KR20070061255A - 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브및 이를 이용한 핸드 인터페이스 시스템 - Google Patents

초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브및 이를 이용한 핸드 인터페이스 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브 및 이를 이용한 핸드 인터페이스 시스템에 관한 것으로서, 손가락 관절의 절대 위치를 측정하는 초소형 절대 위치 센서를 이용하여 손가락 관절의 미소 변위를 측정하고, 이렇게 측정된 손가락 관절의 움직임을 이용하여 가상 손 모델의 움직임을 제어하여 가상 환경의 객체와 상호 작용을 하고, 또한 사용자 신체 크기에 따라 달라지는 변화 거리의 보정을 간단한 두 가지 동작에 의해 할 수 있도록 하여 가상 제품 품평 등과 같은 고품질의 가상 현실 기술에 접목하여 실제와 유사하게 제품 품평 과정을 시뮬레이션하여 제품의 결함과 오류를 사전에 발견할 수 있고, 또한 전체적으로 제품 생산 과정에서 디자인 및 설계 과정을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.
핸드 인터페이스 하드웨어, 핸드 인터페이스 소프트웨어, 초소형 절대 위치 센서

Description

초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브 및 이를 이용한 핸드 인터페이스 시스템{HAND INTERFACE DEVICE USING MINIATURIZED ABSOLUTE POSITION SENSORS, SYSTEM FOR HAND INTERFACE USING IT}
도 1은 본 발명에 의한 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템의 구성을 나타내는 도면,
도 2a는 본 발명에 의한 핸드 인터페이스 하드웨어의 구성을 나타내는 도면,
도 2b은 본 발명에 의한 초소형 절대 위치 센서의 구성을 나타내는 도면,
도 2c는 본 발명에 의한 초소형 절대 위치 센서의 작동 원리를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 의한 핸드 인터페이스 매니지먼트부의 구성을 나타내는 도면,
도 4는 본 발명에 의한 핸드 인터페이스 API의 구성을 나타내는 도면,
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100:핸드 인터페이스 하드웨어 110:핸드 인터페이스 글로브
120:센서 신호 증폭부 130:데이터 획득 장치
200:핸드 인터페이스 소프트웨어 210:핸드 인터페이스 매니지먼트
220:핸드 인터페이스 API 300:충돌처리부
400:가상환경
본 발명은 핸드 인터페이스를 이용해 가상 환경과의 상호작용을 할 수 있는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 현실 공간에서 손의 움직임을 추적하여 가상 공간의 가상 손 모델을 정교하고 세밀하게 제어하여 가상 환경과 현실 공간의 사용자가 자연스럽게 상호작용을 할 수 있는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브 및 이를 이용한 핸드 인터페이스 시스템에 관한 것이다.
핸드 인터페이스 기술은 인간의 손과 가상 환경의 각 물체들 간의 상호 작용에 관한 인터페이스 기술을 말한다. 이러한 핸드 인터페이스 기술은 기존의 시각 및 청각적 특수 효과를 보완하여 한 차원 높은 몰입감을 제공하는 인간 중심의 인터페이스 기술로 게임 및 가상 의료 분야에서 많이 사용되고 있다. 하지만 가상적 제품 생산 등의 제조품 분야에서 적용되는 사례는 전 세계적으로 미미하다.
또한, 최근에는 자동차, 선박 등의 제조 공정에서의 고비용, 저효율 문제 극복을 위하여 가상현실 기술을 적용하고 있다. 하지만, 현재까지 개발된 가상현실 기술은 단순 시각정보를 제공하는 정도의 기술이었고, 촉각기관을 이용하여 가상 공간의 물체와 상호 작용을 할 수 있는 기술에 대해서는 사용성 및 정밀도 측면에서 산업현장에서 적용하는 것이 곤란하였다.
따라서 산업 현장의 생산 프로세서를 위한 가상현실 기술 개발은 산업계에 적용할 수 있을 만큼 정밀하고 사용하기에 편리한 기술이어야 한다. 이를 위해 사용자는 마치 물체를 만지고 다루는 것처럼 느낄 수 있어야 하며, 더욱이 섬세한 손동작을 가상 공간의 물체와 상호작용할 수 있도록 하여야 한다.
