KR101948079B1 - 촉감 전달 장치 및 이를 구비한 사용자 인터페이스 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일면을 형성하는 기저부; 상기 기저부에 적층되어 배치되고, 사용자의 손가락 바닥면에서 위를 향하는 제1방향 및 상기 제1방향과 기결정된 각도 만큼 교차하는 제2방향으로의 촉감을 상기 손가락에 전달하도록 이루어지는 팁-틸트 탄성부재; 및 상기 팁-틸트 탄성부재의 상측에 배치되어 다른 일면을 형성하는 커버를 포함하고, 상기 팁-틸트 탄성부재는, 상기 팁-틸트 탄성부재의 중앙 부분에 구비되고, 상기 손가락의 하중을 지지하도록 이루어지는 하중 지지부; 및 상기 팁-틸트 탄성부재의 가장자리 부분에 구비되고, 상기 제1방향으로 가압되도록 이루어지는 가압부를 포함하고, 상기 가압부에는 제1 와이어 형 액츄에이터가 설치되어 상기 제1 와이어 형 액츄에이터가 탄성 변형함에 따라 상기 가압부를 가압함으로써 상기 팁-틸트 탄성부재를 탄성 변형시킴으로 상기 손가락에 상기 제1 및 제2방향으로의 촉감을 전달 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치를 제공한다.

Description

촉감 전달 장치 및 이를 구비한 사용자 인터페이스 시스템{Tactile transmission device and User interface system having the same}

본 발명은 촉감 전달 장치 및 이를 구비한 사용자 인터페이스 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다 자유도의 힘 피드백을 전달할 수 있는 착용형 촉감 전달 장치 및 이를 구비한 사용자 인터페이스 시스템에 관한 것이다.

산업 발전에 따라 가상 환경/증강 환경/원격 환경에서 사용자의 의지대로 슬레이브 로봇 또는 가상의 그래픽 등(이하, "아바타"라고 칭함)을 동작시키는 사용자 인터페이스 시스템이 다양하게 개발되고 있다.

사람의 손가락은 정교한 움직임이 가능하고 촉감에 민감하므로, 위와 같은 인터페이스 시스템을 구동하기 위한 수단으로 많이 이용된다.

이러한 인터페이스 시스템에 있어서, 제어의 대상이 되는 아바타와 상기 아바타가 동작하는 환경은 사용자가 직접 체험할 수 없는 공간이므로, 더 사실적이고 정교한 제어를 위해 사용자에게 촉감 피드백을 제공하기 위한 장치가 고안되고 있다.

종래 기술에 따른 촉감 전달 장치는 모터와 같은 구동 발생부(액츄에이터)의 출력을 링크로 전달하고, 링크를 통해 손가락에 끼워진 말단부에 힘을 가하는 방식으로 손가락에 촉감을 형성하는 것이 일반적이다.

하지만, 종래 기술에 따른 촉감 전달 장치는 특허문헌 1과 같이 구동 발생부가 손등 혹은 손목에 위치하고 구동 발생부의 출력을 손가락까지 전달하는 등 손목과 손을 아우르는 외골격 형태를 띠는 경우가 많다.

이와 같은 종래 기술에 구성에 따르면 착용 및 탈거가 용이하지 않아 착용성 및 사용자의 운동성이 좋지 않다. 또한, 장치가 복잡하고 상대적으로 큰 부피와 중량을 가지므로 활용성과 휴대성이 크게 떨어지며, 표현할 수 있는 촉감의 종류가 한정적이어서 실감나는 인터페이스 시스템을 구성하는데 한계가 있다.

한편, 일부 종래의 기술들은, 고전압을 이용하였기에 위험성이 높고, 출력 변위 및 힘이 작았다. 또한, 다자유도의 힘 피드백을 제공하는데 어려움이 있었다.

한국 특허공개 제10-2014-0131175호

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 목적은 가상 및 증강현실에서의 원격 대상물을 파지하거나 조작할 때의 감각을 사용자에게 전달할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 일 목적은 다 자유도의 힘 피드백을 제공할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명의 촉감 전달 장치는 일면을 형성하는 기저부; 상기 기저부에 적층되어 배치되고, 사용자의 손가락 바닥면에서 위를 향하는 제1방향 및 상기 제1방향과 기결정된 각도 만큼 교차하는 제2방향으로의 촉감을 상기 손가락에 전달하도록 이루어지는 팁-틸트 탄성부재; 및 상기 팁-틸트 탄성부재의 상측에 배치되어 다른 일면을 형성하는 커버를 포함하고, 상기 팁-틸트 탄성부재는, 상기 팁-틸트 탄성부재의 중앙 부분에 구비되고, 상기 손가락의 하중을 지지하도록 이루어지는 하중 지지부; 및 상기 팁-틸트 탄성부재의 가장자리 부분에 구비되고, 상기 제1방향으로 가압되도록 이루어지는 가압부를 포함하고, 상기 가압부에는 제1 와이어 형 액츄에이터가 설치되고 상기 제1 와이어 형 액츄에이터가 탄성 변형함에 따라 상기 가압부를 가압함으로써 상기 팁-틸트 탄성부재를 탄성 변형시킴으로 상기 손가락에 상기 제1 및 제2방향으로의 촉감을 전달 가능하게 한다.

