KR101524906B1 - 촉각 생성장치, 고분자 유전체 기반 구동기, 이를 이용한 촉각 액추에이터, 촉감 액추에이터, 인터페이스 장치, 촉각 피드백 제공장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 유전체 기반 구동기 및 이를 이용한 촉각 생성장치에 관한 것으로서, 촉감과 근감각을 제공하는 구동기를 이용하여 사용자에게 멀티 채널의 감각을 쉽게 전달하기 위한 발명에 관한 것이다. 이를 위해 제어패널 상에서 사용자의 터치에 대응하는 근감각을 제공하며, 사용자의 터치에 상응하는 위치 또는 방향을 감지하는 신호를 생성하는 근감각 생성수단(110); 및 근감각 생성수단(110)의 신호에 기초하여 표현하고자 하는 촉감을 생성하는 촉감 생성수단(120);을 포함함으로써 멀티 채널의 감각전달이 가능한 것을 특징으로 하는 촉각 생성 장치가 개시된다.

Description

촉각 생성장치, 고분자 유전체 기반 구동기, 이를 이용한 촉각 액추에이터, 촉감 액추에이터, 인터페이스 장치, 촉각 피드백 제공장치{Apparatus for generating tactile sensation, dielectricpolymer high-perpormance driver, actuator, interfacing apparatus, apparatus for providing tactile feedback using the same}
본 발명은 고분자 유전체 기반 구동기 및 이를 이용한 촉각 생성장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉감과 근감각을 제공하는 구동기를 이용하여 사용자에게 멀티 채널의 감각을 쉽게 전달하기 위한 발명에 관한 것이다.
일반적으로 햅틱(haptic)이란 물체를 만질 때, 사람의 핑거팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각으로서, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감(Tactile feedback)과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각(Kinesthetic force feedback)을 포괄하는 개념이다.
한편, 최근에는 차량에 HUD 디스플레이(head-up display)인 사용자 인터페이스가 탑재되고 있으며, 인터페이스에 입력 기능을 제공하기 위한 마우스의 사용이 더욱 절실히 요구되고 있다. 그러나 일반적인 마우스의 경우에는(일예로서 트랙볼 마우스) 자동차처럼 운전하며 집중하기 힘든 상황속에서 협소한 공간에 사용하기에 햅틱 피드백이 없어 불편하고 안전운전에 심각한 지장을 초래하는 문제점이 있다.
따라서, 촉감 및 근감각을 동시에 제공함으로써 직관적으로 터치패드처럼 스트로크 또는 터치에 의해 입력하거나 사용자에게 촉각을 전달하여 사용자와 의사소통을 할 수 있는 인터페이스 장치의 개발이 요구되고 있다.
이러한 촉감 디스플레이 장치에 대한 일예로 2007년 4월 25일자로 공개된 대한민국 등록 특허 제718896호는 고분자 유전체(1)의 외각을 고정하는 프레임을 설치하여 구동방향을 제시하는 데 있어 선장력 방식이 아닌 구동필름의 형태 변형을 통한 제시방법에 대해 기재하고 있다.
선행기술문헌인 대한민국 등록특허공보 제10-718896호(발명의 명칭 : 유연한 구동기 및 그를 이용한 촉각제시장치)에 따르면 고분자 유전체(1)의 외각을 고정하는 프레임을 설치하여 구동방향을 제시하는데 있어 선장력 방식이 아닌 구동필름의 형태 변형을 통한 제시방법에 대해 기재하고 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 자극의 간격과 자극의 강도를 조절하여 촉감과 근감각을 동시에 제공함으로써 멀티 채널의 감각전달이 가능한 햅틱 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 제어패널 상에서 사용자의 터치에 대응하는 근감각을 제공하며, 사용자의 터치에 상응하는 위치 또는 방향을 감지하는 신호를 생성하는 근감각 생성수단(110); 및 근감각 생성수단(110)의 신호에 기초하여 표현하고자 하는 촉감을 생성하는 촉감 생성수단(120);을 포함함으로써 멀티 채널의 감각전달이 가능한 것을 특징으로 하는 촉각 생성 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 근감각 생성수단(110)은 댐퍼이고, 촉감 생성수단(120)은 전기활성폴리머에 의해 구현되는 것을 특징으로 한다.
