KR101474875B1 - 역감 생성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 역감 생성 장치는, 신체부와 접촉하도록 되어 있는 가요성 하우징과, 상기 하우징 내부에 배치되는 복수 개의 입자와, 상기 하우징 내부를 진공 상태로 할 수 있는 진공 제어부를 포함한다.

Description

역감 생성 장치{Feedback Force Generation Device}

본 발명은 역감(feedback force) 생성 장치에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 입자(granular particle)의 재밍 현상(jamming)을 이용하여 인간의 신체부에 가해지는 역감을 다양하게 생성 및 제어할 수 있는 역감 생성 장치에 관한 것이다.

인간이 어떤 동작을 하거나 어떤 상태에서 인간의 신체에 가해지는 역감을 생성하는 기술이 최근에 개발되어 오고 있는데, 그 일례로서 2012년 2월 10일에 공개된 한국특허출원공개 제10-2012-0012675에 개시된 바와 같이 모터를 이용하여 인간의 손가락에 능동적으로 역감을 생성하는 기술이 있다. 그러나 이러한 기술에서는 관절 토크를 전달하거나 손가락 끝에 역감을 전달하기 때문에 실감성이 부족하며, 크고 무거운 구동기(모터)와 링크 메커니즘을 이용하기 때문에 역감 생성 장치의 무게가 증대하고 부피 역시 큰 단점이 상존한다.

본 발명은 이러한 종래 기술에 의한 역감 생성 장치의 문제점을 해결함으로써 무게가 가볍고 부피 역시 작으며, 역감 생성을 정밀하게 제어할 수 있는 역감 생성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 역감 생성 장치는, 신체부와 접촉하도록 되어 있는 가요성 하우징과, 상기 하우징 내부에 배치되는 복수 개의 입자와, 상기 하우징 내부를 진공 상태로 할 수 있는 진공 제어부를 포함한다.

본 발명에 의한 역감 생성 장치의 다른 실시예에 의하면, 제1 신체부와 접촉하는 제1 가요성 파지부와, 제2 신체부와 접촉하며 상기 제1 파지부와 협력하여 소정의 가상 물체를 파지하는 제2 가요성 파지부와, 상기 제1 가요성 파지부에 배치되는 복수 개의 제1 입자와, 상기 제2 가요성 파지부에 배치되는 복수 개의 제2 입자와, 상기 제1 가요성 파지부 내부를 진공 상태로 할 수 있는 제1 진공 제어부와, 상기 제2 가요성 파지부 내부를 진공 상태로 할 수 있는 제2 진공 제어부를 포함한다.

상기 제1 가요성 파지부와 제2 가요성 파지부는 서로 연통되도록 구성할 수 있다. 또는, 상기 제1 입자와 상기 제2 입자는 동일한 입자로 구성할 수 있다.

상기 제1 진공 제어부와 상기 제2 진공 제어부는 단일의 진공 제어부로 구성하여 진공 제어부에 의해 함께 역감 생성을 하게 할 수 있다.

본 발명에 의한 역감 생성 장치에서 진공 제어부는 진공 압력의 조절이 가능한 진공 제어부로서, 하우징 또는 가요성 파지부에 인가되는 외부 압력의 크기를 조정할 수 있도록 구성할 수 있다.

본 발명에 의하면, 복잡하지 않은 구조로 정밀하게 역감 생성을 제어할 수 있으므로 종래 기술에 의한 역감 생성 장치의 단점을 극복할 수 있는 효과가 제공된다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 의한 역감 생성 장치에서의 수직력과 변위 및 유효 강성과의 관계를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 의한 역감 생성 장치가 작동하기 전에 신체부에 접촉하고 있는 상태의 개념도.
도 6은 도 5의 역감 생성 장치가 작동하여 신체부에 역감을 제공하는 상태의 개념도.
도 7은 본 발명의 역감 생성 장치의 일 실시예의 사시도.
도 8은 도 7의 역감 생성 장치를 손가락에 끼운 상태의 사시도.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

