KR101767490B1 - 인터페이스장치에 구비된 마커의 이미지처리를 이용하여 수직방향 및 수평방향의 힘을 추정하는 방법. - Google Patents

Abstract

본 발명은, 쿠션 또는 시트에 구비되는 복수개의 마커의 이미지처리를 이용하는 수직방향 및 수평방향의 힘을 추정하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 쿠션 또는 시트 표면에 입력되는 사용자입력에 대응하여 변화하는 마커이미지의 변화를 촬상부에 의해 기록 및 처리하는 구성을 갖고, 부드러운 소재로 되는 쿠션을 이용하므로, 촉감 등의 감성품질을 증대시킬 수 있고, 낮은 비용으로 구현할 수 있다는 장점을 갖는 방법에 관한 것이다.

Description

인터페이스장치에 구비된 마커의 이미지처리를 이용하여 수직방향 및 수평방향의 힘을 추정하는 방법. {A method of estimating horizontal or vertical force on the surface of a interface device by processing of markers’ image installed on the device}

본 발명은, 쿠션 또는 시트에 구비되는 복수개의 마커의 이미지처리를 이용하는 수직방향 및 수평방향의 힘을 추정하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 쿠션 또는 시트 표면에 입력되는 사용자입력에 대응하여 변화하는 마커이미지의 변화를 촬상부에 의해 기록 및 처리하는 구성을 갖고, 부드러운 소재로 되는 쿠션을 이용하므로, 촉감 등의 감성품질을 증대시킬 수 있고, 낮은 비용으로 구현할 수 있다는 장점을 갖는 방법에 관한 것이다.

힘센서는, 외부에서 인가되는 1차원 내지 3차원의 힘 또는 압력을 측정하는 장치이며, 외부로부터 작용하는 힘을 입력받아 이에 대응하는 크기의 전기적인 신호로 변환하고, 이를 출력한다.

통상적으로 사용되는 힘센서는, 다른 기계적 요소와 함께 설치되어 사용되므로, 사람인 사용자와의 접촉이 발생할 가능성은 드물었다. 그러나, 최근에 헬스케어 기술이 발전하고 있고, 사람의 직접적인 요청을 수행하는 서비스로봇 등의 수요가 확산되고 있는 시점에서, 사람인 사용자가 작용하는 입력을 수용하여, 정교하게 입력을 정량화할 수 있는 기술이 필요시되고 있다.

종래에는, 이러한 니즈를 충족시키기 위해, 사용자와 접촉하는 부분의 접촉감을 증대시키고, 차가운 느낌을 감소시키기 위해, 접촉부분에 따뜻하고, 부드러운 소재로된 커버를 적용하는 등으로 대응하여 왔으나, 이 경우, 사용자 입력의 계측에 있어 오차가 발생할 가능성이 커지는 등의 문제가 있었다.

대한민국 등록특허공보 10-1169940호(발명의 명칭 : 힘센서를 이용한 3축 힘센서 구조 및 그 구조에 의한 힘 및 모멘트 측정방법, 이하 종래기술1 이라 한다.)에서는, 적어도 네 부분의 힘센서 분포를 갖는 제 1힘센서 필름, 상기 제 1힘센서 필름을 상부에서 하부로 누르는 누름부재 및 상기 누름부재 상부에 연결되어 상기 누름부재에 외력을 전달하는 범퍼축으로 구성된 범퍼, 상기 누름부재와 상기 제 1힘센서 필름 사이에 위치하는 패드, 상기 제 1힘센서 필름의 하부에 위치하여 상기 외력의 작용에 반작용하는 하판, 상기 하판과 가장자리에서 접하고 상기 범퍼축의 상단을 외부로 돌출시키기 위한 제 1홀과 상기 제 1힘센서 필름과 연결되는 신호 입출력선을 인출하는 제 2홀이 형성되어 있으며 상기 범퍼의 상부에

서 상기 제 1힘센서 필름 및 상기 범퍼를 함입하는 상판;을 포함하고, 상기 상판 및 상기 하판은 금속 또는 고분자 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 힘센서를 이용한 3축힘센서 구조가 개시되어 있다.

KR 10-1169940 B1

종래기술1은, 사람인 사용자와의 컨택에 의한 사용자입력을 처리하는 경우, 차갑거나 딱딱한 느낌을 전달할 수 밖에 없어, 감성품질 측면에서 부족하다는 제1문제점, 구성요소들이 금속재질로 되어 무겁고, 제조원가가 비교적 높다는 제2문제점을 갖는다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출되는 본 발명은, 일면에 사용자입력이 작용하고, 상기 사용자입력이 해소되면 초기형상으로 복원되는 기능을 갖는 시트를 포함하는 입력부, 상기 시트 일면에 소정의 방식으로 배열되어 설치되는 복수개의 마커, 상기 사용자입력에 대응하여 변화하는 상기 복수개의 마커의 촬영이미지로서의 마커이미지를 수집하는 촬상부, 상기 마커이미지를 처리하여 상기 사용자입력에 대한 특성을 판단하는 기능을 수행하는 프로세서부를 포함하여 이루어지는 인터페이스장치를 이용하여 누름입력에 의한 수직방향힘을 추정하기 위해, (a) 상기 시트에 상기 누름입력이 이루어지는 단계; (b) 상기 촬상부가 상기 누름입력 전의 마커이미지인 초기마커이미지 및 상기 누름입력 하에서의 마커이미지인 누름상태마커이미지를 획득하여 상기 프로세서부에 입력하는 단계; (c) 상기 프로세서부가 상기 초기마커이미지와 상기 누름상태마커이미지를 대비하여 수직방향누름변위를 계산하는 단계; (d) 상기 프로세서부가 상기 누름입력이 이루어진 상기 시트 상의 위치에 대응하는 등가탄성계수를 결정하는 단계; (e) 상기 수직방향누름변위와 상기 등가탄성계수의 값을 소정의 수식에 각각 대입하여 상기 누름입력에 의한 상기 수직방향힘을 계산하는 단계;를 포함하여 이루어지는 인터페이스장치에의 누름입력에 의한 수직방향힘을 추정하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 시트는, 내부에 공기가 충진되어 있는 쿠션을 구성하는 면들 중 하나로 될 수 있다.

또한, 상기 (e)단계에서는, 상기 누름입력에 의한 상기 수직방향힘의 크기를 상기 수직방향누름변위와 상기 등가탄성계수의 곱으로서 계산할 수 있다.

또한, 상기 (d)단계에서의 등가탄성계수의 결정은, 상기 프로세서부가 등가탄성계수기준데이터테이블을 참조하여 결정하고, 상기 등가탄성계수기준데이터테이블은, 상기 누름입력이 이루어진 상기 쿠션부 상의 위치를 나타내는 좌표값과 상기 등가탄성계수와의 관계를 기록하고 있을 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 누름입력이 이루어진 상기 쿠션부 상의 위치를 나타내는 좌표값은, 2차원 좌표 형식으로 표시될 수 있다.

또한, 상기 2차원 좌표 형식은, x-y평면좌표계 또는 r-θ극좌표계일 수 있다.

본 발명의 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법은, 일면에 사용자입력이 작용하고, 상기 사용자입력이 해소되면 초기형상으로 복원되는 기능을 갖는 시트를 포함하는 입력부, 상기 시트 일면에 소정의 방식으로 배열되어 설치되는 복수개의 마커, 상기 사용자입력에 대응하여 변화하는 상기 복수개의 마커의 촬영이미지로서의 마커이미지를 수집하는 촬상부, 상기 마커이미지를 처리하여 상기 사용자입력에 대한 특성을 판단하는 기능을 수행하는 프로세서부를 포함하여 이루어지는 인터페이스장치를 이용하여 누름입력 하의 이동입력(누름/이동입력) 경로 상의 현재위치에서의 수평방향힘을 추정하기 위해, (i) 상기 시트에 상기 누름/이동입력이 이루어지는 단계; (ii) 상기 촬상부가 상기 누름/이동입력 전의 초기마커이미지 및 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 마커이미지인 현재마커이미지를 획득하여 상기 프로세서부에 입력하는 단계; (iii) 상기 프로세서부가 상기 초기마커이미지와 상기 현재마커이미지를 대비하여 수직방향누름변위를 계산하는 단계; (iv) 상기 프로세서부가 상기 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에 대응하는 등가탄성계수를 결정하는 단계; (v) 상기 수직방향누름변위와 상기 등가탄성계수의 값을 소정의 수식에 대입하여 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 수직방향힘을 계산하는 단계; (vi) 상기 프로세서부가 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에 대응하는 마찰계수를 결정하는 단계; (vii) 상기 수직방향힘과 상기 마찰계수의 값을 소정의 수식에 대입하여 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 수평방향힘을 계산하는 단계를 포함하여 이루어지는 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법을 제공한다.

