KR20150005805A - 가상 하이킹 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가상 하이킹(Hiking) 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히, 실내에서도 실제 느낌을 느끼며 하이킹을 할 수 있도록 한 가상 하이킹 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 시뮬레이션 화면을 표시하는 PC; 상기 PC에 표시되는 시뮬레이션 화면의 도로의 상태에 대응하여 움직이는 모션플랫폼; 상기 모션플랫폼의 상부에 고정되어 구성되며, 핸들의 이동 및 속도에 대응하여 시뮬레이션 화면이 변화하는 사이클을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가상 하이킹 시스템 및 방법{VIRTUAL HIKING SYSDTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 가상 하이킹(Hiking) 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 특히, 실내에서도 실제 느낌을 느끼며 하이킹을 할 수 있도록 한 가상 하이킹 시스템 및 방법에 관한 것이다.
요즘 현대 사회에서는 많은 사람들이 자신의 건강 및 몸매를 유지하기 위하여 헬스 클럽(Health Club)을 이용하거나, 실제 도로에서 사이클을 이용하여 운동하는 사람들이 있다. 그러나, 실제 하이킹을 즐기다 보면 많은 사고와 같은 위험 요소에 노출될 수 밖에 없다.
운동을 하면서 사고를 방지하고 지속적인 운동을 정기적으로 하기 위하여 실내에 설치한 헬스사이클, 러닝머신(Running Machine, Treadmill)과 같은 운동기구가 있다. 헬스사이클(Health Cycle)은 는 러닝머신보다 발목과 무릎관절에 충격도 적어 체력이 약한 사람들이나 노인들이 운동하기에 수월하다. 그리고 유산소 운동의 목적에 맞게 장시간 운동을 하더라도 다른 기구들보다 힘들지 않아 장시간 운동에 효과가 뛰어난 편이다.
하지만 사람들은 장시간 운동을 함에 있어 지루함을 느끼기 때문에 운동을 오랫동안 지속하기 어렵다. 또한, 대부분의 사람들은 운동을 흥미가 아닌 몸매 또는 체력 관리 위주로 하기 때문에 쉽게 흥미를 잃고 억지로 운동을 하게 된다. 흥미 없이 운동을 한다면 스트레스만을 더 유발 할 뿐이다.
하지만 헬스사이클은 장시간 운동을 함에 있어 단조로운 운동동작과 밀폐된 공간의 특수성으로 인하여, 사용자가 지루함을 느끼기 때문에 운동을 방해하는 요소가 된다.
이를 해결하기 위해 사용자에게 헬스 사이클의 활용성을 높이고, 흥미를 유발시켜 장시간 운동할 수 있도록 할 필요가 있으며, 이를 위한 장치들이 개발되고 있다. 예를들어, 맵 바이킹은 필립스(Philips)가 자전거를 생활 교통 수단으로 이용하자는 광고 내지 홍보를 위해 제작되었다. 맵 바이킹은 자전거에 마이크로 컨트롤러 등 여러 장치를 연결시켜, 구글 스트리트뷰(Google StreetView)를 이용하여 '리오', '암스테르담', '도쿄'의 시내를 돌아 다닐 수 있도록 구성되어 있다. 자신이 자전거 페달을 돌리면 이에 따라서 구글 스트리트뷰가 목표치의 거리를 이동을 하게 되고, 중간에 나오는 필립스 아이템을 모으는 게임이다. 하지만 필립스의 맵 바이킹의 경우에는 단순 StreetView의 화면의 바뀜만을 제공 할 뿐 그 외 별다른 내용을 제공하지 않는다.
"Ships"는 뉴질랜드의 IT 회사에서 구글 어스(Google Earth)를 가지고 만든 3D 게임으로 가상의 배를 가지고 시뮬레이션 하면서 항해를 하는 게임이다. 이 게임은 사용자가 키보드의 방향키를 사용하여 방향 조절 시 그에 맞게 핸들이 움직이며 배 방향을 움직이게 제작하였다. 여러 가지 배를 제작하여 사용자가 선택 할 수 있도록 만들어 놓았다. 하지만 "Ships"는 회사 홍보용으로 제작함으로써 게임 면에서는 흥미가 떨어진다는 단점이 있으며, 또한, 운동기능이 없다.
도쿄 조깅(Tokyo Jogging)은 위(Wii)에서 제작한 Wiimote(Wii와 remote controller의 합성어)와 자바 서버를 블루투스(Bluetooth) 통신으로 연동하고, Wiimote의 정보를 동적으로 데이터를 서버에 전달하였다. 또한 응답 값을 받아 처리하기 위해 JSONP를 이용하여 Google Map API(Application Program Interface)를 사용하였다. 토쿄 조깅 컨텐츠는 Wiimote를 주머니에 넣고, 달리기를 할 경우 이에 따라 구글 스트리트뷰의 화면이 앞으로 전진하며 이동한다. 구글 스트리트뷰를 사용하여 앞으로의 움직임을 Wiimote를 통해 조작한다. 그러나, 이 게임은 실시간으로 화면이 이동하는 것이 아니라 버퍼링이 발생하여 현장감이 떨어진다.
게임기 중에 세가(SEGA)사의 모터사이클 레이싱 게임(Motorcycle Racing Game)이 있다. 이 게임은 사용자가 실제로 오토바이를 타는 것처럼 느낄 수 있도록 사용자의 체중이 실리는 쪽으로 오토바이 기구부가 기울어지고 그에 따라 게임 상의 오토바이 방향을 조정하는 방식을 채택하고 있다. 사람들이 직접 타고 체험을 해 볼 수 있는 게임이라서 사람들에게 인기가 많은 편이다. 하지만 좌우방향에 대해서만 구현이 되어 있을 뿐 경사각에 따른 기울임이나 충돌 현상에 대한 구현이 되어 있지 않다. 또한 속도는 핸들의 스로틀(Throttle)로 조절함으로써 운동과는 거리가 멀다.
썬 에어로시스사(SUN Aerosys Co. Ltd)의 3축 모션 플랫폼 시스템(Motion Platform System)은 항공기나 전동차용 시뮬레이터로 주로 쓰이는 제품이다. 이 모션 플랫폼 시스템은 탑승자가 실제로 항공기나 전동차를 타고 있다고 느끼게 해주고 직접 조종할 수 있도록 모션을 제어한다. 이런 부분에서 본 발명의 가상 하이킹 장치(Virtual Hiking Machine)와 많이 유사하나, 운동 기능이 없다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 실내에서도 실제 느낌을 느끼며 주행을 할 수 있도록 한 가상 하이킹 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 운동할 시 운동 거리, 속도, 맥박 등을 사용자에게 볼 수 있도록 하여 자신의 상태를 체크 할 수 있는 가상 하이킹 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 가상 주행, 또는 가상 비행과 같이 사용자의 동작에 따라 가상현실을 느낄 수 있도록 한 가상 하이킹 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 가상 하이킹 시스템은 시뮬레이션 화면을 표시하는 PC; 상기 PC에 표시되는 시뮬레이션 화면의 도로의 상태에 대응하여 움직이는 모션플랫폼; 상기 모션플랫폼의 상부에 고정되어 구성되며, 핸들의 이동 및 속도에 대응하여 시뮬레이션 화면이 변화하는 사이클을 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 가상 하이킹 방법은 서버를 통해 가상 하이킹 시뮬레이션 정보를 수신하여 가상 하이킹을 제공하는 가상 하이킹 방법에 있어서, 하이킹 모드페이지와 정보페이지를 선택할 수 있는 시작페이지 화면을 표시하는 과정; 사용자가 정보페이지를 선택한 경우면, 표시된 정보페이지를 통해 가입자 정보를 변경하는 과정; 사용자가 하이킹 모드페이지를 선택한 경우면, 하이킹 모드에 따른 가상 시뮬레이션을 표시하는 과정을 포함한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 가상 하이킹 시스템 및 방법은 사용자가 운동을 하면서 실제 하이킹을 하는 것처럼 느낄 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 가상 하이킹 시스템 및 방법은 실내에서도 하이킹의 기분을 느낄 수 있도록 해주며 운동 거리, 속도, 맥박 등을 사용자에게 볼 수 있도록 하여 자신의 상태를 체크 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 가상 하이킹 시스템, 장치 및 그 방법은 실내에서 가상 현실을 안전하게 즐길 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 가상 하이킹 시스템을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 하이킹 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 시스템 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 서버와 PC 간에 구성된 소프트웨어 블록을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 상판지지대(202) 또는 하판지지대(204)의 프레임 구조를 나타낸다.
도 5는 쇼크압쇼바(206)를 도시한 도면이다.
도 6은 샤프트(232, 234, 236) 자체 무게를 줄이기 위해 원통모양의 축을 기준으로 양쪽에 각각 조인트에 연결되는 플레이트 그리고 베어링과 연결되는 파트 제작하여 결합하는 상태를 나타내고 있다.
도 7은, 유니버셜조인트가 도시되어 있다.
도 8 하판지지대(204)에 고정된 3개의 AC모터(212, 214, 216)가 구성되어 있다.
도 9는 상판지지대(202)와 하판지지대(204) 사이에 AC모터(212, 214, 216), 크랭크(222, 224, 226) 및 샤프트(232, 234, 236) 등이 장착되어있는 사진이다.
도 10을 참조하여 좌측의 그래프는 경사도 한계를 나타내며, 우측의 표는 경사도에 따른 경사각의 변화를 나타낸 표이다.
도 11 및 도 12는 크랭크(222)의 축의 길이는 삼각함수 중 탄젠트(tangent) 공식을 이용하여 구하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 13 좌측 그림과 같이 크랭크(222) 축의 각도가 AC모터(212)와 이루는 각도를 타나낸 도면이다.
도 14는 엔코더(246)와 AC모터(216)가 브라켓(217)에 의해 연결된 상태가 도시되어 있다.
도 15는 핸들(324)이 제2 지지대(322)에 대하여 회전 가능하도록 구성되어 있음을 나타내고 있다.
도 16은 핸들(324)에 브레이크, 비상정지, 초기위치, 시작 기능을 갖는 스위치(328)을 구성하고 있다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 서보모터를 나타낸 도면이다.
도 18은 운동강약 조절레버의 설치상태를 나타낸 도면이다.
도 19은 그 제3 지지대(334)의 단부에는 PC(100) 또는 테블릿 PC(Tablet Personal Computer) 및 PC(100)와 연결될 HMD(400) 등을 놓을 수 있는 거치대(336)를 제작하여 설치하였다.
도 20은 모션플랫폼에 오르기 위한 계단을 나타내고 있다.
도 21은 탑승자의 안전 및 안전을 위하여 시트(314)의 후면에 등받이(316)를 구성한다.
도 22는 본 발명에 따른 가상 하이킹 시스템을 구현한 실시예를 나타낸 사진이다.
도 23은 AC모터(212, 214, 216)를 제어하는 수식을 나타낸 도면이다.
도 24는 AC모터를 제어하기 위하여 설계한 모션제어부의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 25는 본 발명의 일실시예에 따른 모션플렛폼의 모션제어부와 주변 구성을 나타낸 회로도이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따라 사이클에 구성된 장치를 제어하기 위한 회로도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따라 포토인터럽트에서 출력된 전압을 감지하여 오실로스코프 상에 나타난 전압 파형을 나타낸다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따라 맥박감지센서를 포함하는 핸들을 나타낸 도면이다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따라 오실로스코프에 나타낸 맥박감지센서의 출력 파형를 나타낸 도면이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따라 HMD를 나타낸 도면이다.
