KR101931285B1 - 가압식 촉각 자극 생성 장치 - Google Patents

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Abstract

촉각 자극 생성 장치는 손가락에 고정되는 몸체와, 손가락을 가압하거나 손가락으로부터 이격되도록 몸체에 이동 가능하게 연결되는 접촉판과, 접촉판 및 손가락 사이에 발생하는 압력을 검출하는 압력 센서를 포함한다. 손가락이 자극 영역의 경계 표면과 접촉하면 접촉판은 손가락과 접촉판 간에 압력이 발생하기 시작하는 접촉 위치로 이동하며, 손가락이 자극 영역과 중첩됨에 따라 접촉판이 손가락을 향해 이동하여 손가락을 가압한다.

Description

가압식 촉각 자극 생성 장치{PRESSURIZING APPARATUS FOR GENERATING TACTILE STIMULATION}
본 발명은 가압식 촉각 자극 생성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용자의 신체에 착용되며 신체를 가압함으로써 촉각 자극을 전달하는 가압식 촉각 자극 생성 장치에 관한 것이다.
가상 환경에서 가상 모델과의 접촉에 따른 촉각 자극을 전달하는 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현실 공간에서 손을 이동시키면 센서를 통해 손의 위치를 감지하고, 감지된 위치를 가상 공간 상의 위치로 반영됨에 따라 현실 공간의 손이 가상 모델과 상호 작용할 수 있다.
가상 모델과의 상호 작용 중에 만지고자 하는 가상 모델과의 접촉 또는 비접촉에 따라 기계적으로 접촉 또는 비접촉 배치로 전환이 가능한 다양한 장치들이 개발되었다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 와이어(10)를 이용하여 접촉판(20)을 이동시킴으로써 고정부에 고정된 손가락의 끝단을 가압하도록 구성된 촉감 제시 장치가 개시된다.
종래의 촉감 제시 장치는 소형 경량의 착용형 장치로서 가상 모델과의 상호 작용에 따른 촉각 자극을 즉각적으로 전달할 수 있었다. 그러나, 제시된 장치는 접촉과 비접촉의 두 가지 상태의 촉각 자극을 전달하는 것으로 제한이 되었으며, 접촉하는 정도를 정밀하게 조절하는 것이 곤란하였다.
특히, 와이어 구동 방식을 이용하여 사용자의 손 끝에 전달되는 무게와 저항을 최소화하였으나, 와이어가 감기고 풀린 정도를 감지하고 제어하는 것이 복잡하고, 주기적인 인장 조정을 요하는 문제점이 있었다.
한국 특허 등록 공보 제 10-1643576호
본 발명은 전술한 촉감 제시 장치의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 압력 센서와 위치 센서를 이용하여 가상 모델과의 상호 작용 시 접촉 강도를 미세하게 조절할 수 있는 가압식 촉각 자극 생성 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 생성 장치는 손가락이 자극 영역 또는 비자극 영역으로 이동함에 따라 상기 손가락에 촉각 자극을 인가하거나 해제하며, 상기 손가락에 고정되는 몸체; 상기 손가락을 가압하거나 상기 손가락으로부터 이격되도록 상기 몸체에 이동 가능하게 연결되는 접촉판; 및 상기 접촉판과 상기 손가락 사이에 발생하는 압력을 검출하는 압력 센서를 포함하고, 상기 손가락이 상기 자극 영역의 경계 표면과 접촉하면 상기 접촉판은 상기 손가락과 상기 접촉판 간에 압력이 발생하기 시작하는 접촉 위치로 이동하며, 상기 손가락이 상기 자극 영역과 중첩됨에 따라 상기 접촉판이 상기 손가락을 향해 이동하여 상기 손가락을 가압한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 접촉판은 상기 손가락과 상기 자극 영역의 중첩 깊이에 비례하는 크기의 힘으로 상기 손가락을 가압할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 접촉판은 직선 이동 가능하게 상기 몸체에 연결되며, 상기 손가락의 끝단은 상기 몸체와 상기 접촉판 사이에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 몸체는 상기 접촉판이 직선 운동하도록 상기 접촉판의 이동 방향을 안내하는 가이드부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 접촉판은 복수의 링크를 구비하는 변환부로부터 구동부의 회전 운동을 전달 받을 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 촉감 제시 장치의 개략적인 정면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가압식 촉각 자극 생성 장치의 개략적인 측면도이다.
