KR102352605B1 - 전자석을 이용하여 조종반력을 생성하는 원격 조종장치 - Google Patents

전자석을 이용하여 조종반력을 생성하는 원격 조종장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자석을 이용하여 조종반력을 생성하는 원격 조종장치에 관한 발명이다. 본 발명에서는 조종간 및 조종간을 둘러싸는 지점에 전자석을 배치하여, 전자석에 의한 척력에 의해 원격 조종장치에 조종반력이 생성되도록 한다. 본 발명에서는 전자석에 흐르는 전류를 조정하여 조종반력의 조절이 가능하다.
본 발명에 따르면 조종반력을 생성하기 위해 전자석을 사용하므로, 원격 조종장치의 소형화가 가능하다. 또한 대상체(object)의 상태에 따라 전자석에 흐르는 전류를 조정하여 조종반력을 조절하므로, 사용자에게 대상체의 상태에 대한 정보를 피드백할 수 있다. 사용자는 피드백 받은 정보를 반영하여 대상체를 조종할 수 있고, 대상체의 상태에 적합한 조종명령을 내릴 수 있으므로 조종 안정성 및 조종 운용성이 증대될 수 있다.

Description

전자석을 이용하여 조종반력을 생성하는 원격 조종장치{REMOTE CONTROLLER WITH FORCE FEEDBACK USING ELECTROMAGNETS}
본 발명은 원격 조종장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자석을 이용하여 조종반력을 생성하는 원격 조종장치에 관한 것이다.
원격 조종장치는 좁게는 원격지의 대상체(object)의 움직임을 제어하는 조종장치와 넓게는 시뮬레이션 상의 대상체의 움직임을 제어하는 조종장치를 포함한다. 원격 조종장치는 비행체, 자동차, 로봇 등 다양한 대상체의 움직임을 제어하기 위해 사용되며, 비행체의 6-DOF 모션, 자동차의 3-DOF 모션, 또는 로봇 암의 모션 등 다양한 움직임을 제어하기 위해 사용된다.
대상체를 직접 조종하지 않는 원격 조종장치의 특성상, 사용자는 조종 결과에 따른 대상체의 움직임을 체감할 수 없다. 즉, 사용자는 대상체에 탑승하는 등 대상체를 직접 조종하는 경우에 비해 조종 결과에 대한 제한된 피드백을 받게 된다. 제한된 피드백은 대상체에 과부하 또는 고장을 일으키는 조종 명령의 원인이 될 수 있다.
조종반력(force feedback)은 원격 조종장치에 향상된 피드백을 제공할 수 있는 기능이다. 조종반력이 적용된 원격 조종장치의 조종간에는 조종 결과로 힘이 되돌아 오고, 사용자는 조종간으로 전달되는 힘을 통해 대상체의 움직임에 대한 피드백을 얻을 수 있다.
종래의 원격 조종장치는 조종간에 모터 및 감속기를 장착하고 모터구동을 위한 전자보드를 배치하여 토크 제어를 통해 조종반력을 생성하였다. 그런데 이러한 방식은 부품들의 크기와 복잡한 구성으로 인해 원격 조종장치의 소형화가 어려운 단점이 있다.
이에, 본 발명에서는 소형화가 가능하도록 전자석을 이용하여 조종반력을 생성하는 원격 조종장치를 제안하고자 한다. 나아가 본 발명에서는 대상체의 상태에 따라 조종반력을 조절하여 생성하는 원격 조종장치를 제안하고자 한다.
한국특허등록 제10-0851112호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 조종반력이 적용된 원격 제어장치를 소형화할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 전자석을 이용하여 원격 제어장치에 조종반력을 생성하고 조절하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 대상체의 상태에 따라 조종반력을 생성하는 원격 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 조작부의 이동변위에 따라 대상체의 움직임을 제어하는 원격 조종장치에 있어서, 상기 원격 조종장치는 상기 대상체와 통신채널을 형성하고, 상기 대상체로부터 상태정보를 수신하는 통신부; 상기 조작부의 이동변위를 측정하는 이동변위 센서; 상기 상태정보 및 상기 이동변위 센서에서 측정된 변위량에 따라 제어신호를 생성하는 중앙 제어부; 상기 제어신호에 따라 전류를 인가하는 전류 발생부; 및 상기 인가된 전류에 의해 자력을 생성하는 전자석을 포함하는 조종반력 생성부를 포함하되, 상기 조작부는 상기 조작부의 일측에 위치하고 자력을 생성하는 조종반력 작용부를 포함하고, 상기 조종반력 생성부와 상기 조종반력 작용부의 자력에 의해 상기 조작부에 조종반력이 생성되고, 상기 상태정보 및 조작부의 변위량에 따른 제어신호에 의해 상기 인가되는 전류가 조정됨으로써 상기 조종반력이 조절될 수 있다.
또한 상기 원격 조종장치의 상기 조종반력 작용부는 상기 인가된 전류에 의해 자력을 생성하는 전자석을 포함할 수 있다.
또한 상기 원격 조종장치의 상기 조작부는 타측에 사용자로부터 조종입력을 받는 그립부를 더 포함하고, 상기 조작부는 상기 조종입력에 따라 양측의 사이에 위치하는 회전중심을 중심으로 회전하고, 상기 조작부의 변위량은 상기 조작부의 회전각의 크기일 수 있다.
또한 상기 원격 조종장치의 상기 중앙 제어부는 상기 대상체의 상태정보에 따라 가중치를 선택적으로 적용한 제어신호를 생성할 수 있다.