본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 촉감 전달 장치는 상기 팁-틸트 탄성부재에 적층되도록 배치되고, 상기 손가락에 전단응력이 전달되는 방향인 제3방향으로 촉감이 전달되도록 이루어지는 면 탄성부재를 더 포함한다.

상기 면 탄성부재는, 상기 면 탄성부재의 측면에 구비되어, 상기 팁-틸트 탄성부재에 고정되도록 이루어지는 고정부; 상기 고정부에 대해 상기 제3방향으로 상대 이동 가능하도록 이루어지는 가동부; 및 상기 고정부 및 가동부 사이에 배치되어 상기 가동부를 상기 고정부에 대해 상기 제3방향으로 상대 이동 가능하게 하도록 탄성 변형하는 횡탄성부를 포함할 수 있다.

상기 면 탄성부재는, 상기 고정부 및 상기 가동부 사이에 설치되어 탄성 변형함에 따라 상기 고정부에 대한 가동부의 상대 위치를 변화시킴으로써, 상기 손가락에 상기 제3방향으로의 촉감을 전달을 가능하게 하는 제2 와이어 형 액츄에이터를 더 포함할 수 있다.

상기 횡탄성부는, 복수 개로 이루어지고, 상기 고정부에 맞닿는 지점 및 상기 가동부에 맞닿는 지점 사이에 배치되는 탄성체일 수 있다.

상기 횡탄성부는 상기 가동부의 정 가운데의 일 점을 기준으로 점대칭인 형상일 수 있다.

본 발명의 촉감 전달 장치는 상기 면 탄성부재의 상측에 배치되어 사용자의 손가락에 접촉하여 사용자에게 촉감을 전달하는 접촉부를 더 포함할 수 있다.

본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 상기 기저부의 네 모서리에는 상부로 연장 형성되는 가이드 기둥이 형성되고, 상기 가이드 기둥에는 상기 제1 와이어 형 액츄에이터를 수용하는 제1 가이드 홈이 길이 방향으로 형성된다.

상기 커버에는 상기 제1 와이어 형 액츄에이터의 단부가 고정 결합 가능하도록 이루어지는 결합홀이 형성되고, 상기 커버의 상면에는, 상기 제1 와이어 형 액츄에이터를 수용하도록 상기 커버의 가장자리를 따라서 상기 제1 가이드 홈 및 상기 결합홀에 각각 연통되도록 제2 가이드 홈이 형성될 수 있다.

본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 상기 팁-틸트 탄성부재는, 상기 하중 지지부 및 가압부 사이에 탄성 변형 가능하도록 구비되고 상기 가압부가 상방향으로 힘을 받는 상태에서 상기 손가락에 상기 제1 및 제2방향으로 촉감을 전달하게 하는 탄성부를 더 포함한다.

상기 하중 지지부는 하방향으로 돌출되는 지지돌출부를 구비하고, 상기 가압부는 하방향으로 돌출되되 하단이 곡면으로 형성되는 가압돌출부를 구비하고, 상기 기저부는 상기 지지돌출부를 수용하여 지지하는 가압수용부, 및 상기 가압돌출부에 접촉되는 경사면의 경사지지부를 구비할 수 있다.

상기 가압부는 상기 팁-틸트 탄성부재의 네 변에 각각 구비되고, 상기 네 변의 가압부 각각에 상기 제1방향으로 힘이 전달 가능하도록 이루어지고, 상기 네 변의 가압부 중 적어도 하나에 상기 힘이 전달됨으로써, 상기 손가락에 전달되는 힘이 제1방향 또는 제2방향으로 정해질 수 있다.

또 다른 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 사용자 인터페이스 시스템은, 손가락의 움직임에 대응해 아바타를 움직이도록 이루어지고, 본 발명의 촉감 전달 장치; 상기 촉감 전달 장치에 유선 또는 무선으로 연결되고, 상기 아바타와 손가락의 움직임을 연동시키는 컴퓨터; 및 상기 아바타에 소정의 접촉이 발생하면, 상기 촉감 전달 장치가 상기 사용자의 손가락에 접촉하여 촉감을 전달 가능하게 하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 장치는 손가락의 크기가 다른 경우에도 안정적으로 착용이 가능하여 다 자유도의 힘 피드백을 받을 수 있다.

본 발명의 장치는 소형 및 경량성을 바탕으로 다 자유도의 힘 피드백을 받을 수 있게 하는데, 특히 본 발명의 다 자유도의 힘 피드백은 고 에너지 밀도 특성을 나타낸다.

