KR100249353B1 - 장난감용 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 음성 신호 처리 기술을 이용한 장난감용 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 사용자가 일정시간 이상의 다양한 음성을 저장하거나 출력 할 수 있도록 하며, 사람의 움직임을 추종하고, 온도 센서를 이용하여 현재 온도를 음성으로 출력하며, 시간 경보 및 도난 방지 경보 등의 기능을 수행할 수 있는 장난감용 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 기존의 장난감들은 장난감 제조 사에서 저장하는 짧은 시간의 단순 음성만을 출력하며, 사람의 위치를 감지하거나, 대화식 음성 입출력 장치를 가진 장난감은 없다. 그러므로, 이러한 장난감들은 사용자가 곧 싫증을 느끼게 되고, 단순 장식용이 되는 경우가 많으며, 장난감이 가질 수 있는 교육적인 기능이 적은 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 음성 신호 처리 및 제어용으로 고속 연산이 가능한 중앙처리부(CPU)를 채용하고, 초전도 적외선 센서로 사람의 존재 여부를 판별하며, 소형 스테핑 모터를 이용하여 사람의 움직임을 추종하고, 다양한 음성 정보를 입출력 할 수 있도록 하며, 사용자의 응답 또는 명령을 장난감 몸체에 부착된 스위치를 이용하여 전달할 수 있도록 하므로써, 사용자와 장난감과의 대화가 가능하도록 한 장난감용 제어 장치 및 그 제어 방법을 제시한다.

Description

장난감용 제어 장치 및 그 제어 방법

본 발명은 장난감용 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 특히 장난감에 부착된 스위치를 사용하여 사용자의 응답 및 명령을 입력하고, 마이크를 통해 음성을 입력하되 표시장치(LCD)에 의한 음성 입력 방법을 알려주며, 스피커로 음성을 출력하고, 초전도 적외선 센서를 통해 사람의 움직임을 검출하고, 사람이 움직이는 방향으로 장난감이 움직일 수 있도록 소형 모터(DC 모터)를 제어하며, 온도 센서를 이용해 현재 온도를 음성으로 출력하고, 시간 경보 및 도난 방지 경보 등의 기능을 수행할 수 있는 장난감용 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 음성 출력 기능을 가진 장난감은 많이 있으나, 짧은 시간(약 20초 이내) 출력만이 가능하고, 제조 사에서 제공하는 단순 음성만을 출력하는 단점이 있다.