도 3은 손가락과 가상 모델의 접촉 깊이에 따라 손가락과 가상 모델의 접촉 면적이 달라지는 것을 개념적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가압식 촉각 자극 생성 장치에 대해 설명하기로 한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가압식 촉각 자극 생성 장치(100)는 몸체(110)와, 접촉판(120)을 포함한다.
몸체(110)는 손가락(30)이 끼워지는 고정부(111)를 포함할 수 있다. 고정부(111)는 몸체(110)의 후단부에 배치되며, 손가락의 마디를 감싸 고정할 수 있도록 분리 가능한 고리 형상으로 형성된다. 고정부(111)는 나사로 고정 가능한 두 개의 절편으로 형성되어, 사용자의 손가락 굵기에 따라 조정 가능할 수 있다. 몸체(110)는 사용자의 손가락(30)이 안착되어 사용 시 촉각 자극 생성 장치(100)이 손가락(30)으로부터 분리되지 않게 안정적으로 손가락(30)을 고정할 수 있는 공지의 다양한 고정 구조를 대안적으로, 또는 추가적으로 구비할 수 있다.
손가락(30)을 가압하는 접촉부(120)는 몸체(110)에 직선 운동 가능하게 연결된다. 접촉부(120)는 손가락(30)의 바닥면과 접촉하는 접촉판(121)과, 구동부(130)로부터 힘을 인가 받는 연결부(122)를 포함할 수 있다. 접촉판(121)은 손가락 끝단의 형상에 대응하여 그 내측면이 움푹하게 형성될 수 있다. 사용자는 손가락(30)이 고정부(111)를 통과하여 손가락(30)의 끝단이 접촉판(121)에 닿을 수 있도록 촉각 자극 생성 장치(100)를 착용할 수 있다. 접촉판(121)은 연결부(122)에 의해 손가락(30)을 가압하거나 손가락(30)으로부터 이격되도록 몸체(110)에 이동 가능하게 연결된다.
접촉부(120)는 구동부(130)에 의해 직선 운동한다. 연결부(122)가 몸체(110)의 가이드부(112)를 따라 직선 운동 가능하게 몸체(110)에 연결됨으로써, 접촉부(120)는 구동부(130)로부터 전달되는 힘에 의해 직선 방향으로 이동할 수 있다.
구동부(130)의 회전 운동은 변환부(140)의 링크들에 의해 소정 범위 내에서 접촉부(120)를 직선 운동시킬 수 있도록 접촉부(120)에 전달될 수 있다. 변환부(140)의 링크들의 위치 및 길이는 구동부(130)로부터 접촉부(120)에 전달되는 힘의 크기가 극대화될 수 있도록 적절하게 결정될 수 있다.
접촉부(120)의 위치는 위치 센서(150)에 의해 감지될 수 있다. 위치 센서(150)를 통해 손가락(30)가 분리되거나, 손가락(30)가 접촉되거나, 손가락(30)을 최대한으로 가압하는 각각의 경우에서의 접촉부(120)의 위치를 감지할 수 있다. 감지된 접촉부(120)의 위치 정보는 별도의 제어 장치(미도시)를 통해 처리되어 손가락(30)의 크기를 간접적으로 측정하는데 이용될 수 있다.
접촉부(120)가 이동하여 손가락(30)과 접촉함에 따라, 접촉판(121)으로부터 손가락(30)에 힘이 가해진다. 손가락(30)에 의해 접촉판(121)에 가해지는 압력의 크기는 접촉판(121) 내측에 구비된 가압 센서(160)에 의해 검출될 수 있다. 즉, 가압 센서(160)는 접촉판(121)과 손가락(30)이 접촉되어 손가락(30)이 가압될 경우 접촉판(121)에 의해 손가락(30)에 가해지는 압력의 크기를 검출할 수 있다. 가압 센서(160)로는 FSR 센서 등의 공지의 다양한 센서가 이용될 수 있다.
위치 센서(150)에 의해 감지된 접촉부(120)의 위치와, 가압 센서(160)에 의해 감지된 압력의 크기가 서로 대응되어 처리될 수 있다. 즉, 접촉부(120)의 위치에 따라 손가락(30)에 가해지는 압력의 크기를 고려하여, 손가락(30)의 크기, 손가락(30)이 접촉판(121)에 의해 가압되어 눌릴 수 있는 최대 변형 깊이 등을 간접적으로 파악할 수 있다.
