KR102637690B1 - 유연한 물체의 동적 촉감 피드백을 구현하는 장치 및 방법 - Google Patents

유연한 물체의 동적 촉감 피드백을 구현하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유연한 물체의 동적 촉감 피드백을 구현하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유연한 물체의 역동적 반응에 의한 물체의 연속적 강성의 변화를 인지하게 하는 장치 및, 그 장치의 제어를 통해 그러한 변화를 인지하게 하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 사용자가 햅틱 피드백을 위한 도구로 사용하는 장치의 강성을 연속적으로 제어할 수 있게 함으로써, 더욱 가상현실 또는 증강현실 컨텐츠와 연결된 다양한 가상세계의 감각을, 가상 물체의 길이, 모양, 재질 등과 직접적으로 연결하여 표현할 수 있도록 하는 장치 및 그러한 장치를 통해 다양한 가상세계의 감각을 구현하게 하는 방법을 제공한다.

Description

유연한 물체의 동적 촉감 피드백을 구현하는 장치 및 방법{Apparatus and method for rendering dynamic haptic response of flexible object}
본 발명은 유연한 물체의 동적 촉감 피드백을 구현하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유연한 물체의 역동적 반응에 의한 물체의 연속적 강성의 변화를 인지하게 하는 장치 및, 그 장치의 제어를 통해 그러한 변화를 인지하게 하는 방법에 관한 것이다.
햅틱 피드백은 가상현실(VR) 어플리케이션의 현실성과 오락성을 크게 증가시키며, 산업과 학문 분야의 연구자들은 가상세계에 대한 사용자의 지각이 실제로 만질 수 있는 도구(tangible proxies)와 가상촉각(haptics illusions)에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 나타내 왔다. 이러한 것들은, 시각적 인터페이스와 함께, 감각을 느끼는 것처럼 유도함에 의해 실재를 인식하는 감각을 변화시키는데 이바지하였다. 이러한 접근으로부터, 많은 연구자들은 무게, 질량 이동, 충격 및 damped oscillation 등을 시뮬레이션하기 위해 역동적 성질을 만드는, 힘 피드백(force-feedback) 컨트롤러를 제시하여 왔다. 그러나 이전의 연구들은 팔을 휘두르는 등의 행동에서, 손이 잡고 있는 대상 물체가 유연한 물체인 경우에 대하여 집중하지 못하였다. 즉, 유연한 물체의 강성을 인지하도록 하는데 대한 연구가 충분하지 못하였다. 비록 몇몇 연구가 변형되거나 구부러지는 물체의 강성을 구현하려고 노력은 하였으나, 디바이스의 반응적 특성을 몇 개의 이산적인 단계만으로 변화시키는데 불과했을 뿐, 유연한 물체의 역동적 반응에 의한 물체의 연속적 강성의 변화를 인지하도록 하는 연구는 없었던 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 사용자가 햅틱 피드백을 위한 도구로 사용하는 장치의 강성을 연속적으로 제어할 수 있게 함으로써, 더욱 가상현실 또는 증강현실 컨텐츠와 연결된 다양한 가상세계의 감각을, 가상 물체의 길이, 모양, 재질 등과 직접적으로 연결하여 표현할 수 있도록 하는 장치 및 그러한 장치를 통해 다양한 가상세계의 감각을 구현하게 하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 유연한 물체의 동적 촉감 피드백을 구현하는 장치(이하 '가상 유연물체 구현 장치'라 한다)는, 가해지는 힘에 따라 360도 어느 방향으로든 구부러지는 것이 가능한, 관절의 역할을 수행하는 쿼터니온 조인트(quaternion joint); 상기 쿼터니온 조인트가 구부러지는 특정 방향에 따라 각각 팽창 또는 수축을일으키는 스트링(string)으로서, 각각 루프 형태로 회전하는 4개의 건(4 tendons); 상기 각 건의 스트링이 형성한 루프를 일단에서 지지하며 회전하는 스풀(spool); 상기 각 건의 스트링이 형성한 루프를 상기 스풀의 반대편 단에서 지지하며 회전하는 풀리(pulley); 가상현실(virtual reality, VR) 또는 증강현실(augmented reality, AR) 컨텐츠가 동작하는 기기(이하 'VR/AR 기기'라 한다)로부터 상기 각 건의 강성(stiffness)을 제어하기 위한 제어 메시지를 수신하고, 상기 제어 메시지에 따라 상기 가상 유연물체 구현 장치의 상기 각 건(tendon)의 강성을 제어하며, 상기 VR/AR 기기에서 컨텐츠의 진행에 따라, 가상의 물체의 강성의 조절이 필요한 경우마다 상기 제어 메시지의 수신 및 상기 강성의 제어를 지속적으로 반복 수행하는 제어장치; 상기 가상 유연물체 구현 장치 전면의 위치를 측정하는 전면 트래커(tracker); 및, 상기 가상 유연물체 구현 장치 후면의 위치를 측정하는 후면 트래커를 포함하고, 상기 전면 트래커에 의해 측정된 전면 위치정보는, 상기 전면 트래커가 직접 상기 VR/AR 기기로 전송하거나, 또는 상기 제어장치가 통신부를 통하여 상기 VR/AR 기기로 전송하고, 상기 후면 트래커에 의해 측정된 후면 위치정보는, 상기 후면 트래커가 직접 상기 VR/AR 기기로 전송하거나, 또는 상기 제어장치가 통신부를 통하여 상기 VR/AR 기기로 전송한다.
상기 스풀은, 제1 스풀; 및, 상기 제1 스풀에 측면에서 밀착되어 상기 제1 스풀과 동일 방향으로 회전하는 제2 스풀을 구비할 수 있다.
