KR101835097B1 - Wearable interface device using piezoelectric element - Google Patents

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유범재
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한국과학기술연구원
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Abstract

외부 기기의 기능 수행을 위한 입력 신호를 사용자의 관절의 움직임을 통해 생성하는 웨어러블 인터페이스 장치는, 사용자의 관절을 지나도록 배치되어 상기 관절의 움직임에 의해 구부러져 전기를 생성하는 압전 소자를 포함하는 압전 모듈과 상기 압전 소자가 생성하는 전기 에너지로 구동하는 제어 모듈을 포함하고, 상기 제어 모듈은 상기 압전 소자가 발생시키는 전기 신호를 통해 상기 관절의 움직임을 계산하여 상기 입력 신호를 생성한다. A wearable interface device for generating an input signal for performing a function of an external device through motion of a joint of a user includes a piezoelectric module including a piezoelectric element arranged to pass over a joint of a user and bent by movement of the joint to generate electricity, And a control module driven by electric energy generated by the piezoelectric element, wherein the control module calculates the movement of the joint through an electric signal generated by the piezoelectric element to generate the input signal.

Description

압전 소자를 이용한 웨어러블 인터페이스 장치{Wearable interface device using piezoelectric element} [0001] Wearable interface device using piezoelectric element [0002]

본 발명은 압전 소자를 이용한 웨어러블 인터페이스 장치로서, 더욱 상세하게는 외부 기기의 기능 수행을 위한 입력 신호를 사용자의 관절의 움직임을 통해 생성하는 웨어러블 인터페이스 장치로 압전 소자에서 생성되는 전기 에너지로 자가 발전이 가능한 동시에 압전 소자의 전기 신호를 통해 사용자의 동작을 감지하여 입력 신호를 생성할 수 있는 웨어러블 인터페이스 장치이다. The present invention relates to a wearable interface device using a piezoelectric element, and more particularly, to a wearable interface device for generating an input signal for performing functions of an external device through movement of a user's joint, A wearable interface device capable of sensing an operation of a user through an electric signal of a piezoelectric element and generating an input signal.

컴퓨터 등과 같은 기기에서 사용자가 원하는 기능을 수행하기 위한 입력 신호를 입력하기 위한 각종 사용자 인터페이스 장치가 이용되고 있다. Various user interface devices for inputting an input signal for performing a function desired by a user are being used.

예를 들어, 마우스는 대표적이고 널리 이용되는 사용자 인터페이스 장치 중 하나이다. For example, a mouse is one of the representative and widely used user interface devices.

마우스는 주로 마우스에 구비된 버튼을 사용자가 손가락을 이용해 클릭하면, 클릭 입력 신호를 컴퓨터에 제공하여 모니터 상의 아이콘을 선택하거나 활성화시키는 등의 기능을 수행하도록 하는 간단한 형태의 인터페이스 장치이다. A mouse is a simple type of interface device that performs a function of selecting and activating an icon on a monitor by providing a click input signal to a computer when a user clicks a button provided on the mouse with a finger.

최근 인터페이스 장치의 휴대성 및 자유도를 높이기 위해, 인터페이스 장치가 컴퓨터와 무선 통신을 통해 입력 신호를 전달하도록 하여 연결 케이블 등을 생략하도록 하고, 사용자의 신체에 맞게 착용할 수 있는 웨어러블 인터페이스 장치가 적용되는 경우가 많다. In recent years, in order to increase the portability and the degree of freedom of the interface device, a wearable interface device which allows an interface device to transmit an input signal through a wireless communication with a computer and omits a connection cable and the like, There are many cases.

그러나, 종래 기술에 따른 무선형 웨어러블 인터페이스 장치는 전력 공급을 위해 필연적으로 배터리를 별도로 장착하여야 하고, 사용자의 동작을 인식할 수 있도록 복잡하고 고가의 센서들을 이용하여야 하는 경우가 많아, 크기가 크고 구조가 복잡해지는 문제점이 있다. However, in the wireless wearable interface device according to the related art, a battery must be separately installed for power supply, and many complicated and expensive sensors are required to recognize the operation of the user, There is a problem in that it becomes complicated.

한국 특허등록 제10-1625066호Korea Patent No. 10-1625066

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 자가 발전을 통한 동력의 자체 생성이 가능하여 별도 전원이 불필요하고, 동시에 동력 생성을 위한 에너지 변환 소자를 이용해 사용자의 동작을 인식하여 입력 신호를 생성함으로써, 휴대성이 우수하고 구조가 간단한 무선형 웨어러블 인터페이스 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention has been made to solve the above problems of the conventional art, and it is an object of the present invention to provide a power conversion device, Type wearable interface device that is excellent in portability and simple in structure.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 외부 기기의 기능 수행을 위한 입력 신호를 사용자의 관절의 움직임을 통해 생성하는 웨어러블 인터페이스 장치로서, 사용자의 관절을 지나도록 배치되어 상기 관절의 움직임에 의해 구부러져 전기를 생성하는 압전 소자를 포함하는 압전 모듈과 상기 압전 소자가 생성하는 전기 에너지로 구동하는 제어 모듈을 포함하고, 상기 제어 모듈은 상기 압전 소자가 발생시키는 전기 신호를 통해 상기 관절의 움직임을 계산하여 상기 입력 신호를 생성하는 웨어러블 인터페이스 장치가 제공된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a wearable interface device for generating an input signal for performing a function of an external device through a movement of a user's joint, the wearable interface device comprising: And a control module which is driven by electric energy generated by the piezoelectric element, wherein the control module controls the piezoelectric module to generate electric power based on an electric signal generated by the piezoelectric element, There is provided a wearable interface device for calculating a motion to generate the input signal.

