KR20100058836A

KR20100058836A - 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20100058836A
Application number: KR1020080117390A
Authority: KR
Inventors: 양태헌; 권동수; 이승섭; 권혁준; 안진웅
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2010-06-04
Also published as: KR100968904B1

Abstract

본 발명은 햅틱피드백 제공장치와 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피부감각과 근감각을 동시에 제공하여 실제 물체를 만지는 것과 동일한 촉감을 제공할 수 있는 햅틱제공장치와 그 제어방법에 관한 것이다. 이를 위해, 미세진동을 발생시켜 사용자에게 피부감각을 제공하는 피부감각수단; 피부감각수단의 하부에 구비되고, 두개의 면 사이에 발생하는 전단력의 변화 또는 유체의 강성변화를 이용하여 사용자에게 근감각을 제공하는 근감각수단; 피부감각수단과 상기 근감각수단에 전기를 인가하는 전원수단; 및 물체의 촉감정보에 기초하여 피부감각수단과 근감각수단에 인가되는 전기를 제어하는 제어수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치와 그 제어방법을 제공한다.

피부감각, 근감각, 햅틱, 제어

Description

피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치 및 그 제어방법{Haptic feedback providing device and control method thereof}

본 발명은 햅틱피드백 제공장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피부감각과 근감각을 동시에 제공하여 실제 물체를 만지는 것과 동일한 촉감을 제공할 수 있는 햅틱피드백 제공장치와 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 물체를 만질때, 사람의 핑거팁(손가락 끝 또는 스타일러스 펜)으로 느낄 수 있는 촉각적 감각은, 피부가 물체 표면에 닿아서 느끼는 촉감 피드백(Tactile feedback)과 관절과 근육의 움직임이 방해될 때 느껴지는 근감각 힘 피드백(Kinesthetic force feedback)이 있다. 본 명세서에서 "햅틱 피드백"은 촉감 피드백과 근감각 힘 피드백을 포괄하는 개념이다.

사람의 감각수용기로서, 기계적 자극의 수용기로는 고주파의 진동을 감지하는 파치니언 소체(Pacinian corpuscle), 저주파의 진동을 감지하는 마이스너 소체(Meissner's corpuscle), 국부적으로 누르는 압력을 감지하는 메르켈 디스크(Merkel's disc)와 피부를 눌려주는 스트레치를 감지하는 루피니 엔딩(Ruffini's ending)가 있다.

이러한 감각을 감각수용기를 자극하기 위한 다양한 촉감제시장치들로, 피에조 액추에이터, 솔레노이드 액추에이터, DC/AC 모터, 서버모터, 초음파 액추에이터, 전기활성폴리머 액추에이터등 다양한 액추에이터들이 있다. 촉감제시장치의 대표적인 예로는 모바일 디바이스에서 터치스크린의 입력에 따라 진동모터로, 진동을 발생시켜 고주파/저주파의 진동을 감지하는 파치니언/마이스너 소체를 자극하는 장치가 있다.

또한, 도 1은 이러한 감각을 제공하는 장치로서, 휴대폰(10)에 적용된 경우를 도시한 것이다. 휴대폰(10)에 적용되어 소정의 감각을 전달하는 장치로서, 종래의 기술은 사용자가 손가락(1)으로 터치하면 그에 대한 반응으로 진동만을 출력하는 방식이었다.

이러한 종래의 감각제공장치는 피부감각만을 자극하는 것으로 실제 물체를 만지는 것과는 달라 현실감이 떨어진다. 사람은 손/팔의 관절을 이용하여 일정이상의 압력으로 물체를 누르면서 문지르게 되는데, 이 때, 사람은 물체의 강성도 등을 느껴 같은 거칠기를 갖는 물질이라도 눌리는 정도에 따라 다른 거칠기를 인지하게 된다. 즉, 피부감각뿐만 아니라 근감각의 종합적인 작용에 의하여 비로소 물체 고유의 촉감을 인지할 수 있게 된다.

그리하여, 단순하게 피부에 소정의 진동을 출력하는 것에 국한되지 않은 실제 인간이 촉감을 느끼는 것과 같은 환경을 제공하는 장치의 개발이 요구되고 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 피부감각과 근감각을 동시에 제공하여 실제로 물체를 만질때 느끼는 것과 동일한 햅틱 피드백을 제공하는 장치와 그 제어방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 미세진동을 발생시켜 사용자에게 피부감각을 제공하는 피부감각수단;

피부감각수단의 하부에 구비되고, 두개의 면 사이에 발생하는 전단력의 변화를 이용하여 사용자에게 근감각을 제공하는 근감각수단;

피부감각수단과 근감각수단에 전기를 인가하는 전원수단; 및

물체의 촉감정보에 기초하여 피부감각수단과 근감각수단에 인가되는 전기를 제어하는 제어수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치에 의하여 달성가능하다.

