KR101053033B1 - 발 조작식 자세 입력장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 컴퓨터 입력장치에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 입력장치의 상부에 올라선 사람의 자세와 무게중심을 컴퓨터에 입력하는 장치에 관한 것이다.
본 발명의 발 조작식 자세 입력장치는 사용자가 올라서는 발판(1), 상기 발판(1)의 하부에 위치하여 발판의 조직에 의하여 임의의 각도로 회전하는 피벗판(2), 상기 피벗판(2)의 하부에 위치하여 피벗판(2)이 모든 방향으로 자유롭게 회전할 수 있도록 하면서 피벗판(2)을 지지하는 받침판(3), 상기 받침판(3)에 구비되어 피벗판(2)의 회전각도를 감지하는 1개 또는 2개의 위치감지센서(4), 그리고 상기 발판(1)과 피벗판(2) 사이에 구비되어 발판 3지점의 무게를 감지하는 무게감지센서(5)로 구성된다.
본 발명의 발 조작식 자세 입력장치는 모든 방향으로의 발판 회전각도를 정확히 감지하여 컴퓨터에 입력하게 한다. 그리고 발판 위에 올라선 사람의 무게중심을 감지할 수 있게 한다.

Description

발 조작식 자세 입력장치{Foot Control Type Posture Input Device}
본 발명은 컴퓨터 입력장치에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 입력장치의 상부에 올라선 사람의 자세와 무게중심을 컴퓨터에 입력하는 장치에 관한 것이다.
최근 컴퓨터 관련 기술이 발달함에 따라 컴퓨터가 여러 가지 용도로 사용되는데, 컴퓨터를 이용한 운동 시뮬레이터도 그중 하나이다. 운동 시뮬레이터는 운동을 하는 사람의 자세를 컴퓨터에 입력하여, 실제 운동결과를 유추하여 화면에 나타내어 보여줌으로써, 사용자가 운동자세를 교정할 수 있게 하여 훈련효과를 높이는 역할을 한다.
최근에 윈드서핑, 스노보드 등과 같이 판 형태의 운동기구을 이용한 난이도가 높은 고급 스포츠가 많이 보급되고 있는데, 이러한 고급 스포츠의 경우 실제 운동을 하기에 앞서 자세 연습을 할 수 있는 운동 시뮬레이터가 필요하다. 이와 같은 운동 시뮬레이터는 운동연습뿐만 아니라 그 자체로 컴퓨터게임 또는 기계의 제어에 응용될 수 있다.
상기와 같은 운동 시뮬레이터는 운동을 하는 사람의 정확한 자세를 컴퓨터에 입력하는 것이 필수적이다. 현재 골프 연습기 등의 운동 시뮬레이터는 개발되어 광범위하게 사용되고 있으나, 윈드서핑, 스노보드 등 판 형태의 기구를 사용하는 운동 시뮬레이터는 개발된 바가 없다. 이와 같은 운동 시뮬레이터가 개발되지 못한 이유 중의 하나는 운동을 하는 사람의 정확한 자세를 컴퓨터에 입력할 수 있는 입력수단이 없었기 때문이다.
최근 제어수단의 발달로, 발을 이용한 기계 장치의 조작신호 입력장치가 다수 개발되고 있다. 그러나 이러한 입력장치들은 발판의 하부에 배치된 몇 개의 스위치를 발을 이용하여 선택적으로 누를 수 있게 한 것이 대부분으로서, 사용자의 자세를 정밀하게 입력할 수 있는 입력장치는 개발된 바가 없다.
상기와 같이, 윈드서핑, 스노보드 등과 같이 판 형태의 운동기구을 이용하는 운동을 연습하기 위하여 운동 시뮬레이터가 필요하다. 이와 같은 운동 시뮬레이터와 전신을 이용하는 컴퓨터게임 또는 산업용 기계장치의 제어장치에 사람은 자세를 정확하게 입력할 수 있는 발 조작식 자세 입력장치가 필요하다.
상기한 목적의 발 조작식 자세 입력장치는 모든 방향으로의 발판 회전각도와 발판 위에 올라선 사람의 무게중심을 감지할 수 있어야 하고, 이에 관한 데이터를 컴퓨터를 포함한 제어장치에 입력할 수 있어야 한다.
