KR20040100011A - 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 컴퓨터에 연결되어 사용되는 햅틱 조이스틱 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는, 병렬 기구를 사용하여 각각이 독립적인 3자유도를 구현할 수 있는 제1 링크 기구와 제2 링크 기구를 직렬로 연결하여 기구부를 구성하고, 상기 기구부에 구비되는 센서와 엑추에이터들을 기구부의 베이스 평면에 설치함으로써, 센서와 엑추에이터들의 관성의 영향을 피하면서, 6자유도를 모두 구현할 수 있는 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템을 제공한다. 또한 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템은, 상기 제1 링크 기구 및 제2 링크 기구가 연결되어 구현하는 전체 6자유도 중 자주 사용되는 평면 3자유도를 제1 링크 기구가 구현하고 나머지 3자유도를 제2 링크 기구가 필요에 따라 보충하도록 함으로써, 에너지 효율과 제어의 용이성 면에서 한층 향상된 성능을 제공한다.

Description

병렬형 햅틱 조이스틱 시스템 {PARALLEL HAPTIC JOYSTICK SYSTEM}
본 발명은 6자유도 운동을 구현하는 햅틱 조이스틱 시스템(haptic joystick system)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 평면 3자유도(planar 3 Degree of Freedom)를 구현하는 제1 링크 기구를 구성하고, 상기 평면 3자유도를 제외한 공간 3자유도를 구현하는 제2 링크 기구를 구성한 후, 상기 제1 및 제2 링크 기구를 직렬로 연결함으로써, 전체적으로 6자유도를 구현하는 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템에 관한 것이다.
통상적으로, 햅틱 장치(haptic device)는 사용자의 신체와 접촉하여 사용자의 움직임을 PC에 입력하고, PC의 상황에 따라 적절한 힘 또는 촉감 등을 사용자에게 출력하는 장치이다.
키보드, 마우스, 조이스틱, 모니터 및 프린터와 같은 일반적인 컴퓨터 주변기기가 입력 또는 출력의 일 방향으로만 작용하는 인터페이스를 구비하는 것과는 달리, 상기 햅틱 장치는, 사용자의 신체의 움직임을 컴퓨터에 전달하는 입력장치의 역할과, 컴퓨터의 명령에 따라 사용자의 신체에 적절한 힘 또는 촉감 등을 전달하는 출력장치의 역할을 모두 수행할 수 있도록 양방향 인터페이스를 구비한다. 이러한 양방향 인터페이스를 구비하는 특징은, 컴퓨터에서 구현되는 가상환경(virtual environment)과의 상호작용 및 컴퓨터에 연결된 로봇의 원격조종(tele-operation) 등을 용이하게 할 뿐 아니라, 컴퓨터 사용자의 직관적인 입력과 출력을 가능하게 하여 기존의 단방향 인터페이스를 구비하는 주변기기를 대체하는 새로운 패러다임으로 부각되고 있다.
도 1에는 햅틱 장치의 개략적인 구성이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 햅틱 장치(1)에서는 사용자가 상기 햅틱 시스템(1)에 신체를 접촉하고 이를 조작함으로써, 사용자의 PC(40)에 신체의 움직임을 직관적으로 입력할 수 있다. 이때 햅틱 장치(1)의 기구부(50)는 일반적인 로봇과 같이 센서와 엑추에이터(미도시)가 부착된 형태이며, 로봇의 엔드이펙터(end effecter)에 해당하는 부분이 사용자가 접촉하여 조작하는 손잡이(3)가 된다. 상기 햅틱 장치(1)의 제어부(30)는, 기구부(50)에 부착된 센서에서 감지된 정보로부터 기구학적 계산을 수행하고 그 결과를 상기 PC(40)에 전달하는 역할과, 상기 PC(40)에서 생성한 힘의 명령을 받아들이고 역학적으로 해석하여 상기 기구부(50)에 부착된 각 엑추에이터를 제어하는 역할을 한다. 이러한 상기 제어부(30)는 하나의 모듈로 구성하여 상기 기구부(50)에 구비될 수도 있고, 필요에 따라 상기 PC(40)에 통합하여 구현될 수도 있다.
위와 같이 기구부(50), 제어부(30) 및 PC(40)로 구성된 햅틱 장치(1)는 다양한 분야에 적용할 수 있다. 최근 부각되는 가상환경에 접목되어 직관적인 입력을 가능하게 하고, PC(40)에서 생성된 결과에 따라 사용자에게 힘을 반영함으로써 현실감을 높여줄 수 있다. 이때 비교적 간단한 가상환경의 경우 PC(40)에 직접 구현될 수 있고, 복잡하고 정밀한 가상환경의 경우에는 이를 전담하기 위한 전용 PC와 기타 요소로 구성된 가상현실시스템을 통해 시각 및 기타 가상환경이 독립적으로 구축될 수 있다. 상기 햅틱 장치(1)는 상기 가상현실시스템에 유무선 통신을 통해하위시스템으로서 접속하게 된다. 다른 적용분야에는 원격조종(tele-operation)을 이용한 원격수술 또는 원격로봇제어 등을 들 수 있다. 이 경우 상기 햅틱 장치(1)를 마스터로 하여, 원격수술도구 또는 원격로봇(210), 햅틱 장치와 통신하고 원격수술도구 또는 원격로봇을 제어하는 전용 PC(240)로 구성되는 슬레이브 시스템(200)을 원격지에서 사용자의 의도에 따라 조작 할 수 있다.
