KR101934233B1 - 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템은, 스탠드에 의해 지지되는 것으로서 사용자가 착석하는 안장이 구비된 몸체; 상기 몸체의 양 측부에 승강 가능하게 구비된 페달을 매개로 상기 사용자의 발구르기 동작을 통해 구동력을 발생시켜 상기 몸체를 승강 구동하는 승강 구동체; 사용자의 두부(頭部)에 장착되는 것으로서 상기 사용자에게 가상현실(Virtual Reality) 이미지를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 헤드 마운트 디스플레이; 상기 승강 구동체의 승강 구동을 기반으로 상기 사용자에게 상기 가상현실 이미지를 차등 제공하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템{VR Based Lift and Gliding Simulation System Using Head Mount Display}

본 발명은 헤드 마운트 디스플레이를 활용한 가상현실 기반의 활강 및 부양 시뮬레이션 시스템에 관한 것으로서, 스탠드를 통해 지면에 고정된 몸체에 사용자가 올라 탄 상태로 몸체에 구비된 페달을 밟아 몸체를 상승 또는 하강시킬 수 있되, 사용자가 착용한 헤드 마운트 디스플레이 장치를 통해 승강 동작에 어울리는 가상현실 기반의 미디어를 제공함으로써 현실감 있는 가상의 활강 및 부양 시뮬레이션을 진행할 수 있는 승강 시뮬레이션 시스템에 관한 것이다.

최근 VR기술의 발전을 통해 대형 매장이나 오락시설에서 VR헤드셋과 사용자가 탑승 혹은 장착이 가능한 VR기기를 활용하여 가상현실에서 다양한 체험을 할 수 있는 기반이 마련되었으며, 일부는 이미 상용화되어 우리 생활 주변에 다양한 형태로 한 자리를 차지하고 있다.

특히 VR기기의 경우, 사용자가 직접 착용하거나 혹은 휴대한 상태로 활용하는 옷이나 기기 등과 같은 타입과, 대형으로 설치되어 사용자가 탑승하거나 혹은 VR기기가 설치된 구역에서 활용하는 등의 방식으로 사용되는 타입이 존재한다.

또, VR과는 별개로 활강을 체험할 수 있는 방법으로서, 일반적으로 활강 및 부양 체험은 양편의 나무 또는 지주대 사이로 튼튼한 와이어를 설치하여 탑승자와 연결된 트롤리(Trolley)를 와이어에 걸어 빠른 속도로 반대편으로 이동하는 레포츠를 그 예로 들 수 있다. 이와 같은 활강 및 부양 체험은 자연환경을 훼손하지 않는 범위 내에서 시공이 이루어지고, 별도의 동력장치가 필요하지 않아 설치부터 운영까지 친환경적이며, 자연 속에서 맑은 공기를 마시며 하늘을 날고, 자연과 어우러져 호흡할 수 있는 프로그램으로 최근 들어 인기가 상승해가고 있는 추세이다.

그러나 상술한 체험 시설은 최소 50m 이상의 설치 공간을 필요로 하여, 실내, 설치 공간이 좁은 지역, 체험에 위험 요인이 되는 장애물이 많은 실외 부지에서는 설치될 수 없는 문제점이 있었다. 또한, 활강 및 부양 체험은 높은 위치에서 체험이 진행되므로 고소공포증을 호소하거나, 장비 안전 문제를 염려하는 체험자의 경우 실질적으로 탑승이 어렵고, 아동의 경우 안전문제를 고려하여 체험 시 보호자를 동반하여 탑승하게 되어 아동과 보호자 모두 만족스러운 체감 효과를 얻지 못하는 문제점이 있었다.

아울러, 체험자의 숙련도 부족이나, 체험 장비의 불량 등으로 인하여 안전사고가 자주 발생되고, 안전사고 발생 시 신속한 처리가 어려운 문제점이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 실제 활강이나 부양은 이루어지지 않지만, 활강 및 부양을 가상으로 체험할 수 있는 VR과의 연계기술을 일부 업체에서 개발하여 활용하고 있되, 아직은 기술개발이 미비하여 대형 이벤트 체험장 등에서만 활용이 가능할 뿐, 가정 등에서 사용자가 직접 이러한 시스템을 구비하여 활용하기는 어렵다는 단점을 가지고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 대한민국 등록특허 제 10-1829285호 ‘가상 현실 기반 활강 체험 시스템’은 체험자의 머리 윗쪽에 설치되는 수평 바와, 상기 수평 바의 일단부에 설치되며 모터에 의해 회전되는 제1 풀리와, 상기 수평 바의 타단부에 설치되는 제2 풀리와, 상기 제1 풀리 및 제2 풀리에 감겨서 순환하는 순환 트랙과, 상기 순환 트랙에 배치되는 트롤리와, 체험자와 상기 트롤리를 연결하여 체험자가 트롤리에 매달려 공중에 부양되도록 하는 착용 장치를 포함하는 활강 체험 장치; 체험자의 눈에 착용되며, 영상 제공 단말기에 의해 재생되는 활강 체험 영상을 체험자에게 제공하는 웨어러블 디바이스; 활강 체험 영상을 저장하고 있다가 관리 단말기로부터의 재생 신호에 기초하여 활강 체험 영상을 재생하는 영상 제공 단말기; 상기 영상 제공 단말기로 활강 체험 영상을 재생하라는 재생 신호를 전송하고, 컨트롤러로 상기 활강 체험 영상과 연동된 모터 제어 데이터를 전송하는 관리 단말기; 및 상기 관리 단말기로부터 수신하는 모터 제어 데이터에 기초하여 상기 활강 체험 장치의 모터의 회전 속도를 제어하여 순환 트랙의 회전 속도를 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 체험자가 상기 트롤리에 매달려 공중에 부양된 상태에서, 상기 관리 단말기가 영상 제공 단말기로 재생 신호를 전송하고, 영상 제공 단말기에서 재생되는 활강 체험 영상이 웨어러블 디바이스에 의해 표시되고, 상기 관리 단말기가 상기 컨트롤러로 모터 제어 데이터를 전송하고, 상기 컨트롤러는 상기 모터 제어 데이터에 기초하여 모터를 회전시키고 이에 의해 제1 풀리가 회전함으로써 순환 트랙이 제1 풀리와 제2 풀리 사이에서 트롤리를 통해 회전 순환하는 것을 특징으로 하는 가상 현실 기반 활강 체험 서비스 제공 시스템에 대하여 서술하고 있다.

이러한 활강 체험 서비스 제공 시스템은 여전히 높은 곳에 체험용 시스템 장비를 설치한 상태에서 사용이 가능하므로, 일반 사용자들이 해당 시스템을 구비하여 활용하기에는 다소 문제가 있다.

다른 선행기술로서 대한민국 등록특허 제 10-1731513호 ‘낙하훈련 시뮬레이션 시스템’의 경우, 프레임 및 사용자가 착용하는 낙하 의복에 연결된 복수의 견인줄과 서로 다른 위치에서 각각 연결되는 복수의 견인 모터와, 상기 프레임 상에서 상기 사용자를 향해 연장되는 한 쌍의 조정줄과 각각 결합되어 상기 조정줄의 장력을 감지 및 조절하도록 형성되는 장력 조절기를 구비하여 상기 사용자의 자세를 변경시키도록 형성되는 낙하 구동부; 상기 사용자의 자세 정보를 감지하도록 형성되는 자세 감지부; 및 상기 자세 감지부에서 감지되는 상기 자세 정보, 상기 장력 조절기에서 감지되는 장력 정보, 및 상기 낙하훈련 컨텐츠 정보 중 적어도 어느 하나에 따라 상기 복수의 견인 모터의 구동을 개별적으로 제어하는 제어부를 포함하는, 낙하훈련 시뮬레이션 시스템이 소개되어 있다.

이러한 시뮬레이션 시스템의 경우 상술한 선행특허와 비교하였을 때, 그 구성이 현저하게 간편해져 일반 사용자들도 충분히 구비할 수 있을 정도로 구성이 단순화 되었으나, 장치의 특성 상 낙하 이외의 상승과 관련된 시뮬레이션을 진행하기는 어렵다는 문제점을 가지고 있어 용도가 한정적이라는 문제가 존재한다.

따라서 스탠드를 통해 지면에 고정된 몸체에 사용자가 올라 탄 상태로 몸체에 구비된 페달을 밟아 몸체를 상승 또는 하강시킬 수 있되, 사용자가 착용한 헤드 마운트 디스플레이 장치를 통해 승강 동작에 어울리는 가상현실 기반의 미디어를 제공함으로써 현실감 있는 가상의 활강 및 부양 시뮬레이션을 진행할 수 있는 승강 시뮬레이션 시스템을 개발할 필요성이 대두된다.

