KR20020059291A - 병렬기구 구조 3자유도 운동 시스템 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 체감형 게임기나 체감형 시뮬레이터에 적용되는 3자유도 운동시스템 장치에 관한 것으로, 강성체 링크를 안정적인 병렬기구 구조로 하여, 운동시스템이 안정적인 기구적 구조를 가지고, 수평형 액튜에이터를 이용하여 상판의 경사운동 및 상하운동을 재현할 수 있도록 한 것이다.

특히 상부 지지판을 경사운동 및 상하 운동을 재현할 수 있도록 설치하고 상판에 가해지는 하중을 병렬구조를 가지는 6개의 강성체 링크로 지지하고, 하부 지지판에 3개의 수평형 액튜에이터로 구성되어, 상기 6개의 강성체 링크의 양단을 수평형 액튜에이터와 상판에 결합하는 조인트로 구성된 것이다.

이와 같은 구성에 따라 본 발명의 병렬기구 구조의 3자유도 운동판 시스템은 안정적인 병렬기구 구조로 시스템을 최적화되게 제작 할 수 있고, 중앙에 별도의 지지 링크가 필요치 않음으로써, 시스템의 전체 높이를 낮게 제작하고도 많은 량의 상하운동을 재현할 수 있는 기구 구조를 가질 수 있는 효과가 있으며, 또한, 상부지지판에 가해지는 하중을 복수개의 링크로 분산되어 직선운동 액츄에이터의 균형적인 하중분포를 가질 수 있는 효과가 있다.

Description

병렬기구 구조 3자유도 운동 시스템 장치{omitted}

본 발명은 병렬기구 구조 3자유도 운동 시스템 장치에 관한 것으로, 상판을 지지하는 강성체 링크를 수평형 액튜에이터의 일측과 상부 지지판의 적어도 하나 이상의 부위를 연결하기 위한 병렬구조의 복수 링크로 구성하여 3자유도 운동판 시스템 장치를 병렬구조로 하여 안정적인 기구적 구조를 최대한 유지할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 1930년대에 미국에서 고안되어 실용화되기 시작한 기계식 비행훈련장치는 1950년대에 접어들면서 플라이트 시뮬레이터로 진보되고, 이후 1980년대에 들어 컴퓨터 그래픽이 고성능화되어 주변의 화상도 동일시간에 생성할 수 있게 되었다. 이때부터 시뮬레이터는 항공기 뿐만 아니라 선박이나 철도 차량의 조종과 운전자의 교육 훈련용으로 이용되고 있다.

또한, 최근에는 불도저나 크레인 등 건설용 장비의 운전 훈련과 엔터테인먼트 분야 등 산업 전분야에 걸쳐 다양하게 사용되고 있다.

즉, 이와 같은 시뮬레이터는 게임 시뮬레이터, 군사 목적용 시뮬레이터, 각종 테스트 시스템, 운전 학원용 드라이빙 시뮬레이터, 기타 훈련용 장비 등에 사용되고 있는 것이다.

그러나, 상기한 각종 시뮬레이터는 유압 모션 베이스가 보통 6자유도 구현 방식으로 이루어져 장비의 가격이 비싸 대중화되지 못하고 있으며, 그중에서도 유압 모션 베이스가 차지하고 있는 비중때문에 엔터테인먼트 분야에서는 다인승 관람형 시뮬레이터에만 치중하고 있어 1∼2인용 게임 시뮬레이터는 거의 사용되고 있지 못하다.

따라서, 다인승 시뮬레이터 장비로는 인간과 컴퓨터와의 인터렉티브 기술을 충분히 접목시킬 수 없으므로 게임의 사실성과 역동성을 실현하는데 한계가 발생할 수 밖에 없는 문제점이 있다.

그리고, 종래의 대부분의 운동시스템에서는 상판의 운동재현은 수직형 액튜에이터에 의해 실현되거나 단순한 강성체 링크를 지지하는 구조로 되어있어, 수직형 액튜에이터 구조는 액튜에이터에 보다 큰 힘을 요구하고, 단순한 강성체 링크를 지지하는 구조는 중앙에 별도의 지지 로드를 요구함으로써 상하운동 재현에 제약을 발생시킨다.

