인간 중심 제품의 개발을 위해서는 사용자가 제품을 사용하며 느끼는 사용감이 중요하다. 기존의 제품 개발 방법은 제품의 사용감을 평가하기 위해서 반드시 시제품을 제작하여야 하는 불편함이 있었다. 이러한 제품 개발 과정은 시제품을 햅틱 시뮬레이터로 대체함으로써 단순화할 수 있으며, 이러한 제품개발 방법을 햅틱보조설계 기법(Haptic-Aided Design, HAD)라고 한다. 본 논문은 맞춤형 의자의 제작에 효율적으로 사용될 수 있는 새로운 HAD 기법을 제안하였다. 햅틱의자와 직관적인 유저 인터페이스로 구성된 햅틱 시뮬레이터를 개발하였으며, 이를 이용하여 실시간으로 의자의 등판과 좌판의 임피던스를 조절하였다. 시제품을 대신하여 햅틱의자를 사용하여, 설계 초기에 설정된 의자의 등판과 좌판의 강성과 감쇠에 대한 안락감 평가를 실시하였다. 이를 통하여, 제안된 HAD 기법이 맞춤형 의자의 개발에 효율적으로 적용될 수 있고, 다른 제품의 개발에도 확장될 수 있다는 것을 보였다.
인간 중심 제품의 개발을 위해서는 사용자가 제품을 사용하며 느끼는 사용감이 중요하다. 기존의 제품 개발 방법은 제품의 사용감을 평가하기 위해서 반드시 시제품을 제작하여야 하는 불편함이 있었다. 이러한 제품 개발 과정은 시제품을 햅틱 시뮬레이터로 대체함으로써 단순화할 수 있으며, 이러한 제품개발 방법을 햅틱보조설계 기법(Haptic-Aided Design, HAD)라고 한다. 본 논문은 맞춤형 의자의 제작에 효율적으로 사용될 수 있는 새로운 HAD 기법을 제안하였다. 햅틱의자와 직관적인 유저 인터페이스로 구성된 햅틱 시뮬레이터를 개발하였으며, 이를 이용하여 실시간으로 의자의 등판과 좌판의 임피던스를 조절하였다. 시제품을 대신하여 햅틱의자를 사용하여, 설계 초기에 설정된 의자의 등판과 좌판의 강성과 감쇠에 대한 안락감 평가를 실시하였다. 이를 통하여, 제안된 HAD 기법이 맞춤형 의자의 개발에 효율적으로 적용될 수 있고, 다른 제품의 개발에도 확장될 수 있다는 것을 보였다.
The feeling that is evoked when products are handled has become increasingly important in the design of products primarily used by humans. In the traditional product design process, prototypes are built several times in order to evaluate the feeling evoked during use. However, these design processes...
The feeling that is evoked when products are handled has become increasingly important in the design of products primarily used by humans. In the traditional product design process, prototypes are built several times in order to evaluate the feeling evoked during use. However, these design processes can be optimized by adopting a haptic simulator that can serve as a prototype. The design method based on the use of the haptic simulator is called haptics-aided design (HAD), which is the main subject of this paper. Here, a new HAD method that can be effectively used to design a custom-made chair is proposed. A haptic simulator, which is composed of a haptic chair and an intuitive graphical user interface, was developed. The simulator can adjust the impedance of the backrest and seat pan of a chair in real time. The haptic chair was used instead of real prototypes in order to evaluate the comfort of the initially designed seat pan and backrest on the basis of their stiffness and damping values. It was shown that the HAD method can be effectively used to design a custom-made chair and can be extended to other product design processes.
The feeling that is evoked when products are handled has become increasingly important in the design of products primarily used by humans. In the traditional product design process, prototypes are built several times in order to evaluate the feeling evoked during use. However, these design processes can be optimized by adopting a haptic simulator that can serve as a prototype. The design method based on the use of the haptic simulator is called haptics-aided design (HAD), which is the main subject of this paper. Here, a new HAD method that can be effectively used to design a custom-made chair is proposed. A haptic simulator, which is composed of a haptic chair and an intuitive graphical user interface, was developed. The simulator can adjust the impedance of the backrest and seat pan of a chair in real time. The haptic chair was used instead of real prototypes in order to evaluate the comfort of the initially designed seat pan and backrest on the basis of their stiffness and damping values. It was shown that the HAD method can be effectively used to design a custom-made chair and can be extended to other product design processes.
