KR101730819B1 - 하중 분산 지지체를 구비한 다자유도 시뮬레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 다자유도 시뮬레이터(100)는 베이스부(1); 상기 베이스부(1)의 상단 측에 제공되고, 독립적으로 제어 가능한 복수의 구동 액츄에이터(10, 20, 30); 상기 복수의 구동 액츄에이터(10,20,30) 간에 배치되는 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80); 및 상기 복수의 구동 액츄에이터(10,20,30) 및 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80)의 상부에 연결되어 지지되는 플랫폼(3);을 포함하며, 상기 플랫폼(3)의 일부 영역을 통해 과부하가 가해하는 경우에 상기 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80) 중 어느 하나 이상의 하중 분산 지지체에서 상기 가해진 과부하의 완충 작용을 수행한다.

Description

하중 분산 지지체를 구비한 다자유도 시뮬레이터{Multi Degree of Freedom Simulator Having Load Distributing Supporter}

본 발명은 다자유도 시뮬레이터에 관한 것이며, 구체적으로는 시뮬레이터를 구성하는 상부 플랫폼 상에 불규칙하게 발생할 수 있는 하중을 안정적으로 흡수하거나 분산시킬 수 있는 하중 분산 지지체를 구비한 다자유도 시뮬레이터에 대한 것이다.

일반적으로 시뮬레이터는 복잡한 작동 상황 따위를 컴퓨터를 사용하여 실제 장면과 같도록 재현하는 장치를 일컬으며, 주로 시험연구나 항공기 등의 조종 훈련, 게임 장치 등에 사용된다.

모든 시뮬레이터의 공통점은 3차원적으로 실제 장면과 같도록 재현시킨다는 점이다. 그러나 시뮬레이터를 동작시키는 구성요소는 어떤 용도로 사용하느냐에 따라 많은 차이를 보이며, 또한 새롭게 요구되는 다양한 용도에 맞도록 시뮬레이터의 발전이 병행되어야 한다.

일반적으로 시뮬레이터의 동작은 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw), 히브(heave), 스웨이(sway), 서지(surge) 및 턴(turning) 등으로 이루어진다. 롤링(rolling)이란 평면 좌표축의 X축 상에서 좌우로 회전운동하는 것을 의미하며, 피칭(pitching)이란 평면 좌표축의 Y축 상에서 좌우로 회전운동하는 것을 의미한다. 또한, 헤빙(heaving)은 상하 직선운동이며, 스웨이(sway)는 좌우로 직선 운동하는 것을 의미하고, 서지(surge)는 앞뒤로 직선 운동하는 것을 의미하며, 요(yaw)은 z축에 대한 회전 운동을 의미한다.

대한민국 등록실용신안 제154640호와 미국등록특허 제5,685,718호 등에 기재된 시뮬레이터는 피치, 롤 및 스웨이 동작을 실행시키는 기술이 개시되어 있다. 여기에서는 부분적인 턴 동작이 이루어지긴 하지만, 시뮬레이터 전체 구조물의 턴 동작은 제한되는 한계가 있다.

대한민국 특허출원번호 제2001-0039341호 및 실용신안출원번호 제1993-0020464호 등에 기재된 시뮬레이터는 롤링, 피칭, 헤빙, 및 턴 동작을 실행시키는 기술이 개시되어 있다. 여기서는 전체 구조물의 턴 동작이 이루어지긴 하지만, 그러한 전체적인 턴 동작을 일으키기 위한 장치는 기구의 가장 하부에 위치하며, 그로 인한 문제점은 여러가지 동작이 동시에 일어날 때 하부의 턴 동작에 의한 원심력으로 상부와 다른 동작에 영향을 미치게 되고, 특히 상부의 다른 동작을 일으키는 기구들이 유압에 의해 동작될 때에는 유류의 변질 및 양의 크기에 민감한 반응을 보이는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제280144호, 제316511호 및 등록실용신안 제175330호 등에 기재된 장치들은 롤, 피칭, 및 헤빙 동작을 실행시키는 것을 볼 수 있다. 상기 장치들은 유압실린더를 3개 또는 4개를 사용하여 무겁고 복잡한 형태를 갖고 상기 3~4개의 유압실린더의 다소 복잡한 상호동작에 의해 위치 제어를 하게 된다. 또한, 위치 제어를 위한 유압 실린더 피스톤의 신장과 수축의 길이가 본 발명의 장치에 비해 상대적으로 늘어날 수 밖에 없는 구조를 갖는다. 특히, 롤과 피칭에 의한 위치는 일정하게 유지하면서 턴 동작에 의해 위치 제어를 달성하기 위해서는, 2~3개의 유압 실린더가 동시에 복잡한 움직임을 할 수 밖에 없다.

