[논문]자기장 센서를 이용한 웨어러블 조이스틱 장치의 개발

여희주

doi:10.5762/kais.2021.22.1.18

초록
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산업 전반에 걸쳐 자기장 센서에 대한 연구나 제품개발이 많이 진행되어져 왔다. 하지만 이런 제품의 단가를 낮추기 위해서는 초기 개발단계에서부터 자기장 필드와 자기장 센서의 특징과 최종제품의 특징들을 정확하게 이해하는 것이 중요하다. 특히, 자기장 필드는 비선형 데이터를 처리하는 계산이 복잡하여 실제로 사용하고 응용하기에는 매우 어렵기 때문에, 이렇게 측정된 자기장 센서값들을 정확하게 계산하기 위해서는 고가의 장비나 복잡한 알고리즘이 필요한 추세였다. 하지만, 본 논문에서는 기존 조이스틱의 특징을 이해한 상태에서 자기장 센서의 고유한 특성과 특징을 소개하면서, 자기장 센서를 사용하는 웨어러블 조이스틱을 개발하기에 적합하고 간단하면서도 기능을 충족하는 디자인 및 개발 방법들을 제시하였다. 특히, 기존 조이스틱의 기계적인 특징과 자기장 센서의 특성을 서로 잘 고려한 후에, 기존 조이스틱의 본질적인 문제인 기계적인 마모와 문제점들을 해결하고자 기계적 구성이나 선들이 필요없는 자기장 센서를 이용하여, 저가의 웨어러블 조이스틱 장치의 디자인 및 개발 할 수 있는 설계요소 및 방법들을 소개하였다. 본 논문의 개발결과로 실제 사용자 테스트를 수행하여, 본 논문의 장비를 처음 접하는 사용자들도 쉽게 이용하여 기존 조이스틱과 같이 정확하게 제어할 수 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

There has been demand for many magnetic sensor applications, and to develop low-cost devices, it is critical to accurately understand the behavior of the magnetic field and the characteristics of magnetic sensors and target devices during initial development phase. The magnetic field has been known ...

There has been demand for many magnetic sensor applications, and to develop low-cost devices, it is critical to accurately understand the behavior of the magnetic field and the characteristics of magnetic sensors and target devices during initial development phase. The magnetic field has been known to have very complicated nonlinear data to calculate, so it has required expensive computing machines or research to accurately calculate the magnetic sensor values. However, this paper introduces a characteristic of a magnetic sensor called the giant magnetoresistance (GMR) and proposes simple and sufficient approaches to develop a wearable joystick device using a magnetic sensor. Particularly, this paper introduces the design factors for how to properly develop a low-cost wearable joystick device using magnetic sensors after carefully considering the mechanism of a real joystick and the characteristics of magnetic sensors. As a result, user test results are provided to show how users can operate this new wearable joystick device.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. A general joystick and the design of wearable joystick. (a) General joystick input device. (b) Wrist movement model in hand anthropotomy model. (c) Installation of 4 magnets and sensor pad around wrist.
그림 Fig. 2. Main CPU module of the wearable joystick device. (a) Actual PCB and package. (b) System block diagram.
그림 Fig. 3. Installation of magnets and magnetic sensors (a) The relationship of a magnet and a magnetic sensor. (b) Simplified mechanical modeling with magnet and wrist. (c) Joint Frame relationship over wrist, glove and sensor pad.
그림 Fig. 4. Cosine scaled falloff effect. (a) 3D graphical model for magnetic intensity of the top magnet at a sensor point which a hand moves in full range, as assuming that a magnet was located at x=0 and y=100. (b) Data processing by compensating cosine scaled falloff effect.
표 Table 1. Parameters and setup for test environment
그림 Fig. 5. Cosine scaled falloff effect. (a) Left ~ Mid gesture (b) Right ~ Mid gesture (c) Top ~ Mid gesture (d) Bottom ~ Mid gesture.
표 Table 2. User test result over each hand movement

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 이런 자기장 센서의 장점을 최대한 활용하여, 자기장 센서의 한계와 문제점들을 고려한 상태에서 실제 조이스틱에 적용할 때 고려해야 할 디자인 요소들을 연구하였고, 새로운 웨어러블 조이스틱 디바이스 (wearable joystick device(WJD))를 개발하고 사용성을 평가하여 가능성을 제시하였다.
본 논문에서 자기장 센서를 사용한 조이스틱을 설계할 때 꼭 고려해야할 요소들을 소개하고 구현하였다. 자기장 센서의 특징을 정확하게 이해함으로써, 자기장 센서의 코사인 스케일 감소현상이 발생함을 보였고, 이를 보상하여 구현하였다.