또한, 상기 (vii)단계에서는, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 수평방향힘의 크기를 상기 수평방향힘과 상기 마찰계수의 곱으로서 계산할 수 있다.

또한, 상기 (vi)단계에서의 마찰계수의 결정은, 상기 프로세서부가 마찰계수기준데이터테이블을 참조하여 결정하고, 상기 마찰계수기준데이터테이블은, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값과 상기 마찰계수와의 관계를 기록하고 있을 수 있다.

또한, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값은, 2차원 좌표 형식으로 표시될 수 있다.

또한, 상기 2차원 좌표 형식은, x-y평면좌표계 또는 r-θ극좌표계일 수 있다.

또한, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값은, 상기 2차원 좌표형식에 부가하여, 상기 수직방향누름변위를 더 포함하는 3차원 좌표 형식으로 표시될 수 있다.

또한, 상기 (v)단계에서는, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 수직방향힘의 크기를 상기 수직방향누름변위와 상기 등가탄성계수의 곱으로서 계산할 수 있다.

또한, 상기 (iv)단계에서의 등가탄성계수의 결정은, 상기 프로세서부가 등가탄성계수기준데이터테이블을 참조하여 결정하고, 상기 등가탄성계수기준데이터테이블은, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값과 상기 등가탄성계수와의 관계를 기록하고 있을 수 있다.

또한, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값은, 2차원 좌표 형식으로 표시될 수 있다.

또한, 상기 2차원 좌표 형식은, x-y평면좌표계 또는 r-θ극좌표계일 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법을 사용하여 사용자입력을 처리하는 사용자입력장치를 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법을 사용하여 다차원 압력을 센싱 및 측정하는 압력센서를 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법을 사용하여 사용자입력을 처리하여 기기구동을 제어하는 기능을 수행하는 휴먼머신인터페이스(HMI interface)장치를 제공한다.

본 발명은, 클릭, 누름, 이동 등 다양한 사용자입력을 정량적으로 측정할 수 있다는 제1효과, 부드러운 소재를 사용하여 촉감, 질감 등 감성품질을 증대시킬 수 있다는 제2효과, 부드러운 천소재 및 저사양의 이미지센서 등을 주요구성요소로 하여 저가로 구현할 수 있다는 제3효과, 사용자의 상황에 따라 다양한 형상으로 쿠션부를 커스터마이징할 수 있다는 제4효과를 갖는다.

도 1은, 본 발명의 인터페이스장치의 일실시예의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는, 본 발명의 인터페이스장치의 일실시예의 구성을 나타내는 측단면도이다.
도 3은, 본 발명의 인터페이스장치의 일실시예의 구성을 나타내는 저면도이다.
도 4는, 본 발명의 인터페이스장치에 대한 누름의 사용자입력 및 이에 대응하는 마커이미지의 일실시예를 나타내는 설명도이다.
도 5는, 본 발명의 입력장치에 대한 누름/이동의 사용자입력 및 이에 대응하는 마커이미지의 일실시예를 나타내는 설명도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서의 사용자입력은 누름, 누름해제 및 이동 중 적어도 하나 이상을 포함한다.

사용자입력에 있어 사용자입력을 발생하는 주체인 사용자는, 사람만으로 한정하지 않고, 기계, 로봇 기타 장치를 포함할 수 있다. 또한, 사용자가 사람인 경우, 입력을 행하는 신체부위로서 손, 발 뿐 아니라 기타의 신체부위를 모두 포함할 수 있는 것으로 한다.

누름의 경우, 누르는 압력, 누름을 유지하는 시간을 한정하는 것은 아니며, 이러한 파라미터의 구체적인 값은, 후술하는 쿠션의 구체적인 구성 및 본 발명이 사용되는 응용예에 따라 다르게 결정될 수 있음은 물론이다. 누름해제의 경우, 누름해제에 소요되는 시간 등을 특정한 범위내로 한정할 것은 아니며, 후술하는 쿠션의 구체적인 구성 및 본 발명이 사용되는 응용예에 따라 다르게 결정될 수 있다. 나아가, 소정의 시간동안 누름이 발생하고, 이후 즉시 누름해제가 발생하는 경우, 이를 클릭이라고 칭할 수 있다. 이동은, 사용자가 누름의 상태를 유지하면서, 쿠션의 표면의 제1지점에서부터 제2지점으로 움직이는 것을 의미하는데, 움직이는 경로는 특정한 것에 한정되지 않으며, 직선, 곡선을 포함할 수 있으며, 곡선도, 원, 타원, 호, 스플라인 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정할 것은 아니다. 다만, 후술하는 바와 같이, 누름, 누름해제, 이동 등의 사용자입력의 패턴의 실시예는, 복수개의 마커(30) 각각의 이미지의 크기 또는 모양의 변화의 유형을 고찰하고, 그룹핑하여 부여한 패턴 명칭인 것이며, 상기와 같은 예시적인 패턴으로 그룹핑될 수 없는 패턴에 대하여, 본 발명에서 배제할 의도가 전혀 없음은 분명하다.

도 1 내지 도 3을 참고하여, 본 발명에서 전제되는 인터페이스장치(1)에 대해 먼저 기술하기로 한다. 인터페이스장치(1)는 일면에 사용자입력이 작용하고, 상기 사용자입력이 해소되면 초기형상으로 복원되는 기능을 갖는 시트를 포함하는 입력부(20), 상기 시트 일면에 소정의 방식으로 배열되어 설치되는 복수개의 마커(30), 상기 사용자입력에 대응하여 변화하는 상기 복수개의 마커(30)의 촬영이미지로서의 마커이미지(2)를 수집하는 촬상부(40), 상기 마커이미지(2)를 처리하여 상기 사용자입력에 대한 특성을 판단하는 기능을 수행하는 프로세서부를 포함하여 이루어진다.

도 2를 참고하면, 입력부(20)는, 시트를 포함하여 이루어지는데, 시트는, 사용자입력을 받아 국부적인 변위가 발생할 수 있는 신축성을 갖는 소재일 수 있다. 이러한 신축성은 시트의 각 부위에 대해 측정가능한 것이 바람직한데, 즉, 신축성의 정도는 등가탄성계수로 대표할 수 있는데, 이에 관하여는 후술하기로 한다. 또한, 시트는 빛을 일정 정도 이상 투과될 수 있는 소재를 사용하는 것이 바람직하지만, 불투명한 소재로 되는 것을 배제하지는 않는데, 이런 경우, 후술하는 촬상부(40)에 조명부가 더 구비되어야 하며, 이에 관하여는 후술하기로 한다. 또한, 시트의 크기는 사용자입력이 발생하는 영역의 크기에 연동하여 결정되어야 한다.

