최종연구개발결과보고서 -...

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디지털콘텐츠 기술개발사업' '

최종연구개발결과보고서

모션라이더 구동용 개발S/W

(Development of Motion-Rider Operating Software)

2003. 01. 29.

주관연구기관 : 주 이노시뮬레이션( )참여연구기관 :

정 보 통 신 부

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제 출 문

정보통신부장관 귀하

본 보고서를 디지털콘텐츠 기술개발사업' '

모션라이더 구동용 개발 과제의 연구개발결과보고서로 제출합니다S/W .

년 월 일2003 1 29

주관연구기관 : 주 이노시뮬레이션( )

참여연구기관 :

연구 책임자 : 이 운 성

참여 연구원 : 조 준 희

이 지 선

이 승 준

박 은 규

유 승 철

신 준 수

김 옥 현

김 영 삼

김 정 래

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요 약 문

제목1.

모션라이더 구동용 개발S/W

기술개발의 목적 및 중요성2.

가 목적.

모션라이더는 가장 보편화된 가상현실 기기의 일종으로서 가상현실을 기반으로 하여 사용,

자가 탑승한 모션베이스를 움직여서 실제와 같은 체험이 가능하도록 하는 장치를 말한다.

이러한 모션라이더는 사용자에게 흥미를 제공할 수 있는 게임이나 라이드 필름과 같은 콘텐

츠와 콘텐츠의 내용과 연동하여 사용자에게 운동감을 제공함으로써 현실감을 극대화시키는

하드웨어인 모션베이스로 구성되어 있다 본 과제에서 개발하려고 하는 기술은 하드웨어인.

모션베이스를 구동하고 콘텐츠 내용과 연동되도록 모션베이스의 움직임을 제어하여 사용자

에게 최적의 운동감을 제공함으로써 사용자의 현실감을 극대화할 수 있는 모션라이더 구동

용 소프트웨어 및 저작도구를 개발하는 것이다.

나 중요성.

체감형 가상현실 게임기는 놀이공원이나 테마파크에서 다수의 사용자가 동시에 탑승하(VR)

고 체감하는 형태의 놀이기구용 게임기와 게임센터나 가정에서 비디오 게임을 하면서 체감

을 할 수 있는 아케이드 게임기로 구분할 수 있다 놀이기구와 관련된 게임기는 체감형 모.

션라이더가 군사용에서 민간용으로 발전하면서 가장 많이 발전을 보인 분야이며 최근 일본,

에서는 비디오게임에 적용되는 다양한 모션라이더들을 개발하고 있는 추세이다 이러한 모.

션라이더를 적용한 가상현실 장비에서 관건이 되는 것은 탑승자에게 현실감 있는 운동을 생

성하고 또한 생성된 운동이 콘텐츠와 연동되어 이질감이 없도록 하는 것이다, .

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본 과제 개발 과정을 통하여 체감형 게임 및 라이드 필름 콘텐츠를 제작하는 프로세스를 정

형화하여 게임 개발 시 필요한 노하우와 공통 활용기술을 확보 보급하여 비교적 짧은 시간,

에 기술 인프라를 구축하여 체감형 게임 콘텐츠 개발의 진입장벽을 낮추어 다량의 게임 양

산을 실현할 수 있을 것이다.

연구개발의 내용 및 범위3.

가 개발기술의 개요.

모션라이더는 가장 보편화 된 가상현실 기기의 일종으로서 가상현실을 기반으로 하여 사용,







용 소프트웨어 및 저작도구를 개발하는 것이다 개발기술의 내용은 크게 다음의 가지로 구. 3

분할 수 있다.

모션라이더 구동용 및 저작도구 개발S/W

모션라이더의 콘텐츠의 내용에 따른 모션베이스의 운동을 실시간 시뮬레이션을 수행하여 결

정하며 알고리즘을 이용하여 사용자에게 전달되는 운동명령을 기구학적으로 제한, Washout

된 운동영역 내에서 재현해 낸다 또한 원하는 모션 플랫폼의 움직임을 실시간 제어기법을.

수행하여 제어하며 각 모듈 및 라이브러리를 통합하고 이를 형태로 구현하여 사용자가, API

쉽게 각각의 콘텐츠의 내용과 일치하도록 응용 프로그램을 개발할 수 있는 저작도구를 개발

한다.

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테스트베드용 모션베이스 개발H/W

위에서 상술한 모션라이더 구동용 를 테스트할 수 있는 테스트베드용 모션베이스S/W H/W

를 설계 제작하여 성능평가를 수행한다 개발 의 범용성을 테스트하기 위해 자유도의, . S/W 3

모션베이스와 자유도의 모션베이스 각각 대씩을 개발하여 각각의 모션베이스에서 테스트6 1

를 수행한다.

시스템 통합 및 성능평가

위에서 상술한 모션라이더 구동용 와 테스트베드용 모션베이스 를 통합하고 성능S/W H/W ,

평가를 수행한다 또한 체감형 게임 및 라이드 필름과 연동하여 상호작용 및 동기화를. VR

테스트한다.

나 개발기술의 우수성.

독창성 혁신성(1) ㆍ

가 게임 영상물 및 라이드 필름 콘텐츠와 정확하게 동기화 되어 연동( )

나 사용자에게 최대한의 현실적인 운동감을 제공하므로 제품의 기능 및 성능이 획기적으( ) ,

로 향상

다 표준화된 라이브러리 활용으로 제품 개발 기간 및 비용이 절감됨 약 이상( ) ( 60% )

종래기술과의 비교(2)

가상현실 시스템에서 사용자는 주로 병진ㆍ회전운동으로 인한 각속도 및 선형가속도에 의해

만들어지는 운동 큐를 통해 운동감을 느끼게 된다 따라서 높은 현실감을 확보하기 위해서.

는 운동시스템을 통해 사용자에게 현실적인 운동 큐를 전달하도록 시스템을 구축하여야 하

나 이의 높은 민감도로 인해 자칫하면 사용자 조작과의 상충 및 어지러움증 등의 역효과를,

가져올 수 있어 모션베이스의 구동 제어 시 주의해야 한다.

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최근 국내의 체감형 게임기의 경우 공학적 이론에 기초한 제어 알고리즘을 사용하는 것VR

이 아니라 개발자의 경험과 감각으로 운동 큐의 크기 및 방향을 결정하는 단순한 방법을 사

용하므로 현실감 측면에서 오히려 역효과를 나타내기도 한다 당사에서는 모션베이스의 구.

동 및 제어를 효과적이고 정확하게 수행하기 위하여 알고리즘 기구학 해석 등의Washout ,

공학적 이론과 고성능의 제어기 등을 이용한 실시간 제어 등으로 현실적이고 정확한 모션베

이스의 구동 및 제어를 가능케 한다.

연구개발 결과4.

가 모션라이더 구동용 저작도구 개발. S/W



된 운동영역 내에서 재현해 낸다 또한 원하는 모션 플랫폼의 움직임을 실시간 제어기법을.



하였다.

나 테스트베드용 모션베이스 개발. H/W

모션라이더 구동용 를 테스트할 수 있는 테스트베드용 모션베이스 를 설계 제작하S/W H/W ,

여 개발하였다 개발 의 범용성을 테스트하기 위하여 자유도의 모션베이스와 자유도. S/W 3 6

의 모션베이스 각각 대씩을 개발하여 각각의 모션베이스에서 테스트 하였다1 .

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다 시스템 통합 및 성능평가.

모션라이더 구동용 와 테스트베드용 모션베이스 를 통합하고 성능평가를 수행하였S/W H/W ,

다 또한 체감형 게임 및 라이드 필름과 연동하여 상호작용 및 동기화를 테스트 하였다. VR .

활용에 대한 건의5.

본 과제 결과물의 차 수요자는 체감형 게임이나 체감형 모션라이더용 콘텐츠 개발업체1 VR

이다 본 과제를 통해 개발된 모션라이더용 구동 를 이용하면 체감형 게임기의 각종 콘. S/W

텐츠의 내용과 모션의 동기화를 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 사용자에게 보다 현실감,

있는 운동감을 부여할 수 있고 따라서 보다 경쟁력 있고 상품성이 뛰어난 제품의 개발이,

가능하리라 예상된다.

또한 시작품으로 개발된 모션베이스는 차량 등 각종 육상 운송 수단뿐만 아니라 항공기 등,

의 운동 또한 모사할 수 있으며 지진 등 재난 모사에도 효과적으로 사용될 수 있을 것이라,

예상된다 따라서 개발된 모션베이스는 체감형 장비로서 엔터테인먼트는 물론이고 훈련. VR

용 연구용으로 사용될 수 있을 것으로 예상된다, .

기대 효과6.



에 기술 인프라를 구축하여 체감형 게임 콘텐츠 개발의 진입장벽을 낮추어 다량의 게임 양

산에 결정적 기여를 할 것으로 예상된다.

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SUMMARY

Motion Rider Operating Software has been developed in this project that maximizes

realism by driving a motion base in a motion rider, controling movement of the

motion base in synchronization with contents of the motion rider, and providing

optimized motion feel with a user.

The software consists of an operating data generation part for synchronization with

digital contents, a synchronization part for editing generated data to improve

realism, and a drive part for controling the motion base using the data.

The software has the following capabilities:

- motion base dynamic modeling and real-time simulation

- inverse kinematics

- washout algorithm for maximizing motion feel within physical movement limit of

the motion base and real-time analysis

- real-time control for driving the motion base

- synchronization with digital contents (ride films, VR games, etc.) and special

effect processing

Prototype motion bases with 3 and 6 degrees-of-freedom have been designed and

developed in order to evaluate performance of the developed software.

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CONTENTS

Summary

Chapter 1. Introduction

Chapter 2. Development of Motion-Rider Operating Software

2.1 Introduction

2.2 MC-Geditor

2.3 Motion Synchronizer

2.4 Motion Driver

Chapter 3. Development of 3 and 6 degrees-of-freedom Motion

Platform

3.1 System Configuration

3.1.1 Driving Part

3.1.2 Control Part

3.1.3 Power Supply Part

3.2 Design of Kinematics for Motion Platform

3.3 Hardware Control

3.3.1 Control System

3.3.2 Operating Procedure

3.3.3 Fail-Safety

3.4 Specification of Motion Platform

3.4.1 Specification of Motion Platform

3.4.2 Design Specification of Motion Platform

3.4.3 Decision of Actuator Specification

3.4.4 Simulation Result for Dynamic Analysis

3.4.5 Experiment System for Evaluation of Motion Platform

3.4.6 Evaluation Result for Motion Platform

Chapter 4. Conclusion

Appendix

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목 차

제 출 문

요 약 문

제 장 서론1

제 절 발전현황 및 향후 전망1

세계적 기술현황 및 전망1.

국내 기술현황 및 전망2.

제 절 기술개발 내용2

개발기술의 개요1.

개발기술의 우수성2.

제 절 기술개발 수행 내용3

모션라이더 구동용 소프트웨어 및 저작도구 개발1.

테스트 베드용 모션베이스 하드웨어 개발2.

시스템 통합 및 성능평가3.

제 장 모션라이더 구동용 개발2 S/W

제 절 모션라이더 구동용 의 개요1 S/W

개요1.

2. MC-Geditor

3. Motion Synchronizer

4. Motion Driver

제 장 자유도 자유도 모션베이스 개발3 3 /6

제 절 시스템 구성1

모션베이스 구동부1.

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모션베이스 제어부2.

전원 공급부3.

제 절 기구 설계 기준 및 특성2

제 절 하드웨어 제어3

제어절차1.

시스템 구동 절차2.

안전장치3.

제 절 모션베이스 사양4

모션베이스 규격1.

모션베이스 목표 성능2.

모터용량 결정3.

동특성 분석 시뮬레이션 결과4.

자유도 모션베이스 성능 평가5. 6

자유도 모션베이스 성능 측정 결과6. 6

제 장 결론4

부록

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제 장 서론1

제 절 발전현황 및 향후전망1

세계적 기술현황 및 전망1.

가 체감형 게임기용 모션라이더. VR

체감형 게임기는 놀이공원이나 테마파크에서 다수의 사용자가 동시에 탑승하고 체감하VR

는 형태의 놀이기구용 게임기와 게임센터나 가정에서 비디오 게임을 하면서 체감을 할 수

있는 아케이드 게임기로 구분할 수 있다 놀이기구와 관련된 게임기는 체감형 모션라이더가.

