KR20190009382A - 이동 플랫폼 시스템 - Google Patents

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마리누스 코넬리스 크리스탄 벨테나
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이투엠 테크놀로지스 비.브이.
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Abstract

본 발명은 중첩 결정 이동 플랫폼 시스템에 관한 것으로, 베이스; 상기 베이스에 대해 6-자유도를 따라 이동 가능한 플랫폼; 상기 베이스를 상기 플랫폼과 각각 결합시키는 적어도 8개의 롱 스트로크 액추에이터; 및 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 (a) 요구된 플랫폼 이동 설정점을 지시된 플랫폼 이동 설정점에 적합화하도록 구성되고, (b) 상기 지시된 플랫폼 이동 설정점이 달성되도록 상기 8개의 롱 스트로크 액추에이터를 이동시키도록 구성되고, (c) 상기 액추에이터 사이의 상기 플랫폼 상의 상기 액추에이터에 의해 제공되는 힘을 동적으로 재분배하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

이동 플랫폼 시스템
본 발명은 이동 플랫폼 시스템에 관한 것으로, 이동 플랫폼 시스템은 베이스; 상기 베이스에 대해 6 자유도를 따라 이동 가능한 플랫폼, 상기 베이스를 상기 플랫폼과 결합시키는 롱 스트로크(long stroke) 액추에이터 및 상기 롱 스트로크 액추에이터를 통해 상기 플랫폼의 이동을 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
이동 플랫폼 시스템은 이와 같이 알려져 있다. 잘 알려진 예는 US3295224 및 US4753596에 기술된 바와 같이 소위 Gough-Stewart 플랫폼을 포함하는 비행 시뮬레이터이다. 이러한 플랫폼은 조종사 훈련을 위한 민간 및 군용 항공기의 시뮬레이션에 널리 사용된다. 최근에 이러한 플랫폼은 테마 파크에서의 소위 라이드에서 레크리에이션 용도로 사용된다. 플랫폼은 6-자유도 이동을 제공하기 위해 6개의 액추에이터를 구비한다. 특히 레크리에이션 목적으로 중복 시스템이 요구된다. 중복 시스템의 경우, 액추에이터 중 하나가 고장나서 파손되는 상황에서 플랫폼과 승객이 안전한 위치로 안전하게 복귀됨을 의미한다. 지금까지는 6개의 액추에이터의 각각에 인접하게 제2 액추에이터가 배치된 중복 시스템이 개발되었다. 액추에이터 중 하나가 고장난 경우, 병렬 배치된 액추에이터가 플랫폼을 인계받아 안전한 위치로 복귀시킬 수 있다. 이러한 시스템의 단점은 6개 대신 12개의 액추에이터가 필요하고 시스템이 매우 부피가 커지게 된다는 것이다.
US5931739는 3개의 액추에이터를 가지며 액추에이터 기구의 상태를 연속적으로 모니터링하고 액추에이터 기구가 안전하지 않은 상태에 있는 경우에 플랫폼을 안전 위치 측으로 자동으로 이동되게 하도록 배치된 페일-세이프(fail-safe) 회로를 구비한 페일-세이프 탑승 시뮬레이터를 기술하고 있다. 이 페일-세이프 시뮬레이터의 단점은 액추에이터 중 하나가 완전히 고장나는 경우 나머지 2개의 액추에이터가 플랫폼을 안전한 위치로 복귀시킬 수 없다는 것이다.
본 발명의 목적은 전술한 시스템의 단점을 갖지 않는 중복 6-자유도 이동 시뮬레이터를 제공하는 것이다.
이 목적은 다음의 이동 시뮬레이터로 달성된다. 중첩 결정된 이동 플랫폼 시스템은 베이스; 상기 베이스에 대해 6-자유도를 따라 이동 가능한 플랫폼; 상기 베이스를 상기 플랫폼과 각각 결합시키는 적어도 8개의 롱-스트로크 액추에이터; 및 컨트롤러로서, (a) 요구된 플랫폼 이동 설정점을 지시된 플랫폼 이동 설정점에 적합화시키고, (b) 지시된 플랫폼 이동 설정점이 달성되도록 적어도 8개의 롱-스트로크 액추에이터를 이동시키고, (c) 액추에이터 사이에서 액추에이터에 의해 플랫폼에 발휘되는 힘을 동적으로 재분배하도록 구성된 컨트롤러를 포함한다.
적어도 8개의 액추에이터를 제공함으로써, 1-중복성 및 경우에 따라서는 2-중복성을 갖는 중복 시스템이 얻어진다. 이는 액추에이터가 고장난 경우, 나머지 7개 또는 개별 6개의 액추에이터가 여전히 플랫폼을 완전히 제어할 수 있고 선택적으로 플랫폼을 안전한 위치로 제공할 수 있기 때문이다. 2개의 액추에이터가 고장 나면, 중복성은 서로 상대적으로 어떻게 구성되어 있는지에 따라 달라진다. 중첩 결정된 시스템의 결과로, 페이로드에 대한 액추에이터의 배향에 따라 플랫폼을 단순히 변형시키는 2가지 특정 패턴의 상대적 액추에이터 힘이 존재한다. 이것은 일반적으로 액추에이터 힘-경합(force-fight)으로 지칭된다. 본 발명에 따른 플랫폼 시스템의 컨트롤러는 이들 힘-경합을 능동적으로 제어함으로써 힘을 액추에이터 사이에서 동적으로 재분배할 수 있게 한다.
예를 들어 8개의 액추에이터를 갖는 플랫폼 시스템의 추가의 장점은 하나의 단일 액추에이터가 소위 제어 불가한 단일 액추에이터를 맞닥뜨릴 때, 나머지 7개의 액추에이터는 그러한 제어 불가를 보상하고 어떠한 부정적인 결과도 중재한다는 것이다. 추가적인 장점은 8개의 액추에이터가 6개의 액추에이터의 선행 기술 설계와 비교하여 더 수직으로 배치된다는 것이다. 이는 8개의 액추에이터가 중력에 더 효과적으로 작용하기 때문에 유리하다. 액추에이터의 수가 많을수록, 6-액추에이터 선행 기술 설계와 비교하여 본 발명에 따른 시뮬레이터에 덜 강력한 액추에이터가 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 시뮬레이터의 작업 공간은 6개 대신에 8개의 제한을 가진다. 결과적으로, 작업 공간, 즉 시뮬레이터가 이동할 수 있는 공간은 더 대칭적이고 콤팩트하다. 6-액추에이터 선행 기술 설계의 작업 공간은 부분 공간들이 거의 사용되지 않지만 액추에이터 힘의 관점에서 최악의 경우인 부피를 갖는다. 작업 공간의 이러한 부분은 본 발명에 따른 시뮬레이터에 대해서는 존재하지 않는다. 이는 예를 들어, 전자 기계 액추에이터의 모터 및 서보 드라이브 파워가 본 발명에 따른 시뮬레이터에 대해 더 적을 수 있음을 의미한다. 8개 이상의 액추에이터가 존재할 때 상기 장점이 유효하거나 훨씬 더 유효하다는 것이 분명하다. 적절하게는 액추에이터의 수는 실제적인 이유로 24개를 초과하지 않을 것이다. 설명에서는 8개의 액추에이터를 갖는 플랫폼 시스템을 언급한다. 본 개시 내용은 명시적으로 배제되지 않는 경우에 9개 이상의 액추에이터가 있는 플랫폼 시스템에도 유효하다.
