KR101421449B1 - 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스 - Google Patents

롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스 Download PDF

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KR101421449B1
KR101421449B1 KR1020130012808A KR20130012808A KR101421449B1 KR 101421449 B1 KR101421449 B1 KR 101421449B1 KR 1020130012808 A KR1020130012808 A KR 1020130012808A KR 20130012808 A KR20130012808 A KR 20130012808A KR 101421449 B1 KR101421449 B1 KR 101421449B1
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이설희
신은철
이호길
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명은 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스에 관한 것으로, 그 목적은 직렬 구조와 병렬 구조가 혼합된 구조를 구비하는 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 사용자의 움직임에 따른 신호를 발생하는 센서; 사용자의 조작 신호에 대응하는 움직임을 만들어내는 기구부; 및 상기 센서에서 발생되는 신호와 사용기기로부터 피드백되는 신호에 기초하여 기구부를 제어하는 제어부로 구성된 햅틱 디바이스에 있어서, 상기 기구부는, 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 수직 상부에서 베이스 플레이트와 이격되게 배치된 구동 플레이트; 상기 베이스 플레이트에 하단부가 결합되고, 상기 구동 플레이트에 상단부가 결합된 제1 리니어 액추에이터; 상기 제1 리니어 액추에이터와 이격된 위치에서 상기 베이스 플레이트에 하단부가 결합되고, 상기 구동 플레이트에 상단부가 결합되어 상기 제1 리니어 액추에이터와 함께 피치, 요 회전에 대한 움직임을 만들어내는 제2 리니어 액추에이터; 상기 제1,2 리니어 액추에이터와 삼각형의 배치구조를 형성하도록 배치되며, 상기 베이스 플레이트에 하단부가 결합되고, 상기 구동 플레이트에 상단부가 결합된 가이드 유닛; 및 상기 구동 플레이트에 설치되어 롤 회전에 대한 움직임을 만들어내며, 사용자로부터 조작 신호를 받기 위한 핸들과 연결된 로터리 액추에이터로 구성된 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스를 제공한다.

Description

롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스{Haptic device}
본 발명은 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두 개의 리니어 액추에이터가 병렬 구조로 배치되고, 하나의 로터리 액추에이터가 상기 두 리니어 액추에이터와 직렬 구조를 갖도록 배치되어 직렬과 병렬 구조가 혼합된 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스에 관한 것이다.
일반적으로 햅틱기술은 사용자와 가상환경과의 상호 작용을 위해 고안된 것으로, 사용자는 햅틱 디바이스를 통해 가상환경에 명령을 내리고 가상환경에서 오는 촉감이나 힘을 햅틱 디바이스를 통해 전달받게 되며, 사용자는 상기와 같은 햅틱기술을 이용함으로써 현실에 보다 근접한 가상환경의 체험이 가능하게 된다.
이러한 햅틱기술은 의료, 항공, 게임 등 다양한 분야에서 폭넓게 응용되고 있다.
한편, 햅틱 디바이스는 센서와 액추에이터로 구성되며, 상기 액추에이터의 구조에 따라 직렬형 또는 병렬형으로 구분될 수 있다.
한편, 대한민국 공개특허공보 제2010-0019203호에는 직렬형 햅틱 디바이스가 도면을 통해 예시되어 있고, 대한민국 공개특허공보 제2004-0100011호에는 병렬형 햅틱 디바이스가 개시되어 있다.
