KR101774250B1 - 직선 및 회전 운동 햅틱 액츄에이터 - Google Patents

직선 및 회전 운동 햅틱 액츄에이터 Download PDF

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김신영
윤대근
이중재
유범재
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Abstract

본 발명은 햅틱감을 생성하는 액츄에이터에 있어서, 주위에 형성되는 자기력 벡터에 의해 구동되는 구형 회전자; 내부에 상기 구형 회전자에 대응하는 형상의 공간이 형성되며, 상기 구형 회전자가 상기 공간 내에 위치하도록 하며 구형 회전자의 직선 운동이 가능하도록 상기 구형 회전자의 상부 일부분이 노출되도록 하는 고정자; 서로 간에 소정의 간격을 유지한 채로 상기 고정자에 형성되며, 상기 구형 회전자에 상기 자기력 벡터를 제공하는 적어도 세 개의 회전 구동 코일들; 및 상기 각각의 회전 구동 코일들에 공급되는 전류를 독립적으로 제어하여 상기 자기력 벡터를 형성하는 구동부;를 포함하는 것으로, 사용자에게 전방향에 대한 미끄러지는 감각을 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 진동을 통한 진동감 및 압력을 통한 누르는 압박감을 전달할 수 있으므로 가상/증강 현실에 대한 현실감을 증가시킬 수 있다.

Description

직선 및 회전 운동 햅틱 액츄에이터{HAPTIC ACTUATOR FOR LINEAR AND ROTATIONAL MOTION}
본 발명은 햅틱 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 주위에 형성되는 자기력 벡터에 의해 구동되는 구형 회전자, 내부에 구형 회전자에 대응하는 형상의 공간이 형성되며, 구형 회전자가 공간 내에 위치하도록 하며 구형 회전자의 직선 운동이 가능하도록 구형 회전자의 상부 일부분이 노출되도록 하는 고정자, 소정의 간격을 유지한 채로 고정자에 형성되며, 구형 회전자에 자기력 벡터를 제공하는 적어도 세 개의 회전 구동 코일들, 및 각각의 회전 구동 코일들에 공급되는 전류를 독립적으로 제어하여 자기력 벡터를 형성하는 구동부를 포함하는 햅틱 액츄에이터에 관한 것이다.
최근 저가의 HMD(head mounted display)가 출시된 이후 가상현실에 대한 시장의 관심이 더욱 커지고 있다. 그로 인해 가상현실에 관련된 다양한 분야의 연구가 진행되고 있으며, 그 결과로 여러 종류의 하드웨어 및 소프트웨어 제품들이 출시되고 있다.
햅틱(haptic) 기술은 사용자에게 다양한 종류의 감각을 전달하여 가상현실에 더욱 현실감을 증가시키기 위한 것으로, 촉각을 통하여 사용자에게 정보를 전달하기 위한 연구 분야의 하나이다.
특히, 사용자의 손가락 끝에 촉감을 제공하기 위한 장치에 대한 개발 및 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
이러한 햅틱 생성을 위한 장치로는, 상하운동 가능한 전자석 액츄에이터 혹은 공압 액츄에이터 등을 소형으로 제작하여 어레이 형식으로 배열한 후 손가락 끝을 자극하는 방식, 초음파를 사용하여 손가락 표면을 자극하는 방식, 나노기술로 개발된 필름형 액츄에이터를 사용하여 손가락 끝을 자극하는 방식 등 다양한 방법 및 장치들이 있으나, 안정성 및 신뢰도 확보에 어려움이 있다.
또한, 미끄러지는 감각을 전달하기 위한 장치로 벨트 타입의 햅틱 액츄에이터가 제시되었다. 그러나, 벨트 타입의 햅틱 액츄에이터는 1자유도로 한 방향으로의 미끄러지는 감각만을 전달할 수 있는 한계가 있다.
이에, 본 발명자는 안전성과 신뢰성이 확보된, 진동감(접촉감), 압박감, 임의 방향 미끄러짐 감각을 제공할 수 있는 햅틱 액츄에이터를 제안하고자 한다.