또한, 댐퍼는, 솔레노이드의 임피던스 변화에 따른 변위를 감지하고, 변위에 따른 사용자의 터치 위치 또는 방향을 감지하는 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 촉감 생성수단(120)은, 사용자의 터치 위치 또는 방향에 기초하여 표현하고자 하는 촉감을 생성하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 목적은 제어패널 상에서 사용자의 터치에 대응하는 근감각을 제공하며, 사용자의 터치 또는 스트로크에 상응하는 위치 또는 방향을 감지하는 신호를 생성하는 복수의 근감각 생성수단; 및 근감각 생성수단의 신호에 기초하여 표현하고자 하는 촉감을 생성하는 복수의 촉감 생성수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 액추에이터를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 복수의 촉감 생성수단은 굴곡면에 구비되며, 근감각 생성수단(110)의 상부에 구비되어 촉감을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 복수의 근감각 생성수단은 사용자의 스트로크에 따라 변위를 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 사용자의 스트로크에 대응하여 생성되는 일측 근감각 생성수단과 타측 근감각 생성수단의 변위값에 따라 사용자의 스트로크에 상응하는 방향을 감지하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 목적은 제어 대상체의 위치제어를 좁은 범위에서 미세하게 제어하며, 촉감 및 근감각을 생성하는 입출력수단(210); 및 미세 제어수단(210)에 비해 상대적으로 넓은 범위에서 제어 대상체의 위치제어를 하는 입력수단(220);을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀리스틱 인터페이스 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 입력수단(220)은, 광센서 또는 엔코더를 이용한 마우스인 것을 특징으로 한다.
또한, 입력수단(220)은, 가속도센서 및 자이로센서 중 적어도 어느 하나를 이용한 3차원 마우스인 것을 특징으로 한다.
또한, 입력수단(220)은, 압력감지 또는 정전용량 감지를 이용한 터치패드인 것을 특징으로 한다.
또한, 입출력수단(210)은, 복수의 근감각 생성수단을 구비하고, 사용자의 스트로크에 대응하여 생성되는 일측 근감각 생성수단과 타측 근감각 생성수단의 변위값에 따라 사용자의 스트로크에 상응하는 방향을 감지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 입출력수단(210) 및 입력수단(220) 중 어느 하나의 입력기능이 동작중인 경우에는 다른 하나의 입력 기능은 중지되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 목적은 홀리스틱 인터페이스 장치의 이동 또는 터치를 감지하여 상응하는 신호를 생성하는 감지수단; 이동 또는 터치에 따라 제어하고자 하는 제어 대상체를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어수단; 및 제어 대상체의 위치 또는 제어 대상체에 의해 선택된 영역에 대응하는 촉각정보 신호를 입력받아 홀리스틱 인터페이스 장치에 출력하는 출력수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 피드백 제공 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 제어수단은, 제어 대상체의 위치 또는 제어 대상체에 의해 선택된 영역에 대응하는 촉각정보가 근감각 및 촉감 중 어느 것인지를 판단하여 출력수단에 상응하는 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
또한, 홀리스틱 인터페이스 장치는, 촉각정보 신호에 기초하여 촉감 및 근감각을 사용자에게 전달하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 목적은 전기장에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되는 고분자유전체(311)와 전기장을 형성하도록 하는 전극층(313)이 다층으로 이루어진 압축력 생성수단(310), 그리고 압축력 생성수단을 적어도 일측 방향에서 지지함으로써 복원력을 생성하는 복원력 생성수단(320);을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 구동기를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 복원력 생성수단(320)은 탄성을 가지는 스프링으로서, 압축력 생성수단(310)을 양측에서 수직 방향으로 지지하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 목적은 전기장에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되는 고분자유전체(311)와 전기장을 형성하도록 하는 전극층(313)이 다층으로 이루어진 압축력 생성수단(310)을 포함하고, 그리고 전극층(313)에 인가되는 펄스열의 간격 및 펄스 횟수 중 적어도 어느 하나를 제어하고, 펄스 횟수는 사람이 촉감을 인지할 수 있는 시간 분해능 이하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉감 액추에이터를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 펄스열의 간격에 의해 촉감의 간격을 제어하여 햅틱감각을 제공하고, 펄스 횟수를 제어하여 촉감의 강도를 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 압축력 생성수단을 적어도 일측 방향에서 지지함으로써 복원력을 생성하는 복원력 생성수단(320);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 자극의 간격과 자극의 강도를 조절하여 촉감과 근감각을 동시에 제공함으로써 멀티 채널의 감각전달이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 사용자의 스트로크 또는 터치에 의한 입력 기능과 사용자에게 촉각을 제공할 수 있는 출력기능을 동시에 제공할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 의하면 고분자 유전체에 의한 수직 방향의 힘을 생성할 수 있으며, 응답속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 근감각 생성수단의 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 촉감 생성수단의 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 촉각 액추에이터의 단면도이고,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 포인팅 오브젝터가 왼쪽 및 오른쪽으로 스트로크 하는 도면이고,
도 6은 본 발명에 따른 촉각 액추에이터가 부착된 광마우스이고,
도 7은 본 발명에 따른 촉각 액추에이터가 부착된 광마우스의 이동영역을 도시한 도면이고,
도 8은 본 발명에 따른 촉각 액추에이터가 부착된 공간마우스이고,
도 9는 본 발명에 따른 고분자 유전체 기반 구동기에 전압이 인가되지 않은 도면이고,
도 10은 본 발명에 따른 고분자 유전체 기반 구동기에 전압이 인가된 도면이고,
도 11은 본 발명에 따른 고분자 유전체 기반 구동기가 매트릭스 형태로 도시된 도면이고,
도 12는 본 발명에 따른 촉감 액추에이터를 이용하여 사용자에게 촉감을 전달하도록 하는 제어 주기에 관한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.