상기 직렬형 햅틱 디바이스는 작업공간이 넓고 해석이 쉬운 장점을 갖고 있으나, 토크가 작은 문제점이 있고, 상기 병렬형 햅틱 디바이스는 다자유도의 구현이 쉽고 구조적으로 강성이 우수하여 큰 힘을 반영할 수 있는 장점이 있으나, 해석이 어렵고 작업공간이 협소한 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2010-0019203 (2010.02.15) 대한민국 공개특허공보 10-2004-0100011 (2004.12.02)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 직렬 구조와 병렬 구조가 혼합된 구조를 구비하는 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 사용자의 움직임에 따른 신호를 발생하는 센서; 사용자의 조작 신호에 대응하는 움직임을 만들어내는 기구부; 및 상기 센서에서 발생되는 신호와 사용기기로부터 피드백되는 신호에 기초하여 기구부를 제어하는 제어부로 구성된 햅틱 디바이스에 있어서, 상기 기구부는, 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트의 수직 상부에서 베이스 플레이트와 이격되게 배치된 구동 플레이트; 상기 베이스 플레이트에 하단부가 결합되고, 상기 구동 플레이트에 상단부가 결합된 제1 리니어 액추에이터; 상기 제1 리니어 액추에이터와 이격된 위치에서 상기 베이스 플레이트에 하단부가 결합되고, 상기 구동 플레이트에 상단부가 결합되어 상기 제1 리니어 액추에이터와 함께 피치, 요 회전에 대한 움직임을 만들어내는 제2 리니어 액추에이터; 상기 제1,2 리니어 액추에이터와 삼각형의 배치구조를 형성하도록 배치되며, 상기 베이스 플레이트에 하단부가 결합되고, 상기 구동 플레이트에 상단부가 결합된 가이드 유닛; 및 상기 구동 플레이트에 설치되어 롤 회전에 대한 움직임을 만들어내며, 사용자로부터 조작 신호를 받기 위한 핸들과 연결된 로터리 액추에이터로 구성되며, 상기 제1 리니어 액추에이터와 제2 리니어 액추에이터 및 가이드 유닛 각각이, 유니버셜 조인트를 매개로 구동 플레이트와 결합된 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스를 제공한다.
삭제
또한 본 발명은, 상기 제1 리니어 액추에이터와 제2 리니어 액추에이터 각각이, 상기 베이스 플레이트에 설치되는 고정블록; 상기 고정블록에 설치된 모터; 상기 고정블록에 설치되며, 모터로부터 제공되는 회전력에 의해 회전하는 볼스크류; 상기 볼스크류에 결합되어 볼스크류의 회전에 의해 이동하며 구동 플레이트와 연결되는 너트형 이동블록; 및 상기 고정블록에 설치되며 너트형 이동블록과 연결되어 너트형 이동블록의 이동을 지지하는 LM 가이드로 구성된 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스를 제공한다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 병렬 구조로 배치된 제1,2 리니어 액추에이터에 의하여 피치와 요 회전에 대한 움직임이 만들어지고, 상기 제1,2 리니어 액추에이터와 직렬 구조로 배치된 로터리 액추에이터에 의해 롤 회전에 대한 움직임이 만들어짐으로써, 피치와 요 회전에 대해서는 작은 회전각을 가지나 큰 토크를 갖고, 롤 회전에 대해서는 큰 회전각을 가지나 작은 토크를 갖는 햅틱 디바이스를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 디바이스의 구조를 보인 사시도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 디바이스의 구조를 보인 정면도,
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 디바이스의 구조를 보인 측면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 디바이스의 구조를 보인 사시도를, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 디바이스의 구조를 보인 정면도를, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 디바이스의 구조를 보인 측면도를 도시하고 있다.
본 발명에 따른 햅틱 디바이스는 사용자의 움직임에 따른 신호를 발생하는 센서(100)와, 사용자의 조작 신호에 대응하는 움직임을 만들어내는 기구부(200)와, 상기 센서(100)에서 발생되는 신호와 사용기기로부터 피드백되는 신호에 기초하여 기구부(200)를 제어하는 제어부(300)로 구성된다.
상기 센서(100)는 사용자의 조작 신호를 감지하는 것이다. 이러한 센서(100)는 다양한 구조로 설치될 수 있으며, 도 1 내지 도 3에는 로터리 액추에이터(260)와 핸들(110)의 사이에 센서(100)가 설치된 구조가 예시되어 있으며, 이러한 센서(100)로는 공지의 F/T 센서(Force/Torque sensor)가 사용될 수 있다.
상기 기구부(200)는 베이스 플레이트(210), 구동 플레이트(220), 제1 리니어 액추에이터(230), 제2 리니어 액추에이터(240), 가이드 유닛(250), 로터리 액추에이터(260)로 구성된다.
