KR101484269B1 - Remote Handshake System and Control Method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인체의 손 형상으로 마련되어 사용자가 악수를 위하여 접촉하는 조작기; 조작기에 연결되어 조작기로부터 사용자에 의한 위치 정보를 입력받고 조작에 대응하여 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 사용자에게 역으로 전달하는 햅틱 장비; 및 햅틱 장비 간 정보를 상호 송수신하는 통신부를 포함하며, 햅틱 장비는, 조작기로부터 입력되는 위치 정보와 통신부를 통해 전송되는 반대 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 기초로 사용자에게 전달하는 힘을 산출하고 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하여 조작기를 제어하는 것을 특징으로 하는 원격 악수 시스템을 제공하여, 좀 더 실제적이고 다양한 감정 표현을 위해 악수할 때의 조작기와의 접촉 안정성을 향상시키며 가볍게 혹은 강하게 잡기의 적응적인 제어를 실행하여 실감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to an operation device, which is provided in the shape of a hand of a human body and is in contact with a user for shaking hands; A haptic device connected to the manipulator for receiving position information from a manipulator and receiving a stimulus generated from a difference in position information in response to the manipulation; And a communication unit for mutually transmitting and receiving information between the haptic device and the haptic device, wherein the haptic device calculates a force transmitting the user based on the stimulus generated from the difference between the positional information input from the manipulator and the opposite positional information transmitted through the communication unit And the controller is controlled in a range in which the contact stability is ensured so as to control the manipulator so as to improve the contact stability with the manipulator when shaking hands for more practical and various emotional expressions, There is an effect that the actual sensibility can be improved by executing the adaptive control.
Description
본 발명은 원격 악수 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 멀리 떨어진 사람과 악수를 할 때에 조작기와의 접촉 안정성을 향상시키며 가볍게 혹은 강하게 잡기의 적응적인 제어를 실행하여 실감도를 향상시킬 수 있는 원격 악수 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
악수는 인사, 감사, 친애, 화해 따위의 뜻을 나타내기 위하여 두 사람이 각자 손을 마주 내어 잡고 이후 맞잡은 손을 위아래로 흔드는 의식적인 행위로서 원격 악수 시스템은 원격 회의 시스템(Teleconferencing sytstem)이나 소셜 네트워크 서비스(SNS) 등에서 멀리 떨어진 사람과 악수를 함으로써 상대방과의 유대감을 증가시킬 수 있다.A handshake is a conscious act in which two people face each other and shake their hands together up and down to express the meaning of greetings, gratitude, dear, reconciliation. The remote handshake system is a teleconferencing system or a social network Service (SNS), etc., by making a handshake with a person far away can increase the bond with the other side.
원격 악수 시스템에서 안정성과 투명성은 중요한 문제이다. 안정성은 악수를 하는 조작자의 안전과 관련하여 아주 중요한 문제이고 투명성은 조작자가 실제 악수하는 느낌을 전달받아야 하기 때문에 아주 중요한 문제이다.Stability and transparency are important issues in remote handshake systems. Stability is a very important issue in relation to the safety of the operator who shakes hands, and transparency is a very important issue because the operator must be given the feeling of actually shaking hands.
1995년 Kunii와 Hashimoto는 원격 악수 시스템을 처음으로 제안하였는데 악력만을 고려하였다.(Yasuharu Kunii and Hideki Hashimoto, "Tele-handshake using Handshake Device", Proceedings of the IEEE 21 st International Conference on Industrial Electronics , Control , and Instrumentation, 1995.) 악력을 표현 할 수 있는 1자유도 손 로봇을 제작 후 각 조작자로 하여금 손 로봇을 쥐게 하여 악력을 측정하고 이후, 측정된 악력을 상대방 조작자에게 각각 전달해 주는 시스템이다. 양단 로봇의 안정화를 보장하기 위해 안정한 범위의 가상 역학 구조(Virtual Dynamics)로 양단을 연결하였다. In 1995, Kunii and Hashimoto proposed a remote handshake system for the first time, considering only the grip strength (Yasuharu Kunii and Hideki Hashimoto, "Tele-handshake using Handshake Device", Proceedings of the IEEE 21 st International Conference on Industrial Electronics , Control , and Instrumentation , 1995.) A one-degree-of-freedom hand robot capable of expressing grip strength is constructed, and each operator grasps a hand robot to measure grip strength and then transmits the grip strength to the opponent operator. To ensure the stabilization of both robots, both ends are connected with a stable range of virtual dynamics.
한편, Wang등은 두 대의 햅틱 장비를 이용하여 스위스 제네바와 캐나다 오타와 사이에 300 ms의 시간 지연이 발생함에도 불구하고 안정적으로 원격 악수 시스템을 시연하였다. 이때 안정화를 위해 Neimeyer와 Slotine이 제안한 웨이브 변수 기법을 사용하였다.(G. Niemeyer and J-J. E. Slotine, Stable adaptive teleoperation, Proceedings of the IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 16, no. 1, pp. 152-162, 1991.)Meanwhile, Wang et al. Demonstrated a remote handshake system using two haptic devices, despite the 300 ms time delay between Geneva, Switzerland and Ottawa, Canada. In this case, we use the wave variable method proposed by Neimeyer and Slotine for stabilization (G. Niemeyer and JJ, Slotine, Stable adaptive teleoperation, Proceedings of the IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 152-162, 1991.)
