KR102239347B1 - 체공체험 시뮬레이션 장치 - Google Patents

Abstract

가상현실을 이용하나 현실적인 체감 수준의 체공체험용 시뮬레이션 장치에 관한 발명임. 본 발명의 체공체험 시뮬레이션 장치는 체험대(5), 히브 기구(8), 요 기구(10), 롤 기구(12), 피치 기구(14), 와이어 조절기구(16), 실감효과부(18), 플랫폼 동작센서(20), 모션센서(22), 컨텐츠출력기(24)를 포함하는 체공체험 플랫폼(100)과, 체공체험 스토리를 토대로 가상현실 체공체험 컨텐츠를 생성하거나 또는 외부에서 생성된 컨텐츠를 임포트하고 저장하고, 가상현실 체공체험 컨텐츠를 플랫폼(100)에 제공하는 시뮬레이션 처리부(40), 상기 체공체험 플랫폼(100)의 상기 각 구성요소들을 제어하는 플랫폼 제어부(42), 플랫폼 동작센서(20)로부터 신호를 수신하여 플랫폼 동작 상태를 모니터링하는 플랫폼 모니터링부(44), 모션센서(22)로부터 신호를 수신하여 체험 중 사용자의 모션을 인식하는 사용자모션 인식부(30)를 포함하는 컨트롤러(200)를 포함한다.

Description

체공체험 시뮬레이션 장치 {VR simulation apparatus for staying in statics environment}

본 발명은 실감형 가상현실(VR) 체험에 관한 것으로, 구체적으로는, 익스트림 판타지(extreme fantasy) 세계를 직접 체험할 수 있도록 스카이다이빙, 점프, 스킨스쿠버, 자유유영, 체공 경쟁 등 공중/수중 환경(statics environment)의 체험(이하, '체공체험')을 제공하는 플랫폼 및 컨트롤러가 포함된 체공체험 시뮬레이션 장치에 관한 것이다.

가상현실에 기반한 체험 시뮬레이터 중 하나로 등록번호 10-1797453(공고일자 2017년 11월 14일)의 가상현실 기반 경사도 및 추락 체험 시뮬레이터가 있다. 이 기술은 가상현실의 노면 상태에 따라 경사 조절 및 추락 상황을 체험할 수 있도록 한 가상현실 기반 경사도 및 추락 체험 시뮬레이터에 관한 것으로서, 사용자의 보행 또는 주행 노면을 제공하는 노면플레이트와; 상기 노면플레이트의 경사도 및 낙하를 조절하기 위한 다축제어모듈과; 상기 사용자의 보행 또는 주행을 위한 가상현실을 디스플레이하는 가상현실 디스플레이유닛; 및 상기 가상현실 디스플레이유닛을 통해 디스플레이되는 가상현실에 따라 상기 다축제어모듈을 제어함으로써 상기 노면플레이트의 경사도 및 낙하를 조절하기 위한 제어용 통신모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

다른 가상현실 체험용 시뮬레이터로, 등록번호 10-1212445(공고일자 2012년 12월 13일)의 고공강하 모의훈련 및 가상현실 체험을 위한 시뮬레이터 장치가 있다. 이 기술은, 체험자가 고공강하 훈련을 수행하거나 가상현실에 대한 체험을 할 때 체험자를 상부로 부양시킨 상태에서 자세를 변환시키기 위한 모션베이스를 통해 장치를 보다 편리하고 단순화하여 제어하므로써, 동작시간을 단축시킬 수 있도록 하며 센싱을 보다 정확하게 수행할 수 있도록 한 고공강하 모의훈련 및 가상현실 체험을 위한 시뮬레이터 장치에 관한 것이다. 이 기술에 따르면, 내측에 고공강하 체험을 하기 위한 체험공간이 형성되고, 그 상, 하부에 고공강하 체험을 실시하기 위한 각 구성이 설치될 공간을 제공하는 본체와; 상기 체험공간의 상부에 설치되어 체험자를 견인하여 부양시키며 체험자의 고공강하 자세를 제어하는 모션베이스와; 상기 모션베이스의 상부 본체에 설치되어 모션베이스의 승강 및 모션베이스의 각도를 변환시켜 체험자의 고공강하 자세를 제어하기 위한 구동력을 제공하는 구동부와; 상기 본체의 하측에 설치되어 모션베이스에 의해 부양된 체험자의 부양을 보조하기 위한 상향풍을 생성하여 공급하는 팬유닛으로 구성된다.

가상현실 기술 및 그 구현을 위한 다양한 주변기술의 발달에 힘입어, 실환경에서 체험하기 어려운 환경을 가상현실에서 체험하도록 하기 위한 플랫폼 또는 시뮬레이터가 많이 등장하고 있으나, 스카이다이빙, 점프, 스킨스쿠버, 자유유영, 체공 경쟁 등의 공중/수중에 머무르는 체공체험에 대해서는 초보적인 기술 이외에 제대로 된 현실적인 시뮬레이션 기술이 없다. 이에 본 발명을 통해 비록 가상현실을 이용하나 현실적인 체감 수준의 체공체험용 시뮬레이션 장치를 제안하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 다음과 같은 기술이 집약된 체공체험 플랫폼 및 컨트롤러 기술이 포함된 시뮬레이션 장치가 제공된다.