<촉각 생성 장치의 구성>
본 발명에 따른 촉각 생성 장치는 촉감과 근감각(필요에 따라 진동감각 제공)을 동시에 제공할 수 있는 멀티 채널의 홀리스틱 촉각 생성 장치이다. 이하에서는 이러한 촉각(촉감과 근감각)을 동시에 제공할 수 있는 근감각 생성수단(110)과 촉감 생성수단(120)에 대해 상세히 설명하기로 한다.
( 근감각 생성수단)
본 발명에 따른 근감각 생성수단(110)은 사용자의 터치 또는 스트로크에 반응하여 근감각을 생성하고, 또한 제어패널 상에서 사용자의 터치 또는 스트로크가 가해진 경우 사용자의 터치 위치 또는 스트로크의 방향을 감지하여 이를 출력한다.
근감각 생성수단(110)이 생성하는 근감각은 저항감 또는 진동감일 수 있다. 이러한 저항감 또는 진동감을 생성하기 위해 근감각 생성수단(110)은 댐퍼로 구현될 수 있으며, 댐퍼의 구현은 다양한 구성으로 구체화될 수 있다.
댐퍼의 일예로서 본 출원의 발명자가 대한민국에 기 출원한 출원번호 10-2012-0048736(발명의 명칭 : 임피던스를 자가 센싱하는 유체를 이용한 액추에이터 및 임피던스를 자가 센싱하는 방법), 특허등록번호 1036626(발명의 명칭 : 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성구현 장치, 이를 이용한 햅틱제공장치, 이를 이용한 초소형 이동체 및 그 제어방법), 출원번호 10-2010-0049402(발명의 명칭 : 자기유변유체를 이용한 외력 반응형 강성발생 장치 및 그를 이용한 햅틱제공 장치), 출원번호 10-2012-0049150(유체를 이용한 멀티 모드의 근감각-촉각 발생기 및 그의 설계방법, 근감각-촉각 발생기를 이용한 댐퍼장치 및 휴대용 기기, 저항력 발생방법 및 그 기록매체) 등이 있다.
본 발명에서 설명되는 댐퍼의 일실시예는 출원번호 10-2012-0048736에 기재된 내용을 기초로 하여 설명하기로 하며, 이에 대한 도면이 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 이동수단(111)이 사용자의 터치 또는 스트로크에 의해 힘을 받는 경우 하우징(113) 내부에서 왕복 이동하면서 하우징에 수용된 유체(일예로 자기유변유체)의 유동에 의해 저항력을 받게 되며 사용자에게 저항감이 전달된다.
상·하부경사유체이동로(114,115)는 이동수단(111)의 상부의 상면 및 하부의 외면과, 하우징(113)의 내벽 사이에 형성되고, 이동수단(111)이 왕복 이동하는 동안 상·하부경사유체이동로(114,115)를 통해 자기유변유체가 이동하게 된다. 이때, 상·하부경사유체이동로(114,115)에서는 플로우모드, 전단모드, 및 스퀴즈모드 등 다양한 모드에 의해 다양한 저항감을 사용자에게 전달할 수 있다.
자기장인가수단(112)은 바람직하게는 솔레노이드 코일에 의해 구체화될 수 있다. 솔레노이드 코일을 사용하는 경우에는 이동수단(111)의 이동 깊이에 따른 솔레노이드 임피던스 변화를 감지할 수 있어 이동수단(111)의 변위를 측정할 수 있다.
(촉감 생성수단)
본 발명에 따른 촉감 생성수단(120)은 바람직하게는 굴곡면에 구비되며, 근감각 생성수단(110)의 상부에 구비되어 촉감을 생성한다. 촉감 생성수단(120)이 굴곡면에 구비되는 경우에는 사용자에 의해 터치 또는 스트로크 되는 접촉 면적이 증가되어 사용자에게 더 많은 촉감을 전달할 수 있다.