일 실시예에 따르면, 상기 제어 모듈은, 상기 압전 소자가 생성하는 전기 에너지를 저장하는 축전부와, 상기 압전 소자가 발생시키는 전기 신호를 통해 상기 관절의 움직임을 계산하여 상기 입력 신호를 생성하는 처리부를 포함하고, 상기 처리부는 상기 축전부에 저장된 전기 에너지를 공급받는다. According to one embodiment, the control module includes a power storage unit that stores electric energy generated by the piezoelectric element, a processing unit that calculates the movement of the joint through an electric signal generated by the piezoelectric element, And the processing unit is supplied with electric energy stored in the power storage unit.

일 실시예에 따르면, 상기 제어 모듈은 상기 처리부가 생성한 입력 신호를 상기 외부 장치로 송신하는 무선 통신부를 더 포함하고, 상기 무선 통신부는 상기 축전부에 저장된 전기 에너지를 공급받는다. According to an embodiment, the control module further includes a wireless communication unit that transmits the input signal generated by the processing unit to the external device, and the wireless communication unit receives the electric energy stored in the power storage unit.

일 실시예에 따르면, 상기 웨어러블 인터페이스 장치는 사용자의 손가락 관절의 움직임을 통해 입력 신호를 생성하는 장갑형 웨어러블 장치이다. According to one embodiment, the wearable interface device is an armored wearable device that generates an input signal through movement of a finger joint of a user.

일 실시예에 따르면, 상기 웨어러블 인터페이스 장치는 마우스이고, 상기 압전 소자는 적어도 사용자의 두 개의 손가락의 관절에 하나씩 배치된다. According to one embodiment, the wearable interface device is a mouse, and the piezoelectric element is disposed at least one joint of two fingers of the user.

일 실시예에 따르면, 압전 소자가 손가락 관절마다 하나씩 배치될 수 있다. According to one embodiment, the piezoelectric elements can be arranged one for each finger joint.

일 실시예에 따르면, 상기 제어 모듈은 상기 압전 소자가 발생시키는 전압 값으로부터 손가락의 관절의 각도를 계산하여 해당 손가락에 의한 클릭 입력 신호를 생성한다. According to one embodiment, the control module calculates the angle of the joint of the finger from the voltage value generated by the piezoelectric element, and generates a click input signal by the corresponding finger.

일 실시예에 따르면, 웨어러블 인터페이스 장치는 사용자의 손에 착용하는 장갑을 더 포함하고, 상기 압전 소자는 상기 장갑에 부착되어 사용자의 관절에 밀착 고정된다. According to one embodiment, the wearable interface device further comprises a glove to be worn by a user's hand, and the piezoelectric element is attached to the glove and fixedly attached to the joint of the user.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 인터페이스 장치의 개념도이다.
도 2는 웨어러블 인터페이스 장치의 압전 모듈의 구성도이다.
도 3은 사용자의 검지에 고정된 도 2의 압전 모듈을 도시한 것이다.
도 4는 검지의 관절 각도 계산에 대한 결과 그래프이다.
도 5는 웨어러블 인터페이스 장치의 제어 모듈의 블록도이다.
1 is a conceptual diagram of a wearable interface device according to an embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram of a piezoelectric module of a wearable interface device.
Fig. 3 shows the piezoelectric module of Fig. 2 fixed to the user's finger. Fig.
Fig. 4 is a graph showing the result of calculation of the joint angle of the index finger.
5 is a block diagram of a control module of a wearable interface device.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시 예를 보인 것으로서, 이는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this application, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 인터페이스 장치(1)의 개념도이다. 1 is a conceptual diagram of a wearable interface device 1 according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 웨어러블 인터페이스 장치(1)는 사용자가 손에 끼울 수 있는 장갑형 마우스이다. 도 1의 (a)는 인터페이스 장치(1)를 손등 쪽에서 바라본 모습을 나타내고, 도 1의 (b)는 손바닥 쪽에서 바라본 모습을 나타낸다. The wearable interface device 1 according to the present embodiment is a glove type mouse that can be held by a user. Fig. 1 (a) shows the interface device 1 viewed from the side of the back of the hand, and Fig. 1 (b) shows the view from the palm side.

도 1을 참조하면, 웨어러블 인터페이스 장치(1)는 사용자가 손에 착용할 수 있는 장갑(10), 압전 소자(110)를 구비하며 압전 소자(110)가 사용자의 손등 쪽에서 검지와 중지의 손가락 관절을 지나도록 배치되는 압전 모듈(101, 102), 상기 압전 모듈(101, 102)의 압전 소자와 전기적으로 연결되어 압전 소자가 생성하는 전기 에너지로 구동하는 제어 모듈(200)을 포함한다. 또한, 사용자의 손바닥 쪽에는 광 센서 모듈(210)이 구비된다. 1, the wearable interface device 1 includes a glove 10 and a piezoelectric element 110 that can be worn by a user, and a piezoelectric element 110 is provided on the back of the user's hand, And a control module 200 electrically connected to the piezoelectric elements of the piezoelectric modules 101 and 102 and driven by electric energy generated by the piezoelectric elements. In addition, an optical sensor module 210 is provided on the palm side of the user.