본 발명의 발 조작식 자세 입력장치는 도 1의 분해 사시도 및 도 2의 종단면도에 도시한 바와 같이, 사용자가 올라서는 발판(1), 상기 발판(1)의 하부에 위치하여 발판의 조직에 의하여 임의의 각도로 회전하는 피벗판(2), 상기 피벗판(2)의 하부에 위치하여 피벗판(2)이 모든 방향으로 자유롭게 회전할 수 있도록 하면서 피벗판(2)을 지지하는 받침판(3), 상기 받침판(3)에 구비되어 피벗판(2)의 회전각도를 감지하는 1개 또는 2개의 위치감지센서(4), 그리고 상기 발판(1)과 피벗판(2) 사이에 구비되어 발판 3지점의 무게를 감지하는 무게감지센서(5)로 구성된다.
본 발명의 자세 입력장치는 위치감지센서(4)와 무게감지센서(5)에서 감지한 데이터를 컨트롤러(10)에 입력하여 피벗판(2)의 자세와 피벗판에 가해지는 무게의 무게중심을 구하고, 이를 모니터(20)에 문자 또는 영상으로 표시하게 하여 운동 시뮬레이터로 시용하거나, 컴퓨터게임에서 캐릭터의 동작 제어를 하는 등의 방법으로 활용할 수 있다.
본 발명의 발 조작식 자세 입력장치는 모든 방향으로의 발판 회전각도를 정확히 감지하여 컴퓨터에 입력하게 한다. 그리고 발판 위에 올라선 사람의 무게중심을 감지할 수 있게 한다.
본 발명의 발 조작식 자세 입력장치를 사용할 경우, 윈드서핑, 스노보드 등과 같이 판 형태의 운동기구을 이용하는 운동을 연습하기 위하여 운동 시뮬레이터를 구성할 수 있고, 이러한 운동을 하는 사람의 자세와 무게중심을 모니터에 지시하여, 운동을 하는 사람이 자신의 운동상태를 파악할 수 있게 하고, 운동자세를 교정할 수 있게 한다.
본 발명의 발 조작식 자세 입력장치는 전신을 이용하는 컴퓨터게임 또는 산업용 기계장치의 제어장치에 응용될 수 있다.
도 1은 발명의 자세 입력장치의 분해사시도이다.
도 2는 발명의 자세 입력장치의 종단면도이다.
도 3은 짐벌식 자세 입력장치의 구성도이다.
도 4는 다른 실시예의 짐벌식 자세 입력장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 자세 입력장치를 사용한 시스템의 구성예이다.
본 발명의 발 조작식 자세 입력장치는 도 1의 분해 사시도 및 도 2의 종단면도에 도시한 바와 같이, 사용자가 올라서는 발판(1), 상기 발판(1)의 하부에 위치하여 발판의 조직에 의하여 임의의 각도로 회전하는 피벗판(2), 상기 피벗판(2)의 하부에 위치하여 피벗판(2)이 모든 방향으로 자유롭게 회전할 수 있도록 하면서 피벗판(2)을 지지하는 받침판(3), 상기 받침판(3)에 구비되어 피벗판(2)의 회전각도를 감지하는 1개 또는 2개의 위치감지센서(4), 그리고 상기 발판(1)과 피벗판(2) 사이에 구비되어 발판 3지점의 무게를 감지하는 무게감지센서(5)로 구성된다.
발판(1)은 피벗판(2)의 상면에 씌워지는 형태로 제작하고, 발이 놓일 부위에 발자리(11)를 형성하여 사용자가 항상 일정한 위치에 두 발로 올라설 수 있게 하는 것이 좋다. 경우에 따라서는 이 발판이 사용되지 않을 수도 있다.
피벗판(2)은 평판형태의 상판(21)과 이 상판(21)의 하면에 부착되는 구면 형상의 회전체(22)로 구성된다. 상판(21)의 상면에는 3개 지점에 무게감지센서(5)가 부착되고, 그 위에는 상기 발판(1)이 씌워지는 형태로 결합된다.
