KR102436938B1 - Haptic system for providing user with 3d-haptic feedback - Google Patents
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Abstract
실시예들은 햅틱 피드백을 위해 3차원 정보를 피부 상에 렌더링하는 햅틱 시스템에 관련된다. 상기 햅틱 시스템은: 사용자의 신체에 장착되어 사용자의 피부를 2차원으로 스트레칭하는 제1 피스 모듈 및 제2 피스 모듈을 포함하고, 상기 제1 햅틱 모듈 및 제2 햅틱 모듈 중 적어도 하나는: 사용자의 피부와 접촉하여 상기 사용자의 피부를 스트레칭하는 햅틱 구동부; 연결된 상기 햅틱 구동부를 회전하여 상기 햅틱 구동부에 의한 피부 스트레칭의 방위를 제어하는 회전 구동부; 및 상기 햅틱 구동부가 내부에 배치되는 기본 하우징;을 포함할 수도 있다.Embodiments relate to a haptic system that renders three-dimensional information on skin for haptic feedback. The haptic system includes: a first piece module and a second piece module mounted on the user's body to stretch the user's skin in two dimensions, wherein at least one of the first haptic module and the second haptic module is: a haptic driving unit for stretching the user's skin in contact with the skin; a rotation driving unit configured to rotate the connected haptic driving unit to control the direction of skin stretching by the haptic driving unit; and a basic housing in which the haptic driving unit is disposed.
Description
본 출원의 실시예들은 사용자의 피부를 자극하는 햅틱 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용자가 인식할 햅틱 피드백을 3차원으로 렌더링하는 햅틱 시스템에 관한 것이다.Embodiments of the present application relate to a haptic system that stimulates a user's skin, and more particularly, to a haptic system that renders haptic feedback to be recognized by a user in three dimensions.
가상 환경에서 촉각 자극을 전달하는 햅틱 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 햅틱 기술 대부분은 손끝(fingertip)의 피부를 스트레칭하는 매커니즘으로 피부를 자극하는 방식을 기반으로 구성된다.Research on a haptic device that delivers a tactile stimulus in a virtual environment is being actively conducted. Most of these haptic technologies are constructed based on a method of stimulating the skin with a mechanism for stretching the skin of the fingertip.
종래의 일 실시예(비특허문헌 1, S. B. Schorr and A. M. Okamura, "Three-dimensional skin deformation as force substitution: Wearable device design and performance during haptic exploration of virtual environments," IEEE transactions on haptics, vol. 10, pp. 418-430, 2017)에 따른 촉감 인터페이스 장치는 손끝의 피부 스트레칭 메커니즘을 사용하여 3자유도의 위치 정보를 전달할 수 있다.A conventional example (Non-Patent Document 1, S. B. Schorr and A. M. Okamura, "Three-dimensional skin deformation as force substitution: Wearable device design and performance during haptic exploration of virtual environments," IEEE transactions on haptics, vol. 10, pp 418-430, 2017) may transmit position information of three degrees of freedom using a skin stretching mechanism of a fingertip.
그러나, 상기 종래의 촉감 인터페이스 장치는: a) 손가락 끝 피부를 자극하기 위해 장착되기 때문에, 손에 다른 인터페이스 장치를 착용하는 것이 불가능하고, b) 피부를 자극하는 햅틱 동작이 3차원으로 렌더링되지 않아 종래의 사용자는 3차원의 햅틱 피드백을 감지할 수 없는 한계가 있다.However, the conventional tactile interface device is: a) because it is mounted to stimulate the fingertip skin, it is impossible to wear another interface device on the hand, and b) the haptic action to stimulate the skin is not rendered in three dimensions. There is a limit in that a conventional user cannot sense three-dimensional haptic feedback.
실시예들은 전술한 촉감 자극 제공 장치의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 실시예들에 따르면 사용자의 손이 자유로우면서 상기 사용자가 자극으로 인식할 햅틱 피드백을 3차원으로 렌더링하는 햅틱 시스템을 제공한다.The embodiments have been devised to solve the problems of the above-described tactile stimulus providing apparatus. According to the embodiments, a haptic system that renders a haptic feedback to be recognized by the user as a stimulus in three dimensions while the user's hand is free is provided.
본 발명의 일 측면에 따른 햅틱 피드백을 위해 3차원 정보를 피부 상에 렌더링하는 햅틱 시스템은: 사용자의 신체에 장착되어 사용자의 피부를 2차원으로 스트레칭하는 제1 피스 모듈 및 제2 피스 모듈을 포함할 수도 있다. 상기 제1 햅틱 모듈 및 제2 햅틱 모듈 중 적어도 하나는: 사용자의 피부와 접촉하여 상기 사용자의 피부를 스트레칭하는 햅틱 구동부; 연결된 상기 햅틱 구동부를 회전하여 상기 햅틱 구동부에 의한 피부 스트레칭의 방위를 제어하는 회전 구동부; 및 상기 햅틱 구동부가 내부에 배치되는 기본 하우징;을 포함한다. 그리고 상기 제1 햅틱 모듈 및 제2 햅틱 모듈은 서로 다른 접촉 평면을 형성하도록 상기 사용자의 신체에 장착된다.A haptic system for rendering three-dimensional information on skin for haptic feedback according to an aspect of the present invention includes: a first piece module and a second piece module mounted on a user's body to stretch the user's skin in two dimensions You may. At least one of the first haptic module and the second haptic module may include: a haptic driving unit contacting the user's skin to stretch the user's skin; a rotation driving unit configured to rotate the connected haptic driving unit to control the direction of skin stretching by the haptic driving unit; and a basic housing in which the haptic driving unit is disposed. And the first haptic module and the second haptic module are mounted on the user's body to form different contact planes.
일 실시예예서, 상기 사용자가 촉감을 통해 3차원 타겟 벡터를 인식하기 위해, 상기 햅틱 모듈이 렌더링할 스트레칭 벡터는 아래의 수학식으로 정의될 수도 있다.In an embodiment, in order for the user to recognize a 3D target vector through touch, the stretching vector to be rendered by the haptic module may be defined by the following equation.
[수학식][Equation]
여기서, idx는 햅틱 모듈이 장착된 신체 부분을 나타내며, vidx는 해당 햅틱 모듈의 스트레칭 벡터이고, 상기 Pidx는 상기 3차원 타겟 벡터를 접촉 평면 상에 사영한 관계를 나타낸 사영 행렬이며, 상기 접촉 평면은 해당 햅틱 모듈과 피부가 접촉하여 형성된 것이다.Here, idx represents a body part on which the haptic module is mounted, v idx is a stretching vector of the corresponding haptic module, and P idx is a projection matrix indicating a relationship in which the three-dimensional target vector is projected onto a contact plane, and the contact The plane is formed by contacting the corresponding haptic module with the skin.
일 실시예에서, 상기 한 쌍의 햅틱 모듈이 장착된 신체 부분의 움직임을 트래킹하는 모션 센서를 더 포함할 수도 있다. 상기 3차원 타겟 벡터를 인식할 사용자가 상기 신체 부분을 움직일 경우, 상기 스트레칭 벡터는 아래의 수학식으로 업데이트된다.In one embodiment, the pair of haptic modules may further include a motion sensor for tracking the movement of the mounted body part. When the user who is to recognize the 3D target vector moves the body part, the stretching vector is updated by the following equation.
[수학식][Equation]
여기서, Rtracker 상기 모션 센서의 트래킹 결과로부터 계산되는 상기 움직임의 방위 행렬(orientation matrix)을 나타낸다.Here, R tracker represents an orientation matrix of the motion calculated from the tracking result of the motion sensor.
일 실시예예서, 상기 사용자가 촉감을 통해 제1 타겟 벡터 및 제2 타겟 벡터를 순차적으로 인식하도록, 각 햅틱 모듈의 회전 구동부는 연결된 햅틱 구동부를 아래의 수학식에 의해 계산된 회전각θrot,idx으로 회전할 수도 있다.In one embodiment, so that the user sequentially recognizes the first target vector and the second target vector through tactile sense, the rotational driving unit of each haptic module connects the connected haptic driving unit to the rotation angle θ rot calculated by the following equation, You can also rotate by idx .
