KR100586533B1 - 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 가상공간의 원격조작 상황에 생생한 현실감과 기계 조작의 편리함을 주는 햅틱 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 장치는 물체의 무게나 단단함 등의 촉감을 전달하는 햅틱 시스템에 있어서, 사용자의 수동 조작이 입력되는 동작 입력 수단; 상기 동작 입력 수단의 움직임 위치 정보를 감지하여 피드백된 신호를 발생시키는 엔코더; 상기 동작 입력 수단 및 상기 엔코더를 연결하여 힘을 전달하는 링크; 상기 피드백된 신호를 입력받아 가상환경 모델에 따른 토크량을 계산하여 제어 신호를 발생시키는 제어부 및 상기 제어 신호에 따라 구동되어 상기 엔코더를 동작시키는 보이스 코일 모터로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템은 기어 및 기타 동력전달장치를 사용하지 않고 모터를 직접구동하여 백래쉬가 없고, 구조가 간단하며 치/슬롯구조가 없는 보이스 코일 모터를 사용함으로써, 토크 리플이 없고 전압 인가방법 및 정/역 구동의 구현이 간단하며, USB를 사용하여 쉬운 인터페이스가 가능하고 USB 제어기, 엔코더 카운트, 보이스 코일 모터 구동을 모두 한 개의 보드 위에 일체화하여 가격이 저렴한 장점이 있고, 알루미늄 재질의 링크 및 플레이트를 사용하여 경량화와 저관성이 가능하고 5절 링크를 사용하여 위치 및 힘 해석이 용이한 효과가 있다.

햅틱 장치, 보이스 코일 모터

Description

보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템{Haptic system using voice coil motor}

도 1은 종래의 햅틱 장치를 나타내는 구조도이다.

도 2는 본 발명에 따른 햅틱 장치를 나타내는 전체 구조도이다.

도 3은 본 발명에 따른 다른 구조의 햅틱 장치를 나타내는 전체 구조도이다.

도 4는 본 발명에 따른 보이스 코일 모터를 나타내는 구조도이다.

도 5는 본 발명에 따른 햅틱 시스템의 인터페이스와 제어를 나타내는 개략도이다.

도 6은 본 발명에 따른 제어기 내부를 나타내는 블럭도이다.

도 7은 본 발명에 따른 햅틱 시스템의 동작 과정을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 모터 110 : 엔코더

120 : 링크 130 : 손잡이

140 : 볼 베어링/부싱 200, 205 : 금속층

210 : 코일층 220 : 영구자석층

본 발명은 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 가상공간의 원격조작 상황에 생생한 현실감과 기계 조작의 편리함을 주는 햅틱 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 햅틱 장치(Haptic Feedback Device)는 인간과 상호 작용하는 컴퓨터 시스템에서 매우 중요한 역할을 담당한다. 시각이나 청각 정보와는 달리 햅틱 장치를 통하여 물체의 무게나 단단함 등의 촉감을 전달하는 기술이다. 상기 햅틱 장치기술은 가상현실(Virtual Reality) 시스템 분야에 해당하는 기술로 실험용으로 제작되지만, 각 장치마다 단점이 많다는 문제점이 있었다.

도 1은 종래의 햅틱 장치를 나타내는 구조도이다. 도 1(가)의 1-DOF(Degree Of Freedom : 자유도) 햅틱 장치를 살펴보면, 상기 1-DOF 햅틱 장치는 한 방향(Z방향) 회전으로만 작동하는 장치로서, 구동원은 DC모터 하나를 사용하였다. 주목할 점은 댐퍼(Damper) 장치를 사용하여 힘의 반향량을 제어하였다. 상기 1-DOF 햅틱 장치는 단순하면서 제어가 간단한 장치지만, 하나의 자유도만 가지므로 사용하기가 한정적이고, 유압 댐퍼를 사용하므로 정밀적인 힘을 제어하기에는 문제점이 있었다.

