KR20220076736A - 3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼의 순기구학을 구현하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼 (Motion-platform) 의 순기구학 (Forward-kinematics) 을 구현하기 위한 방법이 제공된다. 모션 플랫폼은 복수의 구동기 (Actuator) 및 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트를 포함한다. 방법은, 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 하부 지지대 모델, 플레이트 모델, 복수의 구동기 모델 및 상기 복수의 구동기 모델 각각을 상기 플레이트 모델에 결합시키는 복수의 조인트 모델을 구성하는 단계와, 상기 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 상기 복수의 구동기 모델 각각의 길이를 제어 명령에 따른 길이로 변경시키는 단계, 그리고 상기 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 복수의 조인트 단부 - 여기서, 상기 조인트 단부는 상기 구동기 모델의 상기 조인트 모델에 결합되는 단부를 나타냄 - 와 상기 플레이트 모델 간의 거리가 최소화되는 시점에 상기 플레이트 모델의 상태에 대한 값을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼의 순기구학을 구현하기 위한 방법{A METHOD FOR IMPLEMENTING FORWARD KINEMATICS OF MOTION PLATFORM BASED ON 3D-MODEL RUNNING ENGINE}

본 발명은 모션 플랫폼에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 3차원 모델 구동 엔진을 이용하여 모션 플랫폼의 순기구학을 구현하기 위한 방법에 관한 것이다.

유인비행체 가상훈련 시뮬레이터 (Manned Flight Virtual Training Simulator) 는 유인항공기에서 발생할 수 있는 가상의 환경과 상황을 제공하여 훈련자에게 실제와 유사한 훈련 효과를 제공하는 장비이다.

예를 들어 유인비행체 가상훈련 시뮬레이터와 같은 시뮬레이터는, 시청각적 모사와 함께 시뮬레이터 이용자에게 모의 대상 개체에 탑승한 것과 유사한 움직임을 제공하도록 구성된다. 이와 같은 움직임의 모사를 제공하기 위해 예를 들어 스튜어트 플랫폼 (Stewart-platform) 과 같은 모션 플랫폼이 사용될 수 있다.

스튜어트 플랫폼은 1965년에 Stewart에 의하여 제안된 병렬 운동기구이며, 비행체운동을 시뮬레이션하기 위하여 병렬로 연결된 6개의 구동 액튜에이터 (Actuator) 를 이용한 병렬 운동기구로서 제안되었다. 이러한 기구는 비행체나 헬리콥터 등과 같이 고도로 숙련된 조종술을 요구하는 조종사의 훈련을 보다 안전하고 효과적으로 수행하기 위하여 개발되어 왔으며, 근래에는 시뮬레이션을 위한 시뮬레이터로 응용분야가 점차 확대되어가고 있다.

관련하여, 스튜어트 플랫폼과 같은 모션 플랫폼을 제어하기 위해서는 기구학 해석이 고려될 수 있다. 기구학 해석은 모션 플랫폼을 구성하는 각각의 구동기 (Actuator) 의 길이에 대한 정보를 기반으로 플랫폼의 형상을 계산하는 순기구학 해석과, 플랫폼의 형상을 기반으로 각 구동기의 길이를 계산하는 역기구학 해석을 포함한다. 여기서, 모션 플랫폼의 보다 신속하고 정확한 제어, 또는 모션 플랫폼의 성능 평가를 위해서는 개선된 순기구학의 구현 방법이 요구된다.

한국 공개특허공보 제 10-2015-0117309 호 ("탑승형 스튜어트 플랫폼을 이용한 가상환경 멀미 극복 장치 및 방법", 한국전자기술연구원)

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 예를 들어 유니티 (Unity) 3D 와 같은 3차원 모델 구동 엔진을 이용하여 모션 플랫폼에 대한 순기구학을 구현하는 것에 의해, 보다 용이하고 신속하게 모션 플랫폼에 대한 순기구학을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 이미지 렌더링을 포함하여 가시적인 효과를 부여할 수 있는 모션 플랫폼의 순기구학을 구현하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 모델 구동 엔진을 이용한 순기구학을 이용함으로써, 비교적 낮은 비용으로도 모션 플랫폼이 제어 명령을 충실히 수행하는지 여부를 평가할 수 있도록 하는 모션 플랫폼의 성능 평가 방법을 제공하는 것이다.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼 (Motion-platform) 의 순기구학 (Forward-kinematics) 을 구현하기 위한 방법에 있어서, 상기 모션 플랫폼은 복수의 구동기 (Actuator) 및 상기 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트를 포함하고, 상기 방법은, 상기 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 하부 지지대 모델, 플레이트 모델, 복수의 구동기 모델 및 상기 복수의 구동기 모델 각각을 상기 플레이트 모델에 결합시키는 복수의 조인트 모델을 구성하는 단계; 상기 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 상기 복수의 구동기 모델 각각의 길이를 제어 명령에 따른 길이로 변경시키는 단계; 및 상기 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 복수의 조인트 단부 - 여기서, 상기 조인트 단부는 상기 구동기 모델의 상기 조인트 모델에 결합되는 단부를 나타냄 - 와 상기 플레이트 모델 간의 거리가 최소화되는 시점에 상기 플레이트 모델의 상태에 대한 값을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 복수의 조인트 모델은, 복수의 상기 조인트 단부와 상기 플레이트 모델 간의 거리가 변동 가능하도록 탄성을 가지도록 구성될 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 플레이트 모델의 상태에 대한 값은, 상기 플레이트 모델의 위치에 대한 값 및 상기 플레이트 모델의 각도에 대한 값을 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 3차원 모델 구동 엔진은 유니티 (Unity) 3D 프로그램을 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 방법은, 상기 플레이트 모델 또는 상기 조인트 모델 중 적어도 하나에 대한 파라미터를 설정하는 것에 의해 상기 모션 플랫폼에 대한 순기구학 구현 성능이 조정될 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 플레이트 모델에 대한 파라미터는, 상기 플레이트 모델의 질량, 상기 플레이트 모델의 저항력 또는 상기 플레이트 모델의 회전 저항력 중 적어도 하나에 대한 설정값을 포함하고, 상기 조인트 모델에 대한 파라미터는, 상기 조인트 모델의 질량, 상기 조인트 모델의 저항력 또는 상기 조인트 모델의 회전 저항력 중 적어도 하나에 대한 설정값을 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 구동기 모델의 상기 하부 지지대 모델에 대한 연결부는 X, Y, Z 축에 대한 이동 및 회전이 제한되도록 구성될 수 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 성능 평가 방법은, 복수의 구동기 (Actuator) 및 상기 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트를 포함하는 모션 플랫폼 (Motion-platform) 에 대한 성능 평가 방법으로서, 모션 플랫폼의 제어 목표 상태에 대한 제어 명령을 생성하는 단계; 상기 제어 명령에 따라 상기 모션 플랫폼의 복수의 구동기를 제어하는 단계; 제 1 항에 따른 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법을 기반으로, 상기 복수의 구동기 모델 각각의 길이를 상기 복수의 구동기의 측정된 길이로 변경시키는 것에 의해 상기 플레이트 모델의 상태에 대한 값을 결정하는 단계; 및 상기 제어 목표 상태와 상기 플레이트 모델의 상태에 대한 값을 기반으로 상기 모션 플랫폼의 성능을 평가하는 단계를 포함할 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 복수의 구동기의 측정된 길이는, 상기 복수의 구동기들 각각에 구비된 엔코더 (Encoder) 를 기반으로 측정될 수 있다.