그러므로 산업 현장의 생산 프로세서를 위한 가상현실 기술은 촉각기관을 이용한 고정밀 상호작용 기술로서 사용자에게 이질감이나 불편함을 주지 않으면서 사용자의 현실 공간 움직임을 정확하고 정밀하게 가상공간의 객체와 상호작용할 수 있는 기술인 사실적 핸드 인터페이스 장치의 개발이 필요하다.
이러한 핸드 인터페이스 기술에 관한 것으로 미국특허공개공보 US 2004/0164880(발명의 명칭:Wearable Data Input Device Employing Wrist and Finger Movements)는 일반적 키보드를 이용한 정보 입력을 대체할 수 있도록 손목 및 손가락 움직임을 위한 스위치형 센서를 내장하여 키 자판의 위치를 알아내는 효과를 줄 수 있으나 손가락의 정밀한 움직임을 지원하기 위해 다관절을 측정할 수 없고 또한 높은 정확도를 보장할 수 없을 뿐만 아니라 캘리브레이션 과정이 복잡한 문제가 있다.
미국특허공개공보 US 6,937,033(발명의 명칭:Position Sensor With Resistive Element)는 잘 휘어지는 저항식 센서를 손가락이나 몸의 관절에 부착하 여 움직임을 추적하는 방법으로 변위센서의 원리와 구현 방법에 관해 기술이다. 하지만, 사용자에 따른 손가락 관절의 길이나 위치, 습도, 온도 등의 변화에 강한 특성을 가지지 못해 디자인, 품평, 조립 등 실제감을 요구하는 환경에 적용할 수 없는 문제가 있다.
미국특허공개공보 US 6,701,296 (발명의 명칭:Strain-sensing Goniometers, Systems and Recognition Algorithms)는 휘어지는 저항식 센서를 사용하여 손가락에 밀착하여 손가락의 만곡시 생기는 저항 변화를 감지하여 글로브형 인터페이스에 응용할 수 있는 방법에 관한 특허로 역시 사람의 손가락 관절 길이나 위치, 습도, 온도 등의 영향을 받기 쉬운 단점이 있어 잦은 캘리브레이션 과정을 수행하여야 하는 단점이 있다.
미국특허공개공보 US 7,012,593 (발명의 명칭:Glove-type Data Input Device and Sensing Method Thereof)는 장갑을 낀 사용자의 손가락 움직임에 따른 장갑의 형태 혹은 위치의 변화와 그로 인해 적어도 하나 이상의 접촉면들에서 감지되는 압력의 정도를 감지하여 핸드폰이나 키보드의 데이터 입력을 위한 것으로 소형 단말 장치의 데이터 입력이 용이하도록 하는 장점이 있으나 제품의 가상 디자인, 품평, 조립 등을 시뮬레이션할 수 있는 높은 정확도의 손가락 움직임을 지원하지는 못하고 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것 으로서, 본 발명의 목적은 초소형 절대 위치 센서를 이용하여 손가락 관절의 절대 위치를 측정한 신호를 이용하여 가상 공간의 가상 손 모델을 제어하여 가상 공간의 객체와 상호작용할 수 있도록 하여 현실 공간의 사용자 손 움직임을 정밀하고 정확하게 가상공간의 가상 손 모델의 움직임과 자연스럽게 일치되도록 하여 현실 공간과 일치도가 높은 자연스러운 핸드 움직임 및 시각적 일치감을 지원하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브 및 이를 이용한 핸드 인터페이스 시스템을 제공하는데 있다.
한편, 본 발명의 다른 목적은 현실공간과 일치도가 높은 자연스러운 핸드 인터페이스를 지원하여 "자동차 내관 품평 시나리오"와 같은 환경에서 현실감 있는 품평을 할 수 있도록 하고 자동차 내부 공간에서 사용자가 운전대를 잡아보고, 계기판의 버튼을 눌러보고, 기어스틱을 조작하고 문 손잡이를 열어보는 등의 사실적인 가상 품평을 위한 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브 및 이를 이용한 핸드 인터페이스 시스템을 제공하는데 있다.
