KR101071357B1 - The Frequency-Dependent Damping Generation Device for improve contact hardness, and the method thereof - Google Patents
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Abstract
접촉 경도를 향상시키는 주파수 의존적 댐핑 생성 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 주파수 의존적 댐핑 생성 장치는, 햅틱 상호작용 포인터(Haptic Interaction Pointer: HIP)의 위치 정보에 대응되는 힘 정보에서 고주파수 정보를 감소시키고 접촉 경도를 향상시키는 제1 힘 정보를 생성하는 제1 접촉 향상부; 상기 HIP의 위치 정보로부터 초기 접촉 경도를 보상하는 제2 힘 정보를 생성하는 제2 접촉 향상부; 및 상기 제1 힘 정보 및 상기 제2 힘 정보를 조합하여 출력하는 조합부;를 포함한다. 이에 의해, 햅틱 인터페이스로 입력되는 고주파수의 입력을 감소시키고, 선형 반파 정류를 시킴으로써 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 접촉 경도를 햅틱 상호작용 포인터(Haptic Interaction Pointer: HIP)의 위치 정보를 이용하여 보상하여 햅틱 시스템의 투명성을 향상시킨다.
햅틱, 햅틱 인터페이스, 구동 제어, 임피던스, 댐핑
Disclosed are a frequency dependent damping generating device and method for improving contact hardness. The apparatus for generating frequency dependent damping includes: a first contact enhancement unit configured to generate first force information to reduce high frequency information and improve contact hardness in force information corresponding to position information of a haptic interaction pointer (HIP); ; A second contact enhancement unit generating second force information for compensating initial contact hardness from the position information of the HIP; And a combination unit for combining and outputting the first force information and the second force information. As a result, the stability of the system can be improved by reducing the high frequency input to the haptic interface and performing linear half-wave rectification. In addition, the contact hardness is compensated using the position information of the haptic interaction pointer (HIP) to improve transparency of the haptic system.
Haptic, Haptic Interface, Drive Control, Impedance, Damping
Description
본 발명은 주파수 의존적 댐핑 생성 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 접촉 경도를 향상시키는 주파수 의존적 댐핑 생성 장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a frequency dependent damping generating device and a method thereof, and more particularly, to a frequency dependent damping generating device and a method for improving the contact hardness.
인간-컴퓨터 상호작용에서 이용되는 햅틱(haptic) 인터페이스는 사용자 손의 움직임에 따라 발생하는 촉각정보를 사용자에게 적절히 전달함으로써 좀 더 높은 수준의 몰입감을 제공할 수 있다. 햅틱 인터페이스는 컴퓨터 마우스와 같이 입력장치로서 사용될 수 있을 뿐만 아니라 힘반영(force reflection)이 가능한 출력장치로도 사용될 수 있다. 이상적인 햅틱 인터페이스는 장치가 가상의 물체와 접촉하게 되면 가상물체의 임피던스(impedance)를 사용자에게 투명하게 전달할 수 있어야 하며, 반대로 접촉하지 않고 자유운동 상태일 경우에는 아무런 임피던스도 전달하지 말아야 한다. 그러나 실제의 경우에 이러한 햅틱 인터페이스의 성능은 여러 가지 요소들에 의해 영향을 받는다.The haptic interface used in human-computer interaction can provide a higher level of immersion by appropriately conveying tactile information generated according to the movement of the user's hand to the user. The haptic interface can be used not only as an input device like a computer mouse, but also as an output device capable of force reflection. The ideal haptic interface should be able to transparently transmit the impedance of the virtual object to the user when the device comes in contact with the virtual object, and should not transmit any impedance when the device is in free motion without contact. In practice, however, the performance of this haptic interface is affected by many factors.
J. E. Colgate 등은 햅틱 인터페이스가 수동성(passivity)을 유지하면서 표현할 수 있는 임피던스의 동적인 범위(dynamic range)를 의미하는 Z-Width라는 성능지수로 제안하였다(J. E. Colgate and G. G. Schenkel, "Passivity of a class of sampled-data systems: Application to haptic interfaces", Journal of Robotic System, vol. 14(1), pp. 37-47, 1997). 그리고 이 Z-Width에 영향을 미칠 수 있는 샘플앤홀드, 인터페이스의 고유 동력학, 엔코더 양자화, 속도 필터링 등을 논의하였고, 그 중에서 주된 영향을 끼치는 요소는 인터페이스의 고유 댐핑이라는 것을 지적하였다. 또한 실험을 통하여 물리적 댐퍼가 Z-Width를 향상시키는 것에 중요한 역할을 하는 것을 보였다. 그러나 이러한 물리적 댐퍼를 적용하였을 경우에는 댐퍼에 의한 저항력이 항상 존재하게 되어 자유운동의 경우에도 사용자가 일정한 임피던스를 느끼게 되는 단점이 있었다. 그래서 결과적으로는 햅틱 인터페이스가 표현할 수 있는 임피던스의 범위는 늘어났지만 투명성이라는 측면이 약해지게 되었다. JE Colgate et al. Proposed a performance index called Z-Width, which represents the dynamic range of impedance that the haptic interface can express while maintaining passivity (JE Colgate and GG Schenkel, "Passivity of a class"). of sampled-data systems: Application to haptic interfaces ", Journal of Robotic Systems, vol. 14 (1), pp. 37-47, 1997). In addition, we discussed sample-and-hold, interface inherent dynamics, encoder quantization, and speed filtering that can affect this Z-Width, and pointed out that the main influence is the inherent damping of the interface. The experiment also showed that the physical damper plays an important role in improving the Z-Width. However, when such a physical damper is applied, the resistance caused by the damper is always present, which causes a user to feel a constant impedance even in the case of free movement. As a result, the range of impedance that the haptic interface can represent is increased, but the aspect of transparency is weakened.
