KR100738952B1 - 운동부여장치 - Google Patents

Abstract

하중에 운동을 부여하는 장치는 하중에 힘을 적용하는 수단(25)과 하중 지지부재(27)를 포함하며, 동력 효율을 최적화하기 위해서 장치작동동안 지지부재 컴플라이언스의 동적변화를 위한 수단(9, 10, 11)이 제공된다. 이 장치는 플랫폼(42)과 기준평면(41)사이에서 복수의 자유도로 상대운동을 조절할 수 있으며 컴플라이언스 수단(27)은 플랫폼 중량을 지탱하며 힘 적용수단(25)는 플랫폼과 기준평면사이에 교란력을 적용하는 하나 이상의 액추에이터이다. 제어수단(11, 12)은 각 액추에이터(43)를 조절하여서 플랫폼(42)을 기준평면(41)에 대해 변위시키도록 액추에이터를 한 방향으로 이동시킨다. 지지부재(27)의 적어도 일부로 가스스프링일 수 있으며 한 구체예에서 플랫폼을 지탱하는 벨로우즈(45)형태일 수 있다.

Description

운동부여장치{MOTION-IMPARTING APPARATUS}

본 발명은 운동(motion)을 조절하거나 변경할 목적으로 또는 위치선정(positioning)의 목적으로, 하중(load)에 운동(motion)을 부여할 수 있는 타입의 운동부여장치(motion-imparting apparatus)에 관한 것이다. 본 발명은 예를 들어 제조기계류(manufacturing machinery)의 위치선정 장치(positioning device)를 포함하는 다양한 범위의 장치 내에 적용된다. 일반적으로 이러한 기계류는 재료 상에서 기계적인 작업(예를 들어, 절단 또는 변형)하는 장치를 필요로 하지는 않지만, 낮은 마찰 베어링 시스템(bearing system) 상에서 움직이는 물체(mass)의 위치를 제어하는 장치를 필요로 한다. 이러한 기계는 종종 무시할 정도의 에러발생률을 가지면서 높은 반복속도(repetition rate)에서 정밀한 위치선정 작업(positioning action)을 수행하도록 요구되어진다. 이러한 기계에서, 전자기적 램(electromagnetic ram)의 사용은, 구성이 본질적으로 간판하고 백래쉬(backlash)가 0 이며, 제어 전달지연(control transport lag)이 0이라는 점에서, 다른 타입의 액츄에이터에 비해서 장점이 있다. 이러한 가치있는 특성은, 전자기적 액츄에이터가 매우 높은 정밀도와 신뢰성을 가지면서 신속한 운동(motion)을 만들어내도록 한다. 수 마이크론(micron)의 위치선정 정확도로써 초(second)당 수 미터(meter)에서 20톤 이상의 힘을 적용할 수 있다.

이러한 장치는, 예를 들어 훈련 또는 오락용 시뮬레이터(simulator)에서도 사용되어진다. 일반적으로 이러한 용도에 있어서, 움직이는 플랫폼(moving platform)에 부착된 캡슐(capsule)에 탄 사람에게 연속적인 운동의 느낌을 생성하도록, 플랫폼(platform)은 정적 구조물(static structure)에 대해서 움직여진다. 이러한 장치(mechanism)는 현가시스템(suspension system) 및 안정화 장치(stabilizing apparatus)의 테스트에서도 사용되어지며, 운동 플랫폼(motion platform)은 안정화 장치(stabilizing mechanism)의 작동이 테스트되어지도록 요구되는 보정된 교란가속(calibrated disturbance acceleration)을 일으키도록 사용되어진다.

운동부여장치(motion-imparting apparatus)의 움직이는 플랫폼(moving platform)은, 유압식 유체나 압력하의 가스에 의해서 구동되어질 수도 있는 액츄에이터 유닛 또는 "램(ram)" 배열에 의해서 또는 볼-너트 및 스크류 장치에 의해서 전기적으로 작동되어지는 램 유사장치(ram-like device)에 의해서 일반적으로 작동 되어진다. 최근에 회전모터(rotary motor)에 장착된 저속 크랭크(geared down crank)를 사용하거나 또는 움직이는 피스톤형 접극자(armature)과 실린더형 고정자(stator) 사이에 직접적인 전자기적 상호작용을 채택하는 장치가 설계되어졌다. 후자의 전기적 및 전자기적 기계의 경우에 있어서, 운동부여장치(motion-imparting apparatus)가 캡슐과 캡슐 점유자 상에 작용하는 중력에 대해서 특정한 수단에 의해서 지지되어지도록 하는 필요성이 있다. 이러한 것은 중요한데, 만일 그렇지 않으면 캡슐 상에 작용하는 일정한 중력에 대항(counteract)하는데 요구되어지는 추력(thrust)을 생성하기 위하여, 에너지가 전기장치 내에서 연속적으로 소모되어지기 때문이다. 이러한 것은 모터가 곧 과열되도록 한다. 이러한 효과는 다른 적용분야에서도 발견되어진다.

이러한 문제점을 해결하려는 시도가 국제특허출원 공보 WO 93/01577 호에서 개시되어진다. 상기 문헌은 저효율 스프링 속도(spring rate)를 가지는 평형장치(counterbalancing mechanism) 상에서 운동 플랫폼의 하중(load)를 전달하는 기술을 개시하고 있다. 특별한 실례로서, 크랭크된 가스 스프링 시스템이 여기서 기술 되어진다. 평형개념이 기술되어지는 것을 보여주는 WO 93/01577호의 문헌에 따라서 구성된 장치(mechanism)는 전자기적 운동베이스(motion base)를 위한 최적의 지지부(support)를 제공하지는 못한다. 본 발명은, 일 개념(concept)에서, 상당한 스프링 속도(spring rate)를 가진 제어된 스프링(또는 스프링 세트)이 최적의 지지를 위해서 요구되어진다는 인식에 기초하고 있다.

지금까지 수많은 전자기적 액츄에이터 또는 선형 모터(linear motor)의 디자인이 생산되어졌다. 공지된 기계의 다양한 구성은 WO 93/01646호와 같은 문헌에서 기술되어지는데, 상기 문헌에서는 실린더내 피스톤 기계와 같은 원통형 대칭적으로 작동되어지도록 배열된 전자기적 장치를 기술하고 있다. 이러한 구성의 주된 장점은, 기계 내의 영구자석과 이를 둘러싸는 자석재료(magnetic material) 사이의 강한 인력(attactive force)이 중심축 둘레에서 평형되어져서, 기계의 베어링(bearing)이 어떠한 큰 자기력을 견딜 필요가 없도록 하는 것이다.

원통형 구성의 다른 장점은, 기계의 자기장이 액츄에이터 또는 램의 외부 강철 케이스 내에서 한정되어지고, 높은 효율성으로 기계의 전기적 코일(electrical coil)을 교차하도록 배열되어질 수 있다는 점이다.
원통형 구성의 또 다른 장점은, 램의 접극자(armature)가 이것과 램 고정자의 내부표면 사이에서 슬라이딩 씨일(sliding seal)을 가질 수도 있어서, 유체 액츄에이터 장치의 피스톤을 형성하도록 된다는 것이다. 이러한 것은, 일정하거나 또는 느리게 변하는 힘(force)과 중첩되거나 또는 중단되는 신속작용 전가지력을 생성하는 필요성이 있을 때 유리하다. 후자의 힘(force)은 유체 액츄에이터에 의해서 더욱 잘 생성되어진다. 그렇지 않을 경우, 만일 정적인 힘이나 느리게 변하는 힘을 제공한다면 전자기적 요소(electromagnetic element)는 연속적으로 전력을 소모하는 것이 요구되어진다.

나아가, 원통형 실린더 내 피스톤의 구성은, 유압식 또는 공압식 램이 채택 되어지는 여러 산업용 제어분야의 램에 적용하는데 적절하다. 이러한 것은 램의 자기장이 실린더형 케이싱 내에서 전체적으로 한정되어져서, 램이 다른 타입의 전자기적 선형 액츄에이터에서는 문제가 되는 절삭 부스러기(swarf) 또는 다른 자기적 먼지의 존재에 대해 견디도록 하기 때문이다.

본 발명은 전자기적 액츄에이터(electromagnetic actuator)의 원통형 고정자 공동부(cavity)가 피스톤/접극자 요소 상의 씨일(seal)에 의해서 두 부분으로 분할 되어지고, 예를 들어 가스스프링의 일부와 같은 유체압력 조절시스템의 힘-발생요소(force-producing element)로서 접극자 어셈블리가 작용할 수도 있는 수단을 포함하는 구조를 제공한다.

WO 93/01646호 및 WO 93/01577호는 램의 가스 스프링 성질이 무게를 지지하도록 즉 중력에 대해서 저항하도록 단지 한 방향으로만 작용하도록 구성된, 운동 베이스 장치에 적용하기 위한 램 구성을 개시하고 있다. 이러한 목적으로, WO 93/01646호는 가스 스프링의 일부를 형성하는 가압유체 저장원으로 램 실린더의 단지 일부분(즉 피스톤의 하측부)이 유체 연결되는 통로의 구성을 기술하고 있다. WO 93/01646호 및 WO 93/01577호 모두는, 피스톤의 상부가 직접적으로 또는 배기 저장원을 통해서 대기압으로 통기되어지도록 한다.

