KR102274201B1 - 6자유도 모션플랫폼의 부하무게 및 위치 추정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모션 시뮬레이터를 기계적으로 동작시키는 모션플랫폼의 무게중심 위치와 무게를 추정해서 모션 시뮬레이터의 후속 프로세스가 실행되도록 하는 6자유도 모션플랫폼의 부하무게 및 위치 추정방법 에 관한 것으로, 탑승함이 안착되는 마운팅패드가 6개의 리니어 액추에이터에 의해 지지되어 동작하는 모션플랫폼에서, 상기 마운팅패드의 기본부하 외에 구동부하는 부재하고, 상기 기본부하의 무게가 마운팅패드의 기본자세에서 원점에 위치한 경우, 서보모터 토크센서가 상기 리니어 액추에이터별 서보모터의 기본토크를 센싱해 수집하는 제1단계; 상기 마운팅패드 상에 구동부하 무게가 존재하는 상태에서 서보모터 컨트롤러가 서보모터를 제어하여 마운팅패드를 기본자세로 세팅하고, 상기 서보모터 토크센서가 리니어 액추에이터별 구동토크를 센싱해 수집하는 제2단계; 부하인식모듈이 상기 구동토크를 자코비안(Jacobian) 알고리즘에 적용해서, 상기 마운팅패드에 가해지는 Z 방향 부하의 총합을 연산하고 구동부하 무게를 확인하는 제3단계; 위치인식모듈이 상기 구동토크를 자코비안 알고리즘에 적용해서 구동부하 위치를 연산하고 확인하는 제4단계;를 포함한다.

Description

6자유도 모션플랫폼의 부하무게 및 위치 추정방법{METHOD FOR WEIGHT AND POSITION OF 6-DOF MOTION PLATFORM}

본 발명은 모션 시뮬레이터를 기계적으로 동작시키는 모션플랫폼의 무게중심 위치와 무게를 추정해서 모션 시뮬레이터의 후속 프로세스가 실행되도록 하는 6자유도 모션플랫폼의 부하무게 및 위치 추정방법 에 관한 것이다.

일반적으로 모션 시뮬레이터는 컴퓨터에 의해 제어되는 가상 환경에 맞도록 동적 변화를 재현함으로써 사용자에게 가상 현실의 움직임을 현실처럼 느낄 수 있도록 하는 장치로서, 비행 시뮬레이션이나 운전 시뮬레이션 등을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 최근에는 3차원을 체감할 수 있도록 게임용이나 극장용 시뮬레이터 등으로 널리 활용되고 있다.

종래 모션 시뮬레이터는 사용자의 신체적 움직임을 유발해서 현실감을 높이는 4G 체계로 구축되었으며, 일반적으로 사용자가 탑승하는 탑승함을 6개의 리니어 액추에이터(Linear Actuator)로 구성된 모션플랫폼이 지지하도록 했다.

그런데 탑승함에 탑승한 사용자의 체중과 배치 위치 등에 따라 모션플랫폼이 받는 무게중심은 달라질 수밖에 없었고, 이는 곧 액추에이터의 동작에 작용해서 탑승함의 움직임에 영향을 주었다. 물론 액추에이터 동작의 변화는사용자에 따라 4G 체감을 다르게 하는 요인이 되었고, 이는 곧 사용자가 객관적으로 받는 현장감에 차이를 일으키므로, 모션 시뮬레이터 기술 분야에서 시급히 개선되어야 할 과제였다.

이러한 문제를 해소하기 위해서 종래에는 시뮬레이션 보드에 탑승한 사용자의 무게 중심 이동 및 트위스팅을 감지하는 하체 모션 감지 보드가 제안되었다.

하지만 종래 하체 모션 감지 보드는, 연결축 간의 거리 측정과 모션 플레이트 간의 비틀림 정도를 각각 감지하는 별도의 센서 장비가 요구되므로, 시뮬레이션 보드의 무게 중심을 감지하기 위한 추가 장비 구성이 불가피했고, 추가 장비와의 연동을 위한 알고리즘 개발 역시 이루어져야 하는 불리함이 있었다.

