KR20230071886A - 5-자유도 시뮬레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 5-자유도 시뮬레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 제1방향축 상 선형운동하며, 제3방향축 상 회전운동함으로써 총 2-자유도를 가지는 제1이동모듈 및 제1방향축 및 제2방향축 상 roll-pitc 회전운동하며, 제3방향축 상 선형운동함으로써 총 3-자유도를 가지는 제2이동모듈를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-자유도 시뮬레이터에 관한 것이다.

Description

5-자유도 시뮬레이터 {5-DOF simulator}

본 발명은 5-자유도 시뮬레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 제1방향축 상 선형운동하며, 제3방향축 상 회전운동함으로써 총 2-자유도를 가지는 제1이동모듈 및 제1방향축 및 제2방향축 상 roll-pitc 회전운동하며, 제3방향축 상 선형운동함으로써 총 3-자유도를 가지는 제2이동모듈를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-자유도 시뮬레이터에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

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.

모션 플랫폼의 활용 목적에 따라 정밀성, 모션 출력 사양, 경제성, 공간 효율성 등에 대한 요구 사양을 각기 달리하여 플랫폼을 개발하게 된다. 예를 들면 항공기 조종사의 가상 훈련용 모션 플랫폼은 높은 정밀성과 출력 사양을 요구하게 되며, 4D 영화관용 모션 플랫폼은 경제성과 공간 효율성을 요구하게 된다.

하지만 이 사양들을 모두를 갖추도록 모션 플랫폼을 개발하는 것은 매우 어려운 일이다. 예를 들면 출력 사양이 높아지면 구동부 및 관련 드라이버 등 부품의 단가가 높아지고 소비전력이 커져서 경제성이 떨어지게 되고 전체 부피가 커져 공간 효율성이 떨어지게 된다.

모션 플랫폼은 일반적으로 모든 부하와 하중을 지지하고 정지상태를 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.

모션에 대한 높은 정밀성과 출력 사양을 위해 일반적으로 많이 쓰는 모션 플랫폼 메커니즘 형태는 스튜어트 플랫폼(stewart platform)라 불리는 형태이다.

상부체와 하부체 사이에 6개의 구동부를 배치하고 실린더 각 끝은 유니버셜 관절로 상부체와 하부체와 연결하는 형태를 가진다.

이 때, 구동부는 직선 동작을 하는 실린더를 사용한다. 이 형태는 6 자유도를 가짐으로서 모든 자유도에 대한 모션이 가능하고 높은 정밀성과 출력 사양을 가지지만, 부품 가격이 비싸고 부피가 커서 공간 효율성이 떨어진다는 단점이 있다.

그리고 경제성과 공간 효율성을 위해 회전 동작을 하는 전동 모터와 링크 및 회전 관절의 조합으로 이루어진 메커니즘을 적용한 모션 플랫폼 형태가 있다. 이 형태는 스튜어트 플랫폼 보다 적은 개수의 구동부를 사용함으로서 구동부의 수량에 대응되는 자유도를 가진다.

그리고 이 형태는 구동부를 적게 둘 수 있어서 상대적으로 저렴한 부품을 적용할 수 있고 부피가 작아 공간 효율성이 높지만 모션이 불가능한 자유도가 존재하고 출력 사양이 떨어진다는 단점이 있다.

따라서, 상술한 것과 같이 종래기술이 갖는 문제점을 해결할 수 있는 모션 플랫폼 개발이 요구된다.

본 발명에 의해 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 종래기술의 단점을 보완하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.

첫째, 가상현실 체험을 위한 기본적인 3-자유도 구동 이외에 수평이동 및 자체 회전 등을 구현하여 등퇴장, 자전 등과 같은 보다 다채로운 연출을 수행할 수 있도록 총 5-자유도 구동 가능한 초 실감형 시뮬레이터를 제공하고자 한다.