또한, 사람의 위치를 감지할 수 없고, 대화식 음성 입출력 장치를 가진 장난감은 없다. 그러므로, 이러한 기존의 장난감은 사용자가 곧 싫증을 느끼게 되며, 단순 장식용이 되는 경우가 많고, 장난감이 가질 수 있는 교육적인 기능이 적은 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 장난감에 부착된 스위치를 사용하여 사용자의 응답 및 명령을 입력하고, 마이크를 통해 음성을 입력하되 표시장치(LCD)에 의한 음성 입력 방법을 알려주며, 스피커로 음성을 출력하고, 초전도 적외선 센서를 통해 사람의 움직임을 검출하고, 사람이 움직이는 방향으로 장난감이 움직일 수 있도록 소형 모터(DC 모터)를 제어하며, 온도 센서를 이용해 현재 온도를 음성으로 출력하고, 시간 경보 및 도난 방지 경보 등의 기능을 수행할 수 있도록 하므로써, 상기한 단점을 해소할 수 있는 장난감용 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장난감용 제어 장치는 음성, 사람의 위치, 온도, 시간 경보 및 도난 경보 각각에 대한 데이터를 고속으로 연산하기 위한 중앙처리부와, 상기 중앙처리부로 다양한 음성 정보를 입출력 할 수 있도록 하며, 사용자의 응답 또는 명령을 장난감 몸체에 부착된 스위치를 이용하여 전달할 수 있도록 하기 위한 음성 입출력부와, 상기 중앙처리부로 초전형 초전도 적외선 센서에 의해 사람의 움직임 정보를 입출력하기 위한 위치 제어부와, 현재 온도를 센싱하여 상기 중앙처리부로 공급하기 위한 온도 센서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장난감 제어 방법은 음성 입출력 루틴에서 중앙처리장치에 내장된 2개의 시리얼 포트를 사용하여, 제 1 시리얼 포트로 음성 데이터를 입력받고, 제 2 시리얼 포트로 음성 데이터를 출력하며, 상기 제 1 및 제 2 시리얼 포트의 전송 속도, 데이터 워드 입력 및 출력시 인터럽트의 발생 및 금지를 제어하며, 제 1 AD-컨버터, DA-컨버터의 데이터 변환 시작 및 금지 제어 등을 처리하는 제 1 단계와, 상기 음성 입력 루틴으로부터 입력된 음성 데이터를 음성 신호 처리 루틴에서 음성 부호화기를 사용하여 데이터를 압축한 후 램에 저장하며, 상기 램에 저장된 부호화 된 음성 데이터를 읽어내어 음성 복호화기를 이용하여 음성 데이터를 신장하고 스피커를 통해 출력할 수 있도록 상기 음성 입출력 루틴으로 전송하는 제 2 단계와, 위치 제어 루틴에서 초전도 적외선 센서의 증폭기로부터 2비트 데이터를 입력받아 사람의 위치를 판별하고, 판별된 결과를 이용하여 스테핑 모터의 방향, 시작 및 중지, 속도 등을 모터 구동부로 전송하여 제어하는 제 3 단계와, 접점 스위치 제어 루틴에서 장난감의 몸체에 부착된 스위치 어레이의 온 오프 상태를 디코더를 통해 입력으로 하여 사용자가 요구하는 동작이나 지시 사항 등을 판별하고, 그 결과를 메인 루틴으로 전달하는 제 4 단계와, 액정표시장치 구동 루틴에서 음성 입력시, 입력 방법 및 내용 등에 대한 지시 사항을 액정표시장치 구동부를 통해 액정표시장치에 문자로 출력하며, 사용자에게 메뉴 방식의 정보를 출력하는 제 5 단계와, 인터럽트 처리 루틴에서 상기 중앙처리장치가 정지 상태에서 재정상으로 동작할 수 있도록 스위치나 초전도 적외선 센서의 출력을 입력으로 하여 상기 중앙처리장치에 인터럽트를 요구하며, 상기 중앙처리장치 내부의 타이머를 동작시켜, 시간 정보에 따른 장난감의 제어 동작을 상기 메인 루틴에 지시하는 제 6 단계와, 상기 메인 루틴에서 장난감의 초기화, 메모리 관리, 각 서브루틴으로부터 입력된 정보를 이용하여 장난감의 현재 상태를 판단하고, 다음 동작을 준비하여 각 서브루틴으로 하여금 각각의 동작을 진행하도록 제어하는 제 7 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은 장시간(약 20분) 이상의 음성 신호를 저장하기 위하여, 신호 처리 및 제어용 중앙 처리 장치(Central Processing Unit: 이하, CPU 이라 함), 프로그램 데이터 저장용 롬(Read Only Memory: 이하, ROM 이라 함) 및 음성 데이터 저장용 16메가 비트 램(Random Access Memory: 이하, RAM 이라 함)을 구성하고, 음성 입력을 위한 내/외부 마이크로 폰 및 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 AD-컨버터(Analog-to-Digital Converter: ADC)를 구성하고, CPU로부터 출력된 음성 신호를 DA-컨버터(Digital-to-Analog Converter: DAC)를 통하여 스피커로 출력하게 된다.

또한, 본 발명은 사람의 움직임을 추종하기 위해 인체에서 방사되는 초전도 적외선을 감지하는 초전도적외선 센서를 2개 사용하여 사람의 움직임을 검출하고, 사람이 움직이는 방향으로 DC 소형 모터를 구동하여 장난감의 머리 부분을 항상 사람이 있는 방향으로 제어하며, 사용자에게 항상 장난감으로 주의를 끌 수 있게 하며, 사용자와 장난감이 서로 대화할 수 있도록 장난감에 여러 개의 스위치를 장착하고 있다. 그리고, 온도 센서를 부착하여 실내 온도를 항시 감시할 수 있도록 하고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장난감용 제어 장치의 전체 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 장난감용 제어 장치의 소프트웨어 구성도.

도 3a는 도 1의 음성 입출력 처리를 위한 음성 입출력부의 상세 회로도.

도 3b는 도 3a의 음성 입출력 처리를 위한 제어 흐름도.

도 4a는 도 1의 위치 제어부의 상세 회로도.

도 4b는 도 4a의 위치 제어부의 제어 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101: 중앙처리부 102: 음성입출력부

103: 위치제어부 1: 중앙처리장치(CPU)

2: 롬(ROM) 3: 램(RAM)

4: 인터럽트 제어기 5: 마이크로 폰(MIC)

6: 제 1 저역 통과 필터(LPF) 7: 제 1 AD-컨버터

8: DA-컨버터 9: 제 2 저역 통과 필터

10: 스피커 11: 입출력 포트

12: LCD 구동부 13: 액정표시장치(LCD)

14: 스위치 어레이 15: 디코더

16: 온도 센서 17: 제 2 AD-컨버터

18: 초전도 적외선 센서 19: 증폭기

20: 모터 구동부 21: 스테핑 모터

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 장난감용 제어 장치의 전체 하드웨어 구성도로서, 크게 중앙처리부(101), 음성입출력부(102) 및 위치제어부(103)로 구성된다.

