KR102155689B1 - 곡면 상에 배치된 복수의 촉각 생성 진동자를 갖는 햅틱 모듈 및 이를 이용한 촉각 환상 생성 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 햅틱 모듈은 오목한 곡면 형상의 터치홈(112)이 형성된 터치 블럭(110); 상기 터치 블럭(110)의 하부에 배치되는 고정블럭(130,140); 및 상기 고정블럭(130,140) 상에 결합되는 촉각 생성 진동자(150,160);를 포함하며, 상기 촉각 생성 진동자(150,160)의 상단부는 상기 터치홈(112)에 형성된 터치홀(114)을 통해 상기 터치홈(112) 상에 노출된다.
본 발명은 두뇌가 촉감을 인지하는 알고리즘과 독립적으로 제어되는 복수의 촉각 생성 진동자가 곡면 상에 구비된 햅틱 모듈을 이용하여, 실제 물체를 만지는 듯한 촉감을 모사할 수 있게 한다.

Description

곡면 상에 배치된 복수의 촉각 생성 진동자를 갖는 햅틱 모듈 및 이를 이용한 촉각 환상 생성 시스템{A haptic module employing an array of vibrotactile actuators disposed on a curved surface and a system providing a tactile illusion using the haptic module}

본 발명은 복수의 진동자를 갖는 햅틱 모듈 및 이를 이용한 촉각 환상 생성 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인간 두뇌가 촉감을 인지하는 알고리즘과 독립적으로 제어되는 복수의 촉각 생성 진동자가 곡면 상에 구비된 햅틱 모듈을 이용하여, 실제 물체를 만지는 듯한 촉감을 모사할 수 있는 햅틱 모듈 및 이를 이용한 촉각 환상 생성 시스템에 관한 것이다.

터치패널은 상대적으로 큰 화면을 제공함과 동시에 단순하면서 슬림한 디자인이 가능하여, 최근 휴대 단말에까지 적용되고 있다. 빠른 반응속도와 직감적인 조작 가능성에 기인하여 사용자 인터페이스 장치는 점차 터치패널로 변경되는 상황이다.

하지만, 상기한 터치패널은 기계적인 버튼을 이용한 통상의 휴대 단말용 키 패드(keypad)와는 달리, 소프트 버튼들(soft buttons)을 제공하기 때문에 클릭감이 없어 키 입력 오류가 빈번하게 발생하게 된다는 단점이 있다. 더 나아가, 종래의 터치패널 기반의 촉각 피드백 방식은 특정 목적에 따른 정보(예를 들면 터치 여부 등)를 정해진 방식으로 전달하는 방식일 뿐, 사용자가 터치패널을 터치하는 순간의 느낌과, 실제 촉감 피드백을 통하여 제공될 수 있는 다양한 정보 등이 고려되지 않고 있다.

촉감을 이용한 햅틱 피드팩 시스템과 관련한 종래의 문헌으로는 대한민국 공개특허 2010-0072219호를 들 수 있는데, 상기 문헌에서는 사용자가 두 손가락을 이용하여 줌-인 또는 줌-아웃을 할 때 햅틱 피드백을 주는데, 줌-인의 경우 주파수가 점점 높아지는 진동을 주고, 줌-아웃은 진동의 주파수가 점점 낮아 지도록 하여 사용자의 조작을 좀 더 편리하게 한다. 하지만, 이러한 햅틱 피드백 패턴은 미리 제작자가 설정한 패턴에 따라 햅틱 피드백을 사용자에게 제공하는 것으로서 실제 터치패널에 표시되는 객체의 질감이나 촉감을 구체적으로 현실감 있게 전달하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 복수의 촉각 생성 진동자가 곡면 상에 배치된 구조를 통하여 사용자가 가상의 물체를 터치할 때 실제 물체를 만지는 듯한 느낌을 모사 및 생성시킬 수 있는 햅틱 모듈 및 이를 이용한 촉각 환상 생성 시스템을 제공하는 것이 목적이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 햅틱 모듈은 오목한 곡면 형상의 터치홈(112)이 형성된 터치 블럭(110); 상기 터치 블럭(110)의 하부에 배치되는 고정블럭(130,140); 및 상기 고정블럭(130,140) 상에 결합되는 촉각 생성 진동자(150,160);를 포함하며, 상기 촉각 생성 진동자(150,160)의 상단부는 상기 터치홈(112)에 형성된 터치홀(114)을 통해 상기 터치홈(112) 상에 노출된다.