둘째, 다수의 인원이 동시에 가상현실을 체험할 수 있도록 최대 20명의 인원을 수용할 수 있는 플랫폼이 제공되며, 다수의 인원이 탑승하는 경우 그 하중에 의해 야기되는 이동유닛의 손상 또는 오작동을 방지할 수 있도록 하중방지유닛 및 댐퍼가 구비되는 초 실감형 시뮬레이터를 제공하고자 한다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 제1방향축 상 선형운동하며, 제3방향축 상 회전운동함으로써 총 2-자유도를 가지는 제1이동모듈 및 제1방향축 및 제2방향축 상 roll-pitc 회전운동하며, 제3방향축 상 선형운동함으로써 총 3-자유도를 가지는 제2이동모듈를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-자유도 시뮬레이터가 제공된다.

이 때, 입장 및 퇴장 체험을 실현할 수 있도록 상기 제1이동모듈은 물체를 적재할 수 있는 안착면을 포함하는 제1테이블, 회전 구동력을 발생시키는 제1구동유닛; 상기 제1테이블 하면에 연결되어 일측이 상기 제1구동유닛과 연결되어 상기 회전 구동력을 직선 운동으로 변환시켜 제1방향축 상 선형운동하는 제1방향 선형이동유닛 및 상기 제1테이블 하측에 배치되어 상기 제1테이블의 제1방향축 상 가동범위를 설정하는 제1방향 선형레일을 포함하며, 상기 제1테이블이 제1방향축 상 선형 이동할 수 있다.

또한, 제1이동모듈은 상기 제1테이블 상면으로부터 소정거리 이격되어 배치되며, 물체를 적재할 수 있는 안착면을 포함하는 제2테이블, 상기 제1테이블과 상기 제2테이블 사이에 배치되어, 회전 구동력을 발생시키는 제2구동유닛, 상기 제2테이블 하면에 연결되며, 일측이 상기 제2구동유닛과 연결되어 상기 회전 구동력을 통해 제3방향축 상 회전 운동하는 제3방향 회전이동유닛 및 상기 제1테이블 상면에 배치되어 상기 제2테이블의 제3방향축 상 회전가동범위를 설정하는 제3방향 회전레일을 포함하며, 상기 제2테이블이 제3방향축 상 회전 이동할 수 있다.

나아가, 상기 제1방향 선형레일은 상기 제1테이블 양 측부 및 중심부에 배치되며, 상기 제1방향 선형이동유닛은 복수개가 구비되며, 하나의 상기 제1방향 선형이동유닛은 상기 제1구동유닛의 일측에 연결되고, 다른 하나의 상기 제1방향 선형이동유닛이 상기 제1구동유닛의 타측에 동일한 기어비로 연결되며, 상기 제1방향 선형레일 사이에 각각 배치될 수 있다.

한편, 제1방향 선형레일은 상기 제1방향 선형이동유닛이 상기 제1방향 선형레일과의 충돌로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있도록 상기 제1방향 선형레일의 양 단부에 배치되어 소정의 충격량을 흡수하는 댐퍼를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 댐퍼는 분할벽에 의해 좌실 및 우실로 분리되는 내부 수용공간을 포함하는 하우징, 상기 좌실에 순차적으로 배치되는 제1마찰부재, 탄성체, 캠샤프트 및 상기 우실에 순차적으로 배치되는 탄성체, 제2마찰부재를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2이동모듈은 부하와 하중을 지지하며 정지상태를 유지하는 하부체, 상기 하부체와 이격 배치되며, 모션이 출력되는 상부체, 일측은 상기 하부체의 외측 상부면의 적어도 둘 이상의 임의의 지점에 연결되고, 타측은 상기 상부체의 내측 하부면의 적어도 둘 이상의 임의의 지점에 연결되어 소정의 슬로프를 가진 채 상기 상부체와 상기 하부체를 연결하는 복수개의 링크부, 상기 링크부의 일측에 연결되어 상기 상부체의 모션을 출력할 수 있도록 구동력을 발생시키며, 상기 링크부의 개수에 대응되어 형성되는 복수개의 제3구동유닛 및 상기 링크부와 상기 하부체가 연결된 지점에 형성되어, 상기 상부체의 하강동작 시와 상승동작 시 상기 링크부에 가해지는 하중을 보상할 수 있도록 탄성체로 형성되는 하중보상유닛을 포함할 수 있다.

나아가, 상기 하중보상유닛은 상기 상부체의 롤, 피치 모션에 대응하여 상기 링크부의 내측방향으로 기울어진 경사면을 포함할 수 있다.