도 1(나)의 2-DOF 햅틱 장치를 살펴보면, 상기 2-DOF 햅틱 장치는 2개의 자 유도(X, Y 방향)를 가지는 장치로서, 한 개의 자유도를 구성하는 장치는 한 개의 모터와 한 개의 포텐셔미터를 사용하였다. 따라서, 2개의 모터와 2개의 포텐셔미터를 가지고 있는 2-DOF 햅틱 장치는 의약용 미세수술장치의 시뮬레이션 장치를 연구하기 위해서 만든 장치이다. 상기 2-DOF 햅틱 장치는 두 개의 자유도를 가지지만 작업공간이 아주 좁고, 작업범위보다도 큰 기구부 부피를 차지하는 비효율성이 있으며, 기어를 사용함으로써 백래쉬(Back lash)가 생긴다는 문제점이 있었다.

도 1(다)의 3-DOF 햅틱 장치를 살펴보면, 상기 3-DOF 햅틱 장치는 3개의 수직링크와 3개의 수평링크로 구성된 장치로서, 3개의 작동기(Actuator)와 3개의 힘센서장치를 사용하였다. 상판과 하판을 연결하는 상기 수직링크에는 3개의 볼 조인트(Joint)를 사용하고, 수평링크와 연결 조인트는 3개의 핀 조인트를 사용하였다. 그러나 상기 3-DOF 햅틱 장치는 복잡한 구조를 가지고 있고, 수평링크의 마찰력의 영향이 크다. 또한, 아주 작은 작업공간을 가지고, 부가 부착물이 많으므로 비용이 많이 드는 문제점이 있었다.

종래기술인 로젠버그 등의 대한민국 공개특허 제2003-0085080호의 장난감용 햅틱 원격 제어 장치 및 방법을 살펴보면, 햅틱 피드백 원격 제어 장치를 통해 장난감 장치에 제어 신호를 제공하여 장난감 장치의 동작을 제어하는 것에 관한 것이다. 그러나, 상기 종래기술은 다절 링크를 이용하지 않았고 햅틱 장치 내에 모든 기기를 일체화하지 않았다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 큰 힘의 반향을 제시하고 힘 제어가 용이하며, 기어나 기타 동력전달장치를 사용하지 않고 보이스 코일 모터를 직접 구동하여 백래쉬를 없애며 링크연결 부분의 마찰력을 최소화하기 위한 햅틱 장치를 통하여 사람이 가상현실을 좀 더 리얼하게 느끼게 하기 위한 햅틱 시스템을 제공하고 USB(Universal Serial Bus) 제어기, 엔코더 카운트(Encoder Count), 보이스 코일 모터 구동을 모두 한 개의 보드 위에 일체화함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 물체의 무게나 단단함 등의 촉감을 전달하는 햅틱 시스템에 있어서, 사용자의 수동 조작이 입력되는 동작 입력 수단; 상기 동작 입력 수단의 움직임 위치 정보를 감지하여 피드백된 신호를 발생시키는 엔코더; 상기 동작 입력 수단 및 상기 엔코더를 연결하여 힘을 전달하는 링크; 상기 피드백된 신호를 입력받아 가상환경 모델에 따른 토크량을 계산하여 제어 신호를 발생시키는 제어부 및 상기 제어 신호에 따라 구동되어 상기 엔코더를 동작시키는 보이스 코일 모터로 이루어진 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 햅틱 장치를 나타내는 전체 구조도이다. 본 발명에 따른 햅틱 장치는 사람이 제시할 수 있는 힘을 10N, 작동범위를 40×40mm 및 링크구조를 구조적으로 견고한 5절(Five-Bar) 링크 구조로 2개의 보이스 코일 모터(Voice Coil Motor)(100)를 구동원으로 사용하였고, 자유도는 2-DOF(X, Y 평면)를 가진다.