시트를 설치하여 입력부(20)를 구성하는 일실시예로서, 시트는 부드러운 천소재로 되고, 사용자입력에 따라 변화할 수 있도록, 가장자리를 고정하여 설치할 수 있다. 이는, 가장자리를 고정단으로 하고, 실제 사용자 입력이 이루어지는 중앙부위는 구속받지 않도록 구성하는 것인데, 시트의 가장자리를 고정하는 기구구성(가장자리고정부)은 특정한 것에 한정하지 않는다. 일례로, 원통의 가운데에 시트의 가장자리가 삽입되기 위한 관통홀을 형성하여, 시트의 가장자리를 삽입한 후 원통을 회전시킴으로써 시트에 장력을 가하도록 하되, 시트의 형상이 정사각형-다만, 시트의 형상은 정사각형에 한정하지 않는다-인 경우, 이러한 가장자리고정부는 총 4식을 적용할 수 있을 것이다. 본 발명의 실시가 계속되면서 가장자리고정부에 의해 시트에 가해지는 장력의 크기가 점차적으로 줄어드는 경우, 후술하는 바와 같이 수평방향, 수직방향힘의 추정값에 문제가 생길 수 있음을 감안하여, 가장자리고정부에 의한 시트의 설치는 장기 사용시에도 장력을 유지할 수 있도록 신뢰성 있게 시행되어야 한다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이 에어쿠션은 기판위에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 시트는, 내부에 공기가 충진되어 있는 쿠션을 구성하는 면들 중 하나로 될 수 있다. 즉, 입력부(20)를 쿠션의 형상으로 되도록 구성한다는 것인데, 이 때의 쿠션은 내부에 공기가 주입되어 있고, 소정의 형상을 가지도록 성형될 수 있다. 이러한 형상은 사용자-사람만을 의미하는 것은 아니다-가 사용자입력을 발생시키는 것이 가능하기만 하면, 특정한 형상으로 한정될 필요는 없다. 그리고, 쿠션의 재질의 결정에 있어서는, 표면이 너무 거칠거나, 너무 미끄러운 재질인 경우, 사용자입력의 생성과정에서 사용자가 불편하거나, 사용자입력이 제대로 생성되지 않을 수 있음을 감안하여야 한다. 나아가, 사용자의 편의성뿐만 아니라, 촉감 등의 감성품질을 충족할 수 있도록 그 소재를 결정하여야 한다. 그리고, 쿠션의 소재는 신축성이 있을 수 있다. 또한, 쿠션은, 빛을 일정 정도 이상 투과될 수 있는 소재를 사용하는 것이 바람직하지만, 불투명한 소재로 되는 것을 배제하지는 않는데, 이런 경우, 촬상부(40)에 조명부가 더 구비되어야 하며, 이에 관하여는 후술하기로 한다.

도 2 및 도 3을 참고하여, 시트의 일면에는 복수개의 마커(30)가 설치된다. 복수개의 마커(30)는, 시트에 사용자입력이 발생되면 변형되는 시트의 표면에 따라 변화하도록 되어야 한다. 쿠션타입의 경우, 쿠션의 상면에 부착되는 것이 바람직하나, 쿠션의 측면 등 기타 부위에 형성되는 것을 배제하지는 않는다. 또한, 시트에 있어 외부로 노출되지 않는 면-쿠션의 경우에는 이면(안쪽면)-에 설치되는 것이 바람직한데, 표면(겉면)에 설치되는 경우, 사용자의 사용과정에서 시트로부터 탈락되는 등의 문제가 생길 수 있기 때문이다.

복수개의 마커(30) 각각의 형상은 원형, 타원형, 정사각형 등 다양한 형상으로 구성할 수 있으며, 그 두께도 특정한 범위로 한정할 필요가 없다. 복수개의 마커(30)는 사용자입력의 다양한 패턴을 인식할 수 있도록, 시트 전면 또는 그보다 작은 면적에 걸쳐 설치하는 것을 고려할 수 있다. 물론, 사용자입력의 패턴이 단순 누름/누름해제 등 간단한 패턴으로 한정되는 경우, 하나 또는 두 개의 마커로도 충분할 수도 있음은 물론이다. 이 때, 복수개의 마커(30) 전체의 개수는, 마커 각각의 크기 및 마커 각각 사이의 설치간격을 고려하여 결정하여야 할 것인데, 마커 각각의 크기가 작아지거나, 마커 각각 사이의 설치간격이 작아지면 더 많은 개수의 마커가 설치되어야 할 것이다.

복수개의 마커(30)는, 시트에 사용자입력이 발생할 때, 변형되는 시트의 표면 형상에 따라 연동되어 기준위치에 대한 위치(절대위치) 및 자세가 달라지게 된다. 상기 자세는, 수평면에 대한 각도 및 기울어져 바라보는 방향을 포함하는 개념이다. 다만, 사용자입력이 발생하더라도, 마커 자체 각각의 형상이나 크기는 달라지지는 않는다.

복수개의 마커(30)의 설치 패턴은, 소정의 개수의 행과 열을 갖고, 행과 행, 열과 열 사이의 간격을 동일하게 하거나, 동심원의 배열 등 다양한 패턴을 모두 고려할 수 있다. 다만, 복수개의 마커(30)의 설치 패턴에 따라, 프로세서부(50)의 마커이미지(2)의 처리 알고리즘이 달라져야 함은 자명하다.

도 2를 참고하여, 촬상부(40)는, 상기 시트에 대한 사용자입력에 대응하여 변화하는 상기 복수개의 마커(30)의 촬영이미지로서의 마커이미지(2)를 촬영하고, 수집하는 기능을 수행한다. 사용자입력이 발생하면, 쿠션의 표면 형상을 연속적으로 변화시키게 되는데, 촬상부(40)는, 시간에 따라 계속 변화하는 마커이미지(2)를 획득할 수 있게 된다. 여기서의 마커이미지(2)는 복수개의 마커 전체의 이미지를 의미하며, 마커이미지(2)라는 용어는, 마커 각각의 이미지와는 구별하여 사용하기로 한다. 촬상부(40)는, 촬영한 이미지를 디지털이미지로 변환하는 기능을 더 수행할 수 있고, CCD 등의 소자로 될 수 있으나, 이러한 예에 한정할 것은 아니다. 요구되는 해상도는, 특정범위로 한정할 필요는 없으나, 사용자입력이 발생함에 따른 마커이미지(2)의 변화를 식별할 수 있을 정도의 최소해상도를 갖출 필요가 있다. 또한, 복수개의 마커(30)의 설치 영역에 조명을 제공하는 조명부를 더 포함할 수 있는데, 시트가 빛을 투과하는 소재로 되는 경우에도, 어두운 환경에서 본 발명의 입력장치를 사용하는 경우, 적외선카메라 등을 사용하는 등의 특수한 경우가 아니면, 마커이미지(2)의 변화를 식별할 수 없으므로, 이러한 경우를 대비하기 위해서는, 조명부를 필수적으로 구비해야 할 수도 있다. 조명부는 LED램프 등으로 되고, 사용자입력이 소정의 시간을 초과하여 발생하지 않는 경우, 자동으로 소등되는 등의 구성을 채택할 수도 있을 것이다. 상기 촬상부(40)는, 쿠션타입의 입력부(20)의 경우, 쿠션의 내부에 설치될 수도 있고, 쿠션의 외부에 설치될 수도 있으나, 후자의 경우, 촬상부(40)와 복수개의 패턴 사이에는 일정 수준 이상의 불투명한 구성요소가 위치하거나, 외부요소가 게재되어서는 안될 것임은 분명하다.

프로세서부(50)는, 마커이미지(2)를 처리하여 사용자입력에 대한 특성을 판단하는 기능을 수행한다. 프로세서부(50)의 기능은, 본 발명의 인터페이스장치(1)에의 누름입력에 의한 수직방향힘을 추정하는 기능과 일맥상통한다.

도 4를 참조하여, 이하 본 발명의 인터페이스장치(1)에의 누름입력에 의한 수직방향힘을 추정하는 방법에 대해 상술하기로 한다.

첫째, 상기 시트에 상기 누름입력이 이루어진다. 이 때의 누름입력은 시트의 누름부위에 대해 수직방향-시트면에 대해 법선방향-으로 이루어지는 것이 바람직하나, 시트의 누름부위에 대해 수직방향이 아닌 방향으로 이루어지는 경우도 포함한다. 물론 이러한 경우에는, 후술하는 누름입력에 대한 수직방향힘을 계산함에 있어 몇 가지 점을 더 고려하여야 하는데 이에 관하여는 후술하기로 한다.

