KR101348940B1 - 로봇의 원격조작시 발생하는 물리적 상호작용 전달을 위한 감각 재현 시스템 - Google Patents

로봇의 원격조작시 발생하는 물리적 상호작용 전달을 위한 감각 재현 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 사용자와 원격지의 로봇이 상호작용하도록 하는 감각재현 시스템으로서, 사용자의 외골격을 따라 배치되어 사용자의 동작에 순응해 동작하는 외근력장치와, 사용자의 피부에 밀착 배치되며 사용자의 피부에 자극을 전달하는 외피장치를 포함하고, 상기 외근력장치는 상기 사용자의 관절 동작을 상기 로봇에 전달하여 상기 로봇의 관절을 동작시키고, 상기 로봇의 관절에 가해지는 외력의 위치 및 크기에 따라 상기 외근력장치를 제어하여 사용자의 관절에 역감을 전달하며, 상기 외피장치는 상기 로봇의 표면에 가해지는 자극을 재현해 상기 사용자의 피부에 전달하는 감각재현 시스템이 제공된다.

Description

로봇의 원격조작시 발생하는 물리적 상호작용 전달을 위한 감각 재현 시스템{Sensory Reproduction System to transmit physical intercations in whole-body remote control of Robot}
본 발명은 감각 재현 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원격지의 로봇의 원격조작할 때 발생하는 물리적 상호작용 전달을 위한 감각 재현 시스템에 관한 것이다.
사람과 원격지의 로봇을 물리적으로 연결하여 사람의 동작을 상기 로봇이 모방하여 동작하고, 로봇에 가해지는 자극 등을 사용자에게 다시 피드백해주어 사용자와 로봇이 상호 교감하도록 시스템이 연구되고 있다.
하지만, 종래 기술에 따르면 로봇에 부착된 카메라 등을 이용하여 사람이 로봇이 보는 환경을 사용자에게 시각적으로 볼 수 있도록 하는 정도에 그치고 있다.
또한, 로봇에 가해지는 외력 등을 사람에게 촉감적으로 피드백해주는 방법이 고려되고는 있지만, 종래 기술에 따르면, 사람의 손끝과 같은 말단에 힘을 전달하는 정도에 그치고 있다. 따라서, 다관절 구조로 이루어진 로봇의 팔의 어느 부위에 외력이 가해졌는지 알 수 없어 원격지의 로봇의 정확한 상태를 파악하는데 한계가 있었다.
도 1은 종래 기술에 따른 로봇에 가해지는 외력 등을 사람에게 피드백해주는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따르면 사용자는 팔(10)로 로봇의 팔(30)을 모방한 조이스틱(20)의 끝단(17)을 잡고 조이스틱(20)을 움직임으로써 로봇의 팔(30)을 동작시킨다.
도 1에서 사람의 팔(10)은 어깨 관절(14)에 연결되는 상완(11)과, 상기 상완(11)과 팔꿈치 관절(15)에 의해 연결되는 전완(12), 및 손목 관절(16)에 의해 상기 전완(12)과 연결되는 손(13)으로 간략화하여 도시하였다.
한편, 로봇의 팔(30)은 상기 팔(10)의 구성에 대응하여 어깨 관절부(34)에 연결되는 상완부(31)와, 상기 상완부(31)와 팔꿈치 관절부(35)에 의해 연결되는 전완부(32) 및 손목 관절부(36)에 의해 상기 전완부(32)와 연결되는 로봇손(33)으로 간략화하여 도시되었다.
조이스틱(20)은 지지 연결부(24)에서 연장된 복수의 암 부재(21, 22, 23)가 관절 연결부(25, 26)에 의해 연결된 구성을 가진다. 조이스틱(20)의 연결부(24, 25, 26)에는 회전각 센서가 구비되어 있어, 사용자가 조이스틱(20)을 움직이면 이에 대응하여 로봇 팔(30)의 관절부(34, 35, 36)가 동작하도록 되어 있다.
이와 같은 구성에 의해 동작하는 로봇 팔(30)이 벽 등에 접촉하는 경우 로봇 팔(30)의 관절부(34, 35, 36)에 구비된 힘 센서에서 로봇에 가해진 힘(F1, F2)이 측정되고, 측정된 힘은 조이스틱(20)으로 전달된다.
종래 기술에 따르면 조이스틱(20)으로 전달된 힘의 역감이 단지 조이스틱의 끝단에서 사용자의 손(13) 끝에만 전달된다. 따라서, 로봇 팔(30)이 a 부분에서 접촉이 발생하였는지, 아니면, b 부분에서 접촉이 발생하였는지 사용자는 전혀 알 수가 없다.
종래 기술에 따르면, 사용자가 원격지의 로봇의 정확한 상태를 알고 능동적으로 제어할 수 있는 상호 교감 시스템을 형성할 수 없는 것이다.
