KR101750506B1 - 햅틱 인터페이스의 제어 방법 및 장치 - Google Patents

햅틱 인터페이스의 제어 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

햅틱 인터페이스 제어 방법 및 장치가 개시된다. 본 햅틱 인터페이스 제어 방법은 사용자의 신체 일부에 장착된 햅틱 디바이스로부터 사용자의 움직임에 따른 위치 정보를 획득하는 단계, 상기 획득된 위치 정보에 매핑되는 햅틱 커서와 가상 객체를 포함하는 가상 환경을 생성하는 단계, 상기 햅틱 커서의 위치와 상기 가상 객체의 충돌 여부를 검출하는 단계, 상기 충돌이 검출되었다면, 상기 사용자의 신체 근육의 근전도 신호를 획득하는 단계, 상기 획득된 근전도 신호와 상기 위치 정보에 따라 상기 햅틱 디바이스에 작용할 반력(Response Force)를 계산하는 단계, 상기 계산된 반력에 따라 상기 햅틱 디바이스를 통해 상기 사용자에게 역감을 제공하는 단계를 포함한다.

Description

햅틱 인터페이스의 제어 방법 및 장치{CONTROLLING METHOD AND APPARATUS OF HAPTIC INTERFACE}
본 발명은 햅틱 인터페이스의 제어 방법 및 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 가상 환경에서 햅틱 인터페이스를 통해 사용자에게 역감을 제공함으로써 실감도를 높일 수 있는 햅틱 인터페이스의 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 기술의 발전에 따라 가상 현실 및 이를 이용한 응용 기술에 대한 관심이 증대되고 있다. 가상 현실이란 가상 환경 안에서 사용자가 실세계 환경과 같은 현실감을 느끼도록 하는 것을 의미한다. 초기의 가상 현실 기술은 컴퓨터 그래픽을 이용한 시각 정보 및 다 채널 청각 정보의 제시를 통해 현실감 있는 환경을 재현하는데 중점을 두었다. 이러한 컴퓨터 영상 및 대화형 인터페이스의 이용은 설계, 시뮬레이션, 및 생산 자동화 분야뿐 아니라 의학 및 교육 분야에서도 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 시각과 청각에 기반한 정보의 제시만으로는 사용자가 현실감을 충분히 느끼기 어렵다. 이러한 문제로 최근에는 사용자에게 촉감(tactile)과 역감(kinesthetic)을 통해 가상 또는 실제 환경의 다양한 정보를 제공하도록 하는 햅틱(haptic) 기술이 많은 관심을 받고 있다.
햅틱(Haptic)은 그리스어로 만지다(touch)라는 뜻을 가진 "Haptesthai"에서 유래하는데, 햅틱 기술은 터치(touch)를 기반으로 한 정보의 인지와 장치 조작에 관한 연구 분야를 일컫는다. 일반적으로 피부가 물체 표면에 닿았을 때 느끼는 촉감(tactile feedback)과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근 감각적인 힘인 역감(kinesthetic force)의 두 가지 힘을 합쳐서 햅틱이라고 지칭한다
햅틱 기술은 사용자가 촉각을 통해 상호 작용을 할 수 있도록 하는 가상 환경을 제공한다. 햅틱 인터페이스를 통해 제공되는 촉감 및 역감 정보는 사용자가 다양한 환경을 더 자세히 인지하도록 하며, 사용자의 몰입감을 증가시켜 효과적으로 환경내의 객체들을 느끼고 조작할 수 있도록 도와준다.
기존의 햅틱 디바이스에 적용되는 역감은 작용-반작용의 법칙을 이용하여 사용자가 가하는 힘의 반대방향의 힘을 작용시켜 사용자가 역감을 느끼게 한다. 그러나, 기존의 역감 햅틱 디바이스는 사용자에게 적용할 힘을 계산할 때 후크의 법칙을 이용하여 계산하게 되므로 작용하는 힘에 지연(Delay)가 발생하게 되고, 사용자가 움직이지 않고, 근육만 사용하는 운동(등척성 운동)에서는 그 힘을 감지하지 못하게 된다.