더욱 상세하게는, 음성 신호 처리 및 장난감 제어용 CPU(1), CPU(1)의 명령어를 저장하는 ROM(2), 데이터를 저장하는 RAM(3), CPU(1)가 정지시 또는 스위치 입력이나 인체가 감지 신호가 입력되었을 때 인터럽트를 발생시켜 CPU(1)를 정상 동작시키거나, 입력에 맞는 장난감의 동작을 제어하기 위한 인터럽트 제어기(4), 사용자의 음성을 전기 신호로 변환시키는 마이크로 폰(MIC)(5), 4kHz 이상의 잡음을 제거하는 제 1 저역 통과 필터(Low Pass Filter: LPF)(6), 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 제 1 AD-컨버터(7), CPU(1)로부터 출력된 디지털 음성 신호를 아날로그 신호로 변환시키는 DA-컨버터(8), 디지털 신호 처리시 발생된 4kHz 이상의 고주파 잡음 제거용 제 2 저역 통과 필터(9), 전기 신호를 음파로 변환시키는 스피커(10), CPU(1)와 주변 하드웨어를 연결해 주는 입출력 포트(I/O Ports)(11), 액정표시장치(LCD)를 구동하는 LCD 구동부(12), 2줄 16 문자를 표시하는 액정표시장치(Liquid Crystal Display: 이하, LCD 이라 함)(13), 장난감의 몸에 부착되는 스위치 어레이(14), 스위치 입력신호 선을 줄이기 위한 16×4 디코더(15), 실내 온도 센서(16), 아날로그 온도 신호를 디지털 신호로 변환시키는 제 2 AD-컨버터(17), 인체의 초전도 적외선을 감지하는 초전도적외선 센서(18), 미세한 아날로그 센서 신호를 증폭시키고, 디지털 신호로 변환시키는 증폭기(19), 사람의 움직임 방향으로 장난감의 머리를 회전시키기 위한 스테핑 모터 구동용 모터 구동부(20) 및 스테핑 모터(21) 등으로 구성된다.

상기한 CPU(1)는 음성 신호 입출력 제어, 음성 신호 압축/신장, 사람의 움직임 추종 제어 및 스위치 입력 제어 등의 각 기능을 수행한다.

음성 신호는 외부 폰이나 내부 장난감에 장착된 마이크로 폰(5)을 통하여 전기 신호로 변환되어 입력된다. 입력된 음성 신호는 한계 대역 4kHz를 갖는 제 1 저역 통과 필터(6)를 통해 혼재되어 있는 잡음이 제거되고, 제 1 AD-컨버터(7)로 입력된다. 제 1 AD-컨버터(7)에서는 아날로그 음성 신호를 샘플링 주파수 8kHz, 양자화 비트수 16 비트의 디지털 음성 신호로 변환시키며, 시리얼 통신으로 CPU(1)에 전송하게 된다. CPU(1)는 음성 부호화기를 사용해 데이터를 압축하여 RAM(3)에 저장한다.

CPU(1)는 RAM(3)에 저장되어 있는 압축된 음성 데이터를 읽어 음성 복호화기를 이용하여 데이터를 신장하고, 시리얼 통신으로 DA-컨버터(8)로 전송한다. DA-컨버터(8)에서는 전송된 디지털 음성 데이터를 아날로그 데이터로 변환시켜 제 2 저역 통과 필터(9)로 전송하게 된다. 제 2 저역 통과 필터(9)는 한계 대역폭이 4kHz로 음성 압축/신장 과정에서 발생된 잡음을 제거한 후 스피커(10)를 통해 음성 신호를 출력하게 된다.

LCD(13)는 2줄 16 문자 표시가 가능한 장치이며, CPU(1)는 사용자의 음성 입력시 입력 방법, 내용 등을 사용자에게 문자로 알려주기 위하여, LCD 구동부(12)에 문자용 데이터 및 제어 명령을 전송하게 된다. LCD 구동부(12)는 LCD(13)를 통해 문자를 출력하고, 출력 제어 정보를 다시 CPU(1)로 전송하여 LCD(13)의 문자 출력이 정상인지 알려준다.

장난감 몸체에 부착된 스위치의 집합, 스위치 어레이(14)는 장난감의 음성 출력에 따른 사람의 명령이나 응답 등을 장난감에 전달하는 역할을 하는 것으로, 여러 개의 스위치로 구성되어 있다. 스위치 어레이(14)에 입력된 신호는 디코더(15)에 입력된다. 디코더(15)는 16개의 입력 신호를 4개의 출력 신호로 변환시키는 역할을 하며, 4비트 데이터를 입출력 포트(11)로 전송한다. 입출력 포트(11)는 입력된 데이터를 CPU(1)로 전달하고, CPU(1)는 이 스위치 입력으로 사용자의 명령 또는 응답 내용을 분석하여 다음 음성을 출력한다.