선행기술문헌 1. 특허등록번호 제10-1941465호(2019.04.12 공고)

이에 본 발명은 상기의 문제를 해소하기 위한 것으로, 모션플랫폼의 상부 부하 및 무게중심 위치를 별도의 센서 없이 측정해서 부하 위치의 적합성을 판단하고 통지하는 6자유도 모션플랫폼의 부하무게 및 위치 추정방법 의 제공을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기의 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

탑승함이 안착되는 마운팅패드가 6개의 리니어 액추에이터에 의해 지지되어 동작하는 모션플랫폼에서, 상기 마운팅패드의 기본부하 외에 구동부하는 부재하고, 상기 기본부하의 무게가 마운팅패드의 기본자세에서 원점에 위치한 경우, 서보모터 토크센서가 상기 리니어 액추에이터별 서보모터의 기본토크를 센싱해 수집하는 제1단계;

상기 마운팅패드 상에 구동부하 무게가 존재하는 상태에서 서보모터 컨트롤러가 서보모터를 제어하여 마운팅패드를 기본자세로 세팅하고, 상기 서보모터 토크센서가 리니어 액추에이터별 구동토크를 센싱해 수집하는 제2단계;

부하인식모듈이 상기 구동토크를 자코비안(Jacobian) 알고리즘에 적용해서, 상기 마운팅패드에 가해지는 Z 방향 부하의 총합을 연산하고 구동부하 무게를 확인하는 제3단계; 및

위치인식모듈이 상기 구동토크를 자코비안 알고리즘에 적용해서 구동부하 위치를 연산하고 확인하는 제4단계;

를 포함하는 6자유도 모션플랫폼의 부하무게 및 위치 추정방법이다.

상기의 본 발명은, 무게추정 알고리즘을 통해 모션플랫폼의 상부 부하 및 무게중심 위치를 별도의 센서 없이도 측정해서 부하 위치의 적합성을 판단하고, 상부 부하 및 무게중심 위치가 허용 범위를 벗어나면 알람 등을 통해 탑승자 또는 관리자 등의 사용자에게 통지하므로, 부가 장비 없이도 모션플랫폼의 안정된 동작이 가능하고, 모션 시뮬레이터의 현실감 있는 가상 체험 기능을 실현시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 부하무게 및 위치 추정방법이 적용되는 모션플랫폼의 일실시 예를 보인 이미지이고,
도 2는 본 발명에 따른 부하무게 및 위치 추정방법의 프로세스를 실행하는 부하감지시스템의 일실시 예를 도시한 블록도이고,
도 3은 본 발명에 따른 부하무게 및 위치 추정방법이 적용되는 모션플랫폼의 각 구성을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 부하무게 및 위치 추정방법의 프로세스를 순차 도시한 플로차트이고,
도 5는 본 발명에 따른 부하무게 및 위치 추정방법에 적용되는 자코비안 행렬의 모습을 보인 수학식이고,
도 6은 본 발명의 자코비안 행렬 구축을 위한 모션플랫폼의 기본 좌표 구조를 보인 이미지이고, 도 7은 상기 모션플랫폼의 마운팅패드에 가해지는 기본부하와 리니어 액추에이터의 힘 간의 관계를 도시한 역학 그래프이고,
도 8은 상기 모션플랫폼의 마운팅패드에 X 방향으로 편중해 가해지는 구동부하와 리니어 액추에이터의 힘 간의 관계를 도시한 역학 그래프이고,
도 9은 상기 모션플랫폼의 마운팅패드에 Y 방향으로 편중해 가해지는 구동부하와 리니어 액추에이터의 힘 간의 관계를 도시한 역학 그래프이다.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명을 구체적인 내용이 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 부하무게 및 위치 추정방법이 적용되는 모션플랫폼의 일실시 예를 보인 이미지이고, 도 2는 본 발명에 따른 부하무게 및 위치 추정방법의 프로세스를 실행하는 부하감지 시스템의 일실시 예를 도시한 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 부하무게 및 위치 추정방법이 적용되는 모션플랫폼의 각 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시의 부하무게 및 위치 추정방법을 프로세싱하는 부하감지 시스템(100)은 모션플랫폼의 리니어 액추에이터(200, 200', 200"; 이하 '200')를 구동시키는 서보모터(110)와, 서보모터(110)의 동작을 제어하며 모션플랫폼의 기본자세 데이터와 기본부하 데이터 및 원점 위치데이터를 관리하는 서보모터 컨트롤러(120)와, 상기 모션플랫폼 동작을 위한 서보모터(110)의 동력인 토크를 센싱하는 서보모터 토크센서(130)와, 서보모터(110)별 토크를 자코비안(Jacobian) 알고리즘에 적용해서 마운팅패드(400)에 가해지는 기본부하 및 구동부하를 연산해 확인하는 부하인식모듈(140)과, 서보모터(110)별 토크를 자코비안(Jacobian) 알고리즘에 적용해서 마운팅패드(400)에 가해지는 기본부하 및 구동부하의 위치를 연산해 확인하는 위치인식모듈(150)을 포함한다.

