KR102117253B1 - 다자유도 모션플랫폼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다자유도 모션플랫폼에 관한 것으로서, 외부로부터 입력된 제어신호에 의해 작동하여 다자유도 모션을 출력하는 것으로서, 피칭, 롤링, 히빙모션을 구현하는 3자유도 모션시스템, 요잉모션을 출력하는 요 모션시스템 및 전후좌우 방향의 수평방향 모션을 구현하는 2자유도 모션시스템 중 적어도 둘 이상의 모션시스템을 조합하여 구성한 것을 특징으로 하며, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가지며 강력한 다자유도 모션을 출력하여 고하중에서도 정밀하고 다이나믹한 운동을 구현할 수 있으므로, 전체적인 시뮬레이션 효과를 배가시킬 수 있고, 개별 모션시스템이 모듈별로 구성되어 있어 모션시스템의 조합 구성을 다양하게 변경할 수 있으므로, 사용 중 모션시스템을 교체하거나 부가하여, 3자유도 에서부터 6자유도에 이르기까지 다양한 자유도의 모션을 구현할 수 있는 장점이 있다.

Description

다자유도 모션플랫폼{MULTI-DOF MOTION PLATFORM}

본 발명은 각종 모션시뮬레이터에 적용할 수 있는 모션플랫폼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 개별적으로 모듈화 되어 있는 3자유도 모션시스템과 2자유도 모션시스템 및 요 모션시스템을 조합하여 구성되는 다자유도 모션플랫폼에 관한 것이다.

각종 모션(motion)을 모사하는 모션플랫폼은, 예컨대 자동차나 전동차 또는 항공기나 탱크 등과 같은 다양한 동작체의 움직임을 반복 재현하는 장치로서, 입력되어 있는 프로그램에 의해 작동하여 사용자로 하여금 실제 동작체에 탑승한 것과 같은 체험을 할 수 있게 한다.

상기 모션플랫폼에 관한 기술은, 예컨대, 군사, 산업, 교육, 엔터테인먼트 등의 분야에 이미 넓게 적용되고 있다. 가령, 영화, 엔터테인먼트, 비행 조종훈련, 특수장비 전문가 양성 등을 포함하는 다양한 응용분야에서, 가상현실 기술과 접목되어 사실적인 체험을 극대화할 수 있도록 발전하고 있는 것이다.

최근에는 체감형 게임은 물론, 소규모의 개인용 모션플랫폼까지 개발되어 있고, 4D 효과의 가장 큰 부분을 차지하는 모션을 제시하며, 기존의 군사용 대형 모션플랫폼의 공간적 비용적 단점이나, 단순한 몇몇 기능만 갖는 저가의 4D 장치의 한계를 극복하기 위해, 크기가 보다 컴팩트하고 새롭고 복합적 모션을 제공할 수 있는 다양한 모션플랫폼이 계속적으로 개발되고 있다.

한편, 모션플랫폼을 구성하는 모션시스템은 보통 다음과 같은 절차에 따라 개발된다. 먼저, 목표 사양 분석단계를 통해 요구사항을 분석하고, 기구학 분석단계에서 각 기구들의 크기와 위치를 결정하며 3D 모델링을 거쳐 역/순기구학 시뮬레이션을 한다.

또한, 동특성 분석 단계를 통해, 액추에이터의 용량 결정과 조인트별 최대 하중 및 구조해석을 한다. 설계단계에서는 단품 설계 및 제작도면을 작성하고 단축 액추에이터 시험을 통해 요구사항이 충족되면 제작단계로 넘어간다. 요구사항이 충족되지 않으면 기구학 분석단계로 다시 넘어가 반복적인 단계를 거친다.

제작단계에서는 부품을 가공하고 조립하여 모션플랫폼을 만들고, 만들어진 모션플랫폼에 대한 시험평가를 통해 성능을 검증한다. 또한, 모션플랫폼의 동적 특성을 분석하고 제어하기 위해서 모션 제어 소프트웨어를 통해 모션 명령을 내리고 이 신호를 액추에이터 드라이버에 보내 모션플랫폼을 움직인다. 이때 플랫폼의 움직임을 감지하고 그 신호를 변환한 후, 이를 다시 모션 제어 소프트웨어에 피드백하면 모션플랫폼에서는 다시 구동을 제어하는 방식으로 운용된다.

모션플랫폼을 구동시키는 액추에이터는 모션플랫폼을 구동할 때에 빈번히 발생하는 기동, 정지, 회전 혹은 왕복 운동을 할 수 있어야 한다. 또한 명령 신호나 검출 신호에 따라 쉽게 제어가 가능해야 하고 응답성도 양호해야 하며 설치 보수 작업이 용이한 형태로 제작되어야 한다.

액추에이터는 동력원에 따라, 공압식, 유압식, 전기식 및 기타 형상 기억합금과 같은 특수 재질 방식 등으로 분류된다.

공압식은 공기 압축장치를 사용하여 압축된 공기를 밀폐된 실린더에 밀어 넣고 빼내는 방식으로 동작하나 공기가 지나는 공간의 크기가 일정하여도 공기의 부피는 일정하지 않다는 특성이 있다.

또한 유압식 액츄에이터는 고압의 오일을 실린더에 들여보내 피스톤을 가압 이송하는 방식으로 동작한다. 유압식에서는 배출되는 오일을 수집하여 담아두는 별도의 배관과 용기가 필요한 반면, 공압식에서는 공기를 다시 저장할 필요가 없다. 구동력에 있어서는 유압식이 공압식의 5배 이상 힘을 발휘할 수 있고 응답속도도 공압식보다 빨라 응답성이 좋으며, 물체에 반작용으로 인한 밀림 현상도 발생하지 않는다. 공압식은 유압식에 비해 소규모의 모션 플랫폼 제작에 적합하다.

전동식 액츄에이터는 전자기 모터에 의해 구동되는 것으로서, 스텝핑 모터, AC모터, BLDC모터 등 다양하게 사용되고 있다.

또한, 특수 재질 방식 액추에이터에는, 형상기억 합금이 적용된 타입이 있는데, 온도변화에 따른 형상을 회복할 때 복원력이 발생하므로 재료 그 자체가 구동력을 발생시키는 원리를 갖는다. 이러한 방식은 기구의 간소화 및 소형화에 유리한 반면 큰 힘을 내는 분야에는 적용이 어려운 한계를 가지고 있다.

이와 같이, 다양한 종류의 액추에이터 중에서, 사용 목적에 가장 적합한 것을 선택하여 모션플랫폼 장치를 구성한다. 참고로 모션플랫폼장치에는 3축모션 모션플랫폼과, 6축 기반의 모션 모션플랫폼이 대표적이다.

한편, 상기한 바와 같이, 최근 다양한 종류의 모션플랫폼이 개발되고 있는데, 그 중에는 국내등록특허공보 제10-1049498호를 통해 개시된 뒤틀림방지 및 수직지지력이 보강된 모션플랫폼도 있다.

상기 모션플랫폼은, 베이스부에 수평으로 고정되는 다수의 모터와, 상기 모터의 회전축에 고정되며 구동축에 직교하는 방향으로 연장된 링크와, 상기 링크의 연장단부에 연결되며 수직으로 세워지고 상단부가 모션플랫폼에 고정되는 승하강로드와, 상기 지지플레이트에 설치되며 모션플랫폼의 하중을 부분적으로 감당하는 다수의 유압실린더를 포함하는 구조를 갖는다.

그런데 상기한 구조를 갖는 종래의 모션플랫폼은, 그 구조의 한계상 승하강로드의 승강운동이 정확하게 구현되지 않을 수 있다는 단점을 갖는다. 그 이유는, 모션플랫폼에 가해지는 하중이 막대형 링크에 집중되어, 링크가 변형되거나 부러질 수 있기 때문이다. 최소한 부러지지 않더라도, 시간이 지남에 따라 모터의 회전축과 링크가 연결되는 연결부위에서의 슬립이나 빠짐 현상이 발생할 확률이 매우 높다.

한편, 시뮬레이션용 모션플랫폼에서 가장 중요한 것은 보다 콤팩트하고 다양한 자유도를 제공하는 것이다. 가령 수평의 평면운동 및 승강운동을 기본으로 하여, 요잉, 피칭, 롤링 운동을 동시에 구현할 수 있는 6자유도의 모션을 보다 작은 사이즈로 구성하는 것이다.

이러한 요구는 최근 핫이슈로 떠오르는 가상현실(virtual reality: VR)기술과 맞물려 더욱 커지고 있다. 가상현실 체험은, 기존의 거대한 모니터를 대신하여 VR헤드셋만 착용하면 되므로, 모니터는 물론 모니터과 관련된 거추장스럽고 부피가 큰 장치나 장비가 불필요하다.