상기 베이스 플레이트(210)는 평판 형상의 부재로써, 햅틱 디바이스의 하단부에 배치되어 제1,2 리니어 액추에이터(230,240) 및 가이드 유닛(250)의 하단부를 지지하는 역할을 한다.
상기 구동 플레이트(220)는 베이스 플레이트(210)의 수직 상부에서 구동 플레이트(220)와 이격된 구조로 배치되며, 이러한 구동 플레이트(220)는 제1,2 리니어 액추에이터(230,240)의 작동에 의하여 피치 회전을 하거나 또는 요 회전을 하게 된다.
상기 제1 리니어 액추에이터(230)는 하단부가 베이스 플레이트(210)에 결합되고, 상단부가 구동 플레이트(220)에 결합되게 설치된다. 이러한 제1 리니어 액추에이터(230)는 길이의 신축을 통해 구동 플레이트(220)를 피치 회전 또는 요 회전시키게 된다.
한편, 상기 제1 리니어 액추에이터(230)의 하단부는 베이스 플레이트(210)에 고정된 구조로 결합되고, 상단부는 유니버셜 조인트(J1)를 매개로 구동 플레이트(220)와 결합된다.
상기 제2 리니어 액추에이터(240)는 제1 리니어 액추에이터(230)와 이격된 위치에서 베이스 플레이트(210)에 하단부가 결합되고, 상기 구동 플레이트(220)에 상단부가 결합된다.
이러한 제1 리니어 액추에이터(230)의 하단부는 베이스 플레이트(210)에 고정된 구조로 결합되고, 상단부는 유니버셜 조인트(J2)를 매개로 구동 플레이트(220)와 결합된다.
이와 같이 서로 이격된 채로 나란하게 배치된 제1,2 리니어 액추에이터(230,240)가 같은 방향으로 작동할 경우, 즉 신장되거나 수축되는 것을 함께 하는 경우, 구동 플레이트(220)는 피 회전을 하게 되고, 제1,2 리니어 액추에이터(230,240)가 서로 반대 방향으로 작동하는 경우, 구동 플레이트(220)는 요 회전을 하게 된다.
한편, 설치 위치의 차이로 인하여 제1 리니어 액추에이터(230)와 제2 리니어 액추에이터(240)를 구분하여 설명하였으나, 제1,2 리니어 액추에이터(230,240)는 동일한 구조의 리니어 액추에이터에 의해 구성된다.
상기 제1,2 리니어 액추에이터(230,240)를 구성하는 리니어 액추에이터는 고정블록(231)과, 모터(232)와, 볼스크류(233)와, 너트형 이동블록(234)과, LM 가이드(235)로 구성된다.
상기 고정블록(231)은 베이스 플레이트(210)에 고정되게 설치된다. 이러한 고정블록(231)은 베이스 플레이트(210)에 결합되는 부분(231a), 볼스크류(233)를 지지하는 부분(231b), 모터(232)가 설치되는 부분(231c)으로 구성되며, 상기 언급된 부분(231a,231b,231c)이 모여 고정블록(231)을 구성하게 된다.
상기 모터(232)는 고정블록(231)에 설치되어 볼스크류(233)의 회전을 위한 동력을 제공하게 된다.
상기 볼스크류(233)는 고정블록(231)에 설치되며, 모터(232)로부터 제공되는 회전력에 의해 회전하면서 너트형 이동블록(234)을 이동시키게 된다. 이러한 볼스크류(233)는 모터(232)와 직접 연결되거나, 벨트/풀리와 같은 공지의 동력전달기구를 매개로 모터(232)와 연결될 수 있다.
상기 너트형 이동블록(234)은 볼스크류(233)에 결합되어 볼스크류(233)의 회전에 의해 이동하며, 구동 플레이트(220)와 유니버셜 조인트를 매개로 연결된다.