본 발명의 추가적인 해결수단은 아래에서 이어지는 설명에서 일부 설명될 것이고, 그 설명으로부터 부분적으로 용이하게 확인할 수 있게 되거나, 또는 본 발명의 실시에 의해 지득될 수 있다.

전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두는 단지 예시적이고 설명을 위한 것이며 청구범위에 기재된 본 발명을 제한하지 않는다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.

첫째, 가상현실 체험을 위한 기본적인 3-자유도 구동 이외에 수평이동 및 자체 회전 등을 구현하여 도합 총 5-자유도를 확보하여 등퇴장, 자전 등과 같은 보다 다채로운 연출을 수행할 수 있다.

둘째, 다수의 인원이 동시에 가상현실을 체험할 수 있도록 최대 20명의 인원을 수용할 수 있는 플랫폼이 제공되며, 하중방지유닛 및 댐퍼가 구비되므로써 다수의 인원이 탑승하는 경우 그 하중에 의해 야기되는 이동유닛의 손상 또는 오작동을 방지할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 따르는 5-자유도 시뮬레이터의 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시례에 따르는 제1이동모듈의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따르는 제2이동모듈의 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태에 대하여 상세하게 서술하도록 한다.

다만, 본 발명의 구체적인 일 실시 형태를 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다. 다만, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예 들을 포함할 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.

본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 단지 명세서를 용이하게 작성하기 위해 사용되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미나 역할을 갖는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 따르는 5-자유도 시뮬레이터의 사시도이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시례에 따르는 제1이동모듈(100)의 사시도이다.

본 발명의 일 실시례를 따르는 5-자유도 시뮬레이터는 제1이동모듈(100) 및 제2이동모듈(200)을 포함할 수 있다.

제1이동모듈(100)은 제1방향축 상 선형운동하며, 제3방향축 상 회전운동함으로써 총 2-자유도를 가질 수 있다.

제2이동모듈(200)은 제1방향축 및 제2방향축 상 roll-pitc 회전운동하며, 제3방향축 상 선형운동함으로써 총 3-자유도를 가질 수 있다.

제1이동모듈(100)은 제1테이블(T), 제1구동유닛(M), 제1방향 선형이동유닛(110) 및 제1방향 선형레일(120)을 포함할 수 있다.

제1테이블(T)은 그 상면에 물체를 적재할 수 있는 안착면을 포함할 수 있다.

제1구동유닛(M)은 소형 발전기 등과 같은 것으로서, 회전 구동력을 발생시킬 수 있다.

제1방향 선형이동유닛(110)은 상기 제1테이블(T) 하면에 연결되고 일측이 상기 제1구동유닛(M)과 연결되어 상기 회전 구동력을 직선 운동으로 변환시켜 제1방향축 상 선형운동할 수 있다.

제1방향 선형레일(120)은 상기 제1테이블(T) 하측에 배치되어 상기 제1테이블(T)의 제1방향축 상 가동범위를 설정할 수 있다.

보다 상세하게는, 상기 제1방향 선형레일(120)은 상기 제1테이블(T) 양 측부 및 중심부에 배치될 수 있으며, 상기 제1방향 선형이동유닛(110)은 복수개가 구비되어, 하나의 상기 제1방향 선형이동유닛(110)은 상기 제1구동유닛(M)의 일측에 연결되고, 다른 하나의 상기 제1방향 선형이동유닛(110)이 상기 제1구동유닛(M)의 타측에 동일한 기어비로 연결되며, 상기 제1방향 선형레일(120) 사이에 각각 배치될 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 일 실시례를 따르는 제1이동유닛은 입장 및 퇴장 체험을 실현할 수 있으며, 상기 제1테이블(T)이 제1방향축 상 선형 이동할 수 있다.

상기 제1이동모듈(100)은 제테이블(T), 제2구동유닛(M), 제3방향 회전이동유닛(130) 및 제3방향 회전레일(140)을 포함할 수 있다.

제2테이블(T)은 상기 제1테이블(T) 상면으로부터 소정거리 이격되어 배치되며, 물체를 적재할 수 있는 안착면을 포함할 수 있다.