둘째, 촬상부(40)가 누름입력 전의 마커이미지인 초기마커이미지 및 상기 누름입력 하에서의 마커이미지인 누름상태마커이미지를 획득하여 상기 프로세서부(50)에 입력한다. 초기마커이미지는 이를 이루는 복수개의 마커(30) 각각의 이미지의 형상 및 크기가 모두 동일하게 나타날 것이나, 특히 쿠션 타입의 입력부(20)의 경우, 가장자리로 갈수록 곡면이 형성되므로, 복수개의 마커(30) 중 가장자리에 위치한 일부에 대해서는, 마커 각각의 이미지가 타원형이거나 크기가 평균값보다 크거나 작을 수 있음을 유의한다.

누름상태마커이미지는, 누름입력이 발생한 시트상의 누름부위에 주변에 설치된 일부 마커의 이미지가 초기상태-누름입력 미작용상태-일 때와 다르게 그 크기가 커지고, 그 형상도 타원형으로 변경될 것이다.

셋째, 상기 프로세서부(50)가 상기 초기마커이미지와 상기 누름상태마커이미지를 대비하여 수직방향누름변위를 계산한다. 전술한 바와 같이 누름입력 발생하면, 누름입력점을 중심으로 각 마커의 이미지가 변화하는데, 특히 누름입력점에 근접한 마커들의 크기 및 모양의 변화가 가장 심하게 된다. 이에, 초기마커이미지와 누름상태마커이미지의 차이를 대비하여, 수직방향누름변위를 계산할 수 있다. 통상적으로 누름입력이 발생하면, 해당부위 주위에 설치된 마커에 대한 촬상부(40) 이미지는, 더 크게 인식된다. 그리고, 초기상태에서의 마커의 크기(지름의 길이, D0)와 초기상태에서의 마커와 카메라 기준위치와의 거리(L0)와 누름상태에서의 마커의 크기(D1)와 마커와 카메라 기준위치와의 거리(L1)와의 거리를 도출할 수 있다. 즉, 누름입력이 발생되어 L1<L0 의 상태가 되면, D1> D0 가 된다는 것인데, 소정의 구성을 통해, L ∝ 1/D 의 관계를 성립하도록 할 수 있으며, 실험을 통해, L와 1/D 의 비례상수(k)를 결정하여 L=k/D 의 관계식을 수립하게 되면, 이후 D1만 이미지프로세싱을 통해 결정하면, 해당 누름입력에 의해 발생하는 수직방향누름변위를 추정할 수 있다는 것이다. 물론, 이러한 예에 한정할 것은 아니며, 수직방향누름변위를 계산(추정)하는 다양한 알고리즘을 고려할 수 있다.

넷째, 상기 프로세서부(50)가 상기 누름입력이 이루어진 상기 시트 상의 위치에 대응하는 등가탄성계수를 결정한다.

시트는 신축성이 있는 재질로 만들어지는 것이 바람직하므로, 시트의 소정의 부위에 힘이 가해지는 경우, 시트가 인가된 힘의 방향으로 신장되는데, 시트의 신축성은 신장된 방향의 반대 방향으로 복원력을 발생시키는 원인이 된다. 나아가, 에어쿠션타입으로 입력부(20)가 구성되는 경우, 주입되어 있는 공기의 압력으로 인해, 입력부(20)는 누름압력에 대해 반발하고 나아가 원래상태로 복원시키는 힘을 발생시킨다. 그런데, 이러한 실시예들에 있어, 입력부(20)에 대해 프리바디다이어그램(FBD)을 그려보면, 등가모델로서 훅(hook)의 법칙을 따르는 탄성체 모델로 설명될 수 있다. 훅의 법칙은 탄성체의 경우, 변형을 가하였을 때, 발생하는 복원력의 크기는 인가된 변형의 변위에 비례한다는 것이며, 이때의 비례상수(탄성계수)는 탄성체의 종류에 따라 결정된다는 것이다.

가장자리고정부를 구비하여 시트를 고정하는 방식으로 입력부(20)를 구성하는 경우, 시트에 대하여 고정된 가장자리고정부에 고정된 부위는 변위가 0이라 할 수 있고, 누름입력이 인가되는 부위는 발생되는 변위의 크기가 가장 클 것이며, 나머지 부위는 누름입력이 인가되는 부위와의 거리에 따라 변위가 각각 다르게 발생한다. 다만, 본 발명에서는 시트 전체에 가해지는 전체힘 또는 평균힘보다는 시트의 국부적 부위에 인가되는 누름입력에 의한 국부적으로 작용하는 힘의 크기를 추정하고자 하므로, 상기 나머지 부위의 변위는 비록 누름입력이 인가되는 부위에 있어서의 변위를 결정함에 있어 간접적인 영향을 주기는 하지만, 본 발명에 있어서는, 의미가 작다. 또한, 동일한 크기의 누름입력을 시트의 여러 부위에 인가하는 경우, 각 부위별로 발생하는 변위의 크기는 서로 다르게 되며, 이러한 현상은, 시트의 각 부위에 대한 등가탄성계수가 서로 다르게 됨을 의미한다. 여기서 등가탄성계수라함은, 특정 부위에 인가되는 힘에 대해 시트는 변위를 발생시키며, 따라서 시트를 등가적으로 용수철스프링이라고 생각할 수 있으며, 이 때, 이러한 가상의 용수철스프링에 대하여, 탄성계수를 고려할 수 있는데, 이를 해당 부위에 대한 등가탄성계수라 한다는 것이다.

에어쿠션타입의 입력부(20) 구성에 있어서는, 가장자리라고 할만한 부위는 존재하지 않으며, 일단 특정 부위에 누름입력이 발생하면, 에어쿠션을 이루는 시트의 모든 부위에 대해 변위가 발생한다. 그러나, 가장자리고정부를 구비하는 실시예에서와 마찬가지로 에어쿠션타입의 실시예에 있어서도, 누름입력이 인가되는 부위에 발생되는 변위 및 누름입력이 인가되는 부위에 작용하는 힘의 크기만이 의미를 갖는다. 또한, 동일한 크기의 누름입력을 에어쿠션의 여러 부위에 인가하는 경우, 각 부위별로 발생하는 변위의 크기는 서로 다르게 되며, 이러한 현상은, 에어쿠션의 각 부위에 대한 등가탄성계수가 서로 다르게 됨을 의미한다. 여기서 등가탄성계수라함은, 특정 부위에 인가되는 힘에 대해 에어쿠션은 변위를 발생시키며, 따라서 에어쿠션을 등가적으로 용수철스프링이라고 생각할 수 있으며, 이 때, 이러한 가상의 용수철스프링에 대하여, 탄성계수를 고려할 수 있는데, 이를 해당 부위에 대한 등가탄성계수라 한다는 것은 전술한 바와 같다.

요컨대, 에어쿠션타입이든 가장자리고정부를 구비한 타입이든 누름입력이 발생한 부위에 대해 대응되는 등가탄성계수는 누름입력이 발생하는 시트상 또는 에어쿠션 표면상의 위치에 따라 다르게 되며, 나아가, 이러한 등가탄성계수와 시트상 또는 에어쿠션 표면상의 위치는 소정의 상관관계 내지 함수관계를 갖게 된다.

이에, 시트 또는 에어쿠션 표면상의 특정 부위에 소정의 크기의 힘을 가하고, 변위를 직접 측정하는 방식의 실험을 통해, 해당부위에 대한 등가탄성계수를 구할 수 있고, 이를 시트 또는 에어쿠션 표면상의 모든 부위에 대해 수행한다면, 해당 구성의 입력부(20)의 특성을 표현하는 등가탄성계수기준데이터테이블을 작성할 수 있게 된다. 이러한 등가탄성계수기준데이터테이블(52)은 입력부(20)를 구성하는 시트의 소재, 형상 등에 따라 다르게 작성될 것임은 분명하다.

도 1을 참고하여, 여기서, 등가탄성계수를 결정함에 있어서, 누름입력이 시트 또는 에어쿠션의 표면에 대해 수직방향(법선벡터 방향)으로 발생하도록 실험을 설계하는 것이 필요할 수 있다. 이렇게 결정되는 등가탄성계수기준데이터테이블(52)은 추후 실제로 발생하는 누름입력 역시 시트 또는 에어쿠션의 표면에 대해 수직방향(법선벡터 방향)으로 작용할 때, 더 정확하다고 할 수 있을 것이다. 따라서, 실제로 발생하는 누름입력이 시트 또는 에어쿠션의 표면에 대해 수직방향으로 작용하지 않는 경우에는, 수직방향힘의 추정값이 실제를 반영하지 못할 수 있다. 이를 보완하기 위해, 실제로 발생하는 누름입력을 벡터적으로 분해하여 시트 또는 에어쿠션의 표면과 평행한 방향의 분력과 관련하여 수직방향힘의 추정시 소정의 방법의 보정 알고리즘을 더 구비할 수 있다.