이들은 마스터와 슬레이브가 모두 수동적이라 가정하고 투 포트(Two-port)로 모델링되는 통신 채널만 수동성을 만족시키면 전체 시스템의 수동성을 확보하여 안정성을 보장할 수 있다고 보았다. 따라서 통신 채널의 수동성을 만족시키기 위하여 U, V로 통칭하는 웨이브 변수들을 정의하고 위치/속도, 힘 등의 물리량을 웨이브 변수로 치환하여 이를 전송함으로써 전체 양방향 원격 조작 시스템의 수동성을 확보하고 따라서 안정성을 보장하게 된다.They assume that both the master and the slave are passive, and that if only the communication channel modeled as two-port satisfies the passivity, the stability of the entire system can be ensured by securing the passivity of the whole system. Therefore, in order to satisfy the passivity of the communication channel, we define wave variables collectively known as U and V and replace the physical quantities such as position / velocity and force with wave variables and transmit them to secure the passivity of the entire two- .
또한, Kwon과 Park은 위 시스템에 디지털 비디오 전송 시스템(Digital Video Transport System)을 추가하여 원격 악수 시스템에 영상 정보를 제공하는 원격 미팅 시스템을 제안하였다.(Y.-M. Kwon and J.-W. Park, "Tangible Tele-meeting System with DV-ARPN(Augmented Reality Peripheral Network", Proceedings of the International Conference on Computational Science and its Applications, 2005.) 양단에는 햅틱 장비와 영상 제공 장비, 영상 획득 장비로 구성되어 있고 영상 획득 장비를 이용해 조작자 및 햅틱 장비를 획득하여 상대방에게 각각 보내고 햅틱 장비를 이용해 상대방과 원격 악수를 할 수 있는 시스템이다. In addition, Kwon and Park proposed a remote meeting system that provides image information to a remote handshake system by adding a digital video transport system to the above system (Y.-M. Kwon and J.-W Park, "Tangible Tele-Meeting System with DV-ARPN (Augmented Reality Peripheral Network)", Proceedings of the International Conference on Computational Science and its Applications, 2005.) The system acquires the operator and the haptic device by using the image acquisition device, and sends it to each other, and can perform the remote handshake with the partner using the haptic device.
그러나, 이러한 종래 기술들은 엔드 이펙터(end-effector)를 금속 막대(metal rod)로 이용하거나 금속 재질의 로봇 손을 사용함으로 온감, 질감, 악력등 실제 사람 손의 느낌을 제공할 수 없는 문제점이 있다. 또한 악수 시스템의 조작 제어 기법으로 사용된 파 변수들(wave-variables)은 위치 드리프트(position-drift) 문제가 발생하게 되는데 이는 정확한 위치 추적(position-tracking) 측면에서 악영향을 끼치는 문제가 있다.However, these conventional techniques have problems in that an end-effector is used as a metal rod or a robot hand made of a metal is used to provide a feel of a real human hand such as warmth, texture, and grip force . In addition, the wave-variables used as the manipulation control method of the handshake system cause position-drift problem, which poses a problem in terms of accurate position-tracking.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 멀리 떨어진 사람과 악수를 할 때에 조작기와의 접촉 안정성을 향상시키며 가볍게 혹은 강하게 잡기의 적응적인 제어를 실행하여 실감도를 향상시킬 수 있는 원격 악수 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a remote handshake capable of enhancing the contact stability with the manipulator when shaking hands with a remote person, and performing adaptive control of catching lightly or strongly, And a control method thereof.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인체의 손 형상으로 마련되어 사용자가 악수를 위하여 접촉하는 조작기; 상기 조작기에 연결되어 상기 조작기로부터 사용자에 의한 위치 정보를 입력받고 조작에 대응하여 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 사용자에게 역으로 전달하는 햅틱 장비; 및 상기 햅틱 장비 간 정보를 상호 송수신하는 통신부를 포함하며, 상기 햅틱 장비는, 상기 조작기로부터 입력되는 위치 정보와 상기 통신부를 통해 전송되는 반대 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 기초로 사용자에게 전달하는 힘을 산출하고 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하여 상기 조작기를 제어하는 것을 특징으로 하는 원격 악수 시스템을 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an operation device comprising: a manipulator provided in the shape of a human body for making contact with a user for shaking; A haptic device connected to the manipulator for receiving position information from the manipulator and receiving the stimulus generated from the difference in position information in response to the manipulation; And a communication unit for mutually transmitting and receiving the information between the haptic devices, wherein the haptic device transmits to the user based on the stimulus generated from the difference between the position information input from the manipulator and the opposite position information transmitted through the communication unit And the manipulator is controlled by adjusting the range so that the force is calculated and the contact stability is ensured.
상기 햅틱 장비는, 상기 조작기와 연결되어 상기 조작기로부터 사용자에 의한 위치 정보를 입력받고 조작에 대응하여 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 사용자에게 역으로 전달하는 햅틱 인터페이스부; 상기 햅틱 인터페이스부로부터 전송된 위치 정보와 상기 통신부로부터 전송된 반대 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 기초로 사용자에게 전달하는 힘을 산출하고 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하는 제어부; 및 상기 햅틱 인터페이스부에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 제어부로 전송하고 상기 제어부에서 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 햅틱 인터페이스부로 전송하는 샘플/홀드부를 포함할 수 있다.The haptic device includes a haptic interface unit connected to the manipulator for inputting positional information by a user from the manipulator and transferring a stimulus generated from a difference in positional information to a user in response to an operation; A controller for calculating a force transmitted to the user based on the stimulus generated from the difference between the position information transmitted from the haptic interface unit and the opposite position information transmitted from the communication unit, And a sample / hold unit that converts the analog signal output from the haptic interface unit to a digital signal and transmits the digital signal to the controller, converts the digital signal output from the controller into an analog signal, and transmits the analog signal to the haptic interface unit.
