KR101032306B1 - 햅틱피드백 제공장치 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공방법 - Google Patents

햅틱피드백 제공장치 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공방법 Download PDF

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권동수
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    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
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    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
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    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors

Abstract

본 발명은 햅틱피드백 제공장치와 이를 이용한 햅틱피드백 제공방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진동부를 이용하여 미세진동을 발생시킴으로써 피부감각을 제공하고, 전단력의 변화를 이용하여 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치와 그 제어방법에 관한 것이다. 이를 위해, 사용자의 피부가 접촉하는 상판;과 상판의 하부에 구비되어 진동을 발생시키는 진동부;와 진동부로 전기를 인가하는 제1전기인가부;를 포함하는 피부감각수단; 내부에 유변유체가 포함되어 있는 케이스부;와 유변유체에 일부가 내재되어 있는 내막과 상판이 형성되어 있는 회전부;와 케이스부로 전기를 인가하는 제2전기인가부;를 포함하고, 피부감각수단의 하부에 구비되는 근감각수단; 및 제1전기인가부와 제2전기인가부를 제어하는 제어수단;을 포함함으로써, 사용자에게 근감각과 피부감각을 제공하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치와 제공방법을 제공한다.
피부감각, 근감각, 영구자석, 코일, 전단력, 유변유체

Description

햅틱피드백 제공장치 및 이를 이용한 햅틱피드백 제공방법{Haptic feedback providing device and method therewith}
본 발명은 햅틱피드백 제공장치와 이를 이용한 햅틱피드백 제공방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진동부를 이용하여 미세진동을 발생시킴으로써 피부감각을 제공하고, 전단력의 변화를 이용하여 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치와 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 물체를 만질 때, 사람의 핑거팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각은, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백(Tactile feedback)과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각 피드백(Kinesthetic feedback)이 있다. 본 명세서에서 "햅틱 피드백"은 촉감 피드백과 근감각 피드백을 포괄하는 개념이다.
사람의 감각수용기로서, 기계적 자극의 수용기로는 고주파의 진동을 감지하는 파치니언 소체(Pacinian corpuscle), 저주파의 진동을 감지하는 마이스너 소체(Meissner's corpuscle), 국부적으로 누르는 압력을 감지하는 메르켈 디스크(Merkel's disc)와 피부를 눌려주는 스트레치를 감지하는 루피니 엔딩(Ruffini's ending)가 있다.
이러한 감각을 감각수용기를 자극하기 위한 다양한 촉감제시장치들로, 피에조 액추에이터, 솔레노이드 액추에이터, DC/AC 모터, 서버모터, 초음파 액추에이터, 전기활성폴리머 액추에이터등 다양한 액추에이터들이 있다. 촉감제시장치의 대표적인 예로는 모바일 디바이스에서 터치스크린의 입력에 따라 진동모터로, 진동을 발생시켜 고주파/저주파의 진동을 감지하는 파치니언/마이스너 소체를 자극하는 장치가 있다.
또한, 도 1은 이러한 감각을 제공하는 장치로서, 휴대폰(5)에 적용된 경우를 도시한 것이다. 휴대폰(5)에 적용되어 소정의 감각을 전달하는 장치로서, 종래의 기술은 사용자가 손가락(1)으로 터치하면 그에 대한 반응으로 진동만을 출력하는 방식이었다.
이러한 종래의 감각제공장치는 피부감각만을 자극하는 것으로 실제 물체를 만지는 것과는 달라 현실감이 떨어진다. 사람은 손/팔의 관절을 이용하여 일정이상의 압력으로 물체를 누르거나 회전시키면서 문지르게 되는데, 이 때, 사람은 물체의 강성도 등을 느껴 같은 거칠기를 갖는 물질이라도 눌리거나 회전하는 동작 등에 대한 반력으로 다른 거칠기를 인지하게 된다. 즉, 피부감각뿐만 아니라 근감각의 종합적인 작용에 의하여 비로소 물체 고유의 촉감을 인지할 수 있게 된다.
그리하여, 단순하게 피부에 소정의 진동을 출력하는 것에 국한되지 않은 실제 인간이 촉감을 느끼는 것과 같은 환경을 제공하는 장치의 개발이 요구되고 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 피부감각과 근감각을 동시에 제공하여 실제로 물체를 만질때 느끼는 것과 동일한 햅틱 피드백을 제공하는 장치와 이를 이용한 햅틱피드백을 제공방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 사용자의 피부가 접촉하는 상판;과 상판의 하부에 구비되어 진동을 발생시키는 진동부;와 진동부로 전기를 인가하는 제1전기인가부;를 포함하는 피부감각수단;
내부에 유변유체가 포함되어 있는 케이스부;와 유변유체에 일부가 내재되어 있는 내막과 상판이 형성되어 있는 회전부;와 케이스부로 전기를 인가하는 제2전기인가부;를 포함하고, 피부감각수단의 하부에 구비되는 근감각수단; 및
제1전기인가부와 제2전기인가부를 제어하는 제어수단;을 포함함으로써,
사용자에게 근감각과 피부감각을 제공하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치에 의하여 달성가능하다.
