KR100252082B1

KR100252082B1 - 손동작 감지장치

Info

Publication number: KR100252082B1
Application number: KR1019970056030A
Authority: KR
Inventors: 최홍석
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 2000-04-15
Also published as: KR19990034425A

Abstract

손동작을 효과적으로 인식할 수 있는 새로운 기구적 메커니즘을 채용한 손동작 감지 장치를 개시한다.

본 손동작 감지 장치는, 프레임과; 상기 프레임에 일단이 고정되고 타단은 스프링에 연결되는 탄성부재와; 고정 링크에 대하여 관절점을 중심으로 회전 운동하는 상대적인 작동 링크와; 상기 고정 링크에 설치된 관통관을 통과하면서 일단은 상기 작동 링크에 연결되고 타단은 상기 스프링에 연결되는 와이어와; 상기 탄성부재에 부착되어 상기 작동 링크의 회전에 따른 상기 탄성부재의 변형을 측정하는 변형 센서를 구비하여 상기 작동 링크의 회전 각도를 감지하는 것을 특징으로 한다.

Description

손동작 감지 장치

본 발명은 손동작 감지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 와이어를 이용한 손동작 감지 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 손동작 감지 장치는 각 손가락의 움직임 특히 손가락 마디의 회전 각도를 측정하여 이를 데이터로 전달하는 장치로서, 원격제어(tele-operation)와 가상현실 등의 데이터 입력 도구로 주로 활용되고 있다. 대상물을 보다 정확하게 조작하거나 보다 정확한 손동작에 관한 위치 정보를 주기 위하여는 손동작을 정교하게 감지하는 것이 중요하다. 그러나 장치의 제작비용을 고려하여야 할 것이며 또한 사람의 손에 착용하여 장시간 사용하는 경우가 많을 것이므로 착용의 용이성 및 장치의 무게 등의 인간 공학적인 요소도 감안하여 장치를 설계하여야 한다.

손동작을 감지하기 위한 장치로서 종래에는 장갑에 센서를 부착하는 방식인 장갑형 손동작 감지 장치가 있다. 이것은 가상현실의 일부분에서 게임용으로 사용하는 것으로, 가격이 저렴하고 사용하기 편하다는 장점이 있는 반면에 정확도가 떨어지는 단점이 있다.

그리고 도 1에 도시된 바와 같은 기구형 손동작 감지 장치가 있다. 이 장치는 각 손가락의 관절부위에 인코더(12)를 부착하여 관절의 회전 각도를 측정하는 방식이다. 이 방식은 정확도가 높고 반복 정밀도가 좋은 반면에, 인코더(12)와 이 인코더(12)를 지지하기 위한 기구적 브라켓(14)을 설치하여야 하므로 기구적인 메커니즘이 복잡하고 전체적으로 무거우며 유연한 손동작을 하는 데 불편한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 손동작을 효과적으로 인식할 수 있는 새로운 기구적 메커니즘을 채용한 손동작 감지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 손동작 감지 장치는, 프레임과; 상기 프레임에 일단이 고정되고 타단은 스프링에 연결되는 탄성부재와; 고정 링크에 대하여 관절점을 중심으로 회전 운동하는 상대적인 작동 링크와; 상기 고정 링크에 설치된 관통관을 통과하면서 일단은 상기 작동 링크에 연결되고 타단은 상기 스프링에 연결되는 와이어와; 상기 탄성부재에 부착되어 상기 작동 링크의 회전에 따른 상기 탄성부재의 변형을 측정하는 변형 센서를 구비하여 상기 작동 링크의 회전 각도를 감지하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 기구형 손동작 감지 장치의 사용 상태도이다.

도 2는 본 발명에 따른 손동작 감지 장치의 일부를 나타낸 사시도이다.

도 3은 도 2의 장치를 손가락에 장착한 도면이다.

도 4 및 도 5는 도 3의 IV-IV선을 중심으로 한 손가락에 해당하는 부분을 발췌하여 도시한 평면도 및 정면도이다.

도 6은 손가락 관절의 회전을 나타낸 도면이다.

도 7은 손가락 관절의 회전에 따라 와이어와 연결된 탄성부재에 미치는 힘을 설명하는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20...프레임 25...관통관

21...스프링 26...와이어

22...탄성부재 27...지지부

23...고정 링크 28...변형 센서

24...작동 링크 29...와이어 가이드 관

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 손동작 감지 장치를 설명하기 위한 것으로서, 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리킨다. 도시된 도면에는 엄지와 검지인 손가락의 일부만을 측정할 수 있도록 되어 있으나, 동일한 구성과 원리로서 전체 손가락으로 용이하게 확장하여 적용할 수 있다.