대한민국 특허공개 제10-2010-082559호 공보
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사용자의 골격에 대응하는 외근력 장치와, 사용자의 피부에 대응하는 외피 장치를 구비하고, 나아가 사용자의 시청각에 대응하는 시청각장치를 구비하여 원격지의 로봇의 원격조작시 발생하는 물리적 감각을 최대한 전달할 수 있는 감각 재현 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 사용자와 원격지의 로봇이 상호작용하도록 하는 감각재현 시스템으로서, 사용자의 외골격을 따라 배치되어 사용자의 동작에 순응해 동작하는 외근력장치와, 사용자의 피부에 밀착 배치되며 사용자의 피부에 자극을 전달하는 외피장치를 포함하고, 상기 외근력장치는 상기 사용자의 관절 동작을 상기 로봇에 전달하여 상기 로봇의 관절을 동작시키고, 상기 로봇의 관절에 가해지는 외력의 위치 및 크기에 따라 상기 외근력장치를 제어하여 사용자의 관절에 역감을 전달하며, 상기 외피장치는 상기 로봇의 표면에 가해지는 자극을 재현해 상기 사용자의 피부에 전달하는 감각재현 시스템이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 외근력장치는 사용자의 관절 동작에 의해 동작하는 링크 구조체이고, 상기 링크 구조체는 복수의 링크암과 상기 복수의 링크암을 연결하는 복수의 링크 연결부로 구성될 수도 있다.
여기서, 상기 링크 구조체는, 상기 링크암이 사용자의 외골격에 밀착하여 배치되고, 상기 링크 연결부가 사용자의 관절 위치에 배치되며, 상기 링크 연결부에는 회전각 측정 센서와 토크 엑츄에이터가 구비되도록 할 수도 있다.
또한, 상기 링크 구조체는, 사용자의 관절에 의해 연결되는 상박부와 하박부에 각각 고정되는 두 링크암이 링크 연결부에 의해 힌지 연결되어 상기 상박부와 하박부와 함께 폐루프를 형성하는 링크 유닛이 병렬로 연결되고, 상기 링크 연결부에는 상기 링크 연결부에는 회전각 측정 센서와 토크 엑츄에이터가 구비되도록 할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 외피장치는, 탄력을 가져 사용자의 피부에 밀착되는 유연한 재질의 외피 부재와, 상기 외피 부재에 삽입되어, 온도를 변화시키는 온도 구동기, 진동을 발생시키는 진동 구동기 및 상기 피부에 압력을 가하는 압력 구동기를 포함하고, 상기 로봇의 표면에는 온도를 감지하는 온도 센서, 상기 로봇에 가해지는 진동을 감지하는 진동 센서 및 상기 로봇에 가해지는 압력을 감지하는 압력 센서가 구비되며, 상기 온도 센서에서 측정된 온도 자극에 대응하여 상기 온도 구동기를 구동시키고, 상기 진동 센서에서 측정된 진동 자극에 대응하여 상기 진동 구동기를 구동시키며, 상기 압력 센서에서 측정된 압력 자극에 대응하여 상기 압력 구동기를 구동시키도록 할 수도 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 감각재현 시스템은 로봇에 구비된 영상 수집 장치 및 음성 수집 장치에서 수집된 영상 및 음성을 사용자에게 전달하는 시청각 장치를 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 시청각 장치는, 상기 로봇에 의해 가해진 외력 또는 자극에 따라 상기 영상 및 음성 정보를 편집하여 왜곡된 영상 및 음성 정보를 사용자에게 전달하여 자극의 효과를 강화하는 장치일 수도 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 로봇에 가해지는 외력 등을 사람에게 피드백해주는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 감각재현 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 감각재현 시스템의 외근력장치와 외피장치의 동작을 개략적으로 설명한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외근력장치를 이용해 로봇 팔을 제어하는 모습을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외근력장치를 이용해 로봇 팔을 제어하는 모습을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 외피 장치의 단면을 도시한 개념도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 외피 장치를 사용자가 착용한 상태를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 외피 장치의 모듈화된 구동기 세트의 배열 구조를 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 감각재현 시스템의 개념도이다.
본 실시예에 따른 감각재현 시스템은 사용자(100)와 원격지에 있는 로봇(500)이 상호작용하여, 사용자(100)가 수행하는 동작을 로봇(500)이 모방하여 동작하고, 로봇(500)에 가해지는 외력 및 자극에 의한 감각이 사용자(100)에게 전달되도록 하는 시스템이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 감각재현 시스템은 사용자(100)의 외골격을 따라 배치되어 사용자의 동작에 순응해 동작하는 외근력장치(200)와, 사용자(100)가 옷처럼 착용하여 피부에 밀착 배치됨으로써 사용자의 피부를 직접 자극할 수 있는 외피장치(300)를 포함한다.
한편, 본 실시예에 따른 감각재현 시스템은 로봇(500)에 구비된 영상 수집 장치(미도시) 및 음성 수집 장치(미도시)에서 수집된 영상 및 음성을 사용자에게 전달하는 시청각 장치(400)를 더 포함한다.
도 3은 본 실시예에 따른 감각재현 시스템의 외근력장치(200)와 외피장치(300)의 동작을 개략적으로 설명한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 로봇(500)은 로봇(500)에 가해지는 접촉력의 크기, 접촉된 부위의 압력, 재질, 온도 및 접촉 위치를 센싱한다.
센싱된 외력의 크기 및 위치는 외근력장치(200)의 관절을 제어하기 위한 토크로 분배되어 외근력장치(200)를 제어하고, 접촉 형상, 재질 등의 감각은 외피장치(300)로 전달되어 사용자의 피부를 자극하는데 이용된다.
이하, 본 실시예에 따른 감각재현 시스템을 구성하는 외근력장치(200) 및 외피장치(300)의 실시예에 대해 구체적으로 설명하고, 나아가 시청각장치(400)에 대해 설명한다.
1. 외근력장치
[제1실시예]
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 외근력장치(200)는 사용자의 팔(100)의 외골격(101, 102, 103)에 밀착하여 배치되는 복수의 링크암(201, 202, 203)과, 상기 링크암들을 조인트 연결하며 사용자 팔(100)의 관절부(111, 112, 113)가 위치한 위치에 배치되는 링크 연결부(211, 212, 213)을 포함하는 링크 구조체로 이루어진다.