그리고, 유변유체는 자기유변유체이고, 자기유변유체에 자기장을 인가하기 위하여 케이스부의 내부에는 권취된 코일이 포함되어 있을 수 있다.
또한, 유변유체는 전기유변유체이고, 전기유변유체에 전기장을 인가하기 위하여 케이스부의 내부에는 전기유변유체와 전기적으로 연결된 전극이 더 포함되어 있을 수 있다.
그리고, 회전부는 적어도 하나의 회전축을 갖고 회전한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 사용자의 피부가 접촉하는 상판;과 상판의 하부에 구비되어 진동을 발생시키는 진동부;와 진동부로 전기를 인가하는 제1전기인가부;를 포함하는 피부감각수단;
표면에 복수개의 자석이 포함된 본체부;와 자석으로 자기장을 발생시키는 자기장발생부;와 자기장발생부에 전기를 인가하는 제3전기인가부;를 포함하고, 피부감각수단의 하부에 구비되는 근감각수단; 및
제1전기인가부와 제3전기인가부를 제어하는 제어수단;을 포함함으로써,
사용자에게 근감각과 피부감각을 제공하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치를 제공한다.
그리고, 본체부는 적어도 하나의 회전축을 갖고 회전한다.
또한, 자기장발생부는 상기 본체부의 양단중 적어도 일단에 구비된다.
그리고, 피부감각수단 중 진동부는 상판의 일면 가장자리에 설치되는 제1자력수단; 및 제1자력수단에 자기적으로 인접하게 구비되는 제2자력수단;을 포함한다.
이 때, 제1자력수단은 영구자석이고, 제2자력수단은 권취된 코일일 수 있다.
그리고, 진동부는 상판의 일측 가장자리에 구비되는 압전층; 및 압전층에 전원을 인가하는 전극;을 포함하여 구성될 수 있다.
이 때, 압전층과 상판 사이에는 진동을 증폭하기 위한 판스프링;이 더 포함 될 수 있다.
그리고, 피부감각수단의 상부에는 사용자의 접촉위치를 감지하는 위치감지수단;이 더 포함될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 또 다른 카테고리로서, 위치감지수단이 사용자의 접촉에 관한 위치정보를 생성하는 단계;
제어수단이 전기를 인가할 제1전기인가부와 제2전기인가부를 선정하는 단계;
제어수단이 선정된 제1전기인가부와 상기 제2전기인가부로 제어신호를 인가하는 단계;
제어신호를 인가받은 제1전기인가부로부터 인가된 전기에 기초하여 진동부가 진동하고, 제어신호를 인가받은 제2전기인가부로부터 인가된 전기에 기초하여 유변유체의 점성이 변화되는 단계; 및
진동부의 진동에 의하여 상판이 진동하여 사용자에게 피부감각의 햅틱피드백이 제공되고, 유변유체의 점성변화에 기초한 케이스부와 회전부의 전단력 변화에 따라 사용자에게 근감각의 햅틱피드백이 제공되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공방법에 의하여도 달성가능하다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 위치감지수단이 사용자의 접촉에 관한 위치정보를 생성하는 단계;
제어수단이 전기를 인가할 제1전기인가부와 제3전기인가부를 선정하는 단계;
제어수단이 선정된 제1전기인가부와 제3전기인가부로 제어신호를 인가하는 단계;
제어신호를 인가받은 제1전기인가부로부터 인가된 전기에 기초하여 진동부가 진동하고, 제어신호를 인가받은 제3전기인가부로부터 인가된 전기에 기초하여 자기장발생부에서 자기장이 발생되는 단계; 및
진동부의 진동에 의하여 상판이 진동하여 사용자에게 피부감각의 햅틱피드백이 제공되고, 자기장에 기초한 자기장발생부와 본체부 사이의 전단력 변화에 따라 사용자에게 근감각의 햅틱피드백이 제공되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공방법에 의하여도 달성가능하다.
그리고, 선정단계에서 제1전기인가부의 선정은, 제어수단이 위치정보에 기초하여 사용자가 접촉한 상판의 일면에 설치된 피부감각수단의 거리를 산출하고, 산출된 거리에 기초하여 제1전기인가부를 선정할 수 있다.
그리고, 위치정보는 접촉위치의 좌표 데이터 및 접촉의 궤적 데이터중 적어도 어느 하나를 포함한다.
따라서, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 단순한 진동만을 제공하는 종래와는 달리, 진동부에 의한 피부감각자극과 전단력 변화로 인한 근감각자극을 동시에 제공하여, 실제 인간이 물체를 직접 만졌을 때 느끼는 촉감과 동일한 햅틱 피드백을 제공하는 장점이 있다.
이러한 햅틱 피드백은 촉감을 사용하는 모바일기기산업, 로봇산업 등에 다양하게 사용될 수 있는 장점이 있다.