즉, 종래에는 주로 3자유도 시뮬레이터와 6자유도 시뮬레이터가 대부분인데, 상기 3자유도 또는 6자유도 시뮬레이터를 통하여 롤, 피칭, 및 헤빙 동작을 실시함으로써 실제 운동 느낌을 구현하게 하는 것이다.

종래의 3자유도 또는 6자유도 시뮬레이터는 다양한 위치 제어를 가능하게는 하지만 시뮬레이터의 하부 베이스와 상부 플랫폼을 상호 연결하는 복수개의 액츄에이터가 안정적으로 상기 상부 플랫폼을 지지하는 구조를 구현하는 것은 용이하지 않다는 문제가 있다.

종래의 시뮬레이터 구조를 보면 제어부의 작동 신호에 따라 독립적으로 구동하는 복수개의 액츄에이터가 소정 간격으로 배치된 상태에서 순차적으로, 선택적으로 또는 동시에 작동하는 구조를 보인다.

한편, 시뮬레이터의 작동 과정에서 상부 플랫폼의 위치에 따라 비정상적인 하중이 상부 플랫폼의 일부 영역에 미치게 되고, 이러한 상황에서 복수개의 액츄에이터에 예상치 못한 과부하가 걸릴 수 있게 된다. 또한, 상기와 같은 상황을 방지하기 위해서 시뮬레이터를 보강하는 경우에는 시스템이 매우 복잡해질 수 있고, 부품의 수량이 많아져 고장 발생이 많아진다는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 다자유도 시뮬레이터에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 상부 플랫폼의 하부에 배치된 상태에서 동력을 전달하는 복수의 구동 액츄에이터 및 상기 복수의 구동 액츄에이터 사이에 배치되는 하중 분산 지지체를 포함한 상태에서, 상기 상부 플랫폼에 작용하는 비정상적인 하중으로 인하여 복수의 구동 액츄에이터에 가해질 수 있는 얘기치 않은 충격을 방지할 수 있는 시뮬레이터를 제공하기 위한 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 다자유도 시뮬레이터는 베이스부(1); 상기 베이스부(1)의 상단 측에 제공되고, 독립적으로 제어 가능한 복수의 구동 액츄에이터(10, 20, 30); 상기 복수의 구동 액츄에이터(10,20,30) 간에 배치되는 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80); 및 상기 복수의 구동 액츄에이터(10,20,30) 및 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80)의 상부에 연결되어 지지되는 플랫폼(3);을 포함하며, 상기 플랫폼(3)의 일부 영역을 통해 과부하가 가해하는 경우에 상기 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80) 중 어느 하나 이상의 하중 분산 지지체에서 상기 가해진 과부하의 완충 작용을 수행한다.

상기 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80)는 상기 베이스부(1)의 중심을 기준으로 방사상으로 배열된다.

상기 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80)는 각각 실린더 바디(61), 상기 실린더 바디(61)에 결합된 상태에서 슬라이딩 운동하는 완충 로드(62), 상기 실린더 바디(61)의 하단과 상기 완충 로드(62)의 상단에 각각 결합되는 회전체(63,66), 상기 회전체(63,66)가 각각 관통설치되는 지지축(64,67), 상기 지지축(64,67)이 각각 거치되는 브라켓(65,68)을 포함한다.

상기 회전체(63,66)는 상기 지지축(64,67)과 볼 조인트 결합 구조이다.

상기 플랫폼(3) 또는 상기 베이스부(1)에 회전 가능하게 배치되는 회전판(5);을 포함하며, 상기 복수의 액츄에이터들(10, 20, 30)은 각각 상기 플랫폼(3)에 듀얼 링키지 타입으로 연결된다.

본 발명에 따른 하중 분산 지지체를 구비한 다자유도 시뮬레이터는 상부 플랫폼의 하부에 배치된 상태에서 동력을 전달하는 복수의 구동 액츄에이터 및 상기 복수의 구동 액츄에이터 사이에 배치되는 하중 분산 지지체를 포함한 상태에서, 상기 상부 플랫폼에 작용하는 비정상적인 하중으로 인하여 복수의 구동 액츄에이터에 가해질 수 있는 예기치 않은 충격을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다자유도 시뮬레이터의 사시도,
도 2는 도 1의 정면도,
도 3은 방사상으로 배치된 복수의 구동 액츄에이터 사이에 복수의 하중 분산 지지체가 배치된 상태를 보이는 사시도,
도 4는 하중 분산 지지체를 보이는 도면,
도 5는 구동 액츄에이터를 보이는 도면,
도 6은 본 발명에서 베어링 구조체가 노출된 상태의 다자유도 시뮬레이터의 사시도,
도 7은 도 6에서 베어링 구조체가 제거된 상태의 사시도, 및
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다자유도 시뮬레이터의 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명은 베어링 구조체를 이용하여 전방향으로 회전 구동할 수 있는 다자유도 시뮬레이터를 제공하기 위한 목적으로 하는 것이지만 이에 한정되는 것은 아니고 다른 분야에도 적용이 가능할 수 있다.

