[논문]햅틱 장치의 프로파일 측정 및 감성 평가

전차수; 추헌성; 박세형; 김래현; 신상균

문제 정의

본 연구에서는 가상 프로토 타이핑 시스템을 이용 하여 촉각에 대한 감성을 객관화/정량화 하기 위해 감성평가를 실시 하였으며, 감성평가 분석 시 많이 이용 되는 의미 분별법(SD)을 사용하여 촉각에 대한 감성 어휘들을 추출하였다. 또한 이를 실물 다이얼의 설계에 반영할 수 있도록 만든 토크 프로파일 장치를 소개한다.
UGNX는 2007년 지멘스와 UGS와 결합한 하 자동차, 항공기, 가전, 기계, 금형, 의료기기 등 모든 제조 산업에서 개념적인 설계에서부터 제품 모델링, 분석, 제조에 이르기까지 전체적인 제품개발 프로세스를 위한 강력한 소프트웨어이다. 본 연구에서는 VR 모델을 세탁기의 형상을 정의하고 CAD data를 설계하고 구현했다. 시제품인 세탁기를 실제 크기와 같은 형상을 구현하고자 각 부품들의 치수를 정의하고 모델링 된 세부파트를 Assembly modeling을 이용하여 Bottomup 방식의 조립 설계하여 세탁기의 조립 부품들의 트리 구조를 손쉽게 관리할 수 있게 하였다.
감성 공학이란, 인간이 가지고 있는 마음을 이미지나 감정을 구체적인 제품 설계로 실현해 내는 공학적인 접근 방법이다. 본 연구에서는 다이얼을 사용하는 사용자가 어떠한 감성을 느끼는지 알고자 한다. 하지만 그 다이얼을 사용하는 사용자의 감성을 직접 측정 하는 것이 어렵다.
본 연구에서는 시각과 청각적인 효과뿐만 아니라 촉각이 추가된 실감형 프로토타이핑 시스템(tangible prototyping system)을 구축하였다. 이 시스템은 시청각 효과를 지원하는 VRML 기반의 VR시스템과 촉각 효과를 지원하는 haptic dial 모듈로 구성된다.
Tangible prototyping system을 기반으로 햅틱 다이얼의 프로파일을 결정한 후 최종적으로 실물다이얼의 설계-제작에 필요하다. 본 연구에서는 햅틱 다이얼로부터 실물 다이얼 프로파일의 촉감을 일치시키기 위해 torque profile을 측정 할 수 있는 장치를 개발하였다. 토크 프로파일 측정기의 개념적인 설계 안은 Fig.