가스 스프링의 개별적인 힘과 힘의 그래디언트(force gradient)가 하중(load)의 크기에 대해서 최적화되어져서 장치(mechanism)에 의해 소모된 에너지가 최소가 되도록 하는, 공기압력과 전자기력의 조합을 사용하여, WO 93/01577호의 장치보다 더욱 효과적인 액츄에이터 시뮬레이터 장치의 운동을 조절하기 위한 방법을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 목적을 위하여, 각각의 램의 피스톤 아래에서 작용하는 가스 스프링은 WO 93/01577호에서와 같이 하중(load)의 지지할 목적으로만 설계되어져서는 안 되며, 램의 전자기적 작용으로부터 기인하는 포텐셜 에너지(potential energy)가 저장되어지고 잠시 후 재순환 되어질 수 있도록 하는 임시 저장원(temporary reservoir)로서 기능하여야만 한다. 이러한 에너지 순환 기술은, 전력소모를 절감시켜 성능을 개선하며 전자기적 액츄에이터의 구성 및 작동 비용을 감소시킨다.

따라서, 본 발명은 연속적인 하중 성분이 효과적인 방법으로 지지되어지도록 하는 운동부여 시스템(motion-imparting system)을 제공하는 것이다. 본 발명의 실시예의 특징은, 소위 운동-베이스(motion-base)에 적용될 때 다양한 캡슐형태를 지지하도록 용이하게 적용되어지고, 물리적으로 안정적이고 견고하며, 큰 각도의 피치운동(pitch motion) 및 롤운동(roll motion)을 발생시키는 강화된 성능을 가지며, 검사 및 서비스를 위하여 용이하게 접근할 수 있는 형태를 가지는 것이다.

본 발명의 일 특성에 따르면, 하중(load)으로 교란력(perturbing force)을 제공하는 수단과 하중(load)을 위한 컴플라이언트 지지부(compliant support)를 포함하는, 하중(load)에 운동(motion)을 부여하기 위한 장치가 제공되는데, 여기서 장치가 작동되는 동안 지지부의 컴플라이언스(compliance)내의 동적변화를 유효하게 하는 수단이 제공되어진다.

본 발명의 일 실시예에서, 힘-제공 수단(force-applying means)는 전자기적 액츄에이터이다. 많은 적용분야에서는 선형 전자기적 액츄에이터가 선호될 수도 있으나, 회전 액츄에이터(rotary actuator)가 대안적으로 채택되어질 수도 있다.

컴플라이언스(compliance)의 변화는 전자기적 액츄에이터에 적용되는 위치 요구 신호의 적분(integral)으로서 발생된 신호에 의해서 조절되어질 수도 있다.

이러한 목적을 위하여, 컴플라이언스의 변화는 하중(load)에 대해서 전자기적 액츄에이터를 움직이는데 요구되는 전류(electrical current)에 따라서 조절되어진다.

컴플라이언스 수단(compliant means)은 가스스프링이 될 수도 있고, 컴플라이언스(compliance)의 변화는 가변체적의 챔버 내에 담긴 가스의 질량(mass)을 변화시킴으로써 달성되어진다.

이러한 변화는 상기 챔버(chamber) 속으로 또는 상기 챔버로부터 가스를 출입시키는 밸브를 조절함에 의해서 달성되어질 수도 있다.

비록, 컴플라이언스 지지부(complaint support)가 유체 액츄에이터, 특히 유압식 액츄에이터를 포함할 수도 있지만, 상기 액츄에이터의 작동유체(working fluid)는 컴플라이언스(compliance)를 변화시키도록 액츄에이터로부터 또는 액츄에이터 쪽으로 안내되어질 수도 있다.

컴플라이언스(compliance)의 변화는, 예를 들어 개별적인 가스 스프링 내의 압력을 조절함에 의해서 달성되어질 수도 있다. 이러한 것은 본 발명의 일 실시예에서는, 운동(motion)하는 동안 전자기적 액츄에이터에 의해 도출된 전류를 시간에 따라 적분함으로써 이루어진다. 이러한 수단에 의해서, 실린더, 파이프 연결부 그리고 챔버로 이루어지는 컴플라이언트 지지수단(compliant support means)은 전자기적 램이 정격등급 내에서 작동될 수 있고 완전한 장치(mechanism)에 의해서 소모되는 전력을 감소시키도록 최적화되어진다.

전자기적 액츄에이터(actuator)를 포함하는 본 발명의 일 실시예에서, 전기기계의 접극자(armature)와 고정자(stator)는 실린더 장치 내의 피스톤을 포함하며, 피스톤 또는 접극자는 실린더 또는 고정자 보다 길이가 짧아지고, 항상 그 속에 완전히 포함되어지며, 실린더는 단부부재(end member)들에 의해서 양단부에서 폐쇄되고, 피스톤은 적어도 하나이상의 단부 부재들을 통해서 연장된 로드(rod) 또는 추력요소(thrust element)가 제공되어지며, 상기 단부 부재들에 에어씨일(air seal)을 제공하며, 접극자 또는 피스톤 요소들도 에어씨일이 제공되어져서 실린더를 두개의 챔버로 분할하며, 접극자(armature)는 적어도 두개이상의 반대극성의 자극(magnetic pole)을 포함하며 만일 두개 이상의 극이라면 접극자의 축방향 길이의 적어도 일부를 따라서 교번적인 극성이 되도록 배열된 자기장으로 구성되는 자기장 패턴을 발생하는 제 1 수단을 포함하며, 고정자(stator)는 적어도 두개이상의 반대극성의 극(pole)으로 되며 만일 두개이상의 자극(magnetic pole)이라면 고정자의 축방향 길이의 적어도 일부를 따라서 교번적인 극성이 되도록 배열되어진 극성으로 된 자기장 패턴을 발생시키는 제 2 수단을 포함하며, 제 2 자기장 패턴은 축방향 힘을 발생시키도록 제 1 자기장 패턴과 교차하도록 배열되어진다.

장치의 물리적 및 전기적 매개변수는, 피스톤과 접극자(armature)사이에서 필요한 축방향 전자기적 힘(electromagnetic force)이 발생되어지도록, 전기적 단자(electrical terminal)는 적어도 하나이상의 자기장 패턴의 위상(phase)과 진폭(amplitude)를 조절하기 위한 하나 또는 그 이상의 통상적인 전자 구동장치(electronic drive unit)에 연결되어지도록 배열되어진다.

원통형 접극자 내의 피스톤의 위치와 관련하여 가변적인 체적을 가지며 피스톤의 각 면상에 있는 두개의 챔버는 파이프 연결부(pipe connection)가 제공되어져서, 챔버 내의 유체의 질량(mass)이 조절되어지도록 한다. 이러한 것은, 피스톤이 전자기적 장치 및 이중작용 유체 램(fluid ram)과 같이 동시에 수행되어지도록 한다.

본 발명의 또 다른 특성에 따르면, 플랫폼의 중량(weight)을 지지하기 위한 컴플라이언스 수단(compliant means)과, 플랫폼과 기준평면(reference plane) 사이에 교란력(perturbing force)을 제공하기 위한 하나 또는 그 이상의 액츄에이터와 그리고 기준평면에 대해서 플랫폼을 변위시키도록 한 방향 또는 다른 방향으로 액츄에이터가 움직이도록 조절하기 위한 조절수단(control means)을 포함하며, 플랫폼(platform)과 기준평면(reference plane) 사이에서 다수의 자유도(degree of freedom)을 가진 상대운동(relative motion)을 조절하기 위한 장치가 제공되어지며, 컴플라이언스 지지수단(compliant support means)의 컴플라이언스(compliance)는 가변적이고, 제공된 제어신호에 따라서 컴플라이언스를 동적으로 변화시키기 위한 수단이 제공되어지는 것을 특징으로 한다.

운동 베이스(motion base)로서 형성되어진 실시예에 있어서, 운동 플랫폼(motion platform)과 고정된 기준평면 사이에는 세 개의 액츄에이터가 있을 수도 있으며, 장치의 고정된 일부가 될 수도 있다. 액츄에이터는 각각의 평면 내로 액츄에이터의 운동위치를 한정시키도록, 고정된 기준평면을 한정하는 장치의 부분으로 액츄에이터를 연결시키는 피벗(pivot) 또는 힌지(hinge)를 가진다. 이렇게 형성된 3개의 평면은, 액츄에이터의 상부 단부의 연점에 의해서 형성된 운동 플랫폼 삼각형(motion platform triangle)의 중심으로, 액츄에이터의 피벗에 의해 형성된 하부 삼각형의 중심을 연결시키는 수직선(vertical line)을 따라서 교차한다. 액츄에이터의 상부 단부는 만능 자유도(universal freedom, 6자유도)을 제공하는 조인트(joint)를 가져서, 세 개의 개별적인 액츄에이터의 길이를 선택함에 의해서 운동 플랫폼이 융기(heave), 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동의 한계 내에서 선택된 자세를 채택하도록 할 수 있다. 하중(load)의 질량(mass)의 중심은 운동 플랫폼의 중심근처 및 중심 상에 놓이며, 하부 고정된 삼각형 중심과 상부 (운동) 삼각형의 중심 사이에서 만능 자유도로 연결되어진 지지부재(supporting member)를 가지며, 지지부재의 컴플라이언스(compliance)는 운동 플랫폼의 치수에 따라서 최적화되어진다.