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문제 정의
본 연구에서는 인체친화적인 제품의 설계를 효율적으로 하기 위하여, 실제 의자의 설계에 HAD 기법을 적용하였다. 등판과 좌판의 설계를 통하여 HAD 기법의 효용성을 보여 주었으며, 나아가서더 일반적인 HAD 기법에 대한 논의를 하였다. HAD를 이용한 실제 의자의 설계를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 햅틱스 기술을 이용하여 인체친화적인 제품을 설계하는 방법을 제시하고자, 사무용 의자의 설계에 HAD를 적용하였다. 이를 위하여 의자 설계에 특화된 햅틱의자 시스템를 개발하였다.
가설 설정
(5) 여기서 기울임 예압은 등판을 기울이기 위한 최소한의 토크를 의미한다. 본 논문에서는 인간공학적 의자설계에 관한 논문을 참고하여 의자 등판의 기울임 강성은 1.0Nm/deg, 등판의 초기 기울임 예압은 17Nm라고 가정하였다. 이를 만족하기 위하여 a = 6.
따라서 인체공학적 설계를 위해서는 최적의 HP를 찾는 것이 중요하다. 의자 등판의 경우, 감쇠효과는 미미하므로, 본 연구에서는 등판의 강성 효과만을 고려한다. 따라서 의자 등판설계를 위해서 힘-각도의 상관관계를 나타내는 강성 HP를 고려한다.
제안 방법
따라서 햅틱장치의 모터 제어주기는 최소한 320Hz보다 커야 한다.(4) 본 연구에서는 DSP(TMS320F2812)를 이용한 제어기를 개발하였으며, 제어주기는 1kHz이다. 그리고 좌판과 등판의 강성, 감쇠, 변위를 조절하기 위하여 임피던스 제어를 적용하였다.
2) 컴퓨터 시뮬레이션 또는 실제 제품에 대한 측정을 통하여 HP를 생성하며, HP를 통해 물리적 특성(강성, 감쇠 등)을 분석한다.
8(b)와 같이 시제품 제작 과정을 생략할 수 있다. A와 같이 편안한 IFD 특성을 찾아내기 위하여 실제 햅틱의자를 시제품 대신 이용하여 안락감 평가를 수행하며, IFD를 실시간으로 조절하여 IFD가 사람에게 미치는 효과를 즉시 확인할수 있다. 이와 같이 햅틱의자 시스템을 이용하여 최적의 IFD를 찾게 되며, 이를 바탕으로 좌판의 설계변수를 결정할 수 있다.
(4) 본 연구에서는 DSP(TMS320F2812)를 이용한 제어기를 개발하였으며, 제어주기는 1kHz이다. 그리고 좌판과 등판의 강성, 감쇠, 변위를 조절하기 위하여 임피던스 제어를 적용하였다.
의자 등판의 경우, 감쇠효과는 미미하므로, 본 연구에서는 등판의 강성 효과만을 고려한다. 따라서 의자 등판설계를 위해서 힘-각도의 상관관계를 나타내는 강성 HP를 고려한다.
본 연구에서는 햅틱의자 시스템을 이용하여 의자 등판과 좌판을 설계하였으며, 이를 바탕으로 Fig. 10과 같은 HAD기법을 제시한다. 구체적 설계 과정은 다음과 같다.
햅틱의자를 이용하여 좌판의 쿠션 및 등판의 강성 등을 다양하게 시뮬레이션 할 수 있으며, GUI는 사용자가 다양한 시뮬레이션을 쉽게 구현할 수 있도록 도와 준다. 본 연구에서는 햅틱의자의 제어변수와 실제 의자의 설계변수 사이의 관계를 정의하고, 이를 바탕으로 사용자에게 안락감을 제공할 수 있도록 실제 의자 좌판 및 등판을 설계하였다.