상기 햅틱 장치의 작동자가 손잡이(130)를 손으로 잡고 X, Y 평면상으로 움직일 수 있는데 보이스 코일 모터(100)를 구동원으로 사용하여 상기 보이스 코일 모터(100)의 제어를 용이하게 하였고, 직접구동방식을 사용하기 때문에 보이스 코일 모터(100)에서의 마찰력을 최소화하였다. 그리고 알루미늄 재질의 링크(120)와 플레이트(Plate)를 사용하여 무게를 경량화하였기 때문에 저관성(Inertia)을 이룰 수 있다. 관성은 햅틱 장치를 천천히 움직일 때는 문제가 되지 않지만 급가속시 시스템의 관성은 힘을 반영시키므로 속도의 한계가 생기고, 이로 인해 힘 반향제어의 응답이 늦어진다. 또한, 엔코더(110)는 상기 보이스 코일 모터에 의해 피드백된 신호로부터 힘을 발생하는 장치이다.

한편, 백래쉬가 발생하는 곳의 측면에서는 보이스 코일 모터(100)의 직접 구동을 통해 백래쉬가 없어졌다. 상기 백래쉬는 보이스 코일 모터(100) 제어시 중요한 요소로 작용한다. 또한, 마찰력은 힘 전달의 주요한 손실 포인트가 되어 사용자가 햅틱 장치 손잡이(130)를 작동시킬 때 상기 백래쉬에 의해 조작성이 크게 떨어진다. 이 문제를 해결하기 위해서 링크(120)의 연결부위에 볼 베어링 및 부싱(140)(Bushing)을 사용해 회전 조인트 부분의 마찰력을 최소화시켰다.

상기 햅틱 장치는 병렬구조의 5절 링크(120) 구조를 채택하였다. 상기 병렬 구조의 5절 링크(120) 구조는 위치 및 힘 해석의 용이성으로 인해 힘 센서 등 기존의 부가 부착물들을 많이 없애고, 구동기가 지지부에 가깝게 위치하며, 구조 자체가 견고하기 때문에 높은 응답 주파수 대역폭에서 힘의 제어가 가능하다. 소형 디자인이 가능하기 때문에 작업자가 용이하게 조작할 수 있어 무게가 중요시되는 작업에서 사용되고, 대칭구조를 가지고 있어 견고하다. 또한, 신뢰성이 있어 제작비용을 낮출 수 있고, 직렬형 구조보다 큰 강성을 지니고 있어 위치 오차의 누적없이 정확도를 높일 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 다른 구조의 햅틱 장치를 나타내는 전체 구조도이다. 도 3(가), (나)에서 보는 바와 같이, 햅틱 장치를 기판 양면으로 부착시켜도 도 2에서와 같이 높은 응답 주파수 대역폭에서 힘의 제어가 가능한 동작을 할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 보이스 코일 모터를 나타내는 구조도이다. 도 4(가)에서와 같이, 보이스 코일 모터는 자로를 구성하기 위한 금속층(200)과 금속층(205) 사이에 공심형 코일층(210)과 영구자석층(220)으로 구성된다. 도 4(나)는 보이스 코일 모터의 층구조를 나타내는 것이다. 상기 보이스 코일 모터는 구조가 간단하며 치/슬롯구조가 없기 때문에 토크 리플이 없으며, 전압 인가방법 및 정/역 구동 등의 구현이 간단하다. 또한 일정 각도의 회전용 모터로 사용시에는 일반 회전형 모터에 비하여 박형화 및 소형화가 가능한 모터이다.

보이스 코일 모터를 만들기 위해 햅틱 장치의 끝부의 힘의 세기와 기구부 설계 사양으로 결정되었고, 그 설계된 모터는 전류 700mA에서 50[kgfmm]이며 총 운전구간은 ±20°내외이다.