햅틱 장치는, 엔드이펙터가 외란(disturbance)에 쉽게 흔들리지 않도록 역구동성(back drivability)이 낮도록 설계하는 일반적인 로봇과 달리, 햅틱 장치의 신체 접촉 부분을 사용자가 아무런 저항 없이 쉽게 움직일 수 있도록 설계하여야 한다. 따라서 햅틱 장치는 일반적인 로봇과 달리 그 설계 스펙이 훨씬 까다롭고 제어방법에 있어서도 훨씬 높은 수준의 기술을 요한다.
초기의 햅틱 장치는 일반적인 직렬 기구를 사용하였다. 직렬기구의 경우 작업공간이 넓고 해석이 쉬운 장점을 가지게 되지만, 각 관절의 오차가 누적되어 정밀도가 떨어지고 강성이 약하여 반영할 수 있는 힘의 크기가 작아지는 단점을 가진다. 무엇보다 각 관절에 부착된 센서와 엑추에이터의 관성이 기구의 움직임을 방해하게 되어, 기구의 역구동성을 저하시키고 에너지의 사용에 있어서 효율을 떨어뜨린다. 3자유도 이하의 햅틱 장치를 개발하는 경우 상기한 단점이 별로 크게 드러나지 않으므로 구조가 간단하고 해석 및 제어가 쉬운 직렬형 기구를 사용하는 경우가 많다. 그러나 3자유도 이상을 구현하는 햅틱 장치를 개발함에 있어 엑추에이터의 수가 증가하고 오차의 누적이 가중되어 직렬형 기구로 구현하는 것은 바람직하지 않다.
병렬형 기구는 해석이 어렵고 작업공간이 협소한 단점을 가지고 있으나, 다자유도의 구현이 쉽고, 구조적으로 강성이 우수하여 큰 힘을 반영할 수 있으며, 오차가 상쇄되어 정밀도가 높은 장점을 가지고 있다. 무엇보다 모든 엑추에이터를 베이스에 장착하는 것이 가능하여 기구의 움직임으로부터 엑추에이터의 관성을 배제할 수 있으며, 결과적으로 역구동성을 향상시킬 수 있는 장점을 가진다. 따라서 햅틱 장치를 개발함에 있어 3자유도 이상을 구현하는 경우에는 병렬형 기구를 사용하는 것이 바람직하다.
사용자와 접촉하는 신체부위에 따라 햅틱 장치는 햅틱 시뮬레이터, 햅틱 암마스터, 햅틱 조이스틱(햅틱 핸드 제어기), 햅틱 핸드마스터, 햅틱 택틀 장치(haptic tactile device) 등으로 분류 할 수 있다.
사용자가 장치에 탑승하도록 하여 전신에 운동감을 전달하는 장치를 시뮬레이터라 하고, 사용자의 팔에 착용하여 팔의 움직임을 입력하고 힘을 반영하는 장치를 햅틱 암마스터라 하고, 사용자의 손으로 손잡이를 잡고 손의 위치를 입력하고 힘을 반영하는 장치를 햅틱 조이스틱이라 하고, 사용자의 손에 장갑형태의 장치를 착용하고 손가락의 움직임을 입력하고 형상감 및 부피감을 반영하는 장치를 햅틱 핸드마스터라 하고, 사용자의 피부와 접촉하여 진동이나 온도감, 재질감 등의 촉감을 재현하는 장치를 햅틱 택틀 장치라 한다. 특히 햅틱 조이스틱은 사용자의 손과 접촉하여 손의 위치를 반영하고 힘을 전달하는 장치로서, 그 사용성이 우수하고 적용할 수 있는 분야가 다양하여 가장 많이 개발되고 이용되는 햅틱 장치이다.
일반적으로 기구학 또는 로봇공학에서 6자유도를 구분할 때 위치 3자유도,즉 x축, y축 및 z축 방향의 병진운동(translation)과 회전 3자유도, 즉 x축, y축 및 z축 중심의 회전운동(rotation)으로 나누는 것이 일반적이다. 따라서 햅틱 조이스틱을 개발함에 있어서도 포인팅 장치, 즉 위치 3자유도를 구현하는 것을 최우선 목표로 고려하는 경우가 많다.
도 2에는 종래의 위치 3자유도 햅틱 조이스틱의 개략도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것과 같이, 종래의 위치 3자유도 햅틱 조이스틱은 직렬형 기구부를 이용하여 위치 3자유도를 구현하는 장치이다. 사용자는 햅틱 조이스틱(1')의 손잡이와 접촉하고 이를 조작하여 위치 3자유도에 대한 입력을 수행할 수 있고, 상기 햅틱 조이스틱으로부터 힘이 반영되는 것을 감지할 수 있다.
그러나, 3자유도만으로 구현할 수 있는 운동이 제한되는 단점이 있다.
도 3에는 종래의 6자유도 햅틱 조이스틱의 개략도가 도시되어 있다.
도 3에 도시된 것과 같이, 종래의 6자유도 햅틱 조이스틱(1'')은 위치 3자유도 햅틱 조이스틱을 기반으로 하고, 여기에 회전 3자유도를 구현할 수 있는 회전 기구(2)를 사용자의 손잡이 부분에 부가하여 전체적으로 6자유도를 구현할 수 있는 기구부를 채용한다. 상기 장치의 예로써, 최초의 상용화된 햅틱 장치로 유명한 팬텀과 쓰쿠바 대학의 햅틱 마스터를 들 수 있다. 팬텀은 4절 링크를 이용하여 위치 3자유도를 구현하도록 개발된 햅틱 장치이며, 회전 3자유도를 구현하기 위한 x축, y축 및 z축 중심의 회전 기구를 장치의 말단에 장착하여 전체적으로 6자유도를 구현하도록 하였다.
