KR102003968B1 - 햅틱 피드백 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 햅틱 피드백 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 햅틱 피드백 장치는 사용자의 팔 또는 손목 부위에 착용되고 둘레 길이가 조절되는 탄력 밴드, 탄력 밴드의 둘레에 부착되어 팽창 또는 수축되는 복수의 탄력 튜브, 그리고 탄력 밴드의 둘레 길이 및 복수의 탄력 튜브의 팽창 수축을 제어하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면 가상 현실이나 증강 현실 환경에서 사용자가 맨손으로 가상의 물체를 만지거나 움직일 때, 움직임에 대한 물리적 피드백을 전달하여 몰입감과 실제감을 증강시킬 수 있다.

Description

햅틱 피드백 장치 및 그 제어 방법{HAPTIC FEEDBACK APPARATUS AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 햅틱 피드백 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 팔 또는 손목 부위에 착용되는 햅틱 피드백 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
가상현실이나 증강현실에서 사용자는 헤드 마운트 디스플레이(Head Mound Display) 장치를 사용하여 가상의 물체를 볼 수 있으며 물리적인 인터페이스 장치를 사용하여 만지는 조작도 가능하다. 특히 실제 세계에서 인간이 주로 손을 사용하여 주변 환경과 상호 작용하는 것을 고려하여, 맨손 기반의 제스처 인식기술이 개발되어 왔는데 Microsoft의 'Kinect Sensor'나 Leap Motion의 'Leap Motion Controller' 등이 잘알려져있다.
현재 가상의 물체를 만지는 조작에서 시각적인 부분에서는 기술의 발전을 통해 현실과 유사한 정도의 피드백을 얻고 있으나, 촉각적인 부분에서는 특별한 햅틱 피드백 장치(예를 들어 외골격 형태나 바이브레이션에 기반한 글로브 등의 물리적 피드백을 사용하는 햅틱 장치들)이 없으면, 사용자에게 상호 작용에 대응하는 피드백을 주기 어려운 상황이다.
최근에 맨손 기반의 제스처 인식장치로 개발된 H2L의 'UnlimitedHand'나 Thalmic Labs의 'Myo Gesture Control Armband'는 사람의 손이나 손가락 움직임에 따른 근육의 미묘한 패턴을 분석하여 제스처 인식에 사용한다. 'UnlimitedHand'의 경우 사용자의 제스처에 따른 가상의 물체와의 상호작용에 대한 피드백으로 물리치료시 사용되는 저주파신호와 유사한 형태로 팔근육을 자극하거나 모터의 진동을 사용한다. 그러나 'UnlimitedHand'는 사용할 때마다 전극에 젤패드를 부착해야 하는 번거로움과 전기신호를 통한 팔근육 자극이 자연스럽지 않고 제어가 쉽지 않은 단점이 있다. 그리고 'Myo armband'의 경우는 피드백을 제공하지 않는다. 앞서 소개한 'Kinect sensor'나 'Leap motion controller'가 현재 기술수준에서는 매우 우수한 맨손 트랙킹 기술을 주고 있으나 촉각 피드백을 제공하지 않아 가상 오브젝트의 중량감을 느끼기 어려운 단점이 있다.
한국공개특허 제2012-0055693호(공개일자: 2012년 5월 31일)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 가상의 물체를 만지거나 움직일 때 중량감이나 마찰력, 반력 등을 표현할 수 있는 햅틱 피드백 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 햅틱 피드백 장치는 사용자의 팔 또는 손목 부위에 착용되고 둘레 길이가 조절되는 탄력 밴드, 상기 탄력 밴드의 둘레에 부착되어 팽창 또는 수축되는 복수의 탄력 튜브, 그리고 상기 탄력 밴드의 둘레 길이 및 상기 복수의 탄력 튜브의 팽창 수축을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 햅틱 피드백 장치는, 상기 탄력 밴드의 둘레에 감겨있는 와이어, 그리고 상기 와이어를 감거나 풀어주는 와이어 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 와이어 구동부를 제어하여 상기 탄력 밴드의 둘레에 감겨있는 와이어 길이를 조절하여 상기 탄력 밴드의 둘레 길이를 조절할 수 있다.
상기 와이어는 상기 탄력 밴드에 삽입될 수 있다.
상기 햅틱 피드백 장치는 상기 복수의 탄력 튜브에 기체를 주입하거나 배출시키는 에어 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 에어 펌프를 제어하여 상기 복수의 탄력 튜브에 주입된 기체량을 조절하여 상기 복수의 탄력 튜브의 팽창 정도를 조절할 수 있다.