촉감 생성수단(120)은 상술한 근감각 생성수단(110)의 신호에 기초하여 촉감을 사용자에게 전달한다. 즉, 사용자는 촉각정보가 위치한 영역까지 제어패널 상에 구비된 근감각 생성수단(110)을 이용하여 이동하고, 표현하고자 하는 촉각정보가 위치한 영역에서 근감각 생성수단(110)의 스트로크 방향 또는 위치정보에 따라 촉감 생성수단(120)이 촉감을 사용자에게 전달한다.
촉감 생성수단(120)의 구현은 다양한 구성으로 구체화될 수 있으며, 일예로서 전기활성폴리머(electro-active polymer)로 구현될 수 있다. 이때, 촉감 생성수단(120)의 일예로서 본 출원의 출원인이 대한민국에 기 출원한 출원번호 10-2012-0023562, 출원번호 10-2012-0027243, 출원번호 10-2012-0024962, 출원번호 10-2012-0024354 등이 있다.
본 발명에서 설명되는 전기활성폴리머를 이용한 촉감 생성수단(120)의 일실시예는 출원번호 10-2012-0023562에 기재된 내용을 기초로 하여 설명하기로 하며, 이에 대한 도면이 도 2에 도시되어 있다.
고분자 유전체(121)는 인가되는 전압에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되며, 고분자 유전체(121)의 상부면과 하부면에 각각 설치되어 전압을 제공하는 전극층(122)이 있다. 전극층(122)에 전압이 인가되면 압축력 생성부(128)가 압축되면서 컨택터(125)가 상부로 돌출되어 촉감을 사용자에게 전달한다. 전압 인가가 제거되면 컨택터(125)는 다시 제자리로 복귀한다.
<촉각 액추에이터의 구성>
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 촉각 액추에이터는 바람직하게는 적어도 3개 이상의 근감각 생성수단(110)과 제어패널 상에서 사용자에게 촉감을 제공하는 복수의 촉감 생성수단(120)으로 구성된다.
근감각 생성수단(110)은 본 발명이 적용되는 휴대용 장치의 좌측 하우징(20)과 우측 하우징(30) 사이에 위치되고, 촉감 생성수단(120)의 하부에 적어도 3개 이상으로 구비되어 사용자에게 근감각을 제공하며 구체화된 실시예는 상술한 댐퍼에 의해 구현될 수 있다.
촉감 생성수단(120)은 사용자에게 더 많은 촉감을 전달하도록 굴곡면(10) 상에 필요에 따라 적절한 개수의 촉감 생성수단(120)이 구비된다. 바람직하게는 사용자에게 접촉면적을 넓히기 위해 굴곡면을 사용하는 것이 좋으나 필요에 따라 굴곡면이 아닌 면도 적용될 수 있다. 촉감 생성수단(120)의 구체화된 실시예는 상술한 전기활성폴리머 등을 이용한 장치에 의해 구현될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 포인팅 오브젝터(50)(일예로 사용자의 손가락)가 오른쪽에서 왼쪽으로 이동하는 경우 근감각 생성수단(110b)의 변위는 점차 원상태로 복귀하고(변위량 감소) 근감각 생성수단(110a)의 변위는 점차 사용자의 손가락에 의한 힘을 받아 변위량이 증가하게 된다. 따라서, 사용자가 일측에서 타측으로 스트로크를 가한 경우 변위량의 감지에 의해 스트로크의 방향을 인식할 수 있으며, 또한, 사용자가 어느 한 지점을 터치한 경우 근감각 생성수단이 변위를 감지함으로써 제어패널 상의 터치 지점의 위치를 인식할 수 있다.
터치 지점의 인식은 일예로서 근감각 생성수단이 직사각형 형상의 마우스 패드 상의 네 모서리 부근에 위치하고 있는 경우 사용자에 의해 좌측 상단 또는 좌측 하단의 힘이 가해져 근감각 생성수단의 변위가 바뀐 경우 터치 지점을 인식할 수 있다.
도 5는 사용자의 스트로크가 왼쪽에서 오른쪽으로 가해진 경우이며 도 4와 같은 원리에 의해 스트로크 방향 및 터치 지점을 인식할 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 사용자가 왼쪽 또는 오른쪽으로 스트로크를 가한 경우 사용자의 손가락 표면에 접촉되는 촉감 생성수단(120)의 컨택터(125)의 돌출에 의한 자극으로 사용자에게 스트로크 시 표면 자극을 전달할 수 있다.
< 홀리스틱 인터페이스 장치의 구성>
홀리스틱 인터페이스 장치는 전체론적 제사장치란 용어로서 사용자에게 촉감과 근감각을 동시에 제공하여 멀티 채널의 감각전달이 가능한 인터페이스 장치를 일컫는다.
