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문제 정의
- 본 논문에서는 이와 같은 햅틱장치를 구동하기 위한 엑추 에이터로 보이스 코일형 모터를 선정하였으며 이를 설계하고 제작하였다. 현재 연구되고 있는 햅틱장치들은 대부분 2자유 도 이상의 복잡한 구조이면서 또한 상용모터를 사용하였지만 본 논문에서 제안한 장치는 컴퓨터 상에서 마우스를 대신할 수 있는 성노의 움식임과 .
제안 방법
- 본 연구에서 설계된 구조에 있어서 위의 기구학 해석 결과를 전문 해석 프로그램인 Visual nastran을 이용하여 시뮬레이션을 하였다. 3D CAD에서 작업돤 데이터를 Visual nastran에 넘기고 각각의 조립조건에 구속 조건을 주어서 기 구학 해석을 수행하였다. 구속 조건은 먼저 구동력를 회전모터로 지정하고, 각각의 링크의 연결부를 회전 조인트 (revolute joint)로 구속 조건을 지정하였다.
- 성능평가는 제작된 시제품의 조작부(Handle)를 힘 센서와 연결하여 바닥판에 고정시켜서 Y축 방향의 힘(미는힘, 당기는힘)을 측정할 수 있는 성능평가용 지그를 제작하여 수행하였다. Y축 방향으로의 힘을 힘 센서의 출력 전압으로 발생시켜 오실로스코프로 측정하였다.
- 3D CAD에서 작업돤 데이터를 Visual nastran에 넘기고 각각의 조립조건에 구속 조건을 주어서 기 구학 해석을 수행하였다. 구속 조건은 먼저 구동력를 회전모터로 지정하고, 각각의 링크의 연결부를 회전 조인트 (revolute joint)로 구속 조건을 지정하였다. 이 시뮬레이션은 각각의 모터에 54kgfmm와 -53kgfmm의 토크를 주었을때, 햅틱 장치의 손잡이 부분의 변위(mm)와 걸리는 힘(N)을 시뮬레이션 한 결과이다.
- 그러나, 본 연구에서는 가상환경 모델을 단순히 거리의 차이를 이용한 힘만을 계산하여 스프링 효과의 힘만을 구현하였다. 앞으로 이를 응용하여 물체의 질감 등의 다양한 촉감을 느끼는 방법에 대한 연구가 필요하겠다.
- 본 장치에서 보이스 코 일형 모터를 구동원으로 사용하여 모터의 제어를 용이 하게 하였고, 직접 구동방식을 채용하였기 때문에 모터 에서의 마찰력을 최소화하였다. 그리고 알루미늄재질의 링크 및 플레이트를 사용해서 경량화 및 저관성화를 이루었다 .
- 역 및 토크 제어가 용이하므로 2자유도 구조에는 적절한 구동체라고 판단된다. 그리고 이 모터를 이용한 햅틱장치를 설계하고 이의 동역학 해석을 하였으며 이를 평가하기 위하여 평가 시스템을 제안하여 성능을 평가하였다. 또한 PC에서 간단한 가상환 경을 구현하여 PC에서의 제어 및 가상환경의 힘을 전달하는 방법을 제안하였는데 여기서 PC와의 인터페이스는 최근 많이 사용하고 있는 USB를 이용하였다.
- 2kg의 추를 이용하여 보정하였는데, 출력전압이 약 20V이므로 힘 1N에 IV의 전압이 측정되는 것을 알 수 있다. 그리고 제어 보드에서 프로그램을 하여 순간적으로 모터에 최대 토크를 발생시켜 손잡이 부분의 힘을 측정장치로 측정하였다[2]. 실제로, 그림 18은 순간적으로 최대의 힘을 주었을때 측정한 화면인데 dY가 14.
- 영구자석 양 단부에서 프린징 효과로 인하여 자속밀도가 낮아짐을 알 수 있으며, 이로 인하여 이 구간에서는 단위 전류당 토크가 작아지게 된다. 따라서 이를 보완하기 위하여 공극자속밀도가 낮아지는 구역에 대해서는 영구자석의 형상변화를 주어 토크가 증가하도록 설계하였다. 설계돤 보이스 코일형 모터의 주요 형상은 그림 5와 같으며 주요 설계결과를 표 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 2자유도 햅틱 장치에 적합한 보이스 코일형 모터를 제안하여 설계, 제작하였고 이를 이용한 햅틱장치 및 제어보드 등을 제작하였으며 성능을 힘센서를 통하여 측정하였다. 또한 PC를 이용하여 가상환경에서 작용하는 힘을 사용자에게 전달할 수 있는 시스템을 구현하였다. 가상환경 모델링에서는 햅틱장치의 끝단과 가상물체 사이의 거리를 이용하여 도너츠 모양의 가상원통 벽 모델을 구현하였다[5].