본 발명인 다자유도 시뮬레이터는 필요에 따라 일체형으로 제조되거나 각각 분리되어 제조될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, 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 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 다자유도 시뮬레이터를 설명한다.

본 발명의 다자유도 시뮬레이터는 베이스부(1), 베이스부(1)의 상단 측에 제공되고, 독립적으로 제어 가능한 3개의 구동 액츄에이터(10,20,30), 3개의 구동 액츄에이터(10,20,30)의 상부에 연결되어 지지되며 상기 베이스부(1)와 이격된 상태를 유지하는 플랫폼(3), 구동 액츄에이터(10,20,30) 간에 배치되는 하중 분산 지지체(60,70,80), 플랫폼(3) 상에 배치되는 베어링 구조체(40), 베어링 구조체(40)에 회전력을 제공하는 구동 모터부(50) 및 베어링 구조체(40) 상에 회전 가능하게 배치되는 회전판(5)을 포함한다. 본 발명의 다자유도 시뮬레이터는 그 하단에 연결되는 별도의 직선 구동 장치를 통해서 가로 방향 및 세로 방향으로의 이동이 가능하여 수평 방향으로의 자유로운 이동이 가능하다.

베이스부(1)는 바닥면이 대신할 수 있고, 3개의 구동 액츄에이터(10,20,30) 및 3개의 하중 분산 지지체(60,70,80)를 그 상면에 고정하는 기능을 수행한다. 설명 편의상 3개의 구동 액츄에이터는 제1 구동 액츄에이터(10), 제2 구동 액츄에이터(20), 제3 구동 액츄에이터(30)로 표기하기로 한다. 3개의 하중 분산 지지체(60,70,80)의 경우도 제1 하중 분산 (60), 제2 하중 분산 지지체(70), 제3 하중 분산 지지체(80)로 표기하기로 한다. 상기의 복수의 구동 액츄에이터들 및 상기 복수의 하중 분산 지지체들은 각각 그 기능과 구조가 동일하다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 제1 하중 분산 지지체(60)는 실린더 바디(61), 실린더 바디(61)의 내외부를 따라 길이 방향으로 슬라이딩 운동하는 완충 로드(62), 실린더 바디(61)의 하단에 연결되는 하부 회전체(63), 하부 회전체(63)를 관통설치되는 제1 지지축(64), 제1 지지축(64)이 거치되는 제1 브라켓(65), 완충 로드(62)의 상단에 연결되는 상부 회전체(66), 상부 회전체(66)를 관통설치되는 제2 지지축(67), 제2 지지축(67)이 거치되는 제2 브라켓(68)을 포함한다.

제1 하중 분산 지지체(60)는 제1 브라켓(65)이 베이스부(1)에 고정되고, 제2 브라켓(68)이 플랫폼(3)의 하단에 고정되고, 상기 상태에서 갑작스런 과부하가 플랫폼(3)의 일부 영역을 통해 작용하는 경우에는 3개의 하중 분산 지지체(60,70,80) 중 어느 하나 이상의 하중 분산 지지체에서 가해진 과부하의 분산 작용을 수행한다.

3개의 하중 분산 지지체(60,70,80)의 배열은 베이스부(1)의 중심을 기준으로 방사상으로 배열될 수 있다. 즉, 3개의 하중 분산 지지체들(60,70,80)은 베이스부(1)의 중심에 대한 동일한 원주 상에서 동일한 이격각을 유지한 채 배치되지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 3에서는 각 하중 분산 지지체가 이웃한 구동 액츄에이터의 중앙 부위에 배치되는 것으로 도시되지만, 이에 한정되는 것은 아니고 이웃한 구동 액츄에이터 중 어느 하나에 더 근접한 상태로 각 하중 분산 지지체가 배치되는 것도 가능하다. 한편, 시뮬레이터의 사용 목적에 따라서 배치되는 하중 분산 지지체의 개수를 증감할 수 있을 것이다.

제2 하중 분산 지지체(70) 및 제3 하중 분산 지지체(80) 역시 제1 하중 분산 지지체(60)와 동일한 구조 및 기능을 수행하므로, 도면 부호만 바꿔서 표시되므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 5를 참조하면, 제1 구동 액츄에이터(10)는 모터와 감속기 등으로 구성된 모터 모듈(11), 제1 회전축(12)의 양측에 배치되는 동시에 모터 모듈(11)에 회전 가능하게 연결된 제1 크랭크축(13), 제2 회전축(14)에 의해 제1 크랭크축(13)에 회전 가능하게 연결된 제2 크랭크축(19), 제2 크랭크축(19)의 상부단에 연결되는 지지체(15), 한쌍의 지지체(15) 사이에 고정 배치되는 연결 프레임(16), 및 연결 프레임(16)의 상단에 고정되는 볼 조인트(18)를 포함한다. 여기에서, 제2 회전축(14)은 볼 조인트(18)와 같은 구조로 이루어질 수 있는데 이를 통해 제2 크랭크축(19)은 제1 크랭크축(13)에 대해서 전방향으로의 회전이 가능할 수 있다.

