KR20000036893A - 3자유도 운동시스템 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모의훈련이나, 가상현실용 게임에 적용되는 3자유도 운동시스템 장치에 관한 것으로, 수직형 액튜에이터 및 구조물을 이용하지 않고도 슬라이딩 액튜에이터와 강성체인 로드를 이용하여 상판의 승강운동, 경사운동은 물론 회동운동을 재현할 수 있도록 한 것이다.

이를 위해, 베이스(1)에 상판(3)을 승강운동 및 회동운동 그리고 요동운동하도록 설치하여서 된 3자유도 운동시스템 장치에 있어서, 상기 베이스(1)에 설치된 3개의 슬라이딩 액튜에이터(5)와, 상기 각 슬라이딩 액튜에이터에 회동가능하게 설치된 강성체인 로드(6)와, 상기 로드의 일단을 슬라이딩 액튜에이터에 연결하는 레벌류 죠인트(7)와, 상기 로드의 다른 일단을 상판의 저면에 연결하는 볼 죠인트(8)로 구성된 것이다.

Description

3자유도 운동시스템 장치{Motion system with three degrees of freedom}

본 발명은 모의훈련이나, 가상현실용 게임에 적용되는 3자유도 운동시스템 장치에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 상판을 지지하는 로드의 강성을 최대한 유지할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 대부분의 운동시스템에서 운동판(이하 "상판"이라 함)의 운동재현은 수직형 액튜에이터에 의해 실현되고 있는데, 이는 수직방향의 축하중을 가중시키게 되므로 가진용 액튜에이터에 보다 큰 힘이 요구되며, 내구성이 큰 재질을 필요로 한다.

따라서 수직형 액튜에이터를 이용한 운동시스템인 경우에는 유압시스템을 이용하여 상판의 운동을 재현하는 경우가 많다.

근래 들어, 모터 또는 공압을 이용하는 액튜에이터가 개발되어 수직형 액튜에이터로 사용되고 있지만, 공압을 이용한 경우는 액튜에이터의 길이 및 속도의 제어에 많은 장애를 갖고 있으며, 운동 정밀도가 떨어지는 문제점이 발생되었다.

또한, 모터를 이용한 수직형 액튜에이터의 경우에는 정밀도는 양호한 편이지만, 구동시 많은 전력이 소모되고, 부품이 쉽게 마모되어 시스템의 운영에 따른 비용이 많이 소요되었음은 물론 시스템의 구동시 많은 열이 발생되는 문제점이 발생되었다.

여러 가지 운동시스템 중 3자유도 운동을 확보하는 운동시스템은 자연의 공간내에서 일반적인 물체의 운동이 6자유도 운동이기 때문에 3가지의 불필요한 운동을 제거하여야만 실현 가능하다.

따라서 기존의 방법은 중앙이나, 측면에 상판을 구속시키기 위한 별도의 구조물을 반드시 구비하여야만 되었다.

그러나 이러한 방법은 시스템의 제작시 부품수를 늘리게 되고, 제조 및 조립시 시스템의 생산원가를 상승시키는 요인으로 작용된다.

도 1은 종래 장치의 구성을 나타낸 개략도로서, 베이스(1)상에 3자유도 운동을 실현하기 위해 3개의 수직형 액튜에이터(2)가 힌지 결합되어 있고 상기 수직형 액튜에이터의 로드(2a)는 상판(3)의 저면에 힌지 결합되어 있으며 베이스(1)와 상판(3)의 중앙에는 상판(3)의 운동을 구속하기 위한 구조물(4)이 설치되어 있다.

따라서 수직형 액튜에이터(2)가 구동함에 따라 상판(3)이 설정된 범위내에서 승강운동은 물론 경사운동 그리고 요동운동을 병행하게 된다.

그러나 이러한 종래의 장치는 다음과 같은 문제점이 발생되었다.

첫째, 수직형 액튜에이터(2)의 죠인트 부분의 강성을 요구하므로 시스템의 크기를 필요 이상으로 크게 설계하여야 된다.

