[논문]근감과 진동촉감 피드백을 제공하는 햅틱 인터페이스용 새로운 소형 액추에이터의 개발

표동범; 류세민; 한병길; 권동수

doi:10.7746/jkros.2013.8.3.143

근감과 진동촉감 피드백을 제공하는 햅틱 인터페이스용 새로운 소형 액추에이터의 개발
Development of a New Miniature Actuator providing both Kinesthetic and Vibrotactile Feedback for Haptic Interface 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.8 no.3, 2013년, pp.143 - 149

표동범 (Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 류세민 (Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 한병길 (Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 권동수 (Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a new miniature haptic display to convey ample haptic information to a user of a handheld interface. There are buttons on interfaces or general electronic devices, but existing buttons provide haptic feedback of only one passive pattern to a user. Because humans perceive tactile and kinesthetic information simultaneously when they handle objects the proposed actuator provides both sensations at once. It is able to generate various levels of kinesthetic sensations when pressing a button under diverse situations. Also, vibrotactile feedback can be delivered for exciting haptic effects with numerous patterns. Its performance was evaluated in accordance with the resistive force by changing the intensity of the input current. Experiments show that the proposed actuator has the ability to provide numerous haptic sensations for more realistic and complex haptic experiences.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

^[7,8] 예를 들어, Nintendo Wii나 Sony PlayStation Move와 같은 리모트 컨트롤러의 경우 내장된 모터가 다양한 형태의 진동촉감 피드백을 생성하면서 사용자에게 실감나는 가상환경을 제공해 주지만, 버튼을 누를 때는 손끝에 직접적으로 어떠한 근감각 피드백도 제공하지 못한다.^[9,10] 따라서 본 논문은 촉감과 근감각 정보가 동시에 제공되었을 때의 효용성에 대한 기존의 연구에 근거하여 두 가지 감각을 모두 제공하는 소형의 액추에이터를 제안한다. 제안하는 1자유도의 액추에이터는 다자유도의 힘 피드백 장치와 비교하여 크기와 소비전력이 작아 휴대용기기에 내장되기에 적합하고,^[6] 가상환경 내의 오브젝트나 아이콘의 속성에 따라 사용자의 손끝에 직접적으로 다양한 레벨의 근감각과 진동패턴을 통한 촉감을 전달할 수 있다.
근감각과 진동촉감을 모두 생성할 수 있는 본 논문의 액추에이터의 유용성을 평가하기 위해 간단한 사용자평가를 수행하였다. 평가의 목적은 사람이 얼마나 많은 근감각 레벨과 진동의 주파수를 인지할 수 있는지를 밝혀내는 것이다.
제안하는 1자유도의 액추에이터는 다자유도의 힘 피드백 장치와 비교하여 크기와 소비전력이 작아 휴대용기기에 내장되기에 적합하고,^[6] 가상환경 내의 오브젝트나 아이콘의 속성에 따라 사용자의 손끝에 직접적으로 다양한 레벨의 근감각과 진동패턴을 통한 촉감을 전달할 수 있다. 따라서 제안하는 액추에이터는 기존의 휴대용 인터페이스에서 제시하는 단순한 진동 이상의 햅틱효과를 생성할 수 있는 가능성을 제시한다.
본 논문에서는 다양한 진동촉감과 근감을 동시에 생성하여 사용자의 손끝에 직접적으로 전달할 수 있는 새로운 소형의 햅틱 액추에이터를 제안하였다. 액추에이터의 크기는 지름과 높이가 11mm로 휴대용 인터페이스에 내장되기에 충분히 작고, 눌리는 깊이는 1.
근감각과 진동촉감을 모두 생성할 수 있는 본 논문의 액추에이터의 유용성을 평가하기 위해 간단한 사용자평가를 수행하였다. 평가의 목적은 사람이 얼마나 많은 근감각 레벨과 진동의 주파수를 인지할 수 있는지를 밝혀내는 것이다.