그런데 종래의 6자유도 모션 플랫폼은 VR환경을 감안하여 제작된 것들이 아니므로, 그 크기가 크고 둔탁하여, 이를테면 가정용이나 개인용으로 사용할 수 없다는 단점을 갖는다. 특히 그 구성이 정형화된 형태이기 때문에 필요에 따라 모션의 자유도를 다르게 하는 구성으로 변경할 수도 없다.

국내등록특허공보 제10-1049498호(뒤틀림 방지 및 수직 지지력이 보강된 모션플랫폼) 국내등록특허공보 제10-0986602호(모션플랫폼 구동부와 이를 이용한 시스템) 미국등록특허공보 US5,563,963호(ARCADE AMUSEMENT RIDE MOTION SIMULATOR SYSTEM) 국내등록특허공보 제10-0248457호(6자유도 모션 시뮬레이터)

본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가지며 강력한 다자유도 모션을 출력하여 고하중에서도 정밀하고 다이나믹한 운동을 구현할 수 있으므로, 전체적인 시뮬레이션 효과를 배가시킬 수 있는 다자유도 모션플랫폼을 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 개별 모션시스템이 모듈별로 구성되어 있어 모션시스템의 조합 구성을 다양하게 변경할 수 있으므로, 사용 중 모션시스템을 얼마든지 교체하거나 부가하여 모션 특성을 다양하게 구현할 수 있는 다자유도 모션플랫폼을 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 다자유도 모션플랫폼은, 외부로부터 입력된 제어신호에 의해 작동하여 다자유도 모션을 출력하는 다자유도 모션 플랫폼으로서, 피칭, 롤링 및 히빙모션을 구현하도록 모듈화된 3자유도 모션시스템과, 상기 3자유도 모션시스템의 상부 또는 하부에 위치하며 요잉 모션을 출력하도록 모듈화된 요 모션시스템, 및 상기 3자유도 모션시스템과 요 모션시스템의 사이, 또는 요 모션시스템의 하부에 설치되며, 전후좌우 방향의 수평 모션을 구현하도록 모듈화된 2자유도 모션시스템을 포함하고, 상기 3자유도 모션시스템, 요 모션시스템 및 2자유도 모션시스템은, 서로에 대해 분해된 상태에서도 각자의 독립적 동작이 가능하도록 적층 구조로 구성되며 분해 가능하게 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 다자유도 모션플랫폼은, 외부로부터 입력된 제어신호에 의해 작동하여 다자유도 모션을 출력하는 다자유도 모션 플랫폼으로서, 피칭, 롤링 및 히빙모션을 구현하도록 모듈화된 3자유도 모션시스템, 및 상기 3자유도 모션시스템의 상부 또는 하부에 위치하며 요잉 모션을 출력하도록 모듈화된 요 모션시스템을 포함하고, 상기 3자유도 모션시스템과 요 모션시스템은, 서로에 대해 분해된 상태에서도 각자의 독립적 동작이 가능하도록 적층 구조로 구성되어 분해 가능하게 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 다자유도 모션플랫폼은, 외부로부터 입력된 제어신호에 의해 작동하여 다자유도 모션을 출력하는 다자유도 모션 플랫폼으로서, 피칭, 롤링, 히빙모션을 구현하도록 모듈화된 3자유도 모션시스템, 및 상기 3자유도 모션시스템의 상부 또는 하부에 위치하며 전후좌우 방향의 수평 모션을 구현하도록모듈화된 2자유도 모션시스템을 포함하고, 상기 3자유도 모션시스템과 2자유도 모션시스템은, 서로에 대해 분해된 상태에서도 각자의 독립적 제어 동작이 가능하도록 적층 구조 구성되어 분해 가능하게 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 다자유도 모션플랫폼은, 외부로부터 입력된 제어신호에 의해 작동하여 다자유도 모션을 출력하는 다자유도 모션플랫폼으로서, 요 모션을 출력하도록 모듈화된 요 모션시스템, 및 상기 요 모션시스템의 상부 또는 하부에 위치하며 전후좌우 방향의 수평 모션을 구현하도록 모듈화된 2자유도 모션시스템을 포함하고, 상기 요 모션시스템과 2자유도 모션시스템은 서로에 대해 분해된 상태에서도 각자의 독립적 제어 동작이 가능하도록 적층 구조로 구성되어 분해 가능하게 결합되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 모션플랫폼은, 콤팩트하고 안정적인 구조를 가지며 강력한 다자유도 모션을 출력하여 고하중에서도 정밀하고 다이나믹한 운동을 구현할 수 있으므로, 전체적인 시뮬레이션 효과를 배가시킬 수 있다.

또한, 개별 모션시스템이 모듈별로 구성되어 있어 모션시스템의 조합 구성을 다양하게 변경할 수 있으므로, 사용 중 모션시스템을 교체하거나 부가하여, 3자유도 에서부터 6자유도에 이르기까지 다양한 자유도의 모션을 구현할 수 있는 장점이 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 모션플랫폼의 개략적 구조를 도시한 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 모션플랫폼에 적용될 수 있는 3자유도 모션시스템의 구성을 명확하게 설명하기 위하여 제1 하우징이 제거된 상태를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 상기 도 3에 도시한 구동부를 별도로 도시한 측면도이다.
도 5a 내지 도 5c는 상기 도 3에 도시한 구동부의 동작원리를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 6은 상기 도 4에 도시한 볼조인트의 작동 특성을 나타내 보인 도면이다.
도 7은 상기 도 3에 도시한 구동부의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 상기 도 1 또는 도 2에 도시한 3자유도 모션시스템의 작동방식을 나타내 보인 도면이다.
도 10은 상기 도 3에 도시한 3자유도 모션시스템의 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 모션플랫폼에 적용될 수 있는 2자유도 모션시스템의 구성을 명확하게 설명하기 위하여 제2 하우징이 제거된 상태를 도시한 사시도이다.
도 12는 상기 도 11에 도시한 2자유도 모션시스템의 세부 구성을 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 13a 및 13b는 상기 도 12에 도시한 구동부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 상기 도 11에 도시한 모션시뮬레이터용 2자유도 모션시스템에 적용할 수 있는 다른 형태의 구동부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15는 상기 도 11에 도시한 모션시뮬레이터용 2자유도 모션시스템에 적용할 수 있는 또 다른 형태의 구동부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16은 상기 도 11에 도시한 모션시뮬레이터용 2자유도 모션시스템의 또 다른 형태의 구동부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 17은 상기 도 1 또는 도 2에 도시한 요 모션시스템의 구성을 명확하게 설명하기 위하여 제3 하우징이 제거된 상태를 도시한 사시도이다.
도 18은 상기 도 17에 도시한 요 모션시스템의 분해 사시도이다.
도 19는 상기 도 17에 도시한 요 모션시스템의 결합구조를 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 20은 상기 도 17에 도시한 전동링의 장착 구조를 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 다자유도 모션플랫폼은, 독립적 동작 및 제어가 가능하도록 개별적으로 또한 컴팩트하게 모듈화된, 3자유도 모션시스템(11), 2자유도 모션시스템(41) 및 요 모션시스템(81)을 선택적으로 조합하여 구성된 것이다.

독립적 동작 및 제어가 가능하다는 것은, 3자유도 모션시스템(11), 2자유도 모션시스템(41), 요 모션시스템(81), 각자의 구성 및 제어방식이 상호 연결되거나 종속되지 않아, 이를테면, 따로 따로 떼어서 별개로 구동시킬 수 있다는 의미이다.

이와 같이, 개별 모션시스템을 독립형으로 제작하여 선택적으로 조합을 하게 하는 이유는, 모션시스템의 조합 구성을 다양하게 변경하기 위한 것이다. 예컨대, 사용 중인 모션시스템을 교체하거나 부가함으로써 변화된 모션 특성을 구현할 수 있게 하기 위한 것이다.

구현하고자 하는 모션의 특성에 따라, 3자유도 모션시스템(11)이나 2자유도 모션시스템(41)이나 요 모션시스템(81) 중 어떤 모션시스템을 선택하여 조합할지 자유롭게 결정할 수 있는 것이다.

가령, 3자유도 모션시스템(11)에 2자유도 모션시스템(41)을 결합하여 5자유도 모션을 구현하거나, 3자유도 모션시스템(11)에 요 모션시스템(81)을 결합하여 4자유도 모션을 구현할 수 있다. 더 나아가 2자유도 모션시스템(41)과 요 모션시스템(81)을 결합하여 3자유도 모션을 출력하거나, 3자유도 모션시스템(11)과 2자유도 모션시스템(41)과 요 모션시스템(81)을 모두 적용하여 6자유도 모션을 구현할 수도 있다.