제안 방법

측정하였다. Fig. 5 (a, b, c, d)와 같이 손을 상하좌우 운동을 시킨 후에, 얼마나 정확하게 반복적인 제어정도 (repeatability)가 정확한지를 평가하였다.
개념의 직관적인 설계가 요구되었다. 따라서 Fig. 1과같이 직관적이면서 웨어러블에 적합하도록 하기 위해, 손과 손목을 조이스틱의 기계적인 구조로 해석하여 개발하였다. 또한, 조이스틱과 같이 저가의 제품을 지원하기 위해서는 시스템의 소형 및 저전력을 고려한 제품 설계가 요구된다.
따라서, 본 논문에서는 간편한 캘리브레이션과 계산 방법을 도입하였다[5].
본 논문에 사용된 소프트웨어는 CPU(ATmega 128) 에서 실시간 운영체제(RTOS)는 사용하지 않았고, 이런 운영체제 없이 베어메탈(bare metal) 펌웨어(firmware) 만으로 구성하였다. [5]에서 제시한 간단하면서 고속의 알고리즘을 선택하여 구현하였다.
사용자 테스트(user test)에서 10명의 일반 대학생들을 본 시스템의 새로운 사용자들로 선정하여, 본 시스템의 장비를 직접 사용하게 하였을 때, 손목의 중심을 기준으로 움직이는 운동을 하게 한 후에 자기장 센서 데이터를 측정하였다. Fig.
실제 자석과 자기장 센서 간의 데이터를 얻어 모델링하기 위해서, Fig. 3 (a, b)에서와 같이 손목의 운동과 유사한 운동효과를 가지는 구조물을 제작하여 센서 데이터를 측정하고 분석하였다.

대상 데이터

자기장 센서의 특징을 정확하게 이해함으로써, 자기장 센서의 코사인 스케일 감소현상이 발생함을 보였고, 이를 보상하여 구현하였다. 고가의 장치나 복잡한 계산을 사용하지 않고, 저가의 장치들을 최대한 응용해서, 조이스틱과 같은 기능을 할 수 있는 장치를 선보였다.

이론/모형

4 (b)와 같이 이런 코사인 스케일 감소 문제점을 해결하기 위해 주변의 좌우 센서값들을 추출해서 최대 및 최소치 값들을 제외하면 급격한 값들의 변화를 간단히 필터링할 수 있다. 이렇게 필터된 후에 평균값을 구하는 알고리즘을 적용하였다[8].

성능/효과

데이터의 반복성을 보였다. 기존 조이스틱과 견주어 볼 때, 평균 에러율이 1∼3mm 안에들어가는 우수한 결과를 보였다.
본 논문에서 보인 결과와 같이, 자기장 센서를 활용한 조이스틱을 만들기 위해서는 필수요소를 잘 고려하고, 특히 자기장 센서의 코사인 스케일 감소현상을 잘 고려한다면, 저가의 조이스틱 제품들을 개발할 수 있는 가능성을 보여 주었다.
자기장 센서의 특징을 정확하게 이해함으로써, 자기장 센서의 코사인 스케일 감소현상이 발생함을 보였고, 이를 보상하여 구현하였다. 고가의 장치나 복잡한 계산을 사용하지 않고, 저가의 장치들을 최대한 응용해서, 조이스틱과 같은 기능을 할 수 있는 장치를 선보였다.
제시된 디자인 요소와 설계들을 통해서 구현된 장치를 실제 사용자들을 선발하여 사용하게 하여 데이터를 측정하여, 데이터의 반복성을 보였다. 기존 조이스틱과 견주어 볼 때, 평균 에러율이 1∼3mm 안에들어가는 우수한 결과를 보였다.

후속연구

Fig. 2 (b)와 같이 저가의 CPU(ATmega128)를 사용하여 AAA 베터리 사이즈로 제작하였지만, 추후에 CPU를 초소형 팩키지로사용하고, PCB 보드의 레이아웃을 좀 더 최적화한다면 충분히 소형으로 제작이 가능하다.

참고문헌 (8)

Xinying and et al., "Wearable handwriting input device using magnetic field : Geomagnetism cancellation in position calculation" Precision Engineering Vol.33, Issue 1, pp.37-43, 2009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2008.03.008

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R. Valenzuela and et al., "A position sensor based on magnetoimpedance" Journal of applied Physics, 1996. DOI: https://doi.org/10.1063/1.361943

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Y. Cha and et al., "Implementation of Virtual Environment System for Multi-joint Manipulator Designed for Special Purpose Equipment with Wearable Joystick used in Disaster Response" Journal of Drive and Control, Vol17 Issue 3, pp.33-46, 2020. DOI: https://doi.org/10.7839/ksfc.2020.17.3.033

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Masayoshi Wada and Fujio Kameda, "A joystick type car drive interface for wheelchair users" Journal of Drive and Control, Vol17 Issue 3, pp.33-46, 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/ROMAN.2009.5326085
Hee-Joo Yeo, "Modeling and Calibration of Wrist Magnetic Sensor for Measuring Wrist Gesture", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol.21, No.4, pp.26-32, 2020. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2020.21.4.26

원문보기 상세보기
Introduction of NVE GMR Sensors, NVE Corp. https://www.nve.com/Downloads/intro.pdf
Y. Kim, B. Sok, and S. Lee, "A new wearable input device: Scurry," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 52, no. 6, pp. 1490-1499, Dec. 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2005.858736

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+Hee-Joo Yeo, "Data Analysis and Processing Methods of Magnetic Sensor for Measuring Wrist Gesture", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol.21, No.11, pp.28-36, 2020. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2020.21.11.28

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