ratio to replace each other, and the trajectory of the gravity vector tip persists indefinitely without overlapping.
Figure pat00034
Even if is a rational number, if the integer number to replace it is very large, it can overlap after passing through the surface of the unit sphere, thereby increasing the effect of gravitational dispersion.

이때, RPM에서 미소중력 또는 저중력의 모사는 대상체에 작용하는 중력의 방향을 시간에 따라 분산시킴으로써 달성되므로, 단위구 전체표면에서 중력벡터선단의 단위면적당 체류시간 분포의 균일한 정도로부터 정량적인 평가가 가능할 수 있다.At this time, since the simulation of micro-gravity or low-gravity in RPM is achieved by dispersing the direction of gravity acting on the object over time, quantitative evaluation is performed from the uniformity of the residence time distribution per unit area of the gravity vector tip on the entire surface of the unit sphere. May be possible.

상기 단위구 전체표면에서 중력벡터선단의 단위면적당 체류시간 분포의 균일한 정도는 중력분산도(Degree of Gravity Dispersion; 이하 DGD)로 정의될 수 있으며, 연산부에서 외부 프레임 부재(100) 및 내부 프레임 부재(200)의 회전 운동에 따른 DGD를 산출할 수 있다.A uniform degree of residence time distribution per unit area of the gravity vector tip on the entire surface of the unit sphere may be defined as a degree of gravity dispersion (DGD), and the outer frame member 100 and the inner frame member in the calculation unit DGD according to the rotational motion of 200 may be calculated.

구체적으로, 단위구를 도 5(a)에 도시된 바와 같이 N개의 면적이 균일한 영역으로 나누며, 각각의 면적은

Figure pat00035
이다. n-번째 영역을 지나는 중력벡터선단의 경로는 도 5(b)에 도시된 바와 같이 PRM 총 작동시간 동안 M회이며, 그 중 m-번째 경로의 길이는 다음과 같이 속도를 적분함으로써 구할수있다.Specifically, as shown in FIG. 5 (a), the unit sphere is divided into N uniform areas, and each area is
Figure pat00035
to be. The path of the gravity vector tip passing through the n-th region is M times during the total PRM operating time as shown in Fig. 5 (b), and the length of the m-th path can be obtained by integrating the speed as follows. .

Figure pat00036
(8)
Figure pat00036
(8)

n-번째 영역의 영역의 m-번째 경로를 지나는데 지나는데 걸리는 시간

Figure pat00037
은 식(8)에서 역으로 구할 수 있다. 모든 경로를 지나는 시간은 다음과 같이 각 경로에 걸린 시간을 더하여 구한다.The time it takes to pass the m-th path of the region of the n-th region
Figure pat00037
Can be found inversely from equation (8). The time to go through all routes is calculated by adding the time taken to each route as follows.

Figure pat00038
(9)
Figure pat00038
(9)

이를 이용하여 국부적인 DGD가 다음과 같이 정의될 수 있다.Using this, a local DGD can be defined as follows.

Figure pat00039
(10)
Figure pat00039
(10)

식(10)에서 면적당 체류시간은 RPM의 총 작동시간 tRPM으로, 국부 영역의 면적은 단위구의 면적으로 각각 정규화함으로써 DGD를 무차원화하였다. 이와 같이 정의된 DGD는 RPM에서 중력의 분산 정도를 정량적으로 산출할 수 있는 근거를 제시한다. 단위구의 표면을 면적이 균일하게 나누었으므로 각 면적은 다음과 같다.In equation (10), the residence time per area is the total operating time t RPM of the RPM , and the area of the local area is normalized to the area of the unit sphere, thereby making the DGD dimensionless. The DGD defined in this way provides a basis for quantitatively calculating the degree of dispersion of gravity in RPM. Since the area of the unit sphere is divided evenly, each area is as follows.

Figure pat00040
(11)
Figure pat00040
(11)

식(10)에 식(11)을 대입하면 DGD는 다음과 같이 체류시간의 함수로 나타낼 수 있다.Substituting equation (11) into equation (10), DGD can be expressed as a function of residence time as follows:

Figure pat00041
(12)
Figure pat00041
(12)

RPM 작동 결과, 단위구 전체표면에서 Gn이 균일하면 미세중력조건이 실현된다. Gn이 완전히 균일하지 않을 경우, 단위구 표면에서 Gn 분포를 통하여 중력의 중력의 분산 정도를 정량적으로 평가할 수 있다. 이때, 단위구 표면의 구역 수가 많을수록 중력분산 분포도의 해상도가 높아진다.As a result of the RPM operation, if G n is uniform on the entire surface of the unit sphere, microgravity conditions are realized. If G n is not completely uniform, the degree of dispersion of gravity of gravity can be quantitatively evaluated through the distribution of G n on the surface of the unit sphere. At this time, the larger the number of zones on the surface of the unit sphere, the higher the resolution of the gravitational dispersion distribution.

단위구 표면에서 체류시간의 총합은

Figure pat00042
이므로, DGD 합은 식(12)를 적용하면 다음과 같이 단순해진다.The total residence time on the surface of the unit sphere is
Figure pat00042
Therefore, the DGD sum is simplified as follows when equation (12) is applied.

Figure pat00043
(13)
Figure pat00043
(13)

이상적인 무중력 모사 상태가 달성된다면 모든 영역에서 중력벡터선단의 체류시간이

Figure pat00044
으로 같다. 이를 식(12)에 대입하면 무중력 모사 상태의 DGD는 다음과 같다.If an ideal weightless simulation is achieved, the residence time of the gravity vector tip in all areas
Figure pat00044
Is as Substituting this into equation (12), the DGD in the weightless simulation is as follows.

Figure pat00045
(14)
Figure pat00045
(14)

상첨자 i는 이상적인 RPM 작동을 의미한다. 즉, 미소중력 상태를 모사하려면 모든 영역에서 Gn = 1이 되도록 RPM 작동을 제어하여야 한다.The superscript i means ideal RPM operation. In other words, to simulate the microgravity state, the RPM operation must be controlled so that G n = 1 in all regions.

