KR101356640B1

KR101356640B1 - 6축 모션장치

Info

Publication number: KR101356640B1
Application number: KR1020120036618A
Authority: KR
Inventors: 김상국
Original assignee: 김상국
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2014-02-03
Also published as: KR20130114349A

Abstract

지면에 고정되는 베이스부; 사용자가 탑승하는 승마부; 상기 승마부가 설치되는 모션부; 상기 모션부를 상기 베이스부에 연결하는 것으로, 고정 길이를 갖는 막대 형상으로 된 다수의 링크를 포함하는 링크부; 상기 링크의 적어도 일단부에 연결되며, 상기 링크의 일단부를 직선 이동시키는 액츄에이터; 를 포함하는 6축 모션장치가 기재된다.

Description

6축 모션장치{6-AXIS MOTION CONTRIL DEVICE}

본 발명은 승마 시뮬레이션 등에 활용되는 6축 모션장치에 관한 것이다.

20세기 초반부터 개발되기 시작한 시뮬레이터 장치는 대표적으로 비행기 모의 훈련 장치에 활용하기 위한 용도로 기획되었고, 20세기 중반에는 컴퓨터 기술과 접목되면서 보다 정교한 시스템으로 발전하기 시작하였으며, 최근에는 컴퓨터 그래픽과 가상 현실 시스템과 결합되어 한층 현실감있는 시뮬레이터 장치로 개량되었다.

이와 같이 시뮬레이터는 게임 시뮬레이터, 군사 목적용 시뮬레이터, 각종 테스트 시스템, 운전 학원용 드라이빙 시뮬레이터, 기타 훈련용 장비 등과 같이 많은 분야에서 사용되고 있다.

그러나, 기존의 각종 시뮬레이터들은 작동판이 좌,우로만 작동되거나 또는 전,후로 작동되는 2차원 시뮬레이터, 또는 롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw) 중 어느 하나의 회전을 추가적으로 표현하는 3차원 시뮬레이터가 주류를 이루며, 이에 따라 사용자가 보는 화면에 가상 현실의 몰입감을 떨어뜨려 다이나믹한 모션 시뮬레이터로서 부족한 점이 많다.

또한, 일반적인 6자유도 시뮬레이터의 경우 모션 발생을 위하여 서보모터나 유압 실린더를 동력원으로 하는 경우가 대부분인데, 링크 구조나 작동 메카니즘이 복잡한 것은 물론 소음 발생과 비가역적 상태에 의한 위치 제어 불능의 염려가 있다. 그리고, 서보모터와 볼스크류를 연결한 구동 방식의 경우 수직축의 하중을 볼스크류가 직접 지지하는 구조로 이루어지면 볼스크류의 지지 하중이 커지거나 서보모터를 대용량으로 설치해야 하므로 비교적 저용량의 일반 산업용 서보 모터를 채용하기 어려운 측면이 있다. 또한, 유압 실린더가 신축되면서 수직하중을 직접 지지하는 구조로 이루어지면 정지 상태에서도 수직 하중 지지를 위하여 유압 실린더에 대량의 유압이 공급되어야 하므로 비효율적이고 누유가 발생하거나 장치가 비대해지는 문제가 발생한다.

대한민국 등록특허 제10-0437263호

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 6자유도 시뮬레이터의 수직 하중 지지 구조를 획기적으로 고안하여 간단한 구조로 대하중을 지지할 수 있도록 하고 비가역 상태 돌입을 방지하여 제어 안정성을 높이며, 누유나 오염이 방지되어 실내에서 청결한 상태로 사용할 수 있는 컴팩트 사이즈의 6축 모션장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 6축 모션장치는, 지면에 고정되는 베이스부; 사용자가 탑승하는 승마부; 상기 승마부가 설치되는 모션부; 상기 모션부를 상기 베이스부에 연결하는 것으로, 고정 길이를 갖는 막대 형상으로 된 다수의 링크를 포함하는 링크부; 상기 링크의 적어도 일단부에 연결되며, 상기 링크의 일단부를 직선 이동시키는 액츄에이터; 를 포함한다.

