KR20130038638A - 햅틱 인터페이스 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 햅틱 인터페이스를 제어하는 단계 중 샘플링 및 홀드 과정에서 발생하는 불필요한 에너지를 바탕으로 힘을 제한하여 안정성을 유지하며 투명성을 증대시킨 햅틱 인터페이스 제어 방법 및 장치에 대한 것이다.
본 발명은, 햅틱 인터페이스의 제어 방법에 있어서, (a) 상기 햅틱 인터페이스의 구동에 따른 물리적 파라미터를 검출하는 단계; (b) 상기 물리적 파라미터에 따라 가상 환경에서 상기 햅틱 인터페이스로 응답할 반력을 산출하는 단계; (c) 상기 물리적 파라미터와 상기 반력을 이용하여 상기 햅틱 시스템이 수동적일 조건을 만족하는 바운딩 파라미터를 산출하는 단계; (d) 상기 바운딩 파라미터를 설정된 범위 내로 조정하는 단계; (e) 상기 (d)단계에서 조정된 바운딩 파라미터에 따라 상기 햅틱 인터페이스로 출력될 힘을 산출하는 단계; 및 (f) 상기 (e)단계에서 산출된 힘을 상기 햅틱 인터페이스로 인가하는 단계를 포함하는 햅틱 인터페이스의 제어 방법을 제공한다.

Description

햅틱 인터페이스 제어 방법 및 장치{Method and Device for Controlling Haptic Interface}
본 발명은 햅틱 인터페이스 제어 방법 및 장치에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 햅틱 인터페이스, 샘플/홀드부, 제어부 및 가상 환경에서 발생하는 에너지가 수동성 조건을 만족하는 것을 바탕으로 힘을 제한하여 안정성을 유지하며 투명성을 증대시킨 햅틱 인터페이스 제어 방법 및 장치에 대한 것이다.
컴퓨터 그래픽스 기술의 발달로 빠른 연산이 가능하게 되고 그래픽 하드웨어의 가격이 저렴해지면서 가상 환경 기술에 대한 관심이 증대되고 또 이로 인해 엔터테인먼트, 군사 훈련, 수술 훈련, 교육, 생물 의학 (Biomedical) 시뮬레이션, 공학 디자인 및 시뮬레이션 등 다양한 분야에 걸쳐 많은 유용한 가상 환경 시스템이 구현되었다. 가상 환경 기술에서 사용자가 보다 몰입할 수 있는 사실적인 가상 환경을 만들어 현실감을 극대화 하는데 햅틱(Haptic)은 필수불가결한 연구분야 중의 하나이다. 사용자는 다양한 햅틱 인터페이스를 이용하여 역감 및 촉감을 느끼고 이를 통해 가상 환경과 상호작용할 수 있다.
햅틱 시뮬레이션을 통해 사용자에게 정확한 힘과 토크 정보를 전달하는데 있어서 안정성(stability)은 햅틱 연구 분야에서 매우 중요한 요소 중의 하나이다. 이러한 안정적인 햅틱 상호작용 시스템에 관한 연구로 Colgate 와 Schenkel은 안정적인 햅틱 디스플레이를 위하여 가상 환경과 햅틱 인터페이스 사이에 가상의 연결을 갖는 가상 커플링(virtual coupling) 알고리즘을 제안하였다(J. E. Colgate and G. G. Schenkel, “Passivity of a class of sampled-data systems: Application to haptic interfaces,” J. Robot . Syst ., vol. 14, no. 1, pp. 37-47. (1997) 참조).
한편, Hannaford 와 Ryu는 시간영역 수동성 제어 알고리즘(Timedomain passivity theorem)을 제안하였다(B. Hannaford, and Jee-hwan Ryu, “Time Domain Passivity Control of Haptic Interfaces,” IEEE Trans . On Robotics and Automation, vol. 18, pp. 1-10. (2002) 참조). 시간영역 수동성 제어 알고리즘은 빠른 샘플링 주기하에서 PO/PC (Passivity Observer/Passivity Controller)를 통하여 에너지의 입출력을 실시간으로 관측하고 각 샘플 시간마다 시스템이 안정화될 수 있도록 전체 에너지를 소모시켜 준다.