본 발명은 상술한 문제점을 모두 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전방향에 대한 미끄러짐 감각을 생성할 수 있도록 하는 햅틱 액츄에이터를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 진동 감각 및 압박 감각을 생성할 수 있도록 하는 햅틱 액츄에이터를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 효과를 실현하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 햅틱감을 생성하는 액츄에이터에 있어서, 주위에 형성되는 자기력 벡터에 의해 구동되는 구형 회전자; 내부에 상기 구형 회전자에 대응하는 형상의 공간이 형성되며, 상기 구형 회전자가 상기 공간 내에 위치하도록 하며, 상기 구형 회전자의 직선 운동이 가능하도록 상기 구형 회전자의 상부 일부분이 노출되도록 하는 고정자; 서로 간에 소정의 간격을 유지한 채로 상기 고정자에 형성되며, 상기 구형 회전자에 상기 자기력 벡터를 제공하는 적어도 세 개의 회전 구동 코일들; 및 상기 각각의 회전 구동 코일들에 공급되는 전류를 독립적으로 제어하여 상기 자기력 벡터를 형성하는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터가 제공된다.
본 발명은 사용자에게 전방향에 대한 미끄러지는 감각을 전달할 수 있으므로 가상/증강 현실에 대한 현실감을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 사용자에게 진동을 통한 진동감, 압력을 통한 누르는 압박감을 전달할 수 있으므로 가상/증강 현실에 대한 현실감을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터의 동작을 설명하기 위한 자기력 벡터를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터의 동작을 위한 자기력 벡터의 궤적을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터의 동작을 설명하기 위한 자기력 벡터를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터의 적용 상태를 개략적으로 도시한 것이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터를 개략적으로 도시한 것으로, 도 1의 (a)는 사시도, 도 1의 (b)는 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터(100)는 구형 회전자(10), 고정자(20), 회전 구동 코일들(30), 및 구동부(40)를 포함할 수 있다.
먼저, 구형 회전자(10)는 주위에 형성되는 자기력 벡터에 의해 구동되어 인체에 햅틱감을 생성하여 줄 수 있다. 그리고, 구형 회전자(10)는 영구자석으로 형성될 수 있다. 이때, 구형 회전자(10)의 중앙을 관통하는 수평 평면으로 가상으로 구형 회전자(10)를 나눌 때, 구형 회전자(10)의 상부의 극성과 하부의 극성이 나뉘어지도록 형성될 수 있다. 또한, 구형 회전자(10)를 영구자석으로 형성하는 것과는 달리 극성이 반대되는 영구자석이 상부 영역과 하부 영역의 내부에 각각 위치하도록 할 수도 있다.
그리고, 고정자(20)는 내부에 구형 회전자(10)에 대응하는 형상의 공간이 형성되며, 구형 회전자(10)가 내부에 형성된 공간 내에 위치하도록 할 수 있다. 또한, 고정자(20)는 구형 회전자(10)의 상부 일부분이 노출되도록 형성될 수 있다. 즉, 구형 회전자(10)의 일부가 고정자(20)의 외부로 돌출되도록 하여 인체에 접촉될 수 있도록 한다. 이때, 구형 회전자(10)는 고정자(20)의 내부 공간에서 회동 가능하게 된다.
또한, 구형 회전자(10)가 내부 공간에서 상하 운동할 수 있도록, 구형 회전자(10)의 상부 영역이 위치하는 고정자(20) 영역이 소정의 공극을 가지도록 할 수 있다. 일 예로, 고정자(20)의 내부 공간에서 하부 영역은 구형 회전자(10)의 하부 반구형과 대응되도록 형성하고, 상부 영역은 상부면의 일정 영역이 개방된 원통형으로 공간을 형성하며, 상부면의 개방된 영역은 동일 평면상에서 구형 회전자(10) 보다 큰 직경을 가지도록 한다.