상기 제어부는, 상기 햅틱 인터페이스부를 통하여 상기 조작기의 위치를 제어하는 위치 제어기; 및 사용자에게 전달할 힘을 수동성 이론에 근거한 안정화 기법인 에너지 제한 알고리즘(EBA, Energy-Bounding Algorithm)을 적용하여 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하여 상기 햅틱 인터페이스부로 전달하는 EBA 제어기를 포함할 수 있다.The controller may include: a position controller for controlling a position of the manipulator through the haptic interface; And an EBA controller that adjusts the force to be transmitted to the user to a range in which the contact stability is ensured by applying an Energy-Bounding Algorithm (EBA), which is a stabilization technique based on passivity theory, and transmits the adjusted power to the haptic interface unit.
상기 위치 제어기는 비례-미분 제어기일 수 있다.The position controller may be a proportional-differential controller.
상기 제어부는, 상대방 사용자의 악력값에 따라 제어 이득값을 조절할 수 있다.The control unit may adjust the control gain value according to the grip force value of the counterpart user.
상기 조작기는 알지네이트로 마련되며 외표면에는 스킨 실리콘이 부착될 수 있다.The manipulator may be provided with alginate and skin silicon may be attached to the outer surface.
상기 조작기는 사용자가 악수를 위하여 잡는 부분에 마련되어 사용자의 악력을 측정하는 압력 센서를 포함할 수 있다.The manipulator may include a pressure sensor which is provided at a portion where the user grasps for shaking and measures the grip force of the user.
상기 조작기는 사용자가 악수를 위하여 잡는 영역에 마련되어 열을 발생시키는 발열체를 포함할 수 있다.The manipulator may include a heating element that is provided in an area held by the user for shaking and generates heat.
상기 원격 악수 시스템은, 상대방 사용자의 영상을 촬영하는 촬영부; 및 상기 촬영부를 통하여 획득한 영상을 상기 조작기에 증강시키는 영상 표시부를 더 포함할 수 있다.The remote handshake system includes a photographing unit for photographing a picture of a user of the other party; And an image display unit for enhancing the image acquired through the photographing unit to the manipulator.
상기 제어부는, 상기 촬영부를 통하여 획득한 영상을 기초로 상대방 사용자의 움직이는 주파수를 추정하고 추정된 주파수에 따라 상기 조작기의 움직임 및 상기 영상 표시부에 의하여 증강되는 영상을 동기화할 수 있다.The control unit estimates a moving frequency of a counterpart user based on the image acquired through the photographing unit, and synchronizes the motion of the manipulating unit and the image enhanced by the image display unit according to the estimated frequency.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 조작기로부터 사용자에 의한 위치 정보를 입력받는 단계; 통신부를 통하여 상대방 사용자의 반대 위치 정보를 입력받는 단계; 상기 조작기로부터 입력된 위치 정보와 통신부를 통해 전송된 반대 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 기초로 사용자에게 전달할 힘을 산출하는 단계; 사용자에게 전달할 힘을 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하는 단계; 및 조절된 전달힘을 조작기를 통하여 사용자에게 전달하는 단계를 포함하는 원격 악수 시스템의 제어 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for controlling a mobile terminal, Receiving counterpart position information of a counterpart user via a communication unit; Calculating a force to be transmitted to the user based on the stimulus generated from the difference between the position information input from the manipulator and the opposite position information transmitted through the communication unit; Adjusting a force to be transmitted to a user to a range in which contact stability is ensured; And transmitting the adjusted transmission force to the user via the manipulator.
상기 사용자에게 전달할 힘을 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하는 단계에서는, 사용자에게 전달할 힘을 수동성 이론에 근거한 안정화 기법인 에너지 제한 알고리즘(EBA, Energy-Bounding Algorithm)을 적용하여 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절할 수 있다.In the step of adjusting the force to be transmitted to the user to a range in which the contact stability is ensured, the force to be transmitted to the user is applied to the range in which the contact stability is ensured by applying the Energy-Bounding Algorithm (EBA) .
상기 원격 악수 시스템의 제어 방법은, 상기 통신부를 통하여 상대방 사용자의 악력 정보를 입력받는 단계와, 입력된 악력 정보에 따라 제어부의 이득을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.The control method of the remote handshake system may further include a step of receiving grip strength information of a counterpart user through the communication unit and a step of adjusting a gain of the control unit according to input grip strength information.
상기 원격 악수 시스템의 제어 방법은, 상대방 사용자의 영상을 촬영하는 단계; 상기 통신부를 통하여 촬영된 영상을 전송받는 단계; 및 전송된 영상을 조작기에 증강시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The control method of the remote shaking water system includes the steps of: photographing the image of the other user; Receiving a photographed image through the communication unit; And augmenting the transmitted image to the manipulator.
상기 원격 악수 시스템의 제어 방법은, 상기 전송된 영상을 기초로 상대방 사용자의 움직이는 주파수를 추정하고 추정된 주파수에 따라 상기 조작기의 움직임 및 증강되는 영상을 동기화하는 단계를 더 포함할 수 있다.The control method of the remote handshake system may further include estimating a moving frequency of a counterpart user based on the transmitted image and synchronizing the motion of the manipulator and the augmented image according to the estimated frequency.
