KR102034023B1 - 핸드 햅틱 장치 - Google Patents

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KR102034023B1
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 핸드 햅틱 장치는, 사용자의 손에 끼워지는 장갑 형태의 장갑몸체 및 상기 장갑몸체에 구비되며, 시뮬레이션의 대상체에 접촉되는 경우 접촉되는 면에 해당하는 만큼 상기 사용자에게 촉각 피드백을 제공하는 촉각 피드백 햅틱부를 포함할 수 있다.

Description

핸드 햅틱 장치{Hand Haptic Device}
본 발명은 핸드 햅틱 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 촉감 피드백 햅틱부를 통해서 수술 시뮬레이션 시 발생 가능한 촉감을 정확하면서도 실제적으로 피드백받을 수 있으며, 이를 통해 수술 시뮬레이션의 훈련 효과를 극대화할 수 있는 핸드 햅틱 장치에 관한 것이다.
햅틱(Haptic)이란, 컴퓨터의 기능 가운데 사용자의 입력 장치인 키보드와 마우스, 조이스틱 등을 통해 촉각과 힘, 운동감 등을 느끼게 하는 기술로서, 컴퓨터 촉각기술이라고 불리기도 한다. 햅틱 기술은 크게 힘 피드백과 촉각 피드백 두 영역으로 나눌 수 있는데, 이 중 힘 피드백은 기계적 인터페이스를 이용하여 사용자에게 힘과 운동감을 느끼도록 하는 기술로 이미 일상 생활의 여러 분야에서 경험해볼 수 있다.
한편, 촉각 피드백에 가장 많이 활용되고 있는 분야는 의학 분야이다. 의학 분야에서도 가상 현실을 이용하여 수술 시뮬레이션 등을 실행하는데, 이 때 햅틱 기술의 촉각 피드백이 사용되는 것이다.
인체의 내부를 수술하는 상황에서는 카메라와 수술 도구에 전해지는 감각에 의존해서 수술을 진행해야 하기 때문에 수술 시 받을 수 있는 촉각에 대한 피드백이 무엇보다 중요한 것이다.
전술한 촉각 피드백이 적용되는 의료 장치로는 핸드 햅틱 장치가 있다. 기존의 핸드 햅틱 장치는, 예를 들면 대한민국 특허 출원번호 10-2015-0092859호에 개시된 것처럼, 장갑과 이에 부착된 복수 개의 진동자를 포함할 수 있다. 이러한 핸드 햅틱 장치를 예를 들면 의사가 끼고 수술 시뮬레이션을 실행하는 경우, 진동자가 진동하여 촉각을 느낄 수 있는 것이다.
그런데, 종래의 핸드 햅틱 장치에 있어서는, 진동자가 장갑에 부분적으로 붙어 있어 물체에 대한 정확한 촉각 피드백을 할 수 없다는 한계가 있다. 의사가 정확한 촉각 피드백을 받을 수 없어 실제 수술과 촉각이 다름으로 시뮬레이션의 의미가 약해지는 것이다.