상기 LM 가이드(235)는 고정블록(231)에 설치되며, 너트형 이동블록(234)과 연결되어 너트형 이동블록(234)의 이동을 지지하는 것이다. 이러한 LM 가이드(235)는 주지된 바와 같이, 가이드 바(235a)와 가이드 블록(235b)으로 구성되며, 상기 가이드 바(235a)는 고정블록(231)에 설치되고, 상기 가이드 블록(235b)은 가이드 바를 따라 이동하도록 설치되며 너트형 이동블록(234)과 결합되게 설치된다.
이와 같이 구성된 리니어 액추에이터는 모터(232)의 구동에 의한 볼스크류(233)의 회전에 의하여 너트형 이동블록(234)이 이동하면서 길이가 신장되거나 축소되며, 이러한 리니어 액추에이터의 길이 변화에 의하여 구동 플레이트(220)가 움직이게 된다.
상기 가이드 유닛(250)은 제1,2 리니어 액추에이터(230,240)와 삼각형의 배치구조를 형성하도록 배치되며, 상기 베이스 플레이트(210)에 하단부가 결합되고, 상기 구동 플레이트(220)에 상단부가 결합된다.
이러한 가이드 유닛(250)은 제1,2 리니어 액추에이터(230,240)와 마찬가지로 하단부는 베이스 플레이트(210)에 고정되고, 상단부는 유니버셜 조인트(J3)를 매개로 구동 플레이트(220)와 결합된다.
상기 로터리 액추에이터(260)는 구동 플레이트(220)에 설치되어 롤 회전에 대한 움직임을 만들어내는 것이다. 이러한 로터리 액추에이터(260)는 전기, 유압, 공압 등 다양한 구동방식의 로터리 액추에이터(260)가 이미 널리 사용되고 있는 바, 로터리 액추에이터(260)에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 구동 플레이트(220)에 설치된 로터리 액추에이터(260)에는 센서(100)가 설치되고, 상기 센서(100)는 핸들(110)과 연결된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 햅틱 디바이스의 작동은 이미 널리 사용되고 있는 햅틱 디바이스와 같은 방식으로 이루어지게 된다.
즉, 사용자가 핸들(110)을 잡고 움직이게 되면, 핸들(110)의 움직임을 감지한 센서(100)로부터 신호가 발생되고, 상기 신호는 제어부(300)를 통해 미도시된 사용기기로 전달되어 사용기기의 작동을 유도하게 된다. 상기 언급된 사용기기는 원격제어로봇이나 가상환경을 구현하는 컴퓨터 등 햅틱기술의 적용이 가능한 기기이다.
한편, 상기 제어부(300)는 센서(100)에서 감지된 신호에 따라 기구부(200)를 제어함에 있어서, 사용기기의 작동과정에서 발생되는 진동, 반력, 충격 등 다양한 정보를 사용기기로부터 피드백 받아 기구부(200)를 제어하는데 반영함으로써, 사용기기의 작동과정에서 발생되는 진동이나 충격 등을 사용자가 직접 느끼며 조작할 수 있는 환경을 제공하게 된다.
상기와 같이 제어부(300)에 의하여 기구부(200)가 제어됨에 있어서, 본 발명에 따른 햅틱 디바이스는 제1 리니어 액추에이터(230)와 제2 리니어 액추에이터(240)가 함께 신장되거나 수축되는 경우, 구동 플레이트(220)가 전후방향으로 기울어지며 피치 회전이 구현된다.
반면, 제1 리니어 액추에이터(230)와 제2 리니어 액추에이터(240)가 서로 반대방향으로 움직이는 경우, 구동 플레이트(220)가 좌우방향으로 기울어지며 요 회전이 구현된다.
물론, 제1,2 리니어 액추에이터(230,240)가 동일한 방향으로 함께 신축되되 신축되는 길이를 달리하거나, 또는 제1,2 리니어 액추에이터(230,240)가 서로 다른 방향으로 신축되되 신축되는 길이를 달리하도록 함으로써, 피치 회전과 요 회전이 혼합된 형태의 회전을 구현할 수도 있다.