상기 각 건의 스트링은, 일단이 상기 제1 스풀에 고정 부착된 제1 와이어; 및, 일단이 상기 제2 스풀에 고정 부착되고, 타단이 상기 제1 와이어와 직렬로 연결된 제2 와이어를 구비하고, 상기 제1 와이어는 상기 제2 와이어보다 높은 탄성을 갖는 재질일 수 있다.
가상현실(virtual reality, VR) 또는 증강현실(augmented reality, AR) 컨텐츠가 동작하는 기기로부터 상기 각 건의 강성(stiffness)을 제어하기 위한 제어 메시지를 수신하여 상기 제어장치로 전달하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어 메시지에는, 상기 각 건에 대하여 설정할 강성 값이 포함될 수 있고, 상기 제어장치는, 상기 수신한 강성 값에 따라, 각 건의 스트링이 감기거나 풀리는 스풀의 회전을 제어할 수 있다.
상기 제어장치는, 건에 설정될 강성 값과 그에 해당하는 스풀의 회전수가 매핑된 테이블을 구비할 수 있고, 상기 수신한 강성 값에 매핑된 스풀의 회전수 값에 따라 스풀의 회전을 제어할 수 있다.
상기 가상 유연물체 구현 장치는, 상기 스풀의 회전을 구동하는 모터를 더 포함할 수 있다.
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상기 가상 유연물체 구현 장치는, 사용자가 파지하는 핸들을 더 포함할 수 있다.
상기 가상 유연물체 구현 장치는, 상기 사용자가 양손으로 파지하고 힘을 가할 수 있도록, 상기 쿼터니온 조인트의 끝 부분에 사용자가 파지하는 핸들을 1개 더 결합할 수 있도록 구성될 수 있다.
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본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 가상현실(virtual reality, VR) 또는 증강현실(augmented reality, AR) 컨텐츠가 동작하는 기기(이하 'VR/AR 기기'라 한다)가, VR/AR 컨텐츠 애플리케이션의 동작에 의해 가상의 유연 물체의 변형(deformation)을 VR/AR 컨텐츠 화면상에 구현하는 방법은, (a) 가상 유연물체 구현 장치로부터, 전면 트래커에 의해 측정된 상기 가상 유연물체 구현 장치의 전면 위치정보 및, 후면 트래커에 의해 측정된 상기 가상 유연물체 구현 장치의 후면 위치정보를 수신하는 단계; (b) 상기 전면 위치정보 및 상기 후면 위치정보로부터, 컨텐츠 화면상의 펴진 상태의 가상 유연물체 상의 임의의 점에 대하여, 상기 가상 유연물체 구현장치의 휘어짐에 따라 이동한 위치정보를 산출하는 단계; 및, (c) 상기 산출된 위치정보에 따라 상기 가상 유연물체를 화면상에 렌더링하는 단계를 포함한다.
상기 단계(b)는, (b1) 상기 후면 위치정보로부터 원점의 위치를 결정하는 단계; (b2) 상기 전면 위치정보로부터, 상기 원점과 상기 전면 위치를 잇는 직선이, 가상 유연물체가 펴진 상태에서 상기 원점을 지나는 상기 가상 유연물체의 중심선과 이루는 각도를 산출하는 단계; 및, (b3) 상기 각도로부터, 펴진 상태의 가상 유연물체 상의 임의의 점이 상기 가상 유연물체 구현장치의 휘어짐에 따라 이동한 위치정보를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단계(b3)에서 이동한 위치정보는, 원통좌표계(cylindrical coordinates)로 (rc-y,2θx/l)에 의해 산출될 수 있고, 여기서
Figure 112021047369961-pat00001
, l은 가상 유연물체의 길이, θ는 상기 원점과 상기 전면 위치를 잇는 직선이, 가상 유연물체가 펴진 상태에서 상기 원점을 지나는 상기 가상 유연물체의 중심선과 이루는 각도, x는 펴진 상태의 가상 유연물체 상의 임의의 점의 직각좌표계(cartesian coordinates) 상의 x좌표, y는 펴진 상태의 가상 유연물체 상의 임의의 점의 직각좌표계(cartesian coordinates) 상의 y좌표이다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 가상의 유연 물체의 변형(deformation)을 VR/AR 컨텐츠 화면상에 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램은, 비일시적 저장 매체에 저장되며, 프로세서에 의하여, (a) 가상 유연물체 구현 장치로부터, 전면 트래커에 의해 측정된 상기 가상 유연물체 구현 장치의 전면 위치정보 및, 후면 트래커에 의해 측정된 상기 가상 유연물체 구현 장치의 후면 위치정보를 수신하는 단계; (b) 상기 전면 위치정보 및 상기 후면 위치정보로부터, 컨텐츠 화면상의 펴진 상태의 가상 유연물체 상의 임의의 점에 대하여, 상기 가상 유연물체 구현장치의 휘어짐에 따라 이동한 위치정보를 산출하는 단계; 및, (c) 상기 산출된 위치정보에 따라 상기 가상 유연물체를 화면상에 렌더링하는 단계가 실행되도록 하는 명령을 포함한다.
본 발명에 의하면, 사용자가 햅틱 피드백을 위한 도구로 사용하는 장치의 강성을 연속적으로 제어할 수 있게 함으로써, 더욱 가상현실 또는 증강현실 컨텐츠와 연결된 다양한 가상세계의 감각을, 가상 물체의 길이, 모양, 재질 등과 직접적으로 연결하여 표현할 수 있도록 하는 장치 및 그러한 장치를 통해 다양한 가상세계의 감각을 구현하게 하는 방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 유연한 물체의 동적 촉감 피드백을 구현하는 장치(이하 '가상 유연물체 구현 장치'라 한다)의 움직임으로부터 구현되는 가상의 유연 빔(virtual flexible beam)을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치의 전체 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치가 각 방향으로 구부러지는(bending) 형태를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치의 회전 강성(rotational stiffness)를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치에서 강성(stiffness)의 연속적 변화를 수행하는 구성적 특징을 설명하기 위한 도면.