따라서, 수술 시뮬레이션 시 실제와 같은 촉각을 피드백할 수 있는 새로운 구성의 핸드 햅틱 장치의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 촉감 피드백 햅틱부를 통해서 수술 시뮬레이션 시 발생 가능한 촉감을 정확하면서도 실제적으로 피드백받을 수 있으며, 이를 통해 수술 시뮬레이션의 훈련 효과를 극대화할 수 있는, 핸드 햅틱 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 핸드 햅틱 장치는, 사용자의 손에 끼워지는 장갑 형태의 장갑몸체; 및 상기 장갑몸체에 구비되며, 시뮬레이션의 대상체에 접촉되는 경우 접촉되는 면에 해당하는 만큼 상기 사용자에게 촉각 피드백을 제공하는 촉각 피드백 햅틱부;를 포함하며, 이러한 구성에 의해서, 촉감 피드백 햅틱부를 통해서 수술 시뮬레이션 시 발생 가능한 촉감을 정확하면서도 실제적으로 피드백받을 수 있으며, 이를 통해 수술 시뮬레이션의 훈련 효과를 극대화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 촉각 피드백 햅틱부의 작동을 선택적이고 부분적으로 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 촉각 피드백 햅틱부는 상기 장갑몸체에 구비되는 5개의 손가락 부분에 각각 구비되며, 각각의 상기 손가락 부분의 양단부에 이르기까지 연속적으로 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 촉각 피드백 햅틱부는, 상기 대상체에 접촉 가능한, 장갑 커버부재; 상기 장갑 커버부재의 내측에서 상기 장갑 커버부재의 형성 방향을 따라 연속적으로 배치되는 복수 개의 채널부재들; 및 상기 복수 개의 채널부재들을 사이에 두고 상기 장갑 커버부재의 반대편에서 상기 복수 개의 채널부재들을 덮으며, 상기 장갑몸체의 상기 손가락 부분에 부착되는 채널 커버부재;를 포함하며, 상기 장갑 커버부재가 상기 대상체에 접촉되는 경우, 상기 복수 개의 채널부재들 중 상기 대상체에 접촉되는 상기 장갑 커버부재의 영역에 배치되는 상기 채널부재들만이 팽창되어 상기 채널 커버부재를 가압함으로써 상기 장갑몸체를 낀 상기 사용자에게 국부적인 촉각 피드백이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 복수 개의 채널부재들을 팽창시키기 위한 가압력을 제공하는 가압력 제공부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 대상체에 대한 상기 촉각 피드백 햅틱부의 상호 작용에 기초하여 상기 복수 개의 채널부재들 중 해당 채널부재들에 한해 가압력을 제공하도록 상기 가압력 제공부의 작동을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 제어부는 상기 장갑 커버부재가 상기 대상체에 접촉되는 세기에 비례하여 상기 해당 채널부재들에 대한 상기 가압력 제공부의 가압력 제공 정도를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 가압력 제공부는, 상기 복수 개의 채널부재들 각각에 구비되어 전류 인가 시 변형되어 상기 채널부재를 팽창시키는 압전소자들 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 가압력 제공부는, 상기 손가락 부분에 각각 구비되는 상기 촉각 피드백 햅틱부에 연결되는 가압력 연결 라인; 및 상기 가압력 연결 라인으로 공기 유압을 제공하는 공기 유압 제공부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 핸드 햅틱 장치는 의학 분야의 수술 시뮬레이션 시 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 촉감 피드백 햅틱부를 통해서 수술 시뮬레이션 시 발생 가능한 촉감을 정확하면서도 실제적으로 피드백받을 수 있으며, 이를 통해 수술 시뮬레이션의 훈련 효과를 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드 햅틱 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1을 다른 방향에서 바라본 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 촉각 피드백 햅틱부의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핸드 햅틱 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 촉각 피드백 햅틱부의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드 햅틱 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1을 다른 방향에서 바라본 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 촉각 피드백 햅틱부의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드 햅틱 장치(100)는, 수술 시뮬레이션 시 햅틱(haptic) 기술을 이용하여 힘 피드백 및 촉각 피드백을 받는 장치로서, 의사와 같은 사용자의 손에 끼워지는 장갑 타입의 장갑몸체(110)와, 장갑몸체(110)에 구비되어 사용자에게 촉각 피드백을 제공하는 촉각 피드백 햅틱부(130)과, 촉각 피드백 햅틱부(130)의 작동을 선택적이면서도 부분적으로 제어하는 제어부(150)를 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 수술 시뮬레이션 시 실제와 같은 촉각을 사용자에게 피드백할 수 있어 사용자의 시뮬레이션 훈련 효과를 극대화할 수 있다.
각각의 구성에 대해 설명하면, 먼저 본 실시예의 장갑몸체(110)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 장갑 타입으로 마련되어 사용자가 원활하게 끼거나 벗을 수 있다. 이러한 장갑몸체(110)는 사용자가 만지는 대상체(101, 예를 들면 수술 도구)의 촉감을 잘 느낄 수 있게 하면서도 사용자가 손을 편안하게 사용할 수 있도록 매우 유연하면서도 탄력성이 있는 재질로 마련될 수 있다.
한편, 본 실시예의 촉감 피드백 햅틱부(130)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 장갑몸체(110)의 각 손가락 부분(111)에 장착되어 수술 시뮬레이션 시 대상체(101)에 접촉되는 경우 접촉되는 부분만큼 촉감을 피드백할 수 있다.