[수학식][Equation]
여기서, θrot,idx는 각 햅틱 모듈에 대한 접촉 평면 상에서 상기 햅틱 구동부의 회전각이고, vidx,u와 vidx,v는 접촉 평면(u, v)에서 u축과 v축에서의 vidx의 크기이다.Here, θ rot,idx is the rotation angle of the haptic driver on the contact plane for each haptic module, and v idx,u and v idx,v are v idx in the u-axis and v-axis in the contact plane (u, v). is the size of
일 실시예예서, 상기 사용자가 촉감을 통해 3차원 타겟 벡터를 인식하기 위한 상기 적어도 하나의 햅틱 모듈의 스트레칭 벡터를 상기 사용자에게 전달하기 위해, 상기 햅틱 구동부는 상기 햅틱 모듈의 접촉 요소를 아래의 수학식에 의해 계산된 속도vslide로 구동할 수도 있다.In one embodiment, in order for the user to transmit a stretching vector of the at least one haptic module for recognizing a three-dimensional target vector through touch to the user, the haptic driving unit converts the contact element of the haptic module to the following mathematics It can also be driven by the speed v slide calculated by the equation.
[수학식][Equation]
여기서, α slide는 슬라이딩 상수로서 접촉 요소의 접촉 길이 및 구동 가능한 속도 중 적어도 하나에 기초하여 설정된다.Here, α slide e is a sliding constant and is set based on at least one of a contact length and a drivable speed of the contact element.
일 실시예예서, 상기 회전 구동부는, 상기 제1 타겟 벡터와 제2 타겟 벡터 간의 차이에 대응한 자극이 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 범위 이상일 경우에, 상기 햅틱 구동부를 상기 회전각 θrot,idx으로 회전할 수도 있다.In one embodiment, the rotation driving unit, when the stimulus corresponding to the difference between the first target vector and the second target vector is greater than or equal to the range of the stimulus difference perceptible by the user, the rotation angle θ rot of the haptic driving unit It can also be rotated with ,idx .
일 실시예예서, 상기 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 범위는 상기 사용자에게 기준 자극 또는 비교 자극을 주어 주어진 자극을 선택한 결과를 통계적으로 수치화하여 설정될 수도 있다.In an embodiment, the range of the stimulus difference perceptible by the user may be set by statistically quantifying a result of selecting a given stimulus by giving the user a reference stimulus or a comparative stimulus.
일 실시예예서, 상기 햅틱 구동부는, 모터에 의해 회전하는 하나 이상의 휠; 상기 하나 이상의 휠을 감싸는 캐터필러; 및 상기 하나 이상의 휠을 사이로 대향하여 상기 하나 이상의 휠을 고정한 한 쌍의 플레이트를 포함할 수도 있다.In one embodiment, the haptic driving unit, one or more wheels rotated by a motor; a caterpillar surrounding the one or more wheels; and a pair of plates for fixing the one or more wheels by facing the one or more wheels therebetween.
일 실시예예서, 상기 햅틱 구동부는 상기 피스 모듈과 상기 피부의 접촉 부분의 길이 보다 긴 스트레칭 변위(displacement)를 야기할 수도 있다.In an embodiment, the haptic driving unit may cause a stretching displacement longer than the length of the contact portion between the piece module and the skin.
본 발명의 실시예들에 따른 햅틱 시스템은 사용자가 촉각으로 3차원 벡터 정보를 인식하게 한다. 상기 햅틱 시스템은 손에 착용되지 않고 팔뚝에 착용하도록 설계되어 사용자가 다른 유형의 인터페이스 기기를 사용하는 것을 방해하지 않는다. 즉, 사용자에게 사실적인 자극을 전달하면서 시스템의 확장성을 방해하지 않는다.A haptic system according to embodiments of the present invention allows a user to recognize 3D vector information by tactile sense. The haptic system is designed to be worn on the forearm rather than on the hand, so that it does not prevent the user from using other types of interface devices. That is, it does not interfere with the scalability of the system while delivering realistic stimuli to the user.
또한, 상기 햅틱 시스템은 캐터필러의 지속적인 구동을 통해 사용자의 피부를 스트레칭함으로써, 사용자가 촉각으로 전달되는 3차원 벡터 정보를 인식하는 것이 둔감해지는 것을 방지한다.In addition, the haptic system stretches the user's skin through continuous driving of the caterpillar, thereby preventing the user from recognizing the 3D vector information transmitted by tactile sense from being insensitive.
또한, 상기 햅틱 시스템은 사용자가 지각할 수 있는 범위 이상에서만 캐터필러를 회전 이동시킴으로써, 가상 공간 상의 가상 객체의 표면 변화를 사용자가 더 잘 인식하게 한다.In addition, the haptic system allows the user to better recognize the change in the surface of the virtual object in the virtual space by rotating the caterpillar only within a range perceptible by the user.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 시스템의 개략도이다.
도 2a 내지 2d는, 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 모듈의 분해 측면도, 사시도, 평면도, 측면도이다.
도 3a 및 도 3b는, 본 발명의 일 실시예예 따른, 햅틱 모듈의 구동 예를 도시한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모션 센서를 갖는 햅틱 시스템의 개략도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 조건을 만족하는 경우에 회전 구동부의 회전을 제어한 실험 결과를 도시한다.1 is a schematic diagram of a haptic system according to an embodiment of the present invention.
2A to 2D are exploded side views, perspective views, plan views, and side views of a haptic module according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B illustrate an example of driving a haptic module according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram of a haptic system with a motion sensor, in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows experimental results of controlling the rotation of the rotation driving unit when a condition of a stimulus difference that can be perceived by a user is satisfied, according to an experimental example of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 촉각 자극 생성 장치 및 시스템을 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.Hereinafter, an apparatus and system for generating a tactile stimulus according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which will be described as one embodiment, the technical idea of the present invention and its core configuration and operation are not limited thereby.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱 시스템의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a haptic system according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 상기 햅틱 시스템(1)은 적어도 한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 햅틱 시스템은 상기 햅틱 모듈에 구동 명령을 공급하는 제어 장치(미도시)를 더 포함할 수도 있다.Referring to FIG. 1 , the haptic system 1 includes at least one pair of
실시예들에 따른 햅틱 시스템(1)은 전적으로 하드웨어이거나, 전적으로 소프트웨어이거나, 또는 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 예컨대, 시스템 또는 장치는 데이터 처리 능력이 구비된 하드웨어 및 이를 구동시키기 위한 운용 소프트웨어를 통칭할 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", “모듈(module)”, “장치”, 또는 "시스템" 등의 용어는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 하드웨어는 CPU(Central Processing Unit), GPU(Graphic Processing Unit) 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 가능한 컴퓨팅 장치일 수 있다. 또한, 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program) 등을 지칭할 수 있다.The haptic system 1 according to the embodiments may have an aspect that is entirely hardware, is entirely software, or is partially hardware and partially software. For example, the system or device may collectively refer to hardware equipped with data processing capability and operating software for driving the same. As used herein, terms such as “unit,” “module,” “device,” or “system” are intended to refer to a combination of hardware and software run by the hardware. For example, the hardware may be a data processing capable computing device including a central processing unit (CPU), a graphic processing unit (GPU), or another processor. In addition, software may refer to a running process, an object, an executable file, a thread of execution, a program, and the like.
상기 한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200)은 사용자와 상호작용하여 사용자에게 햅틱 피드백을 전달하는 장치이다. 상기 햅틱 피드백은 사용자에게 자극으로 인식될 수도 있는, 외부의 변화를 피부를 통해 인식하는 것을 의미한다.The pair of
한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200)은 어깨와 손 사이의 신체 부분에 장착된다. 상기 한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200)은 어깨로부터 손을 향해 원격으로 위치한 신체 부분에 장착된다. 예를 들어, 상기 한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200)은 도 1에 도시된 바와 같이 팔뚝 부분에 장착될 수도 있다. 이 경우, 햅틱 모듈의 사이즈는 성인의 팔뚝에 착용하기 적합한 크기 (예컨대152.24 × 84.6 mm × 68.25mm) 일 수도 있다.A pair of
햅틱 모듈(100)과 햅틱 모듈(200)은 각각 접촉한 피부를 2차원으로 스트레칭하여 2차원의 햅틱 피드백을 사용자에게 전달한다.Each of the
일 실시예에서, 한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200)은 고정구(190, 290)에 의해 햅틱 피드백을 전달하는 피부 영역이 고정된다. 상기 고정구(190, 290)는 밴드, 스트랩, 또는 브레이슬릿 형태일 수도 있으나, 이에 제한되지 않으며 햅틱 피드백을 전달하는 피부 영역을 고정하는 다양한 형태를 가질 수도 있다.In one embodiment, in the pair of
일부 실시예들에서, 상기 고정구(190, 290)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 단일 고정구로 구현될 수도 있다.In some embodiments, the fasteners 190 and 290 may be implemented as a single fastener, as shown in FIG. 1 .