한국 공개 특허 제10-2011-0124546호 (2011.11.17 공개)
본 발명은 상술한 필요성에 따라 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 역감햅틱 디바이스의 실감도를 높이기 위한 햅틱 인터페이스 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 햅틱 인터페이스 제어 장치는, 사용자의 신체에 장착할 수 있으며 전기적 신호를 이용하여 사용자에게 역감을 제공하고, 상기 사용자의 신체 움직임에 따른 위치 정보를 획득하는 햅틱 디바이스, 상기 햅틱 디바이스가 장착된 사용자 신체 근육의 근전도 신호를 획득하는 센서부, 상기 사용자가 상기 햅틱 디바이스를 이용하여 상호 작용할 수 있는 가상 객체와 상기 햅틱 디바이스의 물리적인 위치가 매핑된 상기 가상 환경의 햅틱 커서를 생성하는 가상 환경 생성부, 상기 가상 환경에 생성된 상기 가상 객체와 상기 햅틱 커서의 위치가 충돌한다면, 상기 센서부에서 획득된 근전도 신호와 상기 위치 정보에 따라 상기 햅틱 디바이스에 작용할 반력(Response Force)을 계산하고, 상기 계산된 반력을 상기 햅틱 디바이스로 전달하여 상기 사용자에게 역감을 제공하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
그리고, 상기 햅틱 디바이스는 상기 사용자에게 상기 반력에 해당하는 토크에 따라 역감을 제공하는 구동부, 상기 사용자가 움직인 위치 정보를 획득하여 디지털 신호로 변환하는 엔코더를 포함한다.
또한, 상기 햅틱 디바이스는 상기 구동부의 무게로 인한 균형을 유지하기 위해 밸런스 로드, 상기 햅틱 디바이스를 장착한 사용자에게 상기 구동부에 의해 발생된 반력을 전달받게 하기 위한 손잡이를 포함한다.
그리고, 상기 센서부는 상기 사용자 신체 근육의 피부에 전기적으로 연결되어 근전도 신호를 획득하는 복수 개의 전극들, 상기 전극들에서 획득된 근전도 신호를 증폭하는 증폭부를 포함한다.
또한, 상기 제어부는 상기 가상 객체와 상기 햅틱 커서의 충돌 여부를 검출하는 충돌 감지부, 상기 충돌 감지부에 의해 상기 충돌이 검출되었다면, 상기 획득된 근전도 신호와 상기 위치 정보에 따라 상기 햅틱 디바이스로 전달된 반력을 계산하는 반력 계산부, 상기 증폭된 근전도 신호를 밴드 패스 필터링한 후, 샘플링을 수행하고, 상기 샘플링된 신호에 대해 제곱평균제곱근(Root Means Square : RMS) 처리를 수행하는 신호 처리부를 포함하며, 상기 제곱평균제곱근 처리는 상기 샘플링 빈도에 대비하여 기설정된 RMS 처리 단위에 의해 설정되는 신호 처리 구간 내의 근전도 신호에 제곱(Square)을 취한 후 평균(Mean)을 계산하고 다시 이의 제곱근(Root)을 취함을 특징으로 한다.
그리고, 상기 반력은 상기 사용자가 상기 햅틱 디바이스에 작용한 토크(Torgue)와 동일한 크기를 갖는 따른 토크(Torque)로, 수학식
Figure 112016096396600-pat00001
에 의해 계산됨을 특징으로 하고, 여기서 T는 상기 구동부에 인가되는 토크이며, k(stiffness)는 사용자가 물체라고 느낄 수 있을 정도의 값이며, x(t)는 움직인 위치를 나타내고, xe(t)는 가상객체와 충돌할 때 위치를 나타낸다. Trig는 트리거 신호로서 (x(t) - xe(t))의 값이 0보다 크다면, "1"을 가지고, 그 외의 경우에는 "0"의 값을 가지며, A는 제1 근전도 파라미터로서 움직인 위치가 최소인 지점에서 측정된 근전도 값의 캘리브레이션 값이며, B는 는 제2 근전도 파라미터로서 움직인 위치가 최대인 지점에서 측정된 근전도 값의 캘리브레이션 값이다. 제1 및 제2 근전도 파라미터(A, B)는 각각 움직인 위치가 최소 및 최대인 지점에서 근전도 신호를 측정하여 획득할 수 있다. 