KR20030085080A - 장난감용 햅틱 원격 제어 장치 및 방법 - Google Patents

장난감용 햅틱 원격 제어 장치 및 방법 Download PDF

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KR20030085080A KR10-2003-7012826A KR20037012826A KR20030085080A KR 20030085080 A KR20030085080 A KR 20030085080A KR 20037012826 A KR20037012826 A KR 20037012826A KR 20030085080 A KR20030085080 A KR 20030085080A
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Abstract

햅틱 피드백 원격 제어 장치(haptic feedback remote control device)는 장난감 장치에 제어 신호를 제공한다. 이 원격 제어 장치는 하우징(housing; 24), 유연성 있는 발포층(62), 재충전 배터리(60), 작동기 어셈블리(actuator assembly; 50)를 포함한다. 유연성 있는 발포층(62)은 배터리(60)의 시스템에 대한 관성 영향(inertial contribution)을 감소시키고 사용자가 작동기 어셈블리(50)에 의하여 더욱 강한 촉각 감각을 감지할 수 있도록 한다.

Description

장난감용 햅틱 원격 제어 장치 및 방법{HAPTIC REMOTE CONTROL FOR TOYS}
인간은 다양한 응용 분야에서 전자 및 기계적 장치들과 인터페이싱하며, 더욱 자연스럽고 사용하기 쉬운 정보 제공 인터페이스에 대한 요구가 항상 존재한다. 본 발명에 있어서, 그러한 응용예 중 하나가 장난감 차와 같은 이동 장치의 원격 제어이다. 예를 들어, 배터리 또는 가솔린을 사용하여 그들 자신의 전원으로 운동하는 작은 차인 원격 제어 장난감 차는 흔히 볼 수 있다. 일반적으로 사용자는 차에 무선 송신을 통해 신호를 보내는 원격 제어 장치를 사용하여 차의 회전 방향, 제동 및/또는 전진/후진 방향을 제어한다. 제한적으로 운동하는 장난감들은 원격 제어 장치와 피제어 장난감을 연결하는 배선을 포함할 수도 있고, 신호를 장난감에 송신하는 장치를 포함할 수도 있다. 원격 제어 장치는 사용자가 장난감을 제어하는 것을 도와주는 조이스틱, 다이얼, 스위치, 버튼 또는 다른 제어구(control)들을 포함할 수 있다. 비행 장난감(예를 들어 비행기, 헬리콥터, 로켓), 수상 장난감(예를 들어 보트, 잠수함), 트럭, 로봇, 장난감 동물 등의 다른 유형의 이동 장난감및 장치들도 비슷한 방식으로 제어될 수 있다.
장난감 원격 제어 장치에 없는 기능 중 하나는 운동력 피드백(kinesthetic force feedback) 및/또는 햅틱 피드백(tactile feedback)이며, 이들을 총칭하여 "햅틱 피드백(haptic feedback)"이라 한다. 햅틱 피드백을 인터페이스 제어 장치에 추가함으로써 사용자는 더 많은 상호작용을 경험할 수 있으며 원격 장난감 장치의 인터페이싱 및 제어가 더욱 용이해질 수 있다.
본 발명은 일반적으로 사용자에 의한 원격 장치로의 인터페이싱에 관한 것이며, 특히 원격 제어 장난감의 인터페이싱에 사용되고 사용자에게 햅틱 피드백(haptic feedback)을 제공하는 장치에 관한 것이다.
도 1은 원격 제어 장치 및 장난감 차를 포함하는 본 발명의 원격 제어 시스템의 투시도.
도 2는 도 1의 원격 제어 장치의 측면 단면도.
도 3은 본 발명의 원격 제어 장치에서의 사용에 적합한 작동기의 일 실시예의 투시도.
도 4는 본 발명의 원격 제어 장치에서의 사용에 적합한 작동기의 또 다른 실시예의 투시도.
도 5는 장난감에서의 가속도를 결정하는 가속도계를 포함하는 본 발명의 장난감 장치의 측면 입면도.
도 6은 모터에 의하여 운동력 피드백을 제공받는 원격 제어 장치의 레버의 일 실시예의 투시도.
도 7은 본 발명의 원격 제어 장치 및 장난감 장치의 구성요소들을 도시하는 블록도.
본 발명은 자동차, 보트 등의 이동 장난감 장치들을 제어하기 위한 햅틱 피드백 원격 제어 장치를 제공한다. 상기 원격 제어 장치는 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하며 이는 장난감을 제어할 때 더욱 주목하지 않을 수 없는 경험을 제공한다.
특히, 햅틱 피드백 원격 제어 장치는 자동차, 보트, 비행기 등의 장난감 장치에 제어 신호를 제공함으로써 장난감 장치의 동작을 제어한다. 원격 제어 장치는 하나의 하우징(housing)과 사용자에 의한 수동 조작을 위한 적어도 하나의 제어구(control)를 포함하며, 조작을 나타내는 제어 신호는 장난감 장치로 송신되어 장난감 장치의 동작을 제어한다. 작동기(actuator)는 수신된 작동기 신호에 응답하여 하우징에서 힘을 출력하며, 제어기(controller)는 작동기 신호를 작동기에게 제공하고 제어구의 조작을 나타내는 제어 신호를 모니터링한다. 제어기는 사용자에 의한 제어구의 수동 조작에 전적으로 또는 부분적으로 기초하여 힘을 결정할 수 있다. 일 실시예에서, 작동기는 관성 질량(inertial mass)을 운동시킴으로써, 사용자에게 감지될 수 있는 관성 햅틱 감각(inertial haptic sensation)을 하우징에 제공한다. 제어구는 축을 따라 움직일 수 있는 레버(lever), 핸들(steering wheel) 또는 다른 제어구를 포함한다. 바람직하게는, 장난감 장치로 송신되는 제어 신호는 장난감 장치에 무선으로 송신된다. 예를 들어, 제어구는 스로틀 제어구(throttle control) 또는 조타 제어구(steering control)일 수 있다.
일 실시예의 또 다른 특징은 제어기가 장난감 장치로부터 수신되는 정보에 전적으로 또는 부분적으로 기초하여 힘을 결정할 수 있도록 한다. 예를 들어, 장난감 장치로부터 수신되는 정보는 장난감 장치의 접촉 감지기(contact sensor)로부터의 정보를 포함하는데 상기 접촉 감지기는 장난감 장치가 접촉 감지기의 위치에서 다른 물체와 접촉하였는지를 지시한다. 상기 정보는 장난감 장치의 다른 물체와의 접촉 정도(degree of contact)를 지시할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 정보는 장난감 장치가 적어도 일 차원(dimension)으로 경험하는 가속도량(amount of acceleration)을 지시할 수 있다.
일 실시예에서, 원격 제어 장치에서의 작동기는 수신되는 전기 신호에 응답하여 사용자에 의하여 조작되는 제어구에 힘을 출력할 수 있다. 힘은 제어구의 국부적 조작에 전적으로 또는 부분적으로 기초하여 결정되거나, 피제어 장난감의 상태를 지시하는 정보에 전적으로 또는 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다. 원격 제어 장난감 장치의 일 실시예는 상술된 바와 같은 원격 제어 장치 및 제어 신호에 따라 물리적으로 운동하도록 동작시킬 수 있는 장난감 장치를 포함한다. 또 다른 실시예는 사용자에게 햅틱 감각을 제공하면서 사용자에 의한 원격 제어 장치의 조작에 기초하여 장난감 장치를 제어하는 방법이다.
본 발명은 장난감 차 또는 다른 장난감 장치를 제어할 때 사용자에게 햅틱 감각을 제공하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치를 제공한다. 이는 장난감을 원격 제어할 때에 사용자가 감각 피드백에서의 또 다른 차원을 경험하도록 한다. 상기 감각은 장난감이 현재 무엇을 경험하고 있는지를 모사하고(simulate) 사용자에게 장난감의 상태를 알림으로써 사용자의 장난감에 대한 제어를 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 상세한 설명을 읽고 도면을 연구하면 본 발명의 이러한 장점들 및 다른 장점들이 당업자에게 자명해질 것이다.
