KR100907812B1 - 지렛대를 이용한 햅틱제공장치 및 이를 이용한 햅틱피드백제공방법 - Google Patents

지렛대를 이용한 햅틱제공장치 및 이를 이용한 햅틱피드백제공방법 Download PDF

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양태헌
권동수
김승찬
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 지렛대의 원리를 이용한 햅틱제공장치로서, 더욱 상세하게는 지렛대의 원리를 이용하여 액추에이터의 구동변위를 증폭시켜 사용자에게 촉감을 전달하는 햅틱제공장치 및 이를 이용한 햅틱제공방법에 관한 것이다. 사용자의 접촉을 감지하여 감지신호를 출력하는 위치감지부(110)를 통하여 촉감을 제공하는 장치에 있어서, 위치감지부(110)의 상부 또는 하부에 구비되는 액추에이터(130); 액추에이터(130)와 소정의 간격만큼 이격된 위치에 구비되는 받침대(142);와 액추에이터(130)와 상기 받침대(142)를 연결하고, 일단이 위치감지부(110)와 고정된 이동부(144);로 구성된 변위 증폭부(140); 및 위치감지부(110)의 접촉위치 데이터에 기초하여, 액추에이터(130)의 구동을 결정하는 제어부(120);로 구성됨으로써, 위치감지부(110)의 구동변위는 액추에이터(130)의 구동변위보다 크게 증폭되어 사용자에게 햅틱을 제공할 수 있다.
지렛대, 선형 액추에이터, 위치감지부, 햅틱

Description

지렛대를 이용한 햅틱제공장치 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공방법{Haptic providing device using lever and haptic feedback providing method thereof}
본 발명은 지렛대의 원리를 이용한 햅틱제공장치로서, 더욱 상세하게는 지렛대의 원리를 이용한 햅틱제공장치 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공방법에 관한 것이다.
일반적으로 햅틱(haptic)이란 물체를 만질 때, 사람의 핑커팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각으로서, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백(Tactile feedback)과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각 힘 피드백(Kinesthetic force feedback)을 포괄하는 개념이다. 본 명세서에서 "햅틱"이란 이러한 개념으로 사용된다.
이러한 햅틱을 제공하는 장치로서, 터치스크린의 하부에 액추에이터를 장착한 장치가 있다. 액추에이터가 구동되면서, 액추에이터의 구동(예, 진동)이 액추에이터와 고정연결된 터치스크린에 전달되어 이를 사용자가 인지하는 것이다. 피에조 액추에이터 또는 압전세라믹 액추에이터 중 벤더형(Bender type) 액추에이터의 경우는 출력힘은 작지만 변위가 크다.
그러나 적층형(multi-layer) 액추에이터인 경우, 액추에이터의 가운데 부분에 상하방향의 변위가 발생한다. 적층형 액추에이터는 출력힘은 크지만, 가장자리 둘레는 고정되어 액추에이터의 구동변위가 작다는 단점이 있다. 이러한 액추에이터의 구동으로는 사용자에게 햅틱을 효과적으로 제공하는데 한계가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 변위 증폭부에 의한 위치감지부의 구동변위를 증폭시킴으로써, 사용자에게 버튼을 누르는 경우를 포함한 다양한 햅틱 센세이션을 효과적으로 제공하는 장치 및 햅틱제공방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 사용자의 접촉을 감지하여 감지신호를 출력하는 위치감지부(110)를 통하여 햅틱을 제공하는 장치에 있어서,
위치감지부(110)의 상부 또는 하부에 구비되는 액추에이터(130);
액추에이터(130)와 소정의 간격만큼 이격된 위치에 구비되는 받침대(142);와 액추에이터(130)와 받침대(142)를 연결하고, 일단이 위치감지부(110)와 고정된 이동부(144);로 구성된 변위 증폭부(140); 및
위치감지부(110)의 감지신호에 기초하여, 액추에이터(130)의 구동을 제어하는 제어부(120);로 구성됨으로써,
위치감지부(110)의 이동변위는 상기 액추에이터(130)의 구동변위보다 크게 증폭되는 것을 특징으로 하는 지렛대를 이용한 햅틱제공장치에 의해 달성될 수 있다.