본 발명은 상기 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 사용자가 올라탈 수 있는 기기와 헤드 마운트 디스플레이를 통해 사용자의 발구르기 동작을 매개로 공중부양을 시뮬레이션 할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 주요 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 사용자의 발구르기 동작을 통해 공중부양 시뮬레이션이 구동되므로, 지속적으로 허벅지나 종아리 등 다양한 다리 부위를 운동시킬 수 있어 운동 부족이나 당뇨 등의 성인병 환자들에게 효과적인 운동 유도 효과를 부여하는 구성들을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 본체가 최대 높이에 도달하였을 때에도 계속해서 상승감을 유지할 수 있는 보조 구성들을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 최대 높이에 도달한 이후 사용자의 안전을 경고할 수 있는 보조 수단을 제공할 수 있는 구조를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템은, 스탠드에 의해 지지되는 것으로서 사용자가 착석하는 안장이 구비된 몸체; 상기 몸체의 양 측부에 승강 가능하게 구비된 페달을 매개로 상기 사용자의 발구르기 동작을 통해 구동력을 발생시켜 상기 몸체를 승강 구동하는 승강 구동체; 사용자의 두부(頭部)에 장착되는 것으로서 상기 사용자에게 가상현실(Virtual Reality) 이미지를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 헤드 마운트 디스플레이; 상기 승강 구동체의 승강 구동을 기반으로 상기 사용자에게 상기 가상현실 이미지를 차등 제공하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 승강 구동체는, 사용자가 밟을 수 있도록 구비된 상기 페달을 매개로 구동력을 발생시키는 것으로서, 상기 페달의 하부에 구비되는 받침판과, 상기 받침판과 상기 페달 사이를 탄성 지지하는 스프링을 포함하는 구동부와, 상기 페달의 승강을 통해 발생된 구동력을 전달하는 링크 및, 상기 링크를 통해 전달된 구동력을 크랭크 암을 통해 회전 운동으로 변환하여 피니언을 회전시키는 회전 변환부와, 상기 피니언과 맞물려 승강되는 랙을 일 측에 구비한 상태에서 상기 몸체를 수직 방향으로 승강시키는 승강부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더하여, 상기 승강 구동체는, 사용자가 밟을 수 있도록 구비된 상기 페달을 매개로 구동력을 발생시키는 것으로서, 상기 페달이 회전 구동될 수 있도록 지지하는 페달 축을 구비한 구동부와, 상기 페달의 회전을 통해 발생된 구동력을 전달하는 링크 및, 상기 링크를 통해 전달된 구동력을 크랭크 암을 통해 회전 운동으로 변환하여 피니언을 회전시키는 회전 변환부와, 상기 피니언과 맞물려 승강되는 랙을 일 측에 구비한 상태에서 상기 몸체를 수직 방향으로 승강시키는 승강부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

덧붙여, 상기 몸체에는, 상기 안장에 착석된 상기 사용자가 바라보는 방향에 구비되는 것으로서, 핸들과, 상기 핸들이 회전 가능하게 장착되는 핸들박스 및, 상기 핸들박스를 상기 본체로부터 지지한 상태에서 상기 핸들박스를 초기 위치로부터 전후좌우로 이동시키는 지지부를 포함하는 핸들 어셈블리가 구비되고, 상기 컨트롤러는, 상기 핸들의 조작을 기반으로 상기 가상현실 이미지의 방향을 가변 처리하는 방향 적용모듈을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템에 의하면,

1) 사용자가 올라탈 수 있는 기기와 헤드 마운트 디스플레이를 통해 사용자의 발구르기 동작을 매개로 공중부양을 시뮬레이션 할 수 있는 시스템을 제공할 수 있고,

2) 사용자의 발구르기 동작을 통해 공중부양 시뮬레이션이 구동되므로, 지속적으로 허벅지나 종아리 등 다양한 다리 부위를 운동시킬 수 있어 운동부족이나 당뇨 등의 성인병 환자들에게 효과적인 운동유도 효과를 부여할 수 있는 구성들을 제공하며,

3) 본체가 최대 높이에 도달하였을 때에도 계속해서 상승감을 유지할 수 있는 보조 구성들을 제공할 수 있는 구성을 제공 가능하며,

4) 최대 높이에 도달한 이후 사용자의 안전을 경고할 수 있는 보조 수단을 제공할 수 있는 강화된 구조를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 공중부양 시뮬레이션 시스템의 개략적인 구조를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 본체 상승을 위한 페달 구동의 일 실시예를 도시한 개념도.
도 3a는 본 발명의 본체 상승을 위한 페달 구동의 다른 실시예를 도시한 개념도.
도 3b는 본 발명의 본체 상승을 위한 페달 구동의 확장된 실시예를 도시한 개념도.
도 4는 본 발명의 공중부양 시뮬레이션 시스템의 일 실시예를 도시한 사시도 및 확대도.
도 5는 본 발명의 공중부양 시뮬레이션 시스템의 추가 구성을 부가한 사용 실시예를 도시한 개념도.
도 6은 본 발명의 공중부양 시뮬레이션 시스템에서 디스플레이를 통해 보여지는 화면의 일 예시.
도 7은 본 발명의 공중부양 시뮬레이션 시스템에서 디스플레이를 통해 보여지는 화면의 다른 예시.
도 8은 본 발명에서 롤러 각각의 구동비를 구하는 실시예를 도시한 예시.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 공중부양 시뮬레이션 시스템의 개략적인 구조를 도시한 사시도이다.

본 발명의 시뮬레이션 시스템은, 사용자가 탑승할 수 있도록 지면에 스탠드에 의해 기립 설치된 것으로서, 사용자의 조작에 의해 승강하는 탑승 장치와, 사용자의 두부에 착용하는 것으로서, 가상현실 컨텐츠를 제공하는 헤드 마운트 디스플레이(300)(Head Mount Display)를 포함하여 구성된다.

여기서 헤드 마운트 디스플레이(300)는 주변에서 쉽게 확인할 수 있는 VR제공을 위한 헤드셋을 의미하는 것으로서, 디스플레이(310)를 기본으로 포함한 상태에서 내부에 마이크로프로세서가 구비되거나 혹은 외부의 프로세서 장치와 무선 혹은 유선으로 연결된 장치이며, 각종 센서와 컨트롤러(400) 및 두부에 착용할 수 있는 끈이나 모자 등의 구성을 포함할 수 있음은 물론이다.

나아가 탑승 장치는 자체적인 승강 제어나 구동 센싱을 위해 별도의 컨트롤러(400)를 더 구비할 수도 있겠으나, 바람직하게는 마이크로프로세서가 구비된 헤드 마운트 디스플레이(300)에 컨트롤러(400)를 구비하도록 하여 이 헤드 마운트 디스플레이(300)를 통해 전체적인 제어가 이루어질 수 있도록 하는 구성도 가능하다.

보다 상세한 탑승 장치의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 탑승 장치는 사용자가 착석할 수 있는 안장(110)이 구비된 몸체(100)와, 몸체(100)의 일 측에 돌출되어 사용자의 발을 건 상태에서 발을 굴러 승강구동을 발생시키는 입력부, 입력부를 통해 발생한 동력을 수평으로 전달하는 동력 전달부와, 수평으로 전달된 동력의 방향을 수직 운동으로 변환하는 동력 변환부 및 동력 변환부를 통해 변환된 동력을 기반으로 승강하는 실린더를 통해 몸체(100)를 승강시키는 승강 제어부를 포함하는 승강 구동체(200), 상술한 몸체(100) 및 승강 구동체(200)를 결합한 구조체를 지면에 고정시키는 스탠드를 구비하는 것을 특징으로 한다.

몸체(100)는 사용자의 둔부가 안착될 수 있는 안장(110)을 구비하는 것으로서, 몸체(100)의 경우 기본적으로는 승강 구동체(200)와 스탠드의 결합체를 통해 지면으로부터 이격된 상태로 구비되는 것이며, 승강 구동체(200)의 구성들이 내부에 구비될 수 있도록 내부에 공간을 갖는 하우징을 의미한다.

이 몸체(100)는 승강 구동이 가능하면서 안장(110)을 구비한 상태에서 사용자가 안장(110)에 착석하였을 때, 구동에 문제가 없다면 다양한 형상을 갖도록 구비될 수 있으며, 그 예시로서 황소나 말, 유니콘, 로켓 등 다양한 형상을 갖출 수 있음은 물론이다.

도 2는 본 발명의 본체 상승을 위한 페달(211) 구동의 일 실시예를 도시한 개념도이고, 도 3a는 본 발명의 본체 상승을 위한 페달(211) 구동의 다른 실시예를 도시한 개념도이며, 도 3b는 본 발명의 본체 상승을 위한 페달(211) 구동의 확장된 실시예를 도시한 개념도 이다.