제2구동유닛(M)은 상기 제1테이블(T)과 상기 제2테이블(T) 사이에 배치되어, 회전 구동력을 발생시킬 수 있다.

제3방향 회전이동유닛(130)은 상기 제2테이블(T) 하면에 연결되며, 일측이 상기 제2구동유닛(M)과 연결되어 상기 회전 구동력을 통해 제3방향축 상 회전 운동할 수 있다.

제3방향 회전레일(140)은 상기 제1테이블(T) 상면에 배치되어 상기 제2테이블(T)의 제3방향축 상 회전가동범위를 설정할 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 일 실시례를 따르는 제1이동유닛은 자전과 같은 체험을 실현할 수 있으며, 상기 제2테이블(T)이 제3방향축 상 회전 이동할 수 있다.

제1방향 선형레일(120)은 상기 제1방향 선형이동유닛(110)이 상기 제1방향 선형레일(120)과의 충돌로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있도록 상기 제1방향 선형레일(120)의 양 단부에 배치되어 소정의 충격량을 흡수하는 댐퍼를 포함할 수 있다.

댐퍼는 분할벽에 의해 좌실 우실로 분리되는 하우징, 제1마찰부재, 제2마찰부재, 탄성체 및 캠샤프트를 포함할 수 있다.

하우징은 분할벽에 의해 좌실 및 우실로 분리되며, 내부 수용공간을 포함할 수 있다.

제1마찰부재, 탄성체, 캠샤프트는 상기 좌실에 순차적으로 배치될 수 있다.

탄성체 및 제2마찰부재는 상기 우실에 순차적으로 배치될 수 있다.

상기 마찰부재는 상기 캠샤프트에 대하여 종속적으로 회전운동하고, 독립적으로 직선 운동할 수 있다.

이를 위해 상기 마찰부재와 캠샤프트에는 각각 단차면이 형성되어 단착결합할 수 있다.

상기 탄성체는 상기 하우징의 분할벽과 상기 마찰부재 사이에 배치되어, 상기 마찰부재의 일면이 상기 탄성체과 면 접촉할 수 있다.

상기 탄성체는 상기 캠샤프트에 대하여 독립적으로 회전운동할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시례에 따르는 제2이동모듈(200)의 사시도이다.

상기 제2이동모듈(200)은 부하와 하중을 지지하며 정지상태를 유지하는 하부체, 상기 하부체와 이격 배치되며, 모션이 출력되는 상부체, 일측은 상기 하부체의 외측 상부면의 적어도 둘 이상의 임의의 지점에 연결되고, 타측은 상기 상부체의 내측 하부면의 적어도 둘 이상의 임의의 지점에 연결되어 소정의 슬로프를 가진 채 상기 상부체와 상기 하부체를 연결하는 복수개의 링크부, 상기 링크부의 일측에 연결되어 상기 상부체의 모션을 출력할 수 있도록 구동력을 발생시키며, 상기 링크부의 개수에 대응되어 형성되는 복수개의 제3구동유닛(M) 및 상기 링크부와 상기 하부체가 연결된 지점에 형성되어, 상기 상부체의 하강동작 시와 상승동작 시 상기 링크부에 가해지는 하중을 보상할 수 있도록 탄성체로 형성되는 하중보상유닛을 포함할 수 있다.

나아가, 상기 하중보상유닛은 상기 상부체의 롤, 피치 모션에 대응하여 상기 링크부의 내측방향으로 기울어진 경사면을 포함할 수 있다.

본 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 본 실시예의 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

본 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 따라서 본 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등하거나 균등하다고 인정되는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

T - 테이블
M - 구동유닛
100 - 제1이동모듈
110 - 제1방향 선형이동유닛
120 - 제1방향 선형레일
130 - 제3방향 회전이동유닛
140 - 제3방향 회전레일
200 - 제2이동모듈

Claims (7)

1. 제1방향축 상 선형운동하며, 제3방향축 상 회전운동함으로써 총 2-자유도를 가지는 제1이동모듈; 및
   제1방향축 및 제2방향축 상 roll-pitc 회전운동하며, 제3방향축 상 선형운동함으로써 총 3-자유도를 가지는 제2이동모듈
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-자유도 시뮬레이터.
   