제안 방법

실험I에서는 테이블. 1과 같이 반력을 총 다섯 단계로 나누어서 사용자가 각각을 구분하여 어떤 것이 더 단단한지를 선택하는 실험을 하였다. 세로축과 가로축의 힘은 입력 전압이 각각 -5, -3, 0, 3, 5V일 때 생성되는 힘이다.
자성체와 솔레노이드 코일만의 상호작용에 의한 전자기력의 변화는 다양한 레벨의 근감각을 생성하기에 너무 작기 때문에 영구자석의 자기력을 이용하였다. 기존의 진동모터가 vcm(voice coil motor)의 원리를 이용하여 진동을 생성하는데 반해 제안하는 액추에이터는 한 쪽 방향으로의 입력신호 레벨을 제어하여 다양한 반력을 생성한다. 전자기력과 자기력을 효율적으로 사용하기 위해서 자속이동경로의 역할을 하는 요소들(Cap, Support, Solenoid Core, Core Cover)은 자기저항을 최소화시킬 수 있는 자성체를 사용하였고, 영구자석과 솔레노이드 코일간의 전자기상호작용에 의한 힘의 크기를 최대로 활용할 수 있도록 설계되었다.
새롭게 제안하는 액추에이터는 전자기학을 기반으로 전자기 상호작용에 의해 작동하며 기존의 버튼과 달리 사용자에게 다양한 햅틱 효과를 제공할 수 있는 다기능 햅틱 버튼이다. 그림 1은 제안하는 액추에이터의 분리사시도와 단면도, 그리고 버튼을 누를 때 내부에서 움직이는 질량체를 보여준다.
개발한 액추에이터에서 생성하는 진동은 임팩트 타입이기 때문에 0Hz에서 250Hz까지 거의 일정한 크기의 진동을 제공하게 된다. 실험방법은 실험I과 동일하며, 버튼이 0.2mm 정도 눌리면서부터 진동이 생성되므로 사용자에게 버튼을 천천히 누르면서 그 주파수를 인지하도록 요구하였다. 주파수 인지실험은 저주파 대역과 고주파 대역을 나누어서 실행하였다.
질량체는 영구자석과 자속이동경로(Cap, Support, Push Plate, Linear Guide)로 구성되어 있다. 자성체와 솔레노이드 코일만의 상호작용에 의한 전자기력의 변화는 다양한 레벨의 근감각을 생성하기에 너무 작기 때문에 영구자석의 자기력을 이용하였다. 기존의 진동모터가 vcm(voice coil motor)의 원리를 이용하여 진동을 생성하는데 반해 제안하는 액추에이터는 한 쪽 방향으로의 입력신호 레벨을 제어하여 다양한 반력을 생성한다.
기존의 진동모터가 vcm(voice coil motor)의 원리를 이용하여 진동을 생성하는데 반해 제안하는 액추에이터는 한 쪽 방향으로의 입력신호 레벨을 제어하여 다양한 반력을 생성한다. 전자기력과 자기력을 효율적으로 사용하기 위해서 자속이동경로의 역할을 하는 요소들(Cap, Support, Solenoid Core, Core Cover)은 자기저항을 최소화시킬 수 있는 자성체를 사용하였고, 영구자석과 솔레노이드 코일간의 전자기상호작용에 의한 힘의 크기를 최대로 활용할 수 있도록 설계되었다. 액추에이터의 크기는 지름 11mm, 높이 11mm로 휴대용 인터페이스에 내장되기에 충분히 작고, 눌리는 깊이는 1.
2mm 정도 눌리면서부터 진동이 생성되므로 사용자에게 버튼을 천천히 누르면서 그 주파수를 인지하도록 요구하였다. 주파수 인지실험은 저주파 대역과 고주파 대역을 나누어서 실행하였다. 저주파에서의 실험은 1Hz에서 40Hz 중 테이블.

