KR20040088327A - 체감형 게임 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 체감형 놀이기구에 관한 것으로, 견고하고 경제적인 산업용 AC 모터를 이용하여, 모니터를 주시하고 있는 탑승자에게 게임 영상의 변화나 조이스틱과 같은 사용자 입력장치의 조작과 연동하여 운동을 주어 가상현실을 체감할 수 있도록 하는 장치이다. 전체 시스템을 고정해 주는 하부 지지 프레임에 모터가 고정되어 있어 이 모터는 기어를 통해 탑승자의 의자와 모니터가 고정된 상부 작동판을 탑승자의 좌우를 축으로 하는 회전운동을 주게 되며 상기 모터가 고정된 지지대의 하단에는 기어로 연결된 또 다른 모터가 설치되어 상부 작동판 전체를 수직축을 중심으로 회전운동을 일으켜 영상을 응시하고 있는 탑승자에게 고도의 현실감을 주게 되는 가상현실 체험 장치이다.

Description

체감형 게임 장치{ENTERTAINMENT SIMULATOR}

본 발명은 상부 작동판을 수직 및 좌우축을 중심으로 자유롭게 회전시킬 수 있는 게임기로서, 저가의 산업용 AC모터를 구동모터로 채용하고, 단순한 기구의 구성으로 시스템을 소형화 할 수 있어

1930년대에 미국에서 고안되어 실용화되기 시작한 기계식 비행훈련장치는 1950년대에 접어들면서 컴퓨터와 접목되어 플라이트 시뮬레이터로 진보되고, 이후 1980년대에 들어 컴퓨터 그래픽이 고성능화되어 주변의 화상도 동일시간에 생성할 수 있게 되었다.시뮬레이터는 항공기 뿐만 아니라 선박이나 철도 차량의 조종과 운전사의 교육 훈련용으로 이용되고 있다.

시뮬레이터 기술 중 사람에게 운동감을 주는 장치를 모션베이스라고 하는데 최근에 가상현실 기술과 접목되어 각종 엔터테인먼트(entertainment) 분야에서 다양하게 적용되고 있다.

종래의 일반적인 게임기의 게임자는 좌석에 앉아 화면상에서 벌어지는 상황에 따른 버튼이나 간단한 조작기구를 사용하여 게임을 하므로 시각과 청각 이외의 체험 기능이 없었으나 모션 베이스가 장착된 게임기는 게임의 상황에 따라 탑승자가 탑승한 작동판의 속도, 가속도 등의 물리량을 계산하여 동작시킴으로써 탑승자에게 실제와 같은 체감을 준다.

모션 베이스는 동력원이나 작동판의 자유도 등으로 그 종류를 나눌 수 있는데 훈련용 시뮬레이터에서는 다양한 기능이 필요하므로 높은 성능의 모션베이스가 필요하지만 엔터테인먼트 분야에서는 가격 측면의 상품성 및 설치 장소의 제약으로 인해서 제한된 범위의 성능만이 구현된다.

동력원에 있어서는 유압 및 공압용 실린더들이 많이 쓰였으나 가격 및 유지 보수 측면에서 불리하여 최근에는 대부분 전기모터로 대체되고 있고 여러 개의 액츄에이터를 사용하여 자유도를 높이기보다는 게임에 필요한 운동체감(예를 들어 수평, 수직, 회전)을 현실적으로 구현하기 위한 운동 자유도만을 채택하는 것이 엔터테인먼트용 모션베이스의 특징이다.

현재 대부분의 모션베이스는 작동판에 운동을 주기위한 동력전달 기구들을 너무 복잡하게 구성하여 시장가치의 현실성이 떨어짐과 동시에 운동이 다이나믹하지 않아 게임과 연동하는 체감을 주기에 부족하였다.