도 5는 본 발명에 따른 햅틱 시스템의 인터페이스와 제어를 나타내는 개략도이다. 먼저, 사용자의 수동 조작이 입력되는 동작 입력 수단의 움직임은 보이스 코일 모터를 기반으로 엔코더 등의 센서에 의해 피드백된 신호화되어 제어기에 입력된다. 상기 피드백된 신호는 다시 컴퓨터에 입력되어 가상환경 모델에 따른 운동 명령을 생성하여 다시 제어기에 전해진다. 그러면 제어기로부터의 제어신호는 보이스 코일 모터 드라이버를 구동시켜 생성된 힘을 사용자가 느낄 수 있도록 구성된다. 상기 제어기와 컴퓨터는 햅틱 시스템의 제어를 총괄하는 제어부의 일실시예이다. 상기 동작 입력 수단으로는 손잡이를 들 수 있다.

상기 햅틱 시스템은 2-DOF의 자유도를 가지고, 구동부로 보이스 코일 모터를 사용한다. 또한, 햅틱 시스템은 회전방향, 토크 명령 및 위치와 같은 제어 명령을 위하여 기능과 사용의 편리성으로 인해 수요가 증가하고 있는 USB를 사용하여 햅틱 장치의 제어기와 인터페이스를 구성한다.

상기 USB는 속도는 비교적 느리지만 디바이스 드라이버를 쉽게 구현할 수 있고, 프로그램이 비교적 용이한 벌크(Bulk) 모드를 사용하여 데이터 구조(Data Structure) 기반에 필요한 데이터를 실어 그 크기를 계산하여 필드(Field)에 같이 보내면 상기 구조가 송수신되는 방식으로 구현된다. USB 방식은 최근 가장 많이 사용되는 PC 인터페이스 방식이고, 플러그 앤 플레이(Plug and Play) 기능이 지원되므로 상기 USB 장치를 PC에 연결하면 자동으로 인식된다.

상기 USB는 전송속도도 일반 시리얼 통신에 비하여 빠르고, 신호선은 표준이어서 일반 USB 신호선을 사용할 수 있기에 쉽고 편리하게 인터페이스할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 USB 제어기, 엔코더 카운트 및 보이스 코일 모터 구동을 모두 한 개의 보드 위에 설계하여 저렴하면서도 단순하다.

도 6은 본 발명에 따른 제어기 내부를 나타내는 블럭도이다. 보이스 코일 모터의 구동전원은 12V로 되어 있으므로 레귤레이터를 사용하여 보드전원(5V)을 생성시키고, 2048ct/rev 사양을 가진 엔코더를 2개 사용하는데 이를 카운팅하기 위해 프로그램 논리 디바이스(PLD : Programmable Logic Device)를 이용한다. 상기 프로그램 논리 디바이스의 내부는 15 비트 카운터를 2개로 하여 제작된 햅틱 장치의 동작영역에 충분하도록 설계한다. 구동회로에 있어서는 PORT B의 4 비트를 이용하여 모터의 정/역 구동을 하고, 마이크로 컨트롤러에서는 컨트롤러 내부 두 개의 PWM(Pulse Width Modulation) 출력을 이용하여 토크 제어를 수행한다.

그리고 상기 신호들을 디코더 회로를 통하여 L298칩과의 인터페이스를 수행한다. 햅틱 장치는 무부하시의 느낌이 아주 중요한데 무부하시에 부하가 느껴지면 특성이 아주 나쁘므로 이를 위하여 L298칩의 각 브릿지(Bridge)의 인에이블(Enable) 단자를 제어하여 무부하시에는 이를 디스에이블(Disable)시켜 코일에 전원이 오픈되게 한다.

도 7은 본 발명에 따른 햅틱 시스템의 동작 과정을 나타내는 도면이다. 먼저, 햅틱 장치의 손잡이를 움직이면(S100), 움직이는 위치 정보가 일종의 회전각도 측정 센서인 엔코더로 2축의 회전각도 신호가 제어보드로 전송된다(S110). 전송된 엔코더 신호를 이용하여 운동학(Kinematics)을 풀면(S120), 현재 움직이는 손잡이의 정확한 위치를 알 수 있고 이를 컴퓨터의 디스플레이부에 디스플레이한다(S130). 상기 디스플레이와 동시에 컴퓨터 화면의 가상의 벽 등에 손잡이가 부딪히면 힘을 느끼게 해 주어야 하므로 운동학에서의 자코비안 매트릭스(Jacobian Matrix)를 이용하여 손잡이에서 느껴야 될 2축의 힘을 계산하고 모터에 주어야 할 토크량이 계산된다(S140). 제어기와 같이 제어를 담당하는 컴퓨터는 햅틱 장치 제어기에 USB를 통하여 토크량에 따른 운동 명령을 내리면 제어기에서는 실제로 모터에 계산된 토크가 나오도록 구동을 하고(S150), 그러면 손잡이를 잡고 있는 사람은 힘을 느낄 수가 있다.

