[논문]햅틱 피드백 극대화를 위한 오리가미 펌프 기반의 소프트 구동기 시스템

정평국; 장혁준; 차영수

doi:10.7746/jkros.2021.16.1.029

문제 정의

하지만 크레슬링 패턴의 경우 펌프가 회전을 하는 힘으로도 펌프를 수축시킬 수 있다는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 전기 모터의 회전하는 토크를 직동으로 오리가미 펌프에 전달하기 위해 크레슬링 패턴을 이용하여 펌프를 제작하였다[Fig. 1].
따라서 본 논문에서는 크레슬링(Kresling) 패턴을 이용한 오리가미 펌프와 전기-공압 구동기를 결합하여 양방향으로 움직일 수 있도록 직동으로 구동하는 시스템을 제안하였다. 제안된 구동기는 가압 및 감압이 가능하고, 또한 기어 비를 통해 자유롭게 토크 조절이 가능하며 케이블을 사용하지 않아 케이블 마모에 의한 수명 감소가 없다는 장점이 있다.
본 논문에서는 햅틱 피드백을 극대화하기 위한 소프트 구동기 시스템이 제안되었다. 이를 위해 오리가미 펌프와 전기식 구동기가 사용되었으며, 햅틱 피드백을 가해주는 손가락 부분에는 실리콘으로 제작한 소프트 구동기를 통해 착용성을 증가시켰다.

가설 설정

1.펌프 내 초기 압력은 1기압이다.
2.펌프 내 압력이 이상기체 방정식을 크게 벗어날 만큼 올라가지 않는다.
3.펌프 내 단면적은 일정하다
4.펌프는 완벽하게 밀폐되어 공기가 새지 않는다.

제안 방법

이를 카메라로 측정한 뒤 1 mm 간격의 홈 픽셀 수 대비 빨간색 마커가 이동한 픽셀 수를 측정하여 펌프의 수축 변위를 측정하였다. 각각의 주파수에 대해 10번의 왕복 실험 후 변위를 측정하였다.
기어 시스템은 총 3개의 층으로 이루어져 있고, 각 층은 1:6 의 기어비를 갖는다. 기어 시스템의 부피를 최소화하기 위해유성기어 시스템을 설계하였다[Fig. 2(a)].
따라서 본 논문에서는 Projet사의 3D 프린터인 HD3500을 이용하여 총 1:216의 기어비를 갖는 기어 시스템을 적용하였다. 기어 시스템은 총 3개의 층으로 이루어져 있고, 각 층은 1:6 의 기어비를 갖는다.
따라서 전기 구동기에 가해지는 주파수에 따른 오리가미 펌프의 특성을 보기 위해 0.25, 0.5, 1, 2, 3, 4[Hz]의 sinusoidal 입력 신호를 전기 구동기에 가해줬다. [Fig.
따라서 제안된 구동기 시스템을 햅틱 피드백 극대화를 위한 글러브에 적용하였다. 사람은 새로운 자극에 더 예민하게 반응하기 때문에 소프트 구동기를 통해 자극을 가해줘야 할 때만 햅틱 피드백 시스템을 손가락에 접촉시켜 감각 전달을 더 극적으로 전달할 수 있다.
마이크로프로세서는 FreeRTOS를 사용하여 정확하게 100 Hz 의 sampling rate을 유지하게 하여 제어 성능을 높였고, 센서 부와 제어부, 통신부는 각각 multi-tasking을 통해 시스템이 real-time 을 유지할 수 있도록 하였다. 전기 구동기는 노이즈로 인한 영향을 최대한 피하기 위해 H-bridge에 10 kHz의 주기를 갖는 pulse width modulation (PWM) 디지털 신호를 통해 제어하였다.
마커는 Matlab을 통해 비디오를 RGB 배열로 변환한 뒤 R 값이 일정 값보다 큰 픽셀들 중 일정 거리 이하에 뭉쳐있는 점들의 평균을 통해 마커의 위치를 측정하였다. 시스템이 카메라 화면 상에서 직사각형에 가깝기 때문에 시스템이 포함되지 않는 픽셀들은 쉽게 제거하였고, 시스템에서 마커 외에는 빨간색을 띄고 있지 않기 때문에 간단한 알고리즘으로 신뢰도 있는 마커의 위치를 얻을 수 있다.
측정하였다. 오리가미 펌프가 수축되는 변위를 측정하기 위해 펌프의 끝 부분에 그림 [Fig. 6]와 같이 빨간색 마커를 부착하고 펌프 하우징에 1 mm 간격의 홈을 표시했다. 이를 카메라로 측정한 뒤 1 mm 간격의 홈 픽셀 수 대비 빨간색 마커가 이동한 픽셀 수를 측정하여 펌프의 수축 변위를 측정하였다.
오리가미 펌프의 변위량은 펌프 내 압력 변화와 직접적으로 연관이 있어 펌프의 변위량으로 펌프 내 압력 또한 계산되었다. 오리가미 펌프의 변위는 카메라를 통해 측정되었고 펌프 커버에 표시된 1 mm 간격의 홈을 기준으로 픽셀 값을 변위량으로 환산했다. 남은 논문의 구성은 2장 시스템 구성, 3장 시스템 분석, 4장 결론으로 구성되어 있다.
시스템이 제안되었다. 이를 위해 오리가미 펌프와 전기식 구동기가 사용되었으며, 햅틱 피드백을 가해주는 손가락 부분에는 실리콘으로 제작한 소프트 구동기를 통해 착용성을 증가시켰다. 제안된 시스템은 자극이 없을 때에는 손가락과 접촉을 하지 않고 자극이 가해질 때에만 손가락과 접촉해 햅틱 피드백을 더 극적으로 전달하도록 하였다.
6]와 같이 빨간색 마커를 부착하고 펌프 하우징에 1 mm 간격의 홈을 표시했다. 이를 카메라로 측정한 뒤 1 mm 간격의 홈 픽셀 수 대비 빨간색 마커가 이동한 픽셀 수를 측정하여 펌프의 수축 변위를 측정하였다. 각각의 주파수에 대해 10번의 왕복 실험 후 변위를 측정하였다.
유지할 수 있도록 하였다. 전기 구동기는 노이즈로 인한 영향을 최대한 피하기 위해 H-bridge에 10 kHz의 주기를 갖는 pulse width modulation (PWM) 디지털 신호를 통해 제어하였다.
된다. 전기식 구동기의 입력에 따른 펌프의 수축 정도를 측정하기 위해 빨간색 마커를 부착하여 카메라 프레임을 통해 수축 정도를 측정하였고 이 결과를 통해 오리가미 펌프 내 압력이 계산되었다.
제안된 구동기의 특성을 파악하기 위해 다양한 주파수를 가진 sinusoidal 입력을 전기 구동기에 가하고 그에 따른 오리가미 펌프의 변위량을 측정하여 시스템의 특성을 파악하였다. 오리가미 펌프의 변위량은 펌프 내 압력 변화와 직접적으로 연관이 있어 펌프의 변위량으로 펌프 내 압력 또한 계산되었다.
이를 위해 오리가미 펌프와 전기식 구동기가 사용되었으며, 햅틱 피드백을 가해주는 손가락 부분에는 실리콘으로 제작한 소프트 구동기를 통해 착용성을 증가시켰다. 제안된 시스템은 자극이 없을 때에는 손가락과 접촉을 하지 않고 자극이 가해질 때에만 손가락과 접촉해 햅틱 피드백을 더 극적으로 전달하도록 하였다.
제안된 시스템의 성능을 분석하기 위해 전기 구동기에 주파수 별 sinusoidal 신호를 가해 오리가미 펌프가 수축되는 변위를 측정하였다. 오리가미 펌프가 수축되는 변위를 측정하기 위해 펌프의 끝 부분에 그림 [Fig.
주파수–압력 사이의 관계를 도출한 이유는 추후에 본 논문에서 구한 주파수–압력 사이의 관계를 통해 전기 구동기부터 압력 센서 측정 값까지의 전달함수를 구하고 이 전달함수를 이용하여 외란 관측기를 설계하고자 한다. 손과 접촉하는 순간 전달함수를 통해 예측한 주파수-압력 관계보다 큰 압력이 측정되고 이 압력은 외란 관측기에 의해 외란으로 측정되게 된다.

