KR20060114195A

KR20060114195A - Compact haptic device

Info

Publication number: KR20060114195A
Application number: KR1020050036206A
Authority: KR
Inventors: 황창순; 김문상; 강성철; 조창현; 류동석
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2006-11-06
Also published as: KR100681768B1

Abstract

A compact haptic device is provided to cause no interference with a body of a user in case that the user wears the haptic device by being received compactly while having a wide working space, and enable the user to easily move in a state wearing the haptic device while reducing weight of the haptic device. A wearing tool(70) is put on the body of the user. A rotational joint is pivotally connected to the wearing tool. An arm(10) is connected to the rotational joint, and selectively expanded or shrunk while performing linear movement. A handle(12) is installed to an end of the arm. A controller(80) has a function transmitting information for a position and a direction generated by operating the handle, and the function controlling the arm to make the user detect force by receiving a calculation result of the force and torque from the computer. The arm includes multiple links, multiple pulleys, a cable for linking each link performing the linear movement, and a driver extending or shrinking the arm by making one link perform the linear movement.

Description

Compact Haptic Device

도 1은 종래의 햅틱 장치의 개략적인 구성을 나타낸 개략도이고,1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a conventional haptic device,

도 2a 및 2b는 종래의 고정형 햅틱 장치의 개략도이고,2A and 2B are schematic views of a conventional stationary haptic device,

도 3a 및 3b는 종래의 이동형 햅틱 장치의 개략도이고,3A and 3B are schematic views of a conventional mobile haptic device,

도 4는 본 발명에 따른 햅틱 장치의 전체적인 구성을 나타내는 개략도이고,4 is a schematic diagram showing the overall configuration of a haptic device according to the present invention,

도 5는 본 발명에 따른 햅틱 장치의 사시도이고,5 is a perspective view of a haptic device according to the present invention,

도 6은 도 5에서 아암의 분해 사시도이고,6 is an exploded perspective view of the arm in FIG. 5;

도 7은 도 6에서 아암을 구성하는 링크의 사시도이고, 7 is a perspective view of a link constituting the arm in FIG. 6,

도 8a는 본 발명에 따른 아암의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고,8A is a view schematically showing the configuration of an arm according to the present invention,

도 8b는 본 발명에 따른 아암에서 케이블에 의한 연결상태를 개략적으로 나타내는 도면이고,8b is a view schematically showing a connection state by a cable in the arm according to the present invention,

도 8c는 본 발명에 따른 아암에서 각 링크의 구동상태를 개략적으로 나타내는 도면이고, 8C is a view schematically showing a driving state of each link in the arm according to the present invention;

도 9는 본 발명에 따른 아암에서 신호선의 연결상태를 나타내는 도면이고,9 is a view showing the connection state of the signal line in the arm according to the invention,

도 10은 본 발명에 따른 햅틱 장치의 작동원리를 나타내는 블록 다이어그램이고,10 is a block diagram showing the operating principle of the haptic device according to the present invention,

도 11은 본 발명에 따른 햅틱 장치의 작동 흐름을 나타내는 순서도이다.11 is a flow chart showing the operational flow of the haptic device according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

1: 햅틱 장치 10: 아암1: Haptic Device 10: Arm

12: 손잡이 20: 제 1 링크12: handle 20: first link

30: 제 2 링크 40: 제 3 링크30: second link 40: third link

52: 제 1 회전관절 54: 제 2 회전관절52: first rotary joint 54: second rotary joint

75: 구동장치 80: 제어부75: drive device 80: control unit

본 발명은 컴팩트(compact)한 햅틱 장치(haptic device)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 넓은 작업공간을 가지면서도 컴팩트하게 수납되며, 무게를 줄임으로써 사용자가 착용하여 이동이 가능한 햅틱 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a compact haptic device, and more particularly, to a haptic device that is compactly stored while having a large work space, and which can be worn and moved by a user by reducing weight.

통상적으로, 햅틱 장치(haptic device)는 사용자의 신체와 접촉하여 사용자의 움직임을 PC에 입력하고, PC의 상황에 따라 적절한 힘 또는 촉감 등을 사용자에게 출력하는 장치이다. Typically, a haptic device is a device that contacts a user's body to input a user's movement to a PC, and outputs an appropriate force or touch to the user according to the situation of the PC.

키보드, 마우스, 조이스틱, 모니터 및 프린터와 같은 일반적인 컴퓨터 주변기기가 입력 또는 출력의 일 방향으로만 작용하는 인터페이스를 구비하는 것과는 달리, 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. Unlike common computer peripherals, such as keyboards, mice, joysticks, monitors, and printers, with interfaces that act in only one direction of input or output, haptic devices act as input devices that convey the movements of the user's body to the computer. And, according to the command of the computer is provided with a two-way interface to perform all the role of the output device for transmitting the appropriate force or touch to the user's body. This bidirectional interface feature not only facilitates interaction with a virtual environment implemented in a computer and remote-operation of a robot connected to the computer, but also intuitive input from a computer user. It is emerging as a new paradigm that replaces a peripheral device having a unidirectional interface by enabling an output.

도 1에는 이러한 햅틱 장치의 개략적인 구성이 나타나 있다.1 shows a schematic configuration of such a haptic device.

도 1에 도시된 바와 같이, 햅틱 장치(100)에서는 사용자가 햅틱 장치(100)에 신체를 접촉하고 이를 조작함으로써, 사용자의 PC(100)에 신체의 움직임을 직관적으로 입력할 수 있다. 이때 햅틱 장치(100)의 몸체(120)는 일반적인 로봇과 같이 센서와 엑추에이터(미도시)가 부착된 형태이며, 로봇의 엔드이펙터(end effecter)에 해당하는 부분이 사용자가 접촉하여 조작하는 손잡이(110)가 된다. 햅틱 장치(100)의 제어부(130)는, 몸체(120)에 부착된 센서에서 감지된 정보로부터 기구학적 계산을 수행하고 그 결과를 PC(100)에 전달하는 역할과, PC(100)에서 생성한 힘의 명령을 받아들이고 역학적으로 해석하여 몸체(120)에 부착된 각 엑추에이터를 제어하는 역할을 한다. 이러한 제어부(130)는 하나의 모듈로 구성하여 몸체(120)에 구비될 수도 있고, 필요에 따라 PC(100)에 통합하여 구현될 수도 있다. As shown in FIG. 1, in the haptic device 100, the user may contact the body with the haptic device 100 and manipulate the body, thereby intuitively inputting the movement of the body to the user's PC 100. At this time, the body 120 of the haptic device 100 is a form in which a sensor and an actuator (not shown) are attached like a general robot, and a part corresponding to an end effecter of the robot is in contact with a user to manipulate the handle ( 110). The controller 130 of the haptic device 100 performs a kinematic calculation from the information sensed by the sensor attached to the body 120 and transmits the result to the PC 100, and generates the result at the PC 100. It accepts a command of a force and interprets it dynamically to control each actuator attached to the body 120. The controller 130 may be provided in the body 120 in one module, or may be integrated into the PC 100 as necessary.

위와 같이 몸체(120), 제어부(130) 및 PC(100)로 구성된 햅틱 장치(100)는 다양한 분야에 적용할 수 있다. 최근 부각되는 가상환경에 접목되어 직관적인 입력을 가능하게 하고, PC(100)에서 생성된 결과에 따라 사용자에게 힘을 반영함으로써 현실감을 높여줄 수 있다. 이때 비교적 간단한 가상환경의 경우 PC(100)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. 이러한 햅틱 장치(100)는 가상현실시스템에 유무선 통신을 통해 하위시스템으로서 접속하게 된다. 다른 적용분야에는 원격조종(tele-operation)을 이용한 원격수술 또는 원격로봇제어 등을 들 수 있다. 이 경우 햅틱 장치(100)를 마스터로 하여, 원격수술도구 또는 원격로봇(160)과 햅틱 장치(100)와 통신하고 원격수술도구 또는 원격로봇을 제어하는 전용 PC(170)로 구성되는 슬레이브 시스템(150)을 원격지에서 사용자의 의도에 따라 조작 할 수 있다.The haptic device 100 composed of the body 120, the controller 130, and the PC 100 as described above may be applied to various fields. Grafting into a virtual environment that is emerging recently enables intuitive input, and can increase the realism by reflecting power to the user according to the result generated by the PC 100. In this case, a relatively simple virtual environment can be implemented directly on the PC 100. In the case of a complex and precise virtual environment, the visual and other virtual environments are independently controlled through a virtual reality system composed of a dedicated PC and other elements dedicated to this. Can be built. The haptic device 100 is connected to the virtual reality system as a subsystem through wired and wireless communication. Other applications include remote surgery or telerobot control using tele-operation. In this case, using the haptic device 100 as a master, the slave system includes a remote surgery tool or remote robot 160 and a dedicated PC 170 for communicating with the haptic device 100 and controlling the remote surgery tool or remote robot ( 150) can be operated remotely according to the user's intention.

햅틱 장치는, 엔드이펙터가 외란(disturbance)에 쉽게 흔들리지 않도록 역구동성(back drivability)이 낮도록 설계하는 일반적인 로봇과 다른 설계기준을 갖는다. 즉, 햅틱 장치의 신체 접촉 부분을 사용자가 아무런 저항 없이 쉽게 움직일 수 있도록 설계하여야 하며, 상황에 따라 사용자에게 큰 힘을 제공하여 느낌을 전달할 수 있어야 한다. 이처럼 힘의 전달이 없을 때 마치 아무것도 착용하지 않은 것처럼 자유롭게 움직일 수 있으며, 힘의 전달이 있을 때 분명한 느낌을 전달할 수 있는 장치를 "투명하다"라고 표현한다. 따라서, 투명한 햅틱 장치를 제작하기 위해서는 일반적인 로봇과 달리 그 설계 스펙이 훨씬 까다롭고 제어방법에 있어서도 훨씬 높은 수준의 기술을 요한다. Haptic devices have different design criteria than typical robots designed to have low back drivability so that end effectors are not easily shaken by disturbances. That is, the body contact portion of the haptic device should be designed so that the user can move easily without any resistance, and should be able to deliver a feeling by providing a great force to the user according to the situation. When there is no power transmission, the device is able to move freely as if nothing is worn, and the device that can transmit a clear feeling when there is power transmission is expressed as "transparent". Therefore, in order to manufacture a transparent haptic device, the design specification is much more difficult than a general robot, and a much higher level of technology is required in a control method.

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. The haptic device may be classified into a haptic simulator, a haptic arm master, a haptic joystick (haptic hand controller), a haptic hand master, a haptic tactile device, and the like according to a body part contacting a user.

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.A device that transmits a feeling of movement to the whole body by letting the user ride on the device is called a simulator, and a device that inputs the movement of the arm and reflects the force by wearing it on the user's arm is called a haptic arm master. A device that inputs the position of the hand and reflects the force is called a haptic joystick, and a device that wears a glove-shaped device on the user's hand, inputs the movement of a finger, and reflects the shape and volume is called a haptic handmaster. A device that reproduces a touch such as vibration, temperature, or texture by being in contact with skin is called a haptic tactile device. In particular, the haptic joystick is a device that reflects the position of the hand in contact with the user's hand and transmits a force. The haptic joystick is the most developed and used haptic device because of its excellent usability and various applications.