상기 원격 악수 시스템의 제어 방법은, 상기 조작기에 마련되는 발열체를 일정 온도로 작동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The control method of the remote shaking water system may further include a step of operating the heating element provided in the manipulator at a predetermined temperature.
본 발명의 원격 악수 시스템에 따르면, 좀 더 실제적이고 다양한 감정 표현을 위해 악수할 때의 조작기와의 접촉 안정성을 향상시키며 가볍게 혹은 강하게 잡기의 적응적인 제어를 실행하여 실감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the remote handshake system of the present invention, it is possible to improve the contact stability with the manipulator when shaking hands for more practical and various emotional expressions, and to improve the sensibility by performing adaptive control of catching lightly or strongly have.
또한, 실감도 향상을 위한 온감, 악력, 촉감 등 감성을 전달할 수 있는 효과가 있다.In addition, there is an effect that a feeling of warmth, grip strength, touch and the like can be transmitted for the real feeling improvement.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 악수 시스템의 구성도이다.
도 2는 악수 동작을 기계적으로 모델링한 도면이다.
도 3은 도 2를 등가되는 시스템으로 나타낸 블록도이다.
도 4는 조작기(robot hand)의 형태를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 원격 악수 시스템의 영상 증강 방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 악수 시스템의 제어 방법의 순서도이다.1 is a block diagram of a remote handshake system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a mechanical modeling of the shaking motion.
Figure 3 is a block diagram of the equivalent system of Figure 2;
4 is a view showing the shape of a robot hand.
FIG. 5 is a block diagram for explaining a method of enhancing an image of the remote handshake system of FIG. 1;
6 is a flowchart of a control method of a remote handshake system according to an embodiment of the present invention.
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, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In addition, the preferred embodiments of the present invention will be described below, but it is needless to say that the technical idea of the present invention is not limited thereto and can be variously modified by those skilled in the art.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 악수 시스템의 구성도이고, 도 2는 악수 동작을 기계적으로 모델링한 도면이며, 도 3은 도 2를 등가되는 시스템으로 나타낸 블록도이고, 도 4는 조작기(robot hand)의 형태를 나타낸 도면이며, 도 5는 도 1의 원격 악수 시스템의 영상 증강 방법을 설명하기 위한 구성도이다.2 is a block diagram of the remote shaking system according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a mechanical modeling of the shaking motion, Fig. 3 is a block diagram of the equivalent system of Fig. 2, FIG. 5 is a diagram illustrating a method of enhancing an image of a remote handshake system of FIG. 1; FIG.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 악수 시스템(1)은, 인체의 손 형상으로 마련되어 사용자가 악수를 위하여 접촉하는 조작기(100)와, 조작기(100)에 연결되어 조작기(100)로부터 사용자에 의한 위치 정보를 입력받고 조작에 대응하여 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 사용자에게 역으로 전달하는 햅틱 장비(200)와, 햅틱 장비(200) 간 정보를 상호 송수신하는 통신부(300)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a
조작기(100, robot hand)는 사용자가 멀리 떨어져 있는 상대방과 악수를 하기 위하여 상대방 사용자의 손을 대신하여 접촉하는 구성품으로 실감도 향상을 위하여 인체의 손 형상으로 마련된다.A manipulator (100, robot hand) is a component that a user touches in place of the hand of another user to shake hands with a remote party, and is provided in the shape of a human hand for the purpose of improving the real feeling.
조작기(100)는 알지네이트(alginate)로 인체의 손 형상을 본떠서 마련되며 외표면에는 스킨 실리콘이 부착되어 실감도를 향상시킨다.The
본 실시예에서 조작기(100)는 텐돈 구동(tendon-driven) 방식의 인공 뼈대를 내부에 삽입하여 구동시킨다. 텐돈 구동 방식은 모터 구동(motor-driven) 방식에 비하여 관절 각도의 정확성이나 힘이 떨어지지만 저가이면서 부피가 상대적으로 작은 장점이 있다. 또한 인체와 유사하게 구현되어 실감도를 향상시킬 수 있다.In the present embodiment, the manipulating
도 5를 참조하면, 조작기(100)는 사용자가 악수를 위하여 잡는 부분에 마련되어 사용자의 악력을 측정하는 압력 센서(110)와, 사용자가 악수를 위하여 잡는 영역에 마련되어 열을 발생시키는 발열체(120)를 포함한다.5, the
압력 센서(110)는 사용자의 악력을 측정하기 위하여 검출된 압력값을 햅틱 장비(200)의 제어부(230)로 전송한다. 제어부(230)는 전송된 압력값에 따라 조작기(100)의 각 마디의 와이어와 연결된 서보모터를 제어함으로써 악수에 필요한 적절한 악력을 구현시킨다.The
발열체(120)는 펠티어나 온열 패드 등으로 마련되며 조작기(100)의 손바닥 부분에 삽입된다. 발열체(120)로부터 발생되는 열을 조작기(100) 전체로 빠르게 전달하기 위하여 열전도율이 우수한 재질의 패드를 조작기(100) 손바닥 부분이나 전체에 삽입한다. 발열체(120)의 온도는 체온과 유사한 온도가 유지되도록 펠티어나 온열 패드에 공급되는 전류를 고정하거나 가변시킨다.The
햅틱 장비(200)는, 조작기(100)로부터 위치 정보를 입력받고 사용자의 조작에 대응하여 사용자에게 전달할 힘을 산출하여 조작기(100)를 제어함으로써 사용자가 실제 상대방과 악수를 하는 느낌을 받을 수 있게 한다.The
햅틱 장비(200)는 실제 악수 시스템의 기계적 모델링을 통하여 조작기(100)와 사용자 간의 상호 작용을 구현한다.The
악수 의식을 기계적으로 모델링하면 도 2와 같이 나타낼 수 있다. 도 2에서 m1arm과 m1h는 사용자(Human 1)의 팔과 손이고, m2arm과 m2h는 상대방(Human 2)의 팔과 손이다. 사용자(Human 1)와 상대방(Human 2)의 팔과 손은 스프링(k)과 댐핑(c)으로 등가된 손목으로 연결된다. 사용자(Human 1)는 상대방(Human 2)의 m2h를 잡고 스프링(k2)과 댐핑(c2)으로 연결된 질량 m2arm을 흔드는 시스템이다.The modeling of the handshake consciousness can be represented as shown in FIG. In FIG. 2, m1arm and m1h are the arms and hands of the user (Human 1), and m2arm and m2h are the arms and hands of the other person (Human 2). The arms and hands of the user (Human 1) and the other person (Human 2) are connected to the equivalent wrist by spring (k) and damping (c). The user (Human 1) is a system that holds the m2h of the other person (Human 2) and shakes the mass m2arm connected by the spring (k2) and the damping (c2).