쓰쿠바 대학의 햅틱 마스터는 하부 기구의 끝단에 상부 기구를 직렬로 연결하여 구성하였는데, 하부 기구로 사용된 메릴랜드 병렬기구는 위치 3자유도를 구현하고, 상부 기구는 공간 5절 링크를 이용한 짐벌기구(gimbals)로 이루어져 회전 3자유도를 구현하도록 하였다. 따라서, 전체적으로 6자유도를 구현할 수 있다.
그러나, 이 경우에는 직렬형으로 기구부가 구성되어 엑추에이터와 센서가 관절부에 장착되고, 이에 따라 기구부의 움직임이 엑추에이터와 센서의 관성에 의해 영향을 받을 수밖에 없는 단점이 있다.
햅틱 조이스틱은 주로 가상현실 또는 원격조종 등의 분야에 적용된다. 가상현실의 대부분의 어플리케이션은 구축된 가상환경 속을 네비게이션 하다가 필요한 위치에서 객체와 상호 작용하는 시나리오를 가진다. 원격조종의 경우, 원자로, 심해 잠수함, 우주선 등과 같이 사람이 작업하기 어려운 환경에서 인간을 대신할 수 있는 다양한 슬레이브 로봇을 조종하는데 사용된다. 후자의 예로 위험물 제거를 위해 산업 또는 군사용으로 사용되는 모빌 매니퓰레이터(매니퓰레이터가 장착된 이동로봇)의 원격조종이 있다.
전자와 같이 가상현실에서 평면을 네비게이션 하는 경우, 직관적으로 평면 자유도를 구현하는 햅틱 장치를 사용하는 것이 적합하며, 객체와 상호작용 할 때는 더 높은 자유도를 구현하는 햅틱 장치를 사용할수록 그 현실감이 높아지게 된다.
후자와 같이 모빌 매니퓰레이터를 원격조종하는 경우, 모빌로봇을 조종하여 위험물에 접근하고 매니퓰레이터를 사용하여 위험물을 제거하는 작업을 하게 되는데, 모빌로봇은 평면 3자유도를 가지고 움직이게 되므로 동일한 자유도를 구현할 수 있는 햅틱 장치를 사용하여 사용자가 보다 직관적으로 조종할 수 있도록 하는것이 바람직한 장치이다.
상기한 대표적인 어플리케이션들을 살펴볼 때, 항상 전체적으로 6자유도 운동을 구현하는 기구를 사용하는 것은 에너지 면에서나 엑추에이터 효율 면에서 그리고 기구의 제어 측면에서 바람직하지 못하다는 것을 알 수 있다.
햅틱 조이스틱에 관련된 최근 연구동향으로서, 병렬기구를 도입하여 한꺼번에 6자유도를 구현하는 방법이 많이 개발되고 있다. 이러한 장치들은 대부분 우수한 정밀도와 높은 역구동성을 구현하여 성능 면에서 직렬형 기구를 채용하는 경우의 한계를 극복하였다. 이러한 장치의 예로써, 롱과 콜린스가 개발한 캘리포니아 주립대학의 5절 링크 병렬 핸드 제어기와, KAIST에서 개발된 5절 링크 병렬형 햅틱 마스터, 성균관대에서 개발된 햅틱 마스터 등이 있다.
도 4에는 병렬 기구를 이용하여 6자유도를 구현하는 병렬형 햅틱 조이스틱(1''')의 개략도가 도시되어 있다.
도 4에 도시된 것과 같이, 병렬형 햅틱 조이스틱의 손잡이(3)는 여러 갈래의 링크(11, 12)를 통해 베이스(14)에 연결된다. 각각의 링크를 구동하기 위한 엑추에이터와 링크의 움직임을 측정하기 위한 센서를 모두 베이스에 장착하게 되며, 각 링크의 복합적인 움직임의 결과로서 손잡이(13)가 6자유도로 운동하게 된다.
따라서 상기 병렬형 6자유도 햅틱 조이스틱의 객관적인 성능이 우수하다 하더라도, 위에서 예시한 햅틱 어플리케이션을 고려할 때 바람직한 장치라 판단할 수 없다. 왜냐하면 상기에서 설명한 바와 같이 여러 갈래의 링크의 움직임의 복합적으로 작용하여 6자유도를 구현하게 되므로, 1자유도의 힘 피드백을 위해서도 전체 6개의 엑추에이터를 모두 사용하여야 하기 때문이다. 위에서 언급한 대표적인 햅틱 어플리케이션들은 항상 6자유도를 요구하는 것이 아니라, 주로 3자유도 이하를 사용하게 되고 필요에 따라 잠시 6자유도를 사용하는 것이 일반적이라는 사실을 고려할 때, 6개의 엑추에이터를 항상 사용하는 것은 제어가 어려울 뿐 아니라, 에너지 사용 면에 있어서도 매우 비효율적이라 할 수 있다. 사용하지 않는 자유도를 위해서 여러 개의 엑추에이터를 항상 제어하는 것보다, 차라리 기구학적으로 구속하는 것이 힘 피드백의 현실감을 높일 수 있다. 따라서 자주 사용되는 자유도를 파악하여, 이를 우선적으로 구현하고 나머지는 기구학적으로 구속하도록 하는 것이 제어와 효율성 측면에서 더 바람직하다 할 수 있으며, 필요에 따라 자유도를 확장하는 방법을 고려할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은, 평면운동(planar motion)의 3자유도에 기초한 링크 기구를 기반으로, 상기 링크 기구가 구현하지 못하는 나머지 3자유도를 보완할 수 있는 다른 링크 기구를 결합하여 전체적으로 6자유도를 구현하는 기구부를 채용하는 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템을 개발하는 것이다.
도 1은 종래의 햅틱 장치의 개략적인 구성을 나타낸 개략도.