도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 홀리스틱 인터페이스 장치는 일예로서 기존의 엔코더를 이용한 마우스, 광센서를 이용한 광마우스 또는 3차원 공간 마우스에 촉각 액추에이터를 부착하여 구체화될 수 있다. 또한, 도면에는 도시되어 있지 않으나 압력감지 또는 정전용량 감지를 이용한 터치패드에 촉각 액추에이터를 부착할 수도 있다. 이 경우에는 일예로서 스마트 폰 등에 본 발명에 따른 촉각 액추에이터가 부착된다.
한편, 입력수단(220)은 종래의 광마우스 또는 공간 마우스에 의해 구체화될 수 있으며 이하에서는 입력수단(220)을 광마우스 또는 공간 마우스로 가정하여 설명한다. 광마우스는 왼쪽 또는 오른쪽 클릭버튼이 있으며 드래그에 의한 영역 설정의 경우에는 왼쪽 클릭버튼을 누르면서 마우스를 이동하는 경우 원하는 영역의 설정이 가능하다. 이외에 종래의 광마우스는 다양한 클릭버튼을 측면에 구비하고 있을 수도 있다.
종래의 광마우스(220)에 도 6에 도시된 바와 같이 촉각 액추에이터가 구비된 입출력수단(210)이 광마우스의 상측 중간영역에 구비될 수 있다. 따라서, 사용자는 도 7에 도시된 바와 같이 이미지상에서 넓은 영역(공간)에 걸쳐, 즉 제1지점(60)에서 제2지점(70)으로 마우스 커서를 제어하고자 하는 경우에는 종래의 광마우스를 이동시켜 제어한다. 그리고 좁은 영역(제3영역(80))에 걸쳐 미세하게 제어하고 싶은 경우에는 촉각 액추에이터가 구비된 입출력수단(210)의 터치패드 상에서 터치패드의 터치 또는 스트로크에 의해 제어할 수 있다. 이때 근감각 생성수단의 변위에 의해 터치 지점 또는 터치 방향을 인식할 수 있다. 마우스 커서를 움직이기 위해서는 좌·우·아래·위 방향으로 스트로크를 가하거나 또는 어느 하나의 근감각 생성수단을 계속 누름에 의해 움직이고자 하는 방향으로 구현할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 종래의 3차원 공간 마우스에 본 발명에 따른 촉각 액추에이터가 부착된 입출력수단(210)이 구체화되어 마우스 커서의 넓은 범위의 영역 이동에서는 종래의 공간 마우스를 이동시켜 이동하고, 좁은 범위의 마우스 커서 이동시에는 입출력수단(210)을 사용하여 이동한다. 이때, 공간 마우스에는 자이로센서 또는 가속도센서 등이 내장되어 있어 공간상에서의 마우스 움직임을 감지하여 마우스 커서의 이동을 제어할 수 있다.
<촉각 피드백 제공장치의 구성>
본 발명에 따른 촉각 피드백 제공장치는 도 6 및 도 8에 도시된 홀리스틱 인터페이스 장치(200)와 제어 대상체의 일실시예 중 하나인 마우스 커서 등이 표현되는 LED 디스플레이 장치(도면 미도시) 및 LED 디스플레이 장치에 그래픽 정보를 전달하는 컴퓨터(도면 미도시) 등에 의해 구체화될 수 있다. 이하에서 사용자에게 촉각을 전달하는 방법에 대해 자세히 설명하기로 한다.
사용자는 LED 디스플레이 상에서 전달받고자 하는 촉감이 있는 위치 즉, 제3영역(80)까지 이동하기 위해 도 7에 도시된 바와 같이 마우스 커서의 넓은 범위의 이동은(제1지점(60)->제2지점(70)으로 이동) 종래의 광마우스를 이용하여 이동한다.
넓은 범위의 이동이 완료된 경우, 사용자는 미세 제어 및 좁은 범위의 영역을 제어하기 위해 촉각 액추에이터가 구비된 입출력수단(210)을 이용한다. 입출력수단(210)에 구비된 근감각 생성수단(110)에 의해 사용자의 스트로크 위치 또는 방향을 감지하고 이에 따라 마우스의 위치가 제어된다. 마우스 커서의 위치에 상응하는 제3영역(80)의 공룡 이미지에 대한 촉감 정보가 그래픽 엔진에 의해 인식되어 홀리스틱 인터페이스 장치로 전달되어 촉감정보가 표시된다.
