KR101297753B1 - 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 군사 훈련용 전장 시뮬레이터, 가상환경 체험 머신, 배틀이나 액션 또는 스포츠 게임 등과 같이 가상현실을 구현하는 기존의 장치나 방법들은, 사용자의 물리적인 이동을 통해 가상현실 내에서의 이동을 구현하는 것이 불가능하여 별도의 입력장치나 제자리에서 걷는 동작 등을 통해서 물리적 이동을 구현함으로 인해 사용자의 몰입감을 방해하고 현실성이 떨어지게 되는 문제점을 해결하기 위해, 사용자가 실제로 전후좌우로 이동함으로써 가상현실 내에서 동일하게 이동 가능한 동시에, 사용자가 전후좌우로 이동하더라도 실제로는 일정 영역 내에 항상 위치할 수 있도록 하여 사용자의 안전까지 고려한 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템이 제공된다.

Description

전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템{Omni-directional moving platform and walking system using thereof especially for virtual reality }

본 발명은 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 플랫폼 위의 물체를 평면상의 2자유도로 이동시킬 수 있는 전방향 이동 플랫폼 및 이를 가상현실용 도보 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 가상현실을 구현하는 기존의 장치나 방법들은 사용자의 물리적인 이동을 통해 가상현실 내에서의 이동을 구현하는 것이 불가능하여, 별도의 입력장치나 제자리에서 걷는 동작 등을 통해서 물리적 이동을 구현함으로 인해 사용자의 몰입감을 방해하고 현실성이 떨어지게 되는 문제점을 해결하기 위한 전방향 이동 플랫폼 및 이를 가상현실용 도보 시스템에 관한 것이다.

아울러, 본 발명은, 군사 훈련용 전장 시뮬레이터, 가상환경 체험 머신, 배틀이나 액션 또는 스포츠 게임 등의 화면을 보면서 플레이 할 때, 사용자가 실제로 전후좌우로 이동시 이를 감지하여 화면상에서 캐릭터를 동일하게 이동시키는 동시에, 사용자가 전후좌우로 이동하더라도 실제로는 장치의 일정 영역 내에 항상 위치할 수 있도록 하는 전방향 이동 플랫폼 및 이를 가상현실용 도보 시스템에 관한 것이다.

종래, 군사 훈련용 전장 시뮬레이터나, FPS(first-person shooter)와 같은 슈팅 게임, 또는, 가상 체험 머신 등과 같은 가상현실 기술분야에 있어서, 가상현실을 보다 실제와 같이 구현하기 위하여 다양한 분야에 걸쳐 많은 연구가 이루어져 왔다.

또한, 최근에는, 사용자가 가상현실 속에서 직접 움직이고 있는 것처럼 느낄 수 있도록 사용자의 몸동작을 입력으로 인식하여 가상현실 속의 조작에 반영하도록 하는 기술이 많은 관심을 받고 있다.

즉, 예를 들면, 게임 분야에 있어서, 최근에는, 기존의 단순한 버튼 입력식의 컨트롤러 대신에, 이른바 모션 컨트롤이라 하여 사용자의 자세나 동작을 인식하여 게임에 반영하는 동작 인식형 입력장치가 널리 보급되고 있다.

더 상세하게는, 이러한 동작 인식형 입력장치는, 카메라를 통하여 사용자의 동작이나 자세를 인식하여 입력을 대신하고, 경우에 따라서는, 별도의 포인팅 디바이스나 입력장치를 함께 활용하여 화면상의 특정 지점을 지정하거나 원하는 지점으로 이동하는 등의 조작을 행하도록 구성되어 있다.

즉, 예를 들면, 최근 세계적으로 널리 인기를 얻고 있는 FPS(first-person shooter)라 불리는 총격전을 기반으로 하는 1인칭 슈팅 게임에 있어서, 상기한 바와 같은 모션 컨트롤을 적용하면, 사용자가 별도의 포인팅 디바이스나 입력장치를 쥐고 화면의 특정 위치를 향하여 총을 쏘는 동작을 취하여 게임 내에서 해당 지점에 총이 발사되도록 함으로써, 단순히 게임패드나 키보드를 이용하여 게임을 하는 것에 비해 훨씬 실감나는 게임을 즐길 수 있다.

그러나 상기한 바와 같은 종래의 동작 인식형 입력장치는, 카메라에 입력되는 사용자의 동작을 분석하여 입력을 받아들이는 것이므로, 미리 정해진 특정 위치를 벗어나면 인식이 되지 않는 문제가 있다.

또한, 상기한 바와 같은 종래의 동작 인식형 입력장치는 기본적으로 사용자의 자세를 인식하는 것이므로, 즉, 종래의 동작 인식형 입력장치는 총을 쏘는 동작을 취함으로써 총이 발사되는 동작은 용이하게 구현 가능하나, 게임 내의 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 것과 같은 동작을 실제로 사용자가 이동하는 것에 의해 구현하기는 어렵다는 한계가 있는 것이었다.

