KR101974179B1 - 중력 체험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 케이블 구동 로봇을 이용하여 사용자가 중력 상태를 체험할 수 있는 중력 체험장치에 관한 것으로, 작업 공간을 형성하는 프레임(110)과; 상기 프레임(110)에 고정된 복수의 케이블(120)에 의해 지지되며, 사용자의 조작에 의해 압력을 검출하는 압력감지부(135)와 기울기를 검출할 수 있는 기울기센서(137)가 구비되어 사용자가 위치하게 되는 지지부(134)를 포함하는 3축 짐벌 메커니즘(130)과; 상기 각 케이블(120)을 귄취 또는 권출하기 위한 복수의 윈치부(140)와; 상기 3축 짐벌 메커니즘(130)으로부터 전달된 입력신호에 따라서 상기 윈치부(140)의 구동을 제어하는 제어부(200)를 포함한다.

Description

중력 체험장치{APPARATUS FOR PROVIDING GRAVITY EXPERIENCE}
본 발명은 중력 체험장치에 관한 것으로, 상세하게는 케이블 구동 로봇을 이용하여 사용자가 중력 상태를 체험할 수 있는 장치에 관한 것이다.
중력이란 상대적으로 중력을 적게 느끼게 하는 것을 말한다. 우주의 무중력, 중력을 재현하기 위해 여러 가지 방향이 시도되고 있다. 무중력, 중력 체험 방법 중의 하나로는 비행기로 포물선 모양의 궤적을 그리면서 약 10,000m 상공에서부터 활강하게 되는데 단점은 한 번의 체험이 30초에 못 미칠 정도로 짧으며 매우 고가이다. 기존의 메커니즘이나 장치를 활용해 제한된 공간에서 유사체험을 할 수 있는 장치들이 개발되고 있으며 직렬형, 병렬형, 케이블 구동 병렬형 중력 체험로봇들이 개발되고 있다. 강체로 구성된 직렬형 및 병렬형 로봇은 작업공간의 제한을 받고 기존의 케이블 구동 병렬형 로봇은 넓은 공간에서 움직일 수 있지만 낮은 자유도의 단순한 움직임과 고정 케이지를 사용하여 많은 체험자의 흥미를 끌기 어렵다.
짐벌은 하나의 축을 기준으로 물체가 회전할 수 있도록 만들어진 구조물이다. 현재 짐벌을 사용한 놀이기구로는 크게 두 가지로 되어 있다. 소형으로는 구조물을 고정시키고 사용자를 짐벌에 탑승시키고 짐벌을 회전시키는 것이고, 대형으로는 강체 혹은 케이블로 구조물을 큰 범위에서 빠른 속도/가속도로 움직여 주는 동시에 짐벌을 회전시키는 것이다. 이러한 놀이기구는 각자의 장점을 갖고 있는 반면에 또한 시각적인 효과가 부족하고, 또한 탑승자의 능동적 의지를 반영하지 못하고 수동적으로 움직임을 받아 들여야 된다는 단점이 있다.
등록특허공보 제10-1662270호(공고일자: 2016.10.04.)
본 발명은 케이블 구동 병렬형 로봇의 넓은 작업공간 수행능력과 고 동특성의 장점을 활용하여 넓은 범위에서의 움직임을 만들어주는 동시에 짐벌 메커니즘, 가상현실과 조이스틱기능을 추가하여 능동적인 놀이기구로 활용될 수 있는 중력 체험장치를 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중력 체험장치는, 작업 공간을 형성하는 프레임과; 상기 프레임에 고정된 복수의 케이블에 의해 지지되며, 사용자의 조작에 의해 압력을 검출하는 압력감지부와 기울기를 검출할 수 있는 기울기센서가 구비되어 사용자가 위치하게 되는 지지부를 포함하는 3축 짐벌 메커니즘과; 상기 각 케이블을 귄취 또는 권출하기 위한 복수의 윈치부와; 상기 3축 짐벌 메커니즘으로부터 전달된 입력신호에 따라서 상기 윈치부의 구동을 제어하는 제어부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 3축 짐벌 메커니즘은 상기 제어부에 의해 구동이 이루어지는 회전구동부를 매개로 하여 3축 방향의 회전 구동이 가능한 피칭 하우징, 롤링 하우징 및 요잉 하우징으로 구성되며, 상기 지지부는 피칭 하우징, 롤링 하우징 및 요잉 하우징 중의 어느 하나에 고정된다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 압력감지부에서 검출된 입력신호에 따라서 상기 3축 짐벌 메커니즘의 운동 가속도를 비례 제어한다.
