[논문]차량 편의장치 통합 조작을 위한 MR 햅틱 장치

한영민; 장국조

doi:10.15207/jkcs.2017.8.12.291

차량 편의장치 통합 조작을 위한 MR 햅틱 장치
MR Haptic Device for Integrated Control of Vehicle Comfort Systems 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.8 no.12, 2017년, pp.291 - 298

한영민 (아주자동차대학) , 장국조 (아주자동차대학)

초록
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최근 차량내부에서는 운전과 직접적인 관련이 적은 다양한 편의장치들이 도입되고 있으며, 이러한 장치들의 조작환경을 하나로 통합하려는 노력이 시도되고 있다. 본 논문은 자동차 내의 다양한 편의장치에 대한 통합 조작환경을 구축하기 위해 자기유변유체(magnetorheological fluid; MR 유체)를 이용한 햅틱장치를 제안하고자 한다. 이를 위해 먼저 차량 편의 조작장치들이 갖는 회전과 상하 수직 운동을 동시에 구현할 수 있는 메커니즘을 고안하고 햅틱 기능을 부여하기 위해 MR 유체를 도입함으로써 하나의 장치로 다기능 조작이 가능한 햅틱 장치를 고안한다. 장치에서 발생하는 반향력에 대한 모델링에 근거하여 MR 햅틱 장치의 자료를 설계하고 시작품을 제작한다. 그리고 완성된 장치의 회전 및 수직 운동에 대한 응답 성능시험을 수행하여 제안된 모델을 검정한다. 또한 힘 반향 성능을 구현하기 위해 장치의 반향력 모델을 이용한 역모델 보상기(inverse model compensator)를 설계한다. 마지막으로 실제 자동차의 여러 편의 기능의 작동과정을 고려하여 햅틱 반향력 맵을 구축하고 제어기와 연동하여 제작된 햅틱 장치의 힘반향(force-feedback) 제어 성능을 평가한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent years, the increase of secondary controls within vehicles requires a mechanism to integrate various controls into a single device. This paper presents control performance of an integrated magnetorheological (MR) haptic device which can adjust various in-vehicle comfort instruments. As a first step, the MR fluid-based haptic device capable of both rotary and push motions within a single device is devised as an integrated multi-functional instrument control device. Under consideration of the torque and force model of the proposed device, a magnetic circuit is designed. The proposed MR haptic device is then manufactured and its field-dependent torque and force are experimentally evaluated. Furthermore, an inverse model compensator is synthesized under basis of the Bingham model of the MR fluid and torque/force model of the device. Subsequently, haptic force-feedback maps considering in-vehicle comfort functions are constructed and interacts with the compensator to achieve a desired force-feedback. Control performances such as reflection force are experimentally evaluated for two specific comfort functions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 연구에서 더 나아가 MR 유체의 특성을 이용하고 차량 조작장치의 회전운동과 병진운동을 모두 고려한 차량용 통합 햅틱 조작장치를 제안하고자 한다. 이를 위해 먼저 제안된 햅틱 장치의 핵심이 되는 MR 유체의 자기장 부하시의 전단응력 거동을 실험적으로 측정하여 모델링한다.
본 연구에서는 운전자가 자동차 내의 다양한 편의 장치의 조작 시에 시각적인 주의 없이 촉감만으로 조작 정보를 파악하고 조절할 수 있는 통합 조정 장치로서 회전운동과 수직 운동이 가능한 새로운 MR 햅틱 장치를 제안하였다.
본 연구에서는 차량의 각종 편의장치를 통합 조정하는 환경을 상정하여 제안된 MR 햅틱장치의 제어 알고리즘을 구축하고자 한다. 차량에는 운전자가 조절해야 하는 다양한 편의장치가 있으며 그 중에서 대표적으로 토크/힘를 필요로 하는 히터/에어콘 시스템의 온도조절 이벤트와 도어 윈도우의 높이조절 이벤트를 고려하였다.