상기 한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200) 중 적어도 하나는 사용자에게 햅틱 피드백을 전달하는 햅틱 구동부; 및 햅틱 구동부를 외부와 차폐하는 기본 하우징을 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 적어도 하나의 햅틱 모듈은 햅틱 피드백의 방위를 제어하는 회전 구동부; 상기 회전 구동부를 외부와 차폐하는 상부 하우징을 더 포함할 수도 있다.At least one of the pair of
이하, 햅틱 모듈(100)을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 서술한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the
도 2a 내지 도 2d는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 모듈의 분해 측면도, 사시도, 측면도, 평면도이고, 도 3a 및 도 3b는, 본 발명의 일 실시예예 따른, 햅틱 모듈의 구동 예를 도시한다.2A to 2D are an exploded side view, a perspective view, a side view, and a plan view of a haptic module according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 3A and 3B are an example of driving the haptic module according to an embodiment of the present invention. show
도 2를 참조하면, 햅틱 모듈(100)은 기본 하우징(110), 햅틱 구동부(130), 회전 구동부(150), 상부 하우징(170)을 포함할 수도 있다. 상부 하우징(170)은 기본 하우징(110)의 상단에 결합된다.Referring to FIG. 2 , the
햅틱 구동부(130)는 사용자의 피부와 접촉하고 사용자의 피부를 2차원으로 스트레칭한다. 햅틱 구동부(130)에 의해 사용자에게 2차원의 햅틱 피드백이 전달된다.The haptic driving unit 130 contacts the user's skin and stretches the user's skin in two dimensions. The two-dimensional haptic feedback is transmitted to the user by the haptic driving unit 130 .
일 실시예에서, 상기 햅틱 구동부(130)는 모터; 상기 모터에 의해 회전하는 하나 이상의 휠(131); 및 상기 휠(131)을 사이로 대향하는 플레이트(135a, 135b)를 포함한다. 플레이트(135a, 135b)에 의해 횔131의 축이 고정된다.In one embodiment, the haptic driving unit 130 includes a motor; one or more wheels 131 rotated by the motor; and plates 135a and 135b facing the wheel 131 therebetween. The shaft of the wheel 131 is fixed by the plates 135a and 135b.
또한, 상기 햅틱 구동부(130)는 상기 하나 이상의 휠(131)을 감싸는 캐터필러(133);를 더 포함할 수도 있다. 여기서, 휠(131)은, 스프로킷(sprocket)과 같이 캐터필러(133)와 결합하는 표면 구조를 가진다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 햅틱 구동부(130)는 캐터필러(133)에 의해 감싸지는 스프로킷(131a, 131b)을 포함할 수도 있다.In addition, the haptic driving unit 130 may further include a caterpillar 133 surrounding the one or more wheels 131 . Here, the wheel 131 has a surface structure coupled to the caterpillar 133 like a sprocket. For example, as shown in FIG. 2A , the haptic driving unit 130 may include
일부 실시예에서, 캐터필러(133)에는 실리콘 펌프가 부착될 수도 있다. 실리콘 범프는 피부와의 마찰을 줄여 불편함을 최소화하면서 피부가 스트레칭되게 한다.In some embodiments, a silicone pump may be attached to the caterpillar 133 . Silicone bumps reduce friction with the skin, allowing the skin to stretch while minimizing discomfort.
기본 하우징(110)은 캐터필러(133)가 피부와 접촉하여 피부를 스트레칭하도록 적어도 캐터필러(133)의 영역이 개방된 하단을 가진다. 예를 들어, 상기 기본 하우징(110)은 측면부에 의해 감싸진 관통홀 구조를 가질 수도 있다.The basic housing 110 has a lower end in which at least an area of the caterpillar 133 is opened so that the caterpillar 133 contacts the skin and stretches the skin. For example, the basic housing 110 may have a through-hole structure surrounded by a side portion.
피부와의 접촉요소(예컨대, 휠(131) 또는 캐터필러(133))에 의해 사용자의 피부는 일 방향으로 스트레칭한다. 휠(131)이 플레이트(135a, 135b)에 의해 고정되어 있어, 도 3에 화살표(L)로 도시된 바와 같이, 스트레칭 방향은 플레이트(135a, 135b)의 정렬 방향에 평행할 수도 있다. 햅틱 시스템(1)은 구동 스프로킷에 연결된 모터의 토크를 조절하여 피부 스트레칭의 정도를 제어할 수도 있다.The user's skin is stretched in one direction by the contact element with the skin (eg, the wheel 131 or the caterpillar 133). Since the wheel 131 is fixed by the plates 135a and 135b, the stretching direction may be parallel to the alignment direction of the plates 135a and 135b, as shown by the arrow L in FIG. 3 . The haptic system 1 may control the degree of skin stretching by adjusting the torque of a motor connected to the drive sprocket.
상부 하우징(170)은 내부에 회전 구동부(150)가 차지할 공간을 가진다. 예를 들어, 상부 하우징(170)은 도 2에 도시된 바와 같이 돔 형태일 수도 있으나, 이에 제한되진 않는다.The upper housing 170 has a space to be occupied by the rotation driving unit 150 therein. For example, the upper housing 170 may have a dome shape as shown in FIG. 2 , but is not limited thereto.
회전 구동부(150)는 햅틱 구동부(130)의 접촉요소(예컨대 휠(131) 또는 캐터필러(133))를 회전시켜 햅틱 피드백의 방위(orientation)를 제어한다. 여기서 햅틱 구동부(130)의 접촉요소의 회전은, 모터에 연결된 휠(131) 축을 기준으로 회전하는 것이 아닌, 상기 햅틱 모듈(100)과 피부의 접촉 평면(예컨대, 캐터필러(133)와 피부의 접촉 평면) 상에서 회전하는 것을 의미한다. 예를 들어, 회전 구동부(150)는 캐터필러(133)를 도 3의 z축을 따라 회전할 수도 있다.The rotation driving unit 150 controls the orientation of the haptic feedback by rotating the contact element (eg, the wheel 131 or the caterpillar 133) of the haptic driving unit 130 . Here, the rotation of the contact element of the haptic driving unit 130 does not rotate based on the axis of the wheel 131 connected to the motor, but rather the contact plane between the
일 실시예에서, 상기 회전 구동부(150)는 회전 구동부(150)(예컨대, 플레이트(135a, 135b))와 연결된 결합부재(151) 및 상기 결합부재(151)를 회전시키는 모터(155)를 포함할 수도 있다.In one embodiment, the rotation driving unit 150 includes a
모터(155)는 피부 스트레칭의 방위를 제어한다. 모터(155)는 서보 모터(servo motor)일 수도 있으나, 이에 제한되진 않는다.Motor 155 controls the orientation of skin stretching. The motor 155 may be a servo motor, but is not limited thereto.
모터(155)가 구동하여 플레이트(135a, 135b)가 회전하면, 도 3에 화살표(R)로 도시된 바와 같이, 플레이트(135a, 135b)에 의해 고정된 휠(131)의 축과 캐터필러(133)가 접촉 평면 상에서 회전한다.When the motor 155 is driven to rotate the plates 135a and 135b, as shown by the arrow R in FIG. 3 , the shaft of the wheel 131 fixed by the plates 135a and 135b and the caterpillar 133 ) rotates on the contact plane.