더 상세하게는, 군사 훈련용 전장 시뮬레이터, FPS(first-person shooter)와 같은 슈팅 게임, 가상 체험 머신 등과 같은 가상현실 기술분야에 있어서, 가상현실 내에서 필수적으로 이동을 행하게 되나, 상기한 바와 같이 종래의 가상현실 기술에서는 실제 사용자의 물리적 이동이 불가능하기 때문에, 이동을 구현하기 위하여는 상기한 바와 같이 별도의 컨트롤러나 포인팅 디바이스와 같은 별도의 입력장치를 이용해야 하는 경우가 대부분이었다.

또는, 별도의 컨트롤러나 포인팅 디바이스가 없는 모션 컨트롤 장치의 경우는, 사용자가 제자리에서 걷거나 뛰는 동작을 취하도록 하고 이러한 동작을 검출하여 가상현실 내의 이동을 구현하는 형태가 한계였다.

따라서 상기한 바와 같이, 종래의 가상현실 기술들은, 사용자의 실제 이동을 통해 가상현실 내의 이동을 구현할 수 없다는 제약조건으로 인해, 가상현실에 대한 몰입감을 방해하여 훈련 효과나 게임의 재미에 부정적인 영향을 주는 단점이 있었다.

따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 가상현실 내에서 이동을 구현할 때 사용자가 실제로 원하는 방향으로 이동함으로써 가상현실 내에서도 동일하게 이동하도록 할 수 있는 입력 시스템을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 플랫폼 위의 물체를 평면상의 2자유도로 이동시킬 수 있는 메커니즘의 전방향 이동 플랫폼을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 가상현실을 구현하는 기존의 장치나 방법들은 사용자의 물리적인 이동을 통해 가상현실 내에서의 이동을 구현하는 것이 불가능하여 별도의 입력장치나 단순히 제자리에서 걷는 동작을 통해서 이동을 구현함으로 인해 사용자의 몰입감을 방해하고 현실성이 떨어지게 되는 문제점을 해결하기 위해, 군사 훈련용 전장 시뮬레이터, 가상환경 체험 머신, 배틀이나 액션 또는 스포츠 게임 등의 화면을 보면서 플레이 할 때, 사용자가 실제로 전후좌우로 이동하는 것에 의해 화면상의 캐릭터를 동일하게 이동시킴으로써, 사용자가 실제로 가상현실 내에서 이동하는 것과 같은 느낌을 주어 현실성을 높일 수 있는 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 가상현실 내에서 이동하기 위해 사용자가 이동 플랫폼 위에서 전후좌우로 이동하더라도, 실제로는 이동 플랫폼의 일정 영역 내에 항상 위치할 수 있도록 하여, 지속적인 이동을 보장할 뿐만 아니라 안전을 도모할 수 있으며, 더욱이, 사용자가 이동시 실제 환경에서 지면을 통해 느끼는 반력을 느낄 수 있도록 지면 반력을 모의함으로써, 현실성을 높일 수 있는 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 군사 훈련용 시뮬레이터, 가상환경 체험 머신, 액션 또는 스포츠 게임을 포함하는 가상현실 내에서의 이동을 사용자의 직접적인 물리적 이동을 통해 구현함으로써 사용자의 현실감 및 몰입감을 향상시키기 위한 전방향 이동 플랫폼에 있어서, 상기 이동 플랫폼 전체를 지지하는 프레임; 상기 프레임의 중심부에 설치되고 사용자의 운동 방향 및 속도를 검출하여 제어장치에 전달하며, 상기 제어장치의 제어에 따라 물리적 운동을 발생시켜 상기 사용자에게 지면 반력을 느끼도록 하고 상기 사용자를 플랫폼의 중심으로 이동시키는 복귀운동을 수행하도록 구성되는 운동 플랫폼; 및 상기 프레임의 상면에 상기 운동 플랫폼를 둘러싸도록 형성되어 상기 운동 플랫폼 사방의 일정 범위에 걸쳐 위험 영역을 형성하고, 사용자가 접촉시 상기 사용자가 상기 운동 플랫폼를 벗어난 것으로 인식하여 상기 운동 플랫폼의 작동을 정지하는 긴급정지 동작을 수행하도록 구성되는 안전판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼이 제공된다.

