KR20200068481A - 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부하와 하중을 지지하며 정지상태를 유지하는 하부체; 상기 하부체와 이격되어 위치되며, 모션이 출력되는 상부체; 상기 상부체와 상기 하부체 사이에 구비되어, 상기 상부체에 모션을 출력하는 복수의 구동유닛; 상기 상부체와 상기 하부체 사이에 구비되어, 상기 상부체의 하강동작시와 상승동작시 하중을 보상하는 하중보상유닛; 및 시뮬레이터 피드백 정보를 기반으로 상기 구동유닛 각각에 대한 최종출력을 제어하는 모션 제어기와 하중보상 제어기;를 포함하는에 관한 것이다.

Description

하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼 및 그 제어방법{Control Method of realistic simulation platform with load compensation mechanism}

본 발명은 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼 및 그 제어방법에 관한 것이다.

모션 플랫폼은 가상현실 콘텐츠와 연계하여 각종 상황에 따른 특정 대상물의 움직임을 모방한 적절한 동작을 수행함으로서 체험자로 하여금 가상의 공간에서도 실감을 느낄 수 있게 하는 플랫폼이다. 이 플랫폼은 영화, 오락, 조종훈련 및 특수장비 전문가 양성 등 다양한 목적으로 활용되고 있다.

실제와 유사하게 구현된 가상의 공간과 체험자가 체험하고자 하는 상황을 연출해주는 시뮬레이터가 있다고 하면, 모션 플랫폼은 이 시뮬레이터에서 체험 상황에 대한 정보를 받아 현실에서 실시간으로 해당되는 모션을 출력함으로서 체험자로 하여금 실제와 유사한 느낌을 받아 실감적인 체험을 하도록 돕는 역할을 한다. 이때 모션 플랫폼의 설계된 메커니즘과 적용된 구동부의 성능에 따라 모션 출력 성능이 달라진다.

모션 플랫폼은 일반적으로 모든 부하와 하중을 지지하고 정지 상태를 유지하는 하부체와 모션 출력이 일어나는 상부체 사이에 구동부를 병렬로 배치하는 메커니즘을 적용한다. 적용하는 구동부와 관절 방식에 따라 상부체에서 출력할 수 있는 자유도(degrees of freedom, DOF)와 모션 출력 사양이 결정된다. 여기에 하중의 무게의 일부를 구동부의 출력과는 별도로 보상해줄 수 있는 메커니즘을 적용함으로서 기존보다 낮은 출력의 구동부를 적용하여도 목표하는 출력사양을 만족할 수 있게 된다. 또한 하강 동작 이후 하중 보상에 의해 축적된 스프링은 상승 동작 전환 시 신속한 모션 변화를 하는데 큰 도움을 줄 수 있기 때문에 기존보다 더 동적인 모션을 표현할 수 있다.

모션 플랫폼의 메커니즘은 하드웨어적인 기구 구조를 말하는데 기구적인 하중보상 구조를 추가로 적용하는 방법 등으로 본래의 출력 성능을 더 높일 수 있다. 하지만 단순히 이를 적용한 것만으로 모션 플랫폼을 구동할 경우 직접적인 성능은 높일 수 있지만, 좀 더 정교한 모션을 출력할 수 없다. 오히려 하중 보상의 힘이 시뮬레이터의 의도와는 다른 방향으로 작용할 경우 어색한 모션이 출력될 수 있는 문제를 가지게 된다. 이를 해결하기 위해 구동부에 기본 장착하여 제어기에 활용하는 엔코더 센서와는 별도로 전류나 토크센서를 구동부에 추가하는 방법이 있는데 이는 제작비용 상승의 원인이 된다.

일반적인 모션 플랫폼의 제어 방법은 플랫폼에 대한 기구학, 역기구학을 설계하고 모션과 각 구동부 출력과의 관계식을 설계한 후 회전 엔코더를 적용하거나, 선형 선형변위센서 등의 위치센서를 적용하여 폐루프 제어하는 방법이 있다. 다만, 하중 보상 메커니즘이 적용된 모션 플랫폼에 대한 제어기는 전용으로 개발된 사례는 드물다.