또한 상기 원격 조종장치의 상기 중앙 제어부는 상기 상태정보에 따라 최대 조종반력이 생성되도록 제어신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따르면 조종반력을 생성하기 위해 전자석을 사용하므로, 원격 조종장치의 소형화가 가능하다. 따라서 조종반력이 적용된 원격 조종장치를 이동식으로 사용할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 조종반력을 생성하기 위해 전자석을 사용하므로, 전자석에 흐르는 전류를 조정하여 조종반력을 조절할 수 있다.
또한 대상체의 상태에 따라 조종반력을 조절하여, 사용자에게 대상체의 상태에 대한 정보를 피드백 할 수 있다. 사용자는 피드백 받은 정보를 반영하여 대상체를 조종할 수 있고, 대상체의 상태에 적합한 조종명령을 내릴 수 있으므로 조종 안정성 및 조종 운용성이 증대될 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 조종장치의 모식도를 나타낸다.
도 2는 원격 조종장치의 하우징에 장착된 조작부의 단면도를 나타낸다.
도 3 및 도 4는 조종반력을 생성하는 방법을 나타낸다.
도 5는 조종반력 생성부와 조종반력 작용부를 나타낸 평면도이다.
도 6은 회전각의 크기에 따른 조종반력의 그래프이다.
도 7은 가중치가 적용되기 전과 적용된 후의 조종반력의 그래프이다.
도 8은 가중치가 적용되기 전의 조종반력과 최대 조종반력의 그래프이다.
도 9는 물체를 운반하는 로봇을 조종하는 경우 조종반력을 생성하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 10은 주행하는 로봇을 조종하는 경우 조종반력을 생성하는 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 조종장치의 모식도를 나타낸다. 원격 조종장치는 원격지의 대상체(object) 또는 시뮬레이션 상의 대상체의 움직임을 제어하기 위한 장치이며, 조작부(10), 이동변위 센서(20), 중앙 제어부(30), 통신부(40), 게인 설정부(50), 전류 발생부(60), 및 조종반력 생성부(70)를 포함한다.
조작부(10)는 조종간(control stick)에 해당하는 구성요소로, 그립부(11)를 포함한다. 사용자는 그립부(11)를 손으로 잡고 조작부(10)를 움직일 수 있다. 그립부(11)에 가해지는 힘에 따라 조작부(10)는 이동하고, 조작부(10)의 이동변위에 따라 대상체의 움직임이 제어될 수 있다.
조작부(10)는 그립부(11)에 가해지는 힘에 따라 직선이동 또는 회전이동을 할 수 있다. 그러나 일 실시예에 따른 원격 조종장치는 조작부(10)가 회전이동을 하는 경우로 한정한다. 이러한 한정은 설명의 편의를 위해서일 뿐, 본 발명의 조작부의 이동방식을 회전이동으로 한정하는 것은 아니다.
조작부(10)는 그립부(11)에 가해지는 힘에 따라 회전중심(13)에 대하여 회전할 수 있다. 특히, 조작부는 회전중심(13)에 대하여 피봇 운동(pivot motion)이 가능하도록 회전할 수 있다.
조작부(10)는 피봇 운동이 가능하도록 원격 조절장치의 하우징에 장착될 수 있으며, 예를 들면 도 2에 도시된 방식으로 하우징에 장착될 수 있다.
도 2는 원격 조종장치의 하우징(80)에 장착된 조작부(10)의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 조작부(10)는 회전중심(13)에 대하여 볼록면(convex)을 이루는 돌기를 포함하고, 하우징(80)은 내측면이 돌기에 대응되는 형상의 오목면(concave)을 이루는 홀을 포함한다.
조작부(10)가 회전중심(13)에 대하여 상하로 이동할 수 없도록 조작부(10)는 하우징(80)에 장착된다. 또한 조작부(10)가 회전중심(13)에 대하여 회전 가능하도록 돌기의 볼록면의 직경(81)은 홀의 오목면의 직경(82)보다 크게, 돌기의 볼록면과 홀의 오목면의 곡률은 동일하거나 근사하게 제작될 수 있다. 이러한 구성을 통해 조작부(10)는 회전중심(13)에 대하여 피봇 운동이 가능하다.
조작부(10)는 도 2에 도시된 방식뿐만 아니라 회전중심(13)에 대하여 피봇 운동이 가능하도록 다양한 방식으로 하우징에 장착될 수 있다. 예를 들면, 조작부(10)는 회전중심(13)에 대하여 피봇 운동이 가능하도록 유니버셜 조인트(universal joint)에 의해 하우징에 장착될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 조작부(10)는 회전중심(13)에 대하여 그립부(11)와 반대편에 위치한 조종반력 작용부(12)를 더 포함한다. 그립부(11)에 사용자에 의해 조종력이 가해진다면, 조종반력 작용부(12)에는 조종반력이 가해진다. 조종반력 작용부(12)에 가해지는 조종반력은 그립부(11)를 잡고 있는 사용자의 손으로 전달되며, 사용자는 조종반력을 통해 조종입력에 대한 피드백을 받을 수 있다.
조종반력 작용부(12)에 가해지는 조종반력은 조종반력 작용부(12)와 조종반력 생성부(70)에 의해 생성될 수 있다. 조종반력 작용부(12)와 조종반력 생성부(70)는 자력을 이용하여 조종반력을 생성할 수 있다.
조종반력을 생성하는 방법을 설명하기 위해 도 3 내지 도 5를 참조한다. 조종반력 작용부(12)와 조종반력 생성부(71, 72)는 자기장을 생성하는 전자석을 포함할 수 있다. 전자석은 심을 둘러싼 코일에 전류를 흘려 자기장을 생성하는 솔레노이드로 구성될 수 있다.
