KR20170033651A

KR20170033651A - 자기력을 이용한 햅틱 장치

Info

Publication number: KR20170033651A
Application number: KR1020150131669A
Authority: KR
Inventors: 김창현; 한형석; 박도영; 김동성; 김봉섭; 이종민; 임재원; 하창완
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2017-03-27
Also published as: KR101721204B1

Abstract

본 발명은 가상현실 시스템에서 자연스러운 가상력을 제공할 수 있는 햅틱 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기력을 이용한 햅틱 장치는 가상 현실 시스템에서 사용자의 손에 가력을 부여하는 가상력 형성 장치에 있어서, 매트릭스 형태로 배치된 복수 개의 전자석들, 상기 전자석들 상에 배치되며 상기 전자석들을 덮는 베이스 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트와 마주하며 외형을 이루는 바디부와 신체의 일부가 삽입될 수 있도록 형성된 착탈 홈과, 상기 바디부 내에 삽입 설치된 영구자석을 갖는 가상력 형성 부재를 포함한다.

Description

자기력을 이용한 햅틱 장치{HAPTIC DEVICE USING MAGNETIC FORCE}

본 발명은 햅틱 장치에 관한 관한 것으로서 보다 상세하게는 자기력을 이용한 햅틱 장치에 관한 것이다.

자기부상은 전기 자기력을 이용하여, 궤도로부터 일정한 높이로 부상하여 이동하는 것을 말한다. 자기부상은 전자석과 전자석의 흡인력으로 물체를 부상시키거나 전자석과 영구자석의 반발력으로 물체를 부상시킨다.

가상현실을 제공하는 시스템은 사용자의 동작이나 명령을 수집하고 이에 따라 시뮬레이션된 컨텐츠를 그래픽 디스플레이나 햅틱 장치를 통해 사용자에게 제공한다.

가상현실 시스템을 이용하는 사용자는 가상현실에서 사물을 잡거나 만지거나 던지는 등의 행위를 할 수 있다. 가상현실 시스템에서 사용자에게 가상적인 상황을 영상으로 제공하는 것은 용이하나 사용자에게 외력을 제공하여 가상적인 상황을 느끼게 만드는 것에는 한계가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가상현실 시스템에서 자연스러운 가상력을 제공할 수 있는 햅틱 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기력을 이용한 햅틱 장치는 가상 현실 시스템에서 사용자의 손에 가력을 부여하는 가상력 형성 장치에 있어서, 매트릭스 형태로 배치된 복수 개의 전자석들, 상기 전자석들 상에 배치되며 상기 전자석들을 덮는 베이스 플레이트, 및 상기 베이스 플레이트와 마주하며 외형을 이루는 바디부와 신체의 일부가 삽입될 수 있도록 형성된 착탈 홈과, 상기 바디부 내에 삽입 설치된 영구자석을 갖는 가상력 형성 부재를 포함한다.

여기서 상기 베이스 플레이트 상에는 복수개의 가상력 형성 부재가 설치되고, 상기 착탈 홈은 손가락이 삽입될 수 있도록 형성된 홈으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 영구자석은 상기 착탈 홈과 상기 바디부의 외면 사이에서 설치될 수 있으며, 상기 영구자석은 플레이트 형태로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 영구자석은 상기 착탈 홈과 상기 바디부의 외면 사이에 배치된 제1 영구자석, 상기 제1 영구자석에 대하여 세워지되 상기 착탈 홈을 사이에 두고 서로 마주하도록 배치된 제2 영구자석과 제3 영구자석을 포함할 수 있다. 또한, 상기 영구자석은 상기 제1 영구자석과 상기 상기 착탈 홈을 사이에 두고 마주하도록 배치된 제4 영구자석을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 전자석은 공심형 코일로 이루어질 수 있다. 바디부는 장갑 형상으로 이루어지며, 상기 착탈 홈에는 손가락이 삽입되는 복수개의 손가락 홈이 연결 형성될 수 있다.