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. In general, the six degrees of freedom in kinematics or robotics distinguish three degrees of freedom: translational and rotational degrees of freedom in the x-, y-, and z-axes. It is common to divide by rotation. Therefore, in developing a haptic joystick, a pointing device, that is, implementing position 3 degree of freedom is often considered as a top priority.

이러한 햅틱 장치는 크게 이동형(portabled) 장치와 고정형(non-portable) 장치로 분류된다. 초기의 햅틱 장치는 주로 고정형 장치의 개발이 주류를 이루었다. 고정형 장치는 설계상의 제약이 적으므로 투명한 장치의 개발이 용이하여 다양 한 결과들이 보고되었다. Such haptic devices are broadly classified into portable devices and non-portable devices. Early haptic devices were mainly the development of fixed devices. Since fixed devices have less design constraints, it is easier to develop transparent devices, and various results have been reported.

도 2a 및 2b에 고정형 햅틱 장치의 개략적인 구성이 나타나 있다. 2A and 2B show a schematic configuration of a stationary haptic device.

도 2a에 도시된 고정형 햅틱 장치는 도 1에 도시된 햅틱 장치와 구성에 있어서 실질적으로 동일하다. 즉, 사용자는 고정형 햅티 장치(100')의 몸체(120')와 접촉하여 위치를 입력하고, 힘의 느낌을 얻을 수 있다. 초기에는 햅틱 장치(100')가 위치 3자유도(3 Degree of Freedom)를 구현하도록 하는 것이 주류를 이루었다. The stationary haptic device shown in FIG. 2A is substantially identical in construction to the haptic device shown in FIG. 1. That is, the user may contact the body 120 'of the fixed hapty device 100', input a position, and obtain a feeling of force. In the early days, the haptic device 100 'became mainstream to realize a position 3 degree of freedom.

도 2b에는 6자유도를 구현하는 햅틱 장치(100'')가 나타나 있다. 2b shows a haptic device 100 " that implements six degrees of freedom.

도 2b에 도시된 바와 같이, 6자유도를 구현하는 햅틱 장치(100'')는 위치 3자유도를 구현하는 햅틱 장치(도 2a 참조)(100')의 선단부에 회전 3자유도(x, y, z rotation)를 구현할 수 있는 장치(112)를 부가함으로써 전체적으로는 위치 6자유도를 구현하게 된다. As shown in FIG. 2B, the haptic device 100 ″ that implements six degrees of freedom has a rotational degree of freedom (x, y, By adding a device 112 capable of implementing a z rotation (total rotation), the position 6 degree of freedom as a whole.

이러한 햅틱 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. 미국특허 제6,281,651호와 제5,898,599호에 이러한 고정형 햅틱 장치가 개시된다. 그러나, 이러한 고정형 햅틱 장치는 설치된 공간을 벗어 날 수 없는 공간상의 제약으로 인하여 실제 사용예가 많지 않았다.Examples of such haptic devices include phantoms and haptic masters from the University of Tsukuba, famous for their first commercially available haptic devices. Phantom is a haptic device developed to implement position 3 degree of freedom using the four-section link.It is equipped with a rotation mechanism around the x-axis, y-axis, and z-axis at the end of the device to realize the rotational degree of freedom. It was implemented. U.S. Patent Nos. 6,281,651 and 5,898,599 disclose such fixed haptic devices. However, such fixed haptic devices have not many practical uses due to the space constraints that cannot escape the installed space.

이러한 문제를 해결하기 위하여 이동형 햅틱 장치(portable haptic device)를 개발하기 위한 노력이 진행되어 왔으며 주로 외골격형 장치(Ex-skeleton device)를 중심으로 발전되었다. 도 3a 및 3b에 이러한 외골격형의 햅틱 장치가 나타나 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 이동형 햅틱 장치(200)는 장치의 지지대부(210)를 신체의 등쪽에 고정하고, 신체의 팔을 따라 아암(220)이 배치되어 말단부(230)에 측정하고자 하는 손을 고정한다. 따라서, 손을 움직임으로써 햅틱 장치(200)를 작동하게 된다. In order to solve this problem, efforts have been made to develop a portable haptic device, which has been mainly developed around an ex-skeleton device. 3A and 3B show this exoskeleton haptic device. As shown in FIG. 3A, the mobile haptic device 200 fixes the support 210 of the device to the back of the body, and an arm 220 is disposed along the arm of the body to measure at the distal end 230. Secure your hands. Therefore, the haptic device 200 is operated by moving the hand.

이러한 햅틱 장치(200)는 몸체의 말단부의 위치뿐 아니라, 말달부까지 연결되는 신체의 전반적인 형태를 파악할 수 있으며, 작업공간이 매우 넓은 장점을 가진다. 그러나, 이러한 장치는 큰 힘을 내기 어려우며, 장치와 신체의 간섭 및 무게를 인하여 사용자의 자유로운 이동에 있어서 한계가 있다. 국내 특허출원 제10-8190호 및 제10-53442호에 이러한 이동형 햅틱 장치가 개시된다. The haptic device 200 can grasp not only the position of the distal end of the body, but also the overall shape of the body connected to the end of the body, the work space has a very wide advantage. However, such a device is difficult to exert a great force, and there is a limit in the free movement of the user due to the interference and weight of the device and the body. Korean Patent Application Nos. 10-8190 and 10-53442 disclose such a mobile haptic device.

이동형 장치에는 전술한 외골격형 장치 외에도 다양한 시도가 이루어지고 있다. 도 3b에는 일본과 이탈리아에서 개발되고 있는 와이어 엑추에이티드 햅틱 장치(Wire actuated haptic device)(200')가 나타나 있다. 도3b에 도시된 바와 같이, 상기 장치(200')는 지지대부(240)를 가방과 같은 형태로 등 쪽에 착용하며, 다수개의 와이어(250)의 일단부를 엑추에이터에 연결하여 지지대부(240)에 분산하여 장착하고, 와이어(250)의 타단부는 손잡이(230)에 연결하여 손잡이(230)의 위치를 파악하고 와이어(250)를 통하여 힘을 전달하도록 한 것이다. 엑추에이티드 햅틱 장치(200')는 엑추에이터의 기술이 비약적으로 발전하기까지는 착용과 이동에 있어서 한계가 있다. 왜냐 하면, 현재 신체에 적절한 반력을 주기위해서는 엑추에이터의 크기나 무게가 사용자가 착용할 수 있는 범위를 넘어서기 때문이다. 따라서, 최근 에는 기구적인 측면에서 접근하는 장치들이 많이 개발되었다. Various attempts have been made to the mobile device in addition to the exoskeleton device described above. 3b shows a wire actuated haptic device 200 'being developed in Japan and Italy. As shown in FIG. 3B, the device 200 ′ wears the support part 240 on the back side in the form of a bag, and connects one end of the plurality of wires 250 to the actuator to the support part 240. Distributed and mounted, the other end of the wire 250 is connected to the handle 230 to determine the position of the handle 230 and to transmit the force through the wire 250. The actuated haptic device 200 ′ has limitations in wearing and moving until the technology of the actuator is rapidly developed. This is because the size or weight of the actuator is beyond what the user can wear to give the body a proper reaction. Therefore, in recent years, a lot of mechanisms for mechanical approach have been developed.

이러한 엑추에이티드 햅틱 장치는 전술한 외골격형 장치에 비해서, 링크대신에 와이어를 사용함으로써 장치의 크기 및 무게를 줄이는데 성공하였다. 그러나, 더욱 정밀도를 높이기 위해서는 많은 수의 와이어가 필요하게 되며, 이에 따라 와이어와 신체가 간섭하게 되고, 햅틱 장치를 착용하고 이동하는 중에 와이어를 제대로 수납하지 못하는 문제점을 수반한다. 또한, 상기 장치는 링크 대신에 와이어를 사용함으로써 힘을 사용자에게 전달하는 경우에, 힘의 방향이 정확해지지 않는 문제점을 수반하였다.This actuated haptic device has succeeded in reducing the size and weight of the device by using a wire instead of a link as compared to the exoskeleton-type device described above. However, in order to further increase the precision, a large number of wires are required, and thus the wires and the body interfere with each other, and the wires are not properly stored while moving and wearing the haptic device. The apparatus also involved the problem that the direction of the force is not accurate when transferring the force to the user by using a wire instead of a link.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 넓은 작업공간을 가지면서도 컴팩트하게 수납되어, 사용자가 착용하는 경우에도 신체와 간섭되지 않는 햅틱 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been developed in order to solve the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to provide a haptic device that is compactly stored while having a wide working space and does not interfere with a body even when worn by a user.

본 발명의 다른 목적은, 핵틱 장치의 무게를 줄임으로써, 사용자가 착용한 상태에서도 쉽게 이동할 수 있는 햅틱 장치를 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a haptic device that can be easily moved even while the user is wearing by reducing the weight of the hack tick device.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 컴퓨터에 연결되어 사용되는 햅틱 장치에 있어서, 사용자의 신체에 착용할 수 있는 착용구와, 상기 착용구에 회전 가능하게 연결되는 하나 이상의 회전관절과, 상기 회전관절에 연결되며, 직선운동을 하면서 선 택적으로 신장 또는 수축하는 아암과, 상기 아암의 선단부에 설치되는 손잡이와, 사용자가 상기 손잡이를 조작함으로서 발생되는 위치, 방위에 관한 정보를 상기 컴퓨터로 송신하는 기능과, 상기 컴퓨터로부터 소정의 힘, 토크의 연산 결과를 수신받아 사용자가 감지할 수 있도록 상기 아암을 조작하는 기능을 갖는 제어부를 포함하는 컴팩트한 햅틱 장치에 의해 달성된다. An object of the present invention as described above, in the haptic device connected to the computer used, wearable wearable on the user's body, one or more rotational joints rotatably connected to the wearer and the rotational joint An arm extending and contracting while linearly moving, a handle installed at the distal end of the arm, and a function of transmitting information about the position and orientation generated by a user operating the handle; And a control unit having a function of manipulating the arm so as to receive a calculation result of a predetermined force and torque from the computer so as to be sensed by the user.

여기서, 상기 아암은 서로간에 평행한 상태에서 직선운동을 할 수 있도록 연결된 복수개의 링크와, 상기 각 링크의 일단부 또는 양단부에, 상기 직선운동의 방향과 수직한 방향을 회전축으로 하여 회전 가능하게 설치되는 복수개의 풀리와, 상기 각 링크에 설치된 상기 풀리를 따라 배치되어 상기 각 링크가 연동하여 직선운동을 하도록 하는 케이블과, 상기 복수개의 링크 중에 어느 하나의 링크를 직선운동 하도록 구동시켜서 상기 아암을 신장 또는 수축시키는 구동수단을 포함한다.Herein, the arms are rotatably installed in a plurality of links connected to each other to perform a linear motion in parallel with each other, and at one end or both ends of the respective links as a rotation axis in a direction perpendicular to the direction of the linear motion. A plurality of pulleys, a cable disposed along the pulleys installed in the respective links, and allowing the respective links to interlock linearly, and driving the one of the plurality of links linearly to extend the arm. Or drive means for retracting.