적절하게 모든 액추에이터는 다중 자유도의 동작에 기여한다. 이러한 시스템은 시너지 시스템(synergistic system)이라고도 지칭된다. 본 발명에 따른 중첩 결정된 시너지 플랫폼 시스템은 종래 기술의 시너지 결정 동작 시스템에서 가능한 것보다 더 큰 각도 변위를 달성하는 해법으로도 사용될 수 있다. 결정된 시너지 동작 시스템의 각도 변위는 플랫폼 이동 및 중력에 대항하는 데 필요한 액추에이터 힘이 무한대가 되는 기계적 특이성의 발생에 의해 제한된다. 본 발명에 따라 적절히 설계된 중첩 결정된 시너지 플랫폼 시스템에서, 이들 기계 특이성은 중복 액추에이터에 의해 상쇄된다. 그러나, 종래 기술의 시너지 동작 시스템이 기계적 특이성이 존재하는 작업 공간 내의 영역을 가질 수 있는 경우, 중첩 결정된 시너지 플랫폼 시스템은 메커니즘의 중복이 국부적으로 감소되는 작업 공간 내의 영역을 가질 수 있다. 이들 영역은 전체 액추에이터 중에서 6개의 액추에이터의 임의의 그룹이 기계적 특이성을 발전시킨 영역이다. 그러나, 나머지(중복) 액추에이터는 상기 특이성을 제거할 것이다. 제거된 기계적 특이성은 작업 공간의 해당 영역에서 중복을 효과적으로 감소시키게 된다. 기계적 특이성이 제거된 이러한 영역에서 액추에이터의 힘을 최소화하기 위해 비-제로(0) 힘-경합이 필요할 수 있다.
예를 들어, 1 ㎧ 이상의 높은 액추에이터 속도를 갖는 6각 플랫폼 시스템은 일반적으로 비교적 긴 브레이크 영역을 갖는 유압 액추에이터를 구비할 것이다. 이러한 영역은 단일 액추에이터가 고장난 경우에 필요하다. 상기 브레이크 영역은 액추에이터의 길이와 그에 따라 전체 플랫폼의 크기를 증가시킨다. 본 발명에 따른 플랫폼 시스템에 의하면, 상기와 같은 긴 브레이크 영역을 필요로 하지 않는 데, 이는 하나의 액추에이터의 고장의 경우, 고장난 액추에이터가 나머지 7개의 액추에이터에 의해 그것의 단부 영역으로부터 확실히 떨어져 유지되어 긴 브레이크 영역에 대한 요구가 제거되기 때문이다.
본 명세서에서 롱 스트로크 액추에이터는 가장 압축된 위치에서 시작하여 그 길이의 10%가 넘게 연장될 수 있는 임의의 액추에이터를 의미한다. 여기서 시작 길이는 액추에이터의 각 단부에 있는 2개의 연결점 사이의 거리로 정의된다. 예를 들어, 현재의 이동 플랫폼 시스템이 테마 파크에서의 소위 라이드에서 레크레이션 목적으로 사용되는 경우, 롱 스트로크 액추에이터가 연장될 수 있는 길이는 적절하게는 10 ㎝가 넘는다. 롱 스트로크 액추에이터는 유압 액추에이터, 전자 기계 액추에이터 또는 전자기 액추에이터일 수 있고, 바람직하게는 전기 기계 액추에이터 일 수 있다.
상기 장점은 주로 본 발명에 따른 플랫폼 시스템이 중첩 결정 시스템이라는 사실에 기인한다. 플랫폼 시스템은 시스템의 자유도의 수, 즉 6-자유도가 액추에이터의 수보다 작기 때문에 중첩 결정된다. 이러한 중첩 결정 시스템은 이전에는 적어도 8개의 롱 스트로크 액추에이터를 가지는 이동 플랫폼 시스템에 적용되지 않았다. 특히 플랫폼 동작이 그 위치, 속도 및 가속 도메인은 말할 것도 없고 적어도 그 위치 도메인이 제어되는 시스템에는 적용되지 않는다. 물리적으로, 이것은 플랫폼의 상태가 액추에이터의 상태를 완전히 결정하는 것은 아니기 때문에 액추에이터에 대해 중첩 결정된 제어 문제를 일으킨다. 개별 플랫폼은 강체이기 때문에, 위치, 속도 및 가속도로 표현된 플랫폼 이동 상태는 모든 액추에이터의 액추에이터 위치, 속도 및 가속도를 고유하게 결정하지만 그 힘에 대해서는 고유하지 않다. 솔루션 공간에는 원하는 플랫폼 동적을 가져올뿐만 아니라 플랫폼을 변형시키려고하는 액추에이터 힘을 위한 무한 솔루션이 포함된다. 이것은 힘-경합이라고 지칭된다.
6-자유도 6각 포드와 6개의 액추에이터는 중첩 결정되지 않는다. 이는 플랫폼이 6개의 액추에이터의 모든 동작 조합에 대해 그것의 모든 6-자유도로 자유롭게 이동할 수 있기 때문이다.
지시 및 요구된 플랫폼 이동 설정점은 플랫폼 위치 설정점일 수 있다. 지시 및 요구된 플랫폼 이동 설정점은 플랫폼 위치, 속도 및 가속도에 대해 지시되고 요구된 설정점인 것이 바람직하다.
지시된 플랫폼 이동 설정점은 예를 들어 레크리에이션 라이드의 시뮬레이션 프로그램 또는 호스트 또는 비행 시뮬레이션 프로그램 또는 호스트의 출력일 수 있다. 요구된 이동 설정점은 시뮬레이션 프로그램 또는 호스트로부터 직접 제공되거나 동작 큐잉(cueing) 필터의 출력일 수 있다. 이러한 동작 큐잉 필터는 원하는 동작 큐잉 경험에 기여하지 않는 이동을 최소화할 수 있다.
플랫폼 위치, 속도 및 가속도에 대한 요구된 설정점은 플랫폼 자체가 안정된 위치를 유지하도록 플랫폼 시스템의 베이스의 큰 동작을 보상하도록 설계된 프로그램의 출력일 수 있다. 이러한 이동하는 베이스는 파동으로 인해 이동되는 기체의 일부인 것이 적절하다.
전술한 적용례에서, 요구되는 설정점은 미리 알지 못한다. 이는 지시된 설정점이 이동 플랫폼 시스템을 작동 및 성능 한계에서 벗어나게 할 수 있다. 이러한 미리 결정된 작동 및 성능 한계는 액추에이터가 전자 기계 액추에이터 또는 전자기 액추에이터인 경우 플랫폼 도메인 한계, 액추에이터 도메인 한계 및 모터 전류 도메인 한계를 포함할 수 있다. 유압 액추에이터가 사용되는 경우, 성능 한계는 유압 시스템 도메인 한계를 포함할 수 있다. 전자 기계 액추에이터가 사용될 때의 작동 및 성능 한계의 예는 아래 수학식 (1)에 대한 상세한 설명에 제공되며, 플랫폼 도메인 한계는 변위 한계(excursion limits)이다. 액추에이터 도메인 한계의 예는 극단 액추에이터 위치, 즉 액추에이터의 신장 및 압축 위치, 최대 모터 속도, 최대 모터 또는 서보 드라이브의 연속 전류 또는 피크 전류, 최대 전력, 최대 모터 온도이다. 유압 액추에이터 도메인 한계의 예는 연속 및 피크 유압 유동 한계이다.