높은 경도를 갖는 가상물체와의 안정적인 햅틱 상호작용은 현재까지 햅틱 제어 분야에서 난제로 남아있다. 이러한 문제를 해결하려는 노력의 일환으로 다양한 종류의 댐핑 요소를 시스템에 추가하는 여러 연구들이 진행되었는데, 사용자가 느끼는 가상물체의 경도가 실제 가상물체의 경도에 비해 떨어지는 문제점이 있다.역할을 하는 것을 보였다. 그러나 이러한 물리적 댐퍼를 적용하였을 경우에는 댐퍼에 의한 저항력이 항상 존재하게 되어 자유운동의 경우에도 사용자가 일정한 임피던스를 느끼게 되는 단점이 있었다. 그래서 결과적으로는 햅틱 인터페이스가 표현할 수 있는 임피던스의 범위는 늘어났지만 투명성이라는 측면이 약해지게 되었다. Stable haptic interaction with high hardness virtual objects remains a challenge in the field of haptic control. In an effort to solve this problem, various studies have been conducted to add various types of damping elements to the system, and there is a problem that the hardness of the virtual object felt by the user is lower than that of the actual virtual object. . However, when such a physical damper is applied, the resistance caused by the damper is always present, which causes a user to feel a constant impedance even in the case of free movement. As a result, the range of impedance that the haptic interface can represent is increased, but the aspect of transparency is weakened.
높은 경도를 갖는 가상물체와의 안정적인 햅틱 상호작용은 현재까지 햅틱 제어 분야에서 난제로 남아있다. 이러한 문제를 해결하려는 노력의 일환으로 다양한 종류의 댐핑 요소를 시스템에 추가하는 여러 연구들이 진행되었는데, 사용자가 느끼는 가상물체의 경도가 실제 가상물체의 경도에 비해 떨어지는 문제점이 있다.Stable haptic interaction with high hardness virtual objects remains a challenge in the field of haptic control. In an effort to solve this problem, various studies have been conducted to add various types of damping elements to the system. There is a problem that the hardness of the virtual object felt by the user is lower than that of the actual virtual object.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해, 햅틱 인터페이스와 가상 물체가 접촉한 경우에 햅틱 인터페이스가 표현할 수 있는 임피던스 범위를 확장시키고, 사용자가 실제로 느끼는 접촉 경도를 향상시키는 \ 주파수 의존적 댐핑 생성 장치 및 그 방법을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a frequency-dependent damping generating device which extends the impedance range that the haptic interface can express when the haptic interface is in contact with a virtual object and improves the contact hardness that the user actually feels. Provide a method.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 주파수 의존적 댐핑 장치는, 햅틱 상호작용 포인터(Haptic Interaction Pointer: HIP)의 위치 정보에 대응되는 힘 정보에서 고주파수 정보를 감소시키고 접촉 경도를 향상시키는 제1 힘 정보를 생성하는 제1 접촉 향상부; 상기 HIP의 위치 정보로부터 초기 접촉 경도를 보상하는 제2 힘 정보를 생성하는 제2 접촉 향상부; 및 상기 제1 힘 정보 및 상기 제2 힘 정보를 조합하여 출력하는 조합부;를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a frequency dependent damping apparatus comprising: a first device for reducing high frequency information and improving contact hardness in force information corresponding to position information of a haptic interaction pointer (HIP); A first contact enhancer for generating force information; A second contact enhancement unit generating second force information for compensating initial contact hardness from the position information of the HIP; And a combination unit for combining and outputting the first force information and the second force information.
그리고, 상기 제1 접촉 향상부는, 상기 HIP 위치 정보에 대응되는 힘 정보에서 고주파수 정보를 감소시켜 댐핑된 힘 정보를 출력하는 댐핑 생성부; 및 상기 댐핑된 힘 정보를 시간에 따라 변경시켜 상기 제1 힘 정보를 생성하는 제1 가중치부;를 포함하는 것이 바람직하다.The first contact enhancing unit may further include: a damping generating unit configured to reduce the high frequency information in the force information corresponding to the HIP position information and output the damped force information; And a first weighting unit configured to generate the first force information by changing the damped force information with time.
또한, 상기 댐핑 생성부는, 상기 HIP 위치 정보에 대응되는 힘 정보 중 고주파수 정보를 통과시키는 하이패스 필터부; 및 상기 HIP 위치 정보에 대응되는 힘 정보와 상기 하이패스 필터부를 통과한 힘 정보를 합산하는 덧셈부;를 포함하는 것 이 바람직하다.The damping generation unit may include: a high pass filter unit configured to pass high frequency information among force information corresponding to the HIP position information; And an adder configured to add force information corresponding to the HIP position information and force information passing through the high pass filter unit.