상기 고정블럭(130,140)은 상기 터치 블럭(110)의 하부에 결합되는 제1 고정블럭(130) 및 상기 제1 고정블럭(130)의 하단에 결합되는 제2 고정블럭(140)을 포함하고, 상기 촉각 생성 진동자(150,160)는 상기 제1 고정블럭(130) 상에 결합되는 제1 촉각 생성 진동자(150) 및 상기 제2 고정블럭(140) 상에 결합되는 제2 촉각 생성 진동자(160)를 포함한다.

상기 촉각 생성 진동자(150,160)는 상기 고정블럭(130,140)의 중심으로 각각 복수개가 방사상으로 배치된다.

상기 복수개의 촉각 생성 진동자(150,160)는 각각 고정블럭(130,140)의 진동자 홈(134,144) 상에 안착되는 진동판(151,161), 상기 진동판(151,161)에 고정되는 진동봉(152,162), 상기 진동봉(152,162) 상에 체결되는 이동자(153,163)을 포함한다.

본 발명은 상술한 햅틱 모듈을 이용한 촉각 환상 생성 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 촉각 환상 생성 시스템은 햅틱 모듈(100); 상기 햅틱 모듈(100)에 연결되며, 임의의 물체에 대한 촉각 정보가 저장된 메모리부(200); 상기 메모리부(200)에 저장된 촉각 정보에 대응되도록 상기 햅틱 모듈(100)의 촉각 생성 진동자(150,160)를 진동시키는 제어부(300); 및 상기 메모리부(200)에 손가락의 위치와 같은 사용자(500)의 입력정보를 전달하는 입력장치(400)를 포함하며, 여기에서 상기 촉각 정보는 상기 물체를 사람이 실제 터치함에 따라 느끼는 두뇌의 촉각 정보를 생성시킬 수 있는 진동 정보이다.

상기 촉각 정보는 상기 촉각 생성 진동자에 대한 진동 강도, 진동 주기 및 진동 패턴을 포함한다.

상기 제어부(300)는 상기 햅틱 모듈(100)에서 사용자(500)의 터치가 이루어진 가상의 물체에 근접한 하나 이상의 촉각 생성 진동자를 진동시킨다. 이 때 사용자(500)는 키보드, 마우스, 터치스크린, 제스처 인식 및 3D 위치 인식 등과 같은 입력장치(400)를 사용해 터치가 이루어지는 지점을 선택할 수 있다.

상기 제어부(300)는 인간 피부의 4종류 운동역학 수용기(mechanoreceptor)를 적절히 자극하기 위한, 패턴의 주파수와 진동 폭을 가지는 진동자를 진동시킨다.

본 발명은 두뇌가 촉감을 인지하는 알고리즘과 독립적으로 제어되는 복수의 촉각 생성 진동자가 곡면 상에 구비된 햅틱 모듈을 이용하여, 실제 물체를 만지는 듯한 촉감을 모사할 수 있게 한다. 즉, 본 발명은 햅틱 모듈에 인간의 뇌가 촉감을 인지하는 알고리즘을 적용함으로써, 다양한 패턴의 시공간적 진동자극으로 특정한 물체를 만지고 있는 듯한 촉감을 사용자에게 피드백할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉각 환상 생성 시스템의 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 모듈의 조립된 모습을 보이는 사시도,
도 3은 햅틱 모듈의 분해 사시도,
도 4는 햅틱 모듈을 이루는 제1 고정블럭 상에 촉각 진동자가 배치된 상태를 보이는 사시도, 및
도 5는 햅틱 모듈을 이루는 상단의 터치 블럭의 하부에 촉각 진동자가 밀집된 상태를 보이는 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명에서는 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여, 사람이 실제 물체를 만짐에 따라 느끼는 정보를 햅틱 모듈의 곡면 상에 구비된 복수 개의 촉각 생성 진동자의 진동을 통하여 생성시킨다. 따라서, 실제로는 햅틱 모듈을 터치하고 있음에도 불구하고, 햅틱 모듈에 구비된 진동자를 특정 패턴으로 진동시켜, 사용자는 마치 특정 물체를 만지는 듯한 환상(illusion)을 느끼게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 환상 생성 시스템의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 촉각 환상 생성 시스템은 촉각 생성 진동자가 복수 개 구비된 햅틱 모듈(100)을 포함한다. 본 명세서에서 햅틱 모듈이라 함은 사용자가 일정한 조작에 대한 햅틱 피드백을 받는 모듈로서, 예를 들면 햅틱 피드백이 구비된 터치스크린, 터치패드 등이 본 발명의 햅틱 모듈에 속한다. 여기에서 햅틱 모듈(100)에는 각기 다른 종류의 자극에 반응을 보이는 인간 피부의 4종류 운동역학 수용기(mechanoreceptor)를 적절히 자극하기 위해 다양한 종류의 주파수와 진동 폭을 가지는 진동 요소(vibrational elements)가 구비되며, 상기 진동 요소는 기설정된 촉각 정보에 따라 특정 시공간적 패턴으로 활성화되어, 사람의 피부를 자극하게 된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 진동 요소는 액추에이터를 구비한 진동자이나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 또한 상기 진동자는 서로 독립적으로 진동하거나, 또는 서로 연동되어 움직일 수 있으며, 상기 진동자의 제어는 하기 설명되는 제어부(300)의 조작 명령 신호에 따라 활성화된다.