또한, 상기 햅틱 모듈(200)도, 햅틱 모듈(100)과 마찬가지로, 기본 하우징(210), 햅틱 구동부(230), 회전 구동부(250), 및 상부 하우징(270)을 포함한 햅틱 모듈(200)을 포함할 수도 있다. 구성요소(210, 230, 250, 270)는 전술한 구성요소(110, 130, 250, 270)와 구조 및 동작이 동일하므로, 자세한 설명은 생략한다.In addition, the
다시 도 1을 참조하면, 상기 한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200)은 각각의 2차원 스트레칭에 의한 햅틱 피드백이 3차원 단일 햅틱 피드백으로 전달되도록 상기 사용자에게 장착된다. 상기 한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200)은 서로 다른 접촉 평면을 따라 배치되도록 상기 사용자에게 장착된다.Referring back to FIG. 1 , the pair of
예를 들어, 상기 캐터필러(133)의 구동을 통해 피부가 2차원으로 스트레칭되어 햅틱 피드백이 사용자에게 전달된다. 한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200)이 각각 접촉한 피부를 2차원으로 스트레칭하면, 사용자는 각 접촉 부분의 햅틱 피드백을 종합적으로 인식하여, 최종적으로 단일 햅틱 피드백으로 인식한다. 즉, 한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200)에 의한 개별적인 햅틱 피드백이 단일 피드백으로 전달된다.For example, the skin is stretched in two dimensions through the driving of the caterpillar 133 , and haptic feedback is transmitted to the user. When the pair of
제어 장치는 데이터를 입력받거나 수신하는 입력부 및 구동 명령을 생성하는 렌더링부를 포함한다.The control device includes an input unit for receiving or receiving data, and a rendering unit for generating a driving command.
제어 장치는 렌더링 입력을 수신하여 구동 명령을 생성하고, 생성된 구동 명령을 햅틱 모듈(100, 200)에 입력한다.The control device generates a driving command by receiving the rendering input, and inputs the generated driving command to the
상기 렌더링 입력은 사용자가 촉감을 통해 인식하길 원하는 3차원 정보를 포함한다. 상기 3차원 정보는 사용자가 피부 스트레칭 큐(skin-stretch cues)와 같은, 촉각 측면에서 인식해야 하는 대상으로서, 사용자가 지각할 자극에 대응한다. The rendering input includes 3D information that the user wants to recognize through touch. The 3D information corresponds to a stimulus to be perceived by the user as an object that the user should recognize from a tactile point of view, such as skin-stretch cues.
상기 3차원 정보는 3차원 벡터로 구현될 수도 있다. 그러면, 3차원 벡터가 사용자에게 촉각 측면에서 인식된다. 사용자는 3차원 벡터 자체를 인식하거나, 또는 3차원 벡터에 대응한 자극을 햅틱 피드백으로 인식할 수도 있다.The 3D information may be implemented as a 3D vector. Then, the 3D vector is perceived by the user in terms of tactile sense. The user may recognize the 3D vector itself or a stimulus corresponding to the 3D vector as haptic feedback.
상기 제어 장치는 각 햅틱 모듈에 입력할 구동 명령을 생성한다.The control device generates a driving command to be input to each haptic module.
일 실시예에서, 구동 명령이 입력되는 상기 한 쌍의 햅틱 모듈(100, 200)은 직교 구조로 배치되도록 사용자의 신체에 장착된다. 여기서, 직교 구조는 스트레칭될 피부와 해당 모듈(100 또는 200)의 접촉 평면이 직교인 구조를 의미한다. 예를 들어, 햅틱 모듈(100)이 팔뚝 등의 접촉 평면을 형성하도록 장착된 경우 다른 햅틱 모듈(200)은 팔뚝 옆의 접촉 평면을 형성하도록 장착된다.In an embodiment, the pair of
이로 인해, 각 햅틱 모듈(100, 200)의 접촉 요소(예컨대, 캐터필러(133, 233))도 서로 직교 관계를 가진다. 예를 들어, 캐터필러(133, 233)에 의해 발생하는 피부 스트레칭의 벡터는 서로 직교 관계를 가진다.Due to this, the contact elements (eg, caterpillars 133 and 233) of each
제어 장치는 햅틱 모듈(100, 200)을 제어하는데 사용되는 구동 명령을 입력하여, 타겟 벡터에 대응하는 자극을 사용자에게 주어 상기 타겟 벡터의 피드백을 전달받게 한다.The control device inputs a driving command used to control the
예를 들어, 상기 제어 장치는 타겟 벡터의 햅틱 피드백이 전달되도록 특정 명령을 햅틱 모듈(100, 200)에 입력하여 캐터필러(133, 233)의 속도 등을 제어할 수도 있다.For example, the control device may control the speed of the caterpillars 133 and 233 by inputting a specific command to the
제어 장치는 3차원 타겟 벡터를 포함한 렌더링 입력이 획득되면, 햅틱 모듈(100)이 제1 스트레칭 벡터의 햅틱 피드백을 전달하게 하는 햅틱 모듈(100)을 위한 구동 명령을 입력하고, 햅틱 모듈(200)이 제2 스트레칭 벡터의 햅틱 피드백을 전달하게 하는 햅틱 모듈(200)을 위한 구동 명령을 입력한다.When a rendering input including a three-dimensional target vector is obtained, the control device inputs a driving command for the
상기 제1 스트레칭 벡터는 햅틱 모듈(100)과 (예컨대, 팔 등의) 피부의 접촉 평면 상의 벡터로서, 접촉 요소(예컨대, 캐터필러(133))에 의해 발생한다. 상기 제2 백터는 햅틱 모듈(200)과 (예컨대, 팔 옆의) 피부의 접촉 평면 상의 벡터로서, 접촉 요소(예컨대, 캐터필러233)에 의해 발생한다. 햅틱 모듈(100, 200)의 직교 구조로 인해, 상기 제1 스트레칭 벡터와 제2 스트레칭 벡터는 서로 직교 관계를 가진다.The first stretching vector is a vector on a plane of contact between the
도 1에 도시된 바와 같이 햅틱 모듈(100, 200)을 팔등과 팔옆에 장착한 사용자에게 3차원 타겟 벡터(vtarget)에 대응한 자극을 햅틱 피드백으로 전달하는 것을 가정하자. 그러면, 햅틱 모듈(100)에 의해 제1 스트레칭 벡터의 햅틱 피드백이 전달되고, 햅틱 모듈(200)은 제2 스트레칭 벡터의 햅틱 피드백이 전달되어야 한다. 각 스트레칭 벡터vidx는 아래의 수학식 1로 정의된다.As shown in FIG. 1 , it is assumed that a stimulus corresponding to a three-dimensional target vector v target is transmitted as haptic feedback to a user who has mounted the
여기서, idx는 햅틱 모듈(100, 200)이 장착되는 신체 부분을 나타낸다. 상기 도 1의 예시에서, idx ∈ {팔등, 팔옆}일 수도 있다. P는 상기 타겟 벡터를 신체 부분에 대응한 접촉 평면 상에 사영하는 관계를 나타낸 사영 행렬(projection matrix)이다.Here, idx represents a body part on which the
상기 예시에서, P팔등은 타겟 벡터를 팔등과 접촉 모듈100의 접촉 평면에 대한 사영 행렬이다. 그러면, 제1 스트레칭 벡터(즉, v팔등)는 P팔등vtarget로 정의되고 제2 스트레칭 벡터(즉, P팔옆)는 P팔옆vtarget으로 정의된다.In the above example, P forearm is the projection matrix of the target vector for the contact plane of the forearm and
이러한 제1 및 제2 스트레칭 벡터의 햅틱 피드백이 사용자에게 전달되면, 사용자는 3차원 타겟 벡터가 자극되었다고 인식하게 되고, 결국 3차원 타겟 벡터가 촉각 측면에서 렌더링된다.When the haptic feedback of the first and second stretching vectors is transmitted to the user, the user recognizes that the 3D target vector is stimulated, and eventually the 3D target vector is rendered in the tactile sense.