그리고, 상기 댐핑 생성부는 상기 하이 패스 필터에서 출력된 힘 정보에 대해 선형 반파 정류를 수행하는 제1 선형 반파 정류부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.The damping generator may further include a first linear half-wave rectifier configured to perform linear half-wave rectification on the force information output from the high pass filter.
또한, 상기 덧셈부에서 출력된 힘 정보에 대해 선형 반파 정류를 수행하는 제2 선형 반파 정류부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.The apparatus may further include a second linear half-wave rectifier that performs linear half-wave rectification on the force information output from the adder.
그리고, 상기 제2 접촉 향상부는, 상기 HIP의 위치 정보로부터 상기 HIP의 속도 정보를 포함하는 제3 힘 정보를 결정하는 위치 제어부; 및 상기 제3 힘 정보를 시간에 따라 변경시켜 상기 제2 힘 정보를 생성하는 제2 가중치부;를 포함하는 것이 바람직하다.The second contact improving unit may further include: a position controller configured to determine third force information including speed information of the HIP from position information of the HIP; And a second weighting unit configured to generate the second force information by changing the third force information with time.
또한, 상기 HIP의 위치 정보로부터 상기 HIP의 속도 정보를 산출하는 속도 산출부; 및 상기 입력된 HIP 위치 정보 및 상기 HIP의 속도 정보를 기초하여 상기 제3 힘 정보를 결정하는 경도 조절부;를 포함하는 것이 바람직하다.In addition, a speed calculation unit for calculating the speed information of the HIP from the position information of the HIP; And a hardness controller configured to determine the third force information based on the input HIP position information and the speed information of the HIP.
그리고, 상기 조합부는 햅틱 인터페이스가 가상 물체와 접촉한 후 일정 시간동안에는 상기 제1 힘 정보 및 상기 제2 힘 정보를 결합하여 출력하고, 상기 일정 시간이 경과한 후에는 상기 제2 힘 정보만을 출력하는 것이 바람직하다.The combination unit outputs a combination of the first force information and the second force information for a predetermined time after the haptic interface contacts the virtual object, and outputs only the second force information after the predetermined time has elapsed. It is preferable.
한편, 본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 접촉 경도 향상 방법은, 햅틱 인터페이스와 가상물체간의 접촉 경도를 향상시키는 방법에 있어서, 햅틱 상호작용 포인터(Haptic Interaction Pointer: HIP)의 위치 정보에 대응되는 힘 정보에서 고주파수 정보를 감소시켜 제1 힘 정보를 생성하는 단계; 상기 HIP의 위치 정보로부터 제2 힘 정보를 생성하는 단계; 및 상기 제1 힘 정보 및 상기 제2 힘 정보를 조합하는 단계;를 포함한다.On the other hand, the present invention to achieve the above object, the method of improving the contact hardness, in the method of improving the contact hardness between the haptic interface and the virtual object, the position information of the Haptic Interaction Pointer (Haptic Interaction Pointer (HIP)) Generating first force information by reducing high frequency information in corresponding force information; Generating second force information from the position information of the HIP; And combining the first force information and the second force information.
그리고, 상기 제1 힘 정보 생성단계는, 상기 HIP의 위치 정보에 대응되는 힘 정보에서 고주파수 정보를 감소시켜 댐핑된 힘 정보를 출력하는 단계; 및 상기 댐핑된 힘 정보를 시간에 따라 변경시켜 상기 제1 힘 정보를 생성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.The generating of the first force information may include: outputting damped force information by reducing high frequency information in force information corresponding to position information of the HIP; And changing the damped force information with time to generate the first force information.
또한, 상기 댐핑된 힘 정보를 출력하는 단계는, 상기 HIP의 위치 정보에 대응되는 힘 정보 중 고주파수 정보를 통과시키는 단계; 및 상기 HIP의 위치 정보에 대응되는 힘 정보와 상기 통과 단계에서 출력된 정보를 합산하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.The outputting of the damped force information may include: passing high frequency information among force information corresponding to position information of the HIP; And summing force information corresponding to the position information of the HIP and information output in the passing step.
그리고, 상기 댐핑된 힘 정보를 출력하는 단계는, 상기 통과 단계에서 출력된 정보에 대해 선형 반파 정류를 수행하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.The outputting of the damped force information may further include performing linear half-wave rectification on the information output in the passing step.
또한, 상기 덧셈 단계에서 출력된 힘 정보에 대해 선형 반파 정류를 수행하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.The method may further include performing linear half-wave rectification on the force information output in the addition step.
그리고, 상기 제2 힘 정보를 생성하는 단계는, 상기 HIP의 위치 정보로부터 상기 HIP의 속도 정보를 포함하는 제3 힘 정보를 결정하는 단계; 및 상기 제3 힘 정보를 시간에 따라 변경시켜 상기 제2 힘 정보를 생성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.The generating of the second force information may include determining third force information including speed information of the HIP from position information of the HIP; And changing the third force information with time to generate the second force information.