만약, 제3영역 전부에 대한 촉감 정보를 표시하고자 하는 경우에는 광마우스 등에 구비된 좌측 클릭버튼과 드래그를 이용하여 제3영역을 선택할 수 있으며, 제3영역에 상응하는 촉감정보가 홀리스틱 인터페이스 장치로 전달되어 촉감이 구현된다.
한편, 상술한 설명은 홀리스틱 인터페이스 장치가 외부 그래픽 표현 장치가 분리된 경우를 설명하였으나 스마트폰 등에 홀리스틱 인터페이스 장치가 함께 구현될 수도 있다. 즉, 스마트폰의 터치패드가 본 발명에 따른 입력수단(220)이 될 수 있으며, 스마트폰의 디스플레이 장치가 상술한 LED 디스플레이 장치가 될 수 있고, 컴퓨터가 스마트폰의 어플리케이션 프로세서 등의 회로가 될 수 있다.
스마트폰에 구현이 된 경우에는 홀리스틱 인터페이스 장치의 이동 또는 터치 감지는 홀리스틱 인터페이스 장치내에 구현될 수도 있고 또는 홀리스틱 인터페이스 장치의 근감각 생성수단은 변위에 따른 신호만을 생성하여 어플리케이션 프로세서로 입력하고, 이동 또는 터치 감지는 어플리케이션 프로세서가 처리할 수도 있다.
또한, 어플리케이션 프로세서는 감지에 따라 제어 대상체인 커서의 위치를 이동시키며 커서의 위치에 상응하는 그래픽 이미지의 촉감 정보를 홀리스틱 인터페이스 장치에 출력한다.
<고분자 유전체 기반 구동기의 구성>
상술한 촉감생성수단(120)의 다른 실시예로서 도 9에 도시된 바와 같은 고분자 유전체 기반 구동기가 구체화될 수 있다. 압축력 생성수단(310)은 고분자 유전체(311)와 전극층(313)이 복수의 층으로 적층(stack)되어 있으며, 전극층에 전압이 인가되면 전기장이 형성되어 고분자 유전체에 인장(strain)이 발생됨으로써 복원력(Fe)이 약해진다.
복원력 생성수단(310)은 압축력 생성수단(310)을 아랫 방향으로 지지하는 제1탄성스프링(321)과 윗 방향으로 지지하는 제2탄성스프링(323)으로 구체화될 수 있다. 압축력 생성수단을 윗 방향으로 지지하도록 제2탄성스프링의 일단에는 도 10에 도시된 바와 같은 원기둥 형상의 지지대(340)가 플라스틱으로 구현될 수 있으며, 컨택터(330)는 원기둥 형상으로서 제1탄성스프링의 내측으로 감싸지며 구비된다.
이때 제1탄성스프링(321)과 제2탄성스프링(323)은 아래의 수학식 1에 의한 복원력을 갖는다.
Figure 112012050456614-pat00001
이때, F는 복원력, k는 탄성계수, x는 스프링의 늘어난 길이이다.
따라서, 수학식 1에 의해 제1탄성스프링(321)과 제2탄성스프링(323)의 탄성계수가 동일하다 하여도 제2탄성스프링이 고분자 유전체 및 제1탄성스프링의 복원력에 의해 더 많이 압축되어 제1탄성스프링에 비해 복원력이 더 크게 된다. 즉, 도 9와 같이 고분자 유전체에 전압이 인가되기 전에는 다음과 같은 수학식 2가 성립한다.
Figure 112012050456614-pat00002
이때, Fs2는 제2탄성스프링의 복원력, Fs1은 제1탄성스프링의 복원력, Fe는 고분자 유전체의 복원력이다.
고분자 유전체에 전압이 인가되는 경우에는 Fe의 복원력이 약해지며 따라서 도 10에서와 같이 제2탄성스프링의 복원력이 제1탄성스프링 및 고분자 유전체의 복원력 합에 비해 더 커지므로 윗 방향으로 컨택터(330)를 돌출시켜 사용자에게 촉감을 전달할 수 있다.
고분자 유전체(311)는 도 11에 도시된 바와 같이 한장의 쉬트(sheet) 형태로 제공되며 전극층이 고분자 유전체에 코팅된다. 만약 다층으로 압축력 생성수단을 형성하기 위해서는 가장 아랫부분에 위치할 제1고분자 유전체 쉬트(311a) 아랫면 및 윗면에 제1전극층(313a) 및 제1'전극층(313a')을 각각 코팅한다. 제1고분자 유전체 쉬트(311a) 위에 제2고분자 유전체 쉬트(313b)를 적층하고 제2전극층(313b)을 코팅한다. 마지막으로 제2고분자 유전체 쉬트(313b) 위에 제3고분자 유전체 쉬트(313c)를 적층하고 제3전극층(313c)을 코팅하면 된다. 이때 전극층은 도 11에 도시된 바와 같이 컨택터(330) 및 지지대(340)와 맞닿는 부분에 부분적으로 코팅된다.
