KR101220787B1 - 4자유도 모션 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 4자유도 모션 장치는 본 발명에 의한 4자유도 모션 장치는 지면과 접하는 하부 플레이트(11); 상기 하부 플레이트(11)의 상방으로 이격하여 위치하는 중앙 플레이트(12); 상기 하부 플레이트(11)와 상기 중앙 플레이트(12) 사이에 위치하고, 롤 모션(roll motion)을 구현할 경우에는 제2 액츄에이터(22) 또는 제3 액츄에이터(23) 중 어느 하나가 상승하고 이들 중에 상승하지 않는 액츄에이터가 하강하며, 피치 모션(pitch motion)을 구현할 경우에는 제2 액츄에이터(22)와 제3 액츄에이터(23)는 모두 상승하고 제1 액츄에이터(21)는 하강하거나 제2 액츄에이터(22)와 제3 액츄에이터(23)는 모두 하강하고 제1 액츄에이터(21)는 상승하며, 히브 모션(heave motion)을 구현할 경우에는, 제1, 2, 3 액츄에이터(21, 22, 23) 모두가 상승하거나 제1, 2, 3 액츄에이터(21, 22, 23) 모두가 하강하도록 구동하여 3 자유도 모션을 구현할 수 있는 3개의 액츄에이터(21, 22, 23); 상기 3개의 액츄에이터(21, 22, 23) 사이에 위치하고, 하단이 상기 하부 플레이트(11)에 볼트체결(31)되며, 상단이 상기 중앙 플레이트(12)의 하부와 유니버셜 조인트(32)로 결합되는 스플라인(30); 상기 중앙 플레이트(12)의 상방으로 이격하여 위치하는 상부 플레이트(13); 및 상기 중앙 플레이트(12)와 상기 상부 플레이트(13)가 점 접촉을 하면서 X축 방향으로 직선왕복운동하는 1자유도(sway) 모션을 추가로 구현할 수 있도록 하는 1개 이상의 볼 베어링 또는 상기 중앙 플레이트(12)와 상기 상부 플레이트(13)가 면 접촉을 하면서 X축 방향으로 직선왕복운동하는 1자유도(sway) 모션을 추가로 구현할 수 있도록 하는 1개 이상의 롤러 베어링;을 구비하되, 상기 3개의 액츄에이터(21, 22, 23)는 삼각형으로 위치되고, 각각의 액츄에이터(21, 22, 23)는, 상기 하부 플레이트(11)에 고정설치되는 구동모터(51, 52, 53); 상기 구동모터(51, 52, 53)의 일측에 연결되어 상기 구동모터(51, 52, 53)의 회전을 감속하는 감속기(61, 62, 63); 상기 구동모터(51, 52, 53)의 타측에 볼 조인트(111, 112, 113)로 연결되는 크랭크 아암(71, 72, 73); 상기 크랭크 아암(71, 72, 73)의 일단에 볼 조인트(121, 122, 123)로 연결되는 푸시로드(81, 82, 83); 상기 중앙 플레이트(12)의 하부에 체결되는 고정 브라켓(91, 92, 93); 및 상기 푸시로드(81, 82, 83)의 일단을 상기 고정 브라켓(91, 92, 93)에 연결하는 유니버셜 조인트(101, 102, 103);를 구비하며, 상기 스플라인(30)은 상기 삼각형의 내부에 위치하고, 상기 중앙 플레이트(12)와 상기 상부 플레이트(13)로부터 전달되는 하중을 지탱하기 위해 상기 스플라인(30)의 외측 둘레면에 설치되고, 스프링으로 형성되는 탄성부재(33)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

4자유도 모션 장치{Four Degrees of Freedom motion apparatus}

본 발명은 4자유도 모션 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하부, 중앙 플레이트와 이들 사이에 위치하는 3개의 액츄에이터 및 스플라인에 의해 3자유도(pitch, roll, heave) 모션을 구현하고, 중앙 플레이트와 상부 플레이트 사이에 구비된 연결수단에 의해 1자유도(sway) 모션을 추가로 구현할 수 있는 4자유도 모션 장치에 관한 것이다.

