KR101729228B1 - 모션 베이스 및 이를 이용한 모션 시뮬레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모션 베이스 및 이를 이용한 모션 시뮬레이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모션 이동 거리에 따른 장비에 부하를 완화하고, 360도 풀 스크린 환경에도 적용할 수 있는 모션 시뮬레이터에 관한 것이다.
본 발명에 따르는 모션 베이스는 하부 받침대와, 상부 테이블 및, 상기 하부 받침대와 상부 테이블에 각각 결합하는 힌지들을 양 측단에 구비한 실린더 여섯 개를 포함하여 6 자유도 운동을 하는 모션 베이스에 있어서, 양 측단에 힌지들을 구비한 센터 실린더를 더 포함하되, 상기 센터 실린더 양 측단의 힌지들 중 어느 하나는 하부 받침대의 상면 중앙에 결합하고, 다른 하나는 상부 테이블의 하면 중앙에 결합하며, 상기 센터 실린더 양 측단의 어느 한 힌지와 센터 실린더의 몸체 사이 또는, 상기 센터 실린더의 상부 힌지와 상부 테이블 사이 또는 하부 힌지와 하부 테이블 사이에는 센터 실린더에 가해지는 부하를 측정하기 위한 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 모션시뮬레이터는 상기 모션베이스 및 상기 상부 테이블 결합하는 탑승부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모션 베이스 및 이를 이용한 모션 시뮬레이터{MOTION BASE AND MOTION SIMULATOR USING THIS}

본 발명은 모션 베이스 및 이를 이용한 모션 시뮬레이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모션 이동 거리에 따른 장비에 부하를 완화하고, 360도 풀 스크린 환경에도 적용할 수 있는 모션 시뮬레이터에 관한 것이다.

6 자유도(6-DOF) 모션 시뮬레이터는 4D 효과를 체험하게 하는 장비로써 영화, 엔터테인먼트는 물론 군용 비행 조종훈련 등 다양한 응용 분야에서 가상현실 기술들과 접목되어 사실적인 체험의 극대화를 추구하게 한다.

이러한 체험의 극대화를 위해 모션의 정밀도와 자유도를 높이는 것은 많은 경제적 부담을 유발할 수 있는데, 그러한 문제점 중의 하나로 6축의 실린더형 액추에이터를 구비한 모션 베이스의 경우 수평직선운동(Surge, Sway)를 구현할 경우 모션 베이스와 탑승부간의 수평 좌표의 이격 거리가 벌어짐으로써 중력에 의한 모멘트가 발생하게 되고, 이것이 곧 모터의 부하로 반영되어 이격 거리를 줄이거나 6개 실린더의 모터용량을 늘여야 하는 문제점이 있다.

또한, 영상 촬영기술의 발달로 서클비전, 360도 풀 스크린이 설치되는 추세인데, 이를 4D 가상체험 공간으로 활용하기에는 기존의 모션 시뮬레이터의 모션 범위만으로는 적용에 한계가 있다.

관련 선행기술로는 등록특허 제10-0986602호, 공개특허 제10-2015-0084985호, 공개특허 제10-2016-0024201호 등이 있다.

KR 10-0986602 B1 KR 10-2015-0084985 A KR 10-2016-0024201 A

본 발명에 따른 모션 베이스 및 이를 이용한 모션 시뮬레이터는 모션 베이스의 운동에 따른 실린터의 부하를 줄임으로써 기존 구성들 운동 범위에 효과적으로 확장할 수 있는 방법과, 모션 시뮬레이터가 360도의 풀 스크린 환경에도 적용될 수 있는 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명에 따른 모션 베이스는 하부 받침대(110)와, 상부 테이블(120) 및, 상기 하부 받침대(110)와 상부 테이블(120)에 각각 결합하는 힌지들(131)(132)을 양 측단에 구비한 실린더(130) 여섯 개를 포함하여 6 자유도 운동을 하는 모션 베이스에 있어서, 양 측단에 힌지들(141)(142)을 구비한 센터 실린더(140)를 더 포함하되, 상기 센터 실린더(140) 양 측단의 힌지들(141)(142) 중 어느 하나는 하부 받침대(110)의 상면 중앙에 결합하고, 다른 하나는 상부 테이블의 하면 중앙(120)에 결합하며, 상기 센터 실린더(140) 양 측단의 어느 한 힌지(141)(142)와 센터 실린더의 몸체 사이 또는, 상기 센터 실린더의 상부 힌지(141)와 상부 테이블 사이 또는 하부 힌지(142)와 하부 테이블 사이에는 센터 실린더(140)에 가해지는 부하를 측정하기 위한 로드셀(143)을 포함하는 것을 특징

또한, 상기 센터 실린더(140)는 토크방식에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 모션 베이스.