< 촉감 액추에이터의 구성>
본 발명에 따른 촉감 액추에이터는 상술한 촉감 생성수단 또는 고분자 유전체 기반 구동기에 입력되는 펄스 횟수 및 펄스 간격을 제어함으로써 사용자에게 촉감 강도와 촉감 간격에 따른 다양한 햅틱 감각을 제공할 수 있도록 한다.
도 12에 도시된 바와 같이 T2는 사람이 인지할 수 있는 시간 분해능(human's temporal acuity)을 나타낸 것으로서, 사람은 5.5ms(T2' ,T2'') 이내에서 여러번 촉감자극이 전달되어도 한번의 자극으로 느끼게 된다. 따라서, 사용자에게 촉감 자극의 강도를 전달하기 위해 T2 시간동안 T1(바람직하게는 T2에 비해 2 ~ 3배 이상 더 빠르게 설계)의 주기에 해당하는 펄스 횟수를 조절함으로써 강하고 빳빳한(crisp) 촉감을 전달할 수 있다. 즉, T2'보다는 T2''가 보다 더 강하고 빳빳한 촉감을 사용자에게 전달한다.
또한, 펄스의 간격(T3)을 서로 조절함으로써 다양한 햅틱 감각을 전달할 수 있다. 일예로 맹인들에게 펄스의 간격을 조절하여 촉감을 전달함으로써 사용자와 의사소통할 수 있는 인터페이스 역할을 수행할 수 있다.
상술한 펄스 횟수 및 펄스 간격은 아날로그 및 디지털 논리회로에 의해 구현될 수 있으며, 일예로서 마이크로프로세서 등에 의해 제어될 수 있다.
이상, 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
1 : 공룡 이미지
10 : 굴곡면
20 : 좌측 하우징
30 : 우측 하우징
40 : 폴리머
50 : 포인팅 오브젝터
60 : 제1지점
70 : 제2지점
80 : 제3영역
100 : 촉각 생성 장치
110,110a...110g : 근감각 생성수단
111 : 이동수단
112 : 자기장인가수단
113 : 하우징
114 : 상부경사유체이동로
115 : 하부경사유체이동로
120,120a,120b : 촉감 생성수단
121 : 고분자 유전체
122 : 전극층
123 : 돌출부
124 : 고정판
125 : 컨택터
126 : 하우징 상부판
127 : 하우징 하부판
128 : 압축력 생성부
200 : 홀리스틱 인터페이스 장치
210 : 입출력수단
220 : 입력수단
310 : 압축력 생성수단
311 : 고분자유전체
311a : 제1고분자 유전체 쉬트
311b : 제2고분자 유전체 쉬트
311c : 제3고분자 유전체 쉬트
313 : 전극층
313a : 제1전극층
313a': 제1'전극층
313b : 제2전극층
313c : 제3전극층
320 : 복원력 생성수단
321 : 제1탄성스프링
323 : 제2탄성스프링
330 : 컨택터
340 : 지지대
350 : 하우징

Claims (22)

  1. 제어패널 상에서 사용자의 터치에 대응하는 근감각을 제공하며, 상기 사용자의 터치에 상응하는 위치 또는 방향을 감지하는 신호를 생성하는 근감각 생성수단(110); 및
    상기 근감각 생성수단(110)의 신호에 기초하여 표현하고자 하는 촉감을 생성하는 촉감 생성수단(120)을 포함함으로써 멀티 채널의 감각전달이 가능하고;
    상기 근감각 생성수단(110)은 댐퍼이고, 상기 촉감 생성수단(120)은 전기활성폴리머에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 촉각 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 댐퍼는,
    솔레노이드의 임피던스 변화에 따른 변위를 감지하고, 상기 변위에 따른 사용자의 터치 위치 또는 방향을 감지하는 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 촉각 생성 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉감 생성수단(120)은,
    상기 사용자의 터치 위치 또는 방향에 기초하여 표현하고자 하는 촉감을 생성하는 것을 특징으로 하는 촉각 생성 장치.