군사용에서 민간용으로 발전하면서 가장 많은 발전을 보인 분야이며 최근 일본에서는 비디,

오게임에 적용되는 다양한 모션라이더들을 개발하고 있는 추세이다 놀이기구용 모션라이더.

는 그림 의 좌측에 보인 것처럼 놀이공원에서 쉽게 접할 수 있는 회전형 놀이기구 등과1

우측의 그림처럼 로봇팔 형태의 플랫폼을 사용하여 우주를 비행하는 듯한 체감을 얻을 수

있는 놀이기구 등의 다양한 형태로의 적용이 가능하기 때문에 추후에도 많은 형태의 모션라

이더들이 개발될 것으로 전망된다.

그림 놀이기구용 모션라이더1

그림 에 보인 것처럼 게임기용 시뮬레이터는 화면에 보이는 게임의 장면에 따라 사용자가2

탑승한 모션라이더를 움직여 주기 위해서 모션베이스를 설치한 형태로서 초기에는 개개의,

사용자가 혼자서만 게임을 즐기는 형태의 모션라이더가 발전해 오다가 최근에 들어와서는

그림 에 도시한 것처럼 각각의 사용자가 탑승한 시뮬레이터가 네트워크로 연결되어 동시3

에 동작하는 형식으로 발전하고 있는 추세이다.

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그림 게임기용 모션라이더2

그림 네트워크게임기3

나 체감형 극장용 모션라이더.

극장용 모션라이더는 좌석이 놓여져 있는 극장의 바닥 전체가 움직여지는 모션 플랫폼 형태

와 바닥은 움직이지 않고 관람자가 앉는 의자만 움직여지는 모션 의자 형태로 구분할 수 있

다 그림 는 모션 플랫폼 형태의 극장용 모션라이더를 보여주고 있다 좌측의 형태처럼 수. 4 .

직 액츄에이터를 다수개 설치하여 화면에 보여 지는 영상에 따라 플랫폼을 동작시켜서 관람

객이 체감하는 것과 우측의 형태처럼 테이블 형태의 엑츄에이터를 구성하고 상부에 좌XY

석을 배치하여 화면의 움직임에 따라 전후 좌우로 플랫폼을 움직여서 체감하는 형태가 있,

다.

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그림 에 보인 것처럼 모션 의자 형태의 극장용 모션라이더는 관람객이 착석하는 의자의5

하단에 모션기반 액츄에이터들이 설치되어 화면에 보여지는 영상에 따라 의자를 움직여 주

는 것을 특징으로 한다 초기에는 다수의 관람객이 동시에 앉을 수 있는 긴 의자를 움직이.

는 형태였으나 최근에는 각각의 의자를 개별적으로 움직여 주는 기술로 발전하고 있다, .

그림 모션 플랫폼 형태의 극장용 모션라이더4

그림 모션 의자 형태의 극장용 모션라이더5

국내 기술현황 및 전망2.

가상현실 기술을 활용한 게임기 제작을 위한 부분적인 핵심기술을 보유하고 있으나 경쟁력,

있는 상품생산을 위한 체계적인 시스템 통합기술을 갖추지 못하고 있는 실정이다 또한 모.

션베이스를 활용하는 모션라이더형 게임기의 개발에서의 영상과 운동감의 일치를 위한 제어

기술의 부족으로 외국기술 의존도가 높으며 사용자와의 상호작용을 중요시하는 게임에 있,

어서의 운동감 재현을 위한 양방향 상호작용 기술이 부족한 현실이다.

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제 절 기술개발 대용2

개발기술의 개요1.

모션라이더는 가장 보편화 된 가상현실 기기의 일종으로서 가상현실을 기반으로 하여 사용,







용 소프트웨어 및 저작도구를 개발하는 것이다 그림 은 본 과제에서 개발하려고 하는 기. 6

술의 전체적인 구성 및 개념을 도시하고 있다.

그림 모션라이더 구동용 소프트웨어 개발 개념도6

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가 모션라이더 구동용 및 저작도구 개발. S/W



된 운동영역 내에서 재현해 낸다 또한 원하는 모션 플랫폼의 움직임을 실시간 제어 기법을.



한다.

나 테스트베드용 모션베이스 개발. H/W

위에서 상술한 모션라이더 구동용 를 테스트할 수 있는 테스트베드용 모션베이스S/W H/W

를 설계 제작하여 개발한다 개발 의 범용성을 테스트하기 위해 자유도의 모션베이스, . S/W 3

와 자유도의 모션베이스 각각 대씩을 개발하여 각각의 모션베이스에서 테스트한다6 1 .

다 시스템 통합 및 성능평가.

위에서 상술한 모션라이더 구동용 와 테스트베드용 모션베이스 를 통합하고 성능S/W H/W ,

평가를 수행한다 또한 체감형 게임 및 라이드 필름과 연동하여 상호작용 및 동기화를. VR

테스트한다.

개발기술의 우수성2.

가 독창성 혁신성. ㆍ

게임 영상물 및 라이드 필름 콘텐츠와 정확하게 동기화되어 연동되며 사용자에게 최대한의,

현실적인 운동감을 제공하므로 제품의 기능 및 성능이 획기적으로 향상될 수 있고 표준화, ,

된 라이브러리 활용으로 제품 개발 기간 및 비용 절감이 예상된다.

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나 종래기술과의 비교.

가상현실 시스템에서 사용자는 주로 병진ㆍ회전운동으로 인한 각속도 및 선형가속도에 의해

만들어지는 운동 큐를 통해 운동감을 느끼게 된다 따라서 높은 현실감을 확보하기 위해서.

는 운동시스템을 통해 사용자에게 현실적인 운동 큐를 전달하도록 시스템을 구축하여야 하

나 이의 높은 민감도로 인해 자칫하면 사용자 조작과의 상충 및 어지러움증 등의 역효과를,

가져올 수 있어 모션베이스의 구동 제어 시 주의해야 한다.

최근 국내의 체감형 게임기의 경우 공학적 이론에 기초한 제어 알고리즘을 사용하는 것VR

이 아니라 개발자의 경험과 감각으로 운동 큐의 크기 및 방향을 결정하는 단순한 방법을 사

용하므로 현실감 측면에서 오히려 역효과를 나타내기도 한다 당사에서는 모션베이스의 구.

동 및 제어를 효과적이고 정확하게 수행하기위하여 알고리즘 기구학 해석 등의Washout ,

공학적 이론과 고성능의 제어기 등을 이용한 실시간 제어 등으로 현실적이고 정확한 모션베

이스의 구동 및 제어를 가능케 한다.

다 기술적 파급효과.



에 기술 인프라를 구축하여 체감형 게임 콘텐츠 개발의 진입장벽을 낮추어 다량의 게임양산

에 결정적 기여를 할 것으로 예상된다 따라서 국내기술개발의 수준 향상과 관련 산업의 경.

쟁력을 강화시켜 세계게임강국으로 조기 진입할 수 있으며 이는 수출증대에 결정적 기여를,

할 수 있을 것으로 예상된다 본 과제의 결과물이 사업화되는 년까지는 천만불. 2003 3 , 2005

년까지는 천만불 규모의 게임 수출이 가능한 정도의 기술경쟁력을 확보할 것으로 예상된6

다.

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제 절 기술개발 수행 내용3

모션라이더 구동용 소프트웨어 및 저작도구 개발1.

가 모션 라이브러리 개발. Path Tracking

모션라이더의 콘텐츠 게임 라이드 필름 등 에서 모션의 움직임 정보를 추출해 내고 이를( , ) ,

모션베이스의 운동정보 데이터베이스로 구축할 수 있는 모션 라이브러리 개Path Tracking

발

나 운동역학 모델링 및 실시간 시뮬레이션 라이브러리 개발.

모션라이더의 콘텐츠의 내용에 따른 모션베이스의 운동을 공학적 해석을 이용하여 실시간으

로 결정하는 운동역학 시뮬레이션 라이브러리 개발

다 알고리즘 라이브러리 개발. Washout

모션베이스의 물리적인 제한범위 내에서 운동영역을 유지시키며 모션 플랫폼의 차원 공간, 3

상에서의 좌표정보를 결정하여 사용자에게 전달되는 운동명령을 운동 영역 내에서 재현해

내는 알고리즘 라이브러리 개발Washout

라 모션베이스 기구학 해석 라이브러리 개발.

알고리즘을 거쳐 나온 모션 플랫폼의 움직임에 대한 오일러각 과Washout ( , , ) X, Y,Ψ θ Φ

축의 좌표를 가지고 모션 플랫폼을 구성하고 있는 각 액츄에이터의 길이를 구하는 기구학Z

해석 라이브러리 개발

마 모션베이스 실시간 제어 라이브러리 개발.

원하는 모션 플랫폼의 움직임과 실제 모션 플랫폼과의 오차를 비교하고 이를 고성능의, PID

제어기 등을 이용하여 실시간 제어를 수행하는 실시간 제어 라이브러리 개발

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바 모션라이더 구동용 및 저작도구 개발. API

위에서 개발된 각 라이브러리를 통합하고 이를 이용하여 사용자가 쉽게 각각의 콘텐츠의,

내용과 일치하도록 응용 프로그램을 개발할 수 있는 모션라이더 구동용 및 저작도구API

개발

테스트베드용 모션베이스 하드웨어 개발2.

위에서 상술한 모션라이더 구동용 소프트웨어 및 저작도구를 테스트할 수 있는 테스트베드

용 모션베이스 하드웨어를 설계 제작하였다 개발 소프트웨어의 범용성을 테스트하기 위해, .

자유도의 모션베이스와 자유도의 모션베이스 각각 대씩을 개발하여 각각의 모션베이스3 6 1

에서 테스트하였다.

시스템 통합 및 성능평가3.

위에서 상술한 모션라이더 구동용 와 테스트베드용 모션베이스 를 통합하고S/W H/W , S/W

와 각각의 성능평가를 수행하였다 모드 시 체감형 게임을 조작하는H/W . Interactive VR

게이머의 입력에 따른 상호작용 테스트 및 성능평가를 수행하였으며 모드 시 라이, Passive

드 필름 영상물과의 동기화 테스트 및 성능평가를 수행하였다.

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제 장 모션라이더 구동용 개발2 S/W

제 절 모션라이더 구동용 의 개요1 S/W

개요1.

모션라이더 구동용 는 운동재현을 위한 신호 생성 및 편집용 소프트웨어S/W (Motion Cues) ,

모션 플랫폼 운동 재현을 위한 알고리즘과 역기구학 해석 소프트웨어 그리고 하Washout ,

드웨어 구동을 위한 실시간 제어 및 통신 모듈을 포함하는 소프트웨어로 구성되어진다.

는 운동재현을 위한 신호생성 및 편집용 소프트웨어이다 영화 동영상 게임MC-Geditor . , ,

등을 포함한 모션라이더 디지털 콘텐츠를 모션 플랫폼과 동기화 하여 운동(Synchronization)

을 재현하기 위해서는 콘텐츠 각각의 시각에 맞는 운동재현을 위한 신호 를(Motion Cues)

생성하여야 한다 여기에서 운동재현을 위한 신호는 차원 공간에서 각축에 대한 병진방향. 3

과 으로의 가속도와 각축에 대한 회전방향 와(Longitudinal, Lateral Vertical) (Roll, Pitch

으로의 각속도이다 특히 조이스틱을 이용한 운동재현을 위한 신호 중 가속도 신호의Yaw) .

생성 한계를 가지고 있으므로 최적화된 차량모델을 사용하여 시뮬레이션 결과 데이터를 적

용하는 기능을 추가하여 이 같은 한계를 보완하였다 는 을 이용하여. MC-Geditor Joystick

와 연동하여 모션 플랫폼을 구동할 수 있는 의 생성하고 생Passive Ride Film Motion Cues

성된 를 현실감 있는 특수 효과나 적당한 운동량을 찾기 위해서Motion Cues Motion Cues

를 가공하기 위한 소프트웨어이다.

는 모션 플랫폼 운동 재현을 위한 알고리즘과 역기구학 해Motion Synchronizer Washout

석 모듈로 구성되어 있다 생성된 운동재현을 위한 신호는 콘텐츠와 모션 플랫폼 운동의 동.

기화를 위한 알고리즘과 모션 플랫폼의 정확한 액추에이터의 구동을 위한 역기구Washout

학 해석을 거쳐 모션베이스로 인가되는 최종데이터를 생성하게 된다.