이하에서는 지구를 비롯하여 지구보다 중력이 작은 달이나 화성 등의 저중력 모사 시 이상적인 운전에 따른 DGD 값의 연산에 대하여 설명된다.Hereinafter, calculation of DGD values according to ideal driving when simulating low gravity such as the Earth, the moon having a smaller gravity than Earth, or Mars will be described.

지상의 정지한 RPM에서 중력벡터가 지나는 영역의 DGD는 이 영역에서 중력벡터선단의 체류시간이

Figure pat00046
이므로, 이를 식(12)에 대입하면
Figure pat00047
는 다음과 같다.DGD in the region where the gravity vector passes at a stationary RPM on the ground has a residence time at the tip of the gravity vector in this region.
Figure pat00046
So, if you substitute this into equation (12)
Figure pat00047
Is as follows.

Figure pat00048
(15)
Figure pat00048
(15)

이를 제외한 모든 영역에서는 체류시간이 없으므로 DGD가 0이다.In all areas except this, DGD is 0 because there is no residence time.

Figure pat00049
(16)
Figure pat00049
(16)

즉, RPM을 통한 지구의 이상적인 중력모사 결과는

Figure pat00050
,
Figure pat00051
가 되며, 이는 정지한 RPM으로 구현된다.In other words, the result of the Earth's ideal gravity simulation through RPM
Figure pat00050
,
Figure pat00051
And it is implemented with a stopped RPM.

RPM 운전을 통하여 행성 P의 중력을 모사할 때, 중력이 작용하는 영역과 상쇄된 영역의 DGD인

Figure pat00052
,
Figure pat00053
는 각각 다음의 식으로 나타낼 수 있다.When simulating the gravity of planet P through RPM operation, it is the DGD of the region where gravity acts and offsets
Figure pat00052
,
Figure pat00053
Can be represented by the following equation.

Figure pat00054
(17)
Figure pat00054
(17)

Figure pat00055
(18)
Figure pat00055
(18)

지구에 대한 행성 P의 중력비

Figure pat00056
는 다음과 같이 이상적으로 작동 동안 RPM의 DGD로 나타낼 수 있다.Planet P's gravity ratio to Earth
Figure pat00056
Can be expressed as DGD of RPM during ideal operation as follows.

Figure pat00057
(19)
Figure pat00057
(19)

지구와 행성의 중력비는 표 1과 같다.Table 1 shows the gravity ratio of the Earth and the planet.

Figure pat00058
Figure pat00058

전술된 식(15) - (18)을 식(19)에 대입하면

Figure pat00059
,
Figure pat00060
는 각각 다음의 식들로 표현된다.Substituting equations (15)-(18) into equation (19)
Figure pat00059
,
Figure pat00060
Is represented by the following equations.

Figure pat00061
(20)
Figure pat00061
(20)

Figure pat00062
(21)
Figure pat00062
(21)

일반적으로 N이 커야 해상도가 높은 중력 분산도를 도출할 수 있으므로

Figure pat00063
가 된다.In general, the higher the N, the higher the gravity dispersion degree can be derived.
Figure pat00063
Becomes

행성 중력에 대하여 RPM 작동 결과로 도출된 지역 중력의 비를 식(19)와 동일하게 다음과 같이 정의할 수 있다.The ratio of the local gravity derived from the RPM operation result to the planetary gravity can be defined as the following equation (19).

Figure pat00064
(22)
Figure pat00064
(22)

식(22)에 식(20) 및 (21)을 대입하면 다음과 같다.Substituting equations (20) and (21) into equation (22) is as follows.

Figure pat00065
(23)
Figure pat00065
(23)

RPM으로 모사된 중력이 이상적인 중력상쇄지역의 DGD보다 작으면

Figure pat00066
이 음(-)이 된다.If the gravity simulated by RPM is less than the DGD of the ideal gravity offset region
Figure pat00066
It becomes negative (-).

RPM을 통하여 통하여 완벽한 미소중력이나 행성의 저중력을 구현하려면 모사될 DGD가 식(20) 및 (21)로 유도한 이상적인 작동 후 기대되는

Figure pat00067
및
Figure pat00068
로 수렴하도록 운전조건을 설계하여야 한다. 이때
Figure pat00069
는 미소중력인 경우 0, 행성 저중력인 경우 중력작용지역에서 1 및 중력상쇄지역에서 0으로 수렴한다.In order to realize perfect microgravity or low gravity of the planet through RPM, the DGD to be simulated is expected after the ideal operation induced by equations (20) and (21).
Figure pat00067
And
Figure pat00068
The operating conditions should be designed to converge to. At this time
Figure pat00069
Converges to 0 in the case of microgravity, 1 in the gravitational action region and 0 in the gravitational offset region in the case of microgravity.

전술된 바와 같이, 미소중력 또는 저중력을 모사하기 위해서 연산부에서 연산된 DGD에 기초하여 제어부에서 외부 프레임 부재(100) 및 내부 프레임 부재(200)의 회전 운동, 특히 외부 프레임 부재(100) 및 내부 프레임 부재(200)의 회전 속도를 제어할 수 있다.As described above, the rotational movement of the outer frame member 100 and the inner frame member 200 in the control unit, in particular the outer frame member 100 and the inner portion, based on the DGD calculated by the calculating unit in order to simulate the microgravity or low gravity The rotation speed of the frame member 200 can be controlled.

구체적으로,

Figure pat00070
=0, π인 양극에 영역을 각각 한 개씩 두고, 이를 제외한 나머지 영역에서 영역에서 360(
Figure pat00071
)Х178(
Figure pat00072
)가 되도록 단위구 표면에 격자계를 구성하였다. 내부 프레임 부재(200)의 회전각
Figure pat00073
에 대하여는 균일하게, 외부 프레임 부재(100)의 회전각
Figure pat00074
에 대하여 비균일하게 격자를 나눠서 모든 영역의 면적이 같도록 균일면적 격자를 생성하였다. 이에 따라 총 면적영역 수가 64,082개이므로
Figure pat00075
= 64,082이다.Specifically,
Figure pat00070
One region is placed on each of the anodes of = 0 and π, and 360 (in the region)
Figure pat00071
) Х178 (
Figure pat00072
) To form a grid system on the surface of the unit sphere. Rotation angle of the inner frame member 200
Figure pat00073
With respect to, the rotation angle of the outer frame member 100
Figure pat00074
A uniform area grid was created so that the areas of all regions were equal by dividing the grid non-uniformly. Accordingly, the total number of area areas is 64,082
Figure pat00075
= 64,082.