일 측면에 따르면, 상기 모션 플랫폼에 대한 성능 평가는, 상기 플레이트의 위치 및 각도 중 적어도 하나에 대한 상태 평가; 상기 플레이트의 위치 및 각도 중 적어도 하나에 대한 변화 속도 평가; 또는 상기 플레이트의 위치 및 각도 중 적어도 하나에 대한 변화의 가속도 평가 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼 (Motion-platform) 의 순기구학 (Forward-kinematics) 을 구현하기 위한 방법에 따르면, 예를 들어 유니티 (Unity) 3D 와 같은 3차원 모델 구동 엔진을 이용하여 모션 플랫폼에 대한 순기구학을 구현하는 것에 의해, 보다 용이하고 신속하게 모션 플랫폼에 대한 순기구학을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 이미지 렌더링을 포함하여 가시적인 효과를 부여할 수 있는 모션 플랫폼의 순기구학을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 모델 구동 엔진을 이용한 순기구학을 이용함으로써, 비교적 낮은 비용으로도 모션 플랫폼이 제어 명령을 충실히 수행하는지 여부를 평가할 수 있도록 하는 모션 플랫폼의 성능 평가가 가능하다.

도 1 은 스튜어트 플랫폼을 활용한 시뮬레이터의 예시도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 구성을 나타낸다.
도 3 은 예시적인 모션 플랫폼의 구동 사양을 나타낸다.
도 4 는 모션 고전 제어 (Classical-motion-control) 의 블록 구조도를 나타낸다.
도 5 는 모션 고전 제어에 대한 설명도이다.
도 6 은 일 측면에 따른 회전 변환을 수반하는 모션 플랫폼에 대한 제어의 블록 구조도를 나타낸다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법의 흐름도이다.
도 8 은 일 측면에 따른 순기구학의 파라미터들에 대한 예시도이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 모델 구동 엔진 기반 모션 플랫폼의 순기구학 구현의 예시도이다.
도 10 은 도 9 의 조인트 모델의 확대도이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 성능 평가 방법의 흐름도이다.
도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법이 구동될 수 있는 컴퓨팅 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

개요

유인항공기에서 발생할 수 있는 가상의 환경과 상황을 제공하여 훈련자에게 실제와 유사한 훈련 효과를 제공하기 위한 유인비행체 가상훈련 시뮬레이터 (Manned Flight Virtual Training Simulator) 가 널리 활용되고 있으며, 이러한 시뮬레이터의 이용자에게 모의 대상 개체에 탑승한 것과 유사한 움직임을 제공하기 위해 예를 들어 스튜어트 플랫폼 (Stewart-platform) 과 같은 모션 플랫폼이 사용될 수 있다.

관련하여, 예를 들어 스튜어트 플랫폼과 같은 모션 플랫폼을 제어함에 있어서는 기구학 해석이 고려될 수 있다. 기구학 해석은 모션 플랫폼을 구성하는 각각의 구동기 (Actuator) 의 길이에 대한 정보를 기반으로 플랫폼의 형상을 계산하는 순기구학 해석과, 플랫폼의 형상을 기반으로 각 구동기의 길이를 계산하는 역기구학 해석을 포함한다. 여기서, 순기구학은 모션 플랫폼의 신속하고 정확한 제어, 또는 모션 플랫폼의 성능 평가를 위해 사용될 수 있다.

보다 구체적으로, 모션 플랫폼의 제어를 수행하기 위해서는 제어하고자 하는 모션 플랫폼의 플레이트의 자세를 알면 역기구학으로 구동기의 길이를 구할 수 있다. 따라서, 해당하는 길이로 구동기의 길이를 제어하여 모션 플랫폼의 플레이트를 원하는 상태로 제어할 수 있다. 여기서 구동기의 제어는 예를 들어 구동기에 대한 통상의 서보 드라이버를 구비하는 것에 의해 쉽게 수행할 수 있다.

다만, 제어 명령과 실제 모션 플랫폼의 상태가 실시간으로 일치하지는 않으므로, 현재 모션 플랫폼의 상태를 모니터링하여 오픈 루프 방식으로 제어를 수행하는 것이 보다 정확한 제어를 위해 요구될 수 있다. 모션 플랫폼의 오픈 루프 방식의 제어를 위해서는 모션 플랫폼에 대한 제어 명령에 대응하여 현재 모션 플랫폼의 상태가 어느 정도 변화했는지 여부에 대한 모니터링이 필요하다. 이를 위해, 모션 플랫폼의 플레이트에 복수의 센서를 구비하여 센서 측정 값에 의해 플레이트의 상태를 감지하는 방안이 고려될 수도 있지만, 센서의 정확성이 떨어질 수 있고, 센서를 통한 감지 역시 실시간성이 부족할 수 있다. 따라서, 현재 구동기의 길이를 측정하여 구동기의 길이를 기반으로 모션 플랫폼의 상부 플레이트의 현재 상태 (예를 들어, 각도 및 위치) 를 파악하는 순기구학이 사용될 수 있다. 구동기의 길이는 예를 들어 구동기에 구비될 수 있는 엔코더를 기반으로 실시간으로 측정할 수 있다.

또한, 모션 플랫폼의 경우 예를 들어 도 3 에 도시된 바와 같이 소정의 사양을 가지고 출시된다. 따라서, 해당 모션 플랫폼이 제시한 성능 사양을 만족하는지 여부에 대한 평가가 요구되는 상황이 발생할 수 있다. 이를 위해, 제어 명령이 목표로 하는 상태와 실제 모션 플랫폼의 상태를 비교하여 성능을 만족하는지 여부를 판단해야 하므로, 모션 플랫폼의 실제 상태를 측정하기 위해서도 역시 보다 신속하게 모션 플랫폼의 현재 상태를 유추할 수 있는 순기구학이 활용될 수 있다.