본 발명의 선호되는 배열에 있어서, 액츄에이터의 단부들에 의해서 한정된 상부 운동 삼각형(upper motion triangle)은 기준평면을 한정하는 장치(mechanism)의 고정된 부분 상의 대응되는 삼각형 보다 크기가 작아서, 제한된 스트로크(stroke)의 액츄에이터가 피치(pitch) 및 롤(roll)에서 운동 플랫폼의 허용가능한 편차를 발생하도록 하며, 운동 플랫폼으로 캡슐을 부착시키는 문제점을 단순하게 한다.

특히 운동 플랫폼의 작동위치에 있는 수평면과 액츄에이터 사이의 각도는 약 45도이다. 중앙 지지부(central support)는 간단한 부재 또는 어셈블리가 될 수도 있고, 금속 또는 플라스틱 스프링, 액체(liquid)가 액츄에이터 내의 피스톤 상에서 작용하는 공압식 램(pneumatic ram) 또는 램이 될 수도 있고, 피스톤으로부터 이격된 액체의 표면은 저장원 내의 가스에 의해서 가압되어진다.

대안적으로, 컴플라이언스 지지부재는 고정 플랫폼과 이동 플랫폼의 벨로우즈 유닛과의 계면(interface)에서 유니버설 조인트(universal joint)가 필요하지 않는 장점을 가진 벨로우즈 유닛(bellows unit)이 될 수도 있으며, 벨로우즈의 수축된 길이(collapsed length)는 확장된 길이의 절반보다 작을 수 있다. 또한, 벨로우즈는 미끄럼 피스톤(sliding piston)을 위하여 요구되는 것과 같은 내부 미끄럼 씰(internal sliding seal)이 필요하지 않는다. 다른 대안으로서, 또는 추가하여, 중앙 지지부(central support)는 다수의 가압된 가스 스트럿(gas strut)으로 부터 형성되어질 수도 있어서, 운동 플랫폼이 최소한의 높이나 또는 하중위치(loading position)를 채택할 때, 대부분의 지지력(supporting force)를 제거하는 오버-센터(over-center) 토글 작용(toggle action)을 제공하도록 배열되어진다.

선호적으로 액츄에이터는 전지기적 액츄에이터이며, 상부 운동 삼각형(motion triangle)의 정확한 중심에 가까운 이상적인 위치로부터 운동 플랫폼의 질량이 중심의 위치의 실제적인 편차(deviation)를 조절할 수 있도록 충분한 추력(thrust)의 저장력을 가지도록 설계되어진다.

운동부여 시스템(motion-imparting system)(이하에서는 운동 베이스라 칭함)이 작동 중일 때, 캡슐이 연속적으로 복귀되어져야만 하는 중앙의 직선 위치가 존재한다. 폐쇄된 캡슐의 점유자는 이러한 연속적인 중심잡기 작용(centering action)을 알아차리지 못하며, 다른 운동의 배경에 혼합되어지도록 주의깊게 조절 되어진다. 제 1 장소에서 캡슐을 이동시키는 것만큼 캡슐을 초기위치로 복귀시키는데 많은 에너지가 필요하며, 상기 에너지는 스프링 시스템에 저장되어질 수도 있다. 나아가, 유료하중(payload)의 질량의 중심은 운동 플랫폼의 중심 위쪽에 변함 없이 있기 때문에, 스프링 작용과 같은 수단에 의해서 억제되어져야만 하는, 피치(pitch) 또는 롤(roll) 운동을 보조하는 상당한 토크(torque)가 있다. 그럼에도 불구하고, 스프링 서스펜션(spring suspension)에 의해서 생성된 복원력(restoring force)은 너무 커서는 안 되는데, 그렇지 않으면 초기 복귀를 야기시키는 불균형적으로 큰 액츄에이터 힘을 요구하게 된다.

WO 93/01577의 원리를 6-램, 6-축 운동 플랫폼(Stewart 플랫폼으로 알려짐)의 공통된 형태에 적용하고자 하는 시도가 행해졌을 때, 수많은 어려움에 직면하게 되었다. 특히, 운동 플랫폼의 중심 위쪽의 높이에 따라 정적인 하중(static load)이 특정한 한계를 초과한다면, 장치(mechanism)는 조합된 전방운동 및 피치운동(pitching motion)에 의해서 "급강하(nose-dive)" 하는 경항을 가지게 되고, 이로부터 전자기적 힘(force)만으로는 회복될 수 없다. 이러한 결합은 기계의 유료하중 및 사용성에 심한 제약을 주게 된다.

따라서 다른 특성에서, 본 발명은 Stewart에 의해서 먼저 발표된 바와 같이 배열된 6개의 액츄에이터를 사용하여 6개의 자유도(universal freedom)를 가지는 운동부여 시스템(motion-imparting system)을 제공하는데, 여기서는 국제특허출원 WO 93/01577호에서 기술된 개념, 즉 중량균형 시스템(weight counterbalancing system)은 적용되지 않지만, 정적하중을 지탱하기 위한 힘(force)은 상이한, 효과적인 방법으로 제공되어져서, 주어진 유료하중(payload)을 위한 액츄에이터 상의 전자기적 전력수요는 크게 감소되어지며, 따라서 유료하중의 한계를 증가시키고, 장치의 동적성능을 개선시킨다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 운동 플랫폼의 중량(weight)을 지지하기 위한 수단(means)과 플랫폼과 기준평면(reference plane)사이에 간헐적인 힘(intermittent force)을 제공하기 위한 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(actuator)와 그리고 기준평면에 대해서 플랫폼의 위치 또는/및 방향을 변하도록 하는 각각의 액츄에이터를 조절하기 위한 조절수단(control means)을 포함하는, 운동 플랫폼과 기준평면 사이에서 다수의 자유도로 상대운동을 조절하기 위한 장치가 제공되어지며, 운동 플랫폼의 무게를 지지하기 위한 수단은 상기 각각의 액츄에이터와 관련된 가각의 컴플라이언트 지지부재(compliant support member)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, Stewart 플랫폼의 이상적인 경우에 있어서, 삼각형(triangle) 상에 놓이는 운동 플랫폼의 세 지점은, 액츄에이터와 고정된 플랫폼 사이의 계면(interface)에서 유니버셜 자유도(universal freedom)를 제공하는 조인트를 가지며 액츄에이터와 운동 플랫폼 사이에 유사한 조인트를 가지는 6개의 전자기적 액츄에이터에 의해서 기준평면을 한정하는 장치(mechanism)의 부분 상의 삼각형을 한정하는 세 개의 대응되는 지점에 연결되어져서, 6개의 개별적인 액츄에이터 길이를 선택함에 의해서 운동 플랫폼이 융기(heave), 써지(surge, 물결침), 스웨이(sway, 좌우로 흔들림), 요(yaw, 한쪽으로 흔들림), 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동과 같이 일반적으로 알려진 운동의 어떠한 조합으로도 될 수 있는 운동에 의해서 다양한 방향성을 가지도록 움직여질 수도 있다. 하중(load)의 질량중심은 운동 플랫폼의 중심 상에 또는 그 가까이에 위치되어지는 것이 선호되며, 운동 플랫폼 원(circle)의 직경은 고정된 기준평면 원의 직경에 최적의 비율을 가진다. 여기서 플랫폼 또는 평면의 "원(circle)" 이라는 용어는 액츄에이터의 단부에서 플랫폼 또는 기준평면에 대한 부착지점 주위를 둘러싸는 원을 의미한다. 각각의 전자기적 램(electromagnetic ram)은 개별적인 스프링과 관련되어지거나, 도는 개별적인 스프링의 출력 액츄에이터(output actuator)로서도 작동하도록 설계되어지고 운동 베이스에 조립되어지며, 스프링은 중앙의 직선위치에서 운동 플랫폼의 중량(그리고 그 위의 어떠한 하중)도 지지하도록 되어진다.

본 발명의 특징은 스프링 속도(spring rate)가 장치의 전력소모(power consumption)에 대해서 최적화되어지고, 각각의 개별적인 스프링에 의해서 발휘되는 힘(force)은 주어진 시간 간격에 걸쳐서 관련된 액츄에이터 전류의 적분(integral)을 0으로 감소시키도록 모니터링 시스템(monitoring system)에 의해서 선호적으로 조절되어지는 것이다.

상부 운동 원(upper motion circle)은 기준평면을 형성하는 장치의 고정부분상의 대응되는 원 보다 크기가 작으며, 두개의 반경의 비율은 전력수요를 최적화하도록 선택되어진다. 베이스 치수의 최적의 비율은 1:1.5 정도이다.

모두 6개의 액츄에이터가 50％의 확장상태(extension)에 있을 때 액츄에이터와 수평평면(horizontal plane) 사이의 각도가 대략 45도가 되도록 두개의 반경의 실제적인 값들은 선택되어진다.