한편, 상기 복수개의 링크는 상기 회전관절에 연결되는 제 1 링크와, 상기 제 1 링크와 평행한 방향을 따라 직선운동을 할 수 있도록 연결되는 제 2 링크와, 상기 제 2 링크와 평행한 방향을 따라 직선운동을 할 수 있도록 연결되며, 상기 제 2 링크와 연동하여 직선운동을 하는 제 3 링크를 포함한다.The plurality of links may include a first link connected to the rotary joint, a second link connected to perform a linear motion along a direction parallel to the first link, and a direction parallel to the second link. It is connected so as to perform a linear movement, and includes a third link for linear movement in conjunction with the second link.

또한, 상기 케이블은, 그 일단부가 상기 제 1 링크에 고정되며, 상기 제 1 링크의 말단부의 풀리와 상기 제 2 링크의 선단부의 풀리와 상기 제 3 링크의 말단부의 풀리를 거쳐 상기 제 3 링크에 그 타단부가 고정되는 제 1 케이블과, 그 일단부가 상기 제 1 링크에 고정되며, 상기 제 1 링크의 선단부의 풀리와 상기 제 2 링크의 말단부의 풀리와 상기 제 3 링크의 선단부의 풀리를 거쳐 상기 제 3 링크에 그 타단부가 고정되는 제 2 케이블을 포함하여, 상기 제 3 링크가 상기 제 2 링크와 연동하여 직선운동을 하게 된다.In addition, one end of the cable is fixed to the first link, the pulley at the distal end of the first link, the pulley at the distal end of the second link and the pulley at the distal end of the third link to the third link. A first cable to which the other end is fixed, one end of which is fixed to the first link, a pulley at the tip of the first link, a pulley at the distal end of the second link, and a pulley at the tip of the third link Including the second cable is fixed to the other end of the third link, the third link is in linear motion in conjunction with the second link.

여기서, 상기 구동수단은, 상기 제 1 링크 및 상기 제 2 링크의 양단부에 회전 가능하게 설치되는 한 쌍의 구동풀리와, 상기 제 1 링크의 어느 하나의 구동풀리에 연결되어, 상기 구동풀리를 회전시키는 제 1 엑추에이터와, 상기 제 1 링크의 구동풀리 사이에 걸어져서, 상기 구동풀리가 회전함에 따라 연동하여 회전하는 구동벨트와, 상기 제 2 링크의 구동풀리 사이에 걸어진 상태로 고정되고, 상기 구동벨트와 접하는 고정벨트를 포함하며, 상기 햅틱 장치가 상기 제 1 링크의 구동풀리가 회전하는 각도를 측정하는 제 1 센서를 더 포함하면 바람직하다.Here, the driving means is connected to a pair of drive pulleys rotatably installed at both ends of the first link and the second link, and any one of the drive pulleys of the first link, the drive pulley to rotate It is fixed between the first actuator to be driven between the drive pulley of the first link, the drive belt is rotated in conjunction with the drive pulley rotates as the drive pulley rotates, and is fixed in the state of being engaged between the drive pulley of the second link, It includes a fixed belt in contact with the drive belt, it is preferable that the haptic device further comprises a first sensor for measuring the angle of rotation of the drive pulley of the first link.

또한, 상기 회전관절은, 상기 아암의 직선운동방향과 수직하면서 서로에 대해서 수직한 회전축을 갖는 제 1 및 제 2 회전관절과, 상기 제 1 및 제 2 회전관절을 회전시키는 제 2 및 제 3 엑추에이터와, 상기 제 1 및 제 2 회전관절의 회전하는 각도를 측정하는 제 2 및 제 3 센서를 포함하고, 상기 손잡이가 x축 및 z축 중심의 회전운동 및 y축 방향의 직선운동의 3자유도 운동을 구현할 수 있게 된다.The rotary joint may include first and second rotary joints having rotation axes perpendicular to each other and perpendicular to the linear direction of movement of the arm, and second and third actuators for rotating the first and second rotary joints. And second and third sensors for measuring angles of rotation of the first and second rotational joints, wherein the handle has three degrees of freedom of rotational movement about the x-axis and z-axis and linear movement in the y-axis direction. Exercise can be implemented.

한편, 본 발명에 따른 햅틱 장치는, 상기 아암의 선단부와 상기 손잡이 사이에 개재하며, 서로에 대해서 수직한 회전축을 갖는 제 3, 제 4 및 제 5 회전관절과, 상기 제 3 , 제 4 및 제 5 회전관절을 회전시키는 제 4, 제 5 및 제 6 엑추에이터와, 상기 제 3, 제 4 및 제 5 회전관절의 회전하는 각도를 측정하는 제 4, 제 5 및 제 6 센서를 더 포함하고, 상기 손잡이가 x축, y축 및 z축 중심의 회전운동을 함으로써, 전체적으로 6자유도 운동을 구현할 수 있게 된다. On the other hand, the haptic device according to the present invention, the third, fourth and fifth rotational joint interposed between the front end of the arm and the handle, and having a rotation axis perpendicular to each other, and the third, fourth and fifth A fourth, fifth, and sixth actuator for rotating the fifth rotational joint; and fourth, fifth, and sixth sensors for measuring rotation angles of the third, fourth, and fifth rotational joints; By rotating the handle around the x-axis, y-axis and z-axis, the six-degree of freedom movement can be realized as a whole.

또한, 본 발명에 따른 햅틱 장치는, 그 일단부가 상기 제어부에 연결되고, 그 타단부는 상기 제 1 링크와 상기 제 2 링크 사이를 관통하면서, 상기 2 링크의 선단부 및 상기 제 3 링크의 말단부를 거쳐 상기 손잡이에 연결되거나, 또는, 그 일단부가 상기 제어부에 연결되고, 그 타단부는 상기 제 1 링크의 말단부와 상기 제 1 링크의 선단부와 상기 제 2 링크의 말단부 및 상기 제 3 링크의 말단부를 거쳐 상기 손잡이에 연결되는 신호선을 더 포함한다. In addition, in the haptic device according to the present invention, one end thereof is connected to the control unit, and the other end thereof penetrates between the first link and the second link, and the distal end of the second link and the distal end of the third link. Or one end thereof is connected to the control part, and the other end thereof is the distal end of the first link, the distal end of the first link, the distal end of the second link, and the distal end of the third link. It further comprises a signal line connected to the handle via.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되는 것은 아니며, 본 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 적절하게 정의되었다. 따라서, 이들의 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 그러므로, 본 명세서에 기재된 실시에와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사사을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다. The terms or words used in the present specification and claims are not limited to the ordinary or dictionary meanings, and are properly defined to explain the present invention in the best manner. Therefore, these terms or words should be interpreted as meanings and concepts corresponding to the technical spirit of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical matters of the present invention, various equivalents may be substituted for them at the time of the present application. It should be understood that there may be water and variations.

도 4는 본 발명에 따른 컴팩트한 햅틱 장치(1)를 사용자가 착용한 상태를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명에 따른 햅틱 장치(1)의 몸체(10)를 나타내는 사시도이다.4 is a view showing a user wearing a compact haptic device 1 according to the present invention, Figure 5 is a perspective view showing the body 10 of the haptic device 1 according to the present invention.

도 4 및 5를 참조하면, 본 발명에 따른 햅틱 장치(1)는, 사용자의 신체에 착 용할 수 있도록 하는 착용구(70)와, 착용구(70)에 회전 가능하게 연결되는 하나 이상의 회전관절(50)과, 회전관절(50)에 연결되며 직선운동을 하면서 선택적으로 신장 또는 수축을 하는 아암(10)과, 아암(10)의 선단부에 설치되는 손잡이(12)와, 사용자가 손잡이(12)를 조작함으로써 발생되는 위치, 방위에 관한 정보를 컴퓨터(92)로 송신하고, 동시에 컴퓨터(92)로부터 소정의 힘, 토크의 연산 결과를 수신받아 사용자가 감지할 수 있도록 아암(10)을 조작하는 제어부(80)를 포함한다. 4 and 5, the haptic device 1 according to the present invention includes a wear tool 70 that can be worn on a user's body, and one or more rotational joints rotatably connected to the wear tool 70. 50, an arm 10 which is connected to the rotary joint 50 and selectively extends or contracts while linearly moving, a handle 12 installed at the tip of the arm 10, and a user grip 12 The arm 10 is operated to transmit information on the position and azimuth generated by the operation to the computer 92, and at the same time receive the calculation result of a predetermined force and torque from the computer 92 so that the user can sense it. It includes a control unit 80.

사용자가 본 발명에 따른 햅틱 장치(1)를 착용하게 되면, 도면에 도시된 바와 같이 반구형상의 작업공간(2)을 갖게 된다. 사용자는 이러한 작업공간(2) 내부에서 햅틱 장치(1)의 아암(10)의 선단부에 설치된 손잡이(12)를 조작하여 제어부(80)로 신호를 보내고, 제어부(80)는 컴퓨터(92)로 신호를 보내어, 결과적으로 컴퓨터(92)와 원격 로봇(94) 등으로 구성된 슬레이브 시스템(slave system)(90)을 구동하게 된다. 또한 원격 로봇(94) 등에 의한 힘, 토크의 연산결과를 컴퓨터(92)로부터 수신받아, 제어부(80)에 의해 아암(10)을 구동하게 되어, 사용자는 원격 로봇(94) 등에 의한 움직임을 전달받게 된다. When the user wears the haptic device 1 according to the present invention, the user has a hemispherical workspace 2 as shown in the drawing. A user sends a signal to the controller 80 by operating a handle 12 installed at the tip of the arm 10 of the haptic device 1 in the workspace 2, and the controller 80 sends the signal to the computer 92. The signal is transmitted, and as a result, the slave system 90 composed of the computer 92 and the remote robot 94 or the like is driven. In addition, by receiving the calculation result of the force and torque by the remote robot 94 or the like from the computer 92, the control unit 80 drives the arm 10, the user transfers the movement by the remote robot 94 or the like. Will receive.

먼저 본 발명에 따른 햅틱 장치(1)의 아암(10)에 대해서 자세히 설명하고, 제어부(80) 및 컴퓨터(92)와 연동하여 동작하는 원리를 제시하고, 시스템의 운영방법을 설명하기로 한다. First, the arm 10 of the haptic device 1 according to the present invention will be described in detail, a principle of operating in conjunction with the controller 80 and the computer 92 will be described, and a method of operating the system will be described.

본 발명에 따른 햅틱 장치(1)의 아암(10)의 선단부에는 손잡이(12)가 설치되어, 사용자가 본 발명에 따른 햅틱 장치(1)를 착용하는 경우, 손잡이(12)를 조작하여 제어부(도 4 참조)(80)로 신호를 보내게 된다. 비록 도면에는 도시되지 않았지 만, 손잡이(12)에는 버튼(button)과 같은 신호입력장치를 더 포함하여, 더욱 정밀한 조작이 가능하도록 할 수 있다.The front end of the arm 10 of the haptic device 1 according to the present invention, the handle 12 is installed, when the user wears the haptic device 1 according to the present invention, by operating the handle 12 to control the ( 4). Although not shown in the drawings, the handle 12 may further include a signal input device such as a button to enable more precise manipulation.