또 Ryu 등은 샘플링 주기가 느릴 때 0 차 유지기(zeroorder holder)에서 발생되는 에너지를 예측할 수 있는 새로운 PO를 제안하였다(Jee-hwan Ryu, Y. S. Kim and B. Hannaford, “Sampled and Continuous Time Passivity Control,” Proc . IEEE Int . Conf . On Robot and Automation, Taipei, Taiwan. (2003)). 그리고 갑작스런 힘의 변화로 인해 고주파 영역에서 햅틱 디바이스가 떨리는 현상을 방지하기 위해 실제 에너지 입력이 시간에 따라 변하는 참조 에너지를 추종하도록 하는 참조 에너지 추종(reference energy following) 방법을 제안하였다(Jee-hwan Ryu, B. Hannaford, C. Preusche, and G. Hirzinger, “Time Domain Passivity Control with Reference Energy Behavior,”Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robotics and Systems, Las Vegas, USA.(2003)). Preusche 등은 시간 영역 수동성 제어 이론을 다자유도의 경우로 확장하였는데 이 알고리즘의 장점은 햅틱 인터페이스의 동역학 모델을 정확히 알 필요가 없다는 것이다(C. Preusche, G. Hirzinger, J. H. Ryu and B. Hannaford, “Time Domain Passivity Control for 6 Degrees of Freedom Haptic Displays,”Proc . IEEE / RSJ Int . Conf . on Intelligent Robotics and Systems, Las Vegas, USA. (2003)).
한편, Kim과 Ryu는 종래 햅틱 인터페이스의 안정화 방법으로서, 에너지 바운딩 알고리즘을 제안한 바 있다(J. P. Kim and Jeha Ryu, “Stable Haptic Interaction Control Using Energy Bounding Algorithm,” IEEE/RSJ Int. Conf. Intelligent Robots and Systems (IROS2004), Gyeongju, Korea. (2004)). 이 알고리즘은 느린 샘플링 주기에서도 0 차 유지기에서 발생되는 에너지를 효율적으로 소모시켜 줄 수 있다. 에너지 바운딩 알고리즘은 0 차 유지기에서 발생되는 에너지를 햅틱 인터페이스의 물리적 댐핑값에 의해 소모 가능한 에너지의 범위 이내로 제한함으로써 전체 시스템의 수동성 조건을 만족시키는 것이다.
그런데, 이러한 햅틱 상호작용에 사용되는 햅틱 인터페이스 장치는 에너지를 생성하지는 않지만 샘플/홀드부와 제어 시스템은 에너지를 생성하여 전체 시스템의 불안정성을 초래할 수 있다. 그러나 종래 기술들은 햅틱 시스템의 안정화를 위해 요구되는 설계적 제약을 많이 갖고 있고, 안정화를 위한 조정 과정에서 실감도를 저하시키는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은, 임의의 실감 및 가상 환경에서 가상 객체와의 상호 작용시 보다 실감있고, 간단하며, 안정성을 유지시하면서 햅틱 시스템의 투명성을 증대시킨 햅틱 인터페이스 제어 방법 및 장치를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은, 햅틱 인터페이스의 제어 방법에 있어서, (a) 상기 햅틱 인터페이스의 구동에 따른 물리적 파라미터를 검출하는 단계; (b) 상기 물리적 파라미터에 따라 가상 환경에서 상기 햅틱 인터페이스로 응답할 반력을 산출하는 단계; (c) 상기 물리적 파라미터와 상기 반력을 이용하여 상기 햅틱 시스템이 수동적일 조건을 만족하는 바운딩 파라미터를 산출하는 단계; (d) 상기 바운딩 파라미터를 설정된 범위 내로 조정하는 단계; (e) 상기 (d)단계에서 조정된 바운딩 파라미터에 따라 상기 햅틱 인터페이스로 출력될 힘을 산출하는 단계; 및 (f) 상기 (e)단계에서 산출된 힘을 상기 햅틱 인터페이스로 인가하는 단계를 포함하는 햅틱 인터페이스의 제어 방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 (c)단계에서 산출된 상기 바운딩 파라미터는 상기 물리적 파라미터와 상기 (b)단계에서 산출된 반력을 이용하여 산출된 힘 정보이며, 상기 (d)단계에서 상기 바운딩 파라미터가 설정된 최대값 이상이면 상기 최대값으로 조정하고, 상기 바운딩 파라미터가 설정된 최소값 이하이면 상기 최소값으로 조정하며, 상기 바운딩 파라미터가 상기 최대값과 상기 최소값 사이이면 그 값을 유지한다.