는 하드웨어 구동을 위한 소프트웨어로서 알고리즘과 역기구학 해Motion Driver Washout

석을 거친 데이터를 실제 채널을 통해 아날로그 신호를 생성하게 된다DA .

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시뮬레이션에서 구현하여 선행적으로 운동재현을 조정하게 되며 실제 모션 플랫Off-Line ,

폼과 디지털 콘텐츠와의 통합을 위해서는 모션 플랫폼 구동전용 드라이버와 직렬통신을 하

거나 보드를 이용하여 전기신호로 변환되어 액추에이터를 구동한다 그림 은 위에서DAQ . 7

설명된 모션 라이더 구동용 소프트웨어의 구성을 보이고 있다.

그림 모션라이더 구동용 의 구성도7 S/W

2. MC-Geditor

는 모션라이더용 동영상이나 기타 수동적인 영상 콘텐츠에서 모션플랫폼을 구MC-Geditor

동하기 위한 모션 큐를 생성하여 편집할 수 있는 프로그램으로 현재 버전 까지 개발하1.0

였으며 프로그램을 등록하였다 그림 은 을 실행한 경우의 를 보이. 8 MC-Geditor v1.0 GUI

고 있다.

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그림 8 MC-Geditor GUI

가. MC-Geditor GUI

동영상 재생(1) Window

으로 이루어진 동영상을 재생하는 창으로서 파일을 오픈하는 버튼과 시작 정지 그리MPEG ,

고 원하는 프레임으로 이동할 수 있는 네 개의 버튼으로 이루어져 있으며 현재 재생되는,

프레임을 볼 수 있는 박스와 프레임 이동을 위해 입력받을 수 있는 박스로 구성되어 있다.

제어(2) Window

사용자의 입력을 받는 창으로서 조이스틱 모드는 조이스틱을 이용하여 각 자유도에 대한,

값을 직접 입력받도록 할 수 있으며 입력되는 값은 차원 공간상의 개 좌표에서 선택된, 3 6

해당 좌표에 대한 위치나 변위각을 인위적으로 조이스틱을 조정하여 입력한다 시뮬레이션.

모드는 최적화된 차량모델을 이용하여 조이스틱을 이용하여 조향과 가감속을 위한 입력을

발생하여 독립적인 시뮬레이션 수행 후 결과 를 받아들일 수 있다(ax, ay, az, p, q, r) .

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적용되어진 최적화 차량모델에 대한 자세한 설명 및 모델링기법은 이후에 설명하도록 한다.

또한 생성한 데이터를 그래프로 볼 수 있으며 편집 또한 가능하다 편집 기능으로는. Scale

조절 및 의 신호를 추가 할 수 있으며 각각, Step Input, Sine Wave Square Wave (adding)

의 편집 모두 사용자가 원하는 프레임 범위를 지정하여 수정할 수 있다 마지막으로 파일.

저장을 위한 기능도 가진다 저장되는 형식은 텍스트 형식으로 왼쪽에는 프레임 정보와 오.

른쪽에는 생성된 데이터가 동시에 저장된다 특히 차량모델의 동역학 시뮬레이션을 이용한.

모션 큐를 생성할 경우 시뮬레이션 모드로 실행하며 한번에 생성된 데이터를 활성화된 각각

의 버튼을 이용하여 그래프 보기와 수정을 할 수 있으며 저장은 지정된 이름과 위치에 개6

의 좌표에 대한 파일이 각각 저장된다.

(3) 3D OpenGL Window

로 생성된 창으로 조이스틱에 의해 생성되는 값으로 모션이 어떻게 움직이는 지를OpenGL

보는 창이다 삼각형 모양의 모델은 현재 생성하고자하는 좌표축에 대한 운동이 모사 되. 3D

어지므로 모션라이더용 동영상이나 기타 수동적인 영상 콘텐츠과 비교하여 조이스틱의 조작

을 용이하도록 한다 즉 모델의 운동은 모드에서 에 대한 모션 큐를 생성. , 3D Joystick Roll

을 목표로 한다면 에 따른 모션에 대한 움직임을 보여준다 단 시뮬레이션 모Joystick Roll .

드에서는 단지 조이스틱의 위치를 보인다.

그래프(4) Window

조이스틱에 의해 생성되는 값을 실시간으로 그래프에 그려주는 창이다 축 좌표의 값은 현. X

재 재생되는 모션라이더용 동영상이나 기타 수동적인 영상 콘텐츠의 프레임 수를 보이며 Y

축 좌표의 값은 조이스틱으로부터의 출력값을 보이고 있다.

나 특징 및 주요 내용.

의 주요 기능은 축 조이스틱을 모션라이더용 동영상이나 기타 수동적인 영상MC-Geditor 2

콘텐츠과 동기화되어진 모션 큐 생성 과 편집 그리고 최적화 차량모델(Generation) (Editting)

시뮬레이션이다.

- 24 -

모션 큐 생성(1) (Motion Cues Generation)

조이스틱 모드로 모션 큐 생성을 위한 자유도 중6 (Roll, Pitch, Yaw, Surge, Sway, Heave)

하나의 운동을 선정하여 동영상과 일치하는 모션 큐를 생성하는 모드로서 각과 변위가 생성

된다 이때 파일의 저장은 각각 좌표축에 대해서 동영상의 프레임수와 동기화되어 저장된.

다 이때 저장되는 파일은 각 좌표에 해당되는 파일만 저장된다 그림 는 에서. . 9 MC-Geditor

자체 제작한 롤러코스트용 동영상을 이용하여 운동을 위한 모션 큐를 생성하는 모습을Roll

보이고 있다 그림 은 선택하여 생성된 모션 큐를 그래프로 출력한 모습을 보이고 있다. 10 .

또한 편집과정 중이나 종료 후에도 그 결과를 보여줄 수 있다.

그림 롤러코스트 동영상과 모션 큐 생성9

- 25 -

그림 모션 큐 그래프10

모션 큐 편집(2) (Editing)

조이스틱을 조작하여 인위적으로 생성되어진 모션 큐는 영상과 동기화 되어진 모션 큐로 신

뢰할 수 있는 한계를 가지고 있다 이러한 신뢰도를 높이기 위해서 편집기능을 사용한다. .

주요편집 기능으로는 스케일링 입력 추가 입력 추가 그리고, Step , Sine Wave Square

입력 추가 기능 등이 있다 이러한 편집기능을 통해 특수효과를 추가하여 현실감을Wave .

더할 수 있도록 편집이 가능하다 먼저 스케일링은 생성된 모션 큐의 경향은 같더라도 조이.

스틱의 출력 값을 기본으로 생성되므로 최대ㆍ최소값에 제한이 존재하므로 이를 보충할 수

있을 뿐만 아니라 음의 값으로 스케일링하면 반대방향으로의 인버팅이 가능하다 입력. Step

추가 기능은 두 개의 입력을 이용하여 충격 효과를 재현 할 수 있는 모션 큐의 편집Step

이 가능하다 또한 와 추가 기능은 조이스틱으로 재현이 어려운. Sine Wave Square Wave

진동이나 보다 과격한 운동을 추가하기 위한 기능이다 의 는 주기의 프. Sine wave Period 1

레임 수에 해당이 되며 는 값을 나타낸다 위에서 기술되어진 편집 기능들은Amplitude Peak .

조이스틱을 조정하여 생성된 모션 큐의 신뢰도를 높이고 모션라이더용 동영상이나 기타 수

동적인 영상 콘텐츠와 모션 플랫폼의 운동 모사의 동기화를 용이하도록 한다.

- 26 -

그림 모션 큐 편집11

최적화 차량 모델 시뮬레이션(3)

모션라이더용 동영상이나 기타 수동적인 영상 콘텐츠와 조이스틱의 조작으로 생성된 모션

큐를 기본으로 하여 를 이용하여 모션 큐를 편집하였다고 하더라도 보다 더 현MC-Geditor

실감 있는 모션 플랫폼의 운동을 구동하는 것은 많은 어려움이 따른다 따라서 본 과제에서.

는 이러한 의 기능을 보충하기 위해서 최적화된 차량모델을 개발할 필요성이MC-Geditor

요구되었다.

요구되어지는 차량의 모델은 차량의 운동을 모두 만족시키면서 영상 콘텐츠와의 통합을 위

해서 이상에서 안정된 시뮬레이션이 가능한 차량모델링 기법과 실시간 요건을 만20 msec

족하는 시뮬레이션 엔진이 필요하다 플랫폼에서 시뮬레이션을 수행할 수 있. MC-Geditor

도록 축의 조이스틱을 이용하여 차량의 및 의 입력을2 Gas Brake Pedal, Steering Wheel

생성하여 차량의 운동을 구현할 수 있는 최적의 차량모델을 개발하였다.

- 27 -

가 개요( )

구동 및 제동을 위한 및 입력과 조향을 위한 의 입력으Gas Brake Pedal Steering Wheel

로 자유도의 차량 거동 해석이 가능한 최적화된 차량모델을 개발 하였다 기존의 차량모델6 .

의 경우 시뮬레이션을 수행하기 위해서는 하의 적분 이 요구되어지나2 msec sampling time

개발되어진 차량모델은 에서 안정된 시뮬레이션이 수행되어지므로 차량모델의 적20 msec

용범위는 플랫폼에서의 시뮬레이션뿐만 아니라 게임관련 차량모델의 엔진으로MC-Geditor

적합하다.

차량모델은 을 이용하여 로 구현되고 차량모델의 검증을 위해서Visual Fortran 6.0 DLL

와 을 이용하여 조이스틱 컨트롤 및 시뮬레이션 출력Visual C++ 6.0, MFC ProEssential

등의 기능을 가진 응용 프로그램을 개발하여 시뮬레이션을 수행하였다 그림 는 개발된. 12

차량모델의 검증을 위한 응용 프로그램인 의 와 시뮬레이션 결과를 보이고 있다VRJoy GUI .

① Reset 버튼 시뮬레이션 수행: (ON) 및 초기화(OFF)

② Horizontal Slider 스티어링 입력 조이스틱 좌우축 모니터링: ( )

③ Vertical Slider 및 입력 조이스틱 전후축 모니터링: Gas Brake ( )

④ Simulation Result Plot : ProEssential을 이용하여 시뮬레이션

결과 모니터링

그림 12 VRJoy GUI

- 28 -

나 개발 목표( )

입력 Gas Pedal, Brake Pedal, Steering Wheel

출력 가속도 속도 변위, , , Engine RPM, Gear

Maximum SamplingTime [millisecond]

20

자유도 자유도 이상6

확장성 유

성능 및 제원사용자 정의 가부

가능

표 최적화 차량 모델의 사양1

다 최적화 차량모델( ) (OptVM)

현실적인 차량을 모델링하기 위해서는 엔진 모델과 브레이크 모델을 수치모델로 대치하더라

도 최소 현가장치 와 타이어의 회전을 포함하여 자유도가 요구된다 위의Chassis 6, 4 14 .

개발 목표를 만족시키기 위해서 스프링과 감쇠장치를 고려하지 않고 에서 자유도Chassis 4

와 타이어의 회전을 위한 자유도가 포함되어 총 자유도의 최적화된 차량모델을 개발하2 6

였다.

최적화된 차량모델은 크게 다음과 같이 크게 네 가지로 구성된다.

엔진모델이 포함된 서브루틴과 서브루틴Powertrain WheelDynamics①

타이어 와 를 포함하는 서Longitudinal Slip, Normal Force Resistance LongDynamics②

브루틴

조향각 계산을 포함하는 서브루틴, Lateral Force LateralDynamics③

와 재현을 위한 각 서브루틴Roll, Pitch Yaw Motion④

그림 은 최적화된 차량모델의 블록 다이어그램이다13 .

- 29 -

그림 최적화된 차량모델의 블록 다이어그램13

라 시뮬레이션 결과( )

직진주행①

차량이 정지 상태에서 출발하여 초고속도에 도달하는 시뮬레이션 결과를 보이고 있다 이때.

엔진 과 변속기어의 위치를 보이고 있다 의 입력은 로 일정하다 그림RPM . Gas Pedal 50% .

는 진행방향 거리와 속도 그리고 진행방향 가속도를 보이고 있다 그림 는 엔진14 . 15 RPM

과 변속기어의 위치를 보이고 있다.