무엇보다도 제조단가의 상승은 엔터테인먼트 용도의 모션베이스가 시장에 진출하기 위한 첫번째 장애요인으로 꼽히므로 사용자의 가상현실 체감을 만족시키는 동시에 가격을 최소화해야 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가격을 최소화하면서 체감을 극대화하기 위해, 탑승자에게 수직축을 중심으로 하는 회전운동과 좌우축을 중심으로 하는 회전운동을 체감할 수 있도록 탑승자용 의자와 모니터가 함께 고정된 상부 작동판에, 좌우를 축으로 하는 회전운동은 슬라이드-크랭크 기구를 응용하여 모터축에 고정된 연결로드 및 작동로드의 동력전달로 인한 상부 작동판의 회전으로 구현되고, 상하를 축으로 하는 회전운동은 시스템 하단에 구비된 모터의 모터축과 상기한 모터의 지지대가 기어 연결을 통해 이루어져 탑승자에게 충분한 체감을 제공할 수 있도록 함과 동시에 시스템을 최대로 소형화하고 기구부를 단순화 하여 엔터테인먼트용으로 적합하도록 생산 원가를 대폭 하락 시키는 데 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 구성을 나타낸 사시도

도 2는 본 발명의 구성을 나타낸 정면도

도 3은 도 2의 ‘A’부분을 부분적으로 나타낸 사시도

도 4는 도 2의 ‘B’부분을 부분적으로 나타낸 평면도

도 5a, 5b는 상부모터의 구동으로 좌우축에 대하여 회전운동이 발생한 상태도

도 6a, 6b는 하부모터의 구동으로 수직축에 대하여 회전운동이 발생한 상태도

도 7은 모터 제어과정을 나타내는 순서도

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

10 : 의자 13 : 상부 작동판

20 : 모니터 40 : 상부 작동판 지지 프레임

41 : 상부모터 42 : 상부모터 지지대

60 : 하부 지지 프레임 62 : 하부모터

70 : 작동로드 72 : 연결로드

71 : 하부 로드엔드 73 : 상부 로드엔드

80 : 포텐셔미터

본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면 도 1 내지 도 7는 본 고안에 따른 가상현실 체감용 시뮬레이터를 도시한 것으로서, 본 발명의 모션베이스(1)는 크게 모니터(20)와 의자(10)가 운동의 대상이 되어서 상부작동판(13)에 고정되어 있고 상부모터(41)가 좌우축을 중심으로 하는 회전운동을 하며 하부모터(62)가 수직축을 중심으로 하는 회전운동을 하는 것으로 대별할 수 있다.

하부지지프레임(60)는 설치하고자 하는 곳에 구비되어서 모션베이스(1)를 지지하도록 형성된다.

상기한 하부지지프레임(60)에는 하부모터(62)가 고정되어 장착되고 하부모터(62)의 모터 축에 고정된 모터축 기어(67)과 상부모터 지지대(42)에 고정된 상부기어(43)가 맞물려 모터의 회전에 의해 상부모터 지지대(42)의 회전운동이 가능토록 한다.

이때, 도 3에서 도시한 바와 같이 하부지지프레임(60)에 고정된 회전축 지지대(63)에 상부 기어(43)는 베어링(64)를 통해 설치됨으로 해서 원활한 회전을 돕는다.

한편, 상기 하부모터(62)의 모터축에는 기어(67)와 동시에 타이밍 풀리(68)가 구비되어 주위에 설치된 포텐셔미터(65)의 축에 구비된 타이밍 풀리(66)와 타이밍 벨트(69)로 연결되어 모터의 회전각을 검출한다.

상기한 상부모터 지지대(42)에는 상부모터(41)가 고정되고 모터 축에는 연결로드(72)가 구비되며 이는 다시 하부 로드엔드(71)을 매개로 연결된 작동로드(70)가 연결되고 다시 상부 작동판(13)에는 작동로드(70)의 상부 끝단에 상부 로드엔드(73)가체결되어 상부모터(41)의 회전력이 상부 작동판(13)에 전달된다.

한편, 상부 작동판(13)은 상부모터 지지대(42)에 고정된 상부 작동판 지지프레임(40)에 베어링(74)를 통해 힌지되어 이 축을 중심으로 회전운동이 가능하다.

도 4에 도시한 바와 같이 상부모터(41)의 모터축에는 타이밍 풀리(68)가 포텐셔미터(65) 축 타이밍 풀리(66)와 타이밍 벨트(69)로 연결되어 모터 회전각을 검출하게 된다.