○ 와이어 기반 체공체험 플랫폼

- 체공플랫폼 4-자유도 점프 와이어 기반 체공체험 플랫폼

- 유영 및 낙하 물리역학 시뮬레이션

- 고출력/고속 액츄에이터의 구동

- 수중 부력 체감 및 공중 자세 제어용 4축 와이어 기구(윈치시스템)

○ 체공체험자(들)의 모션 인식 및 접촉 구조물 제어기술

- 체공체험자의 팔, 다리, 머리 등 모션 및 체험자 위치의 실시간 인식 및 인식 데이터를 이용한 체공체험 플랫폼의 실시간 제어

- 체공체험자의 체공 자세, 기구물 구조, 환경접촉의 특성을 고려하여 센서의 위치를 배치하여 모션을 측정

- 체공체험자의 하늘(공중) 또는 수중 공간에서의 유영 동작 등 팔과 다리의 움직임을 체공체험 콘텐츠의 해당 체공 액션에 실시간 반영

○ 체공체험용 스토리에 맞는 최적의 체험 연동 모션제어 기술

- 모션제어 데이터 규격 정의 및 실시간 데이터 전송을 위한 소프트웨어

- PLC(Programmable Logic Controller) 제어 기술

○ 체공체험 플랫폼과 가상현실의 정합 기술

- 체공체험 콘텐츠와 체공체험 플랫폼간 프로토콜 정의

- HMD, 콘텐츠, 및 플랫폼 연동 기술

- 사용자와 체험 플랫폼간의 인터랙션 콘트롤

○ 체공체험 플랫폼 안전 구조

- 4축 와이어에 의한 공중 부양 상태에서의 안전 확보를 위한 기구 구조물

- 체험자의 과도한 흥분을 막기 위한 모니터링 및 비상정지 기능 구현

○ 체공체험 실감효과 재현 기술

- 온도, 바람 등의 실감효과 재현

- 외부 환경요소(온도, 바람)를 반영한 제어 프로토콜 및 연동 기술

○ 체공체험 플랫폼 운영.관리 기술

- 체공체험 콘텐츠시스템 운영 제어 소프트웨어 및 하드웨어 구축

- 각종 안전센서 모니터링 상태 알림 및 안전장치 제어 소?Y트웨어

- 관리자용 비상스위치(emergency switch) 지원

이상에서 소개한 본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명에 따르면 실환경에서 체험하기 어려운 체공체험(스카이다이빙, 스킨스쿠버, 체공 경쟁 등)을 제공하는 플랫폼을 이용하여 가상현실에서 체험할 수 있으며, 실감효과가 극대화된 현실적인 체감 수준의 익스트림 판타지 세계를 체험할 수 있게 된다.

도 1a~d는 본 발명의 체공체험 시뮬레이션 장치의 개념적 동작 설명도이다.
도 2a는 본 발명의 체공체험 시뮬레이션 장치의 개략 구성도이다.
도 2b는 체공체험 시뮬레이션 장치의 체공체험 플랫폼의 개략 구성도이다.
도 3a~c는 체험대(5)의 요(yaw) 동작을 나타낸다.
도 4a,b는 체험대(5)가 z축으로 수직 상승하는 히브(heave) 동작을 나타낸다.
도 5a~c는 체험대(5)가 앞쪽으로 숙여지는 피치(pitch) 동작을 나타낸다.
도 6a~c는 체험대(5)가 좌우로 회전하는 롤(roll) 동작을 나타낸다.
도 7a,b는 체험대(5)에 부착된 하네스(9)를 나타낸다.
도 8은 하네스(9)의 와이어 장력조절장치의 실시예를 나타낸다.
도 9a,b는 와이어 조절기구의 실시예를 나타낸다.
도 10은 체공체험시의 실감효과를 배가시키기 위한 실감효과부의 실시예를 나타낸다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 기술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1a~d는 본 발명의 체공체험 시뮬레이션 장치의 실시예의 개념을 설명한다. 도 1a에서 보듯이, 좌대(1)에 주축(3)이 세워져 있고, 주축(3)에 체험대(5)가 설치된다. 사용자는 체험대(5)에 있는 하네스(9)를 착용하여 체험대(5)에서 이탈되지 않도록 서고 헤드마운트디바이스(HMD)(7)를 쓴다. 체험대(5)의 주위에는 스피커(11)가 설치되어 사용자에게 청각 정보를 제공한다. 도 1a~d에서 주축(3)의 길이방향을 z축, 사용자의 정면 방향을 y축, 사용자의 오른손 방향을 x축이라고 하면, 도 1a는 주축(3)을 따라 지면에서 일정 높이로 체험대(5)가 z축으로 수직 상승되어 있는 상태를 나타낸다. 도 1b는 체험대(5)가 y축 방향을 보도록 서 있다가 사용자의 눈이 아래를 향하도록 앞으로, 즉, -z축 방향으로 숙여지고 있는 동작(pitch) 상태를 나타내고, 도 1c는 체험대(5)가 더 숙여져 90° 숙여진 상태를 나타낸다. 도 1d는 체험대(5)가 사용자의 정면 방향인 -z축 방향으로 숙여지는 pitch 동작과 사용자의 측면 방향으로 회전하는 롤(roll) 동작이 함께 일어나고 있는 상태를 나타낸다. 이와 같이 사용자는 체험대(5)에 마련된 하네스(9)를 착용하고 HMD(7)를 쓰고 스피커(11)에서 나오는 음향을 들으며 체험대(5)의 다양한 방향과 각도의 회전을 통해 시각 및 청각 자극에 의한 가상현실 체공체험을 할 수 있다. 하네스(9)는 체험대(5)에 와이어를 통해 연결되고 와이어의 길이, 장력 등을 사용자의 어깨, 등 또는 상체, 허리 또는 하체 부위에서 다양하게 체험 스토리에 따라 조절하여 현실수준의 가상현실 체공체험 시뮬레이션을 제공할 수 있다.