즉, 제1 구동 액츄에이터(10)는 모터 모듈(11)의 상단을 둘러싸게 배치되는 연결 프레임(16)을 기준으로 하여, 제1 크랭크축(13), 제2 회전축(14), 제2 크랭크축(19), 지지체(15) 등이 대칭적으로 배치된다. 상기의 구조를 통해서 제1 구동 액츄에이터(10)는 듀얼 링키지 타입으로 작동하게 된다.

상기와 같이, 본 발명은 3개의 구동 액츄에이터(10,20,30)가 모두 듀얼 링키지 타입으로 안정적인 구조를 취하게 되는데, 기존의 크랭크 암 방식의 엑추에이터의 경우 모터의 감속기 일측 끝단에서만 링크가 나와서 별도의 장치가 없으면 기구적으로 링크가 쓰러지는 구조라는 단점을 해소하게 한다. 이를 통해 종래의 경우와 같이 상부판이 쓰러지지 않도록 하기 위해서 중앙부 상에 상하 운동(HEAVE) 및 구회전(ROLL/PITCH)을 가능하게 하는 별도의 장치를 필요하지 않게 한다.

3개의 구동 액츄에이터들(10, 20. 30)의 배열은 플랫폼(3)의 중심을 기준으로 방사상으로 배열될 수 있다. 즉, 3개의 구동 액츄에이터들(10, 20. 30)은 플랫폼(3)의 중심에 대한 동일한 원주 상에서 동일한 이격각을 유지한 채 배치된다.

한편, 각각의 구동 액츄에이터의 제1 크랭크축(13, 23, 33)은 초기 상태에서 서로 평행하게 제공되는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 각각의 액츄에이터는 제어기에 의해 서로 독립적으로 동작할 수 있도록 제공된다.

제2 구동 액츄에이터(20) 및 제3 구동 액츄에이터(30) 역시 제1 구동 액츄에이터(10)와 동일한 구조 및 기능을 수행하므로, 도면 부호만 바꿔서 표시되므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

모터 모듈(11)은 회전 모터 및 중공형 웜감속기를 포함하고, 상기 회전 모터는 AC모터인 것이 바람직하나, 회전 동력을 발생할 수 있는 것이라면 어느 것이라도 가능하다. 회전 모터는 감속기와 연결하여 토크를 증대시키는 것이 바람직하다. 한편, 모터 모듈(11)은 중공형 웜감속기를 사용하는 경우에 별도의 브레이크 기능이 없는 모터를 적용하는 경우에도 웜기어의 브레이크 기능을 사용하여 정지할 수 있게 된다.

축 중심이 뚫려진 형태의 중공형 웜감속기는 제1 회전축(12)을 통해 한쌍의 제1 크랭크축(13)과 연결되어, 제1 크랭크축(13)을 회전시킨다. 제1 크랭크축(13)은 웜감속기의 회전축인 제1 회전축(12)과 수직에 가까운 형태로 제공되는 것이 바람직하다. 상기와 같이, 본 발명에서는 회전 모터와 중공형 웜감속기로 이루어진 모터 모듈(11)을 사용함으로써 별도의 브레이크 기능을 사용하지 않아도 적용이 가능하게 하며, 웜감속기의 양단에 회전 동력축이 배치되도록 구성한 상태에서 사용함으로써 3자유도 모션을 구성하는 경우에 상기 모션의 중심에 별도의 구속장치를 필요로 하지 않는다는 장점이 있다. 한편, 웜감속기가 아닌 일반적인 감속기를 사용하는 경우에는 별도의 브레이크 장치를 모터에 장착하여 사용해야 할 것이다.

제1 크랭크축(13)의 끝단에는 제2 크랭크축(19)이 연결되는데, 제1 크랭크축(13)과 제2 크랭크축(19)은 제2 회전축(14)으로 연결되는데, 상기 제2 회전축(14)은 볼 조인트인 것이 바람직하다. 본 명세서에서 볼 조인트라 함은 구 운동 조인트의 개념으로 사용된다.