여기서, 상기 이동 플랫폼은, 지면의 경사, 고저 및 진동을 포함하는 운동 효과를 발생시키기 위해 상기 프레임에 설치되는 모션 시스템을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 운동 플랫폼은, 체인 또는 벨트로 구성되어 상기 사용자가 운동을 행하는 발판이 되는 구동부; 상기 구동부를 구동하기 위한 한 쌍의 모터; 및 상기 사용자의 하중, 운동 방향 및 속도를 측정하기 위해, 각각 x축, y축 및 z축 방향의 힘을 감지하도록 상기 운동 플랫폼의 사방에 각각의 축 별로 설치되는 복수의 로드셀을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 운동 플랫폼은, 각각의 상기 로드셀에 가해지는 힘을 측정하여 구해진 사용자의 위치와 운동 방향 및 사용자로부터 지면으로의 작용 하중을 피드백하고 상기 사용자의 위치와 운동방향 및 운동시 작용 하중에 따라 상기 모터를 제어하여 상기 구동부를 구동함으로써, 사용자에게 지면으로부터 반력을 느끼도록 하는 동시에, 사용자가 상기 구동부 위에서 이동하더라도 상기 이동 플랫폼의 중심으로부터 일정 범위 내에 항상 위치하도록 하는 복귀 운동을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 각각의 상기 로드셀은, 상기 안전판의 긴급정지 동작과는 별도로 각각의 로드셀에 가해지는 힘의 크기를 통해 사용자가 상기 안전판에 위치한 것을 감지하여 긴급정지 동작을 수행하는 역할도 함께 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구동부는, 상기 모터에 의해 구동되어 2 자유도 운동을 발생시키기 위해 평행하게 배치되는 한 쌍의 구동 샤프트; 각각의 상기 구동 샤프트에 일렬로 배치되는 다수의 스프라켓; 각각의 상기 스프라켓과 결합되어 구동되며, 사용자가 위치하는 운동면을 형성하는 다수의 체인; 상기 체인 내에 부착되어 상기 체인의 운동방향과 다른 복수 방향의 운동을 발생시키는 롤러 조립체; 및 상기 사용자에 의해 가해지는 하중을 지지하고, 상기 체인 및 상기 롤러 조립체의 궤도 이탈을 방지하는 가이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 구동부는, 각 1쌍의 스프라켓과 체인 및 롤러 조립체를 1 단위의 단위 구동부라 할 때, 복수의 상기 단위 구동부가 반복적으로 배치되어 이루어지고, 상기 단위 구동부의 각각의 상기 체인은, 상기 체인의 상면에 사선 방향으로 돌출하도록 설치되는 롤러 조립체를 각각 포함하며, 각각의 상기 롤러 조립체는, 2 자유도 운동 발생을 위해 각 자유도별로 각각의 상기 체인에 설치된 상기 롤러 조립체가 서로 평행하지 않은 각도로 교차하는 동시에, 상기 구동 샤프트에 대하여도 평행하지 않은 각도로 배치되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 롤러 조립체는, 상기 체인의 상면에 사선 방향으로 돌출하도록 설치되고, 상기 단위 구동부의 각각의 체인에 설치된 롤러 조립체끼리 서로 반대 방향이 되도록 번갈아 배치됨으로써, 구동축이 되는 상기 구동 샤프트와 각각의 상기 롤러 조립체가 이루는 각도 및 각 자유도별 구동 속도의 방향과 크기에 따라, 각각의 상기 체인 및 상기 롤러 조립체에 각각 가해지는 운동량에 대응하는 벡터의 합에 의해 사용자의 운동 방향과 크기를 추종할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 전방향 이동 플랫폼은, 사용자가 이동하는 힘에 따른 지면으로부터의 반력을 사용자가 느낄 수 있도록 하기 위해, 상기 사용자의 위치와 이동방향 및 작용 하중을 피드백하고, 피드백된 정보에 따라 지면으로부터의 반력을 시뮬레이션하여 상기 모터를 제어함으로써, 상기 사용자가 실제와 동일한 지면으로부터의 반력을 느끼고 반응하여 현실감을 극대화하는 동시에, 넘어지거나 부상을 당할 확률은 감소하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 구동부는, 상기 체인 및 상기 스프라켓 대신에 벨트와 풀리를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 전방향 이동 플랫폼을 이용한 가상현실용 도보 시스템에 있어서, 사용자의 위치 및 자세를 인식하기 위한 카메라; 및 상기 카메라 및 상기 전방향 이동 플랫폼에 설치된 운동 플랫폼의 로드셀로부터 피드백된 사용자의 위치, 운동 속도, 지면으로의 작용 하중 정보를 이용하여 사용자와 지면과의 관계를 시뮬레이션하여 사용자가 실제와 유사한 지면 반력을 느끼면서 상기 운동 플랫폼의 범위 내에서 이동할 수 있도록 상기 운동 플랫폼을 제어하는 동시에, 사용자의 운동 및 자세 데이터를 가상현실 장치로 전달하여 사용자의 이동 및 자세와 동일하게 가상현실 내에서 이동 및 이벤트가 발생하도록 하는 처리를 수행하는 제어장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템이 제공된다.

여기서, 상기한 제어장치는, 상기 전방향 이동 플랫폼 내에 내장되거나, 상기 전방향 이동 플랫폼의 외부에 설치되는 별도의 하드웨어로 구성되거나, 컴퓨터에서 실행되는 프로그램 형태로 제공되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 군사 훈련용 시뮬레이터, 가상환경 체험 머신, 액션 또는 스포츠 게임을 포함하는 가상현실 내에서의 이동을 사용자의 직접적인 물리적 이동을 통해 구현함으로써 사용자의 현실감 및 몰입감을 향상시키기 위한 가상현실 내에서의 이동 구현방법에 있어서, 상기에 기재된 가상현실용 도보 시스템을 이용하여 가상현실 내에서의 이동을 사용자의 직접적인 물리적 이동을 통해 구현하는 것을 특징으로 하는 가상현실 내에서의 이동 구현방법이 제공된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 군사 훈련용 전장 시뮬레이터, 가상환경 체험 머신, 배틀이나 액션 또는 스포츠 게임 등과 같은 가상현실을 구현하는 데 있어서, 사용자가 실제로 전후좌우로 이동함으로써 가상현실 내에서 동일하게 이동 가능한 동시에, 사용자가 전후좌우로 이동하더라도 실제로는 일정 영역 내에 항상 위치할 수 있도록 하여 사용자의 안전까지 고려한 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템을 제공할 수 있다.