비행기나 선박과 같은 장비는 6자유도(6 Degress of Freedom, 六自由度) 모션을 구현하게 된다. 도 1에 도시된 것처럼, 6자유도 모션이란 z축을 중심으로 회전하는 요잉(yawing), x축을 중심으로 y축이 좌우로 회전하는 롤(roll), y축을 중심으로 z축이 상하로 회전하는 피치(pitch), z축 상에서 직선 왕복운동하는 히브(heave), y축 상에서 직선 왕복운동하는 서지(surge), x축 상에서 직선 왕복운동하는 스웨이(sway)의 6가지 가상의 모션을 지칭한다. 유압 액츄에이터의 구동에 의해 자유도 모션을 구현하는 자유도 모션 장치는 최초에 비행훈련을 위한 군사용으로 개발되었다. 그러나 이러한 자유도 모션 장치는 과학기술과 컴퓨터 그래픽 기술의 발달에 의해 군사용뿐만 아니라 철도, 선박과 같은 민간 훈련장치로 점차 발전되었다. 더욱이 이러한 자유도 모션 장치는 안정성 및 비용 등의 문제로 실제 훈련이 어려운 모의 주행을 구현할 수 있도록 실시간으로 주변 화상이 변화는 시스템을 통해 불도저나 크레인과 같은 특수 건설장비의 운전자를 위해서도 사용되고 있다.

최근에는 생활이 윤택해지고 여가시간이 증가함에 따라 이러한 자유도 모션 장치는 군사 목적이나 훈련 목적뿐만 아니라 놀이동산, 게임 시뮬레이터, 3D 영화관 등 엔터테인먼트(entertainment) 목적으로 사용되고 있다.

종래 영화분야에 사용되는 자유도 모션 장치는 액츄에이터에 의해 3자유도(롤, 피치, 히브) 모션(motion)만을 구현하는 것이 일반적이었다. 그러나, 이처럼 3자유도 모션만을 구현할 경우에는 영화상에서 나오는 다양한 형태의 모션을 구현할 수 없어 관람객의 흥미를 저하시킬 수 있고, 4자유도 이상의 모션을 구현하기 위해서는 다수의 장치가 추가되어야만 함에 따라 장치가 복잡해지고, 이를 위한 생산비 및 유지비용이 증가하는 문제점이 있었다.

또한, 종래 3자유도 모션 장치는 액츄에이터와 플레이트가 힌지결합되어 액츄에이터가 결합 된 부위에 굽힘 모멘트(bending moment)나 비틀림(torsion) 부하가 생길 수 있고, 이에 따라 결합부위에 결함이 발생 되어 장비의 교체비용을 증가시킬 수 있고, 심한 경우에는 작동중에 결합부위가 파손되어 대형 인사사고를 유발할 수 있는 문제점이 있었다.

더욱이, 종래 3자유도 모션 장치는 스플라인을 구비하지 않아, 잔여 자유도를 구속하면서 발생하는 힘을 액츄에이터가 모두 지탱하는 구조로 고하중에 대한 모션 장치의 구조적 안전성이 불안하고, 자유도 모션의 정밀한 조절이 원활하지 않은 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0030097