본 명세서에서는 본 발명에 의한 역감 생성 장치의 기본 원리에 대해서 설명하고, 역감 생성 장치의 일례로서 손가락에 착용하는 역감 생성 장갑에 대해서 설명하지만 본 발명은 신체부에 대해서 역감을 제공하는 장치 모두를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 복수 개의 입자들(10; granular particle)이 배치되어 있는 가요성 챔버(flexible chamber)를 진공상태로 하면, 도 1의 아래쪽에 도시된 바와 같이 가요성 챔버에 대기압이 작용하면서 챔버 내부에서의 입자 배열 밀도가 높아지고, 입자에 변형이 발생하게 된다. 이와 같이 밀도가 높아지면 단단해지게 되는데 이를 재밍효과(jamming effect)라고 한다. 본 명세서 및 첨부 도면에서 "가요성"이라 함은, 대기압 및/또는 (내부 압력보다 높은) 소정의 압력이 챔버(하우징)의 외부에서 작용할 때 그 형태가 변형 가능한 특성으로 정의된다.

챔버 내에 배치되는 입자를 비압축성의 비선형 탄성 물질(incompressible nonlinear elastic material)의 경우 3차원 구성방정식은 아래와 같이 표현할 수 있다.

(n: 물질에 따른 응력지수(stress exponent), k_s: 응력 단위의 상수)

Von Mises 응력은 다음과 같이 표현할 수 있다.

스트레인 요소(strain component)는 다음과 같이 표현된다.

(u_i: infenitesimal displacement,

는 j번째 직교 좌표(orthogonal coordinate)에 대한 u_i의 미분값)

그리고 응력 평형(stress equilibrium)으로 인해서 다음과 같은 수학식 5가 성립한다.

반지름이 R₀인 비선형 탄성구(nonlinear elastic sphere)가 단단한 판(plate)에 접촉할 때를 고려해 보면, 원통 극좌표계(cylindrical polar coordinate)에서 구의 표면 경계 조건(boundary condition)은 다음과 같다.

r > a (접촉이 없는 경우)

r < a (접촉한 경우)

(σ_t: 접선 응력(tangential stress), σ_n: 수직 응력(normal stress), a: 접촉 면적의 반지름, u(r): 접촉부 표면의 변위, d: r=0일 때 접촉부의 변위)

원 접촉면의 force balance는 다음과 같다.

(σ_zz: 접촉면의 수직 응력 성분)

무차원변수를 다음과 같이 정의하기로 한다.

수학식 4에

와

를 대입하면 다음과 같은 수학식을 구할 수 있다.

따라서, 다음과 같은 식을 구할 수 있다.

여기서 적분항은 무차원이다. 따라서 상수항을 모두 모으면 다음과 같다.

(γ: 수직력의 지수(exponent of normal force, c: 입자 크기와 재료에 따른 상수)

수학식 17 및 18은 접촉면의 반지름 및 작용하는 수직력의 관계에 대한 멱함수 법칙(power law)로 정의할 수 있다.

이 멱함수 법칙을 이용해서 도 2에 도시된 바와 같이 두 입자가 접촉하는 경우에 있어서의 접촉 강성(contact stiffness)를 유도해 보기로 한다.

도 2와 같이 입자가 접촉하는 경우에 기하학적 조건을 다음과 같이 규정할 수 있다.

d ≪ R₀라고 가정하고, 수학식 19를 수학식 18에 대입하면 다음과 같이 d와 수직력 N과의 관계식을 구할 수 있다.

여기에서

d와 N과의 관계식을 구했으므로, 이를 토대로 접촉부의 수직 변위 변화량에 대한 수직력의 변화량의 비로서 비선형 접촉 강성(nonlinear contact stiffness)를 다음과 같이 구할 수 있다.

(p:압력, A: 유효 면적)

다음으로 도 3과 같이 여러 입자들(10)이 가요성 챔버 내에 배치되는 경우에 유효 강성(effective stiffness)을 유도하기로 한다. 여기에서 압력 p는 가요성 챔버 내를 진공상태로 함으로써, 대기압과 가요성 챔버 내의 진공 압력과의 차이로 인해 가요성 챔버에 가해지는 압력이다.

본 유효 강성 유도에 있어서는 각각의 입자(10)를 도 3에서와 같이 스프링으로 모델링한다. 따라서 입자들(10)의 배치에 따라서 전체 유효 강성이 변하게 되는데, 스프링의 병렬 연결과 직렬 연결 관계를 통해서 다음과 같이 유효 강성을 유도할 수 있다.