만일 가스스프링 서스펜션(gas spring suspension)이 채택되어진다면, 액츄에이터가 밀폐된 체적으로 완전히 팽창되어질 때, 액츄에이터가 완전히 수축되어질 때, 각각의 가스 스프링 시스템의 씰링된 부피의 비율은 장치의 작동 전력 소모를 최소화하도록 선택되어진다. 상기 가스 스프링 체적의 최적의 비율은 1.8 정도로 고려되어진다.

각각의 액츄에이터의 전류의 크기 및 방향을 모니터링 하기 위한 수단이 제공되어지는 것이 선호되며, 각각의 가스 스프링 내의 압력은 작동되는 동안 이에 대해서 주기적으로 조절되어지도록 배열되어져서, 선택된 시간주기에 걸쳐서 전력수요의 적분된 대칭성을 유지하도록 되어진다.

본 발명의 실시예에 있어서 운동 플랫폼의 세 지점은, 액츄에이터와 기준평면 사이의 그리고 액츄에이터와 운동 플랫폼 사이의 연결부에서 유니버셜 자유도(universal freedom)을 가지는 액츄에이터에 의해서 기준평면을 형성하는 장치(mechanism)의 고정된 부분 상의 대응되는 세 개의 지점에 연결되어지도록 되어서, 3개의 개별적인 램 길이의 선택에 의해서 운동 플랫폼이 융기(heave), 피치(pitch) 및 롤(roll)운동 시 액츄에이터의 운동한계 내에서 임의의 선택된 자세를 채택하도록 이동되어질 수도 있다. 하중(load)의 질량 중심은 운동 플랫폼의 중심 근처에 위쪽에 놓이도록 위치되어지는 것이 선호되며, 기준평면의 중심과 운동 플랫폼의 중심 사이에서 유니버설 자유도(universal freedom)로 연결된 지지부재(supporting member)를 가지는 것이 선호된다. 여기서, 플랫폼 또는 평면의 중심은 세 개(또는 여섯 개)의 액츄에이터로의 세 개의 연결지점에 의해서 형성된 삼각형의 중심인 것으로 이해된다. 지지부(support)의 스프링 속도(spring rate)는 플랫폼 및 하중(load)의 매개변수에 최적으로 되는 것이 선호된다.

본 발명의 선호되는 실시예에 있어서, 운동 플랫폼으로의 액츄에이터 연결부의 삼각형은, 기준평면을 형성하는 장치(mechanism)의 고정된 부분 상의 대응되는 삼각형보다 크기가 작아져서, 제안된 스트로크(stroke)의 액츄에이터 램이 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동시 상부 플랫폼의 허용가능한 편차(deviation)를 생성시키게 되며, 운동 플랫폼으로 캡슐을 부착하는 문제점를 간단하게 한다. 운동 플랫폼의 크기에 대한 고정평면(reference plane)을 형성하는 고정된 (베이스) 플랫폼의 크기의 비율은 대략 1.5:1 이다.

모두 3개의 액츄에이터가 운동 플랫폼의 직선의 작동위치에 있을 때, 액츄에이터와 수평평면 사이의 각도는 대략 45도인 것이 선호된다.

특히 중심 지지부재(central support)는 벨로우즈 유닛(bellows unit)인 것이 선호된다. 이것은 벨로우즈의 상부단부 및 하부단부가 기준평면을 한정하는 고정된 베이스와 운동 플랫폼에 직접적으로 고정되어질 수도 있는 장점을 가진다. 벨로우즈의 수축된 길이(collapsed length)는 확장된 길이의 절반보다 작게 될 수도 있고, 내부 슬라이딩 씨일(internal sliding seal)이 필요없다. 벨로우즈 어셈블리의 특성들 중 하나는, 수직 축 방향에서 수직운동을 허용하며, 벨로우즈 상부단부가 하부 단부에 대해서 임의의 피치(pitch) 또는 롤(roll) 각도에서 경사질 수도 있지만, 측면 병진운동(서지(surge) 또는 스웨이(sway))를 용이하게 허용하지 않고, 축 방향 회전(요, yaw)운동을 전혀 허용하지 않는다는 점이다. 따라서, 벨로우즈 어셈블리는 가스 스프링 유닛 및 억제장치(restraint mechanism) 모두로서 기능할 수 있다.

액츄에이터는 상부운동 삼각형의 정확한 중심 가까이에 있는 이상적인 위치로부터 운동 플랫폼의 질량중심 위치의 실제적인 편차(deviation)를 수용할 수 있도록, 충분한 추력(thrust) 저장능력을 가지도록 설계된 전자기적 램(electromagnetic ram)인 것이 선호된다.
본 발명의 다양한 실시예들은 첨부된 도면과 관련하여 실례로써, 더욱 구체적으로 기술되어진다.

도 1은 본 발명의 실시예로서 형성된 액츄에이터(actuator)의 축방향 단면도

도 2는 본 발명의 제 2 실시예로서 형성된 액츄에이터와 제어성분(control component)의 개략적인 모습

도 3은 액츄에이터를 위한 대안적인 제어구성의 개략적인 모습

도 4는 추가적인 제어구성의 도시한 모습

도 5는 공지기술의 운동부여장치(motion-imparting device)의 개략적인 사시도

도 6은 공지기술로 알려진 운동부여장치(motion-imparting device)의 대안적인 형상의 개략적인 사시도

도 7은 본 발명의 원리에 따라서 형성된 운동부여장치(motion-imparting device)의 개략적인 사시도

도 8은 본 발명의 추가적인 실시예의 개략적인 사시도

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예의 개략적인 사시도

도 10은 본 발명의 추가적인 실시예로서 형성된 Stewart 플랫폼(platform)의 개략적인 다이아그램

도 11은 도 10에서 도시된 플랫폼을 위족에서 본 평면도

도 12는 제 1 작동구성으로 도시된 도 10의 실시예의 개략적인 모습

도 13은 기준평면(reference plane)이 운동 플랫폼(motion platform)보다 작은 또 다른 실시예를 도시하고 있는 다이아그램

도 14는 도 12의 실시예의 평면도

도 15는 도 13의 실시예의 평면도

도 16은 운동 플랫폼(motion platform)이 우측으로 변위된 것을 도시하고 있는 도 12의 실시예의 평면도

도 17은 도 15에서 도시된 구성에 대해서 우측으로 변위된 운동 플랫폼을 가진 도 13의 실시예의 평면도

도 18은 본 발명의 실시예로서 형성된 Stewart 플랫폼의 최적의 치수(dimension)을 도시한 개략적인 평면도

도 19는 본 발명의 실시예로서 형성된 전형적인 Stewart 플랫폼 운동부여장치(motion-imparting apparatus)의 전력소모(power consumption)에 대한 3차원 그래프

도 20은 운동형태에 따라서 액츄에이터 상의 전력수요(power demand)가 어떻게 변화되는지를 도시한 다이아그램

도 21A와 도 21B는 본 발명의 실시예로서 형성된 액츄에이터를 위한 제어 순서(control sequence)를 도시한 다이아그램

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 실린더 2 : 단부면

3 : 에어 씨일 4a,4b : 파이프 연결부

5 : 씨일링(sealing) 6 : 베어링 링

7 : 추력튜브 8 : 피스톤

9,10 : 밸브 (valve) 11 : 압력제어유닛

12 : 전자기력 제어유닛 13 : 위치명령

14 : 위치 피이드백 신호 15 : 신호

17 : 제어라인 20,21 : 변환기

25 : 모터 26 : 출력요소

27 : 공압식 램 28 : 연결부

31 : 베이스 플랫폼 32 : 운동 플랫폼

33 : 램(ram) 34 : 힌지

41 : 하부 플랫폼 42 : 상부 플랫폼

43 : 램(ram) 45 : 지지부재

51 : 운동 플랫폼 52 : 베이스 플랫폼

53 : 램(ram) 54,55 : 반경

56,57 : 램(ram)

첨부된 도면과 관련하여, 도 1에서 도시된 액츄에이터(actuator)는 실린더(cylinder) 또는 고정자(stator) (1) 내에서 운동하는 피스톤(piston) 또는 접극자(armature) (8)를 포함한다. 상기 피스톤은 에어씨일(air seal, 3)을 통해서 단부부재(2)들 중 하나를 통해 연장구성된 로드(rod) 또는 추력튜브(thrust tube)(7)에 연결되어진다. 씨일링(seal ring, 6)이 피스톤(8)에 맞추어져서, 파이프 연결부(pipe connection, 4a,4b)를 통해서 적절하게 가압되어지거나 진공화되어지는 두개의 챔버(chamber)로 실린더를 나누도록 한다. 피스톤은 베어링 링(bearing ring, 6)으로 맞추어지는데, 상기 베어링 링은 피스톤이 장치의 중심축을 따라서 부드럽게(smoothly) 운동하도록 피스톤의 위치를 구속하는 기능을 한다.