본 실시예에 따른 장갑(10)은 사용자의 손에 꼭 밀착하도록 탄성을 가진 소재로 형성된다. 다만, 반드시 장갑(10)의 소재 전체가 탄성을 가지도록 형성될 필요는 없으며, 사용자의 착용감을 고려해 압전 모듈(101, 102)이 위치하는 부분만이 강한 탄성을 가져서 압전 모듈이 손가락 관절과 밀착하도록 하여도 좋다. 장갑(10)은 사용자가 착용 가능하되, 압전 모듈(101, 102)의 압전 소자가 손가락의 관절에 밀착하여 관절의 움직임에 대응하여 구부러질 수 있도록 고정하는 형태라면 그 형태 및 구조는 다변화될 수 있다. The glove 10 according to the present embodiment is formed of a material having elasticity so as to closely contact the user's hand. However, it is not always necessary that the entire material of the glove 10 is made elastic, and only the portion where the piezoelectric modules 101 and 102 are located has strong elasticity in consideration of the wearer's comfort, . The glove 10 can be worn by the user, but the shape and structure of the glove 10 can be diversified if the piezoelectric element of the piezoelectric modules 101 and 102 is fixed to the finger joint so as to be bent in accordance with the movement of the joint. have.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 모듈(101)의 구성도이다. 2 is a configuration diagram of a piezoelectric module 101 according to an embodiment of the present invention.

압전 모듈(101)은 매우 얇은 직사각형 판 형상의 압전 소자(110)와 기판(120)이 겹쳐져 형성된다. The piezoelectric module 101 is formed by superimposing a very thin rectangular plate-shaped piezoelectric element 110 and the substrate 120.

"압전 소자"는 응력이 작용하여 물리적 변위가 발생하면 그에 대응하여 전기를 발생시키는 소자를 말한다. A "piezoelectric element" refers to a device that generates electricity in response to stress when a physical displacement occurs.

본 실시예에 따른 압전 소자(110)는 압전 물질 중 가장 유연한 재질을 가지는 것으로 알려진 PVDF(Polyvinylidene fluoride)가 이용된다. 유연한 재질의 압전 소자(110)는 손가락 관절의 움직임에 대응하여 구부러져 전기를 생성함으로써, 손가락 동작 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 에너지 변환기의 역할을 할 수 있다. PVDF 외에도 소정의 유연성을 가지는 다양한 압전 물질이 압전 소자(110)로 이용될 수 있다는 점이 이해되어야 할 것이다. The piezoelectric element 110 according to the present embodiment uses PVDF (polyvinylidene fluoride), which is known to have the most flexible material among the piezoelectric materials. The piezoelectric element 110 of a flexible material can bend and generate electricity in response to the movement of the finger joint, thereby functioning as an energy converter capable of converting finger operation energy into electric energy. It should be understood that various piezoelectric materials having predetermined flexibility besides PVDF can be used as the piezoelectric element 110. [

PVDF 재질의 압전 소자(110)는 에폭시 등의 접착제를 사용해 밀라(mylar) 재질의 기판(120)에 접착한다. The piezoelectric element 110 made of PVDF is bonded to a substrate 120 made of mylar using an adhesive such as epoxy.

도 2에서는 압전 소자(110)와 기판(120)의 크기가 거의 같은 것으로 도시되어 있지만, 본 실시예에서 압전 소자(110)와 기판(120)의 크기는 각각 28×8×28 (길이×폭×두께) ㎣ 및 25×8×0.1 ㎣ 이다. 2, the sizes of the piezoelectric element 110 and the substrate 120 are approximately the same. However, in this embodiment, the sizes of the piezoelectric element 110 and the substrate 120 are 28 × 8 × 28 (length × width × thickness) and 25 × 8 × 0.1 mm.

압전 소자(110)의 길이가 약간 더 긴 이유는 전극을 압전 소자(110)에 부착하기 위한 것이며, 압전 소자(110)의 일단부의 상하면에는 두 개의 전극(미도시)가 각각 부착되며, 각각의 전극에는 전선(130)이 연결된다. The reason that the length of the piezoelectric element 110 is slightly longer is to attach the electrode to the piezoelectric element 110. Two electrodes (not shown) are attached to the upper and lower surfaces of the one end of the piezoelectric element 110, A wire 130 is connected to the electrode.

전선(130)은 장갑(10)의 내부로 내설되어 제어 모듈(200)과 연결되어 압전 모듈(101)과 제어 모듈(200)을 전기적으로 연결시킨다. The electric wire 130 is inserted into the glove 10 and connected to the control module 200 to electrically connect the piezoelectric module 101 and the control module 200.

압전 모듈(101)은 사용자의 검지의 하나의 관절 위치에 대응하여 장갑(10)에 형성된 포켓(미도시) 속에 내장된다. The piezoelectric module 101 is embedded in a pocket (not shown) formed in the glove 10 corresponding to one joint position of the user's detection.

본 실시예에 따른 압전 모듈(101)은 그 압전 소자(110)가 사용자의 검지 중 제2 관절(근위 손허리뼈사이 관절; Proximal Interphalageal Joint; PIJ)을 지나도록 배치된다.The piezoelectric module 101 according to the present embodiment is arranged so that the piezoelectric element 110 passes through the second joint (Proximal Interphalangeal Joint; PIJ) of the user's detection.

