가상현실 기반의 모션플랫폼 기술동향

가상현실 기술은 일부 대학과 연구소에서 개발하던 것에서 벗어나 점차 산업에 응용되고 있다. 특히 최근에는 좀 더 실감나고 실제와 비슷한 느낌을 주기 위한 여러 인터페이스 기술에 대한 관심과 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 추세에 따라 가상현실을 기반으로 한 모션플랫폼 기술도 주요기술로 부각되고 있는데, 가상현실을 기반으로 한 모션플랫폼은 역사적으로 군사용 훈련 시뮬레이터에서부터 시작되었다. 특히 경제적으로 또는 위험성 측면에서 실전 훈련을 하기에는 많은 제약사항이 있는 비행 훈련에서는 매우 오래 전부터 초대형 정밀 모션 베이스의 제작 및 제어에 대한 연구가 진행되어 왔으며 현재까지 이르고 있다. 최근에는 영화 ‘아바타’의 성공을 발판으로 급격히 공급(제작)과 수요(관객) 모두 관심도가 증가한 3D 영상에 대한 보조적 역할 혹은 고급 선택사항으로 모션플랫폼이 사용되고 있다. 특히 양안 시차를 이용하여 의도적으로 생성시킨 3D 영상에 대해 눈의 초점 조절과 폭주작용의 불일치로 인한 눈의 피로감을 덜어 주고, 눈, 귀 뿐 아니라 몸 전체로 느끼도록 다양한 효과를 주는 4D 콘텐츠의 중요한 요소로 쓰이고 있다. 그 밖에도 많은 수요가 있는 것은 아니지만, 소방차, 구급차, 특수 중장비와 같은 특정 목적을 위한 차량을 이용한 전문가 양성 프로그램에도 가상현실을 기반으로 한 모션플랫폼이 간간히 사용되고 있다.

이러한 모션플랫폼의 응용분야는 경제성보다 정밀성이 과도하게 높은 비중을 차지하거나(군용 시뮬레이터), 정밀성이나 자유로운 움직임보다는 경제성과 공간 효율성이 매우 중요한(엔터테인먼트용 4D 의자) 경우로 나뉘어지면서 이미 몇몇 기업이 독점하거나 혹은 많은 중소기업이 난립하여 시장이 정체되어 가는 문제점이 나타나고 있다. 모션플랫폼의 정밀도와 동작 자유도(DOF: Degres of Freedom)를 높이는 것은 경제성 및 공간 효율성과 배치되는 결과를 낳는다. 제한된 공간 안에서 실제와 비슷한 시뮬레이션 체험을 하는 본래의 목적을 따르면, 운용과 유지 보수에 지속적인 비용이 소요되는 거대한 비행 시뮬레이터 시스템은 응용분야가 매우 한정적이고 기술 장벽이 높다. 반면에 3D 영상에 대한 추가적인 옵션 혹은 4D 라이더용 모션플랫폼은 가격 경쟁력이 매우 중요하기 때문에 모션의 정밀성이나 움직임의 자유도가 상당히 떨어지게 되고 매우 많은 군소 업체가 시장에 진입하여 있어서 수익이 나기 힘든 구조이다. 가격 경쟁력과 모션 정밀도의 접점으로 새롭게 등장하는 응용분야가 익스트림 스포츠 분야이다. 기존의 일부 매니아 층에서만 즐기던 익스트림 스포츠는 일반인들이 한번 해보았으면 하는 레저활동이지만 위험성과 기상조건 및 체험공간의 제약으로 인해 실제로 경험하기는 어려운 종목이다. 실제감을 위해 어느 정도의 모션 정밀성과 영상과의 정합을 요구하지만 엔터테인먼트 측면의 과장된 모션이나 게임성을 추가할 수 있는 차세대 모션플랫폼이라 할 수 있다.

본고는 I장 서론의 배경과 간략한 모션플랫폼 기술의 분야별 소개에 이어 II장에서 본격적으로 응용분야에 따라 모션플랫폼을 분류하여 보고, III장 하드웨어 동작 방식에 따른 분류, IV장 제어 소프트웨어 알고리즘과 V장 실제 모션플랫폼 관련 업체 및 제품 위주의 시장동향을 살펴본 후 VI장에서 결론을 맺도록 한다.

<표 1>은 응용분야별로 모션플랫폼 기술을 나누고 그 특징을 간략하게 비교한 표이다. 표 하단에는 각 응용분야별 모션플랫폼 제품에 대한 예시를 도시하였다.