나아가 승강 구동체(200)는 스탠드를 매개로 지면에 고정된 상태에서 몸체(100)를 승강시키는 구동력을 제공하는 일종의 구동부(210) 역할을 하는 것이다.

승강 구동체(200)의 일 실시예로서, 몸체(100)의 측부를 관통한 상태로 양 단부가 외부로 노출되는 회동 프레임과, 상기 회동 프레임의 양 단부에 사용자가 밟을 수 있도록 구비된 상기 페달(211)의 승강 구동을 매개로 상기 회동 프레임에 회전 구동력을 발생시키는 크랭크 암이 구비된 사용자 조작부와, 회동 프레임의 일 측에 구비되어 상기 회동 프레임의 회전 시 함께 회전하는 피니언(231)과, 상기 피니언(231)에 맞물려 승강되는 랙(241) 기어가 일 측에 구비된 상태에서 수직 연장된 것으로서 상기 몸체(100)를 수직 방향으로 승강시키는 승강 프레임을 구비한 승강 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 페달(211)을 발판과 같이 활용하는 것으로서, 이 페달(211)을 시소 형태로 밟았을 때, 회전력을 생성할 수 있도록 한다.

기본적으로 메인 축에 수직하게 교차되어 회전 가능하게 장착되는 크랭크 암과, 이 크랭크 암의 상부에 구비되어 발을 구를 수 있는 페달(211)이 위치한다. 페달(211)은 기다란 보드와 같은 구성이되, 이 페달(211)의 하단에는 좌우측에 적어도 하나씩의 피니언(231)이 구비되고, 크랭크 암에서 이 피니언(231)에 대응되는 위치에 랙(241)이 부착되어 랙(241),피니언(231) 결합에 의해 회전력을 발생시키게 되는 것이다.

즉, 사용자가 페달(211)에 올라 양 발을 구르게 되면, 발에 힘을 주는 방향의 페달(211)이 하강하면서 해당 위치의 피니언(231)이 랙(241)을 회전시키게 되면서 반복적으로 회전이 발생하게 된다. 이렇게 발생된 회전 구동력은 다시 중앙부위에 위치한 랙(241)을 회전시키게 되며, 이 랙(241)에 걸려 승강되는 피니언(231)을 구비한 승강 제어부를 통해 한쪽 방향으로 회전 시 피니언(231)의 길이만큼 승강될 수 있는 구조를 갖게 된다. 다만, 페달(211)은 항상 사용자의 발이 안착되어 있어야 안전을 도모할 수 있으므로, 페달(211)에는 도 3b에 나타난 예시와 같이 벨크로(510)가 구비된 발 장착부를 더 형성하여 벨크로(510)를 통해 발을 묶어 발이 페달(211)로부터 이탈하지 않도록 하는 안전 구성을 갖출 수도 있음은 물론이다.

여기서 하강제어를 위해서는 페달(211)에 2 종류의 랙(241)을 두어 사용자가 별도의 버튼을 통해 조작하거나 혹은 수동으로 페달(211)의 위치를 변경시켜 전 구동력의 방향을 변경시킬 수 있으며, 더 나아가 아예 승강 제어부에 랙(241)과 피니언(231)의 결합을 일시적으로 해제할 수 있는 래칫을 두고, 이 래칫을 제어할 수 있는 별도의 버튼을 구비하며, 더 나아가 래칫을 통해 랙(241)과 피니언(231)의 결합 해제 시 빠른 속도로 하강하는 것을 방지하기 위한 쇽 업소버(151)(shock absorber)를 더 구비토록 함으로써 상승뿐만 아니라 하강도 가능한 구조를 갖출 수 있게 됨은 물론이다.

나아가 더욱 다이내믹한 구동을 위한 구성으로서, 도 3b와 같은 실시예가 더욱 적용될 수도 있다.

이것은 페달(211)을 회전시키는 방식에서 변형된 실시예로서, 페달 축(214)을 구비하여 페달(211)이 회전 구동될 수 있는 구동부(210)를 구비하는 것은 동일하되, 이 구동부(210)의 구성이 몸체(100)의 측부 일 측에 고정된 상태로 회전할 수 있도록 구성한다. 나아가 페달(211)의 구동력을 전달하는 링크(220)가 구비될 수 있는데, 이 링크(220)는 두 개의 베벨기어를 구비한 상태에서 하나의 베벨기어가 페달 축(214)과 연동되어 회전력을 전달받아 길이방향으로 뻗은 축을 회전시킨다. 이 때 축은 사각 기둥 형상으로 구비되는 것이 바람직한데, 이 축은 두 개의 베벨기어를 구비한 것이되, 베벨기어로부터 회전력을 전달받거나 혹은 전달하기 위해 베벨기어에도 사각형 형상의 홈을 뚫어 고정하였다. 나아가, 베벨기어의 홈 주변에는 도면에 도시된 것처럼 별도의 베어링을 더 구비할 수 있으며, 따라서 베어링을 통해 이 사각 기둥 형상의 축의 승강이 더욱 용이한 구조를 갖도록 구성할 수 있다.(물론 베벨기어가 회전 가능하면서도 일정한 높이를 유지할 수 있도록 별도의 받침 및 고정수단을 구비하고, 축 역시도 과도하게 승강되지 않아 베벨기어로부터 빠져나가지 않을 정도의 승강범위를 가지는 것이 바람직하다.) 또, 축에 구비된 다른 하나의 베벨 기어는 본체를 승강시키는 크랭크와 연결되는데, 여기서 크랭크 부위는 기존의 승강부(240) 구성을 대체하는 것으로서 베벨기어를 통해 회전력을 전달받는 것이 한 쪽 방향으로만 힘을 전달할 수 있는 구조의 기어로서 프리휠(520)이 적용될 수 있다. 따라서 프리휠(520)을 통해 크랭크가 회전하게 되면 본체를 계속해서 승강시킬 수 있어 기존의 상승 또는 하강만 가능한 구조보다 더욱 다이내믹한 구동 효과를 낼 수 있을 뿐만 아니라, 무한 회동이 가능한 구조를 제공할 수 있게 됨은 물론이다.

또한, 페달(211)이 몸체(100)에 고정된 상태에서 실질적인 승강은 축을 기준으로 행해지기 때문에 페달(211)이 과도하게 멀어지는 것을 방지할 수도 있으며, 여기서 추가로 페달(211)에는 사용자의 발에 안정적인 고정이 가능하도록 복수의 벨크로(510) 구조로 구성되어 발을 페달(211)에 올린 후 이 벨크로(510)를 채우는 것으로 사용자의 발 사이즈에 큰 영향을 받지 않고도 발을 고정시킬 수 있는 구조를 갖출 수 있음은 물론이다.

즉, 간단한 구조 변경을 통해 회전을 통한 승강 구성을 자유롭게 변경할 수 있어 모듈식으로 구조를 변경하여 제공되거나 혹은 사용자에 의해 원하는 구조로 변경하여 활용 가능하도록 제공될 수 있다.

구성을 다시 한 번 정리하면, 승강 구동체(200)는, 사용자가 밟을 수 있도록 구비된 페달(211)을 매개로 구동력을 발생시키는 것으로서, 페달(211)의 하부에 구비되는 받침판(213)과, 받침판(213)과 페달(211) 사이를 탄성 지지하는 스프링(212)을 포함하는 구동부(210)와, 페달(211)의 승강을 통해 발생된 구동력을 전달하는 링크(220) 및, 링크(220)를 통해 전달된 구동력을 크랭크 암을 통해 회전 운동으로 변환하여 피니언(231)을 회전시키는 회전 변환부(230)와, 피니언(231)과 맞물려 승강되는 랙(241)을 일 측에 구비한 상태에서 몸체(100)를 수직 방향으로 승강시키는 승강부(240)를 포함하는 것이라 이해할 수 있음은 물론이다.

승강 구동체(200)의 다른 실시예로서, 승강 구동체(200)는 2 개의 축으로 구성되되, 스탠드에 의해 고정된 상태에서 몸체(100)의 좌우로 연장된 제 1 축과, 이 제 1 축과 직교하여 제 1 축의 중심으로부터 기립 설치되는 제 2 축으로 구성된다. 여기서 제 1 축은 동력 전달부, 제 2 축은 동력 변환부라고 할 수 있다.

동력 전달부의 양 단부에는 각각 하나씩의 입력부가 구비된다.