본 발명은 팁-틸트 탄성부재에 의한 3자유도 및 평면 탄성부재에 의한 2자유도 총 5자유도의 힘 피드백을 제공할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 촉감 전달 장치의 일 예를 도시하는 사시도.
도 2는 도 1의 분해 사시도.
도 3a는 팁-틸트 탄성부재의 상부에서 바라본 사시도.
도 3b는 팁-틸트 탄성부재의 하부에서 바라본 사시도.
도 4a는 면 탄성부재의 상부에서 바라본 사시도.
도 4b는 면 탄성부재의 하부에서 바라본 저면도.
도 5a는 팁-틸트 탄성부재에 의해 제1방향으로 촉감이 전달되는 예를 도시한 개념도.
도 5b는 팁-틸트 탄성부재에 의해 제1방향과 우측방향으로 교차한 방향으로 촉감이 전달되는 예를 도시한 개념도.
도 5c는 팁-틸트 탄성부재에 의해 제1방향과 전방향으로 교차한 방향으로 촉감이 전달되는 예를 도시한 개념도.
도 6a는 면 탄성부재에 의해 우측방향으로의 전단력에 의한 촉감이 전달되는 예를 도시한 개념도.
도 6b는 면 탄성부재에 의해 전방향으로의 전단력에 의한 촉감이 전달되는 예를 도시한 개념도.
도 7a는 본 발명의 사용자 인터페이스 시스템의 사시도.
도 7b는 도 7a의 시스템이 사용자에 설치된 예를 도시하는 개념도.
도 8a는 및 도 8b은 각각 본 발명의 사용자 인터페이스 시스템의 동작을 나타내기 위한 개념도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 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.

도 1은 본 발명의 촉감 전달 장치(100)의 일 예를 도시하는 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다. 또한, 도 3a는 팁-틸트 탄성부재(20)의 상부에서 바라본 사시도이고, 도 3b는 팁-틸트 탄성부재(20)의 하부에서 바라본 사시도이다. 도 4a는 면 탄성부재(40)의 상부에서 바라본 사시도이고, 도 4b는 면 탄성부재(40)의 하부에서 바라본 저면도이다.

이하 도 1 내지 도 4a를 참조하여, 본 발명의 촉감 전달 장치(100)의 구조에 대하여 서술한다.

본 발명의 촉감 전달 장치(100)는 기저부(10), 팁-틸트 탄성부재(20) 및 커버(30)를 포함한다.

기저부(10)는 촉감 전달 장치(100)의 일면을 형성한다. 기저부(10)에는 이하 서술하는 팁-틸트 탄성부재(20), 면 탄성부재(40) 및 접촉부(50)가 적층될 수 있다. 기저부(10)에는 가이드 기둥(13)이 형성되는데 이에 대해서는 후술하기로 한다.

팁-틸트 탄성부재(20)는 기저부(10)에 적층되도록 배치되는데, 사용자의 손가락 하부로 제1 및 제2방향으로의 촉감을 전달한다.

본 발명에서 제1방향은 사용자의 손가락 저면에서 위를 향하는 방향인데, 일례로 제1방향은 사용자의 손가락 저면에서 상부를 향한 수직방향일 수 있다(도 5a에서 화살표로 도시된 Z 방향). 또한 제2방향은 제1방향과 기결정된 각도 만큼 교차한 방향인데, 일례로 제2방향은 손가락의 저면에서 받게되는 수직방향과 좌우 방향(도 5b에서 화살표로 도시된 θx 방향) 또는 전후 방향(도 5c에서 화살표로 도시된 θy 방향)으로 기결정된 각도 만큼 교차한 방향일 수 있다.

커버(30)는 팁-틸트 탄성부재(20)의 상측에 배치되어 기저부(10)의 일면과 반대편의 다른 일면을 형성한다.

도 3a 및 3b 등을 참조하면, 팁-틸트 탄성부재(20)는 하중 지지부(22) 및 가압부(25)를 포함한다.

하중 지지부(22)는 팁-틸트 탄성부재(20)의 중앙 부분에 구비되는데, 사용자의 손가락의 하중을 지지한다.

가압부(25)는 팁-틸트 탄성부재(20)의 가장자리 부분에 구비되고, 제1방향으로 가압되도록 이루어진다.

가압부(25)에는 제1 와이어 형 액츄에이터(28)가 설치된다. 제1 와이어 형 액츄에이터(28)는 탄성 변형함에 의해 가압부(25)를 가압하는데, 이로 인해 팁-틸트 탄성부재(20)는 변형되고, 사용자의 손가락에 의해 제1 및 제2방향으로의 촉감의 전달이 가능하게 된다.

본 발명에서, 제1 및 제2 와이어 형 액츄에이터(28, 48) 각각은 와이어로 이루어진 고체상 액츄에이터(solid-state actuator)이다. 고체상 액츄에이터는, 외부에서 에너지(전기, 열 등)를 인가하면, 고체상의 재료가 변형되어 힘과 변위 등의 기계적인 에너지를 발생시키는 액츄에이터이다. 일례로, 제1 와이어 형 액츄에이터(28)의 양 단부에 (+) 및 (-) 전압을 인가함으로써, 고체상의 재료가 변형되도록 이루어질 수 있다.