이 경우, 근감각수단은 전기장 또는 자기장을 이용하여 전기유변유체 또는 자기유변유체의 점성을 변화시키고, 전기유변유체 또는 자기유변유체의 점성변화에 기초하여 서로 마주보는 두개의 면 사이의 전단력 변화를 발생시킴으로써 근감각을 제공할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 또다른 수단으로서, 미세진동을 발생시켜 사용자에게 피부감각을 제공하는 피부감각수단;

피부감각부수단 하부에 구비되고, 케이스에 포함되는 유체의 강성변화를 이용하여 사용자에게 근감각을 제공하는 근감각수단;

물체의 촉감정보에 기초하여 피부감각수단과 근감각수단에 인가되는 전기를 제어하는 제어수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치에 의하여도 달성가능하다.

이 경우, 근감각수단의 케이스에 포함되는 유체는 유변유체이고, 그리고 근감각수단은 유변유체의 점성변화에 기초하여 유변유체를 포함하는 케이스부의 강성을 변화시킴으로써 근감각을 제공할 수 있다.

또한, 근감각수단의 케이스에 포함되는 유체는 파라핀이고, 그리고 근감각수단은 파라핀의 상변화에 기초하여 파라핀을 포함하는 케이스부의 강성을 변화시킴으로써 근감각을 제공할 수 있다.

이러한 햅틱피드백 제공장치중 피부감각수단은 다수개의 미세돌기 간의 간격을 조절함으로써, 미세진동을 발생한다.

그리고, 피부감각수단은 사용자의 피부가 접촉하는 접촉면;과 접촉면을 진동시키는 진동소자;를 포함하여, 진동소자의 진동에 의하여 접촉면에 미세진동이 발생할도록 구성될 수 있다.

또한, 햅틱제공장치에 접촉하는 사용자의 접촉위치를 획득하는 위치획득수단;이 더 포함되고, 그리고 제어수단의 전원수단에 대한 전기제어는 접촉위치에 기초하고, 피부감각수단과 근감각수단을 국지적으로 제어할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 물체의 촉감정보에 기초하여 제어수단이 전원수단으로 제어신호를 인가하는 단계;

제어신호를 인가받은 전원수단이 피부감각수단과 근감각수단으로 전기를 인가하는 단계;

전원수단의 전기인가에 기초하여 피부감각수단이 미세진동을 발생하는 단계; 및

전원수단의 전기인가에 기초하여 근감각수단의 강성 또는 전단력이 변화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치의 제어방법에 의하여도 달성가능하다.

또한, 물체의 촉감정보는 제어수단에 미리 저장되어 있거나 외부로부터 입력받을 수 있다.

그리고, 제어신호인가단계 이전에, 위치획득수단이 사용자가 접촉하고 있는 손가락의 접촉위치를 획득하는 단계;가 더 포함되고, 그리고 제어신호인가단계는 접촉위치에 기초하여 제어신호를 인가할 수 있다.

또한, 전원인가단계에서 전원수단이 피부감각수단으로 인가하는 전기와 근감각수단으로 인가하는 전기는 서로 독립적일 수 있다.

따라서, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 단순한 진동만을 제공하는 종래와는 달리, 미세돌기간의 간격조절로 인한 피부감각자극과 유변유체의 점성변화로 인한 근감각자극을 동시에 제공하여, 실제 인간이 물체를 직접 만졌을 때 느끼는 촉감과 동일한 햅틱 피드백을 제공하는 장점이 있다.

이러한 햅틱 피드백은 촉감을 사용하는 모바일기기산업, 로봇산업 등에 다양하게 사용될 수 있는 장점이 있다.

<구성>

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 햅틱피드백 제공장치의 구성에 관하여 설명하도록 한다. 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 피부감각수단(100), 근감각수단(200), 전원수단(300), 제어수단(400) 등을 포함한다.

(피부감각수단)

피부감각수단(100)은 사용자에게 미세한 진동을 발생시켜 피부감각을 자극하는 부재이다. 피부감각수단(100)은 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치의 최상층에 구비되어 사용자의 피부를 자극함이 바람직하다. 이하에서는, 미세진동을 발생시키는 피부감각수단(100)의 일예로 미세돌기를 이용하는 경우와 진동소자를 이용하는 경우에 대하여 설명한다.

①피부감각수단-제1실시예

도 3a은 미세돌기를 사용하여 진동을 일으키는 피부감각수단의 정면도이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 피부감각수단은 밴드 형상으로, 미세돌기(112)가 다수개 형성되어 있으며, 다수개의 미세돌기(112)의 가장자리에는 미 세돌기 간의 간격을 조절할 수 있는 간격조절부(114a)가 구비되어 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 사용자의 손가락(1)이 미세돌기(112)에 접촉하는 경우 미세돌기(112)가 소정의 주파수로 진동함으로써 사용자의 피부감각이 자극된다.