각 링크 연결부(211, 212, 213)에는 링크 연결부의 회전 변위를 측정하는 회전각 측정 센서(미도시)와 링크 연결부에 토크를 가하는 토크 엑츄에이터가 구비된다.
이하, 도 4를 참조하여, 상기 구성의 동작을 더 구체적으로 설명한다.
도 4는 외골격 밀착형 링크 구조체를 이용해 로봇 팔을 제어하는 모습을 도시한 것이다.
도 3에 도시된 링크 구조체(200)는 사람의 팔(100)의 외골격에 밀착하여 부착되어 있으므로, 도 4의 왼쪽에 도시된 바와 같이 간략화하여 도시할 수 있다.
도 4에서 사람의 팔은 어깨 관절(111)에 연결되는 상완(101)과, 상기 상완(101)과 팔꿈치 관절(112)에 의해 연결되는 전완(102) 및, 손목 관절(113)에 의해 상기 전완(102)과 연결되는 손(103)으로 간략화되어 도시되었다.
링크 구조체(200)는 어깨 관절(111)의 위치에 위치하는 링크 연결부(211)에 연결되어 상완(101)을 따라 배치되는 링크암(201)과, 상기 링크암(201)과 링크 연결부(212)에 의해 연결되어 전완(102)을 따라 배치되는 링크암(202)을 포함한다. 링크 연결부(212)는 팔꿈치 관절(112) 위에 위치한다.
또한, 링크암(202)과 링크 연결부(213)에 의해 연결되어 손(103)을 따라 배치되는 링크암(203)(구체적으로는 사용자는 손으로 링크암(203)을 파지하게 된다)을 포함하며, 링크 연결부(213)는 손목 관절(113) 위에 위치한다.
한편, 로봇의 팔(300)은 상기 팔(100)의 구성에 대응하여 어깨 관절부(311)에 연결되는 상완부(301)와, 상기 상완부(301)와 팔꿈치 관절부(312)에 의해 연결되는 전완부(302) 및, 손목 관절부(313)에 의해 상기 전완부(302)와 연결되는 로봇손(303)이 간략화되어 도시되었다.
링크 연결부(211, 212, 213)에는 링크암들의 회전 변위를 측정하는 회전각 센서(미도시)가 구비되어 있다. 따라서, 사용자가 팔의 관절들을 움직이면서 생기는 링크 연결부(211, 212, 213)의 회전 변위는 로봇의 팔(300)로 전달된다.
링크 연결부(211, 212, 213)의 회전 변위에 각각 대응되도록 로봇 팔(300)의 관절부(311, 312, 313)가 회전하도록 제어함으로써, 사용자의 팔 동작을 그대로 재연하여 로봇 팔을 동작시킬 수 있다.
한편, 링크 구조체(200)의 연결부(211, 212, 213)에는 토크를 발생시키는 토크 엑츄에이터가 구비된다. 로봇의 팔 관절부(311, 312, 313)는 가해지는 토크를 측정하는 토크 센서(미도시)가 구비된다.
어깨 관절부(311)에 장착된 토크 센서에서 측정된 힘은 링크 연결부(211)의 토크 엑츄에이터를 구동시키는데 관여하고, 팔꿈치 관절부(312)에 장착된 토크 센서에서 측정된 힘은 링크 연결부(212)의 토크 엑츄에이터를 구동시키는데 관여한다. 또한, 손목 관절부(213)에 장착된 토크 센서에서 측정된 힘은 링크 연결부(213)의 토크 엑츄에이터를 구동시키는데 관여한다.
사람이 어깨를 도 4에서 오른쪽으로 회전시켜 로봇 팔(300)을 오른쪽 회전 동작하도록 제어하던 도중에, 로봇 팔(300)의 전완부(302)의 일 지점(a)에서 접촉이 발생하였다고 가정하자. 이러한 접촉에 의해서, 로봇 팔(300)의 어깨 관절부(311) 및 팔꿈치 관절부(312)의 움직임은 구속되는 반면, 손목 관절부(313)는 자유롭게 움직일 수 있는 상태가 된다.
다시 말하면, 어깨 관절부(311)와 팔꿈치 관절부(312)에 구비된 토크 센서에는 소정의 힘이 감지되지만, 손목 관절부(313)에 장착된 토크 센서에는 아무런 힘이 감지되지 않는다.
로봇 팔의 전완부(302)에 가해진 힘(F1)에 의한 어깨 관절부(311) 및 팔꿈치 관절부(312)에 가해지는 토크는 각각 일정한 비율로 스케일링되어 링크 연결부(211) 및 링크 연결부(212)에 가해져야 할 토크(τm1', τm2')로 계산되고, 링크 연결부(211) 및 링크 연결부(212)에 구비된 엑츄에이터 각각은 사용자의 팔 움직임과 반대방향(반시계방향)으로 계산된 크기만큼의 토크(τm1', τm2')를 발생시킨다.
이에 따라서, 사용자는 어깨 관절부(111)와 팔꿈치 관절부(112)의 움직임을 방해받는 역감을 느끼게 된다. 반면, 손목 관절부(113)에는 아무런 힘이 가해지지 않아 손목 관절부(113)는 자유롭게 움직일 수 있다. 이러한 역감에 의해 사용자는 로봇의 전완부(302)의 임의 부분에 외력이 작용하였음을 알 수 있게 된다.