전술된 바와 같이 RPM은 각속도의 조합에 따라서 중력벡터선단의 경로가 중첩되거나 내부 프레임 부재(200)의 회전축의 극에 집중되는 현상을 나타낸다.As described above, RPM represents a phenomenon in which a path of a gravity vector tip overlaps or is concentrated on a pole of a rotation axis of the inner frame member 200 according to a combination of angular speeds.

도 6(a)에 도시된 중력벡터선단의 2D 및 3D 궤적과 DGD 분포를 참조하여,

Figure pat00076
=2rpm,
Figure pat00077
=7rpm(CASE 1)인 경우, 궤적이
Figure pat00078
=7/2이므로
Figure pat00079
와
Figure pat00080
방향으로 각각 2 및 7회 회전 후 중력벡터선단의 출발점으로 회귀한다. 그리고 DGD 분포도는 3D 궤적과 일치하며, 이는 제어부에 내장된 프로그램이 적절함을 의미한다.Referring to the 2D and 3D trajectory and DGD distribution of the gravity vector tip shown in FIG. 6 (a),
Figure pat00076
= 2rpm,
Figure pat00077
If = 7 rpm (CASE 1), the trajectory
Figure pat00078
= 7/2
Figure pat00079
Wow
Figure pat00080
After rotating 2 and 7 times in each direction, it returns to the starting point of the gravity vector tip. And the DGD distribution map is consistent with the 3D trajectory, which means that the program built into the controller is appropriate.

도 6(b)에 도시된 중력벡터선단의 2D 및 3D 궤적과 DGD 분포를 참조하여, 각속도를

Figure pat00081
=2√2rpm,
Figure pat00082
=7√2rpm(CASE 2)로 증가시킨 경우, 회전수는 증가하였지만 결과는 CASE 1과 동일하다. 각속도가 증가하여도 회전수 비
Figure pat00083
가 같아서 이러한 결과가 도출된다.Referring to the 2D and 3D trajectories and DGD distribution of the gravity vector tip shown in FIG. 6 (b), the angular velocity is
Figure pat00081
= 2√2rpm,
Figure pat00082
When increased to = 7√2rpm (CASE 2), the number of revolutions increased, but the result is the same as CASE 1. Even if the angular velocity increases, the speed ratio
Figure pat00083
Is the same, which leads to this result.

도 6(c)에 도시된 중력벡터선단의 2D 및 3D 궤적과 DGD 분포를 참조하여, 각속도가

Figure pat00084
=2√2rpm,
Figure pat00085
=7rpm(CASE 3)인 경우, 회전수 비는
Figure pat00086
=7/2√2로 무리수가 되고 중력벡터선단는 더 이상 중첩되는 궤적을 지나지 않는다. 이때, 2D, 3D 궤적은 RPM 작동시간 5min 정도 경과할 때까지의 결과이며, 시간이 지나면 궤적이 단위구 표면을 모두 덮을 것이다. DGD 분포도는 24hr 경과 후의 결과로 궤적이 집중되는
Figure pat00087
=0, π 지역에서 값이 크고 나머지 지역은 거의 균일한 값을 갖는다.With reference to the 2D and 3D trajectories and DGD distribution of the gravity vector tip shown in Fig. 6 (c), the angular velocity
Figure pat00084
= 2√2rpm,
Figure pat00085
= 7 rpm (CASE 3), the ratio of rotation
Figure pat00086
= 7 / 2√2 and the gravitational vector tip no longer passes the overlapping trajectory. At this time, the 2D and 3D trajectories are the results until the elapse of about 5min of the RPM operating time, and over time, the trajectories will cover all the unit sphere surfaces. DGD distribution chart shows that the trajectory is concentrated as a result after 24 hours
Figure pat00087
The values are large in the = 0 and π regions, and the rest of the regions have almost uniform values.

CASE 1, 2, 3의 해석결과는 [표 2]와 같다.The analysis results of CASE 1, 2, and 3 are shown in [Table 2].

Figure pat00088
Figure pat00088

각속도의 크기나 크기나 조합에 무관하게 DGD 최고값은 모두 같다. 충분히 긴 작동시간(24hr) 동안 일정한 각속도로 회전하는 외부 프레임 부재(100)에서

Figure pat00089
=constant이므로, 각속도가 크면
Figure pat00090
=0, π를 통과횟수가 증가하지만 회전당 체류시간이 짧아지고, 반면, 각속도가 작으면 통과횟수가 감소하는 대신 체류시간이 길어져서 결과적으로 총 체류시간이 같아지며, 이 지역에서 발생하는 발생하는 DGD의 최고값이 동일해진다. 지구 중력에 대한 RPM의 중력분산효과는
Figure pat00091
= 0.2499%로 이상적인 목표값인 0%에 거의 근접한다. CASE 1 및 2의 DGD 최소값
Figure pat00092
이 0이고, 이는 중력벡터선단이 지나지 않는 영역이 존재하며 중력벡터선단의 궤적이 중첩됨을 의미한다. 회전수 비
Figure pat00093
가 유리수이면 중력벡터선단의 궤적이 중첩되어 중력이 분산되는 영역이 매우 제한적일 수 있다. 이에 대한 정량화를 위해서 다음과 같이 단위구 표면적에 대한 중력무분산영역의 면적비를 정의하면 다음과 같다.The maximum DGD values are the same regardless of the magnitude, size, or combination of angular velocity. In the outer frame member 100 rotating at a constant angular speed for a sufficiently long operating time (24hr)
Figure pat00089
= constant, so if the angular velocity is large
Figure pat00090
= 0, π increases the number of passes, but the residence time per revolution is shorter, whereas if the angular velocity is small, the number of passes decreases, and the residence time becomes longer, resulting in the same total residence time, which occurs in this area. The highest value of DGD to be made becomes the same. The gravitational dispersion effect of RPM on Earth's gravity is
Figure pat00091
= 0.2499%, which is close to the ideal target value of 0%. DGD minimum value for CASE 1 and 2
Figure pat00092
This is 0, which means that an area where the gravity vector tip does not pass exists and the trajectories of the gravity vector tip overlap. Speed ratio
Figure pat00093
If is a rational number, the region where gravity is distributed due to overlapping trajectories of the gravity vector tip may be very limited. To quantify this, the area ratio of the gravitational dispersion-free area to the surface area of the unit sphere is defined as follows.