간격조절부(114a)는 전원수단(300)의 전기인가에 의하여 길이가 줄었다 늘었다 할 수 있는 소재로 구성될 수 있으며, 그 일예로 형상기억합금이 있다. 형상기억합금으로 이루어진 간격조절부(114a)로 전기가 인가되면서 소정의 열이 발생하면, 열에 의해 형상기억합금은 수축한다. 간격조절부(114a)가 하우징(미도시)에 고정된 상태이므로, 형상기억합금의 수축에 따라 미세돌기(114) 간의 간격이 넓어진다.

미세돌기(112) 간의 간격변화가 용이하도록 미세돌기(112)는 신축성있는 재질(예, 고무, 고분자 폴리머)로 구성됨이 바람직하다.

②피부감각수단-제2실시예

도 4는 미세돌기를 사용하여 진동을 일으키는 피부감각수단의 분해사시도로서, 본 실시예의 경우도 피부감각수단은 다수개의 미세돌기(112)를 포함한다. 앞서설명한 피부감각수단의 제1실시예의 경우에 간격조절부(114a)가 다수개의 미세돌기(112) 가장자리에 구비되는 것과 달리, 본 실시예의 경우 간격조절부(114b)는 미세돌기(112)의 하부에 구비될 수 있다.

간격조절부(114b)는 전기활성폴리머(Electroactive Polymer) 등으로 구성되는 폴리머 액추에이터를 사용할 수 있으며, 전기활성폴리머의 일예로 폴리우레탄과 아크릴 고무 등의 유전성 탄성체(115: Dielectric Elastomer)가 있다. 유전성 탄성 체(115)의 경우 응답속도와 에너지 효율의 면에서, 본 발명에 따른 햅틱피드백 제공장치가 휴대기기 등에 사용될 때 유리하다.

간격조절부(114b)는 도 4에 도시된 바와 같이, 유전성 탄성체(115)로 이루어지며, 유전성 탄성체(115)에는 전원수단(300)에 의한 전기가 인가되는 전극(116)이 형성되어 있다. 전원수단(300)으로부터 전극(116)에 전기가 인가되면, 유전성 탄성체(115)로 이루어진 간격조절부(114b)는 길이가 늘어난다. 간격조절부(114b)가 늘어나면서 간격조절부(114b)의 상부에 부착된 미세돌기(112) 간의 간격도 멀어진다. 이러한 미세돌기(112) 간의 간격변화는 간격이 변화되기 전의 피부자극과는 다른 피부자극을 사용자에게 제공한다.

본 실시예의 경우도, 미세돌기(112)는 간격조절부(114b)에 의하여 미세돌기 (112)간의 간격변화가 용이하도록 신축성 있는 재질로 구성됨이 바람직하다.

③피부감각수단-제3실시예

본 실시예에 따른 진동소자를 이용하여 미세진동을 발생시키는 피부감각수단은 사용자의 손가락(1)이 접촉하는 접촉면(120)과 진동소자(130)로 구성된다. 진동소자(130)는 접촉면(120)의 하부에 구비되어 미세진동을 발생시킨다. 진동소자(130)의 진동에 따라 진동소자(130)의 상부에 구비되는 접촉면(120)이 미세하게 진동함으로써 사용자의 피부감각을 자극한다. 진동소자(130)는 접촉판(120)의 하부에 적어도 하나 구비된다.

진동소자(130)로는 진동모터, 다양한 구성의 액추에이터 등이 사용될 수 있는바, 그 진동소자(130)의 구성별 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

도 5a는 솔레노이드형 액추에이터를 이용하여 미세진동을 발생시키는 피부감각수단의 제3실시예의 분해사시도이고, 도 5b는 도 5a에서 하우징(134)이 제거된 상태의 측면도이고, 도 5c는 도 5b의 단면도이다. 접촉면(120)의 하부에 구비되는 진동소자(130a)는 영구자석(132), 하우징(134)과 코일부(136), 바닥커버(138) 등으로 구성된다. 전원수단(300)의 전기인가에 의하여 코일부(136)에 전원이 인가되면, 코일부(136)는 전자석이 되어 영구자석(132)에 대하여 인력 또는 척력을 유발한다. 따라서 영구자석(132)은 코일부(136)의 내부로 진입하거나 외부로 빠져나가려 한다. 영구자석(132)의 이러한 상하방향으로의 변위에 의하여 영구자석(132)과 결합된 접촉면(120)이 미세하게 진동하고, 접촉면(120)의 미세진동은 사용자의 피부감각을 자극한다.