이때 m2arm은 상대방(Human 2)에 의해 움직인다. 마찬가지로 상대방(Human 2)은 사용자(Human 1)의 m1h를 잡고 스프링(k1)과 댐핑(c1)으로 연결된 질량 (m1arm)을 흔드는 시스템으로 등가 시킬 수 있다. At this time, m2arm is moved by the other person (Human 2). Likewise, the counterpart (Human 2) can equate to a system that grasps m1h of the user (Human 1) and shakes the mass (m1arm) connected by the spring (k1) and damping (c1).
각 조작자(사용자(Human 1)와 상대방(Human 2))는 손목 혹은 팔등에 힘을 줌으로써 상대방 조작자에게 악수를 통한 감정 표현을 할 수 있는데 도 2의 시스템에서는 손목에 힘을 조절함으로 강하게 혹은 가볍고 부드럽게 쥐는 악수를 할 수 있다. 여기서 조작자가 손목의 힘을 조절한다는 것은 강성(k) 혹은 댐핑(c)의 값을 조절함으로써 상대방 조작자가 딱딱함 혹은 부드러움을 느끼게 되는 것을 의미한다.Each operator (
도 2와 같이 기계적으로 모델링된 악수 시스템은 도 3과 같은 시스템 블록도로 나타낼 수 있다.The handshake system modeled mechanically as shown in FIG. 2 can be represented by a system block as shown in FIG.
도 3을 참조하면, 햅틱 장비(200)는, 조작기(100)와 연결되어 조작기(100)로부터 사용자에 의한 위치 정보를 입력받고 조작에 대응하여 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 사용자에게 역으로 전달하는 햅틱 인터페이스부(210)와, 햅틱 인터페이스부(210)로부터 전송된 위치 정보와 통신부(300)로부터 전송된 반대 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 기초로 사용자에게 전달하는 힘을 산출하고 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하는 제어부(230)와, 햅틱 인터페이스부(210)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어부(230)로 전송하고 제어부(230)에서 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 햅틱 인터페이스부(210)로 전송하는 샘플/홀드부(220)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the
햅틱 인터페이스는 조작기(100)와 연결되어 조작기(100)의 위치 정보를 입력받으며 사용자에 의한 조작기(100)의 조작에 대응하여 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 다시 조작기(100)를 통하여 사용자에게 전달한다.The haptic interface is connected to the
샘플/홀드부(220)는 입출력장치로서 햅틱 인터페이스에서 출력되는 연속신호인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어부(230)에 제공하고, 제어부(230)에서 출력되는 이산신호인 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 햅틱 인터페이스에 제공한다.The sample /
제어부(230)는 햅틱 인터페이스부(210)로부터 정보를 수신하고 통신부(300)를 통하여 상대방 사용자의 햅틱 장비(200)와 정보를 교환하며 수집된 정보를 바탕으로 햅틱 인터페이스부(210)를 통하여 조작기(100)를 제어한다.The
먼저, 제어부(230)는 햅틱 인터페이스부(210)로부터 전송된 위치 정보와 통신부(300)를 통해 온 반대 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 사용자에게 전달하는 힘을 산출하고 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절한다.First, the
이를 위하여 제어부(230)는, 햅틱 인터페이스부(210)를 통하여 조작기(100)의 위치를 제어하는 위치 제어기(231)와, 사용자에게 전달할 힘을 수동성 이론에 근거한 안정화 기법인 에너지 제한 알고리즘(EBA, Energy-Bounding Algorithm)을 적용하여 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하여 햅틱 인터페이스부(210)로 전달하는 EBA 제어기(232)를 포함한다.The
위치 제어기(231)는 통신부(300)를 통해 전달되는 상대방의 위치 정보에 따라 조작기(100)를 위치 제어한다. 위치 제어기(231)는 도 2에 나타난 강성(k)과 댐핑(c)으로 모델링되기 위해서 비례-미분 제어기를 사용한다.The
EBA 제어기(232)는 접촉 안정성을 보장하기 위하여 마련된다. 즉, 사용자의 운동은 다양한 불확정성을 포함하고 있어 정확하게 모델링하기가 어렵고, 샘플/홀드부(220)에서 샘플링 및 홀딩하는 과정에서 에너지는 필수적으로 발생되며, 통신부(300)에서 시간 지연이나 정보 손실 등이 발생하기 때문에 원격 조작 시스템의 안정성을 위하여 EBA 제어기(232)가 제어부(230)에 포함된다.The
EBA 제어기(232)는 시간 지연이 발생하는 원격 악수 시스템(1)의 안정성을 보장하기 위해 EBA(Energy-Bounding Algorithm, 류제하, 김종필, "햅틱 인터페이스의 안정화 방법 및 이를 적용한 햅틱 시스템", 공개특허, 10-2005-0101745, 2005)를 각 제어기에 위치-위치 제어 구조(position-position architecture)로 수정하여 삽입한다.The