둘째, 첫째항의 문제점으로 인해 상판(3)의 설치 높이가 높아지게 되므로 안전도가 떨어지게 되는데, 상판의 스트로크를 크게 설정할 경우에는 상기한 문제점은 더욱 심화된다.

셋째, 수직형 액튜에이터(2)의 구동시 로드(2a)에 경사하중이 작용되므로 고가의 수직형 액튜에이터의 수명이 단축된다.

넷째, 상판(3)의 중심부에 구조물(4)이 설치되므로 공간확보가 곤란하여 시스템 공간의 효율성이 떨어져 수직형 액튜에이터(2)의 구동에 필요한 구동장치의 설치에 별도의 공간을 확보하여야 된다.

본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 수직형 액튜에이터를 이용하지 않고도 슬라이딩 액튜에이터와 강성체인 로드를 이용하여 상판의 승강운동, 경사운동은 물론 회동운동을 재현할 수 있는 3자유도 운동시스템 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상판의 중심부에 별도의 구조물을 설치하지 않고도 상판의 승강운동, 경사운동은 물론 회동운동을 재현할 수 있도록 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 베이스에 상판을 승강운동 및 회동운동 그리고 요동운동하도록 설치하여서 된 3자유도 운동시스템 장치에 있어서, 상기 베이스에 설치된 3개의 슬라이딩 액튜에이터와, 상기 각 슬라이딩 액튜에이터에 회동가능하게 설치된 강성체인 로드와, 상기 로드의 일단을 슬라이딩 액튜에이터에 연결하는 레벌류 죠인트와, 상기 로드의 다른 일단을 상판의 저면에 연결하는 볼 죠인트로 구성된 것을 특징으로 하는 3자유도 운동시스템 장치가 제공된다.

도 1은 종래 장치의 구성을 나타낸 개략도

도 2는 본 발명의 구성을 나타낸 사시도

도 3은 본 발명의 정면도

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 측면도로서,

도 4a는 상판이 수평상태를 유지하고 있는 상태도

도 4b는 상판이 일측으로 기울어진 상태도

도 5는 본 발명의 볼 죠인트 구성을 나타낸 분해 사시도

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

1 : 베이스 3 : 상판

5 : 슬라이딩 액튜에이터 6 : 로드

7 : 레벌류 죠인트 8 : 볼 죠인트

이하, 본 발명을 일 실시예로 도시한 도 2 내지 도 5를 참고하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 구성을 나타낸 사시도이고 도 3은 본 발명의 정면도이며 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 측면도로서, 본 발명의 구성 중 종래의 구성과 동일한 부분은 그 설명을 생략하고 동일부호를 부여하기로 한다.

본 발명은 베이스(1)의 상면에 3개의 슬라이딩 액튜에이터(5)가 고정 설치되어 있는데, 상기 슬라이딩 액튜에이터(5)는 시스템의 크기 및 용도에 따라 유압실린더와, 상기 유압실린더의 로드에 고정되어 수평운동하는 슬라이더로 구성하거나. 공압실린더와, 상기 공압실린더의 로드에 고정되어 수평운동하는 슬라이더로 구성하거나, 모터의 구동에 따라 회전하는 볼 스크류와, 상기 볼 스크류에 나사 결합되어 수평운동하는 슬라이더로 구성할 수 있다.

그리고 상기 각 슬라이딩 액튜에이터(5)에는 강성체인 로드(6) 일단이 단축방향 회전용 죠인트인 공지의 레벌류 죠인트(7)에 의해 회동가능하게 힌지 결합되어 있고 로드(6)의 다른 일단은 상판(3)의 저면에 볼 죠인트(8)에 의해 힌지 결합되어 있다.

상기 레벌류 죠인트(7)는 베이스(1)와 상판(3)의 중심부에 별도의 구조물을 설치하지 않고도 상판(3)의 중심선이 이탈되는 현상을 방지하여 주는 역할을 하게 된다.

또한, 로드(6)의 일단을 상판(3)의 저면에 연결하는 볼 죠인트(8)는 도 5에 나타낸 바와 같이 로드(6)의 선단에 형성된 삽입공(6a)내에 끼워지며 상단에 절단면(9a)을 갖는 볼(9)과, 상기 상판(3)의 저면에 고정되어 볼의 절단면에 접속되는 브라켓(10)과, 상기 볼이 끼워진 로드를 브라켓에 힌지 결합하는 축(11)으로 구성되어 있다.