또한, 상기 영구자석은 상기 착탈 홈과 상기 바디부의 외면 사이에 삽입 설치된 메인 영구자석과, 상기 손가락 홈과 상기 바디부의 외면 사이에 삽입 설치된 보조 영구자석을 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기력을 이용한 햅틱 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가상력 형성 부재를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가상력 형성 부재를 도시한 절개 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가상력 형성 부재를 도시한 절개 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가상력 형성 부재를 도시한 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기력을 이용한 햅틱 장치(100)에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기력을 이용한 햅틱 장치(100)를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 잘라 본 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 자기력을 이용한 햅틱 장치는 전자석(40), 베이스 플레이트(30), 가상력 형성부재(10), 및 전류 조절부(50)를 포함한다.

전자석(40)은 베이스 플레이트(30)의 하부에 배치되며 복수 개의 전자석(40)이 행과 열을 이루어 매트릭스 형태로 배열된다. 전자석(40)은 기둥 형상으로 이루어지며 지면에 대하여 세워져 배치된다. 전자석(40)은 공심형 코일 형태로 이루어질 수 있다.

전자석(40)은 자기력을 형성하는데, 자기장의 극성 및 세기는 전자석(40)에 공급되는 전류에 의하여 변화한다. 전자석(40)에는 전자석(40)에 전류를 제공하는 전류 조절부(50)가 연결 설치되며, 전류 조절부(50)는 전자석에 공급되는 전류의 방향과 세기를 제어한다. 각각의 전자석(40)에는 전류 조절부(50)가 개별적으로 연결 설치되므로 전자석(40)의 자기력은 개별적으로 제어된다.

전류 조절부(50)는 컨트롤러(60)와 연결되어 컨트롤러(60)에서 입력되는 신호에 의하여 전자석(40)에 공급되는 전류의 세기를 조절한다. 컨트롤러(60)는 가상력 형성부재에 인가되는 자기력의 세기를 계산하고 신호를 전류 조절부(50)에 전달한다.

베이스 플레이트(30)는 전자석들(40)의 상부에서 전자석들(40)을 덮도록 설치되며 부도체로 이루어지거나 자기장을 차단 및 교란하지 않는 물질로 이루어질 수 있다. 도 1에서는 실시예에서는 전자서들과 베이스 플레이트가 바닥에 대하여 수평하게 배치된 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 베이스 플레이트와 전자석들은 바닥에 대하여 세워져 배치될 수도 있다.

가상력 형성 부재(10)는 베이스 플레이트(30)와 마주하도록 배치되며, 베이스 플레이트(30)를 사이에 두고 전자석들(40)과 마주하도록 배치될 수 있다.

가상력 형성 부재(10)는 외형을 이루는 바디부(11)와 신체의 일부가 삽입될 수 있도록 형성된 착탈 홈(12)과, 바디부 내에 삽입 설치된 적어도 하나의 영구자석(13)을 포함한다. 바디부(11)는 탄성을 갖는 실리콘, 고무, 합성수지재로 이루어질 수 있다.

본 실시예에 따른 바디부(11)는 직육면체로 이루어질 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 바디부(11)는 골무 형태로 이루어지거나 구형, 반구형 등으로 이루어질 수도 있다.

착탈 홈(12)은 손가락이 삽입될 수 있도록 형성되며, 바디부(11)의 일 측면으로 개방되어 있다. 베이스 플레이트(30) 상에는 복수 개의 가상력 형성 부재(10)가 설치되는데, 바람직하게는 모든 손가락에 착용될 수 있도록 베이스 플레이트(30) 상에는 10개의 가상력 형성 부재가 배치될 수 있다.

본 제1 실시예에 따른 영구자석(13)은 플레이트 형태로 이루어지며, 착탈 홈(12)과 바디부(11) 외면 사이에서 설치될 수 있다. 또한, 영구자석(13)은 손가락의 바닥면과 향하도록 배치될 수 있다. 영구자석(13)은 N극과 S극을 포함하는데, N극과 S극은 영구자석의 폭방향으로 배치될 수 있으며, 영구자석(13)의 두께 방향으로 배치될 수도 있다.