도 1에서, 본 발명의 원격 제어 장난감 시스템(10)이 도시된다. 원격 제어 장난감 시스템(10)은 원격 제어 장치(12) 및 피제어 장난감(14)을 포함한다.
원격 제어 장치(12)는 사용자에 의하여 동작되어 장난감(14)을 제어한다. 원격 제어 장치(12)는 일반적으로 사용자의 한 손 또는 양손에 쥘 수 있을 정도로 작고 다양한 제어구(control)들을 포함한다. 예를 들어, 사용자는 조이스틱 또는 레버(20)를 위 또는 아래로 움직임으로써 장난감(14)에게 전진 또는 후진하도록 명령할 수 있다. 속도를 제어할 수 있는 실시예에서, 레버(20)를 원 위치(예를 들어, 레버가 움직일 수 있는 범위의 중심)로부터 움직이는 거리로써, 피제어 장난감의 적절한 방향으로의 속도를 제어할 수 있다. 레버(22)를 좌 또는 우로 움직임으로써 장난감에게 좌 또는 우회전하도록 명령할 수 있다. 속도를 제어할 수 있는 실시예에서, 레버(22)를 원 위치로부터 움직이는 거리에 의하여 장난감의 회전의 양이 급격함(tightness)을 제어할 수 있다. 장난감에 제동을 걸거나 정지시키기, 장난감에 전원을 넣거나 작동시키기, 헤드라이트 켜기, 운전 모드 전환하기, 경적 울리기 등과 같은 장난감의 다른 다양한 기능들을 명령하거나, 조타(steering) 및 스로틀(throttle) 기능을 제어하기 위하여 레버(20, 22) 대신에 버튼, 작은 핸들, 손잡이(knob), 다이얼, 조이스틱, 트랙볼, 스위치, 방향 패드, 레버 또는 다른 제어구들이 포함될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 바와 같은 햅틱 피드백이 이들 제어구에 제공될 수 있다. 일 실시예에서는 다른 장치, 예를 들어 셀룰러 폰, 랩톱 이나 PDA와 같은 휴대용 컴퓨터, 손목 시계 등에 원격 제어 장치(12)의 기능을 제공한다.
원격 제어 장치(12)는 제어신호를 장난감(14)에 무선으로 송신하기 위한 무선 송신 장치를 포함할 수 있다. 이러한 송신 장치의 구현은 당업자에게 잘 알려져 있다. 종종 원격 제어 장치(12)는 라디오 주파수(radio frequency; RF) 제어 신호를 원하는 주파수로 방송하기 위하여 안테나(23)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 원격 제어 장치로부터의 제어 신호는 전선(wire) 또는 원격 제어 장치(12)와 장난감(14)을 물리적으로 연결하는 다른 전송선(transmission line)을 따라 송신될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 일부 실시예에서 원격 제어 장치(12)는 장난감(14)로부터 신호를 수신할 수 있다. 이러한 실시예에서 원격 제어 장치(12)는 적절한 수신 전자 장치를 포함한다.
본 발명에서, 원격 제어 장치(12)는 햅틱 피드백 기능을 포함한다. 이 기능은 원격 제어 장치(12)의 하우징(24) 내에 위치하거나 하우징(24)과 연결된 하나 이상의 작동기를 이용하여 제공된다. 햅틱 원격 제어 장치의 다양한 실시예들이 이하에서 상술된다.
도 1은 원격 제어 경주용 차인 장난감(14)을 도시한다. 장난감(14)은 차체(chassis; 26), 바퀴(28) 및 안테나(30)를 포함한다. 차체(26)는 장난감(14)을 운동시키고 바퀴를 회전시키는 등의 용도를 위한 하나 이상의 도시되지 않은 모터들을 포함한다. 일부 실시예에서, 배터리는 차체(26)에 저장되어 모터에 전력을공급한다. 다른 실시예들은 가솔린과 같은 액체 연료 등의 다른 전원을 제공할 수 있다. 안테나(30)는 장난감(14)이 원격 제어 장치(12)에 의하여 무선으로 송신된 명령 신호를 수신하도록 한다.
장난감(14)은, 예를 들어 적당한 방송 주파수로 원격 제어 장치(12)로부터의 명령들을 수신하는 수신 전자 장치를 포함한다. 장난감(14)으로부터 원격 제어 장치(12)로 정보가 송신되는 실시예에서, 장난감(14)은 예를 들어 원격 제어 장치(12)에 의하여 사용되는 송신기와 유사한 무선 송신기를 포함한다. 장난감의 다른 구성요소들은 수신된 명령들을 수행하고, 모터를 제어하고, (감지기를 포함하는 실시예인 경우) 감지기를 판독하는 등에 사용되는 마이크로 프로세서 또는 다른 제어기(controller)를 포함한다.
비행 장난감(예를 들어 비행기, 헬리콥터, 로켓), 수상 장난감(예를 들어 보트, 잠수함), 트럭, 로봇, 장난감 동물 등의 다른 유형의 이동 장난감 및 장치들도 유사한 방식으로 제어될 수 있다.
국부적 햅틱 감각 실시예(Local Haptic Sensation Embodiments)
도 2는 본 발명의 원격 제어 장치(12)의 제1 실시예의 측면 단면도이다. 본 실시예에서, 사용자에게 제공되는 햅틱 피드백은 사용자가 원격 제어 장치(12)를 제어하면서 사용자가 행한 국부적 작용(local action)에 기초한다.
원격 제어 장치(12)의 하우징(24)은 원격 제어 장치(12)의 하우징(24)에 힘을 출력하는 작동기(actuator assembly; 50)를 포함한다. 설명되는 실시예에서, 작동기 어셈블리(50)는 대략 선형 운동(linear motion)으로 관성 질량(inertiamass)을 진동시킨다. 관성 질량의 운동에 의하여 제공되는 진동은 하우징(24)에게 전달되고, 하우징에 접촉하고 있는 사용자는 이 진동을 촉각 감각으로서 인식한다. 바람직하게는 관성 질량은 펄스 및 진동과 같은 다양한 촉각 감각을 제공하기 위하여 상이한 주파수 및 강도의 힘으로 진동할 수 있다.
아래에서 도 3을 참조하여 작동기 어셈블리(50)의 일 실시예가 설명되며, 이 실시예에서는 작동기 자체가 관성 질량으로서 진동한다. 다른 실시예에서는 다른 유형의 작동기 어셈블리들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 아래에서 도 4를 참조하여 설명되는 바와 같이, 이심 질량(eccentric mass)이 작동기의 샤프트(shaft)에 연결되어 회전될 수 있다. 다른 실시예들은 코일 또는 자석을 운동시키는 선형 음성 코일 작동기(linear voice coil actuator) 또는 운동 자석 작동기(moving magnet actuator)를 사용하여 관성 펄스 또는 진동을 발생시킬 수 있다. 미국 특허 제 6,211,861호에 관성 피드백 실시예들이 설명되어 있다. 또 다른 실시예에서, 작동기는 부재를 구동하여 하우징에 충돌시키고, 하나 이상의 이러한 충돌들에 의하여 햅틱 피드백을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 하우징(24)의 일부분에 햅틱 피드백을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 하우징의 일부분이 하우징의 나머지 부분에 대하여 운동 가능하도록 만들어 질 수 있다. 상기 운동 가능 부분이 작동기에 연결되어 운동함으로써 촉각 감각을 제공할 수 있다. 정상적인 사용 중 원격 제어 장치(12)를 쥐거나 접촉하거나 지지할 때에, 사용자에 의하여 하우징에 접촉되는 위치에 상기 운동 가능 부분이 배치된다. 일 실시예에서, 상기 운동 가능 부분은 경첩 덮개(coveron a hinge)와 같은 하우징의 정지된 부분의 외부 표면으로부터 멀어지는, 즉 외부 표면에 수직인 방향으로 운동함으로써 사용자의 손가락 또는 손바닥을 밀 수 있다. 다른 실시예에서는, 상기 운동 가능 부분은 측면 방향으로, 하우징의 외부 표면과 평행하며 상기 운동 가능 부분과 접촉하는 사용자의 피부를 가로지르는 방향으로 운동할 수 있다. 또는 측면 방향 운동과 수직 방향 운동이 모두 제공될 수도 있다. 운동할 수 있는 표면 부분의 일부 실시예가 미국 특허 제 6,184,868호에 설명되어 있다.