하중 보상 메커니즘이 적용된 모션 플랫폼에 대하여 일반적인 제어기를 적용할 경우 모션 성능이 직접적으로 높아진 상태로 출력할 수 있지만, 좀 더 정교한 모션을 출력하기 어려워진다. 오히려 하중 보상의 힘이 시뮬레이터의 의도와는 다른 방향으로 작용할 경우 제어기에서 이를 반영하지 못하면 어색한 모션을 출력하는 문제를 가지게 된다. 추가적으로 체험자의 무게를 하중 보상 제어에 반영하지 않으면 체험자의 무게에 영향을 받아 체험자마다 각기 다른 모션을 출력 정도가 다르게 된다는 문제를 가지게 된다.

대한민국 등록특허 제1672899호 대한민국 등록특허 제1630783호 대한민국 등록특허 제1544383호 대한민국 등록특허 제1531656호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 별도의 센서 추가 없이 하중 보상 스프링 메커니즘이 적용된 모션 플랫폼에 대하여 체험자의 하중 측정 및 모션에 대한 제어 방법을 제공하고, 이 제어방법을 하중 보상 메커니즘이 적용된 모션 플랫폼에 적용하면 시뮬레이터의 상황과 보다 유사하고 정교한 모션 출력이 가능한, 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 하중 보상 메커니즘이 적용된 모션 플랫폼에 대하여 체험자의 무게와 하중 보상 메커니즘을 같이 보상한 제어 방법을 제안하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 스프링 기반의 하중 보상 모션 플랫폼에 별도의 센서나 장치의 추가가 필요 없이 적용 가능하고, 체험자의 무게에 따른 모션 차이가 최소화 될 수 있으며, 동일한 모션 플랫폼 대비 기계적으로 높아진 출력 사양을 가진 상태로 더 정교하고 실감적인 제어가 가능한, 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 모션 플랫폼에 있어서, 부하와 하중을 지지하며 정지상태를 유지하는 하부체; 상기 하부체와 이격되어 위치되며, 모션이 출력되는 상부체; 상기 상부체와 상기 하부체 사이에 구비되어, 상기 상부체에 모션을 출력하는 복수의 구동유닛; 상기 상부체와 상기 하부체 사이에 구비되어, 상기 상부체의 하강동작시와 상승동작시 하중을 보상하는 하중보상유닛; 및 시뮬레이터 피드백 정보를 기반으로 상기 구동유닛 각각에 대한 최종출력을 제어하는 모션 제어기와 하중보상 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 하중보상 제어기는, 상부체와 체험자의 무게에 상기 하중보상유닛에 의한 하중보상힘을 뺀 작용힘을 기반으로 최종출력을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 하중보상유닛은, 상기 상부체와 상기 하부체의 중앙부에 위치된 스프링이고, 상기 구동유닛은, 일측 끝단이 상기 하부체 상면 일측에 구비된 제1관절부와 연결되는 제1링크부재와, 일측 끝단이 상기 제1링크부재 타측끝단과 제2관절부에 의해 연결되는 제2링크부재와, 상기 제1링크부재를 상기 제1관절부를 기준으로 회전구동시키는 구동부를 포함하고, 상기 제2링크부재의 타측끝단은 상기 상부체 하면 일측에 제3관절부에 의해 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 복수의 상기 구동유닛은 상기 상부체와 상기 하부체 사이 외주부에 원주방향으로 서로 균일간격 이격되어 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 하중보상 제어기는 자세에 따른 각 관절 별 무게 배분비를 구하고, 상기 작용힘과 상기 무게 배분비와 상기 시뮬레이터 피드백 정보에 포함된 모션에 대한 가속도 입력정보를 기반으로 각각의 제3관절부에 작용하는 힘을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 하중보상 제어기는, 각각의 상기 제3관절부에 작용하는 힘과, 상기 제1링크부재와 상기 제2링크부재의 각도를 기반으로 각각의 구동부에 출력해야할 출력토크를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제1목적에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 제어방법에 있어서, 체험자의 무게를 측정하는 단계; 모션 플랫폼 자세정보를 기반으로 자세에 따른 관절별 무게 배분비를 산출하는 단계; 상부체와 체험자의 무게에 상기 하중보상유닛에 의한 하중보상힘을 뺀 작용힘을 산출하는 단계; 및 상기 작용힘과 상기 관절별 무게 배분비를 기반으로 각 관절에 작용하는 힘을 산출하여 각 구동유닛에 대한 최종출력을 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 제어방법으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 무게를 측정하는 단계는, 상부체 무게에 의한 부하만 존재하는 상태에서 스프링 평형지점에 도달한 높이를 계산하는 제1단계; 체험자가 상기 상부체에 탑승하는 제2단계; 상기 상부체와 상기 