도 31은 본 발명의 도 46에 따라 시스템 간에 송수신한 패킷테이블의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따라 장치의 작동을 확인하고 검증할 수 있는 테스트 프로그램의 실행화면을 나타낸 도면이다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따라 서버를 통해 가상 하이킹 홈페이지에 가입하는 과정을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 34는 본 발명에 따라 가상 하이킹 홈페이지에 가입후 홈페이지를 사용하는 일 실시예를 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 35 내지 도 45는 가상 하이킹 화면을 시뮬레이션한 시뮬레이션 도면이다
도 46은 본 발명의 일 실시예에 따라 시스템 간에 통신하기 위한 패킷 구성을 나타낸 패킷테이블이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
포텐셔미터(Potentiometer) : 직선변위와 회전변위를 전기저항의 변화로 바꾸는 가변저항기. 접촉형과 비접촉형이 있다. 접촉형은 저항체위를 브러시가 움직이는 구조로써, 직선형의 경우는 스트로크가 1,000㎜ 정도인 것까지 있고, 회전형인 경우는 1회전에서 다(多)회전인 것까지 있다.
서보 모터(Servo Motor) : 서보 기구의 조작부로써 제어신호에 의해 부하를 구동하는 장치.
임베디드 시스템(Embedded System) : 특정한 제품이나 솔루션에서 주어진 작업을 수행할 수 있도록 추가로 탑재되는 솔루션이나 시스템.
쇼크업쇼버(Shock Absorber) : 스프링의 신축 작용을 억제하여 차체를 안정시키는 장치.
ATMega128 : 1984년 창립된 미국의 ATMEL상에서 1997년에 처음 발표한 8비트 제어용 마이크로 프로세서.
교류 모터(AC Motor) : 교류전원으로 동작하는 전동기. 주요형식으로는 삼상 유도전동기, 단상 유도전동기가 있다.
인버터(Inverter) : 교류모터는 회전속도, 모터의 극 수, 주파수와의 사이에 다음의 관계식이 성립한다. (N : 회전속도(rpm), f : 주파수(Hz), P : 모터의 극 수, s: 모터의 미끄러짐). Inverter는 주파수를 바꾸어 모터의 회전속도를 바꾸는 것으로, 룸 쿨러 등에 응용되고 있다.
모션 플랫폼(Motion Platform) : 항공기나 전동차용 시뮬레이터의 플랫폼에 사용되는 제품.
Pitch, Roll, Yaw : Pitch Moment는 y축 기준으로의 회전(위 아래의 기울기), Roll Moment는 x축 기준으로의 회전(좌우로의 회전 기울기), Yaw는 z축 기준으로의 회전(좌우로의 기울기)를 뜻함.
엔코더(Encoder) : 회전각도를 측정하는 센서.
펄스폭 변조(Pulse Width Modulation, 이후 PWM라 약칭함) : 펄스 폭 변조 방식은 Modulation. 펄스 변조 방식의 하나로, 변조신호의 크기에 따라서 펄스의 폭을 변화시켜 변조하는 방식.
PID Control : P(비례, Proportion), I(적분, Integral), D(미분, Differential)의 3항 동작을 조합시켜서 사용하는 제어 방식. 프로세스 제어에서는 오래 전부터 사용되고 있으며, 범용 제어기로써 시판되고 있다. 실장(實裝)하는 경우는 비례 이득, 적분 시간, 미분 시간의 세 매개 변수를 현장 조정에 의해서 정하지 않으면 안 된다.
구글 맵(Google Map) : Google에서 하는 여러 서비스 중에서 전 세계 위성 사진을 볼 수 있는 서비스로써 Google의 다른 서비스와 마찬가지로 API를 제공하여, 개발자가 커스터마이징하여 활용할 수 있는 방법을 마련해 놓았다.
구글 어스(Google Earth) : Google에서 하는 여러 서비스 중에서 Google Map 과 다르게 3D 화면을 통해서 전 세계를 볼 수 있다. Google Earth 또한 API를 제공해 주고 있다.
구글 스트리트뷰(Google StreetView) : Google에서 제공 하는 서비스로써 길거리 구석구석을 사진으로 찍어서 실제 모습을 보여주는 기능이다
3D(3 Dimensional) : 물체를 3차원으로 표현하는 기법으로 입체감을 느끼게 해주어 생동감 있게 보여 주는 기술이다.
블루투스(Bluetooth) : 근거리 무선 통신 기술
JSONP : 경량의 데이터 교환 포맷
데이터베이스(DataBase, DB로 약칭함) : 여러 사람에 의해 공유되어 사용될 목적으로 통합하여 관리되는 데이터의 집합
MCU(Micro Controller Unit) : 특정 시스템을 제어하기 위한 전용 프로세서.
웹 어플리케이션 서버(Web Application Server, WAS로 약칭함) 소프트웨어 : WAS 소프트웨어는 웹이 탄생한 이래, 주로 데이터베이스 조회나 일반적인 비즈니스 로직에 대한 처리를 위해 다양한 언어로 개발된 인터넷/인트라넷 환경의 소프트웨어를 지칭한다.
MySQL : MySQL[마이 에스큐엘]은 SQL에 기반을 두고 있는 관계형 데이터베이스 관리 시스템 중 하나이다. 1998년 1월에 처음 발표된 MySQL은 모기업인 MySQL AB의 데이터베이스 서버 및 개발 도구 제품군 중 하나의 구성요소가 되었다.
자바 스크립트(JavaScript) : 자바 스크립트는 넷스케이프에서 만든 인터프리터형 프로그래밍 또는 스크립트 언어이다.
AJAX(Asynchronous JavaScript and XML) : WEB2.0의 기반 기술 중 하나이다. AJAX는 자체가 하나의 특정한 기술을 말하는 것이 아니며, 함께 사용하는 기술의 묶음을 지칭하는 용어로 대화식 웹 애플리케이션의 제작을 위해 사용된다. AJAX 애플리케이션은 실행을 위한 플랫폼으로 사용되는 기술들을 지원하는 웹 브라우저를 이용하는데, 이를 지원하는 브라우저로는 모질라 파이어폭스, 인터넷 익스플로러, 오페라, 사파리 등이 있다.
좌굴(座屈) : 가늘고 긴 부재(긴 기둥)의 방향에 압축 하중이 가해진 때, 재료의 탄성 한도 이하의 하중으로도 기둥이 구부러짐을 일으키는 현상. 변형이 진행되고, 부재(部材)는 결국 파괴된다. 긴 기둥이나 봉재(棒材)에 편심 하중이 작동한 때 일어나기 쉽다.
MFC(Microsoft Foundation Class) : 마이크로소프트 사의 윈도 응용 프로그램 개발용 클래스 라이브러리. Visual C++에 포함되어 있고, Win32 프로그래밍에 사용된다. 윈도 기능이 복잡해짐에 따라 API를 직접 이용하는 것보다는 이러한 클래스 라이브러리를 사용하는 것이 훨씬 편리하다. MFC는 윈도 최신 기능을 도입함으로써 윈도 프로그래밍을 위한 클래스 라이브러리의 사실상의 표준이 되었다.
HMD(Head Mounted Display) : HMD란 안경처럼 머리에 쓰고 대형 영상을 즐길 수 있는 영상표시장치다. 휴대하면서 영상물을 대형화면으로 즐기거나 수술이나 진단에 사용하는 의료기기에 적용할 수 있는 차세대 영상표시 장치다.
마이버드(MyBud) : 마이버드는 아큐픽스에서 제작한 HMD로 상품명이다. 마이버드는 안경 형태로 제작하여 안경을 통해 대화면을 볼 수 있는 디스플레이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 가상 하이킹 시스템을 나타낸 사시도이다. 도 1을 참조하면, 도 1은 PC(100), 모션플랫폼(200) 및 사이클(300)로 구성된다.
모션플랫폼(200)은 지지면에 접하여 상부의 사이클(300)을 지지한다. 따라서 모션플랫폼(200)의 내에 구성하는 구조 탑승자의 하중 (150kg 이상)을 견딜 수 있도록 튼튼하게 설계한다.
모션플랫폼(200)은 모션제어부(210), 엔코더부(220), AC모터부(230), AC모터구동부(240) 및 통신부(250)로 구성된다. 또한, 모션플랫폼(200)은 외부에 보여지는 상판지지대(202), 하판지지대(204)와 내부의 중심에 구성된 쇼크업소버(206), 및 내부에 구성된 유니버셜 조인트(252) 등을 포함한다.
도 8을 참조하면, 하판지지대(204)에 고정된 3개의 AC모터(212, 214, 216)가 구성되어 있다. 각각의 AC모터(212, 214, 216)의 옆으로 각각의 AC모터(212, 214, 216)의 동작 또는 회전량을 감지하는 엔코더(242, 244, 246)가 구성되어 있다.
도 14를 참조하면, 엔코더(246)와 AC모터(216)가 브라켓(217)에 의해 연결된 상태가 도시되어 있다. AC모터(216)의 회전량이 브라켓(217)을 통해 엔코더(246)에 전달되면, 엔코더(246)는 AC모터(216)의 회전량을 감지할 수 있다.
도 9는 상판지지대(202)와 하판지지대(204) 사이에 AC모터(212, 214, 216), 크랭크(222, 224, 226) 및 샤프트(232, 234, 236) 등이 장착되어있는 사진이다. 도 9를 참조하면, AC모터부(230)는 다수의 AC모터(212, 214, 216)를 포함하여 구성되며, 상판지지대(202)와 하판지지대(204)를 지지하기 위한 다수의 크랭크(222, 224, 226)와 샤프트(232, 234, 236)들을 포함한다.
크랭크(222, 224, 226)의 한 축에 AC모터(212, 214, 216)를 고정하고 반대쪽에 샤프트(232, 234, 236)의 일측과 베어링을 통해 고정시켜, 모터 축부터 샤프트(232, 234, 236)까지 베어링을 통한 부드러운 움직임을 가능하게 한다. 샤프트(232, 234, 236)의 타측은 상판지지대(202)에 고정된다. 예컨대, 샤프트(232, 234, 236)의 일측은 크랭크에 베어링에 의해 선회 가능하도록 고정되고, 샤프트의 타측은 상판지지대(202)에 나사결합 등에 의해 고정된다. 본 실시예에서는 샤프트(232, 234, 236)의 견고성을 유지하기 위하여 타측에 고정플레이트를 구성하고 고정 플레이트의 수 개의 나사공과 대응하는 상판지지대(202)의 수 개의 나사공을 나사 결합하여 고정한다.
AC모터(212, 214, 216)에서 발생한 동력은 크랭크(222, 224, 226)와 샤프트(232, 234, 236)를 통해 상판지지대(202)로 전달된다.
크랭크(222, 224, 226)와 샤프트(232, 234, 236)들은 각각의 AC모터(212, 214, 216)로부터의 동력을 상판지지대(202)에 전달하여 상판지지대(202)가 Pitch, Roll, Yaw 방향으로 동작하도록 한다. 크랭크(222, 224, 226)와 샤프트(232, 234, 236)의 연결부에는 베어링을 사용하여 전반적인 내구성을 향상시키고, 상판지지대(202)가 유연하게 움직일 수 있도록 구성한다.