바람직하게는 상기 (f)단계에 따라 산출되어 상기 햅틱 인터페이스로 인가되는 힘은 상기 (d)단계에서 조정된 바운딩 파라미터에 따른 힘 정보인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 햅틱 시스템의 햅틱 인터페이스와 가상 환경 사이에서 상기 햅틱 인터페이스에 전달될 힘을 제어하는 제어 장치에 있어서, 햅틱 인터페이스와의 입출력을 수행하며 아날로그 신호와 디지털 신호를 상호 변환하는 샘플/홀드부; 상기 햅틱 인터페이스의 물리적 파라미터를 상기 샘플/홀드부를 통해 전달받아 상기 가상 환경과의 상호 작용 결과에 따라 상기 햅틱 인터페이스에 전달될 힘을 산출하여 상기 샘플/홀드부를 통해 상기 햅틱 인터페이스로 전달하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 물리적 파라미터에 따라 상기 가상 환경에서 상기 햅틱 인터페이스로 응답할 반력을 산출하고, 상기 물리적 파라미터와 상기 반력을 이용하여 상기 햅틱 시스템이 수동적일 조건을 만족하는 바운딩 파라미터를 산출한 후, 상기 바운딩 파라미터를 설정된 범위 내로 조정함으로써 상기 햅틱 인터페이스로 출력될 힘을 산출하는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스 제어 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 바운딩 파라미터는 상기 물리적 파라미터와 상기 반력을 이용하여 산출된 힘 정보이며, 상기 바운딩 파라미터가 설정된 최대값 이상이면 상기 최대값으로 조정하고, 상기 바운딩 파라미터가 설정된 최소값 이하이면 상기 최소값으로 조정하며, 상기 바운딩 파라미터가 상기 최대값과 상기 최소값 사이이면 그 값을 유지시킨다.
또한, 바람직하게는, 상기 햅틱 인터페이스로 인가되는 힘은 상기 조정된 바운딩 파라미터에 따른 힘 정보인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 임의의 실감 및 가상 환경에서 가상 객체와의 상호 작용시 보다 실감있고, 간단하며, 안정성을 유지시하면서 햅틱 시스템의 투명성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 햅틱 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2은 1차 자유도를 갖는 햅틱 인터페이스 모델을 도식적으로 나타내 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 제어 방법을 도시한 순서도이다.
< 햅틱 시스템>
도 1은 일반적인 햅틱 시스템을 나타내는 블록도이다.
도면을 참조하면, 햅틱 시스템(10)은 햅틱 인터페이스(20), 샘플/홀드부(30), 제어부(40) 및 가상 환경(50)을 포함한다.
햅틱 인터페이스(20)는 사용자가 직접 조작하는 조작기에 해당하며, 조작에 대응하여 가상 환경(50)으로부터 생성된 자극을 사용자에게 역으로 전달하는 기능도 함께 수행한다.
샘플/홀드부(30)는 입출력장치로서 햅틱 인터페이스(20)에서 출력되는 연속신호인 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어부(40)에 제공하고, 제어부(40)에서 출력되는 이산신호인 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 햅틱 인터페이스(20)에 제공한다.
제어시스템은 제어부(40) 및 가상 환경(50)으로 되어 있다. 제어시스템은 통상적으로 컴퓨터 및 응용 프로그램으로 구현된다. 여기서 응용 프로그램은 컴퓨터를 통해 가상 환경을 구현할 수 있도록 구축된 것을 말한다.
이러한 햅틱 시스템(10)은 햅틱 인터페이스(20)를 통해 사용자와 제어부(40)에 의해 실행되는 가상 환경(50) 사이의 상호 작용이 이루어진다. 즉, 햅틱 인터페이스(20)에 대한 사용자의 조작에 반응하여 가상 환경(50)에서 응답할 자극이 제어시스템으로부터 햅틱 인터페이스(20)를 통해 역으로 사용자에게 전달된다.