입력부는 자전거 등에서 쉽게 볼 수 있는 페달(211) 구성을 의미하는데, 이는 사용자의 발을 사용하여 발을 다양한 방식으로 구르게 되면, 이것을 구동력으로 변환시키는 역할을 한다. 이미 공지된 것으로서, 발을 구를 수 있는 면적을 제공하는 페달(211)과, 이 페달(211)이 회전할 수 있는 크랭크 암으로 구성된다. 크랭크 암은 제 1 축에 장착되어 회전되거나 혹은 상하로 움직일 수 있는 것으로서, 회전 또는 상하 운동을 통해 구동력을 생성하게 된다.

다시 정리하면, 승강 구동체(200)는, 사용자가 밟을 수 있도록 구비된 페달(211)을 매개로 구동력을 발생시키는 것으로서, 페달(211)이 회전 구동될 수 있도록 지지하는 페달 축(214)을 구비한 구동부(210)와, 페달(211)의 회전을 통해 발생된 구동력을 전달하는 링크(220) 및, 링크(220)를 통해 전달된 구동력을 크랭크 암을 통해 회전 운동으로 변환하여 피니언(231)을 회전시키는 회전 변환부(230)와, 피니언(231)과 맞물려 승강되는 랙(241)을 일 측에 구비한 상태에서 몸체(100)를 수직 방향으로 승강시키는 승강부(240)를 포함 할 수 있다.

여기서는 크랭크 암을 회전시켜 구동력을 생성하는 구성을 기준으로 설명하되, 이것은 하나의 예시를 기준으로 설명하는 것으로서, 후술할 다른 구성으로 대체될 수 있고, 각 구성에 따라 필요한 추가 구성들이 더 구비될 수 있음은 물론이다. 이에 대한 추가 설명은 후술할 내용에서 필요한 구성들에 따라 설명을 추가하도록 한다.

나아가 제 1 축을 형성하는 것으로서 동력 전달부에 대해 설명하면 다음과 같다. 동력 전달부는 몸체(100)의 좌우로 연장되는 크랭크 저널과, 이 크랭크 저널의 중심부위에 위치하는 것으로서, 물방울 형상으로 형성되어 크랭크 저널의 축을 기준으로 일 측으로 돌출되게 장착되는 적어도 한 쌍의 크랭크 웹과, 크랭크 웹에서 크랭크 저널의 축으로부터 돌출된 부위를 연결하는 크랭크 핀으로 구성된다.

여기서 크랭크 저널은 큰 의미의 제 1 축을 뜻하는 것으로서, 페달(211)을 밟아 크랭크 암이 회전하게 되면, 함께 회전되는 역할을 한다. 이 때, 크랭크 저널의 중앙 부위에 구비되는 크랭크 웹도 함께 회전하게 되는데, 여기서 특히 크랭크 웹을 연결하는 크랭크 핀에는 제 2 축이자 후술할 동력 변환부가 장착되게 되어 크랭크 저널이 회전함에 따라 제 2 축이 상하로 움직일 수 있게 되는 것이다. 여기서 제 2 축의 상하 회동운동을 용이하게 할 수 있도록 크랭크 웹 사이에는 크랭크 저널이 관통된 상태에서 크랭크 웹을 통해서만 연결되는 구조를 갖추는 것이 용이한 구조임은 물론이다.

이 외에도 실린더를 사용하거나 공기 주입방식을 통해 승강을 구현하는 방법이 적용될 수 있음은 물론이며, 이는 필요에 따라 얼마든지 변경 가능함은 물론이다.

다만, 랙(241)의 주변에는, 랙(241)이 승강되는 경로를 따라 랙(241)을 둘러싸는 승강 가이드를 구비하도록 하여(이 경우 승강 가이드 내부에 피니언(231)이 자유롭게 드나들 수 있는 구성도 갖추어야 할 것이다.) 랙(241)이 승강하는 위치에서만 이동할 수 있도록 위치를 잡아주는 구성을 통해 안정성을 더욱 확보할 수 있음은 물론이다.

또한, 사용자 조작부에는 사용자가 연속으로 항상 이 공중부양 시뮬레이션 시스템의 페달(211)을 구동하기는 힘들기 때문에, 구동을 보조할 수 있도록 회전 구동력 발생 시 회전력을 저장하고, 저장된 회전력에 의한 회전관성을 상기 피니언(231)에 전달하는 플라이 휠(152)을 더 구비할 수 있다. 이 플라이 휠(152)은 공지의 플라이 휠(152)을 사용 가능하며, 따라서 상세한 설명은 생략토록 한다.

도 4는 본 발명의 공중부양 시뮬레이션 시스템의 일 실시예를 도시한 사시도 및 확대도이고, 도 5는 본 발명의 공중부양 시뮬레이션 시스템의 추가 구성을 부가한 사용 실시예를 도시한 개념도이며, 도 6은 본 발명의 공중부양 시뮬레이션 시스템에서 디스플레이를 통해 보이는 화면의 일 예시이고, 도 7은 본 발명의 공중부양 시뮬레이션 시스템에서 디스플레이를 통해 보이는 화면의 다른 예시이다.

나아가, 몸체(100)에는 사용자의 조작에 따라 기울기가 변화하는 핸들 어셈블리(120)가 구비될 수 있다.

핸들 어셈블리(120)는 핸들(121)과, 핸들(121)이 회전 가능하게 장착되는 핸들박스(122) 및, 핸들박스(122)를 본체로부터 지지한 상태에서 핸들박스(122)를 전후좌우로 이동시키는 지지부(123)로 구성될 수 있으며, 핸들(121) 자체는 회전만 가능하지만, 이 지지부(123)를 통해 핸들(121)의 전후좌우로의 이동이 가능해 짐은 물론이다. 즉, 지지부(123)는 전투기 조종석에 부착된 핸들(121)과 같이 핸들(121)의 기본적인 회전기능 외에 핸들(121)을 앞이나 뒤로 당기거나 혹은 핸들(121) 자체를 좌우로 일정 범위 이동시킬 수 있는 구조를 제공할 수 있게 된다.

또한 핸들(121)에는 별도의 조작버튼 및 브레이크 레버(이 경우 공지의 브레이크 구성이 포함되어야 할 것이다.) 등이 구비될 수 있다.

이에 따라 컨트롤러(400)는, 핸들(121)의 구동을 기반으로 가상현실 이미지를 기울여 제공하는 기울기 적용모듈을 구비할 수 있으며, 따라서 사용자는 핸들(121)을 이동시키는 것으로 몸을 틀거나 본체를 회전시킬 필요 없이 가상현실 내에서 방향을 자유롭게 바꿀 수 있게 된다.

나아가, 이러한 시스템은 다수의 사용자가 함께 가상현실에서 만나 함께 활용도 가능하며, 이를 위해 사용자의 가상현실 아바타를 생성 및 저장하는 아바타 데이터베이스와, 다른 시뮬레이션 시스템과 원격으로 연결되어 상기 가상현실 이미지에 다른 사용자의 가상현실 아바타를 출력하는 멀티 적용부 및, 페달(211)의 구동속도 및 핸들(121)이 초기 위치로부터 기울어진 전후좌우 각 변위에 따라 이동된 아바타의 충돌여부를 판단하는 상호작용 판단부와, 상호작용 판단 시 페달(211)의 구동속도 고저에 따라 가상현실 이미지에서 가상현실 아바타를 멀어지게 이동시키는 충돌 적용부를 포함하는 다중 접속 모듈을 구비할 수 있다.

일종의 온라인 게임처럼 가상현실 내부에서 해당 시뮬레이션 시스템을 사용하는 다양한 유저들이 만나 서로를 ?거나 함께 비행하는 기분을 느낄 수 있도록 한다. 또한, 연결된 각 아바타들의 이동을 통해 가상현실 이미지 내부에서 다른 아바타들과의 상호작용인 부딪힘을 판단할 수 있으되, 이 때 실제 작용 반작용에 의한 효과를 주기 위해 가상현실 아바타를 움직이고 있는 페달(211)의 구동속도와 핸들(121)의 전후좌우 변화에 따라 가상현실 아바타의 이동 방향 및 충돌 시 튕겨져 나가는 방향과 그 힘을 계산할 수 있으며, 이에 따라 가상현실 이미지가 부딪힌 아바타와 떨어지는 느낌을 받을 수 있도록 뒤로 밀려나는 이미지를 출력하고, 동시에 부딪힌 가상현실 아바타도 반대 측으로 날려 보내도록 변화시키는 구성을 갖추도록 하여 실감나는 이미지의 제공이 가능함은 물론이다.

나아가, 컨트롤러(400)는 몸체(100)의 상승된 높이를 측정하는 높이 센서와, 페달(211)의 구동여부를 판단하는 페달(211) 구동 판단센서 및, 몸체(100)의 최대 높이 도달 판단 시, 페달(211)의 구동여부를 통해 가상현실 이미지의 상승 속도를 제어하는 감각 유지모듈이 구비될 수 있다.