온도 센서(16)는 장난감이 사용되고 있는 장소의 온도를 아날로그 신호로 변환시켜 AD-컨버터(17)로 전송한다.

한편, 사람의 움직임을 추종하기 위하여 초전도 적외선 센서(18)를 사용하고 있는데, 이는 사람의 몸에서 방사되는 초전도 적외선을 검출하여 사람의 유/무를 검출하는 방식이다. 사람의 몸에서 방사되는 초전도 적외선은 6.5∼14㎛의 파장 영역을 가지며, 이 영역의 초전도 적외선을 투과시키는 소자를 사용하는데, 이 소자를 7㎛ 컷 온 필터라고 한다. 이 컷 온 필터를 통과한 초전도 적외선은 센서에 의하여 전기 신호로 변환된다. 초전도 적외선 센서(18)에서 출력된 전기 신호는 증폭기(19)에서 증폭되고, 디지털 신호로 변환되어 온/오프 신호를 출력한다. 인체의 움직임 추종 방식은 도 4를 통해 상세히 설명하기로 한다.

CPU(1)는 초전도 적외선 센서(18)로부터 검출된 사람의 움직임을 분석하여, 장난감의 머리 부분을 사람이 있는 위치로 회전시키는 기능을 가진다. 이때 제어 흐름은, CPU(1)에서 방향 신호(왼쪽, 오른쪽 신호), 모터 속도 신호 정지 신호등을 모터 드라이버(20)로 출력한다. 모터 드라이버(20)는 CPU(1)로부터 출력된 신호를 4개의 위상 제어(A, -A, B, -B) 신호로 변환하여 스테핑 모터(21)를 구동한다. 각각의 위상은 90°각도로 되어 있으며, 위상을 제어하여 모터의 방향, 속도, 정지 등을 제어하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 장난감 제어 장치의 소프트웨어 구성도로서, 전체 CPU(1)의 소프트웨어를 제어하는 메인 루틴(22), 음성 입출력 루틴(23), 음성 데이터 압축/신장을 위한 음성 신호 처리 루틴(24), 사람 위치 제어 루틴(25), 스위치 입력 루틴(26), LCD 구동 루틴(27), 인터럽트 처리 루틴(28) 및 타이머 제어 루틴(29) 등으로 이루어진다.

음성 입출력 루틴(23)은 CPU(1)에 내장된 시리얼 포트 2개를 사용하여, 시리얼 포트 1 로부터는 음성 데이터를 입력받고, 시리얼 포트 2로는 음성 데이터를 출력하게 된다. 시리얼 포트 1, 2 의 전송 속도, 데이터 1 워드 입출력시 인터럽트 발생/금지 제어, 제 1 AD-컨버터(7), DA-컨버터(8)의 데이터 변환 시작/금지 제어 등을 소프트웨어적으로 처리하는 루틴이다.

음성 신호 처리 루틴(24)은 음성 입력 루틴으로부터 입력된 음성 데이터(128kbps)를 음성 부호화기를 사용, 데이터를 압축하여 RAM(3)에 저장하며, RAM(3) 에 저장된 부호화된 음성 데이터를 읽어내어 음성 복호화기를 이용, 음성 데이터를 신장하고 스피커를 통해 출력할 수 있도록 음성 입출력 루틴(23)으로 전송하는 제어 루틴이다.

위치 제어 루틴(25)은 초전도 적외선 센서의 증폭기(19)로부터, 2 비트 데이터 입력을 받아 사람의 위치를 판별하고, 판별된 결과를 이용, 스테핑 모터의 방향, 시작/중지, 속도 등을 모터 구동부(21)로 전송하여 제어하는 루틴이다.

접점 스위치 제어 루틴(26)은 장난감의 몸체에 부착된 스위치 어레이(14)의 온/오프 상태를 디코더(15)를 통해 입력으로 하여, 사용자가 요구하는 동작이나 지시 사항 등을 판별하고, 그 결과를 메인 루틴(22)으로 전달하는 기능을 갖는다.

LCD 구동 루틴(27)은 음성 입력시, 입력 방법, 내용 등에 대한 지시 사항을 LCD 구동부(12)를 통하여 LCD에 문자로 출력하는 기능을 하며, 사용자에게 메뉴 방식의 정보를 출력하는 기능을 갖는다.

인터럽트 처리 루틴(28)은 CPU(1)가 정지 상태에서 재정상 동작할 수 있도록, 스위치나 초전도 적외선 센서의 출력을 입력으로 하여, CPU(1)에 인터럽트를 요구하며, CPU(1) 내부의 타이머를 제어/동작시켜, 시간 정보, 각 시각에 따른 장난감의 제어 동작을 메인 루틴(22)에 지시하는 기능을 갖는다.

