KR20190033194A

KR20190033194A - 낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템

Info

Publication number: KR20190033194A
Application number: KR1020170121669A
Authority: KR
Inventors: 전동익; 김시후; 구연경; 조일형
Original assignee: 주식회사 소바스테크
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-03-29

Abstract

본 발명은 낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템에 관한 것으로, 훈련자가 회전자세 상태에서 화면만 회전하는 것이 아니라 훈련자가 시스템에 의해 각도 제한없이 360도 직접 회전하면서 슬립 링의 적용에 따른 최소 전선만 사용하여 복합 구동까지도 가능하도록 한 것이다.
본 발명은 구조물(10)의 상부에 원형의 하판고정부(18)와 상판회전부(19)를 풀리(9)를 매개하여 설치하고, 일측에 요구동부(8)를 설치한 것으로, 상기 요구동부(8)가, 상기 풀리(9)와 연결되는 동력전달 회전축(15)과, 상기 동력전달 회전축(15)의 상단에 설치되는 감속기어(14)와 서보모터(16) 및 서보모터 드라이버(13)를 포함하여 구성되고, 상판회전부(19)에 슬립 링(7)과 상체 우제어모터(1), 상체 좌제어모터(2), 하체 제어모터(3)가 설치되고, 조종줄(4)이 연결되도록 조종줄 우제어모터(21)와 조종줄 좌제어모터(20)가 설치되어 이루어진 것이다..

Description

낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템{A rotation operating system of the parachute simulator}

본 발명은 낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템에 관한 것으로, 특히 훈련자가 회전자세 상태에서 화면만 회전하는 것이 아니라 시스템에 의해 각도 제한없이 훈련자가 360도 직접 회전하면서 슬립 링(Slipring) 적용으로 최소 전선만 사용하여 복합 구동까지도 가능하도록 한 것이다.

일반적으로 낙하산 낙하 훈련은 실제로 훈련용 항공기를 타고 공중에서 낙하하면서 훈련을 수행할 수 있지만, 이 경우 제대로 낙하산 낙하 훈련을 받지 못하였다면 훈련병이 부상을 입거나 여러 가지 위험한 상황들을 만나기가 쉽다.

그러나 실제로 훈련용 항공기를 타고 훈련을 하려면 여러 가지 기상 변화나 낙하할 장소 탐색 또는 항공기 비행 상황 등의 조건들이 모두 부합되어야만 실제 훈련을 할 수 있으며 이에 따른 비용도 많이 소요되었다.

최근에는 이와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 실내에서 시뮬레이터 시스템을 통하여 실제로 낙하 훈련을 하는 것과 똑같은 훈련을 할 수 있는 시스템들이 많이 개발되고 있다.

종래의 낙하산 시뮬레이터 회전 구동중에는 훈련자가 공중에 뜬 상태에서 손을 벌리고 수평을 유지하는 상태(이를 요(Yaw)라 함), 몸이 뜨고 손을 벌린 상태에서 머리나 몸을 상하 각도로 움직이는 상태(이를 피치(Pitch)라 함), 몸이 뜨고 손을 벌린 상태에서 몸을 좌우로 제끼거나 뒤척이며 움직이는 상태(이를 롤(Roll)이라 함)로 나뉘어진다.

자유 낙하와 낙하산 전개 낙하시 훈련자의 회전 운동은 훈련자가 공중에 뜬 상태에서 진행 방향의 회전축 (이를 요(Yaw)축이라 함), 몸을 상하 각도로 움직이는 회전축 (이를 피치(Pitch)축이라 함), 몸을 좌우로 제끼거나 비트는 회전축(이를 롤(Roll)축이라 함)로 나뉘어진다.

종래에는 상기 요(Yaw)동작시 훈련자의 회전자세에서 훈련자는 회전하지 않고 그 자리에 있는 상태에서 화면만 회전하였으며, 혹 회전구동이 가능하더라도 각도에 제한이 있었다.

종래에는 상기 요(Yaw)동작시 훈련자의 회전자세에서 훈련자는 회전하지 않고 그 자리에 있는 상태에서 화면만 회전하였으며, 혹 회전구동이 가능하더라도 다수의 전력선과 신호선 등의 전선 꼬임 등으로 각도에 제한이 있었다.

또한, 피치(Pitch)동작시 훈련자의 동작을 보면, 시작시 수직상태에서 자유 낙하시 수평상태가 되며, 낙하산 전개 기능 고장시 수평상태가 되고, 낙하산 전개 후 수직 상태가 되었다.