또한 본 실시의 부하감지 시스템(100)은 구동부하의 위치가 기준범위를 초과하면 경고서비스를 실행하고, 서보모터 컨트롤러(120)가 서보모터(110)의 동작을 정지시키도록 하는 알람모듈(160)을 더 포함한다.

Stewart 타입의 상기 모션플랫폼은, 베이스 프레임(300)과, 베이스 프레임(300) 상에 회동 가능하게 설치되는 6개의 리니어 액추에이터(200)와, 리니어 액추에이터(200)에 지지되며 상부에 탑승함(C)을 거치하는 마운팅패드(400)로 구성된다. 따라서 6개 리니어 액추에이터(200)의 동작을 따라 마운팅패드(400)가 상하좌우로 움직이고, 마운팅패드(400)의 움직임을 따라 탑승함(C) 역시 상하좌우로 움직인다. 모션플랫폼의 제원에 따라 리니어 액추에이터(200)의 길이와 장착 위치 및 장착 각도가 결정된다.

리니어 액추에이터(200)는 서보모터(110)의 회전 방향과 회전수 등에 따라 인장 또는 압축하는 실린더 타입의 공지 장치이다. 참고로, 리니어 액추에이터(200)의 본체(210)에 탑재된 서보모터(110)의 회전방향에 따라 랙(220)이 본체(210)로부터 인입출하므로, 서보모터(110)의 토크가 곧 리니어 액추에이터(200)가 받는 부하이다.

한편, 탑승함(C)은 조작에 따라 탑승함(C)이 움직이도록 세팅된 제어신호를 생성해 발신하는 조작기판과, 상기 제어신호에 따라 디스플레이되는 시뮬레이션 이미지를 출력시키는 스크린을 갖춘 공간이다. 그런데, 탑승함(C)에 탑승한 사용자(이하 '탑승자')의 체중은 상기 모션플랫폼에 가하는 부하가 되고, 상기 부하는 모션플랫폼의 리니어 액추에이터에 물리적 영향을 준다. 그런데 편중된 부하는 특정 리니어 액추에이터의 동작에 무리를 주어서 설정치와는 다른 움직임을 유도하고, 이는 곧 스크린에 출력되는 시뮬레이션 이미지와는 다른 행태를 이루었다.

물론 이러한 행태는 탑승자가 느끼는 4G 시뮬레이션의 현실감을 약화시키는 요인이 되므로, 다음의 방법을 통해 문제를 해소하였다.