상기 제어부는 상기 복수의 탄력 튜브를 선택적으로 팽창 또는 수축시킬 수 있다.
상기 햅틱 피드백 장치는 가상의 물체 또는 환경에 대한 햅틱 정보를 제공받는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 햅틱 정보에 대응하여 상기 탄력 밴드의 둘레 길이 및 상기 복수의 탄력 튜브의 팽창 수축을 제어할 수 있다.
상기 햅틱 피드백 장치는 상기 사용자의 제스처를 인식하는 제스처 인식 장치를 포함할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 피드백 장치의 제어 방법은, 가상의 물체 또는 환경에 대한 햅틱 정보를 제공받는 단계, 그리고 상기 햅틱 정보에 따라 사용자의 팔 또는 손목 부위에 착용되고 둘레 길이가 조절되는 탄력 밴드의 둘레 길이 및 상기 탄력 밴드의 둘레에 부착되어 팽창 또는 수축되는 복수의 탄력 튜브의 팽창 수축을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면 가상 현실이나 증강 현실 환경에서 사용자가 맨손으로 가상의 물체를 만지거나 움직일 때, 움직임에 대한 물리적 피드백을 전달하여 몰입감과 실제감을 증강시킬 수 있다. 특히 기존의 햅틱 피드백이 가상의 물체를 만지거나 움직일 때 중량감이나 마찰력, 반력 등을 표현해주지 못하던 것을 해소할 수 있다. 실제 환경에서 손으로 물체를 만지거나 움직일 때 대상의 무게나 마찰력, 반력에 따라 팔근육이 수축/이완하는 것을 모사한 방식을 사용하여 가상 물체와의 상호작용에서 실제와 유사한 메타포를 제공하여 사용자로 하여금 훈련이나 학습없이 자연스럽게 촉각 피드백을 받아드릴 수 있게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 피드백 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 피드백 장치가 사용자의 팔에 착용된 예를 타나낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 탄력 튜브의 팽창 수축 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 햅틱 피드배 장치의 동작을 설명하는 흐름도이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 피드백 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 피드백 장치가 사용자의 팔에 착용된 예를 타나낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 햅틱 피드백 장치(100)는 탄력 밴드(110), 와이어(120), 복수의 탄력 튜브(130), 와이어 구동부(140), 에어 펌프(150), 제어부(160), 통신부(170) 및 케이스(180)를 포함할 수 있다.
탄력 밴드(110)는 사용자의 팔 또는 손목 부위에 착용되고 둘레 길이가 조절될 수 있다. 탄력 밴드(110)는 탄력을 가지는 소재로 구현되어 사용자의 팔이나 손목의 굵기에 맞추어 늘어날 수 있다.
와이어(120)는 탄력 밴드(110)의 둘레에 감겨있을 수 있다. 바람직하게는 탄력 밴드(110)의 내부로 와이어(120)가 삽입될 수 있다. 와이어(120)가 탄력 밴드(110)의 내부에 삽입되면, 사용자가 와이어(120)의 움직임에 의한 마찰 등으로 부상을 입는 것을 방지할 수 있다. 물론 와이어(120)가 탄력 밴드(110)의 외부 둘레나 내부 둘레에 노출되는 것도 가능하다.
와이어 구동부(140)는 와이어(120)를 감거나 풀어주는 기능을 수행한다. 예컨대 와이어 구동부(140)는 와이어(120)가 감길 수 있는 보빈(도시하지 않음)과 보빈을 회전시키는 모터(도시하지 않음)를 포함하여, 와이어(120)가 탄력 밴드(110)를 감는 길이를 조정할 수 있다.
와이어(120)가 감기면 탄력 밴드(110)가 사용자의 팔이나 손목을 조여서 팔 근육을 수축시킬 수 있으며, 와이어(120)가 풀리면 반대로 팔 근육을 이완시킬 수 있다.
탄력 튜브(130)는 탄력 밴드(110)의 둘레에 부착되어 팽창 또는 수축될 수 있는 탄력 있는 부재로 구현될 수 있다. 탄력 튜브(130)에 공기 등과 같은 기체가 주입되면 탄력 튜브(130)는 팽창되고, 반대로 기체가 배출되면 탄력 튜브(130)는 수축된다.
에어 펌프(150)는 복수의 탄력 튜브(130)에 기체를 주입하거나 배출시키는 기능을 수행한다.