즉, 몸체(100)가 최대로 올라간 경우에는 더 페달(211)을 조작하더라도 물리적으로 승강되는 느낌을 더 이상 받을 수가 없다. 따라서 이때에 사용자가 더욱 상승을 원하는 경우에는 사용자가 착용한 헤드 마운트 디스플레이(300)를 통해 제공되는 가상현실 이미지를 제어하여 계속해서 상승한다고 느낄 수 있도록 해야 할 것이다.

이에 따라 몸체(100)의 최대 높이 도달을 판단하였을 때 계속해서 페달(211)이 구동되는 경우에는 가상현실 이미지의 상승 속도를 제어하여 가상현실 이미지라도 이 페달(211)의 구동에 따라 상승되는 것을 따라갈 수 있도록 하는 장치를 제공한다.

또한 안장(110)에는 사용자의 몸통에 둘러 고정하는 벨트(131)와, 하나의 벨트(131)에서 양 측이 권취되는 것으로서, 안장(110)에 착석된 사용자의 좌우측에서 회전을 통해 벨트(131)를 인출하도록 구비된 롤러(132) 및, 롤러(132)에 회전력을 제공하는 롤러 구동부(133)를 구비할 수 있다.

여기서 벨트(131)는 사용자의 몸을 고정시킨 상태에서 일부를 풀어주어 사용자가 몸을 일정 수준 자유롭게 움직일 수 있도록 하는 것이며, 또한 벨트(131)의 좌우 풀어짐 정도를 강제로 제어하여 사용자를 약간 기울이도록 제어할 수도 있어 사용자에게 방향감을 제공하거나 풍압 등의 효과를 제공할 때에 활용되는 구성이다.

나아가 감각 유지모듈에는 이 안장(110)과 대응되는 구성으로서 몸체(100)의 최대 승강높이 도달 시 롤러 구동부(133)의 구동을 제어하는 벨트(131) 제어부와, 가상현실 이미지에 표시될 안내정보가 저장된 안내 데이터베이스 및, 롤러 구동부(133)의 구동에 따라 가상현실 이미지에 안내정보를 합성하여 표시하는 안내 표시부를 구비할 수 있다.

즉, 최대높이 도달 이전에는 이 안장(110)을 굳이 제어할 필요 없이 몸체(100) 자체가 승강되는 것만으로도 사용자는 충분한 상승느낌을 받을 수 있지만, 몸체(100)가 최대 높이에 도달한 이후에는 별도의 물리적인 상승느낌을 받을 수 있는 구성이 없다는 문제가 있다.

따라서 이러한 문제의 해결을 위해 벨트(131)를 활용하도록 하는 것이다.

또한, 벨트(131)의 풀어짐을 제어하는 것은 사용자에게 상승하는 현장감을 제공할 수 있으며, 나아가 가상현실 이미지에도 별도의 안내정보를 더 표시하여 이 안내정보를 통해 더욱 생동감 있는 상승 느낌을 제공할 수 있음은 물론이다.

여기서 안내정보라 함은 사용자에게 제공할 문구나 이미지 등이 포함될 수도 있으며, 더 나아가서는 구름이나 새 등과 같이 배경요소 중 하나가 이 안내정보로서 제공될 수도 있다. 다시 말해 안내정보는 일종의 객체와 같은 역할을 하여 이 안내정보가 가상현실 이미지에 합성되어 표시됨에 따라 사용자는 더욱 생생한 현장감을 느낄 수 있다.

이 때, 벨트 제어부는, 다음의 수학식 1을 사용하여 롤러 구동부(133)의 회전을 제어한다.

수학식 1.

여기서,

은 좌측에 위치하는 롤러 구동부(133)의 구동수치,

은 우측에 위치하는 롤러 구동부(133)의 구동수치, 핸들(121)의 횡단면을 기준으로 할 때, 좌우 방향의 x축과 전후 방향의 y축을 갖는 x,y좌표에서 A는 y축을 기준으로 상기 초기 위치로부터 상기 핸들(121)이 이동한 거리, B는 x축을 기준으로 상기 초기 위치로부터 상기 핸들(121)이 이동한 거리, a는 롤러(132)의 스펙을 고려한 1 부터 10 사이의 롤러(132) 보정상수를 의미하고,

은 1 분당 좌측에 위치하는 롤러(132)의 회전 수,

은 1 분당 우측에 위치하는 롤러(132)의 회전 수, b는 회전상수를 의미한다.

초기 위치라 함은 핸들(121)의 최초 상태이자 핸들(121)을 건드리지 않은 미 구동상태, 즉 핸들박스(122)에서 핸들(121)이 기울어지지 않고 바로 서있는 위치를 의미한다.

이 초기 위치에서 핸들(121)은 3차원의 가상 좌표를 형성하여 핸들(121)(핸들박스(122))이 움직일 수 있는 범위에서 핸들(121)이 얼마만큼 기울어져 있는지에 따라 좌,우,전,후 방향으로 거리가 도출될 수 있다. 이러한 변위들을 통해 좌우에 위치한 롤러(132)의 회전 정도를 달리하게 되면, 사용자의 몸통 쏠림(즉, 벨트(131)가 풀어져 나온 것에 따라 사용자의 몸통이 쏠리는 것)시 몸통이 쏠린 반대 측의 롤러(132)를 더욱 많이 감아 몸통 쏠림을 방지할 수 있으며, 경우에 따라서는 이와 반대로 오히려 몸통 쏠림을 유도하는 데 활용할 수도 있어 이러한 제어를 통해 사용자에게 더욱 현실감 있는 제어가 가능한 구성을 제공할 수 있음은 물론이다.

그러나 수학식 1을 보면 알 수 있듯이 실질적으로는 좌우 방향의 x축과 전후 방향의 y축을 갖는 2개의 축으로 이루어진 x,y좌표를 활용하는 것으로도 이러한 롤러 구동부(133)의 구동을 차등 제어할 수 있음은 물론이다.

도 8은 본 발명에서 롤러(132) 각각의 구동비를 구하는 실시예를 도시한 예시이다.

도 8을 참조하여 롤러(132) 각각의 구동비를 구하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.(본 수학식은 몸통 쏠림이 발생하였을 때, 반대 측에 위치한 롤러(132)를 감아 몸통 쏠림을 방지하는 구성을 기본으로 하며, 이와 반대되는 효과를 주기 위해서는 수학식 1에서 A값의 범위에 따라 다르게 표시된 수학식을 반대로 적용하면 된다.)

먼저, 우리가 구해야 할 좌표계는 좌우 방향과 전후 방향이다. 이는 핸들(121)의 조작 시 발생할 수 있는 핸들(121)의 이동범위를 의미하는데, 앞서 언급한 바와 같이 핸들(121)은 핸들박스(122)로부터 좌우로 움직여 방향을 제어하거나 전후로 당기는 것으로 승강을 제어할 수 있으며, 따라서 사용자가 핸들(121)을 움직일 때에는 상술한 두 가지 좌표에서 핸들(121)의 위치변화가 발생하게 된다.

따라서 기본 좌표는 핸들(121)의 초기 위치를 (0,0)으로 두고 핸들(121)을 위에서 보았을 때의 핸들(121)의 정 중앙을 원점으로 하는 x,y좌표계를 형성하되, y축은 x,y좌표계를 좌우로 나눌 수 있는 기준이 되는 가상의 선이며, x축은 x,y좌표계를 전후로 나눌 수 있는 기준이 되는 가상의 선을 의미한다. 이 x,y좌표계에 핸들(121)의 초기 위치로부터 핸들(121)이 움직인 위치를 표시하되, 여기서 A는 이 핸들(121)이 움직인 위치를 핸들(121)의 초기 위치를 기준으로, 공간을 좌우로 나누는 y축을 기준으로 얼마나 이동하였는지, 다시 말해 초기 위치를 기준으로 좌측 또는 우측으로 얼마나 이동되었는지를 나타내는 x값으로 이해할 수 있다.

또, B는 x,y좌표계를 전후로 나누는 x축을 기준으로 핸들(121)이 초기 위치로부터 얼마나 이동하였는지, 다시 말해 초기 위치를 기준으로 전방 또는 후방으로 얼마나 이동되었는지를 판단할 수 있는 y값을 나타내는 것이다.(이 때 기준이 될 거리의 단위는 임의로 지정 가능하다.) 따라서, A와 B를 활용하면 실질적으로 이동한 벡터 값을 고려하여 도출할 수 있게 된다.