Figure pat00094
(24)
Figure pat00094
(24)

면적비 ε이 크면 중력무분산영역이 넓게 분포하므로 효과적인 RPM 운전 결과를 기대할 수 없다. CASE 1, 2인 경우, ε이 95 수준으로 중력분산이 효과적으로 이루어지지 못하였으나 회전수 비를 무리수로 설계한 CASE 3에서는 이 값이 0으로 수렴한다. 결과적으로 각속도가 일정할 때는 속도비를 무리수로 설계하는 것이 좋으나, 모터 운전설계에 실질적이지 못하므로 각속도비가 유리수일지라도 서로소인 정수로 나타낸 분자와 분모가 매우 크다면 이를 보완할 수 있을 것이다. 예를 들어

Figure pat00095
=4.18이면 서로소인 정수비로 209/50가 되고, 중력벡터선단의 궤적은
Figure pat00096
방향으로 209회,
Figure pat00097
방향으로 50회 회전한 후 중첩되므로 이 기간 동안 구획화된 전체 단위구 표면을 중력벡터선단이 모두 지난다면 중력무분산 영역을 최소화할 수 있을 것이다.If the area ratio ε is large, the gravitational dispersion-free area is widely distributed, so effective RPM operation results cannot be expected. In the case of CASE 1 and 2, ε was 95, and gravitational dispersion was not effectively achieved, but in CASE 3, where the rotation ratio is designed as an irrational number, this value converges to 0. As a result, when the angular speed is constant, it is better to design the speed ratio in irrational numbers, but since it is not practical for the motor operation design, if the angular speed ratio is a rational number, if the numerator and denominator represented by mutually large integers are very large, it will be able to compensate. For example
Figure pat00095
If = 4.18, it will be 209/50 with the integer ratio of each other, and the trajectory of the gravity vector tip
Figure pat00096
209 times in the direction,
Figure pat00097
Since it rotates 50 times in the direction and overlaps, if the gravitational vector tip passes through the entire unit sphere surface partitioned during this period, it will be possible to minimize the gravitational dispersion-free area.

Figure pat00098
=0, π에서 중력의 집중을 완화하기 위하여 각속도를 위치에 따라 변하도록 변하도록 설계하면 효과적일 것이다. 즉, 집중도가 높은 영역에서는 각속도가 크고 그 외 영역에서 각속도가 늦어지도록 외부 프레임 부재(100)에 대하여 다음과 같이 함수형태를 도입할 수 있다.
Figure pat00098
It would be effective to design the angular velocity to vary depending on the position to relieve the concentration of gravity at = 0, π. That is, in the region having high concentration, the angular velocity is large and the angular velocity in the other regions can be introduced as follows to the outer frame member 100 as follows.

Figure pat00099
Figure pat00099

예를 들어, 제어부에서 각속도는 선형적으로 변하는 톱니형(Linear Sawtooth, LS)으로 설계된 수식에 의해서 제어되어,

Figure pat00100
=0, π에서의 중력집중을 더욱 완화시킬 수 있다. 이에 대한 설계식은 다음과 같고, 도 7(a)에 도시되었다. 이때, 각속도는
Figure pat00101
=0,1/2rev에서 최고값을 나타내고 1/4, 3/4rev에서 최소값을 갖도록 하였다.For example, in the control unit, the angular velocity is controlled by a formula designed as a linearly changing sawtooth (LS),
Figure pat00100
Gravity concentration at = 0 and π can be further alleviated. The design formula for this is as follows, and is shown in FIG. 7 (a). At this time, the angular velocity
Figure pat00101
= 0,1 / 2 rev was the highest value, and 1/4 and 3/4 rev were the minimum values.

Figure pat00102
Figure pat00102

식(25)에서 n=0,1,2, 인 정수이다. LS형의 각속도로 1회전하는 데 걸리는 주기는 다음식으로 유도된다.In equation (25), n = 0,1,2, which is an integer. The cycle taken for one rotation at the angular speed of the LS model is derived by the following equation.

Figure pat00103
(26)
Figure pat00103
(26)

식(26)에서 Δ

Figure pat00104
= ωmax - ωmin이다. 외부 프레임 부재(100)의 1회전 동안 내부 프레임 부재(200)의 회전수는 다음과 같다.Δ in equation (26)
Figure pat00104
= ω max -ω min . The number of revolutions of the inner frame member 200 during one rotation of the outer frame member 100 is as follows.

Figure pat00105
(27)
Figure pat00105
(27)

외부 프레임 부재(100)와 내부 프레임 부재(200)의 회전수 비는 다음과 같다.The rotation speed ratio of the outer frame member 100 and the inner frame member 200 is as follows.

Figure pat00106
(28)
Figure pat00106
(28)

중력벡터선단 궤적의 중첩을 피하려면

Figure pat00107
가 무리수가 되도록
Figure pat00108
,
Figure pat00109
,
Figure pat00110
를 선정하여야 한다.To avoid overlapping the gravitational vector tip trajectory
Figure pat00107
To be irrational
Figure pat00108
,
Figure pat00109
,
Figure pat00110
Should be selected.