아암(10)은 회전관절(50)에 연결되는 제 1 링크(20)와, 제 1 링크(20)와 평행하게 길이방향을 따라 직선운동을 할 수 있도록 연결된 제 2 링크(30)와, 제 2 링크(30)와 평행하게 직선운동을 할 수 있도록 연결되며, 제 2 링크(30)와 연동하여 직선운동을 하는 제 3 링크(40)를 포함한다. 제 2 및 제 3 링크(30)(40)들은 서로 연결된 상태에서 평행하게 직선운동을 하면서 선택적으로 적층된다. 따라서, 제 2 및 제 3 링크(30)(40)들의 직선운동에 의해 각 링크(20)(30)(40)가 펼쳐지게 되면, 아암(10)은 최장 길이로 신장된 상태가 되며, 제 2 및 제 3 링크(30)(40)들의 직선운동에 의해 서로 적층되면 아암(10)은 최단 길이로 수축된 상태가 된다. 사용자가 본 발명에 따른 햅틱 장치(1)를 사용하는 경우에는 아암(10)을 길게 신장하여 조작하게 되며, 햅틱 장치(1)를 사용하지 않는 경우에는 아암(10)을 컴팩트하게 수축하여 수납하는 것이 가능하게 된다. 이러한 아암(10)의 자세한 구조 및 동작에 대해서는 이후에 상세히 설명된다.The arm 10 includes a first link 20 connected to the rotary joint 50, a second link 30 connected in parallel with the first link 20 in a longitudinal direction, and a first link 20. It is connected so as to be a linear movement in parallel with the two links 30, and includes a third link (40) for linear movement in conjunction with the second link (30). The second and third links 30 and 40 are selectively stacked while linearly moving in parallel with each other. Therefore, when each link 20, 30, 40 is unfolded by the linear movement of the second and third links 30, 40, the arm 10 is in a state in which it is extended to the longest length. And when the third link (30, 40) is stacked on each other by the linear movement of the arm (10) is in a contracted state to the shortest length. When the user uses the haptic device 1 according to the present invention, the arm 10 is extended and manipulated, and when the haptic device 1 is not used, the arm 10 is compactly contracted and accommodated. It becomes possible. The detailed structure and operation of this arm 10 will be described later in detail.

이러한 아암(10)은 회전관절(50)에 연결된다. 본 발명에서 회전관절(50)은 아암(10)의 직선운동방향과 수직하며 서로에 대해서도 수직한 회전축을 갖는 제 1 및 제 2 회전관절(52)(54)을 포함한다. This arm 10 is connected to the rotary joint 50. In the present invention, the rotary joint 50 includes first and second rotary joints 52 and 54 having rotation axes perpendicular to the linear movement direction of the arm 10 and perpendicular to each other.

제 1 회전관절(52)은 아암(10)의 직선운동방향과 수직한 방향을 회전축으로 하여 회전운동이 가능하도록 구성된다. 도면에 도시된 바와 같이, 제 1 회전관절(52)은 화살표 A방향으로 회전을 하여, x축을 중심으로 회전운동이 가능하도록 설 치된다. 이러한 회전관절은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 것을 사용하므로, 자세한 설명은 생략하겠다. The first rotary joint 52 is configured to enable a rotational movement using a direction perpendicular to the linear movement direction of the arm 10 as the rotational axis. As shown in the figure, the first rotary joint 52 is installed to enable a rotational movement about the x-axis by rotating in the direction of the arrow A. Since the rotary joint uses those known in the art, detailed description thereof will be omitted.

비록 도면에는 도시되지 않았지만, 제 1 회전관절(52)에는 x축을 중심으로 제 1 회전관절(52)을 회전시키는 제 2 엑추에이터(actuator)와 제 2 엑추에이터에 의해 제 1 회전관절(52)이 회전한 각도를 측정하는 제 2 센서가 연결된다. 사용자가 손잡이(12)를 조작하여, 제 1 회전관절(52)을 회전시키는 경우, 제 2 센서(미도시)에 의해 회전한 각도가 측정되어 제어부(도 4 참조)(80)로 보내지게 된다. 또한, 전술한 슬레이브 시스템(도 4 참조)(90)에서의 피드백(feedback)에 의해 사용자에게 하중을 전달하고자 하는 경우에는, 계산된 하중을 제어부(80)에 의해 제 2 엑추에이터(미도시)로 보내어 계산된 하중만큼 사용자에게 전달하게 된다. 본 발명에서는 이러한 엑추에이터와 센서로서 각각 모터와 엔코더(encoder)를 사용하였지만, 이에 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절하게 변형된 구성이 가능하다. Although not shown in the drawing, the first rotary joint 52 rotates the first rotary joint 52 by a second actuator and a second actuator which rotates the first rotary joint 52 about the x axis. A second sensor for measuring one angle is connected. When the user operates the handle 12 to rotate the first rotary joint 52, the angle rotated by the second sensor (not shown) is measured and sent to the controller 80 (see FIG. 4). . In addition, in the case where it is desired to transfer the load to the user by feedback from the above-described slave system (see FIG. 4) 90, the calculated load is transferred to the second actuator (not shown) by the controller 80. The load is sent to the user as much as the calculated load. In the present invention, a motor and an encoder are used as the actuators and the sensors, respectively, but the present invention is not limited thereto and may be appropriately modified by those skilled in the art.

한편, 제 2 회전관절(54)은 화살표 B방향으로 회전을 하여, z축을 중심으로 회전운동을 하도록 지지대(72)에 연결된다. 제 2 회전관절(54)에는 z축을 중심으로 회전시키는 제 3 엑추에이터(미도시)와 제 3 엑추에이터(미도시)에 의해 제 2 회전관절(54)이 회전한 각도를 측정하는 제 3 센서(미도시)가 연결된다. 제 2 회전관절(54)은 제 1 회전관절(52)과 회전축이 다를 뿐, 구조와 기능은 동일하므로 자세한 설명은 생략하겠다. On the other hand, the second rotary joint 54 is rotated in the direction of the arrow B, it is connected to the support 72 to rotate the rotation around the z-axis. The second rotary joint 54 has a third sensor (not shown) that measures the angle of rotation of the second rotary joint 54 by a third actuator (not shown) rotating around the z axis and a third actuator (not shown). Is connected. Since the second rotary joint 54 is different from the first rotary joint 52 and the rotation axis, the structure and function are the same, and thus the detailed description thereof will be omitted.

따라서, 아암(10)의 y축에 대한 직선운동과, 제 1 및 제 2 회전관절(52)(54) 의 x축 및 z축에 대한 회전운동에 의해 아암(10)의 선단부에 설치된 손잡이(12)는 3자유도 운동을 구현할 수 있게 된다. Accordingly, a handle provided at the distal end portion of the arm 10 by a linear movement with respect to the y axis of the arm 10 and a rotational movement with respect to the x and z axes of the first and second rotational joints 52 and 54 ( 12) can realize the three degree of freedom movement.

한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 아암(10)의 선단부와 손잡이(12) 사이에는 x, y, z축에 대해서 각각 회전운동을 할 수 있는 3축 회전관절이 더 포함될 수 있다. 이러한 3축 회전관절(미도시)의 선단부에 손잡이(12)를 설치함으로써, x축 및 z축에 대한 회전운동 및 y축에 대한 직선운동의 3자유도 운동을 하는 아암(10)과 x, y, z축에 대한 회전운동의 3자유도 운동을 하는 3축 회전관절에 의해서, 손잡이(12)는 6자유도 운동을 구현할 수 있게 된다. 이러한 3축 회전관절(미도시)은 제 1 및 제 2 회전관절(52)(54)과 마찬가지로, 각각 센서(미도시) 및 엑추에이터(미도시)와 연결되어, 각 축에 대해 회전하는 각도를 측정하여 제어부(80)로 신호를 보내게 되며, 제어부(80)에 의해 구동하게 된다.On the other hand, although not shown in the figure, between the tip of the arm 10 and the handle 12 may be further included a three-axis rotary joint that can be rotated about the x, y, z axis respectively. By installing the handle 12 at the distal end of the three-axis rotary joint (not shown), the arm 10 and x, which perform three degrees of freedom of rotational movement about the x-axis and z-axis and linear movement about the y-axis, By the three-axis rotational joint to the three-degree of freedom movement of the rotational motion about the y, z-axis, the handle 12 is able to implement six degrees of freedom. Like the first and second rotary joints 52 and 54, the three-axis rotary joint (not shown) is connected to a sensor (not shown) and an actuator (not shown), respectively, and rotates about each axis. It measures and sends a signal to the control unit 80, it is driven by the control unit 80.

한편, 회전관절(50)이 연결되는 지지대(72)는 허리밴드(74)와 함께 사용자의 신체에 착용할 수 있게 해주는 착용구(70)를 구성한다. 사용자는 허리밴드(74)를 허리에 감아서, 본 발명에 따른 햅틱 장치(1)를 신체에 착용하게 된다. 이러한 착용구(70)는 사용자의 신체에 햅틱 장치(1)를 장착하기 위해 적절한 장치가 선택될 수 있다. 또한, 햅틱 장치(1)를 사용자의 신체에 더욱 안정되게 고정하도록 어깨걸이띠(미도시)와 같은 부수적 장치를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the support 72 is connected to the rotary joint 50 constitutes the wearing hole 70 to be worn on the user's body with the waist band (74). The user winds the waistband 74 around the waist, so that the haptic device 1 according to the present invention is worn on the body. The wearer 70 may be selected as a suitable device for mounting the haptic device 1 to the user's body. In addition, the haptic device 1 may further include an additional device such as a shoulder strap (not shown) to more stably fix the haptic device 1 to the user's body.

이러한 착용구(70)에는, 바람직하게, 제어부(도 4 참조)(80)가 설치될 수 있으며, 도면에는 도시되지 않았지만, 제어부(80)와 각 엑추에이터(미도시) 및 각 센서(미도시)에 전원을 공급하는 전원부와 슬레이브 시스템의 컴퓨터에 전기적 신호 를 송수신하는 송수신장치가 더 설치될 수 있다. The wear port 70 may be provided with a control unit (refer to FIG. 4) 80. Although not shown in the drawing, the control unit 80, each actuator (not shown), and each sensor (not shown) may be provided. A power supply unit for supplying power to and a transceiver for transmitting and receiving electrical signals to the computer of the slave system may be further installed.

사용자는 허리밴드와 같은 착용구(70)를 이용하여, 햅틱 장치(1)를 신체에 착용하고, 아암(10)의 선단부에 설치된 위치 3자유도를 갖는 손잡이(12)를 조작하게 된다. 한편, 제어부(80)는 손잡이(12)의 위치, 하중 등을 계산하여 슬레이브 시스템(90)으로 전기적 신호를 송신하거나, 슬레이브 시스템(90)으로부터 전기적 신호를 수신하여, 엑추에이터(미도시)에 의해 아암(10)을 구동하게 된다. 구동하는 아암(10)에 의해 사용자는 하중을 전달받게 된다. The user wears the haptic device 1 on the body by using a wearing device 70 such as a waistband, and manipulates the handle 12 having a position 3 degree of freedom installed at the tip of the arm 10. On the other hand, the controller 80 calculates the position, load, and the like of the handle 12 to transmit an electrical signal to the slave system 90, or receives an electrical signal from the slave system 90, by an actuator (not shown) The arm 10 is driven. The user receives the load by the driving arm 10.