도 2는 종래의 위치 3자유도 햅틱 조이스틱의 개략도.
도 3은 종래의 6자유도 햅틱 조이스틱의 개략도.
도 4는 병렬 기구를 이용한 6자유도 햅틱 조이스틱의 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 햅틱 조이스틱 시스템의 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템을 구성하는 제1 링크 기구의 도면.
도 7은 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템을 구성하는 제2 링크 기구의 도면.
도 8은 3자유도만을 가지는 링크 기구들을 사용하여 자유도를 확장함으로써 6자유도 햅틱 조이스틱 시스템을 구현하는 방법을 설명하는 개념도.
도 9는 본 발명에 따른 6자유도 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템의 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템에서 제2 링크 기구를 구동하는 제2 엑추에이터를 베이스 프레임에 설치하는 경우에, 상기 제2 엑추에이터로부터 상기 제2 링크 기구로 동력을 전달하기 위한 구조를 설명하는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템의 작동원리를 나타내는 블록 다이어그램.
도 12는 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템의 작동 흐름을 나타내는 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 1', 1'', 1''': 햅틱 장치 2: 회전 3자유도 구현 장치
3: 손잡이 10: 제1 링크 기구
11: 제1 프락시멀 링크 12: 제1 디스털 링크
13: 제1 플랫폼 14: 베이스
15: 제1 엑추에이터 16: 센서
20: 제2 링크 기구 21: 제2 프락시멀 링크
22: 제2 디스털 링크 23: 제2 플랫폼
25: 제2 엑추에이터 26: 제2 센서
27: 회전 풀리 28: 케이블
29: 동력전달축 30: 제어부
40: 컴퓨터 51: 베이스 평면
50, 50': 기구부 100: 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템
상기와 같은 본 발명의 목적은, 컴퓨터에 연결되어 사용되는 햅틱 조이스틱시스템에 있어서, 소정의 자유도를 갖는 기구부와, 사용자가 상기 기구부를 조작함으로서 발생되는 위치, 방위에 관한 정보를 컴퓨터로 입력하고, 동시에 상기 컴퓨터로부터 소정의 힘, 토크의 연산 결과를 출력 받아 사용자가 감지할 수 있도록 상기 기구부를 조작하는 제어부로 구성되는 햅틱 시스템으로서, 상기 기구부는 제1 링크 기구와 제2 링크 기구가 직렬로 연결되어 구성되고, 상기 제1 링크 기구는, 기저면을 구성하는 베이스 프레임, 일단이 상기 베이스 프레임에 소정의 각도를 이루면서 핀 조인트로 연결되는 복수의 제1 프락시멀 링크, 일단이 각각의 상기 제1 프락시멀 링크의 타단에 핀 조인트로 연결되는 제1 디스털 링크, 및 상기 제1 디스털 링크들의 타단과 핀 조인트로 연결되는 제1 플랫폼으로 구성되어, 상기 제1 플랫폼이 x축과 y축 방향의 병진운동과, 상기 평면에 수직한 z축 중심으로의 회전운동의 3자유도의 운동이 가능하며, 상기 제2 링크 기구는, 일단이 상기 제1 링크 기구의 플랫폼에 핀 조인트로 연결되는 소정 개수의 제2 프락시멀 링크, 각각 상기 제2 프락시멀 링크의 타단에 핀 조인트로 연결되는 제2 디스털 링크, 및 상기 제2 디스털 링크들의 타단이 볼 조인트로 연결되는 제2 플랫폼으로 구성되어 상기 제2 플랫폼이 상기 제1 플랫폼에 대해 z축 방향의 병진운동, x축 및 y축 중심의 회전운동의 3자유도 운동이 가능함으로써, 전체적으로 상기 기구부가 6자유도 운동을 구현할 수 있는 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템을 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 제1 프락시멀 링크는 상기 베이스 프레임 상에서 각각 120도의 각도를 이루면서 세 개가 배치되고, 상기 제2 프락시멀 링크는 상기 제1 플랫폼 상에서 각각 120도의 각도를 이루면서 세 개가 배치되는 것이 바람직하다.
여기서, 각각의 상기 제1 프락시멀 링크가 상기 베이스 평면상에서의 z축 중심으로 회전운동할 수 있도록 하는 제1 엑추에이터와, 각각의 상기 제1 프락시멀 링크가 회전하는 각도를 측정할 수 있는 제1 센서가 상기 베이스 프레임에 각각 구비되는 것이 바람직하다.
여기서, 각각의 상기 제2 프락시멀 링크가 상기 제1 플랫폼 상에서의 x, y 평면에 평행한 축 중심으로 회전운동할 수 있도록 하는 제2 엑추에이터와, 각각의 상기 제2 프락시멀 링크가 회전하는 각도를 측정할 수 있는 제2 센서가 상기 베이스 프레임에 각각 구비되고, 상기 제2 엑추에이터의 동력이 상기 제2 프락시멀 링크에 전달될 수 있도록, 상기 제1 프락시멀 링크 및 상기 제1 디스털 링크의 핀 조인트부 하단에 상기 제1 프락시멀 링크 및 상기 제1 디스털 링크의 회전과 독립적으로 회전할 수 있는 회전 풀리가 구비되고, 상기 회전 풀리들은 케이블 기타 동력 전달 수단을 이용하여 서로 연결되며, 상기 제1 디스털 링크와 상기 제1 플랫폼이 연결되는 핀 조인트부에 동력전달축을 구비하고, 상기 동력전달축과 상기 제2 프락시멀 링크를 베벨기어를 사용하여 연결하는 것이 바람직하다.