컨트롤러 및 특히 컨트롤러의 일부(c)는 이동 플랫폼 시스템의 운동 방정식의 국부적인 선형화에 기초한다. 이 컨트롤러의 안정성은 성능 한계를 벗어나는 시스템의 비선형성으로 인해 성능 한계를 벗어나서 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 액추에이터 완충력과 같은 외력은 모델화되지 않거나 부정확하게 타이밍된 액추에이터에 작용할 수 있다. 이러한 이유로, 반대 동작에 의해 요구된 플랫폼 이동 설정점을 지시된 플랫폼 이동 설정점에 적용하고 힘-경합 설정점을 계산하도록 구성된 안내 모듈을 포함하는 컨트롤러를 사용하는 것이 바람직하며, 여기서 반대 동작 및 힘-경합 설정점은 비용-최소화 제어 전략을 사용하는 모델 예측 제어 알고리즘으로부터 유도된다. 바람직하게, 롱 스트로크 액추에이터는 서보 드라이브로부터 모터 전류를 수신하도록 구성된 모터를 구비한 전자 기계 액추에이터이며, 플랫폼 시스템은 플랫폼 도메인 한계, 액추에이터 도메인 한계 및 모터 전류 한계를 포함하는 소정의 성능 한계를 가지며, 모델 예측 제어 알고리즘은 플랫폼이 성능 한계 내에서 있도록 구성된 비용 최소화 제어 전략을 사용한다.
플랫폼의 반대 동작은 플랫폼이 그 성능 한계 내에 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 힘-경합 설정점의 생성으로 인해, 액추에이터당 모터 전류 억제가 초과되지 않거나 모터 전류가 최적화되도록 액추에이터 사이의 부하 균형이 더 양호해진다. 힘-경합 설정점은 대부분의 경우 0일 수 있다. 힘-경합 설정점은 예를 들어 개별 액추에이터가 미리 결정된 힘을 초과하거나 및/또는 개별 액추에이터가 미리 결정되거나 정의된 거의 0인 속도 및 힘 설정점을 가질 때 0에서 이탈될 수 있다. 개별 액추에이터가 거의 제로 속도 및 힘 설정점을 가질 때, 불안정한 시스템이 얻어져서 바람직하지 않은 진동을 초래할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 작은 힘 경합을 허용함으로써, 이러한 바람직하지 않은 진동을 피할 수 있다.
안내 모듈은 플랫폼에 대한 반대 동작 및 힘-경합 설정점에 의해 요구된 설정점을 지시된 설정점에 맞추도록 적절히 구성된다. 반대 동작 및 힘-경합 설정점은 플랫폼의 예상 작업 공간을 계산하는 모델 예측 제어(MPC) 알고리즘에서 유도된다. 모델 예측 제어 알고리즘은 제한되지 않거나 제한된 모델 예측 제어 알고리즘 일 수 있다. 모델 예측 제어 알고리즘은 비용 최소화 제어 전략을 사용한다. 적합하게는 예측된 작업 공간은 예를 들어 US8996179 (B2)에 더 상세히 기술된 바와 같이 예측된 플랫폼 상태에 대한 단일 DOF 변위 분석을 수행함으로써 계산된다.
안내 모듈은 이동 플랫폼 시스템의 운동학적 모델과 이동 플랫폼, 액추에이터 및 모터의 운동학적, 질량 및 성능 모델로부터 유도된 모델인 이동 플랫폼 시스템의 역 이동 방정식을 사용한다. 비용 함수는 위에서 언급한 성능 한계에 관련된 제약 특성에 비용을 할당한다. 또한, 요구된 플랫폼 동작을 따르지 않는 것에 의해 관련된 비용이 발생한다. 워시아웃(washout) 가속으로 지칭되는 반대 동작 및 힘-경합 설정점은 상기 비용 함수를 최소화하는 최적의 컨트롤러를 사용하여 계산된다. 안내 모듈은 컨트롤러의 각각의 계산 사이클에서 실행되도록 구성된다.
안내 모듈은 다른 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어 호스트 드라이브 파일은 요구된 플랫폼 이동 설정값으로 전달된 동작 큐(cue)를 최적화하도록 적절하게 설계된 것으로 가정한다. 안내 모듈은 사용자가 요구된 동작 큐와 상이한 동작 큐를 경험하는 것을 방지하도록 가능한 한 간섭을 최소화해야 한다. 따라서, 안내 모듈은 요구되는 설정점을 가능한 가깝게 추적하도록 적절하게 설계된다. 바람직하게는, 비용-최소화 제어 전략은 (ⅰ) 위치, 속도 및 가속도에 대한 플랫폼 트랙킹 오차를 최소화하고, (ⅱ) 액추에이터의 위치 및 속도 한계 내에 유지하고, (ⅲ) 모터 전류를 최소화하고 및/또는 힘-경합을 최소화하고, (ⅳ) 과전류로부터 보호를 행하는 것이다. 대안적으로, 비용-최소화 제어 전략은 (ⅴ) 특정 힘 에러를 최소화하고, (ⅵ) 액추에이터의 위치 및 속도 한계 내에 유지하고, (ⅶ) 예컨대, 제거된 기계적 특이성의 영역에서 0이 아닌 힘-경합을 사용하여 모터 전류를 최소화하고 및/또는 (ⅷ) 힘-경합을 최소화하고, (ⅸ) 과전류로부터 보호를 행하는 것이다.
적절하게는 비제한적인 모델 예측 제어 알고리즘을 위한 안내 모듈에 대한 비용 함수는 다음과 같을 수 있다:
Figure pct00001
여기서:
JPt는 플랫폼 위치 추적 오류에 대한 비용 함수이다. 이 비용 함수는 플랫폼 위치에 대해 요구된 설정점과 플랫폼 위치에 대해 지시된 설정점 간의 차이에 비용을 할당한다.
JVt는 플랫폼 속도 추적 오류에 대한 비용 함수이다. 이 비용 함수는 플랫폼 속도에 대해 요구된 설정점과 플랫폼 속도에 대해 지시된 설정점 사이의 차이에 비용을 할당한다.
JAt는 플랫폼 가속도 추적 오류에 대한 비용 함수이다. 이 비용 함수는 플랫폼 가속도에 대해 요구된 설정점과 플랫폼 가속도에 대해 지시된 설정점 간의 차이에 비용을 할당한다.
JVe는 6-자유도 모두에서 플랫폼 초과 속도에 대한 비용 함수이다. 플랫폼 초과 속도 비용 함수는 초과된 플랫폼 속도에 비용을 할당한다. 이 비용 함수는 작동 속도 한계를 플랫폼 레벨로 정의하는 데 사용될 수 있다. 교차 커플링이 없으므로 각 자유도는 개별적으로 스칼라 함수로 정의된다.
Jae는 6-자유도 모두에서 플랫폼 초과 가속도에 대한 비용 함수이다. 플랫폼 초과 가속도 비용 함수는 소정의 한계값을 초과하는 플랫폼 가속도에 비용을 할당한다. 이 비용 함수는 동작 플랫폼 가속도 한계를 감소시키는 데 사용될 수 있다. 교차 커플링이 없으므로 각 자유도는 개별적으로 스칼라 함수로 정의된다.
Jpe는 8개의 액추에이터 초과 위치의 비용 함수이다. 액추에이터 초과 위치 비용 함수의 목적은 액추에이터가 그 위치 이동을 초과하지 않도록 하는 것이다. 액추에이터가 종단 정지부에서 부드럽게 제동되게 하기 위해 위치 비용 함수는 적절하게는 액추에이터 속도의 함수이다.
Jve는 8개의 액추에이터의 초과 속도에 대한 비용 함수이다. 액추에이터 속도는 최대 값과 종단 정지부 근처의 제동 프로파일에 의해 제한된다는 것을 알아야 한다.
JIe는 8개의 액추에이터의 초과 모터 전류에 대한 비용 함수이다. 이 비용 함수는 결합된 모든 모터에 대해 최소 자승 전류를 달성하거나 허용되는 최대 모터 전류를 제한하도록 구성될 수 있다. 모터 전류는 플랫폼 가속도, 힘-경합값 및 플랫폼의 정적 중량의 함수로 표현될 수 있다.
JFF는 액추에이터들 사이의 힘-경합의 존재에 비용을 할당하는 비용 함수이다. 위의 개별 비용 함수에 대한 가중치는 컨트롤러를 조정시 설정된다.