구동기의 길이를 기반으로 모션 플랫폼의 현재 상태를 유추하는 것은 순기구학을 푼다거나, 순기구학을 구현 한다거나, 순기구학의 해를 구하는 것과 같이 표현될 수 있다. 이와 같은 순기구학의 구현을 위해서는 반복적인 수치해석 방법, 해석적 방법, 그리고 추정기를 이용하는 방법이 고려될 수 있다. 수치해석적 방법으로는 주로 Newton-Raphson 방법이 이용될 수 있다. 추정기를 이용하는 방법은 칼만필터 알고리즘을 이용한 방법과 신경망 (neural network) 을 이용하는 방법이 고려될 수 있다. 그러나, 이와 같은 종래의 방법은 지나치게 어렵고 시간이 많이 소요되어 신속한 순기구학이 요구되는 상황에서 큰 문제가 발생한다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 예를 들어 유니티 (Unity) 3D 와 같은 3차원 모델 구동 엔진을 이용하여 모션 플랫폼에 대한 순기구학을 구현하는 것에 의해, 보다 용이하고 신속하게 모션 플랫폼에 대한 순기구학을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 이미지 렌더링을 포함하여 가시적인 효과를 부여할 수 있는 3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼 (Motion-platform) 의 순기구학 (Forward-kinematics) 을 구현하기 위한 방법이 구현될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 3차원 모델 구동 엔진을 이용한 순기구학을 이용함으로써, 비교적 낮은 비용으로도 모션 플랫폼이 제어 명령을 충실히 수행하는지 여부를 평가할 수 있도록 하는 모션 플랫폼의 성능 평가가 가능하다.

모션 플랫폼

도 1 은 스튜어트 플랫폼을 활용한 시뮬레이터의 예시도이고, 도 2 는 모션 플랫폼의 구성을 나타낸다. 도 1 내지 도 2 를 참조하여, 본 발명의 실시예들에 따른 순기구학 구현 또는 성능 평가의 대상이 될 수 있는 모션 플랫폼 및 그 제어에 대해서 먼저 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 모션 플랫폼은 예를 들어 스튜어트 플랫폼으로 분류될 수 있고, 예를 들어 도 1 에 도시된 바와 같이 모션 플랫폼 (10) 의 상부에 배치되는 시뮬레이터 (20) 의 모사 대상이 되는 객체의 위치나 각도 변화와 같은 움직임을 모사하여 시뮬레이터 (20) 의 사용자에게 제공함으로써, 사용자로 하여금 보다 현실감 있게 시뮬레이션을 체험하도록 할 수 있다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼 (Motion-platform) (100) 은, 복수의 구동기 (Actuator) (110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 110-5, 110-6) 및 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트 (120) 를 포함할 수 있다. 이러한 모션 플랫폼은, 예를 들어 스튜어트 플랫폼 (Stewart-platform) 으로 분류될 수 있으나, 본 발명의 실시예들에 따른 모션 플랫폼은 스튜어트 플랫폼으로 한정되는 것은 아니며, 플레이트 (120) 의 움직임을 제어하는 임의의 모션 플랫폼이 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있다고 이해되어야 할 것이다.

관련하여, 스튜어트 플랫폼은 1965년에 Stewart에 의하여 제안된 병렬 운동기구이며, 비행체운동을 시뮬레이션하기 위하여 병렬로 연결된 6개의 구동 액튜에이터 (Actuator) 를 이용한 병렬 운동기구로서 제안되었다. 이러한 기구는 비행체나 헬리콥터 등과 같이 고도로 숙련된 조종술을 요구하는 조종사의 훈련을 보다 안전하고 효과적으로 수행하기 위하여 개발되어 왔으며, 시뮬레이터로 응용분야가 확대되고 있다.

스튜어트 플랫폼과 관련하여, 기구학 해석과 제어 측면이 고려될 수 있다. 기구학 해석은 각 구동기 (Actuator) 의 길이에 대한 정보를 기반으로 플랫폼의 형상을 계산하는 순기구학 해석과, 플랫폼의 형상을 기반으로 각 구동기의 길이를 계산하는 역기구학 해석을 포함한다. 순기구학의 해를 구하기 위해서는 반복적인 수치해석 방법, 해석적 방법, 그리고 추정기를 이용하는 방법을 포함할 수 있다. 수치해석적 방법으로는 주로 Newton-Raphson 방법이 이용될 수 있다. 추정기를 이용하는 방법은 칼만필터 알고리즘을 이용한 방법과 신경망 (neural network) 을 이용하는 방법이 고려될 수 있다.

스튜어트 플랫폼의 제어와 관련하여, 단일 입출력 제어 및 다변수 제어가 고려될 수 있다. 단일 입출력 제어는 구동기 각각의 길이에 대한 제어기를 설계하는 방식으로 제어기 구성이 간단하고 제어 입력 계산이 간단하지만, 운동 상태에 따라 변화되는 각 액튜에이터의 외부 부하를 고정된 부하로 가정하므로 대용량의 부하를 고속 정밀 제어하기에 어려움이 있다. 다변수 제어에서는 제어 대상이 각 구동기의 길이가 아니라 상부 플레이트의 6자유도 변위를 대상으로 하므로, 제어 출력을 각 구동기에서 작동해야할 힘으로 하고 제어 입력을 운동 재현기의 6자유도 운동변위로 선정한다. 순기구학을 통하여 제어입력으로 사용될 6자유도 운동 변위를 구하고, 출력인 요구되는 구동력을 발생시키기 위한 구동기의 힘 피드백이 필요한 작용력 부제어기가 필요하다.

다시 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 모션 플랫폼은 복수의 구동기 (110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 110-5, 110-6) 및 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트 (120) 를 포함한다. 즉, 복수의 구동기 (110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 110-5, 110-6) 들 각각의 길이가 조정되는 것에 따라 플레이트 (120) 의 위치 및/또는 각도가 제어될 수 있다. 모션 플랫폼은 롤 (Roll), 피치 (Pitch), 요 (Yaw) 와 서지 (Surge), 스웨이 (Sway) 및 히브 (Heave) 를 포함하는 6 자유도의 움직임을 제어하도록 구성될 수 있다.

또한, 도 2 를 참조하면, 선택적으로는, 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼은 플레이트와 평행한 평면 내에서 회전 가능한 턴테이블 (130) 을 더 포함할 수도 있다. 복수의 구동기 (110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 110-5, 110-6) 를 기반으로 하는 플레이트의 움직임 제어는 가동 범위에 제한을 가질 수 있으므로, 플레이트 (120) 와 평행한 평면 내에서 회전 가능한 턴테이블 (130) 을 더 구비하는 것에 의해, 모션 플랫폼의 상부에 배치되는 대상에 대해 적어도 헤딩 각 (Yaw) 의 변화 범위를 무제한으로 확장시킬 수 있다. 일 측면에 따르면, 턴테이블 (130) 은, 플레이트 (120) 의 상부에 배치될 수 있다. 턴테이블 (130) 이 플레이트 (120) 상부에 배치될 때, 모션 플랫폼 (100) 의 구동기 (110-1, 110-2, 110-3, 110-4, 110-5, 110-6) 들에 대한 제어 명령이 회전 변환될 수 있다.

도 3 은 예시적인 모션 플랫폼의 구동 사양을 나타낸다. 본 발명의 실시예들에 따른 모션 플랫폼으로서, 예를 들어 도 3 에 도시된 바와 같은 사양을 가지는 모션 플랫폼이 적용될 수 있다. 예를 들어, 모션 플랫폼은 주식회사 젠스템에 의해 제작된 6 축 모션일 수 있다. 선택적으로, 6축 모션의 상부 플레이트에 턴테이블이 적용된 7 축 모션이 사용될 수도 있다. 가용 하중은 턴테이블 구조물을 포함하여 2 ton 일 수 있고, 스트로크가 최대 600mm 인 Parker 사의 eth80 실린더에 LS 산전 선보모터를 적용한 엑츄에이터를 6 축 스튜어트 플랫폼 형태로 제작된 것일 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예들에 관련된 모션 플랫폼은 이에 한정되지 아니한다.