도 6은 압전층(146)을 이용하여 미세진동을 발생시키는 피부감각수단의 제4실시예의 사시도이다. 본 실시예에 따른 진동소자(130b)는 판스프링(142), 압전층(146)과 금속판(144) 등으로 구성된다. 접촉면(120)의 하부에는 판스프링(142)이 부착되어 있다. 판스프링(142)은 압전층(146)과 금속판(144)의 진동을 증폭하여 접촉면(120)을 진동시키는 역할을 한다. 압전층(146)은 얇은 띠형상으로 피에조, Pb(ZrTi)O₃ 같은 물질로 이루어진다. 따라서, 전원수단(300)에 의하여 전기가 인가되면 진동이 발생되며, 이를 위하여 압전층(146)의 양단에 전극(148)이 연결되어 있다. 금속판(144)은 압전층(146)과 판스프링(142) 사이에 구비되어, 압전층(146)의 형태를 유지시키고 판스프링(142)에 진동을 전달하는 역할을 한다.

도 7은 도 5a 내지 도 5c에서 설명한 진동소자(130a)에 판스프링이 더 구비된 진동소자(130a')와 도 6을 통하여 설명한 진동소자(130b)가 혼재되어 구비된 경우의 사시도이다. 앞서 설명한 바와 같은 다양한 진동소자(130) 단일종류가 복수개 구비되는 경우뿐만 아니라 다른 종류의 진동소자가 혼재되어 사용될 수 있다.

(근감각수단)

근감각수단(200)은 피부감각수단(100)의 하부에 구비되어, 사용자에게 근감각을 제공한다. 근감각수단(200)은 전단력을 이용하거나 강성의 변화를 이용할 수 있다. 이하에서는 이러한 근감각수단의 실시예별로 설명한다.

①근감각수단-제1실시예

도 8a는 자기장을 이용하여 전단력의 변화를 유도하는 근감각수단의 분해사시도이다. 본 실시예에 따른 근감각수단은 이중막으로 구성된 케이스부(212), 이중막 사이에 구비되는 자기유변유체(214), 자기유변유체(214)에 침전되는 침전막(216a)이 구비되는 상층부(216)와 자기유변유체(214)의 점성을 변화시키는 코일부(218)로 구성된다.

자기유변유체(214: Magneto-Rheological Fluid, MRF)는 자기장의 세기에 따라 점성이 변하는 유체이다. 즉, 자기유변유체(214)는 자기장이 없을 때는 낮은 점성상태이다가 자기장에 인가되었을 때 딱딱하게 굳은 것과 같은 높은 점성상태로 변하게 된다. 즉, 자기유변유체(214)는 인가된 자기장의 영향하에 입자들이 자기장 방향으로 사슬모양의 구조로 배열하기 때문에 점도가 급격히 증가한다. 자기유변유 체(214)는 인가되는 자기장의 세기에 비례하여 점도가 증가하는 것이다. 자기유변유체(214)는 높은 인장성과 낮은 점성, 강성, 안정성 및 넓은 온도 편차 등의 장점을 가지고 있어서 햅틱 분야에 적용이 적합하다.

전원수단(300)에 의하여 본 실시예에 따른 근감각수단(200)의 코일부(218)로 전기가 인가되면, 코일부(218)에서는 자기장이 유도된다. 자기장에 의하여 자기유변유체(214)는 점성이 커져, 도 8b에 도시된 바와 같은 방향으로 상층부(216)를 회전시키려해도 점성이 증가된 자기유변유체(214)에 의하여 침전막(216a)의 회전이 어렵다. 즉 침전막(216a)과 케이스부(212)의 이중막 중 외부막 사이에 전단력이 발생함으로써, 상층부(216)를 회전시키려는 사용자에게 근감각이 제공된다.

전기유변유체(Electro-Rheological Fluid, ERF)는 전기장의 세기에 따라 점성이 변하는 유체이다. 즉, 전기유변유체는 절연성의 유체에 분극성이 강한 미립자를 분산시킨 현탁액으로서, 전기장이 없을 때는 낮은 점성상태이다가 전기장에 인가되었을 때 딱딱하게 굳은 것과 같은 높은 점성상태로 변하게 된다. 즉, 전기유변유체는 인가된 전기장의 영향하에 입자들이 전기장 방향으로 사슬모양의 구조로 배열하기 때문에 점도가 급격히 증가하는 것이다. 전기유변유체는 인가되는 전기장의 세기에 비례하여 점도가 증가하는 것이다. 전기유변유체는 높은 인장성과 낮은 점성, 강성, 안정성 및 넓은 온도 편차 등의 장점을 가지고 있어서 햅틱 분야에 적용이 적합하다.

따라서, 본 실시예에서, 자기유변유체(214)를 전기유변유체로 구성하는 경우 코일부(218)는 전극으로 대체되어 사용될 수도 있음은 물론이다.

②근감각수단-제2실시예

도 9는 자기장을 이용하여 전단력의 변화를 유도하는 근감각수단의 제2실시예에 따른 사시도이다. 본 실시예에 따른 근감각수단(300)은 회전판(225)의 측면에 구비되는 다수개의 영구자석(224)과 회전판(225)의 양측에 구비되는 솔레노이드(222)를 포함한다.

