KR20030043023A - 짐벌기구를 이용한 6자유도 햅틱 조이스틱 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사용자 손의 위치정보를 컴퓨터에 입력하고, 컴퓨터의 명령에 따른 적절한 힘을 사용자의 손에 출력하는 햅틱 조이스틱 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 손잡이(110), 연결링크부(120), 짐벌기구부(130), 구동측정부(140) 및 베이스(150)로 구성되며, 상기 구동측정부가 상기 손잡이의 움직임과 독립적으로 베이스에 고정되어, 힘 반영의 효율성과 역구동성을 향상시킬 수 있는 새로운 3자유도 및 6자유도 햅틱 조이스틱의 구성 방법을 제공한다. 또한, 본 발명을 통해 상기 햅틱 조이스틱(100), 제어기(200), 컴퓨터(300) 및 사용자(400)로 구성되어 힘 반영의 효율성과 역구동성을 향상시킬 수 있는 새로운 3자유도 및 6자유도 햅틱 조이스틱 시스템을 구성할 수 있다.

Description

짐벌기구를 이용한 6자유도 햅틱 조이스틱 시스템 {6 DEGREE-OF-FREEDOM HAPTIC JOYSTICK SYSTEM USING GIMBAL MECHANISM}

본 발명은 구성이 간단하고, 해석이 쉬우며, 다자유도를 구현하면서도 힘 반영의 효율성과 역구동성(back drivability)을 향상시킬 수 있도록 고안된 새로운 6자유도 햅틱 조이스틱 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 햅틱장치(haptic device)는, 키보드, 마우스, 조이스틱, 모니터, 프린터와 같은 일반적인 컴퓨터 인터페이스가 입력 또는 출력의 일방향으로만 작용을 하는 것과는 달리, 사용자의 신체의 움직임을 컴퓨터에 전달하는 입력장치의 역할과 컴퓨터의 명령에 따라 사용자의 신체에 적절한 힘 또는 촉감을 전달하는 출력장치의 역할을 수행하는 양방향 컴퓨터 인터페이스로서, 상기한 특징은 컴퓨터에 연결된 로봇의 원격조종(tele-operation) 및 컴퓨터에서 구현되는 가상환경(virtual environment)과 상호 작용하는 것을 용이하게 할 뿐 아니라, 컴퓨터 사용자의 직관적인 입력과 출력을 가능하게 하여 기존의 컴퓨터 인터페이스를 대체하는 새로운 패러다임으로 부각되고 있다.

햅틱 조이스틱은 여러 신체 부위 중에서 손에 적용되는 햅틱장치로서, 3차원 공간상에서 사용자 손의 위치 및 자세 정보를 컴퓨터에 입력하고, 컴퓨터의 명령에 따라 적절한 힘 및 토크를 사용자의 손에 출력할 수 있으므로, 적용 범위가 광범위하여 여러 종류의 햅틱 장치 중에서 가장 주목을 받는 장치 중의 하나이다.

일반적으로, 햅틱 조이스틱은 보편적인 로봇의 엔드 이펙터(end-effector)를 손잡이로 사용하는 구조를 취하고 있으며, 이러한 측면에서 보편적인 로봇과 여러 공통점을 가진다. 상기한 공통점은, 링크의 각 관절에 센서를 장착하고 기구학을 해석하여 엔드 이펙터(장치의 특성상 이하 손잡이라 칭함.)의 위치 및 자세를 구하는 것과, 링크의 각 관절에 액츄에이터를 장착하고 이를 구동하여 손잡이에 원하는 방향 및 크기의 힘 및 토크를 제시하는 것이다.

그러나 역구동성의 설계에 있어서 햅틱 조이스틱은 보편적인 로봇과 차이점을 갖는다. 상기한 차이점은, 보편적인 로봇에서 엔드 이펙터가 주변의 외란에 의한 영향으로 쉽게 움직이지 않도록 장치의 관성을 높이고 역구동성을 낮게 설계하는 것과는 달리, 햅틱 조이스틱은 사용자의 손에 힘을 제시하지 않을 때에는 사용자가 자유롭게 손잡이를 움직일 수 있도록 관성을 최소화하고 역구동성을 향상시킬수 있도록 설계하는 것이다.