즉, 본 발명에서는 크랭크 암의 운동시에 제1 크랭크축과 제2 크랭크축이 평행한 면을 따라 회전 운동을 하게 되지만, 이에 한정되는 것은 아니고 제1 크랭크축(13)과 제2 크랭크축(19) 사이에 제공되는 볼 조인트로 인해, 제2 크랭크축(19)이 회전 평면에 수직한 방향으로 운동이 가능할 수 있다.

상기와 같이 볼 조인트 체결 구조를 도입함으로써 본 발명에서는 3개의 구동 액츄에이터를 사용함에도 불구하고 헤빙(heaving) 동작이 가능하게 구현할 수 있다.

제2 크랭크축(19)은 지지체(15)에 병진 운동이 가능한 상태로 설치된다. 한쌍의 지지체(15)는 모터 모듈(11)의 상부 측 상에 "ㄷ" 형태로 배치되는 연결 프레임(16)의 양측면에 회전 가능하게 고정된다. 즉, 모터 모듈(11)로부터 제1,2 크랭크축(13,19) 및 지지체(15)로 이어지는 운동력은 연결 프레임(16)을 상부 방향으로 밀어 올리게 되는 형태를 이루게 된다.

연결 프레임(16)과 플랫폼(3) 간의 연결 부분에는 볼 조인트(18)가 제공된다. 이를 통해, 플랫폼(3)은 연결 프레임(16)에 대해 모든 방향으로 회전이 가능하여, 롤링 동작, 피칭 동작, 헤빙 동작 및 스웨이 동작 등이 가능하게 된다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 베어링 구조체(40)는 일 실시예로서 플랫폼(3)의 중심에 형성된 베어링 체결구(41)에 고정되는 제1 베어링(51) 및 제1 베어링(51)을 둘러싸는 형태로 회전 가능하게 결합배치되는 제2 베어링(53)을 포함한다. 또한, 제2 베어링(53)의 상단은 제1 베어링(51)의 상단보다는 더 높은 위치에 오도록 배치된다.

구동 모터부(50)는 플랫폼(3)에 관통 형성된 모터 체결구(43)에 설치되되, 상기 플랫폼(3) 상부에 노출되도록 설치되는 구동 기어(62)를 포함한다. 상기 구동 기어(62)는 제2 베어링(53)의 외주면에 맞물리는 형상으로 결합한다. 즉, 구동 기어(62)가 회전하는 경우에 제2 베어링(53)도 치차 결합된 상태로 회전 구동한다.

구동 기어(62)로부터 동력을 전달받은 제2 베어링(53)은 제1 베어링(51)의 둘레를 따라서 회전하게 되는데, 원활한 회전 구동을 위해서 제2 베어링(53)의 하면과 플랫폼(3)의 상면 사이에는 마찰을 최소화할 수 있는 레일이 형성될 수 있다.

회전판(5)은 그 하단이 제2 베어링(53)의 상단에 부착되는 형태로 결합된다. 회전판(5)은 그 일실시예로서 사각 플레이트 형상일 수 있는데. 그 일면 또는 양면에는 격자 형상의 지지대(72)가 배치된다. 회전판(5) 상에는 제2 베어링(53)에의 결합을 위해 복수의 결속구(74)가 형성되고, 상기 결속구(74)를 통해 볼트 등의 결합 수단의 체결이 가능하다. 상기 회전판(5)은 회전 중심으로부터 모서리까지의 거리가 플랫폼(3)의 직경 이하가 되도록 설정할 수 있다.

상기 회전판(5)은 플랫폼(3) 상에서 베어링 구조체(40)에 의해 독립적으로 회전 운동(Z축을 중심으로 회전하는 Yawing 운동)이 가능하게 된다. 즉, 복수의 액츄에이터들(10, 20. 30)에 의한 다자유도 운동에 관계없이 구동 모터부(50) 및 베어링 구조체(40)를 통해 무한 회전이 가능하게 된다. 상기의 회전 구동 중에 시뮬레이터(100) 상하부 간의 통신 및 전원 공급은 슬립링을 사용하여 적용 가능하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 다자유도 시뮬레이터의 다른 실시예로서는 베이스부(1)를 기준으로 하여 그 하부단에 회전판(5)이 배치된 상태에서, 베어링 구조체(40)는 베이스부(1)와 회전판(5)을 연결하는 상태가 된다. 즉, 베이스부(1)의 하부 방향으로도 별도의 회전판을 배치하여 무한 회전을 가능하게 할 수 있다.

여기에서, 베어링 구조체(40)는 베이스부(1)의 중심에 형성된 베어링 체결구(41)에 고정되는 제1 베어링(51) 및 제1 베어링(51)을 둘러싸는 형태로 회전 가능하게 결합배치되는 제2 베어링(53)을 포함한다. 또한, 제2 베어링(53)의 하단은 제1 베어링(51)의 하단보다는 더 낮은 위치에 오도록 배치된다.

