KR101982405B1 - 햅틱 컨트롤러 메커니즘 - Google Patents

햅틱 컨트롤러 메커니즘 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사용자에게 햅틱 피드백을 제공할 수 있는 햅틱 컨트롤러 메커니즘에 관한 것이다. 본 발명에 따른 각각 교차되는 복수 개의 회전축선을 형성하도록 상호 연결되는 복수 개의 링크유닛, 복수 개의 링크유닛에 각각 대응되고 각각의 링크유닛과 독립적으로 와이어로 연결되며 각각의 링크유닛의 회전 운동에 따른 와이어의 이동에 연동되어 이동되는 복수 개의 이동유닛 및 이동유닛과 연결되고 이동유닛의 이동에 따른 탄성 변형 값을 측정하며 측정된 탄성 변형 값을 햅틱 피드백으로 제공하는 복수 개의 햅틱유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 햅틱유닛을 이용하여 햅틱 피드백이 가능하고 사용자의 조작 보조 및 미조작 시 링크유닛의 각도를 유지할 수 있으므로, 사용자의 조작 피로감을 저하시킬 수 있다.

Description

햅틱 컨트롤러 메커니즘{HAPTIC CONTROLLER MECHANISM}
본 발명은 햅틱 컨트롤러 메커니즘에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용자에게 햅틱 피드백을 제공할 수 있는 햅틱 컨트롤러 메커니즘에 관한 것이다.
일반적으로 매니퓰레이터의 원격 조작은 수중 작업, 의료, 항공, 기타 산업 분야 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이러한 원격 조작을 위해서 조이스틱과 같은 컨트롤러가 사용된다.
예를 들어, 조이스틱은 항공 분야에서 조종사의 수동 입력 지령을 전달하는 장치로서, 항공기의 피치(pitch)와 롤(roll) 축선들을 나타내는 2개의 상호 수직 축선들을 중심으로 스틱의 복합 선회 운동이 가능하도록 사용된다. 다른 예로서, 조이스틱은 수중 이동체에 적용될 때 항공기에 사용되는 것과 같이 피치(pitch)와 롤(roll) 축선들을 나타내는 2개의 상호 수직 축선들을 중심으로 수중 이동체의 복합 선회 운동을 위한 입력 신호를 인가한다.
한편, 상술한 바와 같은 일 실시 예로서, 수중 이동체를 원격 조종하는 조이스틱은 1 또는 2축을 조합하여 스러스터(thruster) 및/또는 방향타를 조종하였으나, 이러한 조작 방식은 수직, 수평 방향 및 속도에 대한 조작이 모두 독립되어 있어서 수중 이동체의 입체적인 운동을 직관적으로 조작하기 어려운 점이 있었다. 그래서, 복수 개의 링크로 구성된 다관절 컨트롤러가 개발되어서 상술한 문제점을 해소하였다.
그런데, 종래의 복수 개의 링크로 구성된 다관절 컨트롤러는 피조종체에 대한 직관적이고 입체적인 조작은 가능하지만 다관절 컨트롤러를 구성하는 복수 개의 링크 자중에 처질 수가 있고, 이를 방지하기 위해 사용자가 파지해야 함에 따라 장시간 사용시 사용자에 피로감을 증가시키는 문제점 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1420353호; 플라이-바이-와이어 비행 조종 시스템 내에서 사용되도록 구성된 조종간 및 이에 사용되는 링크 장치
본 발명의 목적은 피조종체에 조종 신호를 인가할 때의 편의성 향상과 함께 사용자에게 피드백을 제공할 수 있는 햅틱 컨트롤러 메커니즘을 제공하는 것이다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명에 따라 각각 교차되는 복수 개의 회전축선을 형성하도록 상호 연결되는 복수 개의 링크유닛과, 복수 개의 상기 링크유닛에 각각 대응되고 각각의 상기 링크유닛과 독립적으로 와이어로 연결되며 각각의 상기 링크유닛의 회전 운동에 따른 상기 와이어의 이동에 연동되어 이동되는 복수 개의 이동유닛과, 상기 이동유닛과 연결되고 상기 이동유닛의 이동에 따른 탄성 변형 값을 측정하며 측정된 탄성 변형 값을 햅틱 피드백으로 제공하는 복수 개의 햅틱유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 컨트롤러 메커니즘에 의해 이루어진다.