그리고 E(t)는 상기 신호처리부에서 근전도 신호를 밴드패스 필터링한 후, 샘플링을 수행하고, 상기 샘플링된 신호에 대해 제곱(Square)을 취한 후 평균(Mean)을 계산하고 다시 이의 제곱근(Root)을 취해서 획득된 값이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 햅틱 인터페이스 제어 방법은 사용자의 신체 일부에 장착된 햅틱 디바이스로부터 사용자의 움직임에 따른 위치 정보를 획득하는 단계, 상기 획득된 위치 정보에 매핑되는 햅틱 커서와 가상 객체를 포함하는 가상 환경을 생성하는 단계, 상기 햅틱 커서의 위치와 상기 가상 객체의 충돌 여부를 검출하는 단계, 상기 충돌이 검출되었다면, 상기 사용자의 신체 근육의 근전도 신호를 획득하는 단계, 상기 획득된 근전도 신호와 상기 위치 정보에 따라 상기 햅틱 디바이스에 작용할 반력(Response Force)를 계산하는 단계, 상기 계산된 반력에 따라 상기 햅틱 디바이스를 통해 상기 사용자에게 역감을 제공하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 획득하는 단계는 상기 사용자 신체 근육의 피부에 부착된 복수 개의 전극들로부터 근전도 신호를 획득하는 단계, 상기 획득된 근전도 신호를 증폭하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 반력을 계산하는 단계는 상기 증폭된 근전도 신호를 밴드 패스 필터링한 후, 샘플링을 수행하고, 상기 샘플링된 신호에 대해 제곱평균제곱근(Root Means Square : RMS) 처리를 수행하여 상기 근전도 신호에 대한 신호 처리를 수행하는 단계를 포함하고, 상기 제곱평균제곱근 처리는 샘플링 빈도에 대비하여 기설정된 RMS 처리 단위에 의해 설정되는 신호 처리 구간 내의 근전도 신호에 제곱(Square)을 취한 후 평균(Mean)을 계산하고 다시 이의 제곱근(Root)을 취함을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면 역감 햅틱 장치에서 사용자에게 제공하는 역감 발생의 지연을 줄일 수 있으며, 사용자가 움직이지 않고 근육만 사용하는 운동을 하는 경우에도 이를 감지하여 역감을 제공할 수 있어 종래 비해 더 뛰어난 실감도를 사용자에게 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 이해를 돕기 위한 작용-반작용 법칙을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 디바이스의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 근전도 센서부의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 사용자의 신체 일부에 햅틱 디바이스와근전도 센서부가 부착된 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 인터페이스 제어 장치의 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 인터페이스 제어 방법 흐름도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 이해를 돕기 위한 작용-반작용 법칙을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 디바이스는 역감(kinesthetic force) 방식으로, 도 1에 도시된 바와 같이 햅틱 디바이스의 사용자(100)가 물체(150)에 힘(120)을 작용할 때 작용-반작용의 법칙에 따라 반작용힘(170)이 사용자(100)에게 가해지고, 사용자(100)는 이러한 반작용힘(170)에 의해 물체가 존재하는 것을 감지하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 디바이스(200)의 구성도이다.
본 발명에 따른 햅틱 디바이스(200)는 밸런스 로드(210), 엔코더(220), 모터(230), 기어(240) 및 손잡이(250)를 포함한다.
밸런스 로드(210)는 햅틱 디바이스(200)의 구동부인 모터(230)와 기어(240)의 무게로 인한 균형을 유지하기 위해 포함되며, 손잡이(250)는 상기 햅틱 디바이스(200)를 장착한 사용자에게 상기 구동부에 의해 발생된 반력을 전달받게 한다.
모터(230)는 상기 햅틱 디바이스(200)를 장착한 사용자에게 후술할 본 발명의 실시 예에 따라 계산된 토크에 따른 반력을 제공하며, 기어(240)는 상기 모터(230)의 동작 방향을 변경하거나, 상기 햅틱 디바이스(200)의 힘 또는 속도를 조절하는 역할을 수행하며, 본 발명에서 상기 모터(230)와 기어(240)를 구동부라고 칭하기로 한다.
따라서, 본 발명에서는 상기 구동부에 의해 반력에 해당하는 토크를 사용자에게 가함으로써 역감을 제공하게 된다.
엔코더(220)는 상기 사용자의 신체 움직임에 따른 위치 정보를 획득하여 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 근전도 센서부(300)의 구성도이다.
