KR20040011778A

KR20040011778A - 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치

Info

Publication number: KR20040011778A
Application number: KR1020020044895A
Authority: KR
Inventors: 김민철
Original assignee: 비엔비넷(주)
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2004-02-11
Also published as: KR100463757B1

Abstract

본 발명에 따른 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치는 베이스 상에 장착된 브라켓에 고정되어 회전하는 제1풀리와, 각도센서를 구비한 모터에 의해 구동되는 제1풀리 간에 연결된 타이밍벨트와, 상기 타이밍벨트에 고정되어 상기 타이밍벨트와 평행한 제1직선가이드를 따라 직선 운동을 하는 제1프리즈매틱 조인트의 제1운동블록과, 상기 제1운동블록에 일단이 결합되며 상기 제1직선가이드와 직각을 이루는 제2직선가이드와, 상기 제2직선가이드에 결합된 제2프리즈매틱 조인트의 제2운동블록을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명은 수동자유도에 의한 운동 방향과 모터에 의하여 구동되는 운동 방향사이에는 힘간섭이 발생되지 않도록 하여 힘반영 성능이 저하되지 않으며, 힘반영 자유도를 운동의 자유도보다 작게하여 적은 개수의 모터를 사용함으로써 보다 사이즈가 작고, 저렴한 햅틱장치를 제공한다.

Description

수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치{2-DOF haptic device having a passive DOF}

본 발명은 힘 반영 햅틱장치(haptic device)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원격조정이나 모의실험, 게임 등에서 사용자가 손에 작용하는 힘을 느낄 수 있도록 하여 직접 조작하는 현실감을 제공하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치에 관한 것이다.

최근 가상현실 시스템의 발달과 함께 컴퓨터와 같은 제어장치에 명령을 입력하거나 컴퓨터의 출력 제어신호를 사람이 직접 느낄 수 있도록 하는 다양한 형태의 사용자 인터페이스가 급속도로 개발되고 있다. 이러한 사용자 인터페이스 중에서 햅틱장치는 사용자로부터 위치입력을 받고, 사용자로 하여금 힘을 느낄 수 있도록 한 양방향 입출력 장치이다.

일반적으로 이러한 햅틱장치는 모터로 구동되는 기구부, 핸들과 같은 사용자 연결장치, 사용자 연결장치의 위치를 인식하는 센서부, 그리고 이들의 제어와 신호처리를 위한 제어부로 구성된다. 여기서, 기구부는 사용자에게 위치결정의 자유도를 주고, 사용자에게 가해지 힘을 생성시키기 위하여 사용되는 햅틱장치의 한 부분이며, 사용자 연결장치는 핸들, 골무 등으로 햅틱장치의 기구부를 동작시키기 위하여 사용된다.

햅틱장치의 기구부는 햅틱의 사용 용도에 따라 하나 이상의 자유도(degrees of freedom)를 가진다. 여기서, 자유도란 절대 좌표계에 대하여 어떤 기구 또는 운동을 기술할 때 필요한 최소한의 변수 개수로 정의될 수 있으며, 기구의 자유도는 장치가 독립적으로 움직일 수 있는 운동 방향의 개수와 일치한다. 이러한 햅틱장치의 기구자유도는 사용자 연결장치의 운동자유도를 결정하기 때문에, 기구의 자유도에 따라 사용자의 위치결정자유도가 정해진다. 즉, 햅틱장치의 기구 자유도가 얼마가 되느냐에 따라, 사용자의 위치 입력자유도가 결정된다.

따라서, 햅틱장치에는 사용자의 위치입력을 인식하기 위하여 자유도만큼 또는 그 이상의 위치센서가 사용되며, 햅틱장치의 자유도는 상술한 기구의 자유도를 나타낸다.

햅틱장치의 또 다른 기능인 힘반영 전달의 특성을 설명하기 위하여 힘반영 자유도를 정의할 수 있는데 햅틱장치가 사용자에게 힘을 전달시킬 때, 독립적인 힘반영이 가능한 방향의 수로 그 값이 결정된다. 예컨대, 사람에게 수평으로 횡방향과 종방향의 힘을 독립적으로 전달시킬 수 있는 경우, 햅틱장치의 힘반영 자유도는 2가 되며, 대부분의 경우에는 힘반영 자유도와 햅틱장치에 사용되는 모터의 개수는 일치한다.