여기서, 상기 햅틱유닛은 상기 이동유닛에 대향 배치되는 햅틱블록과, 상기 이동유닛과 상기 햅틱블록 사이에 배치되어 상기 이동유닛의 이동에 따라 탄성 변형되는 탄성부재와, 상기 햅틱블록에 연결되어 상기 햅틱블록의 위치를 제어하는 리니어 액추에이터를 포함할 수 있다.
상기 햅틱유닛은 상기 리니어 액추에이터의 위치를 기준으로 상기 링크유닛의 회전 각도가 변경될 때, 상기 탄성부재의 탄성 변형 값을 상기 링크유닛에 제공되는 외력으로 측정할 수 있다.
또한, 상기 햅틱 컨트롤러 메커니즘은 상기 링크유닛의 회전 운동에 따라 이동되는 상기 이동유닛의 이동거리를 변위 값으로 측정하는 측정유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 탄성 변형 값은 상기 측정유닛으로부터 측정된 상기 이동유닛의 변위 값과 상기 햅틱블록의 변위 값을 비교하여 측정될 수 있다.
상기 측정유닛으로부터 측정된 상기 이동유닛의 변위 값은 피조종체에 제공되는 입력 신호를 포함할 수 있다.
상기 햅틱 피드백은 상기 리니어 액추에이터의 위치에 따른 상기 링크유닛의 회전 각도와 상기 링크유닛에 제공되는 외력을 포함할 수 있다.
더불어, 상기 햅틱 컨트롤러 메커니즘은 복수 개의 상기 링크유닛 중 어느 하나에 배치되어 상기 링크유닛의 회전 운동에 연동하여 상기 리니어 액추에이터의 작동 신호를 인가하는 터치유닛을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 햅틱 컨트롤러 메커니즘은 각각의 상기 링크유닛에 배치되어, 각각의 상기 링크의 회전 각도에 따른 자중에 의한 처짐을 제한하는 중력 보상유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 중력 보상유닛은 각각의 상기 링크유닛의 회전축을 상호 연결하는 케이블과, 각각의 상기 링크유닛에 배치되고 상기 케이블과 연결되어 상기 케이블의 장력에 따라 이동되는 보상수단과, 상기 보상수단에 연결되어 상기 케이블의 장력에 따라 이동되는 보상수단에 탄성력을 제공하는 탄성수단을 포함할 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 햅틱 컨트롤러 메커니즘의 효과는 다음과 같다.
첫째, 햅틱유닛을 이용하여 햅틱 피드백이 가능하고 사용자의 조작 보조 및 미조작 시 링크유닛의 각도를 유지할 수 있으므로, 사용자의 조작 피로감을 저하시킬 수 있다.
둘째, 링크유닛의 회전 각도에 따른 외력 변화를 탄성 변화 값으로 이용하여 측정할 수 있으므로, 전체적인 구조의 경량화 및 소형화를 구현할 수 있다.
셋째, 중력 보상유닛을 이용하여 특정 회전 각도에서의 링크유닛의 자중에 의한 처짐을 방지할 수 있으므로, 제품의 정확성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 컨트롤러 메커니즘의 분해 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 햅틱 컨트롤러 메커니즘의 결합 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 Ⅲ-Ⅲ 선의 단면도,
도 4는 도 1에 도시된 이동유닛과 햅틱유닛의 사시도,
도 5는 도 4에 도시된 이동유닛과 햅틱유닛의 제 1작동 측면도,
도 6은 도 4에 도시된 이동유닛과 햅틱유닛의 제 2작동 측면도,
도 7은 도 3에 도시된 A 영역의 확대 단면도,
도 8은 도 3에 도시된 B 영역의 확대 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 컨트롤러 메커니즘에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
설명하기에 앞서, 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 컨트롤러 메커니즘은 수중 이동체 뿐만 아니라 다양한 산업 현장에서 사용되는 매니퓰레이터 등의 조종을 위해 사용될 수 있음을 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 컨트롤러 메커니즘의 분해 사시도, 도 2는 도 1에 도시된 햅틱 컨트롤러 메커니즘의 결합 사시도, 그리고 도 3은 도 2에 도시된 Ⅲ-Ⅲ 선의 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 컨트롤러 메커니즘(1)은 링크유닛(50), 이동유닛(70) 및 햅틱유닛(130)을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 햅틱 컨트롤러 메커니즘(1)은 베이스(10), 커버(30), 와이어(90), 측정유닛(110), 터치유닛(150) 및 중력 보상유닛(170)을 더 포함한다.