도 4는 본 발명에 따른 부하무게 및 위치 추정방법의 프로세스를 순차 도시한 플로차트이고, 도 5는 본 발명에 따른 부하무게 및 위치 추정방법에 적용되는 자코비안 행렬의 모습을 보인 수학식이고, 6은 본 발명의 자코비안 행렬 구축을 위한 모션플랫폼의 기본 좌표 구조를 보인 이미지이고, 도 7은 상기 모션플랫폼의 마운팅패드에 가해지는 기본부하와 리니어 액추에이터의 힘 간의 관계를 도시한 역학 그래프이고, 도 8은 상기 모션플랫폼의 마운팅패드에 X 방향으로 편중해 가해지는 구동부하와 리니어 액추에이터의 힘 간의 관계를 도시한 역학 그래프이고, 도 9는 상기 모션플랫폼의 마운팅패드에 Y 방향으로 편중해 가해지는 구동부하와 리니어 액추에이터의 힘 간의 관계를 도시한 역학 그래프이다.

도 1 내지 도 9를 참조한다.

S11; 기본토크 및 기본부하 수집 단계

마운팅패드(400)의 기본부하 외에 구동부하는 부재하고, 상기 기본부하의 무게가 마운팅패드(400)의 기본자세에서 원점에 위치한 경우, 서보모터 토크센서(130)가 리니어 액추에이터(200)별 서보모터(110)의 기본토크를 센싱해 수집한다.

여기서 상기 기본부하는 탑승자 등의 추가 부하 없이 마운팅패드(400)와 탑승함(C)만으로 이루어진 중량이고, 상기 기본자세는 리니어 액추에이터(200) 각각이 탑승함(C)이 안착된 기본부하 상태의 마운팅패드(400)를 균일하게 부담하며 지지하는 자세이다. 또한 상기 원점은 기본부하 및 기본자세의 무게중심이다.

따라서 기본부하와 기본자세와 원점 위치를 기준으로 리니어 액추에이터(200)의 안정화 여부를 판단한다.

참고로, 상기 모션플랫폼을 수식으로 구성한 것을 동역학 모델이라 하며, 리니어 액추에이터(200)의 장착 위치 및 장착 각도는 액추에이터의 동역학 모델 중 도 5의 자코비안(Jacobian) 알고리즘으로 표현한다. 여기서 구동토크에 의한 힘이 자코비안 알고리즘에 의하여 상판에 작용되고, 구동부하를 지탱하거나 움직이게 한다.

상기 기본자세 및 원점 상태의 기본부하에서 리니어 액추에이터(200)의 기본토크는 [수학식 1]의 관계식을 이루고, 동역학적 관계는 도 7과 같다.

6자 유도 모션플랫폼은 이를 구성하는 마운팅패드(400)와 베이스 프레임(300) 그리고 액추에이터(200) 간의 지오매트리(Geometry)(도 6 참조)에 의해 6개 액추에이터(200)의 방향 벡터가 결정된다. 결국, 액추에이터(200)의 양단이 연결되는 마운팅패드(400)와 베이스 프레임(300) 각각의 6개 지점의 벡터 좌표는 'Skew Symmetric Matrix'와 'Rotational Matrix' 알고리즘에 의해 확인된다.

S12; 리니어 액추에이터의 구동토크 수집 단계

마운팅패드(400) 상에 구동부하 무게가 존재하는 상태에서 서보모터 컨트롤러(120)가 서보모터(110)를 제어하여 마운팅패드(400)를 기본자세로 세팅하고, 서보모터(110) 토크센서가 리니어 액추에이터(200)별 구동토크를 센싱해 수집한다.

이를 좀 더 설명하면, 탑승자의 탑승으로 기본부하에 구동부하가 추가되면, 모션플랫폼의 안정된 동작과 최적화된 시뮬레이션 환경을 실현하도록 상기 구동부하가 원점을 기준으로 기준범위 이내인지 여부를 판단한다. 이를 위해 마운팅패드(400)가 기본자세를 유지하는 상태에서 리니어 액추에이터(200)가 부담하는 힘을 체크한다. 여기서 상기 힘은 서보모터(110)의 구동토크이고, 상기 구동토크는 서보모터 토크센서(130)가 센싱한다.

S13; 구동부하 무게 확인 단계

부하인식모듈(140)이 상기 구동토크를 도 5의 자코비안(Jacobian) 알고리즘에 적용해서, 마운팅패드(400)에 가해지는 Z 방향 부하의 총합을 연산하고 구동부하 무게를 확인한다.