체험자의 무게에 의한 부하만 존재하는 상태에서 스프링 평형지점에 도달한 높이를 계산하는 제3단계; 상기 제1단계에서의 높이와 상기 제3단계에서의 높이 차와 스프링 상수를 기반으로 체험자의 무게를 산출하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 높이의 계산은 구동부에 구비된 엔코더에서 측정한 각도와 위치정보를 기반으로 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 최종출력을 도출하는 단계는, 상기 작용힘과 상기 무게 배분비와 상기 시뮬레이터 피드백 정보에 포함된 모션에 대한 가속도 입력정보를 기반으로 각각의 제3관절부에 작용하는 힘을 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 각각의 상기 제3관절부에 작용하는 힘과, 제1링크부재와 제2링크부재의 각도를 기반으로 각각의 구동부에 출력해야할 출력토크를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼 및 그 제어방법에 따르면, 별도의 센서 추가 없이 하중 보상 스프링 메커니즘이 적용된 모션 플랫폼에 대하여 체험자의 하중 측정 및 모션에 대한 제어 방법을 제공하고, 이 제어방법을 하중 보상 메커니즘이 적용된 모션 플랫폼에 적용하면 시뮬레이터의 상황과 보다 유사하고 정교한 모션 출력이 가능한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼 및 그 제어방법에 따르면, 하중 보상 메커니즘이 적용된 모션 플랫폼에 대하여 체험자의 무게와 하중 보상 메커니즘을 같이 보상한 제어방법을 제공할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼 및 그 제어방법에 따르면, 스프링 기반의 하중 보상 모션 플랫폼에 별도의 센서나 장치의 추가가 필요 없이 적용 가능하고, 체험자의 무게에 따른 모션 차이가 최소화 될 수 있으며, 동일한 모션 플랫폼 대비 기계적으로 높아진 출력 사양을 가진 상태로 더 정교하고 실감적인 제어가 가능한 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 정면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 부분 정면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상부체가 제외된 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 평면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하중보상 모션 플랫폼의 제어방법 블록 다이어그램,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따라 상부체 무게에 의한 부하만 존재하는 경우 하중보상 모션 플랫폼의 측면을 나타낸 모식도,
도 5b는 도 5a에서 최저높이까지 상부체를 내린 상태의 모식도,
도 5c는 상부체와 체험자의 무게에 의한 부하만 존재하는 경우 하중보상 모션 플랫폼의 측면을 나타낸 모식도,
도 6a는 본 발명의 실시예에 따라 무게중심이 중심에서 어긋난 상태에서의 하중보상 모션 플랫폼의 평면을 나타낸 모식도,
도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 무게중심이 중심에서 어긋난 상태에서의 하중보상 모션 플랫폼의 부분 측면을 나타낸 모식도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른, 하중보상유닛(30)을 적용하여 낮은 사양의 구동유닛으로도 높은 모션 출력을 낼 수 있고, 경제성과 공간 효율성까지 만족할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른, 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼(100)에 따르면, 하중의 무게의 일부를 구동유닛의 출력과는 별도로 보상해줄 수 있는 메커니즘이 적용하여, 기존보다 낮은 출력의 구동유닛을 적용하여도 목표하는 출력사양을 만족할 수 있고, 또한 하강 동작 이후 하중 보상에 의해 축적된 하중보상유닛(30)은 상승 동작 전환 시 신속한 모션 변화를 하는데 큰 도움을 줄 수 있기 때문에 기존보다 더 동적인 모션을 표현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼(100)에 따르면, 모션 플랫폼(100)의 상부체(70)와 하부체(10) 사이에 하중보상유닛(30)을 두어 하중의 무게 일부를 보상할 수 있고, 하중보상유닛(30)은 단순한 구조이기 때문에 적은 비용으로 대부분의 모션 플랫폼에 적용할 수 있고, 구동유닛의 필요 출력 사양이 낮아져서 제작에 필요한 부품 단가를 줄일 수 있고, 작아진 구동유닛의 출력으로 소비전력이 낮출 수 있으며, 기존의 모션 플랫폼에도 쉽게 적용할 수 있고 더 높은 모션 출력을 낼 수 있고, 모션 플랫폼이 기존보다 더 안정적이고 동적인 모션을 표현할 수 있다.