베이스(10)는 링크유닛(50), 이동유닛(70), 측정유닛(110) 및 햅틱유닛(130)을 지지하도록 마련된다. 그리고, 커버(30)는 이동유닛(70), 측정유닛(110) 및 햅틱유닛(130)을 커버하도록 베이스(10)에 결합된다.
링크유닛(50)은 복수 개로 마련되어, 각각 교차되는 복수 개의 회전축선을 형성하도록 상호 연결된다. 링크유닛(50)은 본 발명의 일 실시 예로서 5개로 구성되어 상호 연결되며, 5개의 링크유닛(50)에 상호 연결에 따라 직교하는 4개의 회전축선을 형성한다. 여기서, 링크유닛(50)의 개수는 본 발명의 일 실시 예일 뿐, 이에 한정되지 않고 설계 변경에 따라 5개 미만 또는 초과하여 배치될 수 있다.
이동유닛(70)은 복수 개의 링크유닛(50)에 각각 대응되도록 배치된다. 이동유닛(70)은 본 발명의 일 실시 예로서, 5개의 링크유닛(50)에 대응되어 5개로 배치된다. 각각의 이동유닛(70)은 각각의 링크유닛(50)과 와이어(90)에 의해 독립적으로 연결된다. 이동유닛(70)은 각각의 링크유닛(50)의 회전 운동에 따른 와이어(90)의 이동에 연동되어 이동된다. 즉, 이동유닛(70)의 이동 거리는 링크유닛(50)의 회전 각도에 따른 와이어(90)의 이동에 따라 결정된다.
이동유닛(70)은 링크유닛(50)의 회전 운동을 리니어 운동으로 변환하여 이동된다. 여기서, 이동유닛(70)의 일부는 측정유닛(110)에 배치되며, 이러한 이동유닛(70)의 이동 거리에 따라 변위 값이 결정된다. 이동유닛(70)의 이동에 따라 측정된 변위 값은 피조종체(미도시)에 제공되는 입력 신호가 된다.
측정유닛(110)은 이동유닛(70)의 변위 값을 측정한다. 즉, 상술한 바와 같이 측정유닛(110)은 링크유닛(50)의 회전 운동에 따라 이동되는 이동유닛(70)의 이동거리를 변위 값으로 측정한다. 측정유닛(110)은 본 발명의 일 실시 예로서, 위치 센서가 사용된다.
다음으로 도 4는 도 1에 도시된 이동유닛과 햅틱유닛의 사시도, 도 5는 도 4에 도시된 이동유닛과 햅틱유닛의 제 1작동 측면도, 그리고 도 6은 도 4에 도시된 이동유닛과 햅틱유닛의 제 2작동 측면도이다.
햅틱유닛(130)은 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 이동유닛(70)과 연결되고 이동유닛(70)의 이동에 따른 탄성 변형 값을 측정하며, 측정된 탄성 변형 값을 햅틱 피드백으로 제공한다. 본 발명의 일 실시 예로서, 햅틱유닛(130)은 햅틱블록(132), 탄성부재(134) 및 리니어 액추에이터(136)를 포함한다.
햅틱블록(132)은 이동유닛(70)에 대향 배치된다. 햅틱블록(132)의 일측은 탄성부재(134)에 연결되고, 타측은 리니어 액추에이터(136)에 연결된다.
탄성부재(134)는 이동유닛(70)과 햅틱블록(132) 사이에 배치된다. 링크유닛(50)의 회전 운동에 따른 이동유닛(70)의 이동에 연동하여 탄성 변형된다. 탄성부재(134)의 탄성 변형 값은 측정유닛(110)으로부터 측정된 이동유닛(70)의 변위 값과 햅틱블록(132)의 변위 값을 비교하여 측정된다. 여기서, 탄성 변형 값은 도 5의 탄성부재(134)의 길이 D1과 도 6의 탄성부재(134)의 길이 D2의 비교 값이 된다.