그러나 햅틱 시스템(10)은 여러 가지 원인 예를 들면 샘플/홀드부(30)에서 연속 시스템과 이산 시스템의 정보를 상호 변환하기 위해 샘플링 시 발생하는 정보의 손실 및 홀딩에 의한 시간지연, 제어시스템(40, 50)에서 수행되는 수치적 연산 등에 의해 원치 않는 에너지를 발생시킬 수 있다. 그런데 햅틱 시스템(10)에서의 이러한 원치 않게 발생되는 에너지는 햅틱 인터페이스(20)를 통해 불안정한 운동을 발생시켜 사용자에게 해를 줄 수 있다. 따라서 사용자의 안전성을 확보하기 위해 제어시스템으로부터 햅틱 인터페이스(20)로 전달되는 에너지를 적절히 조절해 주어야 하고, 불안정한 거동을 유발하는 불필요한 에너지들을 제거해 주어야 한다.
그런데, 사용자의 운동은 다양한 불확정성을 포함하고 있어 정확하게 모델링하기가 어렵고, 샘플/홀드부(30)에서 샘플링 및 홀딩하는 과정에서 에너지는 필수적으로 발생되며, 가상 환경(50)은 통상적으로 비선형 시스템으로 구성되기 때문에 햅틱 시스템(10)을 안정화하기 위한 방법을 찾기가 매우 어렵다.
종래 햅틱 시스템(10)을 안정화하기 위한 방안으로 제안된 패시비티 이론(passivity theorem)이 있다. 패시비티는 에너지 소모와 관련된 추상적 표현으로, 입출력 관점에서 선형 및 비선형 시스템에 대해 규정된 안정화 문제를 다루기 위해 사용된다. 패시비티 조건을 만족하는 시스템은 그 자신이 에너지를 발생시키지 못하므로 안정적인 동작을 보장한다. 이러한 패시비티 이론은 여러 시스템이 복합적으로 연결된 로보틱스, 텔리오퍼레이션 및 햅틱 시스템 안정성 문제를 해결하는데 큰 장점을 제공한다.
도 2은 1차 자유도를 갖는 햅틱 인터페이스 모델을 도식적으로 나타내 보인 도면이다.
이러한 패시비티 이론에 기초하여, 도 1에 도시된 햅틱 시스템(10)에서 사용자가 관심 주파수에서 패시비티라고 가정하면 안정화 문제는 나머지 결합요소의 패시비티로 압축되고 이를 아래 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure pat00001
여기에서
Figure pat00002
는 사용자의 연속적인 작동 및 진행과 관련된 변수이고,
Figure pat00003
는 햅틱 시스템(10)의 초기에너지이다. 햅틱 시스템(10)이 수학식 1로 표현된 패시비티 조건을 만족하는 경우 햅틱 시스템(10)은 에너지를 소비하고, 햅틱 인터페이스(20), 샘플/홀드부(30), 제어부(40) 및 가상 환경(50) 각각의 에너지 플로우 인의 합은 결코 음(-)의 값이 될 수 없다.
Figure pat00004
동안 에너지의 변화를 수학식 2로 표현할 수 있다.
Figure pat00005
수학식 2에서, m과 b는 햅틱 인터페이스(20)의 질량과 댐핑 값이고,
Figure pat00006
와
Figure pat00007
는 햅틱 인터페이스(20)에서 발생하는 힘과 속도이다.
수학식 2의 첫 번째 부분은 관성에 의해 저장되는 에너지를 표시하며, 이것은 유한한 속도의 움직임에서 유한한 음이 아닌 값을 가진다.
Figure pat00008
수학식 2의 두 번째 부분은 비스코스 댐퍼(viscous damper)로서 에너지 소실을 뜻하는 것으로, 코시-슈발츠 부등식(Cauchy-Schwarz inequality)으로 표현할 수 있다.