조종반력 생성부(71, 72)는 일단이 조종반력 작용부(12)의 일단과 인접하도록 고정되어 배치될 수 있다. 이는 전자석의 양단이 서로 다른 자극을 갖는 것을 고려한 것으로, 인접하는 일단에 생성된 자기장을 조종반력에 이용하고, 나머지 타단에 생성된 자기장이 조종반력에 작용하는 영향을 최소화하기 위함이다. 예를 들어, 조종반력 생성부(71, 72)의 일단과 조종반력 작용부(12)의 일단에 N극이 형성된 경우, 조종반력 생성부(71, 72)의 타단과 조종반력 작용부(12)의 타단에 형성된 S극은 두 물체의 거리의 제곱에 반비례하는 자기력의 성질상, 조종반력에 대한 영향이 최소화될 수 있다.
도 3 및 도 4에는 조종반력 생성부(71, 72)가 수직방향의 자기장을 형성하도록 배치되어 있으나, 다른 실시예로 조종반력 생성부(71, 72)는 수평방향의 자기장을 형성하도록 배치될 수 있다. 이 경우에도 조종반력 생성부(71, 72)는 일단이 조종반력 작용부(12)의 일단과 인접하도록 고정되어 배치될 수 있다.
조종반력 작용부(12)의 일단과 조종반력 생성부(71, 72)의 일단에는 동일한 자극을 갖는 자기장이 형성되도록 하여, 조종반력 작용부(12)와 조종반력 생성부(71, 72)는 서로 척력을 작용하도록 할 수 있다. 도 3 및 도 4에는 조종반력 작용부(12)의 일단과 조종반력 생성부(71, 72)의 일단이 N극을 갖도록 자기장이 형성되어 있으나, 이와 반대로 S극을 갖도록 자기장을 형성할 수 있다.
자기력은 두 물체의 거리의 제곱에 반비례하기 때문에, 도 4와 같이 조작부(10)가 회전하여 조종반력 작용부(12)가 한 조종반력 생성부(71)에 가까워진 경우, 조종반력 작용부(12)와 한 조종반력 생성부(71) 사이의 척력은 가까워진 거리의 제곱에 반비례하여 커진다. 반대로 조종반력 작용부(12)와 다른 조종반력 생성부(72) 사이의 척력은 멀어진 거리의 제곱에 반비례하여 작아진다. 따라서 조종반력 작용부는 회전방향과 반대 방향으로 힘을 받게 되고, 조작부(10)에 조종반력(1)이 작용하게 된다.
조종반력 생성부는 도 3 및 도 4에 배치된 형태 외에도, 조작부의 피봇 운동에 대한 조종반력을 생성할 수 있도록 조종반력 작용부를 이격되어 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다.
도 5는 조종반력 생성부(73, 74, 75, 76)와 조종반력 작용부(12)를 나타낸 평면도이다. 도 5는 조종반력 생성부(73, 74, 75, 76)가 조종반력 작용부(12)를 이격되어 둘러싸도록 배치된 구성의 일 실시예를 나타낸다. 도 5에서 조종반력 생성부(73, 74, 75, 76)는 서로 90도를 이루며 조종반력 작용부(12)를 둘러싸도록 배치되어 있다. 조종반력 작용부(12)에 대하여 상부에 위치한 조종반력 생성부를 제1 전자석(73)으로, 반시계방향을 따라 나머지 조종반력 생성부를 제2 전자석(74), 제3 전자석(75), 제4 전자석(76)으로 칭한다.
종방향으로 마주보도록 배치된 제1 전자석(73)과 제3 전자석(75)에 의해 종방향으로 조종반력이 생성될 수 있다. 제1 전자석(73)에 의해 조종반력 작용부를 아래로 밀어내는 조종반력(2)을, 제3 전자석(75)에 의해 조종반력 작용부를 위로 밀어내는 조종반력(4)을 생성할 수 있다. 또한 제1 전자석(73)과 제3 전자석(75)에 흐르는 전류를 조절하면, 조종반력 작용부(12)에 종방향으로 작용하는 조종반력의 세기를 제어할 수 있다.
또한 횡방향으로 마주보도록 배치된 제2 전자석(74)과 제4 전자석(76)에 의해 횡방향으로 조종반력이 생성될 수 있다. 제2 전자석(74)에 의해 조종반력 작용부(12)를 우측으로 밀어내는 조종반력(3)을, 제4 전자석(76)에 의해 조종반력 작용부(12)를 좌측으로 밀어내는 조종반력(5)을 생성할 수 있다. 또한 제2 전자석(74)과 제4 전자석(76)에 흐르는 전류를 조절하면, 조종반력 작용부(12)에 횡방향으로 작용하는 조종반력의 세기를 제어할 수 있다.
또한 종방향으로 작용하는 조종반력과 횡방향으로 작용하는 조종반력의 조합에 의해 전방향(omni-directional)으로 조종반력이 생성될 수 있으며, 제1 전자석(73), 제2 전자석(74), 제3 전자석(75), 및 제4 전자석(76)에 흐르는 전류를 동시에 조절하면, 전방향으로 작용하는 조종반력의 세기를 제어할 수 있다.
예를 들어, 제1 전자석(73)과 제3 전자석(75)에 흐르는 전류를 조절하여 아래 방향으로 0.3N의 조종반력을 생성하고, 제2 전자석(74)과 제4 전자석(76)에 의해 우측 방향으로 0.4N의 조종반력을 생성하면, 우측 아래의 대각선방향으로 0.5N의 조종반력을 생성할 수 있다. 또한 제1 전자석(73)과 제3 전자석(75)에 흐르는 전류를 조정하여 아래 방향으로 0.6N이 조종반력이 생기도록 조절하고, 제2 전자석(74)과 제4 전자석(76)에 의해 우측 방향으로 0.8N의 조종반력이 생기도록 조절하면, 0.5N의 조종반력을 1N으로 조절할 수 있다.