받침판(3)은 상기 피벗판(2)의 하부에 위치하여 피벗판(2)을 지지하되, 피벗판(2)이 임의의 방향으로 회전할 수 있도록 하는데, 중심부에 상기 피벗판(2)의 회전체(22)가 놓여 회전할 수 있게 하는 회전체자리(31)를 구비하고 있다. 이 회전체자리(31)는 받침판(3)의 상면에 상기 피벗판(2)의 회전체(22)가 놓일 수 있도록 오목한 구면으로 형성된다.
회전체자리(31)는 상기 피벗판(2)의 회전체(22)가 자유롭게 회전할 수 있도록 베어링(32)을 구비하는 것이 좋다. 베어링(32)은 회전체자리(31)의 3곳 이상에 설치되여, 회전체(22)의 하중을 지지하면서 회전운동을 구속하지 않도록 하는데, 도시한 바와 같이 구름마찰이 일어나서 마찰계수가 작은 볼베어링을 사용하는 것이 좋다. 그러나 베어링(32)은 볼베어링에 국한되지 않고 마찰이 적은 모든 재료를 사용할 수 있는데, 최근에는 마찰이 아주 작은 재료인 불소수지판(PTFE판)이 개발되어 있으므로 이를 사용할 수도 있다.(본 명세서에서 사용하는 용어 "베어링"은 통상적인 볼베어링뿐만 아니라 마찰을 적게 하여 상대적인 운동은 자유롭게 하면서 하중을 지지할 수 있는 모든 수단을 의미한다.)
또한 회전체자리(31)에는 별도의 베어링을 사용하지 않고, 회전체자리(31)와 회전체(22) 둘 중 어느 하나 또는 둘 모두에 마찰이 적은 테프론 등의 재료로 코팅을 하거나, 회전체자리(31)에 액상 또는 분상의 윤활재를 주입하여 마찰을 적게 할 수도 있다. 그리고 최근에는 액상 또는 분상의 윤활제를 사용하는 대신에 윤활재를 함유한 필름형상의 윤활필름이 개발되어 시판되고 있으므로, 이와 같은 윤활필름을 회전체자리(31)에 접착하여 마찰을 줄일 수도 있다.
회전체자리(31)에 베어링(32)을 사용하는 경우, 사용하는 베어링(32)의 수를 3개로 하는 것이 가장 간단하나, 지지하는 회전체(22)의 하중을 분산시켜 지지력을 증대시키기 위하여 4개 이상 다수개를 사용할 수도 있다. 그리고 이와 같은 베어링(32)을 사용할 경우, 회전체자리(31) 전체가 반드시 구면일 필요는 없고, 다수개의 배어링(32)만 구면상으로 배치되게 하고, 베어링이 부착되지 않는 부분은 제거할 수도 있다.
받침판(3)은 무게를 가볍게 하기 위하여, 도 1과 도 2에 에 도시한 바와 같이 속이 비게 제작하고, 하부에 별도로 제작한 지지판(33)을 결합하는 형태로 제작할 수 있다. 지지판(33)은 상기 받침판(3)의 상면 하단을 지지하는 지지봉(331)을 다수 구비한 형상으로 제작하는 것이 좋다.
위치감지센서(4)는 상기 피벗판(2)의 회전체(22) 하부인 상기 받침판(3)의 회전체자리(31)의 바닥 중심부에 하나가 설치되어, 회전체(22)의 회전각도를 감지한다. 위치감지센서(4)의 기능과 구성은 컴퓨터의 마우스에 사용하는 위치감지센서와 동일하다. 사용할 수 있는 위치감지센서(4)로는 컴퓨터의 볼마우스와 동일한 것으로서 회전체(22)의 표면에 접촉하여 회전하는 볼을 구비하여 회전체(22) 표면의 위치변동을 감지하는 접촉식과, 컴퓨터의 광마우스와 동일한 것으로서 빛을 조사하고 회전체(22)의 표면에서 반사되는 빛을 감지하여 회전체(22) 표면의 위치변동을 감지하는 광센서를 이용하는 비접촉식이 있다.