일반적으로, 햅틱 조이스틱은 장치의 움직임에 따라 액츄에이터가 장치의 기구부와 같이 운동하게 되며, 상기한 액츄에이터의 운동은 장치의 관성을 증가시켜서 조이스틱의 역구동성을 저하시키는 단점을 초래하고, 상기 단점은 사용자가 자유롭게 손잡이를 움직이는 것을 어렵게 하여 피로를 가중시키는 문제점을 갖는다. 또한, 액츄에이터를 통해 힘을 출력하는 데 있어서, 액츄에이터가 자신을 움직이기 위한 동력을 부담해야 하므로, 구동의 효율성이 저하되고 전체적인 성능을 저하시키는 문제점을 가진다. 햅틱 조이스틱에 있어서, 액츄에이터가 차지하는 무게의 비율이 높고, 구현하는 자유도가 많을수록 다수의 액츄에이터가 필요하기 때문에, 상기한 문제점은 더욱 심각하게 된다.

도 1, 도 2 및 도 3과 같은 기존에 제안된 유사한 햅틱 장치의 실시예를 참고하여, 상기한 문제점과 이를 해결하기 위한 기존의 기술을 보다 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 기존에 개발된 직렬형 햅틱 조이스틱의 구조도이다. 상기에서 설명한 바와 같이, 도 1의 햅틱 조이스틱은 보편적인 직렬로봇과 동일한 구조를 취하고 있다. 사용자의 손잡이(11)를 여러 개의 링크와 직렬로 연결하고, 각 관절에 센서와 액츄에이터(12)를 장착하였다. 따라서 사용자가 손잡이를 움직이면, 센서를 통해 각 관절의 변위가 측정되고, 기구학 해석을 통하여 손잡이의 위치와 자세를 계산할 수 있으며, 이를 컴퓨터에 전달하게 된다. 컴퓨터의 명령에 따라 사용자의 손에 적절한 힘 및 토크를 전달하고자 할 때는, 반영하고자 하는 힘 및 토크를 생성하기위해 필요한 각 관절의 토크를 역학 해석을 통해 계산하고, 각 관절의 액츄에이터가 상기 계산된 토크를 발생하도록 제어하게 된다.

그러나 도 1에서 예시한 직렬형 햅틱 조이스틱의 경우, 사용자가 손잡이(11)를 움직이면 장치를 구동하기 위한 액츄에이터(12)가 링크와 함께 움직이게 되므로, 액츄에이터의 질량이 사용자의 자유로운 움직임을 방해하여 사용자의 피로를 가중시키고 힘 반영의 효율성을 저하시키는 문제점을 가진다.

햅틱 조이스틱에 있어서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 모든 액츄에이터를 베이스에 고정할 수 있는 구조와 역구동성을 향상시킬 수 있는 기구 구성 방법이 필요하다. 이러한 문제점을 보완하기 위한 일례로서, MIT에서는 4절링크를 이용한 햅틱장치인 팬텀(Phantom)을 개발하였으며, 도 2에 상기 장치의 개략도를 도시하였다. 이 장치는 구조가 단순하고, 해석 및 제어가 용이하여 세계 최초로 상용화되었다. 도 2의 구조도와 같이 2자유도를 갖는 4절링크(22)가 1자유도의 회전관절(23)에 직렬로 연결되어, 손잡이(21)의 3자유도의 구현이 가능하다. 상기 장치는 4절링크를 움직이기 위한 액츄에이터(24a, 24b)를 베이스(25)에 근접하여 장착하고, 액츄에이터(24b)가 4절링크(22)와 무게의 평형을 이루도록 배치함으로써, 전체적인 장치의 관성을 줄이고 역구동성을 향상시키고자 하였다.

그러나 상기 장치에서 일부 액츄에이터(24a, 24b)는 여전히 회전관절(23)의 움직임에 따라 기구와 같이 운동하게 되고, 상기 운동으로 인한 관성이 사용자에게 부담을 주며 힘 반영 효율을 저하시키므로, 상기한 햅틱 조이스틱의 문제점이 완전히 해결되었다고 할 수 없다.

최근에는 상기한 햅틱 조이스틱의 문제점을 근본적으로 해결하기 위하여, 도 2에 도시한 팬텀을 보완하여, 도 2의 4절링크(22)의 일부 회전관절을 짐벌기구로 대체함으로써 모든 액츄에이터를 베이스에 고정하여 역구동성을 향상시킬 수 있는 기구 구성 방법이 발명되었으며, 상기 발명이 미국특허 US5816105에 등록되었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서,

본 발명의 목적은, 다자유도를 구현할 수 있고, 구성이 간단하여 해석이 용이하며,

장치를 구동하는 액츄에이터를 모두 베이스에 고정하여 역구동성을 향상시킬 수 있는 햅틱 조이스틱 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 직렬형 햅틱장치의 구조를 나타낸 사시도.