모션 플랫폼의 제어와 관련하여, 도 4 는 모션 고전 제어 (Classical-motion-control) 의 블록 구조도를 나타내고, 도 5 는 모션 고전 제어에 대한 설명도이다. 도 4 및 도 5 를 참조하여, 모션 플랫폼의 고전 제어에 대해서 살핀다.

모션 플랫폼은 제한적인 각도와 위치의 운용 범위를 가진다. 따라서, 일반적으로 적용 대상 시뮬레이션 모델의 가속도 명령에 대하여 Wash-out filter 를 적용하여 일종의 체감 효과를 적용하고 중력에 의한 자세 변화 체감에 있어서는 적절한 작용 함수나 튜닝 요소, 로우 패스 필터 (Low-pass-filter) 를 적용하여 구성 (coordination angle) 한다. 이러한 모션 시스템 제어방식을 모션 고전 제어 (Classical Motion Control) 라고 하며, 본 발명의 일 측면에 따른 모션 플랫폼의 제어 방법은 종래의 모션 고전 제어에 따른 방법을 기초로 할 수 있다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 모션 고전 제어에서는 제어 목표가 되는 구동기의 길이 (Actuator Lenth) 를 결정 (410) 함에 있어서, 구현하고자 하는 움직임에 대한 제어 명령들을 기반으로 할 수 있다. 제어 명령은 각도 명령 (Angle CMD), 위치 명령 (Position CMD) 을 포함할 수 있고, 제어를 위해 기준이 되는 명령 기준 위치 (Command Reference Position, CRP) 를 포함할 수 있다.

각도 및 위치와는 다른 관점에서, 제어 명령은 자세 제어 명령 및 가속도 제어 명령을 포함할 수 있다. 자세 제어 명령은 롤 (Roll), 피치 (Pitch), 요 (Yaw) 와 같은 각도 제어 명령에 주로 관련될 수 있다. 가속도 제어 명령은 롤 (Roll), 피치 (Pitch), 요 (Yaw) 와 같은 각도 제어 명령과 서지 (Surge), 스웨이 (Sway) 및 히브 (Heave) 와 같은 위치 제어 명령에 각각 관련될 수 있다.

구체적으로, 위치를 예를 들어 설명하면, 1 초에도 수백 m 를 이동할 수 있는 항공기와 달리 시뮬레이터를 구동시키는 모션 플랫폼은 예를 들어 도 3 에 도시된 바와 같이 0.45 m 의 서지 변화만을 구현할 수 있다. 따라서, 모사 대상의 위치 변화를 그대로 구현할 수 없으므로 가속도 명령을 생성하여 가속도 명령에 대해 Wash-out filter 를 적용하게 된다. 따라서 가속도 명령에 따라서 모션 플랫폼은 순간적인 위치의 변화를 겪고 서서히 종래의 위치로 돌아오게 된다. 다만, 예를 들어 중력에 의한 자세 변화 체감이나 급 출발, 급 정지, 기타 체감 효과를 증대시키기 위해 추가적인 제어가 동반될 수 있다.

한편 각도의 측면에서는, 비록 항공기와 같은 모사 대상의 각도 변화를 그대로 구현할 수는 없지만, 자세 제어 명령은 각도 변화를 운용 범위 내에서 가능한 유사하게 재현하도록 할 수 있다. 또한 각도의 측면에서는 자세 제어 명령 뿐만 아니라 가속도 제어 명령에 의해 큐잉 알고리즘과 같은 추가적인 체감 효과의 구현이 가능하다. 또한, 각도의 측면에서도 앞서 살핀 바와 같이 모사 대상의 모든 회전 범위를 모션 플랫폼에 적용할 수 없으므로, 모션 플랫폼이 재현하도록 하는 모사 대상의 모사 제한 범위를 넘어선 순간에는 자세 제어가 수행되지 않더라도 가속도 제어를 수행하는 것에 의해 시뮬레이터의 실감 효과를 증대시키는 것이 가능하다.

한편, 선택적으로는 본 발명의 일 측면에 따르면 상부에 턴테이블이 구비된 모션 플랫폼을 제어하도록 구성될 수도 있다. 도 6 은 본 발명의 선택적인 일 측면에 따른 회전 변환을 수반하는 모션 플랫폼에 대한 제어의 블록 구조도를 나타낸다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 제어에 있어서는 회전 변환된 변환 제어 명령이 생성될 수 있다.

관련하여, 도 6 을 참조하여 설명하면, 변환 되기 전의 제어 명령 (620 의 입력) 은, 각도 제어 명령 (Angle) 및 위치 제어 명령 (Position) 을 포함할 수 있다. 여기서 각도 제어 명령은, 롤 (Roll) 각 제어 명령 및 피치 (Pitch) 각 제어 명령을 포함할 수 있으며, 위치 제어 명령은, 서지 (Surge) 변화량 제어 명령 및 스웨이 (Sway) 변화량 제어 명령을 포함할 수 있다. 일 측면에 따르면, 요 (Yaw) 각의 제어는 턴테이블에 수행될 수 있으나, 다른 측면에 따르면 요 (Yaw) 각의 제어에 대해 구동기의 제어 및 턴테이블의 제어가 하이브리드 방식으로 구현될 수도 있으며, 이 경우 각도 제어 명령은 요 (Yaw) 각 제어 명령을 더 포함할 수도 있다. 또한, 일 측면에 따르면 히브 (Heave) 에 대한 변화량의 제어 명령이 위치 제어 명령에 더 포함될 수도 있다.

변환 제어 명령을 생성 (620) 함에 있어서는, 턴테이블의 회전을 반영하는 각도 (Motion Heading Angle) 가 기반이 될 수 있다. 모션 시스템 헤딩 제어 명령을 기반으로 제어 명령을 회전 변환 함으로써, 변환 제어 명령을 생성할 수 있다. 변환 제어 명령은 롤 각 제어 명령에 대한 변환된 값과 피치 각 제어 명령에 대한 변환된 값을 포함하는 변환된 각도 제어 명령 (Angle_turned) 과, 서지 변화량 제어 명령에 대한 변환된 값과 스웨이 변화량 제어 명령에 대한 변환된 값을 포함하는 변환된 위치 제어 명령 (Position_turend) 을 포함할 수 있다. 한편, 앞서 살핀 바와 같이 변환 전의 명령 기준 위치 (CRP position) 를 기반으로, 변환된 변환 명령 기준 위치 (CRP_turned) 역시 산출될 수 있다.

이를 기반으로 구동기의 길이에 대한 제어 목표를 결정 (610) 함에 있어서는, 변환 제어 명령을 기준으로 역기구학 해석을 통해 구동기의 길이를 결정할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예들에 따른 모션 플랫폼의 제어 방법은 도 4 내지 도 6 에 도시된 바와 같이 구동기의 길이를 기반으로 하는 순기구학 해석을 수행함으로써 플레이트의 현 상태를 감지하여 오픈 루프 방식의 제어를 수행하도록 할 수 있다.