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본 발명에 따른 모션 시뮬레이터는 하부 받침대(110)와, 상부 테이블(120) 및, 상기 하부 받침대(110)와 상부 테이블(120)에 각각 결합하는 힌지들(131)(132)을 양 측단에 구비한 실린더(130) 여섯 개를 포함하여 6 자유도 운동을 하는 모션 베이스에 있어서, 양 측단에 힌지들(141)(142)을 구비한 센터 실린더(140)를 더 포함하되, 상기 힌지들(141)(142) 중 어느 하나는 하부 받침대(110)의 상면 중앙에 결합하고, 다른 하나는 상부 테이블의 하면 중앙(120)에 결합하는 것을 특징으로 하는 모션 베이스(100)에 상기 상부 테이블 결합하는 탑승부(200)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부 테이블(120)과 상기 탑승부(200) 사이에는 회전부(300)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전부(300)는 구동모터(310)와 턴테이블(320)을 포함하되, 상기 구동모터(310)는 탑승부(200) 또는 모션 베이스(100)에 고정설치되고, 상기 턴테이블(320)은 상기 탑승부(200)에 결합하는 상부 원판(321)과, 상기 상부 테이블에 결합하는 하부 원판(322)과, 다수의 베어링들(323)을 포함하고, 상기 상부 원판(321)과 하부 원판(322)은 베어링들(323)을 사이에 두어 독립적으로 회전하며, 상기 모션 베이스(100) 또는 탑승부(200) 중 상기 구동 모터(310)가 설치된 부분의 상대편에 고정된 원판(321)(322)에 동력 전달부(324)가 형성되어 구동모터(310)의 동력을 받아 회전운동을 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 모션 베이스 및 모션 시뮬레이터는 단일 실린더의 부가만으로도 6개의 실린더의 부하를 감소시킬 수 있어 기존의 실린더의 용량을 증가시키지 않고도 모션의 이동 거리 등 운동범위를 넓게 확보할 수 있다. 따라서, 손쉽게 장비를 업그레이드할 수 있어 유지 보수의 편리함과 경제적 효과를 누릴 수 있을 뿐만 아니라, 장치의 고장율 감소와 내구성을 높일 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 모션 시뮬레이터는 수평 운동(Surge, Sway)의 운동 범위의 확장은 물론 회전운동의 부가로 기존에 모션 시뮬레이터가 적용되기 어려웠던 360도 풀 스크린에서도 가상체험을 시설을 활용할 수 있다는 장점이 있다.

도1은 기존의 모션 시뮬레이터의 일 실시예를 도시한 정면도,
도2는 기존의 모션 시뮬레이터의 일 실시예를 도시한 측면도,
도3은 기존의 모션 시뮬레이터 및 모션 베이스의 수평 운동 상태도,
도4는 본 발명에 따른 모션 베이스의 일 실시예의 측면 구성도,
도5는 본 발명에 따른 센터 실린더의 상세 구조를 도시한 분해도,
도6은 본 발명에 따른 모션 시뮬레이터의 수평 운동 상태도,
도7은 기존 모션 시뮬레이터의 회전 운동 평면 상태도,
도8은 본 발명에 따른 모션 시뮬레이터의 일 실시예의 측면 구성도,
도9는 본 발명에 따른 구동모터의 일 실시예의 구성도,
도10은 본 발명에 따른 턴테이블과 구동모터의 일 실시예의 측면도,
도11은 본 발명에 따른 턴테이블과 구도모터의 일 실시예의 평면도,
도12는 본 발명에 따른 모션 시뮬레이터의 회전 운동 상태도.