도 2는 MIT에서 개발된 햅틱장치 Phantom의 구조를 나타낸 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 3자유도 햅틱 조이스틱의 구조를 나타낸 사시도.

도 4은 본 발명에 따른 짐벌기구부의 구조를 나타낸 분리사시도.

도 5은 본 발명에 따른 6자유도 햅틱 조이스틱의 구조를 나타낸 사시도.

도 6은 본 발명에 따른 6자유도 햅틱 조이스틱의 손잡이의 분리사시도.

도 7은 본 발명에 따른 햅틱 조이스틱 시스템의 구성을 나타내는 블록도.

도 8은 본 발명에 따른 햅틱 조이스틱 시스템의 작동 흐름을 나타내는 순서도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 햅틱 조이스틱110: 손잡이

111: 스크류112: 너트

120: 연결링크부130: 짐벌기구부

140: 구동측정부150: 베이스

200: 제어기300: 컴퓨터

400: 사용자

S141: 센서M142: 액츄에이터

axis 1, axis 2, axis 3, axis 4, axis 5, axis 6: 햅틱 조이스틱의 능동축

axis x, axis y: 짐벌기구의 회전중심 축

axis x2, axis y2, axis z2: 손잡이의 좌표축

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하고자 한다.

도 3에서 도 8은 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로서, 도 3는 본 발명에 따른 3자유도 햅틱 조이스틱의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 햅틱 조이스틱의 짐벌기구부의 구조를 나타낸 분리 사시도이고, 도 5은 본 발명에 따른 6자유도 햅틱 조이스틱의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 6자유도 햅틱 조이스틱의 손잡이의 구조를 나타낸 분리 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 햅틱 조이스틱 시스템의 구성도이며, 도 8은 본 발명에 따른 햅틱 조이스틱 시스템의 흐름도이다.

먼저 도 3를 참조하여 본 발명에 따른 3자유도 햅틱 조이스틱의 실시예를 설명하고자 한다.

도 3와 같은 본 발명의 실시예에서, 햅틱 조이스틱(100a)은 손잡이(110a), 2개의 연결링크부(120), 2개의 짐벌기구부(130), 3개의 구동측정부(140), 베이스(150)로 구성되며, 사용자의 손의 위치를 입력하고 힘을 반영하는 데 있어 3자유도를 구현한다. 그 구성 방법과 작동 원리를 부분별로 보다 상세하게 아래에서 설명하고자 한다.

먼저 상기 손잡이(110a)는 사용자의 손과 접촉하여 움직이며, 따라서 손잡이의 끝은 사용자의 입력에 따라서 3자유도의 임의의 위치를 갖게 된다. 상기 손잡이는 구면관절을 통해 상기 2개의 연결링크부(120)와 상대적으로 회동가능하도록 연결되어 있으므로, 사용자 손의 움직임이 연결링크부에 전달된다.

상기 2개의 연결링크부(120)에 있어서, 각 연결링크부는 도시한 바와 같이 복수 개의 링크와 복수 개의 회전관절을 직렬로 연결하여 구성하며, 한쪽 끝은 상기 손잡이와 구면관절을 통해 상대적으로 회동 가능하도록 연결하고, 반대쪽 끝은 상기 2개의 짐벌기구부(130)와 연결하는데, 도시한 바와 같이 링크연결부의 반대쪽 끝이 2개의 짐벌기구부에 하나씩 연결되도록 두 갈래로 갈라지게 배치된다. 따라서 상기 손잡이의 움직임은 연결링크부를 통해 전달되어 상기 2개의 짐벌기구부를 회동하게 된다.