도 3에서 참조번호 310은 햅틱 디바이스를 착용한 사용자 신체 근육의 피부에 전기적으로 연결되어 근전도 신호를 획득하는 복수 개의 전극들이며, 상기 복수 개의 전극들(310)에서 획득된 근전도 신호는 매우 미약하므로 증폭부(320)에서 증폭되어 출력(340)되며, 양극(+) 신호와 접지(GND) 신호로 구성된다. 참조번호 330은 증폭부(320)의 전원을 공급하는 증폭부 전원 공급부이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 사용자의 신체 일부(430)에 햅틱 디바이스(200)와 근전도 센서부(300)가 부착된 예(400)를 도시한 도면이다.
참조번호 430은 사용자의 팔이며, 모터 토크(Motor Torque)(410)가 모터(230)에 인가되면, 사용자 팔이 이에 버티는 힘이 발생되는데 이때 발생되는 힘이 암 토크(Arm Torque)(420)가 된다. 앞서 도 1에서 설명했듯이 모터 토크(410)와 암 토크(420)는 작용-반작용의 법칙에 의해 서로 동일한 크기의 힘을 갖는다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 인터페이스 제어 장치의 블록 구성도이다.
도 5에서 햅틱 디바이스(200)는 사용자의 신체에 장착할 수 있으며 전기적 신호를 이용하여 사용자에게 역감을 제공하고, 상기 사용자의 신체 움직임에 따른 위치 정보를 획득하며, 센서부(300)는 상기 햅틱 디바이스(200)가 장착된 사용자 신체 근육의 근전도 신호를 획득하여 제어부(500)로 전달한다.
가상 환경 생성부(570)는 가상 객체가 존재하는 가상 환경을 상기 사용자에게 제공하고, 상기 햅틱 디바이스(200)를 이용하여 상호 작용할 수 있는 가상 객체와 상기 햅틱 디바이스(200)의 물리적인 위치가 매핑된 상기 가상 환경의 햅틱 커서를 생성한다.
제어부(500)는 상기 가상 환경에 생성된 상기 가상 객체와 상기 햅틱 커서의 위치가 충돌한다면, 상기 센서부에서 획득된 근전도 신호와 상기 위치 정보에 따라 상기 햅틱 디바이스(200)에 작용할 반력(Response Force)을 계산하고, 상기 계산된 반력을 상기 햅틱 디바이스(200)로 전달하여 상기 사용자에게 역감을 제공하도록 제어한다.
상기 제어부(500)는 상기 가상 객체와 상기 햅틱 커서의 충돌 여부를 검출하는 충돌 감지부(510), 상기 충돌 감지부(510)에 의해 상기 충돌이 검출되었다면, 상기 획득된 근전도 신호와 상기 위치 정보에 따라 상기 햅틱 디바이스로 전달된 반력을 계산하는 반력 계산부(520), 상기 증폭된 근전도 신호를 5~450Hz 범위의 밴드 패스 필터링한 후, 샘플링을 수행하고, 상기 샘플링된 신호에 대해 제곱평균제곱근(Root Means Square : RMS) 처리를 수행하는 신호 처리부(530)를 포함한다. 상기 신호 처리부(530)에서 수행하는 제곱평균제곱근 처리는 샘플링된 신호에 대해 신호 처리 구간을 샘플링 빈도에 대비한 RMS 단위에 따라 설정하고, 신호 처리 구간이 설정된 근전도 신호의 제곱(Square)을 취한 후 평균(Mean)을 계산하고 다시 이의 제곱근(Root)을 취함으로써 처리된다. 일예로 샘플링 빈도가 10kHz이고, RMS 단위가 1ms 인 경우, 10개의 샘플링 신호가 신호 처리 구간으로 설정되어 RMS 처리될 수 있다.
그리고, 상기 반력 계산부(520)는 상기 사용자가 상기 햅틱 디바이스에 작용한 토크(Torgue)와 동일한 크기를 갖는 따른 토크(Torque)를 수학식 1에 의해 계산함으로써 상기 반력을 계산한다.