제안 방법

19와 같이 구성하였다. Test-A와 Test-J는 동일한 profile으로 감성평가를 하는 대상자들의 일관성을 평가하고, TestK와 Test-L은 같은 profile에 Tangible prototyping system의 유무로 감성평가를 실시하였다.
감성 평가지는 추출된 15개의 감성 어휘를 이용하여 7단계 리커트 척도를 이용하였다. 다음 Table 2는 감성 평가지이다.
본 연구에서는 햅틱 장치의 감성평가를 실시하기 위해 피실험자를 대학생을 대상으로 연령은 21~27세이며, 남자 40명 여자 30명을 대상으로 감성 평가하였다. 감성평가를 하기 전 설문 대상자들에게 감성공학에 대한 설명과 함께 여러 가지 표본 다이얼을 작동하게 함으로써 다이얼의 다양한 감각을 미리 익히게 하였다(Fig. 11).
따라서 감성표현에 가장 가까운 어휘를 찾아내고 감성을 구체적인 디자인 요소로 번역하는 시스템을 구축하기 위해서는 먼저 감성을 표현하는 용어를 수집하는 것이 중요하다. 다이얼에 대한 감성 어휘 수집 방법은 다이얼, 로터리 스위치, 마우스 휠 등에서 표현되는 다양한 어휘들 중 빈도수가 가장 많은 어휘를 추출하여 다시 추출된 어휘를 감각어휘/감정어휘/이미지로 분류하였다. 또한 다이얼 작동감을 잘 표현하는 감성어휘가 누락되지 않도록 전문가의 조언을 구하였다.
햅틱 다이얼은 미리 디자인 된 feedback profile을 선택하거나 detent의 force나 period 값을 조정하여 다이얼을 제어한다. 또한 VR모델에 Rotary haptic 기구를 연계시켜 다이얼의 작동감각을 사용자가 사실적으로 느낄 수 있도록 하였다(Fig. 8).
버튼들과 LED램프 표시, LCD Display판의 변화, 실감음향을 실제와 같이 표준모드, 삶음모드, 울모드, 이불모드 등의 각종 다이얼의 동작에 따라 선택하도록 이벤트를 정의하였다. 또한 다이얼 노브를 여러 가지 형상으로 바꾸어 달도록 하여 가상공간에서도 실제 제품과 같은 형상의 다이얼로 교체 가능하도록 구현하였다.
다이얼에 대한 감성 어휘 수집 방법은 다이얼, 로터리 스위치, 마우스 휠 등에서 표현되는 다양한 어휘들 중 빈도수가 가장 많은 어휘를 추출하여 다시 추출된 어휘를 감각어휘/감정어휘/이미지로 분류하였다. 또한 다이얼 작동감을 잘 표현하는 감성어휘가 누락되지 않도록 전문가의 조언을 구하였다. 다이얼 작동 감 감성어휘를 추출하여 Table 1과 같이 정리하였다.
먼저 VR시스템을 구축하기 위해서 가상 시제품을 CAD 프로그램인 UGNX를 이용하여 제작하였다. UGNX는 2007년 지멘스와 UGS와 결합한 하 자동차, 항공기, 가전, 기계, 금형, 의료기기 등 모든 제조 산업에서 개념적인 설계에서부터 제품 모델링, 분석, 제조에 이르기까지 전체적인 제품개발 프로세스를 위한 강력한 소프트웨어이다.
먼저 다이얼 프로파일 샘플을 선정하기 위해 실물 다이얼과 비슷한 햅틱다이얼 프로파일 12가지의 type 으로 각각 힘(force)와 간격(Period)를 조절하여 Fig. 10과 같이 구성하였다.
6과 같다. 버튼들과 LED램프 표시, LCD Display판의 변화, 실감음향을 실제와 같이 표준모드, 삶음모드, 울모드, 이불모드 등의 각종 다이얼의 동작에 따라 선택하도록 이벤트를 정의하였다. 또한 다이얼 노브를 여러 가지 형상으로 바꾸어 달도록 하여 가상공간에서도 실제 제품과 같은 형상의 다이얼로 교체 가능하도록 구현하였다.
본 연구에서는 가상 시제품을 CAD 데이터에서 가상환경을 지원하는 VRML로 변환한 후, 세탁기 모델의 Background 설정과 navigation 설정, viewpoint 설정, texturing 설정을 정의하여 Fig. 5와 같이 실감나는 GUI(graphic user interface) 환경을 구축하였다.
본 연구에서는 가상 프로토 타이핑 시스템을 이용 하여 촉각에 대한 감성을 객관화/정량화 하기 위해 감성평가를 실시 하였으며, 감성평가 분석 시 많이 이용 되는 의미 분별법(SD)을 사용하여 촉각에 대한 감성 어휘들을 추출하였다. 또한 이를 실물 다이얼의 설계에 반영할 수 있도록 만든 토크 프로파일 장치를 소개한다.
본 연구에서는 VR 모델을 세탁기의 형상을 정의하고 CAD data를 설계하고 구현했다. 시제품인 세탁기를 실제 크기와 같은 형상을 구현하고자 각 부품들의 치수를 정의하고 모델링 된 세부파트를 Assembly modeling을 이용하여 Bottomup 방식의 조립 설계하여 세탁기의 조립 부품들의 트리 구조를 손쉽게 관리할 수 있게 하였다. 이는 항공기 엔진과 같은 수천 개의 부품으로 구성된 모델까지도 관리가 가능하므로 복잡한 첨단 제품의 설계에 보다 많은 이점을 제공하여 주며, 또한 조립하여 설계 완료 시 각 부품들의 변형이 용이하여 설계자의 수작업 업무 부담을 감소시켜 준다.
하나의 적용 사례로서 세탁기를 모델링 하였으며 LED 발광, LCD 디스플레이, 음향의 작동을 정교하게 표현하였다. 실감형 프로토타이핑 시스템을 이용하여 감성평가를 실시하였으며, 그 평가 결과를 실물 다이얼의 설계에 반영할 수 있도록 햅틱 및 실물 다이얼의 토크측정기를 개발하였다.
실물 제작을 위해 감성평가에서 평가된 프로파일을 이용하여 토크 측정을 하기 위해 토크측정기를 개발하였다. 토크측정기는 토크에 따라 변하는 두 엔코더의 각위상차를 이용하여 측정하였다.
아래 실험에서는 추를 대신하여 무게가 일정한 새 동전을 사용하여 개수를 늘려 가면서 측정하였다. 100원짜리 새 동전 한 개의 무게는 약 5.
요인분석을 실시하여 감성 어휘들간의 상관관계를 찾고 3개의 집단으로 나누었으며 그 집단을 대표 할 수 있는 독립적이고 대표적인 언어를 추출해 내었다. 요인분석 결과 Table 2의 중앙의 15행x3열은 요인 부하행렬을 가리키며 각 축에 절대 값이 가장 큰 값이 주용인으로써, 정(−)일 때는 척도의 오른쪽 어휘를, 부(+)일 때는 왼쪽 어휘를 기입한다.
제1 요인으로 ‘세련된’, 제2요인으로 ‘팽팽한’, 제 3요인으로 ‘경쾌한’을 주요인으로 분석하였다.
주요 요인으로 ‘경쾌한’, ‘세련된’, ‘팽팽한’을 도출해 내고 감성지도를 작성하였다.
실물 제작을 위해 감성평가에서 평가된 프로파일을 이용하여 토크 측정을 하기 위해 토크측정기를 개발하였다. 토크측정기는 토크에 따라 변하는 두 엔코더의 각위상차를 이용하여 측정하였다. 토크 측정 시 사람의 손으로 다이얼 노브를 돌리면서 측정한 결과 약간의 측정데이터 오류가 발생하였다.
하나의 적용 사례로서 세탁기를 모델링 하였으며 LED 발광, LCD 디스플레이, 음향의 작동을 정교하게 표현하였다. 실감형 프로토타이핑 시스템을 이용하여 감성평가를 실시하였으며, 그 평가 결과를 실물 다이얼의 설계에 반영할 수 있도록 햅틱 및 실물 다이얼의 토크측정기를 개발하였다.
다음 Table 2는 감성 평가지이다. 한가지 type당 15개의 감성평가를 하였으며 총 한 사람당 12개의 감성 평가지에 평가하였다.
햅틱 다이얼의 프로파일을 생성하기 위해 다양한 실물 다이얼을 수집하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 햅틱 장치의 감성평가를 실시하기 위해 피실험자를 대학생을 대상으로 연령은 21~27세이며, 남자 40명 여자 30명을 대상으로 감성 평가하였다. 감성평가를 하기 전 설문 대상자들에게 감성공학에 대한 설명과 함께 여러 가지 표본 다이얼을 작동하게 함으로써 다이얼의 다양한 감각을 미리 익히게 하였다(Fig.