이러한 모션시스템간의 결합은 간단하게 이루어질 수 있다.

가령 도 1a 및 도 1b는, 구현할 수 있는 다양한 다자유도 모션플랫폼(10) 중, 6자유도 모션플랫폼을 도시한 도면이다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 평평한 바닥면(A) 상에 6자유도 모션플랫폼이 설치되어 있다. 상기 6자유도 모션플랫폼은, 요 모션시스템(81)의 스테이지부(도 17의 83) 상에 2자유도 모션시스템(41)의 하부구조프레임(43)을 결합하고, 2자유도 모션시스템(41)의 상부구조프레임(63)에 3자유도 모션시스템(11)의 베이스프레임(도 3의 13)을 결합함으로써 구현된다. 이때, 3자유도 모션시스템(11)은 제1 하우징(12)의 내부에 구비된 상태에서 피칭, 롤링 및 히빙모션이 출력되도록 상판프레임이 구비되고, 요 모션시스템(81)은 제3 하우징(82)의 내부에 구비된 상태에서 요잉 모션이 출력되도록 스테이지부가 구비되며, 2자유도 모션시스템(41)은 제2 하우징(42)의 내부에 구비된 상태에서 전후좌우 방향의 수평 모션이 출력되도록 상부구조프레임이 구비되는 방식으로 각각 모듈화될 수 있다.

상기 요 모션시스템(81)과 2자유도 모션시스템(41)과 3자유도 모션시스템(11)은 적층구조를 가지며, 3자유도 모션시스템(11)의 상부에는 사용자용 좌석(10a)이 설치되어 있다.

당연히, 상기 요 모션시스템(81)은 요잉(yawing)모션을 구현하는 것이며, 2자유도 모션시스템(41)은 전후좌우 방향의 수평운동을 구현한다. 또한 3자유도 모션시스템(11)은, 피칭(pitching)모션, 롤링(rolling)모션, 승강모션을 출력한다. 좌석(10a)에 착석한 사용자는 총 6개의 모션을 체감할 수 있는 것이다.

상기 도 1a와 달리, 도 1b에 도시한 다자유도 모션플랫폼(10)은 2자유도 모션시스템(41)이, 요 모션시스템(81)의 하부에 세팅된 경우이다. 이와 같이 배치 순서를 달리 하더라도 6자유도의 모션이 구현됨은 동일하다.

도 1b를 참조하면, 2자유도 모션시스템(41)의 상부구조프레임(63) 상에 요 모션시스템(81)의 베이스프레임(87)이 고정되어 있고, 요 모션시스템(81)의 스테이지부(83)에 3자유도 모션시스템(11)이 결합되어 있음을 알 수 있다.

또한, 도 2a에는 다자유도 모션플랫폼(10)의 한 종류로서, 5자유도 모션플랫폼이 도시되어 있다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 2자유도 모션시스템(41)의 상부구조프레임(63)에 3자유도 모션시스템(11)이 고정되어 있다. 마찬가지로 도 2b에 도시한 바와 같이, 요 모션시스템(81)의 스테이지부(83)에 3자유도 모션시스템(11)을 결합시켜 4자유도 모션플랫폼을 구현할 수도 있다.

3자유도 모션플랫폼은, 도 2c 및 도2d에 도시한 바와 같이, 2자유도 모션시스템(41)과 요 모션시스템(81)을 적층 결합하여 구현할 수 있다. 도 2c와 같이, 요 모션시스템(81)이 하부에 위치할 경우에는, 요 모션시스템(81)의 스테이지부(83) 상에 2자유도 모션시스템(41)의 하부구조프레임(43)을 결합한다. 또한, 도 2d와 같이, 2자유도 모션시스템(41)이 하부에 위치할 경우에는 2자유도 모션시스템(41)의 상부구조프레임(63)에 요 모션시스템(81)의 베이스프레임(87)을 결합한다.

상기한 각 모션시스템(11,41,81)의 구조에 대해서는 후속 설명에서 상세히 다루기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 모션플랫폼에 적용될 수 있는 3자유도 모션시스템(11)의 구성을 명확하게 설명하기 위하여 제1 하우징(12)이 제거된 상태를 도시한 분해 사시도이다.

기본적으로, 후술할 3자유도 모션시스템(11)은, 수직 승강운동을 정밀 구현하는 다수의 구동부(21)를 가진다. 수직 승강운동이라 함은, 수평의 지지플레이트(13a)를 기준으로 수직방향으로만 승강하는 운동을 의미한다. 상기 수직 승강운동에 의해, 후술할 개별 볼조인트(21k)는 지지플레이트(13a)에 대해 직각을 이루는 가상의 수직선을 따르는 상하 운동만 가능하다.

이러한 볼조인트(21k)의 수직 승강운동은 전후좌우로 흔들리지 않고 그 자세 그대로 구현되므로, 이에 수반하는 피칭이나 롤링 모션의 동작정밀성을 보장한다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 3자유도 모션시스템(11)은, 지지력을 제공하며 그 상부에 수평의 지지플레이트(13a)를 갖는 베이스프레임(13)과, 상기 지지플레이트(13a)에 설치되며 수직 승강 모션을 구현하는 세 개의 구동부(21)와, 상기 구동부(21)의 상부에 고정되며 좌석(10a)을 지지하는 사각틀 형태의 상판프레임(25)을 포함한다.

상기 베이스프레임(13)은 속이 빈 박스의 형태를 취하며, 그 내측공간에 콘트롤러(15)와 모터드라이브(17)를 갖는다. 상기 콘트롤러(15)는 뒤에 자세히 설명할 구동부(21)를 제어하기 위한 제어신호를 출력한다. 상기 콘트롤러(15)의 전면에, 사용자에 의해 수동 조작되는 각종 스위치나 디스플레이수단 등이 배치될 수 있다.

상기 모터드라이브(17)는 모터를 제어하기 위한 전력전자 소자를 포함하며 외부로부터 전달된 명령신호에 따라 모터의 구동을 제어하는 일반적인 역할을 한다.

상기 베이스프레임(13)의 상면을 이루는 지지플레이트(13a)는 상기 구동부(21)를 지지하는 지지판의 역할을 한다. 상기 구동부(21)는 지지플레이트(13a)에 안정적으로 고정되며 승하강력을 출력한다.

아울러 상기 지지플레이트(13a)에는 다수의 관통구멍(13b)이 형성되어 있다. 상기 관통구멍(13b)은 후술할 벨트(21s)가 통과하는 구멍이다. 후술할 종동풀리(21r)는 지지플레이트(13a)의 상부에, 구동풀리(21q)는 지지플레이트의 하부에 위치하기 때문에 벨트(21s)가 통과하는 통로가 필요한 것이다.

상기 지지플레이트(13a)에 고정되는 세 개의 구동부(21)는 모두 동일한 구성 및 동작을 하며, 다만 도면상 중앙부에 위치한 구동부(21)는 그 설치 방향이 나머지 두 개의 구동부(21)와 반대이다. 아울러 중앙부에 위치한 구동부(21)의 볼조인트(21k)의 센터홀(도 6의 21y)도 다른 커넥터의 센터홀과 직교하는 방향으로 세팅되어 있다. 이러한 구동부(21)에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.

상기 상판프레임(25)은 파이프로 제작된 사각틀 형태의 부재로서, 각 구동부(21)의 볼조인트(21k)에 결합하는 링크브라켓(25a)을 갖는다. 각각의 볼조인트(21k)에 링크브라켓(25a)을 맞춘 상태로 제 4링크부재(21m)을 수평으로 끼우면, 구동부(21)에 대한 상판프레임(25)의 장착이 이루어진다.

세 개의 링크브라켓(25a) 중 중앙의 링크브라켓(25a)을, 다른 링크브라켓(25a)에 대해 직각을 이루도록 고정한 것은, 상판프레임(25)이 후술할 피칭이나 롤링시 측방향으로 변위되지 않도록 감안된 것이다. 즉, 상판프레임(25)이 기울어진 방향으로 흘러 내리지 않도록 감안된 것이다.

상기 상판프레임(25)은, 화살표 H 방향의 히빙(heaving)운동과, 화살표 R방향의 롤링운동과, 화살표 P방향의 피칭운동이 가능하다. 이러한 다양한 운동은 구동부(21)의 승하강 운동에 의해 구현됨은 물론이다. 히빙운동은 수직의 승강운동의 다른 표현이라 할 수 있다.

본 실시예에서, 상기 상판프레임(25)을 사각형 형태로 제작하였지만 상판프레임의 사이즈나 형식은 필요에 따라 얼마든지 달라질 수 있다. 가령 원판형으로 제작할 수도 있고, 구형으로 제작할 수도 있는 것이다.