본 발명의 6축 모션장치는, 수직 하중이 서보 모터 동력 전달 기구인 볼 스크류나 유압 실린더에 직접 작용하지 않도록 고정 길이의 링크가 마련되고, 6축 모션 구동은 각 링크의 일단부를 베이스부에 평행한 평면상에서 직선 이동시키는 구조를 취한다.

따라서, 액츄에이터의 작용력(F2)이 링크의 축방향 하중(F1)보다 작아도 되는 장점이 있고, 액츄에이터를 소용량으로 마련할 수 있으며, 링크가 축방향으로는 신축되지 않으므로 6축 제어를 위하여 막대가 축방향 신축되는 일반적인 시뮬레이터보다 링크의 단면 직경이 작아도 고강성 구조를 실현할 수 있으며, 휨 변형이나 유격 발생량이 작아 제어 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 6축 모션장치의 동작상태를 모식적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 주요 부분에 대한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 주요 부분에 대한 평면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

본 발명에서 말하는 "6축"이라 함은 서로 직교하는 x축, y축 및 z축을 갖는 직교 좌표계를 기준으로 할 때, x축 직선 운동축, y축 직선 운동축, z축 직선 운동축, x축 중심의 회전 운동축(Roll 축), y축 중심의 회전 운동축(Pitch 축), z축 중심의 회전 운동축(Yaw 축)을 말한다. 본 발명의 "6축 모션장치"라 함은, 상기 6축 각각에 대한 6자유도의 모션 제어가 가능한 시뮬레이터(simulator) 장치를 말한다.

말의 걸음은 크게 평보, 속보, 구보, 습보의 4가지로 나뉘는데, 각기 다른 리듬을 가지고 있다. 평보는 4절도로 움직이고, 순서는 좌측 뒷다리, 좌측 앞다리, 우측 뒷다리, 우측 앞다리 순이다. 평보보다 빠른 걸음인 속보의 경우는 규칙적인 2절도의 보법으로서 대각선상의 앞다리 및 뒷다리가 동시에 움직이고 순서는 좌측 뒷다리와 우측 앞다리, 공지기(지면에 말의 발이 닫지 않는 시간 구간), 우측 뒷다리와 좌측 앞다리, 공지기의 순이다. 구보는 속보보다 빠른 걸음걸이로서 속보와 마찬가지로 수축, 중간, 신장의 3가지 형태로 구분된다. 습보는 전력질주하는 것으로서 가장 빠른 걸음걸이이며 4절의 보법이다.

도 1은 본 발명의 6축 모션장치의 동작상태를 모식적으로 도시한 개념도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예를 도시한 사시도이다. 도 3은 도 2의 주요 부분에 대한 평면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 6축 모션장치는 이와 같은 4가지 말의 걸음걸이마다 6축 각각에 대한 모션 제어가 개별적으로 이루어진다. 즉, 평보, 속보, 구보, 습보의 4단계로 속도 조절이 가능하며, 경사에 대한 가상 현실 구현으로서 오르막과 내리막을 구분하여 롤, 피치, 요 중 적어도 하나의 회전각을 개별 제어할 수 있으며, x축 및 y축 방향의 직선 운동 및 회전 운동이 가능하므로 방향 전환을 위한 좌우 회전의 가상 현실 구현이 가능하고, z축 직선 운동이 가능하므로 상하 유동은 물론 점프 동작의 가상 현실 구현이 가능하다.