<구성>
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 따른 햅틱피드백 제공장치의 구성에 대하여 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치의 개략적인 구성 블럭도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 햅틱피드백 제공장치는 위치감지수단(10), 제어수단(20), 피부감각수단(30), 근감각수단(40) 등을 포함한다. 이하에서는 먼저 각 구성을 개략적으로 설명한 후, 실시예에서 그 구체적 구성을 설명하기로 한다.
위치감지수단(10)은 햅틱피드백 제공장치에 접촉한 사용자의 손가락(1) 등의 접촉위치에 관한 감지신호를 출력한다. 이때, 감지신호는 손가락(1)의 접촉위치의 좌표 데이터(예, x-y좌표)로 출력되거나 접촉의 궤적 데이터로 출력될 수 있으며, 이들을 모두 포함하여 출력될 수 있음은 물론이다. 이러한 위치감지수단(10)으로는 유연한 터치스크린이나 유연한 터치패드 등이 사용될 수 있다.
이러한 감지신호는 제어수단(20)의 제1전기인가부(미도시)와 제2전기인가부(미도시)의 제어에 활용될 수 있다. 그 일예로, 획득된 좌표 데이터에 해당하는 피부감각수단(30)과 근감각수단(40)에만 전기를 인가함으로써, 전력의 소모를 최소화하면서 사용자에게는 충분한 피부감각과 근감각을 제공할 수 있다.
피부감각수단(30)은 사용자에게 피부감각을 제공하는 부재로서, 진동부(130,140)를 이용하여 진동부(130,140)와 연결된 상판(110)에 미세진동을 발생시켜 피부감각을 제공한다. 이러한 피부감각수단(30)은 상판(110), 진동부(130,140)와 진동부(130,140)에 전기를 인가하는 제1전기인가부 등을 포함한다. 진동 부(130,140)에 의한 미세진동은 제1전기인가부에서 인가되는 전기에 따라 비례적으로 변화될 수 있다.
근감각수단(40)은 유변유체 또는 자석을 이용하여 전단력 변화를 유도함으로써 사용자에게 근감각을 제공한다. 근감각수단(40)의 전단력 변화는 유변유체(240)를 이용하여 두개의 면(케이스부의 내면과 내막의 외면)사이에서 일어나거나 영구자석(322)과 솔레노이드를 이용하여 두개의 면(자석이 형성된 본체부(320)의 일면과 자기장발생부(310)의 마주보는 면)사이에서 일어난다. 따라서, 근감각수단(40)에는 유변유체(240) 또는 영구자석(322)에 전기장 또는 자기장을 인가하기 위하여 전기를 공급하는 제2전기인가부(미도시) 또는 제3전기인가부(미도시)가 포함된다.
제어수단(20)은 위치감지수단(10)의 감지신호에 기초하여 다수개의 피부감각수단(30)과 다수개의 근감각수단(40)중 미세진동을 발생시킬 피부감각수단(30)과 전단력을 변화시킬 근감각수단(40)을 선별한다. 그리고, 그 선별된 제1,2전기인가부 또는 제1,3전기인가부로 제어신호를 전송한다. 이러한 선별적 제어신호 인가는 제1전기인가부와 제2전기인가부 또는 제3전기인가부로 사용할 수 있는 전력의 소모를 최소화한다. 제1전기인가부 내지 제3전기인가부의 일예로는 휴대폰, PMP 등의 배터리, 별도의 2차전지 등이 있다.
그리고, 각각의 제1전기인가부와 각각의 제2전기인가부 또는 제3전기인가부로 인가되는 제어신호는 전기인가정도에 관한 정보를 담고 있다. 즉, 제1전기인가부에서 인가되는 전기에 따라 피부감각수단(30)의 진동이 비례적으로 변화되고, 제2전기인가부 또는 제3전기인가부에서 인가되는 전기에 따라 근감각수단(40)의 강성 변화가 비례적으로 변화된다. 또한, 제1,2전기인가부 각각 또는 제1,3전기인가부 각각으로 인가되는 제어신호에 담긴 정보는 서로 다르다. 따라서, 진동의 정도와 전단력의 변화정도를 다양한 경우의 수로 구현가능하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여, 앞서 언급한 햅틱피드백 제공장치의 구체적 구성에 대하여 실시예별로 살펴본다.
(제1실시예)
도 3은 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치의 제1실시예에 따른 사시도이다. 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치는 최상위층에 위치감지수단(10)이 구비되고, 그 하부에는 순서대로 피부감각수단(30)과 근감각수단(40)이 차례대로 구비된다.
피부감각수단(30)은 미세진동을 발생시켜 사용자의 피부감각을 자극하는 부재로서, 상판(110)과 진동부(130,140)와 제1전기인가부 등을 포함한다. 상판(110)은 진동부(130,140)에 의하여 발생한 진동이 전달되는 것으로서, 진동부(130,140)에서 발생된 진동이 용이하게 전달될 수 있는 부재를 사용한다. 또한, 근감각수단(40)의 전단력변화를 느낄 수 있을 정도로 유연한 소재를 사용함이 바람직하다.