한편, 상기 구동부(21)는, 상기 지지플레이트(13a)상에 상호 이격되도록 고정되는 받침블록(21a,21b)과, 상기 받침블록(21a,21b)에 양단이 축회전 가능하도록 지지되며 수평으로 연장된 리드스크류(21c)와, 상기 리드스크류(21c)를 감싸며 리드스크류(21c)의 축회전시 리드스크류(21c)의 길이방향으로 직선 운동하는 이송바디(21d)와, 상기 이송바디(21d)에 일단부가 링크되며 타단부에는 볼조인트(21k)를 구비한 연장아암(21e)과, 일측 받침블록(21b)에 그 일단부가 회동 가능하도록 연결되고 타단부가 상기 연장아암(21e)의 중앙부에 링크되는 받침아암(21f)을 포함한다.

상기 볼조인트(21k)에는 링크브라켓(25a)이 링크된다. 상기 링크브라켓(25a)은 제 4링크부재(21m)를 통해 볼조인트(21k)에 지지된다. 상기 링크브라켓(25a)는 상판프레임(25)의 일부로서 제 4링크부재(21m)를 통해 볼조인트(21k)에 지지된다. 상기 제 4링크부재(21m)는 링크브라켓(25a)을 화살표 s방향으로 회동 가능하게 지지하는 직선형 회동핀의 역할을 하는 것이다.

도 6을 통해 상기 볼조인트(21k)에 대한 링크브라켓(25a)의 장착 구조를 설명하면 다음과 같다.

도 6을 참조하면, 상기 연장아암(21e)의 단부에 볼조인트(21k)가 나사 결합하고 있음을 알 수 있다. 연장아암(21e)에 대한 볼조인트(21k)의 결합은 나사식 이외의 다른 방식으로도 고정시킬 수 있다.

상기 볼조인트(21k)는 공지의 기계요소인 로드엔드(rod end)로서, 헤드부에 형성된 관통구멍(21w)내에 습동링(21x)을 갖는다. 상기 관통구멍(21w)은 제 4링크부재(21m)를 통과시키는 구멍으로서 그 내주면에 슬라이딩면(21v)을 제공한다. 상기 슬라이딩면(21v)은 오목하게 함몰된 내주면으로서 습동링(21x)의 외주면과 면접한 상태로, 습동링(21x)의 화살표 m방향 움직임을 지지한다.

상기 습동링(21x)은 그 중심에 센터홀(21y)을 가지는 링형 부속으로서, 상기 센터홀(21y)을 통해 제 4링크부재(21m)를 통과시킨다. 상기 제 4링크부재(21m)는, 센터홀(21y)을 관통한 상태로 반대편에서 너트와 결합함으로써, 볼조인트(21k)에 대해 링크브라켓(25a)을 연결시킨다.

특히 상기한 바와 같이, 습동링(21x)이 화살표 m방향으로 슬라이딩 가능하므로, 가령 링크브라켓(25a)을 화살표 t 방향 또는 그 반대방향으로 기울일 수 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 상판프레임(25)을 화살표 P방향으로 피칭운동 시킬 수 있는 것이다.

다시 도 3을 참조하면, 상기 리드스크류(21c)를 양방향으로 축회전 시키기 위한 구동수단으로서, 상기 지지플레이트(13a)의 하부에 고정되는 모터(21t)와, 상기 모터(21t)의 구동축에 장착되는 구동풀리(21q)와, 상기 리드스크류(21c)의 일단부에 고정되는 종동풀리(21r)와, 상기 구동풀리(21q)와 종동풀리(21r)를 연결하는 벨트(21s)가 적용되어 있다.

상기 모터(21t)가 구동하면 모터(21t)의 회전토오크가 구동풀리(21q)와 벨트(21s)와 종동풀리(21r)를 거쳐 리드스크류(21c)로 전달되어 리드스크류(21c)가 축회전된다.

리드스크류(21c)가 축회전하면, 당연히 상기 이송바디(21d)가 리드스크류(21c)의 길이방향으로 왕복운동하고, 상기 볼조인트(21k)가 그 자리에서 수직방향 승강운동 하게 된다.

특히 상기한 세 개의 구동부(21)는 독립적으로 구동한다. 즉, 세 개의 볼조인트(21k)의 고도가 상호 다를 수도 있고 같을 수도 있는 것이다.

도 4는 상기 도 3에 도시한 3자유도 모션시스템(11)의 구조를 보다 자세히 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 상기 리드스크류(21c)가 받침블록(21a,21b)에 의해 수평을 유지하고 있음을 알 수 있다. 수평이라 함은 지면에 대한 수평을 의미한다. 아울러 수직방향은 중력이 미치는 방향 및 그 반대 방향이다.

도면부호 21p는 모터브라켓이다. 상기 모터브라켓(21p)은 모터(21t)를 지지플레이트(13a)의 하부에 유지시키는 역할을 한다.

한편, 본 실시예에서의 연장아암(21e)과 받침아암(21f)은 매우 특이한 기하학적 구조를 갖는다.

먼저, 상기 연장아암(21e)의 일단부는 제 1링크부재(21g)를 통해 이송바디(21d)에 링크된다. 연장아암(21e)이 제 1링크부재(21g)를 회동축으로 삼아 상하로 회동운동 가능함은 당연하다.

또한 연장아암(21e)의 타단부에 고정되는 볼조인트(21k)는 제 4링크부재(21m)를 통해 링크브라켓(25a)과 연결된다. 상기한 바와 같이, 상기 볼조인트(21k)는 통상의 아이볼트와 로드엔드와 같은 형태를 갖는 부속으로서 제 4링크부재(21m)를 통과시켜, 구동부(21)와 상판프레임(25)을 연결시킨다.

아울러 상기한 바와 같이, 링크브라켓(25a)은 제 4링크부재(21m)를 회동축으로 삼아 화살표 s방향으로 회동운동 가능하다.

상기 받침아암(21f)은 그 일단부가 제 2링크부재(21u)를 통해 일측 받침블록(21b)에 링크되어, 제 2링크부재(21u)를 회동축으로 삼아 상하 회동 가능하다.

또한, 상기 받침아암(21f)의 타단부는, 제 3링크부재(21h)를 통해 연장아암(21e)에 연결된다. 받침아암(21f)은 제 3링크부재(21h)를 회동축으로 삼아 회동운동 가능하다.

한편, 상기 제 1,2,3링크부재(21g,21u,21h)의 중심축선은 상호 평행하며 수평을 이룬다. 즉, 세 개의 가상의 중심축선은 지지플레이트(13a)의 상부에서 상호 나란한 상태로 수평 연장되는 것이다.

특히 제 3링크부재(21h)의 중심축선은, 제 1링크부재(21g)와 제 4링크부재(21m)를 연결하는 최단 직선(B)에 수직으로 교차한다. 또한 이에 더하여 제 3링크부재(21h)의 중심축선은 상기 직선(B)의 길이방향 중앙지점과 교차한다. 다시 말하면, 상기 제 3링크부재(21h)의 가상의 중심축선은 상기 직선(B)의 길이방향 중간지점과 직교하는 것이다.

아울러 상기 받침아암(21f)에 있어서, 제 2링크부재(21u)의 중심축선과 제 3링크부재(21h)의 중심축선의 간격은, 상기 직선(B) 길이의 절반이다. 또한, 상기 제 1링크부재(21g)와 제 2링크부재(21u)의 중심축선은, 상기 리드스크류(21c)의 중심축선을 포함하며 지지플레이트(13a)과 평행한 가상의 평면과 일치한다.

상기한 구조를 가짐으로 인해, 제 2링크부재(21u)와 제 4링크부재(21m)를 연결하는 최단 직선(D)이 항상 수직을 이루게 된다. 즉, 제 1링크부재(21g)가 직선(A)을 따라 아무리 움직이더라도, 상기 직선(D)은 항상 수직을 유지하는 것이다. 이는 리드스크류(21c)가 축회전함에 의해 볼조인트(21k)가 상기 직선(D)을 따라 승강한다는 의미이다.

이러한 작동 원리를 도 5a 내지 5c을 통해 설명하기로 한다.

도 5a 내지 도 5c는 상기 도 3에 도시한 3자유도 모션시스템(11)의 작동 원리를 설명하기 위한 개념도이다. 이 도면은, 직선 D가 항상 수직으로 위치함을 증명하기 위한 도면이기도 하다.

도면에서 각 직선(A,B,C,D)이 교차하는 교차점에 표시한 부호인 점 a,b,c,d는, 제 4링크부재(21m)와 제 3링크부재(21h)와 제 1링크부재(21g)와 제 2링크부재(21u)의 중심축선을 의미한다.