도 1 내지 도 3을 함께 참조하면, z축 직선 운동 모드(10)의 경우, 링크부(130)를 구성하는 제1 링크(131), 제2 링크(132), 제3 링크(133), 제4 링크(134), 제5 링크(135), 제6 링크(136)를 액츄에이터(160)로 직선 이동시켜, 베이스부(110)에 대한 모션부(120)의 상대 높이를 조절함으로써 승마부(102)를 상하 방향인 z축 방향으로 직선 운동 또는 점프시킬 수 있다. x축 및 y 축 직선 운동 모드(20)의 경우, 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136)를 액츄에이터(160)로 직선 이동시켜, 베이스부(110)에 대한 모션부(120)의 x축 및 y 축 위치를 조절함으로써 승마부(102)를 앞뒤 방향 또는 상하 방향인 x축 및 y 축 방향으로 직선 운동시킬 수 있다. z축 회전 운동 모드(30)의 경우, 베이스부(110)에 대한 모션부(120)의 x축 및 y 축 위치를 조절함으로써 승마부(102)를 트위스트(twist)시킬 수 있다. 이와 마찬가지로 x축 및 y축을 중심으로 한 회전 운동도 가능하다. 이때, 링크부(130)의 길이는 신축되지 않고 원래의 고정 길이를 그대로 유지한다.

본 발명과 비교를 위한 예로서, 일반적인 6축 시뮬레이터는 지면에 고정된 부분과 모션이 재현되는 상부의 이동되는 부분 사이를 6개의 막대로 연결하고, 6개의 막대의 길이를 개별적으로 신축시키며, 신축 수단으로서 유압 실린더를 6개의 막대의 길이 방향으로 배치하거나 서보 모터에 연결된 동력 전달 수단을 6개의 막대의 길이 방향으로 배치하였다. 이에 따라 x축 직선 운동축, y축 직선 운동축, z축 직선 운동축, x축 중심의 회전 운동축(Roll 축), y축 중심의 회전 운동축(Pitch 축), z축 중심의 회전 운동축(Yaw 축)에 대한 6자유도 모션 제어를 실현한다. 그러나, 이와 같은 비교 실시예는, 상부의 이동되는 부분의 하중이 유압 실린더나 서보 모터 동력 전달 수단에 축방향으로 그대로 작용하므로 유압 실린더나 서보 모터의 용량이 크게 설계되어야 하고, 대용량 액츄에이터(160) 장착에 따른 비용 증가와 안정한 제어성 확보가 문제점으로 대두될 수 있다. 또한, 6개의 막대가 고하중 상태에서 축 방향으로 신축되기 때문에 유압 실린더의 고압 오일 실링이 필요하고 막대의 직선 이동을 고하중 상태에서 유지하기 위하여 막대의 직선 이동을 안내하면서 원활한 축방향 신축을 가능케하는 특수 구조의 가이드 장치가 필요할 수 있다. 그리고, 막대 신축 부위에서 휨 변형이나 유격 불량을 방지하기 위하여 고하중을 견딜 수 있는 복잡한 구조의 설계문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 이러한 비효율성을 제거하기 위하여, 지면에 고정되는 베이스부(110), 승마부(102)와 연결되는 모션부(120)를 마련하고, 베이스부(110)와 모션부(120)를 항상 고정된 축방향 길이로서 연결하는 링크부(130)를 설치하며, 6축 모션 구동은 각 링크의 일단부를 베이스부(110)에 평행한 평면상에서 직선 이동시키는 방법을 사용한다. 따라서, 링크의 축방향 하중(F1)이 액츄에이터(160)의 작용력(F2) 및 베이스부(110)에 대한 수직 항력(F3)으로 분산되므로 액츄에이터(160)의 작용력(F2)이 링크의 축방향 하중(F1)보다 작아도 되는 장점이 있다. 이에 따라 액츄에이터(160)를 소용량으로 마련할 수 있고 링크가 축방향으로는 신축되지 않으므로 6축 제어를 위하여 막대가 축방향 신축되는 일반적인 시뮬레이터보다 링크의 단면 직경이 작아도 고강성 구조를 실현할 수 있으며, 휨 변형이나 유격 발생량이 작아 제어 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 6축 모션장치는, 베이스부(110), 모션부(120), 링크부(130)를 포함한다. 베이스부(110)는 지면에 고정되는 부분이며, 모션부(120)는 승마부(102)가 설치되고 베이스부(110)에 대하여 6자유도로 이동되는 부분이다. 링크부(130)는 고정된 길이의 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136)를 포함한다. 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136)의 일단부는 힌지부(140) 또는 볼 조인트부(150)를 사이에 두고 모션부(120)에 연결되며, 타단부는 볼 조인트부(150)를 사이에 두고 액츄에이터(160)에 연결된다. 액츄에이터(160)는 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136)의 단부를 베이스부(110)와 평행한 평면내에서 직선 이동시킨다. 이에 따라 베이스부(110)에 대한 모션부(120)의 6자유도 운동이 구현된다.