(2) 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 제품에 발생하는 힘을 사실적으로 모델링하는 연구가 증가하고 있다. 사실적인 힘 모델링을 위하여 실제 제품을 조작할 때 발생하는 힘과 위치, 속도 및 가속도 등을 측정하고, 측정한 데이터는 힘 피드백 제어를 위하여 사용한다. 그 예로 Tideman은 자동차의 기어레버를 작동할 때, 사람이 기어레버에 가한 힘과 기어레버의 위치를 동시에 측정하였으며, 이를 햅틱장치의 제어하는 데 사용하였다.
조절한 HP는 햅틱의자에 즉시 반영된다. 사용자는 HP의 조절과 안락감 평가를 반복 진행하였으며, 이로부터 편안한 HP를 찾아 내었다.
8(a)의 a와 같이 인간공학에서 권장하는 사항들을 참조하여 편안한 느낌을 주는 IFD의 특성을 예측하였다. 이를 바탕으로 b와 같이 시제품을 제작하고, 다양한 실험을 통하여 초기에 예측한 IFD가 적절한지 검증한다. 그리고 IFD가 적절하지 않을 경우, 실험 결과를 바탕으로 IFD를 수정하게 되고, 최적의 IFD를 찾을 때까지 이 과정을 반복한다.
본 연구에서는 햅틱스 기술을 이용하여 인체친화적인 제품을 설계하는 방법을 제시하고자, 사무용 의자의 설계에 HAD를 적용하였다. 이를 위하여 의자 설계에 특화된 햅틱의자 시스템를 개발하였다. 햅틱의자 시스템은 햅틱의자, 제어기 그리고 GUI로 구성되어 있다.
이 때, 설계변수 a, k, h가 HP의 강성에 주는 영향은 Table 1과 같다. 이와 같은 조건을 만족하는 설계변수들의 값의 조합은 많지만, 본 연구에서는 a, k, h의 값을 각각 90mm, 17Nmm/deg와 16mm으로 결정하였다. Fig.
이와 같이 초기 HP를 적용한 후 안락감 평가를 수행하였다. 먼저 등판에 살짝 기댄 상태에서 작업을 수행하는 업무상태의 자세(upright posture)를 취하였다.
햅틱의자와 DSP 기반의 제어기로 이루어진 햅틱의자 시스템으로도 충분히 의자의 설계에 사용할 수 있지만, 보다 더 간편하고 직관적인 사용을 위하여 OpenScenGraph와 MFC에 기반한 GUI를 개발하였다. GUI는 햅틱의자의 움직임을 시각적으로 보여주는 main frame과 햅틱의자의 힘 피드백을 조절할 수 있는 control dialog, 그리고 모터를 초기화하는 initial dialog로 구성되어 있다.
이론/모형
본 연구에서는 인체친화적인 제품의 설계를 효율적으로 하기 위하여, 실제 의자의 설계에 HAD 기법을 적용하였다. 등판과 좌판의 설계를 통하여 HAD 기법의 효용성을 보여 주었으며, 나아가서더 일반적인 HAD 기법에 대한 논의를 하였다.
햅틱의자를 통해 실제 좌판에 위에 앉는 것과 같은 느낌을 재현하기 위하여 Fig. 9와 같이 좌판에 사용되는 폼의 IFD를 측정하였으며, 구체적인 측정 방법은 미국재료측정협회의 규정(ASTM D3574)을 참조하였다.(7) 측정한 IFD는 햅틱의자의 초기 HP로 사용한다.
성능/효과
(1) HP를 햅틱장치의 제어에 적용하여 실제 제품을 조작하는 것과 같은 느낌을 재현할 수 있으며, 편안한 느낌을 주는 HP를 찾을 쉽게 찾아낼 수 있다.
(2) 초기 HP와 햅틱장치를 통해 찾아낸 편안한 HP그래프의 비교를 통해 설계변수를 보다 쉽게 추출해낼 수 있다.
(3) 시제품 대신 햅틱장치를 사용하여 안락감 평가를 할 수 있으며, 이는 인간 친화적인 제품의 설계 효율을 향상시킬 수 있다.