진동부(130,140)는 상판(110)에 미세진동을 발생시키는 부재로서, 도 3에 도시된 바와 같이 상판(110)의 하부에 구비되거나 상부에 구비될 수 있다. 진동부(130,140)는, 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 자력수단을 이용할 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 압전층(148)을 사용할 수도 있다. 이하에서 진동부(130,140)의 구성에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4a와 도 4b는 2개의 자력수단을 사용하는 진동부(130)의 단면도로서, 각각 자력수단중 하나인 영구자석(120)이 상하이동하기 전후의 상태를 나타낸다. 본 실시예에 따른 진동부(130)는 제1,2자력수단을 포함한다. 제1자력수단은 영구자석(120)으로서, 원통형일 수 있다. 이러한 제1자력수단은 상판(110)의 일면에 고정되며, 상판(110)의 모서리에 고정됨이 좋다. 제2자력수단은 전자석으로 기능하도록 권취된 코일(134)을 사용한다. 코일(134)은 중공 원통 형상으로 권취되어 있고, 중심에는 영구자석(120)이 자유롭게 드나들 수 있는 구성이다. 제2자력수단인 권취된 코일(134)의 측면, 상면과 하면을 덮는 하우징(132)이 포함될 수 있다. 이때 하우징(132)의 중심에는 영구자석(120)이 드나들 수 있도록 홀이 형성되어 있다.
도 5는 압전층(148)을 이용하는 진동부(140)와 상판(110)의 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 압전층(148)을 사용하는 진동부(140)는 판스프링(142), 압전층(148)과 금속판(146) 등을 포함한다. 판스프링(142)은 상판(110)의 일면에 부착되어, 압전층(148)과 금속판(146)의 진동을 증폭시키는 역할을 한다. 판스프링(142)의 단면은 ㄷ-자 형상이고, 굽힘 탄성이 좋은 금속재(강재) 또는 합성수지재 등으로 제작가능하다. 압전층(148)은 얇은 띠의 형상으로, 피에조, Pb(ZrTi)O3와 같은 물질로 이루어져 있다. 따라서 제1전기인가부에 의하여 전기가 인가되면, 진동이 발생한다. 이를 위해 압전층(148)에는 전극(144)이 구비되어 있다. 금속판(146)은 압전층(148)과 판스프링(142) 사이에 구비된다. 이러한 금속판(146)은 압전층(148)보다는 조금 큰 크기로 제작하여 압전층(148)의 형태를 유지시켜주고, 압전층(148)에서 발생되는 진동을 판스프링(142)으로 전달하는 기능을 한다. 이러한 금속판(142)은 탄력있고, 복원성이 좋은 강재, 스테인레스 스틸 등으로 얇게 제작가능하다.
위치감지수단(10)은 사용자의 접촉위치를 감지한다. 이러한 위치감지수단(10)으로 근감각수단(40)의 강성변화를 사용자가 인지할 수 있도록 유연한 재질의 터치스크린이나 유연한 재질의 터치패드로 구성함은 앞서 언급한 바와 같다.
본 실시예에 따른 근감각수단(40)은 유변유체를 이용하여 두개의 면 사이의 전단력변화를 유도하여 근감각을 제공한다. 도 6은 근감각수단(40)의 제1실시예로서, 자기유변유체(240)를 사용하는 경우의 분해사시도이다. 자기유변유체(240: Magneto-Rheological Fluid, MRF)는 미소의 상자성 입자를 포함하는 비콜로이드 용액으로, 자기장을 인가하지 않을 경우, 상온에서 0.20Pa-sec∼0.30Pa-sec의 점성을 가지고 150㎄/m∼250㎄/m(2kOe∼3kOe)의 자기장이 가해지면 50㎪∼100㎪의 높은 항복 응력을 갖는다. 또한, 자기유변유체(240)는 빠른 응답시간으로 자기 포화(magnetic saturation)에 의해 최대 항복응력이 제한되며, 또한 -40℃∼150℃의 작동 범위와 유입되는 불순물에 대해서 상당히 둔감한 특성을 갖는다. 이런 특성을 갖는 자기유변유체(240)는 자기장이 가해질 경우에 유체에 포함된 입자가 체인을 형성하게 되어 유체의 전단 항복응력이 변화하게 된다. 따라서, 자기장 비인가 시에 뉴토니안 유체(newtonian fluid)의 거동을 나타내지만, 자기장 인가시에는 유체 중에 분산된 입자가 체인을 형성하게 되어 전단 변형률이 발생하지 않은 상태에서도 항복 응력을 가지며, 각속도의 증가에 따라서 소산되는 토크가 증가하는 빙햄 유체(bingham fluid)의 거동을 나타낸다. 즉, 자기유변유체(240)는 자기장 비인가시 액체 상태이던 것이 자기장 인가시 젤 상태로 변하게 된다.
이러한 자기유변유체(240)는 도 6에 도시된 바와 같이, 케이스부(230)의 내부에 포함되어 있다. 이때 케이스부(230)는 이중막으로 구성되어 이중막 사이에 자기유변유체(240)가 포함됨이 바람직하다. 케이스부(230)는 도 6에 도시된 바와 같은 원통형이나 구형으로도 구성될 수 있다.