그리고, 액추에이터(130)는 선형액추에이터를 사용한다.
또한, 이동부(144)의 전체길이는 액추에이터(130)와 받침대(142)의 이격거 리(l)의 2배 이상의 값을 갖도록 구성한다.
아울러, 변위 증폭부(140) 및 액추에이터(130)는 복수개 구비됨이 바람직하다.
또한, 위치감지부(110)는 터치스크린 또는 터치패드일 수 있다.
그리고, 제어부(120)는 복수의 액추에이터(130)를 독립적으로 제어함이 바람직하다.
또한, 위치감지부(110)의 하부 또는 상부에는 탄성부(180)가 더 구비될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 또 다른 카테고리로서, 위치감지부(110)가 사용자의 접촉을 감지하여 소정의 감지신호를 출력하는 단계(S100,S200);
제어부(120)가 감지신호에 기초하여 액추에이터(130)에 인가되는 전기를 어느 정도 인가할 것인지를 제어하는 단계(S300);
전기가 인가된 액추에이터(130)가 선형으로 구동되는 단계(S400);
일단이 액추에이터(130)와 고정되고 타단이 위치감지부(110)와 고정된 이동부(144)가 액추에이터(130)의 선형구동에 따라 상하이동하는 단계(S500); 및
이동부(144)의 상하이동 변위보다 더 큰 변위로 이동하는 위치감지부(110)가 사용자에게 햅틱을 제공하는 단계(S600);를 포함하는 햅틱피드백 제공방법에 의해서도 달성될 수 있다.
그리고, 제어단계(S300)에서, 액추에이터(130) 및 변위 증폭부(140)는 복수개이고, 그리고 액추에이터(130)에 대한 전기제어는 독립적임이 바람직하다.
따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 소형 액추에이터를 사용하는 경우에도 액추에이터의 구동변위보다 더 큰 변위로 위치감지부를 이동시킬 수 있는 장점이 있다.
작은 변위의 움직임도 크게 증폭되므로, 전력소모가 적고 소형화된 휴대용 전자기기에 다양하게 사용될 수 있는 장점이 있다.
또한, 액추에이터가 상향이동하더라도, 사용자는 액추에이터의 상향이동을 전달받는 것이 아니라, 하향이동하는 위치감지부를 통하여 버튼을 누를 때와 동일한 촉감을 전달받을 수 있는 장점이 있다.
(구성)
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 지렛대를 이용한 햅틱제공장치의 구성에 관하여 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 지렛대를 이용한 햅틱제공장치의 개략적인 분해 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 위치감지부(110)를 통하여 햅틱을 제공하는 지렛대를 이용한 햅틱제공장치는 액추에이터(130)와, 액추에이터(130)의 구동변위를 증폭시키는 변위 증폭부(140) 등이 포함되어 있다.
위치감지부(110)는 손가락의 접촉이 이루어지는 부재로서, 접촉위치를 감지하여 접촉위치 데이터(예, x,y 좌표 데이터)를 출력하도록 구성된다. 위치감지부(110)는 터치스크린의 터치패널이거나 터치패드일 수 있다. 또한, 위치감지 부(110)는 다양한 위치에서 버튼을 누른 것과 같은 햅틱을 제공하기에 충분한 소정의 유연성 또는 탄력성을 갖도록 구성함이 바람직하다.
위치감지부(110)의 감지신호에는 접촉위치 데이터 이외에도, 위치감지부(110)에 접촉된 손가락의 이동이 있는 경우의 접촉궤적 데이터도 포함될 수 있다. 일예로, 접촉궤적 데이터는 시간에 따른 접촉위치 데이터의 함수로 나타낼 수 있을 것이다.
액추에이터(130)는 위치감지부(110)의 상부 또는 하부에 위치한다. 액추에이터(130)는 바람직하게 선형 액추에이터를 사용한다. 선형 액추에이터의 일예로, 적층형(multilayer) 액추에이터가 있으며, 피에조 액추에이터, 압전세라믹 액추에이터, 전기활성폴리머, 초음파 액추에이터, 솔레노이드 액추에이터 등이 사용될 수 있다. 또한, 휴대용 전자기기 등에 사용가능하도록, 액추에이터(130)는 소형인 것이 바람직하다.