2. 제1항에 있어서
   입장 및 퇴장 체험을 실현할 수 있도록 상기 제1이동모듈은
   물체를 적재할 수 있는 안착면을 포함하는 제1테이블;
   회전 구동력을 발생시키는 제1구동유닛;
   상기 제1테이블 하면에 연결되어 일측이 상기 제1구동유닛과 연결되어 상기 회전 구동력을 직선 운동으로 변환시켜 제1방향축 상 선형운동하는 제1방향 선형이동유닛; 및
   상기 제1테이블 하측에 배치되어 상기 제1테이블의 제1방향축 상 가동범위를 설정하는 제1방향 선형레일;
   을 포함하며, 상기 제1테이블이 제1방향축 상 선형 이동하는 것을 특징으로 하는 5-자유도 시뮬레이터.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1이동모듈은,
   상기 제1테이블 상면으로부터 소정거리 이격되어 배치되며, 물체를 적재할 수 있는 안착면을 포함하는 제2테이블;
   상기 제1테이블과 상기 제2테이블 사이에 배치되어, 회전 구동력을 발생시키는 제2구동유닛;
   상기 제2테이블 하면에 연결되며, 일측이 상기 제2구동유닛과 연결되어 상기 회전 구동력을 통해 제3방향축 상 회전 운동하는 제3방향 회전이동유닛; 및
   상기 제1테이블 상면에 배치되어 상기 제2테이블의 제3방향축 상 회전가동범위를 설정하는 제3방향 회전레일;
   을 포함하며, 상기 제2테이블이 제3방향축 상 회전 이동하는 것을 특징으로 하는 5-자유도 시뮬레이터.
   
4. 제3항에 있어서
   상기 제1방향 선형레일은 상기 제1테이블 양 측부 및 중심부에 배치되며,
   상기 제1방향 선형이동유닛은 복수개가 구비되며,
   하나의 상기 제1방향 선형이동유닛은 상기 제1구동유닛의 일측에 연결되고, 다른 하나의 상기 제1방향 선형이동유닛이 상기 제1구동유닛의 타측에 동일한 기어비로 연결되며, 상기 제1방향 선형레일 사이에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 5-자유도 시뮬레이터.
   
5. 제2항에 있어서
   상기 제1방향 선형레일은
   상기 제1방향 선형이동유닛이 상기 제1방향 선형레일과의 충돌로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있도록 상기 제1방향 선형레일의 양 단부에 배치되어 소정의 충격량을 흡수하는 댐퍼;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-자유도 시뮬레이터.
   
6. 제5항에 있어서
   상기 댐퍼는
   분할벽에 의해 좌실 및 우실로 분리되는 내부 수용공간을 포함하는 하우징;
   상기 좌실에 순차적으로 배치되는 제1마찰부재, 탄성체, 캠샤프트; 및
   상기 우실에 순차적으로 배치되는 탄성체, 제2마찰부재;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 5-자유도 시뮬레이터.
   
7. 제1항에 있어서
   상기 제2이동모듈은,
   부하와 하중을 지지하며 정지상태를 유지하는 하부체;
   상기 하부체와 이격 배치되며, 모션이 출력되는 상부체;
   일측은 상기 하부체의 외측 상부면의 적어도 둘 이상의 임의의 지점에 연결되고, 타측은 상기 상부체의 내측 하부면의 적어도 둘 이상의 임의의 지점에 연결되어 소정의 슬로프를 가진 채 상기 상부체와 상기 하부체를 연결하는 복수개의 링크부;
   상기 링크부의 일측에 연결되어 상기 상부체의 모션을 출력할 수 있도록 구동력을 발생시키며, 상기 링크부의 개수에 대응되어 형성되는 복수개의 제3구동유닛; 및
   상기 링크부와 상기 하부체가 연결된 지점에 형성되어, 상기 상부체의 하강동작 시와 상승동작 시 상기 링크부에 가해지는 하중을 보상할 수 있도록 탄성체로 형성되는 하중보상유닛;
   을 포함하고,
   
   상기 하중보상유닛은,
   상기 상부체의 롤, 피치 모션에 대응하여 상기 링크부의 내측방향으로 기울어진 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 5-자유도 시뮬레이터.
   

Images