가상현실에서 전방향 보행 플랫폼의 발전 역사
현재 가상현실(VR)에서 사용자의 전방향 보행을 구현하기 위한 플랫폼(VR 로코모션 플랫폼)은 크게 네 가지 주요 발전 방향으로 구분할 수 있습니다. 오늘날 사용되는 대부분의 솔루션은 일본 쓰쿠바 대학교 VR Lab 연구진의 과학적 연구에서 출발하였으며, 이는 가상 이동 기술 발전에 결정적인 영향을 미쳤습니다.
아래에서는 전방향 VR 플랫폼의 각 발전 방향과 현재 수준, 그리고 왜 이러한 장치들이 여전히 편안하고 현실적이며 생리적으로 올바른 이동을 제공하지 못하는지에 대해 단계적으로 살펴봅니다.
※ 본 페이지의 마지막에는 본문에서 소개된 모든 장치의 작동을 보여주는 YouTube 영상 모음을, 텍스트에 등장하는 순서대로 제공하고 있습니다.
1. 전방향 트레드밀 (Omni-Directional Treadmill)
첫 번째 범주는 구조적으로 기존 트레드밀과 유사하지만, 전후 이동뿐만 아니라 좌우 이동도 가능하도록 추가 자유도를 갖춘 장치들입니다. 이러한 플랫폼의 보행면은 일반적으로 방향 전환이 가능한 세그먼트 또는 모듈로 구성되며, 시스템 전체는 사용자를 작업 영역의 중앙으로 동적으로 되돌리도록 설계되어 있습니다.
이 개념은 1997년에 발표된 Torus Treadmill과 Omni-Directional Treadmill(ODT)을 통해 확립되었습니다.
Torus Treadmill은 일본 쓰쿠바 대학교에서 개발되었으며, ODT는 미국 Virtual Space Devices사의 엔지니어들에 의해 설계되었습니다. 자세한 구조 설명은 미국 특허 US5562572A “Omni-Directional Treadmill”에 수록되어 있습니다.
Torus Treadmill 1997
Virtual Space Devices 1997
이 분야에서 가장 대규모의 상업적 시도 중 하나는 유럽의 CyberWalk 프로젝트였습니다. 그 현대적 발전형으로는 전문가 및 산업용을 목표로 소형화·고도화된 INFINADECK 플랫폼을 들 수 있습니다.
한계와 단점
이 유형의 전방향 트레드밀이 가지는 주요 단점은 다음과 같습니다.
- 높은 구조적 복잡성과 큰 크기
- 마찰이 발생하는 기계 부품의 다수 사용
- 고출력 구동 장치의 필요성
- 무거운 중량, 높은 에너지 소비, 유지보수의 어려움
Cybercarpet과 StriderVR은 소형화를 시도했지만, 원리적인 한계는 해소하지 못했습니다. 두 장치 모두 기존 트레드밀 메커니즘에 볼 구조를 결합한 방식입니다.
- Cybercarpet에서는 볼 아래에서 트레드밀이 회전하며
- StriderVR에서는 트레드밀 위에 위치한 볼 블록이 회전합니다
구현 방식의 차이에도 불구하고, 기본 원리와 그에 따른 제약은 동일합니다.
Disney Holotile
전방향 트레드밀 계열 중에서도 Disney Holotile은 특히 주목할 만한 장치입니다. 이 장치는 개별 구동이 가능한 다수의 기계식 롤러로 보행면을 구성하며, 사용자의 움직임을 실시간으로 보정하여 플랫폼 중앙으로 되돌립니다.
이 방식은 작업 영역을 벗어나지 않고도 모든 방향으로의 보행 동작을 가능하게 합니다. 해당 개념은 미국 특허 US20180217662A1(2017) “Floor system providing omnidirectional movement of a person walking in a virtual reality environment”에 자세히 설명되어 있습니다.
기술적으로 매우 정교하고 독창적인 접근 방식이지만, 높은 기계적 복잡성, 비용, 자연스러운 움직임 구현의 어려움 등 트레드밀 계열 특유의 한계는 여전히 존재합니다.
현실성의 한계
이 범주의 모든 장치가 공통적으로 가지는 또 다른 중요한 단점은 계단 오르내리기나 험지 이동과 같은 복잡한 이동 시나리오를 현실적으로 구현할 수 없다는 점입니다. 이는 몰입감을 크게 저하시켜, 사실적인 VR 환경에서의 활용을 제한합니다.
Cybercarpet StriderVR
2. 슬라이딩 및 저마찰 효과 기반 플랫폼
두 번째 방향은 마찰 감소 효과의 활용에 기반한다.
이러한 시스템에는 다음 요소가 적용된다.