또한, 액추에이터(130)와 이하 설명할 변위 증폭부(140)의 동작으로 인하여, 사용자에게 제공되는 햅틱은 사용자가 위치감지부(110)를 접촉한 것에 대한 피드백으로, 수ms이내에 제공됨이 바람직하다. 그러므로 액추에이터(130)의 반응속도가 수ms의 범위에 해당하는 것을 사용함이 바람직하다.
변위 증폭부(140)는 위치감지부(110)의 구동변위를 액추에이터(120)의 구동변위보다 큰 값으로 증폭시킨다. 변위 증폭부(140)는 받침대(142)와 이동부(144)로 구성된다. 받침대(142)는 전자장치부(220)의 가장자리에 바닥면이 고정된 액추에이터(120)와 소정의 간격만큼 이격되어 구비된다. 이동부(144)의 일단은 액추에이 터(130)의 상부와 결합되고, 이동부(144)의 타단은 위치감지부(110)에 고정되어 있다. 받침대(142)는 액추에이터(130)와 위치감지부(110)와 이동부(144)가 고정된 위치의 사이에 구비되며, 상부가 이동부(144)와 결합되어 있다.
변위 증폭부(140)는 선형으로 구동되는 액추에이터의 구동변위보다 더 큰 변위로 위치감지부(110)를 이동시킨다. 따라서, 이동부(144)의 전체길이는 액추에이터(130)와 받침대(142) 사이 이격거리(l)의 약 2배에 해당하거나, 2배를 초과하는 값을 가져야 한다.
도 2는 이동부(144)의 전체길이가 액추에이터(130)와 받침대(142) 사이의 이격거리(l)의 2배 이상인 변위 증폭부(140)의 구동을 나타낸 것이다. 받침대(142)와 위치감지부(110)와 이동부(144)가 고정된 부분 사이의 이격거리(L)가 액추에이터(130)와 받침대(142) 사이의 이격거리(l)보다 크면, 액추에이터(130)의 z축방향으로의 구동거리(h)보다, 위치감지부(110)와 접해 있는 이동부(144) 말단의 z축방향으로의 이동거리(H)가 더 길다. 이러한 방식으로 변위 증폭부(140)에 의해 증폭된 액추에이터(130)의 구동이 사용자에게 전달된다.
또한, 변위 증폭부(140)는 지렛대의 원리에 기초한 바, 액추에이터(130)의 구동방향과 반대방향으로 위치감지부(110)를 이동시키는 방향전환의 역할도 담당한다. 액추에이터(130)가 상향구동되더라고, 앞서 설명한 바와 같은, 변위 증폭부(140)의 동작에 의하여 결국 위치감지부(110)는 하향이동되는바, 사용자는 버튼을 누르는 것과 같은 촉감을 느낄 수 있게 된다.
이러한 액추에이터(130)와 변위 증폭부(140)는 하나의 쌍을 이루어 구비되 며, 전자장치부(220)에는 액정패널(예, LCD 패널, OLED 패널, 전자잉크 패널 등)이 구비될 수 있으므로, 전자장치부(220)의 기능 등을 해하지 않도록 가장자리 둘레에 배열됨이 바람직하다. 이러한 복수개의 액추에이터(130)와 복수개의 변위 증폭부(140)는 사용자에게 다양한 위치에서의 햅틱을 제공할 수 있게 한다.
위치감지부(110)의 위에 놓이는 상부하우징(210)과 위치감지부(110) 사이에는 탄성부(180)가 더 구비됨이 바람직하다. 탄성부(180)는 위치감지부(110)와 이동부(144)가 밀착되어 구동될 때의 밀착되어 있도록 보정해 주고, 안정성을 확보하기 위함이다. 탄성부(180)의 일예로는 스프링이 사용될 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 이동부(144)와 위치감지부(110)가 고정연결된 부분에 구비됨이 더욱 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따라 사용자에게 햅틱을 제공하기 위한 개략적인 구성 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 위치감지부(110)에서 감지된 감지신호, 즉 접촉위치 데이터는 제어부(120)로 전송되고, 제어부(120)에서는 감지신호에 기초하여 액추에이터(130)로 인가되는 전기(전류 또는 전압)를 제어한다. 제어부(120)에서의 출력신호를 전송받은 액추에이터(130)는 선형구동되며, 액추에이터(130)의 선형구동으로 변위 증폭부(140)도 동작하게 된다.