LS형 각속도(

Figure pat00111
=5√2, ωmax=5, ωmin=0.5)에 대한 해석결과는 도 8(a)에 도시된 바와 같다. 중력벡터선단의 궤적은 약 5분 정도만 도시한 것이다.
Figure pat00112
=π/2인 지역에 중력벡터선단의 궤적이 집중되며, 0 및 π 근처에서 궤적수가 상대적으로 작아짐을 확인할 수 있다. 결과적으로 이 지역의 DGD가 일정한 속도일 때보다 감소할 것이다. [표 2]의 CASE 4에 정리된 바와 같이 이를 정량적으로 확인할 수 있다. DGD 최고값이 일정한 속도로 작동하는 CASE 1, 2, 3에 비하여 40 수준인 Gmax=63으로 감소하였다. RPM 작동으로 모사된 미소중력의 지구중력에 대한 비 최고값도
Figure pat00113
=0.097%로 일정 각속도(C)인 경우의 약 40% 수준으로 감소한다. Gmin=0.6108이고, 이는 단위구 전체 표면에 대하여 중력이 분산되었음을 의미하며,
Figure pat00114
으로 이를 확인할 수 있다.LS angular velocity (
Figure pat00111
= 5√2, ω max = 5, ω min = 0.5) is as shown in Figure 8 (a). The trajectory of the gravity vector tip is only about 5 minutes.
Figure pat00112
It can be seen that the trajectory of the gravity vector tip is concentrated in the region of = π / 2, and the number of trajectories is relatively small near 0 and π. As a result, the DGD in this region will decrease than at a constant rate. As summarized in CASE 4 of [Table 2], this can be quantitatively confirmed. The maximum DGD value was reduced to 40 levels of G max = 63 compared to CASE 1, 2, 3 operating at a constant speed. The ratio of microgravity to earth gravity simulated by RPM operation is also
Figure pat00113
= 0.097%, which decreases to about 40% at a constant angular velocity (C). G min = 0.6108, which means that gravity is dispersed over the entire surface of the unit sphere,
Figure pat00114
You can check this.

또한, 제어부에서 각속도는 2차식인 포물선 톱니형(Parabolic Sawtooth, PS)으로 설계된 수식에 의해서 제어되어,

Figure pat00115
=0, π에서의 중력집중을 더욱 완화시킬 수 있다. 이에 대한 설계식은 다음과 같고, 도 7(a)에 도시되었다.In addition, the angular velocity in the control unit is controlled by a formula designed as a quadratic parabolic sawtooth (PS),
Figure pat00115
Gravity concentration at = 0 and π can be further alleviated. The design formula for this is as follows, and is shown in FIG. 7 (a).

Figure pat00116
Figure pat00116

식(29)에 대한 두 회전축의 회전수 비는 다음과 같다.The ratio of the rotational speeds of the two rotational axes to equation (29) is as follows.

Figure pat00117
(30)
Figure pat00117
(30)

Figure pat00118
가 무리수가 되도록 설계함으로써 중력벡터선단 궤적의 중첩을 피할 수 있다. 도 8(b)에 도시된 해석결과로부터 LS보다 더욱 효과적임을 확인할 수 있다. [표 2]에서 CASE 5로 결과를 정량적으로 정리하였다. Gmax=39,
Figure pat00119
=0.059로 LS보다 개선되었다. Gmin=0.4677,
Figure pat00120
으로 중력벡터선단 궤적의 중첩이 없음도 확인할 수 있다.
Figure pat00118
By designing to be an irrational number, the overlap of the gravity vector tip trajectory can be avoided. It can be seen from the analysis results shown in FIG. 8 (b) that it is more effective than LS. Table 2 summarizes the results quantitatively with CASE 5. G max = 39,
Figure pat00119
= 0.059, which is an improvement over LS. G min = 0.4677,
Figure pat00120
It can also be confirmed that there is no overlap of the trajectory of the gravity vector tip.

추가적으로,

Figure pat00121
에 대하여 대하여 RW(Random Walking) 방법을 적용한 해석을 수행하였다. 최고/최저 각속도 변화 범위는 5 및 0.5rpm으로 제한하고, θ=0, π로부터 각도 π/12만큼 접근하면 random하게 속도와 회전방향을 변화하도록 하였다. 도 7(b)에는 RW로 생성한 각속도의 시간에 따른 변화가 도시되어 있으며, 도 8(c)에는 이러한 속도분포가 반영된 해석결과가 도시되어 있다. 이를 통하여 극지역에서 중력집중이 완화됨을 확인할 수 있다. 정량적인 해석결과는 [표 2]의 CASE 6에 정리되어 있다. 중력분산 결과는 Gmax=143,
Figure pat00122
=0.2218로 각속도 각속도 설계가 C인 경우에 비하여 개선되었으나, LS, PS에 비하면 효과적이지 못하다. 다만, 중력벡터선단의 중첩은 피할 수 있다. RM 방법은 LS나 PS에 비하여 Gmax가 클뿐만 아니라 동일한 RPM 작동을 재현할 수 없다는 한계가 있다. 이는 생명공학 실험에서 동일한 재실험이 불가하다는 제한이 된다.Additionally,
Figure pat00121
For the analysis, RW (Random Walking) method was applied. The range of maximum / minimum angular velocity change is limited to 5 and 0.5 rpm, and when θ = 0, π approaches angle π / 12, the speed and rotation direction are randomly changed. Fig. 7 (b) shows the change over time of the angular velocity generated by RW, and Fig. 8 (c) shows the analysis result reflecting this speed distribution. Through this, it can be seen that the concentration of gravity is reduced in the polar region. The quantitative analysis results are summarized in CASE 6 of [Table 2]. The result of gravitational dispersion is G max = 143,
Figure pat00122
= 0.2218 Angular velocity The angular velocity design is improved compared to the case of C, but it is not effective compared to LS and PS. However, the overlap of the gravity vector tip can be avoided. The RM method has a limitation in that G max is larger than that of LS or PS, and the same RPM operation cannot be reproduced. This is a limitation that the same retest cannot be performed in a biotechnology experiment.