한편, 상부모터(41) 및 연결로드(72), 작동로드(70)등의 상부 동력전달부의 보호 및 외관을 위해 자바라(51)를 설치한다.

또한, 상부 작동판(13)에는 탑승자(100)가 앉게 되는 의자(10)가 고정되고 게임을 할 때 필요한 입력장치인 조이스틱(11)이 조이스틱 고정 부재(12)에 의해, 탑승자(100)의 눈높이에 맞춘 모니터(20)가 모니터 고정대(21)와 모니터 지지대(22)에 의해 고정되고 탑승자(100)의 발이 위치하는 곳에 발판 플레이트(30)가 구비된다.

도 7은 본 발명의 모터 제어 방법을 도시한 것으로, 모션 제어 컴퓨터에서 모터의 각 위치 명령(200)을 발생시키면 제어회로(2)에서는 모터(206)에 부착되어 있는 포텐셔미터(207)의 신호치와 감산(201)해서 게인(202)을 곱해 속도 명령을 만든다.

상기한 게인(202)은 필요에 따라 PI 제어기와 같은 제어기를 사용할 수 있으며, 게인(202)을 통해 나온 신호는 주파수 명령과 전압/주파수(V/f) 변환기(203)를 통한 전압신호로 출력되어 PWM 인버터 시스템(205)으로 입력된다.

상기 PWM 인버터 시스템(205)은 AC 전원에서 변환되어 들어온 DC Power source(204)를 입력으로 받아 3상 유도 모터(206)를 회전시키기 위한 전력을 PWM 제어 방식으로 제어하여 모터(206)의 속도를 조절하는 역할을 한다.

이제 모터(206)가 회전하여 최초 위치 명령(200)의 각도로 회전하면 포텐셔미터(207)의 신호와 위치 명령(200) 신호의 값이 같아져서 모터는 정지하게 되며 이 사이클이 연속적으로 이루어져 모터의 위치 제어가 가능하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 운동 시스템의 동작에 대해 설명하면 다음과 같다.

의자(10)에 앉은 탑승자(100)가 모니터(20) 화면을 보면서 조이스틱(11)을 움직여 게임을 하면 게임을 실행하는 컴퓨터(도시 생략)는 영상신호를 모니터로 출력하고 스피커(도시 생략)를 통해 음향을 재생하는 동시에 게임의 내용과 연동하여 탑승자(100)의 위치에서 운동이 일어나야 할 물리량을 계산하며 이어서 하부모터(62)와 상부모터(41)가 회전해야 할 각도를 출력하면 이 신호를 받은 제어회로(2)는 모터가 명령위치에 도달할 때 까지 모터를 회전시킨다.

예를 들어, 게임내용에서 자동차가 언덕길을 내려가게 된다면 탑승자(100)는 앞으로 기울어지게 될 것이고 이 때의 신호를 감지한 제어 컴퓨터에서 상부모터(41)를 구동하여 도 5a와 같이 연결로드(72)의 일측 단부가 위를 향하도록 움직이면 상기 연결로드(72)와 하부 로드엔드(71)로 연결된 작동로드(70)는 상부 작동판(13)을 위로 밀어 올리면 베어링(74)으로 결합된 힌지축을 중심으로 앞으로 기울어지는 운동이 발생되며 다시 언덕길을 올라가는 상황이라면 도 5b와 같이 연결로드(72)의 일측 단부가 아래를 향하도록 움직여 상기 연결로드(72)와 상부 로드엔드(73)로 연결된 작동로드(70)는 상부 작동판(13)을 아래로 당겨서 베어링(74)으로 결합된 힌지축을 중심으로 뒤로 기울어지는 운동을 내게 되어 탑승자(100)에게 체감을 주게 된다.

작동로드(70)와 연결로드(72)가 상부모터(41)의 양측 단부에 각각 구비되어 있는 이유는 상부 작동판(13)을 구동함에 있어 강성을 보강하고자 함이 목적이며 시스템의 동작에는 한 단부에만 구성하여도 문제가 없다.

