KR101767012B1 - 매끈한 표면에 필기 시 가상현실적 미끄럼 저항감과 질감을 만드는 펜-타입 입력 장치 - Google Patents

매끈한 표면에 필기 시 가상현실적 미끄럼 저항감과 질감을 만드는 펜-타입 입력 장치 Download PDF

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Abstract

매끈한 표면에 필기 시 가상현실적 미끄럼 저항감과 질감을 만드는 펜-타입 입력 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 펜-타입 입력 장치는, 필기면과 접촉하는 촉침, 촉침의 움직임을 감지하는 센서부, 촉침을 진동시키는 가진기 및 센서부를 통해 감지된 촉침의 움직임을 기초로 가진기에 의한 촉침의 진동을 제어하는 제어부를 포함한다. 이에 의해, 강화 유리나 플라스틱과 같이 매끄러운 표면에 의한 마찰에 대하여 종이-연필 계의 필기감을 구현할 수 있는 인위적 저항감 및 필기감을 생성할 수 있다.

Description

매끈한 표면에 필기 시 가상현실적 미끄럼 저항감과 질감을 만드는 펜-타입 입력 장치{A pen-type input device for virtually realizing the sliding resistance and texture feelings in using on a smooth surface}
본 발명은 사용자 인터페이스 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면에 수기식의 입력 조작에 이용되는 펜-타입 인터페이스 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 사용되는 펜-타입 입력수단의 경우, 유리표면과 고무 또는 플라스틱 재질의 촉침이 서로 접촉하므로 필기 시 미끄러짐이 심하고 정보입력의 정확성이 떨어져, 오기가 빈번하게 발생한다.
또한, 어느 정도의 마찰이 있는 종이 위에서의 필기에 익숙한 사용자들이 위 방식의 필기에 대해 느끼는 필기감은 매우 좋지 않다.
이에, 태블릿 PC의 유리 디스플레이와 같은 매끈한 표면 위에서 펜-타입의 인터페이스를 이용하여 글 또는 그림과 같은 정보를 입력하는 경우에도, 오기 발생률이 낮고, 종이와 같은 필기감을 느낄 수 있도록 하기 위한 가상현실 구현이 요청되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 매끈한 표면상에서 펜-타입 입력 장치를 이용하여 글자나 그림 등의 정보를 입력할 때, 실제 종이에서 입력하는 듯한 상황과 같이 자연스러운 필기 저항감을 구현하는 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 펜-타입 입력 장치는, 필기면과 접촉하는 촉침; 상기 촉침의 움직임을 감지하는 센서부; 상기 촉침을 진동시키는 가진기; 및 상기 센서부를 통해 감지된 상기 촉침의 움직임을 기초로 상기 가진기에 의한 상기 촉침의 진동을 제어하는 제어부;를 포함한다.
그리고, 상기 가진기는, 상기 촉침에 대해 가변의 수직항력을 인가할 수 있다.
또한, 상기 가진기는, 상기 촉침의 길이 방향으로 상기 촉침을 진동시킬 수 있다.
그리고, 상기 촉침의 움직임은, 상기 촉침에 가해진 힘, 상기 촉침의 가속도 및 상기 촉침의 각도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 펜-타입 입력 장치는, 상기 필기면의 재질을 선택받기 위한 선택부;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 선택부에 의해 선택된 재질을 기초로, 상기 촉침의 진동 신호를 보정할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 진동 신호의 피크주파수와 에너지에 대해, 상기 필기면의 재질에 따른 가중치들을 적용하여, 상기 진동 신호를 보정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 펜-타입 입력 장치는, 스피커를 통해 음향을 출력하는 사운드 모듈;을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 센서부를 통해 감지된 상기 촉침의 움직임을 기초로 상기 사운드 모듈에 의한 상기 촉침과 상기 필기면의 접촉음 출력을 제어할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 펜-타입 입력 장치는, 상기 필기면의 재질을 선택받기 위한 선택부;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 선택부에 의해 선택된 재질을 기초로, 상기 접촉음을 보정할 수 있다.