엔코더(242, 244, 246)는 AC모터(212, 214, 216) 각각에 연결되어, AC모터부(230)의 동작 또는 회전량을 감지한다.
모션제어부(210)는 상기 AC모터(212, 214, 216)와 엔코더부(242, 244, 246)를 제어한다. 예컨대, 모션제어부(210)는 AC모터(212, 214, 216)에 연결되어 동작을 감지하는 엔코더(242, 244, 246)들로부터의 정보에 따라 현재의 모션을 감지하고 AC모터(212, 214, 216)의 동작을 제어할 수 있다.
모션플랫폼(200)은 지면과 같은 평탄면에 안정적으로 지지되기 위한 하판지지대(204)와 AC모터(212, 214, 216)들의 힘을 전달받아 Pitch, Roll 및 Yaw 방향으로 동작하는 상판지지대(202)를 포함한다.
하판지지대(204)에는 다수의 AC모터(212, 214, 216)가 고정된다. 상판지지대(202)는 각각의 AC모터(212, 214, 216)들과 연결된 크랭크(222, 224, 226)들과 각각의 크랭크(222, 224, 226)들과 연결된 샤프트(232, 234, 236)들에 의해 지지되며, 또한, 중력보상용 쇼크업소버(Shock absorber)(206)에 의해서도 지지된다.
도 5를 참조하면, 쇼크압쇼바(206)가 도시되어 있다. 쇼크업소버(206)는 설치시, 쇼크압쇼바(206)의 일측은 하판지지대(204)의 중심에 고정되고, 타측은 상판지지대(202)의 중심에 고정되어 상판지지대(202)가 한쪽으로 기울어지는 것을 방지한다. 또한, 쇼크업소버(206)의 외측에 구성된 스프링은 사이클(300)로부터 가해지는 충격을 흡수한다.
쇼크압쇼바(206)는 3축의 샤프트(232, 234, 236)가 한쪽으로 기울지 않고 항상 수직위치 제어만 가능하도록 쇼크업쇼버(206)는 상판지지대(202)와 하판지지대(204)의 중앙에 구성한다. 쇼크업쇼버(206)는 중력보상용으로 쓰이며 AC모터(212, 214, 216)의 안정성을 가져온다. 그리고 3개의 AC모터(212, 214, 216)로 3축 링크식 시스템을 구성할 경우 베어링 단에서 모터 토크와 관계 없이 한쪽으로 기울어지는 것을 막기 위해 쇼크업쇼버(206)가 필요하다. 이 때, 쇼크업쇼버(206)의 행정거리는 크랭크축의 가변 범위인 162mm이상이어야 한다.
도 7을 참조하여 보면 유니버셜조인트가 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 1개 내지 4개의 유니버셜조인트(252)는 동력을 제공하지는 않으나, 관절의 역할을 한다. 유니버셜조인트(252)가 하판지지대(204)와 상판지지대(202) 사이에 연결되어 상판지지대(202)를 지지하면서 상판지지대(252)가 Pitch, Roll 및 Yaw 방향으로 유연하게 움직일 수 있도록 한다.
유니버셜 조인트(252), AC모터(212, 214, 216), 크랭크(222, 224, 226), 샤프트(232, 234, 236) 및 쇼크업소버(206)를 구성함에 있어서, 상판지지대(202)의 작동범위에 따라 크랭크(222,224, 226) 및 샤프트(232, 234, 236) 등의 굵기나, AC모터(212, 214, 216)의 마력, 유니버셜 조인트(252) 및 쇼크업소버(206)의 내구성 등을 설계할 필요가 있다. 유니버셜 조인트(252), AC모터(212, 214, 216), 크랭크(222, 224, 226), 샤프트(232, 234, 236) 및 쇼크업소버(206)를 설계함에 있어서, 상판지지대(202)가 30ㅀ 내지 10ㅀ 내외에서 작동하도록 설계한다. 바람직하게는 안정성을 고려하여 상판지지대(202)의 동작 가능 범위는 15ㅀ까지 작동할 수 있도록 유니버셜 조인트(252), AC모터(212, 214, 216), 크랭크(222, 224, 226), 샤프트(232, 234, 236) 및 쇼크업쇼버(206) 등을 설계한다.
또한, 3D 지형을 제공해 주는 구글 어스(Google Earth)의 지형에 대응하여 상판지지대(202)가 경사각을 이루면 상판지지대(202)와 연결된 샤프트(232, 234, 236)만으로는 지지력이 부족할 수 있다. 따라서, 유니버설 조인트(252)는 하판지지대(204)와 상판지지대(202)사이에 연결되어 상판지지대(202) 위에 추가되는 사이클(300) 및 탑승자의 하중을 지지할 수 있다. 유니버설 조인트(252)는 상판지지대(202)가 Pitch, Roll 및 Yaw 방향으로 움직일 수 있도록 한다.
유니버셜 조인트(252)의 각 단부는 상판지지대(202)와 하판지지대(204)에 각각 연결되어 상판지지대(202)를 지지한다. 유니버셜 조인트(252)는 모션제어부(210)의 제어에 따라 상판지지대(202)가 구글 어스의 지형에 굴곡에 대응하여 움직이는 경우, 상판지지대(202)가 유연하게 움직일 수 있도록 한다. 따라서, 유니버셜 조인트(252)는 베어링에 의해 상판의 각도를 변경할 수 있으며, 높낮이가 조절되도록 구성된다. 유니버셜조인트(252)는 1개를 설치하는 경우에는 상판지지대(202)와 대응하는 하판지지대(204)를 연결하여 대략의 중심부에 설치될 수 있다.
그러나, 쇼크압쇼바(206)가 상판지지대(202)와 하판지지대(204)의 면적 중심 또는 무게 중심 지점에 배치되므로 쇼크압쇼바(206)에 인접한 중앙 지점에 배치될 수 있다. 유니버셜 조인트(252)를 다수 개 설치하는 경우에는 대응하여 상판지지대(202)의 무게를 분산시키는 위치에 배치하여 구성할 수 있다. 예컨대, 4개의 유니버셜 조인트(252)를 배치하는 경우에는 각각의 상부지지대(202) 및 하부지지대(204)의 대응하는 4개의 모서리에 각각 연결하여 구성할 수도 있다. 바람직하게는 4개의 유니버셜 조인트(252)를 각각의 모서리에 구성하여 안정성을 향상시키도록 구성한다.
도 4는 상판지지대(202) 또는 하판지지대(204)의 프레임 구조를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 사이클(300)을 고정할 상판지지대(202)의 상부면은 안정성을 위한 높은 강성이 요구된다. 상판지지대(202) 및 하부지지대(204)는 사이클(300)뿐만 아니라 사이클 탑승자까지 안정적으로 지지해야 안정성이 확보된다. 따라서, 상판지지대(202)는 및 하판지지대(204)는 높은 강성을 가지는 재질을 사용한다. 높은 강성을 가지는 재질로는 철 또는 합금을 사용할 수 있다. 그러나, 철은 무게가 무거워 메인 프레임을 모터로 제어하는데 높은 토크를 요구하게 된다. 그래서 바람직하게는 가벼우면서도 높은 강도를 가지는 프레임을 제작하기 위해 알루미늄을 사용하며, 특히 알루미늄 프로파일 40x40을 사용한다. 그리고, 프레임은 '田' 모양으로 제작한다.
상판지지대(202) 및 하판지지대(204)는 '田' 모양으로 뼈대를 이루는 프레임과 이를 위아래로 덮는 판으로 제작한다. 특히, 상판지지대(202)의 프레임은 사이클(300)과 탑승자를 지지하기 위해 높은 안정성이 요구되며 이를 위해서는 무게 하중에 따른 모터 토크나 프레임 설계에 있어 안전계수를 높게 잡아 실제로 150kg 이상의 무게도 견딜 수 있도록 설계해야 한다.
예컨대, 알루미늄 프로파일은 1mm이상 휘면 허용하중 초과로 보는데 가로 x 세로 x 높이가 각각 1m인 받침대를 만들었을 때, 1mm이하의 휨을 기준으로 한 허용하중은 40 x 40 규격이 200kg이고, '田' 모양의 프레임을 제작하기 때문에 허용하중은 이 수치보다 훨씬 높아지게 된다.
하판지지대(204)는 하부면에 미끄럼을 방지하기 위한 고무재질을 덧붙여 사용할 수 있다.
3D 지형을 제공해 주는 구글 어스(Google Earth)의 지형에 대응하여 상판지지대(202)가 경사각을 이루면 AC모터(212, 214, 216)와 상판지지대(202)를 연결하는 샤프트(232, 234, 236)가 파손될 수 있다. 상판지지대(202)를 보다 안정적으로 지지하기 위해 유니버설 조인트(252)의 각각의 단부가 상판지지대(202)와 하판지지대(204)에 각각 고정하여 구성한다. 유니버설 조인트(252)는 상판지지대(202)가 AC모터(212, 214, 216)들의 움직임에 대응하여 Pitch, Roll, Yaw 방향으로 움직일 수 있도록 하는 관절 역할을 한다. 유니버셜조인트(252)는 상판지지대(202)와 하판지지대(204)의 중심을 연결하는 위치에 1개를 구성할 수도 있으며, 각각의 4개의 모서리에 4개를 연결하여 상판지지대(202)를 유지하면서 상판지지대(202)가 움직일 수 있도록 구성할 수 있다.
'田'자 형식의 프레임을 제작 할 경우 프레임의 무게는 대략 15kg정도가 된다. 그리고 거기에 상판과 하판을 붙여 완성된 상판지지대(202)는 대략 20Kg(철판까지 포함)정도가 된다. 상판지지대(202)에 사이클 탑승자와 사이클(300)을 최대 180kg으로 예상하면, 상판지지대 위의 총 하중은 총 200Kg이 된다. 여기에 안전성을 고려해 1.5배로 계산하면 상판지지대(202)가 지지해야 하는 하중은 300Kg이 된다.
도 10을 참조하여 좌측의 그래프는 경사도 한계를 나타내며, 우측의 표는 경사도에 따른 경사각의 변화를 나타낸 표이다. 도 10을 참조하면, 우측의 표와 같이 자동차 도로의 경사도 안정한계는 17%이고, 각도로 변환하면 대략 9.6ㅀ도 이므로 안전성을 고려하면, 10ㅀ정도로 하는 것이 바람직할 것이다. 그러나, 안정성만을 고려하면, 오락성과 현장감이 떨어지므로, 최고 경사도 45%까지 고려하면, 대략 24ㅀ정도까지 설계할 수 있을 것이다. 그러나, 안전감을 보장하고, 현장감을 살리기 우위해 바람직하게는 15ㅀ까지 굽혀지면서 하중을 견딜 수 있는 유니버셜 조인트(252)를 설계할 수 있을 것이다.