제안 방법

5]는 제작된 MR 햅틱 장치와 기하학적 설계변수 값을 나타내고 있다. MR 햅틱 장치의 자로(fluxguide)를 형성하는 부분은 경질크롬도금을 한 강(steelS45C)으로 제작되었고, 노브와 연결된 축과 하우징은 알루미늄(AL 6061)으로 제작하여 아노다이징 후처리하였다. 자기장을 형성하기 위한 코일은 직경 0.
그림에 나타낸 것처럼 하우징 내부에 자기회로가 형성되어 있으며, 자기회로는 원형 디스크에 자기장을 생성할 코일(coil)이 감겨있고 그 주위의 빈 공간에는 MR 유체가 채워져 있다. 그리고 디스크는 가운데 축과 연결하고 반력을 제공할 스프링을 장착하여 상하운동과 회전운동이 동시에 가능하도록 하였다. 먼저 회전 운동에서 발생하는 토크의 크기는 MR 유체의 전단응력과 접촉면적으로부터 다음과 같이 구할 수 있다.
그리고 제작된 MR 햅틱장치의 회전운동 방향의 토크와 수직병진운동 방향의 힘을 측정하여 단품 성능시험을 수행한다. 그리고 자동차의 각종 편의 장치 기능들을 고려한 햅틱 시스템을 구축하여 차량 편의장치 통합제어 환경을 구축한다. 이를 위해 각 편의장치 기능에 맞는 토크 및 힘 반력특성으로 구성된 햅틱 맵을 구성하고 앞먹임 제어기를 사용하여 힘 반향 성능을 실험적으로 평가하여 제안된 시스템의 가능성을 입증한다.
그리고 차량의 각종 스위치와 버튼의 조작환경과 운동방향을 고려하여 회전과 수직 병진 운동이 모두 가능한 MR 햅틱 장치를 설계 및 제작한다. 그리고 제작된 MR 햅틱장치의 회전운동 방향의 토크와 수직병진운동 방향의 힘을 측정하여 단품 성능시험을 수행한다. 그리고 자동차의 각종 편의 장치 기능들을 고려한 햅틱 시스템을 구축하여 차량 편의장치 통합제어 환경을 구축한다.
이를 위해 먼저 제안된 햅틱 장치의 핵심이 되는 MR 유체의 자기장 부하시의 전단응력 거동을 실험적으로 측정하여 모델링한다. 그리고 차량의 각종 스위치와 버튼의 조작환경과 운동방향을 고려하여 회전과 수직 병진 운동이 모두 가능한 MR 햅틱 장치를 설계 및 제작한다. 그리고 제작된 MR 햅틱장치의 회전운동 방향의 토크와 수직병진운동 방향의 힘을 측정하여 단품 성능시험을 수행한다.
6]은 제작된 MR 햅틱 장치에서 발생하는 토크와 힘을 측정한 결과이다. 먼저 회전운동에서는 0.0A,0.3A, 0.6A, 0.9A, 1.2A의 전류를 인가하여 다양한 입력속도에 따른 전달 토크를 측정한 것이다. MR 효과로 인한 제어 토크가 점성 토크보다 상당히 크기 때문에 제어 토크가 전체 토크에 지배적인 영향을 주고 있으며 모델로부터 예측한 결과와 잘 일치하고 있다.
4]는 블록선도를 보여준다. 생성된 이벤트에 따라 햅틱 맵에서 결정된 신호를 입력 받아 제어입력 전류를 계산하여 햅틱장치에 인가함으로써 운전자에게 반향력을 제공 하도록 하였다. 따라서 운전자는 시야를 빼앗기지 않고 햅틱 반향력에 근거하여 편의장치를 조절할 수 있다.
이때의 햅틱 맵은 0°에서 200° 사이에 총 10개의 걸림쇠로 구성하였으며 선택 범위 초과시에는 정지력이 발생하도록 하였다.
그리고 자동차의 각종 편의 장치 기능들을 고려한 햅틱 시스템을 구축하여 차량 편의장치 통합제어 환경을 구축한다. 이를 위해 각 편의장치 기능에 맞는 토크 및 힘 반력특성으로 구성된 햅틱 맵을 구성하고 앞먹임 제어기를 사용하여 힘 반향 성능을 실험적으로 평가하여 제안된 시스템의 가능성을 입증한다.
본 연구에서는 기존 연구에서 더 나아가 MR 유체의 특성을 이용하고 차량 조작장치의 회전운동과 병진운동을 모두 고려한 차량용 통합 햅틱 조작장치를 제안하고자 한다. 이를 위해 먼저 제안된 햅틱 장치의 핵심이 되는 MR 유체의 자기장 부하시의 전단응력 거동을 실험적으로 측정하여 모델링한다. 그리고 차량의 각종 스위치와 버튼의 조작환경과 운동방향을 고려하여 회전과 수직 병진 운동이 모두 가능한 MR 햅틱 장치를 설계 및 제작한다.
이러한 이벤트가 결정되면 각 메뉴에서 요구하는 햅틱반력(토크/힘)을 생성시켜 운전자에게 전달하기 위해서는 적절한 제어입력을 결정하여야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 햅틱 반향력 맵(haptic force map)과 제어기(controller)로 구성된 힘 반향 알고리즘을 구축하였다.
MR 햅틱 장치의 자로(fluxguide)를 형성하는 부분은 경질크롬도금을 한 강(steelS45C)으로 제작되었고, 노브와 연결된 축과 하우징은 알루미늄(AL 6061)으로 제작하여 아노다이징 후처리하였다. 자기장을 형성하기 위한 코일은 직경 0.6mm의 동선을 100회 감아서 제작하였다. 제작된 장치는 회전 운동과 수직 운동이 복합적으로 일어나므로 회전 운동과 왕복이 운동이 가능한 LM 스트로크 형태의 베어링을 사용하였다.
제안된 MR 햅틱 장치는 발생하는 토크/힘 모델링과자기회로 설계를 통해 제작하였고 응답성능을 실험을 통해 측정함으로서 모델의 타당성을 입증하였다. 차량 편의 조작장치에서 요구되는 반향력을 햅틱 반향력 맵으로 구성하였고 이를 추종하기 위해 역모델에 의한 개루프 보상기를 설계하였고 사용하여 햅틱 장치의 힘 반향 성능을 구현하였다.
6mm의 동선을 100회 감아서 제작하였다. 제작된 장치는 회전 운동과 수직 운동이 복합적으로 일어나므로 회전 운동과 왕복이 운동이 가능한 LM 스트로크 형태의 베어링을 사용하였다.
제안된 MR 햅틱 장치는 발생하는 토크/힘 모델링과자기회로 설계를 통해 제작하였고 응답성능을 실험을 통해 측정함으로서 모델의 타당성을 입증하였다. 차량 편의 조작장치에서 요구되는 반향력을 햅틱 반향력 맵으로 구성하였고 이를 추종하기 위해 역모델에 의한 개루프 보상기를 설계하였고 사용하여 햅틱 장치의 힘 반향 성능을 구현하였다. 마지막으로 실제 자동차의 여러 편의 기능들을 고려하여 MR 햅틱 장치의 반향력 구현에 대한 성능을 평가하였으며, 이로부터 제안된 MR햅틱 장치의 우수한 제어성능을 입증하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 MR 유체(MRF-132DG, LORD Corp.)는 Carbonyl iron과 Hydrocarbon oil을 합성한 것이며, 중량비는 80.98%이며,기본점성계수는 0.092Pa·s, 밀도는 2.92~3.18g/cm3이다[14].