또한, 상기 가진기는, 파지 위치 보다 상기 촉침에 인접한 위치에 마련될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 펜-타입 입력 장치 제어 방법은, 필기면과 접촉하는 촉침의 움직임을 감지하는 단계; 및 감지된 상기 촉침의 움직임을 기초로, 상기 촉침의 진동을 제어하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 강화 유리나 플라스틱과 같이 매끄러운 표면에 의한 마찰에 대하여 종이-연필 계의 필기감을 구현할 수 있는 인위적 저항감 및 필기감을 생성할 수 있다.
이에 의해, 태블렛 PC에 필기 시 전자펜의 미끄러짐을 억제하므로 입력의 정확도가 높아지며 사용자에게 익숙한 필기감을 제공하므로 인터페이스의 편리성 및 활용도를 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 펜-타입 입력 장치를 이용한 입력 상황을 나타낸 도면,
도 2는, 도 1에 도시된 펜-타입 입력 장치의 내부도,
도 3은, 도 1에 도시된 펜-타입 입력 장치의 시스템도,
도 4에 연산 및 제어부에서 생성된 신호를 예시한 그래프,
도 5는 저항 구현을 위하여 생성된 신호의 필기 속도에 대한 감응을 나타낸 그래프,
도 6은 진동 신호 결정 함수를 예시한 그래프, 그리고,
도 7은 접촉음 신호 결정 함수를 예시한 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 태블릿 PC의 유리 디스플레이와 같은 매끈한 표면상에서 펜-타입 입력 장치를 이용하여 글자나 그림 등의 정보를 입력할 때, 실제 종이에서 입력하는 듯한 상황과 같이 자연스러운 필기 저항감을 구현하는 방법을 제시한다.
이를 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에서는 접촉압 및 이동에 따른 작은 미끄럼 저항 외에 부가적으로 촉침을 진동시켜 인위적인 저항감 및 마찰을 증가시킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 펜-타입 입력 장치를 이용한 입력 상황을 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 펜-타입 입력 장치(100)는, 가상의 저항감을 구현하기 위해, 촉침의 진동을 통하여 태블렛 PC(10)의 유리 디스플레이(20)에 가변 수직 항력을 인위적으로 가함으로써 표면의 저항감을 증가시킨다.
일반적으로, 두 물체가 서로 반대방향으로 상대 운동하면, 표면의 재질에 따라 마찰계수가 정해진다. 연필이 종이와 마찰할 때 종이의 표면 형상 및 거칠기에 의하여 수직항력이 시간에 따라 변하게 되며 이를 아래의 식 (1)과 같이 직류성분과 교류성분의 합으로 표현할 수 있다:
N(t) = N0 + fN(t) (1)
식 (1)에서, 시간에 대하여 일정한 성분(N0)을 직류(DC)로, 시간에 의존하여 변하는 성분 [fN(t)]을 교류(AC)로 간주한다. DC와 AC 모두 마찰력과 선형관계가 있으며, 직류 성분은 운동 마찰 계수인 μk로 교류 성분은 순간 운동 마찰 계수인 μD로 일정한 상수의 마찰계수 값을 갖는다. 따라서, 다음의 식 (2)와 같이 운동 마찰력 F(t) 또한 교류 및 직류성분을 갖는다.
F(t) = F0 + ff(t) = μkN0 + μDfN(t) (2)
만약, 필기 표면이 유리와 같이 매우 매끄럽다면, 시간에 따른 마찰력의 변화[ff(t)]가 0에 가까우며, 마분지와 같이 표면이 거친 경우에는 운동 마찰력이 직류 성분에 대하여 요동치는 교류 성분을 갖는다.
따라서, 도 1과 같이 매끄러운 표면에 가변 수직항력[fN(t)]을 인위적으로 가해준다면, F0에 힘이 더해져서, 매끄러운 표면에서 거친 표면의 필기 저항감을 구현할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 펜-타입 입력 장치의 내부도이고, 도 3은 도 1에 도시된 펜-타입 입력 장치의 시스템도이다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 펜-타입 입력 장치(100)는, 전원 공급부(110), 선택부(120), 질감 선택부(121), 사운드 모듈(130), 스피커(135), 연산 및 제어부(140), 메모리(141), MCU(142), 신호 생성부(143), 신호 증폭부(144), 질감 보정부(145), 센서부(150), 가속도 센서(151), 각도 센서(152), 힘 감지 센서(153), 가진기(160), 촉침(170) 및 촉침 어댑터(175)를 포함한다.
