KR101801128B1 - 촉감 구현 장치 - Google Patents

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최승복
이태훈
차승우
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 촉감 구현 장치에 관한 것으로, 각각의 상이한 탄성계수 및 댐핑계수를 갖는 다수의 터치점들로 구획된 일정 크기의 구체, 상기 구체의 하단을 회전가능하게 지지하는 받침대, 상기 구체를 회전시키기 위해 상기 구체의 측면들에 밀착된 상태로 배열되는 복수의 회전체, 및 인체의 장기들에서 감지된 탄성계수 및 댐핑계수와 동일한 탄성계수 및 댐핑계수를 갖는 상기 구체 표면의 터치점을 찾도록 상기 회전체의 구동시키는 제어부를 포함하고, 상기 구체는 에테르계 발포 폴리우레탄-엘라스토머(Polyurethane-Elastomers) 소재를 이용하여 구성하는 것을 특징으로 하여 인체의 장기 또는 기타 사물들의 촉감을 보다 실제에 가깝게 구현할 수 있게 된다.

Description

촉감 구현 장치{HOLISTIC TACTILE REALIZING SYSTEM}
본 발명은 촉감 구현 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에테르계 발포 폴리우레탄-엘라스토머(Polyurethane-Elastomers) 소재를 이용하여 인체의 장기 또는 기타 사물들의 촉감을 보다 실제에 가깝게 구현할 수 있는 촉감 구현 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 작업환경에 대한 정보, 종속 매니퓰레이터의 센서 정보에 대한 작업자의 적절한 판단과 반응 그리고 숙련된 원격제어 기술 등이 요구되는 작업 분야에서 작업자의 원격제어를 위한 조종수단 중 하나로 촉감구현장치가 있다.
인간의 감각을 구현하기 위한 것인 촉감구현장치는 주로 가상현실이나 시뮬레이션, 로보틱스, 의료용 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그 중에서 의료분야에 사용되고 있는 의료용 햅틱 마스터 장치는 마스터-슬레이브 로봇(Master-Slave Robot)을 이용한 최소침습수술(Minimally Invasive Surgery; MIS) 등의 의료현장에서 환자의 장기와 접촉하는 슬레이브 로봇의 접촉력을 마스터 로봇에 구현하여 의사에게 장기의 형상과 반력을 전달하는 장치를 의미한다.
한편, 의료용 수술로봇을 이용한 최소침습수술(MIS) 기법은 환자에게 주는 여러가지 이점으로 인해 최근 관심이 집중되고 있으나, 반대로 의사에게 있어서는 환자의 장기와 접촉하는 촉감을 잃게 되는 것을 의미한다. 따라서, 이러한 문제를 보완하기 위해 인간과 보다 유연하고 안전하게 접촉할 수 있는 햅틱장치의 도입에 대한 요구가 날로 증대되고 있다.
최근 햅틱장치는 특히 의료용 수술로봇에 관련하여 MR(Magneto Rheological) 유체를 이용한 촉감 구현 장치들이 연구되고 있는데, 이와 관련하여 본 출원인은 'MR유체와 형상기억합금을 이용한 촉감구현장치'를 출원해 한국특허등록 제1177777호, 제1228019호로 등록받은 바 있다.
그러나, 이들 특허는 입력(input) 소스가 오직 전류이고 MR유체의 자화되는 정도에 한계가 있어 인간 장기의 다양한 촉감들을 실제에 가깝게 구현하기는 사실상 어렵다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 에테르계 폴리우레탄-엘라스토머(Polyurethane-Elastomers) 발포체를 이용하여 본 발명의 촉감 구현 장치를 구성함으로써 수술실에서 인체의 각종 장기들의 촉감을 보다 실제에 가깝게 구현할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 각각의 상이한 탄성계수 및 댐핑계수를 갖는 다수의 터치점들로 구획된 일정 크기의 구체, 상기 구체의 하단을 회전가능하게 지지하는 받침대, 상기 구체를 회전시키기 위해 상기 구체의 측면들에 밀착된 상태로 배열되는 복수의 회전체, 및 인체의 장기들에서 감지된 탄성계수 및 댐핑계수와 동일한 탄성계수 및 댐핑계수를 갖는 상기 구체 표면의 터치점을 찾도록 상기 회전체의 구동시키는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 구현 장치가 제공된다.
본 발명에 따르면, 구체는 에테르계 폴리우레탄-엘라스토머 발포체로 이루어짐이 바람직한데, 이러한 에테르계 발포 폴리우레탄-엘라스토머(Polyurethane-Elastomers) 소재는 일반적으로 사용 환경이나 필요에 맞게 댐핑계수(damping coefficient)와 탄성계수(stiffness)를 자유롭게 조절하여 제작될 수 있는 것으로, 주로 자전거의 인장의 충격방지 장치, 구조 소음 감소를 위한 건축용 기초 공사, 기계, 설비의 마운팅 시스템 등 다양한 환경에서 목적에 따른 특성값에 맞게 제작되어 활용되고 있다.