그리고 사이클(300)과 3축으로 구성한 AC모터(212, 214, 216)와 연결된 샤프트(232, 234, 236)을 안정적으로 상판지지대(202)의 하부면에 고정하기 위해서 상판지지대(202)의 크기는 1500mm x 1500mm 내지 600mm x 600mm 정도의 직사각형 또는 정사각형 형태로 구성할 수 있다. 이 때, 상판지지대(202)의 크기를 크게 구성하면, 안정성은 증가하지만, 상판지지대(202)가 움직이는 각도가 줄어들게 되어 현장감이 떨어질 수 있다. 상판지지대(202)의 크기를 작게 구성하면, 상판지지대(202)가 움직이는 각도가 증가하여 현장감이나 재미는 증가할 수 있지만, 안정성이 떨어질 수 있다. 따라서, 바람직하게는 상판지지대(202)의 크기를 실험적으로 도출하여 15도 까지 움직이도록 하기 위하여 가장 적합한 크기의 900mm x 900mm로 제작하였다.
AC모터(212, 214, 216)들은 하판지지대(204)에 고정되어 구성되며, AC 모터의 움직임을 상기 상판지지대(202)에 전달하기 위하여 AC모터(212, 214, 216)의 축은 크랭크(222, 224, 226)와 샤프트(232, 234, 236)를 통해 연결되어 상기 상판지지대(202)에 동력을 전달한다. 도 6에 도시된 바와 같이 샤프트(232)는 일측은 AC모터(212)와 연결된 크랭크(222)와 암수 나사결합하여 연결하기위한 나사구멍이 형성되며, 타측에는 상판지지대(202)의 하부면에 고정시키기 위한 4개의 나사구멍이 형성되어 있다.
샤프트(232, 234, 236)의 재질은 철 또는 합금 등으로 구성할 수 있다. 예컨대, 샤프트(232, 234, 236)의 재질은 강도가 강하고 가격이 저렴한 철로 제작한다. 샤프트(232, 234, 236)의 길이는 크랭크(222, 224, 226) 축이 최대한 내려갔을 때도 AC모터(212, 214, 216) 분에 지지대가 닿지 않도록 하고, 모션플랫폼(200)의 높이에 대응하도록 구성한다. 예컨대, 샤프트(232, 234, 236)의 길이는 실험적으로 도출된 175mm로 제작한다. 그리고 샤프트(232, 234, 236)의 굵기는 좌굴이 되지 않도록 모터의 축과 같은 굵기인 38ㅨ 로 제작한다.
도 6은 샤프트(232, 234, 236) 자체 무게를 줄이기 위해 원통모양의 축을 기준으로 양쪽에 각각 조인트에 연결되는 플레이트 그리고 베어링과 연결되는 파트 제작하여 결합하는 상태를 나타내고 있다.
AC모터(212, 214, 216)는 모션제어부(210)의 제어에 따라 동작하며, 현재 PC(100)에 입력되어 있는 구글 어스의 지형에 대응하는 경사를 표현하기 위하여 움직인다. 내리막길, 오르막길, 충돌 상황, 돌발 상황 및 요철 등의 상황을 상판지지대(202)에 전달하여 탑승자가 현장감을 느낄 수 있도록 3개의 AC모터(212, 214, 216)를 배치할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이 3개의 AC모터(212, 214, 216)는 하판지지대(204)의 중심으로부터 120ㅀ의 등간격으로 중심으로 벗어나 배치될 수 있으며, 또는 AC모터(212, 214, 216)의 용량이 차이가 나는 경우에는 차등 간격으로 배치될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 동일 마력의 AC모터(212, 214, 216)를 등간격으로 배치한다.
예컨대, 서버(500)로부터 PC(100) 및 HMD(Head Mounted Display)(400)로 전송된 구글 어스의 지도에서 도로가 내리막길을 나타내면, AC모터(212, 214, 216)는 사이클(300)이 전면으로 기울어지도록 상판지지대(202)를 움직인다. 반대로 서버(500)를 통해 PC(100) 및 HMD(400)로 전송된 구글 어스의 지도에서 도로가 내리막길을 나타내면, AC모터(212, 214, 216)는 상판지지대(202)가 전면으로 기울어지도록 제어된다.
AC모터(212, 214, 216)는 단상과 3상이 존재하며, 바람직하게는 3상 AC모터(212, 214, 216)를 사용한다. 예컨대, 단상모터의 경우 보조코일을 기계적으로 주 코일의 양극 사이에 같은 거리를 두고 설치할 수 밖에 없는데, 회전 자계는 그 각도와 어긋나게 생기기 때문에, 하중을 받고 있는 상태에서 갑자기 역 회전1자의 관성을 이기는 회전 자계의 세기가 충분하지 못하기 때문이다. 3상 모터의 경우에는 3조의 코일이 순서대로 자기화되면서 회전 자계를 형성하기 때문에 정방향이나 역방향이나 고르게 힘이 작용하여 회전자에 작용하므로, 회전자의 관성에너지를 충분히 흡수하고, 역 회전을 시킬 수 있어, 3상 모터를 사용하였다. 예컨대, 본 발명의 실시예에서 사용된 3상 AC모터(212, 214, 216)는 1마력의 3상 AC모터(212, 214, 216)를 3개를 등간격으로 상기 하판지지대(204)에 고정하여 설치한다.
AC모터(212, 214, 216)를 설계함에 있어서, 대략 다음의 수학식 1과 같은 예상 하중을 버텨낼 수 있는 설계가 필요하다. AC모터(212, 214, 216)가 감당해야 하는 하중은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
수학식 1에서 30kg은 사이클의 무게를 나타내며, 150kg은 사용자의 몸무게를 나타내고, 20kg은 상판지지대(202)의 무게를 나타낸다. 여기에 1.5를 곱한 것은 설계상에서 안정석을 고려한 배수이다. 4Kg * 4는 4Kg의 4개의 유니버셜 조인트를 나타내고, 8kg * 3은 8kg의 3개의 샤프트의 무게를 나타낸다. 2.5kg * 3는 3개의 크랭크(222, 224, 226)의 무게를 나타낸다. 3축 구동 시스템이므로 3개의 AC모터(212, 214, 216)가 부하를 1/3씩 나누어 가진다. 따라서, 하나의 AC모터(212, 214, 216)는 350 / 3 = 117Kg의 하중을 처리할 수 있어야 한다.
도 13을 참조하면, 1차원적으로 계산하였을 때, 도 13의 좌측 그림과 같이 크랭크(222) 축의 각도가 AC모터(212)와 이루는 각도가 90도일 때, AC모터(212, 214, 216)에 최대 부하가 걸린다. 이 때, 필요한 토크를 계산해보면, 다음의 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00002
샤프트(232), 크랭크(222) 축을 연결하는 베어링과, 유니버셜 조인트(252)의 마찰계수와 부하관성 모멘트를 고려해 약 100Nㅇm 가 된다. 안전율을 1.5배로 보면, 설계시, 받는 토크는 100Nㅇm * 1.5 = 150Nㅇm 가 된다. 즉, 150Nㅇm 토크를 낼 수 있는 AC모터(212)가 필요하다.
각각의 AC모터(212, 214, 216)과 연결된 크랭크(222, 224, 226)는 AC 모터(212, 214, 216)의 회전에너지를 직선운동으로 변환한다. AC모터(212, 214, 216)는 모션제어부(210)의 제어에 의해 제어되어 구글 어스에 따른 화면의 표시되는 지형에 맞게 전후면 또는 측면 등의 경사를 형성하게 된다. 또는 요철이나, 충격 상황인 경우면, 요철이나 충격 상황에 대응하는 충격을 만들어 상판지지부(204)로 전송할 수 있다.
AC모터(212, 214, 216)의 축과 연결된 크랭크(222, 232, 242) 축의 재질은 철 또는 합금으로 할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 강도가 강하고 가격이 저렴한 철로 구성하였다. AC모터(212)의 축과 타 AC모터(214, 216)의 축 사이의 거리를 대략 600mm라고 하면, 경사각을 15ㅀ로 설정한 경우, 크랭크(222, 224, 226)의 길이는 81mm로 설계해야 한다는 결과가 나온다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 크랭크(222)의 축의 길이는 삼각함수 중 탄젠트(tangent) 공식을 이용하여 구할 수 있으며, 이는 다음의 수학식 3으로부터 구할 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3으로부터 x값을 구하면, x의 결과값은 대략 160.7695mm로 나오고, 결과값으로부터 크랭크축의 길이를 계산하였을 때, 160.76mm가 나오지만, 링크식 시스템이므로 수학식 3의 결과값(x)/2 = 80.38mm의 공식에 의해, 대략 81mm로 제작해야 한다는 결과가 나온다. 즉, 크랭크(222, 224, 226)의 축의 길이가 1인 경우, 최저점과 최고점의 차이는 2가 되므로, 수학식 2의 결과값(x)을 2로 나눈 값인 약 81mm의 값을 크랭크(222) 축의 길이로 설계해야 한다. 즉, 크랭크(222, 224, 226)의 축의 설계 결과로 상판의 움직임이 -15ㅀ 내지 15ㅀ 내외가 되도록 설계된 것이다. 그리고, 크랭크(222, 224, 226)의 축 굵기도 좌굴을 고려해 모터의 축과 같은 굵기인 38ㅨ 로 제작하였다.
AC모터(212, 214, 216)를 제어하기 위해 PC(100)로부터 대응하는 시뮬레이션의 Pitch와 Roll의 각을 수신하면, 그 각을 구현하기 위해 이루어야 할 모터들 간의 높이 차이인 상하 변위(Roll Height)와 좌우 변위(Pitch Height)를 수학식 4 내지 수학식 6을 이용하여 구하였다. 이와 같이 구해진 Roll Height와 Pitch Height에 의해 상판지지대를 움직이는 AC모터(212, 214, 216)들을 제어하는 수학식은 다음의 수학식 4 내지 수학식 6와 같다.
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
수학식 4 내지 수학식 6와 같이 구성함으로써, 각각의 AC모터(212, 214, 216)은 상판지지대(202)가 이루는 각도를 각각의 AC모터(212, 214, 216)간에 손상 없이 설정할 수 있다.
한편, AC모터(212, 214, 216)의 최소 높이인 94mm와 최대 높이인 256mm의 범위를 벗어날 경우 AC모터(212, 214, 216)의 높이들을 보정해준다. 그 다음 코사인(Cosine) 제 2법칙을 이용하여 모터의 높이를 이루기 위하여 필요한 모터의 보정 회전 각도를 구한다. 모터보정 회전각도(θ)는 다음의 수학식 7으로 표현되며, 수학식 7은 다음과 같다.
Figure pat00007
상기 수학식 6에서 a는 AC모터(212, 214, 216)의 높이를 나타내며, b는 샤프트(232, 234, 236)의 길이를 나타내고, c는 크랭크(222, 224, 226) 축의 길이를 나타낸다. 한편, 도 23은 앞선 수식들과 같이 AC모터(212, 214, 216)를 제어하는 수식을 나타낸 도면이다.
AC모터(212, 214, 216)의 목표 회전각도와 현재 AC모터(212, 214, 216)의 각도 차이를 이용하여 PID제어를 한다.