작동기 어셈블리(50) 및 다른 구성요소, 예를 들어 로컬 마이크로 프로세서, 전송기, 장치 상의 라이트 등에 전력을 공급하기 위하여 배터리(60) 또는 다른 전력 저장 소자가 원격 제어 장치(12)에 포함될 수 있다. 배터리(60)는 일회용 배터리이거나 사용자가 제거, 재충전, 교체할 수 있는 재충전 배터리일 수 있다. 일부 실시예에서, 하우징(24)에 칸막이 문(compartment door)을 제공함으로써 사용자가 배터리(60)에 용이하게 액세스하도록 할 수 있다. 다른 실시예에서는, 전력을 공급하기 위하여 다른 유형의 전력 저장 소자가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 사용자는 배터리(60)를 장치 하우징(24)로부터 제거하지 않고도 배터리를 재충전할 수 있다. 예를 들어, 하우징(24)은 재충전 배터리(60)에 접속된 "도킹 포트(docking port)" 또는 전기 커넥터를 포함하며, 상기 도킹 포트 또는 전기 커넥터는 원격 제어 장치(12)를, 예를 들어 표준 교류 전원 콘센트에 접속되는 재충전 전원 장치 상의 대응 커넥터에 꽂을 수 있도록 한다.
배터리(60)는 무거운 구성요소일 수 있으며 관성 햅틱 피드백 장치에서 사용하기에 불리할 수 있다. 배터리(60)의 무게는 장치의 전체 질량에 추가되며, 이는 작동기 어셈블리(50)에 의하여 출력되어 사용자에게 인식되는 관성 햅틱 감각의 강도를 약화시킬 수 있다. 이러한 효과를 완화하기 위하여, 배터리(60)와 하우징(24) 사이에 굴절성이나 유연성이 있는 연결이 사용될 수 있다. 예를 들어, 배터리(60)와 하우징(24) 사이에 유연성이 있는 발포층(a layer of comliant foam; 62)이 배치될 수 있다. 다른 실시예에서는, 고무 또는 다른 유연성이 있는 층 또는 스프링 소자가 사용될 수 있다. 층(62)은 배터리(60)가 적어도 부분적으로는 하우징(24)과 독립적으로 운동할 수 있도록 하며, 배터리(60)를 하우징(24)로부터 관성적으로 디커플링시킨다(decouple). 층(62)은 시스템에 대한 배터리(60)의 관성적 영향을 감소시키며, 배터리(60)가 층(62) 없이 하우징에 단단하게 연결되어 있을 때보다, 주어진 작동기 어셈블리(50)로 사용자가 더 강한 촉각 감각을 인식할 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 원격 제어 장치(12)에서 사용하기 위한 작동기 어셈블리(50)의 일 실시예의 투시도이다. 작동기 조립체(100)는 접지된 굴곡체(flexture; 120) 및 상기 굴곡체(120)에 연결된 작동기(110)를 포함한다. 굴곡체(120)는 "가구 경첩(living hinge)" 재료인 폴리프로필렌 플라스틱(polypropylene plastic)과 같은 재료 또는 다른 굴절성 있는 재료로 만들어진 단일체일 수 있다. 굴곡체(120)는 원격 제어 장치(12)의 하우징(24)에, 예를 들어 부분(121)에서 접지될 수 있다.
작동기(110)는 굴곡체(120)에 연결되어 있는 것으로 도시된다. 작동기의 하우징은 도면에 나타난 바와 같이 작동기(110)를 수용하는 굴곡체(120)의 수용부(receptacle; 122)에 연결된다. 작동기의 회전 샤프트(rotating shaft; 124)는 굴곡체(120)의 구멍(125)에서 굴곡체(120)에 연결되며 중심 회전 부재(130)에 단단하게 연결된다. 작동기의 회전 샤프트(124)는 축 B 주위를 회전하며 부재(130)를 축 B 주위로 회전시킨다. 회전 부재(130)는 굴절성 이음재(flex joint; 134)에 의하여 각진 부재(angled element; 131)의 제1 부분(132a)에 연결된다. 바람직하게는 굴절성 이음재(134)는 구부러질 부피에 있어서 매우 얇으므로 회전부(130)가 제1 부분(132a)을 대략적인 선형으로 운동시킬 때에 굴절성 이음재(134)는 구부러질 것이다. 제1 부분(132a)은 굴절성 이음재(138)에 의하여 굴곡체의 접지부(140)와 연결되며 제1 부분(132a)은 굴절성 이음재(142)에 의하여 각진 부재의 제2 부분(132b)과 연결된다. 제2 부분(132b)은 다른 단에서 굴절성 이음재(144)에 의하여 굴곡체의 수용부(122)와 연결된다.
제1 부분(132a)과 제2 부분(132b)을 포함하는 각진 부재(131)는 화살표(136)에 의하여 도시된 바와 같이 x 축을 따라 선형으로 운동한다. 실제로, 부분(132a, 132b)은 대략적으로만 선형으로 운동한다. 굴곡체가 휴지 위치(rest position)인 원 위치에 있을 때, 부분(132a, 132b)은 바람직하게는 도시된 바와 같이 길이 방향의 축에 대하여 각져 있다. 이는 회전 부재(130)가 화살표 136에 의하여 도시된 양 방향에 따라 각진 부재(131)를 밀거나 당길 수 있도록 한다.
회전 부재(130)를 두 방향으로 구동하여 고대역(high bandwidth) 및 고주파(high frequency) 펄스 또는 진동을 출력시킬 때, 작동기(110)는 회전 범위의 일부에서만 동작한다. 굴곡체를 압축 또는 신장시켜 원하는 z 축 방향의 운동을 발생시키기 위하여, 수용부(122)와 접지부(140) 사이의 굴곡체 부분에 굴절성 이음재(152)가 구비된다. 굴곡 이음재(152)는 작동기(110), 회전 부재(130), 제2 부분(132b) 뿐만 아니라 수용부(122)가 부분(132a, 132b)의 운동에 응답하여 z 축 방향으로 선형으로 운동하도록 한다. 각진 부재(131)의 제1 부분(132a)에 구비되는 탄력 굴곡재(150)는 굴절성 이음재(152) 근방에서 z 축 방향으로의 구부러짐이 더 용이하게 일어날 수 있도록 한다.
작동기 샤프트(124)의 회전 방향을 급히 전환함으로써, 작동기/수용부는 z 축을 따라 진동할 수 있고, 작동기(110)가 관성 질량으로서 작동하는 하우징에 진동을 발생시킬 수 있다. 바람직하게는, 작동기가 하우징(24)의 표면이나 부분에 충돌하지 않고 운동할 수 있는 범위를 허용하기 위하여 작동기의 상하에 충분한 공간이 제공된다. 또한, 굴곡체(120)에 포함된 굴절성 이음재(152)와 같은 굴절성 이음재들은 작동기(110)와 수용부(122)의 원 위치, 즉 휴지 위치로의 복원력을 제공하는 탄성 부재(spring element)로서 작용한다. 일부 실시예에서는, 수용부(122)과 작동기(110)의 z 축 방향 운동을 제한하기 위하여 정지구(stop)가 포함될 수 있다.
도 4는 사용자에게 촉각 감각을 제공하기 위한 원격 제어 장치(12)에서의 사용에 적합한 작동기 어셈블리(50)의 또 다른 실시예(170)의 투시도이다. 작동기 조립체(170)는 직류 모터와 같은 작동기(176)를 포함하며, 또한 회전축 C 주위를 회전하는 샤프트(172)와, 샤프트(172)에 단단하게 연결되어 샤프트(172)와 함께 회전축 C 주위를 회전하는 이심 질량(174)을 포함한다. 일 실시예에서, 작동기(176)의 하우징은 원격 제어 장치(12)의 하우징에 연결된다. 즉, 작동기는 원격 제어 장치의 하우징 내부에 부착될 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 작동기가 조이스틱이나 마우스와 같은 움직일 수 있는 조작기 또는 다른 부재에 연결될 수 있다.