이러한 본 발명의 핵심적 기술적 특징을 갖는 하중보상유닛(30)은 기존 모션 플랫폼의 대부분의 형태에 적용가능하다.

다만, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서는 3축의 회전 모터구동부(21) 기반의 모션 플랫폼 형태에 하중보상 메커니즘을 적용한 것을 실시예로 하여 설명하도록 한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼(100)의 정면도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼(100)은, 전체적으로 상부체(70), 하부체(10), 복수의 구동유닛(20), 하중보상유닛(30), 연결유닛 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.

하부체(10)는 부하와 하중을 지지하며 정지상태를 유지하도록 구성된다. 또한, 상부체(70)는 하부체(10)와 상부측으로 이격되어 위치되며, 복수의 구동유닛(20)에 의해 모션이 출력되게 된다.

그리고 구동유닛(20)은 상부체(70)와 하부체(10) 사이에 구비되어, 상부체(70)에 모션을 출력하도록 구성된다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼(100)의 부분 정면도를 도시한 것이다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상부체(70)가 제외된 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼(100)의 평면도를 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 구동유닛(20) 각각은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 일측 끝단이 하부체(10) 상면 일측에 구비되며 회전관절로 구성되는 제1관절부(22)와 연결되는 제1링크부재(23)와, 일측 끝단이 제1링크부재(23) 타측끝단과 회전관절로 구성되는 제2관절부(24)에 의해 연결되는 제2링크부재(25)와, 제1링크부재(23)를 제1관절부(22)를 기준으로 회전구동시키는 구동부(21)를 포함하여 구성된다. 또한, 제2링크부재(25)의 타측끝단은 상부체(70) 하면 일측에 구면관절로 구성되는 제3관절부(36)에 의해 결합되게 된다.

또한, 복수의 구동유닛(20)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상부체(70)와 하부체(10) 사이 외주부에 원주방향으로 서로 균일간격 이격되어 3개가 배치된 형태로 구성될 수 있음을 알 수 있다.

따라서 상부체(70)와 하부체(10) 사이에 병렬로 연결된 구동부(21)와 링크 연결구조는 하부체(10)-구동부(21)-제1관절부(22)-제2관절부(24)-제3관절부(36)-상부체(70) 구조이다. 이러한 형태로 설계하면 상부체(70)의 롤(roll), 피치(pitch), 중력추(z축) 방향의 3축 모션이 가능한 모션 플랫폼(100)을 설계할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 하중보상유닛(30)은, 상부체(70)와 하부체(10)의 사이 중앙부에 위치된 스프링(31)으로 구성될 수 있다.