대상 데이터

5mm로 다양한 햅틱 피드백을 전달하기에 충분하다. 실험에 사용된 액추에이터에서의 최대 반력은 4.3N, 최소 반력은 0.9N이며, 진동촉감은 0Hz부터 250Hz까지의 주파수변조를 이용하였다.
피실험자는 총 6명(남자 6명, 23-27세, 평균 25.2세)으로 실험을 수행하며 촉감을 느끼기에 아무런 장애가 없는 인원으로 구성하였고, 주변과 액추에이터의 소음이 차단된 환경에서 햅틱감응에 집중할 수 있도록 하기 위해 헤드폰을 착용하도록 하였다.

데이터처리

본 논문에서는 다양한 진동촉감과 근감을 동시에 생성하여 사용자의 손끝에 직접적으로 전달할 수 있는 새로운 소형의 햅틱 액추에이터를 제안하였다. 액추에이터의 크기는 지름과 높이가 11mm로 휴대용 인터페이스에 내장되기에 충분히 작고, 눌리는 깊이는 1.5mm로 사용자에게 다양한 햅틱 피드백을 제시하기에 충분하며, 액추에이터의 작동 메커니즘은 Maxwell FEM 상용 툴을 통해 검증하였다. 사용자 평가를 통해 개발한 액추에이터가 다양한 레벨의 근감각 피드백을 통해 기존의 버튼과는 차별화된 버튼 클릭 감응을 제시할 수 있음을 보여주었다.

성능/효과

세로축과 가로축의 힘은 입력 전압이 각각 -5, -3, 0, 3, 5V일 때 생성되는 힘이다. 결과를 보면 사용자는 액추에이터에서 제시하는 다섯 단계의 반력을 거의 모두 구분해낼 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
또한 0Hz에서 250Hz의 광범위한 주파수 영역에서 임팩트 타입의 진동을 생성하여 인간의 기계적 감각 수용기를 다양하게 자극할 수 있음을 확인하였다. 따라서 근감각과 진동촉감의 다양한 조합으로, 인터페이스를 사용하는 사용자에게 좀 더 풍부하고 실재감 있는 햅틱정보를 느낄 수 있는 가능성을 보여주었다. 또한 이러한 다기능 버튼타입의 액추에이터를 통해 사용자에게 게임환경 또는 가상의 3D 환경에서 시청각 이외의 효과적인 햅틱피드백을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
사용자 평가를 통해 개발한 액추에이터가 다양한 레벨의 근감각 피드백을 통해 기존의 버튼과는 차별화된 버튼 클릭 감응을 제시할 수 있음을 보여주었다. 또한 0Hz에서 250Hz의 광범위한 주파수 영역에서 임팩트 타입의 진동을 생성하여 인간의 기계적 감각 수용기를 다양하게 자극할 수 있음을 확인하였다. 따라서 근감각과 진동촉감의 다양한 조합으로, 인터페이스를 사용하는 사용자에게 좀 더 풍부하고 실재감 있는 햅틱정보를 느낄 수 있는 가능성을 보여주었다.
5mm로 사용자에게 다양한 햅틱 피드백을 제시하기에 충분하며, 액추에이터의 작동 메커니즘은 Maxwell FEM 상용 툴을 통해 검증하였다. 사용자 평가를 통해 개발한 액추에이터가 다양한 레벨의 근감각 피드백을 통해 기존의 버튼과는 차별화된 버튼 클릭 감응을 제시할 수 있음을 보여주었다. 또한 0Hz에서 250Hz의 광범위한 주파수 영역에서 임팩트 타입의 진동을 생성하여 인간의 기계적 감각 수용기를 다양하게 자극할 수 있음을 확인하였다.
두 번째 실험은 고주파 대역에서의 진동을 구분하는 것으로, 피실험자는 몇 개의 가까운 두 주파수 영역을 제외하고는 대부분의 다른 자극을 구분할 수 있었다. 저주파에서의 실험에 비해 정답률이 낮지만 개발한 액추에이터로 고주파 영역에서도 다양한 촉감 피드백을 제시할 수 있음을 확인할 수 있다.
^[9,10] 따라서 본 논문은 촉감과 근감각 정보가 동시에 제공되었을 때의 효용성에 대한 기존의 연구에 근거하여 두 가지 감각을 모두 제공하는 소형의 액추에이터를 제안한다. 제안하는 1자유도의 액추에이터는 다자유도의 힘 피드백 장치와 비교하여 크기와 소비전력이 작아 휴대용기기에 내장되기에 적합하고,^[6] 가상환경 내의 오브젝트나 아이콘의 속성에 따라 사용자의 손끝에 직접적으로 다양한 레벨의 근감각과 진동패턴을 통한 촉감을 전달할 수 있다. 따라서 제안하는 액추에이터는 기존의 휴대용 인터페이스에서 제시하는 단순한 진동 이상의 햅틱효과를 생성할 수 있는 가능성을 제시한다.
첫 번째 실험은 40Hz 이하의 저주파 대역에서 개발한 액추에이터가 생성하는 임팩트 타입의 진동을 구분하는 것으로, 피실험자가 거의 대부분의 진동을 구분해낼 수 있다는 것을 알 수 있다. 두 번째 실험은 고주파 대역에서의 진동을 구분하는 것으로, 피실험자는 몇 개의 가까운 두 주파수 영역을 제외하고는 대부분의 다른 자극을 구분할 수 있었다.