상기 2개의 짐벌기구부(130)에 있어, 각 짐벌기구부의 분리 사시도를 도 4에 도시하였으며, 각 짐벌기구부(130)는 각각 4개의 링크(L131, L132, L133, L134)와 5개의 회전관절(J135, J136, J137, J138, J139)로 구성되고, 각 회전관절은 번호 순서대로 axis x, axis y, axis z, axis x, axis y 방향으로 순차적으로 서로 90도의 각도 간격으로 배치하여, 상기 4개의 링크 및 5개의 회전 관절은 상기 베이스(150)와 함께 폐루프 공간 5절링크(spatial 5 bar linkage)를 구성하게 된다. 따라서 상기와 같은 짐벌기구는 상기 베이스에 대해 링크(L131, L134)를 상대적으로 회동 가능하도록 하는 회전관절(J135, J139)의 회전 중심축 axis x 및 axis y를 능동축으로 하여 2자유도의 운동을 구현하게 된다. 또한, 상기와 같은 짐벌기구부(130) 2개를 배치하는 데 있어, 도 3에서 도시한 바와 같이 각 짐벌기구부의 한 능동축(도 4의 axis y)을 axis 1a에 일치시키고, 나머지 능동축(도 4의 axis x)을 서로 평행하게 axis 2a, axis 3a에 배치하면, 상기 햅틱 조이스틱(100a)은 3차원 공간상에서 3자유도를 구현하게 된다. 이 때, 도 3에 도시한 axis 1a, axis 2a, axis 3a는 상기 3자유도를 해석하기 위한 능동축이 되며, 이와 연결된 상기 짐벌기구의 링크는 능동링크가 되고, 이와 연결된 상기 짐벌기구의 회전관절은 능동관절이 된다. 이러한 짐벌기구의 사용함으로써, 모든 액추에이터 및 센서를 기구의 움직임과 독립적으로 베이스에 장착할 수 있으므로, 손잡이의 입력에 의해서 전체 기구부가 운동을 하더라도 액추에이터 및 센서는 여전히 베이스에 고정된 채로 움직이지 않게 된다.

상기 3개의 구동측정부(140)의 구성 및 배치에 있어, 각 구동측정부는센서(S141)와 액츄에이터(M142)로 구성하고, 3개의 구동측정부의 배치 방법은 각 구동측정부를 상기에서 설명한 짐벌기구부의 능동링크에 부착하여 각 능동관절의 각도 변위를 측정하고 동시에 능동링크를 구동하도록 한다. 따라서 상기 3개의 구동측정부의 센서(S141)를 통해, 상기 능동링크의 회전량을 측정하고 기구학을 해석함으로써 손잡이(110)의 위치 3자유도를 계산할 수 있으며, 상기 3개의 구동측정부의 액추에이터(M142)를 역학 해석을 통해 적절한 토크로 구동하면 손잡이에 3자유도의 원하는 방향 및 크기의 힘, 즉 3차원 공간상에서 임의의 힘을 반영할 수 있다.한편, 상기 베이스(150)는 상기 2개의 짐벌기구부(130)와 3개의 구동측정부(140)를 지지한다.

위와 같은 구성 방법을 통해 3자유도 햅틱 조이스틱을 구성하면, 모든 센서 및 액추에이터를 베이스에 고정할 수 있으므로, 힘 반영의 효율성 및 역구동성을 향상시킬 수 있다.

도 5를 참조하여 본 발명에 따른 6자유도 햅틱 조이스틱의 실시예를 설명하고자 한다.

도 5와 같은 본 발명의 일실시예에서, 햅틱 조이스틱(100b)는 손잡이(110b), 4개의 연결링크부(120), 4개의 짐벌기구부(130), 6개의 구동측정부(140), 베이스(150)로 구성되며, 사용자의 손의 위치를 입력하고, 힘을 반영하는 데 있어서 6자유도를 구현할 수 있으므로, 3차원 공간상에서 3개의 위치 자유도(x, y, z 방향의 직선운동)와 3개의 자세 자유도(x, y, z 방향의 회전운동)를 구현할 수 있다.

그 구성 방법과 작동 원리를 부분별로 보다 상세하게 아래에서 설명하고자 한다.