Figure 112016096396600-pat00002
수학식 1에서 T는 상기 구동부에 인가되는 토크이며, k(stiffness)는 사용자가 물체라고 느낄 수 있을 정도의 값으로 미리 실험을 통해 통계적으로 획득되는 값이다. k(stiffness)는 각 물체의 재질 및 형상뿐만 아니라, 사용자 별로 서로 상이할 수 있기 때문에, 객관성을 보장하기 위해서는 k(stiffness)가 다수의 사용자(예를 들면 200명)를 대상으로 실험을 수행하여, 통계적으로 획득되는 것이 바람직하다. k(stiffness)는 일 예로 부드러운 물체의 경우 300N/m 이하의 값을 가질 수 있으며, 딱딱한 물체의 경우 600 ~ 700N/m 이상의 값을 가질 수 있다. x(t)는 움직인 위치를 나타내고, xe(t)는 가상객체와 충돌할 때 위치를 나타낸다. Trig는 트리거 신호로서 (x(t) - xe(t))의 값이 0보다 크다면, "1"을 가지고, 그 외의 경우에는 "0"의 값을 가진다. Trig 트리거 신호는 (x(t) - xe(t))의 값이 0보다 크다면, 가상객체의 위치보다 움직인 위치가 더 큰 것을 의미하고 반작용의 힘이 작용해야 되므로 "1"을 가지며, 그 이외의 경우에는 가상객체의 위치보다 움직인 위치가 더 작은 것을 의미하므로 반작용힘이 작용할 필요가 없어 "0"의 값을 갖는다. A는 제1 근전도 파라미터로서 움직인 위치가 최소인 지점에서 측정된 근전도 값의 캘리브레이션 값이며, B는 는 제2 근전도 파라미터로서 움직인 위치가 최대인 지점에서 측정된 근전도 값의 캘리브레이션 값이다. 제1 및 제2 근전도 파라미터(A, B)는 각각 움직인 위치가 최소 및 최대인 지점에서 근전도 신호를 측정하여 획득할 수 있다. 그리고 E(t)는 상기 신호처리부에서 근전도 신호를 밴드패스 필터링한 후, 샘플링을 수행하고, 상기 샘플링된 신호에 대해 신호 처리 구간을 설정한 후, 제곱(Square)을 취한 후 평균(Mean)을 계산하고 다시 이의 제곱근(Root)을 취해서 획득된 값이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 인터페이스 제어 방법 흐름도이다.
도 6에서 햅틱 인터페이스 제어 장치는 600단계에서 사용자의 신체 일부에 장착된 햅틱 디바이스로부터 사용자의 움직임에 따른 위치 정보를 획득하고, 605단계에서 상기 획득된 위치 정보에 매핑되는 햅틱 커서와 가상 객체를 포함하는 가상 환경을 생성한다. 그리고, 햅틱 인터페이스 제어 장치는 610단계에서 상기 햅틱 커서의 위치와 상기 가상 객체의 충돌 여부를 검출하고, 상기 충돌이 검출되었다면, 615단계에서 상기 사용자의 신체 근육의 근전도 신호를 획득한다.
620단계에서 햅틱 인터페이스 제어 장치는 상기 615단계에서 획득된 근전도 신호와 상기 위치 정보에 따라 상기 햅틱 디바이스에 작용할 반력(Response Force)를 계산하고, 상기 계산된 반력에 따라 상기 햅틱 디바이스를 통해 상기 사용자에게 역감을 제공한다(625단계).