- 30 -

그림 직진주행 시뮬레이션 결과14 (1)

그림 직진주행 시뮬레이션 결과15 (2)

가속주행 및 조향②

차량이 정지상태에서 출발하여 초 구간에서 조향핸들의 입력을 도로 입력하60 63 45 Step∼

는 시뮬레이션 결과를 보이고 있다 그림 은 속도 횡방향 위치와 속도를Lane Change . 16 ,

각각 보이고 있으며 그림 은 와 를 이보이고 있다17 Roll, Pitch Yaw .

- 31 -

그림 가속주행 및 조향 시뮬레이션 결과16 (1)

그림 가속주행 및 조향 시뮬레이션 결과17 (2)

마 조이스틱 통합( )

시뮬레이션 결과를 바탕으로 차량모델이 안정적인 시뮬레이션이 수행한다고 볼Off-Line

때 이를 축의 조이스틱과 과 통합을 위한 소프트웨어인 를 이용한 시뮬레이2 OptVM VRJoy

션 결과를 보이고 있다.

- 32 -

그림 조이스틱 통합 시뮬레이션 결과18 (1)

그림 조이스틱 통합 시뮬레이션 결과19 (2)

- 33 -

바 주요제원( )

주요 파라미터 데이터 비고

Smass 1160 Sprung Mass

Wmass 75 Wheel Mass

WRadius 0.33 m Wheel Radius

WInertia 4.08 Wheel Inertia

Gravity 9.82

DifferRatio 3.6 Differential Gear Ratio

A 0.9 m Wheel Base(front)

B 0.936 m Wheel Base(rear)

H 0.55 m Height

Ixx 400 Sprung Mass Inertia

Iyy 2704 Sprung Mass Inertia

Izz 3136 Sprung Mass Inertia

표 최적화 차량모델의 제원2

다 결론.

모션라이더용 동영상이나 기타 수동적인 영상 콘텐츠와 체감형장치인 모션 플랫폼과의 통합

구동을 위해서 필수적인 운동재현을 위한 신호 를 생성하고 다양한 방법으로(Motion Cues)

편집이 가능하며 병진가속도에 의한 운동의 한계를 극복하기 위한 최적화 차량모델을 포함,

하여 시뮬레이션이 가능한 기능을 갖춘 을 개발하였다 특히MC-Geditor v1.0 . MC-Geditor

를 이용한 운동재현을 위한 신호 는 이후에 다룰 에서(Motion Cues) Motion Synchronizer

사용된다.

- 34 -

3. Motion Synchronizer

에서 생성된 운동재현을 위한 신호는 콘텐츠와 모션플랫폼 운동의 동기화를 위MC-Geditor

한 알고리즘과 모션 플랫폼의 정확한 액추에이터의 구동을 위한 역기구학 해석을Washout

수행하여 실제 모션베이스에 인가되는 데이터가 생성된다 이러한 는. Motion Synchronizer

파라미터의 파일 관리 와의 통합을 위한 파일 기능 해석된 결과Washout , MC-Geditor I/O ,

를 그래프나 의 움직임으로 보여주는 후처리 기능이 있다Bar .

가. Motion Synchronizer GUI

그림 20 Motion Synchronizer

그림 에서 보이는 바와 같이 의 는 기능상으로 보았을 때20 Motion Synchronizer GUI

파라미터 파일 관련 시뮬레이션 데이터 파일 관련 해석 결과를 도시하는Washout UI, UI,

세 가지 부분으로 나누어 볼 수 있다 좌측 부분은 파라미터를 보여주고 컨. Washout Spin

트롤을 사용하여 키보드를 사용하여 편집하지 않고 마우스의 클릭으로도 데이터 튜닝이 가

능하도록 하였다.

- 35 -

우측 상단에 있는 부분은 파라미터 파일의 열기 저장 다른 이"Washout Parameter File" , ,

름으로 저장 기능이 있는 버튼이 있고 읽어 들인 파일 이름을 보여준다 우측 중간에 있는.

부분에서는 로부터 생성된 운동 큐 파일 정보를 입력하고 시뮬레"Simulation" MC-Gedior

이션을 수행하기 위한 가 있다 버튼을 사용하여 시뮬레이션을 수행하여 그림 과UI . "Run" 21

같은 창이 보이면서 해석 수행정보를 표시한다.

그림 시뮬레이션 수행 윈도우21

나 특징 및 주요내용.

파라미터 편집(1) Washout

알고리즘에서 사용되는 개의 파라미터를 편집하고 관리하기 위해서는 적절한Washout 39

사용자 인터페이스와 파일 기능이 필수적이다 사용자의 편리한 파라미터 튜닝을 위해서I/O .

컨트롤과 컨트롤의 조합으로 키보드와 마우스의 조작으로 데이터를 손쉽게 편집Edit Spin

할 수 있도록 하였다 또한 함수를 사용하여 파일 포맷으로 다량의. Windows System INI

파라미터를 저장하고 읽어 들일 수 있다.

모션 플랫폼 구동 로직(2)

모션 플랫폼의 운동을 정확히 제어하여 제한된 운동범위 내에서도 실제와 유사한 차량 운동

을 생성하고 주행시나리오를 정확하게 재현하기 위해서는 우수한 성능을 가진 구동로직이

필요하다.

- 36 -

구동로직은 두 가지로 구분할 수 있는데 첫 번째는 운동 플랫폼의 제한된 운동영역 안에서

도 실제와 유사한 차량의 운동을 운전자가 경험할 수 있도록 새로운 운동 큐를 생성하는

알고리즘이다 이는 모션 플랫폼의 물리적인 한계 내에서 운동을 제한하는 것과Washout .

운전자에게 전달되는 운동 큐를 운동감지 영역 내로 유지시키는 역할을 한다 두 번째 로직.

은 알고리즘으로부터 나오는 플랫폼의 목표운동을 제어하여 정확하게 재현하는Washout

제어알고리즘이다 그림 는 본 과제에서 시제품으로 제작한 전기식 모션 플랫폼의 구동로. 22

직을 보이고 있다.

그림 22 Electronic Motion Platform Control Flow

알고리즘(3) Classical Washout

체감형 모션 플랫폼의 유효성 및 응용성은 재현하고자하는 목표 운동을 구현시키는 것에 좌

우된다 일반적으로 차원 공간에서는 운동영역의 제한이 없지만 이러한 운동을 모사하는. 3

체감형 모션 플랫폼은 기구학적인 운동영역과 시스템의 동특성에 한계가 있으므로 완전한

차량 운동의 재현은 어렵다 그러므로 재현하고자하는 목표 운동을 위한 모션 큐를 모션 플.

랫폼의 물리적인 한계 내에서 모사할 수 있도록 적절히 변환시키는 알고리즘이Washout

필요하다.

알고리즘은 고주파와 저주파 필터의 조합으로 구성된다 회전각속도와Classical Washout .

병진가속도의 고주파성분은 고주파필터에 의해 구현되고 병진가속도의 저주파성분은

에 의한 회전으로 구현된다 이러한 알고리즘은 인체Tilt-Coordination . Classical Washout

감지모델 연구에 의해 구성되었으며 실제 구현을 위해 좌표변환 저주파 고주파 필터의 설, /

계 및 과정이 요구된다 다음 그림 은 알고리즘의Tilt-Coordination . 23 Classical Washout

을 보이고 있다Block Diagram .

- 37 -

그림 알고리즘23 Washout Block Diagram

가 인체감지모델( ) (Human Perception Model)

알고리즘에서는 모션 큐의 적절한 주파수 영역만을 선택하여 운동재현을 하게 된Washout

다 의 성능은 모션 플랫폼의 운동 모사율로 평가될 수 있는데 알고리즘. Washout , Washout

의 종류나 파라미터에 따른 운동 모사율이 서로 유사하더라도 체감형 모션 플랫폼 내의 체

감자가 느끼는 운동에 있어서는 차이가 클 수도 있다 즉 모션 플랫폼의 운동 모사율과 함. ,

께 실제 체감자의 감각에서 감지하는 정도에 따라 운동 재현성능이 결정될 수 있으므로 인,

체 감각 모델을 적용해 실제 운동과 체감형 모션 플랫폼 내에서 경험하는 체감자의 반응을

비교해 알고리즘을 개발해야 한다 운전자가 인지하는 중요한 운동 상태로는 비력Washout .

과 회전각속도이며 평형석 과 전정관 에서 인지하게 된다 이때 비력, (Otolith) (Vestibular) .

은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다(specific force) .

- 38 -

여기서, a 는 병진 가속도 벡터, g 는 중력 가속도 벡터이다.

본 과제에서는 과 에 의해 제안된 인체감지모델을 적용하였다 전정계는 거의Young Oman .

수직인 축에 정렬되어 있는 여섯 개의 각속도 센서로 구성되어 있다 그것들은 서로 마주보.

는 개의 쌍으로 이루어져서 중이에 위치하여 있는데 기본적으로 과감쇠 회전 단진자로 모3

델링 될 수 있다 그림 는 전정계의 모델을 보이고 있다. 24 .

그림 24 Model of Vestibular System

이 모델에 사용된 개의 채널은 같은 형태를 가지고 있지만 서로 다른 파라미터를 사용한3

다 각 채널의 전달함수는 아래 식과 같다. .

그림 에서 보여지듯이 전정계의 주파수 응답은 고주파 통과필터의 형태를 가지고 있으므25

로 병진가속도 채널과 각속도 채널에서 저주파 신호를 제거하여 실제 감지 가능한 운동3 3

만 재현하게 된다.

- 39 -

그림 25 Bode Diagram for Vestibular System

평형계는 정렬된 개의 센서로 구성된 두 개의 집합으로 되어있다 한 개는 수평면에서의2 .

운동을 감지하고 다른 한 개는 수직면에서의 운동을 감지하는데 이것은 스프링ㆍ질량ㆍ댐퍼

시스템으로 모델링 될 수 있다 그림 은 평형계의 모델을 보이고 있다. 26 .

그림 26 Model of the Otolith System

그림 에서 보이는 것처럼 의 주파수 응답은 저주파 통과 필터의 형태를27 Otolith System

가지고 있으므로 을 사용하여 회전운동으로 병진 운동감을 재현하는 것이Tilt-Coordination

타당한 방법임을 확인할 수 있다.

- 40 -

그림 27 Bode Diagram of Otolith System

나 알고리즘 설계( ) Washout

좌표변환 행렬의 정의①

모션 플랫폼을 구동하기 위해 액추에이터의 길이를 결정하는 역기구학 해석을 위한 입력 신

호는 모션 플랫폼의 고정된 절대좌표계에 대한 모션 플랫폼 상판의 중심의 위치 변위와

각으로 생성되어야한다 그러나 이러한 일련의 과정은 내에서 계Euler . Washout Algorithm

산되도록 해야 한다 따라서 과 에 대한 변환행렬에 대한 정의를. Body 1-2-3 Body 3-2-1

해야 하며 와 각의 미분값 사이의 비선형적인 특성을 가지고 있다, Angular Velocity Euler .

따라서 이러한 비선형적인 문제점을 해결하기 위해서는 와 각의 미Angular Velocity Euler

분값 사이의 관계를 정의해야한다 정의된 식은 다음과 같이 정의하여야 한다. .

- 41 -

에 대한 변환행렬Body 1-2-3 (T(φ, θ, ψ 과 행렬은 다음과 같다)) C, D .


설계High-Pass Filter②

차 의 전달함수는 다음과 같으며 다음 그림 과 같이 설계되어야한다2 High-Pass Filter , 28 .

- 42 -

그림 차 의 전달함수28 2 High-Pass Filter

위의 전달함수를 라플라스 변환의 에 의하여 일정한 명령입력Final Value Theorem fcx에

대해 정상상태의 값 r cx 는 다음과 같다.

여기에서 입력이 7 ft/sec2의 지속적인 가속운동을 2 ft의 위치 변위를 가지는 운동으로 표

현하고자 한다면 ωn은 다음과 같이 설정해야한다.

형식으로 나타내기 위해서 일반적인 차 의 전달함수를 다음과Observer 2 High-Pass Filter

같이 나타낼 수 있다.

위의 전달함수를 미분방정식으로 나타내면 다음과 같다.

상태 방정식은 다음과 같다.

- 43 -

차 의 전달함수는 다음과 같으며 다음 그림 와 같이 설계되어야한다1 High-Pass Filter , 29 .

그림 차 의 전달함수29 1 High-Pass Filter

형식으로 나타내기 위해서 차 의 전달함수를 미분방정식으로Observer 1 High-Pass Filter

나타내면 다음과 같다.


설계Low-Pass Filter③

의 일반적인 전달함수는 다음 그림 과 같으며 설계 또한 다음과 같이Low-Pass Filter 30 ,

해야 한다.