이하, 도 1 내지 도 7을 다시 참조하여 본 발명의 다자유도 시뮬레이터의 작동 방식을 설명한다.

먼저, Z축을 따라 이동하는 헤빙(heaving) 동작을 구현하기 위해서는 세 개의 액츄에이터가 동일한 각도만큼 회전하는 것이 필요하다. 예를 들어, 세 개의 제1 크랭크축(13, 23, 33) 모두가 지면에 대해 상부 방향으로 수직한 위치에 오게 되면, 플랫폼(3)이 가장 높은 위치에 오게 된다.

반대로, 세 개의 제1 크랭크축(13, 23, 33) 모두가 지면에 대해 하부 방향으로 수직한 위치에 오게 되면, 플랫폼(3)이 가장 낮은 위치에 오게 된다.

X축을 따라 회전하는 롤링(rolling) 동작을 구현하기 위해서는 제2 구동 액츄에이터(20)와 제3 구동 액츄에이터(30)의 회전방향을 반대로 구동한다. 예를 들어, 제2 구동 액츄에이터(20)의 제1 크랭축(23)을 시계방향으로 회전하고, 제3 구동 액츄에이터(30)의 제1 크랭크축(33)을 반시계방향으로 회전하면, 제2 구동 액츄에이터(20) 측의 플랫폼(3)은 상승하고, 제3 구동 액츄에이터(30) 측의 플랫폼(3)은 하강한다. 이를 반대로 구현하면 제2 구동 액츄에이터(20) 측의 플랫폼(3)은 하강하고, 제3 구동 액츄에이터(30) 측의 플랫폼(3)은 상승하게 된다. 이때 제1 구동 액츄에이터(10)는 동작을 하지 않는 것이 바람직하다.

Y축을 따라 회전하는 피칭(pitching) 동작 구현을 하기에서 설명한다. 제1 구동 액츄에이터(10)의 제1 크랭크축(13)이 시계방향으로 회전하면서 제2 크랭크축(19)이 상승하고, 제2 구동 액츄에이터(20) 및 제3 구동 액츄에이터(30)의 제1 크랭크축(23,33)들이 반 시계방향으로 회전하면서 제2 크랭크축들이 하강하면, 플랫폼(3)은 제1 구동 액츄에이터(10) 측이 상승하고, 제2 및 제3 구동 액츄에이터(20,30) 측이 하강하는 운동을 하게 된다. 그 반대의 경우도 가능함은 자명하다.

본 발명의 핵심적인 부분은 복수의 구동 액츄에이터들(10,20,30)을 통해 플랫폼(3)의 위치를 다양하게 변동하게 하는 과정에서 회전판(5) 상에 위치한 물체의 예기치 하중 변동이 발생할 수 있는데, 이러한 경우에 플랫폼(3)의 일부 영역 상에 가해지는 불균일한 과부하로 인해서 상기 구동 액츄에이터들(10,20,30)에 역하중이 작용함으로써 기기 손상이나 예상치 않은 작동이 이루어지는 것을 방지한다.

즉, 복수의 하중 분산 지지체가 복수의 구동 액츄에이터들 사이에 배치된 상태에서 플랫폼(3)으로부터 하부 방향으로 급작스런 하중 변화가 발생하는 경우에 상기 하중의 변화가 일어나는 영역 상에 위치한 하중 분산 지지체는 가해지는 하중을 완충함으로써 복수의 구동 액츄에이터들에 전달되는 것을 방지한다.

한편, 본 발명은 롤링(rolling) 및 피칭(pitch) 동작을 구현하기 위해 연결 프레임(16)과 플랫폼(3) 간의 연결 부분에 볼 조인트(18)를 제공한다. 플랫폼(3)이 롤링(rolling) 및 피칭(pitch) 동작을 통해 수평상태에서 어긋나는 경우에는 볼 조인트(18)에 의해 연결 프레임(16)들 간의 위치를 적절히 조절하는 과정을 통해 어긋난 거리를 보상하게 된다.

한편 하중 분산 지지체(60)에서도 하부 회전체(63)와 제1 지지축(64) 사이 및 상부 회전체(66)와 제2 지지축(67) 사이에 볼 조인트 구조가 제공된다. 구체적으로는 지지축(64,67)의 중간에 형성된 볼 부분을 회전체(63,66)의 단부가 둘러싼 상태에서 자유롭게 회전 가능한 상태를 이룬다. 상하부 회전체(63,66)는 실린더 바디(61)의 축을 중심으로 한 회전 구조 및 제1,2 지지축(64,67)과의 볼 조인트 구조 등을 통해 플랫폼(3)과 베이스부(1) 간의 위치설정을 가능하게 한다.