  5. 제 1 항에 기재된 촉각 생성 장치를 이용한 촉각 액추에이터에 있어서,
    제어패널 상에서 사용자의 터치에 대응하는 근감각을 제공하며, 상기 사용자의 터치 또는 스트로크에 상응하는 위치 또는 방향을 감지하는 신호를 생성하는 복수의 근감각 생성수단; 및
    상기 근감각 생성수단의 신호에 기초하여 표현하고자 하는 촉감을 생성하는 복수의 촉감 생성수단을 포함하고;
    상기 복수의 근감각 생성수단은 상기 사용자의 스트로크에 따라 변위를 감지하고, 사용자의 스트로크에 대응하여 생성되는 일측 근감각 생성수단과 타측 근감각 생성수단의 변위값에 따라 상기 사용자의 스트로크에 상응하는 방향을 감지하는 것을 특징으로 하는 촉각 액추에이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 촉감 생성수단은 굴곡면에 구비되며,
    상기 근감각 생성수단(110)의 상부에 구비되어 촉감을 생성하는 것을 특징으로 하는 촉각 액추에이터.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 5 항에 기재된 촉각 액추에이터를 이용하여 제어 대상체의 위치제어를 수행하여, 촉감 및 근감각을 생성하는 입출력수단(210); 및
    상기 입출력수단(210)에 비해 상대적으로 넓은 범위에서 상기 제어 대상체의 위치제어를 하는 입력수단(220);을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀리스틱 인터페이스 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 입력수단(220)은,
    광센서 또는 엔코더를 이용한 마우스인 것을 특징으로 하는 홀리스틱 인터페이스 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 입력수단(220)은,
    가속도센서 및 자이로센서 중 적어도 어느 하나를 이용한 3차원 마우스인 것을 특징으로 하는 홀리스틱 인터페이스 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 입력수단(220)은,
    압력감지 또는 정전용량 감지를 이용한 터치패드인 것을 특징으로 하는 홀리스틱 인터페이스 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 입출력수단(210)은,
    복수의 근감각 생성수단을 구비하고,
    사용자의 스트로크에 대응하여 생성되는 일측 근감각 생성수단과 타측 근감각 생성수단의 변위값에 따라 상기 사용자의 스트로크에 상응하는 방향을 감지하는 것을 특징으로 하는 홀리스틱 인터페이스 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 입출력수단(210) 및 상기 입력수단(220) 중 어느 하나의 입력기능이 동작중인 경우에는 다른 하나의 입력 기능은 중지되는 것을 특징으로 하는 홀리스틱 인터페이스 장치.
  15. 제 9 항에 기재된 홀리스틱 인터페이스 장치의 이동 또는 터치를 감지하여 상응하는 신호를 생성하는 감지수단;
    상기 이동 또는 상기 터치에 따라 제어하고자 하는 제어 대상체를 제어하는 제어신호를 생성하는 제어수단; 및
    상기 제어 대상체의 위치 또는 상기 제어 대상체에 의해 선택된 영역에 대응하는 촉각정보 신호를 입력받아 상기 홀리스틱 인터페이스 장치에 출력하는 출력수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 피드백 제공 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 제어 대상체의 위치 또는 상기 제어 대상체에 의해 선택된 영역에 대응하는 촉각정보가 근감각 및 촉감 중 어느 것인지를 판단하여 상기 출력수단에 상응하는 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 촉각 피드백 제공 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 홀리스틱 인터페이스 장치는,
    상기 촉각정보 신호에 기초하여 촉감 및 근감각을 사용자에게 전달하는 것을 특징으로 하는 촉각 피드백 제공 장치.
  18. 전기장에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되는 고분자유전체(311)와 상기 전기장을 형성하도록 하는 전극층(313)이 다층으로 이루어진 압축력 생성수단(310), 그리고
    상기 압축력 생성수단을 적어도 일측 방향에서 지지함으로써 복원력을 생성하는 복원력 생성수단(320);을 포함하는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 구동기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복원력 생성수단(320)은 탄성을 가지는 스프링으로서,
    상기 압축력 생성수단(310)을 양측에서 수직 방향으로 지지하는 것을 특징으로 하는 고분자 유전체 기반 구동기.
  20. 전기장에 의해 평면방향으로 인장되고 수직방향으로 압축되는 고분자유전체(311)와 상기 전기장을 형성하도록 하는 전극층(313)이 다층으로 이루어진 압축력 생성수단(310)을 포함하고, 그리고
    상기 전극층(313)에 인가되는 펄스열의 간격 및 펄스 횟수 중 적어도 어느 하나를 제어하고, 상기 펄스 횟수는 사람이 촉감을 인지할 수 있는 시간 분해능 이하에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉감 액추에이터.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 펄스열의 간격에 의해 촉감의 간격을 제어하여 햅틱감각을 제공하고,
    상기 펄스 횟수를 제어하여 촉감의 강도를 제공하는 것을 특징으로 하는 촉감 액추에이터.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 압축력 생성수단을 적어도 일측 방향에서 지지함으로써 복원력을 생성하는 복원력 생성수단(320);을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 액추에이터.
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