또한 여기서, 상기 제어부는 상기 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템이 연결되는 컴퓨터에 구비될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템의 구성도가 도시되어있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템(100)은, 6자유도 운동의 구현이 가능한 기구부(50)와, 사용자가 상기 기구부(50)를 조작함으로서 발생되는 위치, 방위에 관한 정보를 컴퓨터(40)로 입력하고, 동시에 컴퓨터(40)로부터 소정의 힘, 토크의 연산 결과를 출력 받아 사용자가 감지할 수 있도록 상기 기구부(50)를 조작하는 제어부(30)로 구성되어 컴퓨터(40)에 연결되어 사용된다.
상기 기구부(50)는 각각이 3자유도 운동을 구현할 수 있는 제1 링크 기구(10)와 제2 링크 기구(20)가 직렬로 연결되어 구성됨으로써, 전체적으로 6자유도를 구현할 수 있다. 6자유도를 가지는 상기 기구부(50)로부터 공간상에서 표현할 수 있는 모든 움직임을 구현하는 것이 가능하다.
평면 3자유도를 구현하는 평면 기구부(10), 평면 3자유도 이외의 공간 3자유도를 구현하는 공간 기구부(20), 상기 평면 기구부(10)와 상기 공간 기구부(20)의 움직임으로부터 발생된 신호를 받아들여 연산을 수행하고,
링크 기구에 부착된 센서의 정보를 해석하여 사용자의 손의 움직임을 계산하고 링크 기구에 부착된 엑추에이터를 제어하는 제어부(30)와, 상기 제어부(30)와 연동하는 컴퓨터(40)로 이루어지는 햅틱 조이스틱 시스템(1)을 구성하는 방법과 작동원리 및 운영방법을 자세히 설명하도록 한다. 먼저 본 발명을 통해 고안된 병렬형 링크 기구부(50)에 대해 자세히 설명하고, 제어부(30) 및 컴퓨터(40)와 연동하여 동작하는 원리를 제시하고, 시스템의 운영방법을 제공하도록 한다.
도 6은 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템을 구성하는 제1 링크 기구(10)가 도시되어 있다.
도 6에 도시된 것과 같이, 상기 제1 링크 기구(10)는, 기저면을 구성하는 베이스 프레임(14), 일단이 상기 베이스 프레임(14)에 소정의 각도를 이루면서 핀 조인트로 연결되는 복수의 제1 프락시멀 링크(11), 일단이 각각의 상기 제1 프락시멀 링크(11)의 타단에 핀 조인트로 연결되는 제1 디스털 링크(12), 및 상기 제1 디스털 링크(12)들의 타단과 핀 조인트로 연결되는 제1 플랫폼(13)으로 구성되어, 상기 제1 플랫폼(13)이 x축과 y축 방향의 병진운동과, 상기 평면에 수직한 z축 중심으로의 회전운동의 3자유도의 운동이 가능하다.
각각의 상기 제1 프락시멀 링크(11)가 상기 베이스 평면상에서의 z축 중심으로 회전운동할 수 있도록 하는 제1 엑추에이터(15)와, 각각의 상기 제1 프락시멀 링크(11)가 회전하는 각도를 측정할 수 있는 제1 센서(16)가 상기 베이스 프레임(14)에 각각 구비된다.
상기 3개의 제1 프락시멀 링크(11)는 상기 베이스 프레임(14) 상에서 각각 120도의 각도를 이루면서 세 개가 배치되고, 상기 베이스 평면(51)상에서 회동하도록 각각의 연결부위의 핀 조인트의 회전축(52)을 상기 베이스 평면(51)에 수직한 방향으로 일치시킨다. 각각의 제1 프락시멀 링크(11)의 타단에는 제1 디스털 링크(12)가 연결되는데, 이때 각각의 제1 디스털 링크(12) 역시 각각의 제1 프락시멀 링크(11)와 동일한 베이스 평면(51)에서 회동하도록 핀 조인트의 회전축(53)을 상기 베이스 평면(51)에 수직한 방향으로 일치시킨다. 각각의 제1 디스털 링크(12)의 타단은 제1 플랫폼(13)의 서로 다른 지점에 연결되는데, 각각의 핀 조인트의 회전축(54)도 상기 베이스 평면(51)에 수직한 방향으로 일치시킨다.
역구동성을 고려하여 상기 각각의 연결부위는 앞서 설명한 바와 같이 연결부위에서는 핀 조인트가 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 역구동성을 고려할 때, 기구의 움직임에 따라 상기 제1 센서(16) 및 상기 제1 엑추에이터(15)가 운동하지 않도록 하여 그 관성을 배제하는 것이 바람직하므로, 상기 제1 센서(16)들과 상기 제1 엑추에이터(15)들을 상기 베이스 프레임(14)과 상기 제1 프락시멀 링크(11)들이 연결되는 조인트 부위에서 상기 베이스 프레임(14)에 고정하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 갖는 제1 링크 기구(10)의 제1 플랫폼(13)에 사용자가 조작하기 쉽도록 손잡이를 구비하면, 사용자의 조작에 의해, 또는 상기 제1 엑추에이터(15)들을 제어함으로써, 베이스 평면(51)에 대해 상기 제1 플랫폼(13)의 x축 및 y축 방향의 병진운동과 z축 중심의 회전 운동의 3자유도 운동을 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템을 구성하는 제2 링크 기구가 도시되어 있다.
도 7에 도시된 것과 같이, 상기 제2 링크 기구(20)는, 일단이 상기 제1 링크 기구(10)의 플랫폼에 핀 조인트로 연결되는 소정 개수의 제2 프락시멀 링크(21), 각각 상기 제2 프락시멀 링크(21)의 타단에 핀 조인트로 연결되는 제2 디스털 링크(22), 및 상기 제2 디스털 링크(22)들의 타단이 볼 조인트로 연결되는 제2 플랫폼(23)으로 구성되어, 상기 제2 플랫폼(23)이 상기 제1 플랫폼(13)에 대해 z축방향의 병진운동, x축 및 y축 중심의 회전운동의 3자유도 운동이 가능하다.