도 24는 AC모터를 제어하기 위하여 설계한 모션제어부의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 24을 참조하면, 모션제어부(210)는 연산부(211), 릴레이(213) 및 인버터(Inverter)(215)로 구성된다. 연산부(211)는 PC(100)로부터 수신된 피치와 롤 각도를 수신하여 상기 수학식 3 내지 수학식 5에 따라 AC모터(212)을 동작시킬 높이에 대응하는 주파수와 회전방향을 계산하고, 릴레이(213)를 거쳐 인버터(215)로 전송한다. 인버터(215)는 연산부(211)에서 수신한 주파수와 회전방향에 따라 AC모터(212, 214, 216)를 제어한다. AC모터(212, 214, 216)의 변화된 각도값은 엔코더(208)가 감지하고 이를 연산부(211)로 피드백하여 연산부(211)가 이를 토대로 수학식 7에 따라 오차값을 보정할 수 있도록 한다.
본 발명의 실제 실시예에서는 연산부(211)를 ATMega128칩을 사용하여 구현하였다. 그리고, 실제에 있어서는, 모션제어부(210)가 다수의 AC모터(212, 214, 216)를 제어하지만, 설명의 편의를 위하여 도 24에는 하나의 AC모터(212)만을 예로 들어서 설명한 것임을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 25는 본 발명의 일실시예에 따른 모션플렛폼의 모션제어부와 주변 구성을 나타낸 회로도이다. 도 25를 참조하면, 연산부(211)로 사용된 ATMega128칩은 필요한 I/O핀이 65개이다. 이 때, 엔코더(242)는 사용 핀의 수를 줄이고자 3상 버퍼인 74HC541칩을 사용하여 모터 3개의 엔코더(242) 출력을 인에이블 신호(Enable Signal)를 이용하여 스왑하면서 받아들이는 구조로 구성하였다. 이 엔코더(242) 출력을 이용하여 AC모터(212, 214, 216)의 현재 위치를 검출할 수 있다.
연산부(211)로부터 수신된 신호는 릴레이(213)를 통해 인버터(215)로 전송된다. 인버터(215)로 작동주파수를 변환시키는 방법에는 로더볼륨, 전압신호, 전류신호, 통신 방법이 있다. 이중 바람직하게는 출력전압이 확실히 보장되는 방법인 전압 운전 방법을 채택하여 작동주파수를 변환하도록 할 수 있다. 따라서, 인버터(215)는 작동 주파수를 조정할 디지털아날로그 컨버터(Digital Analog Converter) 회로로 구성된다.
인버터(215)는 연산부(211)의 출력 핀의 값을 조절하여 0v~12v 사이의 전압을 출력함으로써, AC모터(212, 214, 216)의 작동주파수를 0Hz에서 최대 400Hz까지 변환시킬 수 있다.
모터구동부(240)는 PC(100)를 통해 설정부(340)와 연결되어 사용자로부터 설정부(340)를 통해 입력된 비상신호 브레이크 또는 입력된 시작 신호에 의해 모션제어부(210)의 제어를 받아 AC모터(212, 214, 216)모터를 정방향, 역방향, 정지구동하기 위한 신호를 발생시킨다. 모터구동부(240)는 모터의 정방향, 역방향, 정지구동 신호를 제공하기 위하여 CMOS Type And Gate로 구성하는 것이 바람직하다.
도 22는 본 발명에 따른 가상 하이킹 시스템을 구현한 실시예를 나타낸 사진이다. 도 22를 참조하면, 상판지지대(202)의 상판위에 사이클(300)을 고정하여 구성한다. 사이클(300)은 하부의 지지대(302)가 상판지지대(202)의 상부에 고정되며, 그 위에 몸체(304)가 형성되고, 몸체(304)의 양측면으로 패달(306)이 형성된다. 몸체(304)의 상부 일측으로는 패탈(306)로부터 사용자의 다리 길이에 적합하게 제1 지지대(312)가 일체형 또는 조립식으로 연장되어 형성된다. 제1 지지대(312)의 단부에는 시트(314)가 구성된다. 제1 지지대(312)와 시트(314)의 연결부분에 사용자의 승차감을 높이기 위해 선택적으로 쇼바 또는 스프링을 설치할 수 있다. 또한, 시트(314)의 높낮이를 조절할 수 있도록 제1 지지대(312)의 높낮이를 조절 가능하도록 설치할 수 있다.
도 21을 참조하면, 탑승자의 안전 및 안전을 위하여 시트(314)의 후면에 등받이(316)를 구성한다. 등받이는 각도 조절 가능하도록 구성할 수 있다. 예컨대, 시뮬레이션 상에서 오르막이 표시되는 경우, 모션플랫폼(200)이 뒤로 경사지게 되어 탑승자의 무게 중심이 뒤로 쏠리게 되어 위험할 수 있다. 따라서, 경사각이 기울어졌을 때 탑승자에게 안정성을 줄 등받이(316)를 시트(314)에 일체형 또는 조립식으로 구성할 수 있다.
도 20은 모션플랫폼에 오르기 위한 계단을 나타내고 있다. 도 20을 참조하면, 탑승자가 사이클(300)에 탑승하기 전에 모션플랫폼(200)에 올라가야 하지만, 모션 플랫폼의 높이는 단숨에 오르기에는 높은 높이이다. 따라서, 모션플랫폼(200)에 오르기 위한 계단(352)을 구성한다. 계단(352)은 모션플랫폼(200)과 일체형 또는 조립식으로 구성할 수 있다.
몸체(304)의 상부 타측으로는 제2 지지대(322)가 상부로 연장되며 그 단부에는 회전가능하게 설계된 핸들(324)을 구성한다. 도 15를 참조하면, 핸들(324)이 제2 지지대(322)에 대하여 회전 가능하도록 구성되어 있음을 나타내고 있다. 즉, 사이클 운동기구의 핸들(324)이 좌우 회전이 가능하게 하기 위해, 별도의 가공품으로 회전이 가능한 회전부를 제작하고, 핸들(324)에 포텐셔미터(Potentiometer)(326)를 부착하여 핸들(324)의 회전각을 측정한다.
도 16을 참조하면, 핸들(324)에 브레이크, 비상정지, 초기위치, 시작 기능을 갖는 스위치(328)을 구성하고 있다.
스위치(328)는 브레이크버튼, 비상정지버튼, 초기위치 설정버튼 및 시작버튼 등을 포함한다. 브레이크버튼은 시뮬레이션 상에서 사이클(300)의 브레이크 역할을 수행하며, 비상버튼은 시뮬레이션에 상관없이 비상시 패달이 움직이는 것을 정지시킨다. 초기위치 설정버튼은 하이킹 시작 위치를 설정한다. 예컨대, 시뮬레이션 상에서 원하는 하이킹 도로나 하이킹로 등을 선택할 수 있다. 시작버튼은 설정된 시뮬레이션을 시작시킨다. 즉, 시작버튼은 선택된 하이킹로 등에서 패달을 밟으면 대응하여 시뮬레이션이 동작함을 의미한다. 즉, 시작버튼은 모션 플랫폼을 탑승하기 전후 초기 위치를 유지하는 것에 사용된다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 서보모터를 나타낸 도면이다. 도 18은 운동강약 조절레버의 설치상태를 나타낸 도면이다. 도 17 및 도 18을 참조하면, 제2 지지대(322)의 일측에는 운동강약 조절레버(332)가 구성된다. 운동강약 조절레버(332)는 서보모터(350)와 연결되어 페달(306)에 가해지는 힘에 대항하는 저항력을 조절한다. 즉, 운동강약 조절레버(332)를 조절하여 강으로 설정하면, 운동강약 조절레버(332)와 연결되어 몸체(304)에 구성된 서보모터(350)가 동작한다. 이 운동강약 조절레버(332)를 수동으로 동작하면 서보모터(350)가 각각의 단계에 따라 페탈에 가해지는 저항력을 조절하여 운동량을 조절할 수 있도록 한다. 자동모드로 하이킹하는 경우에는 시뮬레이션 상에 보여지는 경사면에 따라 서보모터(350)가 페탈(306)에 저항력을 발생시켜 운동량이 자동으로 조절될 수 있도록 한다. 예컨대, 서보모터(350)는 1~8단계의 강도의 저항력을 자동 또는 수동으로 조정 할 수 있다.
제2 지지대(322)로부터 일측으로부터 조립식으로 연장된 제3 지지대(334)가 설치된다. 도 19를 참조하면, 그 제3 지지대(334)의 단부에는 PC(100) 또는 테블릿 PC(Tablet Personal Computer) 및 PC(100)와 연결될 HMD(400) 등을 놓을 수 있는 거치대(336)를 제작하여 설치하였다. 거치대(336)는 고정식으로 설치할 수도 있으며, 또는 제3 지지대(334)의 단부를 중심으로 90ㅀ 내지 360ㅀ 회전 가능하도록 설치할 수 있다. 거치대(336)의 상부면에 PC(100)를 놓을 수 있으며, 또한, HMD(400)를 놓을 수도 있다.
사이클(300)의 몸체(304), 특히 페달(306)에 의해 회전하는 회전판의 속도를 검출하기 위한 포토인터럽트(320)가 내장되어 있다. 포토인터럽트(320)는 사이클(300)의 페달(306)에 연결되어 페달(306)과 같은 속도로 움직이는 회전판의 둘레에 회전을 검출하면, 사이클 제어부(310)가 카운터 기능을 이용해 사이클(300)의 가상 속도를 계산할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상 하이킹 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 시스템 블록도이다. 도 2를 참조하면, 우선 본 발명의 구성은 크게 모션 플렛폼(200), 사이클(300), PC(100), 서버(500) 및 HMD(Head Mounted Display, 이후 HMD로 약칭함)(400)로 구성된다.
먼저, 모션플랫폼(200)은 앞서 기술한 바와 같이 다수의 AC모터부(230)는 다수의 AC모터(212, 214, 216)와 대응하는 수의 크랭크(222, 224, 226) 및 샤프트(232, 234, 236)로 구성된다. AC모터부(230)의 동작, 특히, AC모터(212, 214, 216)의 회전을 감지하여 이를 모션제어부(210)로 전송하면 모션제어부(210)는 상판지지대(202)의 현재 기울어진 각도를 산출해 낼 수 있다.
모션제어부(210)는 PC(100)로부터 전송된 시뮬레이션 영상에 대응하는 각도로 상판지지대(202)가 움직이도록 AC모터부(230)를 제어한다. 모션제어부(210)는 엔코더부(220)를 통해 AC모터부(230)의 회전을 감지하여 현재 상판지지대(202)가 대응하는 시뮬레이션 영상에 대응하는 각도로 전환되었는 지의 여부도 확인할 수 있다.
모션제어부(210) 내의 통신부(250)는 PC(100)와 통신하기 위한 통신 채널을 제공한다. 예컨대, 통신부(250)는 무선 또는 시리얼 통신선로를 통해 엔코더부(220)에서 감지한 AC모터(212, 214, 216)의 회전 정보를 PC(100)로 전송하거나, 또는 PC(100)로부터의 제어신호에 대응하여 AC모터(212, 214, 216)를 회전시켜 상판지지대(202)의 각도가 시뮬레이션 영상에 대응하는 각도로 만들거나, 또는 충격 또는 요철 등에 대응하는 충격을 상판지지대(202)로 전달하여 사이클 탑승자가 이를 느낄 수 있도록 할 수 있다.
PC(100)는 제어부(110), 저장부(120) 및 통신부(130)로 구성된다.
저장부(120)는 일부 구글 지도, 일부 구글 스트리트 뷰 및 테스트 프로그램 및 지도 등을 저장할 수도 있다. 또한, 가상 하이킹 프로그램을 저장할 수 있다.