정리하면, y축을 통해 영역을 좌우로 나누고, x축을 통해 영역을 전후로 나눌 수 있어 따라서 2차원 좌표에서 상하좌우로 얼마나 이동하였는지를 고려하여 롤러(132)의 구동비를 연산할 수 있게 된다.

따라서 도면과 같이 A가 초기 위치를 기준으로 우측(+)로 5만큼 이동하였다 가정하고, B는 전방(+)으로 3만큼 이동하였다고 가정하면, A값이 0보다 크므로

의 수식을 적용할 수 있다.

이 때, 생각해야 할 점은, 우측으로 5만큼 기울어졌다는 것은 현재 사용자의 몸이 우측으로 5만큼 이동해 있으므로, 실제로 왼쪽에 위치한 롤러 구동부(133)를 5를 당길 수 있을 정도로 구동시켜 롤러(132)를 당겨주게 되면 사용자를 원래 중앙의 위치로 이동할 수 있도록 유도할 수 있다. 여기서 a는 롤러(132)의 스펙을 고려한 0 부터 1 사이의 롤러(132) 보정상수로서, 여기서 롤러(132)의 스펙은 롤러(132)를 구동시키는 구동부(210)의 토크나 롤러(132)와 밴드와의 마찰계수 등이 고려된 값이 적용될 수 있음은 물론이다. 본 예시에서는 a값이 5인 경우로 한정하여 설명한다.

따라서

은 3/(3+1)= 0.75,

은 3/(3+2.5)= 0.38이 도출된다.

이에 따라 구동수치인

과

에 각각 동일한 회전상수인 b를 곱하는 것으로 실질적인 1 분당 롤러(132)의 회전수를 구할 수 있다.

다시 말해, b는 앞서 도출된 구동수치를 실제 1분 당 롤러(132)가 회전할 회전수로 나타날 수 있도록 변환하는 상수이며, 이는 사용자의 설정이나 기기의 기본 세팅 등을 통해 지정될 수 있다. 예를 들어 b값을 30으로 지정하게 되면,

은 22.5rpm,

은 11.4rpm 이 도출된다. 여기서 b값이 변화함에 따라 실제로 롤러(132)의 1분당 회전되는 회전수가 변경될 수 있으므로, b값을 조절하는 것으로 실질적인 rpm을 조절할 수 있음은 물론이다.

따라서 상술한 방식의 롤러(132) 제어를 통해 롤러(132)의 구동으로 사용자를 서포트할 수 있다.(이는 우측으로 회전 시 몸이 우측으로 쏠리기 때문이며, 따라서 좌측으로 일정 수준 벨트(131)를 더 감아줌으로써 사용자의 몸이 원래 위치로 돌아올 수 있도록 유도하여 기존의 상태에서 사용자는 중력의 영향으로 더 좌측으로 몸을 기울이려 하기 어렵지만(기기에서 떨어질 것 같은 느낌을 받게 된다.) 이 경우 벨트(131)가 사용자를 계속해서 잡아주기 때문에 사용자가 보다 적극적으로 좌측으로 더 몸을 기울이려 할 수 있도록 하면서도 안전성을 추구할 수 있다.) 또한, 한 쪽의 롤러(132)만 구동시키는 것이 아닌, 양 쪽의 롤러(132)를 실제 사용자의 몸의 쏠림에 따라 이에 비례하여 롤러(132)의 회전을 제어하게 되므로, 한 쪽의 롤러(132)만 일방적으로 움직이는 경우와 비교하면 보다 현실적인 좌우 피드백을 이룰 수 있는 구성을 제공할 수 있다.

나아가 안내 표시부는, 다음의 수학식 2를 사용하여 가상현실 이미지에 표시될 안내정보의 원근을 제어할 수 있다.

수학식 2,

여기서, Q는 안내정보의 원근 제어를 위해 증감된 면적, D는 1 내지 10 사이의 원근 상수,

는 안내정보의 초기 면적을 의미한다.

즉, 가상현실 이미지에 안내정보를 합성할 때에, 가상현실 이미지는 단순한 2D 이미지가 아니므로, 사용자가 주시하는 방향정보 이외에도 이러한 원근표시가 필요하다. 특히 3D이미지를 제공하더라도 실질적으로는 높이와 폭을 사용하는 2D로 변경하고, 거리감 혹은 깊이감을 제공할 수 있는 추가적인 깊이값을 부여하는 것으로도 원근감을 제공할 수는 있겠지만, 이 원근감에 있어 실제 높이와 폭이 변화하지 않으면 작은 점이 이동하는 것으로 밖에 보이지 않는다는 문제점을 갖는다.

또한 사용자 조작에 의한 좌우 변경이나 회전 변경 시 일시적으로 객체들이 크게 표현되어야 할 때(너무 한 쪽으로 방향이 치우치면 위험하다는 정보를 급하게 띄울 필요가 있다.)에는 단순히 깊이값의 조작만으로는 객체가 과도하게 빠르게 다가오는 것으로 처리할 수밖에 없으므로 이는 실제로 사용자가 바라보았을 때 자연스럽지 못하다는 문제점을 갖는다. 즉, 기본적으로 깊이값이 움직인다는 가정을 두더라도 폭과 높이는 변화되어야 할 것이며, 특히 가상공간의 경우에는 단순히 표시되는 2D 이미지를 확대시키는 것만으로도 이와 유사한 결과물을 도출할 수 있다. 다시 말해, 이미지의 높이와 폭의 크기를 키워 임시적으로 이미지를 키워 마치 원근이 제어된 것처럼 보이도록 하는 효과를 제공하는 것이다.

또한 D라는 원근 상수를 두어, 사용자의 세팅에 의해 어느 수준 이상의 배율을 설정할 것인지도 지정이 가능하며, 여기서 D의 값은 1부터 10 사이의 값을 사용하되, 큰 값을 사용할수록 원근제어 시 확대되는 정도가 더 커지게 된다.

특히 여기서

의 차이 절대값을 활용하였는데, 이는 기본적으로 내 롤러 구동부(133)의 구동비를 통해 좌판에서 사용자가 기울어진 정도를 의미하며, 따라서 헤드 마운트 디스플레이(300)와는 별도로 추가로 기울어진 외부 기울기를 고려하여 실제 기울어진 기울기에 따라 원근 제어 시 이 기울기를 통해(좌우 기울어진 정도의 차이이므로) 이미지의 기울기를 결정하여, 안내정보를 이루는 이미지의 픽셀들의 원근 투영에 의한 이미지 확대 시 해당 면적의 변화 비율을 조절할 수 있음은 물론이다.

앞선 수학식 1의 예시를 이어,

가 10이고, D도 10이었다고 가정하면, Q는 10(0.37)*(20tan(0.19)) = 3.7*(3.85) = 14.25로 도출된다.

따라서 이 경우 안내정보는 최초 면적이었던 10보다 증가된 14.25의 면적을 갖게 되며, 이 면적은 되도록 최초 면적의 중심을 기준으로 확대되어 표시되도록 함으로써 z값이 변화하기 않더라도 기존의 면적보다 크게 확대되어 사용자에게 보이므로, 시각적 착각을 불러 일으켜 면적 변화를 통한 원근감의 적용이 가능해지는 것이다.

또한, 벨트(131)는, 적어도 3개로 분할된 벨트편(134)과, 신축성 재질로서 벨트편(134) 사이에 위치하는 2개의 와이어(135) 및 각각의 와이어(135)의 일 측에 구비되어 제 1 장력과 제 2 장력을 측정하는 장력센서(136)를 구비할 수 있다. 즉, 벨트편(134)이 3개로 분할되면 각각의 사이에 위치한 와이어(135)와 장력센서(136)는 좌우측의 장력을 각각(제 1 장력과 제 2 장력으로) 측정할 수 있다.

이에 따라 감각 유지모듈은, 장력의 고저에 따라 가상현실 이미지를 좌우로 기울여 제공하는 기울임 제어부가 구비되어 장력을 통한 제어도 가능함은 물론이다.

또한 안장(110)에는, 사용자의 둔부가 닿는 압력을 감지하는 복수의 압력센서(137)가 바람직하게는 안장(110)의 좌우 방향에 동일한 간격을 두고 구비될 수 있으며, 나아가 감각 유지모듈은, 가상현실 이미지에 표시될 위험정보가 저장된 위험 데이터베이스와, 압력센서(137)에서 측정된 압력이 기 지정된 기준 압력보다 낮을 시 가상현실 이미지에 위험정보를 합성하는 정보 합성부 및, 압력의 고저를 기반으로 위험정보의 표시되는 빈도와 위험정보가 이동되는 속도를 제어하는 표시 제어부를 구비할 수 있다.