- 그리고 이 모터를 이용한 햅틱장치를 설계하고 이의 동역학 해석을 하였으며 이를 평가하기 위하여 평가 시스템을 제안하여 성능을 평가하였다. 또한 PC에서 간단한 가상환 경을 구현하여 PC에서의 제어 및 가상환경의 힘을 전달하는 방법을 제안하였는데 여기서 PC와의 인터페이스는 최근 많이 사용하고 있는 USB를 이용하였다.
- 본 연구에서 구현한 시스템은 그림 15와 같이 가상환경 모델링 부분인 PC, PC로부터 제어명령을 받아 2축 모터를 구동하고 또한 엔코더를 카운트하여 다시 PC로 전송해주는 제어부, 그리고 2자유도로 설계되어 있는 햅틱장치 등 크게 세 부분으로 구성되어 있다. PC와 제어보드간의 인터페이스 방식으로는 최근에 많이 사용되고 있는 USB(Universal Serial Bus)를 사용하였다.
- 본 연구에서는 2자유도 햅틱 장치에 적합한 보이스 코일형 모터를 제안하여 설계, 제작하였고 이를 이용한 햅틱장치 및 제어보드 등을 제작하였으며 성능을 힘센서를 통하여 측정하였다. 또한 PC를 이용하여 가상환경에서 작용하는 힘을 사용자에게 전달할 수 있는 시스템을 구현하였다.
- 본 연구에서는 가상환경 모델링으로 도너츠 모양의 가상 원통 벽을 구현하였다[5]. 도너츠 모양의 원통내부에 햅틱 장치의 끝단이 위치해서 도너츠 모양의 원통이 탄성을 가진 벽으로 느껴지도록 모델링한 것이다.
- 성능평가는 제작된 시제품의 조작부(Handle)를 힘 센서와 연결하여 바닥판에 고정시켜서 Y축 방향의 힘(미는힘, 당기는힘)을 측정할 수 있는 성능평가용 지그를 제작하여 수행하였다. Y축 방향으로의 힘을 힘 센서의 출력 전압으로 발생시켜 오실로스코프로 측정하였다.
- 현재 연구되고 있는 햅틱장치들은 대부분 2자유 도 이상의 복잡한 구조이면서 또한 상용모터를 사용하였지만 본 논문에서 제안한 장치는 컴퓨터 상에서 마우스를 대신할 수 있는 성노의 움식임과 .에 해당하는 힘을 세어하는 용도 이므로 2자유도를 선택하였고, 여기에 상용화를 생각하였으므 로 비용절감을 크게 감안하여 구동 엑추에이터에 있어서는 보이스 코일형 모터를 사용하였다. 보이스 코일형 모터는 그 구조가 간단하고 일반 DC모터를 제어하듯이 정 .
- 이와 같이 설계한 햅틱장치를 구동하기 위한 기구학 해석을 수행하였다. 그림10에서 구동축의 각도 θ1, θ2가 주어졌 을 때의 끝단의 위치 x = (x, y를 다음과 같은 정기구학 해석으로 계산할 수 있다.
- 본 논문에서는 이와 같은 햅틱장치를 구동하기 위한 엑추 에이터로 보이스 코일형 모터를 선정하였으며 이를 설계하고 제작하였다. 현재 연구되고 있는 햅틱장치들은 대부분 2자유 도 이상의 복잡한 구조이면서 또한 상용모터를 사용하였지만 본 논문에서 제안한 장치는 컴퓨터 상에서 마우스를 대신할 수 있는 성노의 움식임과 .에 해당하는 힘을 세어하는 용도 이므로 2자유도를 선택하였고, 여기에 상용화를 생각하였으므 로 비용절감을 크게 감안하여 구동 엑추에이터에 있어서는 보이스 코일형 모터를 사용하였다.
대상 데이터
- 이 햅틱장치는 사람이 제어할 수 있는 최대 힘을 10N으로 설정하였으며 , 작동범위(work space)를 40x40mm정도로 설정하였다. 그리고 링크구조는 2자유 도이면서 견고한 5절링크 구조로 하였고[3], 2개의 보이 스 코일형 모터를 구동원으로 사용하였다. 이 장치를 고안하기 위해 주안점을 둔 것은 큰 힘의 반향 제시 가능, 힘 제어의 용이성, 무 백래시화, 링크연결 부분의 마찰력 최소화이다.