전술한 것처럼, 종래의 핸드 햅틱 장치에도 촉감을 제공하는 진동자와 같은 구성이 있었지만 진동자가 국부적으로 마련됨으로써 촉감을 사실성 있게 전달하기에 부족한 부분이 있었다. 그러나 본 실시예의 촉감 피드백 햅틱부(130)의 경우 장갑몸체(110)의 손가락 부분(111), 즉 대상체(101)에 닿을 수 있는 장갑몸체(110)의 손가락 부분(111)의 전 영역에 걸쳐 장착되기 때문에, 사용자에게 촉감 피드백을 실제적이면서도 효과적으로 전달할 수 있는 것이다.
본 실시예의 촉감 피드백 햅틱부(130)는, 도 2에 도시된 것처럼, 장갑몸체(110)의 각 손가락 부분(111)에서 양단부에 이르기까지 길게(연속적으로) 구비될 수 있다. 다시 말해 촉감 피드백 햅틱부(130)가 손가락 부분(111)의 길이에 대응되는 직사각 형상으로 마련되어 손가락 부분(111)에 장착되는 것이다.
이러한 촉감 피드백 햅틱부(130)는, 도 1의 확대도에 도시된 바와 같이, 대상체(101)에 직접 접촉되는 장갑 커버부재(131)와, 장갑 커버부재(131)의 내측에서 장갑 커버부재(131)의 형성 방향을 따라 연속적으로 배치되는 복수 개의 채널부재(133)들과, 채널부재(133)들을 사이에 두고 장갑 커버부재(131)의 반대편에 배치되는 채널 커버부재(135)를 포함할 수 있다. 이처럼 다층 구조를 갖는 촉감 피드백 햅틱부(130)가 장갑몸체(110)의 손가락 부분(111)에 부착되는 것이다.
이러한 구성으로 인해, 장갑 커버부재(131)가 수술 시뮬레이션 중 대상체(101)에 접촉되는 경우 복수 개의 채널부재(133)들 중 대상체(101)에 접촉되는 장갑 커버부재(131)의 영역에 배치되는 채널부재(133)들만이 채널 커버부재(135) 방향으로 팽창되고, 이를 통해 채널 커버부재(135)를 가압함으로써 장갑몸체(110)를 낀 사용자에게 국부적인 촉감 피드백을 제공할 수 있다.
한편, 본 실시예의 핸드 햅틱 장치(100)는, 전술한 촉감 피드백 햅틱부(130)의 채널부재(133)의 팽창을 가능하게 하기 위해서 채널부재(133)들로 가압력을 제공하는 가압력 제공부(160)를 더 포함한다. 그리고 이러한 가압력 제공부(160)는 전술한 제어부(150)로부터 주어지는 명령 신호에 의해서 채널부재(133)들 중 선택된 채널부재(133)들로 가압력을 제공할 수 있다.
도 3을 참조하면, 가령 사용자가 원기둥 바아 형상의 대상체(101)를 파지하는 경우, 복수 개의 채널부재(133)들 중 장갑 커버부재(131)가 대상체(101)에 닿는 영역에 배치된 채널부재(133)들만이 팽창되는데 이 때 제어부(150)의 제어 신호에 의해서 가압력 제공부(160)는 작동하여 선택된 채널부재(133)들만을 팽창시킬 수 있는 것이다.
그러면, 도 3의 우측 도면에 도시된 것처럼, 팽창된 채널부재(133)들에 대응되는 채널 커버부재(135)의 일부분만이 다른 부분에 비해 돌출되어 장갑몸체(110)의 손가락 부분(111)을 가압할 수 있고, 이를 통해 사용자는 촉감 피드백을 정확하게 받을 수 있다.
본 실시예의 가압력 제공부(160)에서 가압력은 공기 유압일 수 있다. 도 2를 참조하면, 가압력 제공부(160)는 손가락 부분(111)에 각각 구비되는 촉각 피드백 햅틱부(130)에 연결되는 가압력 연결 라인(161)과, 가압력 연결 라인(161)으로 공기 유압을 제공하는 공기 유압 제공부재(165)를 포함할 수 있다.