그리고 사용자의 몸이 좌우로 흔들리는 롤(Roll) 동작시 낙하산 전개 후 좌우 롤 동작에 제한이 있었다.

또한, 종래에는 요(Yaw) 구동과 롤(Roll) 구동을 각각 수행할 수는 있었으나, 복합적으로 수행하는 복합 구동 동작은 할 수 없는 결점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 제반 결점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 훈련자가 회전자세 상태에서 화면만 회전하는 것이 아니라 훈련자 자신이 시스템에 의해 각도 제한없이 360도 직접 회전하면서 슬립 링의 적용으로 최소 전선만 사용함은 물론, 복합 구동까지도 가능하도록 한 낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 훈련자가 회전자세 상태에서 화면만 회전하는 것이 아니라 훈련자가 시스템에 의해 각도 제한없이 360도 직접 회전함과 함께 제어 시스템과 모터 등을 상부에 배치하여 최소 전선만 사용하면서 복합 구동까지도 가능하도록 한 낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 첫째, 요(Yaw) 동작에 있어서, 기존에는 회전자세 상태시 화면만 회전하였으나, 본 발명에서는 슬립 링 적용으로 실제 훈련자가 각도 제한이 없이 360도 회전가능하도록 하고, 상부 회전부에 제어 기기들을 배치하여 고정부와 연결된 기존의 많은 전선을 슬립 링 적용으로 최소 전선만 사용하도록 하면서 비안전 장치들은 HMD, 센서 등을 통해 무선통신으로 하고 안전장치 제어는 서보 모터를 사용한 유선으로 구성함을 특징으로 한다.

둘째, 피치(Pitch) 동작에 있어서, 시작시 수직이고, 자유낙하시 수평이며, 낙하산 전개 후 수직인 것은 기존과 동일하나, 기존에 낙하산 전개 기능 고장시 수평이었던 것을 낙하산 전개 고장시에도 수평과 수직사이의 각도 구현으로 적정 피치 구동이 가능하도록 구성함을 특징으로 한다.

여기서, 상기 HMD는 머리에 착용하고 눈 바로 앞에 화면을 배치하여 착용자의 시야가 근접하게 보이게 하여 몰입도나 현장감을 주는 특수 모니터 HMD 내부에 회전을 측정하는 센서가 있어 착용한 머리가 회전하거나 움직일 때 각도를 읽어 머리의 방향에 맞도록 회전된 화면을 보여줌으로써 착용자는 모든 방향으로 화면을 볼 수 있기에 가상의 3차원 공간안에 있는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.

셋째, 롤(Roll)동작에 있어서, 기존에는 낙하산 전개 후에 좌우 롤 동작이 가능하나 본 발명에서는 자유낙하시 좌우 롤 동작이 가능함은 물론, 낙하산 전개 후 낙하시에도 롤 동작이 가능하도록 구성함을 특징으로 한다.

넷째, 복합 구동에 있어서, 기존에는 각각의 구동만 있고 복합 구동 기능이 없었으나, 본 발명에서는 낙하산 전개 후 회전 나선 하강시 요(Yaw)와 롤(Roll)의 복합 기능이 가능하도록 구성함을 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명은 첫째, 요(Yaw) 동작에 있어서 실제 훈련자가 각도 제한이 없이 구조물에 매달려 회전가능하도록 하고, 상부 회전부로 제어 기기들을 배치하여 고정부와 연결된 기존의 많은 전선을 슬립 링 적용으로 최소 전선만 사용하도록 하면서 비안전 장치들은 HMD, 센서 등을 통해 무선통신으로 하고 안전장치 제어는 서보 모터를 사용한 유선으로 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 피치(Pitch)동작에 있어서, 시작시 수직이고, 자유낙하시 수평이며, 낙하산 전개후 수직인 것은 동일하나, 낙하산 전개 고장시에도 수평과 수직사이의 각도 구현으로 적정 피치 구동이 가능하도록 한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 롤(Roll)동작에 있어서 자유낙하시 좌우 롤동작이 가능하고, 낙하산 전개 후 낙하시에도 롤 동작이 가능하도록 한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 복합 구동에 있어서 낙하산 전개 후 회전 나선 하강시 요(Yaw)와 롤(Roll)의 복합 기능이 가능하도록 한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 낙하산 조종 자세를 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 자유낙하 자세로, 낙하산 요(Yaw)와 피치(Pitch) 및 롤(Roll)을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명의 상부 회전부 모터와 동력 전달 개념도를 나타낸 A부분 확대도.
도 4는 본 발명의 평면도
도 5는 본 발명에 적용되는 슬립 링을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 훈련자의 복합 자세(롤+요) 거동의 예를 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 훈련자가 조종줄의 당김 정도에 따른 인장력을 느낄 수 있는 구조를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 낙하산 조종 자세를 나타낸 도면, 도 2는 본 발명에 따른 자유낙하 자세로, 낙하산 요(Yaw)와 피치(Pitch) 및 롤(Roll)을 설명하기 위한 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 원형의 구조물(10) 상방에 상판회전부(19)와 하판고정부(18)가 풀리(9)를 매개하여 상판회전부(19)만 회전가능하도록 구성되고, 구조물(10) 하방의 관(17)에는 일정간격으로 다수의 노즐(11)이 설치되며, 일측으로 공기압축기(12)가 설치되어 있어 노즐(11)쪽으로 공기를 제공하도록 구성된다.