플랫폼 위치, 속도 및 가속도에 대해 주어진 요구된 설정점에 대해 총 비용 J는 워시아웃 가속도의 구성에 의해 최소화될 수 있다:
Figure pct00002
여기서, wo는 플랫폼을 가리키며, 벡터에서의 x, y,...Ψ는 6-자유도와 힘-경합 설정점이고:
Figure pct00003
여기서 fip는 평면 내(in-plane) 힘 경합을 지칭하고, fop는 평면 외(out-of-plane) 힘 경합을 지칭한다. 평면 내 힘 경합은 플랫폼의 양측 대각선이 평면 내 힘에 의해 함께 스퀴즈되는 상황이다. 평면 외 힘 경합은 플랫폼의 한 대각선이 위로 밀리고 플랫폼의 한 대각선이 직사각형 플랫폼의 평면에 수직인 힘에 의해 아래로 밀린 상황이다.
미래로의 시간 Δt에 대해 비용 함수(1)의 2차 테일러 근사는
Figure pct00004
여기서,
Figure pct00005
시간 Δt에서 비용은 다음과 같이 최소화된다:
Figure pct00006
이는 최적의 변화율이 다음과 같음을 의미한다:
Figure pct00007
반-정적 오프셋과 드리프트를 피하기 위해, 트래킹 루프는 컨트롤러의 일부인 것이 적절하다. 트래킹 루프는 지시된 플랫폼 이동 설정점과 측정된 플랫폼 이동 사이의 정상 상태(steady-state) 오류가 0을 향해 감소되도록 지시된 플랫폼 이동 설정점을 조정하도록 구성된다.
적절하게는, 액추에이터는 서보 드라이브로부터 모터 전류를 수신하도록 구성된 모터가 구비된 전자 기계 액추에이터이다. 이러한 플랫폼 시스템에 있어서, 컨트롤러는 (b) 지시된 플랫폼 이동 설정점이 달성되도록 8개의 롱 스트로크 액추에이터를 이동시키고 (c) 힘을 동적으로 재분배하도록 구성되는 제어 지침 모듈로 구성된다. 플랫폼 이동 설정점을 사용하여 각각의 개별 서보 드라이브에 대한 속도 및 모터 전류 설정점을 제공함으로써 상기 액추에이터 사이에서 액추에이터에 의해 플랫폼 상에 발휘되는 바와 같이 힘을 동적으로 재분배하도록 구성되며, 여기서 상기 모터 전류 설정점은 안내 모듈에서 얻은 힘 경합 설정점과 실제 힘 경합 신호 사이의 차이에 대해 보상된다.
서보 드라이브로부터 모터 전류를 수신하도록 구성된 모터를 가지는 전기 기계 액추에이터를 구비한 플랫폼 시스템의 컨트롤러는 적합하게는 다음의 제어 지침 모듈로 구성된다. 제어 지침 모듈은 (b) 지시된 플랫폼 이동 설정점이 달성되도록 적어도 8개의 롱 스트로크 액추에이터를 이동시키고 (c) 2개의 피드 포워드 경로(x) 및 2개의 피드백 경로(y)에 의해 액추에이터 사이에서 액추에이터에 의해 플랫폼 상에 발휘되는 힘을 동적으로 재분배하도록 구성된 다중 입력 다중 출력 컨트롤러로서 구성된다. 2개의 피드 포워드 경로(x)에서, 각 개별 서보 드라이브의 속도 설정점은 지시된 플랫폼 이동 설정점을 입력으로 사용하여 결정되며, 모터 전류 설정점은 지시된 플랫폼 이동 설정점과 힘 경합 설정점을 입력으로 사용하여 결정된다. 2개의 피드백 경로(y)에서, 실제 플랫폼 이동과 지시된 플랫폼 이동 설정점 사이의 오차는 감소되고, 모터 전류 설정점은 실제 힘-경합과 힘-경합 설정점 사이의 차이가 반대로 작용되도록 적용된다. 제어 지침 모듈은 이동 플랫폼의 운동학적 모델과 그것의 역 운동 방정식을 이용할 것이다.
상기 이동 플랫폼 시스템에서, 각각의 전자 기계 액추에이터에는 측정된 액추에이터 위치 및 속도 센서 데이터를 얻도록 구성된 센서가 적절하게 제공된다. 경로(y), 바람직하게는 위치, 보다 바람직하게는 위치, 속도 및 가속도에 대한 실제 플랫폼 이동은 측정된 액추에이터 위치 및 속도 센서 데이터가 입력으로서 사용되는 이동 플랫폼 시스템의 동작의 역방향 운동학적 모델을 사용하여 재구성된다. (y)의 일부인 상기 트래킹 루프는 플랫폼 이동에 대해 지시된 설정점과 측정된 플랫폼 이동 간의 정상 상태 오류가 0을 향해 감소되도록 플랫폼 위치에 대해 지시된 설정점을 조정하도록 구성된다.
전자 기계 액추에이터용 8개의 액추에이터 사이의 (y)에서의 실제 힘-경합 신호는 서보 드라이브의 실제 모터 전류, 액추에이터의 가속도 및 플랫폼 위치를 입력으로 사용하여 결정된다. 8개의 액추에이터를 갖는 플랫폼과 4개의 코너 및 2개의 대각선을 갖는 플랫폼의 실제 힘 경합은 (ⅰ) 플랫폼의 평면 내의 8개의 액추에이터의 힘-경합으로서, 플랫폼의 양측 대각선이 함께 스퀴즈되는 평면 내 변형을 야기하는 힘-경합과, (ⅱ) 플랫폼의 평면에 수직인 8개의 액추에이터의 힘-경합으로서, 플랫폼의 한 대각선이 위로 밀려나고 플랫폼의 한 대각선이 아래로 밀려나는 평면 외 변형을 야기하는 힘-경합이다.
플랫폼 시스템의 플랫폼 및 베이스는 적어도 8개의 액추에이터를 통해 베이스를 플랫폼에 연결하기에 적합한 임의의 형상을 가질 수 있다. 8개의 액추에이터의 경우, 베이스 및 플랫폼은 직사각형, 적절하게 정사각형일 수 있다. 사다리꼴과 같은 4개의 커너를 가지는 다른 평면도 생각할 수 있다.
롱 스트로크 액추에이터는 전자 기계 액추에이터의 볼 스크류 샤프트에 직접 장착된 모터를 포함하는 인라인 직접 구동 액추에이터 유형의 전자 기계 액추에이터인 것이 적합하다. 이 유형은 벨트 또는 체인을 사용하는 절첩형 액추에이터에 비해 바람직한 데, 이는 플랫폼 시스템이 사용 중에 더 적은 가속 소음 및 가청 소음을 가지기 때문이다. 모터는 적절하게는 토크 모터이다. 액추에이터가 완전 압축 상태에 있을 때 고장을 흡수하기 위해 액추에이터에는 엘라스토머 버퍼를 구비할 수 있다. 액추에이터는 액추에이터가 완전 신장된 상태에 있을 때 고장을 흡수하기 위해 크러시(crush) 튜브를 구비할 수 있다. 각 액추에이터는 서보 드라이브를 통해 컨트롤러에 연결된 출력 수단을 갖는, 모터 위치 및 속도의 측정을 위한 센서를 구비하는 것이 적절하다. 위치 및 속도 센서 신호는 액추에이터 및 플랫폼 위치, 바람직하게는 위치, 속도 및 가속도의 재구성에 사용된다.