도 1에 도시된 바와 같이, 마우스로 이용되는 웨어러블 인터페이스 장치(1)는 사용자가 마치 실제 마우스를 움켜쥔 듯한 손 모양을 취한 상태에서, 검지 또는 중지를 까딱여 클릭하는 듯한 동작을 취하면, 압전 모듈(101)이 적용된 손가락 관절의 움직임을 인지한다. 손가락의 관절의 움직임이 클릭에 해당하면 클릭 입력 신호를 생성하여 컴퓨터 등 외부 기기로 전달함으로써 사용자의 클릭 동작에 따른 기능(예를 들어, 아이콘의 클릭 등)을 수행하도록 해준다. As shown in FIG. 1, when the wearable interface device 1 used as a mouse takes an action such as clicking or stopping the user in a state of taking a hand shape as if the user grasps the actual mouse, Recognizes the movement of the finger joint to which the module 101 is applied. When the motion of the joint of the finger corresponds to a click, a click input signal is generated and transmitted to an external device such as a computer, thereby allowing a user to perform a function (e.g., clicking an icon) corresponding to a click operation.

본 실시예에 따르면, 압전 모듈(101, 102)을 검지와 중지에 배치한 것은 통상적인 마우스 사용시 검지와 중지를 이용한 좌우 클릭 동작을 재현하도록 하여 사용자가 이미 습관화된 동작으로 클릭 동작을 수행할 수 있도록 한다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 압전 모듈(101, 102)이 검지와 중지 외의 손가락에 배치될 수도 있다. According to this embodiment, when the piezoelectric modules 101 and 102 are disposed at the detection and stop positions, it is possible to reproduce the left and right click operations using detection and stop at the time of using a normal mouse, so that the user can perform a click operation . However, the present invention is not limited to this, and the piezoelectric modules 101 and 102 may be disposed on fingers other than the detection and stop.

또한, 본 실시예에 따르면, 클릭 동작시 가장 많이 움직임이 일어나는 제2 관절에 압전 모듈을 배치함으로써, 동작의 정확성과 전력 공급의 극대화를 이룰 수 있다. In addition, according to the present embodiment, by arranging the piezoelectric module in the second joint where the movement is most generated in the click operation, the operation accuracy and the power supply can be maximized.

도 3은 사용자의 검지에 고정된 압전 모듈(101)을 개념적으로 도시한 것이다. Fig. 3 conceptually shows a piezoelectric module 101 fixed to the detection of the user.

압전 모듈(101)은 사용자의 손등 쪽에서 검지의 제2 관절(PIJ)를 지나도록 배치된다. The piezoelectric module 101 is disposed so as to pass through the second joint (PIJ) of the detection on the user's hand.

도 3에서, L1, L2 및 L3는 각각 손가락의 마디의 길이를 나타낸다. φMPJ는 제1관절(손허리손가락관절; Metacarpophalangeal Joint; MPJ)의 각도, φPIJ는 제2관절(PIJ)의 각도, φDIJ는 제3관절(원위 손허리뼈사이 관절; Distal Interphalageal Joint; DIJ)의 각도를 나타낸다. r은 현재 손가락에서 손가락 뿌리와 손가락 끝을 잇는 선분이고, α는 φMPJ가 0일 때인 시작 위치와 r 사이의 거리를 나타낸다. In Figure 3, L 1 , L 2 And L 3 denote the lengths of the nodes of the fingers, respectively. φ MPJ is the angle of the first joint (Metacarpophalangeal Joint; MPJ), φ PIJ is the angle of the second joint (PIJ), φ DIJ is the angle of the third joint (Distal Interphalangeal Joint; DIJ). r is the line segment connecting the fingertip and fingertip in the current finger, and α is the distance between the starting position and r when φ MPJ is zero.

종래 기술에 따르면, 하나의 관절의 각도(φMPJ)를 알기 위해서는 IMU 센서 등 고가의 센서가 이용되는 경우가 많으며, 위 손가락의 길이 및 각도들의 관계를 복잡하게 계산하는 과정 등이 필요했다. According to the related art, in order to know the angle ( MPJ ) of one joint, an expensive sensor such as an IMU sensor is often used, and a process of calculating the relationship between the length and angles of the upper finger is required.

본 실시예에 따르면, 압전 모듈(101)의 압전 소자(110)는 손가락 관절의 회전각에 대응하여 구부러지므로, 압전 소자(110)의 굽힘각은 제2 관절의 각도(φMPJ)와 실질적으로 동일하다. 후술하는 바와 같이, 압전 소자(110)가 출력하는 전기 신호를 이용하면 제2 관절의 각도(압전 소자의 굽힘각)(φMPJ)을 계산할 수 있다. According to this embodiment, since the piezoelectric element 110 of the piezoelectric module 101 is bent in correspondence to the rotation angle of the finger joint, the bending angle of the piezoelectric element 110 is substantially equal to the angle? MPJ of the second joint same. As will be described later, the angle of the second joint (bending angle of the piezoelectric element) ( MPJ ) can be calculated by using the electric signal output from the piezoelectric element 110. [

얇은 빔 구조를 가지는 압전 소자(110)에서 생성하는 전하량을 하기 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다. The amount of charge generated in the piezoelectric element 110 having a thin beam structure can be expressed by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112016083222895-pat00001
Figure 112016083222895-pat00001

여기서, Q는 발생하는 전하량, C는 압전 소자(110)의 내부 캐패시턴스(internal capacitance), V는 압전 소자(110)의 두 전극 사이의 전압, θ는 전기 기계 결합 계수(electromechanical coupling coefficient), t는 시간 변수이다. Where C is the internal capacitance of the piezoelectric element 110, V is the voltage between the two electrodes of the piezoelectric element 110,? Is the electromechanical coupling coefficient, t Is a time variable.