본 단계를 좀 더 구체적으로 설명하면, 부하인식모듈(140)은 서보모터 토크센서(130)가 센싱한 리니어 액추에이터(200)별 구동토크를 서보모터 컨트롤러(120)를 통해 수신한다. 상기 구동부하의 원점 여부와는 상관없이 Z 방향의 부하 총합은 [수학식 1]을 기반으로 연산하고, 이를 통해 구동부하의 무게를 확인한다.

S14; 구동부하 위치 확인 단계

위치인식모듈(150)이 상기 구동토크를 자코비안 알고리즘에 적용해서 구동부하 위치를 연산하고 확인한다.

도 8과 같이 구동부하가 X 방향으로 편중된 경우, 상기 구동부하의 X 방향 편중 위치를 자코비안 알고리즘에 따라 [수학식 2]를 통해 연산할 수 있다. 본 실시 예에서는 X 방향 편중 위치가 원점을 기준으로

만큼 편중한다.

또한 도 9과 같이 상기 구동부하의 Y 방향 편중 위치는 [수학식 3]을 통해 연산할 수 있다. 본 실시 예에서는 Y 방향 편중 위치가 원점을 기준으로

만큼 편중한다.

결국 위치인식모듈(50)은 x,v 2차원의 마운팅패드(400)에서 구동부하의 편중 위치를 원점을 기준으로 연산하고, 탑승함(c)의 동작 안정성 여부를 판단하기 위한 구동부하 위치 정보를 수집한다.

S15; 기준범위 초과 확인 단계

알람모듈(160)은, 상기 구동부하의 위치가 기준범위를 초과하면 경고서비스를 실행하고, 서보모터 컨트롤러(120)가 서보모터(110)의 동작을 정지시키도록 제어한다.

상기 경고서비스는 경고방송, 모션플랫폼의 강제 정지, 탑승자의 위치 변경 안내 등일 수 있다.

상기 기준범위는 원점으로부터의 거리에 따라 등급화할 수 있고, 등급화된 위험도에 따라 후속 경고서비스를 차별화할 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조해 설명했지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100; 부하감지 시스템 110; 서보모터
120; 서보모터 컨트롤러 130; 서보모터 토크센서
140; 부하인식모듈 150; 위치인식모듈 160; 알람모듈
200, 200', 200"; 리니어 액추에이터 210; 본체
220; 랙 300; 베이스 프레임 400; 마운팅패드
c; 탑승함

Claims (2)

1. 탑승함이 안착되는 마운팅패드가 6개의 리니어 액추에이터에 의해 지지되어 동작하는 모션플랫폼에서, 상기 마운팅패드의 기본부하 외에 구동부하는 부재하고, 상기 기본부하의 무게가 마운팅패드의 기본자세에서 원점에 위치한 경우, 서보모터 토크센서가 상기 리니어 액추에이터별 서보모터의 기본토크를 센싱해 수집하는 제1단계;
   상기 마운팅패드 상에 구동부하 무게가 존재하는 상태에서 서보모터 컨트롤러가 서보모터를 제어하여 마운팅패드를 기본자세로 세팅하고, 상기 서보모터 토크센서가 리니어 액추에이터별 구동토크를 센싱해 수집하는 제2단계;
   부하인식모듈이 상기 구동토크를 자코비안(Jacobian) 알고리즘에 적용해서, 상기 마운팅패드에 가해지는 Z 방향 부하의 총합을 연산하고 구동부하 무게를 확인하는 제3단계; 및
   위치인식모듈이 상기 구동토크를 자코비안 알고리즘에 적용해서 구동부하 위치를 연산하고 확인하는 제4단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 6자유도 모션플랫폼의 부하무게 및 위치 추정방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제4단계 이후, 상기 구동부하 위치의 기준범위 초과를 알람모듈이 확인하면 경고서비스를 실행하고, 상기 서보모터 컨트롤러는 서보모터를 정지시키는 제5단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 6자유도 모션플랫폼의 부하무게 및 위치 추정방법.

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