도 2a는 본 발명의 체공체험 시뮬레이션 장치의 구성도이다. 크게 체공체험 플랫폼(100)과 컨트롤러(200)로 구성된다.

먼저, 체공체험 플랫폼(100)은 기본적으로, 사용자(체험자)가 하네스(도 1a의 9)를 착용하여 몸을 고정하고 체공체험을 하게 되는 체험대(5), 체험대(5)를 히브 동작시키는 히브 기구(8), 체험대(5)를 yaw 동작시키는 요(yaw)기구(10), 체험대(5)를 롤roll) 동작시키는 롤 기구(12), 체험대(5)를 피치(pitch) 동작시키는 피치 기구(14), 하네스(도 1a의 9)를 체험대(5)에 고정하는 와이어의 길이, 장력 등을 사용자의 어깨, 등 또는 상체, 및/또는 허리 또는 하체 부위에서 다양하게 체험 스토리에 따라 조절하는 와이어 조절기구(16), 체공체험의 효과를 배가하기 위하여 바람, 온도, 향기 등의 매체를 방출하도록 하는 실감효과부(18), 플랫폼(100)의 히브, 요, 롤, 피치 동작 및 체공체험을 위한 작용상태를 감지하는 플랫폼 동작센서(20), 사용자의 체공체험 중의 사용자의 위치와 모션을 감지하는 모션 센서(22), 사용자에게 체공체험 스토리에 따른 시각, 청각, 및/또는 촉각컨텐츠를 제공하는 HMD, 스피커, 햅틱장치 등의 컨텐츠출력기(24)를 포함한다.

또한, 컨트롤러(200)는 체공체험 스토리 및 체험 콘텐츠를 실행하도록 작성된 소프트웨어 프로그램의 컴파일링, 상술한 각 구성요소의 기능(function) 또는 처리(process)의 실행 및 제어, 시뮬레이터와 사용자 간의 인터랙션 중개, 체공체험 상황의 실시간 디스플레이 등의 역할을 한다. 구체적으로, 컨트롤러(200)는 체공체험 스토리를 토대로 가상현실 체공체험 컨텐츠를 생성하거나 또는 외부에서 생성된 컨텐츠를 임포트하고 저장하고, 가상현실 체공체험 컨텐츠를 플랫폼(100)에 제공하는 시뮬레이션 처리부(40), 상기 체공체험 플랫폼(100)의 상기 각 구성요소들을 제어하는 플랫폼 제어부(42), 플랫폼 동작센서(20)로부터 신호를 수신하여 플랫폼 동작 상태를 모니터링하는 플랫폼 모니터링부(44), 모션센서(22)로부터 신호를 수신하여 체험 중 사용자의 모션을 인식하는 사용자모션 인식부(30)를 포함한다.

도 2b는 상기 체공체험 플랫폼(100)의 개략 구성도이다. 좌대(1)에 주축(3)이 세워져 있고, 주축(3)에는 연결바(4)를 통해 체험대(5)가 결합된다. 체험대(5)에 사용자(체험자)가 하네스를 착용하여 몸을 고정하여 체공체험 준비를 한다. 주축(3)에는 연결바(4)를 승강시키는 기구, 즉, 히브 기구(8)가 있어서 연결바(4)를 승강시키고 이에 따라 체험대(5)의 히브 동작이 일어나도록 한다. 또한 주축(3)에는 연결바(4)와 체험대(5)를 회전(yaw 동작)시키는 요 기구(10)와, 연결바(4)를 롤(roll) 동작시키는 롤 기구(12)가 설치되어 있다. 또한 연결바(4)와 체험대(5)의 결합부에는 체험대(5)를 피치(pitch) 동작시키는 피치 기구(14)가 설치되어 있다. 이와 같이 본 발명의 체공체험 시뮬레이션 장치를 위한 플랫폼(100)은 기본적으로 히브, 요, 롤, 피치 동작을 수행한다(따라서 이들 네 가지 동작을 위하여 4개의 축이 필요하다 - 히브 축, 요 축, 롤 축, 피치 축).