또한, 상기 제1 힘 정보를 결정하는 단계는, 상기 입력된 햅틱 상호작용 포인터(Haptic Interaction Pointer: HIP)의 위치 정보로부터 상기 HIP의 속도 정보 를 산출하는 단계; 및 상기 입력된 HIP 위치 정보 및 상기 HIP의 속도 정보를 결합하여 상기 제3 힘 정보를 결정하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.The determining of the first force information may include calculating speed information of the HIP from position information of the input Haptic Interaction Pointer (HIP); And determining the third force information by combining the input HIP position information and the speed information of the HIP.
그리고, 상기 조합 단계는 상기 햅틱 인터페이스가 가상 물체와 접촉한 후 일정 시간동안에는 상기 제1 힘 정보 및 상기 제2 힘 정보를 결합하여 출력하고, 상기 일정 시간이 경과한 후에는 상기 제2 힘 정보만을 출력하는 것이 바람직하다. The combining may be performed by combining the first force information and the second force information for a predetermined time after the haptic interface contacts the virtual object, and after the predetermined time elapses, only the second force information. It is preferable to output.
본 발명에 의하면, 햅틱 인터페이스로 입력되는 고주파수의 입력을 감소시키는 기능을 수행하여 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 주파수 의존적 댐핑 장치가 구동 모터의 파워단(power-stage)이 아닌 신호단(signal-stage)에 연결되기 때문에 다양한 아날로그 신호처리 방법 등을 사용할 수 있어 좀 더 유연하게 적용될 수 있고, 회로의 저항이나 커패시턴스를 가변할 수 있는 특징이 있다.According to the present invention, it is possible to improve the stability of the system by performing a function of reducing the input of the high frequency input to the haptic interface. In addition, according to the present invention, since the frequency-dependent damping device is connected to a signal stage instead of a power stage of a driving motor, various analog signal processing methods may be used, thereby being applied more flexibly. It is possible to vary the resistance and capacitance of the circuit.
뿐만 아니라, 햅틱 인터페이스에 입력되는 신호를 선형 반파 정류시킴에 따라 햅틱 인터페이스를 통한 햅틱 상호작용에서의 안정성을 향상시켜 접촉 경도를 향상시키고, 햅틱 인터페이스와 가상 물체가 초기 접촉할 때 저하되는 접촉 경도를 햅틱 상호작용 포인터(Haptic Interaction Pointer: HIP)의 위치 정보를 이용하여 보상하여 햅틱 시스템의 투명성을 향상시킨다. In addition, the linear half-wave rectification of the signal input to the haptic interface improves the contact hardness by improving stability in haptic interaction through the haptic interface, and reduces the contact hardness that decreases when the haptic interface and the virtual object are initially contacted. The transparency of the haptic system is improved by compensating using the location information of the haptic interaction pointer (HIP).
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are assigned to the same components as much as possible, even if shown on different drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. In addition, the following will describe a preferred embodiment of the present invention, but the technical idea of the present invention is not limited thereto and may be variously modified and modified by those skilled in the art.
본 발명의 특징은 햅틱 인터페이스를 이용하여 안정적으로 표시할 수 있는 가상 환경의 임피던스 범위를 확장시키기 위한 주파수 의존적 댐핑 생성 장치에 특징이 있다. 상기 주파수 의존적 댐핑 생성 장치는 주파수에 따라 변하는 댐핑 요소를 햅틱 인터페이스의 제어부와 파워앰프부 사이에 추가하는 것이다. 주파수 의존적 댐핑 생성 장치는 햅틱 인터페이스로 입력되는 고주파수의 입력을 감소시키는 기능을 수행하여 시스템의 안정성을 향상시킨다. The present invention is characterized by a frequency dependent damping generating device for extending the impedance range of a virtual environment that can be stably displayed using a haptic interface. The frequency dependent damping generating device adds a damping element that varies according to frequency between the control unit and the power amplifier unit of the haptic interface. The frequency dependent damping generating device improves the stability of the system by performing a function of reducing the high frequency input to the haptic interface.