먼저, 도 5a에 도시한 바와 같이, 삼각형 bcd의 밑변 양단부의 사이각을 α라고 하면, β = 180 - (90 - α) - 2α = 90 - α가 된다.

이등변삼각형의 원리에 따라, 삼각형 adb는 밑변의 각도가 90 - α 이므로, a-b의 거리, b-d의 거리, c-d의 거리는 모두 동일하다. 이를 종합하면 점 a 는 항상 d의 수직선상에 위치함을 알 수 있다.

따라서, 도 5b에 도시한 것처럼, 점 c를 화살표 z 방향으로 이동시키면, 점 a가 수직선 D를 따라 상승하는 것이다. 이와 반대로 점 c를 z 방향 반대로 이동시키면, 점 a는 직선 D를 따라 하강하는 것이다. 점 a 는 항상 수직선 D을 따라 상승하거나 하강하는 것이다.

이는, 이미 언급한 바와 같이, 리드스크류(21c)를 축회전시킴으로써 링크브라켓(25a)의 수직 승강운동을 유도한다는 의미이다. 즉 상판프레임(25)의 정확한 수직승강모션이 구현되는 것이다.

도 7a 내지 도 7c는 상기 구동부(21) 작동을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 상기 모터(21t)를 구동하여 이송바디(21d)를 화살표 z 방향으로 최대한 이송시키면, 연장아암(21e)은 최대로 일으켜져 볼조인트(21k)가 상사점에 도달하게 된다. 상기 볼조인트(21k)에 연결되는 링크브라켓(25a)이 가장 높이 올라간 것이다.

상기 상태에서, 리드스크류(21c)를 반대방향으로 축회전시키면 이송바디(21d)가 도면상 좌측방향으로 이동하며 볼조인트(21k)가 하강하기 시작한다. 마침내 이송바디(21d)가 좌측으로 끝까지 이동하면 도 7c에 도시한 바와 같이 볼조인트(21k)가 하사점에 도달한다.

결국 상기한 리드스크류(21c)를 양방향으로 축회전시킴으로써 볼조인트(21k)의 수직방향 승강운동이 반복되는 것이다. 특히 세 개의 볼조인트(21k)의 고도를 다르게 제어할 경우, 상판프레임(25)의 피칭이나 롤링운동이 구현된다.

도 8 및 도 9는 상기 도 3에 도시한 3자유도 모션시스템(11)의 작동방식을 나타내 보인 도면이다.

도 8을 참조하면, 상기 상판프레임(25)이 도 3의 화살표 R방향으로 롤링운동하여 한쪽 방향으로 기울어져 있음을 알 수 있다. 각각의 구동부(21)의 독립적 제어를 통해 상판프레임(25)을 반대방향으로 기울일 수도 있음은 당연하다. 또한 상판프레임(25)의 기울어짐 각도도 조절할 수 있다.

도 9는 3자유도 모션시스템(11)의 피칭운동을 통해 상판프레임(25)이 전방으로 기울어져 있는 상태이다. 도 8과 마찬가지로, 각 구동부(21)의 개별적 제어를 통해 상판프레임(25)을 후방으로 기울어지게 할 수도 있고, 기울어짐 각도도 조절할 수 있다.

도 10은 상기 도 3에 도시한 3자유도 모션시스템(11)의 다른 예를 도시한 사시도이다.

도시한 바와 같이, 상기 베이스프레임(13) 상에 두 개의 구동부(21)와 하나의 수직지지대(29)가 설치되어 있다.

상기 수직지지대(29)는, 지지플레이트(13a)에 대해 수직으로 고정된 중공파이프형 수직로드(29a)와, 상기 수직로드(29a)의 상단부에 고정되며 링크브라켓(25a)과 결합하는 볼조인트(21k)를 구비한다. 상기 볼조인트(21k)는 상판프레임을 고정하여 상판프레임의 수직방향 운동을 제한한다.

한편, 도 10에 있어서, 상판프레임(25)의 우측편이 고정형 볼조인트(21k)에 링크되어 있으므로 피칭운동과 롤링운동이 가능하다. 승강운동, 즉, 히빙운동은 불가능한 것이다. 말하자면, 상판프레임(25)의 좌측편에 연결된 능동형 볼조인트(21k)를 동일한 높이로 상승 및 하강시킴에 의해 롤링운동만이 구현된다.

또한, 양측 구동부(21)의 볼조인트(21k)를 반대방향으로 승강시키면 피칭운동이 구현된다. 피칭운동은 고정 볼조인트(21k)에 습동링(21x)이 적용되어 있으므로 가능하다.

이러한 구성을 갖는 도 10의 3자유도 모션시스템(11)은, 저비용으로 2자유도 시뮬레이션, 즉 롤링운동과 피칭운동 정도만 구현해도 될 경우 적합한 구성을 갖는 것이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 다자유도 모션플랫폼에 적용될 수 있는 2자유도 모션시스템(41)의 구성을 명확하게 설명하기 위하여 제2 하우징(42)이 제거된 상태를 도시한 사시도이고, 도 12는 상기 도 11에 도시한 2자유도 모션시스템의 세부 구성을 설명하기 위한 분해 사시도이다.

도시한 바와 같이, 본 실시예에 다른 2자유도 모션시스템(41)은, 바닥면에 수평으로 배치되어 고정되는 하부구조프레임(43)과, 상기 하부구조프레임(43) 상에 고정되는 두 개조의 구동부(45)와, 하부구조프레임(43)의 양 사이드부에 설치되는 하부레일(51)과, 각 하부레일(51)에 올려져 설치되는 슬라이더(52)와, 상기 슬라이더(52)에 지지된 상태로 상기 하부레일(51)의 길이방향에 직교하는 방향으로 직선 이동하는 상부구조프레임(63)을 포함한다.

기본적으로, 본 실시예에 따른 2자유도 모션시스템(41)은, 바닥에 고정된 상태로 작동하여, 상기 상부구조프레임(63)을 화살표 X 방향 및 Y방향으로 2차원 평면 운동시키는 기본 동작을 수행한다. 상기 상부구조프레임(63)은 그 위에 중량물을 지지한 상태로 수평으로 움직이며 시뮬레이션용 모션을 구현한다.

먼저, 상기 하부구조프레임(43)은, 대략 격자의 형태를 취하는 프레임본체(43a)를 갖는다. 상기 프레임본체(43a)는 바닥에 견고히 고정되어 측방향 하중이 가해지더라도 옆으로 들떠 기울어지지 않는다.

상기 프레임본체(43a)의 양측부에는 수평의 레일고정부(43b)가 마련되어 있고, 각 레일고정부(43b) 상에 하부레일(51)이 안착된다. 상기 하부레일(51)은 상호 평행을 이루며 각각의 양단부에 스토퍼(59)를 갖는다. 상기 스토퍼(59)는 슬라이더(52)가 하부레일(51)의 길이방향 외부로 이탈하지 않도록 슬라이더(52)의 이동을 제한하는 역할을 한다.

상기 슬라이더(52)는, 하부레일(51)에 지지된 상태로 상부구조프레임(63)을 수평으로 받쳐 지지하는 것으로서, 하나의 하부레일(73)에 두 개가 이격 설치된다. 상기 슬라이더(52)는, 하부슬라이더(53)와, 연결부재(57)와, 상부슬라이더(55)로 구성된다.

상기 하부슬라이더(75)는 하부레일(51) 상에서 하부레일(51)의 길이방향을 따라 슬라이딩하는 부재이다. 또한 연결부재(57)는 하부슬라이더(53)의 연직 상부에 상부슬라이더(55)를 고정시키기 위한 블록형 부재이다.

상기 연결부재(57)의 두께 조절을 통해 하부구조프레임(63)에 대한 상부구조프레임(63)의 간격을 달리 할 수도 있다. 경우에 따라 연결부재(57)를 적용하지 않고, 하부슬라이더(53)의 상부에 상부슬라이더(55)를 바로 고정시킬 수도 있음은 물론이다.

상기 상부슬라이더(55)는 연결부재(57)의 상부에 고정되며 상부구조프레임(63)의 프레임본체(63a) 저면에 고정되어 있는 상부레일(69)을 수용 지지한다. 상기 하부슬라이더(53)와 상부슬라이더(55)는 그 방향이 상호 직교하도록 설치된다.

상기 상부구조프레임(63)은, 하부구조프레임(43)과 대응하는 것으로서, 대략 격자의 구조를 취하는 프레임본체(63a)와, 상기 프레임본체(63a)의 저면 양측에 평행하게 고정되는 상부레일(69)과, 프레임본체(63a)의 저면에 구비되는 제 1,2브라켓(65,67)을 구비한다.