종래의 햅틱장치는 기구의 자유도와 힘반영 자유도가 일치된 형태로서 개발되어 사용되어져 왔다. 즉, 기구부가 움직일 수 있는 자유도와 반영되는 힘의 자유도를 일치시켜 햅틱장치의 기구부가 움직일 수 있는 자유도에 해당하는 만큼 힘반영 자유도를 가지도록 하였다. 이러한 방법은 사용자에게 기구가 움직일 수 있는모든 방향으로 힘전달이 가능한 장점이 있으나, 위치인식을 위해 설계된 햅틱 기구의 자유도 만큼 구동장치 예컨대 장착되는 모터의 수량이 증가되어 원가가 상승할 뿐만 아니라 각 모터를 고정시키기 위해 햅틱장치가 커지고 복잡해지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 힘반영 자유도가 기구부의 자유도인 위치결정 자유도와 일치하지 하지 않아도 다양한 작업이 가능한 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치를 제공하는 데 목적이 있다.

도 1은 일반적인 햅틱장치에 적용되는 레볼루트 조인트를 도시한 사시도이다.

도 2는 일반적인 햅틱장치에 적용되는 프리즈매틱 조인트를 도시한 사시도이다.

도 3은 일반적인 햅틱장치에 적용되는 실린드리컬 조인트를 도시한 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 제1실시예를 설명하기 위한 햅틱장치의 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 햅틱장치의 제2 및 제3실시예를 설명하기 위한 사시도이다.

도 6은 본 발명에 따른 햅틱장치의 제4 및 제5실시예를 설명하기 위한 사시도이다.

도 7은 본 발명에 따른 햅틱장치의 제6 및 제7실시예를 설명하기 위한 사시도이다.

도 8은 본 발명에 따른 햅틱장치의 제8 및 제9실시예를 설명하기 위한 사시도이다.

도 9는 본 발명에 따른 햅틱장치의 제10 및 제11실시예를 설명하기 위한 사시도이다.

본 발명에 따른 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치는,

베이스 상에 장착된 브라켓에 고정되어 회전하는 제1풀리와, 각도센서를 구비한 모터에 의해 구동되는 제1풀리 간에 연결된 타이밍벨트와, 상기 타이밍벨트에 고정되어 상기 타이밍벨트와 평행하게 설치된 제1직선가이드를 따라 직선 운동을 하는 제1프리즈매틱 조인트의 제1운동블록과, 상기 제1운동블록에 일단이 결합되고 상기 제1직선가이드와 직각을 이루는 제2직선가이드와, 상기 제2직선가이드에 결합된 제2프리즈매틱 조인트의 직선변위센서를 구비한 제2운동블록을 포함함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치는,

베이스 상에 브라켓을 통하여 장착되며 베이스의 면과 직교하는 방향을 회전축으로 하며 각도 검출센서를 구비한 레볼루트 조인트와, 상기 회전축과 직교하는방향으로 상기 레볼루트 조인트와 결합하며 직선변위센서를 구비한 직선구동기구와, 상기 직선운동기구에 결합된 프리즈매틱 조인트를 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기 햅틱장치는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 직선구동기구에 장착되어 상기 프리즈매틱 조인트를 직선방향으로 힘을 가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 햅틱장치는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 레볼루트 조인트의 회전축에 장착되어 회전력을 가함을 특징으로 한다.