이론/모형

설문조사 결과로 얻은 자료들은 감성어휘들이 너무 많고, 서로 복잡한 상관관계가 있기 때문에 다차원적인 변수들을 축소, 요약하여 차원을 단순화한다. 2단계는 어떤 감성어휘가 어떤 요인과의 상관관계가 높은지 명확히 하기 위해 Varimax방법을 사용한다. 3단계는 회전 요인 부하행렬의 원소 중 절대치가 0.
13은 Test-K과 Test-L을 비교를 나타낸다. Test-K와 Test-L은 동일한 프로파일에 Tangible prototyping system의 유무에 따라 평가하였다. 그 결과 Tangible prototype을 이용한 경우가 ‘팽팽함’은 비슷하지만 제2, 3요인인 ‘경쾌함’과 ‘세련됨’이 더욱 큰 값으로 평가되어 감정이나 이미지 어휘에는 Tangible prototype system을 이용하는 것이 감성평가에 유용하다는 것으로 평가되었다.
햅틱 다이얼 감성 평가에서는 다이얼 작동감과 관련된 감각/감정/이미지를 표현하는 형용사를 선정한 뒤 SD(Semantic Differential) method를 이용하여 설문조사를 하였다. 주요 요인으로 ‘경쾌한’, ‘세련된’, ‘팽팽한’을 도출해 내고 감성지도를 작성하였다.