도 6은 강성을 측정하기 위한, 가상 유연물체 구현 장치의 셋업(setup) 상태를 도시한 도면.
도 7은 가상 유연물체 구현 장치에서 건(tendon)에 설정된 회전수에 따른, 각도-모멘트 곡선을 도시한 도면.
도 8은 가상 유연물체 구현 장치에서 건(tendon)에 설정된 회전수와, 가상 유연물체 구현 장치의 회전 강성(rotational stiffness)의 관계 곡선을 도시한 도면.
도 9는 3개의 레퍼런스 강성 값(stiffness value)에 대한, 가상 유연물체 구현 장치의 스텝 응답(step-response)를 나타내는 도면.
도 10은 가상 유연물체 구현 장치에, 가상으로 유연한 물체의 동적 촉감 피드백을 구현하기 위한 제어 방법을 나타내는 순서도.
도 11은 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치 및 방법을 사용하는 어플리케이션의 제1 실시예를 나타내는 도면.
도 12는 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치 및 방법을 사용하는 어플리케이션의 제2 실시예를 나타내는 도면.
도 13은 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치 및 방법을 사용하는 어플리케이션의 제3 실시예를 나타내는 도면.
도 14는 전면 트래커(tracker)가 구비된 가상 유연물체 구현 장치의 전체 구조를 도시한 도면.
도 15는 전면 트래커 및 후면 트래커를 이용하여 가상 물체의 변형 형태를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 16은 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치의 사용 및, 이에 대응하는 가상현실 컨텐츠 화면에서의 가상 유연 검(sword)의 형태를 도시한 도면.
도 17은 가상현실 컨텐츠 화면에서의 검의 종류 및 그 상태(state)의 실시예를 도시한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 유연한 물체의 동적 촉감 피드백을 구현하는 장치(이하 '가상 유연물체 구현 장치'라 한다)(100)의 움직임으로부터 구현되는 가상의 유연 빔(virtual flexible beam)(10)을 도시한 도면이다.
가상의 유연 빔은, 예를 들어 고무 빔(rubber beam)과 같은 형태일 수 있으며, 스윙에 따라 도시된 바와 같이 휘어진 형태가 된다. 이와 같이 휘어짐에 따라 사용자가 손에 느끼는 힘과 같은 응답을, 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치(100)를 통해 느낄 수 있다. 나아가 다양한 가상현실(virtual reality, VR) 또는 증강현실(augmented reality, AR) 컨텐츠 내의 상황에 따라, 가상 유연물체 구현 장치(100)를 통하여 손에 인가되는 다양한 힘을 감각할 수 있게 함으로써, 더욱 생생하게 컨텐츠를 즐길 수 있도록 해 준다.
도 2는 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치(100)의 전체 구조를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치(100)가 각 방향으로 구부러지는(bending) 형태를 나타내는 도면이다.
가상 유연물체 구현 장치(100)에서 쿼터니온 조인트(quaternion joint)(110)는, 도 3에 도시된 바와 같이 360도 어느 방향으로든 구부러지는 것이 가능한, 관절(joint)의 역할을 수행한다. 또한 도 3에 도시된 바와 같이, 쿼터니온 조인트(110)가 구부러지는 특정 방향에 따라 4개의 건(4 tendons)(120)은 각각 팽창 또는 수축을 일으키는데, 본 발명에서는 4개의 건(120) 각각의 강성(stiffness)을 변화시킴으로써 가상의 유연 물체의 움직임에 따라 손에 감각되는 강성을 조절하게 된다.
각 건(tendon)(120)은 2개의 와이어(wire)가 연결된 스트링으로 구성되고, 그러한 스트링은 일단의 스풀(spool)(130)과 타단의 풀리(pulley)(140)에 루프 형태로 감겨, 스풀(130)과 풀리(140)의 회전에 따라 함께 회전하면서, 해당 건(120) 강성(stiffness)을 조절하게 된다. 이러한 건(120)의 강성 조절 메카니즘에 대하여는 도 5를 참조하여 상세히 후술하기로 한다. 모터(150)는 제어장치(미도시)의 제어에 의하여 구동되어 스풀(130)을 회전시킨다. 사용자는 핸들(160)을 잡고 가상 유연물체 구현 장치(100)를 움직이게 된다.
도 4는 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치(100)의 회전 강성(rotational stiffness)를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치에서 강성(stiffness)의 연속적 변화를 수행하는 구성적 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 4(a)는 도 4는 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치(100)의 쿼터니온 조인트(quaternion joint)(110)가 일 방향으로 구부러지고, 그에 따라 4개의 건(120) 중 일부는 팽창, 일부는 수축이 일어난 상태를 도시한 도면이다. 이러한 상태는, 도 4(a)에 도시된 바와 같은 2개의 반구가 서로 각각의 표면 위에서 구르며(rolling) 움직이는 것으로 표현될 수 있으며, 그러한 상태를 다이어그램으로 도식화한 것이 도 4(b)이다. 도 4(b)에서, κ는 예를 들어 가상의 빔(10, 도 1 참조)의 회전 강성을 나타낸다. k는 건(120)의 강성(stiffness), w는 쿼터니온 조인트(110)의 베이스판의 중심과 건(120)의 일단 간의 거리이고, θ는 쿼터니온 조인트(110)의 구부러짐(bending) 각도이다. 이때 다음의 식이 성립한다.