예를 들어, 형상기억합금(Shape memory alloy; SMA), 형상기억고분자, 유전성 탄성중합체(dielectric elastomer)가 본 실시예에 따른 와이어 형 액츄에이터로 이용될 수 있다.

본 발명에서, 제1 및 제2 와이어 형 액츄에이터(28, 48)는 SMA 재질로 이루어진 와이어로서, 에너지를 인가하면 능동적으로 길이가 변화하도록 구성된다.

제1 와이어 형 액츄에이터(28)는 탄성 변형함에 따라 가압부(25)에 힘을 가하게 되고, 이에 따라 팁-틸트 탄성부재(20)는 탄성 변형하여, 사용자의 손가락에 제1 및 제2방향으로의 촉감을 전달하게 한다. 이에 대하여 보다 상세한 설명은 후술하기로 한다.

또한, 제2 와이어 형 액츄에이터(48)는 탄성 변형함에 따라 후술하는 면 탄성부재(40)는 탄성 변형하여, 고정부(42)가 제3방향으로 탄성 변형하여 사용자의 손가락에 촉감을 전달하게 한다. 이에 대하여 보다 상세한 설명은 후술하기로 한다.

팁-틸트 탄성부재(20)는 하중 지지부(22) 및 가압부(25) 사이에 탄성 변형 가능하도록 구비되는 탄성부(27)를 더 포함할 수 있다. 탄성부(27)는 제1 와이어 형 액츄에이터(28)의 길이 변형에 의해 가압부(25)가 상방향으로 힘을 받는 경우, 탄성 변형함으로써 사용자의 손가락에 제1 및 제2방향으로 촉감의 전달을 가능하게 한다.

도 3a 및 3b를 참조하면, 하중 지지부(22) 및 가압부(25) 사이에서 4부분에 탄성부(27)가 구비된 예가 도시되는데, 탄성부(27)는 복수회 굴곡이진 형상으로 이루어지고, 각 부분의 탄성부(27)는 하중 지지부(22)의 일 부분에서 가압부(25)의 일 부분까지를 연장한 선을 기준으로 서로 대칭된 형상으로 이루어진다.

이로 인해, 가압부(25)가 상방향으로 힘을 받는 경우, 탄성부(27)는 탄성 변형하여 사용자의 손가락에 제1 및 제2방향으로 촉감을 용이하게 전달할 수 있게 한다.

도 3b을 참조하면, 하중 지지부(22)는 하방향으로 돌출되는 지지돌출부(22a)를 구비하고, 가압부(25)는 하방향으로 돌출되는 가압돌출부(25a)를 구비한다. 가압돌출부(25a)는 하단이 곡면으로 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 팁-틸트 탄성부재(20)의 지지돌출부(22a)와 가압돌출부(25a)의 형상에 대응하여, 기저부(10)는 지지돌출부(22a)를 수용하여 지지하는 가압수용부(12)와 가압돌출부(25a)에 기결정된 거리 만큼 이격되는 경사부(15)를 구비하는 예가 도 2에 도시된다.

한편, 가압부(25)의 저면에는 가압홈(25b)이 형성될 수 있으며, 가압홈(25b)에 제1 와이어 형 액츄에이터(28)가 설치될 수 있다. 가압홈(25b)은 가압부(25)의 저면에서 연장방향을 따라서 형성되는데 측면까지 이어질 수 있다. 가압부(25)는 팁-틸트 탄성부재(20)의 네 변에 각각 구비될 수 있는데, 도 3b를 참조하면, 가압부(25) 네 부분에 각각 가압홈(25b)이 형성되어 제1 와이어 형 액츄에이터(28)에 의해 가압부(25)가 상방향의 힘을 받을 수 있게 된다.

또한, 네 변의 가압부(25) 각각에 제1 와이어 형 액츄에이터(28)가 설치됨으로 인해 네 변의 가압부(25) 각각에는 제1방향으로 힘이 전달 가능하도록 이루어진다. 네 변의 가압부(25) 중 적어도 하나에 상기 힘이 전달됨으로써, 상기 손가락에 전달되는 힘이 제1방향 또는 제2방향으로 정해진다.

도 5a는 팁-틸트 탄성부재(20)에 의해 제1방향으로 촉감이 전달되는 예를 도시한 개념도이고, 도 5b는 팁-틸트 탄성부재(20)에 의해 제1방향과 우측방향으로 교차한 방향으로 촉감이 전달되는 예를 도시한 개념도이며, 도 5c는 팁-틸트 탄성부재(20)에 의해 제1방향과 전방향으로 교차한 방향으로 촉감이 전달되는 예를 도시한 개념도이다.

도 5a 내지 5c를 참조하여 제1 및 제2방향으로 촉감이 전달되는 예에 대하여 서술한다.