이하, 본 발명에 따른 햅틱 장치(1)의 아암(10)의 구조와 동작에 대해서 설명하겠다.Hereinafter, the structure and operation of the arm 10 of the haptic device 1 according to the present invention will be described.

도 6은 본 발명에 따른 햅틱 장치(1)의 아암(10)의 분해사시도이다.6 is an exploded perspective view of the arm 10 of the haptic device 1 according to the invention.

도 6을 참조하면, 아암(10)은 전술한 바와 같이, 회전관절(50)에 연결되는 제 1 링크(20)와, 제 1 링크(20)와 평행하게 길이방향을 따라 직선운동을 할 수 있도록 연결된 제 2 링크(30)와, 제 2 링크(30)와 평행하게 직선운동을 할 수 있도록 연결되며, 제 2 링크(30)와 연동하여 직선운동을 하는 제 3 링크(40)를 포함한다. Referring to FIG. 6, as described above, the arm 10 may linearly move along the longitudinal direction in parallel with the first link 20 and the first link 20 connected to the rotary joint 50. A second link 30 connected to the second link 30 and a third link 40 connected to the second link 30 so as to perform a linear motion in parallel with the second link 30. .

제 2 및 제 3 링크(30)(40)의 직선운동에 의해 각 링크(30)(40)가 펼쳐지게 되면 아암(10)은 최장 길이로 신장되며, 제 2 및 제 3 링크(30)(40)의 직선운동에 의해 각 링크(20)(30)(40)들이 서로 적층되면 아암(10)은 최단 길이로 수축되게 된다. 이와 같이, 아암(10)의 길이를 조절함으로써 햅틱 장치(1)를 사용하는 경우에는 아암(10)을 신장시켜서 사용하게 되며, 햅틱 장치(1)를 사용하지 않는 경우에는 아암(10)을 수축시켜서 컴팩트하게 수납할 수 있게 된다. When the links 30 and 40 are unfolded by the linear movement of the second and third links 30 and 40, the arm 10 extends to the longest length, and the second and third links 30 and 40 are used. When the links 20, 30 and 40 are stacked on each other by the linear motion of the arm 10, the arm 10 is contracted to the shortest length. As such, when the haptic device 1 is used by adjusting the length of the arm 10, the arm 10 is extended and used, and when the haptic device 1 is not used, the arm 10 is contracted. It can be stored compactly.

본 발명에서, 제 1, 제 2 및 제 3 링크(20)(30)(40)들은 LM 가이드(Linear Motion Guide)와 같은 직선 커플링 기계장치에 의해 서로 연결되어 직선운동을 하게 된다. 구체적으로, 서로 접촉하는 각 링크(20)(30)(40)의 양측부에는 레일(22)(32)(42)이 돌출 형성되며, 레일(22)(32)(42)과 대향하는 각 링크(20)(30)(40)의 일측면에는 러닝블럭(running block)(23)(33)(34)(44)이 돌출 형성된다. 러닝블럭(23)(33)(34)(44)에는 레일(22)(32)(42)에 대응하는 홈(37)(47)이 형성되어, 러닝블럭(23)(33)(34)(44)의 홈(37)(47)에 레일(22)(32)(42)이 삽입되어 직선운동을 하게 된다. 홈(37)(47)의 내부에는 베어링(미도시)이 설치되어, 레일(22)(32)(42)과의 마찰을 줄이는 역할을 하게 된다. 이러한 LM 가이드는 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 기술을 채택하여 사용하므로, 더 이상 자세한 설명은 생략하겠다. 본 발명에서는 LM 가이드와 같은 직선 커플링 기계장치를 채택하였지만, 이러한 직선운동장치는 이에 한정되지는 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절한 수단이 채택될 수 있다. In the present invention, the first, second and third links 20, 30 and 40 are connected to each other by a linear coupling mechanism such as an LM guide (Linear Motion Guide) to make linear motion. Specifically, rails 22, 32, 42 are protruded from both sides of each of the links 20, 30, 40 in contact with each other, the angles facing the rails 22, 32, 42 Running blocks 23, 33, 34, 44 are protruded from one side of the links 20, 30, 40. The running blocks 23, 33, 34, 44 are formed with grooves 37, 47 corresponding to the rails 22, 32, 42, and the running blocks 23, 33, 34. Rails 22, 32, and 42 are inserted into the grooves 37, 47 of the 44 to perform a linear motion. Bearings (not shown) are installed in the grooves 37 and 47 to reduce friction with the rails 22 and 32 and 42. Since the LM guide adopts a technique known in the art to which the present invention pertains, a detailed description thereof will be omitted. Although the present invention employs a linear coupling mechanism such as an LM guide, such linear motion device is not limited thereto, and an appropriate means may be adopted by those skilled in the art to which the present invention pertains.

한편, 제 1, 제 2 및 제 3 링크(20)(30)(40)의 양단부에는 다수개의 풀리(25)(25')(26)(26')(35)(35')(36)(36')(45')가 회전 가능하게 설치된다. 도면에는 제 1 및 제 2 링크(20)(30)에 두 쌍의 풀리(25)(25')(26)(26')(35)(35')(36)(36')가 설치되고, 제 3 링크(40)에 하나의 풀리(45')가 설치된 것으로 도시되었지만, 풀리의 숫자는 이에 한정되지 않으며, 링크의 개수에 따라 적절한 개수의 풀리가 설치될 수 있다. Meanwhile, a plurality of pulleys 25, 25 ', 26, 26', 35, 35 'and 36 are provided at both ends of the first, second and third links 20, 30 and 40. 36 'and 45' are rotatably installed. In the figure, two pairs of pulleys 25, 25 ', 26, 26', 35, 35 ', 36' and 36 'are installed in the first and second links 20 and 30. Although one pulley 45 'is installed on the third link 40, the number of pulleys is not limited thereto, and an appropriate number of pulleys may be installed according to the number of links.

도면에서 설명되지 않은 참조부호 29와 39는 각각 구동벨트와 고정벨트를 나 타내며 이후에 상세히 설명된다.Reference numerals 29 and 39, which are not described in the drawings, represent the driving belt and the fixing belt, respectively, and are described in detail later.

도 7은 아암(10)을 형성하는 제 2 링크(30)의 확대사시도이다.7 is an enlarged perspective view of the second link 30 forming the arm 10.

도 7을 참조하면, 링크(30)는 골격을 형성하는 프레임(31)과 프레임(31)의 양단부에 회전 가능하게 설치된 다수개의 풀리(35)(35')(36)(36')를 포함한다. 프레임(31)은 링크(30)의 길이를 고려하여 적절한 강도를 갖도록 제작된다. 풀리(35)(35')(36)(36')들은 프레임(31)의 양단부에 아암(10)의 직선운동방향과 수직한 방향을 축으로 회전 가능하도록 설치된다. Referring to FIG. 7, the link 30 includes a frame 31 forming a skeleton and a plurality of pulleys 35, 35 ′, 36, 36 ′ rotatably installed at both ends of the frame 31. do. The frame 31 is manufactured to have an appropriate strength in consideration of the length of the link 30. The pulleys 35, 35 ′, 36, 36 ′ are provided at both ends of the frame 31 such that the pulleys 35, 35 ′, 36, 36 ′ are rotatable in a direction perpendicular to the linear movement direction of the arm 10.

도 8a는 아암(10)의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 8A is a diagram schematically showing the structure of the arm 10.

도 8a를 참조하면, 전술한 바와 같이, 각 링크(20)(30)(40)의 양단부에는 다수개의 풀리(25)(25')(26)(26')(35)(35')(36)(36')(45)(45')가 회전 가능하게 설치된다. 한편, 도 6에서는 제 3 링크(40)의 선단부에는 풀리(45)가 없는 것으로 도시되었지만, 도 8a 내지 8c에서는 설명의 편의를 위해 도시하였다. 각 링크(20)(30)(40)는 도면에서 굵은 실선으로 표현된 LM 가이드와 같은 직선 커플링 기계 장치(16)에 의해 서로 연결된다. 도면에서 회색으로 표시된 상부 풀리(25)(25')(35)(35')(45)(45')에는, 후술하는 바와 같이, 제 2 및 제 3 링크(30)(40)가 연동하여 직선운동을 하도록 하는 케이블(도 8b 참조)(21)(21')이 설치된다. 하부에 설치된 구동풀리(26)(26')(36)(36')에는 후술하는 구동벨트(29)와 고정벨트(39)가 걸어져서 제 2 및 제 3 링크(30)(40)가 직선운동을 하게 한다.Referring to FIG. 8A, as described above, a plurality of pulleys 25, 25 ′, 26, 26 ′, 35, 35 ′ (at both ends of each link 20, 30, 40) ( 36, 36 ', 45 and 45' are rotatably installed. Meanwhile, in FIG. 6, the front end of the third link 40 is illustrated as not having the pulley 45, but FIGS. 8A to 8C are illustrated for convenience of description. Each link 20, 30, 40 is connected to each other by a linear coupling mechanism 16, such as an LM guide, represented by a thick solid line in the figure. In the upper pulleys 25, 25 ', 35, 35', 45 and 45 ', which are grayed out in the drawing, as described later, the second and third links 30 and 40 are interlocked. Cables (see Fig. 8B) 21 and 21 'for linear motion are provided. The driving belt 29 and the fixing belt 39, which will be described later, are hooked to the driving pulleys 26, 26 ', 36 and 36' provided at the lower side so that the second and third links 30 and 40 are straight. Have exercise.

도 8b에는 제 2 및 제 3 링크(30)(40)가 연동하여 직선운동을 하도록 하는 케이블(21)(21')의 연결 상태가 나타나 있다.8B shows a connection state of the cables 21 and 21 ′ which allow the second and third links 30 and 40 to interlock and make a linear movement.

만약 각 링크(20)(30)(40)가 서로에 대해서 독자적인 직선운동을 할 수 있는 상태로 연결되어 있다면, 각 링크에는 독자적인 구동장치가 필요하게 되어 전체 중량이 훨씬 무거워진다. 이에 따라 사용자가 착용하는 경우에 작동이 불편할 뿐만 아니라, 이동이 매우 힘들어진다. 또한, 각 링크가 독자적으로 움직이게 되므로 햅틱 장치의 정확한 조작 및 제어가 그만큼 힘들게 된다. 따라서, 각 링크가 연동하여 직선운동을 하게 함으로써, 구동장치의 개수를 줄이고 더욱 정확한 조작 및 제어가 가능하게 된다. If each link 20, 30, 40 is connected in a state capable of independent linear movement with respect to each other, each link requires its own driving device, so that the total weight is much heavier. Accordingly, when the user wears, not only the operation is inconvenient, but also the movement becomes very difficult. In addition, since each link moves independently, it is difficult to precisely control and control the haptic device. Therefore, by allowing each link to move in a linear motion, the number of driving devices can be reduced and more accurate operation and control are possible.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 3개의 링크(20)(30)(40)가 서로 연결되어 아암(도 6 참조)(10)을 형성하며, 제 1 및 제 2 케이블(21)(21')에 의해 연동하는 직선운동을 구현하게 된다. In a preferred embodiment of the present invention, the three links 20, 30, 40 are connected to each other to form an arm (see FIG. 6) 10, and to the first and second cables 21, 21 '. By doing this, the linear motion is interlocked.