한편, 본 발명의 다른 목적은 손가락 관절의 절대 위치를 측정하는 초소형 절대 위치 센서를 이용하여 사용자의 손동작을 정확하게 추적하는 과정에서 사용자의 체형에 따른 설정 작업의 간단한 동작에 의해 이루어지도록 하여 보정작업을 간편하게 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브 및 이를 이용한 핸드 인터페이스 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브는 손에 장착되도록 손의 형상으로 이루어지는 글로브장치와 손가락 관절의 절대 위치를 추적하는 초소형 절대 위치 센서를 상기 글로브장치의 손가락 관절에 해당하는 위치에 복수 개 설치하여 손가락 관절의 움직임에 의한 손가락 관절의 절대 위치를 나타내는 아날로그 신호를 감지하는 센서부 그리고 상기 센서부에 의해 감지된 손가락 관절의 아날로그 신호를 입력받아 데이터의 증폭 및 필터링을 거쳐 디지털 신호로 변환하여 출력하는 데이터 획득장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 초소형 절대 위치 센서는 손가락 관절의 절대 위치에 따라 내장된 코일에 삽입되는 미세 와이어의 길이 변화에 의해 손가락 관절의 절대 위치에 관한 신호를 감지하는 것을 특징으로 하고, 상기 글로브 장치의 표면에 탈부착이 되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템은 손에 장착되는 글로브의 손가락 관절에 해당하는 위치에 손가락 관절의 절대 위치를 측정하는 초소형 절대 위치 센서를 설치하여, 각 관절의 절대 위치 신호를 감지하여 전송하는 핸드 인터페이스 하드웨어와 상기 전송된 각 관절의 절대 위치 신호를 이용하여 각 손가락 관절의 관절각을 계산하여 가상 손 모델의 움직임을 제어하고, 상기 가상 손 모델과 가상환경 객체와의 상호 작용을 제어하는 핸드 인터페이스 소프트웨어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 핸드 인터페이스 하드웨어의 초소형 절대 위치 센서는 손가락 관절의 절대 위치에 따라 내장된 코일에 삽입되는 미세 와이어의 길이 변화에 의해 손가락 관절의 절대 위치에 관한 신호를 감지하는 것을 특징으로 하고, 상기 감지된 각 관절의 절대 위치 신호를 각 관절의 디지털 신호로 변환하여 정리하는 데이터 획득장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 핸드 인터페이스 소프트웨어는 상기 각 손가락 관절의 최대, 최소 전압을 저장하고, 상기 저장된 최대, 최소 전압을 바탕으로 사용자의 임의의 관절각을 탐지할 뿐만 아니라 상기 사용자의 신체 크기에 따라 달라지는 변위 거리의 변화를 보정하는 핸드 인터페이스 매니지먼트부와 상기 전송된 각 관절의 절대 위치 신호를 이용하여 각 손가락 관절의 관절각을 계산하여 가상 손 모델의 움직임을 제어하고, 상기 가상 손 모델과 가상환경의 객체와의 상호 작용을 제어하는 핸드 인터페이스 API를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브 및 이를 이용한 핸드 인터페이스 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템은 손가락 관절의 움직임을 감지하는 장치인 핸드 인터페이스 하드웨어(100)와 감지된 손가락 관절의 움직임을 이용하여 사용자와 가상 공간의 객체가 상호작용할 수 있도록 하는 핸드 인터페이스 소프트웨어(200)를 포함하여 이루어진다.
핸드 인터페이스 하드웨어(100)는 손에 장착되는 글로브의 손가락 관절에 해당하는 위치에 손가락 관절의 절대 위치를 측정하는 초소형 절대 위치 센서를 설치하여, 각 관절의 절대 위치 신호를 감지하여 전송한다.
핸드 인터페이스 하드웨어(100)는 핸드 인터페이스 글로브(110), 센서 신호 증폭부(120) 그리고 데이터 획득 장치(130)을 포함하여 이루어진다.
핸드 인터페이스 글로브(110)는 장갑 형태의 글로브로 이루어진다. 핸드 인터페이스 글로브(110)는 사용자의 손동작에 관한 트래킹 정보를 측정하는 초소형 절대 위치 센서가 부착된다. 핸드 인터페이스 글로브(110)는 초소형 절대 위치 센서에 의해 감지된 아날로그 신호를 데이터 획득 장치(130)에 전달한다.
센서 신호 증폭부(120)는 핸드 인터페이스 글로브(110)에 의한 아날로그 신호를 증폭한다.