한편, 사람이 어깨를 도면에서 오른쪽으로 회전시켜 로봇 팔(300)을 오른쪽 회전 동작하도록 제어하던 도중에, 손(303)이 외부 장애물의 일 지점(b)에서 접촉하였다고 가정하자. 이러한 접촉에 의해서, 로봇 팔(300)은 어깨 관절부(311), 팔꿈치 관절부(312) 및 손목 관절부(313)에 힘을 받게 된다.
로봇 팔의 손(303)에 가해진 힘(F2)에 의한 어깨 관절부(311), 팔꿈치 관절부(312) 및 손목 관절부(313)에 가해지는 토크들은 각각 일정한 비율로 스케일링되어 링크 연결부(211), 링크 연결부(212) 및 링크 연결부(213)에 가해져야 할 토크(τm1', τm2', τm3')로 계산되고, 링크 연결부(211), 링크 연결부(212) 및 링크 연결부(213)에 구비된 엑츄에이터 각각은 사용자의 팔 움직임과 반대방향(반시계방향)으로 계산된 크기만큼의 토크(τm1', τm2', τm3')를 발생시킨다.
이에 따라서, 사용자는 어깨 관절부(111), 팔꿈치 관절부(112) 및 손목 관절부(113)의 움직임을 방해받는 역감을 느끼게 된다. 이러한 역감에 의해 사용자는 로봇의 손(303)의 임의 부분에 외력이 작용하였음을 알 수 있게 된다.
즉, 본 실시예에 따른 외근력장치에 의하면 사용자는 로봇의 팔의 어느 부분에 접촉 등에 의한 외력이 작용하였는지 구분하여 인식할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 외근력장치가 사용자의 팔에 부착되었지만 사용자의 다리 등과 같이 관절부로 이루어진 다른 부위에도 부착될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.
또한, 외근력장치(200)를 형성하는 링크구조체는 다른 형태로도 구성될 수 있다.
[제2실시예]
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외근력장치(200)를 이용해 로봇 팔을 제어하는 모습을 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 외근력장치(200)는 관절(112, 113)에 의해 연결되는 상박부와 하박부(예를 들어, 몸통과 상완; 상완과 전완; 전완과 손)에 각각 고정되는 두 링크암이 링크 연결부에 의해 힌지 연결되어 폐루프를 형성하는 링크 유닛이 병렬로 연결되는 링크 구조체로 이루어진다.
구체적으로, 링크 구조체(200)는 사용자의 몸통에 연결되는 링크 연결부(211')에 연결되는 제1링크암(201') 및 링크 연결부(212')에 조인트 연결되는 제2링크암(202')으로 구성되는 제1링크 유닛을 포함한다. 제2링크암(202')는 링크 연결부(213')에 의해 사용자의 상완(101)에 조인트 연결된다.
또한, 링크 구조체는 제3링크암(203') 및 제4링크암(204')을 포함하는 제2링크 유닛과, 제5링크암(205') 및 제6링크암(206')을 포함하는 제3링크 유닛을 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 링크 유닛은 서로 병렬로 연결되고, 각각의 링크 유닛은 사용자의 팔과 함께 폐루프를 형성한다.
제2링크 유닛의 제3링크암(203')의 일단은 링크 연결부(213')에 조인트 연결되고, 타단은 링크 연결부(214')에서 제4링크암(204')과 조인트 연결된다. 제4링크암(204')은 링크 연결부(215')에 의해 사용자의 전완(102)과 조인트 연결된다.
제3링크 유닛의 제5링크암(205')의 일단은 링크 연결부(215')에 조인트 연결되고, 타단은 링크 연결부(216')에서 제6링크암(206')과 조인트 연결된다. 제6링크암(204')은 사용자의 손(103)과 조인트 연결된다.
각 링크 연결부(211', 212', 213', 214', 215', 216')에는 링크암들의 회전 변위를 측정하는 회전각 센서(미도시)가 구비되어 있다.
각 링크 연결부들의 회전 변위가 측정되면, 팔(100)과 고정된 링크 구조체의 기구학적 관계에 의해서 팔의 관절부(111, 112, 113)의 회전 변위를 계산할 수 있다.
팔의 관절부(111, 112, 113) 각각의 회전 변위는 로봇에게 전달되고, 로봇 팔에 장착된 구동기에 의해 로봇 팔의 관절부(311, 312, 313) 각각을 동일한 회전각으로 회전시킴으로써 사람 팔의 동작을 그대로 모방하여 로봇 팔이 동작하게 된다.
본 실시예에 따르면, 링크 구조체의 링크 연결부(211', 212', 213', 214', 215', 216')에는 토크를 발생시키는 토크 엑츄에이터가 구비되어 있다. 한편, 로봇의 팔 관절부(311, 312, 313)는 토크 센서(미도시)가 구비되어 있다.
이때, 어깨 관절부(311)에 장착된 토크 센서에서 측정된 힘은 링크 연결부(211') 및 링크 연결부(212')에 구비된 엑츄에이터를 구동시키는데 관여한다. 팔꿈치 관절부(312)에 장착된 토크 센서에서 측정된 힘은 링크 연결부(213') 및 링크 연결부(214')에 구비된 엑츄에이터를 구동시키는데 관여한다. 또한, 손목 관절부(313)에 장착된 토크 센서에서 측정된 힘은 링크 연결부(215') 및 링크 연결부(216')에 구비된 엑츄에이터를 구동시키는데 관여한다.