베이스 상에 장착된 직선 변위센서를 구비한 직선구동기구, 상기 직선구동기구에 결합되어 상기 직선구동기구 내에서 직선방향의 동작범위를 갖는 프리즈매틱 조인트와, 상기 프리즈매틱 조인트의 상단에 결합되며 각도센서를 구비한 고정브라켓을 통하여 상기 프리즈매틱 조인트의 진행방향과 평행한 축을 회전축으로 하여 결합된 레볼루트 조인트를 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기 햅틱장치는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 레볼루트 조인트의 회전축에 장착되어 회전력을 가하기 위한 모터가 장착됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치는, 상기 직선구동기구와 결합되어 상기 직선구동기구 내에서 직선방향으로 이동하는 프리즈매틱 조인트와, 상기 프리즈매틱 조인트의 상부에 장착된 각도센서와 상기 각도센서를 통하여 상기 프리즈매틱 조인트의 진행방향과 직교하는 축을 회전축으로 하여 결합된 레볼루트 조인트를 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기 햅틱장치는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 직선구동기구에 장착되어 상기 프리즈매틱 조인트를 직선방향으로 이동시킴을 특징으로 한다.

베이스 상에 상기 베이스면과 직교하는 축방향으로 각도 검출센서가 장착되며, 상기 각도 검출센서에 결합된 제1레볼루트 조인트와, 상기 축방향으로 상기 제1레볼루트 조인트와 일단이 결합된 링크와, 상기 링크의 타단과 결합되어 상기 제1레볼루트 조인트의 회전축방향과 직교되는 회전축 방향을 갖도록 결합되며 각도검출센서가 장착된 제2레볼루트 조인트를 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기 햅틱장치에는 한개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 제1레볼루트 조인트의 회전축에 회전력을 인가하기 위해 상기 베이스 상에 장착됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 햅틱장치에는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 제2레볼루트 조인트의 회전축에 장착되어 회전력을 인가함을 특징으로 한다

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

종래의 햅틱장치와 같이 기구 자유도와 힘반영 자유도가 같은 경우에는, 원하는 자유도를 갖는 기구부의 설계만으로도 다양한 형태의 햅틱장치의 제작이 가능하지만, 본 발명에 따른 햅틱장치처럼 기구부의 자유도보다 힘반영 자유도가 작은 햅틱장치의 설계, 제작을 위해서는 다음의 설계조건이 만족되어야 한다.

햅틱장치의 기구부에 장착된 구동장치는 힘반영이 일어나지 않는 방향에 대하여 힘을 전달시키면, 힘반영을 정확히 제어하기 어려우며, 사용자에 적절한 힘을 전달시켜야 하는 햅틱장치의 기능에도 문제가 발생한다. 따라서, 힘반영을 위해서는 힘반영 자유도에 따라 하나 이상의 구동장치가 필요하며, 각 구동장치에 의하여 생성되는 힘은 힘반영이 일어나지 않는 방향에 대하여 영향을 주지 않도록 설계되어야 한다.

일반적으로 햅틱장치에 적용되는 조인트를 살펴보면, 도 1은 본 발명에 적용되는 레볼루트 조인트를 도시한 사시도로서, 레볼루트 조인트는 두 링크(11, 12)사이의 상대운동이 회전축(13)을 기준으로, 회전운동이 되도록 하는 조인트이며, 일반적으로 볼 베어링(14) 등을 이용하여 구현된다.

도 2는 프리즈매틱 조인트를 도시한 사시도로서, 프리즈매틱 조인트는 직선 가이드(21)와 운동블록(22)사이의 상대운동이 직선가이드 방향(23)으로 구속되도록 하여, 연결된 링크의 상대운동을 공간상에서 직진 운동만을 하도록 할 때 사용되는 조인트이다.

도 3은 실린드리컬 조인트의 사시도로서, 실린드리컬 조인트는 원형의 직선가이드(31)와 운동불록(32)사이의 상대운동이 축방향(33)으로 직진운동과 회전운동이 동시에 일어날 수 있도록 한 조인트이다. 두가지 방향의 상대운동이 가능하기 때문에 실린드리컬 조인트는 2자유도 상대운동을 갖는 조인트의 부류에 속한다. 또한, 하나의 실린드리컬 조인트는 직진운동을 위한 프리즈매틱 조인트와 회전운동을 위한 레볼루트 조인트로 구성할 수 있으며, 그 반대의 경우도 가능하다.