F x L = κθ
즉, 쿼터니온 조인트(110)의 구부러짐(bending) 각도는 회전 강성과 반비례하는데, 이것은 가상의 빔(10, 도 1 참조)의 강성이 클수록 잘 구부러지지 않는다는 것을 의미한다.
4개의 건(tendons)(120) 각각은 도 5와 같은 구조를 가지고 있다. 즉, 건(120)을 이루는 스트링은 다른 재질의, 즉, 탄성(elasticity)이 다른 2개의 와이어가 서로 연결된 형태이다. 건(120) 스트링의 제1 와이어(121)는 예를 들어 고무줄과 같이 탄성이 큰 재질이며, 제2 와이어(122)는 낚싯줄과 같이 비탄성적인 재질이다. 스풀(spool)(130)은 1쌍이 구비되는데, 이를 각각 제1 스풀(131) 및 제2 스풀(132)이라 한다. 제1 와이어(121)의 일단은 제1 스풀(131)에 고정되어 있고, 제2 와이어(122)의 일단은 제2 스풀(132)에 고정되어 있다.
이때 제1 스풀(131)과 제2 스풀(132)은 일체로 결합되어 있어 함께 같은 방향으로 회전하며, 도 5에서 스풀(130) 전체가 시계방향으로 회전한다면, 탄성적인 제1 와이어(121)는 제1 스풀(122)에서 풀리게 되고, 동시에 비탄성적인 제2 와이어(122)는 제2 스풀(122)에 감기게 된다. 이에 따라 스풀(130)과 풀리(pulley)(140) 사이에 드러나게 되는 스트링은 점점 더 탄성적인 제1 와이어(121)로 채워지면서 건(120)은 점차 더 탄성적(elastic)으로 되어 간다.
반대로 도 5에서 스풀(130) 전체가 반시계방향으로 회전한다면, 탄성적인 제1 와이어(121)는 제1 스풀(122)에 감기게 되고, 동시에 비탄성적인 제2 와이어(122)는 제2 스풀(122)에서 풀리게 된다. 이에 따라 스풀(130)과 풀리(pulley)(140) 사이에 드러나게 되는 스트링은 점점 더 비탄성적인 제2 와이어(122)로 채워지면서 건(120)은 점차 더 비탄성적(inelastic, stiff)으로 되어 간다.
즉, 전술한 바와 같은 원리로, 스풀의 회전 수를 조절함으로서 스트링, 즉, 건(120)의 회전 강성(rotational stiffness)를 조절할 수 있게 되는 것이다. 이 경우 제1 와이어의 길이를 l1, 탄성계수를 k1, 제2 와이어의 길이를 l2, 탄성계수를 k2라 하고, 이에 의한 전체 스트링의 길이를 l, 탄성계수를 k라 하면 다음과 같은 식이 성립한다.
이하 도 6 내지 도 8를 통하여, 본 발명의 이러한 구조를 가지는 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치(100)의 구동에 의한 결과에 따른, 건(tendon)에 설정된 회전수와, 가상 유연물체 구현 장치의 회전 강성(rotational stiffness)의 관계를 설명하기로 한다.
도 6은 강성을 측정하기 위한, 가상 유연물체 구현 장치의 셋업(setup) 상태를 도시한 도면이고, 도 7은 가상 유연물체 구현 장치에서 건(tendon)에 설정된 회전수에 따른, 각도-모멘트 곡선을 도시한 도면이며, 도 8은 가상 유연물체 구현 장치에서 건(tendon)에 설정된 회전수와, 가상 유연물체 구현 장치의 회전 강성(rotational stiffness)의 관계 곡선을 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이 가상 유연물체 구현 장치(100)를 테이블에 고정하고, 가상 유연물체 구현 장치(100)의 끝부분에 매단 무게를 가변시키면서, 자이로 센서(gyro sensor)를 이용하여 쿼터니온 조인트(110)의 구부러짐(bending)을 측정한다. 특히, 이 과정을 도 5를 참조하여 전술한 바와 같은 스풀(130)의 회전수를 가변시켜가면서 반복하여 측정한다. 즉, 스풀에서 제2 와이어(122)가 제2 스풀(132)에 완전히 감겨있는 상태, 즉, 건(120)의 전체 스트링이 최고로 '탄성'와 되어 있는 상태를 0 회전으로 하고, 이로부터 스풀(130)을 반시계방향으로 회전시켜가면서 그 회전수를 증가시킴에 따라 쿼터니온 조인트(110)의 구부러짐(bending)을 반복 측정하는 것이다. 그에 따른 결과가 도 7에 도시되어 있다.
즉, 도 7을 참조하면, 도 7의 6개의 그래프 각각에는 6개의 곡선이 나타나 있는데, 각 곡선은 스풀(130)을 일정한 회전수로 고정시켜 건(120)의 강성(stiffness)를 일정하게 유지한 상태에서, 가상 유연물체 구현 장치(100)의 끝부분에 매단 무게, 즉, 세로축의 '모멘트(moment)'을 증가시켜가면서, 쿼터니온 조인트(110)의 구부러짐(bending), 즉 가로축의 '각도(angle)'를 측정한 곡선인 것이다. 그리고, 각 곡선은 스풀(130)의 회전수를 0.2씩 증가시켜가면서 모멘트-각도 관계를 측정한 곡선이다. 6개의 그래프 중 우측하단으로 갈수록, 즉, 스풀(130)의 회전수 증가에 의해 건(120)의 강성이 증가된 상태일수록, 그래프에서 모멘트의 증가에도 불구하고 쿼터니온 조인트(110)의 구부러짐(bending) 각도의 증가는 작아지게 됨을 알 수 있다.