그리고, 회전 구동 코일들(30)은 구형 회전자(10)를 관통하는 가상의 소정 평면 상에서 소정의 간격(가령, 등간격)이 되도록 적어도 세 개가 고정자(20)에 형성되며, 구형 회전자(10)에 자기력 벡터를 제공하여 줄 수 있다. 이때, 회전 구동 코일들(30)은 고정자(20)의 외측에 형성되거나, 고정자(20)의 몸체를 내통하여 구형 회전자(10)와 대면되도록 형성될 수도 있다.
또한, 회전 구동 코일들(30)은 구형 회전자(10)의 중앙 이외의 부위를 관통하는 평면 중 수평 평면 상에 위치하도록 할 수도 있다.
그리고, 구동부(40)는 회전 구동 코일들(30)에 공급되는 전류를 독립적으로 제어하여 회전 구동 코일들(30)에서 자기력 벡터를 형성하도록 지원할 수 있다. 이때, 구동부(40)는 전류 제어를 통해 회전 구동 코일들(30)의 자기력 벡터의 방향과 세기를 제어함으로써, 햅틱감 생성을 위한 구형 회전자(10)의 회전 운동, 진동 운동, 또는 직선 운동을 형성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터의 동작을 설명하기 위한 자기력 벡터를 개략적으로 도시한 것으로, 도 2의 (a)는 상태도, 도 2의 (b)는 평면도, 도 2의 (c)는 측면도이다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 회전 구동 코일(C1), 회전 구동 코일(C2), 회전구동 코일(C3)이 구형 회전자의 중심점(이하, "원점"이라 함)을 향하도록 하며, 각각의 코일이
Figure 112016029103590-pat00001
,
Figure 112016029103590-pat00002
,
Figure 112016029103590-pat00003
의 위치에 형성된 것으로 가정하여 설명한다. 이때, d는 상수(constant)로, 원점에서 코일까지의 거리이다.
상기의 가정에 따라 회전 구동 코일(C1)의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00004
, 회전 구동 코일(C2)의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00005
, 회전 구동 코일(C3)의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00006
는 다음의 수학식 1과 같이 나타내어질 수 있다.
Figure 112016029103590-pat00007
Figure 112016029103590-pat00008
Figure 112016029103590-pat00009
이때,
Figure 112016029103590-pat00010
,
Figure 112016029103590-pat00011
,
Figure 112016029103590-pat00012
는 각각 회전 구동 코일(C1), 회전 구동 코일(C2), 회전 구동 코일(C3)의 자기력의 크기이다.
그리고, 구형 회전자의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00013
은 수학식 2와 같이 나타내어질 수 있다.
Figure 112016029103590-pat00014
따라서, 회전 구동 코일들(C1, C2, C3)에 의해 형성되는 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00015
와 회전 구동 코일들(C1, C2, C3)의 자기력 크기는 벡터의 조합을 통해 아래의 수학식 3과 같은 관계식을 갖게 된다.
Figure 112016029103590-pat00016
따라서, 수학식 3에서 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00017
를 알고 있을 경우, 회전 구동 코일들(C1, C2, C3)의 자기력 크기는 아래의 수학식 4와 같이 된다.
Figure 112016029103590-pat00018
따라서, 구동부는 구형 회전자의 위치를 제어하기 위한 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00019
를 생성하기 위하여 각각의 코일에 공급되는 전류를 수학식 4에 따른 자기력을 형성하도록 제어함으로써 햅틱감 형성을 위한 구형 회전자를 구동할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터의 동작을 위한 자기력 벡터의 궤적을 개략적으로 도시한 것으로, 도 3의 (a)는 상태도, 도 3의 (b)는 평면도이다.
도 3을 참조하여, 도 2에서의 회전 구동 코일들(C1, C2, C3)을 통해 구형 회전자를 회전시키는 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3에서와 같이, 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00020
를 x축과 θ만큼 틀어진 방향으로 회전시키는 궤적을 생성하면 아래의 수학식 5와 같다.
Figure 112016029103590-pat00021
이때, 수학식 5에서 t는 시간, ω는 각속도이다.
수학식 5에서 알 수 있는 바와 같이, θ를 변경하면
Figure 112016029103590-pat00022
의 회전 각도를 변경할 수 있고, ω를 변경하면 회전 속도를 변경할 수 있다.