도 4의 헵틱장치는 베이스(401), 제1, 제2링크(402,403), 제1, 제2프리즈매틱 조인트(404, 406), 사용자 연결기구(405), 위치(각도) 센서가 내장된 모터(410), 동력전달 풀리(413, 414), 상기 풀리간에 연결되어 동력을 전달하며 상기 제1프리즈매틱 조인트의 운동블록과 고정되어 결합된 타이밍 벨트(415), 직선 변위센서(418), 베이스와의 연결을 위한 각종 브라켓(411,412,416)으로 구성된다.

햅틱장치의 사용자 연결기구(405)는 직선가이드인 첫 번째 링크(402)와 연결된 제1프리즈매틱 조인트(404)로 좌표계(420)에 표시된 X 방향으로의 직진운동이 가능하고, 제1프리즈매틱 조인트(404)에 연결된 제2링크(403)에 다시 연결된 제2프리즈매틱 조인트(406)에 의하여 Y 방향으로의 직진운동도 가능하여 2자유도의 운동 자유도를 가진다. 사용자 연결기구(405)의 위치는 모터(410)에 장착된 위치센서와 제2링크(403)와 연결된 제2프리즈매틱 조인트(406)에 고정된 변위센서(418)를 이용하여 측정할 수 있도록 설계되어졌다. 이들 센서를 통하여, 햅틱장치는 사용연결 기구(405)의 위치를 좌표계(420)의 X, Y 방향에 대하여 인식할 수 있으며, 모터(410)의 출력토크를 제어함으로써 좌표계(420)의 X 방향에 대하여 사용자에게원하는 힘을 전달시킬 수 있다. 또한, 모터(410)에 의하여 발생하는 힘은 햅틱장치의 또 다른 운동 방향인 좌표계의 Y 방향에 대해서는 어떠한 힘의 영향도 미치지 않기 때문에 본 발명의 햅틱장치의 설계조건에 부합한다.

도 5는 본 발명의 햅틱장치 기구부의 제2실시예의 사시도이다.

도 5에 도시된 햅틱장치는 베이스(501), 레볼루트 조인트(503), 프리즈매틱 조인트(505), 사용자 연결기구(506), 프리즈매틱 조인트(506)의 연결링크로 사용되는 직선 구동기구(504), 각도검출센서(510), 베이스(501)와 레볼루트 조인트의 연결을 위한 고정브라켓(502)으로 구성된다.

햅틱장치의 사용자 연결기구(506)는 베이스(501)와 연결된 레볼루트 조인트(503)로 좌표계(520)에 표시된 Z축을 중심으로 회전운동이 가능하고, 레볼루트 조인트(503)에 연결된 직선 구동기구(504)와 프리즈매틱 조인트(503)와 연결된 각도 검출센서(510)에 의하여 측정할 수 있도록 구성된다. 이들 센서를 통하여, 햅틱장치는 사용 연결기구의 위치를 좌표계(520)의 X, Y 방향에 대하여 인식할 수 있으며, 직선 구동기구(504)의 내부에 장착된 미도시된 모터의 출력토크를 제어함으로써 좌표계(520)의 Y방향에 대하여 사용자에게 원하는 힘을 전달시킬 수 있다. 또한, 모터에 의하여 발생하는 힘은 햅틱장치의 또 다른 방향인 Z축을 중심으로의 회전운동에 대해서는 어떠한 힘의 영향도 미치지 않기 때문에 본 발명에 따른 햅틱장치의 설계조건에도 부합한다.

제3실시예는 제2실시예의 변형실시예로서, 도 5를 참조하여 동일한 구성은 생략하고, 제2실시예와의 상이한 구성만을 설명하기로 한다.

제2실시예는 도 5에서 좌표계(520)의 Y 방향으로 힘을 전달하는 햅틱장치이지만, 직선 구동기구(504)의 내부에 있는 모터를 없애고, Z축 방향으로 장착된 각도 검출센서(510)와 같은 방향으로 모터를 장착할 경우, 힘이 Z 축을 중심으로 한 회전방향으로 전달되며, Y축 방향으로는 위치만 검출되는 형태의 제3실시예로 변형될 수 있다. 제3실시예의 경우도 Z축에 장착된 모터에 의하여 생성되는 힘이 또 다른 운동방향인 Y축 방향으로 전달되지 않기 때문에, 앞서 언급한 모터에 의하여 구동되지 않는 방향으로의 힘 간섭이 없어야 한다는 설계조건에 부합된다.