먼저 상기 손잡이(110b)는 스크류(111)와 너트(112)로 구성하면, 상기 스크류의 축방향 회전과 상기 너트의 축방향의 위치운동이 상호 변환되고, 상기 스크류/너트의 축방향의 힘과 상기 너트의 축방향의 회전토크가 상호 변환이 가능하게 된다. 사용자의 입력에 따른 상기 손잡이의 임의의 위치 및 자세의 6자유도 운동은 손잡이 양단에서의 각각의 위치 3자유도 운동으로 변환된다. 이를 자세히 살펴보면, 도 6a, 도 6b 및 도 6c와 같이, 손잡이를 x, y, x 방향으로 직선운동을 시키면 손잡이 양단도 같은 방향으로 같은 크기의 직선운동을 수행하게 되어 위치 3자유도의 입력정보를 얻을 수 있다. 한편, 손잡이의 양단에 x, y, x 방향으로 각각 F1, F2, F3의 힘을 가해 주면, 손잡이는 해당 방향으로 Fx = 2xF1, Fy = 2xF2, Fz = 2xF3의 힘을 발생시키게 되어 위치 3자유도에 해당하는 힘을 손잡이를 통해서 사용자의 손에 반영할 수 있게 된다. 또한, 도 6d, 도 6e, 도 6f와 같이 손잡이를 x, y, x축에 대하여 회전시키면, 손잡이 양단은 서로 반대 방향으로 회전하게 되어 자세 3자유도의 입력정보를 얻을 수 있게 된다. 한편, 손잡이의 양단에 x, y, x 방향으로 각각 F4, F5, F6의 힘을 가해 주면, 손잡이는 x, y, x축 방향으로 Tx, Ty, Tz의 토크를 발생시키게 되어 자세 3자유도의 토크를 손잡이에 반영할 수 있게 된다. 종합적으로, 사용자가 상기 너트를 손으로 잡고 3차원 공간상에서 임의의 위치및 자세 6자유도로 움직이면, 손잡이의 양단은 각각 이에 해당하는 운동을 수행하게 되고, 이들 운동의 조합으로 구성되는 손잡이 양단에서의 복합적인 운동은 각각 연결링크부와 짐벌기구부를 통하여 구동측정부(140)에 전달되어, 기구학 해석을 통하여 손잡이의 6자유도 위치 및 자세 정보를 정확히 계산할 수 있게 된다. 또한, 역학 해석을 통하여 구동측정부의 6개의 액츄에이터가 적절한 토크를 발생하면, 이 토크는 짐벌기구부와 연결링크부를 통하여 손잡이 양단에 적절한 힘을 가하게 되어 3차원 공간상에서 임의의 힘과 토크를 손잡이를 통하여 사용장의 손에 반영시킬 수 있게 된다. 이를 통하여 햅틱 조이스틱은 사용자 입력에 따른 6자유도 운동을 전달하는 동시에, 손잡이에 6자유도 힘을 반영할 수 있게 되어 양방향 입출력 장치로 기능하게 된다.

이하에서 설명되는 4개의 연결링크부, 4개의 짐벌기구부, 6개의 구동측정부 및 베이스의 구성 및 배치 방법은 상기에서 설명한 3자유도 햅틱 조이스틱의 실시예와 유사하며, 이를 바탕으로 아래에서 자세히 설명하고자 한다.

상기 4개의 연결링크부(120)에 있어, 각각의 연결링크부는 복수 개의 링크와 복수 개의 회전관절을 직렬로 연결하여 구성한다. 상기 4개의 연결링크부의 배치 방법으로는, 도 5에 도시한 바와 같이 상기 손잡이(110b)의 한 쪽에 2개의 연결링크부를 구면관절로 연결하고, 상기 손잡이의 다른 쪽에 나머지 2개의 연결링크부를 유니버설 조인트로 연결하며, 각 2개의 연결링크부는 두 링크로 분리되게 배치하여 4개의 짐벌기구에 하나씩 연결한다. 따라서 상기 손잡이의 움직임은 연결링크부를 통해 전달되어 상기 4개의 짐벌기구부를 회동하게 된다.

상기 4개의 짐벌기구부(130)의 구성 및 배치에 있어, 각 짐벌기구부의 구성 방법은 상기의 3자유도 햅틱 조이스틱의 실시예에서 도 4를 통해 설명한 바와 같으며, 4개의 짐벌기구부의 배치 방법은 도 5에서 도시한 바와 같이 2개의 짐벌기구부의 한 능동축(도 4의 axis y)을 axis 1b에 일치시키고 나머지 능동축(도 4의 axis x)을 서로 평행하게 axis 2b, axis 3b에 배치하고, 나머지 2개의 짐벌기구의 한 능동축(도 4의 axis y)을 axis 4b에 일치시키고 나머지 능동축(도 4의 axis x)을 서로 평행하게 axis 5b, axis 6b에 배치하며, axis 1b와 axis 4b를 평행하게 배치하면, 상기 햅틱 조이스틱(100b)은 6자유도를 구현하게 된다. 이 때, 도 4에 도시한 axis 1b, axis 2b, axis 3b, axis 4b, axis 5b, axis 6b는 상기 6자유도를 구현하기 위한 능동축이 되며, 이와 연결된 상기 짐벌기구의 링크는 능동링크가 되고, 이와 연결된 상기 짐벌기구의 회전관절은 능동관절이 된다.