사람이 어깨를 도 5에서 오른쪽으로 회전시켜 로봇 팔(300)을 오른쪽 회전 동작하도록 제어하던 도중에, 로봇의 전완부(302)가 외부 장애물에 대해서 지점(a)에서 접촉하였다고 가정하자. 이러한 접촉에 의해서, 로봇 팔(300)의 어깨 관절부(311) 및 팔꿈치 관절부(312)의 움직임은 구속되는 반면, 손목 관절부(313)는 자유롭게 움직일 수 있는 상태가 된다.
다시 말하면, 어깨 관절부(311) 및 팔꿈치 관절부(312)에 장착된 토크 센서에는 소정의 힘이 감지되며, 손목 관절부(313)에 장착된 토크 센서에는 아무런 힘이 감지되지 않는다.
전완부(302)에 가해지는 힘(F1)에 의해 어깨 관절부(311) 및 팔꿈치 관절부(312)에 장착된 토크 센서 각각에서 측정된 토크(τ1, τ2)는 링크 구조체(200)로 전달되고 링크 구조체(200)에 구비된 제어기(미도시)는 어깨 관절부(311)에서 측정된 토크(τ1)를 소정 비율로 스케일링하고, 스케일링된 토크가 사용자의 어깨 관절(111)에 가해지는 토크로 가정한다. 가정한 토크를 사용자의 어깨 관절(111)에 가하기 위해 링크 연결부(211') 및 링크 연결부(212')의 엑츄에이터가 출력하여야 하는 토크(τm1', τm2')를 폐루프를 구성한 제1링크 유닛의 기구학적 관계를 이용해 계산해 낸다. 상기 제어기는 계산된 토크(τm1', τm2')를 사용자의 팔의 움직임에 반하는 방향(도 5에서는 반시계 방향)으로 출력하도록 해당 엑츄에이터를 구동시킨다.
이와 동시에, 제어기(미도시)는 팔꿈치 관절에서 측정된 토크(τ2)를 스케일링하고, 스케일링된 토크가 사용자의 팔꿈치 관절(112)에 가해지는 토크로 가정한다. 가정한 토크를 사용자의 팔꿈치 관절(112)에 가하기 위해 링크 연결부(213') 및 링크 연결부(214')의 엑츄에이터가 출력하여야 하는 토크(τm3', τm4')를 폐루프를 구성한 제2링크 유닛의 기구학적 관계를 이용해 계산해 낸다. 상기 제어기는 계산된 토크(τm3', τm4')를 사용자의 팔의 움직임에 반하는 방향(도 5에서는 반시계 방향)으로 출력하도록 해당 엑츄에이터를 구동시킨다.
이에 따라서, 로봇의 전완부(302)에 F1의 크기의 힘이 가해지면 사용자는 어깨 관절부(111)와 팔꿈치 관절부(111)의 동작이 동시에 방해받는 역감을 느끼게 된다. 반면, 손목 관절부(113)는 자유롭게 움직일 수 있다. 이러한 역감에 의해 사용자는 로봇의 전완부(302)의 임의 부분에 외력이 작용하였음을 알 수 있게 된다.
한편, 사람이 어깨를 도면에서 오른쪽으로 회전시켜 로봇 팔(300)을 오른쪽 회전 동작하도록 제어하던 도중에, 로봇 손(303)이 외부 장애물에 대해서 지점(b)에서 접촉하였다고 가정하자. 이러한 접촉에 의해서, 로봇 팔(300)은 모든 관절부(311, 312, 313)가 구속된다.
다시 말하면, 어깨 관절부(311), 팔꿈치 관절부(312) 및 손목 관절부(313)에 장착된 토크 센서에 모두 힘이 감지된다.
손(303)에 가해지는 힘(F2)에 의해 어깨 관절부(311), 팔꿈치 관절부(312) 및 손목 관절부(313)에 장착된 토크 센서 각각에서 측정된 토크(τ1, τ2, τ3)는 링크 구조체(200)로 전달되고 링크 구조체(200)에 구비된 제어기(미도시)는 어깨 관절부(311)에서 측정된 토크(τ1)를 소정 비율로 스케일링하고, 스케일링된 토크가 사용자의 어깨 관절(111)에 가해지는 토크로 가정한다. 가정한 토크를 사용자의 어깨 관절(111)에 가하기 위해 링크 연결부(211') 및 링크 연결부(212')의 엑츄에이터가 출력하여야 하는 토크(τm1', τm2')를 폐루프를 구성한 제1링크 유닛의 기구학적 관계를 이용해 계산한다. 상기 제어기는 계산된 토크(τm1', τm2')를 사용자의 팔의 움직임에 반하는 방향(도 5에서는 반시계 방향)으로 출력하도록 해당 엑츄에이터를 구동시킨다.
이와 동시에, 제어기(미도시)는 팔꿈치 관절부에서 측정된 토크(τ2)를 스케일링하고, 스케일링된 토크가 사용자의 팔꿈치 관절(112)에 가해지는 토크로 가정한다. 가정한 토크를 사용자의 팔꿈치 관절(112)에 가하기 위해 링크 연결부(213') 및 링크 연결부(214')의 엑츄에이터가 출력하여야 하는 토크(τm3', τm4')를 폐루프를 구성한 제2링크 유닛의 기구학적 관계를 이용해 계산한다. 상기 제어기는 계산된 토크(τm3', τm4')를 사용자의 팔의 움직임에 반하는 방향(도 5에서는 반시계 방향)으로 출력하도록 해당 엑츄에이터를 구동시킨다.