회전부(210)는 회전판(212)과 내막(214)으로 구성되어, 케이스부(230)의 상부를 덮는 구성이다. 회전부(210)의 내막(214)은 자기유변유체(240)에 내재된다. 회전부(210)의 형상은 케이스부(230)의 형상에 따라 가변적이다. 케이스부(230)가 원통형인 경우, 회전부(210)의 형상은 도 5와 같이 하부가 개방된 원통형이 된다. 그리고, 케이스부(230)가 구형이라면 회전부(210)의 회전판(212)은 소정의 곡률을 갖을 수 있다. 회전부(210)는 적어도 하나의 회전축을 갖는다. 도 6과 같은 형상의 경우, 원통의 중심을 지나는 축을 회전축으로 하여 회전한다.
케이스부(230)의 내부에는 자기유변유체(240)에 자기장을 인가하기 위하여 수~수십회 권취된 코일(220)이 포함되어 있다. 코일(220)은 제2전기인가부로부터 전기를 공급받아 자기장을 발생시킨다. 귄취된 코일(220)과 제2전기인가부와의 전기적 배선은 당업자에게 자명한바 자세한 설명은 생략한다. 이 때, 케이스부(230)와 회전부(210)는 자기장의 외부로의 누설을 방지할 수 있는 재질(예, 스틸)로 구성할 수 있다.
유변유체중 전기유변유체(미도시, Electro-Fheological Fluid, ERF)는 전기 장의 인가에 따라 점성이 변하는 유체로, 절연성의 유체에 분극성이 강한 미립자를 분산시킨 현탁액으로서, 전기장 비인가시에는 낮은 점성상태이다가 전기장 인가시 점성이 증가한다. 따라서, 자기유변유체(240) 대신에 전기유변유체를 사용하는 경우에는 도 5의 권취된 코일(220) 대신에 전극(미도시)을 포함한다. 전극은 한 쌍 이상 포함될 수 있으며, 전기유변유체와 전기적으로 연결되어 있는 구성이 됨이 바람직하다. 즉, 전기유변유체에 전극이 침적되어 있을 수 있다.
(제2실시예)
도 7은 본 실시예에 따른 햅틱피드백 제공장치의 분해 사시도이다. 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치도 최상위층에 위치감지수단(10)이 구비되고, 그 하부에는 순서대로 피부감각수단(30)과 근감각수단(40)이 순서대로 구비된다.
피부감각수단(30)은 앞서 설명한 제1실시예에서의 설명과 동일하므로 앞서 기재한 내용으로 갈음한다. 또한, 위치감지수단(10)과 제어수단(20)의 역할도 앞서 설명한 바와 동일한 바 이하에서는 근감각수단(40)을 중심으로 설명한다.
본 실시예에 따른 근감각수단(40)은 영구자석(322)을 이용하여 두개의 면 사에의 전단력변화를 유도하여 근감각을 제공한다. 근감각수단(40)은 본체부(320)와 자기장발생부(310)와 제2전기인가부 등을 포함한다.
본체부(320)는 도 7에 도시된 바와 같이, 외면에 적어도 하나 이상의 자석(322: 예, 영구자석)이 구비되어 있다. 본체부(320)는 원판의 형상 또는 구형 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 영구자석(322)이 구비된 본체부(320)는 적어도 하 나의 회전축을 갖는다. 도 7에서는 본체부(320)가 원의 중심을 관통하는 축을 회전축으로 한다.
자기장발생부(310)는 본체부(320)의 양단중 일단 또는 양단에 구비되어 본체부(320)에 구비된 영구자석(222)으로 자기장을 인가한다. 자기장발생부(310)는 제3전기인가부와 전기적으로 연결되는 권취된 코일로 구성가능하다. 제3전기인가부의 전기인가에 의하여 자기장발생부(310)에서 발생되는 자기장은 제3전기인가부의 전류인가 방향에 따라 방향(극성)과 세기가 가변적이다.
사용자의 손가락(1)이 본체부(320)를 반시계방향으로 회전시키는 경우, 영구자석(322)의 극성과 자기장발생부(310)에서 발생되는 자기장의 극성이 동일하도록 전류를 인가하면 척력이 작용하므로, 사용자는 손쉽게 본체부(320)를 회전시킬 수 있다. 반면, 제3전기인가부에서 인가되는 전류의 방향을 바꾸면, 자기장발생부(310)에서 발생된 자기장의 방향(극성)이 반대가 되므로 영구자석(322)과 자기장발생부(310) 사이에 인력이 작용한다. 따라서, 사용자는 본체부(320)를 회전시키기 어려워진다. 이는 영구자석(322)과 자기장발생부(310) 사이의 마주보는 면에서 전단력이 변화하는 것으로 볼 수 있으며, 이러한 전단력의 변화로 인하여 사용자는 근감각을 자극받게 된다.
<햅틱피드백 제공방법>
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치를 이용한 햅틱피드백 제공방법에 대하여 설명한다. 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치 는 근감각을 제공함에 있어, 유변유체 또는 영구자석(322)을 이용하여 전단력을 변화시키는 방법을 사용한다. 그리고, 피부감각을 제공함에 있어서, 진동부(130,140)를 사용한다. 이하에서는 근감각을 제공하는 방법에 따라 나누어 설명한다.