<표 1>

응용분야별 모션플랫폼 기술의 비교

모션플랫폼 기술은 사용자에게 모션을 제공하여 실제감을 준다는 점은 동일하지만 각각의 용도에 따라 서로 중점을 두는 요소는 다를 수 있다. 응용분야별로 모션플랫폼을 분류하는 것은 몇 가지 중요한 관점을 제시해준다. 먼저 각각의 모션플랫폼 기술의 장단점을 파악할 수 있고 이를 통해 응용분야에 따라 모션플랫폼 기술과 시장의 지향하는 바를 명확히 할 수 있다. 또한 각 응용분야에 따라 나뉜 모션플랫폼 시장을 분석하여 새로운 응용분야(시장)을 탐색할 수 있다.

<표 1>의 분류에서 왼쪽 3열은 기존에 모션플랫폼 기술이 사용되고 있는 분야를 정리한 것이다. 본 장의 각 절에서는 먼저 이 세 분야에 대해 비교해보고, 이를 통해 새로운 응용분야(<표 1>의 가장 오른쪽 열)를 도출하였다.

모션플랫폼은 비행기, 탱크 등 특정 대상물의 움직임을 모방한 장치로써, 사용자는 이 모션플랫폼 상에서 플랫폼의 모션을 통하여 가상으로 대상물을 체험할 수 있다. 이러한 모션플랫폼은 군사용 훈련 시뮬레이터, 산업 교육용 시뮬레이터 및 엔터테인먼트 분야에 주로 쓰이고 있으며 근래에는 체감형 게임을 비롯하여 소규모의 개인용 모션플랫폼까지 개발되고 있다.

(그림 1)

모션플랫폼의 개발절차

다양한 방식의 모션플랫폼은 (그림 1)과 같은 절차에 따라 개발된다[1].

(그림 1)의 절차를 보면 목표 사양 분석단계에서는 목표 사양에 따른 요구사항을 분석하고 기구학 분석단계에서는 각 기구들의 크기와 위치를 결정하고 3D 모델링을 거쳐 역/순기구학 시뮬레이션을 한다. 동특성 분석 단계에서는 모터의 용량 결정과 조인트별 최대 하중 및 구조해석을 한다. 설계단계에서는 단품 설계 및 제작도면을 작성하고 단축 액추에이터(Actuator) 시험을 통해 요구사항이 충족되면 제작단계로 넘어간다. 요구사항이 충족되지 않으면 기구학 분석단계로 다시 넘어가 반복적인 단계를 거친다. 제작단계에서는 부품을 가공하고 조립하여 모션플랫폼을 만들고 만들어진 모션플랫폼에 대해 시험 및 평가단계에서는 시험평가를 통해 목표 사양을 검증한다.

모션플랫폼의 동역학을 분석하고 제어하기 위해서는 (그림 2)의 예와 같이 모션제어 SW에서 모션명령을 내리고 이 신호를 액추에이터 드라이버에 보내 모션플랫폼을 움직인다. 이 때 플랫폼의 움직임을 감지하고 그 신호를 변환한 후 이를 다시 모션제어 SW에 피드백하면 모션플랫폼에서는 다시 구동을 제어하는 방식으로 운용된다[2].

(그림 2)

모션플랫폼 제어 예[2]

모션플랫폼을 구동시키는 액추에이터는 모션플랫폼을 구동할 때에 빈번히 발생하는 기동, 정지, 회전 혹은 왕복 운동을 할 수 있어야 한다. 또한 명령 신호나 검출 신호에 따라 쉽게 제어가 가능해야 하고 응답성도 양호해야 하며 설치 보수 작업이 용이한 형태로 제작되어야 한다. 액추에이터는 동력원에 따라 공압식, 유압식, 전기식 및 기타 형상기억합금과 같은 특수재질 방식 등으로 분류된다(<표 2> 참조). 공압식은 공기 압축장치를 사용하여 압축된 공기를 밀폐된 실린더에 밀어 넣고 빼내는 방식으로 동작하나 공기가 지나는 공간의 크기가 일정하여도 공기의 부피는 일정하지 않다는 특성이 있다. 유압식 액추에이터는 고압의 기름을 실린더에 들여보내 실린더를 미는 방식으로 동작한다. 유압식에서는 배출되는 기름을 수집하여 담아두는 별도의 배관과 용기가 필요한 반면 공압식에서는 공기를 다시 저장할 필요가 없다. 구동력에 있어서는 유압식이 공압식의 5배 이상 힘을 발휘할 수 있으며 응답속도도 공압식보다 빨라 응답성이 좋으며 물체에 반작용으로 인한 밀림현상도 발생하지 않는다. (그림 3)은 공압식과 유압식의 액추에이터 모습으로 공압식은 유압식에 비해 소규모의 모션플랫폼 제작에 적합하다. 전동식 액추에이터는 전자기 모터에 의해 구동되며 요즘엔 회전 각도 제어가 용이한 스텝핑 모터가 많이 사용되고 있다. 특수재질에 의한 방식 중에는 형상기억 합금이 있는데 온도변화에 따른 형상을 회복할 때 복원력이 발생하므로 재료 그 자체가 구동력을 발생시키는 액추에이터 역할을 한다. 이러한 방식은 기구의 간소화 및 소형화에 유리한 반면 큰 힘을 내는 분야에는 적용이 어려운 한계를 가지고 있다. (그림 4)는 전동식 방식과 형상기억 합금 방식의 액추에이터 모습으로 전동식은 모터가 결합된 모습이고 형상기업 합금 방식은 전원 공급차단에 의한 내부 온도변화에 따른 수축과 복원이 발생하며 이를 이용해 구동한다. 이 방식은 구동 힘이 크지 않아 주로 곤충이나 새 등을 모방한 로봇제어 등에 활용되고 있는 추세이며 구동 힘을 높이기 위한 기술개발도 활발히 진행 중에 있다.