탄력 튜브(130)는 공기가 주입되어 팽창되면 사용자의 팔이나 손목을 조여서 팔 근육을 수축시킬 수 있으며, 반대로 공기가 배출되면 수축되어 팔 근육을 이완시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 탄력 튜브의 팽창 수축 예를 나타낸 도면이다.
도 3(a)는 탄력 튜브가 수축된 예이고, 도 3(b)는 탄력 튜브가 수축된 예이다.
제어부(160)는 햅틱 피드백 장치(100)의 전체적인 동작을 제어한다. 제어부(160)는 탄력 밴드(110)의 둘레 길이 및 복수의 탄력 튜브(130)의 팽창 수축을 제어한다.
구체적으로 제어부(160)는 와이어 구동부(140)를 제어하여 탄력 밴드(110)의 둘레에 감겨있는 와이어 길이를 조절함으로써 탄력 밴드(110)의 둘레 길이를 조절할 수 있다.
그리고 제어부(160)는 에어 펌프(150)를 제어하여 복수의 탄력 튜브(130)에 주입된 기체량을 조절하여 복수의 탄력 튜브(130)의 팽창 정도를 조절할 수 있다. 한편 도 3(a) 및 도 3(b)에서는 복수의 탄력 튜브(130)가 동시에 팽창 또는 수축된 경우를 예시하였으나, 실시예에 따라서 제어부(160)는 복수의 탄력 튜브(130)를 선택적으로 팽창 또는 수축시킬 수도 있다. 예컨대 사용자가 팔을 휘두르는 방향에 위치한 탄력 튜브(130)는 팽창시키고, 팔을 휘두르는 방향과 반대 방향에 위치한 탄력 튜브(130)는 수축시키거나 그대로 유지시키는 방식으로 제어하는 것도 가능하다.
통신부(170)는 외부 장치(도시하지 않음)와 각종 정보 및 데이터를 교환할 수 있다. 통신부(170)는 외부 장치로부터 가상의 물체 또는 환경에 대한 햅틱 정보를 제공받을 수 있으며, 이를 위해 통신부(170)는 와이파이, 블루투스, NFC 등의 근거리 무선 통신 기능을 제공할 수 있다. 물론 통신부(170)는 케이블을 통한 유선 통신 기능을 제공할 수도 있다.
제어부(160)는 외부 장치로부터 제공되는 햅틱 정보에 대응하여 탄력 밴드(110)의 둘레 길이 및 복수의 탄력 튜브(130)의 팽창 수축을 제어함으로써, 사용자에게 중량감이나 반력 등을 느끼게 하고, 이에 의해 가상의 물체 또는 환경에 대한 사용자의 실제감과 몰입감을 높일 수 있다.
외부 장치는 키넥트 센서(Kinect sensor)나 립 모션 컨트롤러(Leap motion controller) 등과 같은 제스처 인식 장치 등을 포함할 수 있다. 제스처 인식 장치는 사용자의 손짓이나 몸짓 등을 비전(vision) 기반으로 인식하거나, 사용자의 신체에 착용된 관성 센서 등을 통해 사용자의 제스처를 인식하는 장치일 수 있다. 그리고 외부 장치는 인식된 사용자의 제스처에 따라 실제 가상의 환경이나 물체와 상호작용하는 효과를 내게 하는 햅틱 정보를 생성하여 햅틱 피드백 장치(100)에 제공할 수 있다.
따라서 외부 장치가 가상 현실이나 증강 현실에 존재하는 가상의 오브젝트와의 상호 작용시 몰입감과 실제감을 높이기 위한 적절한 중량감이나 반력을 표현하기 위한 햅틱 정보를 생성하여 전달하면, 제어부(160)는 그에 따라 탄력 밴드(110)의 둘레 길이 및 복수의 탄력 튜브(130)의 팽창 수축을 제어하여, 사용자의 팔 또는 손목 부위를 조이거나 풀어줌으로써 팔근육 등에 대한 압박 세기를 조정하여 사용자가 느끼는 실제감을 증강시킬 수 있다.
케이스(180)는 와이어 구동부(140), 에어 펌프(150), 제어부(160) 및 통신부(170) 등의 구성 요소를 내부에 수용하고 보호하는 기능을 수행할 수 있다. 케이스(180)의 형태나 케이스(180)에 수용되는 구성 요소 등은 실시예에 따라 달라질 수 있다.