즉 유효 강성은, 입자(10)의 크기, 외부에서 가해지는 압력, 그리고 입자들의 배치에 따라 변화한다. 압력의 크기에 따라서 입자(10)에 작용하는 수직력(N)의 크기가 결정되고 그에 따라서 변위(d)가 결정된다. 도 4의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이 수직력(N)과 변위(d)의 관계는 비선형적이다. 따라서, 압력의 크기를 변화시킴으로써 다른 유효 강성을 획득할 수 있게 된다.

이와 같이 가요성 챔버 내에 여러 개의 입자들(10)을 배치하고, 가요성 챔버를 진공 상태로 하며, 그 진공의 수준을 제어함으로써 유효 강성을 제어할 수 있게 되며, 그에 따라서, 가요성 챔버에 접촉하는 인간의 신체부에 가해지는 역감을 자유롭고 정밀하게 제어할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 인간의 신체부(100)에 역감 생성 장치(200)의 하우징(250)를 접촉시킨 상태에서, 진공 제어부(300)를 작동시켜 여러 개의 입자들(10)이 배치되어 있는 하우징(250) 내부를 진공 상태로 하면, 도 6에 도시된 바와 같이 하우징(250)이 대기압에 의해 찌그러지면서 내부의 입자들(10)의 밀도가 높아진다. 하우징(250)은 가요성 소재로 구성된다.

진공 제어부(300)는 통상의 진공 펌프로 구성되는데, 진공의 수준을 제어할 수 있는 진공 펌프 및/또는 제어부를 포함하는 것이 바람직하며, 진공 펌프의 구성은 공지되어 있는 진공 펌프를 이용하면 되므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다. 진공 수준을 제어하지 못하며 단순히 미리 설정되어 있는 진공 압력의 진공 상태로만 작동 가능한 진공 제어부인 경우에도 본 발명의 기본적이고 본질적인 특징을 구현할 수는 있음이 명백하게 이해되어야 한다.

진공 제어부(300)를 이용하여 하우징(250) 내부의 진공 수준을 제어하면, 하우징(250)에 가해지는 외부 압력을 제어할 수 있고, 따라서, 역감 생성 장치(200)의 유효 강성을 원하는 대로 변화시킬 수 있다. 결국 그에 따라서, 하우징(250)에 접촉하는 인간의 신체부(100)에 인가되는 역감이 정밀하게 제어될 수 있다. 본 발명에 의한 역감 생성 장치(200)가 접촉하는 인간의 신체부는, 역감을 느낄 필요가 있거나 소정의 강성이 필요한 부분이라면 인간의 어느 신체부이어도 무방하다. 예를 들어, 정형외과적 부상자들에게 처치하는 깁스에도 본 발명에 의한 역감 생성 장치(200)를 적용할 수 있으며, 전술한 바와 같은 가상 물체를 파지하는 역감 생성 장갑 등에도 적용할 수 있다.

한편, 하우징(250) 내부에 배치되는 여러 입자들은 동일한 소재의 입자로 구성하는 것이 바람직하지만, 서로 다른 소재의 입자로 구성하더라도 무방하다. 본 명세서 및 특허청구범위에서 "입자"는 단일 종류의 입자 뿐만 아니라, 서로 다른 소재 또는 크기의 다양한 입자들도 포함하는 것으로 정의된다.

도 7 및 도 8에는 본 발명을 적용하는 가상 물체 파지 장갑의 예시적인 실시예가 도시되어 있다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 가상 물체 파지 장갑은 제1 가요성 파지부(1)와, 제2 가요성 파지부(2)와, 진공 제어부에 연결되는 에어 석션 필터(5; air suction filter)를 포함한다. 에어 석션 필터(5)는 진공 제어부(도시되지 않음)에 연결되어, 제1 가요성 파지부(1) 및 제2 가요성 파지부(2) 내측의 공기를 빨아 들여 진공 상태로 하게 한다. 제1 가요성 파지부(1)와 제2 가요성 파지부(2)는 연결부(7)에 의해서 연결된다.