<표 2>

액추에이터 종류[3]

(그림 3)

공압식(a) 및 유압식 액추에이터(b)

(그림4)

전동식(a) 및 형상기업합금 액추에이터(b)

모션플랫폼은 실제 탈 것을 모사하지만 실제와는 다르게 많은 제약조건을 가지고 있다. 모션플랫폼은 어떤 것이든 하드웨어로 가능한 동작 범위와 가속도 한계가 있으며, 이를 탑승자가 느끼지 못하도록 적절하게 모션을 제시하는 것은 제어 알고리즘를 통한 소프트웨어적인 해법으로 풀어가야 한다[4].

모션플랫폼의 제어 알고리즘은 고전적인 워시아웃 알고리즘이 기초가 된다. 이 방식은 여러번의 시행착오와 경험적 데이터를 바탕으로 결정된 고주파/저주파 필터의 차단 주파수와 댐핑율을 조합하여 해당 모션플랫폼에 적합한 변수를 찾아내는 방식이다. 모션플랫폼의 하드웨어적인 동작 범위의 한계를 뛰어넘기 위해서는 탑승자가 ‘알아차리지 못할 정도’의 속도로 되돌아오는 것이 필요하며 이를 위한 실험적 데이터가 필요하다. 이러한 기본 워시아웃 알고리즘을 바탕으로 적응형 알고리즘[5][6], 최적 제어 필터링[7][8] 등 각각의 용도에 맞는 모션플랫폼에 특화된 방식으로 개선하고 있다.

(그림 5)

고전적 워시아웃 알고리즘[5]

범용으로 설계단계에서부터 시뮬레이션 해 볼 수 있는 프로그램의 개발은 지속적으로 시도되고 있으며 몇몇 회사에서 발표하여 잠시 판매하기도 하였으나[9], 그 역시 일정부분 하드웨어의 특성에 의존적인 부분이 존재하기 때문에 널리 쓰이지 못하고 하드웨어와 패키지로 제공하는 방향으로 선회하고 있다.

Elsaco Kolin사는 유압식 방식의 3축 모션 시뮬레이터를 개발하였다. 이 모션플랫폼은 3개 축이 지면에 삼각형으로 설치되어 있고 액추에이터의 실린더가 위쪽 방향으로 높게 다다를 수 있고 베이스 자체가 회전을 하기 때문에 시뮬레이터에 탄 사람이 레이싱 게임과 같은 콘텐츠를 실감있게 즐길 수 있게 한다. (그림 6)은 사용자가 차량형 모션플랫폼에 올라 타고 구동하는 모습으로 모션플랫폼의 움직임이 콘텐츠와 연동해서 역동적으로 구동하는 특징이 있다.

(그림 6)

3축 시뮬레이터 탑승 시연 모습

Cruden사는 6축 기반의 유압식 모션 시뮬레이터를 출시하였으며 이는 디스플레이 3개를 전면에 수평 배치하여 사용자로 하여금 몰입하여 콘텐츠를 볼 수 있도록 하였다. (그림 7)의 모습과 같이 개발된 모션 시뮬레이터는 동작 범위가 크고 빠른 움직임도 가능하지만 부피에 비해 부드러우면서 섬세한 제어가 가능하도록 구현되었다.

(그림 7)

6축 유압식 모션 시뮬레이터

독일 Gilderfluke사에서는 작지만 효율성이 높은 6축의 공기압 방식의 모션플랫폼을 출시하였다((그림 8) 참조). 이 모션플랫폼은 높이가 지면으로부터 60cm 이하로 작고 가볍지만 움직임도 빠르고 어른이 앉아도 충분히 제어가 될 정도로 힘을 발휘한다. Gilderfluke사는 공압식 모션플랫폼의 하드웨어와 제어를 위한 콘트롤러까지 일괄적으로 시스템을 개발 판매하는 업체이다. 이러한 소규모의 모션플랫폼은 테마파크 등에서 놀이 기구나 캐릭터 등의 움직임을 제어하는데 사용되고 있으며 광고 전시 등의 분야로 적용 영역을 넓혀가고 있다.