이론/모형

각 이벤트의 햅틱 맵으로 부터 계산된 요구 반향력을 추종하기 위해 본 연구에서는 역모델(inverse model)에의한 개루프 보상 알고리즘을 적용하였다. [Fig.

성능/효과

이 때 햅틱 맵은 0에서 20mm 사이에 반력이 점점 커지도록 구성하였다. 결과로부터 요구궤적을 잘 추종하여 윈도우의 높이를 올림에 따라 사용자에게 점점 큰 반향력을 전달함으로써 이를 인지할 수 있는 촉감정보를 제공함을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 제안된 MR 햅틱 장치가 우수한 힘 반향 성능에 따른 촉각 기반의 차량 편의장치 조작 정보를 운전자에게 전달할 수 있음을 확인할 수 있다.
차량 편의 조작장치에서 요구되는 반향력을 햅틱 반향력 맵으로 구성하였고 이를 추종하기 위해 역모델에 의한 개루프 보상기를 설계하였고 사용하여 햅틱 장치의 힘 반향 성능을 구현하였다. 마지막으로 실제 자동차의 여러 편의 기능들을 고려하여 MR 햅틱 장치의 반향력 구현에 대한 성능을 평가하였으며, 이로부터 제안된 MR햅틱 장치의 우수한 제어성능을 입증하였다.
결과로부터 요구궤적을 잘 추종하여 윈도우의 높이를 올림에 따라 사용자에게 점점 큰 반향력을 전달함으로써 이를 인지할 수 있는 촉감정보를 제공함을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 제안된 MR 햅틱 장치가 우수한 힘 반향 성능에 따른 촉각 기반의 차량 편의장치 조작 정보를 운전자에게 전달할 수 있음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	햅틱이란 무엇인가?	그 중에서도 특히 다양한 제어 기술을 이용하여 사용자에게 힘이나 촉감 등을 제시할 수 있는 햅틱(haptic)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 햅틱이란 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이 없이도 촉각 정보를 전달하는 것으로서 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감구현(tactile feedback)과 관절에서 근육의 움직임이 저항하는 근 감각적인 힘의 반향(kinesthetic force feedback)을 모두 포함한다. 이러한 햅틱 연구는 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 사람에게 전달하는 원격조작(teleoperation)에 관한 연구로부터 가상 환경에서의 촉감을 현실에 구현하는 연구를 포함하기 때문에 가상현실, 원격제어 로봇, 사이버 커뮤니케이션 그리고 자동차 인터페이스 등의 다양한 분야에서 응용 개발되고 있다[1,2,3].
	햅틱 연구의 특징과 응용 분야는?	햅틱이란 물리적 장치를 이용하여 사람이 직접적인 접촉이 없이도 촉각 정보를 전달하는 것으로서 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감구현(tactile feedback)과 관절에서 근육의 움직임이 저항하는 근 감각적인 힘의 반향(kinesthetic force feedback)을 모두 포함한다. 이러한 햅틱 연구는 원격지에 있는 물체의 물리적 특성을 사람에게 전달하는 원격조작(teleoperation)에 관한 연구로부터 가상 환경에서의 촉감을 현실에 구현하는 연구를 포함하기 때문에 가상현실, 원격제어 로봇, 사이버 커뮤니케이션 그리고 자동차 인터페이스 등의 다양한 분야에서 응용 개발되고 있다[1,2,3].
	모터를 이용한 통합 노브(knob)의 단점은 무엇인가?	이러한 관점에서 접근하여 BMW에서는 모터를 이용한 통합 노브(knob)를 제안하였다. 하지만 모터를 이용한 햅틱장치는 작은 힘을 연속적으로 미세제어하기 어렵고 안정적인 정지력을 제공하지 못하는 단점이 있다. 따라서 최근 지능재료를 이용한 각종 햅틱 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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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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