도 8b를 참조하면, 제 1 케이블(21)의 일단부는 제 1 링크(20)의 말단부(20a)의 측부에 고정된다. 제 1 케이블(21)의 타단부는 제 1 링크(20)의 말단부(20a)에 설치된 풀리(25')를 감싸면서, 제 1 링크(20)와 제 2 링크(30) 사이를 관통하여 지나게 된다. 제 2 링크(30)의 선단부(30b)에 이르게 되면, 제 2 링크(30)의 선단부(30b)에 설치된 풀리(35)를 다시 감싸면서, 제 2 링크(30)와 제 3 링크(40) 사이를 관통하게 된다. 이러한 방법에 의해 제 1 케이블(21)의 타단부는 제 3 링크(40)의 말단부(40a)에 설치된 풀리(45')를 감싸면서 제 3 링크(40)의 말단부(40a)의 측부에 고정된다. Referring to FIG. 8B, one end of the first cable 21 is fixed to the side of the distal end 20a of the first link 20. The other end of the first cable 21 passes through between the first link 20 and the second link 30 while surrounding the pulley 25 'installed at the distal end 20a of the first link 20. do. When the tip 30b of the second link 30 is reached, the second link 30 and the third link 40 are wrapped again while the pulley 35 installed at the tip 30b of the second link 30 is wrapped again. It will penetrate through. In this way, the other end of the first cable 21 is fixed to the side of the distal end 40a of the third link 40 while surrounding the pulley 45 'provided at the distal end 40a of the third link 40. do.

한편, 제 2 케이블(21')은 제 1 케이블(21)이 거치지 않는 풀리(25)(35')(45)를 따라 설치된다는 점을 제외하고는, 실질적으로 제 1 케이블(21)과 동일한 방법에 의해 설치된다. 즉, 제 2 케이블(21')의 일단부는 제 1 링크(20)의 선단부(20b)의 측부에 고정된다. 제 2 케이블(21')의 타단부는 제 1 링크(20)의 선단부(20b)에 설치된 풀리(25)를 감싸면서, 제 1 링크(20)와 제 2 링크(30) 사이를 관통하여 지나게 된다. 제 2 링크(30)의 말단부(30a)에 이르게 되면, 제 2 링크(30)의 말단부(30b)에 설치된 풀리(35')를 다시 감싸면서, 제 2 링크(30)와 제 3 링크(40) 사이를 관통하게 된다. 이러한 방법에 의해 제 2 케이블(21')의 타단부는 제 3 링크(40)의 선단부(40b)에 설치된 풀리(45)를 감싸면서 제 3 링크(40)의 선단부(40b)의 측부에 고정된다. On the other hand, the second cable 21 ′ is substantially the same as the first cable 21, except that the second cable 21 ′ is installed along the pulleys 25, 35 ′, 45, which the first cable 21 does not pass through. It is installed by the method. That is, one end of the second cable 21 'is fixed to the side of the tip 20b of the first link 20. The other end of the second cable 21 ′ passes through between the first link 20 and the second link 30 while surrounding the pulley 25 installed at the tip 20b of the first link 20. do. When the end portion 30a of the second link 30 is reached, the second link 30 and the third link 40 are wrapped again while the pulley 35 'installed at the end portion 30b of the second link 30 is wrapped again. ) To penetrate between them. In this way, the other end of the second cable 21 'is fixed to the side of the tip 40b of the third link 40 while surrounding the pulley 45 installed on the tip 40b of the third link 40. do.

이렇게 제 1 및 제 2 케이블(21)(21')이 설치되면, 제 1 및 제 2 케이블(21)(21')의 길이는 항상 일정하게 고정되어 있으므로, 제 2 및 제 3 링크(30)(40)는 항상 연동하여 직선운동을 하게 된다. 구체적으로, 각 링크(20)(30)(40)가 적층된 상태에서, 제 2 링크(30)가 화살표 방향을 따라 도면에서 우측으로 이동을 하게 되면, 제 1 링크(20)와 제 2 링크(30) 사이의 제 1 케이블(21)의 경로는 길이 L만큼 늘어나게 된다. 제 1 케이블(21)의 전체 길이는 항상 고정되어 있으므로, 제 1 링크(20)와 제 2 링크(30) 사이의 제 1 케이블(21)의 경로가 L만큼 늘어나게 되면, 제 2 링크(30)와 제 3 링크(40) 사이의 제 1 케이블(21)의 경로가 길이 L만큼 짧아져야 한다. 따라서, 제 2 링크(30)와 제 3 링크(40) 사이의 제 1 케이블(21)은 경로가 길이 L만큼 짧아질 때까지 도면에서 우측으로 당겨지게 되고, 이러한 제 1 케이블(21)의 장력에 의해 제 3 링크(40)가 우측으로 길이 L만큼 이동하게 된다. 따라서, 제 2 링크(30)가 길이 L만큼 이동을 하게 되면, 제 3 링크(40)도 제 2 링크 (30)와 연동하여 길이 L만큼 이동을 하게 되며, 제 2 및 제 3 링크(30)(40)는 독자적인 운동이 아니라, 서로 연동하여 직선운동을 하게 된다. When the first and second cables 21 and 21 'are installed in this way, the lengths of the first and second cables 21 and 21' are always fixed constantly, so that the second and third links 30 40 is always linear movement in conjunction. Specifically, when the links 20, 30 and 40 are stacked, when the second link 30 moves to the right in the drawing along the direction of the arrow, the first link 20 and the second link The path of the first cable 21 between the 30 is extended by the length L. Since the entire length of the first cable 21 is always fixed, when the path of the first cable 21 between the first link 20 and the second link 30 is extended by L, the second link 30 The path of the first cable 21 between the and the third link 40 should be shortened by the length L. Therefore, the first cable 21 between the second link 30 and the third link 40 is pulled to the right in the drawing until the path is shortened by the length L, and the tension of the first cable 21 The third link 40 is moved by the length L to the right. Therefore, when the second link 30 is moved by the length L, the third link 40 is also moved by the length L in conjunction with the second link 30, the second and third links 30 40 is not a unique motion, but in a linear motion in conjunction with each other.

반대로, 각 링크(20)(30)(40)가 최대한 펼쳐진 상태에서 제 2 링크(30)가 제 1 링크(20)와 적층되는 방향, 즉 도면에서 좌측으로 이동하는 경우에는, 제 2 케이블(21')에 의해 제 3 링크(40)에 좌측으로 당기는 장력이 작용하게 되므로 역시 연동하는 직선운동을 하게 된다. On the contrary, in the case where the second link 30 is stacked with the first link 20 in the state where each link 20, 30, 40 is fully unfolded, that is, moves to the left side in the drawing, the second cable ( 21 '), the tension is pulled to the left side to the third link 40, the linear movement is also interlocked.

도 8c는 각 링크(20)(30)(40)를 구동시키는 구동장치(75)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.FIG. 8C is a diagram schematically showing the configuration of a drive unit 75 for driving each link 20, 30, 40.

전술한 바와 같이, 제 2 및 제 3 링크(30)(40)는 서로 연동하여 직선운동을 하게 되므로 독자적인 구동장치를 구비할 필요가 없으며, 하나의 링크만 구동시키게 되면, 서로 연동하여 직선운동을 하게 된다. 이에 따라, 각 링크에 별도의 구동장치를 구비하는 것보다 전체 중량이 훨씬 가벼워지며, 아암(10)의 조작 및 제어가 훨씬 용이하게 된다. As described above, the second and third links 30 and 40 do not need to have an independent driving device because they linearly interlock with each other. When only one link is driven, the second and third links 30 and 40 interlock linearly with each other. Done. This makes the total weight much lighter than having separate drives on each link, and makes the operation and control of the arm 10 much easier.

도 8c를 참조하면, 제 1 및 제 2 링크(20)(30)의 양단부의 하부에는 구동풀리(26)(26')(36)(36')가 설치된다. 제 1 링크(20)에는 직선운동을 하는 방향과 수직한 방향을 축으로 하여 구동풀리(26')를 회전시키는 제 1 엑추에이터(미도시)가 연결된다. 제 1 링크(20)의 구동풀리(26)(26') 사이에는 구동벨트(29)가 걸어져서 구동풀리(26)(26')와 연동하여 회전운동을 하게 된다. 제 1 엑추에이터(미도시)의 구동에 의해 제 1 링크(20)의 구동풀리(26)(26')가 회전을 하게 되면, 구동벨트(29)도 따라서 구동풀리(26)(26') 사이를 회전하게 된다. Referring to FIG. 8C, driving pulleys 26, 26 ′, 36, 36 ′ are installed at both ends of the first and second links 20 and 30. The first link 20 is connected to a first actuator (not shown) for rotating the driving pulley 26 'with a direction perpendicular to the linear movement direction. The driving belt 29 is engaged between the driving pulleys 26 and 26 'of the first link 20 to rotate in conjunction with the driving pulleys 26 and 26'. When the driving pulleys 26 and 26 'of the first link 20 are rotated by the driving of the first actuator (not shown), the driving belt 29 also moves between the driving pulleys 26 and 26'. Will rotate.

한편, 제 2 링크(30)의 구동풀리(36)(36') 사이에는 고정벨트(39)가 걸어지는데, 제 1 링크(20)의 구동벨트(29)와 서로 접하도록 위치하여, 구동벨트(29)에 의해서 힘을 전달받게 된다. 제 2 링크(30)의 고정벨트(39)는 제 1 링크(20)의 구동벨트(29)와 달리 회전을 하지 않으며, 양단부가 제 2 링크(30)의 일측부에 고정된다. On the other hand, between the driving pulleys 36 and 36 'of the second link 30, the fixing belt 39 is walked, and the driving belt is positioned to be in contact with each other, the driving belt, Power is transmitted by (29). The fixing belt 39 of the second link 30 does not rotate unlike the driving belt 29 of the first link 20, and both ends thereof are fixed to one side of the second link 30.

따라서, 제 1 엑추에이터(미도시)의 구동에 의해 제 1 링크(20)의 구동풀리(26)(26')가 시계방향으로 회전을 하게 되면, 구동벨트(29)도 제 1 링크(20)의 구동풀리(26)(26')와 연동하여 시계방향으로 회전을 하게 된다. 구동벨트(29)가 회전을 하게 되면, 구동벨트(29)와 접하고 있는 고정벨트(39)도 구동벨트(29)의 회전에 의해 도면에서 A화살표 방향으로 우측으로 힘을 받게 된다. 그런데, 고정벨트(39)는 회전을 하지 않도록 제 2 링크(30)에 고정되어 있으므로, 고정벨트(39)에 의해 제 2 링크(30) 전체가 도면에서 우측으로 이동을 하게 된다. 제 2 링크(30)가 이동을 하게 되면, 전술한 바와 같이 제 3 링크(40)도 따라서 직선운동을 하게 된다. Therefore, when the driving pulleys 26 and 26 'of the first link 20 are rotated in the clockwise direction by the driving of the first actuator (not shown), the driving belt 29 is also the first link 20. It rotates in a clockwise direction in conjunction with the drive pulleys 26 and 26 '. When the driving belt 29 is rotated, the fixing belt 39 in contact with the driving belt 29 is also forced to the right in the direction of the A arrow in the drawing by the rotation of the driving belt 29. By the way, since the fixing belt 39 is fixed to the second link 30 so as not to rotate, the fixing belt 39 is moved to the right side in the figure by the fixing belt 39 as a whole. When the second link 30 moves, the third link 40 also moves linearly as described above.