그리고, 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00023
에 대한 회전 구동 코일들의 자기력의 크기는 수학식 6과 같게 된다.
Figure 112016029103590-pat00024
따라서, 구동부는 설정 또는 입력되는 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00025
의 궤적에 따라 수학식 5와 수학식 6에 따라 각각의 회전 구동 코일들의 입력 전류를 제어한다.
그리고, 구동부에 의한 전류 제어를 통해 회전 구동 코일들이 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00026
의 궤적을 형성하면, 구형 회전자의 자기력 벡터도 회전 구동 코일들의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00027
를 따라 궤적을 형성하게 된다.
그러므로, 회전 구동 코일들에 의한 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00028
의 궤적을 다양하게 구성하면 구형 회전자의 다양한 회전 운동을 구현할 수 있으며, 그에 따라 구형 회전자와 접촉하는 인체에 다양한 감각, 즉 다양한 방향의 미끄러짐 감각을 생성할 수 있게 된다.
또한, 구형 회전자와 접촉하는 인체에 압박감을 제공하기 위해서는 회전 구동 코일들에 의한 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00029
을 수학식 7과 같이 형성하면 된다.
Figure 112016029103590-pat00030
이때, 수학식 7에서 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00031
를 z축에 대해 조절하면, 즉, 상수인 a의 크기를 조절하면, 구형 자석의 압박감을 조절할 수 있다. 이때, z축은 도 1에서 구형 회전자가 돌출되도록 상하 운동을 하는 방향일 수 있다.
그리고, 수학식 7의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00032
를 형성하기 위한 회전 구동 코일들에서의 자기력 세기는 수학식 8과 같게 된다.
Figure 112016029103590-pat00033
따라서, 구형 회전자의 운동에 다른 압박감을 생성하기 위해서 구동부는 수학식 7과 수학식 8에 따라 각각의 회전 구동 코일에 입력되는 전류를 제어하게 된다.
또한, 구형 회전자와 접촉하는 인체에 진동감을 제공하기 위해서는 회전 구동 코일들에 의한 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00034
을 수학식 9와 같이 형성하면 된다.
Figure 112016029103590-pat00035
이때, 수학식 9에서 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00036
를 z축에 대한 궤적을 설정하면, 진동감을 조절할 수 있다. 즉, 상수인 a를 키울 수록 진동감에서 힘의 크기가 증가하고,
Figure 112016029103590-pat00037
를 키울 수록 진동감의 주파수를 키울 수 있다.
그리고, 수학식 9의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00038
를 형성하기 위한 회전 구동 코일들에서의 자기력 세기는 수학식 수학식 10과 같게 된다.
Figure 112016029103590-pat00039
따라서, 구형 회전자의 운동에 다른 진동감을 생성하기 위해서 구동부는 수학식 9와 수학식 10에 따라 각각의 회전 구동 코일에 입력되는 전류를 제어하게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터를 개략적으로 도시한 것으로, 도 1의 실시예에서 하나의 중심 구동 코일(Cz)을 추가한 구성으로, 도 4의 (a)는 사시도, 도 4의 (b)는 평면도이다.
중심 구동 코일(Cz)은 구형 회전자(10)를 관통하는 수평 평면과 수직인 방향에 위치하되, 구형 회전자(10)의 하부 영역 아래에 위치하는 고정자(20)에 형성될 수 있다. 그리고, 중심 구동 코일(Cz)은 구형 회전자(10)에 자기력 벡터를 제공하여 줄 수 있다. 이때, 중심 구동 코일(Cz)은 고정자(20)의 외측에 형성되거나, 고정자(20)의 몸체를 내통하여 구형 회전자(10)와 대면되도록 형성될 수도 있다.
또한, 회전 구동 코일들(30)은 구형 회전자(10)의 중앙을 관통하는 평면 중 수평 평면 상에 위치하도록 하거나, 구형 회전자(10)의 중앙 이외의 부위를 관통하는 평면 중 수평 평면 상에 위치하도록 할 수 있다.