따라서 전술된 데이터들을 통해서 각속도가 2차식인 포물선 톱니형(Parabolic Sawtooth, PS)으로 설계된 수식에 의해서 제어되는 것이 가장 효과적으로 미소중력을 모사할 수 있음을 확인하였다.Therefore, it was confirmed through the above-described data that the angular velocity is controlled by a formula designed as a parabolic sawtooth (PS) with a quadratic expression, which can most effectively simulate microgravity.

한편, 제어부에서의 미소중력을 모사하기 위한 RPM 각속도 제어방법은 지구보다 중력이 작은 행성의 중력모사에 응용될 수 있다.On the other hand, the RPM angular velocity control method for simulating the microgravity in the control unit can be applied to the gravity simulation of a planet with less gravity than the Earth.

중력이 집중되는 한 지역인

Figure pat00123
에서는 PS 각속도 분포를 적용하고, 다른 한 곳인
Figure pat00124
에는 C 각속도 분포를 적용한다. 중력벡터선단 체류시간을 부과하기 위해서
Figure pat00125
=0에서 일정시간 동안 외부 프레임 부재(100)의 회전을 정지시킨다(
Figure pat00126
= 0). 이러한 각속도 분포를 조합함으로써 행성중력을 모사할 수 있다. 외부 프레임 부재(100)의 1회전에 소요되는 시간, 즉 주기는 정지체류시간
Figure pat00127
를 포함하여 다음과 같다.One area where gravity is concentrated
Figure pat00123
In PS, the angular velocity distribution is applied, and the other is
Figure pat00124
For C, the angular velocity distribution is applied. To impose residence time on the gravity vector fleet
Figure pat00125
= 0, the rotation of the outer frame member 100 is stopped for a predetermined time (
Figure pat00126
= 0). By combining these angular velocity distributions, we can simulate planetary gravity. The time required for one rotation of the outer frame member 100, that is, the period is the stoppage time
Figure pat00127
Including:

Figure pat00128
(31)
Figure pat00128
(31)

식(31)에서

Figure pat00129
는 일정 각속도로 1/4회전하는 데 걸리는 시간이며,
Figure pat00130
는 포물선 각속도로 1/4회전하는 데 걸리는 시간으로 다음과 같이 구할 수 있다.In equation (31)
Figure pat00129
Is the time it takes to turn 1/4 at a constant angular velocity,
Figure pat00130
Is the time it takes to make a quarter turn at a parabolic angular velocity.

Figure pat00131
(32)
Figure pat00131
(32)

식(17)과 (20)으로부터 행성 P의 중력 모사에 필요한 중력벡터선단의 정지체류시간은 다음과 같이 지구 중력에 대한 행성 중력의 비로 나타낼 수 있다.From Eqs. (17) and (20), the gravitational vector tip stoppage time required to simulate the gravity of planet P can be expressed as the ratio of the planet's gravity to the Earth's gravity as follows.

Figure pat00132
(33)
Figure pat00132
(33)

식(31)과 (33)을 이용하여 행성 P의 중력 모사에 요구되는 정지체류시간을 다음과 같이 구할 수 있다.Using equations (31) and (33), the stationary residence time required for the gravitational simulation of planet P can be obtained as follows.

Figure pat00133
(34)
Figure pat00133
(34)

최종적으로 설계된 행성중력 모사용 RPM 각속도는 다음 수식과 같으며, 도 7(c)에 도시되었다.The RPM angular velocity of the final designed planetary gravity simulation is as follows, and is shown in FIG. 7 (c).

Figure pat00134
(35)
Figure pat00134
(35)

식(35)에서 사용된 시간은 다음과 같이 정의된 값이다.The time used in equation (35) is a value defined as follows.

Figure pat00135
Figure pat00135

중력벡터선단 궤적의 중첩을 확인하기 위한 각 회전축의 회전수 비는 다음과 같다.The ratio of the number of revolutions of each axis of rotation to confirm the overlap of the trajectory of the gravity vector tip is as follows.

Figure pat00136
(36)
Figure pat00136
(36)

식(36)에 식(31)을 대입하여

Figure pat00137
가 무리수가 되도록 각속도를 설계하여야 한다.Substituting equation (31) into equation (36)
Figure pat00137
The angular velocity should be designed so that is unreasonable.

도 9 및 [표 2]의 CASE 7, 8을 참조하여, 달과 화성의 중력모사에 대한 수치해석은 다음과 같다. 2D 궤적에서 명확히 볼 수 있듯이,

Figure pat00138
=0에서 회전정지에 따른 체류시간 증가와 PS형 각속도에 의한
Figure pat00139
=π를 통과하는 중력벡터선단의 궤적수 감소를 확인할 수 있다. 도 9의 DGD 분포도로부터 모사된 행성의 중력은
Figure pat00140
=0인 위치에 존재하며, 다른 곳에서는 중력분산에 따른 중력무효화가 이루어졌음을 볼 수 있다. [표 2]의 CASE 7에서 달의 중력을
Figure pat00141
=102%로 모사하였으며, 중력무효지역의 DGD 최소값은
Figure pat00142
=0.256로써 목표치인
Figure pat00143
=0.834의 30%에 해당하는 값을 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한,
Figure pat00144
으로 중력벡터선단 궤적의 중첩이 없음도 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 9 and CASE 7, 8 of [Table 2], numerical analysis of the gravity simulation of the moon and Mars is as follows. As you can clearly see in the 2D trajectory,
Figure pat00138
At 0, the residence time increases due to the rotation stop and the PS-type angular velocity
Figure pat00139
It can be seen that the number of trajectories of the gravity vector tip passing through = π decreases. The gravity of the planet simulated from the DGD distribution in FIG. 9 is
Figure pat00140
It is present at the position of = 0, and in other places, it can be seen that the gravitational effect of gravitational dispersion has been achieved. In Table 2, CASE 7 shows the gravity of the moon.
Figure pat00141
= 102%, and the minimum value of DGD in the gravitational void is
Figure pat00142
= 0.256, the target value
Figure pat00143
It was confirmed that a value corresponding to 30% of = 0.834 can be obtained. Also,
Figure pat00144
It can also be confirmed that there is no overlap of the trajectory of the gravity vector tip.