구체적으로 이러한 종래 기술은 수직형 액튜에이터 구조를 가지는 도1에 나타난 바와 같이, 베이스(1)상에 3자유도 운동을 실현하기 위한 3개의 수직형 액튜에이터(2)가 힌지 결합에 의해 결합되어 있고, 상기 수직형 액투에이터의 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.

그러나, 이와 같은 수직형 액튜에이터(2)에 가해지는 수직하중은 보다 큰 강성을 요구하고 조인트 부분의 강성을 요구하므로 시스템의 크기가 필요이상으로 크게 설계되어 시스템의 안전성에 문제가 심화되었다.

또한, 단순한 강성체 링크지지 구조를 가지는 도2는 도1의 수직형 액튜에이터의 문제점을 개선하기 위하여 수평형 액튜에이터로 슬라이딩 액튜에이터(5) 구조로 시스템을 구성하였으나, 중앙에 상판의 하중을 받기 위한 별도의 지지 로드(8)를 요구함으로써 상하운동 및 경사운동의 재현에 중앙의 지지 로드(8)에 의한 제약을 발생시킨다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 운동 시스템 장치에서 보다 간소한 구성으로도 안정적으로 상하운동 및 경사운동 등을 재현할 수 있도록 함에 있다.

본 발명에 다른 목적은 운동 시스템 장치에서 보다 간소한 구성으로도 충분한 강성 특성을 지니도록 할 수 있게 함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 후술될 구성 및 작용에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

도 1은 일반적인 종래 장치의 구성을 나타내기 위한 측면도.

도 2는 종래의 수평형 액튜에이터의 구성을 나타내기 위한 사시도.

도 3는 본 발명의 구성을 설명하기 위한 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 구동과정을 나타내기 위한 순서도.

도 5는 본 발명에 따른 다른 실시예를 나타내기 위한 사시도.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1: 베이스 2: 수직형 액튜에이터

3: 상판 4: 구조물

5: 슬라이딩 액튜에이터 6: 로드

7: 유니버셜 조인트 8: 지지 로드

10: 하부 지지판 20: 수평형 액튜에이터

30: 강성체 링크 40: 상부 지지판

50: 하부 연결 조인트 52: 상부 연결 조인트

본 발명에 따른 병렬기구 구조 3자유도 운동 시스템 장치는, 액튜에이터가 설치된 하부 지지판에 링크를 이용하여 상부 지지판을 체결하여 상하운동 및 경사운동 하도록 설치된 3자유도 운동시스템 장치에 있어서, 상기 하부 지지판상에 수평으로 설치되어 수평으로 하중을 발생시키도록 형성되는 적어도 하나 이상의 수평형 액튜에이터;와, 상기 수평형 액튜에이터의 왕복가능한 부위와 상기 상부 지지판을 연결하는 경로를 제공하는 복수 개의 강성체 링크로서, 상기 강성체 링크들의 일측은 상기 상부 지지판의 하부 여러 부위에 회동가능하게 연결되고, 상기 강성체 링크들의 타측은 상기 수평형 액튜에이터의 상기 왕복가능한 부위에 공통적으로 회동가능하게 연결되는 병렬구조의 강성체 링크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 병렬 구조의 강성체 링크는 상기 수평형 액튜에이터에 2개의 링크가 연결되어, 수평형 액튜에이터를 기준으로 'V'자형의 대칭구조로 형성되거나, 상기 병렬 구조의 강성체 링크는 상기 수평형 액튜에이터마다 3개의 링크가 연결되어, 수직으로 연결되는 제 1 강성체 링크와, 상기 제 1 강성체 링크를 기준으로 양측에서 'V'자형의 대칭을 이루는 제 2, 제3 강성체 링크로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 복수 링크는 상기 수평형 액튜에이터와 유니버셜 링크로 결합될 수 있으며, 상기 상부 지지판과 유니버셜 링크로 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예로서, 상기 복수 링크에는 상기 상부 지지판에 경사방향으로 하중을 발생시키기 위한 경사형 액튜에이터가 더 구성될 수 있다.