이때 스프링(31)은 체험자의 포괄적 범위의 무게에 대하여 상부체(70)가 최대 또는 최저 높이까지 위치하지 않으면서 가용한 높이 이내에서 지탱할 수 있는 정도의 스프링 상수를 가져야 한다. 이로서 상부체(70)는 롤, 피치, 중력 축 방향으로 3축 모션을 할 수 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 모션 플랫폼(100)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 연결유닛(60)을 포함하여 구성된다. 이러한 연결유닛(60)은 제3관절부(36) 각각을 상부체(70)에 결합시키는 복수의 구동유닛 연결단(62)과, 상부 가이드(40)를 상부체(70) 하단면 중앙에 결합시키는 스프링 연결단(61)과, 스프링 연결단(61)의 외면을 감싸도록 결합되는 링형 연결부재(64)와, 구동유닛 연결단(62) 각각을 링형 연결부재(64)에 연결시키는 복수의 연결부재(63)를 포함하여 구성될 수 있다.

이하에서는 앞서 언급한 하중 보상 메커니즘이 적용된 모션 플랫폼의 제어방법에 대해 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 하중보상 모션 플랫폼의 제어방법 블록 다이어그램을 도시한 것이다.

하중 보상 메커니즘이 적용된 모션 플랫폼을 위한 제어 방법은 크게 모션에 대한 제어기(40)와 하중 보상에 대한 제어기(50) 부분으로 나눠지며 최종 제어 출력은 이들 제어기(40, 50)에서 출력된 값의 합으로 결정된다. 모션에 대한 제어기(40)는 일반적인 모션 플랫폼의 제어기와 유사하다. 하중 보상에 대한 제어기(50)는 체험자의 무게 측정, 자세에 따른 구동부 관절별 무게 배분 그리고 스프링에 의한 하중 보상 힘에 대하여 총 세 가지의 세부 제어요소를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 하중보상 제어기(40)는, 상부체(70)와 체험자(1)의 무게에 하중보상유닛(30)에 의한 하중보상힘을 뺀 작용힘을 기반으로 최종출력을 산출하게 된다.

즉, 하중보상 제어기(40)는 자세에 따른 각 관절 별 무게 배분비를 구하고, 작용힘과 무게 배분비와 시뮬레이터 피드백 정보에 포함된 모션에 대한 가속도 입력정보를 기반으로 각각의 제3관절부(26)에 작용하는 힘을 산출하게 된다.

그리고 하중보상 제어기(40)는, 각각의 제3관절부(26)에 작용하는 힘과, 제1링크부재(23)와 제2링크부재(25)의 각도를 기반으로 각각의 구동부(21)에 출력해야할 출력토크를 산출하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 제어방법은 먼저 체험자의 무게를 측정하게 된다. 그리고 모션 플랫폼 자세정보를 기반으로 자세에 따른 관절별 무게 배분비를 산출하게 된다. 그리고 상부체(70)와 체험자(1)의 무게에 하중보상유닛(30)에 의한 하중보상힘을 뺀 작용힘을 산출하게 된다. 그리고 작용힘과 관절별 무게 배분비를 기반으로 각 제3관절부(26)에 작용하는 힘을 산출하여 각 구동부(21)에 대한 최종출력을 도출하게 된다.

체험자(1)의 무게 측정을 위해서 구동부(21) 위치 센서에 해당하는 엔코더 이외에 추가되는 센서는 없다. 무게 측정 방법은 다음과 같은 절차로서 측정한다.

먼저 체험자(1)가 탑승하지 않고 상부체(70) 무게에 의한 부하만 존재하는 상태에서 하중 보상을 위한 스프링(31)에 의해 평형지점에 도달한 상부체(70)의 높이를 계산한다. 도 5a는 본 발명의 실시예에 따라 상부체 무게에 의한 부하만 존재하는 경우 하중보상 모션 플랫폼의 측면을 나타낸 모식도를 도시한 것이다.

이때 상부체(70)는 하부체(10)와 수평을 유지해야 하며, 상부체(70)의 높이를 계산하는 방법은 엔코더로부터 측정된 현재 구동부(221)의 각도나 위치 정보를 받아 모션 플랫폼(100)에 해당하는 기구학 식을 통하여 높이를 계산한다.