화성에 대하여도

Figure pat00145
=101%, DGD 최소값은
Figure pat00146
=0.1897로써 목표치인
Figure pat00147
=0.623의 30%,
Figure pat00148
으로 중력벡터선단 궤적의 중첩 없이 모사할 수 있음을 확인하였다.About Mars
Figure pat00145
= 101%, the DGD minimum is
Figure pat00146
Target value = 0.1897
Figure pat00147
= 0.623, 30%,
Figure pat00148
As a result, it was confirmed that it can be simulated without overlapping the trajectory of the gravity vector tip.

이와 같이 일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치(10)는 연산부에서 DGD를 연산하고, 제어부에서 외부 프레임 부재(100) 또는 내부 프레임 부재(200)의 각속도를 효과적으로 제어함으로써 미소중력 또는 행성중력, 예를 들어 달이나 화성 등 지구보다 질량이 작은 행성의 중력을 모사할 수 있다.As described above, the micro-gravity simulation apparatus 10 according to an embodiment calculates DGD in the calculation unit, and the control unit effectively controls the angular velocity of the outer frame member 100 or the inner frame member 200, thereby causing microgravity or planetary gravity, eg For example, you can simulate the gravity of a planet less massive than Earth, such as the Moon or Mars.

더 나아가, 일 실시예에 따른 미소중력 모사 장치(10)는 RPM 기능에 온도, 습도, CO2 농도 제어가 가능한 RPM 인큐베이터에 적용하여 바이오프린팅을 통한 3D 스캐폴더 배양체와 결합함으로써 세포의 3D 배양실험이 가능하여 조직 및 장기 배양의 기초연구에 기여할 수 있다.Furthermore, the microgravity simulation apparatus 10 according to an embodiment is applied to an RPM incubator capable of controlling temperature, humidity, and CO 2 concentration in the RPM function, and is combined with a 3D scaffold culture through bioprinting to perform a 3D culture experiment of cells This makes it possible to contribute to the basic research of tissue and organ culture.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by the limited drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques may be performed in a different order than the described method, and / or components such as the structure, device, etc. described may be combined or combined in a different form from the described method, or may be applied to other components or equivalents. Even if replaced or substituted by, appropriate results can be achieved.

10: 미소중력 모사 장치
100: 외부 프레임 부재
200: 내부 프레임 부재10: microgravity simulation device
100: outer frame member
200: inner frame member

Claims (5)

중력벡터에 수직하는 회전축을 갖는 외부 프레임 부재;
상기 외부 프레임 부재와 동일한 회전 중심을 가지고, 상기 외부 프레임 부재의 회전축에 수직하는 회전축을 갖는 내부 프레임 부재;
상기 외부 프레임 부재 및 상기 내부 프레임 부재의 회전 운동에 따른 중력분산도를 산출하는 연산부; 및
상기 연산부에서 산출된 중력분산도가 1이 되도록 상기 외부 프레임 부재 또는 상기 내부 프레임 부재의 회전 속도를 제어하는 제어부;
를 포함하고,
상기 중력분산도는 단위구 전체표면에서 중력벡터선단의 단위면적당 체류시간 분포의 균일도로부터 산출되는 미소중력 모사 장치.
An outer frame member having a rotation axis perpendicular to the gravity vector;
An inner frame member having the same rotation center as the outer frame member and having a rotation axis perpendicular to the rotation axis of the outer frame member;
A calculation unit for calculating the degree of gravity dispersion according to the rotational movement of the outer frame member and the inner frame member; And
A control unit for controlling the rotational speed of the outer frame member or the inner frame member so that the gravity dispersion degree calculated by the calculating unit is 1;
Including,
The gravitational dispersion is a microgravity simulation apparatus calculated from the uniformity of the distribution of residence time per unit area of the gravity vector tip on the entire surface of the unit sphere.
제1항에 있어서,
상기 중력분산도는 다음의 식에 의해 산출되고,
Figure pat00149

이때,
Gn은 중력분산도이고,
tRPM은 상기 미소중력 모사 장치의 총 작동시간이고,
N은 단위면적의 개수이고,
Δtn은 단위면적당 체류시간인 미소중력 모사 장치.
According to claim 1,
The gravity dispersion degree is calculated by the following equation,
Figure pat00149

At this time,
Gn is the gravitational dispersion,
t RPM is the total operating time of the microgravity simulator,
N is the number of unit areas,
Δt n is a microgravity simulation device that is a residence time per unit area.
중력벡터에 수직하는 회전축을 갖는 외부 프레임 부재;
상기 외부 프레임 부재와 동일한 회전 중심을 가지고, 상기 외부 프레임 부재의 회전축에 수직하는 회전축을 갖는 내부 프레임 부재; 및
상기 외부 프레임 부재 또는 상기 내부 프레임 부재의 각속도를 제어하는 제어부;
를 포함하고,
상기 제어부는 상기 외부 프레임 부재 및 상기 내부 프레임 부재의 위치에 따라서 상기 외부 프레임 부재 또는 상기 내부 프레임 부재의 각속도를 변화시키는 미소중력 모사 장치.
An outer frame member having a rotation axis perpendicular to the gravity vector;
An inner frame member having the same rotation center as the outer frame member and having a rotation axis perpendicular to the rotation axis of the outer frame member; And
A control unit for controlling the angular velocity of the outer frame member or the inner frame member;
Including,
The control unit is a micro-gravity simulation apparatus for changing the angular velocity of the outer frame member or the inner frame member according to the position of the outer frame member and the inner frame member.
제3항에 있어서,
상기 제어부에서 상기 외부 프레임 부재의 각속도는 포물선 톱니형으로 설계된 수식에 의해서 제어되고,
상기 제어부는 상기 외부 프레임 부재 및 상기 내부 프레임 부재의 회전수 비가 무리수가 되도록 상기 외부 프레임 부재 또는 상기 내부 프레임 부재의 각속도를 제어하여 미소중력을 모사하는 미소중력 모사 장치.
According to claim 3,
In the control unit, the angular velocity of the outer frame member is controlled by a parabolic serrated equation,
The control unit controls the angular velocity of the outer frame member or the inner frame member so that the rotational ratio of the outer frame member and the inner frame member is unreasonable, and thus a micro-gravity simulation device for simulating micro-gravity.
제3항에 있어서,
상기 제어부는, 중력이 집중되는 한 지역에서는 상기 외부 프레임 부재의 각속도가 포물선 톱니형으로 변하게 하고, 중력이 집중되는 다른 지역에서는 상기 외부 프레임 부재의 각속도가 일정하게 하고, θ=0에서 상기 외부 프레임 부재를 일정 시간 동안 정지시킴으로써 행성중력을 모사하는 미소중력 모사 장치.According to claim 3,
The controller causes the angular velocity of the outer frame member to be parabolic in one area where gravity is concentrated, the angular velocity of the outer frame member is constant in other areas where gravity is concentrated, and the outer frame is at θ = 0. Microgravity simulation device that simulates planetary gravity by stopping a member for a period of time.
KR1020180109146A 2018-09-12 2018-09-12 Apparatus for simulating microgravity KR102119315B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180109146A KR102119315B1 (en) 2018-09-12 2018-09-12 Apparatus for simulating microgravity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180109146A KR102119315B1 (en) 2018-09-12 2018-09-12 Apparatus for simulating microgravity