본 손동작 감지 장치는 프레임(20)과, 프레임에 연결된 탄성부재(22)와, 탄성부재(22)에 부착된 변형 센서(28)와, 탄성부재(22)의 타단에 연결된 스프링(21)과, 스프링(21)에 연결된 와이어(26)와, 와이어(26)가 연결되는 작동 링크(24)와, 작동 링크(24)의 회전 운동의 기준이 되는 고정 링크(23)와, 고정 링크에 설치되어서 와이어(26)를 통과시키는 관통관(25)을 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이 프레임(20)은 손등 및/또는 손목을 덮는 넓은 판의 형태를 가지는 것이 바람직하다. 프레임(20)은 손등에 단단히 고정되어서 모든 손가락의 움직임의 기준이 되며 좌표 계산의 기준이 된다.

도 7에 자세히 도시된 바와 같이 탄성부재(22)는 일단이 프레임(20)에 고정되고 타단이 자유단인 대략 L자형의 캔티레버 형태를 가진다. 그리고 이 탄성부재(22)의 자유단의 하부에 스프링(21)이 연결된다. 그 이유는 탄성부재(22)의 하부에 연결된 스프링(21)에 의해 전달되는 힘에 의해 탄성부재(22)에 굽힘 모멘트(M)가 인가되도록 하기 위함이다. 따라서 탄성부재(22)는 스프링(21)에 의한 인장력(F)과 모멘트(M)에 의해 변형된다. 이 변형은 탄성부재(22)에 부착된 변형(strain) 게이지와 같은 변형 센서(28)에 의해 측정된다. 여기서 스프링(21)은 코일 스프링 등과 같이 힘의 작용에 대해 탄성 변형되면서 복원력을 가지는 부재를 말하며, 스프링 상수가 비교적 작아서 이를 인장하는데 많은 힘이 요하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 변형 센서(28)에 의해 측정된 변형치는 처리기(미도시)로 입력되어 후술되는 수학식에 의해 각 손가락 관절의 회전각을 계산하는 데 사용된다.

도 5에 도시된 바와 같이 고정 링크 및 작동 링크(23,24)는 각각 대응되는 손가락 마디에 착용된다. 따라서 손가락 제1마디(51)에 대하여 관절점(P2)을 중심으로 손가락 제2마디(52)를 움직이면, 고정 링크(23)에 대하여 관절점(P2)을 중심으로 작동 링크(24)가 회전 운동한다. 본 명세서에서 고정 링크 및 작동 링크는 상대적인 의미로 사용된다. 즉 상대적으로 고정된 기준이 되는 링크를 고정 링크라고 호칭하고, 이 기준이 되는 고정 링크에 대해 상대적인 운동을 하는 링크를 작동 링크라고 호칭한다. 따라서 각 손가락 마디의 운동의 중심이 되는 각 관절점을 기준으로 하여 각각 고정 링크와 작동 링크가 존재한다. 즉 관절점(P2)에 대하여는 손가락 제2마디(52)에 착용된 고정부가 작동 링크이고, 손가락 제1마디(51)에 착용된 고정부가 고정 링크이나, 관절점(P3)에 대하여는 손가락 제3 마디(53)에 착용된 고정부가 작동 링크가 되고 손가락 제2마디(52)에 착용된 고정부가 고정 링크가 된다. 또한 관절점(P1)에 대하여는 제1마디(51)에 착용된 고정부가 작동 링크가 되고 손등에 착용된 프레임(20)이 고정 링크가 된다. 따라서 본 발명은 손가락 제1마디(51)에 작동 링크(23)를 장착함으로써, 프레임(20)과 고정 링크가 일치하여서 프레임(20)에 대하여 작동 링크(23)가 운동하도록 된 장치를 구성하는 것도 가능하다. 이후의 설명에서는 주로 관절점(P2)을 중심으로 손가락 제2마디(52)에 장착된 작동 링크(24)와 손가락 제1마디(51)에 장착된 고정 링크(23)를 대상으로 설명할 것이지만, 다른 손가락 마디에 대하여도 동일한 설명이 적용될 수 있음은 물론이다.