본 발명에 따른 모션 베이스 및 이를 이용한 모션 시뮬레이터의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하면 하기와 같다.

도1 및 2는 종래의 6축의 실린더형 액추에이터(이하 실린더라 함)가 장착되어 6 자유도(6-DOF)를 구현하는 모션 베이스 위에 탑승부(200)가 장착된 예시 도면이다. 도2는 측면도를 도시한 것인데, 도면을 단순화해 설명의 편의를 도모하기 위하여 이하 측면도는 뒤쪽에 같은 방향으로 장착된 실린더의 도시는 생략하기로 한다.

6 자유도 모션 베이스는 Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch, Yaw의 모션을 구현하는데, 도3에 도시된 바와 같이 수평 운동인 Surge, Sway 모션으로 작동할 경우 이격거리가 벌어짐으로써 중력에 의한 모멘트가 발생한다. 모멘트에 의해 하부 받침대(110)에 결합한 실린더 하부가 받게 되는 부하는 아래 식으로 표현할 수 있다.

F = M × a

(M: 모멘트, F: 중력, a: 실린더 길이)

탑승부의 무게에 따른 F를 고정값으로 보면, 실린더에 장착된 모터의 최대 허용치 M이 실린더의 확장 길이 a를 결정하므로, 모터의 용량이 모션 베이스의 수평 운동 거리 D를 제한하는 요소가 된다. 따라서, 종래 모션 베이스의 방식에 따르면 거리 D를 늘리기 위해서는 M을 늘려야 하고, 따라서 모터의 용량을 늘여야 하는데, 문제는 6축 모션 베이스의 경우 6개의 실린더를 동시에 정교하게 제어해야 하기 때문에 6개 실린더에 균형을 맞추기 위해 모두 동일한 용량으로 모터용량을 증가시켜야 하는 부담이 따르게 된다.

이러한 부담을 효과적으로 줄이기 위해 본 발명에 따른 모션 베이스는 상기 모터의 최대 허용치 M을 조정하는 것이 아니라 각각의 실린더가 받게 되는 힘 즉, F를 줄임으로써 실린더 길이 a를 증가시킬 수 있는 방법을 제안한다.

본 발명에 따른 모션 베이스의 기본 구성은 도1 내지 3에 도시된 바와 같이 하부 받침대(110)와, 상부 테이블(120) 및, 상기 하부 받침대(110)와 상부 테이블(120)에 각각 결합하는 힌지들(131)(132)을 양 측단에 구비한 실린더(130) 여섯 개를 포함하여 6 자유도 운동을 하는 종래의 모션 베이스에 있어서, 도4에 도시된 바와 같이 양 측단에 힌지들(141)(142)을 구비한 센터 실린더(140)를 더 포함하되, 상기 힌지들(141)(142) 중 어느 하나는 하부 받침대(110)의 상면 중앙에 결합하고, 다른 하나는 상부 테이블의 하면 중앙(120)에 결합하는 것을 특징으로 한다.

도5는 본 발명에 따른 상기 센터 실린더의 일실시예를 상세히 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 센터 실린더의 상하 측단에 각각 부착된 힌지(141)(142)들은 회전이 자유롭고, 내부에 스프링 등 완충 부재 등의 부가로 어느 정도의 충격을 흡수하는 볼 조인트 방식을 채택할 수 있다.

또한, 상기 힌지들 중 어느 한 힌지와 센터 실린더(140)의 몸체 일측단 사이에는 로드셀(load cell)(143)을 더 포함할 수 있는데, 도5에 도시된 바와 같이 위쪽을 향해 상부 테이블(120)을 받치는 실린더의 푸시로드측에 결합하는 것이 바람직하다. 상기 로드셀(143)은 센터 실린더에 가해지는 부하를 모니터링하며 제어입력요소로 사용하기 위함인바, 우선 센터 실린더(140)의 출력이 탑승부에 어떤 영향을 미치는지를 모니터링 하는 역할을 한다. 예를 들어 모션 베이스가 급하강하는 운동을 할 경우 센터 실린더가 받히고 있을 경우 오히려 역부하가 발생할 수 있는데, 이렇게 어떤 운동에서 로드셀에 주어진 부하와 센터 실린더의 출력 토크 값을 비교하여 센터 실린더의 출력 값을 조절함으로써 정밀한 제어를 할 수 있을 것이다. 또한, 상기 로드셀(143)은 센터 실린더의 오작동을 지속적으로 모니터링 할 수 있다.