제어부(110)는 사용자의 선택에 따라 서버(500)를 연결하여 구글 지도, 구글 스트리트뷰와 저장부(120)에 저장된 가상 하이킹 프로그램이 링크되도록 설정할 수 있다. 또는 제어부(110)는 사용자의 선택에 따라 저장부(120)에 저장된 구글 지도와 구글 스트리트 뷰와 가상 하이킹 프로그램이 실행되도록 할 수 있다. 사용자는 구글 지도를 통해 원하는 지역을 선택하고 구글 스트리뷰를 통해 원하는 하이킹 거리를 선택할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 서버와 PC 간에 구성된 소프트웨어 블록을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 정보 데이터베이스(510)는 MySQL로 제작하였다. 그리고, 서버(500)의 플랫폼은 아파치(Apach)와 톰캣(Tomcat)을 연동하여 구성하였다. 그리고 이 플랫폼의 넷트웍을 지원하기 위하여 JSP, HTML 및 AJAX엔진 등을 이용하여 제작되었다. 특히, JSP, HTML 및 AJAX엔진 등이 홈페이지 제작에 사용되었다.
PC(100)에는 장착되는 펌웨어는 AJAX 엔진으로 제작하여 서버(500)와의 연동이 편리하도록 하였다. 인터페이스는 구글 맵 API를 사용하였다. 그리고, 사이클(300)과 묘션플랫폼(200)을 포함하는 헬스사이클(200, 300)과 PC(100)의 연동은 Active X를 이용하여 구현하였다. 그리고, PC(100)와 헬스사이클(200, 300)의 통신은 시리얼 통신 규격인 RS-232 규격으로 구현하였다. 또한, 부가적으로 PC(100)와 HMD(400)의 통신에 있어서도 RS-232로 구현하였다. 그러나, 주지하는 바와 같이 PC(100)와 헬스사이클(200, 300) 및 HMD(400)와의 통신은 근거리 무선통신 규격으로 구현할 수도 있음을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따라 HMD를 나타낸 도면이다. 도 30을 참조하면, PC(100)와 연결된 HMD(400)가 있다. HMD(400)는 안경처럼 착용하고 내측의 인접한 표시부(420)를 통해 영상을 표시하는 디스플레이 장치이다. HMD(400)는 통신부(430), AHRS(410) 및 표시부(420)를 포함하여 구성된다.
HMD(400)는 PC(100)를 통해 입력된 시뮬레이션 화면에 따라 이를 표시하여 탑승자에게 현실에 가까운 시뮬레이션 화면을 제공한다.
HMD(400)의 통신부(430)는 PC(100)와의 무선 또는 유선 채널을 제공한다. HMD(400)는 무선 또는 유선 채널을 통해 PC(100)와 무선 또는 유선 통신한다.
AHRS(410)는 HMD(400)의 YAW, Pitch 값을 검출하고 검출된 YAW, Pitch 값을 PC(100)로 전송한다. PC(100)는 대응하는 화면 영상을 출력하고 이 영상, 즉, 사용자의 시선에 대응하는 Street View의 시뮬레이션 이미지를 해당 시선의 각도에 맞게 표시부(420)를 통해 출력 한다.
표시부(420)는 배경으로 시뮬레이션 화면을 표시한다. 표시부(420)는 배경 위에 PC(100)를 통해 입력된 사용자의 운동 상태, 예컨대, 맥박, 운동 중 하이킹 속도, 운동 거리 등의 운동 정보를 연동하여 일측에 표시할 수 있다.
HMD(400)의 통신부(430)는 서버(500) 및 PC(100)를 통해 송신된 시뮬레이션 화면을 수신하기 위한 통신채널을 제공한다. 통신부(430)는 AHRS(410)에 의해 검출된 YAW, Pitch 값을 PC(100)로 전송하기 위한 통신채널을 제공한다.
사이클(100)은 사이클제어부(310), 포토인터럽트(320), 맥박감지센서(330), 설정부(340), 서보모터(350), 포텐셔미터(360) 및 통신부(370)로 구성된다.
포토인터럽트(320)는 사이클(300)의 몸체에 내장되어 페달(306)의 속도에 대응하여 움직인 거리를 계산하여 사이클(300)이 가상으로 이동한 거리 정보를 생성하게 되고 이 이동한 거리 정보는 PC(100)로 전송된다. PC(100)는 이 거리에 대응하여 구글 스트리트 뷰의 시뮬레이션 화면 상에 이동한 상태를 표시하도록 한다. 대응하여 HMD(300)에도 이동된 상태의 화면이 표시된다.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따라 맥박감지센서를 포함하는 핸들을 나타낸 도면이다. 도 29는 본 발명의 일 실시예에 따라 오실로스코프에 나타낸 맥박감지센서의 출력 파형를 나타낸 도면이다. 도 28 및 도 29를 참조하면, 맥박감지센서(330)는 사이클(300)의 핸들(306) 부분의 일측에 형성되며, 접촉된 사용자의 맥박을 감지한다. 맥박감지센서(330)는 감지된 맥박을 PC(100)의 디스플레이 화면에 표시하거나, 또는 PC(100)를 통해 HMD(400)의 일측에 맥박의 상태를 표시하여 사용자가 자신의 건강상태를 손쉽게 체크할 수 있도록 한다. 맥박감지센서(330)는 도 29에 도시된 바와 같이 입력된 전압 값과 출력된 전압 값을 검출하여 사용자의 맥박을 산출한다. 맥박감지센서(330)의 입력전압은 1.7V이며 센서에 의한 전압과 저항 값이 2.7V에서 0V로, 300kΩ에서 200kΩ으로 감소하는 특징을 가지고 있다. 맥박 감지센서(330)는 전용 회로를 구성하고 구성된 전용회로에서 입력된 전압을 측정하여 맥박을 측정할 수 있다. 측정된 전압은 MCU의 카운터기능을 이용하여 분당 맥박 수가 계산되어 PC(100) 또는 HMD(400) 등에 표시할 수 있다.
설정부(340)는 앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 다수의 버튼으로 구성된 스위치(328)의 조작에 따라 사용자가 위험 상황에서 탈출할 수 있으며, 또는 초기 화면을 설정하고 선택하며, 운동의 강약을 조절할 수 있도록 제어한다. 또한, 설정부(340)는 전술한 바와같이 운동의 강약을 사용자가 운동강약 조절레버(332)를 통해 설정하거나, 또는 구글 스트리트 뷰에 표시되는 시뮬레이션에 대응하여 자동으로 조절될 수 있다.
서보모터(350)는 운동강약 조절레버(332)를 조절하여 강으로 설정하면, 서보모터(350)가 각각의 단계에 따라 페탈에 가해지는 저항력을 조절하여 운동량을 조절할 수 있도록 한다.
서보모터(350)는 보여지는 시뮬레이션 화면에 따라 운동강도를 조절할 수 있도록 한다. 예컨대, 서보모터의 단계가 1단계 내지 8단계로 설정되어 있다고 가정하고, 시뮬레이션 상으로 오르막이 표시된 경우면, 운동강도는 4이상의 운동강도를 설정한다. 따라서, 오르막의 경사에 대응하여 서보모터(350)가 페달(306)의 저항을 높이면, 사용자가 운동강도는 증가하게 된다. 그리고, 시뮬레이션 상으로 내리막이 표시된 경우면, 서보모터(350)는 내리막의 경사에 대응하여 페달(306)의 저항을 낮춘다. 따라서, 시뮬레이션 상에 내리막이 표시되면 사용자는 운동강도가 감소하게 된다.
포텐셔미터(360)는 핸들(324)에 부착되며, 핸들(324)의 회전 각도를 측정하고 측정된 회전 각도를 PC(100)로 전송하여 대응하여 구글 스트리트 뷰와 같은 시뮬레이션 화면이 대응하여 변경되도록 한다. 예컨대, 시뮬레이션 상에서 사거리가 표시된 상태에서 핸들을 좌회전 시키고 페달(306)을 밟으면, 좌회전 길에 대응하는 시뮬레이션 화면이 표시되도록 한다.
서보모터(350)는 자동모드로 하이킹하는 경우에는 시뮬레이션 상에 보여지는 경사면에 따라 페달(306)에 저항력을 발생시켜 운동량이 자동으로 조절될 수 있도록 한다. 서보모터(350)는 1~8단계의 강도의 저항력을 자동 또는 수동으로 조정 할 수 있다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따라 포토인터럽트에서 출력된 전압을 감지하여 오실로스코프 상에 나타난 전압 파형을 나타낸다. 도 27을 참조하면, 포토인터럽트(320)는 사이클(300)의 몸체(304), 특히 페달(306)에 의해 회전하는 회전판의 속도를 검출한다. 포토인터럽트(320)는 사이클(300)의 페달(306)에 연결되어 페달(306)과 같은 속도로 움직이는 회전판의 둘레에 회전을 검출하면, 사이클 제어부(310)가 카운터 기능을 이용해 사이클(300)의 가상 속도를 계산할 수 있다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따라 사이클에 구성된 장치를 제어하기 위한 회로도이다. 도 26을 참조하면, 사이클(300)의 몸체(306)내에 회로가 구성되어 있다. 사이클제어부(310)는 포토인터럽터(320)로부터 사이클의 속도 정보를 수신한다. 이 때, 속도의 검출은 페달(306)과 연결되어 회전하는 회전판을 사이에 두고 발광다이오드(3205)와 포토트랜지스터(3210)을 형성하여 검출할 수 있다. 즉, 스위치로 표시된 발광다이오드(3205)로부터 발광된 빛을 수광하는 포토트랜지스터에 흐르는 전류의 양의 변화를 감지하여 속도를 검출할 수 있다.
포토인터럽트(320)의 밑에는 스위치(328) 중 브레이크버튼 조작에 의해 브레이크 신호가 발생하면, 브레이크 신호를 수신하는 브레이크 입력포트를 표시하고 있다. 브레이크 신호가 수신되면, 이를 감지하여 사이클제어부(310)를 통해 점차로 사이클(300)을 서행시킨 후에, 사이클(300)의 페달(306)이 정지하도록 할 수 있다.
브레이크 입력포트의 하부에는 맥박감지회로(330)를 배치하고 있다. 맥박감지회로(330)는 사용자의 맥박을 감지하여 감지된 신호를 사이클제어부(310)를 통해 PC(100)로 전송한다.
도 46은 본 발명의 일 실시예에 따라 시스템 간에 통신하기 위한 패킷 구성을 나타낸 패킷테이블이다. 도 31은 본 발명의 도 46에 따라 시스템 간에 송수신한 패킷테이블의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 46 및 도 31을 참조하면,
시리얼통신 또는 무선통신을 이용하기 위한 정보를 전송하는 패킷에는 수신측과 송신측 정보 및 해당 패킷에 대한 정보를 포함하는 헤더정보(4605), 핸들(324)의 회전각에 따른 포텐셔미터(326)의 회전각 정보(4610, 4615), 맥박 수 정보(4620), 사이클의 가상 속도정보(4620), 브레이크 작동여부정보(4630), Yaw정보(4635), Pitch정보(4640) 및 오류를 체크하기 위한 체크썸정보(4645)를 포함한다.