조종반력 생성부가 조종반력 작용부를 이격되어 둘러싸도록 배치된 구성의 다른 실시예로, 조종반력 생성부는 도 5에 도시된 구성보다 더 많은 전자석들을 포함하며, 조종반력 작용부를 이격되어 둘러싸도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 조종반력 생성부는 16개의 전자석들을 포함하여, 16개의 전자석들이 조종반력 작용부를 이격되어 둘러싸도록 등간격으로 나란히 배치될 수 있다. 즉, 16개의 전자석들은 조종반력 작용부를 중심으로 하는 정십육각형의 꼭지점에 배치될 수 있다.
다른 실시예에서는 전자석이 더 조밀하게 배치되므로, 조종반력이 생성되는 방향을 세밀하게 조정할 수 있다. 또한 조종반력 작용부의 측방향 사방면에 대하여 한 면에 4개의 전자석들이 위치하게 되므로, 상기 4개의 전자석들 중 전류가 인가되는 전자석의 개수를 조정하여 조종반력의 세기를 조정할 수 있다.
조종반력 생성부가 조종반력 작용부를 이격되어 둘러싸도록 배치된 구성의 또 다른 실시예로, 조종반력 생성부는 도 5에 도시된 구성에서 횡방향에 위치한 전자석들(74, 76)이 조종반력 작용부에 더 가깝도록 배치될 수 있다. 자기력의 세기는 두 물체의 거리의 제곱에 반비례하므로, 전자석(73, 74, 75, 76)들에 동일한 전류가 인가되더라도 횡방향에 위치한 전자석(74, 76)에 의해 더 큰 조종반력이 조종반력 작용부에 작용할 수 있다. 따라서 사용자는 대상체의 횡방향 움직임에 더 강한 피드백을 받을 수 있으며, 이에 따라 사용자는 자동차, 비행체 등 횡방향 움직임이 종방향 움직임에 비해 상대적으로 불안정한 대상체를 안정적으로 제어할 수 있다.
전자석은 전류가 흐르는 동안 자기장이 형성되기 때문에, 영구자석과 달리 자력의 세기와 자극의 조절이 가능하다. 조종반력 생성부와 조종반력 작용부는 전자석을 이용하여 자력을 생성하기 때문에, 전자석에 흐르는 전류를 조절하면 자력 조절이 가능하고, 결국 조종반력을 조절할 수 있다.
다시 도 1을 참조하여 전자석에 흐르는 전류를 제어하기 위한 구성요소인 이동변위 센서(20), 중앙 제어부(30), 통신부(40), 게인 설정부(50), 및 전류 발생부(60)에 대해 살펴본다.
이동변위 센서(20)는 조작부(10)의 이동변위를 측정하는 센서이다. 이동변위 센서(20)는 조작부(10)의 이동변위 측정이 용이하도록 조작부의 회전중심(13)에 장착될 수 있다. 이동변위 센서(20)가 측정하는 이동변위는 조작부(10)의 회전각의 크기와 회전방향을 포함한다.
중앙 제어부(30)는 조작부(10)의 변위량에 따라 전류를 조정하기 위한 제어신호를 발생시키기는 구성요소로, 적어도 하나의 프로세서를 포함한다. 전류 발생부(60)는 제어신호에 따라 조종반력 생성부(70)와 조종반력 작용부(12)에 전류를 인가하며, 인가된 전류에 의해 전자석에 자기장이 생성되고, 상술한 도 3 내지 도 5를 참조한 설명에 따라 조작부(10)에 조종반력이 생성될 수 있다.
중앙 제어부(30)는 이동변위 센서(20)로부터 수신한 조작부(10)의 회전각의 크기에 따라 조종반력이 조절되도록 전류를 조정하는 제어신호를 생성할 수 있다. 이때, 회전각의 크기에 따른 조종반력은 사용자에 의해 미리 설정된 값일 수 있다.
예를 들면, 중앙 제어부(30)는 도 6에 도시된 그래프와 같이 조작부(10)의 회전각의 크기에 따라 선형(linear)으로 변화하는 조종반력(6a)이 생성되도록 전류를 조정하는 제어신호를 출력할 수 있다. 이 경우, 사용자는 조작부(10)의 회전각의 크기에 비례하는 조종반력(6a)을 받게 된다. 즉, 조작부(10)를 더 많이 회전시킬수록 더 강한 조종반력을 받게 되므로, 사용자가 조작부(10)를 과도하게 조작하는 것을 방지할 수 있어 조종의 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한 중앙 제어부(30)는 도 6에 도시된 그래프와 같이 조작부(10)의 회전각의 크기가 기준값을 초과하는 경우, 일정한 크기의 조종반력(6b)이 생성되도록 전류를 조정하는 제어신호를 출력할 수 있다. 이렇게 회전각이 일정 각도 이상인 영역에서 조종반력에 세츄레이션(saturation)을 설정해두면 전류 발생부(30)에서 과도한 전류가 인가되는 것을 방지할 수 있다.
회전각의 크기에 따른 조종반력은 도 6에 도시된 그래프 외에도 다양한 관계식으로 설정될 수 있다. 예를 들면, 조종반력의 세기를 회전각의 크기의 제곱에 비례하도록 설정하여 조작부의 회전각이 커질수록 더 강한 조종반력이 발생하도록 할 수 있다. 이 경우에는 회전각의 크기가 커질수록 조종반력의 크기가 빠르게 증가하기 때문에, 사용자가 급격하게 조작부(10)의 회전각을 변화시키는 상황을 방지할 수 있다.