솔레노이드(222)에 아무런 전기가 인가되지 않아 자기장이 형성되지 않은 경우에 사용자가 손가락(1)을 이용하여 회전판(225)을 회전시키려고 할 때, 회전판(225)은 아무런 제약없이 회전가능하다. 그러나 전원수단(300)의 전기인가에 의하여 솔레노이드(222)에 전기가 인가되어 회전판(225)의 양단에 구비된 솔레노이드(222) 간에 자기장이 발생하면, 회전판(225)의 측면에 형성된 영구자석(224)과 자기장의 상호작용에 의하여 회전판(225)의 회전이 어렵다. 즉, 솔레노이드(222)와 회전판(225)이 마주보는 두 면 사이에 전단력이 발생하는 것으로서, 이러한 방식으로 사용자에게 근감각을 제공한다.

③근감각수단-제3실시예

도 10a는 전기유변유체의 강성변화를 이용하여 근감각을 제공하는 근감각수단의 사시도이고, 도 10b는 분해사시도이며, 도 10c는 도 10a의 A-A선의 단면도이다. 본 실시예에 따른 근감각수단(300)은 케이스부(232), 전기유변유체(235)가 드나들 수 있는 유동홀(234a)이 형성된 중간층(234), 유동홀(234a)에 전기장을 형성하는 전극(236), 유동홀(234a)을 통과한 전기유변유체(235)를 수용하는 수용막(238)과 수용홀(239a)이 형성된 하부지지층(239) 등을 포함한다. 도 10c에 도시 된 바와 같이, 전극(236)은 유동홀(234a)에서 (+)전극과 (-)전극이 소정의 간격 이격되어 교차되도록 구비된다. 전원수단(300)에 의하여 전극(236)에 전기가 인가되면 (+)전극과 (-)전극 사이에서 전기장이 발생한다.

전기장이 발생하지 아니한 경우에 도 10d에 도시된 바와 같은 근감각수단(300)에 사용자가 손가락(1)으로 케이스부를 누르면, 전기유변유체(235)는 도 10e에 도시된 바와 같이 유동홀(234a)을 통과하여 수용막(238)에 저장된다. 그러나 전극(236)에 전기가 인가되어 유동홀(234a)에 전기장이 형성되면, 유동홀(234a) 근처의 전기유변유체(235)의 점성이 증가한다. 따라서, 유동홀(234a)을 통과하는 전기유변유체(235)의 양이 현저히 줄어들어, 사용자가 손가락(1)으로 케이스부(232)를 누르더라도 케이스부(232)가 눌리는 정도에 큰 차이가 발생한다. 이러한 방식으로 사용자의 근감각을 자극한다.

본 실시예에서, 전기유변유체(235) 대신에 자기유변유체를 사용하는 경우, 전극(236)은 자기장을 발생시키는 코일부로 대체되어 구성될 수 있음은 물론이다.

④근감각수단-제4실시예

도 11 a는 파라핀을 이용하여 강성변화를 제공하는 근감각수단의 제4실시예에 따른 단면도이다. 본 실시예의 경우, 근감각수단(300)은 케이스부(242)와 케이스부(242)의 내부에 포함되는 파라핀(243), 파라핀(243)에 열을 공급하는 히터부 (245)등을 포함한다. 전원수단(300)의 전기인가에 의하여 히터부(245)는 소정의 열을 발생시킨다. 히터부(245)로는 마이크로 히터를 사용할 수 있다. 히터부(245)에서 발생한 열에 의하여 파라핀(243)은 상변화를 일으키고, 파라핀(243)이 액화되는 경우, 케이스부(242)는 액화된 파라핀(243)에 의하여 도 11b와 같이 손가락(1)에 의한 눌림이 좋다.

⑤근감각수단-제5실시예

도 12a는 자기유변유체를 이용하여 강성변화를 제공하는 근감각수단의 제5실시예에 따른 사시도이고, 도 12b는 유체관(250)의 단면도이다. 본 실시예에 따른 근감각수단(300)은 내부에 자기유변유체(252)를 포함하는 다수개의 유체관(250), 유체관(250)이 구비되는 케이스부(258), 유체관(250)의 외주면을 따라 감긴 코일부(254) 등을 포함한다. 사용자가 손가락(1)을 사용하여 케이스부(258)를 누르면, 유체관(250)을 감싸는 코일부(254)에는 전기가 인가되지 않았기 때문에 자기유변유체(252)의 점성이 매우 낮아 유연한 상태로서 눌려지게 된다. 이후, 전원수단(300)에 의하여 코일부(254)에 전기가 인가되면, 전기가 인가된 코일부(254)에서는 자기장이 유도되고, 자기장에 의하여 유체관(250)의 내부에 포함된 자기유변유체(252)는 점성이 증가한다. 이 상태에서 점성이 증가한 유체관(250)의 상부영역인 케이스부(258)를 사용자가 손가락(1)을 이용하여 누르면, 사용자는 딱딱하다는 근감각을 제공받게 된다. 도 12c는 자기장에 의하여 점성이 증가한 유체관(250')을 나타낸다.