한편 도 6a, 6b는 모션베이스(1)를 평면도로 도시한 것으로, 예를 들어 게임에서 자동차가 코너링을 하게 된다면 제어 컴퓨터에서는 하부모터(62)를 동작시켜 코너링하는 방향에 따라 탑승자(100)를 회전운동하기 위해 명령 신호(200)를 출력하고 이 명령 신호(200)에 따라 제어 회로에서 상기 하부모터(62)를 구동하면 기어 연결로 결합된 상부모터지지대(42)가 회전하고 상기 상부모터지지대(42)에 힌지로 연결된 상부 작동판은 함께 회전되어 수직방향을 축으로 하는 회전운동을 발생한다.

이 두 회전 운동은 하나의 운동이 다른 운동에 간섭을 주지 않으면서 동시에 작동하게 되므로 큰 운동 범위로 3차원적인 가상 현실감을 얻게 되는 것이다.

본 발명의 기구는 전후 및 좌우 방향으로 회전운동을 주는 모터가 서로 구속, 연동되지 않고 독립적으로 움직일 수 있어 최대 운동 성능을 낼 수 있으며, 상부 작동판에 고정되어 움직이는 모니터와 탑승자는 함께 운동을 하므로 탑승자의 몰입감을 극대화 할 수 있고, 상부 작동판의 양단에 위치한 모니터부와 탑승자 의자부의 무게 배분을 고려하여 상부 작동판을 구동하는 모터 부하를 최소화 함으로써 적은 용량의 모터로 신속한 구동을 할 수 있고, 기구 구성을 최소화하고 경제적인 산업용 AC 모터를 액츄에이터로 채택함으로서 경제적인 제조가 가능하다.

Claims (4)

1. 베이스 역할을 하는 하부 지지 프레임;

   상기 하부 지지 프레임에 회전축이 수직으로 구비되되, 그 하단이 상기 하부 지지 프레임에 고정된 하부모터와 기어로 맞물려 회전할 수 있는 구조를 이루는 상부모터 지지대;

   상기 상부모터 지지대에 상부모터가 고정되고 상기 상부모터의 일측에 연결로드가 구비되며 이 연결로드의 일측 단부가 상기 상부모터의 회전축의 상하 방향으로 회전 가능하게 연결 되고, 상기 연결로드의 타단은 작동로드의 하단에 서로 회전 가능한 조인트로 연결되며, 상기 작동로드의 상단의 결합 부위는 서로 회전 가능한 조인트로 연결된 상부 작동판;

   상기 상부 지지대에 용착되어 수직방향으로 설치된 상부 작동판 지지 프레임;

   상기 상부 작동판은 상기 상부 작동판 지지 프레임과 힌지로 연결되고 상기 상부 작동판의 일측 윗면에는 모니터가, 다른 일측 윗면에는 탑승자의 의자가 고정되어 구비되는 것을 특징으로 하는 운동 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상부 작동판과 상기 상부 작동판 지지 프레임의 힌지 축은, 상기 상부 모터 지지대의 수직 회전축과 직각을 이루며, 상기 상부 작동판 위의 상기 모니터와 상기 의자의 무게 배분에 의해 상부 작동판의 중앙부위를 기준점으로 함을 특징으로 하는 운동 시스템.
3. 제 1항 있어서,

   상기 연결로드와 상기 상부 작동판의 결합 부위의 위치는 상기 상부 작동판 지지 프레임의 힌지 축과 일정 거리로 떨어져 있음을 특징으로 하는 운동 시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 하부모터나 상기 상부모터는 모터 회전각 검출수단 센서를 구비하고, 구동 제어수단인 제어컴퓨터와, 모터 구동 회로에 연결되되, 상기 회전각 검출수단 센서로부터 인가된 신호가 상기 구동 회로로 피드백되고, 상기 구동 회로는 상기 제어컴퓨터에서 인가된 모터 위치 명령 신호와 상기 회전각 검출수단 센서 신호로 제어 과정을 구성하여 모터에 구동 명령을 인가하여 상기 모터의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 운동 시스템.