상기 상부레일(69)은 하부레일(73)과 직교하는 방향으로 연장된 것으로서 상기 상부슬라이더(55)에 의해 수평으로 지지된다. 상기 상부레일(69)은 상부슬라이더(55)에 지지된 상태로 길이방향 슬라이딩 이동이 가능하다. 슬라이더(52) 자체가 하부레일(51)의 길이방향으로 이동할 수 있으므로, 결국 상부구조프레임(63)은 전후좌우 방향으로 2차원 평면운동을 하게 된다.

상기 상부레일(69)의 양단부에도 스토퍼(59)가 고정되어 있음은 물론이다.

상기 제 1,2브라켓(65,67)은, 프레임본체(63a)를 후술할 제 1커넥팅로드(47) 및 제 2커넥팅로드(49)와 연결시키는 역할을 하는 것으로서, 링크부재(45m)을 통과시키는 구멍을 갖는다. 상기 제1,2브라켓(65,67)에 대한 설명은 후술하기로 한다.

상기 하부구조프레임(43)의 프레임본체(43a)에는 두 개의 구동부(45)와, 각 구동부(45)에 연결되는 전동수단이 더 구비된다. 상기 전동수단은 제 1,2커넥팅로드(47,49)를 포함할 수 있다.

상기 두 개의 구동부(45)는 그 설치방향만 다를 뿐 동일한 구성과 동일한 동작을 한다.

상기 구동부(45) 중, 일측 구동부는 제 1커넥팅로드(47)를 화살표 X방향으로 움직이는 것이고, 타측 구동부는 제 2커넥팅로드(49)를 화살표 Y방향으로 움직이는 역할을 한다. 이와 같은 역할을 할 수 있는 한 구동부의 구조는 매우 다양하게 변경될 수 있음은 당연하다.

여하튼, 도 12에 도시한 구동부(45)는, 프레임본체(43a)에 고정되며 관통구(45b)를 갖는 지지플레이트(45a)와, 상기 지지플레이트(45a)에 상호 이격되도록 배치되는 받침블록(45q)과, 상기 받침블록(45q)에 축회전 가능하도록 지지되는 리드스크류(45g)과, 상기 리드스크류(45g)를 감싸며 리드스크류의 축회전에 따라 직선운동하는 이송바디(45h)와, 일단부가 회동핀(45n)을 통해 이송바디(45h)에 링크되며 길이방향으로 연장된 제 1아암(45k)과, 상기 제 1아암(45k)과 일측 받침블록(45q)을 연결하며 회동운동 가능한 제 2아암(45p)과, 리드스크류(45g)를 축회전시키는 모터(45c)를 포함한다.

도 13a 및 13b에 상기 구동부(45)를 보다 자세히 도시하였다.

도면을 참조하면, 상기 지지플레이트(45a)의 하부에 모터(45c)가 고정되어 있음을 알 수 있다. 상기 모터(45c)는 외부로부터 인가된 제어신호에 의해 양방향으로 축회전하는 구동축을 가지며, 구동축에는 구동풀리(45d)가 고정되어 있다.

아울러 상기 리드스크류(45g)의 일단부에는 종동풀리(45e)가 고정되어 있고, 상기 구동풀리(45d)와 종동풀리(45e)는 벨트(45f)를 통해 연결되어 있다. 모터(45c)의 작동에 의해 종동풀리(45e) 및 리드스크류(45g)가 회전함에 따라 이송바디(45h)가 직선이동함은 물론이다.

또한 상기 제 1아암(45k)과 제 2아암(45p)을 링크시키는 링크부재(45m)에는 제 1커넥팅로드(47) 또는 제 2커넥팅로드(49)가 이어진다. 상기 제 1,2커넥팅로드(47,49)는 이송바디(45h)의 직선운동에 종동하여, 도면상 우측으로 이동하거나 좌측으로 이동하는 막대형 부재이다.

가령 도 13a의 상태에서 모터(45c)를 구동하여 이송바디(45h)를 우측방향으로 이송하면, 도 13b에 도시한 바와 같이 제 1,2커넥팅로드(47,49)가 우측으로 A만큼 이동한다. 모터(45c)를 역회전시켜 이송바디(45h)를 반대방향으로 이송시키면 우측으로 이동했던 제 1,2커넥팅로드(47,49)가 좌측으로 이동하여 원위치한다.

이송바디(45h)의 직선 왕복 운동과 동시에 링크부재(45m)가 상승과 하강을 반복하지만, 링크부재(45m) 및 제 1,2커넥팅로드(47,49)의 승강범위는 상하부 프레임본체(43a,63a)의 간격 내에 포함되므로 문제되지 않는다.

한편, 제 1커넥팅로드(47)는 상부구조프레임(63)을 X방향으로 왕복운동 시키기 위한 것이고, 제 2커넥팅로드(49)은 상부구조프레임(63)을 Y방향으로 구동하기 위한 것일 뿐, 상기 제 1커넥팅로드(47)와 제 2커넥팅로드(49)는 동일한 구조를 가지는 구성요소이다. 그럼에도 불구하고 도면부호를 다르게 부여한 것은 설명과 이해의 편의를 위한 것이다.

상기 제 1,2커넥팅로드(47,49)은 일정길이를 갖는 막대형 부재로서 그 양단부에 볼조인트(47a)를 갖는다. 상기 볼조인트(47a)는, 링하우징(47b)과, 상기 링하우징(47b) 내부에 설치되는 습동링(47d)을 갖는다. 상기 습동링(47d)은 링크부재(45m)을 수용 지지하는 센터홀(47c)을 갖는 링형부재로서, 링하우징(47b) 내부에서 회전운동이 가능하다.

상기 두 개의 볼조인트(47a) 중, 일측 볼조인트는 제 1,2아암(45k,45p)의 연결부에 함께 링크되고, 반대편 볼조인트(47a)는 제 1,2브라켓(도 12의 65,67)에 링크부재(45m)을 통해 각각 연결된다.

도 14는 상기 도 11에 도시한 2자유도 모션시스템(41)에 적용할 수 있는 다른 형태의 구동부(45)를 개략적으로 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 구동부(45)로서 액츄에이터(71)를 적용할 수도 있다. 상기 액츄에이터(71)는 직선구동형 실린더를 사용할 때 적절한 구성이다.

상기 액츄에이터(71)는, 지지플레이트(45a)에 수평으로 고정되는 실린더(71a)와, 상기 실린더(71a)의 길이방향으로 직선운동하는 피스톤로드(71b)를 갖는다.

상기 액츄에이터(71)는 프레임본체(43a) 상부에 두 개가 설치되되, 상기 피스톤로드(71b)가 직교하는 방향으로 고정된다. 아울러 각각의 피스톤로드(71b)의 단부에는 제 1커넥팅로드(47)나 제 2커넥팅로드(49)가 연결된다.

상기 제 1,2커넥팅로드(47,49)는 그 단부가 제 1,2브라켓(65,67)에 각각 링크된 상태로, 액츄에이터(71)의 동력을 상부구조프레임(63)으로 전달한다.

도 15는 2자유도 모션시스템(41)에 적용할 수 있는 또 다른 형태의 구동부(45)를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 15에 도시한 바와 같이, 상기 프레임본체(43a)의 상면에 두 개조의 구동부(45)가 장착되어 있음을 알 수 있다. 상기 두 개의 구동부(45) 중 도면상 좌측 구동부(45)는 상부구조프레임(63)을 X방향으로 운동시키는 것이고, 나머지 하나의 구동부는 상부구조프레임(63)을 Y방향으로 운동시키는 것이다.

상기 구동부(45)는, 모터(45c)에 의해 동력을 전달받아 축회전하는 리드스크류(45g)와, 상기 리드스크류(45g)를 감싸며 리드스크류의 축회전에 따라 직선운동하는 이송바디(45s)와, 상기 리드스크류(45g)와 평행하게 연장되고 이송바디(45s)의 왕복 직선운동을 가이드하는 가이드로드(45r)를 포함한다.

아울러 상기 제 1,2커넥팅로드(47,49)는 각자의 이송바디(45s)에 직결된다. 즉, 제 1커넥팅로드(47)는 도면상 좌측 이송바디(45s)에 링크부재(45m)을 통해 링크되고, 제 2커넥팅로드(49)는 도면상 우측 이송바디(45s)에 링크부재(45m)로 직결되는 것이다. 제 1,2커넥팅로드(47,49)가 링크부재(45m)을 회동축으로 삼아 회동 운동 할 수 있음은 당연하다.

또한 제 1,2커넥팅로드(47)의 타측 단부는 상부구조프레임(63)의 제 1,2브라켓(도 2의 65,67)에 각각 연결된다. 이를 위해 상기 제 1,2브라켓(65,67)의 위치가 적절히 변경되어야 함은 물론이다. 이러한 링크구조가 상부구조프레임(63)의 평면운동을 가능하게 하는 것임은 물론이다.