메인 루틴(22)은 장난감의 초기화, 메모리 관리, 각 서브루틴으로부터 입력된 정보를 이용, 장난감의 현재 상태를 판단하고 다음 동작을 준비하여, 각 서브루틴으로 하여금 각각의 동작을 진행토록 제어하는 기능을 갖는다.

도 3a는 도 1의 음성 입출력 처리를 위한 음성 입출력부의 상세 회로도로서, 중앙처리부(101), 스위치 어레이부(14), 디코더(15), 내장형 마이크로 폰(31), 외장형 마이크로 폰(32), 제 1 및 제 2 저역 통과 필터(6 및 9), 스피커 구동부(33), 스피커(10), LCD 구동부(12) 및 LCD(13)로 구성된다.

스위치 어레이(30)는 모두 9종류의 스위치(SW)로 구성되며, 각 스위치의 출력 신호에 따라 장난감의 각 부위가 구동되게 된다. 즉, SW1은 머리, SW2는 양쪽 귀, SW3은 코, SW4는 입, SW5는 왼손, SW6은 오른손, SW7은 몸통, SW8은 왼쪽다리, 그리고 SW9는 오른쪽 다리 부분을 구동시키기 위한 제어신호를 출력 시키게 된다. 이렇게 하므로써, 장난감에 의하여 출력된 음성 정보에 대하여, 사용자가 다양한 응답을 할 수 있도록 하였다. 스위치 어레이(14)의 출력은 16×4 디코더(15)에 입력되고, 중앙처리부(101)의 입출력 포트(11)로 전송된다.

마이크로 폰은 소형 내장형 MIC(31)와 외장형 MIC(32)의 2 종류를 준비하여, 사용자 편의에 따라 음성 신호 입력시 자유로이 선택하여 사용이 가능하도록 하였다. 스피커 구동부(33)는 제 2 저역 통과 필터(9)로부터 출력된 신호를 증폭하여 스피커를 통해 출력시키며, 사용자가 음량 조절 가능토록 음량 조절기를 장착하고 있다.

도 3b는 도 3a의 음성 입출력 처리를 위한 제어 흐름도로서, 그 동작을 설명하면 다음과 같다.

시작신호로부터 단계(301)에서 사람인 인체의 유/무를 판별하여, 사람이 없을 시에는 제어 동작을 종료하고, 사람이 있을 시에는 단계(302)로 진행하여 메인 루틴(22)에 의하여 준비된 음성 정보를 출력한다. 이후, 단계(303)로 진행하여 LCD에 제어 정보 문자를 출력하고, 단계(304)로 진행하여 사용자의 스위치 입력을 확인한다. 확인 결과 입력이 없을시에는 스위치 입력이 있을 때까지 기다리며, 스위치 입력이 있을 경우는 단계(305)로 진행하여 다음 명령 또는, 정보의 음성 출력이나, 사용자의 음성을 입력한다. 이후, 단계(306)로 진행하여 스위치 입력을 확인하게 된다. 확인 결과 입력이 없을시에는 스위치 입력이 있을 때까지 기다리며, 스위치 입력이 있을 경우는 단계(307)로 진행하여 다음 음성 정보를 출력하여 제어 동작의 완료를 사용자에게 알려준 후 단계(308)로 진행하여 LCD로 그 정보를 출력한다. 이후, 단계(309)로 진행하여 스위치 입력을 확인하게 된다. 확인 결과 입력이 없을시에는 스위치 입력이 있을 때까지 기다리며, 스위치 입력이 있을 경우는 사용자의 허가 정보를 스위치 입력으로 받아 음성 입출력 제어 동작을 마친다.

도 4a는 도 1의 위치 제어부의 상세 회로도로서, M1, M2, M3은 사람의 이동 경로를 나타낸 것이고, 초전도적외선 센서(Pyroelectric Infrared Sensor)(18), 증폭기(19), 중앙처리부(101), 모터 구동부(20) 및 스테핑 모터(21) 등으로 구성되어 있다. 초전도 적외선 센서(18)는 SL, SR 두 개를 설치하여, 검출 범위를 확장(1.5배)하였으며, 하기 [수학식]들을 이용하여 사람의 움직임을 검출한다.