- 44 -

그림 차 의 전달함수30 2 Low-Pass Filter

일반적인 의 전달함수는 다음과 같다Low-Pass Filter .

위의 전달함수를 미분방정식으로 나타내면 다음과 같다.


다 를 이용한 재현( ) Residual Tilt Specific Force

회전각으로 인하여 원하지 않는 병진운동 성분이 발생하는 것을 알아보았는데 이 사실로부,

터 회전각을 발생시켜 병진운동을 생성시킬 수 있다 이 병진운동을 하지. Motion Platform

않고 을 갖게 되면 운전석에 작용하는 는 중력가속도 항으로부Euler Angle Specific Force

터 다음과 같이 표현된다.

- 45 -

여기서 는 로, T Orthonormal Transformation Matrix

이고 회전에 의한 는 회전각의 크기와는 독립적이다 단지 방향만을 제어하Specific Force .

는 것이다.

그림 31 Specific Force

이 운동을 하지 않는 경우의 감지되는 는 중력의 반대방향Motion Platform Specific Force

으로 중력의 크기만큼 갖고 있다 이러한 중력에 의한 벡터의 방향을 원하. Specific Force

는 벡터방향과 일치시켜 재현할 수 있다 출력 가속도의 크기를 변경할 수Specific Force .

없으나 방향을 변경하여 된 벡터를 재현할 수 있다, Scale Specific Force . Motion

을 원하는 와 중력에 의한 가 일치하도록Platform Specific Force Specific Force ωr의 방향

으로 회전시키면, ωr는 다음과 같이 계산된다.

- 46 -

시 미소한 양이면 제한조건을 만족하나 클 경우는 만족하지 못하기 때Motion Simulation ,

문에 이 경우는 를 도입하여 해결할 수 있다 그러나 병진운동 재현을 위한 회Scale Factor .

전운동은 회전 운동감만을 회전각으로 나타나도록 한다.

라 상태변수 및 상태방정식( ) (States) (State Equation)

차나 차의 나 에 관계없이 미분방정식으로 나타낼 수1 2 High-Pass Filter Low-Pass Filter

있다 따라서 위에서 보이는 바와 같이 디지털 를 미분방정식과 상태방정식으로 유도. Filter

되는 것을 보였으므로 여기에서는 에 쓰일 상태변수와 상태방정식에 대Washout Algorithm

해서 정의를 내리고 상태방정식을 수립하고자 한다, .

상태변수 (States Variables)①

상태변수는 다음과 같다 변수 이름은 그림 의 에 기. 23 Washout Algorithm Block Diagram

초하였다.

상태방정식 (States Equation)②

2nd HPF1

그림 32 2nd HPF1

- 47 -

표 입출력 벡터3 2nd HPF1

acx을 입력으로 하여 를 통과할 때2nd HPF ,

acy을 입력으로 하여 를 통과할 때2nd HPF ,

acz을 입력으로 하여 를 통과할 때2nd HPF ,

Transformation (From Inertia Frame To Cockpit Frame)

그림 33 Transformation

표 입출력 벡터4 Transformation

acx 을 입력으로 하여 의 고정좌표축에 변환시' Cockpit ,

- 48 -


따라서,

2nd HPF2

그림 34 2nd HPF2


aIx 을 입력으로 하여 를 통과할 때' 2nd HPF ,

aIy 을 입력으로 하여 를 통과할 때' 2nd HPF ,

aIz 을 입력으로 하여 를 통과할 때' 2nd HPF ,

- 49 -

Integrator I

그림 35 Integrator 1

표 입출력 벡터6 Integrator 1

를 이용한 재현Residual Tilt Specific Force

그림 를 이용한36 Residual Tilt Specific Force

- 50 -

표 입출력 벡터7 Specific force

여기에서,

2nd LPF

그림 37 2nd LPF

- 51 -

표 입출력 벡터8 2nd LPF

pt 을 입력으로 하여 를 통과할 때2nd LPF ,

qt 을 입력으로 하여 를 통과할 때2nd LPF ,

rt 을 입력으로 하여 를 통과할 때2nd LPF ,

2nd HPF3

그림 38 2nd HPF3


- 52 -

[ wcx, wcy, wcz]T 을 입력으로 하여 를 통과할 때2nd HPF ,

회전재현을 위한 각속도Summation of Residual Tilt &

그림 39 Summation

Transformation (From Inertia Frame To Cockpit Frame)

- 53 -

그림 40 Transformation

1st HPF

그림 41 1st HPF

표 입출력 벡터10 1st HPF

[ wIx, wIy, wIz]T 을 입력으로 하여 를 통과할 때2nd HPF ,

Integrator II

- 54 -

그림 42 Integrator II

마 출력( )

을 거쳐 되어진 모션 플랫폼 구동을 위한 명령 큐는 수치적분Washout Algorithm Filtering

알고리즘을 통과하여 로직의 입력 값이 된다 그 출력은 다음과 같다Inverse Kinematics . .

병진 방향 :

회전각 :

(4) Inverse Kinematics

가 개요( )

모션 플랫폼은 기계적 운동의 한계를 가지므로 모션 플랫폼의 운동이 운동 한계 내에서 운

용되도록 차량이나 항공기의 실시간 시뮬레이션이나 모션라이더용 콘텐츠에서 계산된 운동

명령 를 모션 플랫폼의 운동 모사 범위 내에서 변경해야한다 따라서 본 과제에서 역기Cue . ,

구학 해석의 목적은 제한된 운동 범위를 갖는 모션 플랫폼을 이용하여 사용자가 느낄 수 있

는 체감을 현실적으로 가장 잘 표현한 모션 플랫폼 구동 알고리즘을 이루기 위한 액추에이

터의 정확한 구동 길이나 구동 모터의 구동각을 계산하는 것이다.

- 55 -

운동 플랫폼의 구동을 위한 운동 재현 알고리즘인 을 거친 모션 플랫폼Washout Algorithm

의 의 좌표CG (xp, yp, zp 와 각) Euler (Φ, θ, Ψ 을 입력으로 하여 실제 모션 플랫폼의 구동)

을 위한 액추에이터의 길이나 모터의 구동각을 결정하여 구동 알고리즘의 출력 전압 값으로

변환시키는 것이 역기구학 해석의 기능이다 이는 모션베이스의 기구설계 파라메터를 결정.

하는 기본이 된다.

- 56 -

나 축 모션 플랫폼( ) 3

그림 43 3-DOF Motion Platform (1)

모션 플랫폼의 와 의 반지름의 길이Base Platform Rb=Rp[m]이다 실제 액추에이터의 길이를.

구하기 위해서는 다음과 같은 프로시저가 필요하다.

- 57 -

따라서 실제 액추에이터의 길이 벡터는 다음과 같다, .

각각의 액츄에이터의 길이를 결정하기 위해서는 PVERliPVER구하면 된다.

그러나 위에서 기술한 역기구학의 경우는 베이스와 운동 플랫폼의 경우 운동 특성이 정확하

지 않다 그 이유는 각이 발생할 때 원의 중심에 역기구학을 해석할 때 플랫폼의 중. Pitch ,

심으로 선정하면 액추에이터의 의 성능을 최대한 발휘할 수 없다 따라서 붉은 색 점Stroke . (

선 의 직사각형으로 구성되어져 있다고 가정하여 역기구학을 해석하면 운동시스템의)

를 최대로 사용될 수 있다 따라서 위의 식은 다음과 같아진다Stroke . .

그림 44 3-DOF Motion Platform (2)

- 58 -

따라서 실제 액츄에이터의 길이 벡터는 다음과 같다.

각각의 액츄에이터의 길이를 결정하기 위해서는 PVERliPVER을 구하면 된다.

다 축 모션 플랫폼( ) 6 (Stewart Platform)

축 모션 플랫폼의 역기구학 해석은 알고리즘으로부터 입력되어지는 운동 재현을6 Washout

위한 모션 플랫폼의 좌표의 위치와 각도가 주어졌을 때 각 액추에이터의 길이를 계산하는,

데 있다 여기서 액추에이터의 길이를 구하기 위해서는 제어할 수 있는 인자들을 정의해야.

하는데 제어인자로서 운동 플랫폼의 중심점, Op 의 위치와 각 축에 대한 각도 (Roll, Pitch,

가 설정된다Yaw) .

- 59 -

보편적인 의 역기구학 해석은 플랫폼을 단순화하여 베이스와 운동 플랫폼Stewart Platform

상에 있는 한 쌍의 조인트를 간격으로 설정한다 그림 와 은 각각 역기구학 해석120° . 45 46

을 위한 일반적인 의 베이스와 운동 플랫폼의 좌표계를 나타낸다 그림Stewart Platform .

은 역기구학 해석을 위한 모션 플랫폼의 벡터 성분을 정의한 것이다47 .

그림 45 Joint Coordinate of Base

그림 46 Joint Coordinate of Platform

- 60 -

위에서 정의되어진 는 다음과 같다Geometry Parameter .

RP : Upper triangle's radius

RB : Lower triangle's radius

DP : Distance b/t two adjacent joints in Upper plate

DB : Distance b/t two adjacent joints in Lower plate

CYL : Cylinder body length (static portion)

STROKE : Cylinder stroke (dynamic portion)

그림 47 Vector Component of Motion Platform

위의 들의 정보와 베이스와 운동 플랫폼의 조인트 위치를 계산하는Geometry Parameter

프로시져를 통하여 각 조인트의 위치를 정확하게 계산하였다 다음 식은 조인트 위치를 계.

산하는 프로시져이다.

베이스의 각 조인트 좌표 계산 프로시져이다.

- 61 -

운동 플랫폼의 좌표 계산 프로시져이다.

- 62 -

위에서 계산된 베이스와 운동 플랫폼의 조인트 중심의 좌표를 다시 정리하면 다음과 같다.

그림 에서와 같이 베이스 좌표계의 원점47 Ob 에서 각 조인트의 중심점 Bi (i = 1, 2, ···,

까지의 벡터를6) bi 라 하고 운동 플랫폼의 원점, Op 에서 각 조인트의 중심점 PPi (i = 1,

까지의 벡터를2, ···, 6) pi 라고 정의한다 그리고 베이스 좌표계의 원점에서 운동 플랫폼.

원점까지의 벡터를 p0 라고 정의한다 이때 각 엑추에이터의 길이를. li (i 라=1, 2, ··· ,6)

하면 다음과 같은 식을 이용하여 구할 수 있다, .

여기서 R 은 운동 플랫폼상의 좌표계에서 정의된 개의 벡터6 pi 를 베이스의 좌표계 상에

서 정의하기 위해 다음과 같이 Z-Y-X 을 사용한 변환행렬Euler Angle (Rotation Matrix)

R 을 적용하였다.

- 63 -

그러므로 각 엑추에이터의 길이는 벡터 li의 크기로 나타낼 수 있다 이와 같이 결정된 개. 6

엑추에이터 길이가 중립위치에서의 길이 실린더의 길이와 액추에이터 의 반의 합( STROKE )

를 뺀 값을 이용하여 모션 플랫폼 구동을 위한 프로그램 의 입력 값으로 제(Motion Drive)

공된다.

라 형태의 모션 플랫폼( ) Crankrod-Pushrod

축 모션 플랫폼과 축 모션 플랫폼 의 역기구학 계산은 위의 항에서 보3 6 (Stewart Platform)

여주고 있듯이 액추에이터의 길이 벡터 li를 계산하였다 그러나 본 과제에서는 시작품으로. ,

제작한 모션 플랫폼은 모두 전기모터와 와 로 구성되어져 있으므로 액추Crankrod Pushrod

에이터의 길이 벡터 li를 계산 후 모터의 구동각을 다시 한번 계산해야한다 그림 은 역. 48

기구학 해석을 위한 와 의 벡터 성분을 정의한 것이다 그림 와 은Crankrod Pushrod . 49 50

각각 축 모션 플랫폼과 축 모션 플랫폼을 보이고 있다3 6 .

그림 의 기구학적인 관계를 고려하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다48 .

각각의 Ri 를 Ri = [lcos(θ), lsin(θ), 0]T로 다시 정의할 수 있다 따라서 의 길이. Pushrod

는c Li-Ri 벡터의 길이와 같다 이를 식으로 나타내면.

- 64 -

이를 다시 쓰면

여기에서 l y sin (θ)+l x cos (θ)= l2x+l

2y sin (θ+α)에서 α= arcsin

l x

l 2x+l2y

이다.