위치감지센서(4)로 광센서를 이용하는 비접촉식을 사용하는 경우, 회전체자리(31)의 표면에서 반사되는 빛이 산란되지 않도록 무광택 표면처리를 하는 것이 좋다. 회전체자리(31)에 베어링(32)을 사용하지 않고, 윤활을 하여 마찰을 적게 할 경우, 윤활제에 의하며 광센서가 원활한 작동을 하지 않을 수가 있으므로, 이와 같은 경우 볼을 이용한 접촉식 위치감지센서을 사용하는 것이 좋다.
받침판(3)의 회전체자리(31)의 바닥에 부착된 위치감지센서(4)가 회전체(22)의 표면의 위치변화에 따른 거리를 감지하면 이를 회전체(22)의 구면반지름으로 나누어 회전체(22)의 회전각도를 환산할 수 있다.
위치감지센서(4)를 상기 받침판(3)의 회전체자리(31)의 바닥 중심부에 하나만 구비할 경우, 회전체(22)가 제자리에서 회전만 하는 것을 감지할 수 없다. 이 경우 회전체자리(31)의 바닥 중심부와 이격된 지점에 보조위치감지센서(4-1)를 하나 더 구비하면, 회전체(22)의 모든 회전운동이 감지된다.
상기 발판(1)과 피벗판(2) 사이에 3개의 무게감지센서(5)를 구비하면, 발판에 가하지는 전체 무게와 무게중심을 감지할 수 있다. 무게감지센서(5)는 삼각형의 각 꼭지점에 위치하도록 배열하여야 하는데, 각 센서 간의 간격을 최대한 크게 하고 정삼각형 또는 이등변삼각형을 이루도록 하는 것이 무게중심을 구하기가 용이하고 정확도가 높다. 무게감지센서(5)로는 시중에 로드셀 등의 명칭으로 시판되고 있는 압전소자를 이용한 힘 측정용 센서를 사용하면 된다.
만약 무게감지센서(5)를 사용하지 않을 경우, 본 발명의 발 조작식 자세 입력장치는 피벗판(2)의 회전각도만 감지할 수 있다. 이와 같이 무게감지센서(5)를 사용하지 않을 경우 발판(1)을 구비하지 않아도 되고, 사람이 피벗판(2)에 직접 올라서서 조작을 할 수 있다.
본 발명의 발 조작식 자세 입력장치는 상기와 같이 받침판(3)에 회전체자리(31)를 형성하여 피벗판(2)의 회전체(22)가 회전체자리(31)내부에서 회전하도록 하는 피벗방식 대신에, 도 3에 도시한 바와 같이 피벗판(2)의 회전체(22)를 서로 직교하는 두 개의 회전축을 가진 짐벌(6, Gimbal)을 이용하여 받침대(3-1)에 지지하는 짐벌방식으로 구성할 수 있다.
짐벌(6)은 충분한 강성을 가지는 원형의 고리로서, 양측에 회전체축구멍(61)이 형성되어 있고, 상기 회전체축구멍(61)과 직각으로 짐벌축(62)이 형성되어 있다. 그리고 피벗판(2)의 회전체(22) 상단 양측에는 회전체축(63)이 결합된다.
받침대(3-1)는 바닥에 놓이는 수평부재(3-11)와 상기 수평부재(3-11)의 양측에 세워지는 수직부재(3-12)로 구성되고, 수직부재(3-12)의 상단에는 상기 짐벌축(62)이 결합되는 짐벌축구멍(3-13)이 형성된다. 상기 회전체축구멍(61)과 짐벌축구멍(3-13)에는 각각 베어링을 구비하여, 회전체축(63)과 짐벌축(62)이 원활하게 회전할 수 있게 하는 것이 좋다.
상기와 같은 짐벌을 이용한 자세 입력장치는 피벗판(2)의 회전체(22)가 상판(21)과 회전할 수 있도록 결합할 수 있다. 상판(21)과 회전체(22)의 결합부위에 베어링(21-1)을 구비하여 회전을 원활하게 하는 것이 좋은데, 시중에는 스러스트베어링과 래디얼베어링 기능을 겸한 베어링이 시판되고 있으므로, 이를 사용하는 것이 편리하다.