한편, 제 1 링크(20)에는 구동풀리(26)(26')가 회전한 각도를 측정하는 제 1 센서(미도시)가 더 포함된다. 제 1 센서(미도시)는 제 1 링크(20)의 구동풀리(26)(26')가 회전한 각도를 측정하여 제어부(도 4 참조)(80)에 신호를 전송하게 된다. 제어부(80)는 제 1 센서(미도시)의 신호에 의해 아암(도 5 참조)(10) 선단부에 설치된 손잡이(도 5 참조)(12)의 위치를 역학적으로 계산할 수 있게 된다. 즉, 전술한 바와 같이 아암(10)을 형성하는 제 2 및 제 3 링크(30)(40)는 서로 연동하여 직선운동을 하게 되므로, 제 2 링크(30)의 제 1 링크(20)에 대한 변위량과, 제 3 링크(40)의 제 2 링크(30)에 대한 변위량은 서로 동일하게 된다. 따라서, 제 1 링크(20)의 구동풀리(26)(26')의 회전각도를 측정함으로써, 제 2 및 제3 링크(30)(40)의 변위량을 계산할 수 있고, 각 링크(20)(30)(40)의 길이는 일정하게 고정되어 있으므로, 제어부(80)는 역학적인 계산을 통해 손잡이(12)의 위치를 계산할 수 있게 된다. Meanwhile, the first link 20 further includes a first sensor (not shown) for measuring an angle at which the driving pulleys 26 and 26 'are rotated. The first sensor (not shown) measures a rotation angle of the driving pulleys 26 and 26 ′ of the first link 20 to transmit a signal to the controller 80 (see FIG. 4). The controller 80 may dynamically calculate the position of the handle 12 (see FIG. 5) provided at the tip of the arm (see FIG. 5) 10 by the signal of the first sensor (not shown). That is, as described above, since the second and third links 30 and 40 forming the arm 10 are linearly interlocked with each other, the first link 20 of the second link 30 The displacement amount and the displacement amount of the third link 40 with respect to the second link 30 are equal to each other. Therefore, by measuring the rotation angles of the drive pulleys 26 and 26 'of the first link 20, the displacements of the second and third links 30 and 40 can be calculated, and each link 20 ( Since the length of 30 and 40 is fixed constantly, the controller 80 can calculate the position of the handle 12 through the dynamic calculation.

도 9a와 9b는 아암(10)에서 신호선(82)의 연결상태를 나타내는 도면이다.9A and 9B are diagrams showing the connection state of the signal line 82 in the arm 10. FIG.

도 9a와 9b를 참조하면, 신호선(82)은 제어부(도 4참조)(80)에서 연장되어 아암(10)의 선단부에 설치된 손잡이(도 5 참조)(12)에 이르게 된다. 신호선(82)은 손잡이(12)와 각 엑추에이터(미도시) 및 각 센서(미도시)에 연결되며, 신호선(82)을 통해 손잡이(12)와 각 센서(미도시)에서 센싱한 값을 제어부(80)로 전송하게 되며, 각 엑추에이터(미도시)를 제어하는 신호를 제어부(80)로부터 전송받게 된다. 9A and 9B, the signal line 82 extends from the control unit (see FIG. 4) 80 to reach a handle (see FIG. 5) 12 provided at the tip of the arm 10. The signal line 82 is connected to the handle 12, each actuator (not shown), and each sensor (not shown), and controls a value sensed by the handle 12 and each sensor (not shown) through the signal line 82. The controller 80 transmits a signal to control the actuators (not shown) from the controller 80.

도 9a를 참조하면, 신호선(82)은 제어부(도 4 참조)(80)에 그 일단부가 연결된다. 신호선(82)은 제 1 링크(20)의 말단부(20a)를 지나서 제 1 링크(20)와 제 2 링크(30)의 사이를 관통하게 된다. 제 2 링크(30)의 선단부(30b)에 이르게 되면, 제 2 링크(30)의 선단부(30b)를 감싸면서 제 2 링크(30)와 제 3 링크(40) 사이를 지나게 된다. 이러한 방식에 의해, 제 3 링크(40)의 선단부(40a)에 이르게 되면 선단부(40a)를 감싸면서 구부러져서 연장되어 제 3 링크(40)의 말단부(40b)에 설치된 손잡이(도 5 참조)(12)에 연결된다. 9A, one end of the signal line 82 is connected to a controller (see FIG. 4) 80. The signal line 82 passes through the end portion 20a of the first link 20 and passes between the first link 20 and the second link 30. When it reaches the tip portion 30b of the second link 30, it passes between the second link 30 and the third link 40 while surrounding the tip portion 30b of the second link 30. In this manner, when the tip portion 40a of the third link 40 is reached, the handle is bent while extending around the tip portion 40a (see FIG. 5) installed at the distal portion 40b of the third link 40 ( 12).

한편, 도 9b를 참조하면, 신호선(82)은 제 1 링크(20)의 말단부(20a)를 지나서 제 1 링크(20)의 일측면을 따라 연장된다. 제 1 링크(20)의 선단부(20b)에 이르 게 되면, 제 1 링크(20)의 선단부(20b)를 감싸면서 제 1 링크(20)와 제 2 링크(30) 사이를 지나게 된다. 이러한 방식에 의해, 제 2 링크(30)의 선단부(30a)에 이르게 되면 선단부(30a)를 감싸면서 연장되어 제 2 링크(30)와 제 3 링크(40) 사이를 지나게 되며, 제 3 링크(40)의 말단부(40b)에 설치된 손잡이(도 5 참조)(12)에 연결된다. Meanwhile, referring to FIG. 9B, the signal line 82 extends along one side of the first link 20 beyond the distal end 20a of the first link 20. When the tip portion 20b of the first link 20 is reached, the tip portion 20b of the first link 20 passes between the first link 20 and the second link 30 while surrounding the tip portion 20b of the first link 20. In this manner, when the tip portion 30a of the second link 30 is reached, the tip portion 30a may be extended to surround the tip portion 30a and pass between the second link 30 and the third link 40. 40 is connected to a handle 12 (see FIG. 5) provided at the distal end 40b.

도 9a와 9b의 두가지 실시예에서 신호선(82)의 길이는 각 링크(20)(30)(40)의 직선운동과 상관없이 항상 일정하게 유지된다. 즉, 신호선(82)의 길이는 각 링크(20)(30)(40)의 전체길이를 합한 길이와 동일하게 유지되는데, 이하 구체적으로 살펴본다. In the two embodiments of FIGS. 9A and 9B, the length of the signal line 82 is always kept constant regardless of the linear motion of each link 20, 30, 40. That is, the length of the signal line 82 is maintained to be equal to the sum of the total lengths of the links 20, 30 and 40, which will be described in detail below.

각 링크(20)(30)(40)가 서로 적층된 상태에서 제 2 링크(30)가 도면에서 우측으로 이동을 하게 되면, 길이 L1과 L5는 각각 제 3 링크(40) 및 제 1 링크(20)의 길이와 일치하게 된다. 또한, 제 2 및 제 3 링크(30)(40)는 서로 연동하여 직선운동을 하게 되므로, 길이 L2와 길이 L4는 서로 동일하게 된다. 따라서, 길이 L3와 L2를 더한 길이는 길이 L3와 L4를 더한 길이와 동일하게 되고, 이 길이는 제 2 링크(30)의 길이와 동일하게 된다. 따라서, 제 1 링크(20)의 말단부(20a)에서 제 3 링크(40)의 선단부(40b)까지의 신호선(82)의 길이는, 각 링크(20)(30)(40)의 직선운동에 상관없이 항상 각 링크(20)(30)(40)의 길이를 합한 길이와 동일하게 유지된다. When the second link 30 moves to the right in the drawing in the state in which each of the links 20 and 30 and 40 are stacked on each other, the lengths L1 and L5 are respectively represented by the third link 40 and the first link ( 20) to length. In addition, since the second and third links 30 and 40 are linearly interlocked with each other, the length L2 and the length L4 are equal to each other. Therefore, the length plus the lengths L3 and L2 is equal to the length plus the lengths L3 and L4, and this length is equal to the length of the second link 30. Therefore, the length of the signal line 82 from the distal end 20a of the first link 20 to the distal end 40b of the third link 40 depends on the linear motion of each link 20, 30, 40. FIG. Regardless, the length of each link 20, 30, 40 remains the same as the sum of the lengths.

이러한 신호선(82)의 길이는 각 링크(20)(30)(40)의 길이가 동일한 경우뿐만 아니라, 서로 다른 경우에도 항상 각 링크의 길이를 합한 길이와 동일하게 된다. 따라서, 각 링크의 직선운동에 상관없이 신호선의 길이를 일정하게 유지하도록 하여 신호선을 용이하게 배치할 수 있다.The length of the signal line 82 is the same as the sum of the lengths of the links, not only when the lengths of the links 20 and 30 and 40 are the same, but also when they are different. Therefore, the signal line can be easily arranged by keeping the length of the signal line constant regardless of the linear motion of each link.

도 10에는 본 발명에 따른 햅틱 장치의 작동원리를 설명하는 블록 다이어그램이 도시되어 있다. 도면의 굵은 화살표는 운동의 전달을 나타내고, 가는 화살표는 신호의 전달을 나타낸다.10 is a block diagram illustrating the operating principle of the haptic device according to the present invention. The thick arrows in the figure indicate the transmission of motion, and the thin arrows indicate the transmission of signals.

도 10에 도시된 바와 같이, 사용자는 본 발명에 따른 컴팩트한 햅틱 장치(1)의 손잡이(12)를 조작한다. 손잡이(12)를 조작함으로써, 손잡이(12)로부터 아암(10), 제 1 및 제 2 회전관절(52)(54)의 순으로 운동이 전달된다. 이때, 움직이는 아암(10)의 구동풀리(26)(26')와 제 1 및 제 2 회전관절(52)(54)의 회전 각도를 각 센서에 의해 측정하고 소정의 신호로 변환하여 제어부(80)에 전달한다. 제어부(80)는 이러한 신호를 미리 결정된 기구학적 해석 식에 대입하여 그 계산 결과를 컴퓨터(92)로 전달한다. As shown in FIG. 10, the user manipulates the handle 12 of the compact haptic device 1 according to the invention. By operating the handle 12, the movement is transmitted from the handle 12 in the order of the arm 10, the first and second rotational joints 52, 54. At this time, the rotation angles of the driving pulleys 26, 26 'and the first and second rotational joints 52, 54 of the moving arm 10 are measured by each sensor and converted into predetermined signals to control the controller 80. To pass). The controller 80 substitutes this signal into a predetermined kinematic analysis equation and transmits the result of the calculation to the computer 92.