도 16은 상기 2자유도 모션시스템(41)에 적용할 수 있는 또 다른 형태의 구동부를 개략적으로 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이, 구동부(45)로서, 모터(73)와, 감속기(75)와, 회동로드(75a)를 적용할 수도 있다.

상기 감속기(75)는, 모터(73)로부터 회전력을 전달받아 감속된 회전 토크를 출력하는 것으로서, 회동로드(75a)를 회동운동 시킨다.

상기 회동로드(75a)는 감속기(75)의 회전축을 중심으로 화살표 v 방향으로 회동운동하며, 제 1,2커넥팅로드(47,49) 단부의 링크부재(45m)를 화살표 w방향으로 직선운동시켜 상부구조프레임(63)의 2자유도 운동을 구현한다.

도 17은 상기 도 1 또는 도 2에 도시한 요 모션시스템(81)의 구성을 명확하게 설명하기 위하여 제3 하우징(82)이 제거된 상태를 도시한 사시도이고, 도 18은 상기 도 17에 도시한 요 모션시스템의 분해 사시도이다.

또한, 도 19는 상기 도 17에 도시한 요 모션시스템(81)의 결합구조를 설명하기 위한 부분 단면도이며, 도 20은 상기 도 17에 도시한 전동링의 장착 구조를 설명하기 위한 단면도이다.

상기 요 모션시스템(81)은, 대략 디스크의 외부 형태를 취하며, 수평으로 설치된 상태로 시뮬레이션용 요잉모션을 출력하는 것이다.

도시한 바와 같이, 요 모션시스템(81)은, 요잉모션을 출력하는 요잉모션출력부(85)와, 상기 요잉모션출력부(85)의 상부에 장착되며 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 스테이지부(83)로 구성된다.

먼저, 상기 요잉모션출력부(85)는, 바닥면(A)에 수평으로 고정되며 지지력을 제공하는 베이스프레임(87)과, 상기 베이스프레임(87)의 상면 중앙에 고정되는 허브축(95)과, 상기 허브축(95)을 그 중앙부에 수용하며 스테이지부(83)와 결합하는 전동링(93)과, 상기 전동링(93)을 구동하는 구동부를 구비한다.

상기 베이스프레임(87)은 강재를 용접하여 구성한 것으로서 평면적 구성을 가지며, 외부의 수평면, 가령 지지용 다이나 바닥면에 고정된다. 아울러 상기 베이스프레임(87)을 견고히 고정하도록 베이스프레임(87)에는 다수의 볼트구멍(87a)이 형성되어 있다. 다수의 볼트(미도시)를 상기 볼트구멍(87a)을 통과시켜 바닥에 고정함으로써 베이스프레임(87)을 강력한 힘으로 고정시킬 수 있다.

상기 허브축(95)은 그 하단부가 베이스프레임(87)의 중앙부에 일체로 고정되며 지지력을 제공하는 것으로서 중심축부에 일정 내경의 지지홀(95a)을 갖는다. 상기 지지홀(95a)은 스테이지부(83)의 저면 중앙에 마련되어 있는 삽입부(83d)를 수용 지지하는 구멍이다.

상기 삽입부(83d)를 지지홀(95a)에 끼움으로써, 스테이지부(83)의 요잉운동시 스테이지부(83)의 흔들림이 전혀 없다.

상기 허브축(95)의 주연부에는 지지수단과 전동링(93)이 구비된다. 상기 지지수단은 전동링(93)을 받쳐 지지하는 역할을 하는 것으로서, 도 20에 도시한 하부베어링(97) 및 상부베어링(99)을 포함한다.

도 20를 통해 상기 허브축(95) 및 전동링(93)의 구성과 내부 결합구조를 설명하면 다음과 같다.

도 20에 도시한 바와 같이, 상기 베이스프레임(87)의 상부에 허브축(95)이 수직으로 고정되어 있다. 상기 허브축(95)은 일정외경을 갖는 원통형 부재로서, 상기한 바와 같이 중심축부에 지지홀(95a)을 갖는다. 상기 지지홀(95a)은 삽입부(83d)를 수용 지지하는 구멍이다. 상기 삽입부(83d)의 외주면은 지지홀(95a)의 내주면에 접하며 습동한다.

상기 전동링(93)은, 원통의 형태를 취하며 상기 허브축(95)의 외주면으로부터 이격되어 있는 실린더부(93c)와, 상기 실린더부(93c)의 상단부에 일체를 이루며 다수의 나사구멍(93b)을 갖는 평판부(93a)를 포함한다.

또한, 상기 실린더부(93c)의 내주면에는 돌출부(93d)가 형성되어 있다. 상기 돌출부(93d)는, 실린더부(93c) 내주면의 원주방향으로 연장되어 양단부가 만난 링형태의 돌기이다. 상기 돌출부(93d)의 원주방향 폭과 높이는 동일하다.

상기 허브축(95)의 하단부에는 하부베어링(97)이 채워져 있다. 상기 하부베어링(97)은 허브축(95)을 감싼 상태로 베이스프레임(87)의 상면에 지지된다. 하부베어링(97)으로 가해지는 수직 하중이 베이스프레임(87)으로 전달됨은 물론이다.

특히 상기 하부베어링(97)은, 돌출부(93d)를 수평으로 받쳐 전동링(93)의 하단부가 베이스프레임(87)의 상면으로부터 이격되도록 한다. 전동링(93)은 하부베어링(97)에 수평 지지된 상태로 시계방향이나 반시계방향으로 회전운동 한다.

상기 평판부(93a)는 수평의 상면을 가지며 스테이지부(83)의 저면에 마련되어 있는 결합면(도 3의 83g)과 결합한다. 상기 결합면(83g)을 평판부(93a)에 올린 상태로 볼팅 결합하여, 전동링(93)에 대한 스테이지부(83)의 결합을 이룬다. 이 때 스테이지부(83)의 나사구멍(83a)과 평판부(93a)의 나사구멍(93b)을 일직선상으로 맞추어야 함은 물론이다.

상기 평판부(93a)에 형성되어 있는 나사구멍(83a)은 그 내주면에 암나사간이 형성되어 있는 암나사구멍일 수 있다.

한편, 상기 돌출부(93d)의 상부에는 상부베어링(99)이 위치한다. 상기 상부베어링(99)은 돌출부(93d)에 걸린 상태로 받침링(96)을 통해 내려오는 하중을 인가받는다.

상기 받침링(96)은 허브축(95)의 상단부를 감싸는 링형부재로서, 스테이지부(83) 저면 중앙에 마련되어 있는 중앙홈(83f)에 삽입된다. 상기 받침링(96)의 작용에 의해 스테이지부(83)는 회전 중 전후좌우로 흔들리지 않아 안정적 요잉운동을 할 수 있다.

다시, 도 18을 참조하면, 상기 전동링(93)의 측부에 구동부가 설치되어 있다. 상기 구동부는, 베이스프레임(87)의 상면에 축회전 가능하게 수평 설치되는 리드스크류(89e)와, 상기 리드스크류(89e)를 축회전시키는 모터(89a)와, 상기 리드스크류(89e)에 치합하며 리드스크류의 축회전에 따라 직선운동하는 이송바디(89g)와, 상기 이송바디(89g)에 일단부가 연결되고 타단부는 상기 평판부(93a) 링크되는 전동아암(89h)을 갖는다.

상기 리드스크류(89e)는 그 양단부가 지지블록(89p)에 지지된 상태로 모터(89a)로부터 회전력을 전달받아 축회전한다. 상기 모터(89a)는 리드스크류(89e)의 측부에 고정되며 외부로부터 인가된 전력에 의해 회전력을 발생한다.

또한 상기 모터(89a)의 구동축에는 구동풀리(89b)가 고정되어 있고, 리드스크류(89e)의 일단부에는 종동풀리(89c)가 장착되어 있으며, 상기 구동풀리(89b)와 종동풀리(89c)는 벨트(89d)로 연결된다. 따라서 모터(89a)의 회전력은 벨트(89d)를 통해 리드스크류(89e)로 전달되어 리드스크류(89e)에 치합하고 있는 이송바디(89g)를 직선 운동시킨다.

아울러 상기 리드스크류(89e)의 측부에는 가이드로드(89f)가 평행하게 고정되어 있다. 상기 가이드로드(89f)는 길이방향으로 연장된 환봉으로서, 상기 이송바디(89g)를 통과하며 이송바디(89g)의 직선운동을 가이드한다.

상기 전동아암(89h)은 이송바디(89g)의 운동에너지를 전동링(93)으로 전달하는 동력전달의 역할을 하는 부재로서, 그 양단부에 핀홀더(89m)를 갖는다. 상기 핀홀더(89m)는 링크핀(89k)을 고정하는 홀딩수단이다.