(5) 의자의 틸트 기능은 구현 방법이 다양하며, 그 중에서 Fig. 2의 등판 틸트 방식이 대표적이다. 등판 틸트 방식은 사용자가 등판에 기댈 때 좌판은 고정된 상태에서 등판이 회전축을 중심으로 회전한다.
5) HP조절과 안락감 평가를 반복 진행함으로써 최적의 HP을 찾아 낸다.
편안한 HP의 그래프(실선)는 측정한 HP의 그래프(점선)에 비해 초기 경도가 낮으며 기울기가 더 크지만, 50% IFD 이상은 거의 비슷하다는 것을 알 수 있다. 또한, 편안한 HP의 그래프로부터 여러 지수의 값을 Table 3과 같이 결정할 수 있었다.
햅틱의자를 이용한 안락감 평가를 통해 편안한 등판은 25Nm의 예압과 2.6Nm/deg의 강성을 가져야 한다는 것을 확인하였다. 등판 각도는 약 10°정도 변하므로, 식 (1)의 tanθ는 θ 로 근사화할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
햅틱장치란?
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 제품설계 과정에서 햅틱장치를 제품 평가에 활용하는 연구가 진행되었으며, 이와 같은 설계 기법을 haptics-aided design(HAD)이라고 한다. (1)햅틱장치는 사람의 오감 중 촉감(또는 역감)을 제시할 수 있는 장치로서, 가상현실에 있는 가상물체를 실제로 사용하는 것과 같은 느낌을 사용자에게 제공할 수 있다. 따라서 햅틱장치로 시제품을 대신할 경우, 시제품 제작과정을 생략할 수 있어 제품설계를 보다 효율적으로 진행할 수 있다.
haptic profile는 무엇을 의미하는가?
햅틱의자를 이용하여 실제 제품을 사용하는 느낌을 구현하기 위해서 haptic profile(HP)를 사용한다. HP란 제품의 특성을 물리적인 변수의 상관관계로 나타낸 것으로, 사람이 제품을 사용할 때의힘, 위치, 그리고 속도 사이의 관계를 의미한다. 또한, HP는 제품 기능의 고유한 특성을 포함하며, 사용자가 느끼는 만족도는 HP와 밀접한 관계가 있다.
햅틱장치를 시제품 대신에 사용하여 생기는 장점은?
햅틱장치를 시제품 대신에 사용하는 장점은 햅틱장치를 이용하여 사용자에게 전달하는 힘을 임의로 조절하고, 실시간으로 느끼며, 사용감을 평가할 수 있다는 점이다. 햅틱스를 이용한 감성적인 평가 결과를 설계에 반영하기 위해서는 역감을 표현하기 위한 제어변수와 실제 제품의 설계변수 사이의 관계를 알아야 하지만, 이에 관한 연구는 미미한 형편이다.
참고문헌 (7)
Jin Y. and Song, J.-B., 2009, “Design of Chair’s Tilt System Using Haptic Chair,” Proc. of KSPE Spring Conference , pp. 285-286.
Otaduy, M. A. and Lin, M. C., 2005, “Introduction to Haptic Rendering,” Int. Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques archive ACM SIGGRAPH 2005 Courses, pp. A45 - A71.
Tideman, M., van der Voort, M.C. and van Houten, F. J.A.M., 2004, “Design and Evaluation of a Virtual Gearshift Application,” IEEE Intelligent Vehicles Symposium, pp. 465-470.
Burdea, G, C., 1996, Force and Touch Feedback for Virtual Reality, Wiley-Interscience, pp. 35-39.
Faiks, F. S., Allie, P. and Reinecke, S. M., 1999, “Supporting the Torso Through Seated Articulation,” 43rd Annual Meeting of the Human Factors and Ergonomics Society, pp. 57 4-578.
Mills, N., 2007, “Polymer Foams Handbook - Engineering and Biomechanics Applications and Design Guide,” Butterworth Heinemann, pp. 205-233.
ASTM D3574-08, 2008, “Standard Test Methods for Flexible Cellular Materials - Slab, Bonded, and Molded Urethane Foams,” ASTM international.
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