이와 같은 병렬구조의 링크는 우수한 강성 특성을 가지고 있는데, 상부 지지판의 운동부와 하부 지지판이 병렬구조의 복수개의 링크로 연결됨으로써 운동하중이 각 링크로 분산 될 뿐 아니라, 각 링크는 인장 압축력 만을 받게 되어 가벼운 링크구조로 큰 힘을 견딜 수 있는 구조적 장점을 가질 수 있다.

그리고, 병렬기구는 고유주파수가 높아 대역폭(Band Width)이 넓다는 장점을 가지고 있으며, 이동부의 관성 질량을 감소시킬 수 있어 이동부의 고속도, 고가속도 운동에 유리한 기구 구조이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다.

도 3는 본 발명의 구성을 설명하기 위한 사시도이고, 도 4은 본 발명의 측면 구성을 나타내기 위한 측면도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 상부 지지판(40)을 6개의 강성체 링크(30)를 이용하여 병렬구조로 지지하고 있으며, 강성체 링크(30)와 상부지지판(40)은 상부 연결 조인트(미도시)에 의해 연결된다.

그리고, 하부 지지판(10)에 수평으로 설치된 수평형 액투에이터(20)는 시스템의 크기 및 용도에 따라 유압 실린더와, 유압 실린더의 로드에 고정되어 수평운동하는 슬라이더로 구성할 수 있으며, 또는 공압실린더와, 상기 공압실린더의 로드에 고정되어 수평운동하는 슬라이더로 구성하거나, 모터의 구동에 따라 회전하는 볼 스크류와, 상기 볼 스크류에 나사 결합되어 수평운동하는 슬라이더로 구성할 수 있다.

이와 같은 수평형 액튜에이터(20)는 하부 지지판(10)상에서 인접한 액튜에이터와의 각도가 120°가 되도록 Y자 형태로의 삼각형 구조로 설치되어 3방향으로 왕복하면서 힘을 제공하도록 구성된다.

그리고, 수평형 액튜에이터(20)는 병렬구조의 강성체 링크(30)와 하부 조인트 연결부(50)에 의해 각각 연결되는데, 하부 조인트 연결부(50)는 본 발명의 실시예에서 보다 다양한 각도로의 원활한 구동을 위한 일례로 유니버셜 조인트가 이용된다.

상부 지지판(40)의 경사운동 및 상하운동은 병렬구조로 지지하고 있는 링크(30)의 상부 지지판(40)과 이루는 각도를 하부 연결 조인트(50)로 연결된 수평형 액튜에이터(20)를 이동시킴으로써 재현할 수 있다.

이러한 기본적인 구동방식을 가지고 도 4에 도시된 전체 운동 시스템의 구동방식을 설명하면 다음과 같다.

체감형 시뮬레이터 시스템의 주 제어부(미도시)에서 탑승자에게 재현하고자하는 운동판 시스템의 상부 지지판(40)의 자세를 생성한다(단계 S1).

이렇게 생성되는 상부 지지판(40)의 자세는 3자유도 운동판의 자세를 제어하는 상하운동량과 경사운동량의 기본이 된다.

한정된 운동판의 자세영역내에서 체감형 시뮬레이터 시스템의 탑승자에게 보다 현실감을 주기위해 인간 감지 영역내의 Washout 알고리즘을 사용하여 3자유도 윤동판을 제어할 상하 운동향, 경사 운동량을 생성한다(단계 S2).

상부 지지판(40)을 제어할 상하 운동량, 경사 운동량을 역기구학 해석을 하여 각 수평형 액튜에이터(20)의 이동량을 계산한다(단계 S3).