도6는 본 발명에 따른 상기 센터 실린더(140)가 장착된 모션 베이스의 운동 상태를 도시한 것이다. 상기 센터 실린더(140)가 중앙에 배치됨으로 인해 같은 거리로 가장자리에 결합된 6개의 실린더에 가중되는 힘 F는 동일하게 분산되어 각각의 실린더가 받게 되는 힘(F)이 감소하게 된다. 또한, 탑승부가 D1 만큼 이동하더라도 중앙에 설치된 센터 실린더의 이동 거리는 D2 정도로 짧게 이동이 되고, 센터 실린더의 길이(a) 변화가 매우 적기 때문에 센터 실린더에 가중되는 부하(M) 또한 다른 실린더들에 비해 적어 센터 실린더(140)는 단일 실린더만으로도 큰 힘(F)을 견딜 수 있게 된다.

본 발명에 따른 센터 실린더(140)의 또 한가지 특징은 다른 6개의 실린더가 모션 제어를 위해 위치, 속도 운동 방식의 제어 모드로 통제되는데 반하여 센터 실린더는 운동 방식의 제어 모드가 토크 방식에 의에 통제되어야 한다는 점이다. 이는 센터 실린더의 역할이 힘을 분산하는 것에 있는 것이지 모션 제어 있는 것이 아니므로 다른 6개의 실린더가 하는 역할에 영향을 주어서는 아니되기 때문이다.

본 발명에 따른 모션 베이스에는 탑승부가 탑재될 수 있는바, 도면상으로는 벤치 타입의 좌석식 탑승부가 도시되어 있으나, 본 발명에 따른 모션 베이스의 상부 테이블에는 오락용은 물론 군사용에 이르기까지 용도에 적합한 다양한 형태의 탑승부(200)가 탑재되어 모션 시뮬레이터를 구현할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 모션 시뮬레이터의 또 다른 특징은 종래 6 자유도의 모션 베이스가 적용되기 어려웠던 서클비전 등 360도의 풀 스크린에서의 가장체험을 경험하게 하는 것이다. 도7은 종래의 6 자유도 모션 베이스에 탑재된 모션 시뮬레이터의 한계를 도시한 상태도로서 모션 시뮬레이터가 정면(a), 14도 좌측 회전(b), 14도 우측회전(c)을 각각 도시한 것이다. 종래의 모션 베이스는 360도 회전이 불가능하기 때문에, 스크린(S)에 대하여 관람객의 시야 범위(R1)의 확장은 모션 베이스가 허용하는 회전각의 범위로 제한되었다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 모션 시뮬레이터는 도8에서와 같이 모션 베이스의 상부 테이블(120)과 탑승부(200) 사이에 360도 회전이 가능한 회전부(300)를 더 포함하여 구성할 수 있다.

상기 회전부(300)의 바람직한 일 실시예로는 도9 내지 11에 도시된 바와 같이 구동모터(310)와 턴테이블(320)을 포함하되, 상기 구동모터(310)는 탑승부(200) 또는 모션 베이스(100)에 고정설치되고, 상기 턴테이블(320)은 상기 탑승부(200)에 결합하는 상부 원판(321)과, 상기 상부 테이블에 결합하는 하부 원판(322)과, 다수의 베어링들(323)을 포함하고, 상기 상부 원판(321)과 하부 원판(322)은 베어링들(323)을 사이에 두어 독립적으로 회전하며, 상기 모션 베이스(100) 또는 탑승부(200) 중 상기 구동 모터(310)가 설치된 부분의 상대편에 고정된 원판(321)(322)에 동력 전달부(324)가 형성되어 구동모터(310)의 동력을 받아 회전운동을 할 수 있게 한다. 상기 동력 전달부(324)는 도시된 바와 같이 서보모터(321)에 부착된 평기어(322)에 상응하는 기어를 형성하여 서로 맞물리는 방식일 수 있고, 벨트나 체인 방식 등 다양한 방식을 취할 수 있을 것이다.