(그림 8)

Gilderfluke사의 공압식 모션플랫폼

미국 Max Flight사는 2인용 모션 시뮬레이터를 출시하였는데 한 개의 커다란 로봇 팔 기둥에 설치된 돔 형태의 시뮬레이터를 공중에서 회전 및 좌우 움직임을 준다. 탑승자로 내부 밀폐된 공간으로 들어가 디스플레이를 응시하게 하여 콘텐츠에 대한 몰입감을 높일 수 있도록 구현되었다. 반면 이 모션플랫폼은 수평 수직 이동은 되지 않아 테마파크의 놀이 기구 등 제한적인 분야에 적용될 수 있지만 공중에서 임의의 방향으로 360도 회전이 가능하도록 제작된 것이 특징이다((그림 9) 참조).

(그림 9)

Max Flight사의 모션플랫폼

이탈리아 Evotek사는 자동차 경주용 모션 시뮬레이터를 출시하였다. 이는 원형 베이스에 경주용 자동차 모형을 설치하고 전면에 후면투사 방식으로 프로젝터 3개를 설치한 낮은 높이의 영상 디스플레이 모듈로 구성된다. 사용자가 모형 자동차의 좌석에 앉으면 콘텐츠 영상이 사용자의 시야에 가득차게 들어오고 영상품질 또한 우수하여 실제와 같은 몰입감과 재미요소를 부여한다. 이 모션플랫폼은 단지 진동요소와 회전요소만 구현되어 있는데 영상 콘텐츠와의 적절한 조합에 의해 모션플랫폼의 활용도를 높인 제품이다((그림 10) 참조).

(그림 10)

Evotek 자동차 시뮬레이터 시연 모습

독일 FESTO사의 rider 플랫폼은 공기압 방식의 모션 시뮬레이터로써 6개의 공기압 실린더에 의해 구동이 된다. 일반적으로 공기압 방식은 밀림현상이 발생하기 때문에 이 플랫폼에서도 떨림 현상이 있으나 구조면에서기구물이 효율적으로 설치되어 작은 규모이지만 다양한 콘텐츠에 적용이 가능한 rider 플랫폼이다((그림 11) 참조).

(그림 11)

독일 FESTO사의 rider 플랫폼

앞서 언급한 것과 같이 익스트림 스포츠를 모사하는 모션플랫폼은 광시야각 HMD(Head-Mounted Display) 기술과 같은 가상현실 장비 기술의 발전과 더불어서 기술과 시장 측면에서 모두 새로운 돌파구가 될 수 있을 것으로 예상된다.

예를 들어 기존의 지상 훈련용 패러글라이딩 기구물은 장비 착용이나 중력에 대한 느낌을 줄 수 있는 단순한 형태의 구조물이 대부분이었다. 그런데 최근에는 가상현실 기술의 발전으로 인하여 광시야각 HMD와 같은 장비가 개발되었고 이를 통한 부유감을 제시하고자 하는 시도가 있었다((그림 12) 참조).

(그림 12)

광시야각 HMD 이용 ‘Virtual FootFlyer’[10]

그러나 (그림 12)와 같은 플랫폼도 아직까지 부유감에 대한 효과를 영상을 통해서만 주고 있으며 실제 패러글라이딩 조종이나 기류의 효과 등은 구현하지 못하고 있다. 한국전자통신연구원 가상현실연구실에서는 패러글라이딩을 모티브로 하여 공중에 떠 있는 듯한 느낌을 주기 위해 탑승자의 발이 닿지 않도록 하고 이를 바탕으로 부유감을 제시하는 시제품을 제작하였다. 가상현실 기술을 기반으로 바람 체감, 입체 음향효과와 함께 자세, 손잡이 브레이크 조종에 대한 영상 동기화 작업을 진행 중이며, 향후에는 상승, 하강 기류 등과 같은 환경 요소를 고려하여 모션이 제공될 수 있는 능동형 모션플랫폼 개발을 예정하고 있다.

모션플랫폼은 국방, 산업용에서 점차 개인용, 일반용의 엔터테인먼트 분야로 진출을 확대하고 있다. 특히 새롭게 시장을 창출하고 있는 레포츠용 모션플랫폼의 경우는 탑승자에게 몰입감을 부여하기 위하여 개선된 알고리즘을 적용한 모션플랫폼 제어와 함께 다양한 콘텐츠 제작 기술 등 모션플랫폼 제반 SW 기술이 더 중요해 지고 있어 국가차원의 지원이 요구되고 있다.

DOF  Degrees of Freedom

HMD  Head-Mounted Display