본 실시예에서, EBA 제어기(232)는 위치 제어기(231)를 통하여 상대방의 기준 위치를 안정적으로 추종할 수 있게 한다. 이때 위치 제어기(231)와 EBA 제어기(232)에 의한 제어부(230)의 이득을 조절함으로 시스템의 딱딱함 혹은 부드러움을 조절할 수 있다.In this embodiment, the
즉, 제어부(230)는 상대방 사용자의 악력값에 따라 제어 이득값을 조절한다. 악력값은 상술한 바와 같이 조작기(100)에 마련되는 압력 센서(110)에 의하여 측정된 압력값에 따라 결정된다. 악력값에 따라 제어 이득값을 조절함으로써 사용자가 조작기(100)를 통하여 악수를 할 때 딱딱함 혹은 부드러움을 느끼게 하며 상대방 사용자의 감정 표현을 가능하게 한다.That is, the
한편, 도 1 및 도 5를 참조하면, 본 실시예의 원격 악수 시스템(1)은, 상대방 사용자의 영상을 촬영하는 촬영부(400)와, 촬영부(400)를 통하여 획득한 영상을 조작기(100)에 증강시키는 영상 표시부(500)를 더 포함한다.1 and 5, a
촬영부(400)는 각 사용자의 영상을 촬영하여 통신부(300)를 통하여 상대방 햅틱 장비(200)의 제어부(230)로 전송하며, 제어부(230)는 촬영부(400)를 통하여 획득한 영상을 기초로 상대방 사용자의 움직이는 주파수를 추정하고 추정된 주파수에 따라 조작기(100)의 움직임 및 영상 표시부(500)에 의하여 증강되는 영상을 동기화한다. 이로 인하여 영상 전송에 따라 발생하는 시간 지연으로 인한 조작기(100)와 영상 사이의 공간적 오차를 해소시킬 수 있다.The photographing
영상 표시부(500)는 프로젝터 등으로 마련될 수 있다.The
이와 같이 촬영부(400)와 영상 표시부(500)를 통하여 사용자의 영상을 상호 증강함으로써 사용자는 상대방과 실제 악수를 하는 듯한 몰입감을 느낄 수 있다.As described above, the image of the user is strengthened through the photographing
이와 같이, 본 발명의 원격 악수 시스템(1)에 의하면, 좀 더 실제적이고 다양한 감정 표현을 위해 악수할 때의 조작기(100)와의 접촉 안정성을 향상시키며 가볍게 혹은 강하게 잡기의 적응적인 제어를 실행하여 실감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 실감도 향상을 위한 온감, 악력, 촉감 등 감성을 전달할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the
한편, 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 악수 시스템의 제어 방법을 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 악수 시스템(1)에서 설명한 바와 동일한 것에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.Hereinafter, a method of controlling a remote handshake system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, descriptions of the same things as those described in the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 악수 시스템의 제어 방법의 순서도이다.6 is a flowchart of a control method of a remote handshake system according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 악수 시스템의 제어 방법은, 조작기(100)로부터 사용자에 의한 위치 정보를 입력받는 단계(S100)와, 통신부(300)를 통하여 상대방 사용자의 반대 위치 정보를 입력받는 단계(S200)와, 조작기(100)로부터 입력된 위치 정보와 통신부(300)를 통해 전송된 반대 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 기초로 사용자에게 전달할 힘을 산출하는 단계(S300)와, 사용자에게 전달할 힘을 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하는 단계(S400)와, 조절된 전달힘을 조작기(100)를 통하여 사용자에게 전달하는 단계(S500)를 포함한다.6, a method for controlling a remote handshaking system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a step S100 of inputting location information by a user from an
사용자에게 전달할 힘을 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하는 단계(S400)에서는, 사용자에게 전달할 힘을 수동성 이론에 근거한 안정화 기법인 에너지 제한 알고리즘(EBA, Energy-Bounding Algorithm)을 적용하여 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절한다.In step S400 of adjusting the force to be transmitted to the user to a range in which the contact stability is ensured, the energy to be transmitted to the user is applied by the Energy-Bounding Algorithm (EBA) .