Z축을 따라 회전하는 요잉(Yawing) 동작을 구현하기 위해서는 제어부를 통해 구동 모터부(50)에 전력을 공급하여 구동 기어(62)를 회전하게 한다. 구동 기어(62)에 맞물리는 제2 베어링(53)은 제1 베어링(51)의 둘레를 따라서 회전하게 되고, 이를 통해 제2 베어링(53)의 상단에 고정된 회전판(5)의 회전 구동이 이루어진다.

본 발명은 사용자가 조종장치로 입력 신호를 보내면 연산장치가 이를 연산하여 각각의 구동 액츄에이터(10,20,30) 또는 구동모터부(50)에 동작신호를 송신하고, 위치센서가 각각의 액츄에이터의 위치를 파악하고 이를 피드백하는 구성이다. 이는 당업자에게 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 본 발명은 제1 크랭크축(13,23,33)의 제1 회전축(12,22,32)에 위치센서 또는 각도센서를 두어, 회전축의 회전 각도를 측정하고, 이를 피드백하여 플랫폼(3)의 위치를 제어한다. 위치센서 또는 각도센서는 포테시오미터(potetiometer) 또는 엔코더(encoder)를 사용하고, 제1 크랭크축과 제2 크랭크축의 위치를 파악하게 된다. 이러한 위치센서 또는 각도센서는 제2 크랭크축의 회전축에도 제공될 수 있다. 제2 크랭크축은 제1 크랭크축에 대해 구 회전이 가능하게 제공되나, 이에 직접 동력전달 장치가 제공되는 것은 아니므로, 위치센서를 통해 측정된 신호에 따라 제1 크랭크축의 위치를 변화하여 제어하게 된다.

위치센서 또는 각도센서는 제1 크랭크축의 회전축에 다이렉트로 연결되어 회전각도를 측정할 수도 있고, 별도의 벨트 및 풀리구조를 이용하여 측정할 수도 있다. 또한, 본 발명은 조이스틱과 같은 조종장치를 통해 시뮬레이터의 동작 신호를 입력하는 것도 가능하다. 즉, 4D 영화관 또는 놀이기구에 사용되는 경우, 조종장치를 통해 시뮬레이터에 입력되는 신호를 시계열적으로 저장부에 저장을 한 후에, 추후 사용자가 시뮬레이터를 이용하는 경우 저장부에 저장된 입력신호를 동일하게 연산장치로 입력하는 방식이다. 이 경우 작업자가 영화를 보면서 각 장면과 상황에 대응하는 입력신호를 조이스틱을 통하여 입력시키고 저장한 후, 영화상영시 관객들에게 작업자가 입력한 상황을 그대로 재현할 수 있는 장점이 있다. 입력신호를 컴퓨터 언어에 의해 코딩을 하는 것이 아니라, 조이스틱을 통해 코딩을 한다면, 비전문가의 경우에도 시뮬레이터의 동작을 사전에 쉽게 세팅할 수 있는 장점이 있다.

이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 다자유도 시뮬레이터 구동장치를 설명한다. 하기에서는 제1 실시예와 구별되는 기술적인 부분에 대해서 중점적으로 설명하고 중복되는 부분은 설명을 생략한다.

다자유도 시뮬레이터 구동장치는 베이스부(1), 베이스부(1)의 상단 측에 제공되고, 독립적으로 제어 가능한 복수의 구동 액츄에이터(110), 복수의 구동 액츄에이터(110)의 상부에 연결되어 지지되며 상기 베이스부(1)와 이격된 상태를 유지하는 플랫폼(3), 구동 액츄에이터(110) 간에 배치되는 하중 분산 지지체(160), 플랫폼(3) 상에 배치되는 베어링 구조체(40), 베어링 구조체(40)에 회전력을 제공하는 구동 모터부(50) 및 베어링 구조체(40) 상에 회전 가능하게 배치되는 회전판(5)을 포함한다.

베이스부(1)는 바닥면이 대신할 수 있고, 복수의 구동 액츄에이터(110)를 그 상면에 고정하는 기능을 수행한다. 본 실시예 상에서 액츄에이터(110)는 총 6개가 배치될 수 있는데, 2개씩 한조를 이루어 방사상으로 배치된다. 복수의 액츄에이터(110)의 기능과 구조는 동일하다. 즉, 상기와 같이 6개로 이루어진 복수의 액츄에이터(110) 배치 구조를 통해서 크랭크 로드 형태의 6 자유도 모션이 가능하다.