상기 제2 프락시멀 링크(21)는 상기 제1 플랫폼(13) 상에서 각각 120도의 각도를 이루면서 세 개가 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제2 프락시멀 링크(21)가 운동하는 평면(59)이 상기 제1 플랫폼(13)이 위치하는 평면(56)에 수직하도록, 상기 제2 프락시멀 링크(21)가 상기 제1 플랫폼(13)에 연결되는 핀 조인트의 회전축(57)은 상기 평면(56)에 평행하게 배치된다. 또한, 각각의 제2 디스털 링크(22)가 각각의 제2 프락시멀 링크(21)와 동일한 평면(59)에서 회동하도록, 각각의 제2 프락시멀 링크(21)와 각각의 제2 디스털 링크(22)가 연결되는 핀 조인트의 회전축(58)은 상기 핀 조인트의 회전축(57)과 평행하게 배치된다.
각각의 제2 디스털 링크(22)의 타단과 제2 플랫폼이 연결되는 조인트 부위에는 볼 조인트 또는 유니버설 조인트를 이용하여 연결하여야 한다.
상기 각각의 제2 프락시멀 링크(21)의 회전 각도를 측정하기 위한 제2 센서(26)들과, 상기 각각의 제2 프락시멀 링크(21)를 구동하기 위한 제2 엑추에이터(25)들은 상기 제1 플랫폼(13) 상에 구비되어 센서이나 엑추에이터가 링크의 관절 부위에 설치되어 링크와 함께 운동함에 따라 생길 수 있는 관성의 영향을 줄이는 것이 가능하다.
또한, 역구동성을 고려할 때, 기구의 움직임에 따라 상기 제2 센서(26) 및 상기 제2 엑추에이터(25)가 운동하지 않도록 하여 그 관성을 배제하는 것이 바람직하므로, 상기 제2 센서(26)와 상기 제2 엑추에이터(25)를 상기 베이스 프레임(14)에 고정하는 것이 보다 바람직할 수 있다. 이와 같이 연결하는 방법에 대하여는 추후에 보다 상세히 설명한다.
상기와 같은 구성을 갖는 제2 링크 기구(20)의 제2 플랫폼에 사용자가 조작하기 쉽도록 손잡이를 구비하며, 사용자의 조작에 의해 또는 상기 제2 엑추에이터(26)들을 제어함으로써, 상기 평면(56)에 대해 상기 제2 플랫폼의 x축 및 y축 중심의 회전운동과 z축 방향의 병진운동의 3자유도 운동을 얻을 수 있다.
도 8에는 3자유도만을 가지는 링크 기구들을 사용하여 자유도를 확장함으로써 6자유도 햅틱 조이스틱 시스템을 구현하는 방법을 설명하는 개념도가 도시되어 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 제1 링크 기구(10)와 같은 평면 3자유도 운동 기구에서, 상기 제1 링크 기구(10)의 제1 플랫폼(13) 부분에 다른 링크 기구(20')를 부착하여 자유도를 확장 할 수 있다. 즉, 제1 링크 기구(10)의 제1 플랫폼(13)에, 상기 제1 링크 기구(10)가 구현하지 못하는 자유도를 가지는 링크 기구(20')를 부착함으로써 자유도가 확장된 기구부(50')를 구성할 수 있다.
이와 같은 확장 방법을 적용하여, 6자유도를 가지는 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템(100)을, 상기 제1 링크 기구(10)와 상기 제2 링크 기구(20)를 직렬로 연결함으로써 얻을 수 있다.
도 9에는 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템의 사시도가 도시되어 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 앞서 설명한대로 각각 서로 다른 3자유도를 구현할 수 있는 제1 링크 기구(10) 및 제2 링크 기구(20)를 각각 하부 기구와 상부 기구로 하여 이를 직렬로 연결함으로써, 6자유도를 구현하는 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템의 기구부(50)를 구성할 수 있다.
그리고, 사용자가 조작하는 손잡이는 상기 제2 링크 기구(20)의 제2 플랫폼(23) 상에 설치한다. 상기와 같은 기구부(50)는 하부의 제1 링크 기구(10)와 상부의 제2 링크 기구(20)가 독립적으로 작동하기 때문에, 베이스 평면(51)에 대한 평면 3자유도를 구현하는 경우에는 하부 기구에 부착된 제1 센서(16) 및 제1 엑추에이터(15)만 사용할 수 있고, 베이스 평면(51)에 대한 평면 3자유도를 제외한 3자유도를 구현하는 경우에는 상부 기구에 부착된 제2 센서(26)와 제2 엑추에이터(25)만 사용할 수 있다. 따라서 필요한 자유도에 대해 효율적으로 장치를 활용할 수 있는 특징을 가진다.
도 10에는 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템에서 제2 링크 기구를 구동하는 제2 엑추에이터를 베이스 프레임에 설치하는 경우에, 상기 제2 엑추에이터로부터 상기 제2 링크 기구로 동력을 전달하기 위한 구조를 설명하는 도면이 도시되어 있다.
각각의 상기 제2 프락시멀 링크(21)가 상기 제1 플랫폼(13) 상에서의 x, y 평면에 평행한 축 중심으로 회전운동할 수 있도록 하는 제2 엑추에이터(25)와, 각각의 상기 제2 프락시멀 링크(21)가 회전하는 각도를 측정할 수 있는 제2 센서(26)가 상기 베이스 프레임(14)에 각각 구비되는 것이 엑추에이터이나 센서의 관성에 의한 영향을 배제하고, 역구동성을 향상시키는데 도움이 된다.