예를 들면, 네 변의 가압부(25) 모두에 상방향으로 힘이 전달되고, 그 힘이 모두 같다면, 네 변의 가압부(25)에 각각 인접한 탄성부(27)가 모두 탄성 변형량의 정도가 같아, 사용자의 손가락은 제1방향의 힘을 받게 된다. 일례로 도 5a에서의 화살표가 도시하는 수직방향의 힘이 손가락에 전달되게 된다.

반면, 우변의 가압부(25)에 상방향으로 힘이 전달된다어, 도 3b에서와 같이 우변에 인접한 탄성부(27)가 상방향으로 변형되면, 사용자의 손가락은 제1방향에 대하여 우방향으로 교차한 방향으로 힘을 받게 된다. 도 5b를 참조하면, 제1방향에 대하여 우방향으로 교차한 방향으로 촉감이 손가락에 전달되는 예가 도시된다.

또한, 상변의 가압부(25)에 상방향으로 힘이 전달된다면, 상변에 인접한 탄성부(27)가 변형되어, 사용자의 손가락은 제1방향과 전방향으로 교차한 방향으로 힘을 받게 된다. 도 5c를 참조하면, 제1방향에 대하여 전방향으로 교차한 방향으로 촉감이 손가락에 전달되는 예가 도시된다.

이와 같이, 팁-틸트 탄성부재(20)는 네 변의 가압부(25)의 일부에 힘이 가해짐에 의해, 3 자유도의 촉감을 전달할 수 있게 된다.

촉감 전달 장치(100)는 면 탄성부재(40)를 더 포함할 수 있다. 일례로, 면 탄성부재(40)는 팁-틸트 탄성부재(20)에 적층된다. 면 탄성부재(40)는 제3방향으로 손가락에 촉감을 전달한다. 본 발명에서 제3방향은 손가락의 바닥과 접촉하는 면과 나란한 방향이고, 이는 전단력을 통해 촉감이 손가락에 전해지는 2차원적인 방향으로 이해될 수 있다. 즉, 제3방향은 손가락이 면과 접촉할 때 전단응력에 의해 제공되는 힘의 방향을 의미한다.

면 탄성부재(40)는 고정부(42), 가동부(44) 및 횡탄성부(46)를 더 포함할 수 있다.

고정부(42)는 면 탄성부재(40)의 측면에 구비되어 팁-틸트 탄성부재(20)에 고정된다.

또한, 가동부(44)는 고정부(42)에 대해 제3방향으로 상대 이동 가능하게 이루어진다.

횡탄성부(46)는 고정부(42) 및 가동부(44) 사이에 배치되는데, 탄성 변형되어 가동부(44)를 고정부(42)에 대해 제3방향으로 상대 이동 가능하게 하게 한다. 횡탄성부(46)는 예를 들면, 복수 개로 이루어질 수 있고, 고정부(42)에 맞닿는 지점 및 가동부(44)에 맞닿는 지점 사이에 배치되는 탄성체일 수 있다. 탄성체는 일례로, 유연기구(compliant mechanism)로서 구성될 수 있다. 또한, 횡탄성부(46)는 가동부(44)의 정 가운데의 일 점을 기준으로 점대칭으로 배치될 수 있다.

도 4a 및 4b에는 면 탄성부재(40)의 일 예가 도시되는데, 상하좌우 측면에 직사각형 형상의 고정부(42)가 구비되고, 가동부(44)는 정사각형 형상으로 이루어지며 고정부(42)와 이격 배치되는 예가 도시된다. 또한, 횡탄성부(46)는, 가동부(44) 및 고정부(42) 사이의 네 곳에 구비되는 예가 도시되는데, 탄성 변형이 용이하도록 복수회 절곡되어 형성되며, 각각의 횡탄성부(46)는 가동부(44)의 중앙 일점을 중심으로 점대칭인 형상으로 이루어지는 예가 도시된다.

면 탄성부재(40)는 제2 와이어 형 액츄에이터(48)를 더 포함할 수 있다. 제2 와이어 형 액츄에이터(48)는 고정부(42) 및 가동부 (44) 사이에 설치되는데, 탄성 변형함에 따라 고정부(42)에 대한 가동부(44)의 상대 위치를 변화시킴으로써, 상기 손가락에 상기 제3방향으로의 촉감을 전달을 가능하게 한다.

도 4b를 참조하면, 제2 와이어 형 액츄에이터(48)가 고정부(42) 및 가동부(44) 사이에 대각선으로 설치되어 있는 예가 도시되는데, 제2 와이어 형 액츄에이터(48) 각각의 단부는 고정부(42)에 볼트에 의해 고정되고, 핀에 의해 가동부(44)에 걸리도록 설치되어 있으나, 반드시 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.

도 3b를 참조하면, 가동부가 우측으로 이동하는 예가 도시되어 있는데, 이는 도 3a에서, 우상 및 우하 위치의 제2 와이어 형 액츄에이터(48)가 함께 길이가 변형됨으로써, 가동부가 우측으로 변형하게 된 것이다. 또한, 도 6a에는, 손가락의 우측(Y 방향)으로 전단력이 작용하는 예가 도시되며, 도 6b에는 손가락의 전방(X 방향)으로 전단력이 작용하는 예가 도시된다.