또, 상기 슬라이딩 액튜에이터(5)에 연결된 로드(6)는 도 3에 나타낸 바와 같이 베이스(1)의 상면과 예각(α)을 이루도록 설치되어 있는데, 이는 상판(3)의 운동이 보다 안정적으로 이루어지도록 하기 위함이다.

상기 상판(3)의 승강운동 거리 및 회동운동 그리고 요동운동시 각도는 슬라이딩 액튜에이터(5)의 길이변화에 따라 변화시킬 수 있게 됨은 물론 슬라이딩 액튜에이터의 가감속운동에 따라 속도를 재현할 수 있게 되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 원하는 모의훈련이나, 가상현실용 게임에 따라 슬라이딩 액튜에이터(5)와, 로드(6)의 길이를 적절히 선택하여 본 발명을 구성한다.

상기 상판(3)의 직선(승강)운동은 슬라이딩 액튜에이터(5)와, 로드(6)의 길이에 의해 재현될 수 있다.

하지만, 운동시스템의 운동영역의 한계로 슬라이딩 액튜에이터(5)에 의한 100% 운동재현은 불가능하다.

따라서 대상운동을 적절한 운동시스템 재현용 운동으로 변환시켜야 된다.

이는, 인간공학적 직선운동의 감지한계를 정의하여 감지한계 내에서만 상판(3)이 운동하도록 제어부(도시는 생략함)에 의해 운동명령을 하이패스 필터링하도록 설정하여야 된다.

또한, 대상운동체(상판)의 지속 및 연속성 운동을 재현하기 위해 운동영역 범위를 확보하여야 되는데, 이는 운동시스템의 복귀성을 계속 유지하여야 되므로 운동 복귀특성을 갖는 1차적 하이패스 필터를 추가로 이용하여 슬라이딩 액튜에이터(5)의 복귀 길이명령을 지시하도록 설정하여야 된다.

한편, 상판(3)의 회전운동은 슬라이딩 액튜에이터(5)의 길이 변화에 따른 각속도와 경사각도에 의해 재현되지만, 운동시스템의 운동영역의 한계로 100% 운동재현은 불가능하다.

따라서 대상운동을 적절한 운동시스템 재현용 운동으로 변환시켜야 되는데, 이는 인간공학적 회전운동의 감지한계를 정의하여 감지한계에서만 운동하도록 제어부(도시는 생략함)에 의해 운동명령을 하이패스 필터링하도록 설정하여야 된다.

또한, 회전운동은 직선운동과 같이 복귀시키지 못하게 되는데, 이는 회전운동시 운동범위가 작아 상판(3)의 원점 복귀시 운동재현도가 떨어지게 되므로 운동방향(좌,우 선회)을 계속적으로 유지시켜야만 일정 각도를 유지할 수 있게 된다.

이와 같이 대상운동체의 지속 및 연속성운동을 재현하기 위해서는 운동영역범위를 확대하여야 되는데, 이는 운동시스템의 시작점으로의 복귀성을 계속적으로 유지하여야 되므로 운동복귀특성을 갖는 1차적 하이패스 필터를 추가로 이용하여 슬라이딩 액튜에이터(5)의 복귀길이명령을 지시하도록 제어부에 설정하여야 된다.

이러한 상태에서 상판(3)을 승강운동시키기 위해 3개의 슬라이딩 액튜에이터(4)를 동시에 동일한 속도로 구동하여 로드(도시는 생략함)를 전진시키거나, 후퇴시키면 상기 슬라이딩 액튜에이터(5)에 레벌류 죠인트(7)로 연결된 로드(6)가 동시에 벌어지거나, 오므러 들게 되므로 상판(3)이 승강운동하게 되는데, 상기 슬라이딩 액튜에이터(5)의 구동속도를 가감시키면 상기 상판(3)의 승강속도 또한 증감된다.