많은 상이한 유형 및 형태의 이심 질량(174)이 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 쐐기 또는 파이 형태의 이심 질량이 사용되고, 이심 질량의 일단이 샤프트(172)에 연결되어 이심 질량의 대부분이 축의 한 방향으로 확장될 수 있다. 선택적으로, 원통형 또는 다른 형태의 질량이 샤프트(172)에 연결될 수 있다. 질량(174)의 중심은 샤프트(172)의 회전축 C로부터 벗어나 위치해 있으며, 이는 샤프트(172)의 회전축과 질량(174)의 무게 중심 사이의 거리에 의하여 결정되는 이심도 매개변수(eccentricity parameter)를 생성한다. 이심도는 다른 장치 실시예에서 소망하는 바에 따라 강하거나 약한 진동을 제공하도록 조절 가능하다. 만일 모터가 한 방향으로 일정하게 구동되면 일반적으로 이심도를 변경함으로써 더 높은 강도를 얻을 수 있다.
이심 질량(174)이 모터(176)에 의하여 회전될 때, 질량의 불균형 운동으로 인하여 모터 및 모터에 연결된 부재에 진동이 야기된다. 모터(176)의 하우징은 바람직하게는 원격 제어 장치(12)의 하우징과 연결되므로, 진동은 하우징을 쥐고 있는 사용자에게 전달된다. 진동촉각적인(vibrotactile) 또는 다른 햅틱 피드백을 제공하기 위하여 제어구에 하나 이상의 모터(176)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 더 높은 강도의 진동을 제공하거나 상이한 두 방향의 진동을 제공하기 위하여 두개의 모터가 사용될 수 있다. 미국 특허 제 6,184,868호에서 개시된 바와 같은 선형 음성 코일 작동기, 솔레노이드(solenoid), 운동 자석 작동기 등의 다른 유형의 작동기도 사용될 수 있다.
햅틱 감각(Haptic Sensation)
국부적 햅틱 감각 실시예에서 상이한 유형의 햅틱 감각이 사용자에게 제공될 수 있다. 햅틱 감각은 원격 제어 장치(12)에서의 사용자의 국부적 작용에만 기초하여 결정되므로, 감각은 특정 작용 또는 사용자에 의하여 조작되는 제어구에 기초할 수 있다.
엔진 진동(engine vibration): 작동기 어셈블리(50)는 차의 엔진의 진동을 모사하도록 의도된 햅틱 감각을 출력하도록 제어될 수 있다. 이 진동 감각은 장난감(14)의 속도를 제어하는 도 1의 레버(20)와 같은 스로틀 제어구의 위치에 연관된 강도 및/또는 주파수를 가진다. 예를 들어, 장난감의 전진 속도가 증가할수록, 전달되는 진동 감각의 강도와 주파수는 증가한다. 장난감의 속도가 높을 때에는 사용자에게 고강도 및 고주파의 진동이 전달될 수 있으며, 속도가 낮을 때에는 부드러운 "헛도는(idling)" 감각이 전달될 수 있다. 사용자가 레버(20)를 움직여 장난감이 후진하도록 명령할 때, 역 방향과 연관되는 고유의 햅틱 감각, 예를 들면 저주파 진동이 출력될 수 있다.
회전(turning): 햅틱 감각은 장난감(14)을 회전시키는 사용자의 제어구 조작에 연관되도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 좌우 레버(22)는 장난감을 좌우로 회전시키는 데에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는 레버가 원 위치로부터 움직인양에 의하여 회전의 급격함을 제어한다. 레버가 완전히 좌 또는 우로 움직여졌을 때, 장난감의 회전 반경은 가장 작다. 회전의 급격함을 지시하기 위하여 원격 제어 장치(12)에 진동이 출력될 수 있다. 예를 들어, 급격한 회전이 고주파 진동과 연관될 수 있는 반면, 완만한 회전은 저주파 진동과 연관될 수 있다. 일부 실시예에서, 속도 및 회전 제어는 모두 햅틱 감각을 결정하는 데에 사용될 수 있다. 예를 들어, 고속의 급격한 회전은 햅틱 감각으로 간혈적인 펄스를 발생시킬 수 있으며, 이 펄스는 노면과의 마찰을 상실하는 장난감의 타이어의 감각을 모사한다.
다른 감각들: 원격 제어 장치(12)에서의 다른 제어들이 햅틱 감각에 연관될 수 있다. 만일 장난감에게 제동을 걸거나 운동 속도를 낮출 것을 명령하는 제동 제어가 있으면, 제동 중 진동이 출력될 수 있다. 경적, 깜빡이 등(blinking light) 또는 원격 제어 장치(12)에 의하여 제어되는 장난감의 다른 기능들 역시 상이한 햅틱 감각들과 연관될 수 있다.
조작기(manipulandum)의 하나 이상의 감지되는 자유도(sensed degrees of freedom) 내의 힘인 운동력 피드백 또한 원격 제어 장치의 제어구에 출력될 수 있다. 예를 들어, 모터 또는 다른 작동기는 레버(20, 22)의 자유도(degree of freedom), 버튼 또는 스위치의 움직임의 자유도, 작은 핸들 또는 손잡이의 회전의 자유도 내의 힘을 출력할 수 있다. 그러한 햅틱 피드백을 제공하는 실시예가 도 6을 참조하여 아래에서 설명된다.
운동력 피드백 실시예에서, 시간 기반 햅틱 효과(time based haptic effect)가 제어구의 자유도 내에서 상술된 햅틱 효과와 유사한 방식으로 출력된다. 예를들어, 장난감(14)을 원하는 방식으로 제어할 때 사용자가 쥐고 있는 레버(20 또는 22)에 직접 진동 또는 요동이 출력될 수 있다. 요동 또는 진동의 강도 및/또는 주파수는 제어구의 자유도 내에서 제어구의 위치에 기초하며, 엔진 소음, 회전 반경 등을 모사할 수 있다.
또한, 운동력 피드백 실시예에서 더욱 정교한 햅틱 감각이 출력될 수 있다. 예를 들어, 작동기에 의하여 발생되는 탄성 감각(spring sensation)은 레버를 원 위치로 향하게 하는 복원력을 제공한다. 장난감(14)의 완만한 회전에 대해서는 느슨한 또는 저강도의 탄성을 출력하는 반면, 장난감의 급격한 회전에 대해서는 팽팽한 또는 고강도의 탄성을 출력함으로써 저속 또는 고속에서의 운전 조건을 모사할 수 있다. 레버 또는 다른 제어구의 움직임에서, 사용자에게 특별한 위치를 표시하기 위하여 저지력(detent)이 출력될 수 있다. 예를 들어, 사용자가 차를 얼마나 빨리 움직이도록 제어하고 있는지 또는 얼마나 급격하게 회전하도록 제어하고 있는지를 사용자에게 촉각적으로 알리기 위하여, 레버가 범위의 4분의 1 만큼 움직일 때마다 저지력이 제공된다. 저지력은 요동, 탄성력 또는 다른 힘일 수 있다. 레버의 움직임의 속도에 기초하는 감쇠력(damping force)이 레버의 움직임에 저항할 수 있다. 바람직한 한계를 초과하면 장애력 또는 방해력이 제어구의 움직임을 방해하거나 제어구의 움직임에 저항할 수 있다.
피제어 장난감으로부터의 정보에 기초한 햅틱 피드백(Haptic Feedback Based on Information from the Controlled Toy)
본 발명의 더욱 정교한 실시예가 아래에서 설명된다. 이들 실시예에서는,장난감(14)의 하나 이상의 상태 또는 조건을 원격 제어 장치(12)에 알리기 위하여 장난감(14)은 원격 제어 장치(12)에 신호를 송신할 수 있다. 햅틱 감각의 출력 및 그러한 햅틱 감각의 특성(예를 들어, 감각의 유형, 강도, 주파수, 지속시간 등)은 이러한 신호에 전적으로 또는 부분적으로 기초할 수 있다.
일 실시예에서, 하나 이상의 감지기가 장난감(14)에 탑재된다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 감지기(32)는 차(14)의 전면 범퍼(33)에 탑재될 수 있다. 차가 감지기(32)의 감지 범위 내의 장애물에 충돌하면, 감지기(32)는 충돌을 감지하고 즉시 충돌이 발생했다는 상태 신호를 원격 제어 장치(12)에 중계한다. 일부 실시예에서, 감지기(32)는 충돌이 발생했는지 아닌지만을 감지하는 온/오프 감지기일 수 있다. 다른 실시예에서는, 충돌의 강도를 측정하는 아날로그 감지기와 같은 더욱 정교한 감지기가 사용될 수 있다.