제어 장치는 각 햅틱 모듈(100, 200)이 상기 수학식 1에 계산된 스트레칭 벡터(vidx)을 전달하도록 구동하기 위한 구동 명령을 입력한다. 햅틱 모듈(100, 200)이 구동 명령에 반응하여 구동하면, 사용자는 3차원 타겟 벡터가 자극되었다고 인식하게 된다.The control device inputs a driving command for driving each of the
일 실시예에서, 제어 장치는 햅틱 구동부(130, 230)가 접촉 요소(예컨대, 상기 캐터필러(133, 233))를 아래의 수학식 2에 의해 계산된 속도vslide로 구동하게 하는 구동 명령을 입력할 수도 있다.In one embodiment, the control device inputs a driving command to cause the haptic driving units 130 and 230 to drive the contact elements (eg, the caterpillars 133 and 233) at a speed v slide calculated by Equation 2 below. You may.
여기서, αslide는 접촉 요소(예컨대, 캐터필러(133, 233))의 슬라이딩 상수로서 접촉 요소의 접촉 길이 및/또는 접촉 요소의 구동 가능한 속도 범위에 기초하여 그 값이 설정된다. 예를 들어, 슬라이딩 상수는 캐터필러(133, 233)의 접촉 구간의 최대 길이(즉, 최대 렌더링 길이) 및/또는 최대 구동 속도에 따라 계산될 수도 있다.Here, α slide is a sliding constant of the contact element (eg, caterpillars 133 and 233 ), the value of which is set based on the contact length of the contact element and/or the drivable speed range of the contact element. For example, the sliding constant may be calculated according to the maximum length (ie, the maximum rendering length) of the contact section of the caterpillars 133 and 233 and/or the maximum driving speed.
상기 수학식 2에서 계산된 속도로 각 캐터필러(133, 233)가 구동하면, 각 스트레칭 벡터(vidx)이 전달되어, 결국 사용자는 입력된 3차원 타겟 벡터에 대응하는 자극을 인식한다.When each caterpillar (133, 233) is driven at the speed calculated in Equation (2), each stretching vector (v idx ) is transmitted, and eventually the user recognizes the stimulus corresponding to the input 3D target vector.
또한, 상기 햅틱 시스템(1)은 다수의 타겟 벡터를 렌더링할 수도 있다. 상기 다수의 타겟 벡터는 순차적으로 렌더링될 수도 있다.Also, the haptic system 1 may render multiple target vectors. The plurality of target vectors may be sequentially rendered.
상기 햅틱 시스템(1)이, 사용자에게 제1 타겟 벡터 및 제2 타겟 벡터의 자극을 인식시키란 렌더링 입력을 수신한 상황을 가정해보자. 여기서 제1 타겟 벡터의 방위와 제2 타겟 벡터의 방위는 서로 다르다.Assume that the haptic system 1 receives a rendering input for recognizing the stimulus of the first target vector and the second target vector to the user. Here, the orientation of the first target vector and the orientation of the second target vector are different from each other.
우선 햅틱 모듈(100)은 상기 수학식 1 및 2를 통해 제1 타겟 벡터로부터 계산된 제1-1 스트레칭 벡터를 렌더링하고, 이어서 상기 수학식 1 및 2를 통해 제2 타겟 벡터로부터 계산된 제2-1 스트레칭 벡터를 렌더링한다. 마찬가지로, 햅틱 모듈(200)이 상기 수학식 1 및 2를 통해 제1 타겟 벡터로부터 계산된 제1-2 스트레칭 벡터를 렌더링하고 이어서 상기 수학식 1 및 2를 통해 계산된 제2-2 스트레칭 벡터를 렌더링한다.First, the
상기 사용자가 촉감을 통해 제1 타겟 벡터 및 제2 타겟 벡터를 순차적으로 인식하도록, 각 햅틱 모듈의 회전 구동부(150, 250)는 연결된 햅틱 구동부(130, 230)를 아래의 수학식 3에 의해 계산된 회전각θrot,idx으로 회전한다.In order for the user to sequentially recognize the first target vector and the second target vector through touch, the rotation driving units 150 and 250 of each haptic module calculate the connected haptic driving units 130 and 230 by Equation 3 below. It rotates with the given rotation angle θ rot,idx .
여기서, θrot,idx은 신체 부분(idx, 예컨대, 팔등과 팔옆)에 부착된 각 햅틱 모듈에 대한 접촉 평면 상에서 상기 회전 구동부(150, 250)에 의한 햅틱 구동부(130, 230)의 회전각이며, 상기 vidx,u와 vidx,v는 접촉 평면(u, v)에서 u축과 v축에서의 vidx의 크기이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 u축은 스트레칭 방향에 평행한 일 축일 수도 있다.Here, θ rot, idx is the rotation angle of the haptic driving units 130 and 230 by the rotation driving units 150 and 250 on the contact plane for each haptic module attached to the body part (idx, for example, the back of the arm and the side of the arm) , where v idx,u and v idx,v are the magnitudes of v idx in the u-axis and v-axis in the contact plane (u, v). As shown in FIG. 1 , the u-axis may be one axis parallel to the stretching direction.
상기 회전각은 접촉 평면(u, v) 상의 각도 변화량이다. 햅틱 구동부(130, 230)의 회전은 접촉 요소(예컨대, 캐터필러(133, 233))하는 것에 대응한다.The rotation angle is the amount of angular change on the contact plane (u, v). Rotation of the haptic drive 130 , 230 corresponds to making a contact element (eg caterpillar 133 , 233 ).
도 1의 예시에서, 햅틱 모듈(100)의 회전각θrot.팔등은 접촉 평면(x, y) 상에서 캐터필러(133)가 회전한 각도의 변화량이고, 햅틱 모듈(200)의 회전각θrot,팔옆은 접촉 평면(x, z) 상에서 캐터필러(233)가 회전한 각도의 변화량이다.In the example of FIG. 1 , the rotation angle θ rot of the
상기 회전 구동부(150, 250)에 의해 캐터필러(133, 233)가 상기 회전각 θrot,idx으로 회전하면, 사용자는 제1 타겟 벡터의 햅틱 피드백과 제2 타겟 벡터의 햅틱 피드백을 순차적으로 느낄 수도 있다.When the caterpillars 133 and 233 are rotated by the rotation driving units 150 and 250 at the rotation angle θ rot,idx , the user may sequentially feel the haptic feedback of the first target vector and the haptic feedback of the second target vector. have.
상기 제1 타겟 벡터와 제2 타겟 벡터가 각각 현재 시간과 다음 시간의 타겟 벡터일 경우, 시간에 따른 경로의 3차원 정보를 촉각 측면에서 사용자에게 전달할 수도 있다.When the first target vector and the second target vector are target vectors of the current time and the next time, respectively, 3D information of a path according to time may be transmitted to the user in terms of tactile sense.
제어 장치는 3차원 타겟 벡터를 갖는 렌더링 입력을 수신하면, 상기 3차원 타겟 벡터로부터 상기 수학식 1-3을 통해 계산된 데이터를 포함한 구동 명령을 각 햅틱 모듈(100, 200)에 입력한다. 상기 계산된 데이터는 수학식 1에 의해 계산된 각 스트레칭 벡터vidx, 캐터필러(133, 233)의 속도vslide 및 회전각θrot,idx 중 적어도 하나를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 햅틱 시스템(1)이 복수의 타겟 벡터를 수신하면, 구동 명령은 렌더링 순서를 더 포함할 수도 있다.When the control device receives a rendering input having a 3D target vector, it inputs a driving command including data calculated through Equation 1-3 from the 3D target vector to each of the
예를 들어, 상기 제1 구동 명령은 렌더링 순서, 제1-1 스트레칭 벡터 데이터 및 제1 스트레칭 벡터를 렌더링하기 위한 캐터필러 속도 중 적어도 하나, 그리고 제1-2 스트레칭 벡터 데이터 및 제1-2 스트레칭 벡터를 렌더링하기 위한 캐터필러 속도 중 적어도 하나를 포함하고, 그리고 상기 수학식 3에 의해 계산된 회전각 θrot.팔등을 포함한다. 마찬가지로, 상기 제2 구동 명령은 렌더링 순서, 제2-1 스트레칭 벡터 데이터 및 제2 스트레칭 벡터를 렌더링하기 위한 캐터필러 속도 중 적어도 하나, 그리고 제2-2 스트레칭 벡터 데이터 및 제2-2 스트레칭 벡터를 렌더링하기 위한 캐터필러 속도 중 적어도 하나를 포함하고, 그리고 상기 수학식 3에 의해 계산된 회전각 θrot.팔옆을 포함한다.For example, the first driving command may include a rendering order, at least one of the 1-1 stretching vector data and a caterpillar speed for rendering the first stretching vector, and the 1-2 stretching vector data and the 1-2 stretching vector data. It includes at least one of caterpillar speeds for rendering , and includes a rotation angle θ rot . Similarly, the second driving command includes a rendering order, at least one of a 2-1 stretching vector data and a caterpillar speed for rendering the second stretching vector, and rendering the 2-2 stretching vector data and the 2-2 stretching vector. and at least one of the caterpillar speeds for doing so, and the rotation angle θ rot .