이 이동량에 따라 각 수평형 액튜에이터(20)의 각 시점에서의 위치를 제어하며, 각 직선운동 액츄에이터(20)의 위치를 제어시에는 각 직선운동 액츄에이터(20)의 위치, 속도, 가속도 등을 산출하여 원활한 위치제어 알고리즘으 수핸함으로써 안정적으로 운동판의 위치를 제어할 수 있다(단계 S4).

상기와 같이 각 수평형 액츄에이터(20)의 위치가 제어됨으로써 강성체 링크(30)와 상부 지지판(40)의 각도가 변화되며, 그러므로, 탑승자에게 재현하고자 하는 상부 지지판(40)의 자세를 제어할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 다른 실시예를 나타내기 위한 것으로서, 수평형 액츄에이터(20)의 하부 연결 조인트(50)에 연결되는 복수 개의 강성체 링크(30)에 각각 경사형 액츄에이터(60)를 구성하여 수평형 액츄에이터(20)의 구동과 함께 필요시에 경사형 액츄에이터(60)를 같이 구동하여 보다 빠른 속도를 내면서 많은 하중을 부담할 수 있도록 구성한 실시예이다.

이러한 실시예 역시 기본적으로는 강성체 링크(30)의 구성이 하부 연결 조인트(50)를 기점으로 복수 개로 연장되어 상부 지지판(40)을 지지하는 병렬구조이며, 위에서 설명한 실시예와 같이 상부 지지판(40)의 하중을 여러 방향으로 분산시켜 큰 하중을 견딜 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하였지만, 본 발명의 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 얼마든지 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 잘 알것이다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 병렬기구 구조의 3자유도 운동판 시스템은 안정적인 병렬기구 구조로 시스템을 최적화되게 제작 할 수 는 장점이 있다.

또한, 병렬기구 구조를 형성함으로써 중앙의 별도의 지지 링크가 필요치 않음으로써 , 시스템의 전체높이를 낮게 제작하고도 많은 량의 상하운동을 재현할 수 있는 기구 구조를 가질 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 병렬기구 구조의 링크를 구성함으로써 상부 지지판에 가해지는 하중을 복수개의 링크로 분산되어 직선운동 액츄에이터의 균형적인 하중분포를 가질 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 액튜에이터가 설치된 하부 지지판에 링크를 이용하여 상부 지지판을 체결하여 상하운동 및 경사운동 하도록 설치된 3자유도 운동시스템 장치에 있어서,

   상기 하부 지지판상에 수평으로 설치되어 수평으로 하중을 발생시키도록 형성되는 적어도 하나 이상의 수평형 액튜에이터;

   상기 수평형 액튜에이터의 왕복가능한 부위와 상기 상부 지지판을 연결하는 경로를 제공하는 복수 개의 링크로서, 상기 링크들의 일측은 상기 상부 지지판의 하부 여러 부위에 회동가능하게 연결되고, 상기 링크들의 타측은 상기 수평형 액튜에이터의 상기 왕복가능한 부위에 공통적으로 회동가능하게 연결되는 병렬구조의 복수 링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 3자유도 운동판시스템 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 병렬 구조의 복수 링크는 상기 수평형 액튜에이터에 2개의 링크가 연결되어, 수평형 액튜에이터를 기준으로 'V'자형의 대칭구조로 형성됨을 특징으로 하는 3자유도 운동판시스템 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 병렬 구조의 복수 링크는 상기 수평형 액튜에이터마다 3개의 링크가 연결되어, 수직으로 연결되는 제 1 링크와, 상기 제 1 링크를 기준으로 양측에서 'V'자형의 대칭을 이루는 제 2, 제3 링크로 구성됨을 특징으로 하는 3자유도 운동시스템 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 복수 링크는 상기 수평형 액튜에이터와 유니버셜 링크로 결합되는 것을 특징으로 하는 3자유도 운동시스템 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 복수 링크는 상기 상부 지지판과 유니버셜 링크로 결합되는 것을 특징으로 하는 3자유도 운동시스템 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 복수 링크에는 상기 상부 지지판에 경사방향으로 하중을 발생시키기 위한 경사형 액튜에이터가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 3자유도 운동시스템 장치.