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 상부 플레이트와 중앙 플레이트가 점 접촉 또는 면 접촉을 하여 1자유도(sway) 모션을 추가로 구현하고, 스플라인에 의해 정밀한 자유도 모션을 구현하고 이를 제어할 수 있는 4자유도 모션 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 4자유도 모션 장치는 지면과 접하는 하부 플레이트; 상기 하부 플레이트의 상방으로 이격하여 위치하는 중앙 플레이트; 상기 하부 플레이트와 상기 중앙 플레이트 사이에 위치하고, 롤 모션(roll motion)을 구현할 경우에는 제2 액츄에이터 또는 제3 액츄에이터 중 어느 하나가 상승하고 이들 중에 상승하지 않는 액츄에이터가 하강하며, 피치 모션(pitch motion)을 구현할 경우에는 제2 액츄에이터와 제3 액츄에이터는 모두 상승하고 제1 액츄에이터는 하강하거나 제2 액츄에이터와 제3 액츄에이터는 모두 하강하고 제1 액츄에이터는 상승하며, 히브 모션(heave motion)을 구현할 경우에는, 제1, 2, 3 액츄에이터 모두가 상승하거나 제1, 2, 3 액츄에이터 모두가 하강하도록 구동하여 3 자유도 모션을 구현할 수 있는 3개의 액츄에이터; 상기 3개의 액츄에이터 사이에 위치하고, 하단이 상기 하부 플레이트에 볼트체결되며, 상단이 상기 중앙 플레이트의 하부와 유니버셜 조인트로 결합되는 스플라인; 상기 중앙 플레이트의 상방으로 이격하여 위치하는 상부 플레이트; 및 상기 중앙 플레이트와 상기 상부 플레이트가 점 접촉을 하면서 X축 방향으로 직선왕복운동하는 1자유도(sway) 모션을 추가로 구현할 수 있도록 하는 1개 이상의 볼 베어링 또는 상기 중앙 플레이트와 상기 상부 플레이트가 면 접촉을 하면서 X축 방향으로 직선왕복운동하는 1자유도(sway) 모션을 추가로 구현할 수 있도록 하는 1개 이상의 롤러 베어링;을 구비하되, 상기 3개의 액츄에이터는 삼각형으로 위치되고, 각각의 액츄에이터는, 상기 하부 플레이트에 고정설치되는 구동모터; 상기 구동모터의 일측에 연결되어 상기 구동모터의 회전을 감속하는 감속기; 상기 구동모터의 타측에 볼 조인트로 연결되는 크랭크 아암; 상기 크랭크 아암의 일단에 볼 조인트로 연결되는 푸시로드; 상기 중앙 플레이트의 하부에 체결되는 고정 브라켓; 및 상기 푸시로드의 일단을 상기 고정 브라켓에 연결하는 유니버셜 조인트;를 구비하며, 상기 스플라인은 상기 삼각형의 내부에 위치하고, 상기 중앙 플레이트와 상기 상부 플레이트로부터 전달되는 하중을 지탱하기 위해 상기 스플라인의 외측 둘레면에 설치되고, 스프링으로 형성되는 탄성부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 따른 4자유도 모션 장치는 스플라인을 구비하여 정밀한 자유도 모션 제어 및 각 액츄에이터에 작용하는 하중을 지탱하여 장비의 성능 및 안정성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 4자유도 모션 장치는 1자유도(sway) 모션을 상부 플레이트와 볼 베어링 또는 롤러 베어링에 의해 구현할 수 있어, 그 제작비용 및 제작시간이 단축되고, 다양한 자유도 모션을 통해 관람객의 만족도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 4자유도 모션 장치는 액츄에이터 및 스플라인의 연결을 유니버셜 조인트, 볼 조인트를 사용하여 각 연결부위가 받는 굽힘응력이나 비틀림을 최소화하여 장비의 수명을 증대시키고, 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 4자유도 모션을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 4자유도 모션 장치의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 4자유도 모션 장치의 측면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 4자유도 모션 장치에서 상부 플레이트와 중앙 플레이트가 제거된 상태의 사시도이다.
도 5는 도 4에서 A부분의 확대 사시도이다.
도 6은 도 4에서 B부분의 확대 사시도이다.
도 7은 연결수단의 상세도이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 부호를 가지도록 하고 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 4자유도 모션 장치(1)의 정면도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 4자유도 모션 장치(1)의 측면도이다. 도 4는 도 3에 도시된 4자유도 모션 장치(1)에서 상부 플레이트(13)와 중앙 플레이트(12)가 제거된 상태의 사시도이다. 도 5는 도 4에서 A부분의 확대 사시도이고, 도 6은 도 4에서 B부분의 확대 사시도이다.도 7은 연결수단(40)의 상세도이다. 이하에서 상기 도면들을 참조하여 본 발명을 설명한다.

본 발명에 의한 4자유도 모션 장치(1)는 하부 플레이트(11), 중앙 플레이트(12), 3개의 액츄에이터(21, 22, 23), 스플라인(30), 상부 플레이트(13), 및 연결수단(40)으로 이루어진다.

도 2 내지 도 4에 도시된 것처럼, 하부 플레이트(11)는 지면과 접하여 위치된다. 중앙 플레이트(12)는 하부 플레이트(11)의 위쪽으로 이격하여 위치된다. 3개의 액츄에이터, 즉 제1, 2, 3 액츄에이터(21, 22, 23)가 하부 플레이트(11)와 중앙 플레이트(12) 사이에 위치한다. 3개의 액츄에이터(21, 22, 23)가 구동하는 형태에 따라 3자유도 모션(롤, 피치, 히브)을 구현할 수 있다. 즉, 롤 모션(roll motion)을 구현할 경우에는, 제2 액츄에이터(22) 또는 제3 액츄에이터(23) 중 어느 하나가 상승하고, 이들 중에 상승하지 않는 액츄에이터가 하강하게 된다. 피치 모션(pitch motion)을 구현할 경우에는, 제2, 3 액츄에이터(22, 23)는 모두 상승하고 제1 액츄에이터(21)는 하강하거나, 또는 제2, 3 액츄에이터(22, 23)는 모두 하강하고 제1 액츄에이터(21)는 상승하게 된다. 히브 모션(heave motion)을 구현할 경우에는, 제1, 2, 3 액츄에이터(21, 22, 23) 모두가 상승하거나 또는 3개의 액츄에이터(21, 22, 23) 모두가 하강하게 된다.