도 6은 본 발명의 햅틱장치 기구부의 제4실시예의 사시도이다.

도 6의 햅틱장치는 베이스(601), 프리즈매틱 조인트(603), 레볼루트 조인트(604), 사용자 연결기구(605), 프리즈매틱 조인트(603)의 연결링크로 사용되는 직선 구동기구(602), 각도 검출센서(610), 프리즈매틱 조인트(603)와 레볼루트 조인트(604)의 연결과 각도 검출센서(610) 고정을 위한 고정브라켓(611), 사용자 연결기구(605)와 레볼루트 조인트(604)간의 연결을 위한 고정브라켓(612)으로 구성된다.

사용자 연결기구(605)는 베이스(601)에 장착된 직선 구동기구(602)와 연결된 프리즈매틱 조인트(603)로 좌표계(620)에 표시된 Y축 방향으로 직진 운동이 가능하고, 프리즈매틱 조인트(604)에 브라켓(611)으로 연결된 레볼루트 조인트(604)에 의하여 Y축 방향으로의 회전운동도 가능하여 2자유도의 운동 자유도를 갖는다.

사용자 연결기구(605)의 위치는 직선운동기구(602)에 장착된 미도시된 변위센서와 레볼루트 조인트(604)와 연결된 각도 검출센서(610)에 의하여 측정할 수 있도록 구성된다. 이들 센서를 통하여 햅틱장치는 사용자 연결기구(605)의 위치를 좌표계(620)의 Y방향의 위치(직선변위)와 회전각도를 인식할 수 있으며, 직선 구동기구(602)의 내부에 장착된 미도시된 모터의 출력토크를 제어함으로써 Y방향에 대하여 사용자에게 원하는 힘을 전달시킬 수 있다.

제5실시예는 도 6에 도시된 제4실시예의 변형실시예로서 도 6에서 구성이 동일한 부분은 설명을 생략하고 상이한 구성에 대해서만 설명하기로 한다.

제4실시예는 좌표계(620)의 Y방향으로 힘을 전달하는 햅틱장치이지만, 직선 구동기구의 내부에 있는 모터를 없애고 좌표계(620)의 Y방향으로 힘을 전달하는 햅틱장치이지만, 직선 구동기구(602)의 내부에 장착된 미도시된 모터를 없애고, 좌표계의 Y축 방향으로 장착된 각도 검출센서(610)와 같은 방향으로 모터를 장착할 경우, 힘은 좌표계의 Y축을 중심으로 한 회전방향으로 전달되고 Y축의 직진방향으로는 힘이 전달되지 않고 위치만 검출되는 제5실시예의 햅틱장치로 변형될 수 있다.

도 7은 본 발명의 햅틱장치 기구부의 제6실시예의 사시도이다.

도 7의 햅틱장치는 베이스(701), 프리즈매틱 조인트(703), 레볼루트 조인트(704), 사용자 연결기구(705), 프리즈매틱 조인트(703)와 레볼루트 조인트(704)의 연결과 각도 검출센서(710)를 고정시키는 고정 브라켓(711)으로 구성된다.

사용자 연결기구(705)는 베이스(701)에 장착된 직선 구동기구(702)와 연결된 프리즈매틱 조인트(703)로 좌표계(620)에 표시된 X축 방향으로 직진운동뿐만 아니라 프리즈매틱 조인트(704)에 고정 브라켓(711)으로 연결된 레볼루트 조인트(704)에 의하여 Z축 방향으로의 회전 운동이 가능하여 2자유도의 운동 자유도를 가진다. 사용자 연결기구(705)의 위치는 직선 구동기구(702)에 장착된 미도시된 변위 측정센서와 레볼르트 조인트(704)와 연결된 각도 검출센서(710)에 의하여 특정할 수 있도록 구성된다. 이들 센서를 통하여 햅틱장치는 사용자 연결기구(704)의 위치를 좌표계(720)의 X축 방향의 위치와 Z축 방향의 회전각도를 인식할 수 있으며, 직선 구동기구(702)의 내부에 장착된 모터의 출력 토크를 제어함으로써 좌표계(720)의 X축 방향에 대하여 사용자에게 원하는 힘을 전달시킬 수 있다. 또한, 모터에 의하여 발생되는 힘은 햅틱장치의 또 다른 운동방향인 좌표계(720)의 Z축의 회전운동 방향에 대해서는 어떠한 힘의 영향을 미치지 않기 때문에 본 발명에 따른 햅틱장치의 설계조건에 부합된다.