바람직하게는, 상기 3축 짐벌 메커니즘은 사용자의 조작에 의해 상기 3축 짐벌 메커니즘의 회전 운동을 제어하게 되는 조이스틱을 더 포함한다.
본 발명에 따른 중력 체험장치는, 프레임과, 프레임에 구비되어 복수의 케이블에 의해 구동이 이루어져 사용자가 탑승하여 조작이 가능한 3축 짐벌 메커니즘과, 각 케이블을 귄취 또는 권출하기 위한 복수의 윈치부와, 3축 짐벌 메커니즘으로부터 전달된 입력신호에 상기 윈치부의 구동을 제어하는 제어부로 구성되어 능동적인 놀이기구로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중력 체험장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 중력 체험장치의 3축 짐벌 메커니즘을 보여주는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 중력 체험장치에 있어서, 윈치부의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 중력 체험장치의 제어유니트의 구성도,
도 5의 (a)(b)는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 중력 체험장치의 사시 구성도와 평면 구성도,
도 6의 (a)(b)는 본 발명에 따른 중력 체험장치에 있어서, 가상벽면을 이용한 탄성 충돌 과정을 설명하기 위한 도면.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 중력 체험장치는, 3차원의 작업 공간을 형성하는 프레임(110)과, 프레임(110)에 고정된 복수의 케이블(120)에 의해 지지되는 3축 짐벌 메커니즘(130)과, 각 케이블(120)을 권취 또는 귄출하기 위한 윈치부(140), 3축 짐벌 메커니즘(130)으로부터 전달된 신호를 수신하고 각 윈치부(140)의 구동을 제어하게 되는 제어부(200)를 포함한다.
본 실시예에서 프레임(110)은 육면체 구조를 갖고 전체 구조물을 지탱하는 역할을 하며, 각 모서리에 빔이 위치하고 각 빔의 단부는 서로 용접 등에 의해 고정되며, 프레임(110)의 각 면은 개방된 육면체 구조를 갖는다.
3축 짐벌 메커니즘(130)은 사용자가 중력을 체험하기 위해 위치하는 것으로서, 바람직하게는, 사용자는 3축 짐벌 메커니즘(130) 내에서 3축 방향(γ,α,β)으로 자유 회전이 이루어질 수 있으며, 또한 사용자의 조작에 의해 3축 짐벌 메커니즘(130)의 병진 운동(translation motion) 또는 회전 운동(rotation motion)이 이루어지며, 이에 대한 구체적인 실시예는 관련 도면을 참고하여 다시 설명한다.
윈치부(140)는 케이블(120)을 감을 수 있도록 마련되며, 본 실시예에서 프레임(110)의 각 꼭지점에 윈치부(140)가 마련되어 8개의 케이블(120)은 각 윈치부(140)에 구동에 의해 길이 조절이 이루어지는 것을 보여주고 있다. 한편, 케이블(120)과 윈치부(140)의 숫자 또는 배치는 프레임의 형태 또는 사이즈에 따라서 증감될 수 있다.
본 실시예에서 윈치부(140)는 3축 짐벌 메커니즘(130)을 기준으로 하여 프레임(110)의 상단에 배치되는 상부 윈치부(140a)와, 프레임(110)의 하단에 배치되는 하부 윈치부(140b)로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 중력 체험장치의 3축 짐벌 메커니즘을 보여주는 구성도이다.
도 2에 예시된 것과 같이, 3축 짐벌 메커니즘(130)은 피칭축(A1), 롤링축(A2) 및 요잉축(A3)으로 구성된 3축 방향의 회전 운동이 가능하며, 피칭 하우징(131), 롤링 하우징(132) 및 요잉 하우징(133)이 회전축으로 결합되며, 각 회전축은 회전구동부(미도시)가 구비되어 각 축방향(A1,A2,A3)으로 회전 구동이 가능하다.
바람직하게는, 3축 짐벌 메커니즘(130)은 사용자가 위치하게 되는 지지부(134)가 마련되며, 지지부(134)는 사용자의 조작에 의해 발생된 압력을 검출할 수 있는 압력감지부(135)를 포함하며, 바람직하게는, 지지부(134)는 기울기를 검출할 수 있는 기울기센서를 더 포함한다. 압력감지부(135)와 기울기센서의 검출 신호는 제어부(200; 도 1 참고)로 전달된다.