대상 데이터

본 논문에서는 오리가미 펌프의 내부 부피를 계산하기 쉽도록 6각형 모양의 오리가미 펌프를 사용했고 6각형의 펌프를 총 5층으로 쌓았다. 옆면의 패턴을 일정하게 출력하기 위해 100 um 두께의 PET 필름에 패턴을 출력한 뒤 펌프의 내구성을 위해 캡톤 테이프로 펌프 전체를 감싸 붙였다.
소프트 구동 기는 햅틱 피드백을 극대화하기 위해 평상시에는 손가락과 떨어진 상태를 유지하다가 압력이 가해지면 손가락과 닿게 된다. 이때 평상시에는 일정한 모양을 유지하면서 구동 시에는 유연하게 휘어지게 하기 위해 소프트 구동기의 재질은 실리콘의 한 종류인 dragon skin 20을 사용하였다.
전기 구동기는 햅틱 피드백 글러브에 사용하기 위해 Jinlong machinery & electronics 사의 Q7AL2BX180003를 사용하였다. 이 모터는 직경 7 mm, 길이 16.

성능/효과

8]은 식 (1)~(5)를 통해 추측한 오리가미 펌프 내 압력이다. 가장 많은 변위량을 보인 저주파 입력 값에서 가장 큰 압력 변화를 보였고, 가장 적은 변위량을 보인 고주파 입력 값에서는 가장 적은 압력 변화를 보였다.
제안하였다. 제안된 구동기는 가압 및 감압이 가능하고, 또한 기어 비를 통해 자유롭게 토크 조절이 가능하며 케이블을 사용하지 않아 케이블 마모에 의한 수명 감소가 없다는 장점이 있다. 또한 호스를 통해 공기 압력이 전달되기 때문에 전기 구동부와 소프트 구동부가 붙어 있을 필요가 없어 착용형 장비에 적합하다.

후속연구

향후에는 유추한 시스템의 압력을 토대로 시스템의 모델을 파악하고 회로에 내장된 압력 센서를 이용하여 검증할 예정이다. 이를 기반으로 외란 관측기를 설계하고 외란을 측정하여 손가락과의 접촉 유무를 판단할 예정이다.

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