전술한 바와 같이 순기구학 해석이 모션 플랫폼의 제어 및/또는 성능 평가에 필수적이고 보다 신속하고 간편한 순기구학의 구현이 요구되는 바 아래에서 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법 및 이를 이용한 성능 평가 방법에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법

일반적으로 모션 플랫폼은 역기구학으로 계산된 구동기에 대한 길이/속도 지령을 통해 구동되어진다. 이는 모션의 자세명령에 대한 오픈 루프 (Open-loop) 제어로서 정상상태 수렴에 대한 성능만을 보장하며, 운동성능을 가시적으로 보이거나 평가를 위해서는 실시간 구동기의 길이를 이용한 순기구학의 계산이 필수적이다. 이러한 순기구학의 계산 방법에는 Newton-Raphson 기법을 이용하거나 신경망을 이용하는 방법이 있다. 하지만 이러한 계산방법은 이해가 어렵고 구현하기가 까다로운 단점이 있다. 따라서 직관적이면서도 시스템 개발의 활용도가 높은 3차원 모델 구동 엔진 또는 게임 엔진 (예를 들어 도 9 에 도시된 바와 같은 Unity 3D와 물리엔진) 을 이용하여 순기구학을 구현할 수 있다.

예를 들어, 구동기 힌지 포인트와 상/하부 플레이트를 구성하고 연결파라미터 구속조건을 예를 들어 도 8과 같이 입력하고 실시간 힌지 포인트의 거리, 즉, 구동기 길이를 업데이트 하여 시뮬레이션 되는 상부 플레이트의 각도와 위치값을 산출할 수 있다. 간단한 입력만으로 쉽게 구현할 수 있고, 이미지 랜더링을 포함하여 가시적인 효과를 부여할 수 있으므로 높은 활용도를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 순기구학 구현 방법은, 예를 들어 유니티 3D 와 같은 3차원 모델 구동 엔진에서 모션 플랫폼의 각 구성 요소들에 대한 3차원 모델들을 도입할 수 있다. 단, 구동기의 플레이트에 접하는 단부와 플레이트의 결합에 있어서, 구동기의 플레이트 측 단부와 플레이트의 구동기 결착 지점의 위치를 같다고 두지 않고, 양자 구성을 연결하는 댐핑 요소 (스프링) 를 도입할 수 있다. 구동기의 하단은 하부 지지대 (또는, 하부 플레이트로서 지칭될 수도 있음) 에 고정되어 있으나, 구동기의 상단은 모션 플랫폼의 움직임을 구현하기 위해 이동하게 된다. 구동기의 플레이트 측 단부와 플레이트의 구동기 결착부분을 각각 제 1 미지수 지점과 제 2 미지수 지점으로 둘 수 있으며, 결과적으로는 제 1 미지수 지점과 제 2 미지수 지점이 같아져야 하며, 양자 사이에 스프링 댐퍼를 모델링한 요소를 도입할 수 있다. 모션 플랫폼 모델의 제어를 위해 구동기의 길이를 커맨드로 주고, 스프링 댐퍼의 거리가 제로가 되도록 시뮬레이팅을 실행할 수 있다. 제어 명령에 따라 시뮬레이션에서 구동기의 길이가 순간적으로 변화하게 되면, 동적 오차는 있지만 최종적인 상태 (정상 상태) 에서는 구동기의 끝단 지점과 플레이트의 구동부 결착 지점 간의 오차는 없어지게 된다.

도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법의 흐름도이고, 도 8 은 일 측면에 따른 순기구학의 파라미터들에 대한 예시도이며, 도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 모델 구동 엔진 기반 모션 플랫폼의 순기구학 구현의 예시도이다. 또한, 도 10 은 도 9 의 조인트 모델의 확대도이다. 이하, 도 7 내지 도 10 을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼 (Motion-platform) 의 순기구학 (Forward-kinematics) 을 구현하기 위한 방법에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명에 있어서 '3차원 모델 구동 엔진'은 예를 들어 컴퓨팅 시스템 내에서 3차원 모델을 구현하여 3차원 모델을 이루는 구성 요소들 간의 물리적 효과를 시뮬레이팅 할 수 있는 엔진 혹은 프로그램을 의미할 수 있다. 예를 들어, 3차원 모델 구동 엔진은 게임 엔진일 수 있으며, 보다 구체적으로는 유니티 3D 와 같은 프로그램이 포함될 수 있다. 또한, 보다 효율적인 3차원 모델 구동을 위한 물리 엔진 (예를 들어, 피직스(PhysX)) 과 같은 요소가 함께 사용될 수 있다.

다시 도 7, 도 9 및 도 10 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼의 순기구학을 구현하기 위한 방법은, 먼저 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 하부 지지대 모델 (910), 플레이트 모델 (920), 복수의 구동기 모델 (930) 및 복수의 구동기 모델 (930) 각각을 플레이트 모델 (920) 에 결합시키는 복수의 조인트 모델 (940) 을 구성할 수 있다 (단계 710).

하부 지지대 모델 (910) 은 모션 플랫폼의 하부 지지대를 3차원 모델 구동 엔진 내에서 구현한 것일 수 있다. 플레이트 모델 (920) 은 모션 플랫폼의 플레이트 (120) 를 3차원 모델 구동 엔진 내에서 구현한 것일 수 있다. 구동기 모델 (930) 은 모션 플랫폼의 복수의 구동기 (110) 를 3차원 모델 구동 엔진 내에서 구현한 것일 수 있다. 한편, 모션 플랫폼에서는 구동기 (110) 들이 플레이트 (120) 에 힌지부를 구비하여 결합되는데, 3차원 모델 구동 엔진 내에서는 복수의 구동기 모델 (930) 각각을 플레이트 모델 (920) 에 결합시키는 복수의 조인트 모델 (940) 이 구비될 수 있다. 구동기 모델 (930) 의 조인트 모델 (940) 에 결합되는 단부는 '조인트 단부'로서 지칭될 수 있다.

복수의 조인트 모델 (940) 은, 복수의 조인트 단부와 플레이트 모델 (940) 간의 거리가 변동 가능하도록 탄성을 가지도록 구성될 수 있다. 즉, 3차원 모델 구동 엔진 상에서, 조인트 모델 (940) 은 형상 (또는 길이) 의 변형이 가능하도록 설정될 수 있다. 따라서, 구동기 모델 (930) 의 길이가 순간적으로 변경될 때, 복수의 조인트 단부들은 플레이트 모델 (920) 로부터 떨어진 지점에 위치할 수 있게 된다.