특히 압력감지부(135)는 사용자가 발로 디딜 수 있도록 지지부(134) 바닥에 복수 개로 마련되어 사용자의 디딤 강도에 따라서 해당 크기의 압력신호를 제어우로 전달하며, 제어부는 압력감지부(135)의 입력신호에 비례하여 3축 짐벌 메커니즘(130)의 운동 가속도를 제어한다.
한편, 복수 개로 구성된 압력감지부(135)는 배치 위치에 따라서 해당 방향으로 3축 짐벌 메커니즘(130)의 병진 운동의 조작 신호로도 사용될 수 있다.
다음으로 기울기센서는 지지부(134)의 기울기를 검출하며, 제어부는 검출 기울기에 따라서 3축 짐벌 메커니즘(130)의 자세를 판단하여 안전성 범위 내에서 3축 짐벌 메커니즘(130)의 자세를 제어할 수 있다.
지지부(134)는 하우징 중의 어느 하나에 고정되며, 본 실시예에서 지지부(134)는 요잉 하우징(133)에 고정되는 평판을 예시하고 있으나, 그 형태 또는 고정 위치는 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 지지부(134)는 사용자가 앉을 수 있도록 마련된 의자일 수 있다.
지지부(134)는 사용자가 중력 체험을 위해 위치하게 되는 것으로서, 사용자가 지지부(134)에 안정되게 위치할 수 있도록 인체를 고정할 수 있는 안전벨트(미도시)가 마련될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 중력 체험장치에 있어서, 윈치부의 구성도이다.
도 3에 예시된 것과 같이, 윈치부(140)는 케이블이 감기게 되는 보빈(141)과, 보빈(141)을 정회전 또는 역회전 구동하게 되는 모터(142)와, 제어부에서 전달된 제어신호에 의해 모터(142)의 회전 구동을 제어하게 되는 모터 드라이버(143)를 포함하며, 바람직하게는, 케이블의 텐션을 검출하기 위한 로드셀(144)을 더 포함할 수 있다. 로드셀(144)에서 검출된 검출 신호(텐션)는 제어부로 전달되며, 제어유닛은 윈치부(140)에서 전달된 케이블의 텐션 정보를 활용하여 3축 짐벌 메커니즘의 위치 또는 회전 제어가 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 중력 체험장치의 제어유니트의 구성도이다.
도 4를 참고하면, 제어부(200)는 3축 짐벌 메커니즘(130)에 마련된 압력감지부(135)와 기울기센서(137)에서 검출된 신호가 입력되며, 또한 각 윈치부(140)의 로드셀(144)로부터 케이블의 텐션 검출신호가 입력된다.
앞서 설명한 것과 같이, 압력감지부(135)는 사용자의 조작에 의해 3축 짐벌 메커니즘(130)의 가속도의 크기를 결정하는 입력 값으로 사용될 수 있으며, 기울기센서(137)의 검출 신호는 3축 짐벌 메커니즘(130)의 자세를 판정하는데 사용될 수 있다.
바람직하게는, 3축 짐벌 메커니즘(130)은 사용자가 조작 가능한 조이스틱(138)을 포함하며, 사용자는 조이스틱(138)의 조작에 의해 3축 짐벌 메커니즘(130)의 운동 조작이 이루어진다. 한편, 조이스틱(138)의 조작에 의해 발생된 조작 신호는 제어부(200)에 입력되며, 제어부(200)는 그 조작 신호에 따라서 해당 방향으로 3축 짐벌 메커니즘(130)의 회전이 이루어질 수 있도록 각 윈치부(140)를 구동한다.
한편, 제어부(200)는 3축 짐벌 메커니즘(130)의 각 회전축을 구동하게 되는 회전구동부(136)와, 각 윈치부(140)의 모터드라이브(143)를 구동하기 위한 제어 신호를 출력하며, 이러한 제어신호는 사용자의 조작에 의해 발생된 입력신호를 판정하여 해당 구동부의 구동을 위한 제어신호로 변환되어 출력된다.
특히 제어부(200)는 입력된 신호를 판정하여 목표 위치(또는 방향)을 결정하며, 각 윈치부(140)에서의 케이블의 조작 길이(Li)를 다음 [수학식]의 역기구학을 이용하여 산출한다.
[수학식]
L i = a i - P - R(α,β,γ)b i
위 식에서 i는 케이블의 숫자이며, R(α,β,γ)b i 는 3축 짐벌 메커니즘(130)의 회전운동과 관련된 인자이다.