상기와 같이 짐벌을 이용한 짐벌식 자세 입력장치는 짐벌(6)이 직교하는 두 개의 회전축을 가지고, 피벗판(2)의 회전체(22)가 상판(21)과 회전할 수 있으므로, 결국 상판(21)은 모든 방향으로 임의로 회전할 수 있고, 그 기능과 작용은 상기한 회전체자리(31)를 구비한 피벗식 자세 입력장치와 동일하다.
짐벌식 자세 입력장치는 상기 피벗식 자세 입력장치와 동일하게 위치감지센서(4)를 이용하여 피벗판(2)의 자세를 감지할 수 있으나, 도 4에 도시한 바와 같이, 회전체축(63)과 짐벌축(62) 그리고 상판(21)의 하부에 각도감지센서(7)를 구비하여 이들의 회전각도를 직접 측정하여 피벗판(2)의 자세를 감지할 수 있다. 각도감지센서는 다양한 방식의 것이 시판되고 있다. 이와 같이 각도감지센서(7)를 사용하는 경우, 피벗판(2)의 회전체(22)는 하단을 구면으로 가공할 필요가 없다.
짐벌식 자세 입력장치는 피벗판(2)의 회전체(22)와 받침판(3)의 회전체자리(31)를 가공이 어려운 구면가공을 하지 않아도 되고, 다양한 규격으로 제작되어 시판되고 있는 축 배어링을 사용할 수 있으므로 제작비가 피벗식 자세 입력장치에 비하여 저렴하다. 또한 아주 정밀한 각도감지센서(7)가 시판되고 있으므로, 피벗판(2)의 지세를 정밀하게 감지할 수 있다.
상기와 같은 자세 입력장치는 도 5에 도시한 바와 같이, 자세 입력장치에서 감지한 데이터를 컨트롤러(10)에 입력하여 피벗판(2)의 자세와 피벗판에 가하지는 무게의 무게중심을 구하고, 이를 모니터(20)에 문자 또는 영상으로 표시하게 하여 운동 시뮬레이터로 시용하거나, 컴퓨터게임에서 캐릭터의 동작 제어를 하는 등의 방법으로 활용할 수 있다.
1 : 발판, 11 : 발자리,
2 : 피벗판, 21 : 상판, 21-1 : 베어링, 22 : 회전체,
3 : 받침판, 31 : 회전체자리, 32 : 베어링, 33 : 지지판, 331 : 지지봉,
3-1 : 받침대, 3-11 : 수평부재, 3-12 : 수직부재, 3-13 : 짐벌축구멍,
4 :위치감지센서, 4-1 : 보조위치감지센서,
5 :무게감지센서,
6 : 짐벌, 61 : 회전체축구멍, 62 : 짐벌축, 63 : 회전체축,
7 : 각도감지센서,
10 :컨트롤러,
20 : 모니터

Claims (7)

  1. 평판형태의 상판(21)과, 이 상판(21)의 하면에 부착되는 구면 형상의 회전체(22)로 구성되어 사람이 올라서서 상판(21)의 회전각도를 조작할 수 있는 피벗판(2);
    상기 피벗판(2)의 하부에 위치하여 상기 피벗판(2)이 모든 방향으로 자유롭게 회전할 수 있도록 하면서 피벗판(2)을 지지하는 것으로서, 상면에 상기 피벗판(2)의 회전체(22)가 놓이는 회전체자리(31)을 구비한 받침판(3);
    그리고 상기 피벗판(2)의 회전체(22)의 하부에 구비되어 피벗판(2)의 회전각도를 감지하는 것으로서, 상기 피벗판(2)의 회전체(22)의 표면에 접촉하여 회전하는 볼을 구비하여 회전체(22) 표면의 위치변동을 감지하는 접촉식 또는 빛을 조사하여 상기 회전체(22)의 표면에서 반사되는 빛을 감지하여 회전체(22) 표면의 위치변동을 감지하는 광센서를 이용한 비접촉식의 위치감지센서(4);
    를 포함하여 구성되어, 피벗판(2)의 자세를 감지하여 컴퓨터 또는 컨트롤러에 입력할 수 있게 하는, 발 조작식 자세 입력장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발 조작식 자세 입력장치는,
    상기 위치감지센서(4)와 이격된 지점에 보조위치감지센서(4-1)를 하나 더 구비하여, 회전체(22)의 모든 회전운동을 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는, 발 조작식 자세 입력장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 발 조작식 자세 입력장치는,
    상기 피벗판(2)의 상부에 씌우는 형태로 결합되는 발판(1)을 추가로 구비하고;
    상기 발판(1)과 피벗판(2) 사이에 구비되어 발판 3지점의 무게를 감지하는 3개의 무게감지센서(5)를 추가로 구비하여, 피벗판(2)의 상면에 가해지는 하중의 무게중심을 구하는 기능을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는, 발 조작식 자세 입력장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 받침판(3)의 회전체자리(31)에는 3개 이상 다수 개의 베어링(32)을 구비하여, 피벗판(2)의 회전체(22)의 회전운동을 원활하게 한 것을 특징으로 하는, 발 조작식 자세 입력장치.