다시 도 7 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 순기구학 구현 방법은, 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 복수의 구동기 모델 각각의 길이를 제어 명령에 따른 길이로 변경시킬 수 있다 (단계 720). 제어 명령이 지시하는 길이는, 모션 플랫폼의 플레이트를 원하는 상태 (예를 들어 각도 및 위치) 로 제어하기 위한 구동기의 길이를 나타낼 수 있으며, 예를 들어 플레이트의 원하는 상태에 관한 정보로부터 역기구학을 통해 구해진 구동기의 길이일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 순기구학의 구현 방법을 위해서는 상기 제어 명령에 따른 구동기의 길이로 3차원 모델 구동 엔진 내의 구동기 모델 (930) 의 길이를 변경시킬 수 있다.

다시 도 7 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 순기구학 구현 방법은, 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 복수의 조인트 단부와 플레이트 모델 (920) 간의 거리가 최소화되는 시점에 플레이트 모델 (920) 의 상태에 대한 값을 결정할 수 있다 (단계 730). 앞서 살핀 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면 복수의 조인트 모델 (940) 은 복수의 조인트 단부와 플레이트 모델 (940) 간의 거리가 변동 가능하도록 탄성을 가지도록 구성될 수 있되므로, 구동기 모델 (930) 의 길이가 순간적으로 변경될 때, 복수의 조인트 단부들은 플레이트 모델 (920) 로부터 떨어진 지점에 위치할 수 있게 된다. 3차원 모델 구동 엔진을 통한 시뮬레이션을 개시하여 조인트 단부와 플레이트 모델 (920) 간의 거리가 최소화되는 시점까지 시뮬레이션을 지속할 수 있다. 일 측면에 따르면, 보다 구체적으로는 조인트 단부와 플레이트 모델 (920) 간의 거리가 0 이 되는 시점까지 시뮬레이션을 지속할 수도 있다. 구동기 모델 (930) 의 길이가 순간적으로 변하면 댐핑 요소인 조인트 모델 (940) 의 변형에 따라 조인트 단부와 플레이트 모델 (920) 의 거리의 변경이 반복될 수 있으며, 최종 상태 또는 정상 상태로서 조인트 단부와 플레이트 모델 (920) 의 거리가 최소화 되었을 때, 플레이트 모델 (920) 의 상태에 대한 값을 결정할 수 있다. 플레이트 모델의 상태에 대한 값은, 플레이트 모델 (920) 의 위치에 대한 값 및 플레이트 모델 (920) 의 각도에 대한 값을 포함할 수 있다. 이러한 각도 및 위치가 롤 (Roll), 피치 (Pitch), 요 (Yaw) 와 서지 (Surge), 스웨이 (Sway) 및 히브 (Heave) 를 포함하는 6 자유도의 움직임을 나타낼 수 있음은 본 기술 분야의 당업자에게 자명한 사항으로 이해되어야 할 것이다.

이상 살핀 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼 (Motion-platform) 의 순기구학 (Forward-kinematics) 을 구현하기 위한 방법은, 3차원 모델 구동 엔진 내에서 모션 플랫폼을 모사하는 복수의 구성 요소들에 대한 모델들을 도입하고, 추가로 조인트 모델 (940) 을 더 도입하는 것에 의해 모션 플랫폼에 대한 순기구학을 구현할 수 있다. 나아가, 일 측면에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 순기구학의 구현 방법에 따르면, 플레이트 모델 (920) 또는 조인트 모델 (940) 중 적어도 하나에 대한 파라미터를 설정하는 것에 의해 모션 플랫폼에 대한 순기구학 구현 성능이 조정될 수 있다. 순기구학의 구현 성능은, 예를 들어 순기구학 구현에 따른 플레이트의 상태 값에 대한 정확성을 포함할 수 있다. 또한, 순기구학의 구현 성능은 예를 들어 순기구학의 구현에 따른 상태 값 산출을 위해 요구되는 시간을 포함할 수도 있다.

관련하여, 도 8 은 일 측면에 따른 순기구학의 파라미터들에 대한 예시도이다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 플레이트 모델 (920) 에 대한 파라미터는, 플레이트 모델의 질량, 플레이트 모델의 저항력 또는 플레이트 모델의 회전 저항력 중 적어도 하나에 대한 설정값을 포함할 수 있고, 조인트 모델 (940) 에 대한 파라미터는, 조인트 모델의 질량, 조인트 모델의 저항력 또는 조인트 모델의 회전 저항력 중 적어도 하나에 대한 설정값을 포함할 수 있다.

예를 들어 유니티와 같은 3차원 모델 구동 엔진은 구현된 3차원 모델 각각의 특성에 대해서 설정하도록 할 수 있다. 이를 이용하여, 예를 들어 플레이트 모델 (920) 에 대한 물성을 설정할 수 있으며, 플레이트 모델 (920) 은 미리 결정한 질량 설정값 이하로 매우 가볍게, 또한 조인트 모델 (940) 에 비해 낮은 저항력 및 회전 저항력을 가지도록 설정될 수 있다. 조인트 모델 (940) 은 예를 들어 플레이트 모델 (920) 과 동일한 질량으로 설정될 수 있으며, 플레이트 모델 (920) 에 비해 훨신 큰 저항력을 가지고, 또한 더 큰 회전 저항력을 가지도록 설정될 수 있다. 예를 들어 도 8 에 도시된 바와 같이, 플레이트 모델 (920) 의 질량, 저항력, 회전 저항력은 각각 1, 1, 0.05 로 설정될 수 있고, 조인트 모델 (940) 의 질량, 저항력, 회전 저항력은 각각 1, 1000, 1 로 설정될 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예들에 따른 모델들의 물성이 위와 같은 설정값으로 한정되는 것은 아니라고 이해되어야 할 것이다. 한편, 일 측면에 따르면 구동기 모델 (930) 의 하부 지지대 모델 (910) 에 대한 연결부는 X, Y, Z 축에 대한 이동 및 회전이 제한되도록 구성될 수 있다. 나아가, 물체의 질량 및 관성 텐서에 적용되는 스케일 (Scale) 은 1 로 설정될 수 있다.

모션 플랫폼의 성능 평가 방법

본 발명의 실시예들에 따른 3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼 (Motion-platform) 의 순기구학 (Forward-kinematics) 을 구현하기 위한 방법을 이용하여, 모션 플랫폼의 성능 평가 또는 성능 검증을 수행하는 것이 가능하다.

도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 성능 평가 방법의 흐름도이다. 이하, 도 11 을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 성능 평가 방법에 대해서 보다 구체적으로 설명한다. 예를 들어, 복수의 구동기 (Actuator) 및 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트를 포함하는 모션 플랫폼 (Motion-platform) 이 성능 평가의 대상이 될 수 있다. 또한, 예를 들어 도 2 에 도시된 바와 같은 모션 플랫폼이 성능 평가의 대상이 될 수 있다.

도 11 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 모션 플랫폼의 성능 평가 방법은, 먼저 모션 플랫폼의 제어 목표 상태에 대한 제어 명령을 생성할 수 있다 (단계 1110). 제어 목표 상태는 모션 플랫폼의 제어를 통해 모션 플랫폼의 플레이트가 처하게 되는 상태, 예를 들어 각도 및 위치를 나타낼 수 있다. 예를 들어 모션 고전 제어에 따르면 제어 명령은 복수의 구동기 각각의 길이를 지시할 수 있다. 제어 명령이 지시하는 구동기의 길이는, 예를 들어 모션 플랫폼의 제어 목표 상태를 기반으로 역기구학을 푸는 것에 의해 계산될 수 있다.