도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서, 제1, 2, 3 액츄에이터는 삼각형으로 위치된다. 즉, 도 4에 도시된 것처럼, 제1 액츄에이터(21)가 삼각형의 꼭지점에 위치하고, 제2, 제3 액츄에이터(22, 23)는 삼각형의 밑변상에 위치하게 된다. 제1, 2, 3, 액츄에이터(21, 22, 23)는 각각 하부 플레이트(11)에 고정설치되는 제1, 2, 3 구동모터(51, 52, 53)를 구비한다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 제1, 2, 3 구동모터(51, 52, 53)는 볼트체결 또는 용접에 의해 하부 플레이트(11)에 결합 된다. 제1, 2, 3 감속기(61, 62, 63)가 제1, 2, 3 구동모터(51, 52, 53)의 일측에 각각 연결되어 제1, 2, 3 구동모터(51, 52, 53)의 회전을 조절한다. 제1, 2, 3 크랭크 아암(71, 72, 73)의 일단이 제1, 2, 3 구동모터(51, 52, 53)의 타측에 제1, 2, 3 볼 조인트(111, 112, 113)로 각각 연결된다. 제1, 2, 3 크랭크 아암(71, 72, 73)의 타단은 제1, 2, 3 볼 조인트(121, 122, 123)로 제1, 2, 3 푸시로드(81, 82, 83)의 일단에 각각 연결된다. 제1, 2, 3 고정 브라켓(91, 92, 93)이 중앙 플레이트(12)의 하부에 체결된다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 제1, 2, 3 고정 브라켓(91, 92, 3)은 볼트체결 또는 용접에 의해 중앙 플레이트(12)의 하부에 결합 된다. 제1, 2, 3 푸시로드(81, 82, 83)의 타단은 제1, 2, 3 유니버셜 조인트(101, 102, 103)에 의해 제1, 2, 3 고정 브라켓(91, 92, 93)에 각각 연결된다. 각각의 크랭크 아암(71, 72, 73)과 푸시로드(81, 82, 83)가 볼 조인트(111, 112, 113, 121, 122, 123)로 연결되고, 각각의 푸시로드(81, 82, 83)와 중앙 플레이트(12)가 유니버셜 조인트(101, 102, 103)로 체결됨에 따라, 연결부위가 받는 굽힘응력이나 축하중을 최소화하여 액츄에이터의 수명을 증대시키고, 안정성을 향상시킬수 있다.

스플라인(30)은 3개의 액츄에이터(21, 22, 23) 사이에 위치한다. 스플라인(30)의 하단은 하부 플레이트(11)에 볼트체결(31)된다. 스플라인(30)의 상단은 중앙 플레이트(12)의 하부와 유니버셜 조인트(32)로 결합된다.

도 6에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서 스플라인(30)은 제1, 2, 3 액츄에이터(21, 22, 23) 가 배치되는 형태인 삼각형의 내부에 위치한다. 또한, 이러한 실시예에서 스플라인(30)은 중앙 플레이트(12)와 상부 플레이트(13)로부터 전달되는 하중을 지탱하기 위해 스플라인(30)의 외측 둘레면에 설치되는 탄성부재(33)를 구비한다. 바람직하게는, 탄성부재(33)는 스프링으로 이루어진다. 스플라인(30)은 본 발명에 의한 4자유도 모션 장치(1)를 영화 내용에 따라 정밀하게 제어할 수 있고, 각각의 액츄에이터(21, 22, 23)에 작용하는 하중을 지탱하여 장치의 안정성을 증가시킬 수 있다.

상부 플레이트(13)가 중앙 플레이트(12)의 위쪽으로 이격하여 위치한다. 중앙 플레이트(12)와 상부 플레이트(13)는 연결수단(40)으로 연결된다. 도 7에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서 이러한 연결수단(40)은 1개 이상의 볼 베어링 또는 롤러 베어링으로 이루어진다. 만약, 중앙 플레이트(12)와 상부 플레이트(13)가 볼 베어링으로 연결된 경우, 중앙 플레이트(12)와 상부 플레이트(13)는 점 접촉하면서 x축 방향으로 직선왕복운동 하는 1자유도(sway)를 추가로 구현할 수 있다. 만약, 중앙 플레이트(12)와 상부 플레이트(13)가 롤러 베어링으로 연결된 경우, 중앙 플레이트(12)와 상부 플레이트(13)는 면 접촉하면서 x축 방향으로 직선왕복운동 하는 1자유도(sway)를 구현할 수 있다.