따라서 상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 사용자의 물리적인 이동을 통해 가상현실 내에서의 이동을 구현하는 것이 불가능하여 별도의 입력장치나 제자리에서 걷는 동작 등을 통해서 물리적 이동을 구현함으로 인해 사용자의 몰입감을 방해하고 현실성이 떨어지게 되었던 종래의 일반적인 컨트롤러나 모션 컨트롤의 문제점을 해결하여 더욱 현실감 넘치는 가상현실 환경을 제공할 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 군사용 목적으로 군에서 필요로 하는 전장환경 또는 특수전 시뮬레이터에 있어서, 훈련자에게 보다 현실감 넘치는 훈련 환경 제공이 가능하게 된다.

아울러, 민간 분야의 경우에도, 본 발명에 따르면, 최근, FPS와 같은 배틀 게임이나 온라인 게임시장이 급속히 팽창하고 있는 상황에서, 종래의 모션 컨트롤과 같이 단순히 총기를 들고 화면상에서 쏘는 흉내만을 내는데 그치는 것이 아니라, 실제로 서바이벌 게임을 하듯이 이동과 동시에 사격을 하면서 게임을 플레이 할 수 있도록 하여 사용자에게 게임 플레이에 있어서 더욱 큰 만족감과 즐거움을 줄 수 있으므로, 각종 게임과 게임기 및 주변기기 시장에 있어서 매우 큰 수요가 기대된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템에서 안전판을 제거한 모습을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템에 지면의 경사 또는 진동 등을 모의하기 위해 모션시스템이 결합된 형태의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템에 설치되는 운동 플랫폼의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템의 운동 플랫폼에 설치되는 구동부의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템의 구동부에 설치되는 체인 및 롤러 조립체의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6에 나타낸 구동부에 설치되는 체인 및 롤러 조립체의 구체적인 구성을 나타내는 도면으로, 도 7a는 구동부를 구성하는 1 단위의 체인의 구성을 나타내는 도면이고, 도 7b는 1 단위의 체인과 롤러 조립체의 구체적인 구성을 나타내는 확대도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 이동 플랫폼을 통하여 사용자의 움직임을 추종하는 운동 시뮬레이션의 개념을 나타내는 도면으로, 도 8a는 실제의 사람의 움직임을 나타내는 도면이고, 도 8b는 도 8a에 나타낸 사람의 움직임을 시뮬레이션으로 구현하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8에 나타낸 사람의 움직임을 시뮬레이션으로 구현하는 운동 시뮬레이션의 알고리즘을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 사용자의 물리적인 이동을 통해 가상현실 내에서의 이동을 구현하는 것이 불가능하여 별도의 입력장치나 제자리에서 걷는 동작 등을 통해 가상현실 내의 이동을 구현함으로써 사용자의 몰입감을 방해하고 현실성이 떨어지게 되었던 종래의 일반적인 컨트롤러나 모션 컨트롤의 문제점을 해결하여 더욱 현실감 넘치는 가상현실 환경을 제공할 수 있는 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템에 관한 것이다.

더 상세하게는, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 군사 훈련용 전장 시뮬레이터, 가상환경 체험 머신, 배틀이나 액션 또는 스포츠 게임 등과 같은 가상현실을 구현하는 데 있어서, 사용자가 실제로 전후좌우로 이동함으로써 가상현실 내에서 동일하게 이동 가능한 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 사용자가 전후좌우로 이동하더라도 실제로는 플랫폼의 일정 영역 내에 항상 위치할 수 있도록 하여 사용자의 안전까지 고려한 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템에 관한 것이다.

계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전방향 이동 플랫폼(10)은, 크게 나누어, 상기 이동 플랫폼(10)을 지지하는 프레임(11)과, 상기 프레임(11)의 중심부에 설치되어 사용자의 움직임을 검출하는 운동 플랫폼(12)과, 상기 운동 플랫폼(12)을 둘러싸도록 형성되어 사용자가 접촉시 사용자가 상기 운동 플랫폼(12)을 벗어난 것으로 인식하여 상기 운동 플랫폼(12)의 작동을 정지하도록 구성되는 안전판(13)을 포함하여 구성되어 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 가상현실용 도보 시스템은, 도시되지는 않았으나, 상기한 운동 플랫폼(10)의 전체적인 동작을 제어하는 제어장치를 더 포함하여 구성되며, 후술하는 바와 같이 하여 상기한 전방향 이동 플랫폼(10) 상에서의 사용자의 운동을 계산하고, 전방향 이동 플랫폼(10)의 전체적인 동작을 제어하도록 구성된다.

여기서, 상기한 제어장치는, 전방향 이동 플랫폼(10) 내에 내장되거나, 외부에 설치되는 별도의 하드웨어로 구성될 수도 있고, 또는, 컴퓨터에서 실행되는 프로그램 형태로 제공되어 컴퓨터를 통해 제어하도록 구성될 수도 있다.