복수의 액츄에이터(110)는 각각 모터 모듈(111), 모터 모듈(111)에 결합되는 구동축에 회전 가능하게 연결된 제1 크랭크축(113), 회전축(114)에 의해 제1 크랭크축(113)에 회전 가능하게 연결된 제2 크랭크축(119) 등을 포함한다. 모터 모듈(111)은 회전 모터(111a)와 중공형 웜감속기(111b)를 포함하고, 상기 회전 모터(111a)는 AC모터인 것이 바람직하나, 회전 동력을 발생할 수 있는 것이라면 어느 것이라도 가능하다. 회전 모터(111a)는 중공형 웜감속기(111b)와 연결하여 토크를 증대시키는 것이 바람직하다. 여기에서, 구동축은 웜감속기(111b)를 관통하여 회전 가능하게 체결된다.

상기 다자유도 시뮬레이터 구동장치의 모터 모듈(111)은 제1 실시예와 동일하게 설명이 가능한데, 중공형 웜감속기(111b)를 사용하는 경우에 별도의 브레이크 기능이 없는 모터를 적용하는 경우에도 웜기어의 브레이크 기능을 사용하여 정지할 수 있게 된다.

여기에서, 회전축(114)은 볼 조인트와 같은 구조로 이루어질 수 있는데 이를 통해 제2 크랭크축(119)은 제1 크랭크축(113)에 대해서 전방향으로의 회전이 가능할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다자유도 시뮬레이터는 동력을 전달하는 복수의 구동 액츄에이터 및 상기 복수의 구동 액츄에이터 사이에 배치되는 하중 분산 지지체를 플랫폼의 하부에 배치시킨 상태에서 상기 플랫폼에 작용하는 비정상적인 하중으로 인하여 복수의 구동 액츄에이터에 가해질 수 있는 예기치 않은 충격을 방지할 수 있다.

또한, 각각의 구동 액츄에이터의 크랭크축 회전각 또는 구동모터부의 회전각을 조절하는 과정을 통해 롤링, 피칭, 헤빙, 스웨이 등의 다양한 자유도의 운동을 가능하게 할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

1 : 베이스부
3 : 플랫폼
5 : 회전판
10,20,30 : 구동 액츄에이터
40 : 베어링 구조체
50 : 구동 모터부
60,70,80 : 하중 분산 지지체

Claims (5)

1. 베이스부(1);
   상기 베이스부(1)의 상단 측에 제공되고, 독립적으로 제어 가능한 복수의 구동 액츄에이터(10, 20, 30);
   상기 복수의 구동 액츄에이터(10,20,30) 간에 배치되는 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80); 및
   상기 복수의 구동 액츄에이터(10,20,30) 및 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80)의 상부에 연결되어 지지되는 플랫폼(3);을 포함하며,
   상기 복수의 구동 액츄에이터(10,20,30)는 각각 모터 모듈(11), 상기 모터 모듈(11)에 회전 가능하게 연결된 제1 크랭크축(13), 상기 제1 크랭크축(13)에 회전 가능하게 연결된 제2 크랭크축(19), 상기 제2 크랭크축(19)의 상부단에 연결되는 지지체(15) 및 상기 지지체(15) 사이에 고정 배치되는 연결 프레임(16)을 포함하고,
   상기 구동 액츄에이터(10)는 상기 모터 모듈(11)의 상단을 둘러싸게 배치되는 상기 연결 프레임(16)을 기준으로 하여, 상기 제1 크랭크축(13), 제2 회전축(14), 제2 크랭크축(19) 및 지지체(15) 가 대칭적으로 배치되는, 듀얼 링키지 타입으로 작동하며,
   상기 플랫폼(3)의 일부 영역을 통해 과부하가 가해하는 경우에 상기 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80) 중 어느 하나 이상의 하중 분산 지지체에서 상기 가해진 과부하의 완충 작용을 수행하는 것을 특징으로 하는,
   다자유도 시뮬레이터.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80)는 상기 베이스부(1)의 중심을 기준으로 방사상으로 배열되는 것을 특징으로 하는,
   다자유도 시뮬레이터.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 하중 분산 지지체(60,70,80)는 각각 실린더 바디(61), 상기 실린더 바디(61)에 결합된 상태에서 슬라이딩 운동하는 완충 로드(62), 상기 실린더 바디(61)의 하단과 상기 완충 로드(62)의 상단에 각각 결합되는 회전체(63,66), 상기 회전체(63,66)가 각각 관통설치되는 지지축(64,67), 상기 지지축(64,67)이 각각 거치되는 브라켓(65,68)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
   다자유도 시뮬레이터.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 회전체(63,66)는 상기 지지축(64,67)과 볼 조인트 결합 구조를 이루는 것을 특징으로 하는,
   다자유도 시뮬레이터.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 플랫폼(3) 또는 상기 베이스부(1)에 회전 가능하게 배치되는 회전판(5);을 포함하며,
   상기 복수의 액츄에이터들(10, 20, 30)은 각각 상기 플랫폼(3)에 듀얼 링키지 타입으로 연결되는 것을 특징으로 하는,
   다자유도 시뮬레이터.

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