상기 햅틱 시스템(1)은 캐터필러 매커니즘으로 피부가 스트레칭되기 때문에, 피부에 대한 접촉 요소가 이동하는 범위 및/또는 시간이 구조적으로 제한되지 않는다. 그 결과, 햅틱 시스템(1)은 시스템이 고정될 경우 사용자가 피부 스트레칭 자극에 둔감해지는 것을 방지하고, 햅틱 피드백이 지속적으로 전달될 수 있다.Since the haptic system 1 stretches the skin with a caterpillar mechanism, the range and/or time for which the contact element to the skin moves is not structurally limited. As a result, the haptic system 1 prevents the user from becoming insensitive to skin stretching stimuli when the system is fixed, and haptic feedback can be continuously transmitted.
추가적으로, 상기 햅틱 시스템(1)은 햅틱 모듈(100, 200)을 장착한 사용자의 움직임을 반영하여 보다 실감난 햅틱 피드백을 사용자에게 전달할 수도 있다.Additionally, the haptic system 1 may transmit a more realistic haptic feedback to the user by reflecting the movement of the user equipped with the
예를 들어, 가상 공간 상의 가상 객체와 접촉하는 사용자가 움직일 경우, 사용자가 인지하는 자극은 가상 객체와의 접촉과 사용자의 움직임 모두에 영향을 받을 수도 있다. 정확한 햅틱 피드백이 전달되려면, 사용자의 움직임이 고려되어야 한다.For example, when the user in contact with the virtual object in the virtual space moves, the stimulus perceived by the user may be affected by both the contact with the virtual object and the user's movement. In order to deliver accurate haptic feedback, the user's movement must be considered.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 모션 센서를 갖는 햅틱 시스템의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a haptic system with a motion sensor, in accordance with an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 상기 햅틱 시스템(1)은 모션 센서(300)를 더 포함할 수도 있다. 상기 실시예에서, 상기 제어 장치는 트래킹부를 더 포함할 수도 있다.Referring to FIG. 4 , the haptic system 1 may further include a
모션 센서(300)는 모듈(100, 200)이 장착된 신체의 동작을 트래킹하여 이 신체 부분(예컨대, 팔뚝)의 위치, 방향, 자세 등을 측정할 수도 있다. 상기 모션 센서(300)는 장착된 신체의 동작을 트래킹할 수 있는 다른 신체 부분에 장착된다. 일부 실시예들에서, 이 다른 신체 부분은 햅틱 모듈(100, 200)이 장착된 신체 부분에서 연장된 다른 신체 부분일 수도 있다. 예를 들어, 팔뚝에서 연장된 손목, 특히 팔뚝에 연결된 손목 부분일 수도 있다.The
상기 햅틱 시스템(1)은 모션 센서(300)에 의해 트래킹된 신체 부분의 위치, 방향 등을 측정하고, 측정된 정보를 제어 장치에 전달한다. 그러면, 제어 장치는 타겟 벡터의 햅틱 피드백이, 피부를 스트레칭하는 것에만 의존해서 전달되는 대신에, 피부를 스트레칭하는 것과 사용자의 움직임에 의존하여 전달되도록 햅틱 모듈(100, 200)에 구동 명령을 입력한다.The haptic system 1 measures the position and direction of the body part tracked by the
일 실시예에서, 상기 햅틱 시스템(1)에 타겟 벡터가 입력되고 사용자가 장착 신체 부분(예컨대, 팔뚝)을 움직이면, 햅틱 모듈(100, 200)이 렌더링할 제1 스트레칭 벡터 및 제2 백터의 햅틱 피드백의 정의는 수학식 1로부터 아래의 수학식 4로 업데이트된다.In an embodiment, when a target vector is input to the haptic system 1 and the user moves a mounted body part (eg, forearm), the
여기서, vmod,idx는 업데이트된 각 햅틱 모듈(100, 200)의 스트레칭 벡터이고, Rtracker는 모션 센서(300)의 트래킹 결과로부터 계산되는 상기 움직임의 방위 행렬(orientation matrix)을 나타낸다.Here, v mod,idx is the updated stretching vector of each
제어 장치는 수학식 4에 의해 계산된, 업데이트된 스트레칭 벡터vmod,idx를 상기 수학식 2에 적용하여 캐터필러(133, 233)의 속도를 계산하거나 및/또는 상기 수학식 3에 적용하여 접촉 요소(예컨대, 캐터필러(133, 233))의 회전각을 계산한다. 제어 장치는 업데이트된 스트레칭 벡터vmod,idx, 접촉 요소의 속도 및/또는 회전각에 기초한 구동 명령을 생성하여 각 햅틱 모듈(100, 200)에 입력한다. 그러면, 사용자는 움직임에 의한 햅틱 피드백과 피부 스트레칭에 의한 햅틱 피드백을 통해 최종적으로 3차원 타겟 벡터의 햅틱 피드백을 전달 받는다.The control device calculates the velocity of the caterpillars 133 and 233 by applying the updated stretching vector v mod,idx calculated by Equation 4 to Equation 2 and/or applying Equation 3 to the contact element A rotation angle of (eg, caterpillars 133 and 233 ) is calculated. The control device generates a driving command based on the updated stretching vector v mod,idx , the velocity and/or the rotation angle of the contact element, and inputs it to each of the
추가적으로, 상기 햅틱 시스템(1)은 사용자가 지각할 수 없는 자극 차이에 대해서는 반응하지 않도록 구성된다. 즉, 상기 햅틱 시스템(1)은 작은 세기의 변화를 야기하는 피부 스트레칭(즉, 스트레칭 벡터)에 대해서는 반응하지 않아 햅틱 피드백을 전달하지 않는다.Additionally, the haptic system 1 is configured not to respond to stimulus differences that are imperceptible to the user. That is, the haptic system 1 does not respond to skin stretching (ie, stretching vector) that causes a small change in intensity, and thus does not transmit haptic feedback.
여기서, 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이는 사용자의 지각 임계 값(perception threshold) 또는 눈에 띄는 차이(JND, just noticeable difference) 보다 낮은 값으로 정의된다. 상기 자극 차이는 햅틱 피드백으로서 렌더링될 스트레칭 벡터의 변화에 대응한다.Here, the stimulus difference that can be perceived by the user is defined as a value lower than the user's perception threshold or just noticeable difference (JND). The stimulus difference corresponds to a change in the stretching vector to be rendered as haptic feedback.
일 실시예에서, 상기 회전 구동부(150, 250)는 상기 제1 타겟 벡터와 제2 타겟 벡터 간의 차이에 대응한 자극이 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 범위 이상일 경우에, 상기 햅틱 구동부(130, 230)의 접촉 요소를 상기 회전각 θrot,idx으로 회전할 수도 있다. 상기 회전 구동부(150, 250)는 상기 제1 타겟 벡터와 제2 타겟 벡터 간의 차이에 대응한 자극이 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 범위 미만이면, 상기 햅틱 구동부(130, 230)의 접촉 요소를 회전시키지 않는다.In an embodiment, when the stimulus corresponding to the difference between the first target vector and the second target vector is greater than or equal to the range of the stimulus difference perceivable by the user, the rotation driving unit 150 or 250 may be configured to be configured to be configured with the haptic driving unit 130 . , 230) may be rotated at the rotation angle θ rot,idx . When the stimulus corresponding to the difference between the first target vector and the second target vector is less than the range of the stimulus difference perceptible by the user, the rotation driving units 150 and 250 are the contact elements of the haptic driving units 130 and 230 . do not rotate
상기 JND 값과 같은, 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 범위는 실험 결과를 통계적으로 분석하여 설정될 수도 있다.The range of the stimulus difference perceptible by the user, such as the JND value, may be set by statistically analyzing the experimental results.