다음으로 구동부(21)의 단순 높이 제어를 통해 상부체(70)를 최대한 내려서 체험자(1)가 원활히 탑승할 수 있도록 한다. 도 5b는 도 5a에서 최저높이까지 상부체를 내린 상태의 모식도를 도시한 것이다.

체험자(1)가 탑승하고 나면 구동부(21)의 제어를 푼다. 마지막으로 상부체(70)와 체험자(1)의 부하가 작용하는 상태에서 하중 보상을 위한 스프링(31)에 의해 평형지점에 도달한 높이를 계산한다.

스프링(31)에서 발생하는 힘은 스프링 변위와 스프링 상수의 곱과 같다. 이 스프링 힘에 대한 식에 따라 체험자(1)의 탑승 전후의 상부체(70) 높이 차와 스프링 상수의 곱으로서 체험자의 무게를 측정할 수 있다.

또한, 자세에 따른 구동부 관절별 무게는 상부체(70)의 자세에 따라 상부체(70) 무게중심이 하부체(10)의 중심위에 있지 않고 어긋나게 되는데 이때 각 구동부(21)의 관절 끝단인 제3관절부(26)에 작용하는 무게는 일치하지 않고 서로 다르게 작용한다. 도 6a는 본 발명의 실시예에 따라 무게중심이 중심에서 어긋난 상태에서의 하중보상 모션 플랫폼의 평면을 나타낸 모식도를 도시한 것이다. 그리고 도 6b는 본 발명의 실시예에 따라 무게중심이 중심에서 어긋난 상태에서의 하중보상 모션 플랫폼의 부분 측면을 나타낸 모식도를 도시한 것이다.

이를 보상하고자 상부체(70) 자세에 따라 각 관절 끝단(제3관절부(26))에 작용하는 무게 배분 비를 적용하고 각각의 무게를 계산하여 각 제3관절부(26)에 작용하는 무게의 값을 하중 보상에 반영하도록 한다.

각 제3관절부(26)에는 상부체(70)와 체험자(1)의 무게에 의한 배분된 힘 외에도 스프링에 의한 하중 보상 힘이 작용한다. 이 힘은 상부체(70)와 하부체(10) 중심 사이에 작용하기 때문에 상부체(70)의 자세가 변하여도 모든 관절에 거의 동일하게 작용한다.

무게에 의한 힘(상부체+체험자무게)과 스프링 보상에 대한 힘이 작용하는 방향이 서로 다르기 때문에 이 힘의 차(작용힘)를 계산함으로서 각 제3관절부(26)의 끝에 작용하는 총 힘을 구할 수 있다. 이 힘과 무게 배분비와 시뮬레이터 피드백 정보에 포함된 모션에 대한 가속도입력정보를 토대로 하중 보상을 위해 각 구동부에서 출력해야하는 제어 출력 값을 도출한다.

즉, 작용힘(체험자무게+상부체무게-하중보상힘)과 무게 배분비와 시뮬레이터 피드백 정보에 포함된 모션에 대한 가속도 입력정보를 기반으로 각각의 제3관절부(26)에 작용하는 힘을 산출하며, 각각의 제3관절부(26)에 작용하는 힘과, 제1링크부재(23)와 제2링크부재(25)의 각도를 기반으로 각각의 구동부(26)에 출력해야할 출력토크를 산출하게 된다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:체험자
10:하부체
20:구동유닛
21:구동부
22:제1관절부
23:제1링크부재
24:제2관절부
25:제2링크부재
26:제3관절부
30:하중보상유닛
31:하중보상 스프링
40:스프링 상부가이드
41:원통부
42:상단플랜지부
43:상단결합단
44:상부장착홈
45:상부가이드 경사면
50:스프링 하부가이드
51:원통부
52:하단플랜지부
53:하단결합단
54:스프링 이탈방지가이드
55:하부가이드 경사면
60:연결유닛
61:스프링 연결단
62:구동부 장착단
63:연결부재
64:링형 연결부재
70:상부체
100:하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼.