Figure pat00009
수학식 4에서
Figure pat00010
이고,
Figure pat00011
이다. B는 샘플들 간 에너지 소실 능력을 표현한다. 수학식 2의 마지막 부분은 샘플/홀드부(30), 제어부(40) 그리고 가상 환경(50) 등에 에너지 흐름이 들어가는 것을 뜻한다. 홀드 작동부가 0차 오더홀드(zero order hold)일 때, 이 부분은 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure pat00012
햅틱 인터페이스(20)를 구동하는 초기에 가속도의 빠른 변화로 수학식 2의 패시비티 첫 번째 조건이 증가하지만, 시간이 지남에 따라 패시비티 조건의 두 번째와 세 번째 조건이 지배적이다. 그리하여
Figure pat00013
동안 햅틱 시스템(10)의 패시비티 조건은 다음과 같이 풀이할 수 있으며, 수학식 6에 의해 패시비티 조건은 언제나 양의 값을 제공할 수 있음을 보여준다.
Figure pat00014
햅틱 시스템(10)의 불안정한 거동은 햅틱 시스템(10)을 구성하는 샘플/홀드부(30)와 햅틱 렌더링 알고리즘과 제어알고리즘을 포함하는 제어부(40) 및 가상 환경(50)에서 발생하는 불필요한 에너지에 기인한다. 예를 들면, 햅틱 렌더링 알고리즘에 포함되는 수치적 양적분(explicit numerical integration), 제어알고리즘에 포함되는 필터 및 중력 보상기 등은 이러한 에너지 발생요인으로 널리 알려져 있다. 또한 샘플/홀드부(30)에 반드시 포함되는 위상지연(phase lag)에 의한 에너지 발생은 햅틱 시스템(10)이 가지는 구조적인 문제로 인식되어진다. 그러나 기존의 가상커플링 방식의 경우 가상 환경(50)에서 발생되는 에너지들을 보상할 수 없기 때문에 가상 환경(50)을 패시비티 조건을 만족하도록 설계해야 하며, 또한 기존의 타임 도메인 패시비티 알고리즘의 경우 샘플/홀드부(30)에 의해 발생되는 에너지들을 보상할 수 없기 때문에 아주 빠른 샘플링을 통해 위상 지연에 의한 에너지 발생을 최소화시켜야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 햅틱 인터페이스(20)는 에너지를 생성하지 않지만 샘플/홀드부(30)와 제어 시스템(40, 50)은 에너지를 생성한다는 것을 확인할 수 있다.
<개선된 햅틱 시스템>
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 시스템의 블록도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 시스템(10)은 햅틱 인터페이스(20), 샘플/홀드부(30), 제어부(40) 및 가상 환경(50)을 포함하되, 상기 제어부(40)는 힘 바운딩 처리부(42)와 메인 제어부(44)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
햅틱 인터페이스(20), 샘플/홀드부(30) 및 가상 환경(50)의 구성은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같다.
힘 바운딩 처리부(42)는 가상 환경(50)에서 햅틱 인터페이스(10)로 전달하여야 하는 힘을 처리하여 샘플/홀드부(30)를 거쳐 햅틱 인터페이스(10)로 전달하는 기능을 수행한다. 힘 바운딩 처리부(42)는 메인 제어부(44)와 가상 환경(50)을 포함한 제어 시스템을 패시브(수동적)하게 만들며, 샘플/홀드부(30)에서 햅틱 인터페이스(20)로 전달되는 에너지가 햅틱 인터페이스(20)의 에너지 소모 요소에 의해 전부 소모될 수 있도록 제한한다.
메인 제어부(44)는 정방향 운동역학, 역방향 운동역학, 자코비안 및 역 운동학을 산출하는 운동산출기 및 중력 및 마찰력보상 프로그램을 포함할 수 있다.
이러한 힘 바운딩 처리부(42)를 포함하여 햅틱 인터페이스(20)로 전달될 힘을 제어하는 방법을 이하에서 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 햅틱 제어 방법을 도시한 순서도이다.
먼저 햅틱 인터페이스(20)가 사용자에 의해 작동되는 경우, 햅틱 인터페이스(20)의 구동 요소가 사용자의 작동에 의해 구동될 때의 운동과 관련된 물리적 파라미터의 값을 검출한다(S400). 이를 위해 초기화 과정에서는 '댐핑 값(K) = 0', '댐핑에 의한 힘(Fd(K)) = 0'으로 설정된다. 또한, 상기 S400 단계는 초기화 과정 이후에 설정된 시간 간격마다 수행된다. 여기서 검출되는 물리적 파라미터는 햅틱 인터페이스(20) 구동 요소의 위치(xd(k)) 또는 속도(vd(k))일 수 있다. 물리적 파라미터는 햅틱 인터페이스(20)의 구동 요소의 위치 및 움직임을 햅틱 인터페이스(20)에 구비된 센싱 수단(예컨대, 햅틱 인터페이스(10)에 구비된 엔코더 등)을 이용하여 검출될 수 있다.