(제1실시예)
도 8은 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공방법에 대한 흐름도로서, 근감각수단(40)이 자기유변유체(240)를 사용하여 전단력을 변화시키는 경우에 대한 것이다. 먼저, 위치감지수단(10)이 사용자 손가락(1)의 접촉을 감지하여 감지신호를 제어수단(20)으로 출력한다(S110). 이 때 위치감지수단(10)이 출력한 감지신호는 사용자의 손가락(1)의 접촉 위치 데이터 또는 손가락(1)이 이동하면서 그린 궤적 데이터를 포함한다.
제어수단(20)은 감지신호에 기초하여, 다수개의 제1전기인가부와 다수개의 제2전기인가부중 각각 적어도 하나를 선정한다(S120). 제어수단(20)은 위치정보에 기초하여 진동부와의 거리를 각각 산출하여 해당 진동부(130,140)로 전기를 인가하는 제1전기인가부를 선정한다. 그리고, 제어수단(20)은 위치정보에 해당하는 지점의 하부에 구비된 근감각수단(40)에 전기를 인가하는 제2전기인가부를 선정한다.
그 다음, 제어수단(20)은 선정된 제1전기인가부와 선정된 제2전기인가부로 제어신호를 인가한다(S130). 제어수단(20)의 제1전기인가부와 제2전기인가부의 제어신호 인가는 서로 독립적으로 이루어진다. 제1전기인가부와 제2전기인가부 각각으로 인가되는 제어신호에는 간격조절부(110)로 인가되는 전기의 양에 대한 정보가 포함되어 있다. 따라서, 인가되는 전기의 정도에 비례하여 진동부(130,140)의 진동 이 달라지고, 유변유체에 영향을 주는 자기장 또는 전기장의 세기가 달라진다.
제어신호를 인가받은 제1전기인가부는 진동부(130,140)로 전기를 인가하여, 진동부(130,140)에서는 미세진동이 발생된다(S142). 진동부(130,140)가 도 4b와 같이, 제1,2자력수단으로 구성된 경우를 살펴보면 다음과 같다. 제2자력수단인 권취된 코일(134)에 전원이 인가되면, 권취된 코일(134)이 전자석으로 바뀌면서 제1자력수단인 영구자석(120)에 대하여 인력 또는 척력이 유발된다. 따라서, 영구자석(120)은 권취된 코일(134)의 내부로 진입하거나 외부로 빠져나가려 한다. 이때 영구자석(120)의 상부에 구비된 상판(110)도 같이 움직이게 된다. 영구자석(120)의 권취된 코일(134)의 내부와 외부로의 상하이동의 시간간격에 따라 진동의 발생정도가 달라진다. 즉, 상하이동하는 영구자석(120)의 시간간격에 따라 미세한 진동에서부터 지렁이가 꿈틀거리는 것과 같은 진동까지 다양한 진동을 유발하여 사용자의 피부감각에 해당하는 햅틱피드백이 제공된다(S12). 제1전기인가부의 권취된 코일(134)로의 전기인가방식의 일예로 PWM 방식이 있다. 그리고, 진동부(140)가 도 5와 같이 압전층(148), 판스프링(142)과 금속판(146)으로 이루어진 경우에도 압전층(148)의 전극(144)으로 인가되는 전기의 인가시간을 제어함으로써 다양한 진동을 유발할 수 있다.
제1전기인가부에서 진동부(130,140)로 전기를 인가함과 동시에, 제어신호를 인가받은 제2전기인가부의 전기인가에 따라 전기장 또는 자기장이 발생된다. 전기장 또는 자기장에 의하여 자기유변유체(240) 또는 전기유변유체의 점성이 증가된다(S144). 앞서 언급한 바와 같이, 자기유변유체(240)로 자기장인 인가되면, 자기 유변유체(240)의 입자가 자기장 방향의 사슬모양의 구조로 배열되면서 점성이 증가한다. 즉, 자기유변유체(240)는 자기장이 없을 때는 낮은 점성상태이다가 자기장에 인가되었을 때 딱딱하게 굳은 것과 같은 높은 점성상태로 변하게 되며, 이러한 변화는 자기장의 세기에 따라 비례한다. 전기유변유체도 전기장이 인가되면, 전기유변유체의 입자가 전기장 방향으로 사슬모양의 구조로 배열되면서 점성이 증가하며, 이러한 변화는 전기장의 세기에 따라 달라짐은 물론이다.
점성이 증가하는 유변유체 때문에 사용자가 손가락(1)을 이용하여 회전부(210)의 회전판(212)을 돌리려고 하면, 회전부(210)의 내막(214)과 케이스부(230)의 가장자리 둘레 면 사이에는 전단력이 크게 작용하여 회전이 어렵다. 따라서 사용자는 더 큰 힘을 들어야하므로 근감각을 자극받게 된다. 이러한 방식으로 근감각에 해당하는 햅틱피드백이 제공된다(S154).