데이터 획득장치(130)는 초소형 절대 위치 센서에 의해 감지된 아날로그 신호를 입력받는다. 입력받은 신호는 초소형 절대 위치 센서의 개수에 해당하는 개수의 신호로 입력된다. 핸드 인터페이스 글로브(110)에 장착되는 초소형 절대 위치 센서는 손가락의 관절의 움직임을 측정하기 위한 것으로 손가락의 첫 번째, 두번째 관절의 위치에 설치된다. 따라서, 데이터 획득장치(130)는 하나의 핸드 인터페이스 글로브(110)에 10개의 초소형 절대 위치 센서가 장착되어 총 20개의 센서로부터 아날로그 신호를 입력받는다.
데이터 획득장치(130)는 20개의 센서로부터 입력된 아날로그 신호를 증폭 및 필터링 과정을 통해 원하는 레벨의 디지털 신호로 변환한다. 초소형 절대 위치 센서는 커넥터를 통하여 데이터 획득 장치(130)와 인터페이스하게 된다.
컴퓨터에서는 카드 형태의 데이터 획득 장치(130)를 이용해 입력되는 샘플링 신호를 각 센서 데이터로 표시한다. 컴퓨터는 윈도우 기반의 비쥬얼(VISUAL)C++로 설계된 운용 프로그램을 통해 각각의 초소형 절대 위치 센서로부터 데이터를 컴퓨터 상에서 운용되는 핸드 인터페이스 소프트웨어(200)에 전달한다.
핸드 인터페이스 소프트웨어(200)는 전송된 각 관절의 절대 위치 신호를 이용하여 각 손가락 관절의 관절각을 계산하여 가상 손 모델의 움직임을 제어하고, 가상 손 모델과 가상환경 객체와의 상호 작용을 제어한다.
핸드 인터페이스 소프트웨어(200)는 핸드 인터페이스 매니지먼트부(210)와 핸드 인터페이스 API(220)를 포함하여 이루어진다.
핸드 인터페이스 매니지먼트부(210)는 핸드 인터페이스 글로브(110)에 설치된 복수의 초소형 절대 위치 센서의 손가락 구부림의 전압 값을 선형 변환하기 위해 측정된 최소 전압과 최대 전압을 저장하고 각 손가락의 최대 구부림 영역을 윈도우 레지스트리에 저장하는 역할을 한다.
핸드 인터페이스 매니지먼트부(210)는 핸드 인터페이스 API(220)와는 별도로 독립적으로 존재하는 소프트웨어이다.
핸드 인터페이스 매니지먼트부(210)는 핸드 인터페이스, 장치정보, 상태 모 니터링 및 가상 핸드 모델의 디스플레이를 통한 정확한 보정 기능을 담당한다. 그리고 장치 연결 상태와 각 센서의 상태의 체크와 같은 상태를 모니터링한다.
핸드 인터페이스 매니지먼트부(210)는 사용자의 신체 크기에 따라 달라지는 변위 거리의 변화를 보정하는 기능을 수행한다. 보정하는 과정은 인터페이스 초기화 작업시 각 손가락의 정확한 초기값을 얻기 위한 두 가지 손동작에 의해 이루어진다. 간단한 두 가지 손동작은 주먹을 쥔 상태에서 엄지만을 편 동작과 손바닥을 전부 편 상태에서 엄지만을 구부린 동작이다. 이 두 동작을 통해 손가락 관절의 최소와 최대 구부림 범위의 전압 값을 구할 수 있다. 여기서 엄지 손가락과 나머지 4개의 손가락이 다른 시기에 구부려지는 이유는 주먹을 쥔 상태에서는 엄지 손가락의 정확한 최소, 최대 변위 값을 구할 수 없기 때문이다. 첫 번째 동작을 한 후 20개의 센서로부터 전달되는 전압 값과 두 번째 동작을 한 후 20개의 센서로부터 전달되는 전압 값을 레지스트리에 전부 저장한다.
이렇게 저장된 각 손가락 관절의 최소, 최대 전압 값을 바탕으로 사용자가 임의의 각도로 손가락 관절을 구부렸을 때의 관절각을 알아내지 위해 다음의 식 (1)로 계산한다.