또한, 제어기(미도시)는 손복 관절부에서 측정된 토크(τ3)를 스케일링하고, 스케일링된 토크가 사용자의 손목 관절(113)에 가해지는 토크로 가정한다. 가정한 토크를 사용자의 손목 관절(113)에 가하기 위해 링크 연결부(215') 및 링크 연결부(216')의 엑츄에이터가 출력하여야 하는 토크(τm5', τm6')를 폐루프를 구성한 제3링크 유닛의 기구학적 관계를 이용해 계산한다. 상기 제어기는 계산된 토크(τm5', τm6')를 사용자의 팔의 움직임에 반하는 방향(도 5에서는 반시계 방향)으로 출력하도록 해당 엑츄에이터를 구동시킨다.
이에 따라서, 로봇의 손(303)에 F2의 크기의 힘이 가해지면 사용자는 어깨 관절부(111), 팔꿈치 관절부(112) 및 손목 관절부(113)의 동작이 방해받는 역감을 느끼게 된다. 이러한 역감에 의해 사용자는 로봇의 손(302)의 임의 부분에 외력이 작용하였음을 알 수 있게 된다.
즉, 앞선 실시예와 마찬가지로 본 실시예에 따른 링크 구조체를 외근력장치로 사용하면 사용자는 로봇의 팔의 어느 부분에 접촉 등에 의한 외력이 작용하였는지 구분하여 인식할 수 있다.
2. 외피장치
상술한 외근력장치에 의하면 사용자는 로봇 팔의 어느 부위에 외력이 작용하였는지 여부와 그 크기는 알 수 있지만, 외력이 작용한 정확한 위치는 알 수 없다. 또한, 외력을 가한 물체와의 접촉 부위의 온도나 재질 등과 같은 감각을 느낄 수 없다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 감각재현 시스템은, 로봇에 가해지는 자극을 감지하기 위한 외피 장치를 이용한 자극 생성 시스템을 구비한다.
다시 도 2를 참조하면, 자극 생성 시스템은 사용자가 옷처럼 착용할 수 있는 외피 장치(300)와, 로봇(500)에 부착되어 외부 자극을 감지하는 센서(미도시)를 포함한다. 로봇(500)은 상기 센서에서 감지된 신호를 외피 장치(300)로 전달한다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 외피 장치(300)의 단면을 도시한 개념도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 외피 장치(300)는 탄력을 가져서 착용시 사용자의 피부에 밀착되는 유연한 재질의 외피 부재(310)와, 상기 외피 부재(310)의 넓이를 따라 외피 부재(310) 속에 삽입되는 복수의 구동기 세트(320)를 포함한다.
구동기 세트(320)는, 온도를 변화시키는 온도 구동기(321), 진동을 발생시키는 진동 구동기(323) 및 사용자의 피부에 압력을 가하는 압력 구동기(322)를 포함한다.
온도 구동기(321)는, 전류를 가하면 전류의 크기에 대응하여 온도를 변화시키는 구동기로서, 예를 들어 온기를 전달해주고 싶을 때는 마이크로 코일 히터 등을 사용하고, 냉기를 전달해주고자 할 때는 펠티어(peltier) 소자의 구동기가 사용된다. 펠티어 소자 구동기는 전류를 가하면 내부의 한쪽면의 열을 빼앗아 다른 방향으로 보내주는 역할을 하여, 냉기를 전달해 줄 수 있다.
진동 구동기(323)는 전류를 가하여 진동의 크기를 제어할 수 있는 진동 구동기로서, 예를 들어 보이스 코일 구동기가 사용된다. 보이스 코일 구동기는 내부에 장착된 모터가 진동하여 진동을 발생시킨다.
압력 구동기(322)는 전류를 가하면 형상이 변하는 구동기로서, 예를 들어 압전 물질인 PZT를 이용한 압전 구동기가 사용된다. 본 실시예에 따르면, 압력 구동기(122)는 전류를 가하면, PZT의 넓이 방향 길이가 줄어들면서 포이즌 비에 따라서 그 길이 방향 길이가 늘어나도록 형상이 변화한다.
사람의 피부에서 압력을 감지하는 기계적 수용기인 마이스너 소체(Meissner Corpucle)의 밀도는 140개/㎠이고, 진동을 감지하는 파치니언 소체(Pacinial Corpuscle)의 밀도는 21개/㎠이며, 온도를 감지하는 수용기의 밀도는 대략 5~10개/㎠로, 그 비율은 14:2:1이다. 따라서, 본 실시예에 따르면 하나의 구동기 세트(320)에 구비되는 압력 구동기(322), 진동 구동기(323) 및 온도 구동기(321)의 개수의 비율이 14:2:1이 되도록 배치된다. 후술하는 바와 같이 압력 구동기(322), 진동 구동기(323) 및 온도 구동기(321)는 반드시 구동기 세트로 모듈화되어 배치되지 않고 각자 독립하여 배치되어 동작될 수 있다. 다만, 압력 구동기(322), 진동 구동기(323) 및 온도 구동기(321)가 독립하여 배치되는 경우라도 그 개수의 비율은 14:2:1이 되도록 하는 것이 좋다.
본 실시예에 따르면, 각 구동기의 지름은 약 4mm이하로 구성된다.
도 7 및 도 8은 본 실시예에 따른 외피 장치(300)를 사용자가 착용한 상태를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 사람이 외피 장치(300)를 착용하는 경우, 탄성을 가지고 유연한 재질로 이루어진 외피 부재(310)가 사람의 외형을 따라서 밀착되며 피부(100)에 밀착된다.