주파수 의존적 댐핑 생성 장치는 구동 모터의 파워단(power-stage)이 아닌 신호단(signal-stage)에 연결되기 때문에 다양한 아날로그 신호처리 방법 등을 사용할 수 있고 구동 모터의 전기적 파라미터에 상관없이 댐핑을 설계할 수 있어 좀 더 유연하게 적용될 수 있고, 회로의 저항이나 커패시턴스(Capacitance)를 가변시킬 수 있어 적응적으로 댐핑을 발생시키는 특징이 있다. Since the frequency dependent damping generator is connected to the signal stage instead of the power stage of the drive motor, various analog signal processing methods can be used and the damping can be designed regardless of the electrical parameters of the drive motor. It can be applied more flexibly, and it is possible to vary the resistance or capacitance of the circuit (Capacitance) is characterized by adaptive damping.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 인터페이스 구동 제어 장치의 블럭도이다. 1 is a block diagram of a haptic interface drive control apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
주파수 의존적 댐핑 생성 장치(130)는 파워앰프부(150)의 전단에 구비되며, 햅틱 인터페이스의 구동 모터 제어를 위한 제어부(110)로부터의 신호를 처리한 후 파워앰프부(150)로 전달하는 기능을 수행한다. 도 2에서, 제어부(110)는 햅틱 인터페이스의 구동 모터의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 기능을 수행하며, 파워앰프부(150)는 제어 신호를 증폭하여 햅틱 인터페이스의 구동 모터로 전달하는 기능을 수행한다. 이에 따라 제어부(110)와 주파수 의존적 댐핑 생성 장치(130)는 햅틱 인터페이스 구동 제어 장치를 구성하게 된다. The frequency dependent
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 의존적 댐핑 생성 장치의 블록도이다.2 is a block diagram of a frequency dependent damping generating device according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 주파수 의존적 댐핑 생성 장치는 햅틱 인터페이스와 가상 물체간의 접촉이 발생한 경우, 접촉 경도를 향상시키는 제1 접촉 향상부(210), 초기 접촉 경도를 향상시키는 제2 접촉 향상부(220), 제1 및 제2 접촉 향상부(210, 220)에서 출력된 정보를 조합하여 햅틱 인터페이스를 구동하기 위한 힘 정보를 출력하는 조합부(230)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the frequency dependent damping generating device includes a
구체적으로, 제1 접촉 향상부(210)는 댐핑 생성부(240) 및 제1 가중치부(250)로 구분되며, 댐핑 생성부(240)는 하이패스 필터부(242), 제1 선형 반파 정류부(244), 덧셈부(246) 및 제2 선형 반파 정류부(248)를 포함한다. Specifically, the first
하이패스 필터부(242)는 햅틱 상호작용 포인터(Haptic Interaction Pointer: HIP)의 위치 정보에 대응되는 힘 정보 중 고주파수의 정보를 통과시키는 기능을 수행한다. 제1 선형 반파 정류부(244)는 하이패스 필터부(242)를 통과한 정보에 대한 선형 반파 정류를 수행한다. 덧셈부(246)는 제1 선형 반파 정류부(244)를 통과한 정보와 HIP의 위치 정보에 대응되는 힘 정보를 합산하는 기능을 수행한다. 제2 선형 반파 정류부(248)는 덧셈부(246)를 통과한 정보에 대한 선형 반파 정류기능을 수행한다. The
하이패스 필터부(242)와 덧셈부(246)의 조합은 실질적으로는 로우패스 필터와 동일한 기능을 수행한다. The combination of the
제1 선형 반파 정류부(244)와 제2 선형 반파 정류부(248)의 구체적인 기능은 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 구체적으로 설명한다.Specific functions of the first linear half-
도 3a 내지 도 3c는 제 1 및 제2 선형 반파 정류부의 기능을 설명하기 위한 도면이다. 도 3a는 제1 및 제2 선형 반파 정류부를 사용하지 않았을 때 댐핑 생성부의 입출력 정보에 대한 도면이고, 도 3b는 제1 선형 반파 정류부만을 사용하였을 때 댐핑 생성부의 입출력 정보에 대한 주파수 응답을 도시한 도면이며, 도 3c는 제1 및 제2 선형 반파 정류부를 모두 사용하였을 때의 댐핑 생성부의 입출력 정보에 대한 주파수 응답을 도시한 도면이다.3A to 3C are diagrams for explaining the functions of the first and second linear half-wave rectifiers. FIG. 3A is a diagram illustrating input and output information of the damping generator when the first and second linear half wave rectifiers are not used, and FIG. 3B is a diagram illustrating a frequency response of the input and output information of the damping generator when only the first linear half wave rectifier is used. FIG. 3C is a diagram illustrating a frequency response to input / output information of a damping generator when both the first and second linear half-wave rectifiers are used.
도 3a를 참조하면, 선형 반파 정류부를 전혀 사용하지 않는 경우 가상 물체로부터 햅틱 인터페이스가 떨어진 이후 덧셈부(246)를 통과한 신호가 느리게 감소하여 시간 지연이 발생하고, 감소한 이후에는 음의 임피던스를 발생시킴을 확인할 수 있다. 음의 임피던스는 가상 물체가 잡아당기는 듯한 느낌을 줄 수 있어 사용자에게 실제와는 다른 느낌을 제공하여 투명성을 저하시킨다. Referring to FIG. 3A, when the linear half-wave rectifier is not used at all, the signal passing through the
이에 대해 도 3b를 참조하면, 제1 선형 반파 정류부(244)를 사용한 경우 임피던스가 빠르게 감소하게 된다. 이는 실제 임피던스 출력에 가깝게 만들어 투명성 을 높일 수 있고 바람직하지 못한 입력에 의한 에너지 발생을 억제시킴으로써 전체 에너지 입력의 크기를 감소시켜 시스템을 더 안정하게 만든다. Referring to FIG. 3B, when the first linear half-
더불어 도 3c를 참조하면 제2 선형 반파 정류부(248)도 함께 사용하면 음의 임피던스를 제거할 수 있게 된다. In addition, referring to FIG. 3C, when the second linear half-
한편, 본 발명에 있어서 로우패스 필터 대신에 하이패스 필터부(242)와 덧셈부(246)를 사용하는데, 하이패스 필터부(242)와 덧셈부(246)의 조합 사용으로 인해 덧셈부(246) 전단에 제1 선형 반파 정류부(244)를 배치시킬 수 있는 것이다. Meanwhile, in the present invention, the high
한편, 도 3c에 도시된 바와 같이, 댐핑 생성부(240)에 제1 및 제2 선형 반파 정류부(244, 248)를 포함시킨다 하더라도 햅틱 인터페이스와 가상 물체의 초기 접촉시 반력이 서서히 증가하여 사용자가 느끼는 경도(hardness)가 떨어짐을 확인할 수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 3C, even if the damping
제1 가중치부(250)는 제1 접촉 향상부(240)로부터 출력된 힘 정보에 일정한 값의 가중치를 부여하여 출력한다. 제1 접촉 향상부(240)는 햅틱 인터페이스와 가상 물체가 접촉한 후 일정 시간이 경과한 후에 적용하는 것이 바람직하기 때문에 하기 수학식 1와 같은 가중치를 부여하는 것이 바람직하다.The
여기서, 는 초기 접촉이 발생한 시간이며, 는 초기 접촉시의 경도를 향상시키고자 하는 시간 간격이다. 는 설계자 등에 의해 가변될 수 있다. here, Is the time when the initial contact occurred, Is the time interval to improve the hardness at initial contact. Can be varied by the designer or the like.