접촉부(120)는 접촉판(121)이 손가락(30)과 접촉하지 않은 해제 위치와, 접촉판(121)이 손가락(30)과 접촉한 순간의 접촉 위치와, 접촉부(120)가 손가락(30)을 최대한으로 가압한 최대 가압 위치 간에 이동 가능하다.
특히, 접촉 위치와 최대 가압 위치 사이에서 접촉판(121)과 손가락(30) 사이의 압력은 접촉판(121)이 더욱 접근할수록 더 커진다. 손가락(30)을 가압하는 정도는 이하에서 설명되는 바와 같이 가상 공간 내에서 가상 모델과 손가락 간의 상호작용 정도에 따라 조절될 수 있다.
도 3은 가상 공간 내에 가상 모델(2)과, 가상 공간 내의 대응하는 위치 정보로써 도시된 손가락 모델(1) 각각의 일부가 서로 중첩된 상태를 도시한다.
가상 모델(2)과 손가락 모델(1)이 중첩된 경우 가상 모델(2)과 손가락 모델(1) 간에 상호작용이 발생하도록 구성할 수 있다. 이러한 가상의 상호작용에 기초하여 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 생성 장치(100)를 이용하여 사용자의 손가락(30)을 가압함으로써 가상 공간에서의 상호 작용을 현실 공간에서의 촉각 자극으로써 전달할 수 있다.
가상 공간에서 손가락 모델(1)이 이동함에 따라 가상 모델(2)과 상호작용하는 영역은 현실 공간의 자극 영역으로 구분되고, 가상 모델(2)과 중첩되지 않는 영역은 현실 공간의 비자극 영역으로 구분될 수 있다.
손가락(30)이 현실 공간 내의 자극 영역 또는 비자극 영역으로 이동함에 따라 촉각 자극 생성 장치(100)는 손가락(30)에 촉각 자극을 인가하거나 해제한다. 이때, 손가락(30)의 위치는 가상 공간 내에서 손가락 모델(1)의 위치와 대응하여 가상 모델(2)과의 접촉 여부에 따라 자극 영역과 비자극 영역이 구분될 수 있다.
손가락(30)이 비자극 영역으로부터 자극 영역으로 이동하여 자극 영역의 경계 표면과 접촉하면 접촉판(121)은 손가락(30)과 접촉판(121) 간에 압력이 발생하기 시작하는 접촉 위치로 이동한다. 접촉 위치는 압력 센서(160)에 의해 압력이 감지되기 시작하는 시점에서의 접촉판(121)의 위치로 결정될 수 있다.
손가락(30)이 자극 영역과 중첩됨에 따라 접촉판(121)이 손가락(30)을 향해 이동하여 손가락(30)을 가압한다. 손가락의 변형 가능 깊이 범위에서 손가락(30)이 자극 영역과 중첩되면 접촉판(121)은 손가락(30)과 자극 영역의 중첩 깊이에 비례하는 크기의 힘으로 손가락(30)을 가압할 수 있다.
도 3의 좌측 도면을 참조하면, 가상 모델(2)과 손가락 모델(1)이 서로 중첩된 경우, 가상 모델(2)의 표면상의 접촉 위치(xp)와 손가락 모델(1)의 표면상의 접촉 위치(xf)는 서로 상이하다. 실제 공간에서의 물체와 손가락이 접촉할 경우에는, 접촉에 의해 손가락이 가압되어 손가락의 피부가 눌리게 된다. 촉각 자극 생성 장치(100)는 이와 같이 피부가 눌리는 정도에 따라 느껴지는 경도의 차이를 고려하여 손가락에 대한 가압의 정도를 조절할 수 있다.
도 3의 우측 도면을 참조하면, 가상 모델(2)의 접촉 위치(xp,a)와 손가락 모델(1)의 접촉 위치(xf,a) 간의 거리가 상대적으로 짧은 경우, 손가락(1)의 피부 표면은 상대적으로 적게 변형되며 손가락 모델(1)의 접촉 면적(3a)은 상대적으로 좁다.