등가탄성계수기준데이터테이블(52)의 표현 방식은 다양할 수 있는데, 일례로, 상기 누름입력이 이루어진 상기 쿠션부 상의 위치를 나타내는 좌표값과 상기 등가탄성계수와의 관계를 기록하고 있을 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 누름입력이 이루어진 시트 상의 위치를 나타내는 좌표값은, 2차원 좌표 형식으로 표시될 수 있다. 특히 에어쿠션타입의 실시예의 경우, 에어쿠션의 상면에 대해 가장자리보다 가운데 부분이 더 볼록한 형상을 갖게 될 수 있는데, 이 경우, 에어쿠션의 상면의 표면은 3차원적으로 표시되는 것을 고려할 수 있으나, 가운데 부분의 볼록한 형상에 있어서, 그 곡률이 크지 않은 경우에는 높이 방향으로는 차이가 없는 것으로 간주하여, 2차원적으로 표시하는 것이 타당할 것이다. 2차원 좌표 형식은, x-y평면좌표계 또는 r-θ극좌표계일 수 있으며, 이렇게 시트의 기준위치로부터 측정된 실제 거리 등을 반영하여 표시할 수도 있고, 복수개의 마커(30)의 일련번호를 N*M 매트릭스의 방식으로 각각 지정한 후, 각 마커를 (n, m) 등의 순서쌍(n은 N이하의 자연수, m은 M이하의 자연수)으로 표현한 것일 수도 있음은 물론이다.

또한, 이러한 등가탄성계수기준데이터테이블(52)은, 소정의 방법으로 기록, 저장해두고, 등가탄성계수의 결정함에 있어, 전술한 프로세서부(50)가 등가탄성계수기준데이터테이블(52)을 참조하는 구성을 취할 수 있다. 즉, 누름입력이 발생하는 위치를 계산하여, 좌표값으로 나타낸 후, 이를 등가탄성계수기준데이터테이블(52)을 참조하여 해당 좌표값에 대응하는 등가탄성계수를 검색하여 활용할 수 있다.

다섯째, 상기 셋째 단계에서 계산된 수직방향누름변위와 상기 넷째 단계에서 결정된 등가탄성계수의 값을 소정의 수식에 각각 대입하여 상기 누름입력에 의한 상기 수직방향힘을 계산(추정)한다. 이 때, 상기 소정의 수식은, 후크(hook)의 법칙에 근거하여, 상기 누름입력에 의한 상기 수직방향힘의 크기를 상기 수직방향누름변위와 상기 등가탄성계수의 곱으로서 계산할 수 있다. 다만, 더욱 정밀한 결과를 획득하기 위해, 수직방향힘의 크기와 누름입력 간의 함수관계를 후크의 법칙에 따른 1차함수관계가 아닌, 2차 이상의 함수관계나 기타 선형, 비선형 함수관계를 적용하는 것을 배제하지는 않는다.

이하, 본 발명의 인터페이스장치(1)를 이용하여 누름입력 하의 이동입력(누름/이동입력) 경로 상의 현재위치에서의 수평방향힘을 추정하는 방법에 대해 상술하기로 한다. 누름/이동입력이 시트나 에어쿠션 표면에 작용하면, 이러한 누름/이동입력에 의해, 시트 또는 에어쿠션은 수직방향으로 변형이 발생하며, 복원력을 받는데, 이러한 복원력을 수직방향힘을 추정할 수 있다는 것은 전술한 바와 같고, 나아가 누름/이동입력 중 수평방향의 분력은 시트 또는 에어쿠션의 표면의 마찰력을 이겨내면서 이동하게 하는 원인을 제공한다. 이에 본 발명은 이러한 마찰력을 수평방향힘으로 간주하여 추정할 수 있다는 원리를 이용한 것이다.

적용되는 인터페이스장치(1)의 세부 구성은, 전술한 수직방향힘의 추정 방법에 적용되는 것과 차이가 없다.

도 5를 참고하여, 이하 본 발명의 인터페이스장치(1)에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법에 있어서의 각 단계에 대해 상술하기로 한다.

첫째, 시트에 상기 누름/이동입력이 이루어진다. 이 점에 있어, 전술한 수직방향힘의 추정방법에서 문제되는 사용자입력과 차이가 있는데, 본 발명의 수평방향힘의 추정방법에 있어서의 사용자입력은, 누름입력 하의 이동입력으로 한정한다. 즉, 누름입력만 있고, 이동이 없는 경우에는, 후술하는 마찰계수가 정지마찰계수가 아니라 이동마찰계수인 점을 감안할 때, 설령 수평방향힘이 계산된다고 하더라도 그 값은 의미가 없다는 것이다. 그러므로, 누름입력만 있는 사용자입력의 경우 프로세서부(50)에 의해 자동 계산되는 수평방향힘은 사용하지 않고 버리는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 누름입력없이 시트 또는 에어쿠션 표면과 미세한 접촉을 이루며 슬라이딩하는 등의 사용자입력은, 본 발명에 있어, 의미가 없다. 다만, 누름입력의 크기가 이동입력이 발생하는 동안 계속하여 상수값일 필요는 없는데, 이는 본 발명의 수평방향힘의 추정방법에서는, 누름입력에 의한 수직방향누름변위를 실시간으로 추정하면서, 그 값을, 수직방향힘의 추정에 활용하고, 다시 추정된 수직방향힘을 수평방향힘의 추정시에 활용하는 것이므로, 누름입력의 크기가 변하더라도 무방하다는 것이다.

둘째, 상기 촬상부(40)가 상기 누름/이동입력 전의 초기마커이미지 및 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 마커이미지인 현재마커이미지를 획득하여 상기 프로세서부(50)에 입력한다. 초기마커이미지는 이를 이루는 복수개의 마커 각각의 이미지의 형상 및 크기가 모두 동일하게 나타날 것이나, 특히 에어쿠션 타입의 입력부(20)의 경우, 가장자리로 갈수록 곡면이 형성되므로, 복수개의 마커(30) 중 가장자리에 위치한 일부에 대해서는, 마커 각각의 이미지가 타원형이거나 크기가 평균값보다 크거나 작을 수 있음을 유의한다.

현재마커이미지는, 누름입력 및 이동입력이 동시에 작용(이러한 입력을 누름/이동입력이라 한다)하고 있는 현재시점의 마커이미지를 의미한다. ‘현재시점’이 갖는 의미는, 이동입력의 경우, 계속하여 실시간으로 힘의 실제적인 작용위치가 계속 변화하기 때문이다. 일단 현재시점의 마커이미지가 수직방향힘 또는 수평방향힘의 크기의 추정에 사용되고 나면, 해당 현재마커이미지는 곧 과거시점의 마커이미지가 될 것이다. 이러한 현재마커이미지는 수직방향힘 또는 수평방향힘의 크기를 추정하고 난 다음 버릴 수도 있고, 기록해둘 수도 있을 것이나, 사용자에게 실제적으로 필요하고 유용한 데이터는 수직방향힘 또는 수평방향힘의 크기일 것이므로, 현재마커이미지는 버리는 것이 바람직할 것이다. 시트상 또는 쿠션(에어)상의 누름/이동입력 작용 부위의 주변에 설치된 일부 마커의 이미지가 초기상태-누름/이동입력 미작용상태-일 때와 다르게 그 크기가 커지고, 그 형상도 타원형으로 변경될 것이다.