d3 = d2 tanθ2

d2: 2m(최대 2m가 되도록 초전도 적외선 센서용 증폭기를 제어하여 감도 조절)

d3: 센서 1개당 인체를 검출할 수 있는 영역

θ2: 센서의 인체 검출 가능한 각도

1/2 × d3 = d1 + 2 × 2 tanθ1

d1: 센서 SL과 SR의 거리

상기와 같이 초전도 센서의 인체 감지 가능한 수평 영역은 [수학식 1]의 d3으로 구할 수 있으며, [수학식 3]과 같이 센서 SL, SR을 각각 정면으로부터 θ1 만큼의 각도로 배치하며, 센서 SL과 SR이 감지할 수 있는 영역 중 반을 중복되게 함으로서, 도 4a에서와 같이 인체가 M2의 위치에 있을 때, 센서 SL과 SR은 모두 감지할 수 있게 된다. θ2는 센서의 성능에 따라 다르나, 45°의 시야 각을 갖는 제품을 선택한다. 이 때 스테핑 모터는 구동하지 않는다. 인체가 M1의 위치에 있게 되면, CPU(1)는 스테핑 모터를 좌회전 시켜, 인체가 M2에 위치하도록 제어한다. 또한, M3의 위치에 있으면, 스테핑 모터를 우회전 시켜, M2의 위치로 제어한다.

도 4b는 도 4a의 위치 제어부의 제어 흐름도로서, 그 동작을 설명하면 다음과 같다.

시작신호로부터 단계(401)에서 사람인 인체의 유/무를 확인하게 된다. 확인 결과 센서 SL, SR 모두 인체를 감지 못했을 때는 사람이 주변에 없는 것으로 판단하고, 단계(407)로 진행하여 스테핑 모터를 정지한 후 제어 동작을 종료하게 된다. 그러나, 사람이 감지되었을 경우에는 단계(402)로 진행하여 다시 SL, SR 센서를 입력한 후 단계(403, 404, 405)로 각각 진행하여 사람의 위치를 판단한다.

즉, 사람이 M1, M2, M3 중 어느 위치에 있는지를 판단한다. M1의 위치에 있으면(403) 단계(406)로 진행하여 스테핑 모터를 왼쪽으로 구동한 후 센서 입력 루틴 단계(402)로 복귀하여 상기 과정을 반복 수행한다. 사람이 M3의 위치에 있으면(404) 단계(406)로 진행하여 스테핑 모터를 오른쪽으로 구동한 후 센서 입력 루틴 단계(402)로 복귀하여 상기 과정을 반복 수행한다.

또한, 사람이 M2의 위치에 있으면(405) 단계(407)로 진행하여 스테핑 모터를 정지시키고 이 위치 제어 루틴을 종료하게 된다. 그러나, 인체의 위치 M1, M2, M3 중 어느 위치에도 존재하지 안으면 상기 인체의 유/무를 확인 단계(401)로 복귀하여 상기 과정을 반복 수행하게 된다.

상기와 같이 이루어지는 장난감용 제어 장치는, 장시간(약 20분 이상)의 음성 녹음이 가능하며, 전화 등에서 사용하는 좋은 음질의 입출력이 가능하고, 사용자에게 녹음하고자 하는 음성 내용을 다양하게 설정할 수 있으며, 다음과 같은 응용 기능을 갖는다.

사용자가 말한 음성을 그대로 출력하는 앵무새 기능, 동화 읽어 주기, 동요 불러주기, 아침 기상 시간을 알리는 기능, 특정 음이 발생하면 미리 입력되어 있는 음성 정보를 출력하는 기능, 사용자가 사용하고 있는 실내 온도를 감지하여 사용자에게 주기적으로 음성 경보를 하는 기능, 도난 경보 모드로 상태 전환하여 사람이 무단 침입시 경보 음을 출력하는 기능 등 다양한 기능을 갖는다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 장난감용 제어 장치는, 대용량의 메모리, 고속의 CPU, 음성 입출력 장치, 위치 제어 장치 등을 채택하므로써, 사용자와 항상 대화가 가능한 장난감 기능을 제공하며, 사용자가 유아 또는 어린아이 일 경우, 교육 교재로도 활용할 수 있으며, 청소년 이상 사용자의 경우에는 음성 사서함 등으로 사용할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (10)

1. 음성, 사람의 위치, 온도, 시간 경보 및 도난 경보 각각에 대한 데이터를 고속으로 연산하기 위한 중앙처리부와,

   상기 중앙처리부로 다양한 음성 정보를 입출력 할 수 있도록 하며, 사용자의 응답 또는 명령을 장난감 몸체에 부착된 스위치를 통해 전달하기 위한 음성 입출력부와,

   상기 중앙처리부로 초전형 초전도 적외선 센서에 의해 사람의 움직임 정보를 입출력하기 위한 위치 제어부와,

   현재 온도를 센싱하여 상기 중앙처리부로 공급하기 위한 온도 센서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 장난감용 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙처리부는 음성 신호의 입출력 제어, 음성 신호의 압축 및 신장, 사람의 움직임 추종 제어 및 스위치 입력 제어 기능을 수행하기 위한 중앙처리장치와,