적절하게는, 토크 모터의 모터 위상은 쇼트 코일 브레이크 저항에 연결된다. 이러한 쇼트 코일 브레이크 저항은 전력 또는 다른 고장의 경우에 유리하다. 이러한 상황에서, 액추에이터는 작업 공간 내의 임의의 정지 위치에 대해 압축 액추에이터 힘을 갖게 되어, 플랫폼 시스템은 중력 하에서 쇼트 코일 브레이크 상에서 수동적으로 소정의 안전한 위치로 복귀할 것이다. 예를 들어, US5931739에 기술된 바와 같은 홈 시스템으로의 능동적 복귀는 필요하지 않다. 모터 위상은 쇼트 코일 브레이크 회로에 의해 쇼트 코일 브레이크 저항에 연결될 것이다. 고장이 발생하면, 전자 기계 액추에이터는 댐퍼 역할을 하며, 운동 및 전위 에너지는 저항에서 소산되어 액추에이터가 감속되고 제한된 속도로 안정된 위치로 하강된다.
각각의 롱 스트로크 액추에이터는 2개의 회전 자유도가 있는 유니버설 조인트에 의해 플랫폼과 베이스에 적절하게 연결된다. 각 조인트는 가공된 강재 하우징과 2개의 테이퍼형 롤러 베어링 또는 니들 베어링에서 플랫폼 또는 베이스의 일부로서 작동하는 샤프트를 포함할 수 있다. 플랫폼과 베이스는 플랫폼 시스템의 제한된 외부 치수를 유지하면서 굽힘 모멘트가 최대 값을 갖는 가능한 최대 샤프트 직경을 가능케 하는 니들 베어링을 구비하는 것이 바람직하다. 베이스의 일부인 하부 베어링 유닛은 2개의 조인트 사이의 간격을 줄이기 위해 "결합(siamized)"될 수 있다. 플랫폼 시스템 자체가 2중 중복성을 가지고 있다는 사실에 기인하여 이러한 하부 베어링의 고장이 중요하지 않기 때문에 이러한 결합 구조가 허용된다.
또한, 본 발명은 베이스; 상기 베이스에 대해 6-자유도를 따라 이동 가능한 플랫폼; 안내 단계(a) 및 제어 지침 단계(b)를 수행함으로써 베이스를 플랫폼과 결합시키는 적어도 8개의 롱 스트로크 액추에이터를 포함하는 중첩 결정된 이동 플랫폼 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이고,
여기서, 안내 단계(a)에서, 요구된 플랫폼 이동 설정점은 플랫폼에 대한 반대 동작을 계산하고 힘-경합 설정점을 계산함으로써 지시된 플랫폼 이동 설정점에 적용되며, 반대 동작 및 힘-경합 설정점은 비용 최소화 제어 전략을 사용하는 모델 예측 제어 알고리즘을 사용하여 유도되며,
제어 지침 단계(b)에서, (a)에서 얻어진 힘-경합 설정점에 따라 액추에이터 사이에서 액추에이터에 의해 플랫폼 상에 발휘되는 힘을 동적으로 재분배하면서 롱 스트로크 액추에이터가 (a)의 지시된 플랫폼 이동 설정점이 달성되도록 이동된다.
액추에이터의 수는 플랫폼에 설명된 것과 같을 수 있다. 플랫폼에 대해 언급된 바람직한 실시예 및 설명은 이 방법에 대해서도 유효하다. 일부 바람직한 실시예를 이하에 설명한다.
적절하게는, 지시 및 요구되는 플랫폼 이동 설정점은 플랫폼 위치, 속도 및 가속도에 대한 지시 및 요구되는 설정점이다.
제어 지침 단계(b)는 적절하게는 피드 포워드 경로(x) 및 피드백 경로(y)로 구성된다. 피드 포워드 경로(x)는 2개의 피드 포워드 경로를 포함하며, 각 개별 서보 드라이브에 대한 속도 설정점은 지시된 플랫폼 이동 설정점 또는 조정된 지시 플랫폼 이동 설정점을 입력으로 사용하여 결정되고, 모터 전류 설정점은 지시된 플랫폼 이동 설정점 또는 그것의 조정된 설정점과 힘-경합 설정점을 입력으로 사용하여 결정된다. 피드백 경로(y)는 실제 플랫폼 위치, 속도 및 가속도와 지시된 플랫폼 이동 설정점 또는 그것의 조정된 설정점 사이의 오차가 감소된 2개의 피드백 경로를 포함하며, 측정된 액추에이터 위치 및 속도 센서 데이터는 이동 플랫폼 시스템의 역 운동학적 모델을 이용하여 실제 플랫폼 위치, 속도 및 가속도를 재구성하는 데 사용되며, 실제 힘-경합 및 힘-경합 설정점 사이의 차이가 반대로 작용되도록 모터 전류 설정점이 적용된다.
적절하게는, 지시 및 요구되는 플랫폼 이동 설정점은 플랫폼 위치에 대한 지시 및 요구된 설정점이며, 각 액추에이터의 위치가 측정되고, 측정된 플랫폼 위치가 측정된 액추에이터 위치를 역 운동학적 모델에서의 (y)의 입력으로 사용하여 계산되며, 상기 위치에 대해 지시된 설정점은 상기 플랫폼 위치에 대해 지시된 설정점과 상기 측정된 플랫폼 위치 사이에서 상기 정상 상태 에러를 0 측으로 감소시킴으로써 조정된 플랫폼 이동 설정점을 얻도록 조정된다. 바람직하게, 지시 및 요구되는 플랫폼 이동 설정점은 플랫폼 위치, 속도 및 가속도에 대한 지시 및 요구된 설정점이며, 각 액추에이터의 위치, 속도 및 가속도가 측정되고, 측정된 플랫폼 위치가 측정된 액추에이터 위치, 속도 및 가속도를 역 운동학적 모델에서의 입력으로 사용하여 (y)에서 계산되며, 상기 위치에 대해 지시된 설정점은 상기 플랫폼 위치에 대해 지시된 설정점과 상기 측정된 플랫폼 위치 사이에서 상기 정상 상태 에러를 0 측으로 감소시킴으로써 조정된 플랫폼 이동 설정점을 얻도록 조정된다.
적합하게는 롱 스트로크 액추에이터는 서보 드라이브로부터 모터 전류를 수신하는 모터를 구비한 전자 기계 액추에이터이다. 플랫폼 시스템은 모터 및 서보 드라이브 한계를 포함하여 플랫폼 도메인 한계 및 액추에이터 도메인 한계로 구성된 미리 결정된 동작 및 성능 한계를 가진다. 모델 예측 제어 알고리즘은 플랫폼을 그 성능 한계 내에 유지하도록 구성된 비용-최소화 제어 전략을 적절하게 사용할 수 있다. 적합하게는 제어 지침 단계(b)에서, 플랫폼 상의 액추에이터에 의해 제공되는 힘은 조정된 플랫폼 이동 설정점을 사용하여 각각의 개별 서보 드라이브에 대해 속도 및 모터 전류 설정점을 제공함으로써 액추에이터 사이에 동적으로 재분배된다. 모터 전류 설정점은 실제 힘-경합 신호와 안내 모듈에서 얻은 힘-경합 설정점 간의 차이에 대해 보상된다.
적절하게, 제어 지침 단계(b)는 (x) 2개의 피드 포워드 경로와 (y) 2개의 피드백 경로에 따른 피드 포워드 경로(x)와 피드백 경로(y)를 포함하며,
상기 2개의 피드 포워드 경로(x)에서, 각각의 개별 서보 드라이브에 대한 속도 설정점은 지시된 것을 입력으로 사용하여 결정되며, 모터 전류 설정점은 지시된 플랫폼 이동 설정점 또는 그것의 조정된 설정점과 힘-경합 설정점을 사용하여 결정되며,
상기 2개의 피드백 경로(y)에서, 실제 플랫폼 위치, 속도 및 가속도와 지시된 플랫폼 이동 설정점 또는 그것의 조정된 설정점 간의 오차가 감소되고, 모터 전류 설정점은 실제 힘-경합과 실제 힘-경합 설정점 사이의 차이가 반대로 작용되도록 조절된다.