이와 같이, 면 탄성부재(40)는 2 자유도의 촉감을 전달할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 촉감 전달 장치(100)는 면 탄성부재(40)의 상측에 배치되어 손가락에 접촉하여 사용자에게 촉감을 전달하는 접촉부(50)를 더 포함한다. 접촉부(50)의 상단에는 손가락과의 접촉 여부를 확인할 수 있는 압력 센서 또는 힘 센서 등이 배치될 수 있다.

일례로, 도 1 및 2에 도시되는 바와 같이, 접촉부(50)에는 복수의 결합홀(56)이 형성되고, 면 탄성부재(40)에는 접촉부(50)의 결합홀(56)에 대응되는 결합홀(47)이 형성되어 접촉부(50)는 면 탄성부재(40)의 상부에 결합 가능하게 된다. 도면에서 명백히 도시되지는 않았지만, 접촉부(50) 및 면 탄성부재(40)는 볼트 또는 핀에 의해 결합될 수 있다. 접촉부(50)는 접촉부(50)의 상부에 사용자의 손가락이 인입 가능하게 하는 손가락 수용부(53)를 구비할 수 있다.

기저부(10)에는, 팁-틸트 탄성부재(20), 면 탄성부재(40)의 측면을 가이드하여 조립을 용이하게 하도록 이루어지는 가이드 기둥(13)이 형성된다. 도 1 및 2에는 기저부(10)의 네 모서리에 상부로 연장 형성되어 가이드 기둥(13)이 형성되고, 팁-틸트 탄성부재(20) 및 면 탄성부재(40) 각각의 모서리 부분에는 가이드 기둥(13)에 의해 조립 시에 가이드되도록 가이드 기둥(13)에 대응된 형상으로 이루어진 예가 도시된다. 조립된 후, 팁-틸트 탄성부재(20) 및 면 탄성부재(40)는 가이드 기둥(13)에 의해 지지되어 사용자의 손가락에 촉감을 용이하게 전달할 수 있게 된다.

커버(30)는 가이드 기둥(13)의 상부에 결합된다. 일례로, 도면에서 명백히 도시되지는 않았지만, 커버(30)는 가이드 기둥(13)의 상부에 볼트 등에 의해 결합될 수 있다.

가이드 기둥(13)에는 가이드 기둥(13)의 길이 방향으로 제1 가이드 홈(13a)이 형성된다. 제1 가이드 홈(13a)은 제1 와이어 형 액츄에이터(28)를 수용할 수 있다.

또한, 커버(30)에는 가이드 기둥(13)에 고정 가능하도록 형성되는 고정홀(32)과 제1 와이어 형 액츄에이터(28)의 단부가 고정 결합 가능한 결합홀(36)이 형성된다. 커버(30)의 상면에는 제2 가이드 홈(33a)이 형성되는데, 제2 가이드 홈(33a)은 커버(30)의 가장자리를 따라서 제1 가이드 홈(13a) 및 결합홀(36)에 각각 연통되도록 형성된다.

제1 와이어 형 액츄에이터(28)는 제1 가이드 홈(13a), 제2 가이드 홈(33a) 및 결합홀(36)에 설치되고, 제1 와이어 형 액츄에이터(28)의 단부는 결합홀(36)에 볼트에 의해 결합될 수 있다.

도 7a는 본 발명의 사용자 인터페이스 시스템(200)의 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 시스템(200)이 사용자에 설치된 예를 도시하는 개념도이다.

본 발명의 사용자 인터페이스 시스템(200)은, 손가락의 움직임에 대응해 아바타를 움직이도록 이루어진다.

본 발명의 사용자 인터페이스 시스템(200)은, 본 발명의 촉감 전달 장치(100), 컴퓨터 및 제어부(210)를 포함한다.

본 발명의 촉감 전달 장치(100)에 대하여는 도 1 내지 6b를 참조하여, 상세히 설명하였기에, 이전 설명으로 갈음하기로 한다.

컴퓨터는 촉감 전달 장치(100)에 유선 또는 무선으로 연결되고, 상기 아바타와 손가락의 움직임을 연동시키도록 이루어진다.

또한, 제어부(210)는, 아바타에 소정의 접촉이 발생하면, 촉감 전달 장치(100)가 사용자의 손가락에 접촉하여 촉감을 전달 가능하게 한다. 본 발명의 제어부(210)는 스마트 워치 등의 웨어러블 장치의 CPU로 이루어질 수 있고, 전기 에너지 공급을 위한 전원으로 스마트 워치의 배터리가 이용될 수 있다.

도 7a 및 7b에는 제어부(210)가 손목에 착용 가능한 방식으로 구현된 예가 도시되나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 8a 및 8b는 사용자 인터페이스 시스템(200)의 동작을 설명하기 위한 개념도이다.