본 발명에 따르면, 회전체는 상기 구체의 적어도 4방향에 배치되고, 상기 구체의 회전에 따른 각종 장기들의 촉감 구현은 상기 구체의 정점 위치에 오는 터치점에 의해 이루어진다. 또한, 상기 구체는, 가로방향으로 탄성계수 값이 점진적으로 증가 또는 감소하고, 세로방향으로 댐핑계수 값이 점진적으로 증가 또는 감소하는 터치점들의 배열을 갖는다. 또한, 상기 터치점들은 각기 다른 색상을 가지며, 상기 구체의 적어도 일측에는 선정된 터치점의 위치를 파악하기 위한 비전 센서가 설치된다.
이와 같이 에테르계 폴리우레탄-엘라스토머 발포체를 이용한 촉감 구현 장치는 다양한 댐핑계수 및 탄성계수를 갖는 터치점들을 통해 다양한 인체 장기의 다양한 촉감을 구현할 수 있으며, 더욱이 수술현장에서 느끼게 되는 인체의 각종 장기들의 촉감을 보다 실제에 가깝게 구현하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 촉감 구현 장치의 평면도,
도 2는 도 1에 따른 촉감 구현 장치의 정면도,
도 3은 도 1에 따른 촉감 구현 장치의 사용상태도.
이상 설명한 기본 개념을 토대로 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명하기로 한다.
아래에 설명된 실시형태는 본 발명을 설명함에 있어서 필연적인 부분들을 제외하고 그 도시와 설명을 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 유사한 구성요소에 대하여는 동일한 참조부호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 촉감 구현 장치의 평면도이고, 도 2는 도 1에 따른 촉감 구현 장치의 정면도이며, 도 3은 도 1에 따른 촉감 구현 장치의 사용상태도이다.
본 발명의 촉감 구현 장치는 다수의 터치점(Touch point)들로 구획된 일정 크기의 구체(10)를 포함한다. 구체(10) 표면의 각각의 터치점들은 서로 상이한 탄성계수와 댐핑계수를 갖도록 구성됨이 바람직하다.
이를 위해, 구체(10)는 에테르계 발포 폴리우레탄-엘라스토머(Polyurethane-Elastomers) 소재로 구성할 수 있는데, 이러한 에테르계 폴리우레탄-엘라스토머 발포체는 일반적으로 사용 환경이나 필요에 맞게 댐핑계수(damping coefficient)와 탄성계수(stiffness)를 자유롭게 조절하여 제작될 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 에테르계 폴리우레탄-엘라스토머 발포체는 주로 자전거의 인장의 충격방지 장치, 구조 소음 감소를 위한 건축용 기초 공사, 기계, 설비의 마운팅 시스템 등 다양한 환경에서 목적에 따른 특성값에 맞게 제작되어 활용되고 있다.
다수의 터치점들로 구획된 구체(10)의 주위에는 상기 구체를 회전시키기 위한 소정의 회전체들(21,22,23,24)이 배치된다. 이러한 회전체들(21,22,23,24)은 모터 자체이거나, 아니면 모터에 의해 구동되는 소정의 회전수단일 수 있다. 상기 회전체들(21,22,23,24)은 구체(10)를 회전시키기 위해 상기 구체(10)의 측면들에 밀착된 상태로 배열됨이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 회전체들(21,22,23,24)은 상기 구체(10)의 적어도 4방향에 배치되어 구체(10)를 각 방향으로 자유자재로 회전시킬 수 있도록 구성한다.
구체(10)의 하단은 소정 형상의 받침대(40)에 의해 회전가능하게 지지되고, 상기 회전체의 구동은 제어부(미도시)에 의해 이루어진다. 제어부는 복수의 회전체(21,22,23,24), 및 인체의 장기들에서 감지된 탄성계수 및 댐핑계수와 동일한 탄성계수 및 댐핑계수를 갖는 상기 구체 표면의 터치점(Touch point)을 찾도록 상기 회전체(21,22,23,24)의 구동시킨다.
상기 구체(10)의 회전에 따른 인체 장기들의 촉감 구현은 도 3에 도시한 바와 같이 구체(10)의 정점 위치에 오는 터치점을 터치함으로써 이루어질 수 있다. 또한, 상기 구체(10)는, 가로방향으로 탄성계수 값이 점진적으로 증가 또는 감소하고, 세로방향으로 댐핑계수 값이 점진적으로 증가 또는 감소하는 터치점들의 배열을 갖춤이 바람직하다. 따라서, 구체 표면에 구획된 각각의 터치점들은 제어부에의해 (x,y)로 기억되는 탄성계수 및 댐핑계수를 갖는다. 상기 (x,y)는 각각의 터치점들의 좌표값일 수도 있고, 그렇지 않으면 탄성계수값과 댐핑계수값일 수도 있다.
또한, 터치점들은 각기 다른 색상을 가질 수 있다. 이는 해당 터치점의 위치를 육안으로도 쉽게 확인할 수 있게 하는 것으로, 이를 위해 구체(10)의 적어도 일측에는 선정된 터치점의 위치를 파악하기 위한 비전 센서(30)가 설치될 수 있다.
이상 본 발명의 다양한 실시예와 작동형태들을 설명하였으나, 지금까지 설명한 내용들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 그 일부를 예시한 정도에 불과하다.
따라서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 범위내에서 발명의 요지를 변경시키지 않고 본 발명에 대하여 다양한 변형을 가할 수 있음은 물론이다.
10 : 구체
21,22,23,24 : 회전체
30 : 비전 센서
40 : 받침대