본 발명에 따른 햅틱 시스템은 조이스틱, 캐드 도면화 작업 툴, 자동 조각 장치나 작화 장치 및 힘 반향 마우스에서 사용할 수 있다. 먼저 상기 조이스틱은 간단한 구조변경을 통해 종래의 오락게임용 힘 반향 조이스틱으로 사용 가능하고, 상기 캐드 도면화 작업 툴은 캐드 작업시 작용포인트 끝점에서의 힘 제시 햅틱 장치의 적용으로 미세한 도면 작성시 용이하게 사용할 수 있다.

또한, 상기 자동 조각 장치나 작화 장치는 모터 출력의 제어 조정을 통한 조각장치나 그림을 그릴 수 있는 작화 장치로 사용할 수 있고, 상기 힘 반향 마우스는 링크 구조의 단순화 및 모터 선정의 소형화를 통한 힘 반향 마우스 장치로 사용할 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템은 기어 및 기타 동력전달장치를 사용하지 않고 모터를 직접구동하여 백래쉬가 없고, 구조가 간단하며 치/슬롯구조가 없는 보이스 코일 모터를 사용함으로써, 토크 리플이 없고 전압 인가방법 및 정/역 구동의 구현이 간단하며, USB를 사용하여 쉬운 인터페이스가 가능하고 USB 제어기, 엔코더 카운트, 보이스 코일 모터 구동을 모두 한 개의 보드 위에 일체화하여 가격이 저렴한 장점이 있고, 알루미늄 재질의 링크 및 플레이트를 사용하여 경량화와 저관성이 가능하고 5절 링크를 사용하여 위치 및 힘 해석이 용이한 효과가 있다.

Claims (9)

1. 물체의 무게나 단단함 등의 촉감을 전달하는 햅틱 시스템에 있어서,

   사용자의 수동 조작이 입력되는 동작 입력 수단;

   상기 동작 입력 수단의 움직임 위치 정보를 감지하여 피드백된 신호를 발생시키는 엔코더;

   상기 동작 입력 수단 및 상기 엔코더를 연결하여 힘을 전달하는 링크;

   상기 피드백된 신호를 입력받아 가상환경 모델에 따른 토크량을 계산하여 제어 신호를 발생시키는 제어부; 및

   상기 제어 신호에 따라 구동되어 상기 엔코더를 동작시키는 보이스 코일 모터

   를 포함하여 구성되고 상기 엔코더, 제어부 및 보이스 코일 모터는 한 개의 보드 위에 일체화되는 것을 특징으로 하는 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 동작 입력 수단의 위치 정보가 반영되는 가상환경 모델을 표시하는 디스플레이부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 링크는 병렬 구조임을 특징으로 하는 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 링크는 5절 구조임을 특징으로 하는 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 링크의 연결부위는 볼 베어링 또는 부싱을 사용하는 것을 특징으로 하는 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 피드백된 신호로부터 가상환경 모델에 따라 토크량을 계산하여 운동 명령을 내리는 컴퓨터 및 상기 피드백된 신호를 엔코더로부터 입력받아 상기 컴퓨터로 전달하며 상기 컴퓨터로부터의 운동 명령에 따라 제어 신호를 발 생시키는 제어기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 컴퓨터와 제어기는 USB로 연결된 것을 특징으로 하는 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템.
8. 삭제
9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 보이스 코일 모터는 금속층, 영구자석층, 공심형 코일층 및 금속층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템.

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