도 31을 참조하면, 사이클(300)과 PC(100)가 통신하는 경우에 발생하는 패킷을 표시하고 있으며, 헤더정보(4605)는 송신측 및 수신측을 표시하고 해당 패킷에 대한 정보를 포함한다. 헤더정보(4605)에는 16비트를 할당한다.
회전각 정보(4610, 4615)는 각각 핸들(324)의 회전각에 따른 포텐셔미터(326)의 변위 정보를 우측과 좌측으로 구분하여 각각 8비트씩 할당한다.
맥박 수 정보(4620)는 맥박감지센서(330)에서 감지된 맥박 수를 표시하면, 8비트를 할당한다.
사이클의 가상 속도정보(4620)는 사이클(300)의 포토인터럽트(320)에서 검출된 속도를 표시하며 8비를 할당한다.
브레이크 작동여부정보(4630)는 현재 스위치(328)를 통해 브레이크의 작동여부 및 브레이크의 세기 등을 표시하며, 8비트를 할당한다.
Yaw정보(4635)는 HMD(400)와 PC(100)를 통해 입력된 사용자 시선의 상하각을 나타내며, 16비트를 할당한다.
Pitch정보(4640)는 HMD(400)와 PC(100)를 통해 입력된 사용자 시선의 좌우각을 나타내며, 16비트를 할당한다.
체크썸정보(4645)는 비동기식 방식으로 하며 에러 검출은 단순하고 가벼운 체크썸(Check sum)을 이용하여 검출하며, 16비트를 할당한다.
체크썸은 메시지 구성 요소(보통 비트)를 추가하여 결과 Data를 저장함으로써 동작한다. 이러한 작업을 수행함으로써, 사용자에 무관하게 같은 결과를 도출해 낼 수 있고, 무결성 검사에 대한 결과를 비교할 수 있으며, 체크썸을 확인함으로써 메시지의 손상 여부를 확인할 수 있다.
이러한 Data들의 송.수신을 위한 실시예에 있어서는 통신방식을 시리얼 통신 방식 또는 무선방식으로 구현할 수 있다. 바람직하게는 시리얼 통신방식으로 구현한다.
도 32는 본 발명의 일 실시예에 따라 장치의 작동을 확인하고 검증할 수 있는 테스트 프로그램의 실행화면을 나타낸 도면이다. 도 32을 참조하면, 테스트 프로그램 상에 모션 플랫폼의 각 축에 있는 AC모터(212, 214, 215)의 제어 및 메인 프레임의 X, Z축에 대한 각도를 입력하면, 대응하는 각도를 출력하도록 동작한다.
또한 센서들을 시험하기 위해 센서 데이터 출력박스를 만들어 센서들의 출력 값들을 확인할 수 있게 한다. 그리고 특정 모션(충돌, 점프 등) 버튼도 만들어 모션 플랫폼의 동작여부를 확인할 수 있도록 한다. 예컨대, 충돌에 따른 장치의 충격 상황을 표시하면 대응하는 충돌 상태를 출력하도록 동작한다.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따라 서버를 통해 가상 하이킹 홈페이지에 가입하는 과정을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 도 33을 참조하면, 가입자는 네트웍(550)을 통해 서버(500)에 접속한다. S901과정에서 서버(500)는 사용자의 요청에 따라 가상 하이킹 웹페이지를 저장하며, 이를 PC(100)에 표시할 수 있도록 한다. 서버(500)는 게임을 진행하고, 자신의 정보 및 운동상태를 확인 할 수 있도록 아래 도 36과 같이 가상 하이킹 웹페이지를 포함한다. 웹페이지는 사용자에게 가장 최근 자신이 진행한 운동 기록(최근 운동 시간, 운동한 거리, 속도) 등을 알아보기 쉽게 차트나 그래프를 통하여 출력 하도록 하고 개인 정보를 수정하거나 운동강도를 변경 할 수 있도록 사용자 정보 페이지를 제공한다. 서버(500)는 가입자 정보를 가지고 있으며, 예컨대, 데이터베이스 형태의 정보 데이터베이스(510)를 포함한다.
사용자가 처음 홈페이지(520)에 접속 하면 도 35와 같이 로그인 화면이 뜨고 계정이 없을 경우 새로운 계정을 생성 할 수 있도록 계정을 만들고 가입을 할 수 있는 버튼이 함께 제공된다.
한편, PC(100)의 저장부(120)를 통해 구글 어스 및 구글 스트리트 뷰 등의 시뮬레이션 프로그램을 호출하여 대응하는 하이킹을 수행할 수도 있다. 하지만, 보다, 다양한 서비스를 제공받기 위해서는 도 8에 따른 홈페이지(520)에 가입 후 서버(500)에 접속한 후에 대응하는 시뮬레이션 프로그램에 따른 모드를 선택할 수 있다.
서버(500)의 홈페이지(520)를 통해 게임을 진행하고, 자신의 정보 및 운동 상태를 확인 할 수 있도록 구성할 수 있다. 사용자는 가장 최근 자신이 진행 한 운동 기록(최근 운동 시간, 운동한 거리, 구간별 속도, 평균 속도) 등을 알아보기 쉽게 차트나 그래프를 통하여 출력하도록 하고 개인 정보를 수정하거나 운동 강도를 변경 할 수 있도록 사용자 정보 페이지를 구성하였다.
서버(500)는 S903과정에서 홈페이지(520)를 통해 회원 가입화면으로 이동하여 회원 가입 화면이 표시하도록 제어한다.
S905과정에서 사용자는 회원 가입 화면을 통해 사용자 정보를 기입한다. 예컨대, 회원 가입 시에는 아이디와 패스워드를 등록하도록 하며 패스워드는 암호화하여 가입자 정보 데이터베이스(510)에 저장 할 수 있도록 한다. 그리고 사용자별 다른 강도로 운동이 가능 하도록 운동 강도 정보를 입력 할 수 있다.
서버(500)는 S907과정에서 홈페이지(520)에 입력된 사용자 정보가 요건에 맞게 기입이 완료되었는지의 여부를 판단한다. 서버(500)는 사용자 정보 기입시 요건이 맞지 않거나, 또는 누락된 항목이 있는 경우, S905로 진행하고, 정보가 요건에 맞게 기입 완료된 경우면, S909과정에서 기입된 사용자 정보를 정보 데이터베이스(510)에 저장한다.
정보 데이터베이스(510)는 사용자가 자신의 개인 정보 및 운동 기록 등을 편하게 관리 할 수 있도록 구성한다. 정보 데이터베이스(510)는 오라클, MSSQL, PHP, 아파치(Apache), MySQL, 엑세스(Access) 등과 같은 데이터베이스 관련 프로그램들을 사용하여 구축할 수 있다. 특히, 본 발명의 구현에 있어서는 정보 데이터베이스(510)를 MySQL로 구축하였다.
정보 데이터베이스(510)에 저장되어 있는 정보를 사용하여 웹페이지에서 각 사용자 별로 개인 정보와 운동 정보들을 보여 줄 수 있도록 하고 자신의 정보를 수정하여 입력하도록 한다.
도 34는 본 발명에 따라 가상 하이킹 홈페이지에 가입후 홈페이지를 사용하는 일 실시예를 개략적으로 나타낸 순서도이다. 도 34를 참조하면, 서버(500)는 S1001과정에서 가상 하이킹 웹페이지를 통해 사용자의 요구에 따라 로그인 화면을 표시한다.
서버(500)는 S1003과정에서 사용자가 가상 하이킹 홈페이지(520)에 로그인 하였는 지의 여부를 판단한다. 서버(500)는 S1003과정에서 판단하여 사용자가 로그인한 경우면, S1005과정에서 시작페이지 화면을 표시한다.
시작페이지 화면에는 하이킹 시뮬레이션을 실행할 수 있는 하이킹 모드페이지와 정보페이지를 표시할 수 있다. 서버(500)는 S1007과정에서 사용자의 선택에 따라 하이킹 모드페이지 또는 정보페이지 중 어느 하나를 표시할 수 있다.
S1007과정에서 사용자가 정보페이지를 선택한 경우면, 서버(500)는 S1009과정에서 가상 하이킹 웹페이지를 통해 정보페이지를 표시하도록 제어하고, S1011과정에서 사용자의 선택에 의해 사용자 정보가 변경되었는 지의 여부를 판단한다.
서버(500)는 S1011과정에서 사용자 정보가 변경된 경우면, S1013과정에서 변경된 사용자 정보를 사용자 정보 데이터베이스(510)에 저장하고 종료한다. 사용자 정보 데이터베이스(510)에 저장되어 있는 정보를 사용하여 웹페이지에서 각 사용자 별로 개인 정보와 운동 정보들을 PC(100) 또는 HMD(400)를 통해 보여 줄 수 있도록 하고 자신의 정보를 수정할 수 있도록 구성한다.
S1007과정에서 사용자가 하이킹 모드페이지를 선택한 경우면, 서버(500)는 S1015과정에서 가상 하이킹 웹페이지를 통해 모드페이지를 표시하도록 제어하고, S1017과정에서 사용자의 선택에 의해 여행모드, 레이싱모드 또는 보물찾기모드 중 어떤 것이 선택되었는 지의 여부를 판단한다.
한편, 본 발명의 모드페이지에 제공되는 컨텐츠들은 구글에서 제공해주는 구글 어스 API와 구글 맵 API를 이용하여 3D와 구글 스트리트뷰를 기반으로 네트워크와 연동하여 컨텐츠를 제작하였다. 하이킹 모드페이지를 통해 제공되는 컨텐츠는 크게 게임 모드와 여행 모드 두 가지의 모드로 구분할 수 있다.
S1017과정에서 판단하여 사용자의 선택이 여행모드인 경우이면, S1019과정에서 여행모드에 따른 여행 시뮬레이션 화면을 PC 또는 HMD(400)의 표시부(420)를 통해 표시한다. 본 발명의 여행모드 및 게임모드는 하드웨어와 연동을 통해서 각각의 컨텐츠를 진행 할 수 있다.
여행 모드를 선택시 표시되는 여행 시뮬레이션 화면은 HMD(400)를 통해 여행지의 거리를 스트리트뷰를 이용하여 제작하여 실제로 자전거를 타고 여행을 한다는 느낌을 줄 수 있다. 뿐만 아니라 우리가 쉽게 가지 못하는 해외 및 국내 지역을 망라하여 제작하였기 때문에 더욱 흥미를 끌 수 있다. 청각적으로는 PC(100)의 스피커(도시되지 않음) 또는 HMD(400)에서 제공하는 이어폰을 통해 사이클 소리, 주변의 새소리, 차소리 등을 출력하여 이를 들으면서 여행 또는 하이킹하므로 현장감을 높일 수 있다.
여행 모드시에 PC(100) 또는 HMD(400)를 통해 실제 접속한 사용자들 중 선택한 사용자들이 사이클을 타고 주변에서 같이 여행하는 것으로 표시할 수 있으며, 또는 가상의 사용자들을 선택하여 같이 주위에서 같이 여행하는 것으로 표시할 수 있다. 또는 단독 사용자 모드로 구현될 수 있다.
여행지는 여행모드 선택시에 선택 가능하도록 한다. 그리고, PC(100) 또는 HMD(400)의 표시부(420)를 통해 여행모드 임을 표시하고, 선택된 여행지의 이름도 HMD(400)의 일측에 표시한다.