또한 사용자는 게인 설정부(50)를 통해 회전각의 크기에 따른 조종반력을 초기 설정값과 다른 값으로 변경할 수 있다.
게인 설정부(50)는 회전각의 크기에 따른 조종반력의 값 또는 후술할 가중치를 사용자로부터 입력받을 수 있는 장치이다. 게인 설정부(50)는 사용자로부터 회전각의 크기에 따른 조종반력의 값 또는 가중치를 입력받을 수 있는 입력장치를 포함할 수 있다. 입력장치의 예로는 터치패드, 버튼, 노브(knob) 등이 있다.
사용자는 게인 설정부(50)를 통해 회전각의 크기에 따른 조종반력을 조정하여, 상황에 따라 서로 다른 조종반력이 생성되도록 할 수 있다. 예를 들면 원격 조종장치를 자동차 시뮬레이터에 사용하다가 비행체 시뮬레이터에 사용하고자 하는 경우에는 비행체에 작용하는 공기 저항력을 반영하기 위해 더 큰 조종반력이 적용되어야 할 필요가 있다. 이러한 경우 사용자는 게인 설정부를 통해 회전각의 크기에 따라 조종반력의 세기가 더 커지도록 변경하여 더 강한 조종반력이 발생하게끔 설정할 수 있다.
중앙 제어부(30)는 회전각의 크기에 따라 조종반력을 조절하기 위한 제어신호를 생성하는 기능과 더불어, 대상체의 상태에 따라 조종반력의 조절하기 위한 제어신호를 생성하는 기능을 포함한다.
통신부(40)는 중앙 제어부(30)에 대상체의 상태정보를 전달하기 위해 대상체와 데이터를 송수신하는 구성요소이다. 통신부(40)는 대상체와의 통신을 위해 무선통신을 사용할 수 있다. 무선통신 방식은 Wi-Fi, 블루투스, ZigBee, Infrared Data Association(IrDA), 및 Radio-Frequency Identification(RFID)를 포함할 수 있다.
통신부(40)가 대상체로부터 수신하는 상태정보는 대상체의 주행속도, 대상체가 운반하고자 하는 물체의 하중, 대상체의 이동방향 등 대상체의 움직임과 연관된 다양한 정보를 포함한다. 또한 상태정보는 대상체에 장착된 센서로부터 측정된 정보 등, 대상체의 운용을 위해 측정된 정보를 포함한다.
중앙 제어부(30)는 대상체의 상태정보에 따라 조종반력을 조절하는 제어신호를 생성할 수 있으며, 대상체의 상태에 따라 선택적으로 조종반력에 가중치를 부여한 제어신호를 설정할 수 있다. 가중치는 초기 설정된 값이거나 또는 게인 설정부(50)에서 사용자에 의해 변경된 설정된 값일 수 있다.
도 7은 가중치가 적용되기 전과 적용된 후의 조종반력을 나타낸다. 도 7의 제1 조종반력(7)은 가중치가 적용되기 전의 조종반력을 나타내고, 제2 조종반력(8)은 가중치가 적용된 후의 조종반력을 나타낸다. 제2 조종반력(8)은 제1 조종반력(7)에 대하여 모든 회전각에 대해 상수의 가중치가 곱해져서 생성될 수 있다.
가중치를 조종반력에 부여하는 방법은 이외에도 다양한 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 조종반력의 세츄레이션 설정 영역에는 가중치를 부여하지 않아 제1 조종반력과 제2 조종반력이 동일한 크기로 수렴하도록 할 수 있다. 또는 가중치를 회전각의 크기에 비례하는 선형으로 설정하여 회전각이 커질수록 더 큰 가중치가 곱해지도록 할 수 있다.
가중치가 적용되면 사용자가 조작부(10)를 동일하게 조작하더라도 더 큰 조종반력을 느끼게 된다. 상태정보에 따라 선택적으로 가중치가 적용되는 경우를 몇몇 예를 통해 살펴본다.
첫번째 예는 대상체로부터 상태정보로 운반하는 물체의 하중 정보를 수신하는 경우이다. 중앙 제어부(30)는 수신한 하중이 기준값을 초과하는 경우, 대상체에 큰 부하가 작용하고 있는 것을 사용자에게 피드백하기 위하여 가중치를 적용한 제어신호를 생성할 수 있다. 반면, 수신한 하중이 기준값을 미달하는 경우, 중앙 제어부(30)는 가중치를 적용하지 않은 제어신호를 생성할 수 있다.
첫번째 예에서 사용자는 가중치에 따른 조종반력의 세기 차이를 통해 대상체에 상당한 부하가 작용하고 있는지 여부를 파악할 수 있다. 따라서 사용자는 대상체에 가해지는 부하를 고려하여 과도한 명령이 생성되지 않도록 조작부(10)를 조작할 수 있고, 그에 따라 대상체가 고장나거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.
두번째 예는 대상체로부터 상태정보로 주행속도를 수신하는 경우이다. 중앙 제어부(30)는 수신한 속도가 기준값을 초과하는 경우, 대상체가 고속으로 주행하고 있는 것을 사용자에게 피드백하기 위하여 가중치를 적용한 제어신호를 출력할 수 있다. 반면, 수신한 속도가 기준값을 미달하는 경우, 중앙 제어부(30)는 가중치를 적용하지 않은 제어신호를 생성할 수 있다.
두번째 예에서 사용자는 가중치에 따른 조종반력의 세기 차이를 통해 대상체가 고속으로 주행하고 있는지 여부를 파악할 수 있다. 또한 가중치가 부여된 조종반력에 의해 조작부(10)의 복원력이 커지므로, 사용자는 대상체가 고속으로 주행하는 경우 보다 안정된 조종입력을 가할 수 있다.