다음으로, 상기 물리적 파라미터를 이용하여 상기 햅틱 인터페이스(20)의 실제 구동부의 작동점의 위치에 대응되는 가상 환경(50)에서 작동점의 위치의 위치값 및 속도값을 설정하고, 이를 바탕으로 가상 환경(50)에서 햅틱 인터페이스(20)를 통해 사용자에게 응답할 힘(Fe(k))을 산출한다(S410). 이러한 과정은 상기 햅틱 인터페이스(20)의 작동점에 대응되는 가상환경에서의 작동점이 가상 환경(50)에 존재하는 가상 객체와의 충돌 여부를 판별하고, 충돌시 발생하는 반력을 계산함으로써 이루어질 수 있다.
상기 S410 단계에서 산출된 힘과 상기 S400 단계에서 산출된 물리적 파라미터값을 이용하여 바운딩 파라미터를 산출한다(S420). 바운딩 파라미터는 햅틱 시스템이 수동적일 수 있는 패시비티 조건의 필요충분조건과 충분조건을 이용하여 구한다.
패시비티 조건의 첫 번째 필요충분조건을 사용하는 경우, 햅틱 시스템에서 발생되는 일부 에너지(
Figure pat00015
)를 이용하여 바운딩 파라미터(Fd(K))를 산출한다. 이 경우 바운딩 파라미터의 범위는 다음의 수학식 7과 같이 설정될 수 있다.
Figure pat00016
패시비티 조건의 충분조건을 사용하는 경우, 햅틱 시스템에서 발생되는 일부 에너지(
Figure pat00017
)를 사용하여 바운딩 파라미터(Fd(K))를 산출한다. 이 경우 바운딩 파라미터의 범위는 다음의 수학식 8과 같이 설정될 수 있다.
Figure pat00018
이 때, 산출된 힘(Fe(k))이 0이 아닌 경우,
Figure pat00019
라는 범위에 있으며,
Figure pat00020
이다.
다음으로, 산출된 바운딩 파라미터(Fd(K))가 설정된 범위에 있는지를 판단하고 바운딩 파라미터가 설정된 범위를 벗어나는 경우 바운딩 파라미터를 조정한다(S430).
바운딩 파라미터의 조정은, 바운딩 파라미터(Fd(k))가 설정된 최대값(Fdmax(k)) 이상이면 Fd(k)를 Fdmax(k)로 조정하고, Fd(k)가 설정된 최소값(Fdmin(k)) 이하이면 (Fd(k))를 Fdmin(k) 값으로 조정하며 바운딩 파라미터가 상기 최대값과 최소값 사이의 값을 가지면 그대로 적용함으로써 이루어진다.
다음으로, 조정된 바운딩 파라미터를 이용하여 햅틱 인터페이스(20)에 실제로 인가되어야 할 힘을 조정한다(S440).
산출된 바운딩 힘(Fe(k))이 설정된 바운딩 범위 내에 있는지를 판단한다. 바운딩 파라미터(Fd(k))가 설정된 바운딩 범위 내에 있다고 판단되면, 산출된 바운딩 파라미터를 이용하여 햅틱 인터페이스에 있는 구동 요소에 인가되어야할 힘을 산출한다.
바운딩 파라미터(Fd(k))가 설정된 바운딩 범위를 벗어났다고 판단되면 바운딩 파라미터가 설정된 최대값(Fdmax(k)) 이상인지를 판단한다. 바운딩 파라미터(Fd(k))가 설정된 최대값 이상이라고 판단되면 바운딩 파라미터를 설정된 최대값으로 적용하여 햅틱 인터페이스(20)에 있는 구동 요소에 인가되어야할 힘을 산출한다. 반면, 바운딩 파라미터(Fd(k))가 설정된 최소값 이하라고 판단되면 바운딩 파라미터를 설정된 최소값으로 적용하여 햅틱 인터페이스(20)에 있는 구동 요소에 인가되어야 할 힘을 산출한다.