그리고, 구동부(40)는 회전 구동 코일들(30)과 중심 구동 코일(Cz)에 공급되는 전류를 제어하여 회전 구동 코일들(30)과 중심 구동 코일(Cz)에 의한 자기력 벡터를 형성하도록 지원할 수 있다. 이때, 구동부(40)는 전류 제어를 통해 회전 구동 코일들(30)과 중심 구동 코일(Cz)의 자기력 벡터의 방향과 세기를 제어함으로써, 햅틱감 생성을 위한 구형 회전자(40)의 회전 운동, 진동 운동, 또는 직선 운동을 형성할 수 있다. 이때, 구동부(40)는 회전 구동 코일들(30)이 위치하는 가상의 평면상에서 제어 구간을 균등하게 나눈다고 가정할 때, 나누어진 제어 구간에 위치하는 적어도 두 개의 회전 구동 코일(30)과 중심 구동 코일(Cz)의 자기력 벡터의 방향과 세기를 제어하여 구형 회전자(10)의 회전 운동, 진동 운동, 또는 직선 운동을 형성하도록 할 수 있다.
또한, 구동부(40)는 중심 구동 코일(Cz)의 자기력 벡터의 방향과 세기를 제어하여 구형 회전자(10)의 진동 운동 또는 압력 형성을 위한 직선 운동을 형성할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터의 동작을 설명하기 위한 자기력 벡터를 개략적으로 도시한 것으로, 도 5의 (a)는 상태도, 도 5의 (b)는 평면도이다.
도 5를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 회전 구동 코일(C1), 회전 구동 코일(C2), 회전 구동 코일(C3), 중심 구동 코일(Cz)이 구형 회전자의 중심점인 원점을 향하도록 하며, 각각의 코일이 ,
Figure 112016029103590-pat00041
,
Figure 112016029103590-pat00042
, 의 위치에 형성된 것으로 가정하여 설명한다. 이때, d는 상수로, 원점에서 코일까지의 거리이다.
상기의 가정에 따라 회전 구동 코일(C1)의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00044
, 회전 구동 코일(C2)의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00045
, 회전 구동 코일(C3)의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00046
, 중심 구동 코일(Cz)의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00047
는 아래의 수학식 11과 같이 나타내어질 수 있다.
Figure 112016029103590-pat00048
Figure 112016029103590-pat00049
Figure 112016029103590-pat00050
Figure 112016029103590-pat00051
이때,
Figure 112016029103590-pat00052
,
Figure 112016029103590-pat00053
,
Figure 112016029103590-pat00054
,
Figure 112016029103590-pat00055
는 각각 회전 구동 코일(C1), 회전 구동 코일(C2), 회전 구동 코일(C3), 중심 구동 코일(Cz)의 자기력의 크기이다.
그리고, 구형 회전자의 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00056
은 수학식 12와 같이 나타내어질 수 있다.
Figure 112016029103590-pat00057
따라서, 회전 구동 코일(C1), 회전 구동 코일(C2), 회전 구동 코일(C3), 중심 구동 코일(Cz)의 자기력 벡터의 합을 통하여 구형 회전자를 구동하기 위한 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00058
를 생성할 수 있게 된다. 이때, 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00059
가 형성되면 구형 회전자의 S극은 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00060
를 향하도록 회전 이동하게 되므로, 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00061
를 생성하기 위한 각각의 코일의 구동 전류를 제어를 통해 다양한 방향으로 구형 회전자가 구동하도록 제어할 수 있게 된다.
그리고, 회전 구동 코일들(C1, C2, C3)과 중심 구동 코일(Cz)에 의해 형성되는 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00062
와, 회전 구동 코일들(C1, C2, C3)과 중심 구동 코일(Cz)의 자기력 크기는 벡터의 조합을 통해 아래의 수학식 13과 같은 관계식을 갖게 된다.