감지기(32)는 상이한 다양한 유형의 감지기들 중 임의의 유형일 수 있다. 예를 들어, 방사기(emitter) 및 감지기를 구비하는 광 감지기(optical sensor), 자기 감지기(magnetic sensor), 기계적 접촉 감지기(mechanical contact sensor), 접촉 부재의 움직임을 측정하는 아날로그 전위차계(potentiometer) 또는 접촉을 감지하는 다른 유형의 감지기가 사용될 수 있다. 선택적으로 또는 추가적으로 하나 이상의 감지기가 장난감의 서로 다른 위치에, 예를 들어 장난감의 후면 범퍼 또는 다른 후면, 측면, 하면 등에 배치되어 그 위치에서의 접촉을 감지할 수 있다.
장난감(14)로부터 원격 제어 장치(12)에 송신되는 신호는 원격 제어 장치로부터 장난감으로 송신되는 신호와 같은 방송 반송파 주파수(broadcast carrierfrequency)와 같거나 상이한 주파수를 가질 수 있다. 장난감으로부터 신호를 수신하면, 원격 제어 장치(12)는 신호에 적합한 촉각 감각을 명령할 수 있다.
다양한 햅틱 감각이 제공될 수 있다. 만일 충돌이 감지기(32)에 의하여 감지되면, 제어기(controller; 도 7 참조)는 원격 제어 장치에 요동, 펄스 또는 진동을 명령한다. 따라서 사용자는 장난감이 경험하고 있는 것과 연관되는 햅틱 피드백을 감지한다. 이는 사용자에게 있어 더욱 재미있을 뿐 아니라 다양한 의미에 있어서 유용하다. 예를 들어, 만일 장난감이 사용자의 시야가 미치지 않는 곳으로 이동하여 벽에 충돌하면, 사용자는 이를 촉각적으로 통지받고 장난감을 후진시켜 벽으로부터 떨어지도록 제어해야 한다는 것을 알게된다. 만일 장난감의 상이한 위치에서 다수의 감지기가 사용되면, 정면 충돌은 장난감의 후면 충돌과 다른 햅틱 감각과 연관될 수 있으며, 좌측 충돌은 우측 충돌과 다른 햅틱 감각과 연관될 수 있다. 예를 들어, 후면 충돌은 저주파 및/또는 저강도의 요동 또는 진동과 연관되는 반면, 정면 충돌은 고주파 및/또는 고강도의 요동 또는 진동과 연관될 수 있다. 만일 원격 제어 장치(12)가 다수의 작동기 어셈블리(50)들을 포함하면, 작동기 어셈블리들은 장난감의 위치와 연관되도록 원격 제어 장치의 하우징에서 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나의 작동기 어셈블리는 원격 제어 장치의 좌측에 배치될 수 있고 또 다른 작동기 어셈블리는 우측에 배치될 수 있다. 장난감이 우측에서 무엇인가에 충돌하면, 우측 작동기 어셈블리가 요동 또는 진동을 출력하도록 제어될 수 있으며 사용자는 제어 장치의 우측에서 햅틱 감각을 감지할 수 있다.
또한, 햅틱 감각의 강도는 원격 제어 장치(12)의 스로틀 제어구로부터 추정되는 장난감의 속도와 연관될 수 있다. 예를 들어, 만일 레버(20)가 최고 한도로 올려져 있으면, 장난감이 고속으로 운동하고 있으며 충돌이 발생할 때 그 충돌이 강할 것으로 추정된다. 따라서, 고강도의 요동 또는 진동이 출력된다. 반면, 레버(20)가 원 위치로부터 약간만 움직여졌으면, 감지기(32)에 의하여 충돌이 감지될 때 장난감의 속도가 느릴 것으로 추정되며 원격 제어 장치(12)에 저강도의 감각이 출력될 수 있다.
아날로그 감지기, 힘 감지기(force sensor) 또는 가변 상태 감지기(variable state sensor)를 감지기(32)로서 구비하는 실시예에서, 상이한 햅틱 감각들이 감지기에 의하여 감지되는 상이한 정도의 충돌들 또는 접촉들과 더욱 사실적으로 연관될 수 있다. 예를 들어, 감지기(32)는 충돌이 강한지를 직접 감지할 수 있고, 연관된 햅틱 감각의 강도는 이에 비례하여 조절될 수 있다. 따라서, 중간 강도의 충돌은 출력 가능 범위의 중간 강도의 햅틱 감각과 연관될 수 있다. 이는 장난감의 속도를 추정하지 않고 실제 충돌 강도를 측정하므로 충돌 강도와 햅틱 감각 강도 사이에 더욱 사실적인 연관을 제공할 수 있다.
햅틱 감각은 또한 감지기(32)에 의하여 중계되는 장난감의 상태와, 원격 제어 장치(12)의 조작기 또는 제어구에 대한 사용자의 조작의 조합에 기초할 수 있다. 예를 들어, 원격 제어 장치(12)의 핸들 또는 손잡이의 자유도 내의 탄성 구심력(centering spring force)은 핸들 또는 손잡이의 현재 위치에 기초할 수 있고, 장난감과 다른 물체와의 충돌 감지에 기초하여 출력된 요동력과 결합될 수 있다.
도 5는 도 1의 장난감(14)과 유사하지만 원격 제어 장치(12)에 신호를 제공하도록 수정된 장난감 차(200)의 측면도이다. 장난감(200)은, 예를 들어 가속도계(accelerometer)와 같이 장난감(200)이 경험하는 가속도를 측정할 수 있는 관성 감지기(inertial sensor; 202)를 포함한다.
그러한 관성 감지기에는 상이한 다양한 실시예가 있다. 예를 들어, 관성 감지기(202)는 한 축으로의 가속도만 측정할 수 있는 저가의 단일 축 가속도계(single axis accelerometer)일 수 있다. 이러한 유형의 감지기는 필요한 경우, 전후 또는 상하 또는 측면 가속도만을 감지하도록 배치될 수 있다. 선택적으로, 이러한 유형의 가속도계는 도 5에서 도시된 바와 같이 장난감(200)에 소정의 각도로 배치되어 수직(상하) 가속도와 전후 가속도 모두를 감지할 수 있다. 예를 들어, 가속도계를 45도로 배치하면 이들 양 방향(축)으로 가속도를 감지할 수 있다(여기서, 로컬 마이크로 프로세서와 같은 제어기가 가속도계로부터의 신호를 해석하여 어느 방향으로 가속이 발생하고 있는지를 결정할 수 있다). 감지기는 다른 방향으로의 가속도를 측정하기 위하여 다른 각도로 배치될 수 있다. 고가의 실시예에서, 감지될 각 방향에 대하여 별개의 신호를 제공하기 위하여 다중 축 가속도계(multi-axis accelerometer)가 사용될 수 있다.
가속도계를 사용함으로써 사용자는 장난감이 경험하고 있는 다양한 상호작용과 연관될 수 있는 햅틱 감각을 감지할 수 있다. 예를 들어, 가속도계는 장난감이 거친 노면 위 또는 계단을 내려가면서 흔들리고 있거나, 경사로에서 점프한 후 착지하고 있거나, 다른 장난감 또는 물체를 스치고 있는지를 지시하는 장난감의 가속도를 나타내는 상태 신호 및 데이터를 감지하고 이를 원격 제어 장치로 송신할 수있다. 장난감의 이러한 조건들 모두를 모사하거나 지시하는 상이한 햅틱 감각이 원격 제어 장치(12)에 출력될 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이 가속도계는 원격 제어 장치(12)의 상이한 위치에 배치되는 다수의 작동기 어셈블리(50)와 연관되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 차의 전후 축 가속도를 감지하여, 원격 제어 장치(12)의 전방과 후방에 배치된 작동기 어셈블리들이 감지된 가속도와 연관된 햅틱 감각을 출력하도록 할 수 있다. 유사한 방식으로 좌우 작동기 어셈블리가 사용자에게 좌우 분별을 제공할 수 있다.