실제 플랫폼 위치, 속도 및 가속도는 이동 플랫폼 시스템의 역 운동학적 모델 및 측정된 액추에이터 위치 및 속도 센서 데이터를 입력으로 사용하여 재구성 될 수 있다. 액추에이터 간의 실제 힘-경합은 8개의 서보 드라이브의 실제 모터 전류, 8개의 액추에이터의 실제 가속도 및 플랫폼 위치를 입력으로 사용하여 결정될 수 있다. 8개의 액추에이터를 가지는 플랫폼과 4개의 모서리와 2개의 대각선을 가지는 플랫폼의 경우, 힘-경합은 (ⅰ) 플랫폼의 평면 내의 8개의 액추에이터의 힘-경합으로서, 플랫폼의 양측 대각선이 함께 스퀴즈되는 평면 내 변형을 야기하는 힘-경합과 (ⅱ) 플랫폼의 한 대각선이 위로 밀리고 플랫폼의 한 대각선이 아래로 밀리는 평면 외 변형을 야기하도록 플랫폼의 평면에 수직인 8개의 액추에이터의 힘-경합으로서 정의된다.
본 발명은 다음의 비제한적인 도면에 의해 예시된다.
도 1은 직사각형 베이스(2); 상기 베이스(2)에 대해 6-자유도를 따라 이동 가능한 직사각형 플랫폼(3); 8개의 롱 스트로크 액추에이터(4)를 포함하는 이동 플랫폼 시스템(1)을 예시한다.
도 2는 플랫폼(3)을 예시한다.
도 3은 플랫폼(3)을 예시한다.
도 4는 도 1에 따른 플랫폼 시스템의 컨트롤러 또는 8각 모델 기반 컨트롤러가 각각 8개의 롱 스트로크 전자 기계 액추에이터에 개별적으로 연결된 8개의 서보 드라이브와 어떻게 통신하는지를 예시한다.
도 5는 도 4의 안내 지침을 더 상세히 예시한다.
도 6은 도 4의 8각 제어 법칩을 더 상세히 예시한다.
도 1은 직사각형 베이스(2); 상기 베이스(2)에 대해 6-자유도를 따라 이동 가능한 직사각형 플랫폼(3); 8개의 롱 스트로크 액추에이터(4)를 포함하는 이동 플랫폼 시스템(1)을 예시한다. 8개의 액추에이터(4)는 베이스(2)를 플랫폼(3)에 직접 결합시킨다. 상기 베이스는 4개의 코너(5)를 가지며, 각 모서리에서 2개의 액추에이터(4)의 하단은 상기 베이스(4)에 쌍으로 연결된다. 플랫폼은 4개의 코너(6)를 가지며, 각 코너에서 2개의 액추에이터(4)의 상단부는 플랫폼(3)에 쌍으로 연결된다. 액추에이터(4)는 2개의 회전 자유도를 갖는 유니버설 조인트(7)를 통해 상기 베이스(4) 및 플랫폼(3)에 연결된다. 유니버설 조인트(7)는 일단부가 액추에이터의 단부에 연결되고 다른 단부가 니들 베어링(9)에 회전 가능하게 연결된 기계 가공된 강재 하우징(8)을 가진다. 니들 베어링(9)은 코너(6)의 양측에서 플랫폼의 코너(6)와 동일한 높이에 위치하며 플랫폼(3)으로부터 멀리 향하게 위치한다. 플랫폼(3)과 동일한 평면에서 플랫폼의 코너(6)의 동일한 높이로 니들 베어링을 직접 연결함으로써 낮은 무게 중심을 갖는 플랫폼 시스템(1)이 얻어진다. 무게 중심이 낮으면 플랫폼 시스템에 제공되는 힘이 감소되고, 전력 소비가 감소되며, 덜 강력한 액추에이터를 사용할 수 있다. 또한, 사용 중에 예컨대, 캐빈 내에서 플랫폼 상부에 위치된 사용자의 시점(eye point)은 소위 이동 플랫폼 중심(MPC)에 비해 상대적으로 낮아질 것이다. 이는 MPC와 사용자의 시점 사이의 수직 거리가 감소되기 때문에 개선된 동작 큐잉, 즉 기생 가속이 감소하게 된다. MPC는 8개의 조인트 중심이 형성하는 8각형의 기하학적 중심이다. 마지막으로 전체 플랫폼 시스템 및 플랫폼 시스템의 상부에 배치된 가능한 캐빈 또는 다른 구조체의 높이가 낮아질 수 있기 때문에 천장이 낮은 건물에 플랫폼 시스템을 배치하는 것이 가능하다.
베이스(2)의 코너(5)에 있는 한 쌍의 유니버설 조인트(7)의 니들 베어링(9)은 상기 니들 베어링 사이의 거리가 최소화되도록 하나의 하우징(10)에 끼워지거나 결합된다.
도 2는 상기 플랫폼(3)을 예시한다. 점이 있는 원과 십자가가 있는 원은 직사각형 플랫폼(3)의 평면에 수직인 플랫폼(3)의 코너(6) 상의 8개의 액추에이터에 의해 제공되는 각각의 하향 및 상향 힘을 나타낸다. 이러한 힘은 플랫폼(3)의 하나의 대각선(22)이 위로 밀리고 플랫폼(3)의 하나의 대각선(21)이 아래로 밀리는 평면 외 변형을 유발하는 힘-경합을 일으킨다.
도 3은 상기 플랫폼(3)을 예시한다. 화살표는 플랫폼(3)의 코너(6) 상의 플랫폼(3)의 평면 내의 8개의 액추에이터에 의해 제공되어 플랫폼(3)의 양측 대각선(20, 21)이 함께 스퀴즈되는 평면 내 변형이 발생하는 힘-경합이 일어난다.
도 4는 도 1에 따른 플랫폼 시스템의 컨트롤러 또는 8각 모델 기반 컨트롤러가 각각 8개의 롱 스트로크 전자 기계 액추에이터에 개별적으로 연결된 8개의 서보 드라이브와 어떻게 통신하는 지를 예시한다. 호스트 컴퓨터는 플랫폼 위치, 속도 및 가속도에 대한 요구되는 플랫폼 이동 설정점을 생성한다. 이 설정점은 선택적인 동작 큐잉 필터에 의해 조정되어 필터링된 설정점(미도시)를 얻을 수 있다. 컨트롤러는 8각 안내 지침 및 8각 제어 지침인 2가지 요소로 구분된다. 8각 안내 지침은 외부 호스트 컴퓨터로부터 플랫폼 위치, 속도 및 가속도에 대한 요구되는 플랫폼 이동 설정점을 수용한다. 요구된 설정점은 플랫폼의 위치, 속도 및 가속도에 대한 지시된 설정점과 전자 기계 액추에이터의 전기 모터에 대한 힘-경합 설정점으로 변환된다. 안내 지침은 플랫폼이 이러한 설정점에 따라 이동될 때 어떤 작동 또는 물리적 한계도 초과하지 않도록 설계된다. 안내 지침은 도 5를 사용하여 추가로 기술될 것이다.
도 4의 8각 제어 지침의 목적은 안내 지침에 의해 지시된 설정점에 따라 이동 플랫폼을 이동시키는 것이다. 도 1의 플랫폼 시스템은 상당 수준으로 교차 결합된 다중 채널(즉, 다수의 자유도)의 중첩 결정 시스템(자유도보다 많은 액추에이터)으로 특징지어질 수 있다. 제어 법칙(CL)은 자유도 사이의 교차 결합을 분리하고 자유도보다 많은 액추에이터를 가지는 것에서 연유된 힘-경합의 문제를 처리하도록 설계된 피드 포워드 및 피드백 경로가 있는 다중 입력 다중 출력 컨트롤러로 설계된다. 제어 지침 및 그것의 서보 드라이브와의 통신은 도 6을 사용하여 추가로 설명된다.