제어부(120)의 내부에는 위치감지부(110)의 상부 또는 하부에 위치하는 복수개의 액추에이터(130)의 위치정보와 전기의 인가 정도에 따른 구동변위 등이 일련의 테이블로 기억되어 있다. 그리하여 제어부(120)는 위치입력부(110)에서 감지된 접촉위치 데이터에 기초하여, 전기가 인가되는 복수개의 액추에이터(130) 각각에 대하여 독립적으로 제어할 수 있다. 제어부(120)에서 출력되는 신호는 액추에이터(130)의 진동수, 진폭 등을 제어한다.
복수개의 액추에이터(130)를 독립적으로 제어하므로, 위치감지부(110)의 상부 또는 하부이동을 다양하게 발생시킬 수 있다.
(햅틱제공방법)
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 지렛대를 이용한 햅틱제공방법에 관하여 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명인 지렛대를 이용한 햅틱제공방법의 흐름도를 나타낸다.
우선, 손가락이 위치감지부(110)를 접촉하게 된다(S100). 이 때, 위치감지부(110)에는 변위의 변화가 일어나지 않은 평평한 상태이다.
그러면, 위치감지부(110)는 접촉된 위치의 좌표 데이터 또는 접촉궤적 데이터를 제어부(120)로 출력한다(S200). 이 때, 위치감지부(110)는 터치스크린 또는 터치패드로서, 손가락의 접촉위치 데이터를 제어부(120)로 전송한다.
그 다음으로, 제어부(120)는 감지신호, 즉 접촉위치 좌표 데이터에 기초하여 복수개의 액추에이터(130)중 어떤 액추에이터(130)에 얼마만큼의 전기를 인가할 것인지를 정하여, 정해진 액추에이터(130)로 소정의 전기가 인가되도록 제어한다(S300). 제어부(130)에는 접촉위치에 대응하여 소정의 전기가 인가될 액추에이터(130)의 위치와 전기의 인가 정도에 따른 구동변위에 관한 정보가 미리 기억되어 있다. 또한, 액추에이터(130)와 변위 증폭부(140)가 하나의 쌍을 이루어, 복수개의 쌍이 구비되는 경우, 각각의 액추에이터(130)로 인가되는 전기는 서로 독립적임이 바람직하다. 각각의 액추에이터(130)로 전기를 독립적으로 인가함으로써, 위치감지부(110)의 변위이동을 다양화할 수 있어 사용자는 보다 다양한 촉감을 감지할 수 있다.
제어부(120)의 출력신호를 전송받은 액추에이터(130)는 선형으로 구동된다(S400). 액추에이터(130)의 선형구동은 도 2에서의 z축방향으로 이루어진다.
그러면, 받침대(142)의 중심축(C)을 중심으로 액추에이터(130)와 일단이 연결된 이동부(144)도 액추에이터(130)의 구동에 따라 상하이동하게 된다. 이동부(144)의 상하이동에 의하여 이동부(144)와 연결된 위치감지부(110)도 상하이동하게 된다(S500). 받침대(142)를 중심으로 액추에이터(130)가 상향구동하면 위치감지부(110)는 하향이동한다. 이때, 위치감지부(110)의 이동변위(H)는 액추에이터(130) 구동변위(h)의
Figure 112008039452858-pat00001
배에 해당한다. 액추에이터(130) 구동변위(h)의
Figure 112008039452858-pat00002
배에 해당하는 위치감지부(110)의 상하이동에 의하여, 사용자는 버튼을 누르는 것과 동일한 햅틱피드백을 전달받게 된다(S600).