여행 모드에서 HMD(400)에 구성된 AHRS(410)를 통해 사용자의 시선에 대응하는 시야 각에 따라 실제 구글 스트리트뷰의 화면을 이동시켜 더욱 생동감을 느낄 수 있도록 구현한다. 도 40과 같은 길을 진행하는 중에 도 41과 같이 갈림길이 나올 경우 포텐셔미터(360)로부터 핸들의 회전값을 수신하여 원하는 방향을 선택 할 수 있도록 한다.
게임모드는 서버(500)를 통해 연결된 타 사용자의 캐릭터를 표시하여 나타낼 수 있다. S1017과정에서 판단하여 사용자의 선택이 레이싱 시뮬레이션을 표시하는 경우이면, S1021과정에서 레이싱모드에 따른 레이싱 시뮬레이션 화면을 PC 또는 HMD(400)의 표시부(420)를 통해 표시한다.
게임모드 중 레이싱모드는 서버의 정보 데이터베이스(510)에 저장된 레이싱맵 중에서 적합한 도로나 산책로를 선택하고 출발지부터 도착지까지 얼마나 빠른 시간에 도착하는 지를 가상의 캐릭터 또는 타 사용자와 겨룬다. 도 42에 레이싱 모드의 일예가 도시되어 있다. 레이싱모드는 누가 먼저 도착하는 지를 겨루는 게임모드이기 때문에 지정된 경로 안에서만 진행할 수 있도록 한다. 도 43은 레이싱 모드 중 미니맵을 나타낸 도면이다. 도 43을 참조하면, 사용자들은 미니 맵을 통해 전체 경로 뿐만 아니라 현재 자신의 위치 및 동시에 접속한 타 사용자의 위치도 알 수 있다. 도시된 도면에서는 3D 건물들이 많이 들어서 있는 지역을 선정하였다. 또한 레이싱모드의 특성에 맞게 지정된 경로 안에서만 레이싱을 즐길 수 있도록 하였다. 본 발명의 게임모드는 보물찾기모드, 레이싱모드 두 가지로 구성하였으나, 기타 가상현실을 통해 구현할 수 있는 다수의 게임도 포함시킬 수 있음은 물론이다.
게임모드 중 사용자가 보물찾기모드를 선택하면, 홈페이지(520)의 모드정보 데이터베이스(510)에 저장된 보물의 위치가 랜덤으로 정해지고 PC(100)에 연결된 스피커를 통해 음성으로 보물의 위치를 알려주거나, 대응하여 HMD(400)에 연결된 이어폰을 통해 보물의 위치를 알려줄 수 있다. 또는 PC(100)의 일측에 표시하거나, 또는 HMD(400) 표시부(420)의 일측에 표시할 수 있다. 사용자는 알려 준 위치를 찾아가서 보물을 획득해야 한다. 제한 시간 내 보물을 찾을 경우 점수를 부여하고, 제한 시간이 끝나면 다음 보물 위치를 알려 준다. 모든 게임이 끝나면 총 점수를 합산하여 서버(500)를 통해 동일한 게임에 동시에 접속한 다른 사용자들과 비교하여 순위도 정할 수 있다. 도 44에 보물찾기 모드를 진행하는 상태의 시뮬레이션 화면이 도시되어 있으며, 도 45에는 보물찾기 모드에서의 보물이 도시되어 있다.
하이킹 모드는 전술 한 바와 같이 여행모드, 보물찾기 모드 및 레이싱 모드 등으로 구성될 수 있다. 가상 하이킹 홈페이지(520) 가입 시 아이디와 패스워드를 등록하도록 하며 패스워드는 암호화하여 저장한다. 그리고 가상 하이킹 홈페이지(520)를 통해 사용자별로 다른 운동강도를 선택할 수 있도록 처음 운동강도를 입력 받고, 운동량 및 운동량을 데이터 베이스로 관리하여 운동량에 따라 강도를 높이거나, 또는 낮출 수 있다. 이와 같이, 가상 하이킹 홈페이지(520)는 가입한 회원 각각을 별도로 관리할 수 있어 개인의 각각에 적합한 서비스를 제공할 수 있다.
또한, 사용자가 자신의 운동 기록(최근 운동시간, 운동한 거리, 속도) 등을 알아보기 쉽게 데이터베이스와 하고 이를 출력할수 있도록 하고 개인 허가된 사용자인 경우면, 허가된 사용자의 등급에 따라 정보를 수정하거나 운동 강도를 변경할 수 있도록 한다. 예컨대, 일반 사용자인 경우면 자신의 정보만을 데이터베이스에서 변경할 수 있다.
한편, 시리얼 통신을 이용하여 PC(100)는 시리얼 통신 또는 무선통신을 통해 형성된 채널을 통해 사이클(300)의 사이클제어부(310)로부터 사이클의 속도, 사이클이 진행한 거리, 핸들의 회전각, 맥박 수, 브레이크 작동 여부를 수신한다.
또한 사용자가 여행 모드를 진행 시 사용자의 시야가 이동하는 경우에는 HMD(400)에 연결된 AHRS(410)가 피치각 정보 및 Yaw값에 변화값을 PC(100)로 전송하고 대응하여 상하 또는 좌우로 시선이 변화된 구글 스트리트 뷰의 시뮬레이션 화면이 HMD(400)로 전송되어 표시된다. 즉, HMD(400)의 이동 시 하드웨어 통신을 통해 HMD(400)에 장착된 센서값을 수신받고 그 데이터 값을 통해 각도를 계산하여 변화된 화면의 시점을 이동시켜 사용자가 바라보는 화면을 표시한다.
도 37 내지 도 39를 참조하면, 도 37에는 정면을 바라보고 있는 상태의 도면이 도시된다. 도 37의 상태에서 시선을 좌측으로 돌리면, HMD(400)의 AHRS(410)가 피치각에 변화가 있음을 감지하고 이를 PC(100)로 전송하면, PC(100)는 대응하는 화면, 즉, 좌측의 화면을 표시한다. 도 38은 탑승자가 좌측으로 시선을 돌린 상태를 도시한다. 도 37의 상태에서 시선을 우측으로 돌리면, HMD(400)의 AHRS(410)가 피치각에 변화가 있음을 감지하고 이를 PC(100)로 전송하면, PC(100)는 대응하는 화면, 즉, 우측의 화면을 표시한다. 도 39는 탑승자가 좌측으로 시선을 돌린 상태를 도시한다.
본 발명의 구성에서 사이클(100) 대신에 자동차 비행기와 같은 탈것 또는 트레드밀과 같은 운동기구 등으로 대체하여 구성할 수도 있음은 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 가상 하이킹 시스템 및 방법에 대하여 본 명세서 및 도면을 통해 바람직한 실시 예들에 대하여 설명하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위해 일반적인 의미에서 사용된 것일 뿐, 본 발명이 전술한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다양한 실시 예가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : PC 200 : 모션플랫폼
300 : 사이클 400 : HMD
500 : 서버

Claims (15)

  1. 시뮬레이션 화면을 표시하는 PC;
    상기 PC에 표시되는 시뮬레이션 화면의 도로의 상태에 대응하여 움직이는 모션플랫폼;
    상기 모션플랫폼의 상부에 고정되어 구성되며, 핸들의 이동 및 속도에 대응하여 시뮬레이션 화면이 변화하는 사이클을 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PC와 연결되어 시뮬레이션 화면을 제공하는 서버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PC에 연결되어 상기 PC로부터 시뮬레이션 화면을 수신하고 수신된 시뮬레이션 화면을 표시하는 HMD를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 화면은 구글 스트리뷰 인것을 특징으로 하는 가상 하이킹 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모션플랫폼은,
    동력을 발생시키는 다수의 모터와 상기 모터의 동력을 직선운동으로 전환하여 전달하는 대응하는 수의 크랭크와, 상기 크랭크로부터 동력을 전달하는 대응하는 수의 샤프트로 구성된 모터부;
    상기 모터부로부터의 동력을 받아 움직이는 상판지지대;
    상기 모터부에 연결되어 상기 모터의 동작을 감지하는 엔코더부;
    상기 엔코더부로부터 상기 모터부의 동작을 감지하여 상기 상판지지대의 동작을 인지하고, 상기 PC로부터 전송된 시뮬레이션 영상에 대응하는 각도로 상기 상판지지대가 움직이도록 AC모터부를 제어하는 모션제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 PC는,
    구글 스트리트뷰, 가상 하이킹 프로그램, 테스트 프로그램 및 지도 등을 저장하는 저장부;
    선택적으로 서버에 연결하여 구글 스트리트뷰와 상기 저장부에 저장된 가상 하이킹 프로그램이 링크되도록 설정하고, 가상 하이킹 프로그램을 실행하는 제어부;
    상기 모션플랫폼, 상기 사이클 및 상기 서버 및 상기 HMD와의 통신채널을 제공하는 통신부를 포함하는 가상 하이킹 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 통신부는,
    상기 모션플랫폼 및 상기 사이클과 시리얼 통신 방식으로 통신하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 HMD는,
    HMD가 이동한 YAW, Pitch 값을 검출하고 검출된 YAW, Pitch 값을 PC로 전송하는 AHRS를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 운동 정보는 탑승자의 맥박, 운동 중 하이킹 속도, 운동 거리 중 적어도 하나 인 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 사이클은,
    페달의 속도에 대응하여 움직인 거리를 계산하는 포토인터럽트;
    핸들의 일측에 형성되며, 접촉된 사용자의 맥박을 감지하는 맥박감지센서;
    사이클의 시작을 설정하고, 브레이크, 비상 탈출버튼에 따라 상기 모터부를 정방향, 역방향, 정지구동하기 위한 신호를 발생시키는 설정부;
    상기 조절레버에 따라 운동 강약을 조절하는 서보모터;
    핸들의 회전량을 감지하는 포텐셔미터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 시스템.
  11. 서버를 통해 가상 하이킹 시뮬레이션 정보를 수신하여 가상 하이킹을 제공하는 가상 하이킹 방법에 있어서,
    하이킹 모드페이지와 정보페이지를 선택할 수 있는 시작페이지 화면을 표시하는 과정;
    사용자가 정보페이지를 선택한 경우면, 표시된 정보페이지를 통해 가입자 정보를 변경하는 과정;
    사용자가 하이킹 모드페이지를 선택한 경우면, 하이킹 모드에 따른 가상 시뮬레이션을 표시하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 변경하는 과정은,
    상기 변경된 가입자 정보를 서버의 정보 데이터베이스에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 시뮬레이션은 HMD를 통해 표시하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하이킹 모드에 따른 가상 시뮬레이션을 표시하는 과정은,
    여행 시뮬레이션 화면을 상기 HMD를 통해 사용자에게 표시하는 과정;
    출발지부터 도착지까지 얼마나 빠른 시간에 도착하는 지를 겨루는 레이싱 모드의 시뮬레이션 화면을 표시하는 과정;
    일정 지도 내에서 보불을 찾는 보물찾기 시뮬레이션 화면을 표시하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 HMD를 통해 시뮬레이션 화면을 표시하고, 상기 시뮬레이션 화면 위에 상기 PC를 통해 입력된 사용자의 운동 정보를 표시하는 것을 특징으로 하는 가상 하이킹 방법.
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