아울러, 상기한 가상현실용 도보 시스템은, 상기한 전방향 이동 플랫폼(10)과 함께, 전방향 이동 플랫폼(10) 상의 사용자의 영상을 얻기 위한 카메라를 더 포함하여 구성될 수 있다.

계속해서, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 가상현실용 전방향 이동 플랫폼(10)에서 안전판(13)을 제거한 모습을 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 가상현실용 전방향 이동 플랫폼(10)은, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 프레임(11) 내에 운동 플랫폼(12)이 설치되고, 상면에 안전판(13)이 설치되는 구조이나, 반드시 이러한 형태로만 한정되는 것은 아님에 유념해야 한다.

즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 가상현실용 전방향 이동 플랫폼(10)에 모션시스템(14)이 설치된 형태의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 상기한 프레임(11)에는, 필요에 따라, 이동 플랫폼(10)에 지면의 경사 또는 진동 등을 모의하기 위한 모션시스템(14)이 추가로 결합될 수 있다.

또한, 본 명세서에서는, 상기한 프레임(11)이 사각 형태인 것으로 나타내었으나, 상기한 프레임(11)은, 사각 형태 이외에 원형으로 형성될 수도 있는 등, 그 형태나 구조에 특별히 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 변경 가능하다.

또한, 상기한 이동 플랫폼(10)은, 사용자가 이동 중에 운동 플랫폼(12)의 영역을 벗어나게 되면 이동 플랫폼(10) 위에서 넘어지거나 추락할 위험이 있으므로, 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 안전판(13)을 통해 운동 플랫폼(12) 사방의 일정 범위에 걸쳐 위험 영역을 형성하여, 이러한 위험 영역에 사용자가 들어오게 되면 운동 플랫폼(12)의 작동을 즉각 정지하도록 구성됨으로써, 사용자의 안전을 도모할 수 있도록 구성된다.

따라서 상기한 바와 같은 전방향 이동 플랫폼(10) 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템의 구성을 통해, 사용자가 운동 플랫폼(12) 위에 올라서서 이동을 행하면, 후술하는 바와 같이 하여 운동 플랫폼(12)에서 검출된 사용자의 위치나 운동의 방향 정보가 상기한 제어장치에 전달되고, 제어장치에 의해 사용자의 위치, 속도의 방향 및 크기, 자세 등이 계산되어 게임기나 시뮬레이터와 같은 가상현실 장치로 전달됨으로써, 가상현실 내에서의 이동이 사용자의 운동과 동일하게 이루어지게 된다.

계속해서, 상기한 바와 같은 이동 플랫폼(10)의 구성을 통해 사용자의 운동을 검출하여 게임기나 시뮬레이터와 같은 가상현실 장치로 전달하는 과정의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.

먼저, 도 4를 참조하면, 도 4는 상기한 바와 같은 이동 플랫폼(10)에 설치되는 운동 플랫폼(12)의 구성을 구체적으로 나타내는 도면이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 운동 플랫폼(12)는, 사용자가 운동을 행하는 발판이 되는 구동부(41)와, 상기 구동부(41)를 구동하기 위한 한 쌍의 모터(42)와, 사용자의 하중, 운동 방향 및 속도를 측정하기 위해 운동 플랫폼(12)의 양 측면에 수평 방향 및 수직 방향으로 각각 설치되는 복수의 로드셀(43)을 포함하여 구성되어 있다.

더 상세하게는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 구동부(41)는, 모터(42)에 의해 구동되는 체인 또는 벨트로 구성될 수 있으며, 따라서 사용자가 이러한 구동부(41)위에서 이동을 행하면, 상기한 제어장치는, 각각의 로드셀(43)에 가해지는 힘을 측정하여 사용자의 위치와 운동 방향 및 힘의 크기를 구하고, 하중 데이터와 카메라 영상인식을 통해 사용자의 위치, 이동속도의 방향 및 크기, 지면으로의 작용힘을 통한 가속도, 사용자의 자세 유형 등을 종합적으로 계산하며, 계산된 결과에 따라 구동부(41)를 제어하여 지면 반력을 생성하고, 위치 복귀 운동을 발생시키는 동시에, 사용자의 운동 및 자세 정보를 게임기나 시뮬레이터와 같은 가상현실 장치로 전달한다.

여기서, 상기한 로드셀(43)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 각각 x축, y축 및 z축 방향의 힘을 감지하도록 이동 플랫폼(10)의 사방에 복수 개의 로드셀(43)이 설치되며, 따라서 각각의 로드셀(43)에 가해지는 힘을 측정하여 구해진 사용자의 위치와 운동 방향 및 힘의 크기를 피드백함으로써, 사용자의 위치와 운동 방향 및 속도에 따라 모터(42)를 제어하여 구동부(41)를 구동하여 사용자가 지면의 반력을 느끼면서 이동 가능하도록 하는 동시에, 사용자가 구동부(41) 위에서 이동하더라도 실제로는 구동부(41) 위의 일정 범위 내에 항상 위치하도록 구성된다.

또한, 각 로드셀(43)은, 안전판(13)의 자체 안전감지기능과는 별도로 로드셀에 가해지는 힘의 크기를 통해 사용자가 상기 안전판에 위치한 것을 감지하여 상기 긴급정지 동작을 수행하는 역할도 함께 수행한다.