이어서, 생성된 제어 명령에 따라 모션 플랫폼의 복수의 구동기를 제어할 수 있다 (단계 1120). 예를 들어 서보 드라이버를 통해, 구동기들 각각의 길이를 역기구학에 의해 구해진 길이로 변경시킬 수 있다.

다시 도 11 을 참조하면, 앞서 살핀 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법을 기반으로, 3차원 모델 구동 엔진 내의 복수의 구동기 모델 (930) 각각의 길이를 복수의 구동기의 측정된 길이로 변경시키는 것에 의해 플레이트 모델 (920) 의 상태에 대한 값을 결정할 수 있다 (단계 1130). 모션 플랫폼의 성능 평가 또는 검증을 위해서는 제어 명령에 따라 모션 플랫폼이 실제로 작동한 상태에 대한 평가가 필요하다. 관련하여, 모션 플랫폼의 플레이트에 복수의 센서를 구비하는 방안이 고려될 수 있지만, 본 발명의 일 실시예에 따라 순기구학을 통해 플레이트의 상태에 대한 값을 구하는 것이 성능 및/또는 비용 측면에서 더 유리할 수 있다. 따라서, 모션 플랫폼의 복수의 구동기들이 제어 명령에 따라 제어된 상태, 즉, 구동기들 각각의 길이를 측정할 수 있고, 측정된 구동기들의 길이를 기반으로 플레이트의 상태를 계산할 수 있다. 복수의 구동기의 측정된 길이는, 복수의 구동기들 각각에 구비된 엔코더 (Encoder) 를 기반으로 측정된 것일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 순기구학의 구현 방법은 3차원 모델 구동 엔진을 이용할 수 있으므로, 3차원 모델 구동 엔진 내의 구동기 모델 (930) 들 각각의 길이를 측정된 구동기들 각각의 길이로 변경시키면, 시뮬레이션의 진행에 따라 플레이트 모델 (920) 의 정상 상태에서의 상태 값을 산출할 수 있다.

다음으로, 다시 도 11 을 참조하면, 제어 목표 상태와 플레이트 모델의 상태에 대한 값을 기반으로 모션 플랫폼의 성능을 평가할 수 있다 (단계 1140). 즉, 3차원 모델 구동 엔진 내의 플레이트 모델 (920) 의 상태를 제어에 따른 모션 플랫폼의 플레이트의 상태로 간주하여, 제어 명령의 제어에 따라 모션 플랫폼이 어느 정도까지 상태 제어가 수행되는 지 여부를 평가 또는 검증할 수 있다. 여기서, 모션 플랫폼에 대한 성능 평가는, 플레이트의 위치 및 각도 중 적어도 하나에 대한 상태 평가, 플레이트의 위치 및 각도 중 적어도 하나에 대한 변화 속도 평가 또는 플레이트의 위치 및 각도 중 적어도 하나에 대한 변화의 가속도 평가 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 평가 방법에 따르면 플레이트의 특정 시점에서의 상태에 대한 평가가 가능하므로, 복수의 시점들의 제어 명령에 따른 플레이트 모델의 상태에 대한 값을 기반으로 속도 및/또는 가속도에 대해서도 성능의 평가 및/또는 검증이 가능하다.

한편, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼 (Motion-platform) 의 순기구학 (Forward-kinematics) 을 구현하기 위한 방법이 모션 플랫폼의 오픈 루프 제어에도 활용될 수 있음을 아는 데 있어서 어려움이 없을 것이다. 예를 들어, 제어 목표가 되는 상태를 기반으로 역기구학을 통해 구동기들 각각의 목표 길이를 결정하고, 제어 명령에 따라 구동기들이 작동하였을 때 예를 들어 구동기들 각각에 구비된 엔코더를 기반으로 구동기들의 실제 길이를 측정하고, 측정된 길이를 3차원 모델 구동 엔진을 이용하여 순기구학을 푸는 것에 의해 3차원 모델 구동 엔진 내의 플레이트 모델의 상태 값을 산출할 수 있다. 플레이트 모델의 상태 값을 플레이트의 상태 값으로 가정하여, 오픈 루프 제어 방식을 통해 모션 플렛폼에 대한 제어를 수행할 수 있다.

컴퓨팅 시스템

도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법이 수행될 수 있는 예시적인 컴퓨팅 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 12 를 참조하면, 컴퓨팅 시스템 (800) 은 플래시 스토리지 (810), 프로세서 (820), RAM (830), 입출력 장치 (840) 및 전원 장치 (850) 를 포함할 수 있다. 또한, 플래시 스토리지 (810) 는 메모리 장치 (811) 및 메모리 컨트롤러 (812) 를 포함할 수 있다. 한편, 도 12 에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템 (800) 은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트 (port) 들을 더 포함할 수 있다.

컴퓨팅 시스템 (800) 은 퍼스널 컴퓨터로 구현되거나, 노트북 컴퓨터, 휴대폰, PDA (personal digital assistant) 및 카메라 등과 같은 휴대용 전자 장치로 구현될 수 있다.

프로세서 (820) 는 특정 계산들 또는 태스크 (task) 들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서 (820) 는 마이크로프로세서 (micro-processor), 중앙 처리 장치 (Central Processing Unit, CPU)일 수 있다. 프로세서 (820) 는 어드레스 버스 (address bus), 제어 버스 (control bus) 및 데이터 버스 (data bus) 등과 같은 버스 (860) 를 통하여 RAM (830), 입출력 장치 (840) 및 플래시 스토리지 (810) 와 통신을 수행할 수 있다.

일 실시예에 따라, 프로세서 (820) 는 주변 구성요소 상호연결 (Peripheral Component Interconnect, PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다.

RAM (830) 는 컴퓨팅 시스템 (800) 의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 디램 (DRAM), 모바일 디램, 에스램 (SRAM), 피램 (PRAM), 에프램 (FRAM), 엠램 (MRAM), 알램 (RRAM) 을 포함하는 임의의 유형의 랜덤 액세스 메모리가 RAM (830)으로 이용될 수 있다.

입출력 장치 (840) 는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 전원 장치 (850) 는 컴퓨팅 시스템 (800) 의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다.

한편, 상술한 본 발명에 따른 제어 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로는 컴퓨터 시스템에 의하여 해독될 수 있는 데이터가 저장된 모든 종류의 기록 매체를 포함한다. 예를 들어, ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 자기 테이프, 자기 디스크, 플래시 메모리, 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 컴퓨터 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다.