한편 관성 센서 등을 통해 사용자 제스처를 인식하는 제스처 인식 장치는 본 발명에 따른 햅틱 피드백 장치(100)에 포함되어, 케이스(180) 내에 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 햅틱 피드배 장치의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 4를 참고하면, 먼저 제스처 인식 장치는 사용자의 제스처를 인식하고(S410), 단계(S410)에서 인식된 사용자의 제스처에 실제 가상의 환경이나 물체와 상호작용하는 효과를 내게 하는 햅틱 정보를 생성하여 햅틱 피드백 장치(100)에 제공할 수 있다(S420).
햅틱 피드백 장치(100)는 햅틱 정보에 따라 탄력 밴드(110)의 둘레 길이 및 복수의 탄력 튜브(130)의 팽창 수축을 제어하여, 사용자의 팔 또는 손목 부위를 조이거나 풀어줌으로써 팔근육 등에 대한 압박 세기를 조정하여 사용자가 느끼는 실제감을 증강시킬 수 있다(S430).
본 발명의 실시예는 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체를 포함한다. 이 매체는 앞서 설명한 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한다. 이 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 이러한 매체의 예에는 하드디스크, 플로피디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 자기-광 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 구성된 하드웨어 장치 등이 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 햅틱 피드백 장치
110: 탄력 밴드
120: 와이어
130: 탄력 튜브
140: 와이어 구동부
150: 에어 펌프
160: 제어부
170: 통신부
180: 케이스

Claims (12)

  1. 사용자의 팔 또는 손목 부위에 착용되고 둘레 길이가 조절되는 탄력 밴드,
    상기 탄력 밴드의 둘레에 부착되어 팽창 또는 수축되는 복수의 탄력 튜브,
    상기 탄력 밴드의 둘레 길이 및 상기 복수의 탄력 튜브의 팽창 수축을 제어하는 제어부,
    상기 탄력 밴드의 둘레에 감겨있는 와이어, 그리고
    상기 와이어를 감거나 풀어주는 와이어 구동부
    를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 와이어 구동부를 제어하여 상기 탄력 밴드의 둘레에 감겨있는 와이어 길이를 조절하여 상기 탄력 밴드의 둘레 길이를 조절하며, 상기 복수의 탄력 튜브 중 일부를 선택적으로 팽창시키고, 상기 복수의 탄력 튜브 중 나머지를 선택적으로 수축시키거나 유지시키는 햅틱 피드백 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에서,
    상기 와이어는 상기 탄력 밴드에 삽입되는 햅틱 피드백 장치.
  4. 제 1 항에서,
    상기 복수의 탄력 튜브에 기체를 주입하거나 배출시키는 에어 펌프
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 에어 펌프를 제어하여 상기 복수의 탄력 튜브에 주입된 기체량을 조절하여 상기 복수의 탄력 튜브의 팽창 정도를 조절하는 햅틱 피드백 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항, 제 3항 및 제 4 항 중 어느 한 항에서,
    가상의 물체 또는 환경에 대한 햅틱 정보를 제공받는 통신부
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 햅틱 정보에 대응하여 상기 탄력 밴드의 둘레 길이 및 상기 복수의 탄력 튜브의 팽창 수축을 제어하는 햅틱 피드백 장치.
  7. 제 6 항에서,
    상기 사용자의 제스처를 인식하는 제스처 인식 장치를 포함하는 햅틱 피드백 장치.
  8. 가상의 물체 또는 환경에 대한 햅틱 정보를 제공받는 단계, 그리고
    상기 햅틱 정보에 따라 사용자의 팔 또는 손목 부위에 착용되고 둘레 길이가 조절되는 탄력 밴드의 둘레 길이 및 상기 탄력 밴드의 둘레에 부착되어 팽창 또는 수축되는 복수의 탄력 튜브의 팽창 수축을 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 탄력 밴드의 둘레에 감겨있는 와이어를 감거나 풀어줌으로써 상기 탄력 밴드의 둘레에 감겨있는 와이어 길이를 조절하여 상기 탄력 밴드의 둘레 길이를 조절하며, 상기 복수의 탄력 튜브 중 일부를 선택적으로 팽창시키고, 상기 복수의 탄력 튜브 중 나머지를 선택적으로 수축시키거나 유지시키는 햅틱 피드백 장치의 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에서,
    상기 복수의 탄력 튜브에 기체를 주입하거나 배출시킴으로써 상기 복수의 탄력 튜브에 주입된 기체량을 조절하여 상기 복수의 탄력 튜브의 팽창 정도를 조절하는 햅틱 피드백 장치의 제어 방법.
  11. 삭제
  12. 제 8 항에서,
    제스처 인식 장치에서 인식된 사용자의 제스처에 따라 상기 햅틱 정보를 제공하는 햅틱 피드백 장치의 제어 방법.
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