후속연구

따라서 근감각과 진동촉감의 다양한 조합으로, 인터페이스를 사용하는 사용자에게 좀 더 풍부하고 실재감 있는 햅틱정보를 느낄 수 있는 가능성을 보여주었다. 또한 이러한 다기능 버튼타입의 액추에이터를 통해 사용자에게 게임환경 또는 가상의 3D 환경에서 시청각 이외의 효과적인 햅틱피드백을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인간이 인지하는 촉각은 어떻게 나눌 수 있는가?	인간이 인지하는 촉각은 근감과 촉감의 두 가지 감각으로 나눌 수 있다. 인간은 팔의 위치와 움직임, 근육에서의 자극 변화를 통해 물체의 모양, 단단한 정도 등의 근감각 정보를 인지하고, 피부의 변형 즉, 반들반들한 피부 속 기계적 감각 수용기 자극을 통해 촉감을 인지하게 된다.
	인간은 어떻게 촉감을 인지하는가?	인간이 인지하는 촉각은 근감과 촉감의 두 가지 감각으로 나눌 수 있다. 인간은 팔의 위치와 움직임, 근육에서의 자극 변화를 통해 물체의 모양, 단단한 정도 등의 근감각 정보를 인지하고, 피부의 변형 즉, 반들반들한 피부 속 기계적 감각 수용기 자극을 통해 촉감을 인지하게 된다.[1] 하지만, 인간이 일상생활에서 물체를 잡고 다룰 때 근감각 정현실적이고 다양한 햅틱감각을 재현하기 위해서는 햅틱 디스플레이가 근감과 촉감의 두 가지 감각을 모두 제시하는 것이 바람직하다.
	본 연구에서 제안하는 액추에이터는 어떤 구조를 갖는가?	그림 1은 제안하는 액추에이터의 분리사시도와 단면도, 그리고 버튼을 누를 때 내부에서 움직이는 질량체를 보여준다. 전기신호로부터 기자력을 생성하는 솔레노이드 코일이 하우징 안에 고정되어 있으며 코일 안을 질량체가 상하로 움직이며 반력을 생성하는 구조를 갖고 있다. 질량체는 영구자석과 자속이동경로(Cap, Support, Push Plate, Linear Guide)로 구성되어 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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http://www.nintendo.com/wii
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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