한편, 컨트롤러(200)는 DSP(digital signal processor), 프로세서, 컨트롤러, ASIC(application-specific IC), 프로그래머블 로직소자(FPGA 등), 기타 전자소자 중의 적어도 하나 그리고 이들의 조합이 포함되는 하드웨어 요소로써 구현 가능하다. 또한 하드웨어적 요소들과 소프트웨어를 결합하여 구현 가능하고, 이와 달리 독립적으로 소프트웨어로써만도 구현 가능하다. 하드웨어적 요소들과 소프트웨어의 결합에 의한 구현을 위해서는 체공체험 콘텐츠(가상현실)와 체공체험 플랫폼(시뮬레이터) 간의 정합을 위한 프로토콜 정의, HMD, 콘텐츠, 및 플랫폼(시뮬레이터)의 연동 기술, 사용자와 체험 플랫폼간의 인터랙션 콘트롤이 필요하다. 또한, 이 소프트웨어는 기록매체에 저장 가능하다. 컨트롤러(200)의 구성의 구체적 설명 및 그 작용 설명에 대해서는 이하에서 체공체험 플랫폼(100)의 구성 및 작용에 대한 설명시에 함께 설명될 것이다(또는, 이하의 체공체험 플랫폼(100)의 구성 및 작용에 대한 설명으로부터 명확해질 것이다).

도 3a~c는 체험대(5)의 요(yaw) 동작을 나타낸다. 도 3a에서 체험대(5)는 두 개의 연결바(4)를 통해 주축(3)에 연결된다. 컨트롤러(200)의 플랫폼 제어부(42)에서 전송된 명령에 의해 주축(3) 자체의 회전에 의해 또는 주축(3) 내에 설치된 요(yaw) 기구(10)의 요 동작에 의해 체험대(5)는 주축(3)을 중심으로 x-y 평면에서 요 동작을 한다. 도 3b에 표시한 6번 구성요소는 연결바(4)(및 체험대(5))를 수직으로 승강시키는 기구, 즉 히브 기구(8)의 일부이다(후술함).

도 4a, 4b는 히브 기구(8)에 의해 체험대(5)가 z축으로 수직 상승하는 히브(heave) 동작을 나타낸다. 주축(3)에 연결바(4)를 통해 연결된 체험대(5)가 컨트롤러(200)의 플랫폼 제어부(42)에서 전송된 명령에 의해 도 4a의 상태로부터 도 4b의 상태로 수직 상승된다(히브 동작). 이는 주축(3) 자체가 z축으로 승강하는 구조, 또는 주축(3)은 고정되어 있고 여기에 결합된 별도의 히브 기구(도 3b의 6번 참조)가 승강하는 구조로 설계할 수 있다.

도 5a~c는 컨트롤러(200)의 플랫폼 제어부(42)에서 전송된 명령에 의해 체험대(5)가 앞쪽으로 숙여지는 피치(pitch) 동작을 나타낸다. 피치 동작은 주축(3)과 체험대(5)를 연결하는 연결바(4)와 체험대(5)와의 결합부 및 피치 기구(14)에 의해서 이루어진다. 도 5a에서 일정 높이에 서 있는 체험대(5)가 도 5b에서 연결바(4)를 중심으로 앞으로 기울여지기 시작하여 도 5c에서와 같이 90°로 완전히 숙여진다(피치 동작). 도 5c는 체험대(5)가 앞으로 90° 숙여짐에 따라 체험대(5)의 상면(13)이 정면에서 보이게 됨을 나타낸다.

도 6a~c는 컨트롤러(200)의 플랫폼 제어부(42)에서 전송된 명령에 의해 체험대(5)가 좌우로 회전하는 롤(roll) 동작을 나타낸다. 롤 동작은 주축(3)과 체험대(5)를 연결하는 연결바(4)와 주축(3)의 결합부 및 롤 기구(12)에 의해서 이루어진다. 도 6a에서 앞쪽으로 숙여진 상태의 체험대(5)가 도 6b에서는 시계방향으로 z-x 평면에서 회전하고(롤 동작), 도 6c에서는 동일 평면에서 반시계방향으로 체험대(5)가 롤 동작한 것을 나타낸다. 도 6a~c에서는 체험대(5)가 앞쪽으로 숙여진 상태에서의 롤 동작을 나타내었지만, 체험대(5)가 도 3a에서와 같이 서 있는 상태에서의 롤 동작도 가능함은 자명하다.

도 7a, b는 체험대(5)에 부착된 사용자 착용용 하네스(9)를 나타낸다. 사용자는 하네스(9)를 착용하고 체험대(5)에 의한 4축 운동을 겪어야 하므로, 사용자 안전상 하네스(9)는 체험대(5)에 견고하게 결합되어야 한다. 그러나 사용자가 하네스(9)를 착용하기 전에는 용이하게 착용해야 하므로 하네스(9)가 체험대(5)에 느슨하게 연결되어야 한다. 또한, 사용자의 체형이나 체격이 다 다르므로 하네스(9)가 체험대(5)에 부착되는 정도를 용이하게 조절할 수 있어야 한다. 또한, 체험대(5)의 다양한 동작에 의해 사용자에게 체공체험을 주기 위하여 체공체험용 스토리 내지는 시나리오에 따라 하네스(9)를 임의로 죄었다 풀었다 하는 기능(와이어 조절)도 필요하다.