성능/효과

12는 Test-A와 Test-J의 비교를 나타낸다. Test-A와 Test-J는 동일한 프로파일로 감성평가 대상자들의 일관성을 평가한 결과 비교적 일관성 있음을 보였다.
그 결과 Tangible prototype을 이용한 경우가 ‘팽팽함’은 비슷하지만 제2, 3요인인 ‘경쾌함’과 ‘세련됨’이 더욱 큰 값으로 평가되어 감정이나 이미지 어휘에는 Tangible prototype system을 이용하는 것이 감성평가에 유용하다는 것으로 평가되었다.
15는 각 프로파일 형상으로 요약하여 감성지도로 나타낸 것이다. 분석 결과 힘(Force)이 같은 경우 간격(Period)가 커짐에 따라 더 세련됨을 알 수 있고 힘이 매우 크거나 작을 경우에도 조잡하거나 둔중함을 느끼는 것으로 나왔다. 특히 힘이 0.
세다-약하다(0.665), 믿음직스럽다-불안하다(0.40583)으로 결과를 낼 수 있었고, Period의 변화에 따라 영향을 많이 받는 감성어휘는 부드럽다-딱딱하다(0.307), 중후하다-경박하다(0.275), 섬세하다-엉성하다(−0.238), 팽팽하다-느슨하다(0.222)’으로 결과를 얻어 거의 영향이 없는 것으로 평가할 수가 있었다.
주요 요인으로 ‘경쾌한’, ‘세련된’, ‘팽팽한’을 도출해 내고 감성지도를 작성하였다. 실감형 프로토타이핑 시스템의 시청각 효과가 햅틱 감각의 평가에 지대한 영향을 미치고 있음을 보여주었다.

후속연구

제품의 고급화에 대한 요구가 커짐에 따라 제품이 주는 시각 및 청각적 느낌뿐 아니라 촉감도 감성의 중요한 일부로 인식되고 있다. 또한 사용자가 제품을 먼저 접하는 부분은 제품의 외형적인 형상과 조작 감으로써 핸드폰의 클릭 또는 슬라이드 부를 밀어보거나, 세탁기의 다이얼을 돌려보면 세련되거나 우아한 느낌이 드는데 이러한 감성은 감성 품질에 큰 영향을 미치게 됨으로써 이를 고려한 PUI(physical user interface)에 대한 연구가 필요하게 되었다. PUI는 물리적인 UI로서 제품 사용에 있어서 버튼이나 다이얼, 레버 같이 인간이 도구나 장비와 상호 작용 하는 것을 도와주는 일련의 물리적 매개체이다.
추후 이를 대신할 일정한 속도의 모터를 장착할 필요가 있었다. 또한 햅틱 프로파일 DB를 이용하여 실물 다이얼 제작 방법론 설계도 추후 연구가 되어야 할 것이다.
본 연구에서 감성 평가된 자료를 분석할 필요가 있다. 평가된 자료에는 어휘들간에 복잡한 상관관계가 있다.
본 연구에서 실감형 프로토타이핑 시스템은 디자인 단계에서 다이얼 조작의 물리적인 느낌과 감성을 평가 할 수 있으며, 물리적인 크기, 모양, 기능, 재질 등을 설계 시에 미리 고려할 수 있어 실제 프로토타입을 적게 만들어 시간과 비용을 절약할 수 있을 것이다.
토크 측정 시 사람의 손으로 다이얼 노브를 돌리면서 측정한 결과 약간의 측정데이터 오류가 발생하였다. 추후 이를 대신할 일정한 속도의 모터를 장착할 필요가 있었다. 또한 햅틱 프로파일 DB를 이용하여 실물 다이얼 제작 방법론 설계도 추후 연구가 되어야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	감성 공학이란 무엇인가?	감성 공학이란, 인간이 가지고 있는 마음을 이미지나 감정을 구체적인 제품 설계로 실현해 내는 공학적인 접근 방법이다. 본 연구에서는 다이얼을 사용하는 사용자가 어떠한 감성을 느끼는지 알고자 한다.
	실감형 프로토타이핑 시스템은 무엇으로 구성되어 있는가?	실감형 프로토타이핑 시스템(Tangible prototyping system)은 VR시스템과 Haptic 장치로 구성되어 있다. VR 시스템은 Fig.
	실감형 프로토타이핑 시스템은 어떻게 이벤트를 발생시키는가?	3과 같은 과정으로 구성된다. 3D CAD프로그램에서 가상 시제품을 모델링 하고 VRML 코드로 변환하여 가상환경을 구축한 후, JAVA API 에서 SAI(scene access interface)를 이용하여 각 객체의 노드와 필드에 접근하여 이벤트를 발생시킨다. SAI를 통해 VRML 필드의 값을 변경하거나 필드 값의 변화를 감지하고 읽을 수 있으며, VRML상의 센서를 이용한 이벤트 전달 기능을 더할 수 있다.

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