(변형예)
본 발명의 또다른 실시예로서, 앞서 기술한 액추에이터(130)와 변위 증폭부(140)는 위치감지부(110)의 하부에 구비된 것을 설명하였으나, 액추에이터(130)와 변위 증폭부(140)가 위치감지부(110)의 상부에 구비될 수 있다. 이러한 경우도, 액추에이터(130)가 하부로 이동하였다가 다시 상부로 이동하는 선형구동시, 이동부(144)에 의하여 연결된 위치감지부(110)도 받침대(142)의 중심축(C)을 중심으로 상향이동하였다가 다시 하향이동되면서 사용자에게 햅틱을 제공한다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.
도 1은 본 발명에 따른 지렛대를 이용한 햅틱제공장치의 분해 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 지렛대를 이용한 햅틱제공장치 중 변위 증폭부의 구동을 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명인 지렛대를 이용한 햅틱제공장치에 햅틱을 제공하기 위한 개략적인 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 지렛대를 이용한 햅틱제공방법의 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 위치감지부,
120: 제어부,
130: 액추에이터,
140: 변위 증폭부,
142: 받침대,
144: 이동부,
180: 탄성부,
210: 상부하우징,
220: 전자장치부.

Claims (9)

  1. 사용자의 접촉을 감지하여 감지신호를 출력하는 위치감지부(110)를 통하여 햅틱을 제공하는 장치에 있어서,
    상기 위치감지부(110)의 상부 또는 하부에 구비되는 액추에이터(130);
    상기 액추에이터(130)와 소정의 간격만큼 이격된 위치에 구비되는 받침대(142);와 상기 액추에이터(130)와 상기 받침대(142)를 연결하고, 일단이 상기 위치감지부(110)와 고정된 이동부(144);로 구성된 변위 증폭부(140); 및
    상기 위치감지부(110)의 감지신호에 기초하여, 상기 액추에이터(130)의 구동을 제어하는 제어부(120);로 구성됨으로써,
    상기 위치감지부(110)의 이동변위는 상기 액추에이터(130)의 구동변위보다 크게 증폭되는 것을 특징으로 하는 지렛대를 이용한 햅틱제공장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 액추에이터(130)는 선형액추에이터인 것을 특징으로 하는 지렛대를 이용한 햅틱제공장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 이동부(144)의 전체길이는 상기 액추에이터(130)와 상기 받침대(142)의 이격거리(l)의 2배 이상의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 지렛대를 이용한 햅틱제 공장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 변위 증폭부(140) 및 상기 액추에이터(130)는 복수개 구비되는 것을 특징으로 하는 지렛대를 이용한 햅틱제공장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 위치감지부(110)는 터치스크린의 또는 터치패드인 것을 특징으로 하는 지렛대를 이용한 햅틱제공장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부(120)는 상기 복수의 액추에이터(130)를 독립적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 지렛대를 이용한 햅틱제공장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 위치감지부(110)의 하부 또는 상부에는 탄성부(180)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 지렛대를 이용한 햅틱제공장치.
  8. 위치감지부(110)가 사용자의 접촉을 감지하여 소정의 감지신호를 출력하는 단계(S100,S200);
    제어부(120)가 상기 감지신호에 기초하여 액추에이터(130)에 인가되는 전기를 어느 정도 인가할 것인지를 제어하는 단계(S300);
    전기가 인가된 상기 액추에이터(130)가 선형으로 구동되는 단계(S400);
    일단이 상기 액추에이터(130)와 고정되고 타단이 상기 위치감지부(110)와 고정된 이동부(144)가 상기 액추에이터(130)의 선형구동에 따라 상하이동하는 단계(S500); 및
    상기 이동부(144)의 상하이동 변위보다 더 큰 변위로 이동하는 상기 위치감지부(110)가 사용자에게 햅틱을 제공하는 단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱제공방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제어단계(S300)에서,
    상기 액추에이터(130) 및 상기 변위 증폭부(140)는 복수개이고, 그리고
    상기 액추에이터(130)에 대한 전기제어는 독립적인 것을 특징으로 하는 햅틱제공방법.
KR1020080051627A 2008-06-02 2008-06-02 지렛대를 이용한 햅틱제공장치 및 이를 이용한 햅틱피드백제공방법 KR100907812B1 (ko)

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