상기한 동작시 상기 로드(6)가 단축방향 회전용인 레벌류 죠인트(7)에 의해 슬라이딩 액튜에이터(5)에 연결되어 있어 베이스(1)와 상판(3)의 중심부에 구조물이 없더라도 상판(3)이 일측으로 넘어지지 않게 된다.

한편, 도 4a와 같이 로드(6)가 슬라이딩 액튜에이터(5)의 중간부위에 위치된 상태에서 3개의 슬라이딩 액튜에이터 중 2개의 슬라이딩 액튜에이터가 도 4b와 같이 동시에 동일한 속도로 외측으로 이동시킴과 동시에 나머지 1개의 슬라이딩 액튜에이터가 내측으로 전진시키면 볼 죠인트(8)에 의해 연결된 상판(3)이 화살표방향과 같이 회동운동을 하게 되는데, 상기한 바와 같은 동작시 3개의 슬라이딩 액튜에이터(5)를 각각의 속도로 이동시키면 승강운동은 물론이고 회동 및 요동운동이 동시에 이루어지게 되므로 자동차, 탱크, 항공기, 선박 등의 모의훈련이나, 가상현실용 게임에 유용하게 적용할 수 있게 되는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 종래의 장치에 비하여 다음과 같은 장점을 갖는다.

첫째, 상판(3)을 이동시키는 구동원인 슬라이딩 액튜에이터(5)가 베이스(1)에 수평상태로 설치되고 상판(3)에는 강성체의 로드(6)가 직접 연결되므로 인해 시스템의 콤팩트화가 가능해지게 된다.

둘째, 상판(3)이 강성체인 로드(6)에 연결되어 슬라이딩 액튜에이터(5)의 구동에 따라 구동되므로 상판(3)의 설치 높이를 대폭 낮출 수 있게 되고, 이에 따라 가상현실용 게임에 적용시 안전도를 유지할 수 있게 된다.

셋째, 슬라이딩 액튜에이터(5)의 구동시 로드에 항상 수직하중만이 작용되므로 슬라이딩 액튜에이터의 수명을 대폭 연장시킬 수 있게 된다.

넷째, 상판(3)의 중심부에 구조물(4)을 설치하지 않고도 동작이 이루어지게 되므로 슬라이딩 액튜에이터(5)의 사이에 구동에 필요한 구동장치를 설치할 수 있게 된다.

Claims (6)

1. 베이스에 상판을 승강운동 및 회동운동 그리고 요동운동하도록 설치하여서 된 3자유도 운동시스템 장치에 있어서, 상기 베이스에 설치된 3개의 슬라이딩 액튜에이터와, 상기 각 슬라이딩 액튜에이터에 회동가능하게 설치된 강성체인 로드와, 상기 로드의 일단을 슬라이딩 액튜에이터에 연결하는 레벌류 죠인트와, 상기 로드의 다른 일단을 상판의 저면에 연결하는 볼 죠인트로 구성된 것을 특징으로 하는 3자유도 운동시스템 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬라이딩 액튜에이터가 유압실린더와, 상기 유압실린더의 로드에 고정되어 수평운동하는 슬라이더로 구성된 것을 특징으로 하는 3자유도 운동시스템 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬라이딩 액튜에이터가 공압실린더와, 상기 공압실린더의 로드에 고정되어 수평운동하는 슬라이더로 구성된 것을 특징으로 하는 3자유도 운동시스템 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬라이딩 액튜에이터가 모터의 구동에 따라 회전하는 볼 스크류와, 상기 볼 스크류에 나사 결합되어 수평운동하는 슬라이더로 구성된 것을 특징으로 하는 3자유도 운동시스템 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   볼 죠인트는 로드의 선단에 형성된 삽입공내에 끼워지며 상단에 절단면을 갖는 볼과, 상기 상판의 저면에 고정되어 볼의 절단면에 접속되는 브라켓과, 상기 볼이 끼워진 로드를 브라켓에 힌지 결합하는 축으로 구성된 것을 특징으로 하는 3자유도 운동시스템 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬라이딩 액튜에이터에 연결된 로드가 베이스의 상면과 예각을 이루도록 설치된 것을 특징으로 하는 3자유도 운동시스템 장치.