이를 위해 도 7a, b에서 하네스(9)는 사용자의 양어깨 부위에 위치하여, 체험대(5)의 외관을 이루는 하우징 패널 쪽으로 당겨지거나 반대 쪽으로 느슨해지는 제1와이어(15a, 15b), 사용자의 좌우 등 부위 또는 상체에 위치하여 하우징 패널 쪽으로 당겨지거나 반대 쪽으로 느슨해지는 제2와이어(17a, 17b), 사용자의 좌우 허리 부위나 둔부 또는 하체에 위치하여 하우징 패널 쪽으로 당겨지거나 반대 쪽으로 느슨해지는 제3와이어(19a, 19b)를 포함한다. 체험대(5)의 하우징 패널의 내부 공간과 외부 공간을 관통하는 홀을 상기 각 위치마다 형성해 놓고 외부 공간에 위치한 하네스(9)에 부착된 제1와이어(15a, 15b), 제2와이어(17a, 17b), 제3와이어(19a, 19b)를 각 해당 홀을 통해 하우징 패널의 내부 공간에 있는 와이어 조절기구(16)에 연결하여, 와이어 조절기구(16)가 각 와이어를 좌우 대칭으로 또는 좌우 비대칭으로 당기거나 풀도록 할 수 있다.

도 8은 하네스(9)의 와이어 조절기구(16)의 한 실시예를 나타내는 것으로, 특히, 제1와이어(15a, 15b), 제2와이어(17a, 17b), 제3와이어(19a, 19b)의 좌우(하네스를 착용하는 사용자의 왼쪽 오른쪽을 의미함)의 양쪽 부분을 동시에 당겼다 놓았다 하는 작용을 하는 와이어 조절기구의 실시예이다. 컨트롤러(200)의 시뮬레이션 처리부(40) 및 플랫폼 제어부(42)의 제어신호에 따라 체공체험 플랫폼(100)이 시뮬레이션 시나리오(체험 스토리)에 따라 동작할 때 플랫폼(100)의 와이어 조절기구(16)에 제어신호를 전송하여 하네스의 각 와이어의 길이와 장력을 조절할 수 있다. 이로써 사용자의 체공체험이 현실적 및 극대화될 수 있다.

와이어 조절기구(16)의 구성을 살펴본다. 모터(21)의 회전축에 연결된 리드스크류(23)가 회전함에 따라 슬라이드너트(25)가 직선운동 하도록 구성된 메커니즘을 이용해 슬라이드너트(25)에 부착된 와이어 당김판(27)이 직선으로 이동하면서 그 양단(27a, 27b)에 연결된 좌우 양 와이어 부분을 일거에 당기거나 푼다. 즉, 모터(21)의 회전방향이 전환됨에 따라 슬라이드너트(25)의 직선이동 방향이 바뀌면서 와이어를 당기거나 푸는 것이다. 이를 위해 모터(21)는 컨트롤러(200)의 플랫폼 제어부(42) 또는 다른 제어요소의 제어 명령에 의해 온오프 및 정역 전환 제어가 용이한 서보모터나 스텝모터를 사용하는 것이 바람직하다. 와이어 당김판(27)이 와이어를 당기면 하네스(9)가 체험대(5)의 하우징 패널쪽으로 끌려오면서 팽팽하게 위치하게 될 것이고, 와이어 당김판(27)이 와이어를 놓으면 하네스(9)의 무게로 인한 중력에 의해 와이어가 풀리게 될 것이다. 상기 리드스크류(23)와 슬라이드너트(25)는, 볼스크류(볼나사)와 관련 기계요소 또는 그 밖의 요소를 대체적으로 사용하여 다른 형태의 와이어 조절기구를 구성할 수도 있다.

이 와이어 조절기구는 제1와이어(15a, 15b), 제2와이어(17a, 17b), 제3와이어(19a, 19b)를 당기거나 푸는 데 사용할 수 있는 기본적인 구조의 메카니즘으로서, 체공체험의 체감도를 극대화하기 위하여(즉, 현실화하기 위하여) 더 복잡한 구조의 메카니즘으로 발전시킬 수 있을 것이다(도 9a,b를 참조하여 후술함).