이처럼 본 발명에 따른 햅틱 디바이스는 병렬 구조로 배치된 제1 리니어 엑추에이터와 제2 리니어 액추에이터(240)를 이용하여 피치 회전과 요 회전을 구현하며, 이러한 피치 회전과 요 회전은 작은 회전각을 가지나 큰 토크를 갖게 된다.
상기 제1,2 리니어 액추에이터(230,240)와 직렬 구조를 갖도록 배치된 로터리 액추에이터(260)의 구동에 의해 롤 회전이 이루어지게 되며, 이러한 로터리 액추에이터(260)에 의한 롤 회전은 큰 회전각을 갖지만 작은 토크를 갖게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 햅틱 디바이스는 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 갖는 장치로써, 직렬 구조와 병렬 구조가 혼합되어 피치와 요 회전에 대해서는 큰 토크를 제공하고, 롤 회전에 대해서는 큰 회전각을 제공하게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 센서 110: 핸들
200: 기구부 210: 베이스 플레이트
220: 구동 플레이트 230: 제1 리니어 액추에이터
231: 고정블록 232: 모터
233: 볼스크류 234: 너트형 이동블록
235: LM 가이드 240: 제2 리니어 액추에이터
250: 가이드 유닛 260: 로터리 액추에이터
300: 제어부

Claims (3)

  1. 사용자의 움직임에 따른 신호를 발생하는 센서(100); 사용자의 조작 신호에 대응하는 움직임을 만들어내는 기구부(200); 및 상기 센서(100)에서 발생되는 신호와 사용기기로부터 피드백되는 신호에 기초하여 기구부(200)를 제어하는 제어부(300)로 구성된 햅틱 디바이스에 있어서,
    상기 기구부(200)는,
    베이스 플레이트(210);
    상기 베이스 플레이트(210)의 수직 상부에서 베이스 플레이트(210)와 이격되게 배치된 구동 플레이트(220);
    상기 베이스 플레이트(210)에 하단부가 결합되고, 상기 구동 플레이트(220)에 상단부가 결합된 제1 리니어 액추에이터(230);
    상기 제1 리니어 액추에이터(230)와 이격된 위치에서 상기 베이스 플레이트(210)에 하단부가 결합되고, 상기 구동 플레이트(220)에 상단부가 결합되어 상기 제1 리니어 액추에이터(230)와 함께 피치, 요 회전에 대한 움직임을 만들어내는 제2 리니어 액추에이터(240);
    상기 제1,2 리니어 액추에이터(230,240)와 삼각형의 배치구조를 형성하도록 배치되며, 상기 베이스 플레이트(210)에 하단부가 결합되고, 상기 구동 플레이트(220)에 상단부가 결합된 가이드 유닛(250); 및
    상기 구동 플레이트(220)에 설치되어 롤 회전에 대한 움직임을 만들어내며, 사용자로부터 조작 신호를 받기 위한 핸들(110)과 연결된 로터리 액추에이터(260)로 구성되며,
    상기 제1 리니어 액추에이터(230)와 제2 리니어 액추에이터(240) 및 가이드 유닛(250) 각각은, 유니버셜 조인트(J1,J2,J3)를 매개로 구동 플레이트(220)와 결합된 것을 특징으로 하는 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 리니어 액추에이터(230)와 제2 리니어 액추에이터(240) 각각은,
    상기 베이스 플레이트(210)에 설치되는 고정블록(231);
    상기 고정블록(231)에 설치된 모터(232);
    상기 고정블록(231)에 설치되며, 모터(232)로부터 제공되는 회전력에 의해 회전하는 볼스크류(233);
    상기 볼스크류(233)에 결합되어 볼스크류(233)의 회전에 의해 이동하며 구동 플레이트(220)와 연결되는 너트형 이동블록(234); 및
    상기 고정블록(231)에 설치되며 너트형 이동블록(234)과 연결되어 너트형 이동블록(234)의 이동을 지지하는 LM 가이드(235)로 구성된 것을 특징으로 하는 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스.
KR1020130012808A 2013-02-05 2013-02-05 롤, 피치, 요 회전에 대하여 입력과 출력을 가지는 햅틱 디바이스 KR101421449B1 (ko)

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