삼각함수의 덧셈공식을 이용하여 미지수를 θ 하나로 정리하기 위해서 에 대한 관계식으로c

나타내면 다음과 같다.

따라서 위 식을 θ 에 대해서 풀면 다음과 같다 여기서. θ 는 모터의 구동각도이다.

Pi :vector from the base of upper assembly to rod end

point

Bi :vector from the base of lower assembly to crank rod

base

Li : vector of Bi to Pi

Ri : vector of crank rod

C : length of pushrod

L : length of crank rod

- 65 -

그림 와 의 벡터 성분48 Crankrod Pushrod

- 66 -

그림 축 모션 플랫폼 시작품49 3

그림 축 모션 플랫폼 시작품50 6

다 결론.


구동을 위해서 필수적인 운동재현을 위한 신호 는 를 이용하여(Motion Cues) MC-Geditor

생성ㆍ편집 된다.

- 67 -

이렇게 생성ㆍ편집된 운동재현을 위한 신호 는 모션라이더용 동영상이나 기타(Motion Cues)

수동적인 영상 콘텐츠와의 동기화를 위한 구동 알고리즘은 필수적이다 구동 알고리즘은 모.

션 플랫폼이라는 기계장치의 운동범위 내에서 현실감 있는 운동을 모사하기 위한 Washout

알고리즘과 상판 플랫폼의 자세를 모사하기 위한 액추에이터의 길이나 모터의 구동각을 계

산하는 역기구학 해석으로 나눌 수 있다 본 과제에서는 알고리즘과 당. Classical Washout

사에서 시작품으로 제작한 축 모션 플랫폼과 축 모션 플랫폼에 대해서 각각의 역기구학3 6

해석 기능을 갖는 구동 알고리즘을 개발하여 라이브러리화 하였다 개발된 라이브러리는.

에서 이용하였다Motion Synchronizer .

는 알고리즘과 역기구학 해석을 포함하는 구동 알고리즘을Motion Synchronizer Washout

포함하고 있으며 이를 이용하여 실제 하드웨어 즉 모션 플랫폼과 통합하기 전에 시뮬레이, ,

션을 수행하여 개발 기간뿐만 아니라 모션라이더용 동영상이나 기타 수동적인 영상 콘텐츠

의 적용 및 개선에 대한 결과의 예측이 가능하다.


구동의 특징을 볼 때 본 과제를 통해 개발된 프로그램은 개발자가 직접 모션 플랫폼을 체,

감하면서 운동의 모사 정도를 결정할 수 있으므로 개발기간 및 효율성측면에서 획기적이라

할 수 있다.

4. Motion Driver

하드웨어 구동 소프트웨어 는 알고리즘과 역기구학 해석이 포함된(Motion Driver) Washout

알고리즘을 통과하면서 결정된 실제 액추에이터 구동데이터를 적절한 경로를 통해 아날로그

신호로 변환해 주는 기능을 갖는다 시뮬레이션 모드를 통해 선행적으로 운동재현. Off-Line

정도를 조정하게 되며 실제 모션 플랫폼과 디지털 콘텐츠와의 통합을 위해서 모션 플랫폼,

구동 전용 드라이버 범용컨트롤러 와 직렬통신을 하거나 보드를 이용하여 전기신호로( ) DAQ

변환하여 액추에이터를 구동하게 된다.

- 68 -

가 개요.

그림 51 Motion Drive (1)

그림 52 Motion Drive (2)

그림 과 는 의 두 가지 를 포함하고 있다 위 그림에서 앞에 보이는51 52 Motion Driver GUI .

그림이 모션 시스템의 성능 테스트를 위한 를 보여주고 있고 뒤의 것은 시뮬GUI Off-Line

레이션에 의한 운동을 재현하는 부분의 를 보여주고 있다GUI .

- 69 -

성능 테스트부분에서는 실험을 위한 각종 파라미터 예를 들어서 정현파 테스트를 위한 주,

기 및 진폭 계단 테스트를 위한 크기 등의 값을 입력할 수 있고 그 외에 시뮬레이션 시간/ ,

계단파 발생 시간을 입력할 수 있다.

시뮬레이션 부분에서는 시뮬레이션에 의해 발생되는 모션 시스템의 움직을 로 표현하고Bar

모션 시스템의 운동 큐와 모션 시스템의 상태를 텍스트 형식으로 보여주고 있다.

나 특징 및 주요내용.

(1) Block Diagram

그림 53 Motion Driver Block Diagram

는 크게 모드와 시뮬레이션 모드로 나누어진다 의 구성Motion Driver Test . Motion Driver

은 와 구동 알고리즘 그리고 실시간 통신부분으로 나눌 수 있다Function Generator .

는 구동 알고리즘인 알고리즘과 역기구학 해석 라이브러리를 포함Motion Driver Washout

하고 있으며 에서 시뮬레이션하여 최적화 시킨 파라미터들Motion Synchronizer Washout

이 사용된다.

실시간 통신(2)

일반적으로 시뮬레이터에서 각 서브시스템간의 통신을 위한 방법으로 나RS-232C RS-422

등 컴퓨터의 직렬 포트를 이용하는 방법과 통신 규약 에 의한 이나(Protocol) Packet

형태의 데이터를 전송하는 등이 일반적이나 어떠한 통신 방법을 사용하Datagram Ethernet

느냐는 각 서브시스템에 전달되는 데이터의 형태에 결정적인 영향을 미치므로 상호 교환하

는 데이터의 크기와 전송 속도 등이 우선적으로 고려되어야 한다 각 서브시스템간의 통신.

방법을 선택함에 있어서 한 가지 더 중요하게 고려해야할 사항은 데이터의 방향성이다.

- 70 -

시뮬레이터에서는 메인 시스템에서 시뮬레이션 운용에 필요한 데이터를 나머지 서브시스템

에 일방적으로 전송하는 일 대 다 통신과 각 서브시스템 상호간에 정보를 송, ㆍ수신하는 양

방향 통신이 사용된다.

데이터의 방향성은 상에서 구현되는 통신 규약인 와 를 구별하는 중요한Ethernet TCP UDP

요소가 된다 는 통신으로도 불리며 네트워크 상에 있는 클라이언트마다 연. UDP Datagram

결을 설정할 필요가 없으므로 서버의 부담이 적다 그리고 멀티캐스트형 일 대 다 통신 의. ( )

서비스에 적합한 규약이다 그러나 는 신뢰성 있는 데이터 전송이 보장되지 않는 단점. UDP

이 있다 반면에 는 통신으로 불리우며 데이터의 안정적인 전달을 보장한다 반. TCP Packet .

면에 네트워크 상에서 연결되는 클라이언트마다 연결 설정을 해야 하고 클라이언트 수가 늘

어날수록 서버에 큰 부담이 된다 또한 는 일대일 접속만을 지원하므로 방송형 또는 멀. TCP

티캐스팅을 필요로 하는 응용 프로그램에서는 를 사용하는 것이 편리하다 또한 아래UDP .

그림에서 보이는 바와 같이 는 와 비교해서 간단한 규약 이기 때문에 전UDP TCP (Protocol)

송 속도 측면에서도 유리하다.

- 71 -

그림 과54 TCP packet UDP datagram

- 72 -

제 장 자유도 자유도 모션베이스 개발3 3 /6

본 과제에서 개발된 모션라이더 구동용 의 성능평가를 위해 자유도와 자유도의 모션S/W 3 6

베이스를 설계 제작하였다/ .

제 절 시스템 구성1

본 과제의 시제품으로 개발된 모션베이스는 구동부와 제어부 및 전원공급부로 나누어진다.

모션베이스 구동부는 실제 모터의 회전운동을 기구적 조인트 연결을 통해 상판의 원하는 좌

표 즉 운영자가 움직이고자 하는 공간상의 위치로 이동시키는 역할을 담당한다 또한 모션, .

베이스 제어부는 모션베이스 구동부가 각각의 운영 시나리오와 동기화 되어 구동될 수 있도

록 입력신호를 생성하고 시스템을 제어 관리하는 기능을 담당한다 전원 공급부는 제어부, .

에 구동 전압을 공급하고 필요 이상의 입력 전원을 차단하는 기능을 담당한다 그림 는. 55

모션베이스의 일반적인 구성을 나타내고 있다.

그림 모션베이스의 구성55 H/W

- 73 -

모션베이스 구동부1.

모션베이스 구동부는 고효율 기어모터와 모터의 회전운동을 직선 운동으로 변환하여 전달하

는 및 그리고 강철프레임 등의 기구 구조물로 구성되어 있다 그림 과Push rod Crack, . 56

은 자유도 및 자유도의 구동부를 나타내고 있다57 3 6 .

그림 자유도 모션베이스56 3

그림 자유도 모션베이스57 6

- 74 -

모션베이스 제어부2.

모션베이스 제어부는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 고효율기어모터의 구동을 위

한 입력 신호로 에 전달한다 여기에 부가적으로 및 의 전기적 신Inverter . Breaker Inverter

호를 연결하고 차단하는 과 고효율 기어모터의 위치를 하는SSR Feedback Potentiometer,

그리고 시스템의 이상 발생 혹은 기타 비상 시 제어 전원을 차단하여 비상 정지 시키는

등으로 구성되어 있다Emergency Switch .

가. PC type

구분 품명 용도

제어부

Computer 제어 컴퓨터

DA card 의 신호를 신호로 변환PC Digital Analog

Inverter 구동Geared Motor Driver

SSR Breaker & Inverter Enable Switching

Emergency Switch 비상시 제어 전원 차단 비상정지-

Potentiometer 구동모터의 Feedback

표 제어부 구성11 PC type

- 75 -

구분 사양 기타

Computer

이상Pentium III 1GHz그래픽카드 : Geporce2 32MB

키보드 마우스,드라이버CD-Rom

Network card 10/100 Base-TIndustrial Chassis and Power Supply

모션 처리 탑재S/WWindows 2000

DA card

내장형PCI Main Board이상AD : 12bit, 2ch이상DA : 12bit, 2ch

이상DIO : 5ch

InverterKEB 09.F4.C1D-1220/14용량 : 1.5KW, 14A

Freq. : 240Hz MaxInverter

SSR사WYES : YWG1C20Z4

입력 : DC 3~24V출력 : 220V 10A

Potentiometer Kopal J40S 5KΩ

표 제어부의 상세 사양12 PC type

나 범용컨트롤러. (MIC, Motion Interface Controller)

모션베이스를 구동하기 위해서 매 스탭마다 모션베이스 상판의 위치가 결정되면 이를 와시

아웃 역기구학을 거치면서 최종적으로 원하는 모션을 만들기 위한 모터의 회전각이 결정된,

다 이러한 모터의 회전각은 컨버젼을 거쳐 에 인가되고 경로를 통. DA Inverter , Feedback

해서 위치 제어가 수행된다 는 이러한 모션베이스의 제어를 위해서 기. MIC AD, DA, DIO

능을 모듈별로 구성하고 있으며 동력학 또는 매 스탭마다의 위치값 와시아웃 알고리즘 역, , ,

기구학 모듈을 실행하는 호스트와의 통신을 위해 또는 통신 모듈이 구RS-232C RS-485

성되어 있다.

- 76 -

또한 범용성을 위해서 게임 조이스틱 등 사용자 입력을 처리할 수 있도록 CFLS(Control

와의 연결을 고려하여 개발되었다 그림 는 이러한 범용컨트롤러Force Loading System) . 62

의 연결을 도시하고 있다.

그림 범용 컨트롤러의 연결62

그림 범용 컨트롤러 그림 범용 컨트롤러63 1 64 2

구분 AD DA DIO

Motion Control 6ch. 12bit 6ch. 12bit -

CFLS interface 6ch. 12bit 6ch. 8bit 24ch.

표 범용 컨트롤러의 채널사양13

각종 입출력 상태를 알기 위해서 를 부착했으며 통신 데이터를 확인하기 위해서 전면LED ,

에 를 부착하였다 또한 입출력전압을 확인하기 위해서 단자대를 부착하여 입출력되는LCD .

전압을 확인하도록 하였다.

- 77 -

전원 공급부3.

전원공급부는 제어부에 구동 전압을 공급하고 필요시 입력 전원을 차단하는 기능을 담당한

다 표 는 전원공급부의 구성 및 용도를 나타내고 있다. 14 .