다만, 도 2에서는 가압력 연결 라인(161) 및 공기 유압 제공부재(165)가 손바닥 부분에 배치되는 것처럼 도시하였으나, 이는 구성을 설명하기 위한 개념 도면으로서, 가압력 연결 라인(161) 및 공기 유압 제공부재(165)는 사람의 손 동작 시 간섭이 발생되지 않는 손등 부분에 장착될 수 있다.
여기서, 공기 유압 제공부재(165)는 제어부(150)의 제어에 의해서 작동하여 촉감 피드백 햅틱부(130)로 공기 유압을 제공하는 것인데, 예를 들면 마이크로 펌프가 적용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 각각의 촉각 피드백 햅틱부(130)로 연결되는 개별적인 가압력 연결 라인(161)에 마이크로 펌프(165)가 장착될 수 있으며, 따라서 제어부(150)의 제어에 의해서 촉각 피드백 햅틱부(130)가 개별 작동할 수 있는 것이다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 공기 유압 제공부재(165)로 에어 실린더 등이 적용될 수 있음은 당연하다. 촉감 피드백 햅틱부(130)의 선택된 채널부재(133)들로 공기 유압을 제공할 수 있다면 다른 제공 방식이 적용될 수 있음은 당연한 것이다.
한편, 전술한 것처럼, 사용자가 수술 시뮬레이션 시 촉감 피드백 햅틱부(130)에 대상체(101)가 접촉되는 경우 접촉된 영역에 해당되는 채널부재(133)만이 팽창하여 사용자에게 촉감 피드백을 줄 수 있다. 그런데 이 때 촉감 피드백 햅틱부(130)가 대상체(101)에 접촉되는 세기에 비례하여 채널부재(133)에 주어지는 가압력 제공 정도를 조절할 수 있으며 이로 인해 사용자에게 주어지는 촉감 피드백의 크기 역시 조절할 수 있다.
다시 말해, 촉감 피드백 햅틱부(130)를 통해서, 사용자에게 접촉이 이루어지는 정확한 지점에서의 촉감을 피드백할 수 있을 뿐만 아니라 촉감의 세기 역시 조절하여 제공함으로써 사용자에게 실제 수술과 같은 시뮬레이션 효과를 제공할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉감 피드백 햅틱부(130)를 통해서 수술 시뮬레이션 시 발생 가능한 촉감을 정확하면서도 실제적으로 피드백받을 수 있으며, 이를 통해 수술 시뮬레이션의 훈련 효과를 극대화할 수 있다. 예를 들면, 촉감 피드백 햅틱부(130)를 통해서 외과 수술 시뮬레이션 시 수술 도구로부터 전달되는 촉감을 정확하게 피드백 받을 수 있는 것이다.
한편, 이하에서는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 핸드 햅틱 장치의 구성에 대해서 설명하되 전술한 일 실시예의 핸드 햅틱 장치와 실질적으로 대응되는 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 핸드 햅틱 장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 촉각 피드백 햅틱부의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 핸드 햅틱 장치(200)는, 장갑몸체(210)와, 촉각 피드백 햅틱부(230)와, 제어부(250)를 포함하는데, 촉각 피드백 햅틱부(230)의 구성에 있어서 전술한 일 실시예와 차이가 있다.
본 실시예의 촉각 피드백 햅틱부(230)는, 도 4에 도시된 것처럼, 압전소자의 압전 원리를 이용하는 것으로서, 복수 개의 채널부재(233)들 각각에 구비되는 압전소자(234)들을 더 포함한다.
도 4를 참조하면, 가령 사용자가 원기둥 바아 형상의 대상체(101)를 파지하는 경우, 복수 개의 채널부재(233)들 중 장갑 커버부재가 대상체(101)에 닿는 영역에 배치된 채널부재(233)들만이 팽창된다. 그런데 이 때 도 5에 도시된 제어부(250)는 가압력 제공부로서의 전류 인가부재(260)를 통해서 선택된 채널부재(233)에만 전류를 인가함으로써 선택된 채널부재(233)만이 도 4의 우측 도면에 도시된 것처럼 팽창된다.