도 5는 그림 4의 안내 지침을 더 상세히 보여준다. 안내 지침에 대한 입력은 플랫폼 위치, 속도 및 가속도(PVA)에 대한 요구되는 플랫폼 이동 설정점이다. 출력은 플랫폼에 대한 지시된 위치 속도와 가속도 설정점 및 힘-경합 설정점인 2개의 출력이 존재한다. 안내 지침은 플랫폼에 대한 지시된 PVA 설정점과 액추에이터 힘-경합의 조합이 요구되는 플랫폼 PVA가 이동 플랫폼 시스템 하드웨어의 물리적 및 작동 한계를 준수하면서 최적으로 추적되도록 설계된다. 안내 지침의 핵심 요소는 모델 예측 제어(MPC) 알고리즘이다. MPC는 비용 최소화 전략을 사용하는 이동 플랫폼 시스템의 상태에 대한 반복적이고 유한한 수평 최적화를 기초로 한다. 이 방법에서, 비용은 원하는 기준과 관련하여 특정 시스템 제어 변수의 편차에 할당된다. 이 방법은 시스템의 동적 모델을 사용하여 특정 시스템 한계를 준수하면서 비용을 최소화하는 최적의 동작을 계산한다. MPC 알고리즘은 제한되지 않거나 제한된 형식으로 구성될 수 있다.
도 5는 지시된 플랫폼 PVA가 작은 시간 인스턴스(DT)를 미래에 투영한다는 것을 보여준다. 이것으로부터 MPC 컨트롤러에 대한 직접 입력인 예측 플랫폼 PVA가 생성된다. MPC 컨트롤러에는 예측 플랫폼 PVA에 의존하는 2개의 추가 입력이 존재한다. 이들은 예측된 플랫폼 PVA로부터의 운동학적 모델 및 이동 플랫폼의 동작의 역 방정식을 사용하여 지시된 PVA로부터 계산된 예측된 모터 전류를 사용하여 계산된 예측된 액추에이터 PVA이다. 이러한 입력을 사용하여 비용 최소화 전략을 사용하여 힘-경합 설정점과 함께 요구된 플랫폼 PVA 및 이에 따른 지시된 플랫폼 PVA의 최적의 적용을 찾는다. 파라미터는 제어 객체, 이동 플랫폼 물리적 한계 및 작동 (사용) 한계이다.
도 6은 도 4의 8각 제어 지침을 더 상세히 보여준다. 제어 지침은 피드 포워드 경로와 피드백 경로가 있는 다중 입력 다중 출력 컨트롤러이다. 피드 포워드 경로에서, 8각 포드(이동 플랫폼 시스템)의 운동학적 모델을 사용하여 지시된 플랫폼 PVA를 8개의 지시된 액추에이터 PVA 설정점 신호로 변환한다. 이들은 서보 드라이브에 입력으로 전달된다. 이동 플랫폼의 동작의 역 방정식은 지시된 플랫폼 PVA를 각 액추에이터의 모터 전류 설정점으로 변환하는 데 사용된다. 시간의 모든 인스턴스에 대해, 모터 전류(Im)는 지시된 플랫폼 가속도(Ac), 중력 렌치(Wg) 및 힘-경합 설정점의 항으로 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00008
여기서,
- Im은 모터 전류를 포함하는 크기 8 벡터이고,
- Ac는 6-자유도의 지시된 플랫폼 가속도를 포함하는 크기 6 벡터이고,
- K1은 플랫폼 가속도를 모터 전류로 변환하는 (8×6) 매트릭스이고,
- Wg는 현재 지시된 플랫폼 위치에 대한 중력 렌치를 포함하는 크기 6 벡터이고,
- K2는 중력 렌치를 모터 전류로 변환하는 8×6 매트릭스이고,
- FF는 평면 내 및 평면 외 힘-경합 설정점을 포함하는 크기 2 벡터이고,
- K3은 힘-경합 설정점을 모터 전류로 변환하는 (8×2) 매트릭스이다.
피드백 경로는 힘 경합 에러의 피드백과 플랫폼 위치 속도 및 가속도 에러의 피드백이다. 힘 경합 에러의 피드백은 모터 전류 설정점이 평면 내 및 평면 외 변형에 대한 힘-경합과 측정된 힘-경합 간의 차이가 반대로 작용되도록 적용된다. 임의의 시간 인스턴스에 대해, 평면 내 및 평면 외 변형을 유발하는 측정된 힘-경합(FF)_센서는 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00009
여기서,
- FF_sensor는 평면 내 및 평면 외 변형을 일으키는 측정된 힘-경합을 포함하는 크기 2 벡터이고,
- K5는 플랫폼 지시된 가속도가 곱해지는 6×2 매트릭스이고,
- Im_sensor는 측정된 모터 전류를 가지는 크기 8 벡터이고,
- K6은 측정된 모터 전류가 곱해지는 8×2 매트릭스이고,
- FF_sensor는 다음 방정식을 사용하여 각 액추에이터의 모터 전류 오류로 변환된다:
Figure pct00010
여기서,
- Im_error는 8개의 모터 전류 오류가 있는 크기 8 벡터이고,
- FF는 힘-경합 설정점을 가지는 크기 2 벡터이고,
- K4는 설정점 힘-경합과 측정된 힘-경합 간의 차이를 모터 전류 오류로 변환하는 8×2 매트릭스이다.
플랫폼 위치 속도 및 가속도 오차의 피드백은 측정된 플랫폼 위치 및 속도 센서 데이터를 사용하여 이동 플랫폼의 역 운동학적 모델을 사용하여 측정된 플랫폼 PVA를 재구성한다. 안티 드리프트 트래킹 루프 컨트롤러는 지시된 플랫폼 PVA와 측정된 플랫폼 PVA 사이의 오류를 사용하여 해당 오류가 도 6에 예시된 바와 같이 감소되도록 지시된 플랫폼 PVA를 천천히 조정한다.