Angle t (i) = ( V t (i)- V min (i))/( V max (i)- V min (i)) x Angle max (i)..................(1)
여기서 Anglet(i)는 i번째 관절을 사용자가 임의의 각도로 구부렸을 때의 관절각이며, Vmax(i)는 I번째 관절을 최대로 폈을 때의 전압 값이며, Vmin(i)는 I번째 관절을 최대로 구부렸을 때의 전압 값이며, 마지막으로 Anglemax(i)는 I번째 관절의 최소 최대 관절각의 범위를 말한다. Anglemax(i)는 핸드 인터페이스 매니지먼트부(210)의 GUI를 통하여 사용자가 자신의 손에 맞춰서 조정할 수 있도록 한다. 손가락 첫 번째, 두 번째 관절은 센서가 장착되어 관절 각을 직접적으로 알아내고 센서가 장착되지 않는 세 번째 관절은 손의 인체학적인 움직임 구조로부터 세 번째 관절의 각을 예측하여 알아내도록 한다. 세 번째 관절은 두 번째 관절과 거의 비슷한 각으로 같이 움직이기 때문에 두 번째 각으로 매핑하여 예측할 수 있다. 이는 센서의 개수를 최대한 줄여 충분한 데이터 대역폭의 확보와 제작 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
또한 사실적이고 정확한 핸드 인터페이스 보정 작업을 위해 가변형 피부 변형 기법을 적용하여 부드러운 관절을 표현한 가상 손 모델을 이용하여 다양한 각 방향의 뷰를 제공할 수 있는 기능이 있어 사용자가 직접 관절각을 비교하면서 세밀하게 조정할 수 있다.
핸드 인터페이스 API(220)는 전송된 각 관절의 절대 위치 신호를 이용하여 각 손가락 관절의 관절각을 계산하여 가상 손 모델의 움직임을 제어하고, 가상 손 모델과 가상환경(400)의 객체와의 상호 작용을 제어하는 기능을 한다.
핸드 인터페이스 API(220)는 가상 현실 응용 프로그램에서 핸드 인터페이스 장치를 손쉽게 통합 운용할 수 있도록 장치의 초기화 및 장치 연결, 디바이스 입출력 데이터 스트리밍을 지원한다. 핸드 인터페이스 API(220)는 각종 어플리케이션에 손쉽게 통합이 가능한 PC 기반의 라이브러리이다. 핸드 인터페이스 API(220)는 센서 초기치와 손가락 관절 범위 초기값을 레지스트리에서 로딩하고 데이터 획득 장치(130)를 통해 측정된 각 손가락 관절의 전압값을 바탕으로 손가락 관절각을 계산하는 모든 기능을 함수레벨에서 제공한다. 또한 핸드 인터페이스 API(220)는 프로그래밍 라이브러리 형태로 제공되어, 응용 프로그램에 해당되는 가상환경(400) 애플리케이션에서 함수 호출을 사용할 수 있도록 컴파일링시에 링크시켜 사용하게 된다.
도 2a는 본 발명에 의한 핸드 인터페이스 하드웨어의 구성을, 도 2b는 초소형 절대 위치 센서의 구성을, 도 2c는 초소형 절대 위치 센서의 작동 원리를 나타내는 도면이다.
핸드 인터페이스 하드웨어(100)는 손 모양의 글로브(10)와 한 손가락에 2개의 초소형 절대 위치 센서(20)를 부착(한 손에 10개의 센서 적용)하여 손 모양을 정밀하게 추적할 수 있는 하드웨어 장치이다. 핸드 인터페이스 하드웨어(100)의 초소형 절대 위치 센서(20)는 변위에 의해서 생기는 직선적인 길이 변화를 측정하는 장치이다. 그 원리는 손가락 관절의 절대 위치에 따라 코일이 내장된 고정부(24) 안으로 삽입되는 미세 와이어(22)의 길이가 달라지게 되고 와이어(22)의 삽입 길이 에 비례하여 펄스파가 인가된 코일의 파형이 변화하고 이를 계측하여 손가락 관절의 절대 변위를 측정한다. 삽입되는 와이어(22)의 길이에 따라 인가된 펄스프의 파형이 변하는 자동원리에 대해 도 2c의 회로에 나타난다.