따라서 본 발명에 따른 촉각 환상 시스템은 다양한 물체에 대한 촉각 정보가 저장된 메모리부(200)를 포함한다. 여기에서 상기 촉각 정보는 두뇌의 촉각 지각 메커니즘에 기초하여 특정 물체를 사람이 실제 터치함에 따라 느끼는 두뇌의 촉각 정보를 상기 햅틱 모듈에서 생성시킬 수 있는 촉각 생성 진동자의 진동 정보에 해당한다. 즉, 햅틱 모듈을 터치함에 따라 진동하는 진동요소 패턴은 특정 촉각을 생성시키는 진동 정보에 기초하며, 이로부터 사용자는 햅틱 모듈을 터치함에 따라 특정 오브젝트를 터치하는 것과 같은 환상 촉각을 얻게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 촉각 환상 생성 시스템은 상기 메모리부(200)는 촉각 정보에 대응되도록 상기 촉각 생성 진동자를 진동시키는 제어부(300)를 포함한다. 여기에서 상기 촉각 정보는 두뇌의 촉각 지각 메커니즘에 기초하여 특정 물체를 사람이 실제 터치함에 따라 느끼는 두뇌의 촉각 정보를 상기 햅틱 모듈에서 생성시킬 수 있는 촉각 생성 진동자의 진동 정보에 해당한다.

본 발명에 따른 촉각 환상 생성 시스템은 키보드, 마우스, 터치스크린, 제스처 인식, 3D 위치 인식장치 등의 인식 수단을 포괄하는 입력장치(400)를 포함한다. 한편, 다른 실시예로서는 햅틱 모듈(100)이 입력장치(400)를 포함하는 형태일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 촉각 정보는 상기 촉각 생성 진동자에 대한 진동 강도, 진동 주기 및 진동 패턴을 포함하며, 상기 제어부는 상기 햅틱 모듈에서 사용자(500)의 입력에 따라 촉각 생성 진동자를 생성시킨다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 촉감 환상 생성 시스템은 사용자의 입력에 피드백하는 방식과 달리, 사용자의 입력과 상관없이 일정한 진동 패턴을 햅틱 모듈로 발생시켜, 사용자가 이를 터치함에 따라 기설정된 촉감을 느끼게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 촉각 환상 생성 시스템은 햅틱 자극을 기반으로 한 임의의 모든 사용자 인터페이스 장치(햅틱 피드백이 구비된 터치스크린 등)에 다 적용될 수 있으며, 상술한 바와 같이 터치-피드백에 본 발명의 범위가 국한되지 않는다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 햅틱 모듈의 구체적인 실시예에 대해 설명한다.

햅틱 모듈(100)은 최상단부에 배치되는 터치 블럭(110), 터치 블럭(110)의 하단에 결합되는 중간 블럭(120), 중간 블럭(120)의 하단에 결합되는 제1 고정블럭(130), 제1 고정블럭(130)의 하단에 결합되는 제2 고정블럭(140), 제1 고정블럭(130) 상에 결합되는 하나 이상의 제1 촉각 생성 진동자(150), 및 제2 고정블럭(140) 상에 결합되는 하나 이상의 제2 촉각 생성 진동자(160)를 포함한다.

터치 블럭(110)은 중앙부에 오목하게 형성된 곡면 형상의 터치홈(112), 터치 블럭(110)을 상하부로 관통하도록 터치홈(112) 상에 형성되는 터치홀(114) 및 터치홈(112)의 일측 상단으로부터 돌출 형성되는 가이드(116)를 포함한다. 상기 터치홈(112)은 일례로서 하부로 볼록한 반구 형상의 곡면체일 수 있다.