Claims (11)

1. 모션 플랫폼에 있어서,
   부하와 하중을 지지하며 정지상태를 유지하는 하부체;
   상기 하부체와 이격되어 위치되며, 모션이 출력되는 상부체;
   상기 상부체와 상기 하부체 사이에 구비되어, 상기 상부체에 모션을 출력하는 복수의 구동유닛;
   상기 상부체와 상기 하부체 사이에 구비되어, 상기 상부체의 하강동작시와 상승동작시 하중을 보상하는 하중보상유닛; 및
   시뮬레이터 피드백 정보를 기반으로 상기 구동유닛 각각에 대한 최종출력을 제어하는 모션 제어기와 하중보상 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 하중보상 제어기는, 상부체와 체험자의 무게에 상기 하중보상유닛에 의한 하중보상힘을 뺀 작용힘을 기반으로 최종출력을 산출하는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 하중보상유닛은, 상기 상부체와 상기 하부체의 중앙부에 위치된 스프링이고,
   상기 구동유닛은, 일측 끝단이 상기 하부체 상면 일측에 구비된 제1관절부와 연결되는 제1링크부재와, 일측 끝단이 상기 제1링크부재 타측끝단과 제2관절부에 의해 연결되는 제2링크부재와, 상기 제1링크부재를 상기 제1관절부를 기준으로 회전구동시키는 구동부를 포함고, 상기 제2링크부재의 타측끝단은 상기 상부체 하면 일측에 제3관절부에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼.
   
4. 제 3항에 있어서,
   복수의 상기 구동유닛은 상기 상부체와 상기 하부체 사이 외주부에 원주방향으로 서로 균일간격 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 하중보상 제어기는 자세에 따른 각 관절 별 무게 배분비를 구하고, 상기 작용힘과 상기 무게 배분비와 상기 시뮬레이터 피드백 정보에 포함된 모션에 대한 가속도 입력정보를 기반으로 각각의 제3관절부에 작용하는 힘을 산출하는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 하중보상 제어기는, 각각의 상기 제3관절부에 작용하는 힘과, 상기 제1링크부재와 상기 제2링크부재의 각도를 기반으로 각각의 구동부에 출력해야할 출력토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼.
   
7. 제 1항 내지 제 6항에 따른 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 제어방법에 있어서,
   체험자의 무게를 측정하는 단계;
   모션 플랫폼 자세정보를 기반으로 자세에 따른 관절별 무게 배분비를 산출하는 단계;
   상부체와 체험자의 무게에 상기 하중보상유닛에 의한 하중보상힘을 뺀 작용힘을 산출하는 단계; 및
   상기 작용힘과 상기 관절별 무게 배분비를 기반으로 각 관절에 작용하는 힘을 산출하여 각 구동유닛에 대한 최종출력을 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 제어방법.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 무게를 측정하는 단계는,
   상부체 무게에 의한 부하만 존재하는 상태에서 스프링 평형지점에 도달한 높이를 계산하는 제1단계;
   체험자가 상기 상부체에 탑승하는 제2단계;
   상기 상부체와 상기 체험자의 무게에 의한 부하만 존재하는 상태에서 스프링 평형지점에 도달한 높이를 계산하는 제3단계;
   상기 제1단계에서의 높이와 상기 제3단계에서의 높이 차와 스프링 상수를 기반으로 체험자의 무게를 산출하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 제어방법.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 높이의 계산은 구동부에 구비된 엔코더에서 측정한 각도와 위치정보를 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 제어방법.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 최종출력을 도출하는 단계는,
    상기 작용힘과 상기 무게 배분비와 상기 시뮬레이터 피드백 정보에 포함된 모션에 대한 가속도 입력정보를 기반으로 각각의 제3관절부에 작용하는 힘을 산출하는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 제어방법.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 각각의 상기 제3관절부에 작용하는 힘과, 제1링크부재와 제2링크부재의 각도를 기반으로 각각의 구동부에 출력해야할 출력토크를 산출하는 것을 특징으로 하는 하중보상 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼의 제어방법.

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