제1 가요성 파지부(1)에는 도 8에 도시된 바와 같이 인간 손(300)의 검지 손가락(제1 신체부)이 삽입되어 접촉하도록 되어 있으며, 제2 가요성 파지부(2)에는 엄지 손가락(제2 신체부)이 삽입되어 접촉하도록 되어 있다.

제1 가요성 파지부(1)의 내측에는 복수 개의 제1 입자(도시되지 않음)가 배치되어 있으며, 제2 가요성 파지부(2)의 내측에는 복수 개의 제2 입자(10)가 배치되어 있다. 제1 입자와 제2 입자는 서로 동일한 입자일 수도 있으며, 서로 다른 입자일 수도 있다. 그리고, 에어 석션 필터(5)가 도 7 및 도 8에는 한 개가 제공되는 것으로 도시되어 있지만, 제1 가요성 파지부(1)와 제2 가요성 파지부(2)의 역감을 독립적으로 제어하고자 하는 경우에는 에어 석션 필터(5) 역시 각각의 파지부에 대해서 별도로 제공되어 각 파지부 내부의 진공 수준을 별도로 제어해야 한다.

진공 제어부(도시되지 않음) 역시 단일의 진공 제어부가 제공되어 제1 가요성 파지부(1)와 제2 가요성 파지부(2)의 역감을 함께 제어할 수도 있으며, 또는 에어 석션 필터(5)가 각 파지부에 대해서 별도로 제공되는 경우에는, 독립적인 진공 제어부를 둠으로써, 각 파지부의 역감을 독립적으로 제어할 수 있게 구성하는 것도 가능하다.

이러한 변형 실시예는 도 7 및 도 8의 구성으로부터 용이하게 변형 가능한 것이므로, 자세한 설명과 도시는 생략하기로 한다.

제1 가요성 파지부(1)와 제2 가요성 파지부(2)의 역감을 동시에 제어하는 경우에는 제1 가요성 파지부(1)와 제2 가요성 파지부(2)가 서로 연통하게 할 수도 있고, 입자들은 서로 연통하지 않으면서 공기 배출 통로를 각 파지부에 대해서 별도로 둘 수도 있다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 손가락이 삽입되는 제1 가요성 파지부(1) 및 제2 가요성 파지부(2)의 상부측은 절개하는 것이 바람직하다. 소정의 가상 물체를 파지하는 경우에 손가락에서 역감이 느껴지는 부분은, 지문이 있는 손가락 단부이므로 굳이 역감 생성이 필요 없는 부분은 제1 가요성 파지부(1)와 제2 가요성 파지부(2)가 접촉할 필요가 없기 때문에, 그러한 부분은 절개하는 것이 바람직하다.

이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며, 첨부 도면 및/또는 전술한 실시예에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및/또는 수정도 본 발명의 권리범위에 포함됨이 명백하게 이해되어야 한다.

1: 제1 파지부
2: 제2 파지부
10: 입자
100:신체부
200: 역감 생성 장치
250: 하우징

Claims (4)

1. 신체부와 접촉하도록 되어 있는 가요성 하우징과,
   상기 하우징 내부에 배치되는 복수 개의 입자와,
   상기 하우징 내부의 진공 수준을 제어할 수 있는 진공 제어부를 포함하는,
   역감 생성 장치.
   
2. 제1 신체부와 접촉하는 제1 가요성 파지부와,
   제2 신체부와 접촉하며 상기 제1 파지부와 협력하여 소정의 가상 물체를 파지하는 제2 가요성 파지부와,
   상기 제1 가요성 파지부에 배치되는 복수 개의 제1 입자와,
   상기 제2 가요성 파지부에 배치되는 복수 개의 제2 입자와,
   상기 제1 가요성 파지부 내부의 진공 수준을 제어할 수 있는 제1 진공 제어부와,
   상기 제2 가요성 파지부 내부의 진공 수준을 제어할 수 있는 제2 진공 제어부를 포함하는,
   역감 생성 장치.
   
   
3. 청구항 2에 있어서,
   제1 가요성 파지부와 제2 가요성 파지부는 서로 연통되어 있는,
   역감 생성 장치.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 진공 제어부와 상기 제2 진공 제어부는 단일의 진공 제어부인,
   역감 생성 장치.
   

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