상기 링크핀(89k)은 핀홀더(89m)에 지지된 상태로, 이송바디(89g) 및 평판부(93a)에 끼움 결합한다. 상기 이송바디(89g) 및 평판부(93a)에 링크핀(89k)이 끼워지는 구멍(도면부호 없음)이 마련되어 있음은 물론이다.

한편, 상기 스테이지부(83)는, 일정두께를 갖는 원판형 디스크판(83b)과, 상기 디스크판(83b)의 테두리부에 위치하며 하부로 절곡된 사이드커버(83c)를 갖는다.

상기 디스크판(83b)은 수평면을 제공하며 그 상부에 다른 구동부, 가령 2자유도 모션시스템(41)과 3자유도 모션시스템(11)을 고정할 수 있는 지지면을 제공한다.

또한 사이드커버(83c)는 요잉모션출력부(85)를 커버하여, 이를테면 측부에서 요잉모션출력부(85)가 보이지 않도록 한다. 상기 사이드커버(83c)는 요잉모션출력부(85)를 차단하여 미관의 저하를 방지하고, 이물질이 요잉모션출력부(85) 측으로 들어가는 것을 방지한다.

아울러, 디스크판(83b)의 저면 중심축부에는 파이프형 삽입부(83d)가 구비되어 있고, 상기 삽입부(83d)의 주변에는 중앙홈(83f)과 결합면(83g)이 동심원 형태로 형성되어 있다. 상기한 바와 같이, 결합면(83g)은 전동링(93)의 평판부(93a)가 면접하는 부분이고, 중앙홈(83f)은 허브축(95) 및 받침링(96)이 삽입되는 부분이다.

상기 구성을 갖는 요잉모션출력부(85)에 있어서, 모터(89a)를 작동하여 이송바디(89g)를 직선이동시키기 시작하면, 상기 전동아암(89h)도 동시에 움직이며 전동링(93)을 회전시킨다. 이 때 평판부(93a)에 고정되는 스테이지부(83)도 동시에 회전함은 물론이다. 상기 스테이지부(83)의 최대 회전각도 범위는 180도 미만이다. 상기 과정을 반복함으로써 스테이지부(83)의 양방향 요잉모션이 구현되는 것이다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

10:6자유도 모션플랫폼 10a:좌석 11:3자유도 모션시스템
13:베이스프레임 13a:지지플레이트 13b:관통구멍
15:콘트롤러 17:모터드라이브 21:구동부
21a,21b:받침블록 21c:리드스크류 21d:이송바디
21e:연장아암 21f:받침아암 21g:제 1링크부재
21h:제 3링크부재 21k:볼조인트 21m:제 4링크부재
21p:모터브라켓 21q:구동풀리 21r:종동풀리
21s:벨트 21t:모터 21u:제 2링크부재
21v:슬라이딩면 21w:관통구멍 21x:습동링
21y:센터홀 25:상판프레임 25a:링크브라켓
29:수직지지대 29a:수직로드 41:2자유도 모션시스템
43:하부구조프레임 43a:프레임본체 43b:레일고정부
45:구동부 45a:지지플레이트 45b:관통구
45c:모터 45d:구동풀리 45e:종동풀리
45f:벨트 45g:리드스크류 45h:이송바디
45k:제 1아암 45m:링크부재 45n:회동핀
45p:제 2아암 45q:받침블록 45r:가이드로드
45s:이송바디 47:제 1커넥팅로드 47a:볼조인트
47b:링하우징 47c:센터홀 47d:습동링
49:제 2커넥팅로드 51:하부레일 52:슬라이더
53:하부슬라이더 55:상부슬라이더 57:연결부재
59:스토퍼 63:상부구조프레임 63a:프레임본체
65:제 1브라켓 67:제 2브라켓 69:상부레일
71:액츄에이터 71a:실린더 71b:피스톤로드
73:모터 75:감속기 75a:회동로드
81:요 모션시스템 83:스테이지부 83a:나사구멍
83b:디스크판 83c:사이드커버 83d:삽입부
83e:보강리브 83f:중앙홈 83g:결합면
85:요잉모션출력부 87:베이스프레임 87a:볼트구멍
89a:모터 89b:구동풀리 89c:종동풀리
89d:벨트 89e:리드스크류 89f:가이드로드
89g:이송바디 89h:전동아암 89k:링크핀
89m:핀홀더 89p:지지블록 93:전동링
93a:평판부 93b:나사구멍 93c:실린더부
95:허브축 95a:지지홀 96:받침링
97:하부베어링 99:상부베어링

Claims (4)

1. 외부로부터 입력된 제어신호에 의해 작동하여 다자유도 모션을 출력하는 다자유도 모션 플랫폼으로서,
   피칭, 롤링 및 히빙모션을 구현하도록 모듈화되되, 제1 하우징의 내부에 구비된 상태에서 피칭, 롤링 및 히빙모션이 출력되도록 상판프레임이 구비되는 3자유도 모션시스템;
   상기 3자유도 모션시스템의 상부 또는 하부에 위치하며 요잉 모션을 출력하도록 모듈화되되, 제3 하우징의 내부에 구비된 상태에서 요잉 모션이 출력되도록 스테이지부가 구비되는 요 모션시스템; 및
   상기 3자유도 모션시스템과 요 모션시스템의 사이, 또는 요 모션시스템의 하부에 설치되며, 전후좌우 방향의 수평 모션을 구현하도록 모듈화되되, 제2 하우징의 내부에 구비된 상태에서 전후좌우 방향의 수평 모션이 출력되도록 상부구조프레임이 구비되는 2자유도 모션시스템을 포함하고,
   상기 3자유도 모션시스템, 요 모션시스템 및 2자유도 모션시스템은, 서로에 대해 분해된 상태에서도 각자의 독립적 동작이 가능하도록 적층 구조로 구성되며 분해 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 다자유도 모션플랫폼.
2. 외부로부터 입력된 제어신호에 의해 작동하여 다자유도 모션을 출력하는 다자유도 모션 플랫폼으로서,
   피칭, 롤링 및 히빙모션을 구현하도록 모듈화되되, 제1 하우징의 내부에 구비된 상태에서 피칭, 롤링 및 히빙모션이 출력되도록 상판프레임이 구비되는 3자유도 모션시스템; 및
   상기 3자유도 모션시스템의 상부 또는 하부에 위치하며 요잉 모션을 출력하도록 모듈화되되, 제3 하우징의 내부에 구비된 상태에서 요잉 모션이 출력되도록 스테이지부가 구비되는 요 모션시스템을 포함하고,
   상기 3자유도 모션시스템과 요 모션시스템은, 서로에 대해 분해된 상태에서도 각자의 독립적 동작이 가능하도록 적층 구조로 구성되어 분해 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 다자유도 모션플랫폼.
3. 외부로부터 입력된 제어신호에 의해 작동하여 다자유도 모션을 출력하는 다자유도 모션 플랫폼으로서,
   피칭, 롤링, 히빙모션을 구현하도록 모듈화되되, 제1 하우징의 내부에 구비된 상태에서 피칭, 롤링 및 히빙모션이 출력되도록 상판프레임이 구비되는 3자유도 모션시스템; 및
   상기 3자유도 모션시스템의 상부 또는 하부에 위치하며 전후좌우 방향의 수평 모션을 구현하도록 모듈화되되, 제2 하우징의 내부에 구비된 상태에서 전후좌우 방향의 수평 모션이 출력되도록 상부구조프레임이 구비되는 2자유도 모션시스템을 포함하고,
   상기 3자유도 모션시스템과 2자유도 모션시스템은, 서로에 대해 분해된 상태에서도 각자의 독립적 제어 동작이 가능하도록 적층 구조로 구성되어 분해 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 다자유도 모션플랫폼.
4. 외부로부터 입력된 제어신호에 의해 작동하여 다자유도 모션을 출력하는 다자유도 모션플랫폼으로서,
   요잉 모션을 출력하도록 모듈화되되, 제3 하우징의 내부에 구비된 상태에서 요잉 모션이 출력되도록 스테이지부가 구비되는 요 모션시스템; 및
   상기 요 모션시스템의 상부 또는 하부에 위치하며 전후좌우 방향의 수평 모션을 구현하도록 모듈화되되, 제2 하우징의 내부에 구비된 상태에서 전후좌우 방향의 수평 모션이 출력되도록 상부구조프레임이 구비되는 2자유도 모션시스템을 포함하고,
   상기 요 모션시스템과 2자유도 모션시스템은 서로에 대해 분해된 상태에서도 각자의 독립적 제어 동작이 가능하도록 적층 구조로 구성되어 분해 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 다자유도 모션플랫폼.

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