원격지의 로봇이 외부에 접촉하여 압력이 가해지는 것이 감지되면, 이에 대응하여 외피 장치(300)의 압력 구동기(322)에 전류가 전달되고, 압력 구동기(322)는 그 형상이 변화하면서 흐르게 되고, 길이방향으로 길이가 늘어나도록 그 형상이 변화한 압력 구동기(322)는 도 8과 같이 피부를 압지하여 압력을 전달하게 된다.
이와 마찬가지로, 원격지의 로봇에 온도가 감지되면 온도 구동기(321)는 피부에 온도를 전달하고, 진동이 감지되면 진동 구동기(323)의 모터가 구동하여 진동을 형성하여 피부에 진동을 가하도록 되어 있다.
압력 구동기(322), 진동 구동기(323) 및 온도 구동기(321)는 반드시 하나씩 작동하여야 하는 것은 아니며, 로봇에 복수 종류의 자극이 동시에 가해지면, 상기 구동기들 역시 동시에 구동하여 해당 자극을 사용자에게 전달할 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.
한편, 본 실시예에 따르면, 비교적 넓은 면적에 사용하기 위해, 수개에서 수십개의 구동기 세트(320)가 모듈화되어 배치된다. 다만, 외피 장치(300)가 부착되는 신체 부위에 따라서 작은 부위에 이용되는 경우 온도 구동기, 진동 구동기 및 압력 구동기가 각각 독립적으로 배치될 수도 있다.
도 9는 모듈화되어 배치된 구동기 세트(320)의 배열 구조를 도시한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 외피 부재(310)의 넓이에 걸쳐 복수의 구동기 세트(320)가 격자 형태로 모듈화되어 배치된다. 각 구동기 세트(320)는 전류를 전달하는 도선에 의해 전기적으로 연결된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 자극 생성 시스템을 통해 사용자에게 자극을 전달하는 과정을 설명한다.
다시 도 2를 참조하면, 사용자는 전신에 착용가능하도록 외피 부재(110)가 옷 형태로 재단된 외피 부재(300)를 입는다.
원격지의 로봇(500)은 점선으로 표시된 바와 같이, 사용자의 신체와 실질적으로 대응되는 인간형 로봇이다.
로봇(500)의 표면에는 사용자가 착용한 외피 장치(300)에 배열된 구동기의 위치에 대응하여 센서들이 배치된다. 외피 장치(300)의 구동기들이 구동기 세트(320)의 배열로 구성되는 경우, 이에 대응하여 상기 온도 센서, 진동 센서 및 압력 센서로 이루어진 복수의 센서 세트가 격자 형태로 상기 로봇의 표면에 배치된다. 또한, 상기 온도 센서, 진동 센서 및 압력 센서의 위치 및 개수는 외피 장치(300)의 온도 구동기(321), 진동 구동기(323) 및 압력 구동기(322)의 위치 및 개수에 대응된다.
상기 로봇(500)은 사용자의 신체 구조와 실질적으로 동일한 인간형 로봇이므로, 사용자가 전신을 감싸는 옷 형태의 외피 장치(300)를 입는 것만으로도, 유사 부위(예를 들어, 사람의 팔과 로봇의 팔)에 대한 센서와 구동기의 위치 대응이 이루어진다.
상기 센서는, 로봇(500)에 가해지는 온도를 감지하는 온도 센서와, 로봇(500)에 가해지는 진동을 감지하는 진동 센서 및 로봇(500)에 가해지는 압력을 감지하는 압력 센서를 포함한다.
도시하지는 않았지만, 외피 장치(300)에는 제어장치가 구비된다. 상기 제어장치는 로봇(500)의 센서로부터 전달되는 신호를 받고, 그 신호를 이용하여 각 구동기를 구동시킨다. 구체적으로, 상기 제어장치는, 상기 온도 센서에서 측정된 온도 자극에 대응하여 온도 구동기(321)를 구동시키고, 상기 진동 센서에서 측정된 진동 자극에 대응하여 진동 구동기(323)를 구동시키며, 상기 압력 센서에서 측정된 압력 자극에 대응하여 압력 구동기(322)를 구동시키게 된다.
다시 도 3을 참조하면, 만약 로봇(500)의 팔에 접촉이 발생하는 경우, 로봇의 센서는 압력 센서는 접촉 부위에서 가해지는 압력을 측정하고, 온도 센서는 접촉 부위의 온도를 측정하며, 진동 센서는 접촉 부위의 재질의 거칠기로부터 발생하는 진동을 감지하게 된다.
로봇(500)에서 자극을 감지한 센서의 위치와 각 자극의 크기는 상기 제어장치로 전송된다.
로봇(500)의 센서들의 위치는 외피 장치(300)의 위치와 대응하도록 되어 있으므로, 상기 제어장치는 해당 위치에 위치한 구동기들을 자극에 맞추어 구동시킨다. 예를 들어, 로봇(500)의 팔뚝 부분에 온도, 진동 및 압력이 감지되면, 사용자의 팔뚝 위에 위치한 외피 장치(300)의 온도 구동기, 진동 구동기 및 압력 구동기가 구동하여 사용자에게 자극을 전달하게 된다.
본 실시예에 따른 외피 장치(300)에 따르면, 유연한 재질로 구성된 외피 부재를 이용하여 의복과 같이 사용자가 몸체 착용하여 피부에 직접 감각을 전달할 수 있다. 또한, 외피 부재의 모양을 자유롭게 선택할 수 있어 다양한 형태와 크기로 만들어 질 수 있으며, 전신 혹은 필요 부위에 부착하여 사용이 가능하다.
3. 시청각장치
한편, 다시 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 감각재현 시스템은 시청각 장치를 포함한다.