도 8은 전술한 바와 같이 가상 유연물체 구현 장치에서 건(tendon)에 설정된 회전수(가로축)와, 가상 유연물체 구현 장치의 회전 강성(rotational stiffness)(세로축)의 관계 곡선을 도시한 도면인데, 이때 회전 강성(rotational stiffness), 즉, κ는 다음의 식으로 산출된 값이다.
여기서, Mmax, Mmin, θmax, θmin은 도 7의 그래프의 각 곡선에서 구한 것으로서,
Mmax : 최대 모멘트
Mmin : 최소 모멘트
θmax : 최대 구부러짐 각도
θmin : 최소 구부러짐 각도
를 나타내며, 각 곡선의 평균 기울기를 나타낸 것으로서, 이 값이 작을수록 회전 강성이 약하여 유연하며, 이 값이 클수록 회전 강성이 강하여 단단한 상태를 나타내는 것이다.
도 9는 3개의 레퍼런스 강성 값(stiffness value)에 대한, 가상 유연물체 구현 장치의 스텝 응답(step-response)를 나타내는 도면이다.
이 곡선은 관성(inertia)과 댐핑계수(damping coefficient)를 결정하는데 사용되며, 최종적으로 VR 또는 AR 어플리케이션 컨텐츠에서 가상 물체를 시뮬레이션 하는데 사용할 수 있다. 도 9의 3개의 곡선은 각각 κ(91), 2κ(92), 4κ(93)인 경우를 나타내며, κ는 12.5Nmm/˚, 2κ는 25Nmm/˚, 4κ는 50Nmm/˚를 나타낸다. 이러한 결과는 또한 이하의 표에 정리되어 있으며, 여기서, fd는 damped frequency, OS%는 오버슈트 퍼센트(percentage overshoot), 는 damping ratio, fn은 자연주파수(natural frequency), 는 equivalent inertia이다.
도 10은 가상 유연물체 구현 장치(100)에, 가상으로 유연한 물체의 동적 촉감 피드백을 구현하기 위한 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
가상현실(virtual reality, VR) 또는 증강현실(augmented reality, AR) 컨텐츠가 동작하는 기기(이하 'VR/AR 기기'라 한다)는, 그러한 컨텐츠의 진행에 따라 그 컨텐츠에서의 동작에 따라 가상 유연물체 구현 장치(100)의 강성(stiffness)을 조절하여야 할 이벤트가 발생할 경우(S1001), 사용자가 감각하여야 할 강성(stiffness) 값을 가상 유연물체 구현 장치(100)의 제어장치로 보낸다. 이러한 값은 가상 유연물체 구현 장치(100)의 각 건의 강성(stiffness)을 제어하기 위한 제어 메시지의 형태로 보낼 수 있다(S1002). 가상 유연물체 구현 장치(100)의 통신부는 이러한 제어 메시지를 수신하여(S1003), 가상 유연물체 구현 장치(100)의 제어장치로 전달한다(S1004). 구체적으로는, 수신하는 제어 메시지에는 4개의 각 건에 대하여 설정할 강성 값이 포함될 수 있다.
제어장치는 이러한 제어 메시지에 따라 상기 가상 유연물체 구현 장치의 각 건(tendon)의 강성을 제어하게 되는데, 구체적으로는, 제어 메시지에서 수신한 강성 값(stiffness value)에 매핑된 스풀의 회전수 값을 검색하여(S1005), 그 회전수 값에 따라 스풀의 회전을 제어(S1006)함으로써 건의 강성을 조절하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제어장치는, 건에 설정될 강성 값과 그에 해당하는 스풀의 회전수가 매핑된 테이블을 데이터베이스로서 구비하고 있을 수 있다.
VR/AR 기기에서 컨텐츠의 진행에 따라, 가상의 물체의 강성의 조절이 필요한 경우마다 단계 S1001 내지 S1006는 지속적으로 반복 수행되게 된다.
도 11은 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치 및 방법을 사용하는 어플리케이션의 제1 실시예를 나타내는 도면이고, 도 12는 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치 및 방법을 사용하는 어플리케이션의 제2 실시예를 나타내는 도면이며, 도 13은 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치 및 방법을 사용하는 어플리케이션의 제3 실시예를 나타내는 도면이다.
도 11은 펜싱 어플리케이션으로서 손에 쥐는 가상의 물체의 변화하는 강성을 만드는 가상 유연물체 구현 장치(100)의 능력을 매우 잘 나타내준다. 사용자는 펜싱을 3개의 무기로써 경험할 수 있다. 즉, 플뢰레(foil)(21), 사브르(sabre)(22) 그리고 에페(epee)(23)이다. 이 3개는 각각 특정한 강도에 따른 응답(stiffness response)에 의해 특징지워진다.
플뢰레(foil)(21)는 가장 유연한(flexible) 날을 가지고 있으며, 얇고 사각의 단면을 가지고, 어느 방향으로든 구부러질 수 있으며 11.0Nmm/˚의 강성을 갖는다. 사브르(sabre)(22)는 더 짧고 강성이 크며(stiffer) 'Y'형의 단면을 가지고, x축과 y축을 가로질러 각각 20.0Nmm/˚과 70.0Nmm/˚의 강성을 갖는다. 에페(epee)(23)는 삼각의 단면을 가지고 가장 강성이 크며, 모든 방향으로 70.0Nmm/˚의 강성으로 일정하게 단단하다(rigid).