셋째, 상기 프로세서부(50)가 상기 초기마커이미지와 상기 현재마커이미지를 대비하여 수직방향누름변위를 계산한다. 전술한 바와 같이 누름/이동입력 발생하면, 누름/이동입력이 이루어지고 있는 부위 중심으로 각 마커의 이미지가 변화하는데, 특히 누름/이동입력점에 근접한 마커들의 크기 및 모양의 변화가 가장 심하게 된다. 이에, 초기마커이미지와 누름/이동상태하에서의 현재상태 이미지인 현재마커이미지의 차이를 대비하여, 수직방향누름변위를 계산할 수 있다. 통상적으로 누름/이동입력이 발생하면, 해당부위 주위에 설치된 마커에 대한 촬상부(40) 이미지는, 더 크게 인식된다. 그리고, 초기상태에서의 마커의 크기(지름의 길이, D0)와 초기상태에서의 마커와 카메라 기준위치와의 거리(L0)와 누름/이동의 현재상태에서의 마커의 크기(D1)와 마커와 카메라 기준위치와의 거리(L1)와의 거리를 도출할 수 있다. 즉, 누름/이동입력이 발생되어 L1<L0 의 상태가 되면, D1> D0 가 된다는 것인데, 소정의 구성을 통해, L ∝ 1/D 의 관계를 성립하도록 할 수 있으며, 실험을 통해, L와 1/D 의 비례상수(k)를 결정하여 L=k/D 의 관계식을 수립하게 되면, 이후 D1만 이미지프로세싱을 통해 결정하면, 해당 누름/이동입력에 의해 발생하는 수직방향누름변위를 추정할 수 있다는 것이다. 물론, 이러한 예에 한정할 것은 아니며, 수직방향누름변위를 계산(추정)하는 다양한 알고리즘을 고려할 수 있다.

넷째, 상기 프로세서부(50)가 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에 대응하는 등가탄성계수를 결정한다.

시트는 신축성이 있는 재질로 만들어지는 것이 바람직하므로, 시트의 소정의 부위에 힘이 가해지는 경우, 시트가 인가된 힘의 방향으로 신장되는데, 시트의 신축성은 신장된 방향의 반대 방향으로 복원력을 발생시키는 원인이 된다. 나아가, 에어쿠션타입으로 입력부(20)가 구성되는 경우, 주입되어 있는 공기의 압력으로 인해, 입력부(20)는 누름/이동입력에 대해 반발하고 나아가 원래상태로 복원시키는 힘을 발생시킨다. 그런데, 이러한 실시예들에 있어, 입력부(20)에 대해 프리바디다이어그램(FBD)을 그려보면, 등가모델로서 훅(hook)의 법칙을 따르는 탄성체 모델로 설명될 수 있다. 훅의 법칙은 탄성체의 경우, 변형을 가하였을 때, 발생하는 복원력의 크기는 인가된 변형의 변위에 비례한다는 것이며, 이때의 비례상수(탄성계수)는 탄성체의 종류에 따라 결정된다는 것이다.

가장자리고정부를 구비하여 시트를 고정하는 방식으로 입력부(20)를 구성하는 경우, 시트에 대하여 고정된 가장자리고정부에 고정된 부위는 변위가 0이라 할 수 있고, 누름/이동입력이 인가되는 부위는 발생되는 변위의 크기가 가장 클 것이며, 나머지 부위는 누름/이동입력이 인가되는 부위와의 거리에 따라 변위가 각각 다르게 발생한다. 다만, 본 발명에서는 시트 전체에 가해지는 전체힘 또는 평균힘보다는 시트의 국부적 부위에 인가되는 누름/이동입력에 의한 국부적으로 작용하는 힘의 크기를 추정하고자 하므로, 상기 나머지 부위의 변위는 비록 누름/이동입력이 인가되는 부위에 있어서의 변위를 결정함에 있어 간접적인 영향을 주기는 하지만, 본 발명에 있어서는, 의미가 작다. 또한, 동일한 크기의 누름/이동입력을 시트의 여러 부위에 인가하는 경우, 각 부위별로 발생하는 변위의 크기는 서로 다르게 되며, 이러한 현상은, 시트의 각 부위에 대한 등가탄성계수가 서로 다르게 됨을 의미한다. 여기서 등가탄성계수라함은, 특정 부위에 인가되는 힘에 대해 시트는 변위를 발생시키며, 따라서 시트를 등가적으로 용수철스프링이라고 생각할 수 있으며, 이 때, 이러한 가상의 용수철스프링에 대하여, 탄성계수를 고려할 수 있는데, 이를 해당 부위에 대한 등가탄성계수라 한다는 것이다.

에어쿠션타입의 입력부(20) 구성에 있어서는, 가장자리라고 할만한 부위는 존재하지 않으며, 일단 특정 부위에 누름/이동입력이 발생하면, 에어쿠션을 이루는 시트의 모든 부위에 대해 변위가 발생한다. 그러나, 가장자리고정부를 구비하는 실시예에서와 마찬가지로 에어쿠션타입의 실시예에 있어서도, 누름/이동입력이 인가되는 부위에 발생되는 변위 및 누름/이동입력이 인가되는 부위에 작용하는 힘의 크기만이 의미를 갖는다. 또한, 동일한 크기의 누름/이동입력을 에어쿠션의 여러 부위에 인가하는 경우, 각 부위별로 발생하는 변위의 크기는 서로 다르게 되며, 이러한 현상은, 에어쿠션의 각 부위에 대한 등가탄성계수가 서로 다르게 됨을 의미한다. 여기서 등가탄성계수라함은, 특정 부위에 인가되는 힘에 대해 에어쿠션은 변위를 발생시키며, 따라서 에어쿠션을 등가적으로 용수철스프링이라고 생각할 수 있으며, 이 때, 이러한 가상의 용수철스프링에 대하여, 탄성계수를 고려할 수 있는데, 이를 해당 부위에 대한 등가탄성계수라 한다는 것은 전술한 바와 같다.

요컨대, 에어쿠션타입이든 가장자리고정부를 구비한 타입이든 누름/이동입력이 발생한 부위에 대해 대응되는 등가탄성계수는 누름/이동입력이 발생하는 시트상 또는 에어쿠션 표면상의 위치에 따라 다르게 되며, 나아가, 이러한 등가탄성계수와 시트상 또는 에어쿠션 표면상의 위치는 소정의 상관관계 내지 함수관계를 갖게 된다.

이에, 시트 또는 에어쿠션 표면상의 특정 부위에 소정의 크기의 힘을 가하고, 변위를 직접 측정하는 방식의 실험을 통해, 해당부위에 대한 등가탄성계수를 구할 수 있고, 이를 시트 또는 에어쿠션 표면상의 모든 부위에 대해 수행한다면, 해당 구성의 입력부(20)의 특성을 표현하는 등가탄성계수기준데이터테이블(52)을 작성할 수 있게 된다. 이러한 등가탄성계수기준데이터테이블(52)은 입력부(20)를 구성하는 시트의 소재, 형상 등에 따라 다르게 작성될 것임은 분명하다.

여기서, 등가탄성계수기준데이터테이블(52)의 작성에 있어서는, 전술한 누름입력만으로 되는 사용자입력을 사용하여 실험하는 것이 바람직하다. 이는, 누름/이동입력의 경우, 시트 또는 에어쿠션 표면에 평행한 방향의 분력을 항상 가지고 있으므로, 전술한 바와 같이 등가탄성계수는, 작용하는 힘에 대해 시트 또는 에어쿠션 표면에 수직한 방향의 변위에 관계된다는 전제를 감안할 때, 시트 또는 에어쿠션의 표면에 대해 수직방향(법선벡터 방향)으로 발생하도록 실험을 설계하는 것이 타당하기 때문이다.

이에, 실제로 발생하는 누름/이동입력은 시트 또는 에어쿠션의 표면에 대해 수직방향으로 작용하지 않는 것이 일반적일 것이므로, 수직방향힘의 추정값이 실제를 반영하지 못할 수 있다. 이를 보완하기 위해, 실제로 발생하는 누름/이동입력을 벡터적으로 분해하여 시트 또는 에어쿠션의 표면과 평행한 방향의 분력과 관련하여서는 그 영향이 최소화되거나 제거되도록 수직방향힘의 추정시 소정의 방법의 보정 알고리즘을 더 구비할 수 있다.