그 후, 진동부(130,140)로 인가되던 전기공급이 중단되면, 영구자석(120)의 상하이동 또는 압전층(148)의 진동이 더 이상 유발되지 않는다. 또한, 제2전기인가부의 전기공급이 중단되면, 유변유체에 작용하던 전기장 또는 자기장이 소멸되어 유변유체는 본래의 점성상태로 복원된다. 따라서, 회전부의 내막과 케이스부의 가장자리 둘레의 전단력도 감소하게 된다.
(제2실시예)
도 9는 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치를 이용한 햅틱피드백 제공방법에 괸한 흐름도이다. 위치감지수단(10)이 사용자의 접촉위치를 감지하여 접촉 위치 데이터 또는 궤적 데이터 등의 감지신호를 출력하는 단계(S210), 제어수단(20)이 감지신호에 기초하여 제1전기인가부와 제3전기인가부를 선정하는 단계(S220), 선정된 제1전기인가부와 제3전기인가부로 제어신호를 인가하는 단계(S230)는 앞서 설명한 제1실시예와 동일하므로 앞서 기재한 내용으로 갈음한다.
이하에서는 영구자석(322)을 이용하여 근감각수단(40)의 전단력 변화를 유도하는 방법을 중심으로 설명한다. 제3전기인가부에서는 자기장발생부(310)로 전기를 인가한다. 자기장발생부(310)에서는 소정의 극성을 갖는 자기장이 유도되고, 영구자석(322)은 자기장에 영향을 받아 인력 또는 척력이 발생된다(S244).
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 자기장발생부(310)에서 멀리 떨어진 지점에서 사용자가 본체부(320)를 시계방향으로 회전시키려 한다고 가정한다. 이 때, 자기장발생부(310)로 전류를 흘려, 자기장발생부(310)와 영구자석(322) 사이에 강한 인력을 유도하면 사용자의 본체부(320) 회전을 방해하게 된다. 반면, 자기장발생부(310)와 영구자석(322) 사이에 척력을 유도하면 본체부(320)의 회전이 수월하다. 이러한 자기장발생부(310)의 전류를 제어하면 사용자는 다양한 근감각을 제공받게 된다.
이러한 방식으로 전기인가가 이루어지면, 사용자는 자기장발생부(310)와 본체부(320)의 두개의 면 사이에 전단력의 변화에 기초하여 근감각을 자극받게 된다(S254).
이 후, 진동부(130,140)로 인가되던 전기공급이 중단되면, 영구자석(120)의 상하이동 또는 압전층(148)의 진동이 더 이상 유발되지 않는다. 또한, 자기장발생부(310)에서 발생되던 자기장이 소멸되어 자기장발생부(310)와 본체부(320) 사이의 전단력도 해소된다.
<변형예>
본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 상판에 구비되는 진동부(130,140)는 도 4a 및 도 4b의 제1,2자력수단을 이용하는 경우와 도 5의 압전층(148) 이용하는 경우를 혼용하여 구성할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 근감각수단(40)의 형상을 구형으로 제작하면, 회전축을 복수개 형성할 수 있다. 따라서, 사용자는 다양한 방향으로 햅틱피드백 제공장치를 이동시킬 수 있으면서 그에 상응하는 햅틱피드백을 제공받을 수 있다.
본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치와 제공방법은 햅틱피드백을 제공할 수 있는 산업이라면 휴대폰 등의 모바일기기, 게임조정장치, 로봇 등 산업분야를 불문하고 다양하게 사용될 수 있음은 물론이다.
비록 본 발명이 상기에서 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정이나 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변형이나 수정은 모두 첨부된 특허청구범위에 속함은 자명하다.
도 1 은 종래 휴대폰으로서 단순히 진동만을 발생시키는 경우를 나타낸 상태도,
도 2는 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치의 개략적인 구성 블럭도,
도 3은 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치의 제 1 실시예를 나타낸 분해 사시도,
도 4a는 본 발명에 따른 피부감각수단의 제 1 실시예로서, 영구자석이 하부로 이동하기 전의 단면도,
도 4b는 도 4a에서 영구자석이 하부로 이동한 후의 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 피부감각수단의 제 2 실시예로서, 압전층을 사용한 경우의 사시도,
도 6은 도 3의 구성중 근감각수단의 분해 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치의 제 2 실시예에 따른 분해사시도,
도 8은 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공방법의 제 1 실시예에 따른 흐름도,
도 9는 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공방법의 제 1 실시예에 따른 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 손가락
5: 휴대폰
10: 위치감지수단
20: 제어수단
30: 피부감각수단
40: 근감각수단
110: 상판
120: 영구자석
130: 진동부의 제 1 실시예
132: 하우징
134, 220: 권취된 코일
136: 하우징 하부판
140: 진동부의 제 2 실시예
142: 판스프링
144: 전극
146: 금속판
148: 압전층
210: 회전부
212: 회전판
214: 내막
230: 케이스부
240: 자기유변유체
300: 근감각수단의 제 2 실시예
310: 자기장발생부
320: 몸통부
322: 영구자석

Claims (16)

  1. 사용자의 피부가 접촉하는 상판;과 상기 상판의 일측 가장자리에 구비되는 압전층과 상기 압전층에 전원을 인가하는 전극이 구비되어 진동을 발생시키는 진동부;와 상기 진동부로 전기를 인가하는 제1전기인가부;를 포함하는 피부감각수단;
    내부에 유변유체가 포함되어 있는 케이스부;와 상기 유변유체에 일부가 내재되어 있는 내막과 상판이 형성되어 있는 회전부;와 상기 케이스부로 전기를 인가하는 제2전기인가부;를 포함하고, 상기 피부감각수단의 하부에 구비되는 근감각수단; 및
    상기 제1전기인가부와 상기 제2전기인가부를 제어하는 제어수단;을 포함하며,
    상기 유변유체는 자기유변유체 또는 전기유변유체로서,
    상기 자기유변유체에 자기장을 인가하기 위하여 상기 케이스부의 내부에는 권취된 코일이 포함되거나, 또는 상기 전기유변유체에 전기장을 인가하기 위하여 상기 케이스부의 내부에는 상기 전기유변유체와 전기적으로 연결된 전극이 포함되어,
    상기 사용자에게 근감각과 피부감각을 제공하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전부는 적어도 하나의 회전축을 갖고 회전하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치.