도 9a,b는 특히 두 부분으로 구성된 제2와이어(17a, 17b) 및 제3와이어(19a, 19b) 중 하나 이상을 선택적으로 당기거나 풀 수 있도록 그리고/또는 각 와이어의 좌우 양쪽 부분을 비대칭적으로 당기거나 풀 수 있도록 하여 체공체험의 체감도를 현실화할 수 있도록 4축 동작(히브, 요, 롤, 피치)에 대응 가능할 수 있게 구성한 4축 와이어 조절기구(또는 윈치시스템)의 실시예를 나타낸다. 이러한 구조의 와이어 조절기구(16)는 앞에서 언급한 것과 같이 체험대(5)에 사용자를 안전하게 수용하기 위하여 그리고 사용자의 하네스(9) 착용을 용이하게 하기 위하여 하네스(9)를 연결하는 와이어를 당기거나 푸는 역할을 하면서, 아울러, 체공체험용 스토리에 따라 하네스(9)의 와이어를 수시로 당겼다 풀었다 하면서 체공 체감의 효과를 극대화하도록 설계되어 제1와이어(15a, 15b), 제2와이어(17a, 17b), 제3와이어(19a, 19b) 중 하나 이상을 선택적으로 당기거나 푼다. 또는 각 와이어의 좌우 양 부분을 다른 길이와 장력으로 비대칭적으로 당기거나 푼다. 이러한 선택적 와이어 조절 및 비대칭적 와이어 조절은 앞에서 언급한 것과 같이 컨트롤러(200)의 시뮬레이션 처리부(40) 및 플랫폼 제어부(42)의 제어 신호를 수신한 체공체험 플랫폼(100)이 시뮬레이션 시나리오(체험 스토리)에 따라 동작할 때에 함께 수행된다. 체공체험용 스토리에 따라 와이어를 수시로 당겼다 풀었다 하도록 체공체험용 스토리를 토대로 작성된 소프트웨어 프로그램과 이 프로그램을 해석하여 그에 상응하는 제어신호를 출력하는 컨트롤러(200)(마이크로프로세서 등) 그리고 와이어 조절 기구(16) 내의 액추에이터 및 모터를 구동하기 위한 하드웨어(액추에이터 드라이버, 모터드라이버 등)에 의해 액추에이터의 작동 및 모터의 회전, 제동, 회전방향전환 등이 실행될 것이다. 이를 위해 모션제어 데이터 규격 정의 및 실시간 데이터 전송을 위한 소프트웨어가 필요하고, PLC(Programmable Logic Controller) 제어 기술도 필요할 것이다.

도 9a와 도 9b에서, 제2와이어(17a, 17b)의 길이를 조절하기 위한 한 쌍의 액추에이터(29a,b)와 제3와이어(19a, 19b)의 길이를 조절하기 위한 한 쌍의 액추에이터(29c,d)가 병렬 위치에 설치되어 있다. 이들 각 액추에이터(29a,b, 29c,d)는 제2와이어(17a, 17b)와 제3와이어(19a, 19b) 각각에 할당되어 각 와이어의 길이를 조절하도록 설계된다. 각 액추에이터(29a,b, 29c,d)의 전기기계(일렉트로메카닉) 작용에 의해 각 이동봉(무빙로드)(31a,b, 31c,d)이 왕복운동을 한다. 각 이동봉(31a,b, 31c,d)의 끝에는 이동롤러(33a,b, 33c,d)가 있다. 따라서 액추에이터(29a,b 29c,d)가 작용하면 이동봉(31a,b, 31c,d)이 왕복운동하고 그에 따라 이동롤러(33a,b, 33c,d)도 왕복운동한다. 한편, 각 액추에이터(29a,b, 29c,d)를 고정하는 브라켓 내지는 프레임의 역할을 하면서 이동봉(31a,b, 31c,d)의 운동에 영향을 주지 않도록 설치된 고정대(35a,b, 35c,d)가 있는데, 각 고정대(35a,b, 35c,d)에는 한 쌍의 고정롤러(37a,a',b,b', 37c,c',d,d')가 있다. 이동롤러(33a,b, 33c,d)와 고정롤러(37a,a',b,b', 37c,c',d,d')에는 각각 제2와이어의 두 부분(17a, 17b)과 제3와이어의 두 부분(19a, 19b)이 감겨 있다. 이러한 구조로써 이동봉의 왕복 운동시의 위치에 따라 각각의 와이어의 길이가 조절된다.

한편, 한 쌍의 액추에이터(29a,b, 29c,d) 사이에는 하나씩의 와이어 장력조절장치(39, 39')가 있다. 좌측의 와이어 장력조절장치(39)는 좌측 한 쌍의 액추에이터(29a,b)에 할당된 와이어, 즉, 제2와이어(17a, 17b)를 당겼다 풀었다 하는 작용을 하고, 우측의 와이어 장력조절장치(39')는 우측 한 쌍의 액추에이터(29c,d)에 할당된 와이어, 즉, 제3와이어(19a, 19b)를 당겼다 풀었다 하는 작용을 한다. 각 와이어 장력조절장치(39, 39')는 도 8에 나타낸 메카니즘과 사실상 동일하게 구성된다. 즉, 모터(41, 41')의 회전축에 연결된 리드스크류(43, 43')가 회전함에 따라 리드스크류(43, 43') 끝에 있는 슬라이드너트(45, 45')가 직선운동 하도록 구성된 메커니즘을 이용해 슬라이드너트(45, 45')에 연결된 와이어(17a,b, 19a,b)가 당겨지거나 풀어진다. 이 때 사용된 모터(41, 41')도 온오프 및 정역 전환 제어가 용이한 서보모터나 스텝모터를 사용하는 것이 바람직하다. 설명하지 않은 요소 45와 45'는 와이어(17a,b, 19a,b)이 원활하게 당겨지거나 풀어지도록 해 주는 일종의 아이들 롤러이다.