중간 블럭(120)은 터치홈(112)의 형상에 대응하도록 하부로 볼록하게 형성되는 완충홈(122) 및 터치홀(114)의 형성 방향을 따라 완충홈(122) 상에 형성되는 연결홀(124)을 포함한다.

제1 고정블럭(130)은 복수개의 제1 촉각 생성 진동자(150)가 고정배치되는 제1 그루브(132), 연결홀(124)의 형성 방향을 따라 제1 그루브(132) 상에 형성되는 제1 진동자 홈(134), 및 복수개의 제1 촉각 생성 진동자(150)와 연결되는 통신선이 거치되는 제1 연통구(138)를 포함한다.

제2 고정블럭(140)은 복수개의 제2 촉각 생성 진동자(160)가 고정배치되는 제2 그루브(142), 연결홀(124)의 형성 방향을 따라 제2 그루브(132) 상에 형성되는 제2 진동자 홈(144), 및 복수개의 제2 촉각 생성 진동자(160)와 연결되는 통신선이 거치되는 제2 연통구(148)를 포함한다.

복수개의 제1 촉각 생성 진동자(150)는 제1 고정블럭(130)의 제1 진동자 홈(134) 상에 안착되는 제1 진동판(151), 제1 진동판(151)에 고정되는 제1 진동봉(152), 제1 진동봉(152) 상에 체결되는 이동자(153)를 포함한다.

제1 촉각 생성 진동자(150)와 동일한 구조를 이루는 것으로서, 복수개의 제2 촉각 생성 진동자(160)는 제2 고정블럭(140)의 제2 진동자 홈(144) 상에 안착되는 제2 진동판(161), 제2 진동판(161)에 고정되는 제2 진동봉(162), 제2 진동봉(162) 상에 체결되는 이동자(163)를포함한다.

상기 제1 촉각 생성 진동자(150)와 제2 촉각 생성 진동자(160)는 각각 제1 진동자 홈(134)과 제2 진동자 홈(144)의 중심을 기준으로 방사 형태로 배치되는 구조일 수 있다.

구체적으로, 복수개의 제1 촉각 생성 진동자(150)는 다단으로 배치될 수 있는데, 일 예로서 제1 진동자 홈(134)의 중심을 기준으로 제1원주 상에 4개가 등간격으로 배치되고, 제1원주보다 큰 직경을 이루는 동심원의 제2원주 상에 8개가 등간격으로 배치되는 구조일 수 있다. 여기에서, 상기 복수개의 제1 촉각 생성 진동자(150)는 반드시 동일한 원주 상에 배치되거나 등간격으로 한정되는 것을 아니고 다른 배치 형태로 하는 것도 당연히 가능하다.

한편, 복수개의 제2 촉각 생성 진동자(160)는 다단으로 배치될 수 있는데, 일 예로서 제2 진동자 홈(144)의 중심에 하나가 배치되고, 제2 진동자 홈(144)의 중심을 기준으로 제3원주 상에 4개가 등간격으로 배치되고, 제3원주보다 큰 직경을 이루는 동심원의 제4원주 상에 8개가 등간격으로 배치되는 구조일 수 있다. 여기에서, 상기 복수개의 제2 촉각 생성 진동자(160)는 반드시 동일한 원주 상에 배치되거나 등간격으로 한정되는 것을 아니고 다른 배치 형태로 하는 것도 당연히 가능하다.

상기 촉각 생성 진동자들(150,160)을 구성하는 진동봉들(152,162)의 상단은 터치 블럭(110)의 터치홀(114)을 통하여 터치홈(112) 상에서 돌출된 상태를 유지할 수 있다. 즉, 사용자가 터치 블럭(110)의 터치홈(112) 상에 손가락을 대는 경우에 촉감을 느낄 수 있는 상태가 된다.