포트(port)가 닫혀질 때, 에어씨일(5)의 작용은 실린더 내에서의 피스톤의 운동이 챔버들 중 하나에서는 가스가 압축되도록 하고, 다른 챔버 내에서는 가스가 팽창하도록 하는 것으로 이해되어진다. 어떠한 경우에서도, 전력(electric power)의 부재시에 피스톤을 기준위치(datum position)로 복귀시키는 힘(force)이 생성되어진다. 두개의 챔버(chamber)내에서 밀폐된 가스의 질량(mass)을 조절함에 의해서 두개의 스프링에 의해서 생성된 힘(force)은 사전-결정되어지게 되고, 두개의 충진 압력(charging pressure) 사이의 비율을 선택함에 의해서 기준위치(또는 평형위치)가 사전설정 되어지게 된다. 가스 스프링(gas spring)의 속도(rate)를 낮은 값으로 감소시킬 필요가 있을 때, 단부부재(2)의 구성은 각각의 챔버에 외부 저장원(reservoir)을 연결하도록 변경되어진다.

포트(port)에 연결된 라인(line) 내의 (도시되지 않은) 공압식 밸브(pneumatic valve)가, 하중(load)의 주기적(cyclic) 또는 유사-랜덤적(pseudo-random) 위치설정(positioning)을 위한 구동유닛(drive unit)에 의해 전력을 받을 때 램(ram)에 의해서 도출된 전류(electrical current)에 따라서 조절되어질 수도 있는 것을 특징으로 하는 수단(means)이 다음에서 기술되어진다. 램(ram) 내의 전기적 구동전류의 대칭성과 관련하여, 대항된 가스스프링의 매개변수의 준-연속적 조절을 위한 설비(facility)를 제공함에 의해서, 램에 의해서 소모되는 전력을 최소화할 수 있고, 따라서 물리적 사양에서 현저한 경제적인 효과를 가져온다.

도 2에서, 본 발명은 전자기적 램(electromagnetic ram)에 적용되어지는 것을 도시하고 있다. 피스톤(8)은 실린더(1)의 내부를 두개의 챔버 A, B로 나누는 씰(seal, 5)을 가진다. 각각의 챔버 내의 가스의 질량(mass)은 압력제어유닛(pressure control unit, 11)에 의해 전력을 공급받는 밸브(valve, 9,10)에 의해서 제어되어진다. 램(ram)에 의해서 생성된 전자기력(electromagnetic force)은, 램 출력로드(ram output rod) 또는 추력튜브(thrust tube)(7)에 연결된 (도시되지 않은) 적절한 트랜스듀서(transducer)로부터 위치명령(position command, 13)과 위치 피드백 신호(position feedback signal, 14)를 받는, 유닛(unit, 12)에 의해서 제어되어진다. 상기 유닛(12)은 제어라인(control line, 17)을 따라서 램(ram)에 전력(power)을 공급한다. 램 위치선정 제어기(ram positioning controller, 12)에 의해서 생성된 신호(signal, 15)는, 압력제어유닛(pressure control unit, 11)이, 다음에서 실례로 기술되어지는 바와 같이 작동하도록 되는, 의미있는 공정변수(process parameter)이다.

만일 램(ram)이 상기에서 언급된 종류의 운동 베이스(motion base)의 일부로서 사용되어진다면, 챔버 B의 체적은 대기압력으로 유지되어지도록 된다. 밸브(9)유닛은 제시되지 않으며, 챔버 B로의 포트(port, 4b)는 큰 구멍(bore)을 가지도록 배열되어져서 공기(air)가 주변환경으로부터 그리고 주변환경 속으로 자유롭게 통하도록 한다. 또한, 개방된 단부구성을 채택함에 의해서 챔버 B가 제거되도록 램이 구성되어질 수도 있다. 충분히 낮은 스프링 속도(spring rate)를 달성하도록 하기 위하여, 챔버 A가 넓은-구멍의 튜브(tube)를 통해서 외부 저장원(external reservoir)에 연결되어지는 것이 필요할 수도 있다. 이와 유사한 사항이, 램이 수직축 상에서 하중(load)를 지지하는데 요구되어지는 산업분야 또는 예를 들어 리프트(lift)와 같은 다른 분야에도 적용된다.

액츄에이터에 의한 전류수요(current demand)가 챔버 A의 부피를 증가시키거나 반대되는 방향으로 주로 소모된다고 매개변수(parameter, 15)가 표시할 때, 압력제어유닛(pressure control unit, 11)은 챔버 A 내의 가스의 질량(mass)을 증가시키도록 밸브(10)를 통해서 작동한다. 이러한 수단에 의해서, 공압식 시스템(pneumatic system)은 램에 의해서 소모되는 전류를 최소로 감소시키고, 시스템의 효율을 증가시킨다. 이러한 배열은 어느 하나의 방향으로 공기누출(pneumatic leak)에, 온도변화 그리고 작동 사이클 내의 변화 또는 램에 의해 만들어진 준-랜덤(quasi-random) 운동순서를 허용하는 것으로 이해되어진다. 이것은 사하중(deadload) 값의 변화에 대해서 자가보상(self compensating)하며, 임의의 시간에 "파킹(parking)" 위치로 램을 이동시키는데 적용되어진다. 시스템의 수학적인 분석은, 압력조정(pressure adjustment)은 최종평형 부위에서의 에러(error)에 관용적이며, 제어루프(control loop)는 매우 안정적임을 나타낸다.

램(ram)이 챔버 A의 부피를 감소시키는 경향이 있는 일정한 힘(예를 들어 중력)을 경험하지 않는 경우를 고려해 본다. 예를 들어, 램은 작은 마찰계수를 가지는 수평 트랙(horizontal track) 상에서 반복적인 사이클(cycle)에 걸쳐서 관성하중(inertial load)을 위치시키는데 이용되어질 수도 있다.

이때, 램 위치선정 제어기(11)는, 적어도 하나이상의 전체 사이클 운동에 걸쳐서 또는 유사-랜덤 운동(pseudo-random motion)의 경우에 있어서는 상당한 시간 간격에 걸쳐서 평균된, 위치 트랜스듀서 신호(위치 피드백 신호, 14)의 값으로부터 램의 평균위치를 계산하는데 요구되어진다. 다음으로 램 위치선정 제어기(12)는 램에 의해 도출된 즉각적인 전류를 측정하고, 이때 산출된 평균위치(mean position)로부터 램의 거리로 상기 값을 곱하는(multiply) 것이 요구되어진다. 상기 "전류모멘트(current moment)" 의 합은 공정변수(process parameter, 15)로서 밸브 제어기(압력제어유닛, 11)로 전달되어진다.

다음으로, 챔버 A의 체적을 증가시킴에 의해서 램을 중앙위치로 이동시키는 경향이 있는 힘(force)의 방향으로 전류가 주로 소모된다고 공정변수(15)가 표시할 때, 램 위치선정 제어기(11)는 챔버 A 내의 가스의 질량(mass)을 증가시키도록 작동한다. 만일 반대방향으로 전류소모가 우세하다고 표시된다면, 램 위치선정 제어기(11)는 챔버 A 내의 가스의 질량(mass)을 감소시키도록 배열되어진다.

램(ram)이 계산된 평균위치에 있을 때 피스톤(piston, 8)의 두개의 대향된 측면 상의 압력이 평형되도록, 챔버 B 내의 압력은 배열되어진다.

도 2에서 도시된 바와 같이, 시스템은 저역필터(low-pass filter)를 통해 밸브(9,10)로부터 라인(line) 속으로 향하는 압력 변환기(pressure transducer, 20,21)를 포함한다. 압력 변환기(20)는 챔버 B 내의 평균압력을 나타내고, 압력변환기(21)는 챔버 A 내의 평균압력을 나타낸다. 이때 압력제어유닛(11)은, 챔버 B 내의 피스톤 표면적에 의해 곱해진 압력변환기(20) 내의 압력값이 챔버 A 내의 피스톤 표면적에 의해 곱해진 압력변환기(21) 내의 압력값과 동일하도록 작동된다. 이러한 균형기능(balancing function)은, 특정한 기계적 적용분야에서 선호되는 배열이 되는, 프리셋 비율 장치(preset ratio facility)를 가지는 격막-작동 공압식 압력 제어기(diaphragm-actuated pneumatic pressure controller)를 사용함에 의해서 더욱 간단하게 수행되어질 수도 있다.

가스스프링(gas spring)의 스프링 속도(spring rate)를 감소시키는 기능을 하는 외부 저장원(external reservoir)은, 시스템이 요구되는 동적인 힘의 프로파일(dynamic force profile)에 따라서 챔버 A와 챔버 B에 연결되어지거나 또는 연결되어지지 않을 수도 있다.

도 3은 공기력(pneumatic force)이 드라이브 출력(drive output)에 직접적으로 적용되어지도록 하는 형태로 구성되어지지 않는 선형 전기모터 드라이브(electric linear motor drive)에 본 발명이 적용되는 것을 도시하고 있다. 예를 들어, 선형 모터(linear motor)는 3상 서보모터 드라이브 유닛(three-phase servomotor drive unit)에 연결하는데 적합한 영구자석 접극자(permanent-magnet armature)을 이용하는, 개방된 평면 구성이 될 수도 있다. 이러한 경우에 있어서, 선형 모터(25)와 출력요소(26)는 적절한 수단인 연결부(28)에 의해서, 아래에서 기술되어지는 바와 같이, 피스톤(8)과 챔버 A, B 등을 가지는 공압식 램(pneumatic ram, 27)에 결합되어진다.