계속해서, 도 5를 참조하여, 상기한 바와 같은 구동부(41)의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.

즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 상기한 바와 같은 운동 플랫폼(12)에 설치되는 구동부(41)의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 구동부(41)는, 상기한 모터(42)에 의해 구동되어 2 자유도 운동을 발생시키기 위해 평행하게 배치되는 한 쌍의 구동 샤프트(51)와, 각각의 구동 샤프트(51)에 일렬로 배치되는 다수의 스프라켓(52)과, 각각의 상기 스프라켓(52)과 결합되어 구동되며 사용자가 위치하는 운동면을 형성하는 다수의 체인(53)과, 상기 체인(53) 내에 부착되어 원하는 방향의 운동을 발생시키는 롤러 조립체(54) 및 상부 하중을 지지하고 상기 체인(53) 및 롤러 조립체(54)의 궤도이탈을 방지하는 가이드(55)를 포함하여 구성된다.

여기서, 본 실시예에서는 구동부(41)가 스프라켓(52)과 체인(53)으로 구성되는 예를 설명하였으나, 본 발명은 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 상기한 스프라켓(52)과 체인(53) 대신에 벨트와 풀리를 이용하여 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다.

또한, 도 6을 참조하면, 도 6은 상기한 바와 같은 구동부(41)에 설치되는 체인(53) 및 롤러 조립체(54)의 구체적인 구성을 나타내는 도면이다.

즉, 도 6에 나타낸 바와 같이, 구동부(41)는, 상기한 모터(42)와 구동 샤프트(51) 및 스프라켓(52)에 의해 구동되는 복수의 체인(53)이 구동 샤프트(51)를 축으로 하여 일렬로 배열되어 이루어진다.

더 상세하게는, 도 7을 참조하면, 도 7은 도 6에 나타낸 구동부(41)에 설치되는 체인(53) 및 롤러 조립체(54)의 구체적인 구성을 나타내는 도면으로, 도 7a는 구동부(41)를 구성하는 1 단위의 체인 조립체의 구성을 나타내는 도면이고, 도 7b는 1 단위의 체인(53)과 롤러 조립체(54)의 구체적인 구성을 나타내는 확대도이다.

즉, 도 7a에 나타낸 바와 같이, 각각 1쌍의 스프라켓(52), 체인(53) 및 롤러 조립체(54)를 1 단위의 단위 구동부로 하여, 사선 방향으로 설치된 롤러 조립체(54)가 서로 반대 방향으로 번갈아 반복되도록 상기한 바와 같은 단위 구동부를 반복 설치함으로써 구동부(41)를 구성할 수 있다.

여기서, 도 7b의 확대도에 나타낸 바와 같이, 각각의 체인(53)에는 롤러 조립체(54)가 표면에 돌출하도록 결합되어 있으며, 이때, 롤러 조립체(54)는, 바람직하게는, 45° 각도로 비스듬하게 설치되며, 인접하는 롤러 조립체(54)가 서로 반대 방향이 되도록 번갈아 다른 방향으로 설치된다.

즉, 본 발명에 따른 이동 플랫폼(10)에 설치되는 구동부(41)는, 2 자유도 운동 발생을 위해 각 자유도별로 롤러 조립체가 서로에 평행하지 않은 각도로 서로 교차하고 있으며, 또한, 평행한 2 자유도 구동축에 대해서도 평행하지 않은 각도로 배치된다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 통해, 구동축이 되는 구동 샤프트(51)와 롤러 조립체(54)가 이루고 있는 각도, 각 자유도별 구동 속도의 방향과 크기에 따라 각각의 체인 및 롤러에 각각 가해지는 운동량에 대응하는 벡터의 합에 의해 사용자의 운동 방향과 크기를 추종할 수 있다.

여기서, 사용자에게 실제와 같은 느낌을 주기 위하여는, 사용자가 이동하는 힘에 따른 지면으로부터의 반력을 사용자가 느낄 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 도 8을 참조하면, 도 8은 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 이동 플랫폼(10)을 통하여 사용자의 움직임을 추종하는 운동 시뮬레이션을 개념적으로 나타내는 도면으로, 도 8a는 실제의 사람의 움직임을 나타내는 도면이고, 도8b는 도 8에 나타낸 사람의 움직임을 시뮬레이션으로 구현하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.

더 상세하게는, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 사람이 걷거나 뛸 때에는 이동하는 힘과 함께 지면으로부터의 반력이 작용하게 되므로, 사용자에게 실제와 같은 느낌을 주기 위하여는, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 사용자의 힘과 위치에 따른 시뮬레이션 행하여 생성된 구동신호를 통하여 모터를 구동하여야 한다.

즉, 도 9를 참조하면, 도 9는 도 8에 나타낸 사람의 움직임을 시뮬레이션으로 구현하는 운동 시뮬레이션의 알고리즘을 개략적으로 나타내는 블록도이다.