또한, 본 실시예의 원격 악수 시스템의 제어 방법은 원격 악수를 실행할 때에 사용자 간의 감정을 전달하기 위하여, 통신부(300)를 통하여 상대방 사용자의 악력 정보를 입력받는 단계와, 입력된 악력 정보에 따라 제어부(230)의 이득을 조절하는 단계를 더 포함한다.The control method of the remote handshake system according to the present embodiment includes the steps of receiving the grip force information of the user of the other user through the
또한, 본 실시예의 원격 악수 시스템의 제어 방법은 원격 악수 시 실감도를 증대시키기 위하여, 상대방 사용자의 영상을 촬영하는 단계와, 통신부(300)를 통하여 촬영된 영상을 전송받는 단계와, 전송된 영상을 조작기(100)에 증강시키는 단계를 더 포함한다.In addition, the control method of the remote handshake system of the present embodiment includes the steps of capturing an image of a user of the other user, receiving a photographed image through the
이때 전송된 영상을 기초로 상대방 사용자의 움직이는 주파수를 추정하고 추정된 주파수에 따라 조작기(100)의 움직임 및 증강되는 영상을 동기화하여, 영상 전송에 따라 발생하는 시간 지연으로 인한 조작기(100)와 영상 사이의 공간적 오차를 해소시킬 수 있다.At this time, the motion frequency of the other user is estimated based on the transmitted image, and the motion of the
또한, 본 실시예의 원격 악수 시스템의 제어 방법은 원격 악수 시 사용자가 온감을 느낄 수 있게 하기 위하여, 조작기(100)에 마련되는 발열체(120)를 일정 온도로 작동시키는 단계를 더 포함한다.In addition, the control method of the remote handshake system of the present embodiment further includes the step of operating the
이와 같이, 본 발명의 원격 악수 시스템의 제어 방법에 의하면, 좀 더 실제적이고 다양한 감정 표현을 위해 악수할 때의 조작기(100)와의 접촉 안정성을 향상시키며 가볍게 혹은 강하게 잡기의 적응적인 제어를 실행하여 실감도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 실감도 향상을 위한 온감, 악력, 촉감 등 감성을 전달할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the control method of the remote handshaking system of the present invention, it is possible to improve the contact stability with 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.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, substitutions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. will be. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are intended to illustrate and not to limit the technical spirit of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments and the accompanying drawings . The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
1 : 원격 악수 시스템
100 : 조작기
110 : 압력 센서
120 : 발열체
200 : 햅틱 장비
210 : 햅틱 인터페이스부
220 : 샘플/홀드부
230 : 제어부
231 : 위치 제어기
232 : EBA 제어기
300 : 통신부
400 : 촬영부
500 : 영상 표시부1: Remote handshake system
100: Actuator
110: Pressure sensor
120: heating element
200: Haptic equipment
210: haptic interface unit
220: sample / hold unit
230:
231: Position controller
232: EBA controller
300:
400:
500:
Claims (16)
상기 조작기에 연결되어 상기 조작기로부터 상기 사용자에 의한 위치 정보를 입력받고 상기 조작기를 제어하는 햅틱 장비; 및
상기 햅틱 장비 간 정보를 상호 송수신하는 통신부를 포함하며,
상기 햅틱 장비는, 상기 조작기로부터 입력되는 상기 사용자에 의한 위치 정보와 상기 통신부를 통해 전송되는 반대 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 기초로 상기 사용자에게 전달하는 힘을 산출하고 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하여 상기 조작기를 제어하는 것을 특징으로 하는 원격 악수 시스템.A manipulator provided in the shape of a human body to contact the user for shaking;
A haptic device connected to the manipulator for receiving positional information from the manipulator by the user and controlling the manipulator; And
And a communication unit for mutually transmitting and receiving the information between the haptic devices,
The haptic device calculates a force transmitted to the user based on the stimulus generated from the difference between the position information by the user input from the manipulator and the opposite position information transmitted through the communication unit, So as to control the manipulator.
상기 햅틱 장비는,
상기 조작기와 연결되는 햅틱 인터페이스부;
상기 햅틱 인터페이스부로부터 전송된 상기 사용자에 의한 위치 정보와 상기 통신부로부터 전송된 반대 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 기초로 상기 사용자에게 전달하는 힘을 산출하고 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하는 제어부; 및
상기 햅틱 인터페이스부에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 제어부로 전송하고 상기 제어부에서 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 햅틱 인터페이스부로 전송하는 샘플/홀드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 악수 시스템.The method according to claim 1,
In the haptic device,
A haptic interface unit connected to the manipulator;
A controller for calculating a force transmitted to the user based on the stimulus generated from the difference between the position information by the user transmitted from the haptic interface unit and the opposite position information transmitted from the communication unit, ; And
And a sample / hold unit for converting the analog signal output from the haptic interface unit into a digital signal and transmitting the digital signal to the controller, and converting the digital signal output from the controller into an analog signal and transmitting the analog signal to the haptic interface unit. The handshake system.
상기 제어부는,
상기 햅틱 인터페이스부를 통하여 상기 조작기의 위치를 제어하는 위치 제어기; 및
사용자에게 전달할 힘을 수동성 이론에 근거한 안정화 기법인 에너지 제한 알고리즘(EBA, Energy-Bounding Algorithm)을 적용하여 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하여 상기 햅틱 인터페이스부로 전달하는 EBA 제어기를 포함하는 원격 악수 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein,
A position controller for controlling the position of the manipulator through the haptic interface unit; And
A remote handshake system including an EBA controller that adjusts a force to be transmitted to a user by applying an Energy-Bounding Algorithm (EBA), which is a stabilization technique based on passivity theory, to a range in which contact stability is ensured and transfers the adjusted range to the haptic interface unit.
상기 위치 제어기는 비례-미분 제어기인 것을 특징으로 하는 원격 악수 시스템.The method of claim 3,
Wherein the position controller is a proportional-differential controller.
상기 제어부는,
상대방 사용자의 악력값에 따라 제어 이득값을 조절하는 것을 특징으로 하는 원격 악수 시스템.3. The method of claim 2,
Wherein,
And adjusts the control gain value according to the gripping force value of the counterpart user.