본 실시예에서 자기유변유체(252) 대신에 전기유변유체를 사용하는 경우, 코일부(254)는 유체관(250)의 내부에 구비되는 전극으로 대체할 수 있다.

⑥근감각수단-제6실시예

도 13은 전기유변유체를 사용하여 강성변화를 제공함으로써 근감각을 제공하 는 근감각수단의 제6실시예에 따른 단면도이다. 원통형의 케이스부(268)의 내부에는 탄성스프링(264)과 전기유변유체(267)가 포함되어 있다. 탄성스프링(264)의 상부는 누름판(262)이 축(263)에 의하여 연결되어 있고, 하부는 케이스부(268)의 내면에 지지되어 있다. 손가락(1)이 누름판(262)을 누르면, 누름판(262), 축(263)과 탄성스프링(264)은 압축력을 받게 되어 일체로 움직인다.

케이스부(268)의 내부에 구비되는 전극(269)은 전원수단(300)의 전기인가에 의하여 전기장이 유발된다. 전기장에 의하여 전기유변유체(267)는 점성이 증가하게되고, 전기유변유체(267)의 점성증가로 인하여, 손가락(1)이 누름판(262)을 누르더라도 눌리는 정도가 약해진다. 이로써 사용자는 딱딱하다는 근감각자극을 제공받는다.

본 실시예에 따른 전기유변유체(267)를 자기유변유체로 대체하는 경우, 전극(269)은 케이스부(268)의 외주면에 권취되는 코일부로 대체할 수 있다.

(전원수단)

전원수단(300)은 앞서 언급한 피부감각수단(100)과 근감각수단(200)에 전기를 인가한다. 피부감각수단(100)으로 인가되는 전기와 근감각수단(200)에 인가되는 전기는 서로 독립적으로 인가되어, 피부감각수단(100)과 근감각수단(200)이 별개로 동작함이 바람직하다. 전원수단(300)의 일예로는, 휴대폰에 사용되는 2차전지 등이 있다.

(제어수단)

제어수단(400)은 물체의 촉감정보에 기초하여 전원수단(300)의 전기를 제어한다. 물체의 촉감정보는 물성데이터의 형식으로 미리 제어수단(400)에 저장되어 있거나 외부메모리소자(예, USB메모리 등)로부터 제공받을 수 있다. 예를 들어, 고무공과 같이 물렁물렁한 촉감을 제공하기 위하여 피부감각수단(100)의 진동을 조절하거나 근감각수단(200)의 강성을 조절할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 피부감각수단(100)과 근감각수단(200)은 복수개 배열된다. 일예로, 근감각수단(200)의 제5실시예와 같이, 유체관(250)이 복수개 평행하게 나열될 수 있다. 사용자의 손가락(1)이 접촉하는 부분은 이러한 햅틱피드백 제공장치 중 일부영역에 불과한바. 제어수단(400)은 피부감각수단(100)과 근감각수단(200)의 국지적인 영역만 변화시키도록 전원수단(300)을 제어할 수 있다. 그리하여, 햅틱피드백 제공장치의 전력소모를 최소화할 수 있다.

(위치획득수단)

위치획득수단(500)은 햅틱제공장치에 접촉하는 손가락(10)의 접촉위치를 소정의 좌표(예, x-y좌표)로 획득한다. 위치획득수단(500)의 위치정보에 기초하여 피부감각수단(100)과 근감각수단(200)으로 인가되는 전기를 제어하면, 사용자의 손가락(1)이 접촉한 부분만을 변화시킴으로써 햅틱을 제공할 수 있다. 따라서, 사용자가 손가락(1)을 이용하여 햅틱을 느끼지 않는 부분까지 변화시킬 필요가 없어 전력의 소모를 최소화할 수 있다. 이러한 점은 본 발명에 따른 햅틱제공장치를 휴대기 기(예, 휴대폰)에 효과적으로 적용할 수 있는 장점이 있다. 즉, 제어수단(400)의 제어는 위치획득수단(500)의 위치획득정보에 기초함이 바람직하다.

위치획득수단(400)의 일예로 터치스크린에 사용되는 위치획득을 위한 구성 또는 터치패드 등이 사용될 수 있다.

도 14는 이러한 구성을 갖는 햅틱피드백 제공장치의 일예로서, 제1실시예에 따른 피부감각수단(100)의 제5실시예에 따른 근감각수단(200)을 구비한 햅틱피드백 제공장치를 도시한 상태도이다.

<제어방법>

도 15는 본 발명에 따른 햅틱제공장치의 제어방법에 따른 흐름도이다. 우선, 위치획득수단(500)은 사용자의 손가락(1)이 접촉하고 있는 접촉위치를 획득한다.(S100). 접촉위치는 소정의 좌표(예, x-y좌표)로 획득할 수 있으며, 접촉위치에 관한 좌표는 제어수단(400)으로 인가된다.