이 경우, 상기 제2 엑추에이터(25)의 동력이 상기 제2 프락시멀 링크(21)에 전달될 수 있도록 하고, 상기 제2 센서(26)에서 상기 제2 프락시멀 링크(21)의 회전 각도를 감지하기 위해서는, 적절한 동력전달 수단이 필요하다. 본 발명에서는 회전 풀리, 케이블, 그리고 베벨기어로 구성되는 동력전달 수단을 예로 들어 설명하겠다.
도 10에 도시된 것과 같이, 상기 제1 프락시멀 링크(11) 및 상기 제1 디스털 링크(12)의 핀 조인트부 하단에 상기 제1 프락시멀 링크(11) 및 상기 제1 디스털 링크(12)의 회전과 독립적으로 회전할 수 있는 회전 풀리(27)가 구비되고, 상기 회전 풀리(27)들은 케이블, 벨트, 체인(28) 등을 이용하여 서로 연결되며, 상기 제1 디스털 링크(12)와 상기 제1 플랫폼(13)이 연결되는 핀 조인트부에 동력전달축(29)을 구비하고, 상기 동력전달축(29)과 상기 제2 프락시멀 링크(21)를 베벨기어(31, 32)를 사용하여 연결함으로써 제2 엑추에이터(25)의 동력을 제2 프락시멀 링크(21)로 전달할 수 있다. 본 실시예에서는 베벨기어(31, 32)를 사용하여 상기 동력전달축(29)과 상기 제2 프락시멀 링크(21)를 연결하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명을 구현하는데 사용되는 동력전달 수단은 이에 한정되지 않는다.
또한, 제2 센서(26)도 베이스 프레임(14)에 설치하고, 제2 엑추에이터에 연결된 회전 풀리(27)의 회전 각도를 측정하도록 구성할 수 있다.
제1 센서들과 제2 센서들에서 측정되는 제1 프락시멀 링크(11)들과 제2 프락시멀 링크(21)들의 회전 각도로부터 상기 제어부에서는 상기 제1 플랫폼(13) 및 상기 제2 플랫폼(23)의 위치, 운동 방향, 속도, 가속도 등의 운동 상태를 모두 계산할 수 있다.
도 11에는 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템의 작동원리를 설명하는 블록 다이어그램이 도시되어 있다. 도면의 굵은 화살표는 운동의 전달을 나타내고, 가는 화살표는 신호의 전달을 나타낸다.
도 11에 도시된 것과 같이, 사용자가 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템(1)의 제2 플랫폼에 구비된 손잡이(3)를 잡고 상기 기구부(50)를 조작한다. 기구부(50)의 조작함으로써, 손잡이(3)로부터 제2 링크기구(20), 제1 링크 기구(10)의 순으로 운동이 전달된다. 이때, 움직이는 상기 제1 및 제2 프락시멀 링크(11, 21)의 회전 각도를 상기 제1 및 제2 센서(16, 26)가 각각 측정하고 소정의 신호로 변환하여 제어부(30)에 전달한다. 상기 제어부(30)는 상기 신호를 미리 결정된 기구학적 해석 식에 대입하여 그 계산 결과를 상기 컴퓨터(40)로 전달한다.
상기 컴퓨터(40)는 컴퓨터에서 실행되는 프로그램의 내부 상황에 맞춰 사용자와 접촉한 손잡이에 가해야 할 힘, 토크의 크기 및 방향을 정하여 상기 제어부(30)로 전송한다. 상기 제어부(30)는 전송된 힘이나 토크에 대한 명령을 상기 손잡이93)에서 재현하기 위하여, 상기 기구부(50)의 각 엑추에이터(15, 25)에서 발생하여야 할 토크를 미리 결정되어 있는 역학 해석식을 통해 산출한다. 상기 제어부(30)는 산출된 토크를 추종하도록 상기 기구부(50)에 장착된 각각의 엑추에이터(15, 25)를 소정의 신호를 통해 제어한다. 상기 기구부(50)의 각각의 엑추에이터(15, 25)로부터 발생된 힘은 제1 및 제2 링크 기구(10, 20)를 구동하고, 제2 링크 기구에 연결된 상기 손잡이(3)에 전달된다. 사용자는 신체와 접촉한 상기손잡이(3)를 통해 상기 컴퓨터(40)가 전달한 힘과 토크의 명령에 해당하는 힘과 토크의 크기와 방향을 느끼게 된다.
또한, 본 실시예에서는 상기 제어부(30)가 별도의 장치로 구성되어 있지만, 상기 제어부(30)는 상기 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템(100)이 연결되는 컴퓨터(40)에 구비될 수도 있다.
도 12는 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템의 운영방법을 도시한 순서도 이다.
도 12에서 F50은 기구부의 작동 순서, F200은 제어부의 작동 순서, 그리고 F300은 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템이 연결되는 컴퓨터의 작동 순서를 나타낸다.