세번째 예는 대상체로부터 상태정보로 이동방향에 대한 정보를 수신하는 경우이다. 중앙 제어부(30)는 이동변위 센서(20)에서 측정된 조작부(10)의 회전방향과 수신한 이동방향이 일치하지 않는 경우, 사용자가 대상체의 이동방향과 다른 방향으로 대상체가 움직이도록 명령을 내리고 있는 것을 피드백하기 위하여 가중치를 적용한 제어신호를 생성할 수 있다. 반면, 수신한 이동방향이 조작부(10)의 회전방향과 일치하는 경우, 중앙 제어부(30)는 가중치를 적용하지 않은 제어신호를 생성할 수 있다.
세번째 예에서 사용자는 가중치에 따른 조종반력의 세기 차이를 통해 대상체의 이동방향과 다른 방향으로 이동명령을 내리고 있는지 여부를 파악할 수 있다. 사용자가 대상체의 이동방향과 다른 방향으로 이동명령을 내리는 경우, 가중치가 적용된 조종반력에 의해 사용자는 즉각 피드백을 받아 대상체가 원래의 이동방향을 유지하도록 조작부(10)의 회전방향을 수정할 수 있다.
이상에서 살펴본 세가지의 예와 같이 가중치가 적용되면 사용자가 조작부(10)를 동일하게 조작하더라도 더 큰 조종반력을 느끼게 되므로, 사용자는 대상체의 속도, 부하, 이동방향 등의 정보를 피드백 받을 수 있다. 따라서 사용자는 피드백 받은 정보를 반영하여 대상체를 조종할 수 있고, 대상체의 상태에 적합한 조종명령을 내릴 수 있으므로 조종 안정성 및 조종 운용성이 증대될 수 있다.
중앙 제어부(30)는 통신부(40)에서 수신한 상태정보에 따라 대상체가 조종 가능한 상태가 아닌 경우, 또는 상태정보를 수신할 수 없는 경우에 최대 조종반력을 생성하기 위한 제어신호를 출력할 수 있다. 원격지에 있는 사용자에게 대상체가 조종 가능한 상태인지, 조종을 위한 정보를 정상적으로 수신하고 있는지 여부를 최대 조종반력을 통해 피드백하면, 사용자는 피드백에 따라 대상체의 상태에 적합한 조종 명령을 내리거나 조종 명령을 내리지 않을 수 있어, 대상체의 고장 또는 파손을 방지할 수 있다.
최대 조종반력은 전류 발생부(60)에서 인가 가능한 최대 전류에 따라 생성된 조종반력일 수 있다. 또는 최대 조종반력은 사용자에 의해 설정된 전류 범위 중 최대 전류가 인가되어 생성된 조종반력일 수 있다. 즉, 최대 조종반력은 사용자가 조작부(10)를 조작하는데 강한 저항력을 인지할 수 있거나, 사용자가 조작부(10)를 조작할 수 없는 정도의 세기를 갖는 조종반력을 의미한다.
도 8은 도 7의 제1 조종반력(7)과 최대 조종반력(9)을 함께 도시한 그래프이다. 제1 조종반력(7)은 조작부(10)의 회전각의 크기에 따른 조종반력을 나타내고, 최대 조종반력(9)은 인가된 최대 전류에 따라 생성된 조종반력을 나타낸다. 도 8에 따르면, 최대 조종반력(9)은 제1 조종반력(7)의 최대값보다 더 큰 값을 갖고, 조작부(10)의 회전각의 크기에 따라 일정한 값을 갖도록 설정되어 있다. 도 8에 도시된 경우와 달리, 최대 조종반력(9)은 사용자의 설정에 따라 그 크기와 형태가 변경 가능하다.
최대 조종반력(9)이 적용된 경우 사용자는 제1 조종반력(7)에 따라 조작부(10)를 조작할 보다 더 강한 저항감을 느끼게 된다. 따라서 사용자는 조작부(10)를 통해 전달되는 최대 조종반력(9)을 통해 대상체가 조종 가능한 상태인지, 또는 상태정보를 수신할 수 있는지 여부를 피드백 받을 수 있다.
상태정보에 따라 또는 상태정보를 수신할 수 없는 경우에 최대 조종반력이 적용되는 경우를 몇몇 예를 통해 살펴본다.
첫번째 예는 대상체로부터 상태정보로 운반하는 물체의 하중 정보를 수신하는 경우이다. 중앙 제어부(30)는 수신한 하중이 대상체가 운반할 수 있는 최대하중을 초과하는 경우, 대상체에 최대 부하가 작용하고 있으므로 대상체가 조종 가능한 상태가 아니라는 것을 사용자에게 피드백하기 위하여 최대 조종반력을 생성하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다.
첫번째 예에서 사용자는 최대 조종반력을 통해 대상체에 최대 부하가 작용하고 있는지 여부를 피드백 받을 수 있다. 따라서 사용자는 조작부(10)를 조작하지 않거나 조작부(10)에 과도한 명령이 생성되지 않도록 하여 대상체가 고장나거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.
두번째 예는 대상체로부터 상태정보로 대상체의 주행에 대한 저항력 정보를 수신하는 경우이다. 주행에 대한 저항력은 크게 두가지로 분류할 수 있다. 첫째는 외부에 의한 저항력으로, 대상체가 주행하는 지면의 기울기 및 지면상태에 따라 받는 저항력, 공기 저항력 등을 포함한다. 둘째는 내부에 의한 저항력으로, 대상체에 걸린 브레이크에 의해 받는 저항력 등을 포함한다.