앞선 구성에 따르면 몸체(100)의 최대 높이 도달 이후 벨트(131)를 풀거나 더 감는 것으로 상승감을 계속해서 제공한다고 하였는데, 자전거 등을 타고 주행할 때에 사용자의 모습을 상상해 본다면, 사용자는 속도를 내거나 한 쪽으로 기울였을 때, 종종 안장(110)에서 둔부를 떨어뜨려 주행을 이어가는 모습을 보인다.

다만, 이러한 자세는 실제감을 느끼는 데에는 효과적이겠으나, 안전상의 문제가 발생할 우려가 있으므로, 사용자에게 지속적으로 다시 안장(110)에 착석할 것을 안내하는 구성이 필요할 것이며, 이것이 바로 표시 제어부이다.

더 나아가 몸체(100)에서 상기 안장(110) 주변에는, 바람을 발생시키는 팬(141)과, 팬(141)이 회전 가능하게 장착되는 팬 이동부(142)를 포함하는 팬 어셈블리(140)가 구비되고, 감각 유지모듈에도 시간의 흐름에 따라 상기 핸들(121)의 초기 위치로부터 전후좌우 각 변위의 변화와 제 1,2 장력 차이의 고저 및 압력의 고저에 따라 팬 이동부(142)를 제어하여 상기 팬(141)의 기울기를 제어하는 회동 제어부를 더 구비할 수 있다.

즉, 앞서 설명한 바와 같이 몸체(100)가 최대 높이로 이동되었을 때, 계속해서 상승감을 제공하기 위해, 보다 현실성을 높일 수 있도록 사용자 주변에 바람을 발생시키는 팬 어셈블리(140)를 두고, 또한 방향전환이나 속도변화 및 가상현실 이미지에서 표시된 상황과 대응하여 이펙트를 줄 수 있도록 이 팬 어셈블리(140)를 회동시킬 수 있는 구성도 갖추게 하는 것이다.

이 때, 표시 제어부는, 다음의 수학식 3을 사용하여 상기 위험정보가 표시되는 빈도를 제어하고,

수학식 3,

여기서, J는 1분당 위험정보가 표시되는 빈도,

은 제 1 장력,

은 제 2 장력,

은 초기 상태에 측정된 제 1 장력,

은 초기 상태에 측정된 제 2 장력, G는 몸체(100)의 중심을 기준으로 팬(141)의 초기 위치까지의 거리, H는 팬(141)의 초기 위치로부터 팬(141)의 현재 위치까지의 변화된 거리를 의미한다.

위험정보는 앞서 언급한 바와 같이 몸체(100)의 최대 높이 도달 이후, 다른 구성들을 통해 승강감을 제공할 때에 필요하다. 특히 벨트(131)의 제어 이후에는 사용자의 몸이 한 쪽으로 과도하게 쏠릴 우려도 있을뿐더러, 사용자가 자의에 의해서도 몸을 한 쪽으로 과도하게 쏠리도록 할 수도 있다. 이 때 장력이 발생하게 되는데, 여기서 장력은 kg값을 사용할 수도 있겠지만, 보통 측정된 kg값을 일정한 범위로 나누어 1,2,3,4,...,10 단계와 같은 단계로 나누어 표현하는 것이 일반적이다.

나아가, 팬(141)의 기울기의 경우, 사용자의 조작에 의한 방향 변화에 따라 그 기울기가 변동하는 것이므로, 이들을 활용하면 사용자가 몸이 한 쪽으로 쏠릴 수 있는 위험한 조작을 수행하고 있는지를 판단할 수 있으며, 특히 3차원 좌표를 기준으로 팬(141)의 초기 위치로부터 변화된 위치의 비율을

로 나타내었으며, 이에 따라 이 비율은 0부터 1 사이의 값을 나타내게 된다. 따라서 이러한 정보들을 활용하여 위험정보가 표시되는 빈도를 제어할 수 있다.

예를 들어, 제 1 장력이 15kg(예를 들어 본 시스템은 3kg마다 장력 단계를 올려 표기하도록 구성되어 있다고 가정하면 이는 다시 말해 5단계 이다.), 제 2 장력이 12kg(4단계), 초기의 제 1 장력과 제 2 장력은 각각 3kg(1단계), 팬(141)의 초기 위치까지의 거리가 3(이는 몸체(100)의 중심을 (0,0,0)으로 두고 전체를 3차원 좌표로 잡았을 때, 몸체(100)의 중심에서 팬(141)의 위치까지의 거리를 측정한 값이다.), 팬(141)의 현재 위치까지 변화된 거리가 2라고 가정하면, D는 (2/3)*((5+4)/(1+1)) = 0.6*4.5 = 2.7이 혹은 (2/3)*((15+12)/(3+3)) = 0.6*4.5 = 2.7이 도출된다. 예시는 공교롭게도 동일한 빈도가 도출되었으나 이 두 값은 다른 수치가 도출될 수도 있으므로 원하는 용도에 따라 단계를 사용할 것인지 장력 값을 그대로 사용할 것인지를 미리 결정하여야 할 것이다. 따라서 분당 위험정보가 표시되는 빈도는 2.7로서, 반올림하면 분당 3회의 위험정보가 표시되도록 할 수 있다.

나아가 수학식 4를 사용하여 상기 위험정보가 이동되는 속도를 제어할 수 있다.

수학식 4,

여기서,

는 현재 위험정보가 이동하는 속도, E는 압력센서(137)에서 측정된 압력(E가 0인 경우에는

는

로 간주한다.), F는 초기 상태로부터 현재까지의 E의 평균, t는 초기 위험 정보가 표시된 시각으로부터 현재까지의 시간,

은 초기 위험정보로부터 현재 위험정보까지 변화된 거리,

는 초기 위험정보의 이동하는 속도를 의미한다.

특히 위험정보 자체도 가상현실 이미지 내에서 이동되도록 구성할 수 있는데, 이는 위험정보를 한 쪽에 위치시키는 것이 아닌, 위험정보가 계속해서 이동하도록 하여 사용자의 이목을 끌 수 있도록 하는 것이며, 특히 영화 스타워즈의 오프닝에서 사용된 효과처럼 이러한 위험정보가 물 흐르듯이 지나가는 효과를 제공할 수 있어 사용자의 인지에 더욱 도움을 줄 수 있다.

예를 들면, 압력센서(137)에서 측정된 압력이 60kgf이고, 초기 상태로부터 현재까지 사용자가 둔부를 떼지 않아 평균도 60kgf이며, 변화된 거리는 100m, 초기 위험정보의 이동 속도는 15km/h, 초기 위험 정보가 표시된 시각으로부터 지난 시간은 30분이라 가정하였을 때 위험정보가 이동하는 속도는 다음과 같다.

60(0.1)/(60*0.5)+15 = 15.2km/h

다만, 사용자가 둔부를 떼어

이

인 15km/h가 되었다면, 이 값은 30km/h로 기존의 2배에 해당하는 속도가 되어 매우 빠른 속도로 위험정보가 표시되도록 함으로써 위험을 안내할 수 있음은 물론이다.

다시 말해 안장(110)의 압력을 활용하여, 사용자가 실제로 둔부를 떼고 있는 경우에는 최초로 위험정보가 이동되는 속도로 이동시키되, 이 때 위험정보가 이동되는 최초 속도를 0으로 지정하게 되면, 사용자가 둔부를 떼었을 때에는 위험정보가 화면에 빠르게 지나가도록 표시됨으로써 사용자로 하여금 위험정보의 인식을 통해 위험한 자세를 방지할 수 있음은 물론이다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템의 구성 및 작용을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

100: 몸체 110: 안장
120: 핸들 어셈블리 121: 핸들
122: 핸들박스 123: 지지부
131: 벨트 132: 롤러
133: 롤러 구동부 134: 벨트편
135: 와이어 136: 장력센서
137: 압력센서 140: 팬 어셈블리
141: 팬 142: 팬 이동부
151: 쇽 업소버 152: 플라이 휠
200: 승강 구동체 210: 구동부
211: 페달 212: 스프링
213: 받침판 214: 페달 축
220: 링크 230: 회전 변환부
231: 피니언 240: 승강부
241: 랙 300: 헤드 마운트 디스플레이
310: 디스플레이 400: 컨트롤러
510: 벨크로 520: 프리휠

Claims (12)