제7실시예는 도 7에 도시된 제6실시예의 변형실시예로서 동일한 구성의 설명의 생략하고 상이한 구성만 설명하기로 한다.

제6실시예는 좌표계(720)의 X축 방향으로 힘을 전달하는 햅틱장치이지만, 직선 구동기구의 내부에 있는 모터를 제거하고, 좌표계의 Z축 방향으로 장착된 각도 검출센서(710)와 같은 방향으로 모터를 장착할 경우, 힘은 좌표계의 Z축을 중심으로한 회전방향으로 전달되고 X축의 직진방향으로는 힘이 전달됨이 없이 위치만 검출되는 제7실시예의 햅틱장치로 변형될 수 있다. 제7실시예의 경우도 Z축에 장착된 모터에 의하여 생성되는 회전력이 또 다른 운동방향인 X축의 직진방향으로 전달되지 않기 때문에, 모터에 의하여 구동되지 않는 방향으로의 힘 간섭이 없어야 한다는 설계조건에 부합된다.

도 8은 본 발명의 제8실시예에 따른 햅틱장치의 사시도로서, 베이스(801), 제1, 제2레볼루트 조인트(802,803), 사용자 연결기구(806), 제1, 제2링크(804,805), 베이스(801)로부터 첫 번째로 연결되는 제1링크(804)에 회전력을 전달하고 이 제1링크(804)의 회전각도를 검출하기 위해 미도시된 각도 검출센서를 내장한 모터(810), 제2링크(805)의 회전각도를 검출하기 위한 센서(811), 제1링크(804)와 연결되는 레볼루트 조인트(802)와 모터(810)를 고정시키기 위해 사용되는 브라켓(812)으로 구성된다.

제8실시예에 따른 햅틱장치의 사용자 연결기구(806)는 고정브라켓(812)을 통해 베이스(801)에 장착된 레볼루트 조인트(802)에 의하여 좌표계(820)에 표시된 Y축 방향으로 회전운동이 가능하고, 제1링크(804)와 제2링크(805) 사이에 연결된 레볼루트 조인트(803)에 의하여 X축을 중심으로 한 회전운동도 가능하여 2자유도의 운동자유도를 갖는다.

사용자 연결기구(806)의 위치는 모터(810)에 장착된 미도시된 각도 검출센서와 제2레볼루트 조인트(803)와 연결된 각도 검출센서(811)에 의하여 측정할 수 있도록 구성된다. 이들 센서를 통하여 햅틱장치는 사용자 연결기구(806)의 위치를 좌표계(820)의 X축 방향의 위치와 Z축 방향의 회전각도를 인식할 수 있으며, 모터(810)의 출력토크를 제어함으로써 좌표계(820)의 Y축 방향에 대하여 사용자가 원하는 힘(회전력)을 전달시킬 수 있다. 또한, 모터에 의하여 발생되는 힘은 햅틱장치의 또 다른 운동방향인 좌표계(720)의 Z축을 중심으로 한 회전운동 방향에 대해서는 어떠한 힘의 영향을 미치지 않기 때문에 본 발명에 따른 햅틱장치의 설계조건에 부합된다.

제9실시예는 도 8에 도시된 제8실시예의 변형실시예로서, 동일한 구성요소는 설명을 생략하고 상이한 구성요소만 설명하기로 한다.