주행에 대한 저항력은 대상체의 속도정보를 통해 역산된 수치이거나 또는 대상체에 장착된 센서를 통해 통신부로 수신된 수치일 수 있다. 조작부(10)를 통해 인가된 속도에 대상체의 주행속도가 미치지 못하는 경우, 인가된 속도와 주행속도의 차이를 통해 대상체의 주행에 대한 저항력이 역산될 수 있다. 또는 대상체에 속도 센서 또는 수평 센서가 장착되어 있는 경우, 속도 센서와 수평 센서를 통해 측정된 저항력이 통신부(40)로 수신될 수 있다.
중앙 제어부(30)는 대상체의 주행에 대한 저항력이 기준값을 초과하는 경우, 대상체가 받는 과도한 저항력을 사용자에게 피드백하기 위하여 최대 조종반력를 적용한 제어신호를 출력할 수 있다.
두번째 예에서 사용자는 최대 조종반력을 통해 대상체가 주행 가능한 상태에 있는지 여부를 파악할 수 있다. 따라서 사용자는 조작부(10)를 조작하지 않거나 조작부(10)에 과도한 명령이 생성되지 않도록 하여, 대상체가 처한 상태에 따라 적절한 주행을 하도록 할 수 있다.
세번째 예는 대상체로부터 상태정보를 수신할 수 없는 경우이다. 대상체로부터 상태정보를 수신할 수 없는 경우는, 대상체와 통신이 두절되어 상태정보를 수신할 수 없는 경우와 대상체로부터 수신한 정보로는 상태정보를 파악할 수 없는 경우를 포함한다. 예를 들면, 상태정보로 대상체의 비젼 센서를 통해 대상체가 주행하고 있는 지면상태를 측정한 정보를 수신하고 있는 경우, 통신 불량으로 인해 측정된 정보를 수신할 수 없는 경우나 또는 측정된 정보를 수신하더라도 지면상태의 정보를 파악할 수 없는 경우이다.
중앙 제어부(30)는 이와 같은 경우에, 사용자에게 대상체를 조종하기 위해 필요한 정보를 수신하지 못하고 있는 것을 피드백하기 위하여 최대 조종반력을 생성하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다.
세번째 예에서 사용자는 최대 조종반력을 통해 대상체로부터 정상적으로 상태정보가 수신되고 있는지 여부를 파악할 수 있다. 상태정보가 정상적으로 수신되고 있지 않은 경우, 대상체를 조종하는 것은 고장 또는 사고를 불러일으킬 수 있으므로, 최대 조종반력을 통해 사용자에게 상황을 피드백하여 위험한 상황이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 살펴본 세가지의 예와 같이 최대 조종반력이 적용되면 사용자는 조작부(10)를 통해 대상체가 조종 가능한 상태인지, 대상체로부터 상태정보가 수신되고 있는지 여부를 피드백 받을 수 있다. 따라서 사용자는 피드백 받은 정보를 반영하여 대상체의 상태에 적합한 조종명령을 내릴 수 있으므로 조종 안정성 및 조종 운용성이 증대될 수 있다.
지금까지 조종반력을 생성하는 방법과 조작부의 회전각 및 대상체의 상태정보에 따라 조종반력을 조절하는 방법에 대해 살펴보았다. 이상에서 살펴본 방법을 물체를 운반하는 로봇과 주행하는 로봇에 적용한 실시예를 도 9 및 도 10을 참조하여 살펴본다.
도 9는 물체를 운반하는 로봇을 조종하는 경우 조종반력을 생성하는 방법을 나타낸 순서도이다.
우선 조작부의 회전각의 크기에 따른 조종반력과 조종반력에 가해지는 가중치에 대한 값이 설정된다(S10). 회전각의 크기에 따른 조종반력은 도 6을 참조한 설명에서 살펴보았으며, 가중치는 도 7을 참조한 설명에서 살펴보았다. 게인 설정 단계는 사용자에 의해 회전각의 크기에 따른 조종반력과 가중치의 값이 초기 설정되거나 또는 게인 설정부를 통해 사용자가 초기 설정된 상기 값을 변경하는 것을 포함한다.
통신부는 로봇의 상태정보로 로봇에 적재된 물체의 하중정보를 수신한다(S11).
중앙 제어부는 수신한 하중정보를 토대로 물체가 운반 가능한지 여부를 판단한다(S12).
수신한 하중이 로봇이 운반가능한 하중을 초과하는 경우에는 사용자가 조작부를 조작하는 것을 방지하기 위해 최대 조종반력을 계산한다(S17).
하중이 운반할 수 있다고 판단되는 경우에는, 사용자에 의해 조작된 조작부의 회전각을 측정한다(S13). 회전각은 이동변위 센서에 의해 측정된다.
중앙 제어부는 측정된 회전각의 크기에 대응되는 조종반력을 계산한다(S14). 조종반력은 게인 설정 단계(S10)에서 사용자에 의해 설정된 회전각의 크기에 따른 조종반력에 따라 계산될 수 있다.
중앙 제어부는 로봇에 적재된 하중이 기준값(a) 이상인지 여부를 판단한다(S15).
로봇의 하중이 기준값(a)에 미달하는 경우에는 계산된 조종반력에 가중치를 부여하지 않으나, 하중이 기준값(a) 이상인 경우에는 로봇에 부하가 강하게 작용하는 것을 사용자에게 피드백하기 위해 조종반력에 가중치를 부여한다(S16).
중앙 제어부는 산출된 조종반력에 따라 전류를 생성할 제어신호를 출력한다(S18).
제어신호에 따라 전류 발생부에서는 조종반력 작용부와 조종반력 생성부에 전류를 인가한다(S19).
위와 같은 과정은 통신부가 새로운 상태정보를 수신하는 것에 따라 반복될 수 있다.
도 10은 주행하는 로봇을 조종하는 경우 조종반력을 생성하는 방법을 나타낸 순서도이다.