압전 소자(110)에 저항을 가지지 않은 개방 회로를 구성하면(즉,Q=0), 전압은 하기 [수학식 2]와 같다. When an open circuit having no resistance is formed in the piezoelectric element 110 (i.e., Q = 0), the voltage is expressed by the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112016083222895-pat00002
Figure 112016083222895-pat00002

압전 소자(110)에 저항을 가지지 않은 개방 회로에서 임의적으로 압전 소자(110)를 구부려 측정되는 전압을 계산하면, [수학식 2]를 통해 θ 값을 결정할 수 있다. If the voltage to be measured is calculated by arbitrarily bending the piezoelectric element 110 in an open circuit having no resistance to the piezoelectric element 110, the value of [theta] can be determined through the following equation (2).

한편, 압전 소자(110)에 소정의 부하 저항(Rload)를 연결하였을 때, 옴 법칙(Ohm's law)에 의해 출력되는 부하 전압(Vload)는 하기 [수학식 3]과 같다. On the other hand, when a predetermined load resistance (R load ) is connected to the piezoelectric element 110, the load voltage V load output by the Ohm's law is expressed by the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112016083222895-pat00003
Figure 112016083222895-pat00003

[수학식 1]과 [수학식 3]를 함께 고려하면, 하기 [수학식 4]가 도출된다. Taking both Equations (1) and (3) together, the following Equation (4) is derived.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112016083222895-pat00004
Figure 112016083222895-pat00004

즉, 압전 모듈(101)의 압전 소자(110)에 소정의 부하 저항(Rload)을 인가하고 압전 소자(110)를 구부려 물리적 변위를 일으켰을 때, 출력되는 전압(Vload)을 계산하면, 압전 소자의 굽힘각(제2 관절의 각도)(φMPJ)을 계산할 수 있다.That is, when a predetermined load resistance R load is applied to the piezoelectric element 110 of the piezoelectric module 101 and the piezoelectric element 110 is bent to calculate the output voltage V load when the physical displacement is caused, The bending angle of the element (angle of the second joint) ( MPJ ) can be calculated.

도 4는 [수학식 4]에 따라 검지의 제2 관절의 각도(φMPJ)를 계산하는 것에 대한 타당성 검토를 수행한 결과 그래프이다. 4 is a graph showing a result of a feasibility study for calculating the angle ( MPJ ) of the second joint of the index finger according to the equation (4).

도 4에서 실선은 검지에 마커(marker)를 부착하고 카메라를 이용해 제2 관절의 각도를 계산한 결과를 나타내고, x자 표시는 소정 샘플링 주기로 출력되는 전압(Vload)을 측정하고, [수학식 4]에 따라 제2 관절의 각도를 계산한 결과를 나타낸다. In FIG. 4, a solid line indicates the result of calculating the angle of the second joint by attaching a marker to the index finger, and the x character display measures a voltage (V load ) output at a predetermined sampling period, 4]. The results are shown in Fig.

도 4에 도시된 바와 같이, [수학식 4]에 따라 제2 관절의 각도를 계산한 결과가 실제 마커를 이용해 추적한 관절의 각도를 훌륭하게 추종하고 있는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4, the result of calculating the angle of the second joint according to the formula (4) follows the angle of the joint tracked with the actual marker.

도 4(a)는 사용자가 한 번의 클릭 동작을 수행하였을 때의 결과이고, 도 4(b)는 사용자가 연속으로 클릭(더블 클릭) 동작을 수행하였을 때의 결과이다.FIG. 4A shows a result when the user performs a single click operation, and FIG. 4B shows a result when the user continuously performs a click (double click) operation.

압전 소자(110)는 그 물리적 변위에 따라 민감하게 반응하며, 비교적 짧은 시간에 손가락을 연속해 움직이는 더블 클릭 동작에서도 각각의 클릭 동작을 명확히 구분할 수 있다는 것을 알 수 있다. It can be seen that the piezoelectric element 110 responds sensitively to its physical displacement and can clearly distinguish each click operation even in a double-click operation in which fingers are continuously moved in a relatively short time.

소정의 부하 저항(Rload)가 연결된 상태에서, T 시간 동안 압전 소자(110)가 생성하는 에너지(Eload)의 크기는 하기 [수학식 5]와 같다. In the state where a predetermined load resistance R load is connected, the magnitude of the energy E load generated by the piezoelectric element 110 for T time is expressed by the following equation (5).

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112016083222895-pat00005
Figure 112016083222895-pat00005

[수학식 5]에서 부하 저항(Rload)의 크기에 따라 동일 전압하에서 발생하는 전기 에너지의 크기가 달라질 수 있다는 것을 알 수 있으며, 최대 전기 에너지를 발생시키는 최대 부하 저항(Rload _max)를 실험적으로 찾아낼 수 있다. The maximum load resistance (R load _max) experimentally that it can be seen that the magnitude of the electrical energy may change caused under the same voltage, and generating the maximum electric energy, depending on the size of the load resistance (R load) from the equation (5); .