따라서 도 9에 나타낸 바와 같은 구성을 통하여, 사용자의 위치와 이동방향 및 지면으로의 작용 하중을 피드백하고 그에 따른 반력을 시뮬레이션하여 모터를 제어함으로써, 사용자가 실제와 유사한 지면으로부터의 반력을 느끼기고 이에 반응함으로써 훈련이나 게임의 현실감 및 효과가 극대화될 수 있고, 사용자의 감각이 어색하여 넘어지거나 부상을 당할 확률도 낮출 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 이동 플랫폼(10)은, 사용자가 구동부(41) 위에서 임의의 방향으로 이동을 하더라도 로드셀과 카메라를 이용하여 사용자의 움직임을 센싱하여 사용자의 이동속도에 따라 모터의 회전속도를 조절 가능하고, 이동 방향에 따라 모터의 회전 방향도 조절 가능하여, 이동 속도와 방향을 실제와 동일하게 사용자가 느끼도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이동 플랫폼(10)은, 하중 피드백을 이용한 지면 반력 모의를 통해 사람의 이동에 따른 가감속에 상응하도록 빠른 반응 속도로 이동 플랫폼(10)의 구동부(41)를 작동시킴으로써, 종래의 카메라만을 이용하여 운동을 감지하는 시스템들의 느린 반응속도를 극복할 수 있으므로, 사용자가 보다 적극적이고 역동적으로 훈련이나 게임에 임할 수 있다.

따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 가상현실용 이동 플랫폼을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 군사 훈련용 전장 시뮬레이터, 가상환경 체험 머신, 배틀이나 액션 또는 스포츠 게임 등과 같은 가상현실을 구현하는 데 있어서, 사용자가 실제로 전후좌우로 이동함으로써 가상현실 내에서 동일하게 이동 가능한 동시에, 사용자가 전후좌우로 이동하더라도 실제로는 일정 영역 내에 항상 위치할 수 있도록 하여 사용자의 안전까지 고려한 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템이 제공됨으로써, 사용자의 물리적인 이동을 통해 가상현실 내에서의 이동을 구현하는 것이 불가능하여 별도의 입력장치나 제자리에서 걷는 동작 등을 통해 가상현실 내의 이동을 구현함으로써 사용자의 몰입감을 방해하고 현실성이 떨어지게 되었던 종래의 일반적인 컨트롤러나 모션 컨트롤의 문제점을 해결하여, 더욱 현실감 넘치는 가상현실 환경을 제공할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따르면, 군사용 목적으로는, 군에서 필요로 하는 전장환경 또는 특수전 시뮬레이터에 있어서 훈련자에게 보다 현실감 넘치는 훈련 환경 제공이 가능하며, 민간 분야에 있어서는, 종래의 모션 컨트롤과 같이 단순히 총기를 들고 화면상에서 쏘는 흉내만을 내는데 그치는 것이 아니라, 실제로 서바이벌 게임을 하듯이 이동과 동시에 사격을 하면서 게임을 플레이 할 수 있도록 하여 사용자에게 더욱 큰 만족감과 즐거움을 줄 수 있으므로, 각종 게임과 게임기 및 주변기기 시장에 있어서 매우 큰 수요를 기대할 수 있는 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 시스템을 제공할 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 가상현실용 이동 플랫폼의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

10. 전방향 이동 플랫폼 11. 프레임
12. 운동 플랫폼 13. 안전판
14. 모션 시스템 41. 구동부
42. 모터 43. 로드셀
51. 구동 샤프트 52. 스프라켓
53. 체인 54. 롤러 조립체
55. 가이드

Claims (13)

1. 군사 훈련용 시뮬레이터, 가상환경 체험 머신, 액션 또는 스포츠 게임을 포함하는 가상현실 내에서의 이동을 사용자의 직접적인 물리적 이동을 통해 구현함으로써 사용자의 현실감 및 몰입감을 향상시키기 위한 전방향 이동 플랫폼에 있어서,
   상기 이동 플랫폼 전체를 지지하는 프레임;
   상기 프레임의 중심부에 설치되고 사용자의 운동 방향 및 속도를 검출하여 제어장치에 전달하며, 상기 제어장치의 제어에 따라 물리적 운동을 발생시켜 상기 사용자에게 지면 반력을 느끼도록 하고 상기 사용자를 플랫폼의 중심으로 이동시키는 복귀운동을 수행하도록 구성되는 운동 플랫폼; 및
   상기 프레임의 상면에 상기 운동 플랫폼를 둘러싸도록 형성되어 상기 운동 플랫폼 사방의 일정 범위에 걸쳐 위험 영역을 형성하고, 사용자가 접촉시 상기 사용자가 상기 운동 플랫폼를 벗어난 것으로 인식하여 상기 운동 플랫폼의 작동을 정지하는 긴급정지 동작을 수행하도록 구성되는 안전판을 포함하고,
   상기 이동 플랫폼은,
   지면의 경사, 고저 및 진동을 포함하는 운동 효과를 발생시키기 위해 상기 프레임에 설치되는 모션 시스템을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 운동 플랫폼은,
   체인 또는 벨트로 구성되어 상기 사용자가 운동을 행하는 발판이 되는 구동부;
   상기 구동부를 구동하기 위한 한 쌍의 모터; 및
   상기 사용자의 하중, 운동 방향 및 속도를 측정하기 위해, 각각 x축, y축 및 z축 방향의 힘을 감지하도록 상기 운동 플랫폼의 사방에 각각의 축 별로 설치되는 복수의 로드셀을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 운동 플랫폼은,
   각각의 상기 로드셀에 가해지는 힘을 측정하여 구해진 사용자의 위치와 운동 방향 및 사용자로부터 지면으로의 작용 하중을 피드백하고 상기 사용자의 위치와 운동방향 및 운동시 작용 하중에 따라 상기 모터를 제어하여 상기 구동부를 구동함으로써, 사용자에게 지면으로부터 반력을 느끼도록 하는 동시에, 사용자가 상기 구동부 위에서 이동하더라도 상기 이동 플랫폼의 중심으로부터 일정 범위 내에 항상 위치하도록 하는 복귀 운동을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼.
   