도면에 도시되지는 않았지만, 상부 플레이트(13) 위쪽에 관람객이 착석할 수 있는 의자가 놓이게 된다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만 이러한 의자는 4개 이상의 의자가 한개의 조립체로 형성되어 상부 플레이트(13)의 상부면에 결합되게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 변형예와 상기에서 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 첨부된 청구항의 범주내에 속하는 다른 실시예로 확장될 수 있다.

1 : 4자유도 모션 장치, 11 : 하부 플레이트,
12 : 중앙 플레이트, 13 : 상부 플레이트,
21, 22, 23 : 액츄에이터, 30 : 스플라인,
31 : 볼트체결, 32 : 유니버셜 조인트,
33 : 탄성부재, 40 : 연결수단,
51, 52, 53 : 구동모터, 61, 62, 63 : 감속기,
71, 72, 73 : 크랭크 아암, 81, 82, 83 : 푸시로드,
91 92, 93 : 고정 브라켓,
101, 102, 103 : 유니버셜 조인트,
111, 112, 113 : 볼 조인트,
121, 122, 123 : 볼 조인트.

Claims (5)

1. 지면과 접하는 하부 플레이트(11);
   상기 하부 플레이트(11)의 상방으로 이격하여 위치하는 중앙 플레이트(12);
   상기 하부 플레이트(11)와 상기 중앙 플레이트(12) 사이에 위치하고, 롤 모션(roll motion)을 구현할 경우에는 제2 액츄에이터(22) 또는 제3 액츄에이터(23) 중 어느 하나가 상승하고 이들 중에 상승하지 않는 액츄에이터가 하강하며, 피치 모션(pitch motion)을 구현할 경우에는 제2 액츄에이터(22)와 제3 액츄에이터(23)는 모두 상승하고 제1 액츄에이터(21)는 하강하거나 제2 액츄에이터(22)와 제3 액츄에이터(23)는 모두 하강하고 제1 액츄에이터(21)는 상승하며, 히브 모션(heave motion)을 구현할 경우에는, 제1, 2, 3 액츄에이터(21, 22, 23) 모두가 상승하거나 제1, 2, 3 액츄에이터(21, 22, 23) 모두가 하강하도록 구동하여 3 자유도 모션을 구현할 수 있는 3개의 액츄에이터(21, 22, 23);
   상기 3개의 액츄에이터(21, 22, 23) 사이에 위치하고, 하단이 상기 하부 플레이트(11)에 볼트체결(31)되며, 상단이 상기 중앙 플레이트(12)의 하부와 유니버셜 조인트(32)로 결합되는 스플라인(30);
   상기 중앙 플레이트(12)의 상방으로 이격하여 위치하는 상부 플레이트(13); 및
   상기 중앙 플레이트(12)와 상기 상부 플레이트(13)가 점 접촉을 하면서 X축 방향으로 직선왕복운동하는 1자유도(sway) 모션을 추가로 구현할 수 있도록 하는 1개 이상의 볼 베어링 또는 상기 중앙 플레이트(12)와 상기 상부 플레이트(13)가 면 접촉을 하면서 X축 방향으로 직선왕복운동하는 1자유도(sway) 모션을 추가로 구현할 수 있도록 하는 1개 이상의 롤러 베어링;을 구비하되,
   상기 3개의 액츄에이터(21, 22, 23)는 삼각형으로 위치되고, 각각의 액츄에이터(21, 22, 23)는,
   상기 하부 플레이트(11)에 고정설치되는 구동모터(51, 52, 53);
   상기 구동모터(51, 52, 53)의 일측에 연결되어 상기 구동모터(51, 52, 53)의 회전을 감속하는 감속기(61, 62, 63);
   상기 구동모터(51, 52, 53)의 타측에 볼 조인트(111, 112, 113)로 연결되는 크랭크 아암(71, 72, 73);
   상기 크랭크 아암(71, 72, 73)의 일단에 볼 조인트(121, 122, 123)로 연결되는 푸시로드(81, 82, 83);
   상기 중앙 플레이트(12)의 하부에 체결되는 고정 브라켓(91, 92, 93); 및
   상기 푸시로드(81, 82, 83)의 일단을 상기 고정 브라켓(91, 92, 93)에 연결하는 유니버셜 조인트(101, 102, 103);를 구비하며,
   상기 스플라인(30)은 상기 삼각형의 내부에 위치하고, 상기 중앙 플레이트(12)와 상기 상부 플레이트(13)로부터 전달되는 하중을 지탱하기 위해 상기 스플라인(30)의 외측 둘레면에 설치되고, 스프링으로 형성되는 탄성부재(33)를 구비하는 것을 특징으로 하는 4자유도 모션 장치.
   
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