위와 같이, 압전 소자(110)를 이용하면 손가락 관절의 굽힘 동작에 따라 전기 에너지가 생성되는 한편, 그 전기 신호를 분석하여 손가락 관절의 굽힘 동작을 감지할 수 있게 된다. As described above, when the piezoelectric element 110 is used, electric energy is generated according to the bending motion of the finger joint, and the bending motion of the finger joint can be detected by analyzing the electric signal.

본 실시예에 따르면, 제어 모듈(200)은 압전 소자(110)가 발생시키는 전기 에너지를 전원으로 동작하는 한편, 압전 소자(110)가 발생시키는 전기 신호를 통해 관절의 움직임을 계산하여 인터페이스 장치(1)와 연결된 외부 기기의 기능을 제어하기 위한 입력 신호를 생성한다. The control module 200 operates the electric energy generated by the piezoelectric element 110 as a power source and calculates the movement of the joint through the electric signal generated by the piezoelectric element 110, 1 to control the function of the external device connected to the external device.

도 5는 제어 모듈(200)의 구조를 설명하기 위한 블록도이다. 도 5에서 점선은 신호의 이동을 의미하고, 실선은 실질적인 에너지의 이동을 나타낼 수 있다. 5 is a block diagram illustrating the structure of the control module 200. As shown in FIG. In Fig. 5, the dotted line indicates the movement of the signal, and the solid line indicates the substantial movement of energy.

압전 모듈(101)은 손등에 위치한 제어 모듈(200)과 전기적으로 연결된다. The piezoelectric module 101 is electrically connected to the control module 200 located on the back of the hand.

도 5에 도시된 바와 같이, 제어 모듈(200)은 정류부(201), 축전부(202), 처리부(203) 및 무선 통신부(204)를 포함한다. 5, the control module 200 includes a rectifying section 201, a power storage section 202, a processing section 203, and a wireless communication section 204. [

본 실시예에 따르면, 압전 소자(110)와 연결되는 제어 모듈(200)의 전체 저항(total Resistor)은 위에서 찾아낸 최대 부하 저항(Rload _max)과 최대한 동일하도록 설계된다. According to this embodiment, the piezoelectric element 110, the total resistance (total Resistor) of the control module 200 is connected with is designed to be equal to the possible maximum load resistance (R load _max) found above.

정류부(201)는 압전 모듈(101)과 전기적으로 연결되며, 압전 소자(110)에서 발생한 교류 전기를 직류 전기로 변환한다. The rectifying unit 201 is electrically connected to the piezoelectric module 101 and converts AC electricity generated by the piezoelectric device 110 into DC electricity.

압전 소자(110)에서 생성되어 정류부(201)를 거친 전기는 축전부(202)에 축전된다. 본 실시예에 따른 축전부(202)는 공지의 축전지 또는 축전기 등 축전 장치에 의해 구성될 수 있으며, 제어 모듈(200)이 필요한 전기 에너지의 양은 많지 않으므로 소용량의 축전 장치가 구성되어도 좋다. Electricity generated in the piezoelectric element 110 and passing through the rectifying unit 201 is stored in the power storage unit 202. [ The power storage unit 202 according to the present embodiment may be constructed by a power storage device such as a known battery or a capacitor, and the amount of electric energy required by the control module 200 is not so large.

축전부(202)에 축전된 전기 에너지는 처리부(203), 무선 통신부(204) 및 광 센서 모듈(210)에 공급되어 해당 구성의 전원으로 이용된다. The electric energy stored in the power storage unit 202 is supplied to the processing unit 203, the wireless communication unit 204, and the optical sensor module 210 and used as a power source of the corresponding configuration.

처리부(203)는 압전 소자(110)가 손가락 움직임에 따라 구부러져 발생시키는 전기 신호(전압)를 측정하는 전압계를 포함하고, 측정된 전압을 상기 [수학식 4]에 대입하여 제2 관절의 굽힘 각도를 계산한다. The processing unit 203 includes a voltmeter that measures an electric signal (voltage) generated when the piezoelectric element 110 is bent due to finger movement, and substitutes the measured voltage into the equation (4) to determine the bending angle .

처리부(203)는 예를 들어 도 4(a)와 같이 소정 시간 간격(기준 시간) 안에 소정 각도(기준 각도) 이상으로 굽힘 각도가 증가하였다가 감소하는 하나의 피크가 발생하는 경우, 해당 움직임에 따라 한 번의 클릭 동작이 이루어졌다고 판단하고, 클릭이 이루어졌음을 나타내는 클릭 입력 신호를 생성한다. 여기서, 기준 시간과 기준 각도는 인터페이스 장치의 용도 및 성능 요구에 따라 달리 정해질 수 있다. 4 (a), when the bending angle increases to a predetermined angle (reference angle) or more within a predetermined time interval (reference time) It determines that one click operation has been performed, and generates a click input signal indicating that the click has been performed. Here, the reference time and the reference angle can be set differently according to the use and performance requirements of the interface device.