Claims (6)

  1. 각각의 상이한 탄성계수 및 댐핑계수를 갖는 다수의 터치점들로 구획된 일정 크기의 구체, 상기 구체의 하단을 회전가능하게 지지하는 받침대, 상기 구체를 회전시키기 위해 상기 구체의 측면들에 밀착된 상태로 배열되는 복수의 회전체, 및 인체의 장기들에서 감지된 탄성계수 및 댐핑계수와 동일한 탄성계수 및 댐핑계수를 갖는 상기 구체 표면의 터치점을 찾도록 상기 회전체의 구동시키는 제어부를 포함하고, 상기 회전체는 상기 구체의 적어도 4방향에 배치되는 것을 특징으로 하는 촉감 구현 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구체는 에테르계 폴리우레탄-엘라스토머 발포체로 이루어진 것을 특징으로 하는 촉감 구현 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 구체의 회전에 따른 각종 장기들의 촉감 구현은 상기 구체의 정점 위치에 오는 터치점에 의해 이루어지도록 구동하는 것을 특징으로 하는 촉감 구현 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 구체는, 가로방향으로 탄성계수 값이 점진적으로 증가 또는 감소하고, 세로방향으로 댐핑계수 값이 점진적으로 증가 또는 감소하는 터치점들의 배열을 갖는 것을 특징으로 하는 촉감 구현 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 터치점들은 각기 다른 색상을 가지며, 상기 구체의 적어도 일측에는 선정된 터치점의 위치를 파악하기 위한 비전 센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 촉감 구현 장치.
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