도 8a에 도시된 바와 같이, 사용자의 손가락에는 두 개의 촉감 전달 장치(100, 100')가 착용되어 있으며, 모니터(3)에는 각 손가락에 의해 동작하는 그래픽(아바타)(5, 6)이 표시된다. 컴퓨터(미도시)는 모니터(3)에 표시된 그래픽(5, 6)과 사용자의 손가락의 움직임을 연동시킨다. 구체적으로, 손가락 위치 추적 장치(7)에 의해 두 손가락(또는 두 촉감 전달 장치)의 위치가 추적되고, 사용자가 손가락을 움직이면 그에 대응해 두 손가락 그래픽(5, 6)이 움직이게 된다. 손가락 위치 추적 장치(7)는 일례로, 센서일 수 있다.

예를 들어, 사용자가 모니터(3)에 표시된 물체 그래픽(4)을 잡고자 손가락을 오므리는 동작을 취하면, 두 손가락 그래픽(5, 6)이 물체 그래픽(4)에 접근한다.

두 손가락 그래픽(5, 6)이 물체 그래픽(4)에 접촉하면, 그 신호가 촉감 전달 장치의 제어부(210)로 전달되고, 촉감 전달 장치(100)의 제어부(210)는 도 8a에 도시된 바와 같이, 촉감 전달 장치(100)가 손가락에 접근시켜 손가락에 접촉감을 전달한다.

사용자가 물체 그래픽(4)을 더 강한 힘으로 잡기 위한 동작을 취하면, 두 촉감 전달 장치(100)는 해당 손가락을 더 압박하여 사용자가 대응하는 압력을 느낄 수 있게 한다.

만약, 물체 그래픽(4)이 진동하는 경우, 그에 대응하여 접촉부가 왕복 운동하면서 손가락에 진동을 전달한다.

한편, 도 8a의 물체 그래픽(4)은 소정의 무게를 가지는 것으로 설정될 수 있다.

사용자가 손가락으로 예를 들어 물이 든 컵을 들어올리는 경우 손가락 피부에는 물체와의 접촉에 따른 압력과 함께 컵의 무게에 의해 피부가 아래쪽으로 쏠리는 전단력을 느끼게 된다.

본 실시예에 따르면, 사용자가 손가락을 움직여 두 손가락 그래픽(5, 6)이 물체 그래픽(4)에 접촉한 상태에서 위로 들어올리는 동작을 행하는 경우, 도 8b에 도시된 바와 같이, 팁-틸트 탄성부재에 의해 제1 및 제2방향으로 촉감이 전달되고, 면 탄성부재에 의해 제3방향으로 촉감이 전달된다. 따라서, 사용자는 허공에서 손가락을 동작시키는 것만으로도 물체에 대한 접촉과 무게감을 동시에 느낄 수 있도록 한다.

본 발명의 촉감 전달 장치는, 형상기억합금 액추에이터를 활용하여 고에너지밀도(high energy density) 달성하고, 형상기억합금 액추에이터와 유연기구를 활용하여 소형화 및 경량화가 용이해진다.

또한, 본 발명의 촉감 전달 장치는, 탈거 및 착용이 용이하며 휴대성이 좋고, 직렬형 메커니즘으로 구현되어 제어가 용이하며, 필요한 촉감만 선택적으로 구현 가능하다.

본 발명에 따르면, 사용자 인터페이스 시스템이 가상의 그래픽을 동작시키도록 하고 있지만, 이에 한정되지 않는다.

가상현실 및 증강 현실 속에서 대상물을 파지하고 조작할 때 느껴지는 감각을 전달할 필요가 있는 분야, 예를 들어, 게임 및 온라인 쇼핑 등의 엔터테인먼트 분야, 감각재활 의료 분야, 교육 및 여행, 전시 미술 및 박람회 등 다양한 분야에 이용될 수 있다.

또한, 접근이 어려운 공간에서 대상물을 정밀하고 정교하게 조작할 필요가 있는 분야, 예를 들어, 우주 공간 또는 심해 탐사 로봇을 이용한 원격작업 등의 분야에서도 효과적으로 이용될 수 있다.

아울러, 인간과 컴퓨터가 교감하는 차세대 컴퓨터 분야에서 사용자 인터페이스를 제공하는데 이용될 수 있다.

이상에서 설명한 촉감 전달 장치(100) 및 이를 구비한 사용자 인터페이스 시스템(200)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

100:촉감 전달 장치
10:기저부 13:가이드 기둥
13a:제1 가이드 홈 12:가압수용부
15:경사부 20:팁-틸트 탄성부재
22:하중 지지부 22a:지지돌출부
25:가압부 25b:가압홈
25a:가압돌출부 27:탄성부
28:제1 와이어 형 액츄에이터 28a:결합볼트
30:커버 32:고정홀
36:결합홀 33a:제2 가이드 홈
40:면 탄성부재 42:고정부
44:가동부 46:횡탄성부
47:결합홀 48:제2 와이어 형 액츄에이터
50:접촉부 53:손가락 수용부
200:사용자 인터페이스 시스템
210:제어부

Claims (13)