이러한 햅틱 인터페이스(20)에 실제로 인가되어야 할 힘을 산출은 힘 바운딩 처리부(42)에 의해 이루어질 수 있다.
마지막으로, 최종적으로 조정된 힘을 햅틱 인터페이스(20)의 구동 요소에 인가한다(S450).
이상의 S400 내지 S450 단계는 시간 간격마다 반복될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 햅틱 시스템 20 : 햅틱 인터페이스
30 : 샘플/홀드부 40 : 제어부
50 : 가상 환경
42 : 힘 바운딩 처리부 44 : 메인 제어부

Claims (6)

  1. 햅틱 인터페이스의 제어 방법에 있어서,
    (a) 상기 햅틱 인터페이스의 구동에 따른 물리적 파라미터를 검출하는 단계;
    (b) 상기 물리적 파라미터에 따라 가상 환경에서 상기 햅틱 인터페이스로 응답할 반력을 산출하는 단계;
    (c) 상기 물리적 파라미터와 상기 반력을 이용하여 상기 햅틱 시스템이 수동적일 조건을 만족하는 바운딩 파라미터를 산출하는 단계;
    (d) 상기 바운딩 파라미터를 설정된 범위 내로 조정하는 단계;
    (e) 상기 (d)단계에서 조정된 바운딩 파라미터에 따라 상기 햅틱 인터페이스로 출력될 힘을 산출하는 단계; 및
    (f) 상기 (e)단계에서 산출된 힘을 상기 햅틱 인터페이스로 인가하는 단계
    를 포함하는 햅틱 인터페이스의 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (c)단계에서 산출된 상기 바운딩 파라미터는 상기 물리적 파라미터와 상기 (b)단계에서 산출된 반력을 이용하여 산출된 힘 정보이며, 상기 (d)단계에서 상기 바운딩 파라미터가 설정된 최대값 이상이면 상기 최대값으로 조정하고, 상기 바운딩 파라미터가 설정된 최소값 이하이면 상기 최소값으로 조정하며, 상기 바운딩 파라미터가 상기 최대값과 상기 최소값 사이이면 그 값을 유지하는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스의 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (f)단계에 따라 산출되어 상기 햅틱 인터페이스로 인가되는 힘은 상기 (d)단계에서 조정된 바운딩 파라미터에 따른 힘 정보인 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스의 제어 방법.
  4. 햅틱 시스템의 햅틱 인터페이스와 가상 환경 사이에서 상기 햅틱 인터페이스에 전달될 힘을 제어하는 제어 장치에 있어서,
    햅틱 인터페이스와의 입출력을 수행하며 아날로그 신호와 디지털 신호를 상호 변환하는 샘플/홀드부;
    상기 햅틱 인터페이스의 물리적 파라미터를 상기 샘플/홀드부를 통해 전달받아 상기 가상 환경과의 상호 작용 결과에 따라 상기 햅틱 인터페이스에 전달될 힘을 산출하여 상기 샘플/홀드부를 통해 상기 햅틱 인터페이스로 전달하는 제어부
    를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 물리적 파라미터에 따라 상기 가상 환경에서 상기 햅틱 인터페이스로 응답할 반력을 산출하고, 상기 물리적 파라미터와 상기 반력을 이용하여 상기 햅틱 시스템이 수동적일 조건을 만족하는 바운딩 파라미터를 산출한 후, 상기 바운딩 파라미터를 설정된 범위 내로 조정함으로써 상기 햅틱 인터페이스로 출력될 힘을 산출하는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 바운딩 파라미터는 상기 물리적 파라미터와 상기 반력을 이용하여 산출된 힘 정보이며, 상기 바운딩 파라미터가 설정된 최대값 이상이면 상기 최대값으로 조정하고, 상기 바운딩 파라미터가 설정된 최소값 이하이면 상기 최소값으로 조정하며, 상기 바운딩 파라미터가 상기 최대값과 상기 최소값 사이이면 그 값을 유지시키는 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 햅틱 인터페이스로 인가되는 힘은 상기 조정된 바운딩 파라미터에 따른 힘 정보인 것을 특징으로 하는 햅틱 인터페이스의 제어 장치.
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