제8실시예는 좌표계(820)의 Y방향으로 힘(회전력)을 전달하는 햅틱장치이지만, 출력을 위한 모터(810) 대신, 각도 검출센서를 장착하고, 좌표계의 X축 방향으로 장착된 각도 검출센서(811)와 같은 방향으로 모터를 장착할 경우, 힘은 좌표계의 X축을 중심으로 회전방향으로 전달되고 Y축을 중심으로 한 회전방향으로는 힘의 전달없이 위치만 검출되는 제9실시예의 햅틱장치로 변형될 수 있다. 제9실시예의 경우도 X축에 장착된 모터에 의하여 생성되는 힘(회전력)이 또 다른 운동방향인 Y축의 회전방향으로는 전달되지 않기 때문에, 모터에 의하여 구동되지 않는 방향으로의 힘 간섭이 없어야 하다는 설계조건에 부합된다.

도 9는 본 발명의 제10실시예에 따른 햅틱장치의 사시도로서, 베이스(901), 제1, 제2레볼루트 조인트(902,903), 사용자 연결기구(906), 제1, 제2연결링크(904,905), 베이스(901)로부터 첫 번째 연결되는 제1링크(904)에 회전력을 전달하고 이 링크의 회전각도를 검출하기 위해 미도시된 각도 검출센서가 내장된 모터(910), 제2링크(905)의 회전각도를 검출하기 위한 센서(911), 제1링크와 연결되는레볼루트 조인트(902)와 모터(910)를 고정시키기 위해 고정브라켓(912)으로 구성된다.

제10실시예의 사용자 연결기구(906)는 고정브라켓(912)을 통해 베이스(901)에 장착된 레볼루트 조인트(902)에 의하여 좌표계(902)에 표시된 Y축 방향으로 회전운동이 가능하여 2자유도의 운동자유도를 갖는다.

사용자 연결기구(906)의 위치는 모터(910)에 장착된 미도시된 각도 검출센서와 제2레볼루트 조인트(903)와 연결된 각도 검출센서(911)에 의하여 측정할 수 있도록 구성된다. 이들 센서를 통하여 햅틱장치는 사용자 연결기구(906)의 위치를 좌표계(920)의 X축 방향의 위치와 Y축 방향의 회전각도를 인식할 수 있으며, 모터(910)의 출력토크를 제어함으로써 좌표계(920)의 Y축 방향에 대하여 사용자가 원하는 힘(회전력)을 전달시킬 수 있다. 또한, 모터에 의하여 발생되는 힘은 햅틱장치의 또 다른 운동방향인 좌표계(920)의 X축의 회전운동 방향에 대해서는 어떠한 힘의 영향을 미치지 않기 때문에 본 발명에 따른 햅틱장치의 설계조건에 부합된다.

제11실시예는 도 9에 도시된 제10실시예의 변형실시예로서, 상이한 구성요소만 설명하기로 한다. 제10실시예는 좌표계(920)의 Y방향으로 힘(회전력)을 전달하는 햅틱장치이지만, 힘출력을 위한 모터(910)대신에 각도 검출센서를 장착하고, 좌표계의 X축 방향으로 장착된 각도 검출센서(911)와 같은 방향으로 모터를 장착할 경우, 힘전달은 좌표계의 X축의 회전방향으로 일어나고 Y축의 회전방향으로는 힘의 전달없이 위치만 검출되는 제11실시예의 햅틱장치로 변형된다. 제11실시예의 경우도 X축에 장착된 모터에 의하여 생성되는 힘(회전력)이 또 다른 운동방향인 Y축의 회전방향으로 전달되지 않기 때문에, 모터에 의하여 구동되지 않는 방향으로의 힘간섭이 없어야 한다는 설계조건에 부합된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 1자유도 조인트의 구조적인 특징을 활용하여 2자유도 햅틱장치의 기구를 설계함으로써, 모터에 의해 구동되지 않는 운동방향인 수동자유도를 가질 경우 생길 수 있는 힘 간섭문제와 이로 인한 힘출력 제어에 있어서의 문제점을 극복할 수 있다. 또한, 힘반영 조이스틱 및 게임기의 인터페이스로서 활용할 수 있으며, 로봇의 원격제어 및 기타 기계 시스템의 조종 도구로서 넓은 활용도를 제공한다.