게인 설정 단계(S20)에서는 조작부의 회전각의 크기에 따른 조종반력과 조종반력에 가해지는 가중치가 설정된다.
통신부는 로봇의 상태정보로 로봇의 주행 속도와 브레이크 상태를 수신한다(S21).
중앙 제어부는 수신한 상태정보를 토대로 로봇이 주행 가능한지 여부를 판단한다(S22).
로봇에 브레이크가 걸려있는 경우에는 사용자가 조작부를 조작하는 것을 방지하기 위해 최대 조종반력을 계산한다(S27).
로봇에 브레이크가 걸려있지 않아 주행 가능하다고 판단되는 경우에는, 이동변위 센서가 사용자에 의해 조작된 조작부의 회전각을 측정한다(S23).
중앙 제어부는 측정된 회전각의 크기에 대응되는 조종반력을 계산한다(S24). 조종반력은 게인 설정 단계(S20)에서 사용자에 의해 설정된 회전각의 크기에 따른 조종반력에 따라 계산될 수 있다.
중앙 제어부는 로봇의 주행속도가 기준값(b) 이상인지 여부를 판단한다(S25).
로봇의 주행속도가 기준값(b)에 미달하는 경우에는 계산된 조종반력에 가중치를 부여하지 않으나, 주행속도가 기준값(b) 이상인 경우에는 로봇이 고속으로 주행하는 것을 사용자에게 피드백하기 위해 조종반력에 가중치를 부여한다(S26).
중앙 제어부는 산출된 조종반력에 따라 전류를 인가할 제어신호를 출력한다(S28).
제어신호에 따라 전류 발생부에서는 조종반력 작용부와 조종반력 생성부에 전류를 인가한다(S29).
위와 같은 과정은 통신부가 새로운 상태정보를 수신하는 것에 따라 반복될 수 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 조종반력 작용부와 조종반력 생성부가 모두 전자석으로 구성되었으나, 조종반력 작용부는 영구자석으로 구성되고 조종반력 생성부는 전자석으로 구성되는 경우에도 본 발명이 적용될 수 있다. 조종반력 작용부가 영구자석으로 구성되는 경우에는 조종반력 생성부에 인가되는 전류가 조정되어 조종반력이 조절될 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 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 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1, 2, 3, 4, 5, 6a, 6b, 7, 8, 9: 조종반력
10: 조작부 11: 그립부
12: 조종반력 작용부 13: 회전중심
20: 이동변위 센서 30: 중앙 제어부
40: 통신부 50: 게인 설정부
60: 전류 발생부
70, 71, 72, 73, 74, 75, 76: 조종반력 생성부
80: 하우징 81: 볼록면의 직경
82: 오목면의 직경

Claims (17)

  1. 조작부의 이동변위에 따라 대상체의 움직임을 제어하는 원격 조종장치에 있어서,
    상기 대상체와 통신채널을 형성하고, 상기 대상체로부터 상태정보를 수신하는 통신부;
    상기 조작부의 이동변위를 측정하는 이동변위 센서;
    상기 상태정보 및 상기 이동변위 센서에서 측정된 변위량에 따라 제어신호를 생성하는 중앙 제어부;
    상기 제어신호에 따라 전류를 인가하는 전류 발생부; 및
    상기 인가된 전류에 의해 자력을 생성하는 전자석을 포함하는 조종반력 생성부를 포함하되,
    상기 조작부는,
    사용자로부터 조종입력을 받는 그립부; 및
    상기 조작부의 회전중심을 기준으로 상기 그립부의 반대측에 위치하여 자력을 생성하는 조종반력 작용부를 포함하고,
    상기 조종반력 생성부와 상기 조종반력 작용부의 자력에 의해 상기 조작부에 조종반력이 생성되고,
    상기 상태정보 및 조작부의 변위량에 따른 제어신호에 의해 상기 인가되는 전류가 조정됨으로써 상기 조종반력이 조절되는, 원격 조종장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상태정보는 상기 대상체가 운반하는 물체의 하중 정보이고,
    상기 중앙 제어부는 상기 물체의 하중이 상기 대상체가 운반할 수 있는 최대하중을 초과하는 경우, 최대 조종반력이 생성되도록 제어신호를 생성하는, 원격 조종장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상태정보는 상기 대상체의 주행에 대한 저항력에 대한 정보이고,
    상기 중앙 제어부는 상기 대상체의 주행에 대한 저항력이 기준값을 초과하는 경우, 최대 조종반력이 생성되도록 제어신호를 생성하는, 원격 조종장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 제어부는 상기 대상체로부터 상태정보를 수신할 수 없는 경우, 최대 조종반력이 생성되도록 제어신호를 생성하는, 원격 조종장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 조종반력 작용부는 상기 인가된 전류에 의해 자력을 생성하는 전자석을 포함하는, 원격 조종장치.
  11. ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제10항에 있어서,
    상기 조종반력 생성부는 상기 조종반력 작용부의 일단과 상기 조종반력 생성부의 일단이 인접하도록, 상기 조종반력 작용부를 이격되어 둘러싸도록 배치되는, 원격 조종장치.
  12. ◈청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제11항에 있어서,
    상기 전류 발생부는 상기 조종반력 생성부의 일단과 상기 조종반력 작용부의 일단에 동일한 극의 자력이 생성되도록 전류를 인가하는, 원격 조종장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서,
    상기 조작부의 변위량은 상기 조작부의 회전각의 크기와 회전방향을 포함하고,
    상기 중앙 제어부는 상기 회전각의 크기에 따라 조종반력이 생성되도록 제어신호를 생성하는, 원격 조종장치.
  17. 삭제
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