예를 들어, 참조 자극(α0)과 비교 자극(α0+△α) 중 어느 하나가 임의로 주어지고, 참가자는 해당 자극을 선택한다. 실험 조건으로 제시된 것과 일치하는 느낌. 특정 횟수의 시도가 끝나면 실험 세션이 종료되고, 실험 결과가 획득된다. 그런 다음 상기 실험 결과로부터 민감 지수(d')를 계산한다. 상기 민감 지수(d')는 다음의 수학식 5과 같이 적중률(H) 및 오경보 비율(F)의 z-점수로부터 계산된다.For example, either a reference stimulus (α 0 ) or a comparison stimulus (α 0 +Δα) is randomly given, and the participant selects that stimulus. Feelings consistent with those presented as experimental conditions. After a certain number of trials, the experimental session is terminated, and the experimental results are obtained. Then, the sensitivity index (d') is calculated from the experimental results. The sensitivity index (d') is calculated from the z-scores of the hit rate (H) and the false alarm rate (F) as shown in Equation 5 below.
상기 민감 지수(d')와 자극(즉, 스트레칭 벡터)이 선형 관계라고 가정하면, 상기 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이는 d'=1에서의 자극의 크기로 정의된다.Assuming that the sensitivity index d' and the stimulus (ie, the stretching vector) have a linear relationship, the stimulus difference perceptible by the user is defined as the magnitude of the stimulus at d'=1.
상기 가정하에서, 다수의 자극 세기들에 대해 획득된 민감 지수(d')의 값들이 주어지면, 상기 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 값((△α)0)은 아래의 수학식에 의해 계산된다.Under the above assumption, given the values of the sensitivity index (d') obtained for a plurality of stimulus intensities, the value of the stimulus difference perceptible by the user ((Δα) 0 ) is obtained by the following equation Calculated.
여기서, δ는 민감 지수(d')와 자극 세기 사이의 관계이고, 변수 상단의 기호(
이와 같이, 방향 별 상기 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 범위를 기반으로 상기 타겟 벡터로부터 스트레칭 벡터의 방위가 계산된다. 그러면, 방위의 변화량이 상기 범위 이상이면 스트레칭 벡터의 방향이 변경된다.In this way, the orientation of the stretching vector is calculated from the target vector based on the range of the stimulus difference perceptible by the user for each direction. Then, the direction of the stretching vector is changed if the amount of change in the orientation is greater than or equal to the above range.
상기 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이에 관련된 실시예들은 아래의 알고리즘을 구현하는 프로그램으로 구현될 수도 있다.The embodiments related to the stimuli difference perceptible by the user may be implemented as a program for implementing the following algorithm.
도 5는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 조건을 만족하는 경우에 회전 구동부의 회전을 제어한 실험 결과를 도시한다.FIG. 5 shows experimental results of controlling the rotation of the rotation driving unit when a condition of a stimulus difference that can be perceived by a user is satisfied, according to an experimental example of the present invention.
상기 햅틱 시스템(1)은 사용자는 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 조건 유무에 따라 일련의 3차원 타겟 벡터를 렌더링한다. 사용자가 렌더링 결과로 인식한 자극은 아래의 수학식 7을 통해 수치화된다.The haptic system 1 renders a series of three-dimensional target vectors according to the presence or absence of a condition of a stimulus difference that the user can perceive. The stimulus recognized by the user as a rendering result is quantified through Equation 7 below.
여기서, K는 실험 당 가해지는 자극의 수이고, nij는 미리 지정된 자극(Si)을 실제로 반응한 자극(Rj)의 회수이다. ni는 자극(Si)가 가해진 횟수이다. (즉, ni = ∑jnij, 여기서 j=1 to K). nj는 인식한 반응(Rj)의 전체 카운트이다. (즉, ni = ∑jnij, 여기서 i=1 to K)Here, K is the number of stimuli applied per experiment, and n ij is the number of stimuli (R j ) that actually responded to a predetermined stimulus (Si). n i is the number of times the stimulus (S i ) is applied. (i.e. n i = ∑ j n ij , where j=1 to K). n j is the total count of recognized responses (Rj). (i.e. n i = ∑ j n ij , where i=1 to K)
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 범위를 회전 조건으로 사용하지 않고 곧바로 회전시킨 경우와 비교하여, 상기 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 범위를 회전 조건으로 사용한 경우에서 사용자가 전달되는 자극을 보다 잘 인식하는 것이 확인된다.As shown in FIG. 5 , the range of the stimulus difference perceptible by the user is used as the rotation condition, compared to the case where the range of the stimulus difference perceivable by the user is directly rotated without being used as the rotation condition. In this case, it is confirmed that the user perceives the transmitted stimulus better.
이와 같이 상기 알고리즘을 사용하면, 상기 햅틱 시스템(1)은 3차원 기하학 정보를 촉각 측면에서 렌더링할 경우 자극의 세기가 작으면 햅틱 피드백을 인식하는 능력이 감소하는 문제를 해결하고, 상기 햅틱 시스템(1)은 촉각 큐(tactile cues)의 대조를 증가시켜 보다 높은 햅틱 피드백의 공간 해상도를 가진다.In this way, when the algorithm is used, the haptic system 1 solves the problem that the ability to recognize haptic feedback decreases when the intensity of the stimulus is small when the three-dimensional geometric information is rendered from the tactile side, and the haptic system ( 1) increases the contrast of tactile cues, resulting in higher spatial resolution of haptic feedback.
그 결과, 가상 공간 내 가상 객체의 표면을 촉각을 통해 사용자가 보다 잘 인식하게 한다.As a result, the user can better recognize the surface of the virtual object in the virtual space through tactile sense.
대안적인 일 실시예에서, 상기 제1 타겟 벡터 및 제2 타겟 벡터를 렌더링하기 위한 구동 명령은 단일 구동 명령으로 입력되거나, 또는 일련의 구동 명령으로 입력될 수도 있다. 예를 들어, 상기 햅틱 모듈(100, 200)은 동일한 패킷을 통해 구동 명령을 수신할 수도 있다.In an alternative embodiment, the driving command for rendering the first target vector and the second target vector may be input as a single driving command or as a series of driving commands. For example, the
대안적인 일 실시예에서, 상기 햅틱 모듈(100, 200)이 피부를 스트레칭하는 동작은 동기적으로 수행될 수도 있다. 예를 들어, 햅틱 구동부(130, 230)의 모터가 동기적으로 구동할 수도 있다.In an alternative embodiment, the operation of stretching the skin by the
상기 햅틱 시스템(1)이 본 명세서에 서술되지 않은 다른 구성요소를 포함할 수도 있다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 상기 햅틱 시스템(1)은 네트워크 인터페이스, 데이터 엔트리를 위한 입력 장치, 및 디스플레이, 인쇄 또는 다른 데이터 표시를 위한 출력 장치를 포함하는, 본 명세서에 서술된 동작에 필요한 다른 하드웨어 요소를 포함할 수도 있다.It will be apparent to a person skilled in the art that the haptic system 1 may include other components not described herein. For example, the haptic system 1 may include a network interface, an input device for data entry, and other hardware elements necessary for the operation described herein, including an output device for display, printing or other data presentation. You may.
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.In the above-described specific embodiments, elements included in the invention are expressed in the singular or plural according to the specific embodiments presented. However, the singular or plural expression is appropriately selected for the situation presented for convenience of description, and the above-described embodiments are not limited to the singular or plural component, and even if the component is expressed in plural, it is composed of a singular or , even a component expressed in a singular may be composed of a plural.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.On the other hand, although specific embodiments have been described in the description of the invention, various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea contained in the various embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents.