5. 제 4항에 있어서,
   각각의 상기 로드셀은, 상기 안전판의 긴급정지 동작과는 별도로 각각의 로드셀에 가해지는 힘의 크기를 통해 사용자가 상기 안전판에 위치한 것을 감지하여 긴급정지 동작을 수행하는 역할도 함께 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼.
   
6. 제 3항에 있어서,
   상기 구동부는,
   상기 모터에 의해 구동되어 2 자유도 운동을 발생시키기 위해 평행하게 배치되는 한 쌍의 구동 샤프트;
   각각의 상기 구동 샤프트에 일렬로 배치되는 다수의 스프라켓;
   각각의 상기 스프라켓과 결합되어 구동되며, 사용자가 위치하는 운동면을 형성하는 다수의 체인;
   상기 체인 내에 부착되어 상기 체인의 운동방향과 다른 복수 방향의 운동을 발생시키는 롤러 조립체; 및
   상기 사용자에 의해 가해지는 하중을 지지하고, 상기 체인 및 상기 롤러 조립체의 궤도 이탈을 방지하는 가이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 구동부는,
   각 1쌍의 스프라켓과 체인 및 롤러 조립체를 1 단위의 단위 구동부라 할 때, 복수의 상기 단위 구동부가 반복적으로 배치되어 이루어지고,
   상기 단위 구동부의 각각의 상기 체인은, 상기 체인의 상면에 사선 방향으로 돌출하도록 설치되는 롤러 조립체를 각각 포함하며,
   각각의 상기 롤러 조립체는, 2 자유도 운동 발생을 위해 각 자유도별로 각각의 상기 체인에 설치된 상기 롤러 조립체가 서로 평행하지 않은 각도로 교차하는 동시에, 상기 구동 샤프트에 대하여도 평행하지 않은 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 롤러 조립체는,
   상기 체인의 상면에 사선 방향으로 돌출하도록 설치되고, 상기 단위 구동부의 각각의 체인에 설치된 롤러 조립체끼리 서로 반대 방향이 되도록 번갈아 배치됨으로써, 구동축이 되는 상기 구동 샤프트와 각각의 상기 롤러 조립체가 이루는 각도 및 각 자유도별 구동 속도의 방향과 크기에 따라, 각각의 상기 체인 및 상기 롤러 조립체에 각각 가해지는 운동량에 대응하는 벡터의 합에 의해 사용자의 운동 방향과 크기를 추종할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼.
   
9. 제 8항에 있어서,
   사용자가 이동하는 힘에 따른 지면으로부터의 반력을 사용자가 느낄 수 있도록 하기 위해, 상기 사용자의 위치와 이동방향 및 작용 하중을 피드백하고, 피드백된 정보에 따라 지면으로부터의 반력을 시뮬레이션하여 상기 모터를 제어함으로써, 상기 사용자가 실제와 동일한 지면으로부터의 반력을 느끼고 반응하여 현실감을 극대화하는 동시에, 넘어지거나 부상을 당할 확률은 감소하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼.
   
10. 제 6항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 체인 및 상기 스프라켓 대신에 벨트와 풀리를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼.
    
11. 청구항 1항, 3항 내지 10항 중 어느 한 항에 기재된 전방향 이동 플랫폼을 이용한 가상현실용 도보 장치에 있어서,
    사용자의 위치 및 자세를 인식하기 위한 카메라; 및
    상기 카메라 및 상기 전방향 이동 플랫폼에 설치된 운동 플랫폼의 로드셀로부터 피드백된 사용자의 위치, 운동 속도, 지면으로의 작용 하중 정보를 이용하여 사용자와 지면과의 관계를 시뮬레이션하여 사용자가 실제와 유사한 지면 반력을 느끼면서 상기 운동 플랫폼의 범위 내에서 이동할 수 있도록 상기 운동 플랫폼을 제어하는 동시에, 사용자의 운동 및 자세 데이터를 가상현실 장치로 전달하여 사용자의 이동 및 자세와 동일하게 가상현실 내에서 이동 및 이벤트가 발생하도록 하는 처리를 수행하는 제어장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전방향 이동 플랫폼 및 이를 이용한 가상현실용 도보 장치.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기한 제어장치는,
    상기 전방향 이동 플랫폼 내에 내장되거나,
    상기 전방향 이동 플랫폼의 외부에 설치되는 별도의 하드웨어로 구성되는 것을 특징으로 하는 가상현실용 도보 장치.
    
13. 삭제

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