컴퓨터(92)는 컴퓨터에서 실행되는 프로그램의 내부 상황에 맞춰 사용자와 접촉한 손잡이에 가해야 할 힘, 토크의 크기 및 방향을 정하여 제어부(80)로 전송한다. 제어부(80)는 전송된 힘이나 토크에 대한 명령을 손잡이(12)에서 재현하기 위하여, 아암(10)의 각 엑추에이터에서 발생하여야 할 토크를 미리 결정되어 있는 역학 해석식을 통해 산출한다. 제어부(80)는 산출된 토크를 추종하도록 아암(10)에 장착된 각각의 엑추에이터를 소정의 신호에 의해 제어한다. 아암(10)의 각각의 엑추에이터로부터 발생된 힘은 제 1 및 제 2 회전관절(52)(54)을 구동하고, 아암(10)의 선단부에 연결된 손잡이(12)에 전달된다. 사용자는 신체와 접촉한 손잡이(12)를 통해 컴퓨터(92)가 전달한 힘과 토크의 명령에 해당하는 힘과 토크의 크기와 방향을 느끼게 된다. The computer 92 determines the force, the magnitude and the direction of the force to be applied to the handle in contact with the user in accordance with the internal situation of the program running on the computer, and transmits it to the controller 80. The control unit 80 calculates the torque to be generated in each actuator of the arm 10 through a predetermined dynamic analysis equation in order to reproduce the command for the transmitted force or torque in the handle 12. The controller 80 controls each actuator mounted on the arm 10 by a predetermined signal so as to follow the calculated torque. The force generated from each actuator of the arm 10 drives the first and second rotary joints 52, 54 and is transmitted to a handle 12 connected to the tip of the arm 10. The user feels the magnitude and direction of the force and torque corresponding to the command of the force and torque transmitted by the computer 92 through the handle 12 in contact with the body.

도 11은 본 발명에 따른 햅틱 장치(1)의 운영방법을 도시한 순서도 이다.11 is a flowchart illustrating a method of operating the haptic device 1 according to the present invention.

도 11에서 F100은 기구부의 작동 순서, F200은 제어부의 작동 순서, 그리고 F300은 본 발명에 따른 햅틱 장치가 연결되는 컴퓨터의 작동 순서를 나타낸다.In FIG. 11, F100 denotes an operation sequence of the mechanism part, F200 denotes an operation sequence of the controller, and F300 denotes an operation sequence of a computer to which the haptic device according to the present invention is connected.

도 11에 도시된 바와 같이, 사용자는 제어부(80)를 초기화(F201)하고, 연동하는 컴퓨터(92)에서 소정의 프로그램을 실행(F301)한다. 사용자가 아암(10)의 손잡이(12)를 손으로 잡고(F101), 손잡이(12)를 움직이면 제 1 링크(20)의 구동풀리(26)(26')와 제 1 및 제 2 회전관절(52)(54)의 각도 변위가 각 센서(미도시)를 통해 측정되어(F102) 제어부(80)에 전달된다. 제어부(80)는 이러한 신호를 전달받고(F202), 기구학을 해석하여 손잡이(12)의 위치 또는 자세를 계산하며(F203), 이를 컴퓨터(92)에 전달한다(F204). 컴퓨터(92)는 이러한 신호를 입력받고(F302), 소정의 프로그램은 입력된 손잡이(12)의 위치 또는 자세를 이용하여 이에 상응하는 작업을 수행한다(F303). 컴퓨터(92)에서 실행되는 소정의 프로그램은 상황에 따라 적절한 힘과 토크를 사용자에게 제시하기 위한 명령을 제어부(80)에 출력한다(F304). 제어부(80)는 컴퓨터(92)로부터 힘 피드백 명령을 전달받고(F205), 역학 계산을 통하여 아암(10)의 각 엑추에이터(미도시)에 필요한 토크를 산출하여(F206), 이를 소정의 제어신호로 출력한다(F207). 이러한 제어신호에 따라 각각의 엑추에이터(미도시)가 구동되어 컴퓨터(92)에서 실행되는 프로그램이 출력한 힘 피드백에 해당하는 힘 및 토크가 사용자의 손에 전달된다(F103). 상기한 작업의 흐름은 컴퓨터(92)에 서 실행되는 소정의 프로그램이 종료될 때까지 반복되며, 사용자가 원하는 작업을 마치면 프로그램을 종료하고(F305), 햅틱 장치의 손잡이(12)와 접촉을 해제한다(F104).As shown in FIG. 11, the user initializes the control unit 80 (F201), and executes a predetermined program (F301) on the computer 92 to cooperate. When the user grasps the handle 12 of the arm 10 by hand (F101) and moves the handle 12, the drive pulleys 26 and 26 'of the first link 20 and the first and second rotational joints ( The angular displacements of 52 and 54 are measured via each sensor (not shown) (F102) and transmitted to the controller 80. The controller 80 receives this signal (F202), interprets the kinematics to calculate the position or posture of the handle 12 (F203), and transmits it to the computer 92 (F204). The computer 92 receives such a signal (F302), and the predetermined program uses the input position or posture of the handle 12 to perform a corresponding operation (F303). The predetermined program executed in the computer 92 outputs a command to the controller 80 for presenting an appropriate force and torque to the user according to the situation (F304). The control unit 80 receives the force feedback command from the computer 92 (F205), calculates the torque required for each actuator (not shown) of the arm 10 through dynamic calculation (F206), and a predetermined control signal. Output to (F207). According to the control signal, each actuator (not shown) is driven to transmit the force and torque corresponding to the force feedback output by the program executed in the computer 92 to the user's hand (F103). The above-described flow of work is repeated until a predetermined program executed in the computer 92 ends, and when the user finishes the desired task (F305), the contact is released from the handle 12 of the haptic device. (F104).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 컴팩트한 햅틱 장치를 사용하게 되면, 아암을 선택적으로 신장 또는 수축을 할 수 있게 되어, 아암을 신장하는 경우에는 넓은 작업공간을 가지게 되며, 아암을 수축하는 경우에는 햅틱 장치를 컴팩트하게 수납할 수 있게 된다.As described above, when the compact haptic device according to the present invention is used, the arm can be selectively stretched or contracted, and when the arm is stretched, it has a large work space and the arm contracts. The haptic device can be accommodated compactly.

또한, 본 발명에 의하면, 아암을 형성하는 각 링크가 종속적인 1자유도 직선운동을 하게 되어, 각 링크를 구동하는 별도의 구동장치가 필요치 않게 되어, 햅틱 장치 전체의 중량을 줄일 수 있게 됨으로써, 사용자가 본 발명에 따른 햅틱 장치를 착용하는 경우 용이하게 조작이 가능하며 쉽게 이동할 수 있다.In addition, according to the present invention, each link forming the arm is subjected to a linear movement of the dependent one degree of freedom, so that a separate drive device for driving each link is not necessary, thereby reducing the weight of the entire haptic device, When the user wears the haptic device according to the present invention, the user can easily operate and move easily.

또한, 본 발명에 의하면 하나의 구동장치에 의해 아암을 형성하는 각 링크를 종속적으로 구동시키게 되므로, 다수개의 링크에 대해서 하나의 센서를 이용하여 아암 선단부의 위치를 용이하게 계산해 낼 수 있다.In addition, according to the present invention, since each link forming the arm is driven by one driving device dependently, the position of the arm tip can be easily calculated using one sensor for a plurality of links.

또한, 본 발명에 의하면 각 링크의 직선운동에 관계없이 신호선의 길이를 항상 일정하게 유지할 수 있게 되어, 신호선을 더욱 용이하게 설치하는 것이 가능하다. 이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에 서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.Further, according to the present invention, the length of the signal line can be kept constant at all times irrespective of the linear motion of each link, so that the signal line can be more easily provided. In the above, certain preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. It will be possible.

Claims

In a haptic device connected to a computer,

Wearing gear that can be worn on the user's body,

One or more rotational joints rotatably connected to the wearing hole;

An arm connected to the rotary joint and selectively extending or contracting while linearly moving;

A handle installed at the tip of the arm,

A function of transmitting information about the position and orientation generated by the user by operating the handle to the computer, and a function of manipulating the arm so that the user can receive the calculation result of a predetermined force and torque from the computer Compact haptic device comprising a control unit having a.

The method of claim 1,

The arm is,

A plurality of links connected to perform a linear movement in parallel with each other,

A plurality of pulleys rotatably installed at one end or both ends of each of the links with a direction perpendicular to the direction of the linear movement as a rotation axis;

A cable disposed along the pulleys installed in the respective links to allow the respective links to interlock and perform a linear movement;

And driving means for driving one of the plurality of links to linearly move to extend or contract the arm.

The method of claim 2,

The plurality of links,

A first link connected to the rotary joint;

A second link connected to perform a linear motion along a direction parallel to the first link;

And a third link connected to the second link in a direction parallel to the second link, the third link performing a linear motion in association with the second link.

The method of claim 3,

The cable,

One end thereof is fixed to the first link, and the other end thereof is fixed to the third link via a pulley at the distal end of the first link, a pulley at the distal end of the second link, and a pulley at the distal end of the third link. With the first cable,

One end thereof is fixed to the first link, and the other end thereof is fixed to the third link via a pulley at the tip of the first link, a pulley at the distal end of the second link, and a pulley at the tip of the third link. Including the second cable,

Compact haptic device, characterized in that the third link is in linear motion in conjunction with the second link.

The method of claim 3,

The drive means,

A pair of drive pulleys rotatably installed at both ends of the first link and the second link;

A first actuator connected to one of the driving pulleys of the first link and rotating the driving pulley;

A driving belt which is engaged between the driving pulleys of the first link and rotates in association with the driving pulley,

It is fixed between the driving pulley of the second link and fixed to the contact belt in contact with the drive belt,

The compact haptic device further comprises a first sensor for measuring the angle of rotation of the drive pulley of the first link.

The method of claim 3,

The rotary joint,

First and second rotary joints having rotation axes perpendicular to each other and perpendicular to the linear direction of movement of the arm,

Second and third actuators for rotating the first and second rotary joints;

Second and third sensors for measuring the angle of rotation of the first and second rotary joint,

The handle is a compact haptic device, characterized in that the three-degree of freedom movement of the rotational movement of the center of the x-axis and z-axis and the linear movement in the y-axis direction.

The method of claim 6,

Third, fourth and fifth rotational joints interposed between the leading end of the arm and the handle and having rotational axes perpendicular to each other;

Fourth, fifth and sixth actuators for rotating the third, fourth and fifth rotary joints,

Further comprising a fourth, fifth and sixth sensor for measuring the angle of rotation of the third, fourth and fifth rotational joints,

Compact haptic device, characterized in that the handle can implement the six degrees of freedom as a whole by the rotational movement around the x-axis, y-axis and z-axis.

The method according to any one of claims 3 to 7,

One end thereof is connected to the control unit, and the other end further comprises a signal line connected to the handle via the distal end of the second link and the distal end of the third link while passing between the first link and the second link. Compact haptic device, characterized in that.

The method according to any one of claims 3 to 7,

One end thereof is connected to the control unit, and the other end further comprises a signal line connected to the handle via the distal end of the first link, the distal end of the first link, the distal end of the second link, and the distal end of the third link. Compact haptic device comprising a.