등가탄성계수기준데이터테이블(52)의 표현 방식은 다양할 수 있는데, 일례로, 상기 누름/이동입력이 이루어진 상기 쿠션부 상의 위치를 나타내는 좌표값과 상기 등가탄성계수와의 관계를 기록하고 있을 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 누름/이동입력이 이루어진 시트 상의 위치를 나타내는 좌표값은, 2차원 좌표 형식으로 표시될 수 있다. 특히 에어쿠션타입의 실시예의 경우, 에어쿠션의 상면에 대해 가장자리보다 가운데 부분이 더 볼록한 형상을 갖게 될 수 있는데, 이 경우, 에어쿠션의 상면의 표면은 3차원적으로 표시되는 것을 고려할 수 있으나, 가운데 부분의 볼록한 형상에 있어서, 그 곡률이 크지 않은 경우에는 높이 방향으로는 차이가 없는 것으로 간주하여, 2차원적으로 표시하는 것이 타당할 것이다. 2차원 좌표 형식은, x-y평면좌표계 또는 r-θ극좌표계일 수 있으며, 이렇게 시트의 기준위치로부터 측정된 실제 거리 등을 반영하여 표시할 수도 있고, 복수개의 마커(30)의 일련번호를 N*M 매트릭스의 방식으로 각각 지정한 후, 각 마커를 (n, m) 등의 순서쌍(n은 N이하의 자연수, m은 M이하의 자연수)으로 표현한 것일 수도 있음은 물론이다.

다섯째, 상기 수직방향누름변위와 상기 등가탄성계수의 값을 소정의 수식에 대입하여 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 수직방향힘을 계산한다. 이 때, 상기 소정의 수식은, 후크(hook)의 법칙에 근거하여, 상기 누름입력에 의한 상기 수직방향힘의 크기를 상기 수직방향누름변위와 상기 등가탄성계수의 곱으로서 계산할 수 있다. 다만, 더욱 정밀한 결과를 획득하기 위해, 수직방향힘의 크기와 누름입력 간의 함수관계를 후크의 법칙에 따른 1차함수관계가 아닌, 2차 이상의 함수관계나 기타 선형, 비선형 함수관계를 적용하는 것을 배제하지는 않는다.

여섯째, 상기 프로세서부(50)가 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에 대응하는 마찰계수를 결정한다.

이 때, 마찰계수의 결정은, 상기 프로세서부(50)가 마찰계수기준데이터테이블을 참조하여 결정하고, 마찰계수기준데이터테이블(53)은, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값과 상기 마찰계수와의 관계를 기록하고 있을 수 있다. 구체적으로는, 마찰계수의 결정은, 상기 프로세서부(50)가 누름/이동입력 경로 상의 현재 위치를 나타내는 좌표값을 입력 받은 후, 마찰계수기준데이터테이블(53)을 참조하여, 이러한 좌표값에 대응하는 마찰계수를 선택한다는 것이다.

본 발명의 수평방향힘 추정방법에서 문제되는 사용자입력은 누름/이동입력이므로, 상기 마찰계수는 정지마찰계수가 아닌 운동마찰계수이다. 마찰계수는 시트상 또는 에어쿠션 표면상의 위치에 따라 그 값이 다르게 나타난다. 시트 또는 에어쿠션의 각 부위가 단일 소재로 이루어졌음에도 불구하고, 이러한 결과가 발생하는 이유는, 누름/이동입력이 작용하는 경우, 발생하는 마찰력은, 결국 시트 또는 에어쿠션 표면 부위에 소정의 수평방향의 변위를 발생시키는데, 본 발명의 입력부(20)를 구성함에 있어, 시트(21) 또는 에어쿠션은 소정의 형상으로 되도록 한정된다는 사실은, 이러한 변위발생에 영향을 미치기 때문이다.

즉, 같은 유형의 누름/이동입력이 발생한다고 하더라도, 시트(21) 또는 에어쿠션 표면 상의 위치에 따라 마찰력은 다르게 추정되어야 하며, 이에, 실제로 측정되는 마찰계수도 시트(21) 또는 에어쿠션 표면 상의 위치에 따라 서로 다르다는 것이다. 마찰계수기준데이터테이블(53)의 작성은, 설계된 실험을 통해서 수행할 수 있다. 마찰계수가 시트(21) 또는 에어쿠션 표면 상의 위치에 대해서만 의존하여 결정되는 경우에는, 시트(21) 또는 에어쿠션 표면에 대해 누름/이동입력을 시트(21) 또는 에어쿠션의 표면상의 각 부위에 작용시키고, 누름/이동입력의 시트(21) 또는 에어쿠션 표면에 대한 수평/수직분력을 각각 측정하고(힘센서 등의 사용), 이러한 수평분력과 수직분력의 비율을 마찰계수로 간주한다는 것이다. 물론, 수직분력의 경우에는 전술한 바와 같은 본 발명의 수직방향힘 추정방법을 이용하여 결정된 추정값을 이용할 수도 있을 것임은 물론이다.

누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값은, 2차원 좌표 형식으로 표시될 수 있다. 2차원 좌표 형식은, x-y평면좌표계 또는 r-θ극좌표계일 수 있으나, 다른 방식의 표시 형식을 적용하는 것을 배제하는 것은 아니다.

또한, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값은, 상기 2차원 좌표형식에 부가하여, 상기 수직방향누름변위를 더 포함하는 3차원 좌표 형식으로 표시될 수 있다. 이는, 누름/이동입력에 대해 수직방향의 분력 크기가 커질수록 접촉면은, v자로 변형되는데, 이러한 시트(21) 또는 에어쿠션 표면 부위의 변형은 누름/이동입력에 대해, 이동을 방해하는 원인이 되기 때문에, 수직방향누름변위가 마찰계수를 결정하는 변수로 추가로 설정될 수 있다는 것이다. 이렇게 되면, 마찰계수는 삼변수 함수가 될 것이다.

일곱째, 상기 수직방향힘과 상기 여섯째 단계에서 결정된 마찰계수의 값을 소정의 수식에 대입하여 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 수평방향힘을 계산한다. 이 때, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 수평방향힘의 크기를 상기 수평방향힘과 상기 마찰계수의 곱으로서 계산할 수 있다.

프로세서부(50)는, 상기와 같이 사용자입력을 정량적으로 판단하고, 그 결과를 다양하게 활용할 수 있으며, 특히 사용자입력에 관한 정량적 정보를 담아 출력신호(3)를 생성하고, 이를 다양한 외부장치(4) 등에 제공할 수 있다. 이 때, 외부장치(4) 등에 제공되는 출력신호(3)는 전기신호일 수 있는데, 이에 한정되지는 않는다.

또한, 본 발명의 인터페이스장치(1)에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법을 사용하여 사용자입력을 처리하는 사용자입력장치는, 기본적으로 수직방향힘을 추정하는 기능을 구비할 수 있으며, 이러한 구성에 의해 추정되는 수평방향힘은, 화면 상에 커서를 이동시키는 포인터의 구현에 활용하고, 수직방향힘은, 그 크기에 따라 대응되는 특정한 기능을 실행시키는 등의 방식으로 활용할 수 있으나, 이러한 예에 한정할 것은 아니다.

본 발명의 인터페이스장치(1)에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법을 사용하여 다차원 압력을 센싱 및 측정하는 압력센서는, 기본적으로 수직방향힘을 추정하는 기능을 구비할 수 있으며, 이러한 구성에 의해 추정되는 수평방향힘과 수직방향힘은 인가되는 입력의 크기를 정량화할 수 있게 된다. 이를 통해 복잡한 구성을 갖는 압력센서, 힘센서를 대체할 수 있다.

본 발명의 인터페이스장치(1)에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법을 사용하여 사용자입력을 처리하여 기기구동을 제어하는 기능을 수행하는 휴먼머신인터페이스(HMI interface)장치에 있어, 제어대상인 기기는 로봇, 휠체어, 디스플레이장치 등 다양한 것으로 설정할 수 있다. 일례로, 휠체어에 본 발명의 휴먼머신인터페이스 장치를 구현한 경우, 수직방향힘이 소정의 값보다 작은 경우에는, 센싱된 수평방향힘을, 이동을 위한 바퀴구동컨트롤에 활용할 수 있도록 하고, 수직방향힘이 소정의 값보다 큰 경우에는, 센싱된 수평방향힘을, 유압모듈을 작동시켜, 계단을 올라갈 수 있는 링크를 작동시키는 데 활용할 수 있을 것이나, 이러한 예에 한정할 것은 아니다.