무선 통신부(204)는 클릭 입력 신호를 컴퓨터 등 외부 기기에 무선으로 전송한다. 컴퓨터(미도시)는 클릭 입력 신호가 입력되면 마우스 포인터가 지시하는 아이콘에 대응하는 애플리케이션을 실행하는 등의 기능을 수행하게 된다. 또한, 컴퓨터는 클릭 입력 신호가 소정 시간 간격 안에 연속적으로 두 번 수신되면 더블 클릭 입력으로 인식한다. The wireless communication unit 204 wirelessly transmits the click input signal to an external device such as a computer. A computer (not shown) performs a function of executing an application corresponding to an icon indicated by the mouse pointer when a click input signal is input. Also, the computer recognizes the click input signal as a double-click input when it is received twice consecutively within a predetermined time interval.

무선 통신부(204)는 근거리 전파 통신 또는 적외선 통신 등 이미 알려진 무선 통신 방식을 통해 외부 기기와 신호를 주고 받는 공지된 기기 또는 모듈일 수 있다. The wireless communication unit 204 may be a well-known device or module that exchanges signals with an external device through a known wireless communication method such as a near field radio communication or an infrared communication.

본 실시예에 따른 웨어러블 인터페이스 장치(1)는 손바닥 위치에 광 센서 모듈(210)을 포함한다. The wearable interface device 1 according to the present embodiment includes an optical sensor module 210 at a palm position.

광 센서 모듈(210)은 광원(미도시)과 광학 센서(미도시)를 포함한다. 광 센서 모듈(210)은 제어 모듈(200)과 전기적으로 연결되어 있다. The optical sensor module 210 includes a light source (not shown) and an optical sensor (not shown). The optical sensor module 210 is electrically connected to the control module 200.

광원에서 조사되어 바닥면에서 반사되어 돌아오는 레이저 등 빛을 광학 센서가 감지한다. 처리부(203)는 광원에서 조사되는 광 신호와 광학 센서에서 감지되는 광 신호를 통해 손이 움직인 거리를 계산하고, 이동 입력 신호를 생성한다. 이동 입력 신호는 외부 기기에 전달되어 예를 들어 마우스 포인터를 이동시키는데 이용된다. The optical sensor detects light such as a laser that is irradiated from the light source and reflected from the bottom surface and returns. The processing unit 203 calculates a moving distance of the hand through the optical signal irradiated by the light source and the optical signal sensed by the optical sensor, and generates a movement input signal. The movement input signal is transmitted to an external device and used, for example, to move the mouse pointer.

광 센서 모듈(210)의 구조 및 그 작동 원리는 종래의 광 마우스에 이용되는 구조 및 원리가 실질적으로 그대로 이용될 수 있으며, 여기서는 더 자세한 설명은 생략한다. The structure and operation principle of the optical sensor module 210 can be substantially used as it is for a conventional optical mouse, and a detailed description thereof will be omitted here.

중지에 연결된 압전 모듈(102)과 제어 모듈(200)의 동작 원리는 상술한 검지에 배치된 압전 모듈(101)과 제어 모듈(200)의 동작 원리와 동일하다. The operation principle of the piezoelectric module 102 and the control module 200 connected to the stop is the same as the operation principle of the piezoelectric module 101 and the control module 200 arranged in the detection.

즉, 압전 모듈(102)을 통해 전기 에너지를 생성하여 축전부에 전기 에너지를 축전하는 동시에 중지의 제2 관절의 각도를 통해 중지를 이용한 클릭 동작(우클릭)을 검출할 수 있다는 것이 이해될 것이다. That is, it will be appreciated that it is possible to generate electrical energy through the piezoelectric module 102 to store electrical energy in the power storage unit and to detect a click action (rightclick) using the stop via the angle of the second joint of the stop.

두 압전 모듈(101, 102)에서 생성되는 전기 에너지는 구분없이 축전부(202)에 축전되지만, 두 압전 모듈(101, 102)에서 생성되는 전기 신호는 구분되며 처리부(203)가 검지와 중지 각각의 클릭 동작 여부를 검출한다. The electric energy generated by the two piezoelectric modules 101 and 102 is stored in the power storage unit 202 without any distinction but the electric signals generated by the two piezoelectric modules 101 and 102 are divided and the processing unit 203 detects and stops Is clicked.

본 실시예에서는 검지와 중지에 하나의 압전 모듈이 배치된 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않는다. 검지와 중지의 모든 관절마다 압전 모듈이 배치되도록 할 수 있다. 이때, 각 손가락의 하나의 관절에 배치된 압전 모듈은 전기 에너지를 생성하는 동시에 해당 관절의 각도 정보를 추출하는데 이용할 수 있고, 각도 정보가 불필요한 관절에 연결된 압전 모듈에서는 단지 전기 에너지를 축전하도록 제어 모듈(200)의 회로를 구성할 수 있다. In the present embodiment, one piezoelectric module is disposed for detection and stoppage, but the present invention is not limited thereto. Piezoelectric modules can be arranged for every joint of the detection and stop. In this case, the piezoelectric module disposed at one joint of each finger can be used to generate electric energy and simultaneously extract angular information of the joint. In the piezoelectric module connected to the joint where angular information is unnecessary, The circuit of the power supply 200 can be constituted.

한편, 본 실시예에 따르면, 웨어러블 인터페이스 장치(1)가 마우스로서 기능을 하는 것으로 설명하였지만 이에 한정되지 않는다. On the other hand, according to the present embodiment, the wearable interface device 1 has been described as functioning as a mouse, but is not limited thereto.