또한, 상판회전부(19)에 슬립 링(7)이 설치되고, 상체 우제어모터(1), 상체 좌제어모터(2)가 설치되며, 하체제어모터(3)가 설치됨과 함께 일측에는 요구동부(8)가 설치된다.

그리고 훈련자에게 설치되는 조종줄(4)과 하체 라이저(5) 및 상체 라이저(6)가 설치된다.

도면중 미설명 부호 10A는 슬립 링(7) 등을 지지하기 위한 브라켓이다.

도 3은 본 발명의 상부 회전부 모터와 동력 전달 개념도를 나타낸 것으로, 하판고정부(18)에 풀리(9)를 매개하여 회전가능하도록 상판회전부(19)가 설치되고, 상기 상판회전부(19)에 회전가능하도록 설치된 풀리(9)에는 동력전달 회전축(15)을 매개하여 상방에 감속기어(14) 및 서보 모터(16) 그리고 서보 모터 드라이버(13)가 설치된다.

도 4는 본 발명의 평면도를 나타낸 것으로, 20은 조종줄 좌제어모터, 21은 조종줄 우제어모터이다.

도 5는 본 발명에 적용되는 슬립 링(Slipring)을 나타낸 것으로, 슬립링은 로터리 조인트, 로터리 커넥터 등으로도 불리는 전기/기계적 부품이며, 회전하는 장비에 전원 또는 신호라인을 공급할 때 전선의 꼬임없이 전달 가능한 일종의 회전형 커넥터이며, 전력 또는 신호를 송신하는 동안 회전을 요구하는 전자 시스템에서 사용될 수 있다.

도면에서 22는 로터단자대, 23은 구리 링, 24는 브러쉬, 25는 회전축, 26은 고정부 단자대, 27은 브러쉬 지지대로, 상기 회전축(25)은 회전가능하게 구성된 것이다.

도 6은 본 발명의 복합 자세 거동의 예를 나타낸 것으로, 낙하산 전개 후 좌회전 시 요(Yaw) 운동이 일어나면 원심력에 의해 롤(Roll) 운동이 발생하게 되는데 제안하는 시뮬레이터는 이러한 복합 자세 거동 구현이 가능하다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명한다.

본 발명에 적용되는 도 5와 같은 슬립 링(7)은 상판회전부(19)에 지속적인 전원이나 신호 등을 공급할 수 있는 전기 부품의 일종으로, 회전동판과 브러쉬로 구성되어 있고, 회전체에 단자대가 있어 연속적으로 전기 전자적인 연결을 유지하도록 한다.

또한, 기존에는 모션 인식 기능이 없었으나 본 발명에서는 훈련자의 손목, 발목에 관성센서를 부착하여 손목, 발목의 동작을 인식하도록 한다.

특히, 항공기 이탈시 발목 관성센서로 걷기 인식이 수행하고, 자유낙하시 회전은 양손 비틀기로 수행하며, 고속하강은 팔 옆으로 접기로 수행하고, 좌우 수평이동은 한족 팔만 펴서 수행하며, 하강 속도 조절은 손과 팔 굽힘 정도로 인식할 수 있다.