도 6은 원격 제어 장치(12)에서 운동력 피드백을 구현한 일 실시예(230)의 투시도이다. 예를 들어, 직류 모터일 수 있는 회전식 작동기(rotary actuator; 232) 또는 다른 유형의 작동기에 샤프트(234)에 의하여 연결된 상하 레버(20)가 도시된다. 작동기(232)는 마이크로 프로세서와 같은 국부 제어기로부터의 작동기 신호에 의하여 제어되어 레버(20)의 회전 자유도 내의 힘을 출력할 수 있다. 또한, 감지기가 동일 축(234)에 연결되어 그 자유도 내에서 레버(20)의 위치를 결정할 수 있다. 유사한 작동기가 레버(22)에 연결되어 좌우 자유도 내에서 레버를 구동할 수 있다.
또 다른 실시예에서는 음성 코일 작동기, 운동 자석 작동기, 브러시 또는 브러시리스 모터(brushed or brushless motor) 등 다른 유형의 작동기들을 사용할 수 있다. 또한, 일부 실시예에서 레버에 저항력을 출력하지만 능동력은 출력하지 못하는 피동 작동기(passive actuator)를 제공할 수 있다. 그러한 작동기들에는 자성 입자 브레이크(magnetic particle brake), 유압 브레이크(fluid brake) 또는 다른 브레이크류 장치들이 포함된다.
유사한 방식으로 원격 제어 장치(230)의 다른 제어구들에 운동력 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제 6,184,868호에 개시된 바와 같이 버튼이 작동기에 연결되어 버튼의 자유도 내의 힘을 출력할 수 있다. 손잡이, 다이얼, 선형 미닫이(linear slier) 또는 스위치, 핸들, 트랙볼, 방향 패드, 조이스틱 및 다른 제어구들도 역시 작동될 수 있다.
원격 제어 장치의 제어구로의 운동력 피드백은 경험되는 햅틱 효과에 높은 사실감을 부여한다. 예를 들어, 레버(20, 22)에 탄성력(spring force)을 출력함으로써 기계적 스프링을 사용하지 않고도 구심 기능(centering function)을 제공할 수 있다. 또한, 장난감이 고속으로 운동하고 있을 때, 탄성 강도를 높게 제어함으로써 차의 핸들 상에 증가되는 힘(road force)을 모사할 수 있다. 또한, 만일 가속도계와 같은 국부 감지기가 차가 공중에 떠있음을 감지하면, 탄성 강도를 영(0)으로 함으로써 차가 노면과 접촉하지 않을 때의 핸들의 가벼운 감각을 모사할 수 있다. 차가 고르지 않거나 거친 노면 위를 달리고 있을 때, 차의 가속도계는 데이터를 원격 제어 장치에 제공함으로써 노면의 고르지 못함을 모사하는 진동 또는 다른 힘을 레버에 발생시킬 수 있고 이로 인하여 사용자는 장난감을 조정하는 데에 어려움을 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 햅틱 피드백 원격 제어 장치(12)와 장난감 장치(14)를 도시하는 블록도이다. 원격 제어 장치(12)와 장난감 장치(14)는 본 명세서에서 설명된 실시예들 중 임의의 것일 수 있다.
상술된 바와 같이, 장난감 장치(14)는 신호를 수신하고 장난감의 운동을 제어하기 위한 전자 구성요소들을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 장난감 장치(14)는 마이크로 프로세서 또는 하드웨어 상태 기계(hardware state machine), 디지털 논리 회로, ASIC과 같은 다른 제어기 등의 프로세서(300)를 포함할 수 있으며, 만일 장난감에 감지기가 포함되어 있으면 이러한 프로세서는 감지기(32)로부터 감지 신호를 수신할 수 있다. 또한 이러한 프로세서는 조타를 위하여 전륜(front wheel)을 회전시키는 모터, 바퀴 모터(wheel motor) 또는 장난감의 이동력을 제공하는 다른 모터들, 경적 등의 음향 출력 장치, 라이트 등의 시각 출력 장치와 같은 임의의 출력 장치(302)를 제어하기 위한 신호들을 출력할 수 있다. 다른 실시예에서는, 출력 장치(302)에 신호를 제공하고 감지기(32)로부터 신호를 수신하기 위하여 프로세서(300)와 상이한 회로가 사용될 수 있다. 예를 들어, 아날로그 제어 시스템이 원격 제어 장치로부터 신호를 수신하여 장난감(14)의 적절한 모터를 구동할 수 있다. ASIC, 상태 기계 또는 다른 논리 회로 또한 사용 가능하다. 프로세서(300)와 함께 사용할 수 있는 필요한 다른 모든 구성요소들, 예를 들어 메모리, 입출력 회로 등도 포함될 수 있다.
상술된 바와 같이, 장난감 장치(14)의 프로세서(300)는 원격 제어 장치(12)와의 통신 링크(306)를 구비한다. 이 링크는 라디오 주파수나 다른 주파수의 신호를 사용하는 무선 링크일 수 있고, 전선 또는 다른 물리적 접속을 통한 것일 수도 있다. 일부 실시예에서, 링크는 원격 제어 장치(12)로부터 장난감(14)으로의 일방향일 수 있다. 다른 실시예에서는, 링크는 양방향일 수 있다.
햅틱 피드백 원격 제어 장치(12)는 원격 제어 장치의 입력, 출력, 제어 기능들을 처리하는 로컬 프로세서(310)를 포함할 수 있다. 원격 제어 장치(12)의 제어를 모니터링하고, 장난감 장치(14)로부터 송신되는 정보를 기다리고, 원격 제어 장치의 작동기에 신호를 제공하여 햅틱 감각을 제어하기 위한 소프트웨어 또는 펌웨어(firmware) 명령들이 로컬 프로세서(310)에 제공될 수 있다. 프로세서(330)는 하나의 마이크로 프로세서 칩 또는 다수의 프로세서 및/또는 보조 프로세서(coprocessor) 칩들을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, 마이크로 프로세서(330)는 디지털 신호 프로세서(digital signal processor; DSP) 기능을 포함하거나, 진짜 마이크로 칩 대신 제어 논리 회로 구성요소, ASIC 또는 하드웨어 상태 기계로 구현될 수 있다.
예를 들어, 원격 제어 장치(12)의 작동기에 의하여 출력되는 힘을 계산하는 데에 요구되는 타이밍 데이터를 제공하기 위하여 로컬 클록(312)이 프로세서(330)에 결합될 수 있다. 프로세서(310)를 위한 명령들을 저장하고 임시 데이터 및 다른 데이터를 저장하기 위하여 램 및/또는 롬 등의 로컬 메모리(314)가 프로세서(310)에 결합될 수 있다.
감지 신호를 프로세서(310)에 의하여 해석될 수 있는 신호로 전환하기 위하여 감지기 인터페이스(316)가 선택적으로 장치(12)에 포함될 수 있다. 예를 들어, 감지기 인터페이스(316)는 인코더와 같은 디지털 감지기로부터 신호를 수신하거나 아날로그 감지기로부터 신호를 수신하여 아날로그-디지털 변환기(analog to digital converter; ADC)를 사용하여 디지털로 변환할 수 있다. 그러한 회로들 또는 그의 등가 회로들은 당업자에게 주지되어 있다. 선택적으로, 프로세서(310)가 이러한 인터페이스 기능들을 수행할 수도 있다.
감지기(318)는 원격 제어 장치(12)의 특정 제어구의 위치, 움직임 및/또는 다른 특징들을 감지한다. 예를 들어, 감지기(318)는 원격 제어 장치(12)의 레버(20, 22)와 다른 임의의 버튼, 스위치, 조이스틱, 트랙볼 등의 움직임 또는 위치를 감지할 수 있다. 감지기(318)는 움직임 또는 위치를 나타내는 정보를 포함하는 신호를 프로세서(310)에 제공한다. 본 명세서에서 설명된 실시예에 적합한 감지기의 예는 아날로그 전위차계, 홀 효과 감지기(hall effect sensor), 디지털 회전식 광 인코더(digital rotary optical encoder), 선형 광 인코더, 측면 효과 광 다이오드(lateral effect photo diode)와 같은 광 감지기, 속도 감지기(즉, 속도계), 및/또는 가속도 감지기(즉, 가속도계) 등이다. 또한, 상대 또는 절대 감지기가 사용될 수 있다.