전원 공급부(110)는 펜-타입 입력 장치(100)의 구성들 중 전원을 필요로 하는 구성들에 전원을 공급한다.
촉침(170)의 일측은 필기면과 접촉하고, 타측은 촉침 어댑터(175)를 통해 센서부(150)/가진기(160)에 전기적/물리적으로 연결된다.
센서부(150)는 사용자가 펜-타입 입력 장치(100)를 이용한 필기 조작에 의한 촉침(170)의 움직임을 감지하기 위해, 가속도 센서(151), 각도 센서(152) 및 힘 감지 센서(153)를 포함한다. 촉침(170)의 움직임은 펜-타입 입력 장치(100)의 움직임을 의미한다.
가속도 센서(151)는 촉침(170)의 가속도를 감지하고, 각도 센서(152)는 촉침(170)의 각도를 감지하며, 힘 감지 센서(153)는 촉침(170)에 가해진 힘(압력)을 감지한다.
가진기(160)는 촉침(170)을 진동시켜, 촉침(170)에 대해 가변의 수직항력을 인가한다. 이를 위해, 가진기(160)는 연산 및 제어부(140)의 제어에 의해, 촉침(170)을 길이 방향으로 진동시킨다.
이 진동은 전술한 마찰의 교류성분과 직접적으로 연관이 있으므로, 매끄러운 표면에 인위적으로 가변하는 수직 항력을 추가해줄 경우 표면에 대한 저항이 증가하여 디스플레이(20)에 대한 펜-타입 입력 장치(100)의 미끄러짐을 억제할 수 있도록 하여 준다.
가진기(160)는 촉침(170)의 진동을 통하여 사용자의 손에 표면의 질감을 전달하기 위한 수단으로, 촉침(170)의 근처에 위치하는 것이며, 파지점 근처에 위치하는 것이 아님에 유념하여야 한다.
사운드 모듈(130)은 음향을 생성하여 스피커(135)를 통해 출력한다. 본 발명의 실시예에서, 사운드 모듈(130)은 연산 및 제어부(140)의 제어에 의해, 가상의 접촉음을 출력한다.
선택부(120)는 사용자 명령/선택을 입력받기 위한 사용자 인터페이스 수단으로, 질감 선택부(121)를 포함한다. 질감 선택부(121)는 사용자가 필기 표면의 재질을 선택할 수 있도록 하는 수단으로 버튼 등으로 구현된다.
도 2에서 와 같이 선택부(120)는 펜-타입 입력 장치(100)의 상단에 위치시키는 것도 가능하고, 그 밖의 다른 위치에 마련하는 것도 가능하다.
연산 및 제어부(140)는 센서부(150)에 의해 감지된 촉침(170)의 움직임과 질감 선택부(121)를 통해 입력된 질감/재질을 기초로, 가진기(160)와 사운드 모듈(130)을 제어하여, 사용자가 디스플레이(20)가 아닌 종이에 필기하는 것으로 인식하도록 가상 현실을 제공한다.
이와 같은 기능을 수행하는 연산 및 제어부(140)는, 메모리(141), MCU(142), 신호 생성부(143), 신호 증폭기(144) 및 질감 보정부(145)를 포함한다.
메모리(141)는 연산 및 제어부(140)에서 요구되는 저장 공간을 제공한다. MCU(142)는 센서부(150)를 통해 전달받은 촉침(170)의 가속도/각도/압력을 기초로 촉침(170)의 진동과 스피커(135)를 통해 출력할 접촉음을 결정한다.
구체적으로, MCU(142)는 촉침(170)의 가속도/각도/압력에 따른 진동과 접촉음에 대한 피크주파수/에너지(진폭)를 실험으로 획득한 관계식이나 함수를 기반으로 연산한다.
신호 생성부(143)는 MCU(142)가 결정한 진동에 해당하는 진동 신호를 생성하고, MCU(142)가 결정한 음향에 해당하는 음향 신호를 생성한다. 신호 증폭기(144)는 신호 생성부(143)가 생성한 신호들을 증폭한다.