변하는 강성(dynamic stiffness)은, 굳히기(solidifying), 단단하게 하기/얼리기(hardening/freezing), 부드럽게 하기/녹이기(softening/melting) 등의 '상태(state)' 또는 늘이기/줄이기(elongating/shortening) 등의 '형태(shapes)' 등과 같은 물질의 성질을 변화시키는데 사용된다. 이것은 산업용 훈련이나 게임 등과 같은 높은 현실감을 요구하는 어플리케이션을 만드는데 유용하다. 예를 들어 가상현실(VR)에서 요리의 현실감을 높이는데 사용할 수 있는데, 도 12의 경우, 사용자는 그릇에서 크림을 만드는 것을 경험할 수 있다. 처음에 크림(30)은 액체상태이고, 반죽은 어느 방향으로든 매우 유연하게(flexible) 감각되나, 기구(40)로 크림을 섞으면서 시간이 지남에 따라 크림은 거품이 나면서 크림은 점점 더 단단하게(stiffer) 느껴지게 된다.
도 13의 예에서는 한 손으로 가상 유연물체 구현 장치(100)를 흔드는 경우를 뛰어넘어, 두 손으로 사용할 수 있는 예를 보여준다. 즉, 가상 유연물체 구현 장치(100)의 끝 부분에 물리적 핸들을 하나 더 부착하여 두 손으로 조작하는 제어기로 만들 수 있다. 이렇게 하여 도 13과 같이 양쪽에서 구부러뜨리는 방식의 가상의 운동기구(50)로써 사용할 수 있으며, 마치 운동기구의 무게를 증가시키듯이 가상 유연물체 구현 장치(100)의 강성(stiffness)을 제어하여 변경시킴으로써 가상 운동기구의 강도를 조절할 수 있다.
도 14는 전면 트래커(tracker)가 구비된 가상 유연물체 구현 장치(100)의 전체 구조를 도시한 도면이고, 도 15는 전면 트래커 및 후면 트래커를 이용하여 가상 물체의 변형 형태를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14의 가상 유연물체 구현 장치(100)는, 도 2의 가상 유연물체 구현 장치(100)에 구비되어 있는 후면 트래커(tracker)(170)에 더하여, 전면 트래커(180)를 더 구비한다.
도 2의 후면 트래커(170)는, 후면 트래커(170)의 현재 위치를 측정하여 측정된 위치를 전술한 VR/AR 기기로 전달하여, 사용자가 움직이게 하는 가상 유연물체 구현 장치(100)의 위치를 VR/AR 컨텐츠로 하여금 파악하도록 하고, VR/AR 컨텐츠는 가상 유연물체를 화면에 나타내도록 하였다. 도 14에서는, 후면 트래커(170)와 전면 트래커(180)에 의해, 가상 유연물체 구현 장치(100)의 휘어지는 형태로부터, VR/AR 컨텐츠 화면에 나타나는 가상 유연물체, 예를 들어 도 1의 유연 빔(flexible beam)(10)의 변형(deformation) 형태를 더욱 정확하게 나타낼 수 있는데, 이에 대하여 이하에서 도 15를 참조하여 설명한다.
도 15에서는 편의상 가상 유연물체 구현 장치(100)를, 쿼터니온 조인트(quaternion joint)(110) 및 건(tendon)(120)은 생략하고 도시하였다. 가상 유연 빔(10)이 펴진 상태에서 유연 빔과 평행하면서 그 유연 빔의 중심을 지나는 축을 x축, x축과 수직한 축을 y축, x축 및 y축에 수직인 축을 z축이라 한다.
이 경우 가상 유연물체 구현 장치(100)가 z축을 중심으로 θ만큼 휘어진다고 하자. 이때 θ는 원점 O와 전면 트래커(180) 중심을 연결한 각도이다. 유연 빔(10)의 길이는 l이라 할 때, 휘어진 경우에도 길이는 변함없으며, 휘어진 유연 빔(10)은 원호(arc)를 이룬다. 이때 원점과 전면 트래커(180)을 연결한 연장선이 휘어진 유연 빔(10)의 끝단과 만나는 점을 'A'라 할 때, 삼각형 COA는 이등변삼각형을 이루므로 각 ACO는 2θ가 된다. 따라서 반지름 CA(=CO)를 rc라 할 때,
Figure 112021047369961-pat00007
이며, θ의 값에 따라 y축상의 C점도 결정된다.
이로부터, 도 15에서 수평의 펴진 상태의 유연 빔 상에서의 P점의 좌표를 직각좌표계(cartesian coordinates)에서 (x,y)라 할 경우, 휘어진 유연 빔 상에서의 P점의 위치 P'의 좌표는, 점 C를 중심으로 한 원통좌표계(cylindrical coordinates)로 표시하면 (rc-y,2θx/l)이 된다.
따라서 이미 알고 있는 유연 빔의 길이 l 외에, 후면 트래커(170)의 위치를 알게 되면 원점 O가 결정된다. 또한 전면 트래커(180)의 위치를 알게 되면, 원점 O와 전면 트래커(180) 중심을 연결한 각도 θ를 알게 된다. 이에 따라 원점 O를 기준으로 한 펴진 유연 빔(10) 상에서의 임의의 점의 좌표 (x,y)에 대하여 그 점의 휘어진 유연 빔 상에서의 위치를 알게 됨으로써, 휘어진 유연 빔의 정확한 궤적을 파악할 수 있는 것이다.
후면 트래커(170)와 전면 트래커(180)는, 각각 자신의 위치를 측정하여 해당 위치정보를 직접 VR/AR 기기로 전송할 수도 있고, 또는 측정된 자신의 위치값을 가상 유연물체 구현 장치(100)의 제어장치로 전달하여, 제어장치가 통신부를 통하여 VR/AR 기기로 전송하도록 구성할 수도 있다.