와이어(26)는 통상의 강성 와이어로 이루어지는데, 일단이 스프링(21)에 연결되고 타단이 작동 링크(24)연결되어서, 작동 링크(24)의 움직임에 따라 잡아당겨져 스프링(21)에 인장력을 가한다. 와이어(26)는 고정 링크(23)에 설치된 관통관(25)내부를 통과하기 때문에 고정 링크(23)의 움직임에 의하여 영향을 받지 않고 작동 링크(24)의 회전 운동을 독립적으로 전달시킨다.

따라서 측정을 요하는 손의 부위에 해당하는 위치마다 링크 고정부를 장착하고 이 장착된 링크 고정부에 해당하는 개수만큼의 와이어를 탄성부재에 연결하고 탄성부재의 변형을 측정함으로써 필요로 하는 전체 손의 부위의 동작을 감지할 수 있다.

와이어 가이드 관(29)은 일단이 관통관(25)에 고정되고 타단은 프레임(20)에 고정되어서 와이어(26)의 적어도 일부를 둘러쌓도록 하는 것이 바람직하다. 와이어 가이드 관(29)은 내부에 있는 와이어(26)를 가이드하도록 유연성 있으나 압축력에는 강한 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

프레임(20)은 손등에 착용되고, 고정 링크(23)와 작동 링크(24)는 손가락의 각 마디에 착용되는 구조이므로 서로 일정한 범위 내에 위치하여야 하는 일련의 위치관계를 유지할 필요가 있다. 따라서 이들 프레임(20)과 고정 링크(23)와 작동 링크(24)가 상호간에 일정한 위치관계를 유지할 수 있도록 일렬로 연결시키는 유연성 있는 지지부(27)를 구비하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 손동작 감지 장치의 작용 및 감지 원리를 설명하면 다음과 같다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 장치를 손에 착용하면, 작동 링크(24)는 관절점(P2)위로 거리(r)만큼 떨어져서 손가락 제2마디(52)에 밀착되어 고정된다. 점선으로 도시된 바와 같이 손가락 제2마디(52)를 각도(Φ)로 움직이면, 손가락의 관절뼈는 관절점(P2)을 중심으로 미끄러지듯이 움직인다. 작동 링크(24)는 손가락 제2마디(52)에 밀착되어 고정되어 있기 때문에, 손가락 제2마디(52)가 움직이더라도 관절점(P2)에서 와이어(26)를 수직으로 교차하는 점(a)에서 작동 링크(24)까지의 거리는 변하지 않는다. 따라서 작동 링크(24')가 점선의 위치로 움직이면 교차점(a)은 교차점(a')로 변화하여서 교차점(a')에서 작동 링크(24')까지의 거리는 일정하게 유지된다. 결과적으로 작동 링크(24)가 각도(Φ)로 움직이면 와이어(26)의 교차점(a)이 교차점(a')로 움직이는 결과가 되며, 여기서 교차점(a)과 교차점(a')사이의 각도는 작동 링크의 움직인 각도(Φ)와 동일하다. 교차점(a)과 교차점(a')사이의 거리는 근사적으로 관절점(P2)을 중심으로한 반지름(r)으로 된 원호(a-a')의 길이에 상응하므로, 와이어(26)가 이동한 길이(l)는 다음의 수학식 1과 같다.

l = rΦ

와이어(26)는 강성의 소재이므로 와이어(26)의 특정점이 일정한 길이만큼 이동한다는 것은 결국 와이어(26)가 잡아당겨진다는 것을 뜻한다. 따라서 도 7에 도시된 바와 같이 작동 링크(24)에 연결된 와이어(26)가 잡아당겨진다는 것은 이 와이어(26)에 연결된 스프링(21)이 그 길이(l)만큼 늘어난다는 것을 의미한다. 그러므로 스프링(21)은 늘어난 길이(l)에 해당하는 만큼의 인장력(F)을 받게 되고, 이 인장력(F)의 크기는 F=kl(여기서 k는 스프링 상수)로 계산된다.

그러므로 스프링(21)이 연결된 점(A)에는 인장력(F)이 작용되고, 탄성부재(22)의 점(B)에는 도 7에 확대 도시된 바와 같이 벤딩 모멘트(M)가 추가되어 작용된다. 그러므로 탄성부재(22)에 인장력(F)이 가해지면 탄성부재(22)는 인장력(F)과 벤딩 모멘트(M)를 받게 되고 이로 인해 탄성부재(22)에 부착된 변형 센서(28)가 변형되어서 그 변형량을 측정할 수 있게 된다. 탄성부재(22)의 최종 변형치(ε)는 다음의 수학식 2와 같다.