상기 조작기는 알지네이트로 마련되며 외표면에는 스킨 실리콘이 부착되는 것을 특징으로 하는 원격 악수 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the manipulator is provided with alginate and skin silicone is attached to the outer surface.
상기 조작기는 사용자가 악수를 위하여 잡는 부분에 마련되어 사용자의 악력을 측정하는 압력 센서를 포함하는 원격 악수 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the manipulator includes a pressure sensor provided at a portion that the user grasps for shaking to measure the grip force of the user.
상기 조작기는 사용자가 악수를 위하여 잡는 영역에 마련되어 열을 발생시키는 발열체를 포함하는 원격 악수 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the manipulator comprises a heating element which is provided in an area held by the user for shaking to generate heat.
상대방 사용자의 영상을 촬영하는 촬영부; 및
상기 촬영부를 통하여 획득한 영상을 상기 조작기에 증강시키는 영상 표시부를 더 포함하는 원격 악수 시스템.3. The method of claim 2,
A photographing unit for photographing the image of the other user; And
Further comprising: a video display unit for augmenting an image acquired through the photographing unit with the manipulator.
상기 제어부는,
상기 촬영부를 통하여 획득한 영상을 기초로 상대방 사용자의 움직이는 주파수를 추정하고 추정된 주파수에 따라 상기 조작기의 움직임 및 상기 영상 표시부에 의하여 증강되는 영상을 동기화하는 것을 특징으로 하는 원격 악수 시스템.10. The method of claim 9,
Wherein,
And estimates a moving frequency of the other user based on the image acquired through the photographing unit, and synchronizes the motion of the manipulator and the image enhanced by the image display unit according to the estimated frequency.
통신부를 통하여 상대방 사용자의 반대 위치 정보를 입력받는 단계;
상기 조작기로부터 입력된 위치 정보와 상기 통신부를 통해 전송된 반대 위치 정보의 차이로부터 생성된 자극을 기초로 사용자에게 전달할 힘을 산출하는 단계;
사용자에게 전달할 힘을 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하는 단계; 및
조절된 전달힘을 상기 조작기를 통하여 사용자에게 전달하는 단계를 포함하는 원격 악수 시스템의 제어 방법.Receiving position information from a manipulator by a user;
Receiving counterpart position information of a counterpart user via a communication unit;
Calculating a force to be transmitted to the user based on the stimulus generated from the difference between the position information input from the manipulator and the opposite position information transmitted through the communication unit;
Adjusting a force to be transmitted to a user to a range in which contact stability is ensured; And
And transmitting the adjusted transmission force to the user via the manipulator.
상기 사용자에게 전달할 힘을 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하는 단계에서는,
사용자에게 전달할 힘을 수동성 이론에 근거한 안정화 기법인 에너지 제한 알고리즘(EBA, Energy-Bounding Algorithm)을 적용하여 접촉 안정성이 보장되는 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 원격 악수 시스템의 제어 방법.12. The method of claim 11,
In the step of adjusting the force to be transmitted to the user to a range in which contact stability is ensured,
Wherein the power to be delivered to the user is adjusted to a range in which contact stability is guaranteed by applying an Energy-Bounding Algorithm (EBA) as a stabilization technique based on passivity theory.
상기 통신부를 통하여 상대방 사용자의 악력 정보를 입력받는 단계; 및
입력된 악력 정보에 따라 제어부의 이득을 조절하는 단계를 더 포함하는 원격 악수 시스템의 제어 방법.12. The method of claim 11,
Receiving the grip force information of the counterpart user through the communication unit; And
And controlling the gain of the control unit according to the input grip strength information.
상대방 사용자의 영상을 촬영하는 단계;
상기 통신부를 통하여 촬영된 영상을 전송받는 단계;
전송된 영상을 조작기에 증강시키는 단계를 더 포함하는 원격 악수 시스템의 제어 방법.12. The method of claim 11,
Capturing an image of the other user;
Receiving a photographed image through the communication unit;
Further comprising the step of augmenting the transmitted image to the manipulator.
상기 전송된 영상을 기초로 상대방 사용자의 움직이는 주파수를 추정하고 추정된 주파수에 따라 상기 조작기의 움직임 및 증강되는 영상을 동기화하는 단계를 더 포함하는 원격 악수 시스템의 제어 방법.15. The method of claim 14,
Estimating a moving frequency of a counterpart user based on the transmitted image, and synchronizing the motion of the manipulator and an augmented image according to the estimated frequency.
상기 조작기에 마련되는 발열체를 일정 온도로 작동시키는 단계를 더 포함하는 원격 악수 시스템의 제어 방법.12. The method of claim 11,
And operating the heating element provided in the manipulator at a predetermined temperature.
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---|---|---|---|
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WO2023177016A1 (en) * | 2022-03-14 | 2023-09-21 | 울산과학기술원 | Apparatus and method for sensing deformation, and pain visualization apparatus using same |
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---|---|---|---|---|
KR20120124518A (en) * | 2011-05-04 | 2012-11-14 | 현대모비스 주식회사 | Device for operating car communication control processor and method of thereof |
-
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- 2013-07-15 KR KR20130083047A patent/KR101484269B1/en active IP Right Grant
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WO2023177016A1 (en) * | 2022-03-14 | 2023-09-21 | 울산과학기술원 | Apparatus and method for sensing deformation, and pain visualization apparatus using same |
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