작동모드(mode)는 동일하다. 만일 하중(load)이 일정하다면(예를 들어, 중력), (가스 스프링 시스템의 출력요소를 형성하는) 램(ram, 27)의 챔버 B는 대기에 통기되어지고, 챔버 A 내의 가스의 질량(mass)은 반대방향으로 추력(thrust)를 위하여 전류수요가 균형을 이루도록 조절되어진다. 만일 하중(load)이 관성력(inertial)이라면, 한 챔버 내의 압력은 액츄에이터의 평균위치에 대해서 전류수요 모멘트의 균형을 이루도록 조절되어지고, 다른 챔버 내의 압력은 시스템의 평균위치에서 피스톤(8) 상의 힘이 균형을 이루도록 조절되어진다.

도 4는 본 발명이 회전모터(rotary motor)에 의해 동력을 받는 선형 위치선정 장치(linear positioning device)에 적용되어지는 것을 도시하고 있다. 이러한 실례에서, 벨트구동 배열(belt-driven arrangement)이 선택되어지지만, 본 발명은 예를 들어 기어 크랭크 드라이브(geared crank drive) 또는 볼 스크류 액츄에이터(ballscrew actuator)에 동일하게 적용될 수도 있다.

여기서 회전 모터(motor, 25)는 벨트(belt, 30)에 의해서 캐리지(carriage, 29)를 이동시킨다. 출력요소(output element, 26)는 적절한 연결부(connection, 28)에 의해서 가스 스프링에 연결되어진다. 중력하중 또는 관성하중을 위한 시스템이 작동은 상기에서 기술되어진 바와 같으며, 다양한 요소들의 도면부호도 동일하게 기재된다.

본 발명은 전체 스프링 힘이 가스 스프링 또는 유닛(11)과 밸브(9,10)에 의해서 제어되어지는 스프링에 의해서 제공되어지는 기계(machine)로 제한되는 것은 아니라는 것이 이해되어진다. 위치선정 장치(positioning mechanism)가, 가스 스프링 또는 금속스프링인지에 관계없이 그 특성이 장치(mechanism)의 에너지저장원(energy-storage reservoir)의 일부를 제공하도록 사전설정된, 추가적인 스프링과 맞추어지는 일부를 형성하는 기계인 것이 선호된다.

기계의 효과적인 작동을 위하여 요구되는 모든 스프링 힘은, 조정할 수 있도록 전기모터(electrical motor)의 전류 드레인 특성(current drain characteristics)을 따르는 숙련자에 의해서 정확한 값으로 수동적으로 설정되어지는 금속 스프링 또는 가스스프링에 의해서 제공되어질 수도 있는 것으로 이해된다.

도 5와 관련하여, 고정(stationary) 또는 베이스 플랫폼(base platform)은 도면부호 (31)에 의해서 표시되어지고, 운동 플랫폼(moving platform)은 도면부호 (32)로 표시되어진다. 램(ram, 33)은 고정요소와 운동요소 간에 상호연결부를 형성한다. 램의 길이를 적절하게 변화시킴으로서, 운동 플랫폼의 위치 및 자세가 고정 플랫폼에 대해서 변화될 수 있다는 것이 이해되어진다. 각각의 램은 연장 또는 수축하기 때문에, 램과 수평표면 사이의 각도는 변화되어야만 한다는 것이 이해되어진다. 램은 그 하부 힌지(lower hinge, 34) 둘레에서 수직평면에서 회전한다.

플랫폼의 피치(pitch)와 롤(roll) 성능을 강화하고, 제작, 서비스 및 유지보수를 위하여 장치(mechanism)의 접근성을 개선하기 하도록, 삼각대(tripod)가 도 6에서 도시된 형태를 채택하도록 구성되는 것이 본 발명의 특징이다. 상기 도 6에 있어서, 상부 플랫폼(운동 플랫폼, 42)은 하부 플랫폼(기분평면, 41) 보다 더 작다. (가장 큰 응력을 지탱하는 기계요소인 전자기적 액츄에이터와 같은) 램(43)의 하부 단부에서의 힌지(hinge) 또는 피벗(pivot)은 운동 베이스(motion base)의 최외곽에 있고, 힌지들과 램의 주 몸체들을 조립, 검사 및 유지보수를 위하여 더욱 접근이 쉽도록 한다. 고정된 플랫폼(fixed platform)의 표면은 억제 프레임(restraint frame)에 의해서 방해받지 않으며, 만일 필요하다면 중앙영역으로 깨끗하게 접근할 수 있다. 이러한 구성의 추가적인 장점은, 운동 플랫폼과 시뮬레이터 캡슐(simulator capsule) 사이의 계면(interface) 면적이 감소되어지며, 캡슐 바닥의 설계와 캡슐 접근(capsule access)을 위한 배열에 더 작은 제약을 준다는 것이다.

그러나, 도 6에서 도시된 장치(mechanism)는 극단의 운동의 경우에 운동 플랫폼인 상부 플랫폼(42)과 수평면 사이의 각도가 하나이상의 램(ram, 43)과 수평면 사이의 각도보다 커질 수도 있어서, 결과적으로 장치(mechanism)가 잠금위치로 얽매이게(toggle) 된다는 단점을 가진다. 이를 방지하기 위하여, 상부 플랫폼(42)과 하부 플랫폼(41) 그리고 램의 길이의 상대적인 치수가, 토클작용(toggle action)이 일어나지 않도록 비례되어진다. 일반적으로, 상부 플랫폼(42)의 크기에 대한 고정된 하부 플랫폼(41)의 크기의 비율은 감소되어진다. 도 7은 이러한 개선사항을 도시하고 있는데, 동일한 도면부호를 가지는 장치의 요소들은 도 6의 실시예에서와 같은 도면부호를 가진다.

도 8은 중앙의 수직 컴플라이언트 지지부재(support member, 45)를 가지고 있는 실시예를 도시하고 있는데, 상기 컴플라이언트 지지부재에 의해서 상부 플랫폼(42)의 정하중(static load)은 연속적인 힘(force)을 생성시키는데 전자기적 액츄에이터와 같은 램(ram, 43)의 필요성을 제거하도록 반작용(counteract)한다. 상기 중앙 컴플라이언트 지지부재의 수직 스프링 속도(spring rate)는 운동 베이스의 일반적인 설계와 작동 매개변수에 따라서 최적화 되어질 필요가 있다. 만일 중앙 컴플라이언트 지지부재가 가스 스프링 액츄에이터라면, 적절한 체적의 (도시되지 않은) 인접한 가압 가스저장원(pressurized gas reservoir)과 연통할 필요가 있을 수도 있다.

대안적으로 단일의 수직 액츄에이터는, 운동 플랫폼이 상승하고 하강할 때 수직평면(vertical plane)에서 각을 이루면서 회전하도록 균형잡힌(proportioned), 운동 삼각형(motion triangle)의 중심(centroid)를 향하여 안쪽으로 각진(angled) 두 개 또는 그 이상의 액츄에이터에 의해서 대체되어지거나 또는 보조되어진다. 각진 액츄에이터는, 필요할 때 하중위치(loading position)로 운동 플랫폼(motion platform)을 고정(clamp)하는데 사용되어질 수도 있는 오버센터 작용(over-centre action)을 가지도록 배열되어진, 차량 부트 리드(car boot lid)를 지지하는데 사용되어지는 것과 같은 사전-압축된 가스 스트럿(gas strut)일 수도 있다.

도 9는 중앙의 수직 벨로우즈 유닛(bellows unit)을 가진 실시예를 도시하고 있는데, 상기 벨로우즈 유닛에 의해서 운동 플랫폼인 상부 플랫폼(42)의 사하중(dead load)은 연속적인 힘(force)을 생성시키는데 전자기적 램(ram, 43)의 필요성을 제거하도록 반작용(counteract)한다. 상기 중앙 벨로우즈 유닛의 수직 스프링 속도(spring rate)는 운동 베이스의 일반적인 설계와 작동 매개변수에 따라서 최적화 되어져야만 한다. 이러한 것은 벨로우즈의 신축성 부분(flexible part)가 선택된 높이의 중앙 강성 초석(central rigid plinth) 상에서 장착되어질 수도 있는 것을 의미한다(상기 강성 초석은 도 8에서 별도로 도시되지는 않았다).

벨로우즈의 스프링 작용(spring action)은, 운동 플랫폼(motion platform)이 상승하고 하강할 때 수직평면(vertical plane)에서 일정각도로 회전하도록 배열되어진, (도시되지 않은) 두 개 또는 그 이상의 가스 스트럿(gas strut)에 의해서 강화되어질 수도 있다. 이러한 것들은, 벨로우즈 유닛을 감압시킬 필요없이, 필요할 때 하중위치로 운동 플랫폼을 고정(clamp)하는데 사용되어질 수도 있는 오버센터 작용(over-centre action)을 가지도록 배열되어져서, 따라서 압축공기의 소모량을 감소시키게 된다.