또한, 가상 모델(2)의 접촉 위치(xp,b)와 손가락 모델(1)의 접촉 위치(xf,b) 간의 거리가 상대적으로 짧은 경우, 손가락(1)의 피부 표면은 상대적으로 많이 변형되며 손가락 모델(1)의 접촉 면적(3b)은 상대적으로 넓다.
손가락 모델(1)과 가상 모델(2) 간의 접촉 면적(3a, 3b)은 손가락 모델(1)과 가상 모델(2)의 중첩 깊이에 비례할 수 있다. 이러한 관계를 고려하여, 손가락 모델(1)과 가상 모델(2) 간의 중첩 깊이가 증가함에 따라 접촉판(121)에 의해 손가락(30)을 가압하는 힘의 크기를 증가시킬 수 있다.
이와 같이 피부 표면 변형 정도가 촉각 자극의 세기에 반영됨으로써 사용자가 더욱 현실감있는 촉감을 느낄 수 있다.
한편, 손가락 모델(1)이 가상 모델(2)로부터 이격되는 경우에는 비접촉 상태로서 구동부(130)로 입력 신호가 전달되지 않으며 접촉부는 해제 위치에 놓이게 된다.
상술한 본 발명에 의하면, 접촉 상태 및 비접촉 상태의 2가지 상태뿐만 아니라 접촉 시 미세하게 접촉 강도를 조절하여 피부 표면의 변형에 따른 촉각 자극의 변화 및 강도 조절이 가능하다. 이러한 본 발명은 VR/AR, 4D 엔터테인먼트 시스템, 게임, 소형/포켓형 인터페이스, 착용형 장비, 관련 연구 등에 활용될 수 있을 것이다.
110 : 몸체
111 : 고정부
112 : 가이드부
120 : 접촉부
121 : 접촉판
122 : 연결부
130 : 구동부
140 : 변환부
150 : 위치 센서
160 : 압력 센서
100 : 촉각 자극 생성 장치

Claims (5)

  1. 손가락이 자극 영역 또는 비자극 영역으로 이동함에 따라 상기 손가락에 촉각 자극을 인가하거나 해제하는 촉각 자극 생성 장치로서,
    상기 손가락에 고정되는 몸체;
    상기 손가락을 가압하거나 상기 손가락으로부터 이격되도록 상기 몸체에 이동 가능하게 연결되는 접촉판;
    상기 접촉판의 위치를 검출하는 위치 센서; 및
    상기 접촉판과 상기 손가락 사이에 발생하는 압력을 검출하는 압력 센서를 포함하고,
    상기 위치 센서에 의해 검출된 상기 접촉판의 위치와 상기 압력 센서에 의해 감지된 압력의 크기를 고려하여 상기 손가락의 크기 및 상기 손가락이 가압되어 눌릴 수 있는 최대 변형 깊이를 산출하고,
    상기 손가락이 상기 자극 영역의 경계 표면과 접촉하면 상기 접촉판은 상기 손가락과 상기 접촉판 간에 압력이 발생하기 시작하는 접촉 위치로 이동하며,
    상기 손가락이 상기 자극 영역과 중첩됨에 따라, 상기 최대 변형 깊이 범위 내에서 상기 접촉판이 상기 손가락을 향해 이동하여 상기 손가락과 상기 자극 영역의 중첩 깊이에 비례하는 크기의 힘으로 상기 손가락을 가압하고,
    상기 자극 영역은 가상 공간 내에서 상기 손가락에 대응되는 손가락 모델과 가상 모델과의 중첩되는 영역의 현실 공간이고, 상기 비자극 영역은 상기 손가락 모델과 상기 가상 모델과의 중첩되지 않는 영역의 현실 공간이며,
    상기 손가락과 상기 자극 영역의 중첩 깊이는, 상기 가상 공간 내에서 상기 손가락 모델과 상기 가상 모델의 접촉 면적에 비례하는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 생성 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 접촉판은 직선 이동 가능하게 상기 몸체에 연결되며,
    상기 손가락의 끝단은 상기 몸체와 상기 접촉판 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 생성 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 몸체는 상기 접촉판이 직선 운동하도록 상기 접촉판의 이동 방향을 안내하는 가이드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 생성 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 접촉판은 복수의 링크를 구비하는 변환부로부터 구동부의 회전 운동을 전달 받는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 생성 장치.
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