여기서, 상기 동작 인식의 원리는 AHRS(Attitude Heading Reference System)라는 가속도계, 자이로, 지자계 복합 측정 센서의 일종이며, 손목, 발목에 AHRS 모션 센서를 부착하면 낙하 자세에 따라 각각의 손목과 발목 자세값을 측정하여 훈련자의 자세를 파악할 수 있으며, 각 동작에 대한 운동방정식에 따른 동역학 계산 결과가 가상현실 프로그램에 반영되어 화면과 이동속도, 위치 등을 표현한다.

이하, 본 발명 낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템의 특징을 무게 측정, 조종줄, 낙하풍 순서로 상세히 설명한다.

첫째, 무게 측정에 있어서, 기존에는 로드셀 4개로 수행하였으나, 본 발명에서는 서보모터 토크 계산으로 일정 위치 도달 후 현상 유지하기 위한 전류(토크)값으로 추정하므로 로드셀이 필요없다.

상기 무게측정에 있어서, 낙하 동작, 낙하산 전개 후 동작 등 훈련자가 탑승하여 가상으로 임무를 수행할 시 지면으로부터 부양되며, 이때 훈련자의 무게 등은 일정 높이를 유지하기 위한 토크 발생 전류를 측정함으로써 전체 무게, 상반신, 하반신 무게 등을 추정할 수 있다.

또한, 훈련자의 자세 변화시 각 서보 모터별 전류를 측정하여 하중 이동을 감지하고 적정 자세로 변할 수 있도록 제어할 수 있다.

둘째, 조종줄에 있어서, 기존에는 서보모터, 기어박스, 스파이럴 풀리, 테엽스프링, 엔코더 등이 요구되었으며, 서보모터가 일정 토크를 유지한 상태에서 스파이럴 풀리에 연결된 조종줄을 훈련자가 당기면 스파이럴 풀리 특성상 풀림의 초반 반경이 짧고 후반 반경이 크기 때문에 일정 토크가 작동하는 상태에서 조종줄의 인장력은 초기에 최대값에서 후기에 최소값으로 작용되는 것으로, 조종줄의 회전량은 인크리멘탈 엔코더를 통해 받아 계산한다.

본 발명에서는 서보모터, 기어박스, 평풀리, 토크 제어 알고리즘으로 수행 가능하고, 조종줄 조작시 변위 및 힘을 제어할 수 있다.

특히, 서보모터(16)에 평풀리(9)와 조종줄(4)을 연결하여 기존의 복잡함을 단순화하고, 조종줄(4)의 인장력은 서보모터(16) 자체 엔코더와 조종줄 서보 모터 드라이버(13)의 전류센서를 이용한 토크 제어로 기존의 조종줄 변위에 따른 토크의 증감을 직접 제어하여 훈련자가 조종줄(4)의 당김 정도에 따라 인장력을 느낄 수 있도록 한다.

여기서, 상기 조종줄(4)의 변위는 서보모터(16) 제어용 엔코더로 인식이 가능하고, 조종줄(4)의 인장력은 서보모터 전류(토크 상수 대응)로 조절이 가능하다.

또한, 조종줄(4)은 낙하산 또는 페러글라이더 등을 조종할 때 이용되는 줄로써 적정위치에 있는 조종줄(4)을 당기면 낙하산의 공기역학적인 값을 적용하여 적정 인장력을 작용하도록 해야 하는데 이때 서보모터(16)의 기능을 이용하여 조종줄(4)의 변화량을 감지함과 동시에 변화량에 따른 인장력이 적용될 수 있도록 위치 및 토크 제어를 서보모터(16)를 통해 수행한다.

특히, 인장력은 공기역학 및 낙하산과 훈련자의 고도, 위치, 속도 등이 반영된 물리엔진(동역학 모델링)에서 산출된 값이 바로 적용(토크 제어)되도록 제어함으로써 실제와 유사한 환경을 조성한다.

상기에서의 서보모터(16)는 통상적으로 모터부와 감속기어부 및 엔코더부로 구성된다.

서보 모터 드라이버(13)는 모터 제어를 위해 전원을 공급받아 삼상 전원을 모터에 공급하고, 엔코더를 통해 회전각과 회전속도를 측정하여 다시 모터에 적정 전력을 공급하여 제어한다.

서보 모터 드라이버에(13)는 엔코더 수신부, 전류센서 등이 기본적으로 탑재되어 있으며, 제어부(PC, 마이크로 콘트롤러, 임베디드 제어기)와 통신을 통해 명령 정보에 따라 모터를 작동시킨다.