이상, 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

구체적으로, 설명된 특징들은 디지털 전자 회로, 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 또는 그들의 조합들 내에서 실행될 수 있다. 특징들은 예컨대, 프로그래밍 가능한 프로세서에 의한 실행을 위해, 기계 판독 가능한 저장 디바이스 내의 저장장치 내에서 구현되는 컴퓨터 프로그램 제품에서 실행될 수 있다. 그리고 특징들은 입력 데이터 상에서 동작하고 출력을 생성함으로써 설명된 실시예들의 함수들을 수행하기 위한 지시어들의 프로그램을 실행하는 프로그래밍 가능한 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 설명된 특징들은, 데이터 저장 시스템으로부터 데이터 및 지시어들을 수신하기 위해, 및 데이터 저장 시스템으로 데이터 및 지시어들을 전송하기 위해 결합된 적어도 하나의 프로그래밍 가능한 프로세서, 적어도 하나의 입력 디바이스, 및 적어도 하나의 출력 디바이스를 포함하는 프로그래밍 가능한 시스템 상에서 실행될 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들 내에서 실행될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 소정 결과에 대해 특정 동작을 수행하기 위해 컴퓨터 내에서 직접 또는 간접적으로 사용될 수 있는 지시어들의 집합을 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 컴파일된 또는 해석된 언어들을 포함하는 프로그래밍 언어 중 어느 형태로 쓰여지고, 모듈, 소자, 서브루틴(subroutine), 또는 다른 컴퓨터 환경에서 사용을 위해 적합한 다른 유닛으로서, 또는 독립 조작 가능한 프로그램으로서 포함하는 어느 형태로도 사용될 수 있다.

지시어들의 프로그램의 실행을 위한 적합한 프로세서들은, 예를 들어, 범용 및 특수 용도 마이크로프로세서들 둘 모두, 및 단독 프로세서 또는 다른 종류의 컴퓨터의 다중 프로세서들 중 하나를 포함한다. 또한 설명된 특징들을 구현하는 컴퓨터 프로그램 지시어들 및 데이터를 구현하기 적합한 저장 디바이스들은 예컨대, EPROM, EEPROM, 및 플래쉬 메모리 디바이스들과 같은 반도체 메모리 디바이스들, 내부 하드 디스크들 및 제거 가능한 디스크들과 같은 자기 디바이스들, 광자기 디스크들 및 CD-ROM 및 DVD-ROM 디스크들을 포함하는 비휘발성 메모리의 모든 형태들을 포함한다. 프로세서 및 메모리는 ASIC들(application-specific integrated circuits) 내에서 통합되거나 또는 ASIC들에 의해 추가되어질 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 일련의 기능 블록들을 기초로 설명되고 있지만, 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 실시 예들의 조합은 전술한 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 구현 및/또는 필요에 따라 전술한 실시예들 뿐 아니라 다양한 형태의 조합이 제공될 수 있다.

전술한 실시 예들에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로서 순서도를 기초로 설명되고 있으나, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 순서도에 나타난 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나, 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 실시 예는 다양한 양태의 예시들을 포함한다. 다양한 양태들을 나타내기 위한 모든 가능한 조합을 기술할 수는 없지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 다른 조합이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위 내에 속하는 모든 다른 교체, 수정 및 변경을 포함한다고 할 것이다.

Claims (10)

1. 3차원 모델 구동 엔진을 기반으로 모션 플랫폼 (Motion-platform) 의 순기구학 (Forward-kinematics) 을 구현하기 위한 방법으로서, 상기 모션 플랫폼은 복수의 구동기 (Actuator) 및 상기 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트를 포함하고, 상기 방법은,
   상기 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 하부 지지대 모델, 플레이트 모델, 복수의 구동기 모델 및 상기 복수의 구동기 모델 각각을 상기 플레이트 모델에 결합시키는 복수의 조인트 모델을 구성하는 단계;
   상기 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 상기 복수의 구동기 모델 각각의 길이를 제어 명령에 따른 길이로 변경시키는 단계; 및
   상기 3차원 모델 구동 엔진 내에서, 복수의 조인트 단부 - 여기서, 상기 조인트 단부는 상기 구동기 모델의 상기 조인트 모델에 결합되는 단부를 나타냄 - 와 상기 플레이트 모델 간의 거리가 최소화되는 시점에 상기 플레이트 모델의 상태에 대한 값을 결정하는 단계를 포함하는, 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 조인트 모델은,
   복수의 상기 조인트 단부와 상기 플레이트 모델 간의 거리가 변동 가능하도록 탄성을 가지도록 구성되는, 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 플레이트 모델의 상태에 대한 값은,
   상기 플레이트 모델의 위치에 대한 값 및 상기 플레이트 모델의 각도에 대한 값을 포함하는, 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 3차원 모델 구동 엔진은 유니티 (Unity) 3D 프로그램을 포함하는, 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 방법은,
   상기 플레이트 모델 또는 상기 조인트 모델 중 적어도 하나에 대한 파라미터를 설정하는 것에 의해 상기 모션 플랫폼에 대한 순기구학 구현 성능이 조정되는, 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 플레이트 모델에 대한 파라미터는, 상기 플레이트 모델의 질량, 상기 플레이트 모델의 저항력 또는 상기 플레이트 모델의 회전 저항력 중 적어도 하나에 대한 설정값을 포함하고,
   상기 조인트 모델에 대한 파라미터는, 상기 조인트 모델의 질량, 상기 조인트 모델의 저항력 또는 상기 조인트 모델의 회전 저항력 중 적어도 하나에 대한 설정값을 포함하는, 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 구동기 모델의 상기 하부 지지대 모델에 대한 연결부는 X, Y, Z 축에 대한 이동 및 회전이 제한되도록 구성되는, 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법.
   
8. 복수의 구동기 (Actuator) 및 상기 복수의 구동기에 의해 움직임 (Motion) 이 제어되는 플레이트를 포함하는 모션 플랫폼 (Motion-platform) 에 대한 성능 평가 방법으로서,
   모션 플랫폼의 제어 목표 상태에 대한 제어 명령을 생성하는 단계;
   상기 제어 명령에 따라 상기 모션 플랫폼의 복수의 구동기를 제어하는 단계;
   제 1 항에 따른 모션 플랫폼의 순기구학 구현 방법을 기반으로, 상기 복수의 구동기 모델 각각의 길이를 상기 복수의 구동기의 측정된 길이로 변경시키는 것에 의해 상기 플레이트 모델의 상태에 대한 값을 결정하는 단계; 및
   상기 제어 목표 상태와 상기 플레이트 모델의 상태에 대한 값을 기반으로 상기 모션 플랫폼의 성능을 평가하는 단계를 포함하는, 모션 플랫폼에 대한 성능 평가 방법.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 복수의 구동기의 측정된 길이는,
   상기 복수의 구동기들 각각에 구비된 엔코더 (Encoder) 를 기반으로 측정되는, 모션 플랫폼에 대한 성능 평가 방법.
   
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 모션 플랫폼에 대한 성능 평가는,
    상기 플레이트의 위치 및 각도 중 적어도 하나에 대한 상태 평가;
    상기 플레이트의 위치 및 각도 중 적어도 하나에 대한 변화 속도 평가; 또는
    상기 플레이트의 위치 및 각도 중 적어도 하나에 대한 변화의 가속도 평가 중 적어도 하나를 포함하는, 모션 플랫폼에 대한 성능 평가 방법.

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