도 9a,b와 같이 구성된 와이어 조절기구의 작용을 설명한다. 컨트롤러(200)의 시뮬레이션 처리부(40)의 시뮬레이션 시나리오에 따라 플랫폼 제어부(42)가 와이어 조절에 관련된 명령어를 전송하면 각 액추에이터(29a,b, 29c,d)가 작용하여 이동롤러(33a,b, 33c,d)가 고정롤러(37a,a',b,b', 37c,c',d,d')로부터 이격된 정도에 따라 와이어 길이가 조절된 상태에서 각 액추에이터(29a,b, 29c,d) 쌍에 할당된 와이어 장력조절장치(39, 39')가 작용하여 제2와이어(17a, 17b) 또는 제3와이어(19a, 19b)를 선택적으로 당겨 장력을 조절한다. 구체적으로 설명한다. 도 9a는 이동봉(31a,b, 31c,d)이 액추에이터(29a,b, 29c,d)에 의해 연장되어 이동롤러(33a,b, 33c,d)가 고정롤러(37a,a',b,b', 37c,c',d,d')로부터 떨어져 그만큼 와이어의 길이가 조절된 상태를 나타내고, 도 9b는 이동롤러 33a와 33c는 고정롤러(37a,a', 37c,c')와 접촉되고 이동롤러 33b와 33d는 고정롤러(37b,b', 37d,d')와 떨어져 각각 와이어의 길이가 조절된 상태를 나타낸다. 따라서 도 9a의 경우에는 제2와이어의 두 부분(17a, 17b)과 제3와이어의 두 부분(19a, 19b)의 길이가 동일한 상태이므로 두 부분의 와이어가 와이어 장력조절장치(39 또는 39')에 의해 대칭적으로 동일하게 당겨진다. 반면에, 도 9b의 경우에는 제2와이어의 두 부분(17a, 17b)과 제3와이어의 두 부분(19a, 19b)의 길이가 다른 상태이므로 두 부분의 와이어가 와이어 장력조절장치(39 또는 39')에 의해 비대칭적으로 당겨진다.

이상에서 도 9a,b를 참조하여 설명한 것과 같이 본 실시예의 와이어 조절기구(4축 동작 대응 윈치시스템)는 제2와이어의 양쪽 부분 17a, 17b와 제3와이어의 양쪽 부분 19a, 19b를 대칭적으로 당기도록 작동할 수도 있고, 제2와이어의 양쪽 부분 17a, 17b와 제3와이어의 양쪽 부분 19a, 19b를 비대칭적으로 당기도록, 즉, 따로따로 별도로 당기도록 작동할 수도 있다. 이는 체공체험용 스토리에 따라 와이어의 좌우 부분을 따로따로 당겼다 풀었다 하도록 소프트웨어 프로그램을 작성함으로써 구현될 수 있을 것이다. 이와 같이 4축 동작에 대응하기 위한 윈치시스템과 고출력/고속 액추에이터을 채택함으로써 유영 및 낙하 물리역학 시뮬레이션, 수중 부력 체감 등의 효과가 배가되고 공중 자세 제어가 용이해진다.

도 10은 체공체험시의 실감효과를 배가시키기 위한 구조로, 외부 환경요인(바람, 온도, 향기 등)을 방출하기 위한 실감효과부(8)를 설명하기 위한 도면이다.

외부 환경요인 중 바람의 예를 든다. 바람이 나오는 곳(송풍구)은 체공체험 플랫폼(100)의 임의의 위치에 설정할 수 있으나, 본 실시예에서는 도 10에서와 같이 좌대(1)에 설치하여 위 쪽으로 바람이 나오도록 하였다. 이 실시예에서는 바람이 나오는 송풍구를 도 10에서 보듯이, 주축(3)에 가까운 곳에 위치한 제1송풍구(47), 이보다 좀 먼 곳에 위치한 제2송풍구(49), 더 먼 곳에 위치한 제3송풍구(51)로 설정하였다. 이러한 구조는 도 5c에서 체험대(5)가 앞으로 90° 숙여지도록 피치 동작을 할 때에 사용자의 발을 제1송풍구(47)에서 나온 바람이 자극하고, 사용자의 배나 허리를 제2송풍구(49)에서 나온 바람이 자극하고, 사용자의 얼굴이나 머리를 제3송풍구(51)에서 나온 바람이 자극하도록 하기 위한 것이다. 송풍구에서 바람이 나오도록 하기 위해서 에어 컴프레서 및 에어 블로워 등의 요소를 사용할 수 있다. 체감 스토리를 토대로 작성된 소프트웨어 프로그램과 이 프로그램을 해석하여 그에 상응하는 제어신호를 출력하는 컨트롤러(200)의 시뮬레이션 처리부(40) 그리고 바람을 만들기 위한 에어 컴프레서를 구동하기 위한 구성이 포함된 플랫폼 제어부(42)에 의해 에어 컴프레서 및 에어 블로워의 제어가 실행될 수 있을 것이다. 실감효과를 더욱 배가하기 위해 송풍구에서 따뜻한 바람이 나오도록 할 수 있다. 에어 블로워가 바람을 불기 전에 또는 이후에 전기 히터를 통해 바람 온도를 데우면 된다. 마찬가지로, 송풍구에서 차가운 바람이 나오도록 할 수도 있다. 에어 블로워가 바람을 불기 전에 또는 이후에 냉각장치를 이용해 바람 온도를 낮추면 될 것이다.

이상에서 체공체험 플랫폼(100)의 구성 및 작용과 그에 관련된 컨트롤러(200)에 대해 설명하였다. 이상의 설명 이외에 체공체험 플랫폼(100) 및 컨트롤러(200)에서 수행할 수 있는 기능으로 다음과 같은 것들이 있다.