전류 조절부(50)와 연결된 컨트롤러(60)의 명령에 의하여 각각의 전자석(40)에 인가되는 전류의 세기와 방향이 변하며, 이에 따라 전자석(40)이 발생시키는 자기력의 세기와 방향도 변한다.

이에 따라 전자석들(40)은 가상력 형성 부재(10)를 잡아당기거나 밀어 낼 수 있다. 이에 따라 베이스 플레이트(30) 상에서 가상력 형성 부재(10)에는 X축, Y축, 및 Z축 방향으로 힘이 작용할 수 있다. 또한, 하나의 전자석은 가상력 형성 부재를 잡아당기고, 다른 전자석은 가상력 형성 부재를 밀어내면 가상력 형성 부재에는 회전력이 작용할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가상력 형성 부재에 대해서 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가상력 형성 부재를 도시한 절개 사시도이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 가상력 형성 부재(70)는 외형을 이루는 바디부(71)와 신체의 일부가 삽입될 수 있도록 형성된 착탈 홈(72)과, 바디부(71) 내에 삽입 설치된 복수개의 영구자석(73)을 포함한다. 바디부(71)는 탄성을 갖는 실리콘, 고무, 합성수지재로 이루어질 수 있다. 착탈 홈(72)은 손가락이 삽입될 수 있도록 형성되며, 바디부(71)의 일 측면으로 개방되어 있다.

영구자석(73)은 착탈 홈(72)과 바디부의 외면 사이에 배치된 제1 영구자석(73a)과 제1 영구자석(73a)에 대하여 세워져 배치되며 착탈 홈(72)을 사이에 두고 서로 마주하는 제2 영구자석(73b) 및 제3 영구자석(73c)을 포함한다. 여기서 제1 영구자석(73a)은 손가락에서 지문이 형성된 면인 바닥면과 마주하도록 배치될 수 있다. 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 추가 영구자석을 이용해 여러 방향에서 보다 세밀한 가상력 형성이 가능하다.

이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가상력 형성 부재에 대해서 설명한다. 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가상력 형성 부재를 도시한 절개 사시도이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 가상력 형성 부재(80)는 외형을 이루는 바디부(81)와 신체의 일부가 삽입될 수 있도록 형성된 착탈 홈(82)과, 바디부(81) 내에 삽입 설치된 복수개의 영구자석(83)을 포함한다. 바디부(81)는 탄성을 갖는 실리콘, 고무, 합성수지재로 이루어질 수 있다. 착탈 홈(82)은 손가락이 삽입될 수 있도록 형성되며, 바디부(81)의 일 측면으로 개방되어 있다.

영구자석(83)은 착탈 홈(82)과 바디부의 외면 사이에 배치된 제1 영구자석(83a), 제1 영구자석(83a)에 대하여 세워져 배치되며 착탈 홈(82)을 사이에 두고 서로 마주하는 제2 영구자석(83b)과 제3 영구자석(83c), 및 착탈 홈(82)을 사이에 두고 제1 영구자석(83a)과 마주하도록 배치된 제4 영구자석(83d)을 포함한다. 여기서 제1 영구자석(83a)은 손가락에서 지문이 형성된 면인 바닥면과 마주하도록 배치될 수 있다. 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 추가 영구자석을 이용해 여러 방향에서 보다 세밀한 가상력 형성이 가능하다.

이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가상력 형성 부재에 대해서 설명한다. 도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가상력 형성 부재를 도시한 사시도이다.

도 6을 참조하여 설명하면, 본 제4 실시예에 따른 가상력 형성 부재(90)는 외형을 이루는 바디부(91)와 신체의 일부가 삽입될 수 있도록 형성된 착탈 홈(92)과, 바디부(91) 내에 삽입 설치된 복수개의 영구자석(93)을 포함한다. 바디부(91)는 장갑 형상으로 이루어지며, 손가락이 삽입되는 복수개의 손가락 홈(95)을 포함한다.