마이크로 프로세서(310)로부터의 신호를 작동기 구동에 적합한 신호로 전환하기 위하여 원격 제어 장치(12)와 프로세서(310) 사이에 선택적으로 작동기 인터페이스(320)가 연결된다. 인터페이스(320)는 전력 증폭기, 스위치, 디지털-아날로그 제어기(digital analog controller; DAC), 및 당업자에게 주지된 다른 구성요소들을 포함할 수 있다.
상술된 바와 같이, 작동기(322)는 프로세서(310)에 의하여 출력되는 신호에 응답하여 원격 제어 장치(12)의 하우징 및/또는 원격 제어 장치(12)의 특정 제어구(324)에 하나 이상의 자유도를 따라 하나 이상의 방향으로 힘을 전달한다.즉, 이들은 컴퓨터에 의하여 제어된다. 상술한 바와 같이, 작동기(322)는 작동기 어셈블리(50) 또는 회전식 작동기(234)를 포함한다. 작동기는 선형 전류 제어 모터(linear current control motor), 스태퍼 모터(stepper motor), 기압/수압 능동 작동기(pneumatic/hydraulic active actuator), 토커(torquer; 제한된 각도 범위를 갖는 모터), 자성 입자 브레이크(magnetic particle brake), 마찰 브레이크, 또는 기압/수압 수동 작동기(pneumatic/hydraulic passive actuator) 등의 다양한 장치들 중 하나일 수 있다.
원격 제어 장치(12)의 작동기 및 다른 구성요소들에 전력을 공급하기 위하여 작동기 인터페이스(320) 및/또는 작동기(322)에 전원(326)이 연결될 수 있다. 상술된 바와 같이, 전원(326)은 바람직하게는 배터리 또는 다른 휴대용 전원일 수 있다.
마이크로 프로세서(310)에 입력 신호를 송신하기 위하여 다른 입력 장치(328)가 원격 제어 장치(12)에 포함될 수 있다. 그러한 입력 장치는 다른 버튼, 다이얼, 손잡이, 스위치, 음성 인식 하드웨어, 또는 상술된 바와 같은 다른 입력 메커니즘일 수 있다. 일부 실시예에서는 사용자가 작동기(322)에 의하여 출력되는 힘을 극복하거나 이러한 힘을 비활성화시킬 수 있도록 안전 스위치 또는 "데드맨(deadman)" 스위치가 포함될 수 있다.
이제 시스템의 동작이 일반적으로 설명된다. 간단한 저가의 실시예에서, 감지기(318)는 사용자에 의한 레버(20, 22) 등의 제어구의 움직임을 감지하여 프로세서(310)에 적절한 신호를 송신할 수 있다. 프로세서(310)는 상기 적절한 제어 신호를 장난감 장치(14)에 송신함으로써, 사용자의 제어구 조작에 따라 장난감 장치를 제어한다. 또한, 프로세서(310)는 작동기 신호를 작동기 어셈블리(50)에 송신함으로써, 조작되는 제어구 및 제어구가 조작되는 방식에 따라 햅틱 감각을 출력한다. 더욱 정교한 실시예에서, 장난감 장치(14)는 원격 제어 장치(12)로 신호를 송신할 수 있다. 그러한 실시예에서, 로컬 프로세서(310)는 장난감 장치(14)의 감지기(32)로부터의 정보 뿐 아니라 국부 감지기(318)로부터의 신호도 수신한다. 로컬 프로세서는 출력될 햅틱 감각을 결정하고, 이에 따라 작동기(322)를 제어할 뿐 아니라, 원격 제어 장치(12)에 대한 사용자의 현재의 조작에 따라 장난감 장치에 제어 신호를 송신한다.
본 발명은 여러 가지 바람직한 실시예에 대하여 설명되었지만, 본 명세서와 도면의 내용을 읽어보고 연구함으로써 본 발명의 변경, 치환 및 균등물이 당업자에게 자명해질 수 있다. 또한, 일부 용어는 설명을 명확하게 할 목적으로 사용된 것이며, 본 발명을 제한하기 위하여 사용된 것이 아니다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내의 모든 변경, 치환 및 균등물을 포함하도록 의도된다.

Claims (38)

  1. 장난감 장치에 제어 신호를 제공함으로써 상기 장난감 장치의 동작을 제어하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치(haptic feedback remote control device)에 있어서,
    하우징(housing);
    상기 사용자에 의한 수동 조작을 위한 적어도 하나의 제어구(control) - 상기 조작을 나타내는 상기 제어 신호가 상기 장난감 장치에 송신됨으로써 상기 장난감 장치의 동작을 제어함 -;
    상기 하우징에 결합된 작동기(actuator) - 상기 작동기는 수신되는 작동기 신호에 응답하여 상기 하우징 또는 상기 적어도 하나의 제어구에 힘을 출력하고, 상기 작동기는 관성 질량(inertial mass)을 운동시킴으로써 사용자에 의하여 감지될 관성 햅틱 감각(inertial haptic sensation)을 상기 하우징에 제공함 -; 및
    상기 작동기에 전기적으로 결합되어, 상기 작동기에 상기 작동기 신호를 제공하고 상기 적어도 하나의 제어구의 상기 조작을 나타내는 상기 제어 신호를 모니터링하는 제어기(controller) - 상기 제어기는 상기 사용자에 의한 상기 적어도 하나의 제어구의 상기 수동 조작에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 작동기 신호를 결정함 -;
    를 포함하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 사용자에 의한 상기 적어도 하나의 제어구의 상기 수동 조작에만 기초하여 상기 작동기 신호를 결정하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 장난감 장치에 송신되는 상기 제어 신호는 상기 장난감 장치에 무선으로 송신되는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 장난감 장치로부터 수신되는 정보에도 기초하여 상기 작동기 신호를 결정하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 장난감 장치로부터 수신되는 정보는 상기 장난감 장치의 접촉 감지기(contact sensor)로부터의 정보를 포함하며, 상기 정보는 상기 장난감 장치가 상기 접촉 감지기의 위치에서 다른 물체와 접촉하였는지를 지시하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 정보는 상기 장난감 장치와 상기 다른 물체와의 접촉 정도(degree of contact)를 지시하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 정보는 상기 장난감 장치가 상기 장난감 장치의 적어도 일 차원(dimension)으로 경험하는 가속도량(amount of acceleration)을 지시하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 사용자에 의하여 조작되는 상기 적어도 하나의 제어구는 상기 장난감 장치의 운동 속도를 결정하는 스로틀 제어구(throttle control)를 포함하고, 상기 힘의 강도는 상기 스로틀 제어구의 설정(setting)과 연관되는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 사용자에 의하여 조작되는 상기 적어도 하나의 제어구는 상기 장난감 장치의 운동 방향을 결정하는 회전 제어구(turning control)를 포함하고, 상기 힘의 강도 또는 주파수는 상기 회전 제어구의 설정과 연관되는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 장난감 장치는 운동 가능한 장난감 차인 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  11. 장난감 장치에 제어 신호를 제공함으로써 상기 장난감 장치의 동작을 제어하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치에 있어서,
    하우징;
    상기 사용자에 의한 수동 조작을 위한 적어도 하나의 제어구 - 상기 조작을 나타내는 상기 제어 신호가 상기 장난감 장치에 송신됨으로써 상기 장난감 장치의동작을 제어하고, 상기 적어도 하나의 제어구는 상기 장난감 장치의 운동 속도를 결정하는 스로틀 제어구를 포함함 -;
    상기 하우징에 결합된 작동기 - 상기 작동기는 수신되는 작동기 신호에 응답하여 상기 하우징 또는 상기 적어도 하나의 제어구에 힘을 출력함 -; 및
    상기 작동기에 전기적으로 결합되어, 상기 작동기에 상기 작동기 신호를 제공하고 상기 적어도 하나의 제어구의 상기 조작을 나타내는 상기 제어 신호를 모니터링하는 제어기 - 상기 제어기는 상기 사용자에 의한 상기 적어도 하나의 제어구의 상기 수동 조작에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 작동기 신호를 결정하고, 상기 힘의 강도는 상기 스로틀 제어구의 설정과 연관됨 -;
    를 포함하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어기는 상기 사용자에 의한 상기 적어도 하나의 제어구의 상기 수동 조작에만 기초하여 상기 작동기 신호를 결정하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제어기는 상기 장난감 장치로부터 수신되는 정보에도 기초하여 상기 작동기 신호를 결정하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 장난감 장치로부터 수신되는 정보는 상기 장난감 장치의 접촉 감지기로부터의 정보를 포함하며, 상기 정보는 상기 장난감 장치가 상기접촉 감지기의 위치에서 다른 물체와 접촉하였는지를 지시하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  15. 장난감 장치에 제어 신호를 제공함으로써 상기 장난감 장치의 동작을 제어하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치에 있어서,