  5. 평판형태의 상판(21)과, 이 상판(21)의 하면에 부착되는 구면 형상의 회전체(22)로 구성되어 사람이 올라서서 상판(21)의 회전각도를 조작할 수 있는 것으로서, 상기 회전체(22)의 상단 양측면에 회전체축(63)이 형성되어 있는 피벗판(2);
    원형의 고리 형상으로서, 양측에 상기 피벗판(2)의 회전체축(63)이 결합되는 회전체축구멍(61)이 형성되어 있고, 상기 회전체축구멍(61)과 직각으로 짐벌축(62)이 양측에 형성되어 있는 짐벌(6);
    바닥에 놓이는 수평부재(3-11)와 상기 수평부재(3-11)의 양측에 세워지는 수직부재(3-12)로 구성되고, 상기 수직부재(3-12)의 상단에는 상기 짐벌(6)의 짐벌축(62)이 결합되는 짐벌축구멍(3-13)이 형성되어 있는 받침대(3-1);
    그리고 상기 피벗판(2)의 회전체(22) 하부에 구비되어 피벗판(2)의 회전각도를 감지하는 것으로서, 상기 피벗판(2)의 회전체(22)의 표면에 접촉하여 회전하는 볼을 구비하여 회전체(22) 표면의 위치변동을 감지하는 접촉식 또는 빛을 조사하여 상기 회전체(22)의 표면에서 반사되는 빛을 감지하여 회전체(22) 표면의 위치변동을 감지하는 광센서를 이용한 비접촉식의 위치감지센서(4);
    를 포함하여 구성되어, 피벗판(2)의 자세를 감지하여 컴퓨터 또는 컨트롤러에 입력할 수 있게 하는, 발 조작식 자세 입력장치.
  6. 평판형태의 상판(21)과, 이 상판(21)의 하면에 부착되어 아래로 돌출되는 회전체(22)로 구성되어, 사람이 올라서서 상판(21)의 회전각도를 조작할 수 있는 것으로서, 상기 회전체(22)의 상단 양측면에 회전체축(63)이 형성되어 있는 피벗판(2);
    원형의 고리 형상으로서, 양측에 상기 피벗판(2)의 회전체축(63)이 결합되는 회전체축구멍(61)이 형성되어 있고, 상기 회전체축구멍(61)과 직각으로 짐벌축(62)이 양측에 형성되어 있는 짐벌(6);
    바닥에 놓이는 수평부재(3-11)와 상기 수평부재(3-11)의 양측에 세워지는 수직부재(3-12)로 구성되고, 상기 수직부재(3-12)의 상단에는 상기 짐벌(6)의 짐벌축(62)이 결합되는 짐벌축구멍(3-13)이 형성되어 있는 받침대(3-1);
    그리고 상기 회전체축(63)과 짐벌축(62)에 구비되어 축의 회전각도를 감지하는 각도감지센서(7);
    를 포함하여 구성되어, 피벗판(2)의 자세를 감지하여 컴퓨터 또는 컨트롤러에 입력할 수 있게 하는, 발 조작식 자세 입력장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 피벗판(2)은 회전체(22)가 상판(21)과 회전할 수 있도록 결합되어, 상판(21)이 회전체(22)에 결합되어 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는, 발 조작식 자세 입력장치.
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