  5. 사용자의 피부가 접촉하는 상판;과 상기 상판의 일측 가장자리에 구비되는 압전층과 상기 압전층에 전원을 인가하는 전극이 구비되어 진동을 발생시키는 진동부;와 상기 진동부로 전기를 인가하는 제1전기인가부;를 포함하는 피부감각수단;
    표면에 복수개의 자석이 포함되고, 적어도 하나의 회전축을 갖고 회전하는 본체부;와 상기 본체부의 양단 중 적어도 일단에 구비되어 상기 자석으로 자기장을 발생시키는 자기장발생부;와 상기 자기장발생부에 전기를 인가하는 제3전기인가부;를 포함하고, 상기 피부감각수단의 하부에 구비되는 근감각수단; 및
    상기 제1전기인가부와 상기 제3전기인가부를 제어하는 제어수단;을 포함함으로써,
    상기 사용자에게 근감각과 피부감각을 제공하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 진동부는,
    상기 상판의 일면 가장자리에 설치되는 제1자력수단; 및
    상기 제1자력수단에 자기적으로 인접하게 구비되는 제2자력수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1자력수단은 영구자석이고, 상기 제2자력수단은 권취된 코일인 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치.
  10. 삭제
  11. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 압전층과 상기 상판 사이에는 진동을 증폭하기 위한 판스프링;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치.
  12. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 피부감각수단의 상부에 사용자의 접촉위치를 감지하는 위치감지수단;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공장치.
  13. 위치감지수단이 사용자의 접촉에 관한 위치정보를 생성하는 단계;
    제어수단이 전기를 인가할 제1전기인가부와 제2전기인가부를 선정하는 단계;
    상기 제어수단이 선정된 상기 제1전기인가부와 상기 제2전기인가부로 제어신호를 인가하는 단계;
    상기 제어신호를 인가받은 제1전기인가부로부터 인가된 전기에 기초하여 진동부가 진동하고, 상기 제어신호를 인가받은 상기 제2전기인가부로부터 인가된 전기에 기초하여 유변유체의 점성이 변화되는 단계; 및
    상기 진동부의 진동에 의하여 상판이 진동하여 상기 사용자에게 피부감각의 햅틱피드백이 제공되고, 상기 유변유체의 점성변화에 기초한 케이스부와 회전부의 전단력 변화에 따라 상기 사용자에게 근감각의 햅틱피드백이 제공되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공방법.
  14. 위치감지수단이 사용자의 접촉에 관한 위치정보를 생성하는 단계;
    제어수단이 전기를 인가할 제1전기인가부와 제3전기인가부를 선정하는 단계;
    상기 제어수단이 선정된 상기 제1전기인가부와 상기 제3전기인가부로 제어신호를 인가하는 단계;
    상기 제어신호를 인가받은 제1전기인가부로부터 인가된 전기에 기초하여 진동부가 진동하고, 상기 제어신호를 인가받은 상기 제3전기인가부로부터 인가된 전기에 기초하여 자기장발생부에서 자기장이 발생되는 단계; 및
    상기 진동부의 진동에 의하여 상판이 진동하여 상기 사용자에게 피부감각의 햅틱피드백이 제공되고, 상기 자기장에 기초한 상기 자기장발생부와 본체부 사이의 전단력 변화에 따라 상기 사용자에게 근감각의 햅틱피드백이 제공되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 선정단계에서 상기 제1전기인가부의 선정은,
    상기 제어수단이 상기 위치정보에 기초하여 상기 사용자가 접촉한 상판의 일면에 설치된 피부감각수단의 거리를 산출하고, 상기 산출된 거리에 기초하여 상기 제1전기인가부를 선정하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공방법.
  16. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 위치정보는 접촉위치의 좌표 데이터 및 접촉의 궤적 데이터중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱피드백 제공방법.
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