Figure 112016029103590-pat00063
이때, xp>0, yp>0 일 경우,
Figure 112016029103590-pat00064
는 회전 구동 코일(C1, C2)과 중심 구동 코일(Cz)의 자기력을 이용하여 다음의 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016029103590-pat00065
즉, 도 5의 (b)에서와 같이, 원점을 기준으로 회전 구동 코일(C1, C2, C3)의 위치에 따라 균등하게, 일 예로 120°단위로 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00066
를 제어하는 A구간, B구간, C구간으로 나눌 수 있다.
이때, A구간 안에 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00067
를 만들어야 할 경우에는 회전 구동 코일(C1), 회전 구동 코일(C2), 및 중심 구동 코일(Cz)이 사용되어지며, B구간 안에 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00068
를 만들어야 할 경우에는 회전 구동 코일(C2), 회전 구동 코일(C3), 및 중심 구동 코일(Cz)이 사용되어지며, C구간 안에 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00069
를 만들어야 할 경우에는 회전 구동 코일(C1), 회전 구동 코일(C3), 및 회전 구동 코일(Cz)이 사용되어질 수 있다.
그리고, 제어 구간과 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00070
를 생성하는 각각의 코일의 자기력을 생성하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00071
를 xy평면에 투영한 벡터를
Figure 112016029103590-pat00072
라 하고,
Figure 112016029103590-pat00073
와 x축 사이의 각도를 θ라고 할 경우, xp,yp의 조건에 따라 θ는 다음의 수학식 15에서와 같이 구할 수 있다.
Figure 112016029103590-pat00074
Figure 112016029103590-pat00075
Figure 112016029103590-pat00076
Figure 112016029103590-pat00077
그리고, θ에 따라, 즉, 제어 구간에 따라 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00078
와, 회전 구동 코일들 및 중심 구동 코일 사이의 관계식은 아래의 수학식 16과 같이 유도될 수 있다.
Figure 112016029103590-pat00079
Figure 112016029103590-pat00080
Figure 112016029103590-pat00081
Figure 112016029103590-pat00082
Figure 112016029103590-pat00083
Figure 112016029103590-pat00084
따라서, 구동부는 구형 회전자의 위치를 제어하기 위한 자기력 벡터
Figure 112016029103590-pat00085
를 생성하기 위하여 각각의 코일에 공급되는 전류를 수학식 16에 따른 자기력을 형성하도록 제어함으로써 햅틱감 형성을 위한 구형 회전자를 구동할 수 있게 된다.
그리고, 수학식 16에 대응한 자기력 벡터 형성을 통해 햅틱감 생성을 위한 구형 회전자의 구동시, 도 3을 참조한 설명에서와 같은 방법에 의해 구동부(40)는 구형 회전자의 회전 제어, 압박감 제어, 및 진동감 제어 동작을 수행할 수 있다.
또한, 이와는 달리 중심 구동 코일(Cz)만을 제어하여 도 3에서 같은 방법에 의해 구형 회전자가 상하 운동하도록 함으로써 압박감과 진동감을 생성할 수도 있다.
그리고, 도 2 또는 도 3에서의 햅틱 액츄에이터(100)는 구형 회전자의 자세를 검출하는 센싱부를 더 포함할 수 있다.
이때, 구동부는 센싱부에 의해 검출되는 구형 회전자의 자세에 대한 측정값을 이용하여 회전 구동 코일들, 또는 중심 구동 코일에 인가되는 전류를 피드백 제어할 수 있다. 일 예로, 구형 회전자의 위치 변경 등에 의해 각 코일에서 구형 회전자의 중심점까지의 거리가 변경될 경우, 구형 회전자의 위치에 따라 변경된 거리에 대한 값을 보정하여줄 수 있다.