승마부(102)에는 사용자가 탑승하고, 디스플레이부(101)는 승마부(102)의 6축 모션을 시각적으로 표시하여 가상 현실을 실현한다.

한편, 링크부(130) 말단의 직선 운동을 안내하는 수단으로 리니어 가이드(170)가 마련된다. 볼 조인트부(150)는 이동 블럭(151)에 설치되며 이동 블럭(151)은 리니어 가이드(170)를 따라 직선 이동된다. 액츄에이터(160)는 이동 블럭(151)에 연결되어 이동 블럭(151), 볼 조인트부(150), 링크부(130)의 말단에 구동력을 제공한다. 리니어 가이드(170)에는 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136) 각각의 이동 거리, 이동 속도, 이동 가속도, 현재 위치 중 적어도 하나를 감지하는 엔코더(172)가 설치된다. 엔코더(172)는 리이어 가이드 또는 베이스부(110)에 대한 링크부(130) 말단의 움직임을 감지하여 모션부(120)의 6자유도 제어 신호를 발생한다.

도 2 및 도 3에 도시된 6축 모션장치는 링크부(130)의 일단부에 1개 축 중심의 회전 자유도를 허용하는 힌지부(140)가 마련되고 링크부(130)의 타단부에 3개 축 중심의 회전 자유도를 허용하는 볼 조인트부(150)가 마련된다. 그러나 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 도시하지 않은 실시예로서 링크부(130)의 양단에 모두 힌지부(140)가 마련되거나 링크부(130)의 양단 모두에 볼 조인트부(150)가 마련되는 실시예도 가능하다.

본 발명에서, 모션부(120)의 하중은 고정 길이의 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136)에 의하여 지지되므로, 유압 실린더나 서보 모터 동력 전달 수단에 모션부(120)에 하중이 직접 작용하는 가상의 비교 실시예에 비하여 링크부(130)의 굵기를 가늘게 하여도 동일한 강성 및 휨 변형 저항성을 가질 수 있다. 또한, 링크부(130)가 길이 신축 구조가 아니므로 신축 기능 구현을 위한 복잡한 구조가 필요없고 유격 발생에 의한 제어 불량을 방지할 수 있다. 또한, 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136)에 작용하는 축방향 하중이 경감되므로 액츄에이터(160)를 소용량으로 설치할 수 있는 장점이 있고, 이동 블럭(151)의 직선 이동을 안내하는 리니어 가이드(170)의 장시간 신뢰성을 확보할 수 있다.