셋째, 낙하풍에 있어서, 기존에는 선풍기 또는 배풍기를 사용하였으나, 본 발명에서는 이러한 선풍기나 배풍기를 사용하지 않고, 도 2와 같이 구조물(10)의 하부관(17)에 고압의 공기 노즐(11)을 일정간격으로 다수 배치하고 외부일측에서 공기 압축기(12)를 통하여 공기를 노즐(11)쪽으로 주입하도록 구성된 것이다.

이와 같이 구성함으로써 회전시 풍압의 끊김 현상을 최소화하고, 확장성이 쉬운 장점이 있으며, 공기압축기(12)를 외부에 설치함으로써 이질적인 소음 최소화의 효과를 얻을 수 있다.

특히, 구조물(10)의 하부관(17)을 이용하여 외부의 공기압축기(12)로부터 압축공기를 공급하고 낙하산 훈련자 방향으로 일정간격으로 배치된 다수의 공기압축노즐(11)을 통해 바람을 분포시켜 훈련시 각 상태에 따라 정밀하게 상응하는 공기를 분출하며, 각각의 노즐(11)에는 필요시 솔레노이드 밸브를 장착하여 공기량을 정밀하게 조절할 수 있다.

한편, 도 7은 서보모터(16)에 평풀리(9)와 조종줄(4)을 연결하여 기존의 복잡함을 단순화한 것으로, 조종줄(4)의 인장력은 서보모터(16) 자체 엔코더와 조종줄 서보모터 드라이버(13)의 전류 센서를 이용한 토크제어로 기존의 조종줄(4) 변위에 따른 토크의 증감을 직접 제어하여 훈련자가 조종줄(4)의 당김 정도에 따라 인장력을 느낄수 있도록 한 것으로, 4a는 조종줄 축 지지대, 16a는 서보 모터용 감속기어이다.

1:상체 우제어모터 2:상체 좌제어모터
3:하체 제어모터 4:조종줄
5:하체라이저 6:상체라이저
7:슬립 링 8:요구동부
9:풀리 10:구조줄
11:노즐 12:공기압축기
13:서보 모터 드라이버 14:감속기어
15:동력전달 회전축 16:서보모터
17:하부관 18:하판고정부
19:상판회전부 20:조종줄 좌제어모터
21:조종줄 우제어모터 22:로터단자대
23:구리 링 24:브러쉬
25:브러쉬 고정부 26:고정부 단자대
27:브러쉬 지지대

Claims

통상의 낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템에 있어서,
구조물(10)의 상부에 원형의 하판고정부(18)와 상판회전부(19)를 풀리(9)를 매개하여 설치하여 상판 회전부(19)만 회전가능하도록 구성하고, 구조물(10)의 일측에 요구동부(8)를 설치한 것으로, 상기 요구동부(8)가, 상기 풀리(9)와 연결되는 동력전달 회전축(15)과, 상기 동력전달 회전축(15)의 상단에 설치되는 감속기어(14)와 서보모터(16) 및 서보모터 드라이버(13)를 포함하여 구성되고, 상판회전부(19)에 슬립 링(7)과 상체 우제어모터(1), 상체 좌제어모터(2), 하체 제어모터(3)가 설치되고, 조종줄(4)을 제어하도록 조종줄 우제어모터(21)와 조종줄 좌제어모터(20)가 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 구조물(10)의 하부관(17)에는 다수의 노즐(11)이 일정간격으로 설치되고, 소음 최소화를 위해 외측에 설치된 공기압축기(12)를 통해 상기 노즐(11)로 공기를 공급하여 훈련시 각 상태에 따라 정밀하게 상응하는 공기를 분출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 구조물(10)의 브라켓(10A) 중심부에 슬립 링(7)을 회전가능하게 설치하여 전선 설치를 최소화하면서 조종줄(4)의 조종이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 서보모터(16)에 풀리(9)와 조종줄(4)을 연결하여 단순화하고, 상기 서보모터(16)의 엔코더와 조종줄 서보 모터 드라이버(13)의 전류센서를 이용한 토크 제어로 조종줄 변위에 따른 토크의 증감을 직접 제어하여 훈련자가 조종줄(4)의 당김 정도에 따른 인장력을 느낄 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 낙하산 시뮬레이터 회전 구동 시스템.