도 2b의 초소형 절대 위치 센서(20)는 관절을 사이에 두고 고정부(24)와 이동부(21)가 글로브(10)에 설치된다. 이동부(21)의 일단에는 관절의 절대 위치에 따라 고정부(24)에 내장된 코일에 삽입되는 와이어(22)가 구비된다. 고정부(24)는 고일이 내장되어 있고, 내장된 코일 안으로 와이어(22)가 삽입되면 인가된 펄스파의 파형이 변화하는 것을 감지하여 관절의 절대위치를 감지한다. 그리고 감지된 아날로그 신호는 데이터 획득장치로 전달한다.
핸드 인터페이스 하드웨어(100)에 사용된 초소형 절대 위치 센서는 LVDT(linear variable differential transducer) 타입의 위치 센서로서 기계적 변위를 전기적 신호로 바꿔준다. LVDT는 코어의 이동으로 1차 코일에서 2차 코일에 유도되는 자속의 변화, 즉 상호 인덕턴스를 변화시키는 transducer로서 기계적, 전기적으로 분리되어 움직일 수 있는 코어의 변위에 비례하여 기계적, 전기적으로 분리되어 움직일 수 있는 코어의 변위에 비례하여 전기적 출력이 발생된다. LVDT의 출력은 코어의 입력 위치에 따라서 내부 코일에 유도전류가 발생하고 그 전류의 크기를 감지하여 이를 변형률로 환산하며 정확히 선형적인 성격을 띠게 된다.
이러한 LVDT식 절대 위치 센서는 검사 장치, 반도체 공정 장비, 로봇, 의료기기 등에 폭넓게 사용에 사용되고 있으나, 그 크기로 인해 사람의 손가락 관절을 접촉식으로 변위 측정하고자 하는 시도는 없었다. 사람의 손가락 관절의 변위 측정 가능하도록 초소형으로 제작하여 접촉식으로 장착한다면 기존의 저항이나 광학 방식의 단점인 외부 환경 변화에 따른 안정성 저하를 극복할 수 있다. 즉, 인간의 손가락 관절과 근육을 모사하여 초소형 절대 위치 센서를 관절각 측정에 직접적으로 이용하며, 이는 사용자 체형 차이가 있어도 측정값의 균일성을 보장할 수 있기 때문에 체형에 따른 별도의 설정(calibration) 작업이 불필요한 장점을 갖고 있다. 또한 4 kHz 속도의 갱신율과, 12 bit 해상도의 고정밀 추적이 가능한 성능의 LVDT식 절대 위치 센서라면 고정밀 핸드 인터페이스에 이용이 가능하다고 할 수 있다.
기존의 센싱 방법에서는 손가락 관절의 움직임을 직접 측정하는 방법이 아니기 때문에 추적의 정밀도나 효율이 떨어지며, 따라서 사용자 체형 차이에 따른 보정과정 작업시 각 관절의 비직관적인 조절값에 따라 보정을 해야 하는 단점이 있다.
하지만, 절대 위치 센서를 이용하면 직관적인 조절값에 따라 미소 변위의 측정을 하기 때문에 이론적으로 초기에 한 번의 보정 과정으로 상당기간 사용가능하다.
기존의 절대 위치 센서를 핸드 글로브 표면에 부착시 사용하는 사람의 손가락 크기에 따른 최대한의 구부림에 따라 미세 와이어의 최대 변위를 초과할 경우 와이어가 이탈할 가능성이 있다. 이러한 기존의 LVDT 센서의 단점을 보완하기 위해 파이프 내의 종단에 연질 플라스틱 수지 가이드를 연장하여 이탈 가능성을 최소화할 수 있다.
손가락의 관절을 접촉 방식으로 측정하는 경우에 와이어의 구부러짐이 발생 하며 계속적인 사용시 센서의 노후화로 인한 교체나 수리가 필요할 수 있다. 센서가 핸드 글로브 표면에 고정 부착되어 있다면 수리를 위한 분리가 어려울 수 있으므로 센서를 탈부착이 가능한 모듈로 만들어 이런 단점을 극복할 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 핸드 인터페이스 매니지먼트부의 구성을 나타내는 도면이다
핸드 인터페이스 매니지먼트부(210)은 제어부(212), 센서 보정부(211), 상태 모니터링부(213), 디스플레이부(214)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
센서 보정부(211)는 사용자의 신체 크기에 따라 달라지는 변위 거리를 보정한다. 보정은 초기화 작업시 각 손가락의 정확한 초기값을 얻기 위한 손동작에 의해 이루어진다.