도 12에 도시된 것과 같이, 사용자는 상기 제어부(30)를 초기화(F201)하고, 연동하는 컴퓨터(40)에서 소정의 프로그램을 초기화(F301)한다. 사용자(400)가 상기 기구부(50)의 손잡이(3)를 손으로 잡고(F101), 상기 손잡이를 움직이면 각 프락시멀 링크의 각도 변위가 센서(16, 26)를 통해 측정되어(F102) 제어부에 전달된다. 상기 제어부(30)는 상기 신호를 전달받고(F202), 기구학을 해석하여 손잡이(3)의 위치 또는 자세를 계산하며(F203), 이를 상기 컴퓨터(40)에 전달한다(F204). 상기 컴퓨터(40)는 상기 신호를 입력받고(F302), 소정의 프로그램은 입력된 손잡이(3)의 위치 또는 자세를 이용하여 이에 상응하는 작업을 수행한다(F303). 상기 컴퓨터(40)에서 실행되는 소정의 프로그램은 상황에 따라 적절한 힘과 토크를 사용자에게 제시하기 위한 명령을 상기 제어부(30)에 출력한다(F304). 상기 제어부(30)는 상기 컴퓨터(40)로부터 힘 피드백 명령을 전달받고(F205), 역학 계산을 통하여 상기 기구부(50)의 각 프락시멀 링크의 엑추에이터(15, 25)에 필요한 토크를 산출하여(F206), 이를 소정의 제어신호로 출력한다(F207). 상기 제어신호에 따라 각각의 엑추에이터가 구동되어 상기 컴퓨터(30)에서 실행되는 프로그램이 출력한 힘 피드백에 해당하는 힘 및 토크가 사용자의 손에 전달된다(F103). 상기한 작업의 흐름은 상기 컴퓨터(40)에서 실행되는 소정의 프로그램이 종료될 때까지 반복되며, 사용자가 원하는 작업을 마치면 프로그램을 종료하고(F305), 상기 햅틱 조이스틱의 손잡이와 접촉을 해제한다(F104).
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템을 사용하는 경우, 병렬기구를 사용하기 때문에 엑추에이터나 센서의 관성의 영향을 받지 않도록 구성하는 것이 용이하다는 장점이 있다. 그리고, 전체적으로 6자유도를 모두 구현하는 것이 가능하다. 또한, 평면 3자유도 작업을 주로 하면서, 필요에 따라 6자유도의 작업을 수행 할 수 있어, 에너지 사용 면에서 효율적이고 제어가 용이한 햅틱 조이스틱 시스템을 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (5)

  1. 컴퓨터에 연결되어 사용되는 햅틱 조이스틱 시스템에 있어서,
    소정의 자유도를 갖는 기구부와,
    사용자가 상기 기구부를 조작함으로서 발생되는 위치, 방위에 관한 정보를 컴퓨터로 입력하는 기능과, 동시에 상기 컴퓨터로부터 소정의 힘, 토크의 연산 결과를 출력 받아 사용자가 감지할 수 있도록 상기 기구부를 조작하는 기능을 갖는 제어부로 구성되는 햅틱 시스템으로서,
    상기 기구부는 제1 링크 기구와 제2 링크 기구가 직렬로 연결되어 구성되고,
    상기 제1 링크 기구는,
    기저면을 구성하는 베이스 프레임;
    일단이 상기 베이스 프레임에 소정의 각도를 이루면서 핀 조인트로 연결되는 복수의 제1 프락시멀 링크;
    일단이 각각의 상기 제1 프락시멀 링크의 타단에 핀 조인트로 연결되는 제1 디스털 링크; 및
    상기 제1 디스털 링크들의 타단과 핀 조인트로 연결되는 제1 플랫폼으로 구성되어, 상기 제1 플랫폼이 x축과 y축 방향의 병진운동과, 상기 평면에 수직한 z축 중심으로의 회전운동의 3자유도의 운동이 가능하며,
    상기 제2 링크 기구는,
    일단이 상기 제1 링크 기구의 플랫폼에 핀 조인트로 연결되는 소정 개수의제2 프락시멀 링크;
    각각 상기 제2 프락시멀 링크의 타단에 핀 조인트로 연결되는 제2 디스털 링크; 및
    상기 제2 디스털 링크들의 타단이 볼 조인트로 연결되는 제2 플랫폼으로 구성되어 상기 제2 플랫폼이 상기 제1 플랫폼에 대해 z축 방향의 병진운동, x축 및 y축 중심의 회전운동의 3자유도 운동이 가능함으로써,
    전체적으로 상기 기구부가 6자유도 운동을 구현할 수 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 프락시멀 링크는 상기 베이스 프레임 상에서 소정의 각도를 이루면서 세 개가 배치되고, 상기 제2 프락시멀 링크는 상기 제1 플랫폼 상에서 소정의 각도를 이루면서 세 개가 배치되는 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 상기 제1 프락시멀 링크가 상기 베이스 평면상에서의 z축 중심으로 회전운동할 수 있도록 하는 제1 엑추에이터와, 각각의 상기 제1 프락시멀 링크가 회전하는 각도를 측정할 수 있는 제1 센서가 상기 베이스 프레임에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 상기 제2 프락시멀 링크가 상기 제1 플랫폼 상에서의 x, y 평면에 평행한 축 중심으로 회전운동할 수 있도록 하는 제2 엑추에이터와, 각각의 상기 제2 프락시멀 링크가 회전하는 각도를 측정할 수 있는 제2 센서가 상기 베이스 프레임에 각각 구비되고,
    상기 제2 엑추에이터의 동력이 상기 제2 프락시멀 링크에 전달될 수 있도록, 상기 제1 프락시멀 링크 및 상기 제1 디스털 링크의 핀 조인트부 하단에 상기 제1 프락시멀 링크 및 상기 제1 디스털 링크의 회전과 독립적으로 회전할 수 있는 회전 풀리가 구비되고, 상기 회전 풀리들은 케이블 기타 동력 전달 수단을 이용하여 서로 연결되며, 상기 제1 디스털 링크와 상기 제1 플랫폼이 연결되는 핀 조인트부에 동력전달축을 구비하고, 상기 동력전달축과 상기 제2 프락시멀 링크가 연결되는 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는 상기 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템이 연결되는 컴퓨터에 구비되는 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱 조이스틱 시스템.
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