시청각 장치는 사용자가 안경처럼 착용하여 영상을 볼 수 있는 영상 장치와, 이어폰 등 음성 정보를 확인할 수 있는 음성 장치를 포함한다.
평상시에, 상기 영상 장치는 로봇에 구비된 카메라 등에서 수집된 영상 정보를 그대로 사용자에게 보여주고, 로봇에 구비된 음성 수집 장치를 통해 수집된 음성 정보를 그래도 사용자에게 들려준다.
하지만, 본 실시예에 따른 시청각 장치는, 로봇(500)에 외력이나 자극이 가해지면, 가해진 외력 또는 자극에 따라 상기 영상 및 음성 정보를 편집하여 왜곡된 영상 및 음성 정보를 사용자에게 전달한다.
예를 들어, 로봇(500)의 팔에 외부에서 충격이 가해지면, 시청각 장치는 로봇(500)에서 전송된 영상을 상하좌우로 흔들어 편집함으로써 사용자에게 충격이 발생하였음을 인식시킨다. 아울러, "쾅" 소리와 같은 효과음을 음성 정보에 삽입하여 사용자에게 충격이 발생하였음을 청각적으로 인식시킨다.
또한, 상기 시청각 장치는 로봇(500)의 팔에 힘이 가해지는 경우 로봇(500)에 의해 수집된 영상 정보를 사용자에게 시간차를 두고 보여주도록 함으로써, 팔이 자신의 의도대로 움직이지 않고 있다는 정보를 전달할 수도 있다.
여기서 로봇에 가해지는 충격과 자극에 관한 정보는 상술한 외근력장치 및 외피장치에 의해 수집된 정보이다.
본 발명의 실시예에 따른 감각재현 시스템은 사용자의 전신에 적용될 수 있는 외근력장치와 외피장치를 이용하여 원격지 로봇 전체에 가해지는 접촉 및 자극 등을 사용자에게 적절히 피드백함으로써, 사용자와 로봇이 상호 작용이 원할하게 이루어지는 제어 시스템을 형성할 수 있다.
또한, 시청각 장치를 적용하여 사람과 로봇이 실질적으로 동일한 상호작용을 하게 되므로, 로봇을 효과적으로 제어할 수 있게 된다.
100: 사용자
200: 외근력장치
300: 외피장치
400: 시청각 장치
500: 로봇

Claims (7)

  1. 사용자와 원격지의 로봇이 상호작용하도록 하는 감각재현 시스템으로서,
    사용자의 피부에 밀착되는 외피 부재와, 상기 외피 부재 속에 삽입되어 상기 사용자의 피부에 자극을 전달하는 복수의 구동기를 포함하는 외피장치;
    상기 외피 부재의 바깥쪽에 배치되고, 사용자의 외골격을 따라 배치되어 사용자의 동작에 순응해 동작하는 외근력장치;
    상기 로봇에 구비되며, 상기 로봇에 가해지는 외력 및 자극을 감지하는 센서;
    상기 외피장치와 상기 외근력장치에 연결되며, 상기 로봇의 센서에 의해 감지된 신호를 이용해 상기 외피장치와 상기 외근력장치를 제어하는 제어 장치를 포함하고,
    상기 외근력장치는, 상기 사용자의 관절 동작을 상기 로봇에 전달하여 상기 로봇의 관절을 동작시키고, 상기 로봇의 관절에 가해지는 외력의 위치 및 크기에 따라 상기 외근력장치를 제어하여 사용자의 관절에 역감을 전달하는 링크 구조체이고,
    상기 외피장치는,상기 로봇의 표면에 가해지는 자극을 재현해 상기 사용자의 피부에 전달하고,
    상기 링크 구조체는, 사용자의 관절에 의해 연결되는 상박부와 하박부에 각각 고정되는 두 링크암이 링크 연결부에 의해 힌지 연결되어 상기 상박부와 하박부와 함께 폐루프를 형성하는 링크 유닛이 병렬로 연결되고,
    상기 링크 연결부에는 상기 링크 연결부에는 회전각 측정 센서와 토크 엑츄에이터가 구비되는 것을 특징으로 하는 감각재현 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 외피장치는,
    탄력을 가져 사용자의 피부에 밀착되는 유연한 재질의 외피 부재;
    상기 외피 부재에 삽입되어, 온도를 변화시키는 온도 구동기, 진동을 발생시키는 진동 구동기 및 상기 피부에 압력을 가하는 압력 구동기를 포함하고,
    상기 로봇의 표면에는 상기 로봇에 가해지는 온도를 감지하는 온도 센서, 상기 로봇에 가해지는 진동을 감지하는 진동 센서 및 상기 로봇에 가해지는 압력을 감지하는 압력 센서가 구비되며,
    상기 온도 센서에서 측정된 온도 자극에 대응하여 상기 온도 구동기를 구동시키고,
    상기 진동 센서에서 측정된 진동 자극에 대응하여 상기 진동 구동기를 구동시키며,
    상기 압력 센서에서 측정된 압력 자극에 대응하여 상기 압력 구동기를 구동시키는 것을 특징으로 하는 감각재현 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    로봇에 구비된 영상 수집 장치 및 음성 수집 장치에서 수집된 영상 및 음성을 사용자에게 전달하는 시청각 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감각재현 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 시청각 장치는,
    상기 로봇에 의해 가해진 외력 또는 자극에 따라 상기 영상 및 음성 정보를 편집하여 왜곡된 영상 및 음성 정보를 사용자에게 전달하는 것을 특징으로 하는 감각재현 시스템.
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