상태 모니터링부(213)는 장치 연결 상태, 각 센서의 상태를 체크 하는 것과 같은 상태를 모니터링한다.
디스플레이부(214)는 가상 핸드 모델이 그래픽 화면으로 디스플레이되어 실제 핸드 인터페이스와의 정확한 매칭이 되도록 도와준다.
제어부(212)는 핸드 인터페이스 장치 정보, 상태 모니터링 및 보정 과정을 제어하는 기능을 수행하면서 센서 보정부(211), 상태 모니터링부(213) 그리고 디스플레이부(214)를 컨트롤한다.
도 4는 본 발명에 의한 핸드 인터페이스 API의 구성을 나타내는 도면이다.
핸드 인터페이스 API(220)는 가상 현실 응용 프로그램에서 핸드 인터페이스 하드웨어(100)를 손쉽게 통합 운용할 수 있도록 장치의 초기화 및 장치 연결, 디바이스 입출력 데이터 스트리밍을 지원하며, 각종 어플리케이션에 손쉽게 통합이 가능한 PC 기반의 라이브러리이다.
핸드 인터페이스 API(220)는 센서 초기치와 손가락 관절 범위 초기값을 레지스트리에서 로딩하고 데이터 획득 장치(130)를 통해 측정된 각 손가락 관절의 전압 값을 바탕으로 손가락 관절각을 계산하는 모든 기능을 함수레벨에서 제공한다. 또한, 핸드 인터페이스 API(220)는 프로그래밍 라이브러리 형태로 제공되어, 응용 프로그램에 해당되는 가상현실 애플리케이션에서 함수 호출을 사용할 수 있도록 컴파일링 시에 링크시켜 사용하게 된다.
핸드 인터페이스 API를 세부적으로 기술하면 핸드 고수준 API(450)와 핸드 장치 API(430)로 구성된다. 핸드 장치 API(430)는 핸드 인터페이스의 장치를 관리하기 위해 데이터 획득 장치 및 센서 데이터의 초기화 등을 수행하여 올바른 장치의 기동을 보장한다. 장치 제어 모듈(431)은 데이터 획득 장치로부터의 핸드 인터페이스 센서 데이터들을 버퍼로부터 가져오는 역할을 하며 원하는 상하한값의 저항값과 해상도로 가져올 수 있게 한다.
핸드 고수준 API(450)은 가상 그래픽 모델 데이터를 씬그라프(451) 구조로 로딩하여 실시간 충돌을 위한 계층적 충돌 탐색 기법을 지원한다.
씬그라프 모듈(451)에서는 핸드 장치 API(430)에서 손 트래킹 정보를 입력 받아 가상 손 모델 및 가상 환경 모델 제어를 위한 변환 매트릭스를 업데이트 한다. 가상 손 모델 제어는 인체학 기반의 손가락 움직임 실측값의 보정이 수행되며, 충돌 처리 모듈은 실시간 충돌 처리 및 손동작 간의 상호작용 처리를 수행한다. 실감도를 증가시키기 위해 약 수백만 폴리곤 데이터 모델과 가상 객체 사이의 충돌 이벤트 계산을 실시간에 처리하도록 한다. 대용량 데이터 모델과의 실시간 충돌 처리를 위하여 관심이 되는 부분 객체를 미리 분류하여 실시간 작업에 필요한 계산 시간을 단축시키고 계층적 충돌 탐색 기법을 활용한다. 이러한 충돌 처리 정보를 기반으로 실 사용자와 최대한 유사한 손 모델과 움직임을 가지는 가상 손 모델의 그래픽 업데이트를 한다.
이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브 및 이를 이용한 핸드 인터페이스 시스템은 초소형 절대 위치 센서를 이용하여 사용자의 손동작을 정확하게 추적하고 현실과 유사한 3차원 가상 손 모델을 실시간으로 가상 공간에 동기화하여 사용자와 가상 공간의 객체가 정교하게 상호작용을 할 수 있도록 하여 산업계에서 요구되고 있는 가상 품평 및 가상 제품 생산 프로세서와 같은 가상 환경에서 자연스럽고 직관적인 핸드 인터페이스를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 손가락 관절의 절대 위치를 이용하여 측정하여 손가락의 움직임으로 가상공간에 동기화하기 때문에 사용자의 체형에 따른 보정작업이 간단한 동작에 의해 이루어지는 효과가 있다.