본 발명에 따른 햅틱 모듈(100)은 개별적으로 촉감 감지 신호를 제공하는 복수개의 촉각 생성 진동자들(150,160)이 터치 블럭(110)에 형성된 터치홈(112) 상에서 일정한 행렬을 이루게 배치할 수 있는데, 일 예로서 5×5의 행렬을 이룰 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 햅틱 모듈(100)은 지문이 형성된 사용자의 손가락 끝단이 안정적으로 위치하도록 형성된 곡면 형상의 터치홈(112) 상에 복수의 촉각 생성 진동자들이 접촉 가능하게 배치된다. 상기 상태에서 제어부가 메모리부에 저장된 촉각 정보에 대응되도록 촉각 생성 진동자들을 진동시키게 되고, 사용자는 두뇌의 촉각 지각 메커니즘에 기초하여 촉각 생성 진동자들을 터치함에 따라 느끼는 두뇌의 촉각 정보를 통해 실제 사물 객체를 터치하는 것과 같은 환상 촉각을 얻게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (9)

1. 최상단부에 배치된 상태에서 오목한 곡면 형상의 터치홈(112)이 형성된 터치 블럭(110);
   상기 터치 블럭(110)의 하단에 결합되는 중간 블럭(120);
   상기 중간 블럭(120)의 하단에 결합되는 제1 고정블럭(130);
   상기 제1 고정블럭(130)의 하단에 결합되는 제2 고정블럭(140);
   상기 제1 고정블럭(130) 상에 결합되는 복수의 제1 촉각 생성 진동자(150); 및
   상기 제2 고정블럭(140) 상에 결합되는 복수의 제2 촉각 생성 진동자(160);를 포함하는 햅틱 모듈에 있어서,
   상기 터치 블럭(110)은 중앙부에 오목하게 형성된 상기 터치홈(112) 및 상기 터치 블럭(110)을 상하부로 관통하도록 상기 터치홈(112) 상에 형성되는 터치홀(114)을 포함하고,
   상기 복수의 촉각 생성 진동자(150,160)는 각각 상기 제1,2 고정블럭(130,140)의 진동자 홈(134,144) 상에 안착되는 진동판(151,161), 상기 진동판(151,161)에 고정되는 진동봉(152,162), 상기 진동봉(152,162) 상에 체결되는 이동자(153,163)를 포함하고,
   상기 중간 블럭(120)은 상기 터치홈(112)의 형상에 대응하도록 형성되는 완충홈(122) 및 상기 터치홀(114)의 형성 방향을 따라 상기 완충홈(122) 상에 형성되는 연결홀(124)을 포함하고,
   상기 복수의 촉각 생성 진동자(150,160)는 상기 터치홈(112)과 완충홈(122)의 중심을 기준으로 각각 방사상으로 배치된 상태에서, 상기 연결홀(124)과 터치홀(114)을 순차적으로 통과하는 형태로 상기 햅틱 모듈에 결합되며, 이를 통해 상기 복수의 촉각 생성 진동자(150,160)의 상단부는 상기 터치홈(112)에 형성된 터치홀(114)을 통해 상기 터치홈(112)의 중심부를 향하여 모여지는 상태로 노출되는,
   햅틱 모듈.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 따른 햅틱 모듈(100);
   상기 햅틱 모듈(100)에 연결되며, 임의의 물체에 대한 촉각 정보가 저장된 메모리부(200);
   상기 메모리부(200)에 저장된 촉각 정보에 대응되도록 상기 햅틱 모듈(100)의 복수의 촉각 생성 진동자(150,160)를 진동시키는 제어부(300)를 포함하며,
   여기에서 상기 촉각 정보는 상기 물체를 사람이 실제 터치함에 따라 느끼는 두뇌의 촉각 정보를 생성시킬 수 있는 진동 정보인,
   촉각 환상 생성 시스템.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 촉각 정보는 상기 복수의 촉각 생성 진동자(150,160)에 대한 진동 강도, 진동 주기 및 진동 패턴을 포함하는,
   촉각 환상 생성 시스템.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 햅틱 모듈(100)은 키보드, 마우스, 터치스크린, 제스처 인식 및 3D 위치 인식을 포함하는 그룹 중 어느 하나의 입력장치를 포함하는,
   촉각 환상 생성 시스템.
   
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 제어부(300)는 상기 햅틱 모듈(100)의 터치 블럭(110)을 통해 가해진 사용자의 2D/3D 상의 입력에 따라 상기 복수의 촉각 생성 진동자(150,160) 중 하나 이상의 촉각 생성 진동자를 진동시키는,
   촉각 환상 생성 시스템.
   
9. 제 5 항에 있어서,
   상기 제어부(300)는 인간 피부의 4종류 운동역학 수용기(mechanoreceptor)를 자극하기 위한, 패턴의 주파수와 진동 폭을 가지는 진동자를 진동시키는,
   촉각 환상 생성 시스템.

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