Claims

베이스 상에 장착된 브라켓에 고정되어 회전하는 제1풀리와, 각도센서를 구비한 모터에 의해 구동되는 제1풀리 간에 연결된 타이밍벨트와, 상기 타이밍벨트에 고정되어 상기 타이밍벨트와 평행하게 설치된 제1직선가이드를 따라 직선 운동을 하는 제1프리즈매틱 조인트의 제1운동블록과, 상기 제1운동블록에 일단이 결합되고 상기 제1직선가이드와 직각을 이루는 제2직선가이드와, 상기 제2직선가이드에 결합된 제2프리즈매틱 조인트의 직선변위센서를 구비한 제2운동블록을 포함함을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
베이스 상에 브라켓을 통하여 장착되며 베이스의 면과 직교하는 방향을 회전축으로 하며 각도 검출센서를 구비한 레볼루트 조인트와, 상기 회전축과 직교하는 방향으로 상기 레볼루트 조인트와 결합하며 직선변위센서를 구비한 직선구동기구와, 상기 직선운동기구에 결합된 프리즈매틱 조인트를 포함함을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
제 2항에 있어서, 상기 햅틱장치는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 직선구동기구에 장착되어 상기 프리즈매틱 조인트를 직선방향으로 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
제 2항에 있어서, 상기 햅틱장치는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 레볼루트 조인트의 회전축에 장착되어 회전력을 가함을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
베이스 상에 장착된 직선 변위센서를 구비한 직선구동기구, 상기 직선구동기구에 결합되어 상기 직선구동기구 내에서 직선방향의 동작범위를 갖는 프리즈매틱 조인트와, 상기 프리즈매틱 조인트의 상단에 결합되며 각도센서를 구비한 고정브라켓을 통하여 상기 프리즈매틱 조인트의 진행방향과 평행한 축을 회전축으로 하여 결합된 레볼루트 조인트를 포함함을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
제 5항에 있어서, 상기 햅틱장치는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 직선구동기구에 장착되어 상기 프리즈매틱 조인트를 직선방향으로 힘을 가하는 것을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
제 5항에 있어서, 상기 햅틱장치는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 레볼루트 조인트의 회전축에 장착되어 회전력을 가하기 위한 모터가 장착됨을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
베이스 상에 장착된 직선 변위센서를 구비한 직선구동기구, 상기 직선구동기구와 결합되어 상기 직선구동기구 내에서 직선방향으로 이동하는 프리즈매틱 조인트와, 상기 프리즈매틱 조인트의 상부에 장착된 각도센서와 상기 각도센서를 통하여 상기 프리즈매틱 조인트의 진행방향과 직교하는 축을 회전축으로 하여 결합된 레볼루트 조인트를 포함함을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
제 8항에 있어서, 상기 햅틱장치는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 직선구동기구에 장착되어 상기 프리즈매틱 조인트를 직선방향으로 이동시킴을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
제 8항에 있어서, 상기 햅틱장치는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 레볼루트 조인트의 회전축에 장착되어 회전력을 가함을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
베이스 상에 상기 베이스면과 직교하는 축방향으로 각도 검출센서가 장착되며, 상기 각도 검출센서에 결합된 제1레볼루트 조인트와, 상기 축방향으로 상기제1레볼루트 조인트와 일단이 결합된 링크와, 상기 링크의 타단과 결합되어 상기 제1레볼루트 조인트의 회전축방향과 직교되는 회전축 방향을 갖도록 결합되며 각도검출센서가 장착된 제2레볼루트 조인트를 포함함을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
제 11항에 있어서, 상기 햅틱장치에는 한개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 제1레볼루트 조인트의 회전축에 회전력을 인가하기 위해 상기 베이스 상에 장착됨을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.
제 11항에 있어서, 상기 햅틱장치에는 한 개의 모터를 구비하며, 상기 모터는 상기 제2레볼루트 조인트의 회전축에 장착되어 회전력을 인가함을 특징으로 하는 수동 자유도를 갖는 2자유도 햅틱장치.