구분 품명 용도

전원 공급부Circuit Breaker

입력 전원 차단기 전원 제- Inverter어

DC Power Supply 제어부의 구동 전압 공급

표 전원 공급부14

제 절 기구 설계 기준 및 특성2

모션베이스 설계 시 운동특성 및 표현 범위를 결정하는데 중요한 기구 설계 기준이 되는 것

이 자유도 의 계산이다 본 시스템은 각각의 모터에 개의 볼조인트(Degree of Freedom) . 2

로 연결되는 링크를 사용하여 모터의 회전 운동을 직선운동으로 변경하는(Spherical Joint)

데 이를 기구 설계 도식으로 표현하면 다음 그림과 같다.

그림 자유도 계산65 3

- 78 -

그림 자유도 계산66 6

제 절 하드웨어 제어3

제어 절차1.

모션베이스 하드웨어의 구동 제어는 다음과 같다 우선 구동 프로그램에서는 모터를 제어하.

기 위해 전기적 잡음이 제거된 디지털 값을 제어기에 설치된 모듈에 보낸다 이 모듈DA . DA

은 디지털 신호를 아날로그 전압신호로 변환하여 인버터로 출력하게 된다 이때 로. Inverter

출력되는 전압 값의 범위는 전압이며 에서 의 범위이다 이 출력 전DC , -10VDC +10VDC .

압의 값에 따라 모터의 회전속도 및 방향이 결정된다 즉 값은 모터의 정회전을 값은. , + , -

모터의 역회전을 발생시킨다.

는 상용 교류 전압을 입력 받아 제어 신호값 제어기로부터의 전압 신호Inverter ( ±10VDC)

에 따라 자체 내에서 전압과 주파수를 가변시켜 전동기에 공급하는 일종의 모터 드라이버라

고 할 수 있다 에는 모터 콘덴서 가 결선되어 있으며. Inverter , , Pontentiometer

는 모터의 회전축에 설치되어 모터 회전축의 위치값을 인버터로 전달한다Pontentiometer .

이 위치값은 제어기로부터 로 입력되는 신호값과 상쇄되어져 모터의 위치제어를 수Inverter

행하게 된다.

- 79 -

시스템 구동 절차2.

시스템의 구동절차는 다음과 같다 먼저 모션베이스에 주 전원을 공급하기 전 반드시 시스.

템 제어부의 전원 및 작동 스위치의 상태를 점검한다.

구분 구동절차

전원 절차ON

주 전원 차단기 확인(Circuit Breaker)-OFF

인버터 전원 차단기 확인- OFF

비상 스위치 확인- OFF(Push&Lock)

축 모션베이스에 연결된 주 전원 차단기를 한다2 ON .

제어 컴퓨터를 한다ON .

인버터 전원 차단기를 한다ON .

구동 프로그램 실행

비상정지 스위치 ON(Release)

구동 프로그램 제어

전원 절차OFF

구동 프로그램 정지

비상 스위치 OFF(Push & Turn)

인버터 전원 차단기를 한다OFF .

제어 컴퓨터를 한다OFF .

표 구동절차15

안전장치3.

모션베이스 구동 모터에는 전자석의 원리에 의해 작동되는 브레이크가 부착되어 있다 이.

브레이크는 전원이 인가되지 않은 상태에서 브레이크 잠김 상태가 되어 모터가 외부의 힘에

의해 움직이는 것을 막으며 전원이 인가되면 브레이크가 해제되어 제어기의 제어 신호에,

따라 모터를 구동하게 된다 이 브레이크는 인버터의 기능과 연동되어 있고 비상 스. Enable

위치에 의해 잠금 및 해제를 제어 할 수 있다 즉 비상스위치를 할 경우 모터를. , OFF(Push)

구동 시키는 인버터를 하며 인버터 정지 동시에 브레이크를 잠그게 되어 이중 안전Disable ( )

장치의 역할을 한다 비상스위치는 일반 누름버튼과 달리 을 사용하여 오동작을. Push&Turn

막을 수 있도록 구성되어 있다.

- 80 -

모션베이스 구동부는 컴퓨터의 구동 프로그램 내에서 안전하게 구동되도록 설계되어 있으

나 만일의 이상 상황 발생 시 하드웨어적으로 모든 시스템을 안전하게 정지 시킬 수 있도,

록 통합 비상스위치가 설치되어 있다 특히 이 비상 스위치는 구동 프로그램보다 상위 제. ,

어권을 가지고 있어 비상시 안전하게 시스템을 정지시켜 안전사고 및 기기를 보호할 수 있

다 또한 비상 스위치는 과 개소에 독립적으로 설치되어 있고 스위치가 모. Local Remote 2

두 되어야만 시스템이 정상적으로 작동되도록 구성되어 있다ON .

제 절 모션베이스 사양4

모션베이스 규격1.

표 모션베이스 규격16

- 81 -

모션베이스 목표 성능2.

구분 자유도3 자유도6

운동범위 Roll/Pitch/Yaw ±18˚ ±23˚

Heave/Surge/Sway ±0.1m ±0.15m

운동속도 Roll/Pitch/Yaw ±60 /s˚ ±60 /s˚

Heave/Surge/Sway ±0.4m/s ±0.4m/s

운동가속도 Roll/Pitch/Yaw ±200 /s˚ 2 ±200 /s˚ 2

Heave/Surge/Sway ±0.4G ±0.5G

표 모션베이스 목표성능17

- 82 -

모터용량 결정3.

목표 성능을 얻기 위해 중요한 사항은 모터의 용량을 결정하는 것이다 모터의 용량은 목표.

사양을 만족하도록 최적으로 결정되어야 하며 이를 위하여 입력에 대해서sine Frequency

와 를 변화시키면서 시뮬레이션 하였다 다음은 각 방향의 운동에 대한 시뮬레이Amplitude .

션 결과이다.

가. Frequency : 1.08Hz, Amplitude : 110mm

그림 69 Heave Motion

Frequency : 1.08Hz

Amplitude : 110mm

Max. platform acc. : 0.516g

Max. platform vel. : 0.746m/s

Max. torque : 364Nm

Max. angular vel. : 72rpm

- 83 -

그림 70 Surge Motion

Frequency : 1.08Hz

Amplitude : 110mm



Max. torque : 628Nm


그림 71 Sway Motion

Frequency : 1.08Hz

Amplitude : 110mm



Max. torque : 487Nm

Max. angular vel. : 45.5rpm

- 84 -

나. Frequency : 1.6Hz, Amplitude : 50mm

그림 72 Heave Motion

Frequency : 1.6Hz

Amplitude : 50mm



Max. torque : 447Nm


그림 73 Surge Motion

Frequency : 1.6Hz

Amplitude : 50mm



Max. torque : 689Nm


- 85 -

그림 74 Sway Motion

Frequency : 1.6Hz

Amplitude : 50mm



Max. torque : 608Nm


인버터를 사용하는 유도모터의 최대 성능곡선이 그림 와 같다고 할 때AC 75 ,

그림 유도모터의 최대성능 곡선75 AC

실제 사의 모델을 적용하면 는 이고 기Nord SK3282-90L/4 (1.5Kw) Max torque 754N.m

어비는 이므로 다음의 그래프를 얻게 된다1:88.74 .

- 86 -

그림 토크선도76 SK3282-90L/4

시뮬레이션 결과에서 볼 수 있듯이 운동에서는 부하토크는 작지만 회전수가 크Full stroke

고 가 작아질수록 부하토크가 커지는 대신 회전수가 작아짐을 알 수 있다 이것을 모stroke .

터 성능곡선과 함께 생각할 때 별로 최대 성능이 달라질 수 있음을 의미한다 따라서stroke .

최대 성능 측정을 위해서는 적절한 범위를 결정해서 테스트를 실시해야 할 필요가stroke

있다 예를 들어 운동에서 에서는 원하는. surge Frequency 1.08Hz, Amplitude 110mm

의 성능을 기대하기 어렵지만 에서는 가능하리라0.5g Frequency l.6Hz, Amplitude 50mm

는 것을 성능곡선에서 추론해 볼 수 있다.

동특성 분석 시뮬레이션 결과4.

제작된 모션베이스의 동특성을 알아보기 위해서 사의 를 사용하여MSC software ADAMS

동특성 시뮬레이션을 수행하였다.

가 자유도 모션베이스. 3

그림 에서 보는 바와 같이 자유도 모션베이스 위에 의 하중이 있는 것으로 가정77 3 1000

하고 이에 의 입력을 인가하였다, 0.8Hz Sine .

- 87 -

그림 자유도 모션베이스의 모델77 3 ADAMS

그림 운동78 Heave

- 88 -

그림 운동79 Roll

그림 운동80 Pitch

- 89 -

나 자유도 모션베이스. 6

자유도와 동일한 조건으로 각 방향의 동특성을 시뮬레이션 하였다3 .

그림 자유도 모션베이스의 모델81 6 ADAMS

그림 운동82 Heave

- 90 -

그림 운동83 Surge

그림 운동84 Sway

그림 운동85 Pitch

- 91 -

그림 운동86 Roll

그림 운동87 Yaw

자유도 모션베이스 성능평가5. 6

본 과제의 시제품으로 제작된 자유도 모션베이스의 성능을 측정하였다 축 가속도계와6 . 1 2

축 기울기계를 이용하여 모션베이스의 가지 운동 중 세 가지 병진운동6 (Heave, Surge,

의 가속도와 가지 회전운동 의 실제운동 각도를 측정하여 목표성능과 비Sway) 2 (Roll, Pitch)

교하였다.

- 92 -

가 사양. Sensor

축 가속도계 사양(1) l

Range : ±2G

사용전압 : DC 5V

사용 축 축: Z

비선형성 : ±2%FS

사용온도 : -40 +85∼

0G Voltage : 2.511V

축 기울기계 사양(2) 2

선형구간Range : Full ±75°, ±20°

사용전압 : DC 8 30V∼

사용 축 축: X, Y

사용온도 : -40 +85∼

0° Voltage : X(Roll) 2.495V, Y(Pitch) 2.481V

나 설치.

축 가속도계(1) 1

가( )Heave

의 상판의 상면에 센서의 측정축이 직각이 되도록 설치Motion Platform

나( )Surge

상판 후부의 지면에 수직인 면에 센서의 측정축이 직각이 되도록 설치

다( )Sway

센서의 측정축이 상판의 전후를 관통하는 중심선과 직각이 되고 상판면에 평행하도록 센서

의 머리가 상판과 일치하도록 설치

축 기울기계(2) 2

기울기계는 정지시의 중력 작용 방향에 대한 기울기 정도를 측정하는 것이므로 상판의 임의

의 위치에 설치.

- 93 -

다 측정 시 모션베이스의 구동 입력.

모션베이스의 구동은 중립위치에서 한계위치로 이동하는 명령을 단계적으로 회 전달하는3

방법 과 주파수 로 초간 전달하는 방법 을 사용하(Stepped Motion) 1Hz 5 (Periodical Motion)

였으며 구동은 구동범위를 각각 로 제한하여 실시하였다Roll, Pitch ±16° .

자유도 모션베이스 성능 측정 결과6. 6

측정 시스템을 장착하여 실제 구동하여 얻은 결과는 다음과 같다.

가 측정 결과 데이터.

표 값18 Peak

- 94 -

표 측정 결과 비교19

나 병진운동 측정결과. (Stepped Motion)

그림 운동88 Heave (Step)

평균가속도(116.9mm)

상승시 0.386G

하강시 중립위치로 복귀- 0.255G

- 95 -

그림 운동89 Surge (Step)


후진시 1.176G

전진시 중립위치로 복귀- 0.343G

그림 운동90 Sway (Step)


우진시 1.347G

좌진시 중립위치로 복귀- 0.689G

다 회전운동 측정결과. (Stepped Motion)

축 기울기계는 현재 중력방향에 대한 평행성만을 측정할 수 있는 제품으로 수평 위치에서2

시작하여 회전운동의 정점 상판이 지면에 대해 를 유지하는 순간 에서 해당 전압을 측정( 16° )

하여 나타난 전압을 로 나누었을 때 상판이 지면에 대해서 기울어진 각도를 측정할36mV/°

수 있게 된다.