1. 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템에 있어서,
   스탠드에 의해 지지되는 것으로서 사용자가 착석하는 안장이 구비된 몸체;
   상기 몸체의 양 측부에 승강 가능하게 구비된 페달을 매개로 상기 사용자의 발구르기 동작을 통해 구동력을 발생시켜 상기 몸체를 승강 구동하는 승강 구동체;
   사용자의 두부(頭部)에 장착되는 것으로서 상기 사용자에게 가상현실(Virtual Reality) 이미지를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 헤드 마운트 디스플레이;
   상기 몸체에서 상기 안장에 착석된 상기 사용자가 바라보는 방향에 구비되는 것으로서, 핸들과, 상기 핸들이 회전 가능하게 장착되는 핸들박스 및, 상기 핸들박스를 상기 몸체에 지지한 상태에서 상기 핸들박스를 초기 위치로부터 전후좌우로 이동시키는 지지부를 포함하는 핸들 어셈블리;
   상기 승강 구동체의 승강 구동을 기반으로 상기 사용자에게 상기 가상현실 이미지를 차등 제공하는 것으로서,
   상기 핸들의 조작을 기반으로 상기 가상현실 이미지의 방향을 가변 처리하는 방향 적용모듈과,
   상기 몸체의 상승된 높이를 측정하는 높이 센서와, 상기 페달의 구동여부를 판단하는 페달 구동 판단센서를 포함한 상태에서 상기 몸체의 최대 높이 도달 판단 시 상기 페달의 구동여부를 통해 상기 가상현실 이미지의 상승 속도를 제어하는 감각 유지모듈을 구비한 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 승강 구동체는,
   사용자가 밟을 수 있도록 구비된 상기 페달을 매개로 구동력을 발생시키는 것으로서, 상기 페달의 하부에 구비되는 받침판과, 상기 받침판과 상기 페달 사이를 탄성 지지하는 스프링을 포함하는 구동부와,
   상기 페달의 승강을 통해 발생된 구동력을 전달하는 링크 및,
   상기 링크를 통해 전달된 구동력을 크랭크 암을 통해 회전 운동으로 변환하여 피니언을 회전시키는 회전 변환부와,
   상기 피니언과 맞물려 승강되는 랙을 일 측에 구비한 상태에서 상기 몸체를 수직 방향으로 승강시키는 승강부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 승강 구동체는,
   사용자가 밟을 수 있도록 구비된 상기 페달을 매개로 구동력을 발생시키는 것으로서, 상기 페달이 회전 구동될 수 있도록 지지하는 페달 축을 구비한 구동부와,
   상기 페달의 회전을 통해 발생된 구동력을 전달하는 링크 및,
   상기 링크를 통해 전달된 구동력을 크랭크 암을 통해 회전 운동으로 변환하여 피니언을 회전시키는 회전 변환부와,
   상기 피니언과 맞물려 승강되는 랙을 일 측에 구비한 상태에서 상기 몸체를 수직 방향으로 승강시키는 승강부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 컨트롤러는,
   상기 사용자의 가상현실 아바타를 생성 및 저장하는 아바타 데이터베이스와,
   다른 상기 시뮬레이션 시스템과 원격으로 연결되어 상기 가상현실 이미지에 다른 사용자의 가상현실 아바타를 출력하는 멀티 적용부 및,
   상기 페달의 구동속도 및 상기 핸들이 초기 위치로부터 기울어진 전후좌우 각 변위에 따라 이동된 상기 아바타의 충돌여부를 판단하는 상호작용 판단부와,
   상기 상호작용 판단 시 상기 페달의 구동속도 고저에 따라 상기 가상현실 이미지에서 상기 가상현실 아바타를 멀어지게 이동시키는 충돌 적용부를 포함하는 다중 접속 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는, 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 안장은,
   사용자의 몸통에 둘러 고정하는 벨트와,
   하나의 상기 벨트에서 양 측이 권취되는 것으로서, 상기 안장에 착석된 사용자의 좌우측에서 회전을 통해 상기 벨트를 인출하도록 구비된 롤러 및,
   상기 롤러에 회전력을 제공하는 롤러 구동부를 구비하고,
   상기 감각 유지모듈은,
   상기 몸체의 최대 승강높이 도달 시 상기 롤러 구동부를 구동시키는 벨트 제어부와,
   상기 가상현실 이미지에 표시될 안내정보가 저장된 안내 데이터베이스 및,
   상기 롤러 구동부의 구동에 따라 상기 가상현실 이미지에 안내정보를 합성하고 원근감을 부여하는 안내 표시부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 벨트 제어부는,
   다음의 수학식 1에서 도출된 구동수치를 통해 좌측 롤러 구동부와 우측 롤러 구동부의 구동수치 비율인 구동비를 도출하여, 상기 구동비의 고저에 따라 상기 롤러 구동부의 구동을 차등 제어하고,
   수학식 1.

   

   
   (여기서,

   

   은 좌측에 위치하는 롤러 구동부의 구동수치,

   

   은 우측에 위치하는 롤러 구동부의 구동수치, 핸들의 횡단면을 기준으로 할 때, 좌우 방향의 x축과 전후 방향의 y축을 갖는 x,y좌표에서 A는 y축을 기준으로 상기 초기 위치로부터 상기 핸들이 이동한 거리, B는 x축을 기준으로 상기 초기 위치로부터 상기 핸들이 이동한 거리, a는 롤러의 스펙을 고려한 1 부터 10 사이의 롤러 보정상수를 의미하고,

   

   은 1 분당 좌측에 위치하는 롤러의 회전 수,

   

   은 1 분당 우측에 위치하는 롤러의 회전 수, b는 회전상수를 의미한다.)
   상기 안내 표시부는,
   다음의 수학식 2를 사용하여 상기 안내정보의 면적을 증감시켜 원근감을 부여하는 것을 특징으로 하는, 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템.
   수학식 2,

   

   
   (여기서, Q는 안내정보의 원근 제어를 위해 증감된 면적, D는 원근감을 부여 시 기준이 될 1 내지 10 사이의 원근 상수,

   

   는 안내정보의 초기 면적을 의미한다.)
9. 제 7항에 있어서,
   상기 벨트는,
   적어도 3개로 분할된 벨트편과, 신축성 재질로서 상기 벨트편 사이에 위치하는 2개의 와이어 및 각각의 상기 와이어의 일 측에 구비되어 각각 제 1 장력과 제 2 장력을 측정하는 장력센서를 구비하고,
   상기 감각 유지모듈은,
   상기 제 1,2 장력 차이의 고저에 따라 상기 가상현실 이미지를 좌우로 기울여 제공하는 기울임 제어부가 구비되는 것을 특징으로 하는, 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 안장에는,
    상기 사용자의 둔부가 닿는 압력을 감지하는 복수의 압력센서가 복수 개로 구비되고,
    상기 감각 유지모듈은,
    상기 가상현실 이미지에 표시될 위험정보가 저장된 위험 데이터베이스와,
    상기 압력센서에서 측정된 압력이 기 지정된 기준 압력보다 낮을 시 상기 가상현실 이미지에 상기 위험정보를 합성하는 정보 합성부 및,
    상기 압력의 고저를 기반으로 상기 위험정보의 표시되는 빈도와 상기 위험정보가 이동되는 속도를 제어하는 표시 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 몸체에서 상기 안장 주변에는,
    바람을 발생시키는 팬과,
    상기 팬이 회전 가능하게 장착되는 팬 이동부를 포함하는 팬 어셈블리가 구비되고,
    상기 감각 유지모듈은,
    시간의 흐름에 따라 상기 핸들의 초기 위치로부터 전후좌우 각 변위의 변화와 상기 제 1,2 장력 차이의 고저 및 상기 압력의 고저에 따라 상기 팬 이동부를 제어하여 상기 팬의 기울기를 제어하는 회동 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 표시 제어부는,
    다음의 수학식 3을 사용하여 장력을 매개로 상기 위험정보가 표시되는 빈도를 제어하고,
    수학식 3,

    

    
    (여기서, J는 1분당 위험정보가 표시되는 빈도,

    

    은 제 1 장력,

    

    은 제 2 장력,

    

    은 초기 상태에 측정된 제 1 장력,

    

    은 초기 상태에 측정된 제 2 장력, G는 몸체의 중심을 기준으로 팬의 초기 위치까지의 거리, H는 팬의 초기 위치로부터 팬의 현재 위치까지의 변화된 거리를 의미한다.)
    다음의 수학식 4를 사용하여 상기 위험정보가 이동하는 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 가상현실 기반의 공중부양 시뮬레이션 시스템.
    수학식 4,

    

    
    (여기서,

    

    는 현재 위험정보가 이동하는 속도, E는 압력센서에서 측정된 압력(E가 0인 경우에는

    

    는

    

    로 간주한다.), F는 초기 상태로부터 현재 까지의 E의 평균, t는 초기 위험 정보가 표시된 시각으로부터 현재 까지의 시간,

    

    은 초기 위험정보로부터 현재 위험정보까지 변화된 거리,

    

    는 초기 위험정보의 이동하는 속도를 의미한다.)

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