한편, 도 2 및 도 3에 도시된 6축 모션장치는 베이스부(110)에 수직한 방향에서 보았을 때, 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136) 각각이 연장되는 방향으로 직선이동되도록 액츄에이터(160)가 설치된다. 이러한 경우, 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136) 각각의 축방향 하중(F1)은 액츄에이터(160)의 작용력(F2) 및 베이스부(110)에 대한 수직 항력(F3)으로 나누어진다. 이하에는 축방향 하중(F1)을 제3의 방향으로 분화시켜 액츄에이터(160)의 작용력(F2)을 더욱 경감시킬 수 있는 실시예에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예를 도시한 사시도이다. 도 5는 도 4의 주요 부분에 대한 평면도이다. 도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 베이스부(110)에 수직한 방향에서 보았을 때, 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136) 각각이 연장되는 방향과 액츄에이터(160)의 직선 이동 방향이 일치하지 않고 어긋나도록 액츄에이터(160)가 배치된다. 이러한 경우, 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136) 각각의 축방향 하중(F1)은 액츄에이터(160)의 작용력(F2), 베이스부(110)에 대한 수직 항력(F3) 및 볼 조인트부(150)의 횡방향 하중(F4)으로 나누어진다. 따라서, 제1 링크(131) 내지 제6 링크(136) 각각의 축방향 하중(F1)이 제3의 방향인 볼 조인트부(150)의 횡방향으로 분화되어 액츄에이터(160)의 작용력(F2)이 도 2 및 도 3에 도시된 실시예보다 더욱 경감되는 장점이 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 것은 링크부(130)의 양단부에 3개 축 중심의 회전 자유도를 허용하는 볼 조인트부(150)가 마련되지만, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 도시하지 않은 실시예로서 링크부(130)의 양단에 힌지부(140) 또는 볼 조인트부(150)가 분산 배치되는 실시예도 얼마든지 가능하다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10...z축 직선 운동 모드
20...x축 및 y 축 직선 운동 모드
30...z축 회전 운동 모드
101...디스플레이부 102...승마부
110...베이스부 120...모션부
130...링크부 131...제1 링크
132...제2 링크 133...제3 링크
134...제4 링크 135...제5 링크
136...제6 링크 140...힌지부
150...볼 조인트부 151...이동 블럭
160...액츄에이터 170...리니어 가이드
172...엔코더

Claims

지면에 고정되는 베이스부;
사용자가 탑승하는 승마부;
상기 승마부가 설치되는 모션부;
상기 모션부를 상기 베이스부에 연결하는 것으로, 고정 길이를 갖는 막대 형상으로 된 다수의 링크를 포함하는 링크부;
상기 링크의 적어도 일단부에 연결되며, 상기 링크의 일단부를 직선 이동시키는 액츄에이터;를 포함하되,
상기 링크부는 제1 링크 내지 제6 링크를 포함하고,
상기 베이스부에 수직한 방향에서 보았을 때, 상기 제1 링크 내지 상기 제6 링크 각각이 연장되는 방향으로 직선이동되도록 상기 액츄에이터가 설치되며,
상기 링크의 축방향 하중(F1)이 상기 액츄에이터의 작용력(F2) 및 상기 베이스부에 대한 수직 항력(F3)으로 분산되는 6축 모션장치.
제1항에 있어서,
가상의 직교 좌표계로서 x축, y축 및 z축을 정의할 때, 상기 모션부는 상기 액츄에이터의 구동에 따라 x축 직선 운동축, y축 직선 운동축, z축 직선 운동축, x축 중심의 회전 운동축(Roll 축), y축 중심의 회전 운동축(Pitch 축), z축 중심의 회전 운동축(Yaw 축)에 대한 6자유도 모션 제어되는 6축 모션 장치.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 링크부는 양단부는,
1개 축 중심의 회전 자유도를 허용하는 힌지부 또는 3개 축 중심의 회전 자유도를 허용하는 볼 조인트부에 의하여 상기 모션부 또는 상기 베이스부에 연결되는 6축 모션 장치.
제1항에 있어서,
상기 링크부 말단의 직선 운동을 안내하는 리니어 가이드가 마련되고,
상기 링크부의 말단에는 힌지부 또는 볼 조인트부가 마련되며,
상기 힌지부 또는 상기 볼 조인트부는 이동 블럭에 설치되고,
상기 이동 블럭은 상기 리니어 가이드를 따라 직선 이동되는 6축 모션 장치.
제7항에 있어서,
상기 리니어 가이드에는 상기 링크부를 구성하는 제1 링크 내지 제6 링크 각각의 이동 거리, 이동 속도, 이동 가속도, 현재 위치 중 적어도 하나를 감지하는 엔코더가 설치되는 6축 모션 장치.