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 사용자 150: 물체
120 : 작용 힘 170 : 반작용힘
200 : 햅틱 디바이스 210 : 밸런스 로드
220 : 엔코더 230 : 모터
240 : 기어 250 : 손잡이
300 : 센서부 310 : 전극
320 : 증폭부 330 : 증폭부 전원부
340 : 증폭된 근전도 신호
400 : 사용자의 신체 일부에 햅틱 디바이스와 근전도 센서부가 부착된 예
410 : 모터 토크 420 : 암 토크
430 : 사용자의 신체 일부
500 : 제어부 510 : 충돌 감지부
520 : 반력 계산부 530 : 신호 처리부
570 : 가상 환경 생성부

Claims (11)

  1. 햅틱 인터페이스 제어 장치에 있어서,
    사용자의 신체에 장착할 수 있으며 전기적 신호를 이용하여 사용자에게 역감을 제공하고, 상기 사용자의 신체 움직임에 따른 위치 정보를 획득하는 햅틱 디바이스;
    상기 햅틱 디바이스가 장착된 사용자 신체 근육의 근전도 신호를 획득하는 센서부;
    상기 사용자가 상기 햅틱 디바이스를 이용하여 상호 작용할 수 있는 가상 객체와 상기 햅틱 디바이스의 물리적인 위치가 매핑된 가상 환경의 햅틱 커서를 생성하는 가상 환경 생성부; 및
    상기 가상 환경에 생성된 상기 가상 객체와 상기 햅틱 커서의 위치가 충돌한다면, 상기 센서부에서 획득된 근전도 신호와 상기 위치 정보에 따라 상기 햅틱 디바이스에 작용할 반력(Response Force)을 계산하고, 상기 계산된 반력을 상기 햅틱 디바이스로 전달하여 상기 사용자에게 역감을 제공하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 햅틱 디바이스는,
    상기 사용자에게 상기 반력에 해당하는 토크에 따라 역감을 제공하는 구동부;
    상기 사용자가 움직인 위치 정보를 획득하여 디지털 신호로 변환하는 엔코더;
    상기 구동부의 무게로 인한 균형을 유지하기 위해 밸런스 로드; 및
    상기 햅틱 디바이스를 장착한 사용자에게 상기 구동부에 의해 발생된 반력을 전달받게 하기 위한 손잡이를 포함함을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 햅틱 디바이스를 장착한 사용자에게 반력을 제공하기 위한 모터; 및 상기 모터와 결합되어 상기 모터의 동작 방향을 변경하거나, 상기 햅틱 디바이스의 힘 또는 속도를 조절하기 위한 기어를 포함함을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 사용자 신체 근육의 피부에 전기적으로 연결되어 근전도 신호를 획득하는 복수개의 전극들;및
    상기 전극들에서 획득된 근전도 신호를 증폭하는 증폭부를 포함함을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 가상 객체와 상기 햅틱 커서의 충돌 여부를 검출하는 충돌 감지부;
    상기 충돌 감지부에 의해 상기 충돌이 검출되었다면, 상기 획득된 근전도 신호와 상기 위치 정보에 따라 상기 햅틱 디바이스로 전달된 반력을 계산하는 반력 계산부;및
    상기 증폭된 근전도 신호를 5~450Hz 범위의 밴드 패스 필터링한 후, 샘플링을 수행하고, 상기 샘플링된 신호에 대해 제곱평균제곱근(Root Means Square : RMS) 처리를 수행하는 신호 처리부를 포함하며,
    상기 RMS 처리는 샘플링 빈도에 대비하여 기설정된 RMS 처리 단위에 의해 설정되는 신호 처리 구간 내의 근전도 신호에 제곱(Square)을 취한 후 평균(Mean)을 계산하고 다시 이의 제곱근(Root)을 취함을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반력은, 상기 사용자가 상기 햅틱 디바이스에 작용한 토크(Torgue)와 동일한 크기를 갖는 따른 토크(Torque)로, 수학식
    Figure 112016096396600-pat00003

    (여기서 T는 상기 구동부에 인가되는 토크이며, k(stiffness)는 사용자가 물체라고 느낄 수 있을 정도의 물체라고 느낄 수 있을 정도의 값으로 미리 실험을 통해 통계적으로 획득되는 값이며, x(t)는 움직인 위치를 나타내고, xe(t)는 가상객체와 충돌할 때 위치를 나타낸다. Trig는 트리거 신호로서 (x(t) - xe(t))의 값이 0보다 크다면, "1"을 가지고, 그 외의 경우에는 "0"의 값을 가지며, A는 제1 근전도 파라미터로서 움직인 위치가 최소인 지점에서 측정된 근전도 값의 캘리브레이션 값이며, B는 는 제2 근전도 파라미터로서 움직인 위치가 최대인 지점에서 측정된 근전도 값의 캘리브레이션 값이다. 제1 및 제2 근전도 파라미터(A, B)는 각각 움직인 위치가 최소 및 최대인 지점에서 근전도 신호를 측정하여 획득할 수 있다. 그리고 E(t)는 상기 신호 처리부에서 근전도 신호를 밴드패스 필터링한 후, 샘플링을 수행하고, 상기 샘플링된 신호에 대해 제곱(Square)을 취한 후 평균(Mean)을 계산하고 다시 이의 제곱근(Root)을 취해서 획득된 값이다.)에 의해 계산됨을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스 제어 장치.