도12는 본 발명에 따른 모션 시뮬레이터의 사용 상태를 도시한 것으로 상기 턴테이블(320)이 구동되지 않았을 때(a), 90도 회전하였을 때(b), 180도 회전하였을 때(c) 및 270도 회전하였을 때(d)를 각각 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 관람객의 시야 범위(R1)에 턴테이블의 회전각(R2)이 더해져 가시 범위가 확장되므로 360도 풀 스크린(SV)에서도 본 발명에 따른 모션 시뮬레이터를 활용할 수 있는 것이다.

상기 실시예는 본 발명에 따른 모션 베이스 및 이를 이용한 모션 시뮬레이터의 바람직한 실시예에 대한 설명으로 상기 내용에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되어 해석되어서는 아니 될 것이다. 본 발명의 권리범위는 청구범위의 해석에 의하여야 할 것이며, 청구범위는 물론 그와 균등한 범위에까지 미칠 수 있음은 당연하다 할 것이다.

100: 모션 베이스 110: 하부 받침대
120: 상부 받침대 130: 실린더
131, 132: 실린더 힌지 140: 센터 실린더
141, 142: 센터 실린더 힌지 143: 로드셀
200: 탑승부 300: 회전부
310: 구동모터 311: 서보모터
312: 평기어 320: 턴테이블
321:상부 원판 322: 하부 원판
323: 베어링 324: 동력 전달부

Claims (6)

1. 하부 받침대와, 상부 테이블 및, 상기 하부 받침대와 상부 테이블에 각각 결합하는 힌지들을 양 측단에 구비한 실린더 여섯 개를 포함하여 6 자유도 운동을 하는 모션 베이스에 있어서,
   양 측단에 힌지들을 구비한 센터 실린더를 더 포함하되, 상기 센터 실린더 양 측단의 힌지들 중 어느 하나는 하부 받침대의 상면 중앙에 결합하고, 다른 하나는 상부 테이블의 하면 중앙에 결합하며,
   상기 센터 실린더 양 측단의 어느 한 힌지와 센터 실린더의 몸체 사이 또는, 상기 센터 실린더의 상부 힌지와 상부 테이블 사이 또는 하부 힌지와 하부 테이블 사이에는 센터 실린더에 가해지는 부하를 측정하기 위한 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 베이스.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 센터 실린더는 토크방식에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 모션 베이스.
   
3. 삭제
4. 하부 받침대와, 상부 테이블 및, 상기 하부 받침대와 상부 테이블에 각각 결합하는 힌지들을 양 측단에 구비한 실린더 여섯 개를 포함하여 6 자유도 운동을 하는 모션 베이스에 있어서, 양 측단에 힌지들을 구비한 센터 실린더를 더 포함하되, 상기 센터 실린더 양 측단의 힌지들 중 어느 하나는 하부 받침대의 상면 중앙에 결합하고, 다른 하나는 상부 테이블의 하면 중앙에 결합하며, 상기 센터 실린더 양측단의 어느 한 힌지와 센터 실린더의 몸체 사이 또는, 상기 센터 실린더의 상부 힌지와 상부 테이블 사이 또는 하부 힌지와 하부 테이블 사이에는 센터 실린더에 가해지는 부하를 측정하기 위한 로드셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 베이스 및 상기 상부 테이블을 결합하는 탑승부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 시뮬레이터.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 상부 테이블과 상기 탑승부 사이에는 회전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 시뮬레이터.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 회전부는 구동모터와 턴테이블을 포함하되,
   상기 구동모터는 탑승부 또는 모션 베이스에 고정설치되고,
   상기 턴테이블은 상기 탑승부에 결합하는 상부 원판과, 상기 상부 테이블에 결합하는 하부 원판과, 다수의 베어링들을 포함하고, 상기 상부 원판과 하부 원판은 베어링들을 사이에 두어 독립적으로 회전하며, 상기 모션 베이스 또는 탑승부 중 상기 구동 모터가 설치된 부분의 상대편에 고정된 원판에 동력 전달부가 형성되어 구동모터의 동력을 받아 회전운동을 하는 것을 특징으로 하는 모션 시뮬레이터.
   

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