리니어 액추에이터(136)는 햅틱블록(132)에 연결되어 햅틱블록(132)의 위치를 제어한다. 상세하게 햅틱유닛(130)은 리니어 액추에이터(136)의 위치를 기준으로 링크유닛(50)의 회전 각도가 변경될 때, 탄성부재(134)의 탄성 변형 값을 링크유닛(50)에 제공되는 외력으로 측정한다. 리니어 액추에이터(136)는 링크유닛(50)의 특정 회전 각도에서 햅틱블록(132)의 기준위치를 설정하는 역할을 한다. 본 발명의 햅틱 피드백은 리니어 액추에이터(136)의 위치에 따른 링크유닛(50)의 회전 각도와 링크유닛(50)에 제공되는 외력을 포함한다.
마지막으로 도 7은 도 3에 도시된 A 영역의 확대 단면도이고, 도 8은 도 3에 도시된 B 영역의 확대 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 터치유닛(150)은 복수 개의 링크유닛(50) 중 어느 하나에 배치된다. 터치유닛(150)은 링크유닛(50)의 회전 운동에 연동하여 리니어 액추에이터(136)의 작동 신호를 인가한다. 본 발명의 일 실시 예로서, 터치유닛(150)은 엔코더(152), 도전성 부재(154), 터치센서(156) 및 스위치(158)를 포함한다. 사용자가 터치유닛(150)을 파지할 때, 리니어 액추에이터(136)는 링크유닛(50)의 회전 운동에 연동되어 리니어 운동된다.
중력 보상유닛(170)은 도 8에 도시된 바와 같이, 링크유닛(50)의 자중에 의한 처짐을 방지하도록 배치된다. 여기서, 중력 보상유닛(170)을 설명하기에 앞서 보다 명확하게 도면을 참조하여 설명할 수 있도록 도 3에 도시된 와이어(90)는 생략했음을 밝혀둔다.
중력 보상유닛(170)은 각각의 링크유닛(50)에 배치되어 각각의 링크유닛(50)의 회전 각도에 따른 자중에 의한 처짐을 제한한다. 즉, 중력 보상유닛(170)의 링크유닛(50)의 특정 회전 각도를 유지시킨다. 본 발명의 일 실시 예로서, 중력 보상유닛(170)은 케이블(172), 보상수단(174) 및 탄성수단(176)을 포함한다.
케이블(172)은 각각의 링크유닛(50)의 회전축을 상호 연결한다. 또한, 케이블(172)은 링크유닛(50)과 보상수단(174)을 상호 연결한다. 케이블(172)은 링크유닛(50)과 이동유닛(70)을 상호 연결하는 와이어(90)가 사용될 수 있다.
보상수단(174)은 각각의 링크유닛(50)에 배치되고 케이블(172)과 연결되어 케이블(172)의 장력에 따라 이동된다. 그리고, 탄성수단(176)은 보상수단(174)에 연결되어 케이블(172)의 장력에 따라 이동되는 보상수단(174)에 탄성력을 제공한다. 이러한 케이블(172), 보상수단(174) 및 탄성수단(176)에 의해 구성된 중력 보상유닛(170)은 링크유닛(50)의 자중에 의한 처짐을 보상함과 함께 링크유닛(50)의 특정 회전 각도를 유지시킬 수 있다.
이에, 햅틱유닛을 이용하여 햅틱 피드백이 가능하고 사용자의 조작 보조 및 미조작 시 링크유닛의 각도를 유지할 수 있으므로, 사용자의 조작 피로감을 저하시킬 수 있다.
또한, 링크유닛의 회전 각도에 따른 외력 변화를 탄성 변화 값으로 이용하여 측정할 수 있으므로, 전체적인 구조의 경량화 및 소형화를 구현할 수 있다.