1: 햅틱 시스템
100, 200: 햅틱 모듈
110, 210: 기본 하우징
130, 230: 햅틱 구동부
131, 231: 휠
133, 233: 캐터필러
135, 235: 플레이트
150, 250: 회전 구동부
151, 251: 결합 부재
155, 255: 회전 모터
170, 270: 상부 하우징
190, 290: 고정구
300: 모션 센서1: Haptic system
100, 200: haptic module
110, 210: basic housing
130, 230: haptic driving unit
131, 231: wheel
133, 233: caterpillar
135, 235: plate
150, 250: rotation drive unit
151, 251: coupling member
155, 255: rotation motor
170, 270: upper housing
190, 290: fixture
300: motion sensor
Claims (9)
사용자의 신체에 장착되어 사용자의 피부 2차원으로 스트레칭하는 제1 햅틱 모듈 및 제2 햅틱 모듈을 포함하고,
상기 제1 햅틱 모듈 및 제2 햅틱 모듈 중 적어도 하나는: 사용자의 피부와 접촉하여 상기 사용자의 피부를 스트레칭하는 햅틱 구동부; 연결된 상기 햅틱 구동부를 회전하여 상기 햅틱 구동부에 의한 피부 스트레칭의 방위를 제어하는 회전 구동부; 및 상기 햅틱 구동부가 내부에 배치되는 기본 하우징;을 포함하고,상기 제1 햅틱 모듈 및 제2 햅틱 모듈은 서로 다른 상기 피부와의 접촉 평면을 형성하도록 상기 사용자의 신체에 장착되고,
상기 제1 햅틱 모듈 및 상기 제2 햅틱 모듈 각각은 각 접촉 평면에 상기 3차원 정보가 사영된 2차원 스트레칭 벡터를 렌더링 하는 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
A haptic system for rendering three-dimensional information on skin for haptic feedback, the haptic system comprising:
A first haptic module and a second haptic module mounted on the user's body to stretch the user's skin in two dimensions,
At least one of the first haptic module and the second haptic module may include: a haptic driving unit contacting the user's skin to stretch the user's skin; a rotation driving unit configured to rotate the connected haptic driving unit to control the orientation of skin stretching by the haptic driving unit; and a basic housing in which the haptic driving unit is disposed, wherein the first haptic module and the second haptic module are mounted on the user's body to form different contact planes with the skin,
The haptic system, characterized in that each of the first haptic module and the second haptic module renders a two-dimensional stretching vector in which the three-dimensional information is projected on each contact plane.
상기 사용자가 촉감을 통해 3차원 타겟 벡터를 인식하기 위해, 상기 제1 햅틱 모듈 및 제2 햅틱 모듈 각각이 렌더링할 스트레칭 벡터는 아래의 수학식으로 정의되며,
[수학식]
여기서, idx는 상기 제1 햅틱 모듈 또는 상기 제2 햅틱 모듈이 장착된 각 신체 부분을 나타내며, vidx는 상기 제1 햅틱 모듈 또는 상기 제2 햅틱 모듈의 각 스트레칭 벡터이고, 상기 Pidx는 상기 3차원 타겟 벡터를 접촉 평면 상에 사영한 관계를 나타낸 사영 행렬이며, 상기 접촉 평면은 상기 제1 햅틱 모듈 또는 상기 제2 햅틱 모듈이 피부와 접촉하여 형성된 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
According to claim 1,
In order for the user to recognize a three-dimensional target vector through touch, a stretching vector to be rendered by each of the first haptic module and the second haptic module is defined by the following equation,
[Equation]
Here, idx represents each body part to which the first haptic module or the second haptic module is mounted, vidx is each stretching vector of the first haptic module or the second haptic module, and Pidx is the three-dimensional target A haptic system, characterized in that the first haptic module or the second haptic module is formed when the first haptic module or the second haptic module is in contact with the skin.
한 쌍의 햅틱 모듈이 장착된 신체 부분의 움직임을 트래킹하는 모션 센서를 더 포함하고,
상기 3차원 타겟 벡터를 인식할 사용자가 상기 신체 부분을 움직일 경우, 상기 스트레칭 벡터는 아래의 수학식으로 업데이트되며,
[수학식]
여기서, Rtracker 상기 모션 센서의 트래킹 결과로부터 계산되는 상기 움직임의 방위 행렬(orientation matrix)을 나타내는 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
3. The method of claim 2,
Further comprising a motion sensor for tracking the movement of a body part equipped with a pair of haptic modules,
When the user to recognize the three-dimensional target vector moves the body part, the stretching vector is updated by the following equation,
[Equation]
Here, the R tracker haptic system, characterized in that it represents an orientation matrix of the motion calculated from the tracking result of the motion sensor.
상기 사용자가 촉감을 통해 제1 타겟 벡터 및 제2 타겟 벡터를 순차적으로 인식하도록, 각 햅틱 모듈의 회전 구동부는 연결된 햅틱 구동부를 아래의 수학식에 의해 계산된 회전각θrot,idx으로 회전하고,
[수학식]
여기서, θrot,idx는 각 햅틱 모듈에 대한 접촉 평면 상에서 상기 햅틱 구동부의 회전각이고, vidx,u와 vidx,v는 접촉 평면(u, v)에서 u축과 v축에서의 vidx의 크기인 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
3. The method of claim 2,
In order for the user to sequentially recognize the first target vector and the second target vector through touch, the rotation driving unit of each haptic module rotates the connected haptic driving unit at a rotation angle θ rot,idx calculated by the following equation,
[Equation]
Here, θ rot,idx is the rotation angle of the haptic driver on the contact plane for each haptic module, and v idx,u and v idx,v are v idx in the u-axis and v-axis in the contact plane (u, v). Haptic system, characterized in that the size of.
상기 사용자가 촉감을 통해 3차원 타겟 벡터를 인식하기 위한 적어도 하나의 햅틱 모듈의 스트레칭 벡터를 상기 사용자에게 전달하기 위해, 상기 햅틱 구동부는 상기 제1 햅틱 모듈 및 제2 햅틱 모듈 각각의 접촉 요소를 아래의 수학식에 의해 계산된 속도 vslide로 구동하고,
[수학식]
여기서, α slide는 슬라이딩 상수로서 접촉 요소의 접촉 길이 및 구동 가능한 속도 중 적어도 하나에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
3. The method of claim 2,
In order for the user to transmit a stretching vector of at least one haptic module for recognizing a three-dimensional target vector through tactile sense to the user, the haptic driver moves the contact element of each of the first haptic module and the second haptic module below. driven by the velocity vslide calculated by the equation of
[Equation]
wherein α slide e is a sliding constant and is set based on at least one of a contact length and a drivable speed of the contact element.
상기 제1 타겟 벡터와 제2 타겟 벡터 간의 차이에 대응한 자극이 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 범위 이상일 경우에, 상기 햅틱 구동부를 상기 회전각 θrot,idx으로 회전하는 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
The method of claim 4, wherein the rotation driving unit,
When the stimulus corresponding to the difference between the first target vector and the second target vector is greater than or equal to the range of the stimulus difference perceptible by the user, the haptic driving unit is rotated at the rotation angle θ rot,idx . system.
상기 사용자가 지각할 수 있는 자극 차이의 범위는 상기 사용자에게 기준 자극 또는 비교 자극을 주어 주어진 자극을 선택한 결과를 통계적으로 수치화하여 설정된 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
7. The method of claim 6,
The range of the stimulus difference perceptible by the user is set by statistically quantifying a result of selecting a given stimulus by giving the user a reference stimulus or a comparative stimulus.
모터에 의해 회전하는 하나 이상의 휠;
상기 하나 이상의 휠을 감싸는 캐터필러; 및
상기 하나 이상의 휠을 사이로 대향하여 상기 하나 이상의 휠을 고정한 한 쌍의 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
According to claim 1, wherein the haptic driving unit,
one or more wheels rotated by a motor;
a caterpillar surrounding the one or more wheels; and
and a pair of plates for fixing the one or more wheels by facing the one or more wheels therebetween.
상기 햅틱 구동부는 상기 제1 햅틱 모듈 또는 제2 햅틱 모듈과 상기 피부와의 접촉 부분의 길이 보다 긴 스트레칭 변위(displacement)를 야기하는 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.9. The method of claim 8,
The haptic drive unit causes a stretching displacement longer than the length of the contact portion between the first haptic module or the second haptic module and the skin.
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