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200030362A true KR20200030362A (en) 2020-03-20
KR102119315B1 KR102119315B1 (en) 2020-06-04

Family

ID=69958392

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180109146A KR102119315B1 (en) 2018-09-12 2018-09-12 Apparatus for simulating microgravity

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102119315B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113064212A (en) * 2021-03-19 2021-07-02 中国科学院空间应用工程与技术中心 Device and method for measuring absolute gravity and microgravity
CN113189659A (en) * 2021-04-09 2021-07-30 北京强度环境研究所 High microgravity horizontal measurement method suitable for microgravity tower falling test

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102437985B1 (en) 2020-12-30 2022-08-29 중앙대학교 산학협력단 Clinostat and culture dish used for clinostat
KR20240040888A (en) 2022-09-22 2024-03-29 한국항공우주연구원 microgravity simulation system

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002264900A (en) * 2001-03-09 2002-09-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Eccentric rotation control system for micro gravity rotator
JP2007284006A (en) * 2006-04-20 2007-11-01 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Simulated para-agravic state generating device and control method
JP2015000008A (en) * 2013-06-13 2015-01-05 株式会社スペース・バイオ・ラボラトリーズ Gravity control device
KR101737048B1 (en) * 2016-03-21 2017-05-17 서울대학교 산학협력단 Gravity simulation method of three-dimensional clinostat

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002264900A (en) * 2001-03-09 2002-09-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Eccentric rotation control system for micro gravity rotator
JP2007284006A (en) * 2006-04-20 2007-11-01 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Simulated para-agravic state generating device and control method
JP2015000008A (en) * 2013-06-13 2015-01-05 株式会社スペース・バイオ・ラボラトリーズ Gravity control device
KR101737048B1 (en) * 2016-03-21 2017-05-17 서울대학교 산학협력단 Gravity simulation method of three-dimensional clinostat

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113064212A (en) * 2021-03-19 2021-07-02 中国科学院空间应用工程与技术中心 Device and method for measuring absolute gravity and microgravity
CN113064212B (en) * 2021-03-19 2023-11-03 中国科学院空间应用工程与技术中心 Device and method for measuring absolute gravity and microgravity
CN113189659A (en) * 2021-04-09 2021-07-30 北京强度环境研究所 High microgravity horizontal measurement method suitable for microgravity tower falling test

Also Published As

Publication number Publication date
KR102119315B1 (en) 2020-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102119315B1 (en) Apparatus for simulating microgravity
Borst et al. Technology and developments for the random positioning machine, RPM
Nielsen et al. Adaptive multiscale molecular dynamics of macromolecular fluids
Reid et al. Wing flexibility reduces the energetic requirements of insect flight
De Michele Simulating hard rigid bodies
Ren et al. 3D printing of structural gradient soft actuators by variation of bioinspired architectures
Mignone et al. A particle module for the PLUTO code. III. Dust
Hasenstein et al. Clinostats and other rotating systems—design, function, and limitations
Box et al. On the motion of linked spheres in a Stokes flow
Tikhonov et al. Symmetric oscillations of charged gyrostat in weakly elliptical orbit with small inclination
Kim Theoretical study on microgravity and hypogravity simulated by random positioning machine
Jibuti et al. Effective viscosity of a suspension of flagellar-beating microswimmers: Three-dimensional modeling
Lebedev Design and implementation of a 6DOF control system for an Autonomous Quadrocopter
Varsos et al. Generation of quadratic potential force fields from flow fields for distributed manipulation
Deng et al. Anisotropic single-particle dissipative particle dynamics model
Barani et al. A multiphysics modeling of electromagnetic signaling phenomena at kHz-GHz frequencies in bacterial biofilms
Van Loon et al. Microgravity research starts on the ground! Apparatus for longterm ground-based hypo-and hypergravity studies
Choi et al. Direct numerical simulations of the dynamics of particles with arbitrary shapes in shear flows
Altaie et al. A novel model of gravity challenge device
EP3782915B1 (en) Apparatus and method for generating microgravity
Zhang et al. Power efficiency-based stiffness optimization of a compliant actuator for underactuated bipedal robot
Haranas et al. Intracellular molecular distributions in spacecraft experiments in orbit around Earth
Bannikova et al. Apparent counter-rotation in the torus of NGC 1068: influence of an asymmetric wind
US20240200014A1 (en) Adjustable gravity simulator for tissue and organ culturing
Patil et al. Analysing the motion of scallop-like swimmers in a noisy environment

Legal Events

Date Code Title Description
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)