중앙 억제부재(central restraint member)로서 벨로우즈 유닛의 사용은, 벨로우즈 또는/및 가스 스트럿에 의해서 발생된 힘(force)과 조합하여 또는 그 대신에, 개별적인 가스 스프링으로서 작동할 수도 있도록 전자기적 액츄에이터의 연결 및 장착을 위한 어떠한 배열도 배제하지는 않는다. 전자기적 액츄에이터가 가스 스프링 요소로서도 사용되어질 때, 액츄에이터 전류의 장기간 적분(long-term integral) 그리고 전력소모를 최소화하도록 압력의 주기적인 조절을 위한 수단이 제공되어지는 것이 선호된다.

본 발명의 운동부여장치(motion-imparting device)는, 부재 중 하나(베이스 플랫폼)는 고정되는 것으로 고려되어질 수도 있고, 다른 부재(운동 플랫폼)는 액츄에이터에 의해서 위치되어지는 것으로 고려되어질 수도 있는 장치(mechanism)로 구성된다.

도 10은 Stewart 플랫폼의 개략적인 다이아그램을 도시하고 있는데, 상기 도면은 운동 플랫폼(51)이 램(ram, 53)에 의해서 베이스 플랫폼(52)의 위쪽에서 지지되어지는 것을 보여주고 있다. 상기 다이아그램에서, 운동 플랫폼 원주(circle)의 반경(radius, 54)은 베이스 플랫폼의 반경(55)보다 작다. 도 11은 이러한 내용을 평면도로 도시하고 있다.

도 12와 도 13은, 도 12에서 도시된 바와 같이 반경(radius, 54)이 반경(55)보다 작은 Stewart 플랫폼과 도 13에서 도시된 바와 같이 반경(54)이 반경(55)보다 큰 Stewart 플랫폼 사이의 개념적인 차이점을 도시하고 있다. 만일 운동 플랫폼이 전방으로(도 6에서는 우측으로) 서지(surge)되는 경우, 가스 스프링 내의 힘(force)을 고려하라. 운동 플랫폼이 베이스 플랫폼 보다 작은 경우를 위하여, 운동 플랫폼의 "전방" 에서 램(56)은 압축되어져서 플랫폼의 가장자리(edge)를 위쪽방향으로 미는 경향이 있는 힘을 생성하나, 플랫폼의 "후방" 에서 램(57)은 확장되어져서 힘의 상향 성분을 감소시키고 운동 플랫폼의 트레일링 가장자리(trailing edge)가 하강(fall)하도록 한다. 따라서, 이러한 배열은 전방으로 서지(surge)될 때 운동 플랫폼이 위쪽 방향으로 피치(pitch)되어지는 것으로 예상된다(도 16). 반대로, 유사한 이유에 의해서, 운동 플랫폼의 반경이 베이스 플랫폼의 반경보다 큰 장치(mechanism)의 거동(behavior)은, 전방으로 서지(surge)될 때 운동 플랫폼이 아랫방향으로 피치(pitch)되어지는 것으로 예상된다(도 17).

따라서, 두 개의 극단(extreme) 사이에는 서지운동(surging movement)이 상승 또는 하강경향 어느 것도 야기시키지 않는 최적의 구성이 존재하여야만 한다. 도 18의 간략화된 도면에서 도시된 바와 같이, 특정의 램 치수의 세트가 주어진다면, 상부 플랫폼 크기에 대한 하부 플랫폼 크기의 최적의 비율은 2:1이다.

도 19는 6가지의 모든 가능한 운동(융기(heave), 서지(surge), 스웨이(sway), 피치(pitch), 롤(roll) 그리고 요(yaw))의 합리적인 동시 조합을 위한 전형적인 Stewart 플랫폼 운동 베이스(motion base)의 전력 소모(power consumption)를 3차원적으로 도시한다. 하나의 축(axis)은 운동 베이스의 전력 소모가 고정 플랫폼 및 운동 플랫폼의 크기 비율에 따라서 어떻게 변하는지를 보여주며, 다른 축(axis)은 가스 스프링 시스템의 체적 비율(또는 등가의 고체 스프링 시스템의 스프링상수(spring ratio))에 따라서 어떻게 변하는지를 보여준다.

최상의 플랫폼 크기 비율은 1.5 영역에 놓여 있으며, 최상의 가스 스프링 비율은 1.8 영역 내에 놓여있는 것을 볼 수 있다. 이러한 것은 지금까지 검사된 모든 타입의 램과 운동 베이스(motion base)에 적용된다.

도 20은 가스 스프링 체적의 비율에 의해서 결정된 바와 같이, 장치(mechanism)의 운동(motion) 및 "스프링 특성(springiness)" 의 타입에 따라서 램 동력 수요(ram power demand)가 어떻게 변하는지를 도시하고 있다. 소프트(soft)하거나 또는 "평형된(counterbalanced)" 운동 베이스는 큰 가스 스프링 저장원과 작은 체적 비율을 가지며 그림의 좌측에 위치되어지나, "하드-스프링(hard-spring)" 운동 베이스는 우측으로 놓이게 된다. 예상되는 바와 같이, 스프링의 경도(hardness)가 도면의 가장자리에서 증가할 때, 동력소모는 모든 운동에서 급격하게 상승한다.

그럼에도 불구하고, 스프링 특성(springing)이 융기운동(heave motion)에 대해서 최적화되었을 때, 즉 장치(mechanism)가 "평형(counterbalanced)" 되었을 때, 피치운동(pitching motion)에 의해 소모된 동력(power)은 매우 크다는 것이 주목된다. 피치운동(pitch motion)에 의해서 소모된 동력은, "하드(hard)" 스프링 힘이 우세하게 되는 값보다 작은 최적의 값으로 시스템의 스프링 특성(springiness)을 증가시킴에 의해서 상당히 감소되어질 수 있다. 피치운동(pitch motion)이 우세한 것을 제외한 베이스 운동의 다른 모드(mode)에서도 유사한 최적의 현가 특성(suspension characteristics)이 있다(WO 93/01577의 개념이 주로 피치모드에서 실패한 것을 기억된다). 본 발명의 원리는 Stewart 플랫폼으로 알려진 6축 운동 시스템과 관련하여 상세히 설명되어지며, 이는 WO 93/01577에서 언급된 3축 시스템과 같은 다른 종류의 운동 베이스(motion base) 및 본 출원인의 계류중인 특허출원에서 설명된 다양한 다른 운동 베이스의 설계에도 동일하게 적용된다는 것이 이해되어진다.

시뮬레이터 장치(simulator mechanism)는 안정화된 플랫폼(stabilised platform) 내에서 등가의 거울상(mirror image)을 가지며, 여기서 상부 플랫폼이 정적으로 유지되도록 하부 플랫폼은 램의 상대운동(relative motion)에 의해서 무효로(negate) 되어져야만 하는 운동을 받게된다. 따라서 여기서 기술된 운동 베이스 메커니즘의 최적화된 디자인은 Sewart 구성에 기초한 안정화된 플랫폼에 동일하게 적용되고, 일반적인 원리도 다른 종류의 안정화된 플랫폼에 적용된다.

도 21a는, 순간위치(instantaneous position), 요구위치(demand position), 하중(load), 가속도(acceleration), 속도(velocity) 등과 같은 변수(parameter)를 변화시키는 것을 고려하여 컴플라이언스(compliance)가 가변적인, 관련 컴플라이언트 지지부(complaint support)를 가진 전자기적 액츄에이터의 제어기능의 주된 시퀀스를 도시하고 있다. 상기 실시예에 있어서, 컴플라이언스(compliance)는 요구신호에 반응하여 전자기적 액츄에이터에 의해서 도출되는 전류의 함수로서 결정되는 순간하중(instantaneous load)에 따라서 변화되어진다. 도 21a는 가스 스프링의 컴플라이언스를 변화시키는데 수행되는 단계들의 시퀀스를 도시하고 있다. 단계 (201)에서, 적절한 센서에 의해 감지된 구동 전류(drive current)는 제어 시스템으로 입력(input)으로 제공되어진다. 이러한 신호는 단계 (202)에서, 그 길이가 특정한 환경에 종속적이지만 예를 들어 오락 운동베이스의 경우에서는 3초 정도 일 수도 있는 연속적인 샘플링 기간에 걸쳐서 롤링 적분(rolling integral)으로서 통합되어진다.

따라서 형성된 적분(integral)은 단계(203)에서 미리 결정된 한계값(threshold value)과 비교되어진다. 한계치를 초과하는 과다량(만일 존재한다면)은 그 길이가 과다량에 비례적인 제어신호 또는 "구동펄스(drive pulse)" 의 발생을 조절하게 된다. 상기 신호는 상기에서 어떠한 방식으로도 기술되어진 전자기적 액츄에이터와 관련된 (도시되지 않은) 가스 스프링의 폐쇄 챔버(closed chamber)로부터 가스를 유입하거나 또는 방출하도록 밸브를 개방을 조절한다. 이것은 액츄에이터의 동적 상태로 그 컴플라이언스를 연속적으로 변화시키거나 또는 "동조(tuning)" 시킴에 의해서, 가스 스프링에 의해서 하중으로 주어지는 지지력을 변화시킨다. 만일 예를 들어 액츄에이터가 빠르게 확장한다면, 밸브는 그 체적이 증가하는 챔버로 가스의 유입을 허용하도록 개방되어지며, 그렇지 않으면 발휘되어지는 운동에 대한 저항을 감소시킨다. 가스 스프링의 "동조(tuning)" 가 단기간 복귀운동의 가능성을 고려하도록 하여, 챔버가 즉시 방출되어져야만 하는 거기에 유입되는 가스를 가지지 않지만, 가스의 도입 또는 방출의 결정이 충분한 시간에 걸쳐서 계산되어지도록, 한계치(threshold)는 선택되어진다.