이 후, 제어수단(400)은 접촉위치정보와 물체의 물성정보에 기초하여 제어신호를 전원수단(300)으로 인가한다(S200). 물체의 물성정보는 제어수단(400)에 미리 저장되어 있거나 외부의 메모리소자로부터 제공받을 수 있음은 앞서 언급한 바와 같다. 제어수단(400)의 제어신호는 접촉위치에 구비된 피부감각수단(100)과 근감각수단(200)으로의 전기인가의 정도(예, 전압의 세기 또는 전류의 세기)에 관한 것이다. 일예로, 접촉위치가 햅틱제공장치의 중앙영역이라면, 중앙영역에 구비된 피부 감각수단(100)과 근감각수단(200)으로만 전기를 인가하기 위한 제어신호를 전원수단(300)으로 인가한다.

제어신호를 인가받은 전원수단(300)은 피부감각수단(100)과 근감각수단(200)으로 전기를 인가한다(S200). 이 때, 전원수단(300)의 피부감각수단(100)과 근감각수단(200)으로의 전기인가는 각각 독립적으로 이루어짐이 바람직하다.

전원수단(300)의 전기인가에 따라 피부감각수단(100)은 미세진동을 발생시킴으로써, 사용자에게 피부감각을 제공하고(S300), 전원수단(300)의 전기인가에 따라 근감각수단(200)은 강성이 변하거나 전단력이 변하여 사용자에게 근감각을 제공한다(S400).

본 발명에 따른 햅틱제공장치와 그 제어방법은 휴대폰, 네비게이션, 스마트폰, PMP, PDA 등의 휴대용 전자통신기기뿐만 아니라 로봇, 게임장치 등 사용자에게 햅틱을 제공하는 목적이라면 그 종류를 불문하고 다양하게 사용될 수 있다.

특히, 노트북의 터치패드 데스크탑 컴퓨터에 사용가능한 마우스 패드 형태의 인터페이스 등에 적용할 수 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정이나 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변형 및 수정은 모두 첨부된 특허청구범위에 속함은 자명하다.

도 1은 종래 사용자에게 진동을 제공하는 장치로서 휴대폰에 장착된 상태도,

도 2는 본 발명에 따른 햅틱제공장치의 개략적인 구성 블럭도,

도 3a는 본 발명에 따른 햅틱제공장치중 피부감각수단의 제1실시예로서, 미세돌기를 사용하여 진동을 일으키는 피부감각수단의 정면도.

도 3b는 도 3a의 측면도로서, 미세돌기의 진동을 나타낸 상태도,

도 4는 본 발명에 따른 햅틱제공장치중 피부감각수단의 제2실시예로서, 분해사시도,

도 5a는 본 발명에 따른 햅틱제공장치중 피부감각수단의 제3실시예의 분해사시도,

도 5b는 도 5a에서 하우징이 제거된 상태의 측면도,

도 5c는 도 5b의 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 햅틱제공장치중 피부감각수단의 제4실시예의 사시도,

도 7은 도 5a 내지 도 5c에서 설명한 피부감각수단의 제3실시예와 도 6에서 설명한 피부감각수단의 제4실시예가 혼재된 상태도,

도 8a는 본 발명에 따른 햅틱제공장치중 근감각수단의 제1실시예에 따른 분해사시도,

도 8b는 도 8a의 구성이 결합된 상태를 나타낸 사시도,

도 9는 본 발명에 따른 햅틱제공장치중 근감각수단의 제2실시예에 따른 사시도,

도 10a는 본 발명에 따른 햅틱제공장치중 강성의 변화를 이용하는 근감각수단의 제3실시예에 따른 사시도,

도 10b는 도 10a의 분해사시도,

도 10c는 도 10a의 A-A선의 단면도,

도 11a는 본 발명에 따른 햅틱제공장치중 강성의 변화를 이용하는 근감각수단의 제4실시예에 따른 단면도,

도 11b는 도 11a의 근감각수단을 손가락으로 누르는 경우의 상태도,

도 12a는 본 발명에 따른 햅틱제공장치중 강성의 변화를 이용하는 근감각수단의 제5실시예에 따른 사시도,

도 12b는 유체관의 단면도,

도 12c는 도 12a의 근감각수단중, 점성이 증가한 유체관의 나타내는 사시도,

도 13은 본 발명에 따른 햅틱제공장치중 강성의 변화를 이용하는 근감각수단의 제6실시예에 따른 단면도,

도 14는 본 발명에 따른 햅틱제공장치로서, 피부감각수단의 제1실시예와 근감각수단의 제5실시예가 결합된 상태를 나타낸 분해사시도,

도 15는 본 발명에 따른 햅틱제공장치의 제어방법에 따른 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 손가락 10: 휴대폰