모든 손가락에 압전 모듈을 배치하여, 가상 키보드를 운용하기 위한 인터페이스 장치를 구성할 수 있다. 아울러, 외부 기기가 슬레이브 로봇 등일 수 있으며, 사용자가 손가락 관절을 움직이면 해당 움직임을 추종하여 슬레이브 로봇의 관절이 동작하는 원격 시스템 등의 다양한 종류의 인터페이스 장치에 본 발명의 사상이 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.It is possible to configure the interface device for operating the virtual keyboard by disposing the piezoelectric modules on all the fingers. It is also understood that the idea of the present invention can be applied to various types of interface devices such as a remote system in which an external device may be a slave robot or the like and a joint of the slave robot may follow the movement of the finger when the user moves the finger joint something to do.

본 실시예에 따른 웨어러블 인터페이스 장치(1)는 압전 소자를 이용해 전기 에너지를 생성하여 전력을 자체 조달하는 동시에 압전 소자로부터 출력되는 전기 신호를 이용해 사용자의 동작 정보를 추출할 수 있다. 따라서, 구조가 매우 간단하면서도 반영구적으로 사용이 가능한 인터페이스 장치를 형성할 수 있게 된다. The wearable interface apparatus 1 according to the present embodiment can generate electric energy using a piezoelectric element to self-procure power, and can extract user's operation information by using an electric signal outputted from the piezoelectric element. Accordingly, it is possible to form an interface device which is very simple in structure and can be used semi-permanently.

Claims (8)

외부 기기의 기능 수행을 위한 입력 신호를 사용자의 관절의 움직임을 통해 생성하는 웨어러블 인터페이스 장치로서,
사용자의 관절을 지나도록 배치되어 상기 관절의 움직임에 의해 구부러져 전기를 생성하는 압전 소자를 포함하는 압전 모듈;
상기 압전 소자가 생성하는 전기 에너지로 구동하는 제어 모듈을 포함하고,
상기 제어 모듈은 상기 압전 소자가 발생시키는 전기 신호를 통해 상기 관절의 움직임을 계산하여 상기 입력 신호를 생성하는 처리부를 포함하고,
상기 처리부는 기 결정된 시간 간격 안에 기 결정된 각도 이상으로 굽힘 각도가 증가하였다가 감소하는 하나의 피크가 발생하는 경우 상기 입력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 인터페이스 장치.
A wearable interface device for generating an input signal for performing a function of an external device through movement of a joint of a user,
A piezoelectric module disposed across the joint of the user and bent by movement of the joint to generate electricity;
And a control module driven by electric energy generated by the piezoelectric element,
Wherein the control module includes a processor for calculating the movement of the joint through an electric signal generated by the piezoelectric element to generate the input signal,
Wherein the processing unit generates the input signal when one peak is generated, the bending angle of which increases and decreases after a predetermined angle in a predetermined time interval.
제1항에 있어서,
상기 제어 모듈은,
상기 압전 소자가 생성하는 전기 에너지를 저장하는 축전부를 더 포함하고,
상기 처리부는 상기 축전부에 저장된 전기 에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 웨어러블 인터페이스 장치.
The method according to claim 1,
The control module includes:
Further comprising a power storage unit for storing electric energy generated by the piezoelectric element,
Wherein the processing unit is supplied with electric energy stored in the power storage unit.
제2항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 처리부가 생성한 입력 신호를 상기 외부 기기로 송신하는 무선 통신부를 더 포함하고,
상기 무선 통신부는 상기 축전부에 저장된 전기 에너지를 공급받는 것을 특징으로 하는 웨어러블 인터페이스 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the control module further includes a wireless communication unit for transmitting the input signal generated by the processing unit to the external device,
Wherein the wireless communication unit is supplied with electric energy stored in the power storage unit.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 웨어러블 인터페이스 장치는 사용자의 손가락 관절의 움직임을 통해 입력 신호를 생성하는 장갑형 웨어러블 장치인 것을 특징으로 하는 웨어러블 인터페이스 장치.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the wearable interface device is an armored wearable device that generates an input signal through movement of a finger joint of a user.
제4항에 있어서,
상기 웨어러블 인터페이스 장치는 마우스이고,
상기 압전 소자는 적어도 사용자의 두 개의 손가락의 관절에 하나씩 배치되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 인터페이스 장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the wearable interface device is a mouse,
Wherein the piezoelectric element is disposed at least one joint of two fingers of the user.
제4항에 있어서,
압전 소자가 손가락 관절마다 하나씩 배치되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 인터페이스 장치.
5. The method of claim 4,
And the piezoelectric elements are arranged one by one for each of the finger joints.
제4항에 있어서,
상기 제어 모듈은 상기 압전 소자가 발생시키는 전압 값으로부터 손가락의 관절의 각도를 계산하여 해당 손가락에 의한 클릭 입력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 인터페이스 장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the control module calculates the angle of the joint of the finger from the voltage value generated by the piezoelectric element and generates a click input signal by the corresponding finger.
제4항에 있어서,
사용자의 손에 착용하는 장갑을 더 포함하고,
상기 압전 소자는 상기 장갑에 부착되어 사용자의 관절에 밀착 고정되는 것을 특징으로 하는 웨어러블 인터페이스 장치.
5. The method of claim 4,
Further comprising gloves worn by the user's hands,
Wherein the piezoelectric element is attached to the glove and fixedly attached to the joint of the wearer.
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