또한, 구동부는 센싱부로부터 검출된 구형 회전자의 위치와 전류 제어를 통해 제어하고자 한 위치를 비교하여, 위치가 다를 경우 2개의 위치가 동일하게 되도록 제어 전류값을 보상하여 줄 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터의 적용 상태를 개략적으로 도시한 것으로, 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터(100)는 고정자 또는 액츄에이터를 인체에 고정하기 위한 결합부(50)를 더 포함할 수 있다. 이때, 결합부(50)는 고정자로부터 노출된 구형 회전자 부분이 인체에 접촉되도록 고정하여 줄 수 있다. 일 예로, 도 6의 (a)는 클립 결합부를 통해 액츄에이터가 인체의 손가락 부분에 접촉되도록 한 것이며, 도 6의 (b)는 밴드 또는 체인 등을 이용하여 액츄에이터를 접촉되도록 한 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 액츄에이터는 영화관의 의자, 전자기기, 디스플레이 장치 등에 결합되어 사용자에게 다양한 햅틱감을 생성하여 줄 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 햅틱 액츄에이터,
10: 구형 회전자, 20: 고정자,
30, C1, C2, C3: 회전 구동 코일, Cz: 중심 구동 코일,
40: 구동부, 50: 결합부

Claims (11)

  1. 햅틱감 생성을 위한 액츄에이터에 있어서,
    주위에 형성되는 자기력 벡터에 의해 구동되는 구형 회전자;
    내부에 상기 구형 회전자에 대응하는 형상의 공간이 형성되며, 상기 구형 회전자가 상기 공간 내에 위치하도록 하며 상기 구형 회전자의 상부 일부분이 노출되도록 하는 고정자;
    서로 간에 소정의 간격을 유지한 채로 상기 고정자에 형성되며, 상기 구형 회전자에 상기 자기력 벡터를 제공하는 적어도 세 개의 회전 구동 코일들; 및
    상기 각각의 회전 구동 코일들에 공급되는 전류를 독립적으로 제어하여 상기 자기력 벡터를 형성하는 구동부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구형 회전자의 소정의 부위를 관통하는 가상의 소정 평면을 가정할 때, 상기 소정 평면과 수직인 방향에 위치하되, 상기 고정자의 부위 중 상기 구형 회전자의 하부 영역에 대응되는 부위에 형성되며, 상기 구형 회전자에 직선 운동의 자기력 벡터를 제공하는 하나의 중심 구동 코일;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전 구동 코일들은,
    상기 구형 회전자의 중앙을 관통하는 평면 중 수평 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전 구동 코일들은,
    상기 구형 회전자의 중앙 이외의 부위를 관통하는 평면 중 수평 평면 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구형 회전자는, 영구자석이고, 상기 구형 회전자를 중앙을 관통하는 가상의 수평 평면으로 나눈다고 가정할 때, 상기 구형 회전자의 상부의 극성과 하부의 극성이 나뉘는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 회전 구동 코일들의 자기력 벡터의 방향과 세기를 제어하여 상기 구형 회전자의 회전 운동, 진동 운동, 또는 직선 운동을 형성하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 회전 구동 코일들이 위치하는 가상의 평면상에서 제어 구간을 균등하게 나눈다고 가정할 때, 상기 나누어진 제어 구간 중 특정 제어 구간에 대응되는 적어도 두 개의 상기 회전 구동 코일과 상기 중심 구동 코일의 자기력 벡터의 방향과 세기를 제어하여 상기 구형 회전자의 회전 운동, 진동 운동, 또는 직선 운동을 형성하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 중심 구동 코일의 자기력 벡터의 방향과 세기를 제어하여 상기 구형 회전자의 진동 운동 또는 직선 운동을 형성하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 구형 회전자의 자세를 검출하는 센싱부를 더 포함하며,
    상기 구동부는, 상기 센싱부에 의해 검출된 상기 구형 회전자의 자세에 대한 측정값을 이용하여 상기 회전 구동 코일들에 인가되는 전류를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고정자를 인체에 고정하기 위한 결합부를 더 포함하되,
    상기 고정자로부터 노출된 상기 구형 회전자 부분이 상기 인체에 접촉되도록 하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 구형 회전자의 자세를 검출하는 센싱부를 더 포함하며,
    상기 구동부는, 상기 센싱부에 의해 검출된 상기 구형 회전자의 자세에 대한 측정값을 이용하여 상기 중심 구동 코일에 인가되는 전류를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 햅틱 액츄에이터.
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