바람직하게는, 3축 짐벌 메커니즘(130)은 가상현실 장치(139)를 더 포함할 수 있으며, 사용자는 가상현실 장치(139)를 착용한 상태에서 3축 짐벌 메커니즘(130)을 조작함으로써 현실감을 증가시킬 수 있다.
다시 도 1을 참고하면, 이와 같이 구성된 본 발명의 중력 체험장치는, 사용자가 3축 짐벌 메커니즘(130)에 위치한 상태에서 압력감지부 또는 조이스틱을 조작하여 자유롭게 6자유도(3축 방향의 병진운동과, 3축 방향의 회전운동) 모션을 체험할 수 있으며, 또한 체험자는 가상현실을 함께 착용하여 보다 다양한 가상현실 환경을 경험할 수가 있다.
한편, 체험자의 조작이 프레임(110)에 의해 정의된 작업 공간을 벗어나는 경우에는 제어부(200)는 프레임(110)에 의해 정의된 가상벽면에서 탄성적으로 튕겨지도록 3축 짐벌 메커니즘(130)을 제어하여 사용자에게 스릴감을 제공하여 능동적인 놀이기구로 활용될 수 있다.
예를 들어, 도 5의 (a)(b)는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 중력 체험장치의 사시 구성도와 평면 구성도로서, 본 실시예는 하나의 프레임(310)에 복수 개의 3축 짐벌 메커니즘(320)(330)이 구비되며, 각 3축 짐벌 메커니즘(320)(330)에 탑승한 체험자는 각자의 3축 짐벌 메커니즘(320)(330)을 조작하여 범퍼카 형태의 놀이기구로 활용될 수 있다. 2개 이상의 짐벌 메커니즘을 구성할 시, 케이블 간섭을 피하고 각 짐벌 메커니즘의 충돌이 발생할 수 있도록 공동공간을 확보하기 위해 도 5에서와 같이 케이블들이 연결될 수 있다.
한편, 도 6의 (a)(b)를 참고하면, 가상벽에 의한 감속력과 반사력은 가속도 계산식과 사용자 입력에 의해 각각 결정될 수 있다. 감속력, F vw (= m×a vw = v 0 /x vw )의 경우, 가상벽으로의 입사속도(v 0 )와 가상벽과 최대작업공간 사이의 거리(x vw )에 의해 결정되며, 반사방향과 크기는 입사력과 동일한 크기와 입사각에 따른 반사방향으로 형성(도 6의 (a) 참고)되거나 사용자의 입력(압력감지부나 조이스틱 입력)에 의해 변화될 수 있다(도 6의 (b) 참고).
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 프레임 120 : 케이블
130 : 3축 짐벌 메커니즘 140 : 윈치부
200 : 제어부

Claims (4)

  1. 작업 공간을 형성하는 프레임과;
    상기 프레임에 고정된 복수의 케이블에 의해 지지되며, 사용자가 발로 디딛고 위치할 수 있도록 지지부가 마련되되, 상기 지지부의 바닥에 구비되어 사용자의 조작에 의해 압력을 검출하는 압력감지부와 상기 지지부의 기울기를 검출할 수 있는 기울기센서가 구비되며, 사용자의 조작에 의해 회전 운동을 제어하게 되는 조이스틱을 포함하는 3축 짐벌 메커니즘과;
    상기 각 케이블을 귄취 또는 권출하기 위한 복수의 윈치부와;
    상기 3축 짐벌 메커니즘으로부터 전달된 입력신호에 따라서 상기 윈치부의 구동을 제어하되, 상기 압력감지부에서 검출된 입력신호에 따라서 상기 3축 짐벌 메커니즘의 운동 가속도를 비례 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 윈치부는, 상기 3축 짐벌 매커니즘을 기준으로 상기 프레임의 상단에 배치되어 케이블을 상단으로 직접 권취 가능한 상부 윈치부와 상기 프레임의 하단에 배치되어 케이블을 하단으로 직접 권취 가능한 하부 윈치부로 구성됨을 특징으로 하는 중력 체험장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 3축 짐벌 메커니즘은 상기 제어부에 의해 구동이 이루어지는 회전구동부를 매개로 하여 3축 방향의 회전 구동이 가능한 피칭 하우징, 롤링 하우징 및 요잉 하우징으로 구성되며, 상기 지지부는 피칭 하우징, 롤링 하우징 및 요잉 하우징 중의 어느 하나에 고정되는 것을 특징으로 하는 중력 체험장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
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