   상기 중앙처리장치를 구동하기 위한 명령어가 저장된 롬과,

   상기 중앙처리장치로부터 처리된 데이터를 저장하기 위한 램과,

   상기 중앙처리장치의 정지시 또는 스위치 입력이나 인체 감지 신호가 입력되었을 경우 인터럽트 신호를 발생시켜 상기 중앙처리장치를 정상 동작시키거나, 입력에 맞는 장난감의 동작을 제어하기 위한 인터럽트 제어기와,

   상기 음성 입출력부로부터 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키기 위한 제 1 AD-컨버터와, 상기 중앙 처리 장치로부터 출력된 디지털 음성 신호를 아날로그 신호로 변환시키는 DA-컨버터와, 상기 중앙 처리 장치와 주변 하드웨어를 연결해 주는 입출력 포트를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 장난감용 제어 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 음성 입출력부는 사용자의 음성을 전기 신호인 아날로그 신호로 변환시키기 위한 마이크로 폰과,

   상기 마이크로 폰을 통해 입력되는 아날로그 신호에 포함된 잡음을 제거하여 상기 중앙처리부로 공급하기 위한 제 1 저역 통과 필터와,

   상기 중앙처리부로부터 공급되는 아날로그 신호에 포함된 잡음을 제거하기 위한 제 2 저역 통과 필터와,

   상기 제 2 저역 통과 필터를 통해 공급되는 아날로그 신호를 음성으로 출력시키기 위한 스피커와,

   상기 중앙처리부의 입출력 포트를 통해 공급되는 신호에 따라 구동되는 액정표시장치 구동부와,

   상기 액정표시장치 구동부의 출력에 따라 문자를 표시하기 위한 액정표시장치와,

   장난감의 각 부위를 구동하기 위한 각각의 신호를 출력하기 위한 다수의 스위치가 접속되는 스위치 어레이와,

   상기 스위치 어레이의 스위치 중 선택된 스위치의 출력 신호를 상기 중앙처리부의 데이터 입출력 포트 및 인터럽트 제어기로 공급하기 위한 디코더를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 장난감용 제어 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 위치 제어부는 인체의 유/무를 초전도 적외선을 통해 감지하기 위한 초전도 적외선 센서와,

   상기 초전도 적외선 센서에 의해 감지된 미세한 아날로그 신호를 증폭시켜 디지털 신호로 변환한 후 상기 중앙처리부의 입출력 포트로 공급하기 위한 증폭기와,

   상기 중앙처리부의 입출력 포트를 통해 공급되는 신호에 따라 사람의 움직임 방향으로 장난감을 구동시키기 위한 제어신호를 출력하기 위한 모터 구동부와,

   상기 모터 구동부의 제어신호에 따라 구동되는 스테핑 모터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 장난감용 제어 장치.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 스위치 어레이는 머리 부분를 제어하기 위한 제 1 스위치, 양쪽 귀 부분을 제어하기 위한 제 2 스위치, 코 부분을 제어하기 위한 제 3 스위치, 입 부분을 제어하기 위한 제 4 스위치, 왼손 부분을 제어하기 위한 제 5 스위치, 오른손 부분을 제어하기 위한 제 6 스위치, 몸통 부분을 제어하기 위한 제 7 스위치, 왼쪽다리 부분을 제어하기 위한 제 8 스위치, 그리고 오른쪽 다리 부분을 제어하기 위한 제 9 스위치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 장난감용 제어 장치.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 초전도 적외선 센서는 검출 범위의 확장을 위해 서로 일정한 거리를 유지하며 45도의 시야각을 갖는 2개의 센서로 구성된 것을 특징으로 하는 장난감용 제어 장치.
7. 음성 입출력 루틴에서 중앙처리장치에 내장된 2개의 시리얼 포트를 사용하여, 제 1 시리얼 포트로 음성 데이터를 입력받고, 제 2 시리얼 포트로 음성 데이터를 출력하며, 상기 제 1 및 제 2 시리얼 포트의 전송 속도, 데이터 워드 입력 및 출력시 인터럽트의 발생 및 금지를 제어하며, 제 1 AD-컨버터, DA-컨버터의 데이터 변환 시작 및 금지 제어 등을 처리하는 제 1 단계와,

   상기 음성 입력 루틴으로부터 입력된 음성 데이터를 음성 신호 처리 루틴에서 음성 부호화기를 사용하여 데이터를 압축한 후 램에 저장하며, 상기 램에 저장된 부호화 된 음성 데이터를 읽어내어 음성 복호화기를 이용하여 음성 데이터를 신장하고 스피커를 통해 출력할 수 있도록 상기 음성 입출력 루틴으로 전송하는 제 2 단계와,