착탈 홈(92)은 손 바닥이 삽입될 수 있도록 형성되며, 바디부(91)의 일 측면으로 개방되어 있다. 손가락 홈(95)은 착탈 홈(92)과 연결되며, 하나의 착탈 홈(92)에는 5개의 손가락 홈(95)이 연결 형성되어 있다. 영구자석(93)은 손바닥과 마주하는 착탈 홈(92)과 바디부(91)의 외면 사이에 삽입 설치된 메인 영구자석(93a)과, 손가락 홈(95)과 바디부(91)의 외면 사이에 삽입 설치된 보조 영구자석(93b)을 포함한다.

이와 같이 본 실시예에 따르면 가상력 형성 부재(90)가 장갑 형상으로 이루어지므로 사용자가 가상력 형성 부재(90)를 보다 용이하게 장착할 수 있을 뿐만 아니라 자기력을 이용하여 사용자에게 가상력을 부여하므로 가상현실 시스템에서 보다 자연스러운 그립감을 부여할 수 있다. 또한 메인 영구자석(93a)과 보조 영구자석(93b)을 구비하여 손가락뿐만 아니라 손바닥에도 가상력을 부여할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 햅틱 장치 10, 70, 80, 90: 가상력 형성부재
11, 71, 81, 91: 바디부 12, 72, 82, 92: 착탈 홈
13, 73, 83, 93: 영구자석 30: 베이스 플레이트
40: 전자석 50: 전류 조절부
60: 컨트롤러 73a, 83a: 제1 영구자석
73b, 83b: 제2 영구자석 73c, 83c: 제3 영구자석
83d: 제4 영구자석 93a: 메인 영구자석
93b: 보조 영구자석 95: 손가락 홈

Claims

가상 현실 시스템에서 사용자의 손에 가력을 부여하는 가상력 형성 장치에 있어서,
매트릭스 형태로 배치된 복수 개의 전자석들;
상기 전자석들 상에 배치되며 상기 전자석들을 덮는 베이스 플레이트; 및
상기 베이스 플레이트와 마주하며 외형을 이루는 바디부와 신체의 일부가 삽입될 수 있도록 형성된 착탈 홈과, 상기 바디부 내에 삽입 설치된 영구자석을 갖는 가상력 형성 부재;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 햅틱 장치.
제1 항에 있어서,
상기 베이스 플레이트 상에는 복수개의 가상력 형성 부재가 설치되고, 상기 착탈 홈은 손가락이 삽입될 수 있도록 형성된 홈인 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 햅틱 장치.
제1 항에 있어서,
상기 영구자석은 상기 착탈 홈과 상기 바디부의 외면 사이에서 설치된 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 햅틱 장치.
제3 항에 있어서,
상기 영구자석은 플레이트 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 햅틱 장치.
제1 항에 있어서,
상기 영구자석은 상기 착탈 홈과 상기 바디부의 외면 사이에 배치된 제1 영구자석, 상기 제1 영구자석에 대하여 세워지되 상기 착탈 홈을 사이에 두고 서로 마주하도록 배치된 제2 영구자석과 제3 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 햅틱 장치.
제5 항에 있어서,
상기 영구자석은 상기 제1 영구자석과 상기 상기 착탈 홈을 사이에 두고 마주하도록 배치된 제4 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 햅틱 장치.
제1 항에 있어서,
상기 전자석은 공심형 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 햅틱 장치.
제1 항에 있어서,
상기 바디부는 장갑 형상으로 이루어지며, 상기 착탈 홈에는 손가락이 삽입되는 복수개의 손가락 홈이 연결 형성된 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 햅틱 장치.
제8 항에 있어서,
상기 영구자석은 상기 착탈 홈과 상기 바디부의 외면 사이에 삽입 설치된 메인 영구자석과, 상기 손가락 홈과 상기 바디부의 외면 사이에 삽입 설치된 보조 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력을 이용한 햅틱 장치.