Claims (14)

  1. 손에 장착되도록 손의 형상으로 이루어지는 글로브장치;
    손가락 관절의 절대 위치를 추적하는 초소형 절대 위치 센서를 상기 글로브장치의 손가락 관절에 해당하는 위치에 복수 개 설치하여 손가락 관절의 움직임에 의한 손가락 관절의 절대 위치를 나타내는 아날로그 신호를 감지하는 센서부;
    상기 센서부에 의해 감지된 손가락 관절의 아날로그 신호를 입력받아 데이터의 증폭 및 필터링을 거쳐 디지털 신호로 변환하여 출력하는 데이터 획득장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 초소형 절대 위치 센서는 손가락 관절의 절대 위치에 따라 내장된 코일에 삽입되는 미세 와이어의 길이 변화에 의해 손가락 관절의 절대 위치에 관한 신호를 감지하는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 초소형 절대 위치 센서는 각 손가락의 두 번째, 세 번째 관절의 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글 로브.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 초소형 절대 위치 센서는 상기 글로브의 표면에 탈부착이 되는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 글로브.
  5. 손에 장착되는 글로브의 손가락 관절에 해당하는 위치에 손가락 관절의 절대 위치를 측정하는 초소형 절대 위치 센서를 설치하여, 각 관절의 절대 위치 신호를 감지하여 전송하는 핸드 인터페이스 하드웨어;
    상기 전송된 각 관절의 절대 위치 신호를 이용하여 각 손가락 관절의 관절각을 계산하여 가상 손 모델의 움직임을 제어하고, 상기 가상 손 모델과 가상환경 객체와의 상호 작용을 제어하는 핸드 인터페이스 소프트웨어를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 핸드 인터페이스 하드웨어의 초소형 절대 위치 센서는 손가락 관절의 절대 위치에 따라 내장된 코일에 삽입되는 미세 와이어의 길이 변화에 의해 손가락 관절의 절대 위치에 관한 신호를 감지하는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 핸드 인터페이스 하드웨어는 상기 감지된 각 관절의 절대 위치 신호를 각 관절의 디지털 신호로 변환하여 정리하는 데이터 획득장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 핸드 인터페이스 소프트웨어는
    상기 각 손가락 관절의 최대, 최소 전압을 저장하고, 상기 저장된 최대, 최소 전압을 바탕으로 사용자의 임의의 관절각을 탐지할 뿐만 아니라 상기 사용자의 신체 크기에 따라 달라지는 변위 거리의 변화를 보정하는 핸드 인터페이스 매니지먼트부;
    상기 전송된 각 관절의 절대 위치 신호를 이용하여 각 손가락 관절의 관절각을 계산하여 가상 손 모델의 움직임을 제어하고, 상기 가상 손 모델과 가상환경의 객체와의 상호 작용을 제어하는 핸드 인터페이스 API를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 핸드 인터페이스 매니지먼트부의 보정하는 과정은 각 손가락 관절의 최대, 최소 전압을 설정하는 간단한 두 가지 동작에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 간단한 두 가지 동작은 각 손가락 변위 거리를 정확하게 측정하기 위한 동작으로 엄지 손가락를 편 상태에서 주먹을 쥔 동작과 엄지 손가락를 굽힌 상태에서 손을 편 동작인 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 핸드 인터페이스 매니지먼트부의 보정하는 과정은 가변형 피부 변형기법을 적용하여 부드러운 관절을 표현한 가상 손 모델을 이용하여 사용자가 직접 관절각을 비교하면서 조정하는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 핸드 인터페이스 API의 상기 가상 손 모델과 상기 가상 환경 객체와의 상호 작용은 상기 가상 손 모델과 상기 가상 환경 객체와의 충돌 처리를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 충돌 처리는 수백만 폴리곤 데이터 가상 손 모델과 가상 환경 객체 사 이의 충돌 이벤트 계산에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 충돌 처리는 계층적 충돌 탐색 기법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소형 절대 위치 센서를 이용한 핸드 인터페이스 시스템.
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