그리고 팽창된 채널부재(233)들에 대응되는 채널 커버부재(235)의 일부분만이 다른 부분에 비해 돌출되어 장갑몸체(210)의 손가락 부분(211)을 가압할 수 있고, 이를 통해 사용자는 촉감 피드백을 정확하게 받을 수 있게 되는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 있어서도, 압전 방식의 햅틱 기술을 이용한 촉감 피드백 햅틱부(230)를 통해서 수술 시뮬레이션 시 발생 가능한 촉감을 정확하면서도 실제적으로 피드백받을 수 있으며, 이를 통해 수술 시뮬레이션의 훈련 효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다.
한편, 전술한 실시예에서는, 핸드 햅틱 장치가 외과 수술 시뮬레이션에 적용되는 경우에 대해서 상술하였으나, 본 장치의 적용 분야가 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 항공기, 전투기, 차량, 게임 등과 같이 감각적이면서도 실제적인 요소가 필요한 다양한 분야에 적용 가능함은 당연하다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 핸드 햅틱 장치
110 : 장갑몸체
111 : 손가락 부분
130 : 촉각 피드백 햅틱부
131 : 장갑 커버부재
133 : 채널부재
135 : 채널 커버부재
150 : 제어부
160 : 가압력 제공부

Claims (9)

  1. 사용자의 손에 끼워지는 장갑 형태의 장갑몸체;
    상기 장갑몸체에 구비되며, 시뮬레이션의 대상체에 접촉되는 경우 접촉되는 면에 해당하는 만큼 상기 사용자에게 촉각 피드백을 제공하는 촉각 피드백 햅틱부; 및
    상기 촉각 피드백 햅틱부의 작동을 선택적이고 부분적으로 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 촉각 피드백 햅틱부는 상기 장갑몸체에 구비되는 5개의 손가락 부분에 전 영역에 걸쳐 각각 구비되며, 각각의 상기 손가락 부분의 양단부에 이르기까지 연속적으로 구비되고,
    상기 촉각 피드백 햅틱부는,
    상기 대상체에 접촉 가능한, 장갑 커버부재;
    상기 장갑 커버부재의 내측에서 상기 장갑 커버부재의 형성 방향을 따라 연속적으로 배치되는 복수 개의 채널부재들; 및
    상기 복수 개의 채널부재들을 사이에 두고 상기 장갑 커버부재의 반대편에서 상기 복수 개의 채널부재들을 덮으며, 상기 장갑몸체의 상기 손가락 부분에 부착되는 채널 커버부재;
    를 포함하며,
    상기 장갑 커버부재가 상기 대상체에 접촉되는 경우, 상기 복수 개의 채널부재들 중 상기 대상체에 접촉되는 상기 장갑 커버부재의 영역에 배치되는 상기 채널부재들만이 팽창되어 상기 채널 커버부재를 가압함으로써 상기 장갑몸체를 낀 상기 사용자에게 국부적인 촉각 피드백이 제공되고,
    상기 복수 개의 채널부재들을 팽창시키기 위한 가압력을 제공하는 가압력 제공부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 대상체에 대한 상기 촉각 피드백 햅틱부의 상호 작용에 기초하여 상기 복수 개의 채널부재들 중 해당 채널부재들에 한해 가압력을 제공하도록 상기 가압력 제공부의 작동을 제어하고,
    상기 제어부는 상기 장갑 커버부재가 상기 대상체에 접촉되는 세기에 비례하여 상기 해당 채널부재들에 대한 상기 가압력 제공부의 가압력 제공 정도를 제어하고,
    상기 가압력 제공부는,
    상기 복수 개의 채널부재들 각각에 구비되어 전류 인가 시 변형되어 상기 채널부재를 팽창시키는 압전소자들을 포함하거나,
    상기 손가락 부분에 각각 구비되는 상기 촉각 피드백 햅틱부에 연결되는 가압력 연결 라인; 및
    상기 가압력 연결 라인으로 공기 유압을 제공하는 공기 유압 제공부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 핸드 햅틱 장치.
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  9. 제1항에 있어서,
    상기 핸드 햅틱 장치는 의학 분야의 수술 시뮬레이션 시 사용되는 것을 특징으로 하는 핸드 햅틱 장치.
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