  8. 햅틱 인터페이스 제어 방법에 있어서,
    사용자의 신체 일부에 장착된 햅틱 디바이스로부터 사용자의 움직임에 따른 위치 정보를 획득하는 단계;
    상기 획득된 위치 정보에 매핑되는 햅틱 커서와 가상 객체를 포함하는 가상 환경을 생성하는 단계;
    상기 햅틱 커서의 위치와 상기 가상 객체의 충돌 여부를 검출하는 단계;
    상기 충돌이 검출되었다면, 상기 사용자의 신체 근육의 근전도 신호를 획득하는 단계;
    상기 획득된 근전도 신호와 상기 위치 정보에 따라 상기 햅틱 디바이스에 작용할 반력(Response Force)를 계산하는 단계;및
    상기 계산된 반력에 따라 상기 햅틱 디바이스를 통해 상기 사용자에게 역감을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 획득하는 단계는,
    상기 사용자 신체 근육의 피부에 부착된 복수개의 전극들로부터 근전도 신호를 획득하는 단계;및
    상기 획득된 근전도 신호를 증폭하는 단계를 포함하며,
    상기 반력을 계산하는 단계는,
    상기 증폭된 근전도 신호를 5~450Hz 범위의 밴드 패스 필터링한 후, 샘플링을 수행하고, 상기 샘플링된 신호에 대해 제곱평균제곱근(Root Means Square : RMS) 처리를 수행하여 상기 근전도 신호에 대한 신호 처리를 수행하는 단계를 포함하며,
    상기 RMS 처리는 샘플링 빈도에 대비하여 기설정된 RMS 처리 단위에 의해 설정되는 신호 처리 구간 내의 근전도 신호에 제곱(Square)을 취한 후 평균(Mean)을 계산하고 다시 이의 제곱근(Root)을 취함을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 반력은, 상기 사용자가 상기 햅틱 디바이스에 작용한 토크(Torgue)와 동일한 크기를 갖는 따른 토크(Torque)로, 수학식
    Figure 112017019382128-pat00004

    (여기서 T는 상기 사용자에게 상기 반력에 해당하는 토크에 따라 역감을 제공하는 구동부에 인가되는 토크이며, k(stiffness)는 사용자가 물체라고 느낄 수 있을 정도의 값으로 미리 실험을 통해 통계적으로 획득되는 값이며, x(t)는 움직인 위치를 나타내고, xe(t)는 가상객체와 충돌할 때 위치를 나타낸다. Trig는 트리거 신호로서 (x(t) - xe(t))의 값이 0보다 크다면, "1"을 가지고, 그 외의 경우에는 "0"의 값을 가지며, A는 제1 근전도 파라미터로서 움직인 위치가 최소인 지점에서 측정된 근전도 값의 캘리브레이션 값이며, B는 는 제2 근전도 파라미터로서 움직인 위치가 최대인 지점에서 측정된 근전도 값의 캘리브레이션 값이다. 제1 및 제2 근전도 파라미터(A, B)는 각각 움직인 위치가 최소 및 최대인 지점에서 근전도 신호를 측정하여 획득할 수 있다. 그리고 E(t)는 근전도 신호를 밴드패스 필터링한 후, 샘플링을 수행하고, 상기 샘플링된 신호에 대해 제곱(Square)을 취한 후 평균(Mean)을 계산하고 다시 이의 제곱근(Root)을 취해서 획득된 값이다.)
    에 의해 계산됨을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220127068A (ko) * 2021-03-10 2022-09-19 한국과학기술연구원 힘줄-구동 햅틱 장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100934391B1 (ko) * 2007-12-13 2009-12-30 한국전자통신연구원 6자유도 햅틱 장치를 이용한 핸드 기반 잡기 인터랙션시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100934391B1 (ko) * 2007-12-13 2009-12-30 한국전자통신연구원 6자유도 햅틱 장치를 이용한 핸드 기반 잡기 인터랙션시스템

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220127068A (ko) * 2021-03-10 2022-09-19 한국과학기술연구원 힘줄-구동 햅틱 장치
KR102468421B1 (ko) 2021-03-10 2022-11-21 한국과학기술연구원 힘줄-구동 햅틱 장치

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