도 21에서는, 전자기적 액츄에이터에 의해서 그 변위가 구동되어지는 왕복물체를 지지하기 위한 시스템에서의 주된 단계를 도시하고 있다. 운동 베이스(motion base)와 관련하여, 전자기적 액츄에이터 내의 구동전류(drive current)는 단계 (206)에서 탐지되어지고 제공되어지나, 이러한 경우에 있어서 왕복운동 피스톤 또는 다른 액츄에이터의 다른 왕복운동 부재들의 위치는 단계 (207)에서 탐지되어지고, 나아가 중앙 데이터 신호(centre datum signal, 208)가 단계 (209)에서 제공되어진다. 상기 신호들로부터, 운동부재의 중앙위치 둘레의 전류 모멘트가 계산되어지고, 이후의 단계 (210)에서, 왕복운동 물체의 정확한 사이클 회수를 나타내는 시간 주기동안 구동 전류값의 적분이 행해지고, 운동의 중단을 방지하는 시간을 나타낸다.

앞서와 같이, 상기 적분(integral)은 단계 (211)에서 한계값(threshold value)과 비교되어지고, 밸브로 제공되는 신호의 구동펄스 길이는 단계 (212)에서 결정되어진다. 상기 신호는 피스톤의 한쪽 측면에 제공되어지며 이러한 경우에서는 가스압력 로드면(gas pressure rod side)가 단계 (213)에서 제공되어지며, 미리 결정된 비율의 평균 압력값으로서 압력이 단계 (214)에서 결정되어져서, 단계 (215)에서 피스톤의 다른면 상에서 요구되는 압력을 결정하고 피스톤의 제1면 상에서 챔버 속으로 도입되어지는 변화량(variation)이 균형을 이루도록 한다.

Claims (17)

1. 하중(load)에 컴플라이언트 지지부(compliant support)를 제공하기 위한 컴플라이언트 지지수단(1,4a,4b,A,B)과 그 위치가 변화되어지도록 하중(load)에 힘(force)을 제공하기 위한 수단(7,8,12,17)을 포함하는 하중(load)에 운동(motion)을 부여하기 위한 장치에 있어서,

   하중(load)에 힘(force)을 제공하기 위한 수단(7,8)은 컴플라이언트 지지수단(1,4a,4b,A,B)과는 독립적으로 작용하여 하중(load)에 교란력(perturbing force)을 제공하기 위한 수단에 작용하며, 상기 컴플라이언트 지지수단은 상기 교란력(perturbing force)을 제공하기 위한 수단에 의해서 부여된 운동의 결과로서 하중(load)에 또는 하중으로부터 에너지를 전달하고 저장하도록 작용하며, 상기 하중(load)에 교란력(perturbing force)을 제공하기 위한 수단의 작동으로부터 개별적으로 또는 이와 함께 장치가 작동되는 동안 컴플라이언스(compliance)를 변화시키도록 작동할 수 있는, 상기 컴플라이언트 지지수단(A,B)의 컴플라이언스(compliance)를 변화시키기 위한 수단이 제공되어지는 것을 특징으로 하는 장치
2. 제 1 항에 있어서, 상기 하중(load)에 교란력(perturbing force)을 제공하기 위한 수단은, 변위(displacement) 되어지도록 상기 하중에 간헐적인 교란력(perturbing force)을 제공하도록 작동되는 하나이상의 자유도를 가지는 액츄에이터을 포함하며, 컴플라이언트 지지수단(compliant support means, 1,4a,4b,A,B)은 상기 간헐적인 교란력(perturbing force) 이외에도 하중(load)에 힘(force)을 제공할 수 있으며, 상기 컴플라이언트 지지수단(A,B)의 컴플라이언스(compliance)를 변화시키기 위한 수단(9.10,11)은 그 변위(displacement)에 상호작용하는 하중(load)에 힘(force)이 제공되는 방식으로 작동하도록 조절되어지는 것을 특징으로 하는 장치
3. 제 1 항 있어서, 교란력(perturbing force)을 제공하기 위한 수단은 전자기적 액츄에이터(actuator)인 것을 특징으로 하는 장치
4. 제 3 항에 있어서, 액츄에이터(actuator)는 선형 전자기적 액츄에이터(actuator)인 것을 특징으로 하는 장치
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 컴플라이언스(compliance)의 변화는 하중(load)을 가속시키는데 필요한 전류(electrical current)에 따라서 조절되어지는 것을 특징으로 하는 장치
6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 컴플라이언스(compliance)의 변화는 전자기적 액츄에이터에 제공된 위치 에러 신호의 적분(integral)으로서 발생된 신호(signal)에 의해서 조절되어지는 것을 특징으로 하는 장치
7. 제 1 항 내지 제 4 중 어느 하나의 항에 있어서, 컴플라이언트 지지수단의 일부분 이상은 가스 스프링(gas spring)이며, 컴플라이언스(compliance)의 변화는 가변체적의 챔버(chamber, A,B) 내에 포함된 가스의 질량(mass)을 변화시킴에 의해서 달성되어지는 것을 특징으로 하는 장치
8. 제 7 항에 있어서, 컴플라이언트 지지수단의 일부분 이상은 가스 스프링(gas spring)이며, 컴플라이언스(compliance)의 변화는 상기 챔버(A,B) 속으로 가스를 출입시키도록 하는 밸브(valve, 9,10)를 조절함에 의해서 달성되어지는 것을 특징으로 하는 장치
9. 플랫폼(32,42)의 중량을 지지하기 위한 컴플라이언트 지지수단(A,B) 및 지지부재(45)와, 플랫폼(32,42)과 기준평면(reference plane, 31,41) 사이에 교란력(perturbing force)을 제공하기 위한 하나 또는 그 이상의 액츄에이터(33,43)와, 그리고 기준평면에 대해서 플랫폼(32,42)을 변위시키도록 한 방향 또는 다른 방향으로 움직이도록 각각의 액츄에이터(33,43)를 조절하기 위한 제어수단(control means, 12)을 포함하며, 플랫폼(32,42)과 기준평면(31,41) 사이에서 다수의 자유도로 상대운동(relative motion)을 조절하기 위한 장치에 있어서,

   컴플라이언트 지지수단(A,B) 및 지지부재(45)는 가변적이며, 액츄에이터 수단(7,8,25,26,29,30)에 의해 하중(load)에 교란력(perturbing force)이 제공되는 방식으로 컴플라이언스(compliance)를 동적으로 변화시켜 상기 힘을 변경하도록 하는 수단(9,10,11,12)이 제공되어지는 것을 특징으로 하는 장치
10. 제 9 항에 있어서, 액츄에이터(actuator, 33,43)는 고정된 기준평면(reference plane)을 형성하는 장치의 부분에 피벗 연결부(pivotal connection, 34,44)를 가지며, 각각의 액츄에이터는 각각의 평면 내에서 피벗 연결부 둘레를 회전하도록 되어지는 것을 특징으로 하는 장치
11. 제 9 항에 있어서, 지지부재(supporting member, 45)는 운동 플랫폼(motion platform, 42)과 상기 기준평면(reference plane, 41) 사이에서 육자유도(universal freedom)로 연결되어지는 것을 특징으로 하는 장치
12. 제 11 항에 있어서, 상기 지지부재(45)의 컴플라이언스(compliance)는 가스 스프링 요소 내에서 둘러싸인 가스의 질량(mass)을 변화시킴에 의해서 변경되어지는 것을 특징으로 하는 장치
13. 제 12 항에 있어서, 정지위치(rest position)에서 운동 플랫폼(motion platform, 32,42)을 가진 수평 평면과 액츄에이터(actuator, 33,43) 사이의 각도는 45도인 것을 특징으로 하는 장치
14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 운동 플랫폼의 중량(weight)을 지지하기 위한 수단은 상기 액츄에이터와 각각 조합된 지지부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치
15. 제 14 항에 있어서, 액츄에이터(33,43)의 단부의 부착지점 주위를 둘러싸는 원(circle)의 직경에 대한, 운동 플랫폼(32,42)에 액츄에이터(33,43)의 단부를 부착하는 부착지점 주위를 둘러싸는 원의 직경 사이의 비율(ratio)은 1:1.5인 것을 특징으로 하는 장치
16. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 원치않는 자유도로 기준평면(reference plane, 31,41)에 대한 운동 플랫폼의 운동을 방지하기 위한 억제수단이 추가적으로 제공되어지는 것을 특징으로 하는 장치
17. 제 16 항에 있어서, 상기 억제 수단은 벨로우즈 유닛(bellows unit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치

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