1. 일면을 형성하는 기저부;
   상기 기저부에 적층되어 배치되고, 사용자의 손가락 바닥면에서 위를 향하는 제1방향 및 상기 제1방향과 기결정된 각도 만큼 교차하는 제2방향으로의 촉감을 상기 손가락에 전달하도록 이루어지는 팁-틸트 탄성부재; 및
   상기 팁-틸트 탄성부재의 상측에 배치되어 다른 일면을 형성하는 커버를 포함하고,
   상기 팁-틸트 탄성부재는,
   상기 팁-틸트 탄성부재의 중앙 부분에 구비되고, 상기 손가락의 하중을 지지하도록 이루어지는 하중 지지부; 및
   상기 팁-틸트 탄성부재의 가장자리 부분에 구비되고, 상기 제1방향으로 가압되도록 이루어지는 가압부를 포함하고,
   상기 가압부에는 제1 와이어 형 액츄에이터가 설치되고 상기 제1 와이어 형 액츄에이터가 탄성 변형함에 따라 상기 가압부를 가압함으로써 상기 팁-틸트 탄성부재를 탄성 변형시킴으로 상기 손가락에 상기 제1 및 제2방향으로의 촉감을 전달 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 팁-틸트 탄성부재에 적층되도록 배치되고, 상기 손가락에 전단응력이 전달되는 방향인 제3방향으로 촉감이 전달되도록 이루어지는 면 탄성부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 면 탄성부재는,
   상기 면 탄성부재의 측면에 구비되어, 상기 팁-틸트 탄성부재에 고정되도록 이루어지는 고정부;
   상기 고정부에 대해 상기 제3방향으로 상대 이동 가능하도록 이루어지는 가동부; 및
   상기 고정부 및 가동부 사이에 배치되어 상기 가동부를 상기 고정부에 대해 상기 제3방향으로 상대 이동 가능하게 하도록 탄성 변형하는 횡탄성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 면 탄성부재는, 상기 고정부 및 상기 가동부 사이에 설치되어 탄성 변형함에 따라 상기 고정부에 대한 가동부의 상대 위치를 변화시킴으로써, 상기 손가락에 상기 제3방향으로의 촉감을 전달을 가능하게 하는 제2 와이어 형 액츄에이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 횡탄성부는, 복수 개로 이루어지고, 상기 고정부에 맞닿는 지점 및 상기 가동부에 맞닿는 지점 사이에 배치되는 탄성체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 횡탄성부는 상기 가동부의 정 가운데의 일 점을 기준으로 점대칭인 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
   
7. 제2항에 있어서,
   상기 면 탄성부재의 상측에 배치되어 사용자의 손가락에 접촉하여 사용자에게 촉감을 전달하는 접촉부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 기저부의 네 모서리에는 상부로 연장 형성되는 가이드 기둥이 형성되고, 상기 가이드 기둥에는 상기 제1 와이어 형 액츄에이터를 수용하는 제1 가이드 홈이 길이 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 커버에는 상기 제1 와이어 형 액츄에이터의 단부가 고정 결합 가능하도록 이루어지는 결합홀이 형성되고,
   상기 커버의 상면에는, 상기 제1 와이어 형 액츄에이터를 수용하도록 상기 커버의 가장자리를 따라서 상기 제1 가이드 홈 및 상기 결합홀에 각각 연통되도록 제2 가이드 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 팁-틸트 탄성부재는,
    상기 하중 지지부 및 가압부 사이에 탄성 변형 가능하도록 구비되고 상기 가압부가 상방향으로 힘을 받는 상태에서 상기 손가락에 상기 제1 및 제2방향으로 촉감을 전달 가능하게 하는 탄성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 하중 지지부는 하방향으로 돌출되는 지지돌출부를 구비하고,
    상기 가압부는 하방향으로 돌출되되 하단이 곡면으로 형성되는 가압돌출부를 구비하고,
    상기 기저부는 상기 지지돌출부를 수용하여 지지하는 가압수용부, 및 상기 가압돌출부에 접촉되는 경사면의 경사지지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
    
12. 제10항에 있어서,
    상기 가압부는 상기 팁-틸트 탄성부재의 네 변에 각각 구비되고, 상기 네 변의 가압부 각각에 상기 제1방향으로 힘이 전달 가능하도록 이루어지고, 상기 네 변의 가압부 중 적어도 하나에 상기 힘이 전달됨으로써, 상기 손가락에 전달되는 힘이 제1방향 또는 제2방향으로 정해지는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 장치.
    
13. 손가락의 움직임에 대응해 아바타를 움직이는 사용자 인터페이스 시스템으로서,
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 의한 촉감 전달 장치;
    상기 촉감 전달 장치에 유선 또는 무선으로 연결되고, 상기 아바타와 손가락의 움직임을 연동시키는 컴퓨터; 및
    상기 아바타에 소정의 접촉이 발생하면, 상기 촉감 전달 장치가 상기 사용자의 손가락에 접촉하여 촉감을 전달 가능하게 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자 인터페이스 시스템.

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