이러한 후면 트래커(170)와 전면 트래커(180)의 위치정보를 수신한 VR/AR 기기는, 이로부터 VR/AR 컨텐츠 프로그램의 동작에 의해 전술한 바와 같은 방법으로, 휘어진 유연 빔의 궤적을 파악하여 정확하게 VR/AR 컨텐츠 화면상에 표시해 줄 수 있게 된다.
도 16은 본 발명의 가상 유연물체 구현 장치(100)의 사용 및, 이에 대응하는 가상현실 컨텐츠 화면에서의 가상 유연 검(sword)의 형태를 도시한 도면이다.
도 16(a)에서 사용자의 손의 동작에 의해 가상 유연물체 구현 장치(100)에서 쿼터니온 조인트(110)가 휘어지게 되고, 이로부터 도 16(b)에 도시된 VR/AR 컨텐츠 화면에서의 가상 유연 검의 휘어진 궤적을, 도 15를 참조하여 설명한 방법으로 정확하게 그려낼 수 있다.
도 17은 가상현실 컨텐츠 화면에서의 검의 종류 및 그 상태(state)의 실시예를 도시한 도면이다.
도 17(a)의 'Rapier'는 얇고 길며, 등방성으로 22.2Nmm/˚의 강성(stiffness)를 갖는다. 도 17(a)의 'Dagger'는 짧은 길이의 칼(knife)로서, 44.5Nmm/˚의 강성을 갖는다. 또한 도 17(a)의 'Saber'는 'Rapier'와 동일한 길이를 가지나, 날의 평평한 부분과 수직한 방향으로(flat direction) 휘두르면 날이 휘어지도록 구성되어 17.1Nmm/˚의 작은 강성을 가지게 되나, 날의 평평한 부분과 평행하게 날 방향으로(edge direction) 휘두르면, 날이 휘어지지 않아 51.3Nmm/˚의 큰 강성을 갖는다. 이러한 강성의 조절은, 도 10을 참조하여 전술한 바와 같이 VR/AR 컨텐츠가 4개의 각 건(tendons)의 강성(stiffness)를 제어하기 위한 제어 메시지로서 가상 유연물체 구현 장치(100)에 보내고, 가상 유연물체 구현 장치(100)의 제어장치가 이 제어 메시지에 따라 각 건의 강성을 조절하는 방식으로 이루어지게 된다.
또한 도 17(b)은 날에 가해지는 열에 따라 VR/AR 컨텐츠 내에서의 검의 강성이 달라지는 실시예를 보여주고 있다. 이러한 상황에 따른 강성의 변화 역시 전술한 바와 같은 방식으로 제어됨으로써 수행된다.
10: 가상의 유연 빔(virtual flexible beam)
21: 플뢰레(foil) 펜싱 검
22: 사브르(sabre) 펜싱 검
23: 에페(epee) 펜싱 검
30: 가상의 크림
40: 기구
50: 양손 운동기구
60: 무게추
70: 자이로스코프
80: 클램프
100: 가상 유연물체 구현 장치(100)
110: 쿼터니온 조인트(quaternion joint)
120: 건(tendon)
121: 건 스트링의 제1 와이어
122: 건 스트링의 제2 와이어
130: 스풀(spool)
131: 제1 스풀
132: 제2 스풀
140: 풀리(pulley)
150: 모터
160: 핸들
170: 후면 트래커
180: 전면 트래커

Claims (20)

  1. 유연한 물체의 동적 촉감 피드백을 구현하는 장치(이하 '가상 유연물체 구현 장치'라 한다)로서,
    가해지는 힘에 따라 360도 어느 방향으로든 구부러지는 것이 가능한, 관절의 역할을 수행하는 쿼터니온 조인트(quaternion joint);
    상기 쿼터니온 조인트가 구부러지는 특정 방향에 따라 각각 팽창 또는 수축을일으키는 스트링(string)으로서, 각각 루프 형태로 회전하는 4개의 건(4 tendons);
    상기 각 건의 스트링이 형성한 루프를 일단에서 지지하며 회전하는 스풀(spool);
    상기 각 건의 스트링이 형성한 루프를 상기 스풀의 반대편 단에서 지지하며 회전하는 풀리(pulley);
    가상현실(virtual reality, VR) 또는 증강현실(augmented reality, AR) 컨텐츠가 동작하는 기기(이하 'VR/AR 기기'라 한다)로부터 상기 각 건의 강성(stiffness)을 제어하기 위한 제어 메시지를 수신하고, 상기 제어 메시지에 따라 상기 가상 유연물체 구현 장치의 상기 각 건(tendon)의 강성을 제어하며, 상기 VR/AR 기기에서 컨텐츠의 진행에 따라, 가상의 물체의 강성의 조절이 필요한 경우마다 상기 제어 메시지의 수신 및 상기 강성의 제어를 지속적으로 반복 수행하는 제어장치;
    상기 가상 유연물체 구현 장치 전면의 위치를 측정하는 전면 트래커(tracker); 및,
    상기 가상 유연물체 구현 장치 후면의 위치를 측정하는 후면 트래커
    를 포함하고,
    상기 전면 트래커에 의해 측정된 전면 위치정보는,
    상기 전면 트래커가 직접 상기 VR/AR 기기로 전송하거나, 또는 상기 제어장치가 통신부를 통하여 상기 VR/AR 기기로 전송하고,
    상기 후면 트래커에 의해 측정된 후면 위치정보는,
    상기 후면 트래커가 직접 상기 VR/AR 기기로 전송하거나, 또는 상기 제어장치가 통신부를 통하여 상기 VR/AR 기기로 전송하는,
    가상 유연물체 구현 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스풀은,
    제1 스풀; 및,
    상기 제1 스풀에 측면에서 밀착되어 상기 제1 스풀과 동일 방향으로 회전하는 제2 스풀
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 가상 유연물체 구현 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 각 건의 스트링은,
    일단이 상기 제1 스풀에 고정 부착된 제1 와이어; 및,
    일단이 상기 제2 스풀에 고정 부착되고, 타단이 상기 제1 와이어와 직렬로 연결된 제2 와이어
    를 구비하고,
    상기 제1 와이어는 상기 제2 와이어보다 높은 탄성을 갖는 재질인 것