즉, 제1 가중치부(250)는 댐핑 생성부(240)에서 출력된 힘 정보를 시간에 따라 변경시켜 조합부(230)로 인가하는 것이 바람직하다. That is, the
도 2의 제2 접촉 향상부(270)는 초기 접촉시의 접촉 경도를 향상시키기 위한 것이며, 위치 제어부(260) 및 제2 가중치부(270)를 포함한다. 그리고, 위치 제어부(2600)는 속도 산출부(262) 및 경도 결정부(264)를 포함한다. The second
속도 산출부(262)는 햅틱 상호작용 포인터(Haptic Interaction Pointer: HIP)의 위치 정보로부터 HIP의 속도를 산출한다. HIP의 속도는 HIP 위치를 시간으로 미분함으로써 산출할 수 있다. 경도 조절부(264)는 HIP 위치 정보 및 속도 산출부(262)에서 산출된 속도 정보를 이용하여 초기 접촉시의 경도를 향상시키기 위한 힘 정보를 산출한다. The
경도 조절부(264)는 하기 수학식 2과 같은 힘 정보( )를 산출하는 것이 바람직하다.
여기서, 는 HIP의 위치 정보이고, 는 초기 접촉시의 HIP의 위치 정보 혹은 가상 물체의 경계(boundary) 정보이다. 그리고, 는 가상물체의 강성(stiffness) 값이고, 는 가상물체의 점성(viscosity) 값이다.here, Is the location information of the HIP, and is the location information of the HIP at the initial contact or the boundary information of the virtual object. Is the stiffness value of the virtual object and is the viscosity value of the virtual object.
제2 가중치부(270)는 위치 제어부(2600)에서 출력된 힘 정보에 일정한 값의 가중치를 부여하여 출력한다. 제2 접촉 향상부(220)는 햅틱 인터페이스와 가상 물체가 접촉한 후 일정 시간내에 접촉 경도에 영향을 미치는 것이 바람직하기 때문에 하기 수학식 3와 같은 가중치를 부여하는 것이 바람직하다.The
그리고, 조합부(230)는 제1 가중치부(250)에서 출력된 정보 및 제2 가중치부(270)에서 출력된 정보를 하기 수학식 4와 같이 조합하여 출력한다.The
이와 같이 초기 접촉시 일정 시간 동안 힘 정보를 보정하게 되면 사용자가 느끼는 접촉 경도가 향상된다.As such, when the force information is corrected for a predetermined time during initial contact, the contact hardness felt by the user is improved.
도 4a 및 도 4b는 햅틱 인터페이스와 가상 물체의 초기 접촉시 햅틱 인터페이스에 표시된 강성을 표시한 도면이다. 구체적으로, 도 5a는 초기 접촉시 위치 제어를 적용하지 않는 경우의 강성을 표시한 도면이고, 도 5b는 초기 접촉시 위치 제어를 적용한 경우의 강성을 표시한 도면이다. 4A and 4B show the stiffness displayed on the haptic interface during initial contact of the haptic interface and the virtual object. In detail, FIG. 5A is a diagram showing the stiffness when the position control is not applied at the time of initial contact, and FIG. 5B is a diagram showing the stiffness when the position control is applied at the time of initial contact.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 위치 제어를 적용하면 초기 접촉시 훨씬 빠르게 강성을 증가하였음을 확인할 수 있다.As shown in Figures 4a and 4b it can be seen that the application of position control increased the stiffness much faster during initial contact.
도 5a 및 도 5b는 햅틱 인터페이스와 가상 물체의 초기 접촉시 사용자가 느끼는 접촉 경도를 표시한 도면이다. 구체적으로, 도 5a는 초기 접촉시 제1 가중치부 및 제2 접촉 향상부가 적용되지 않는 경우의 사용자가 느끼는 접촉 강도를 도시한 도면이고, 도 5b는 초기 접촉시 제1 가중치 및 제2 접촉 향상부가 적용된 경우의 사용자가 느끼는 접촉 강도를 도시한 도면이다. 5A and 5B are diagrams illustrating a hardness of a contact felt by a user during initial contact between a haptic interface and a virtual object. In detail, FIG. 5A illustrates a contact strength felt by the user when the first weight portion and the second contact enhancement portion are not applied during the initial contact, and FIG. 5B illustrates the first weight and the second contact enhancement portion during the initial contact. It is a figure which shows the contact intensity which a user feels when it is applied.