   위치 제어 루틴에서 초전도 적외선 센서의 증폭기로부터 2비트 데이터를 입력받아 사람의 위치를 판별하고, 판별된 결과를 이용하여 스테핑 모터의 방향, 시작 및 중지, 속도 등을 모터 구동부로 전송하여 제어하는 제 3 단계와,

   접점 스위치 제어 루틴에서 장난감의 몸체에 부착된 스위치 어레이의 온 오프 상태를 디코더를 통해 입력으로 하여 사용자가 요구하는 동작이나 지시 사항 등을 판별하고, 그 결과를 메인 루틴으로 전달하는 제 4 단계와,

   액정표시장치 구동 루틴에서 음성 입력시, 입력 방법 및 내용 등에 대한 지시 사항을 액정표시장치 구동부를 통해 액정표시장치에 문자로 출력하며, 사용자에게 메뉴 방식의 정보를 출력하는 제 5 단계와,

   인터럽트 처리 루틴에서 상기 중앙처리장치가 정지 상태에서 재정상으로 동작할 수 있도록 스위치나 초전도 적외선 센서의 출력을 입력으로 하여 상기 중앙처리장치에 인터럽트를 요구하며, 상기 중앙처리장치 내부의 타이머를 동작시켜, 시간 정보에 따른 장난감의 제어 동작을 상기 메인 루틴에 지시하는 제 6 단계와,

   상기 메인 루틴에서 장난감의 초기화, 메모리 관리, 각 서브루틴으로부터 입력된 정보를 이용하여 장난감의 현재 상태를 판단하고, 다음 동작을 준비하여 각 서브루틴으로 하여금 각각의 동작을 진행하도록 제어하는 제 7 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 장난감 제어 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 음성 입출력 루틴 과정은 시작신호로부터 인체의 유/무를 검출하는 단계와,

   상기 인체의 유/무 확인 결과에 따라 제어 동작을 종료하거나, 메인 루틴에 의하여 준비된 음성 정보를 출력하고, 액정표시장치에 제어 정보 문자를 출력한 후 사용자의 스위치 입력을 확인하는 단계와,

   상기 사용자의 스위치 입력 확인 결과에 따라 사용자의 스위치 입력이 있을 때까지 대기하거나, 사용자의 음성 입출력을 시작한 후 스위치 입력을 재확인하는 단계와,

   상기 스위치 입력 확인 결과에 따라 스위치 입력이 있을 때까지 대기하거나, 음성 정보를 출력하여 제어 동작의 완료를 사용자에게 알려주고, 액정표시장치로 그 정보를 출력한 후 스위치 입력을 또다시 확인하는 단계와,

   상기 스위치 입력 확인 결과에 따라 스위치 입력이 있을 때까지 대기하거나, 사용자의 허가 정보를 스위치 입력으로 받아 음성 입출력 제어 동작을 종료하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 장난감 제어 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 위치 제어 루틴 과정은 시작신호로부터 2개의 초전도 적외선 센서로 인체의 유/무를 검출하는 단계와,

   상기 인체의 유/무 확인 결과 2개의 센서(SL, SR)가 모두 인체를 감지하지 못했을 때는 사람이 주변에 없는 것으로 판단하여 스테핑 모터를 정지한 후 제어 동작을 종료하는 단계와,

   상기 인체의 유/무 확인결과 상기 2개의 센서에 의해 인체가 감지되었을 경우에는 센서 입력에 따른 인체의 위치(왼쪽, 오른쪽, 중앙)를 확인하는 단계와,

   상기 인체의 위치 확인 결과 사람이 왼쪽 또는 오른쪽 중 어느 한 곳에 위치할 경우에는 상기 스테핑 모터를 상기 사람이 위치한 쪽으로 구동한 후 센서 입력 루틴 단계로 복귀하여 상기 과정을 반복 수행하는 단계와,

   상기 인체의 위치 확인 결과 사람이 중앙에 위치할 경우에는 상기 스테핑 모터를 정지한 후 종료하는 단계와,

   상기 인체의 위치 확인 결과 왼쪽, 오른쪽, 중앙의 어느 위치에도 존재하지 안으면 상기 인체의 유/무를 확인 단계로 복귀하여 상기 과정을 반복 수행하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 장난감 제어 방법.
10. 제 7 항에 있어서, 상기 초전도 적외선 센서를 이용한 인체의 유/무 검출 방법은 하기 [수학식 4], [수학식 5] 및 [수학식 6]에 의해 검출하는 것을 특징으로 하는 장난감 제어 방법.

    d3 = d2 tanθ2

    d2: 2m(최대 2m가 되도록 초전도 적외선 센서용 증폭기를 제어하여 감도 조절)

    d3: 센서 1개당 인체를 검출할 수 있는 영역

    θ2: 센서의 인체 검출 가능한 각도

    1/2 × d3 = d1 + 2 × 2 tanθ1

    d1: 센서 SL과 SR의 거리