상기 기술한 설명은 본 발명의 최상의 모드를 제시하고 있으며, 본 발명을 설명하기 위하여, 그리고 당업자가 본 발명을 제작 및 이용할 수 있도록 하기 위한 예를 제공하고 있다. 이렇게 작성된 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하는 것이 아니다.

따라서, 상술한 예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다. 요컨대 본 발명이 의도하는 효과를 달성하기 위해 도면에 도시된 모든 기능을 별도로 포함하거나 도면에 도시된 모든 순서를 도시된 순서 그대로 따라야만 하는 것은 아니며, 그렇지 않더라도 얼마든지 청구항에 기재된 본 발명의 기술적 범위에 속할 수 있음에 주의한다.

1 : 인터페이스장치
2 : 마커이미지
3 : 출력신호
4 : 외부장치
8 : 누름의 사용자입력
9 : 누름/이동의 사용자입력
20 : 입력부
21 : 시트
22 : 기판
30 : 마커
40 : 촬상부
50 : 프로세서부
51: 프로세서
52 : 등가탄성계수기준데이터테이블
53 : 마찰계수기준데이터테이블

Claims (19)

1. 일면에 사용자입력이 작용하고, 상기 사용자입력이 해소되면 초기형상으로 복원되는 기능을 갖는 시트를 포함하는 입력부;
   상기 시트 일면에 소정의 방식으로 배열되어 설치되는 복수개의 마커,
   상기 사용자입력에 대응하여 변화하는 상기 복수개의 마커의 촬영이미지로서의 마커이미지를 수집하는 촬상부,
   상기 마커이미지를 처리하여 상기 사용자입력에 대한 특성을 판단하는 기능을 수행하는 프로세서부,
   를 포함하여 이루어지는 인터페이스장치를 이용하여 누름입력에 의한 수직방향힘을 추정하는 방법에 있어서,
   (a) 상기 시트에 상기 누름입력이 이루어지는 단계;
   (b) 상기 촬상부가 상기 누름입력 전의 마커이미지인 초기마커이미지 및 상기 누름입력 하에서의 마커이미지인 누름상태마커이미지를 획득하여 상기 프로세서부에 입력하는 단계;
   (c) 상기 프로세서부가 상기 초기마커이미지와 상기 누름상태마커이미지를 대비하여 수직방향누름변위를 계산하는 단계;
   (d) 상기 프로세서부가 상기 누름입력이 이루어진 상기 시트 상의 위치에 대응하는 등가탄성계수를 결정하는 단계;
   (e) 상기 수직방향누름변위와 상기 등가탄성계수의 값을 소정의 수식에 각각 대입하여 상기 누름입력에 의한 상기 수직방향힘을 계산하는 단계;
   를 포함하여 이루어지며,
   상기 (d)단계에서의 등가탄성계수의 결정은, 상기 프로세서부가 등가탄성계수기준데이터테이블을 참조하여 결정하고,
   상기 등가탄성계수기준데이터테이블은, 상기 누름입력이 이루어진 상기 시트 상의 위치를 나타내는 좌표값과 상기 등가탄성계수와의 관계를 기록하고 있는 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름입력에 의한 수직방향힘을 추정하는 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 시트는, 내부에 공기가 충진되어 있는 쿠션을 구성하는 면들 중 하나로 되는 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름입력에 의한 수직방향힘을 추정하는 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 (e)단계에서는, 상기 누름입력에 의한 상기 수직방향힘의 크기를 상기 수직방향누름변위와 상기 등가탄성계수의 곱으로서 계산하는 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름입력에 의한 수직방향힘을 추정하는 방법.
   
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 누름입력이 이루어진 상기 시트 상의 위치를 나타내는 좌표값은, 2차원 좌표 형식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름입력에 의한 수직방향힘을 추정하는 방법.
   
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 2차원 좌표 형식은, x-y평면좌표계 또는 r-θ극좌표계인 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름입력에 의한 수직방향힘을 추정하는 방법.
   
   
7. 일면에 사용자입력이 작용하고, 상기 사용자입력이 해소되면 초기형상으로 복원되는 기능을 갖는 시트를 포함하는 입력부;
   상기 시트 일면에 소정의 방식으로 배열되어 설치되는 복수개의 마커,
   상기 사용자입력에 대응하여 변화하는 상기 복수개의 마커의 촬영이미지로서의 마커이미지를 수집하는 촬상부,
   상기 마커이미지를 처리하여 상기 사용자입력에 대한 특성을 판단하는 기능을 수행하는 프로세서부,
   를 포함하여 이루어지는 인터페이스장치를 이용하여 누름입력 하의 이동입력(누름/이동입력) 경로 상의 현재위치에서의 수평방향힘을 추정하는 방법에 있어서,
   (i) 상기 시트에 상기 누름/이동입력이 이루어지는 단계;
   (ii) 상기 촬상부가 상기 누름/이동입력 전의 마커이미지인 초기마커이미지 및 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 마커이미지인 현재마커이미지를 획득하여 상기 프로세서부에 입력하는 단계;
   (iii) 상기 프로세서부가 상기 초기마커이미지와 상기 현재마커이미지를 대비하여 수직방향누름변위를 계산하는 단계;
   (iv) 상기 프로세서부가 상기 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에 대응하는 등가탄성계수를 결정하는 단계;
   (v) 상기 수직방향누름변위와 상기 등가탄성계수의 값을 소정의 수식에 대입하여 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 수직방향힘을 계산하는 단계;
   (vi) 상기 프로세서부가 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에 대응하는 마찰계수를 결정하는 단계;
   (vii) 상기 수직방향힘과 상기 마찰계수의 값을 소정의 수식에 대입하여 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 수평방향힘을 계산하는 단계;
   를 포함하여 이루어지는 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법.
   
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 (vii)단계에서는, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 수평방향힘의 크기를 상기 수평방향힘과 상기 마찰계수의 곱으로서 계산하는 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법.
   
   
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 (vi)단계에서의 마찰계수의 결정은, 상기 프로세서부가 마찰계수기준데이터테이블을 참조하여 결정하고,
   상기 마찰계수기준데이터테이블은, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값과 상기 마찰계수와의 관계를 기록하고 있는 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값은, 2차원 좌표 형식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법.
    
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 2차원 좌표 형식은, x-y평면좌표계 또는 r-θ극좌표계인 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법.
    
    
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값은, 상기 2차원 좌표형식에 부가하여, 상기 수직방향누름변위를 더 포함하는 3차원 좌표 형식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법.
    
13. 청구항 7에 있어서,
    상기 (v)단계에서는, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치에서의 수직방향힘의 크기를 상기 수직방향누름변위와 상기 등가탄성계수의 곱으로서 계산하는 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법.
    
    
14. 청구항 7에 있어서,
    상기 (iv)단계에서의 등가탄성계수의 결정은, 상기 프로세서부가 등가탄성계수기준데이터테이블을 참조하여 결정하고,
    상기 등가탄성계수기준데이터테이블은, 상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값과 상기 등가탄성계수와의 관계를 기록하고 있는 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법.
    
    
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 누름/이동입력 경로 상의 현재위치를 나타내는 좌표값은, 2차원 좌표 형식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법.
    
    
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 2차원 좌표 형식은, x-y평면좌표계 또는 r-θ극좌표계인 것을 특징으로 하는 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법.
    
    
17. 청구항 7의 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법을 사용하여 사용자입력을 처리하는 사용자입력장치.
    
18. 청구항 7의 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법을 사용하여 다차원 압력을 센싱 및 측정하는 압력센서.
    
19. 청구항 7의 인터페이스장치에의 누름/이동입력에 의한 수평방향힘을 추정하는 방법을 사용하여 사용자입력을 처리하여 기기구동을 제어하는 기능을 수행하는 휴먼머신인터페이스(HMI interface)장치.
    

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