100: 피부감각수단 112: 미세돌기

114a, 114b: 간격조절부 115: 유전성 탄성체

116, 148, 236, 269: 전극 120: 접촉면

130, 130a, 130a', 130b : 진동소자 132, 224: 영구자석

134: 하우징 136, 218, 254: 코일부

138: 바닥커버 142: 판스프링

144: 금속판 146: 압전층

200: 근감각수단 212, 232, 242, 258, 268: 케이스부

214, 252: 자기유변유체 216a: 침전막

216: 상층부 222: 솔레노이드

225: 회전판 235, 267: 전기유변유체

234a: 유동홀 234; 중간층

239a: 수용홀 239: 하부지지층

243: 파라핀 245: 히터부

250: 유체관 250': 점성이 증가된 유체관

264: 탄성스프링 300: 전원수단

400: 제어수단 500: 위치획득수단

Claims

미세진동을 발생시켜 사용자에게 피부감각을 제공하는 피부감각수단;

상기 피부감각수단의 하부에 구비되고, 두개의 면 사이에 발생하는 전단력의 변화를 이용하여 상기 사용자에게 근감각을 제공하는 근감각수단;

상기 피부감각수단과 상기 근감각수단에 전기를 인가하는 전원수단; 및

물체의 촉감정보에 기초하여 상기 피부감각수단과 상기 근감각수단에 인가되는 전기를 제어하는 제어수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치.
제 1 항에 있어서,

상기 근감각수단은,

전기장 또는 자기장을 이용하여 전기유변유체 또는 자기유변유체의 점성을 변화시키고, 상기 전기유변유체 또는 상기 자기유변유체의 점성변화에 기초하여 서로 마주보는 상기 두개의 면 사이의 전단력 변화를 발생시킴으로써 근감각을 제공하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치.
미세진동을 발생시켜 사용자에게 피부감각을 제공하는 피부감각수단;

상기 피부감각부수단 하부에 구비되고, 케이스에 포함되는 유체의 강성변화를 이용하여 상기 사용자에게 근감각을 제공하는 근감각수단;

상기 피부감각수단과 상기 근감각수단에 전기를 인가하는 전원수단; 및

물체의 촉감정보에 기초하여 상기 피부감각수단과 상기 근감각수단에 인가되는 전기를 제어하는 제어수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치.
제 3 항에 있어서,

상기 근감각수단의 케이스에 포함되는 유체는 유변유체이고, 그리고

상기 근감각수단은 상기 유변유체의 점성변화에 기초하여 상기 유변유체를 포함하는 케이스부의 강성을 변화시킴으로써 근감각을 제공하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치.
제 3 항에 있어서,

상기 근감각수단의 케이스에 포함되는 유체는 파라핀이고, 그리고

상기 근감각수단은 상기 파라핀의 상변화에 기초하여 상기 파라핀을 포함하는 케이스부의 강성을 변화시킴으로써 근감각을 제공하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 피부감각수단은,

다수개의 미세돌기 간의 간격을 조절함으로써, 상기 미세진동을 발생하는 것 을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 피부감각수단은,

상기 사용자의 피부가 접촉하는 접촉면;과 상기 접촉면을 진동시키는 진동소자;를 포함하고,

상기 진동소자의 진동에 의하여 상기 접촉면에 미세진동이 발생하여 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 햅틱제공장치에 접촉하는 상기 사용자의 접촉위치를 획득하는 위치획득수단;이 더 포함되고, 그리고

상기 제어수단의 전원수단에 대한 전기제어는 상기 접촉위치에 기초하고, 상기 피부감각수단과 상기 근감각수단을 국지적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치.
물체의 촉감정보에 기초하여 제어수단이 전원수단으로 제어신호를 인가하는 단계;

상기 제어신호를 인가받은 전원수단이 피부감각수단과 근감각수단으로 전기를 인가하는 단계;

상기 전원수단의 전기인가에 기초하여 상기 피부감각수단이 미세진동을 발생하는 단계; 및

상기 전원수단의 전기인가에 기초하여 상기 근감각수단의 강성 또는 전단력이 변화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치의 제어방법.
제 9 항에 있어서,

상기 물체의 촉감정보는 상기 제어수단에 미리 저장되어 있거나 외부로부터 입력받는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치의 제어방법.
제 9 항에 있어서,

상기 제어신호인가단계 이전에,

위치획득수단이 사용자가 접촉하고 있는 손가락의 접촉위치를 획득하는 단계;가 더 포함되고, 그리고

상기 제어신호인가단계는 상기 접촉위치에 기초하여 제어신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치의 제어방법.
제 9 항에 있어서,

상기 전원인가단계에서,

상기 전원수단이 상기 피부감각수단으로 인가하는 전기와 상기 근감각수단으로 인가하는 전기는 서로 독립적으로 인가되는 것을 특징으로 하는 피부감각과 근감각을 제공하는 햅틱피드백 제공장치의 제어방법.