상기 6개의 구동측정부(140)의 구성 및 배치에 있어, 각 구동측정부는 센서(S141)와 액츄에이터(M142)로 구성하고, 6개의 구동측정부의 배치 방법은 각 구동측정부를 상기에서 설명한 짐벌기구부의 능동링크에 부착하여 각 능동관절의 각도 변위를 측정하고 구동하도록 한다. 따라서 상기 6개의 구동측정부의 센서(S141)를 통해, 상기 능동링크의 회전량을 측정하고 기구학을 해석함으로써 손잡이(110b)의 위치 및 자세 6자유도를 계산할 수 있으며, 상기 6개의 구동측정부의 액츄에이터(M142)를 역학 해석을 통해 적절한 토크로 구동하면 손잡이의 끝에 6자유도의 원하는 방향의 힘 및 토크를 반영할 수 있다. 상기 베이스(150)는 상기 4개의 짐벌기구부(130)와 6개의 구동측정부(140)를 지지한다.

위와 같은 구성 방법을 통해 6자유도 햅틱 조이스틱을 구성하면, 모든 센서 및 액츄에이터를 베이스에 고정할 수 있으므로, 힘 반영의 효율성 및 역구동성을 향상시킬 수 있다.

본 발명을 통해 상기에서 설명한 햅틱 조이스틱을 구성하고, 제어기 및 PC와 연동하여 사용자의 손의 위치를 컴퓨터에 입력하고, 컴퓨터의 명령에 따라 사용자의 손에 힘을 출력하는 햅틱 조이스틱 시스템을 구성할 수 있다.

도 7의 블록도는 상기 3자유도 및 6자유도 햅틱 조이스틱(100)를 이용하여 햅틱 조이스틱 시스템을 구성한 일실시예이다.

도 7과 같이, 본 발명의 실시예는 상기 3자유도 또는 6자유도 햅틱 조이스틱(100);

상기 구동측정부의 센서로부터 신호를 입력 받아 사용자의 손의 위치를 계산하고, 상기 손잡이에 적절한 힘을 인가하기 위하여 상기 구동측정부의 각 액츄에이터에 필요한 토크를 계산하고 이에 해당하는 구동신호를 출력하는 제어기(200);

상기 제어기와 연동하는 컴퓨터(300);

상기 햅틱 조이스틱과 손을 접촉하고, 상기 컴퓨터와 상호 작용하는 사용자(400);

로 구성된다.

상기 실시예를 통해 사용자(400) 손의 위치와 자세를 컴퓨터(300)에 입력하는 작동원리를 도 7을 통해 살펴보면, 사용자(400)의 손의 움직임에 따라 상기 햅틱 조이스틱의 구동측정부(140)의 센서(S141)로부터 측정된 각 능동관절의 변위가 제어기(200)에 전달되며, 제어기(200)는 상기 신호를 취합하여 기구학을 해석하고 사용자의 손의 위치 정보를 계산하여 이를 컴퓨터(300)에 전달한다.

상기 실시예를 통해 사용자(400)의 손에 힘과 토크의 형태로 컴퓨터(300)의 출력을 반영하는 작동원리를 도 7을 통해 살펴보면, 컴퓨터(300)가 사용자(400)의 손에 반영하고자 하는 힘과 토크의 크기 및 방향을 나타내는 힘 피드백 명령을 제어기(200)에 출력하고, 상기 제어기(200)는 상기 출력 명령에 부합하도록 역학 계산을 통하여 상기 햅틱 조이스틱의 구동측정부(140)의 각 액츄에이터(M142)에서 발생시켜야 하는 토크의 크기와 방향을 계산하고, 이에 해당하는 각 능동관절의 액츄에이터 제어신호를 상기 액츄에이터(M142)에 전달한다.

도 8의 흐름도를 참조하여 본 발명에 의한 햅틱 조이스틱 시스템의 작동 원리를 아래에서 자세히 설명하기로 한다.