따라서, 햅틱 인터페이스와 가상 물체가 접촉하는 경우, 초기 접촉시 HIP 위치를 기초로 햅틱 인터페이스에 제공되는 힘 정보를 조절하면 사용자가 느끼는 강성이 현저히 증가함을 확인할 수 있다.Therefore, when the haptic interface and the virtual object contact, it can be seen that the stiffness felt by the user is significantly increased by adjusting the force information provided to the haptic interface based on the HIP position at the initial contact.
본 실시예에서, 초기 접촉 경도를 향상시키기 위해 생성된 제2 접촉 향상부(220)의 힘 정보에 대한 수학식은 바람직한 일 실시예에 해당할 뿐 이에 한정되지 않는다. 또한, 제1 가중치부(250) 및 제2 가중치부(270)의 시간에 따라 변경시키는 제1 및 제2 가중치에 대한 수학식도 바람직한 일 실시예에 해당함은 물론이다. In the present embodiment, the equation for the force information of the second
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 햅틱 인터페이스를 위한 주파수 의존적 댐핑 생성 장치(130)의 블록도이다.6 is a block diagram of a frequency dependent damping generating
도 6의 주파수 의존적 댐핑 생성 장치(130)는 도 3의 주파수 의존적 댐핑 생성 장치(130)에 제1 및 제2 샘플앤홀드부(241, 249)가 추가된 것이다. In the frequency dependent damping
제1 샘플앤홀드부(241)는 입력되는 아날로그 신호인 힘 정보를 디지털 신호로 변환한다. 그리고, 도 7의 하이패스 필터부(242), 제1 선형 반파 정류부(244), 덧셈부(246), 및 제2 선형 반파 정류부(248)는 디지털 신호를 처리할 수 있도록 구현되는 것이 바람직하다. 하이패스 필터부(242), 제1 선형 반파 정류부(244), 덧셈부(246), 및 제2 선형 반파 정류부(248)가 디지털 신호를 처리하기 때문에 아날로그 신호를 처리하는 것보다 댐핑 생성부(240)의 적응성(flexibiliy)이 향상되고 노이즈가 적게 발생하는 효과가 있다. The first sample and hold
또한, 도 6의 하이패스 필터부(242)는 디지털 버터워스 필터(digital Butterworth filter)로 구현되는 것이 바람직하고, 덧셈부(246)와 제1 및 제2 반파 정류부는 소프트 프로그램을 통해 쉽게 구현가능하다. In addition, the
그리고, 제2 샘플앤홀드부(249)는 제2 선형 반파 정류부(248)에서 출력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 출력한다. The second sample-and-
도 7는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 주파수 의존적 댐핑 생성 장치의 블록도이다. 7 is a block diagram of a frequency dependent damping generating device according to another preferred embodiment of the present invention.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 주파수 의존적 댐핑 생성 장치는 두 개의 댐핑 생성 장치(720, 740)를 포함하며, 비교부(760)와 스위칭부(780)를 추가로 포 함한다. The frequency dependent damping generating device according to another embodiment of the present invention includes two damping generating
두 개의 댐핑 생성 장치(720, 740)의 구성은 도 3에서 설명한 주파수 의존적 댐핑 생성 장치(130)의 구성과 동일하다. 다만, 제1 접촉 향상부(720a)에 포함되는 선형 반파 정류부와 제1 접촉 향상부(740a)에 포함되는 선형 반파 정류부는 정류 특성이 서로 반대된다. 예컨대, 제1 접촉 향상부(720a)에 포함되는 선형 반파 정류부는 입력이 양(positive)의 값을 가질 경우에 신호를 통과시키고, 제2 접촉 향상부(740a)에 포함되는 선형 반파 정류부는 입력이 음(negative)의 값을 가질 경우에 신호를 통과시킨다. The configuration of the two damping generating
비교부(760)는 제어부(110)의 출력 신호의 부호를 판단하는 기능을 수행한다. 스위칭부(780)는 비교부(760)의 제어에 따라 제 1 댐핑 생성 장치(720)와 제 2 댐핑 생성 장치(740)의 출력 신호 중 어느 하나가 파워앰프부(150)에 전달되도록 스위칭하는 기능을 수행한다. 이에 따라 비교부(760)는 제어부(110)의 출력 신호의 부호가 양(+)일 경우 스위칭부(780)가 제 1 댐핑 생성 장치(7200)와 파워앰프부(150)를 연결하도록 하고, 제어부(110)의 출력 신호의 부호가 음(-)일 경우 스위칭부(780)가 제 2 댐핑 생성 장치(7400)와 파워앰프부(150)를 연결하도록 한다. The
그리하여, 도 7의 주파수 의존적 댐핑 생성장치는 제어부의 출력 신호의 부호와 무관하게 파워앰프부를 제어할 수 있는 효과가 있다. Thus, the frequency dependent damping generator of FIG. 7 has an effect of controlling the power amplifier unit irrespective of the sign of the output signal of the controller.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 의존적 댐핑 장치의 접촉 경도를 향상시키는 방법에 대한 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a method of improving contact hardness of a frequency dependent damping device according to an embodiment of the present invention.