질감 보정부(145)는 신호 증폭기(144)에서 증폭된 신호들을, 질감 선택부(121)를 통해 입력된 질감/재질을 기초로 보정한다. 이 보정은, 필기 표면의 재질에 따라 피크주파수와 에너지에 대한 가중치가 반영되어 있는 테이블을 참조로 이루어지며, 이 가중 치는 필기구와 필기면의 마찰 계수에 따라 결정된다.
도 4에 연산 및 제어부(140)에서 생성된 신호를 예시하였다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 촉침(170)의 진동을 통하여 마찰 및 저항을 추가로 인가하는 것이 주 목적이므로, 시간에 대하여 진동하는 신호를 사용한다.
도 5는 저항 구현을 위하여 생성된 신호의 필기 속도에 대한 감응을 나타낸 그래프이다. 도시된 바에 따르면, 펜의 이동속도가 느리면 저주파수의 가변 저항감이 구현되며 속도가 증가함에 따라 고주파수의 신호가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 연산 및 제어부(140)가 사용할 수 있는 진동 신호 결정 함수를 예시한 것으로, 종이-연필에 대한 실험 결과를 나타내었다. 필기 시 연필에 걸리는 수직방향의 힘과 필기 속도의 변화에 따라 연필에 전달되는 진동을 주파수와 에너지 관점에서 실험적으로 구해준 관계식이다.
도 6에는 연필(HB)과 종이(백상지, 80g/m2)의 마찰 시 연필에 전달되는 진동특성과 연필의 종이 표면에 대한 정적 수직항력, 필기 속도에 대한 관계식. 필기 속도가 35mm/s일 때, (a) 정적 수직항력과 진동의 피크주파수 사이의 관계, (b) 정적 수직항력과 진동에너지 사이의 관계, 정적수직항력이 0.6 N일 때, (c) 필기 속도와 진동의 피크주파수 사이의 관계식, (d) 필기 속도와 진동에너지 사이의 관계식을 나타내었다. 도 6에서 실선은 실측 데이터를, 점선은 보간 곡선을 의미한다.
도 7은 연산 및 제어부(140)가 사용할 수 있는 접촉음 신호 결정 함수를 예시한 것으로, 수직방향 힘과 필기 속도의 변화에 따른 접촉음의 주요 주파수 및 방사 에너지의 관계를 나타내었다.
이 실험식은 연필의 필기 각도 및 필기 속도가 초기상태에서 변화가 없는 직선필기에 대해 실험한 값으로, 해당 가정을 벗어난 상황에서는 사용될 수 없다. 하지만 이와 같은 방식으로, 설계 변수(표면 재질, 펜의 기울어진 각도, 필기속도, 필압 등) 변화와 가변수직항력 및 가변마찰력 사이의 관한 관계식을 실험적인 방법으로 구해주어 제어부에 저장한다면, 연필-종이계 뿐만 아니라 다양한 거친 표면을 매끄러운 표면 위에 구현하는 것이 가능할 것이다.
도 7에는, 연필(HB)-종이(백상지, 80 g/m2) 마찰 시 연필에 전달되는 방사음향의 특성과 연필의 종이 표면에 대한 정적 수직항력, 필기 속도에 대한 관계식. 필기 속도가 35 mm/s일 때, (a) 정적 수직항력과 접촉음의 피크주파수 사이의 관계, (b) 정적 수직항력과 방사음향에너지 사이의 관계, 정적수직항력이 0.6 N일 때, (c) 필기 속도와 접촉음의 피크주파수 사이의 관계, (d) 필기 속도와 방사음향에너지 사이의 관계를 나타내었다. 도 7에서도 실선은 실측 데이터를, 점선은 보간 곡선을 의미한다.
또한, 도 6과 도 7에 나타난 파라미터들은 다음과 같다.