본 실시예에서 사용자(400)가 컴퓨터(300)의 입력을 하는 작동원리를 도 8을 통해 살펴보면, 사용자(400)는 상기 제어기(200)를 초기화(F201)하고, 연동하는 컴퓨터(300)에서 소정의 프로그램을 초기화(F301)한다. 사용자(400)가 상기 햅틱 조이스틱(100)의 손잡이(110)를 손으로 잡고(F101), 상기 손잡이를 움직이면 각 능동관절의 각도 변위가 센서(S141)를 통해 측정되어(F102) 제어기에 전달된다. 상기 제어기(200)는 상기 신호를 전달 받고(F202), 기구학을 해석하여 손잡이(110)의 위치 및 자세를 계산하며(F203), 이를 상기 컴퓨터(300)에 전달한다(F204). 상기 컴퓨터(300)는 상기 신호를 입력 받고(F302), 소정의 프로그램은 입력된 손잡이(110)의 위치 및 자세를 이용하여 이에 상응하는 작업을 수행한다(F303). 상기 컴퓨터(300)에서 실행되는 소정의 프로그램은 상황에 따라 적절한 힘과 토크를 사용자(400)에게 제시하기 위한 명령을 상기 제어기(200)에 출력한다(F304). 상기 제어기(200)는 상기 컴퓨터(300)로부터 힘 피드백 명령을 전달 받고(F205), 역학 계산을 통하여 상기 햅틱 조이스틱(100)의 각 능동관절의 액츄에이터(M142)에 필요한 토크를 산출하여(F206), 이를 소정의 제어신호로 출력한다(F207). 상기 제어신호에 따라 액츄에이터가 구동되어 상기 컴퓨터(200)에서 실행되는 프로그램이 출력한 힘 피드백에 해당하는 힘 및 토크가 사용자의 손에 전달된다(F103). 상기한 작업의 흐름은 상기 컴퓨터(300)에서 실행되는 소정의 프로그램이 종료될 때까지 반복되며, 사용자(400)가 원하는 작업을 마치면 프로그램을 종료하고(F305), 상기 햅틱 조이스틱의 손잡이와 접촉을 해제한다(F104).

햅틱 조이스틱은 다양한 햅틱장치 중에서 사용자의 손과 상호 작용하므로 그 활용성이 매우 높다.

햅틱 조이스틱은 직관적인 입력과 출력이 가능하여, 차세대 컴퓨터 인터페이스로서 새로운 패러다임을 제시하고 있으며, 가상현실 기술과 접목하여 게임, 교육, 재활, 산업, 군사용으로 이용이 가능하고, 원격조정 기술을 이용한 마스터-슬레이브 시스템을 도입하여, 원격수술, 산업용 로봇의 조종 등에 활용할 수 있다.

본 발명을 통해 힘 반영의 효율성과 역구동성이 높은 새로운 다자유도 햅틱 조이스틱 시스템을 구성함으로써, 상기한 적용분야의 작업을 수행하는 데 있어 생산성과 효율성을 높일 수 있다.

Claims (4)

1. 손의 위치정보를 컴퓨터에 입력하고 컴퓨터의 명령에 따른 적절한 힘을 사용자의 손에 출력하는 햅틱 조이스틱에 있어서,

   손잡이(110a), 2개의 연결링크부(120), 2개의 짐벌기구부(130), 3개의 구동측정부(140) 및 베이스(150) 로 구성되며,

   각 부분의 구성, 배치 및 특징에 있어서,

   상기 손잡이(110a)는 사용자의 손과 접촉하여 움직이며, 한 끝은 구면관절을 통해, 다른 끝은 유니버셜 조인트를 통해서 상기 2개의 연결링크부(120)에 연결되고,

   상기 2개의 연결링크부(120)는 각각 복수 개의 링크와 복수 개의 회전관절로 구성하여 상단은 상기 손잡이의 끝에 공통적으로 연결하고 하단은 2개의 짐벌기구부에 각각 연결되도록 두 갈래로 갈라지게 배치하여 손잡이의 움직임에 따라 짐벌기구가 운동하도록 하며,

   상기 2개의 짐벌기구부(130)는 각 짐벌기구부를 4개의 링크와 5개의 회전관절로 구성하고 베이스를 포함하여 공간 5절링크를 구성하여 2자유도 운동이 가능하도록 하며, 2개의 짐벌기구부의 배치 방법은 각 짐벌기구부의 한 능동축을 일치시키고 나머지 능동축을 평행하게 배치시킴으로써 2개의 짐벌기구부가 3자유도를 구현하도록 하고,

   상기 3개의 구동측정부(140)는 각각 센서와 액츄에이터로 구성하고 상기 짐벌기구부(130)의 각 능동관절에 부착하여 각 능동관절의 각도 변위를 측정하고 구동하도록 하며,

   상기 베이스(150)는 짐벌기구부와 구동측정부를 지지하도록 하여,

   손잡이의 운동과 독립적으로 구동측정부가 베이스에 고정된 채로 손잡이의 위치 3자유도를 측정 가능하고, 손잡이에 3자유도의 힘을 반영할 수 있는 것을 특징으로 하는 햅틱 조이스틱.
2. 손의 위치정보를 컴퓨터에 입력하고 컴퓨터의 상황에 따른 적절한 힘을 사용자의 손에 출력하는 햅틱 조이스틱에 있어서,