주파수 의존적 댐핑 장치(130)의 하이패스 필터부(242)는 햅틱 상호작용 포 인터(Haptic Interaction Pointer: HIP)의 위치 정보에 대응되는 힘 정보 중 고주파수의 정보를 통과시킨다(S810).The
그리고, 제1 선형 반파 정류부(244)는 하이패스 필터부(242)를 통과한 정보에 대한 선형 반파 정류를 수행하며(S820), 덧셈부(246)는 제1 선형 반파 정류부(244)를 통과한 정보와 HIP의 위치 정보에 대응되는 힘 정보를 합산한다(S830). 하이패스 필터부(242)와 덧셈부(246)의 조합은 실질적으로는 로우패스 필터와 동일한 기능을 수행한다. 그러나, 하이패스 필터와 덧셈부(246) 사이에 제1 선형 반파 정류부(244)를 배치시킴으로써, 투명성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 햅틱 인터페이스에 입력되는 전체 에너지를 감소시켜 햅틱 시스템을 안정화시킬 수 있다. In addition, the first linear half-
제2 선형 반파 정류부(248)는 덧셈부(246)를 통과한 정보에 대한 선형 반파 정류기능을 수행한다(S840). 제2 선형 반파 정류부(248)를 사용함으로써 햅틱 인터페이스의 음의 임피던스를 제거할 수 있다. The second linear half-
제1 가중치부(250)는 제2 선형 반파 정류부(248)에서 출력된 힘 정보를 시간에 따라 변경되는 제1 가중치를 부여하여 출력한다(S850).The
한편, 제2 접촉 향상부(220)의 속도 결정부는 햅틱 상호작용 포인터(Haptic Interaction Pointer: HIP)의 위치 정보를 입력받아 HIP의 속도 정보를 산출한다(S860).Meanwhile, the speed determiner of the
그리고, 경도 조절부(264)는 HIP 위치 정보 및 속도 산출부(262)에서 산출된 속도 정보를 이용하여 초기 접촉시의 경도를 향상시키기 위한 힘 정보를 산출한다(S870). In addition, the
제2 가중치부(270)는 경도 조절부(264)에서 출력된 힘 정보에 시간에 따라 변경되는 제2 가중치를 부여하여 출력한다(S880). The
마직막으로, 조합부(230)는 제1 가중치부(250) 및 제2 가중치부(270)에서 출력된 정보를 하기 수학식 4와 같이 조합하여 출력한다(S890). 구체적으로, 조합부(230)는 햅틱 인터페이스와 가상 물체가 접촉한 경우, 초기 접촉 시간동안에는 제1 가중치부(250) 및 제2 가중치부(270)에서 출력된 정보를 합산하여 출력하고, 상기한 시간이 경과한 후에는 제1 가중치부(250)에서 출력된 정보만을 출력한다. 그리하여, 주파수 의존적 댐핑 생성 장치(130)에서 출력된 힘 정보는 접촉 경도를 향상시킬 수 있다. 그리고, 상기한 초기 접촉 시간은 사용자에 의해 변경가능함은 물론이다. Finally, the
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various modifications, changes, and substitutions may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. will be. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by the embodiments and the accompanying drawings. . The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 인터페이스 구동 제어 장치의 블록도,1 is a block diagram of a haptic interface drive control device according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 의존적 댐핑 생성 장치의 블록도2 is a block diagram of a frequency dependent damping generating device according to an embodiment of the present invention;
도 3a 내지 도 3c는 제 1 및 제2 선형 반파 정류부의 기능을 설명하기 위한 도면,3A to 3C are diagrams for explaining the functions of the first and second linear half-wave rectifiers;
도 4a 및 도 4b는 햅틱 인터페이스와 가상 물체의 초기 접촉시 햅틱 인터페이스에 표시된 강성을 표시한 도면,4A and 4B show the stiffness displayed on the haptic interface upon initial contact of the haptic interface with the virtual object,
도 5a 및 도 5b는 햅틱 인터페이스와 가상 물체의 초기 접촉시 사용자가 느끼는 접촉 강도를 표시한 도면,5a and 5b are views showing the contact strength felt by the user during the initial contact of the haptic interface and the virtual object,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 햅틱 인터페이스를 위한 주파수 의존적 댐핑 생성 장치의 블록도,6 is a block diagram of a frequency dependent damping generating device for a haptic interface according to another embodiment of the present invention;
도 7는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 주파수 의존적 댐핑 생성 장치의 블록도,7 is a block diagram of a frequency dependent damping generating device according to another preferred embodiment of the present invention;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 의존적 댐핑 장치의 접촉 경도를 향상시키는 방법에 대한 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a method of improving contact hardness of a frequency dependent damping device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 도면부호의 설명><Description of reference numerals for the main parts of the drawings>
110: 제어부 130: 주파수 의존적 댐핑 생성 장치110: control unit 130: frequency dependent damping generating device
150: 파워앰프부 210: 접촉 향상부 150: power amplifier unit 210: contact enhancement unit
220: 초기 접촉 향상부 230: 조합부220: initial contact improving unit 230: combination unit
240: 댕핑 생성부 250: 제1 가중치부 240: dangping generation unit 250: first weighting unit
260: 위치 제어부 280: 제2 가중치부 260: position control unit 280: second weighting unit
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