- 체공체험자(사용자)의 팔, 다리, 머리 등의 모션 및 체험자 위치의 실시간 인식을 위하여 체공체험자의 체공 자세, 기구물 구조, 환경접촉의 특성을 고려하여 센서의 위치를 배치하여 모션을 측정하는 구성. 이는 체공체험 플랫폼(100)의 동작센서(20)와 모션센서(22)와 함께 컨트롤러(200)의 플랫폼 모니터링부(44) 및 사용자모션 인식부(30)에 의해 구현된다. 즉, 플랫폼 모니터링부(44) 및 사용자모션 인식부(30)에서 센서 값을 수신하여 시뮬레이션 처리부(40)에서 체험자의 모션 데이터와 체험자의 자세 데이터를 생성하고, 플랫폼 제어부(42)는 이를 반영하여 플랫폼(100)의 제어를 수행한다.

- 상기 인식 데이터 및 체공체험자의 하늘(공중) 또는 수중 공간에서의 유영 동작 등 팔과 다리의 움직임을 체공체험 콘텐츠의 해당 체공 액션에 실시간으로 반영하여(시뮬레이션 처리부(40)) 상기 체공체험 플랫폼(100)을 실시간으로 제어하는 구성

- 체공체험 시뮬레이터의 안전 구조: 예를 들어, 4축 동작 대응 와이어의 공중 부양 상태에서의 안전 확보를 위한 기구 구조물, 체험자의 과도한 흥분을 막기 위한 비상정지 기능(사용자용 비상스위치 또는/및 관리자용 비상스위치), 또는 각종 안전센서 모니터링 상태 알림 기능, 및 안전장치 제어 소프트웨어. 이를 위해 체공체험 플랫폼(100)에 적합한 기구 구조물이나 스위치 등을 설치하고 컨트롤러(200)가 이들의 기능을 적절히 제어한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

1. 공중 또는 수중에 머무르는 체공체험의 실감효과를 위한 가상현실 시뮬레이션 장치로서,
   사용자가 하네스를 착용하여 체공체험을 할 수 있도록 시뮬레이션 동작을 하는 체공체험 플랫폼; 및 체공체험 스토리와 체험 콘텐츠를 실행하도록 작성된 소프트웨어 프로그램의 컴파일링을 수행하고, 상술한 체공체험 플랫폼의 실행을 위한 실행신호와 제어를 위한 제어신호를 출력하는 컨트롤러를 포함하되,
   상기 체공체험 플랫폼은
   사용자가 하네스를 착용하여 몸을 고정하는 체험대,
   상기 체험대의 히브, 요, 롤, 피치 동작 중의 적어도 하나를 수행하는 기구,
   상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 회전하는 모터와 이 모터의 회전을 직선 운동으로 변환하는 기구를 이용하여, 상기 모터의 회전에 따라 상기 변환 기구에 의해 변환된 직선 운동에 의해 상기 하네스에 연결된 와이어의 길이와 장력 중 적어도 하나를 체공체험 스토리에 따라 조절하는 와이어 조절기구,
   체공체험 플랫폼의 시뮬레이션 동작을 감지하는 플랫폼 동작센서, 및
   체공체험 중의 사용자의 모션을 감지하는 모션 센서를 포함하는 체공체험 시뮬레이션 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러는
   가상현실 체공체험 컨텐츠를 상기 체공체험 플랫폼에 제공하는 시뮬레이션 처리부,
   상기 하네스에 연결된 와이어를 조절하는 와이어 조절기구를 제어하는 와이어 제어부,
   상기 플랫폼 동작센서로부터 신호를 수신하여 플랫폼 동작 상태를 모니터링하는 플랫폼 모니터링부,
   상기 모션센서로부터 신호를 수신하여 체험 중 사용자의 모션을 인식하는 사용자모션 인식부를 포함하는 체공체험 시뮬레이션 장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 하네스에 연결된 와이어는 적어도 두 개 이상이며,
   상기 와이어 조절기구는
   컨트롤러의 제어신호에 따라 상기 적어도 두 개 이상의 와이어의 각각의 길이를 조절하는 수단과,
   컨트롤러의 제어신호에 따라 상기 적어도 두 개 이상의 와이어의 각각의 장력을 조절하는 수단을 포함하는 체공체험 시뮬레이션 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 와이어 길이 조절 수단은
   상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 와이어의 길이를 가변하기 위한 이동봉을 왕복운동시키는 액추에이터를 포함하는 체공체험 시뮬레이션 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 와이어 장력 조절 수단은
   상기 컨트롤러의 제어신호에 따라 회전하는 모터; 및 상기 모터의 회전을 직선 운동으로 변환하는 기구를 포함하여,
   상기 모터의 회전에 따라 상기 변환 기구에 의해 변환된 직선 운동에 의해 와이어의 장력을 조절하는 것을 특징으로 하는 체공체험 시뮬레이션 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 체공체험 플랫폼은
   체공체험시의 실감효과를 위한 외부 환경요인을 방출하는 실감효과부를 추가로 포함하는 체공체험 시뮬레이션 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 체공체험 플랫폼은
   안전을 위한 비상 정지수단을 추가로 포함하는 체공체험 시뮬레이션 장치.

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