ε=ε₀+ ε_F+ ε_M

여기서 ε₀는 탄성부재(22)의 변형 초기치, ε_F은인장력(F)에 의한 변형치, ε_M는 모멘트(M)에 의한 변형치이다. 그러므로 손동작에 의해 변형되는 탄성부재(22)의 유효 변형치(ε-ε₀)는 작용된 힘에 의한 변형치(ε_F+ε_M)와 같다.

따라서 손동작에 의한 탄성부재(22)의 유효 변형치(ε -ε₀)는 다음의 수학식 3에 의해 계산된다.

여기서 A는 탄성부재(22)의 단면적, E는 탄성계수, I는 관성 모멘트, t는 두께, w는 폭, a는 탄성부재(22)의 수직 높이이다.

수학식 3에 수학식 1을 대입하여 구하고자 하는 작동 링크(24)의 회전각도(Φ)에 대하여 정리하면 수학식 4가 된다.

따라서 작동 링크(24)의 회전각도(Φ)는 해당 탄성부재(22)의 유효 변형치(ε-ε₀)에 비례하는 관계식으로 나타나므로, 탄성부재(22)의 유효 변형치(ε-ε₀)를 측정하면 해당되는 각 작동 링크(24)의 회전각도(Φ)를 계산할 수 있게 된다. 이와 같은 방식으로 각 손가락 마디에 대해 독립적으로 회전 각도를 계산함으로써 전체 손동작을 감지할 수 있게 된다.

이상 실시예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예인 손동작의 감지에만 적용될 수 있는 것은 아니며, 동일한 작동 원리와 기구로서 타 관절 부위에도 적용될 수 있음은 물론이다. 이 실시예에 기재되어 있는 구성부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적인 배치 등은 특히 특정된 기재가 없는 한은 본 발명의 범위를 그것들만으로 한정하는 취지의 것은 아니고 단지 설명예에 불과한 것으로 본 발명의 기술사상 및 범위 내에서의 각종 변경 및 개량이 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 손동작 감지 장치는 와이어를 이용한 기구적 메커니즘을 사용한 것으로 종래의 기구형 손동작 감지 장치에 비하여 기구적인 메커니즘이 간단하고 무게가 가볍다. 따라서 유연한 손동작을 가능하게 하고 장시간 사용하여도 피로가 적은 효과가 있다. 또한 제작비용도 저렴하기 때문에 그 활용도가 크다.

Claims

프레임과;

상기 프레임에 일단이 고정되고 타단은 스프링에 연결되는 탄성부재와;

고정 링크에 대하여 관절점을 중심으로 회전 운동하는 상대적인 작동 링크와;

상기 고정 링크에 설치된 관통관을 통과하면서 일단은 상기 작동 링크에 연결되고 타단은 상기 스프링에 연결되는 와이어와;

상기 탄성부재에 부착되어 상기 작동 링크의 회전에 따른 상기 탄성부재의 변형을 측정하는 변형 센서를 구비하여 상기 작동 링크의 회전 각도를 감지하는 손동작 감지 장치.
제1항에 있어서,

상기 작동 링크의 회전 각도는 상기 탄성부재의 변형량과 비례하는 것을 특징으로 하는 손동작 감지 장치.
제1항에 있어서,

상기 프레임과 상기 고정 링크와 상기 작동 링크가 상호간에 대하여 대략 일정한 형태를 유지할 수 있도록 일렬로 연결시키는 유연성 있는 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 손동작 감지 장치.
제1항에 있어서,

일단은 상기 관통관에 타단은 상기 프레임에 고정되어서 상기 와이어의 적어도 일부를 둘러쌓아 상기 와이어를 가이드하는 유연성 있는 와이어 가이드 관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 손동작 감지 장치.
제1항에 있어서,

상기 탄성부재는 상기 스프링에 의해 전달되는 힘에 의해 굽힘 모멘트를 받도록 형성되는 것을 특징으로 하는 손동작 감지 장치.
제1항에 있어서,

상기 프레임은 손등 및/또는 손목을 덮는 넓은 판으로 되는 것을 특징으로 하는 손동작 감지 장치.
제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 고정 링크 및 작동 링크는 손가락의 각 마디에 끼우는 것을 특징으로 하는 손동작 감지 장치.
제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 고정 링크는 상기 프레임이고, 상기 작동 링크는 손가락의 마디에 끼우는 것을 특징으로 하는 손동작 감지 장치.