Claims (15)

  1. 중첩 결정 이동 플랫폼 시스템으로서:
    베이스; 상기 베이스에 대해 6-자유도를 따라 이동 가능한 플랫폼; 상기 베이스를 상기 플랫폼과 각각 결합시키는 적어도 8개의 롱 스트로크 액추에이터; 및 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 (a) 요구된 플랫폼 이동 설정점을 지시된 플랫폼 이동 설정점에 적합화하도록 구성되고, (b) 상기 지시된 플랫폼 이동 설정점이 달성되도록 상기 8개의 롱 스트로크 액추에이터를 이동시키도록 구성되고, (c) 상기 액추에이터 사이에서 상기 액추에이터에 의해 상기 플랫폼 상에 제공되는 힘을 동적으로 재분배하도록 구성된 것인 이동 플랫폼 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 롱 스트로크 액추에이터는 유압 액추에이터, 전자 기계 액추에이터 또는 전자기 액추에이터인 것인 이동 플랫폼 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 플랫폼에 대한 반대 이동에 의해 상기 요구된 플랫폼 이동 설정점을 지시된 플랫폼 이동 설정점에 적합화하도록 구성되고, 힘-경합 설정점을 계산하도록 구성된 안내 모듈을 포함하고, 상기 반대 이동 및 상기 힘-경합 설정점은 비용-최소화 제어 전략을 사용하는 모델 예측 제어 알고리즘으로부터 유도되는 것인 이동 플랫폼 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지시 및 요구된 플랫폼 이동 설정점은 플랫폼 위치, 속도 및 가속도에 대한 지시 및 요구되는 설정점인 것인 이동 플랫폼 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 롱 스트로크 액추에이터는 서보 드라이브로부터 모터 전류를 수용하도록 구성된 모터를 구비한 전자 기계 액추에이터이고, 상기 플랫폼 시스템은 플랫폼 도메인 한계 및 액추에이터 도메인 한계를 포함하는 소정의 동작 및 성능 한계를 가지며, 상기 모델 예측 제어 알고리즘은 상기 플랫폼이 자체의 미리 결정된 동작 및 성능 한계 내에서 유지되도록 구성된 비용 최소화 제어 전략을 사용하는 것인 이동 플랫폼 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 컨트롤러는 (b) 상기 지시된 플랫폼 이동 설정점이 달성되도록 상기 8개의 롱 스트로크 액추에이터를 이동시키도록 구성되고, (c) 상기 플랫폼 이동 설정점을 사용하여 각각의 개별 서보 드라이브에 대한 속도 및 모터 전류 설정점을 제공함으로써 상기 액추에이터 사이에서 상기 액추에이터에 의해 상기 플랫폼 상에 발휘되는 힘을 동적으로 재분배하도록 구성된 제어 지침 모듈을 포함하고, 상기 모터 전류 설정점은 상기 안내 모듈에서 얻은 힘-경합 설정점와 실제 힘-경합 신호의 차이에 대해 보상되는 것인 이동 플랫폼 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어 지침 모듈은 2개의 피드 포워드 경로(x) 및 2개의 피드백 경로(y)에 의해 다중 입력 다중 출력 컨트롤러로 구성되며,
    상기 2개의 피드 포워드 경로(x)에서, 각각의 개별 서보 드라이브에 대한 상기 속도 설정점은 상기 지시된 플랫폼 이동 설정점을 입력으로 사용하여 결정되고, 상기 모터 전류 설정점은 상기 지시된 플랫폼 이동 설정점과 상기 힘-경합 설정점을 입력으로 사용하여 결정되며,
    상기 2개의 피드백 경로(y)에서, 실제 플랫폼 이동과 상기 지시된 플랫폼 이동 설정점 사이의 오류가 감소되고, 상기 모터 전류 설정점은 실제 힘-경합과 상기 힘-경합 설정점 사이의 차이가 반대로 작용되도록 적합화된 것인 이동 시뮬레이터.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 액추에이터는 측정된 액추에이터 위치 및 속도 센서 데이터를 얻도록 구성된 센서를 구비하고, 상기 실제 플랫폼 이동은 상기 이동 플랫폼 시스템의 역 운동학적 모델 및 상기 측정된 액추에이터 위치 및 속도 센서 데이터를 입력으로 사용하여 재구성되는 실제 플랫폼 위치, 속도 및 가속도인 것인 이동 시뮬레이터.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플랫폼 시스템은 8개의 액추에이터와 4개의 코너와 2개의 대각선을 갖는 플랫폼을 구비하며, 상기 8개의 액추에이터 사이의 실제 힘-경합 신호는 상기 8개의 서보 드라이브의 실제 모터 전류, 상기 8개의 액추에이터의 실제 가속도 및 플랫폼 위치를 입력으로 사용하여, (ⅰ) 상기 플랫폼의 평면 내의 상기 8개의 액추에이터의 힘-경합으로서, 상기 플랫폼의 양측 대각선이 함께 스퀴즈되는 평면 내 변형을 야기하는 힘-경합과, (ⅱ) 상기 플랫폼의 평면에 수직인 상기 8개의 액추에이터의 힘-경합으로서, 상기 플랫폼의 한 대각선이 위로 밀려나고 상기 플랫폼의 한 대각선이 아래로 밀려나는 평면 외 변형을 야기하는 힘-경합을 계산하도록, 결정되는 것인 이동 플랫폼 시스템.
  10. 베이스; 상기 베이스에 대해 6-자유도를 따라 이동 가능한 플랫폼; 안내 단계(a) 및 제어 지침 단계(b)를 수행함으로써 상기 베이스를 상기 플랫폼과 결합시키는 적어도 8개의 롱 스트로크 액추에이터를 포함하는 중첩 결정된 이동 플랫폼 시스템을 제어하는 방법으로서,
    상기 안내 단계(a)에서, 요구된 플랫폼 이동 설정점은 상기 플랫폼에 대한 반대 동작을 계산하고 힘-경합 설정점을 계산함으로써 지시된 플랫폼 이동 설정점에 적합화되며, 상기 반대 동작 및 힘-경합 설정점은 비용 최소화 제어 전략을 사용하는 모델 예측 제어 알고리즘을 사용하여 유도되고,
    상기 제어 지침 단계(b)에서, 상기 롱 스트로크 액추에이터는 상기 (a)에서 얻어진 상기 힘-경합 설정점에 따라 상기 액추에이터 사이에서 상기 액추에이터에 의해 상기 플랫폼 상에 발휘되는 힘을 동적으로 재분배하면서 상기 (a)의 지시된 플랫폼 이동 설정점이 달성되도록 이동되는 것인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 지시 및 요구되는 플랫폼 이동 설정점은 플랫폼 위치, 속도 및 가속도에 대한 지시 및 요구되는 설정점인 것인 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 롱 스트로크 액추에이터는 서보 드라이브로부터 모터 전류를 수용하는 모터를 구비한 전자 기계 액추에이터이고, 상기 플랫폼 시스템은 모터 및 서보-구동 한계를 포함하는 플랫폼 도메인 한계 및 액추에이터 도메인 한계를 포함하는 미리 정해진 동작 및 성능 한계를 구비하며, 상기 모델 예측 제어 알고리즘은 상기 플랫폼이 그 성능 한계 내에 유지되게 하도록 구성된 비용-최소화 제어 전략을 사용하는 것인 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어 지침 단계(b)는 피드 포워드 경로(x) 및 피드백 경로(y)를 포함하며,
    2개의 피드 포워드 경로(x)에서, 각각의 개별 서보 드라이브에 대한 상기 속도 설정점은 상기 지시된 플랫폼 이동 설정점을 입력으로 사용하여 결정되고, 상기 모터 전류 설정점은 상기 지시된 플랫폼 이동 설정점 또는 그것의 조정된 설정점과 상기 힘-경합 설정점을 입력으로 사용하여 결정되며,
    2개의 피드백 경로(y)에서, 실제 플랫폼 위치, 속도 및 가속도와 상기 지시된 플랫폼 이동 설정점 또는 그것의 조정된 설정점 사이의 오류가 감소되고, 상기 모터 전류 설정점은 실제 힘-경합과 상기 힘-경합 설정점 사이의 차이가 반대로 작용되도록 적합화된 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 실제 플랫폼 위치, 속도 및 가속도는 상기 이동 플랫폼 시스템의 역 운동학적 모델 및 상기 측정된 액추에이터 위치 및 속도 센서 데이터를 입력으로 사용하여 재구성되는 것인 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 8개의 액추에이터를 갖고 4개의 코너 및 2개의 대각선을 갖는 이동 플랫폼 시스템의 상기 8개 액추에이터 사이의 실제 힘-경합은 상기 8개의 서보 드라이브의 실제 모터 전류, 상기 8개의 액추에이터의 실제 가속도 및 플랫폼 위치를 입력으로 사용하여, (ⅰ) 상기 플랫폼의 평면 내의 상기 8개의 액추에이터의 힘-경합으로서, 상기 플랫폼의 양측 대각선이 함께 스퀴즈되는 평면 내 변형을 야기하는 힘-경합과, (ⅱ) 상기 플랫폼의 평면에 수직인 상기 8개의 액추에이터의 힘-경합으로서, 상기 플랫폼의 한 대각선이 위로 밀려나고 상기 플랫폼의 한 대각선이 아래로 밀려나는 평면 외 변형을 야기하는 힘-경합을 계산하도록, 결정되는 것인 방법.
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