- 96 -

그림 좌측 운동91 Roll (Step)

좌측으로 이 발생할 때 약Roll 0.57V

입력 신호: 570mV/35mV/° = 15.84° ( 16°)

그림 우측 운동92 Roll (Step)

우측으로 이 발생할 때 약Roll -0.54V

입력 신호: 540mV/35mV/° = 15.43° ( 16°)

- 97 -

그림 운동93 Front Pitch (Step)

전면으로 발생 약Pitch 0.57V

입력 신호: 570mV/35mV/° 15.84° ( 16°)≒

그림 운동94 Rear Pitch (Step)

후방으로 발생 약Pitch -0.53V

입력 신호: 530mV/35mV/° 15.14° ( 16°)≒

- 98 -

라 병진운동 측정결과. (Periodical Motion)

함수 입력으로 로 초간 실시하였다Sine 1Hz 5 .

그림 운동95 Heave (Sine)

평균가속도

상승시 약 하강시 약0.4G, 0.35G

그림 운동96 Surge (Sine)

평균가속도

후진시 약 전진시 중립위치로 복귀 약0.6G, - 0.7G

- 99 -

그림 운동97 Sway (Sine)

평균가속도

우진시 약 좌진시 중립위치로 복귀0.5G, - 0.4G

마 회전운동 측정결과. (Periodical Motion)

기울기계가 정지상태의 경사정도를 측정하는 계측기 이므로 주기적인 구동에 대한 정확한

데이터를 확보할 수는 없었으나 을 참조하면 전반적으로 각 정점 양Stepped Motion (+, -

측 에서 대략적으로 의 근사치에 이르고 있음을 알 수 있다) 0.57V .

그림 운동98 Roll (Sine)

- 100 -

그림 운동99 Pitch (Sine)

바 측정결과 분석.

회전운동에 대한 의 명령 충실도는 양호한 편이다 입력신호 에 대한Motion Platform . 16°

모션베이스의 응답은 이다 병진운동 시 구동방향으로의 가속도와 중립위치15.84°~15.14° .

로 복귀시의 가속도가 에서는 약 배정도의 차이로 구동방향으로의 가속도Stepped Motion 2

가 큰 것으로 나타나고 있다.

주파수 의 주기 운동 명령 전달시 전반적으로 모션베이스의 목표성능을1Hz Work space

만족하지 못함을 알 수 있다 회전운동에 대한 한계성능치 를 주기 운동. (Stepped Motion)

명령의 진폭으로 결정하여 제어할 경우에는 이 이상동작을 일으킨다 이는Motion Platform .

파라미터의 오차라고 볼 수 있다Inverse Kinematics .

표 측정된 한계성능치 주기 운동 수치는 안정된 동작을 보이는 임계값20 ( )

- 101 -

제 장 결론4

제 절 모션라이더 구동용1 S/W

모션1. Path Tracking

모션라이더의 콘텐츠 게임 라이드 필름 등 에서 모션의 움직임 정보를 추출해 내고 이를( , ) ,

모션베이스의 운동정보 데이터베이스로 구축할 수 있는 모션 소프트웨어를Path Tracking

개발하였다.

운동역학 모델링 및 실시간 시뮬레이션2.

모션라이더의 콘텐츠의 내용에 따른 모션베이스의 운동을 공학적 해석을 이용하여 실시간으

로 결정하는 운동역학 시뮬레이션 소프트웨어를 개발하였다.

알고리즘3. Washout

모션베이스의 물리적인 제한 범위 내에서 운동영역을 유지시키며 모션베이스의 차원 공간, 3

상에서의 좌표정보를 결정하여 사용자에게 전달되는 운동명령을 운동영역 내에서 재현해 내

는 알고리즘을 개발하였다Washout .

역기구학 해석4.

알고리즘을 거쳐 나온 모션베이스의 움직임에 대한 오일러각 과Washout ( , , ) X, Y, Zψ θ φ

축의 좌표를 가지고 모션베이스를 구성하고 있는 각 엑츄에이터의 회전각 길이 를 구하는( )

기구학 해석 소프트웨어를 개발하였다.

실시간 구동 제어5.

원하는 모션베이스의 움직임과 실제 모션베이스와의 오차를 비교하고 이를 고성능 제, PID

어기 등을 이용하여 실시간 제어를 수행하는 실시간 구동제어 소프트웨어를 개발하였다.

- 102 -

제 절 테스트베드용 모션베이스 개발2 H/W

위에서 상술한 모션라이더 구동용 소프트웨어 및 저작도구를 테스트할 수 있는 테스트베드

용 모션베이스 하드웨어를 설계 제작하였다 개발 소프트웨어의 범용성을 테스트하기 위해/ .

자유도 및 자유도의 모션베이스 각 대를 개발하였다3 6 1 .

제 절 시스템 통합 및 성능평가3

개발된 모션라이더 구동용 와 테스트베드용 모션베이스 를 통합하고 와S/W H/W , S/W H/W

각각의 성능평가를 수행하였다 모드 시 체감형 게임을 조작하는 게이머의. Interactive VR

입력에 따른 상호작용 테스트 및 성능평가를 수행하였으며 모드 시 라이드 필름, Passive

영상물과의 동기화 테스트 및 성능평가를 수행하였다.

- 103 -

부 록

목 차

시제품 사진Appendix A.

축 모션 플랫폼1. iMP3-1000 (3 )

축 모션 플랫폼1) iMP3-1000 (3 )

스플라인2) iMP3-1000 ( )

감속기 및 인버터3) iMP3-1000 ( )

조인트4) iMP3-1000 ( )

축 모션 플랫폼2. iMP6-1000 (6 )

전체1) iMP6-1000 ( )

모션 플랫폼2) iMP6-1000 ( )

모터 감속기 및 인버터3) iMP6-1000 ( , )

제어기4) iMP6-1000 ( )

범용 컨트롤러3. MIC ( )

1) MIC(1)

2) MIC(2)

3) MIC(3)

시제품 도면Appendix B.

축 모션 플랫폼1. iMP3-1000 (3 )

1) Motion Platform

2) Upper Ass'y

- 104 -

3) Upper Ass'y-Plate

4) Upper Ass'y-Ring

5) Upper Ass'y-Frame

6) Rod End Braket

7) Pushrod Ass'y

8) Rod End Male Washer

9) Pushrod

10) Crankrod Ass'y

11) Crankrod Ass'y-Retainer

12) Crankrod Ass'y-Shaft

13) Crankrod

14) Resistor-Mount

15) Gear Motor Ass'y

16) Lower Ass'y

17) Lower Frame

18) FR Motor Mount

19) Motor Mount

20) Spline Mount

21) Lower Plate

22) Spline Ass'y

23) Spring Mount Ass'y

24) Spring Mount Jig

25) Spring Mount Plate

축 모션 플랫폼2. iMP6-1000 (6 )

1) 6DOF Motion Platform

2) Upper Ass'y

3) Upper Plate

- 105 -

4) Conclusion Hole

5) Pushrod Ass'y

6) Rod End

7) Rod End Nut

8) Pushrod

9) Motor Crank Ass'y

10) Crank Ass'y-Retainer

11) Crank Ass'y-Shaft

12) Crankrod

13) Crank Ass'y-Shaft Key

14) Potentiometer Mount

15) Gear Motor

16) Base Ass'y

17) Base Plate

18) Gear Motor Mount

19) Coner Ass'y

20) Coner Ass'y-Parts

21) Pushrod Braket Ass'y

22) Pushrod Braket Ass'y-Mount

23) Cap Box Ass'y

24) Inverter

25) Inverter Mount

26) Cap Box Side

27) Cap Box-Bottom

28) Cap Box-Cover

29) Cap Box-Zig

30) Cap Box-Mount

31) Cap Box-Fixture

32) Cap Box-Mount Ass'y

- 106 -

33) Cap Box-Mount Frames

34) Cap Box-Mount Parts

35) Level Bolt PAD

36) Stud

37) Power Box-Front (1)



40) Power Box-Rear (1)


모션 플랫폼 제어기3. MIC ( )

1) MAIN CPU

2) AD/DA 12-bit

3) AD/DA 8-bit

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시제품 사진Appendix A.

축 모션 플랫폼1. iMP3-1000 (3 )

전체1) iMP3-1000 ( )

스플라인2) iMP3-1000 ( )

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감속기 및 인버터3) iMP3-1000 ( )

조인트4) iMP3-1000 ( )

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축 모션 플랫폼2. iMP6-1000 (6 )

전체1) iMP6-1000 ( )

모션 플랫폼2) iMP6-1000 ( )

- 110 -

모터 감속기 및 인버터3) iMP6-1000 ( , )

제어기4) iMP6-1000 ( )

- 111 -

범용 컨트롤러3. MIC ( )

1) MIC (1)

2) MIC (2)

- 112 -

3) MIC (3)

- 113 -

시제품 도면Appendix B.

축 모션 플랫폼1. iMP3-1000 (3 )

1) Motion Platform

- 114 -

2) Upper Ass'y

- 115 -

3) Upper Ass'y-Plate

- 116 -

4) Upper Ass'y-Ring

- 117 -

5) Upper Ass'y-Frame

- 118 -

6) Rod End Braket

- 119 -

7) Pushrod Ass'y

- 120 -

8) Rod End Male Washer

- 121 -

9) Pushrod

- 122 -

10) Crankrod Ass'y

- 123 -

11) Crankrod Ass'y-Retainer

- 124 -

12) Crankrod Ass'y-Shaft

- 125 -

13) Crankrod

- 126 -

14) Resistor-Mount

- 127 -

15) Gear Motor Ass'y

- 128 -

16) Lower Ass'y

- 129 -

17) Lower Frame

- 130 -

18) FR Motor Mount

- 131 -

19) Motor Mount

- 132 -

20) Spline Mount

- 133 -

21) Lower Plate

- 134 -

22) Spline Ass'y

- 135 -

23) Spring Mount Ass'y

- 136 -

24) Spring Mount Jig

- 137 -

25) Spring Mount Plate

- 138 -

축 모션 플랫폼2. iMP6-1000 (6 )

1) 6DOF Motion Platform

- 139 -

2) Upper Ass'y

- 140 -

3) Upper Plate

- 141 -

4) Conclusion Hole

- 142 -

5) Pushrod Ass'y

- 143 -

6) Rod End

- 144 -

7) Rod End Nut

- 145 -

8) Pushrod

- 146 -

9) Motor Crank Ass'y

- 147 -

10) Crank Ass'y-Retainer

- 148 -

11) Crank Ass'y-Shaft

- 149 -

12) Crankrod

- 150 -

13) Crank Ass'y-Shaft Key

- 151 -

14) Potentiometer Mount

- 152 -

15) Gear Motor

- 153 -

16) Base Ass'y

- 154 -

17) Base Plate

- 155 -

18) Gear Motor Mount

- 156 -

19) Coner Ass'y

- 157 -

20) Coner Ass'y-Parts

- 158 -

21) Pushrod Braket Ass'y

- 159 -

22) Pushrod Braket Ass'y-Mount

- 160 -

23) Cap Box Ass'y

- 161 -

24) Inverter

- 162 -

25) Inverter Mount

- 163 -

26) Cap Box Side

- 164 -

27) Cap Box-Bottom

- 165 -

28) Cap Box-Cover

- 166 -

29) Cap Box-Zig

- 167 -

30) Cap Box-Mount

- 168 -

31) Cap Box-Fixture

- 169 -

32) Cap Box-Mount Ass'y

- 170 -

33) Cap Box-Mount Frames

- 171 -

34) Cap Box-Mount Parts

- 172 -

35) Level Bolt PAD

- 173 -

36) Stud

- 174 -


- 175 -


- 176 -


- 177 -


- 178 -


- 179 -

모션 플랫폼 제어기3. MIC ( )

1) MAIN CPU

- 180 -

2) AD/DA 12-bit

- 181 -

3) AD/DA 8-bit

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기술개발결과 요약표

기술개발결과 내역

구분총참여인력(M/Y)

국내특허 국제특허 논문

시제품 S/W기타기술문서( :

등TM,TD출원 등록 출원 등록SCI,SSCI

국제학술

국내학술

차년도1 3.4 1 3 2 3

차년도2

총계 명3.4 건 건 건 건 건 건1 건3 건2 건3

- 183 -

지적재산권 명세 반드시 기입 요망( )

구분 제목 성명 국명 출원번호 출원일 등록번호 등록일 비고

프로그램등록

MC-Geditor 이운성 대한민국2002-01-12-6426

2002

프로그램등록

MotionSynchronizer

이운성 대한민국2002-01-12-8900

2002

프로그램등록

M o t i o nDriver

이운성 대한민국2002-01-12-8899

2002

국내외 특허 실용신안 의장등록 저작권 컴퓨터프로그램보호권 등으로 구분, , , ,※

최종연구개발결과보고서 -...

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