    을 특징으로 하는 가상 유연물체 구현 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    가상현실(virtual reality, VR) 또는 증강현실(augmented reality, AR) 컨텐츠가 동작하는 기기로부터 상기 각 건의 강성(stiffness)을 제어하기 위한 제어 메시지를 수신하여 상기 제어장치로 전달하는 통신부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 유연물체 구현 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어 메시지에는,
    상기 각 건에 대하여 설정할 강성 값이 포함되고,
    상기 제어장치는,
    상기 수신한 강성 값에 따라, 각 건의 스트링이 감기거나 풀리는 스풀의 회전을 제어하는 것
    을 특징으로 하는 가상 유연물체 구현 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어장치는,
    건에 설정될 강성 값과 그에 해당하는 스풀의 회전수가 매핑된 테이블을 구비하고,
    상기 수신한 강성 값에 매핑된 스풀의 회전수 값에 따라 스풀의 회전을 제어하는 것
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 유연물체 구현 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 스풀의 회전을 구동하는 모터
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 유연물체 구현 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    사용자가 파지하는 핸들
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상 유연물체 구현 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 사용자가 양손으로 파지하고 힘을 가할 수 있도록,
    상기 쿼터니온 조인트의 끝 부분에 사용자가 파지하는 핸들을 1개 더 결합할 수 있도록 구성된 것
    을 특징으로 하는 가상 유연물체 구현 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 가상현실(virtual reality, VR) 또는 증강현실(augmented reality, AR) 컨텐츠가 동작하는 기기(이하 'VR/AR 기기'라 한다)가, VR/AR 컨텐츠 애플리케이션의 동작에 의해 가상의 유연 물체의 변형(deformation)을 VR/AR 컨텐츠 화면상에 구현하는 방법으로서,
    (a) 가상 유연물체 구현 장치로부터, 전면 트래커에 의해 측정된 상기 가상 유연물체 구현 장치의 전면 위치정보 및, 후면 트래커에 의해 측정된 상기 가상 유연물체 구현 장치의 후면 위치정보를 수신하는 단계;
    (b) 상기 전면 위치정보 및 상기 후면 위치정보로부터, 컨텐츠 화면상의 펴진 상태의 가상 유연물체 상의 임의의 점에 대하여, 상기 가상 유연물체 구현장치의 휘어짐에 따라 이동한 위치정보를 산출하는 단계; 및,
    (c) 상기 산출된 위치정보에 따라 상기 가상 유연물체를 화면상에 렌더링하는 단계
    를 포함하는 가상의 유연 물체의 변형을 VR/AR 컨텐츠 화면상에 구현하는 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 단계(b)는,
    (b1) 상기 후면 위치정보로부터 원점의 위치를 결정하는 단계;
    (b2) 상기 전면 위치정보로부터, 상기 원점과 상기 전면 위치를 잇는 직선이, 가상 유연물체가 펴진 상태에서 상기 원점을 지나는 상기 가상 유연물체의 중심선과 이루는 각도를 산출하는 단계; 및,
    (b3) 상기 각도로부터, 펴진 상태의 가상 유연물체 상의 임의의 점이 상기 가상 유연물체 구현장치의 휘어짐에 따라 이동한 위치정보를 산출하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상의 유연 물체의 변형을 VR/AR 컨텐츠 화면상에 구현하는 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 단계(b3)에서 이동한 위치정보는,
    원통좌표계(cylindrical coordinates)로 (rc-y,2θx/l)에 의해 산출되고,
    여기서
    Figure 112021047369961-pat00008
    ,
    l은 가상 유연물체의 길이,
    θ는 상기 원점과 상기 전면 위치를 잇는 직선이, 가상 유연물체가 펴진 상태에서 상기 원점을 지나는 상기 가상 유연물체의 중심선과 이루는 각도,
    x는 펴진 상태의 가상 유연물체 상의 임의의 점의 직각좌표계(cartesian coordinates) 상의 x좌표,
    y는 펴진 상태의 가상 유연물체 상의 임의의 점의 직각좌표계(cartesian coordinates) 상의 y좌표인 것
    을 특징으로 하는 가상의 유연 물체의 변형을 VR/AR 컨텐츠 화면상에 구현하는 방법.
  20. 가상의 유연 물체의 변형(deformation)을 VR/AR 컨텐츠 화면상에 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서,
    비일시적 저장 매체에 저장되며, 프로세서에 의하여,
    (a) 가상 유연물체 구현 장치로부터, 전면 트래커에 의해 측정된 상기 가상 유연물체 구현 장치의 전면 위치정보 및, 후면 트래커에 의해 측정된 상기 가상 유연물체 구현 장치의 후면 위치정보를 수신하는 단계;
    (b) 상기 전면 위치정보 및 상기 후면 위치정보로부터, 컨텐츠 화면상의 펴진 상태의 가상 유연물체 상의 임의의 점에 대하여, 상기 가상 유연물체 구현장치의 휘어짐에 따라 이동한 위치정보를 산출하는 단계; 및,
    (c) 상기 산출된 위치정보에 따라 상기 가상 유연물체를 화면상에 렌더링하는 단계
    가 실행되도록 하는 명령을 포함하는, 가상의 유연 물체의 변형을 VR/AR 컨텐츠 화면상에 구현하기 위한 컴퓨터 프로그램.
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