   손잡이(110b), 4개의 연결링크부(120), 4개의 짐벌기구부(130), 6개의 구동측정부(140) 및 베이스(150) 로 구성되며,

   각 부분의 구성, 배치 및 특징에 있어서,

   상기 손잡이(110b)는 스크류(111)와 너트(112)로 구성하고 사용자가 상기 너트를 손으로 잡고 움직임으로써 상기 스크류의 축방향 회전을 상기 축방향의 위치운동으로 상호 변환하고, 상기 축방향의 힘을 상기 축방향의 회전토크로 상호 변환이 가능하도록 하여 사용자의 손의 움직임을 상기 연결링크부에 전달하며,

   상기 4개의 연결링크부(120)는, 각각의 연결링크부는 복수 개의 링크와 복수 개의 회전 관절을 직렬로 연결하여 구성하고, 4개의 연결링크부의 배치하는 데 있어 상기 손잡이(110b)의 한 끝에 2개의 연결링크부를 구면 관절로 연결하고, 상기 손잡이의 반대쪽 끝에 나머지 2개의 연결링크부를 유니버설 조인트로 연결하며, 각 2개의 연결링크부는 두 갈래로 갈라지게 배치하여 4개의 짐벌기구에 하나씩 연결하고, 상기 손잡이의 움직임은 연결링크부를 통해 전달되어 상기 4개의 짐벌기구부를 움직이게 하며,

   상기 4개의 짐벌기구부(130)는 각 짐벌기구부를 4개의 링크와 5개의 회전관절로 구성하고 베이스를 포함하여 공간 5절링크를 이루어 2자유도 운동이 가능하도록 하며, 4개의 짐벌기구부의 배치 방법은 2개의 짐벌기구부의 한 능동축을 일치시키고 나머지 능동축을 서로 평행하게 배치하고, 나머지 2개의 짐벌기구의 한 능동축을 일치시키고 나머지 능동축을 서로 평행하게 배치하고 상기 일치된 능동축이평행을 이루도록 배치하여 4개의 짐벌기구부가 6자유도를 구현하도록 하며,

   상기 6개의 구동측정부(140)는 각각 센서와 액츄에이터로 구성하고 상기 짐벌기구부(130)의 각 능동관절에 부착하여 각 능동관절의 각도 변위를 측정하고 구동하도록 하며,

   상기 베이스(150)는 짐벌기구부와 구동측정부를 지지하도록 하여,

   손잡이의 운동과 독립적으로 구동측정부가 베이스에 고정된 채로 손잡이의 위치 및 자세 6자유도를 측정 가능하고, 손잡이에 6자유도의 힘 및 토크를 반영할 수 있는 것을 특징으로 하는 햅틱 조이스틱.
3. 손의 위치정보를 컴퓨터에 입력하고 컴퓨터의 명령에 따른 적절한 힘을 사용자의 손에 출력하는 햅틱 조이스틱 시스템에 있어서,

   제 1항의 방법으로 제조된 햅틱 조이스틱(100);

   상기 햅틱 조이스틱의 구동측정부의 센서로부터 소정의 신호를 입력 받아 사용자의 손의 위치를 계산하고 이를 컴퓨터에 전달하며, 컴퓨터에서의 힘 피드백 명령을 입력 받아 상기 햅틱 조이스틱의 각 구동축에 필요한 토크를 계산하고, 각 구동축의 액추에이터를 구동하는 특징을 갖는 제어기(200);

   상기 제어기와 연동하는 컴퓨터(300);

   상기 햅틱 조이스틱과 손을 접촉하고, 상기 컴퓨터와 상호 작용하는 사용자(400);

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 햅틱 조이스틱 시스템.
4. 손의 위치정보를 컴퓨터에 입력하고 컴퓨터의 명령에 따른 적절한 힘을 사용자의 손에 출력하는 햅틱 조이스틱 시스템에 있어서,

   제 2항의 방법으로 제조된 햅틱 조이스틱(100);

   상기 햅틱 조이스틱의 구동측정부의 센서로부터 신호를 입력 받아 사용자의 손의 위치 및 자세를 계산하고 이를 컴퓨터에 전달하며, 컴퓨터의 힘 피드백 명령을 소정의 신호로 입력 받아 상기 햅틱 조이스틱의 각 구동축에 필요한 토크를 계산하고 각 구동축의 액추에이터를 구동하는 특징을 갖는 제어기(200);

   상기 제어기와 연동하는 컴퓨터(300);

   상기 햅틱 조이스틱과 손을 접촉하고, 상기 컴퓨터와 상호 작용하는 사용자(400);

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 햅틱 조이스틱 시스템.