- 그리고 본 연구에서 개발한 제어보드는 그림 16과 같이 구성되어 있다. 본 제어보드에 있어서 USB전용 컨트롤러 칩과의 인터페이스, 모터 드라이브 IC 제어, 그리고 엔코더 카운트 연산 등을 하기 위하여 마이크로 컨트롤러를 사용하였는데 8Bit 이면서 강력한 기능을 가지고 있는 AVR 계열의 AT90S8515를 사용하였다. 이 컨트롤러는 118개의 명령어 대 부분이 한 클럭 사이클로 실행되는 고성능 저 전력의 RISC 구조로 되어 있고 데이터 및 비활성 메모리를 내장하고 있어서 아주 커다란 기능의 프로그램이 아니면 외부 메모리가 필요 없고 단일 칩으로 프로그램을 할 수가 있는 등의 장점을 가지고 있다[4].
데이터처리
- 본 연구에서 설계된 구조에 있어서 위의 기구학 해석 결과를 전문 해석 프로그램인 Visual nastran을 이용하여 시뮬레이션을 하였다. 3D CAD에서 작업돤 데이터를 Visual nastran에 넘기고 각각의 조립조건에 구속 조건을 주어서 기 구학 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 구현한 시스템은 그림 15와 같이 가상환경 모델링 부분인 PC, PC로부터 제어명령을 받아 2축 모터를 구동하고 또한 엔코더를 카운트하여 다시 PC로 전송해주는 제어부, 그리고 2자유도로 설계되어 있는 햅틱장치 등 크게 세 부분으로 구성되어 있다. PC와 제어보드간의 인터페이스 방식으로는 최근에 많이 사용되고 있는 USB(Universal Serial Bus)를 사용하였다. USB는 최근 컴퓨터 기반의 인터페이스의 표준으로 자리잡은 방식으로 PNP기능이 막강하고 또한 속도의 이점이 기존의 시리얼 방식보다는 큰 장점을 가지고 있다.
- 설계를 위하여 수치해석법의 일종인 유한요소법을 이용한 2차원 해석방법을 이용하였다. 그림 2는 유한요소 해석을 위한 요소분할도를, 그림 3은 해석결과인 자속선도를 나타내고 있다.
성능/효과
- 그림 7은 모터 단품에 대한 특성시험용 장치를 나타내고 있으며, 이를 통하여 시험한 회전각도별 발생토크는 그림 7과 같다, 여기서 단일 모터의 성능평가는 모터의 구동부에 풀리를 제작하여 설치한 후 실을 사용하여 로드셀과 연결하여 이 로드셀의 인디케이터를 읽는 방법으로 하였다. 단위전류당 발생토크는 ±19° 구간에서 거의 일정하였으며, 설계시 목표로 한 700mA 전류치에서의 발생토크는 54 [kgfmm]로 목표치보다 8% 높은 값을 나타내었다.
- 이 장치는 작동자가 핸들을 손으로 잡고 X, Y평면상으로 움직일 수 있도록 하였다. 본 장치에서 보이스 코 일형 모터를 구동원으로 사용하여 모터의 제어를 용이 하게 하였고, 직접 구동방식을 채용하였기 때문에 모터 에서의 마찰력을 최소화하였다. 그리고 알루미늄재질의 링크 및 플레이트를 사용해서 경량화 및 저관성화를 이루었다 .
후속연구
- 앞으로 이를 응용하여 물체의 질감 등의 다양한 촉감을 느끼는 방법에 대한 연구가 필요하겠다. 그리고 본 연구에서 제작된 2자유도 햅틱 장치를 응용하여 보다 높은 자유도와 다양한 구조를 갖는 햅틱 장치를 설계할 수 있을 것이다.
- 그러나, 본 연구에서는 가상환경 모델을 단순히 거리의 차이를 이용한 힘만을 계산하여 스프링 효과의 힘만을 구현하였다. 앞으로 이를 응용하여 물체의 질감 등의 다양한 촉감을 느끼는 방법에 대한 연구가 필요하겠다. 그리고 본 연구에서 제작된 2자유도 햅틱 장치를 응용하여 보다 높은 자유도와 다양한 구조를 갖는 햅틱 장치를 설계할 수 있을 것이다.
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