더불어, 중력 보상유닛을 이용하여 특정 회전 각도에서의 링크유닛의 자중에 의한 처짐을 방지할 수 있으므로, 제품의 정확성을 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
50: 링크유닛 70: 이동유닛
110: 측정유닛 130: 햅틱유닛
132: 햅틱블록 134: 탄성부재
136: 리니어 액추에이터 150: 터치유닛
170: 중력 보상유닛
[이 발명을 지원한 국가연구개발사업]
과제고유번호, 부처명, 연구관리전문기관, 연구사업명, 연구과제명, 기여율, 주관기관, 연구기간
10060065, 산업통상자원부, 한국산업기술평가관리원, 산업핵심기술개발사업, 조류환경에서의 수중 관측/탐사를 위한 2.0m/s 조류 인지 및 극복 능력을 갖춘 저가 관찰급 수중 탐사체 핵심기술개발, 80%, 서울과학기술대학교 산학협력단, 2016.12.01. ~ 2017.11.30.

Claims (10)

  1. 각각 교차되는 복수 개의 회전축선을 형성하도록 상호 연결되는 복수 개의 링크유닛과;
    복수 개의 상기 링크유닛에 각각 대응되고 각각의 상기 링크유닛과 독립적으로 와이어로 연결되며, 각각의 상기 링크유닛의 회전 운동에 따른 상기 와이어의 이동에 연동되어 리니어 이동되는 복수 개의 이동유닛과;
    상기 이동유닛과 연결되고 상기 이동유닛의 리니어 이동에 따른 탄성 변형 값을 측정하며, 측정된 탄성 변형 값을 햅틱 피드백으로 제공하는 복수 개의 햅틱유닛과;
    각각의 상기 링크유닛에 배치되어, 각각의 상기 링크유닛의 회전 각도에 따른 자중에 의한 처짐을 제한하는 중력 보상유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 컨트롤러 메커니즘.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 햅틱유닛은,
    상기 이동유닛에 대향 배치되는 햅틱블록과;
    상기 이동유닛과 상기 햅틱블록 사이에 배치되어, 상기 이동유닛의 이동에 따라 탄성 변형되는 탄성부재와;
    상기 햅틱블록에 연결되어, 상기 햅틱블록의 위치를 제어하는 리니어 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 컨트롤러 메커니즘.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 햅틱유닛은 상기 리니어 액추에이터의 위치를 기준으로 상기 링크유닛의 회전 각도가 변경될 때, 상기 탄성부재의 탄성 변형 값을 상기 링크유닛에 제공되는 외력으로 측정하는 것을 특징으로 하는 햅틱 컨트롤러 메커니즘.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 햅틱 컨트롤러 메커니즘은,
    상기 링크유닛의 회전 운동에 따라 이동되는 상기 이동유닛의 이동거리를 변위 값으로 측정하는 측정유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 컨트롤러 메커니즘.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 탄성 변형 값은 상기 측정유닛으로부터 측정된 상기 이동유닛의 변위 값과 상기 햅틱블록의 변위 값을 비교하여 측정되는 것을 특징으로 하는 햅틱 컨트롤러 메커니즘.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 측정유닛으로부터 측정된 상기 이동유닛의 변위 값은 피조종체에 제공되는 입력 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 컨트롤러 메커니즘.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 햅틱 피드백은 상기 리니어 액추에이터의 위치에 따른 상기 링크유닛의 회전 각도와 상기 링크유닛에 제공되는 외력을 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 컨트롤러 메커니즘.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 햅틱 컨트롤러 메커니즘은,
    복수 개의 상기 링크유닛 중 어느 하나에 배치되어, 상기 링크유닛의 회전 운동에 연동하여 상기 리니어 액추에이터의 작동 신호를 인가하는 터치유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 컨트롤러 메커니즘.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 중력 보상유닛은,
    각각의 상기 링크유닛의 회전축을 상호 연결하는 케이블과;
    각각의 상기 링크유닛에 배치되고 상기 케이블과 연결되어, 상기 케이블의 장력에 따라 이동되는 보상수단과;
    상기 보상수단에 연결되어, 상기 케이블의 장력에 따라 이동되는 보상수단에 탄성력을 제공하는 탄성수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 컨트롤러 메커니즘.
KR1020170146871A 2017-11-06 2017-11-06 햅틱 컨트롤러 메커니즘 KR101982405B1 (ko)

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