• 사용자의 신발 밑창에 장착된 롤러
• 플랫폼 상의 롤러 또는 구형 요소
• 특수 저마찰 코팅
이 접근 방식은 1995년 SIGGRAPH 학회에서 쓰쿠바 대학 연구진이 발표한 실험 프로젝트 "가상 보행기(Virtual Perambulator)"에서 비롯되었습니다. 이는 사용자의 보행을 시뮬레이션하도록 설계된 초기 VR 보행 인터페이스 중 하나였습니다. 이 장치는 매끄러운 플라스틱 표면과 미끄러운 신발을 사용하여 발이 걸음걸이 동작 중에 자유롭게 미끄러지도록 했습니다.
이 방향의 다음 발전 단계는
Omni-direction Ball-bearing Disc Platform (OBDP)(1999년)으로, 지지 표면에 직접 배치된 다수의 볼 베어링 롤러를 사용하였다.
현대적 유사 장치
이 유형의 현대 상용 장치(Virtuix Omni, Wizdish ROVR, WalkMouse, Cyberith Virtualizer, Kat Walk 등)는 초기 프로토타입과 본질적으로 큰 차이가 없다. 개선 사항은 주로 안전 및 고정 시스템에 국한되며, 보행의 현실성을 향상시키지는 못한다.
근본적인 문제는 슬라이딩 원리 자체에 있다. 사용자는 발을 표면 위에서 “미끄러뜨려야” 하며, 이는 주관적으로 얼음 위를 걷는 느낌과 유사하고 인간의 자연스러운 생체역학과 일치하지 않는다.
Virtual Peranbulator
OBDP
3. 전동 구동 신발 (Powered Shoes)
세 번째 방향은 사용자의 신발에 직접 장착된 전동 구동 롤러의 사용에 기반한다. 최초의 장치는 University of Tsukuba VR Lab에서 개발된 Powered Shoes였다.
Freeaim VR Shoes 프로젝트를 포함한 현대적 유사 장치들은 기본 개념에서 크게 벗어나지 못했으며, 여전히 다음과 같은 객관적 문제를 안고 있다.
• 보행 시 신발 구성 요소 간의 충돌
• 높은 소음 수준
• 관절에 가해지는 상당한 충격 하중
• 계단 오르기 및 불규칙 지형 이동의 구현 불가
승강 메커니즘을 사용자의 다리에 직접 배치함으로써 시스템은 부피가 커지고 실용성이 저하된다.
Powered Shoes
Freeaim VR Shoes
4. 발별 독립 플랫폼을 갖춘 장치
네 번째 방향은 각 발에 독립된 플랫폼을 갖춘 장치를 포함한다. 이러한 솔루션의 대부분은 과학 논문이나 프로토타입 형태로만 존재하였다.
이 유형의 초기 개발 사례 중 하나는 *「A foot following locomotion device with force feedback capabilities」*라는 연구에서 설명되었다.
해당 구조는 두 개의 가동 암과 네 개의 자유도를 갖는 플랫폼으로 구성되며, 상당한 작동 하중으로 인해 고출력 구동 장치의 사용이 필요하다는 점이 주요한 단점으로 지적된다.
같은 방향에 속하는 장치로는 Gait Master 시리즈가 있다.
• Gait Master 1 — 텔레스코픽 메커니즘을 갖춘 두 개의 가동 플랫폼
• Gait Master 2 및 Gait Master 5 — University of Tsukuba VR Lab의 학술 논문에 기술됨. 두 번째 및다섯 번째 버전은 의료 재활을 목적으로 개발되었다.
분류 외 장치
CirculaFloor와 VirtuSphere는 어느 분류에도 속하지 않으므로 별도로 언급할 필요가 있다.
CirculaFloor는 여러 개의 로봇화된 플랫폼이 사용자의 발 아래에 순차적으로 배치되는 시스템이다.
VirtuSphere는 직경 약 2미터의 투명한 회전 구체로, 그 내부에 사용자가 위치한다.
VirtuSphere의 작동 원리는 특허 RU2109336C1 (1995)
「가상현실로 사용자를 몰입시키는 방법 및 이를 구현하는 장치」에서 처음으로 기술되었다.
결론
기존의 VR 전방향 보행 장치를 연구하고 시험한 결과, 현실성, 편안함, 안전성을 동시에 높은 수준으로 제공하는 솔루션은 존재하지 않는다는 결론에 도달하였다.
기존 유사 장치와 근본적으로 다른 Radix Omnidirectional Treadmill은 VR 로코모션 기술을 새로운 단계로 끌어올릴 잠재력을 지니고 있다. 이 장치에 내재된 개념은 구조를 대폭 단순화하고, 산업 생산 비용을절감하며, 현실적인 가상 이동을 더 넓은 사용자층에게 제공할 수 있도록 한다.