Figure 112016102307958-pat00001
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10 : 펜-타입 입력 장치 120 : 선택부
121 : 질감 선택부 130 : 사운드 모듈
140 : 연산 및 제어부 142 : MCU
143 : 신호 생성부 144 : 신호 증폭기
145 : 질감 보정부 150 : 센서부
151 : 가속도 센서 152 : 각도 센서
153 : 힘 감지 센서 160 : 가진기
170 : 촉침

Claims (3)

  1. 필기면과 접촉하는 촉침;
    상기 촉침의 움직임을 감지하는 센서부;
    상기 촉침을 진동시키는 가진기;
    상기 센서부를 통해 감지된 상기 촉침의 움직임을 기초로 상기 가진기에 의한 상기 촉침의 진동을 제어하는 제어부;
    상기 필기면의 재질을 선택받기 위한 선택부; 및
    스피커를 통해 음향을 출력하는 사운드 모듈;을 포함하고,
    상기 제어부는,
    실험으로 획득된, '상기 센서부를 통해 감지된 상기 촉침에 가해진 힘과 상기 촉침에 대한 진동 신호의 피크 주파수 및 에너지 간의 관계식' 및 '상기 촉침의 속도와 상기 촉침에 대한 진동 신호의 피크 주파수 및 에너지 간의 관계식'을 기초로, 상기 촉침에 대한 진동 신호의 피크 주파수 및 에너지를 결정하며,
    상기 진동 신호의 피크 주파수 및 에너지에 대해, 상기 선택부에 의해 선택된 재질에 따른 가중치들을 적용하여, 상기 진동 신호를 보정하고,
    실험으로 획득된, '상기 센서부를 통해 감지된 상기 촉침에 가해진 힘과 상기 촉침에 의한 상기 필기면에 대한 접촉음의 피크 주파수 및 에너지 간의 관계식' 및 '상기 촉침의 속도와 상기 촉침에 의한 상기 필기면에 대한 접촉음의 피크 주파수 및 에너지 간의 관계식'을 기초로, 상기 촉침에 의한 상기 필기면에 대한 접촉음의 피크 주파수 및 에너지를 결정하며,
    상기 접촉음의 피크 주파수 및 에너지에 대해, 상기 선택부에 의해 선택된 재질에 따른 가중치들을 적용하여, 상기 접촉음을 보정하고,
    상기 가진기는,
    상기 촉침에 대해 가변의 수직항력을 인가하여, 상기 필기면에 대한 상기 촉침의 저항감을 증가시키는 것을 특징으로 하는 펜-타입 입력 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가진기는,
    파지 위치 보다 상기 촉침에 인접한 위치에 마련되는 것을 특징으로 하는 펜-타입 입력 장치.
  3. 필기면과 접촉하는 촉침의 움직임을 감지하는 단계;
    감지된 상기 촉침의 움직임을 기초로, 상기 촉침의 진동을 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 제어단계는,
    실험으로 획득된, '상기 감지단계에서 감지된 상기 촉침에 가해진 힘과 상기 촉침에 대한 진동 신호의 피크 주파수 및 에너지 간의 관계식' 및 '상기 촉침의 속도와 상기 촉침에 대한 진동 신호의 피크 주파수 및 에너지 간의 관계식'을 기초로, 상기 촉침에 대한 진동 신호의 피크 주파수 및 에너지를 결정하며,
    상기 진동 신호의 피크 주파수 및 에너지에 대해, 사용자에 의해 선택된 상기 필기면의 재질에 따른 가중치들을 적용하여, 상기 진동 신호를 보정하고,
    실험으로 획득된, '상기 감지단계에서 감지된 상기 촉침에 가해진 힘과 상기 촉침에 의한 상기 필기면에 대한 접촉음의 피크 주파수 및 에너지 간의 관계식' 및 '상기 촉침의 속도와 상기 촉침에 의한 상기 필기면에 대한 접촉음의 피크 주파수 및 에너지 간의 관계식'을 기초로, 상기 촉침에 의한 상기 필기면에 대한 접촉음의 피크 주파수 및 에너지를 결정하며,
    상기 접촉음의 피크 주파수 및 에너지에 대해, 상기 사용자에 의해 선택된 상기 필기면의 재질에 따른 가중치들을 적용하여, 상기 접촉음을 보정하고,
    상기 진동을 통해 상기 촉침에 대해 가변의 수직항력을 인가하여, 상기 필기면에 대한 상기 촉침의 저항감을 증가시키는 것을 특징으로 하는 펜-타입 입력 장치 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100807930B1 (ko) * 2006-12-04 2008-02-28 한국정보통신대학교 산학협력단 촉각적 피드백을 위한 전자 펜 및 이를 이용한 펜 컴퓨터시스템

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