    하우징;
    상기 사용자에 의한 수동 조작을 위한 적어도 하나의 제어구 - 상기 조작을 나타내는 상기 제어 신호가 상기 장난감 장치에 송신됨으로써 상기 장난감 장치의 동작을 제어함 -;
    상기 하우징에 결합된 작동기 - 상기 작동기는 수신되는 작동기 신호에 응답하여 상기 하우징 또는 상기 적어도 하나의 제어구에 힘을 출력함 -; 및
    상기 작동기에 전기적으로 결합되어, 상기 작동기에 상기 작동기 신호를 제공하고 상기 적어도 하나의 제어구의 상기 조작을 나타내는 상기 제어 신호를 모니터링하는 제어기 - 상기 제어기는 상기 장난감 장치로부터 수신된 정보에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 작동기 신호를 결정함 -;
    를 포함하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 사용자에 의한 상기 적어도 하나의 제어구의 상기 수동 조작에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 힘을 결정하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 작동기는 관성 질량(inertial mass)을 운동시킴으로써 상기 하우징에 관성력(inertial force)을 출력하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어구는 하나의 자유도(degree of freedom) 내에서 운동 가능한 레버(lever)를 포함하고, 상기 작동기는 상기 자유도 내의 힘을 출력하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  19. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 장난감 장치로부터 수신되는 정보에도 기초하여 상기 힘을 결정하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 장난감 장치로부터 수신되는 정보는 상기 장난감 장치의 접촉 감지기(contact sensor)로부터의 정보를 포함하며, 상기 정보는 상기 장난감 장치가 상기 접촉 감지기의 위치에서 또 다른 물체와 접촉하였는지를 지시하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 정보는 상기 장난감 장치가 상기 장난감 장치의 적어도 하나의 방향으로 경험하는 가속도량을 지시하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  22. 제15항에 있어서, 상기 장난감 장치는 운동 가능한 장난감 차인 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  23. 장난감 장치에 제어 신호를 제공함으로써 상기 장난감 장치의 동작을 제어하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치에 있어서,
    하우징 수단;
    상기 사용자에 의한 수동 조작을 위한 적어도 하나의 제어구 수단 - 상기 조작을 나타내는 상기 제어 신호가 상기 장난감 장치에 송신됨으로써 상기 장난감 장치의 동작을 제어함 -;
    수신되는 작동기 신호에 응답하여 상기 하우징 수단 또는 상기 제어구 수단에 힘을 출력하는 작동기 수단; 및
    상기 작동기 수단에 상기 작동기 신호를 제공하고 상기 적어도 하나의 제어구 수단의 상기 조작을 나타내는 상기 제어 신호를 모니터링하는 제어기 수단 - 상기 제어기 수단은 상기 적어도 하나의 제어구 수단의 상기 수동 조작에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 작동기 신호를 결정함 -;
    를 포함하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제어기 수단은 상기 장난감 장치로부터 수신되는 정보에도 기초하여 상기 작동기 신호를 결정하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  25. 제23항에 있어서, 상기 제어기 수단은 상기 적어도 하나의 제어구 수단의 상기 수동 조작에만 기초하여 상기 작동기 신호를 결정하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  26. 제23항에 있어서, 상기 장난감 장치로부터 수신되는 정보는 상기 장난감 장치의 접촉 감지기 수단로부터의 정보를 포함하며, 상기 정보는 상기 장난감 장치가 상기 접촉 감지기 수단의 위치에서 또 다른 물체와 접촉하였는지를 지시하는 햅틱 피드백 원격 제어 장치.
  27. 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하는 원격 제어 장난감 장치에 있어서,
    제어 신호를 제공하는 원격 제어 장치; 및
    상기 원격 제어 장치로부터 수신되는 상기 제어 신호에 따라 물리적으로 운동하도록 동작시킬수 있는 장난감 장치를 포함하며,
    상기 원격 제어 장치는
    하우징;
    상기 사용자에 의하여 수동으로 조작될 수 있는 제어구;
    상기 하우징에 결합된 작동기 - 상기 작동기는 수신되는 작동기 신호에 응답하여 상기 하우징 또는 상기 제어구에 힘을 출력함 -; 및
    상기 작동기에 상기 작동기 신호를 제공하고 상기 적어도 하나의 제어구의 상기 조작을 나타내는 상기 제어 신호를 모니터링하도록 동작하는 제어기;
    를 포함하는 원격 제어 장난감 장치.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제어구의 상기 수동 조작에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 작동기 신호를 결정하는 원격 제어 장난감 장치.
  29. 제27항에 있어서, 상기 장난감은 상기 장난감 장치의 상호작용(interaction) 또는 작용(action)을 결정하는 감지기를 더 포함하고, 상기 상호작용 또는 작용을 나타내는 정보는 상기 원격 제어 장치로 송신되는 원격 제어 장난감 장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 감지기는 상기 장난감 장치와 다른 물체와의 접촉을 감지하고, 상기 정보는 상기 접촉을 상기 원격 제어 장치에 통지하는 원격 제어 장난감 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 감지기는 상기 장난감 장치와 다른 물체와의 접촉 정도를 감지하고, 상기 정보는 상기 접촉 정도를 상기 원격 제어 장치에 통지하는 원격 제어 장난감 장치.
  32. 제29항에 있어서, 상기 감지기는 상기 장난감 장치의 가속도를 감지하는 가속도계(accelerometer)이고, 상기 정보는 상기 가속도를 상기 원격 제어 장치에 통지하는 원격 제어 장난감 장치.
  33. 사용자에 의한 원격 제어 장치의 조작에 기초하여 장난감 장치를 제어하고 사용자에게 햅틱 감각(haptic sensation)을 제공하는 방법에 있어서,
    상기 사용자에 의한 상기 원격 제어 장치의 적어도 하나의 제어구의 수동 조작에 기초하여 상기 장난감 장치의 동작을 제어하는 제어 신호를 상기 장난감 장치에 제공하는 단계;
    상기 장난감 장치의 현재 상태를 지시하는 상태 신호를 상기 장난감 장치로부터 수신하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 제어구의 상기 수동 조작 및 상기 장난감 장치로부터 수신되는 상태 신호 중 적어도 하나에 기초하여 상기 원격 제어 장치에 햅틱 감각을 출력하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 작동기가 관성 질량을 운동시킴으로써 상기 원격 제어 장치의 하우징에 관성 햅틱 감각(inertial haptic sensation)을 제공하는 방법.
  35. 제33항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제어구는 축을 따라 움직일 수 있는 레버를 포함하는 방법.
  36. 제33항에 있어서, 상기 장난감 장치로 송신되는 상기 제어 신호 및 상기 장난감 장치로부터 수신되는 상기 상태 신호는 무선으로 통신되는 방법.
  37. 제33항에 있어서, 상기 장난감 장치로부터 수신되는 상기 상태 신호는 상기 장난감 장치의 접촉 감지기로부터의 정보를 포함하고, 상기 정보는 상기 장난감 장치가 상기 접촉 감지기의 위치에서 다른 물체와 접촉하였는지를 지시하는 방법.
  38. 제33항에 있어서, 상기 장난감 장치로부터 수신되는 상기 상태 신호는 상기 장난감 장치가 상기 장난감 장치의 적어도 일 차원으로 경험하는 가속도량을 지시하는 정보를 포함하는 방법.
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