KR20180007245A - 햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하기 위한 방법으로서, 가상환경의 목표강도를 설정하는 단계 - 상기 목표강도에서 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생하도록 목표되는 피드백 힘은 침투거리 대 피드백 힘의 목표 기울기에 따라서 정의됨 - 햅틱 디바이스의 일단이 상기 가상환경에서 프레싱 경로 및 릴리싱 경로를 따라 움직이는 사이클을 반복하는 동안 경로강도를 따라 피드백 힘을 발생시키는 단계 - 상기 경로강도에서 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생되는 피드백 힘은 침투거리 대 피드백 힘의 경로 기울기에 따라 발생되고, 상기 경로 기울기는 상기 목표 기울기보다 작음 - 및 상기 사이클의 반복에 따라 상기 햅틱 디바이스의 일단의 침투거리는 일정 위치로 수렴하고, 수렴되는 위치의 침투거리 대 상기 수렴되는 위치에서 발생하는 피드백 힘의 기울기가 상기 목표 기울기에 도달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING HAPTIC AUGMENTED REALITY THROUGH HAPTIC DEVICE}

본 개시는 햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 임피던스 타입 햅틱 인터페이스들의 디스플레이되는 강도(stiffness)의 범위를 더 넓히기 위한 발명으로서, 안정적이면서도 고강도인 햅틱 상호작용을 제공하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

햅틱 상호작용은 인간 오퍼레이터와 햅틱 디스플레이 사이에서의 양방향 에너지 흐름을 발생시킨다. 에너지의 발생 및 흐름은 가상환경(VE: virtual environment)의 렌더링에 의존한다. 햅틱 인터페이스가 강한 가상 벽과의 접촉을 렌더링하도록 사용되는 경우, 햅틱 디스플레이에 있어서, 진동하는 그리고 불안정한 거동이 관측된다. 이러한 거동은 햅틱 디스플레이를 손상시킬 수 있고, 인간 오퍼레이터의 주의를 분산시키거나, 더 안 좋은 경우에는, 인간 오퍼레이터에게 상해를 입힐 수 있다. 따라서, 안정성 분석은 사소한 문제가 아니며, 간과될 수 없는 중요한 문제인 것이다.

이에 따라, 넓은 임피던스 범위에서 안정적인 햅틱 상호작용을 제공하기 위한 다양한 연구들이 진행되어 왔다. 그러나, 대부분의 접근방식들은 안정성을 확보하기 위한 비용으로서 실제 디스플레이되는 강도를 희생하고 있다. 따라서, 안정성을 확보하면서도 고강도의 햅틱 상호작용을 구현할 수 있는 방법이 제공될 필요가 존재한다.

본 발명의 일 실시예는 햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하기 위한 방법으로서, 가상환경의 목표강도를 설정하는 단계 - 상기 목표강도에서 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생하도록 목표되는 피드백 힘은 침투거리 대 피드백 힘의 목표 기울기에 따라서 정의됨 -; 햅틱 디바이스의 일단이 상기 가상환경에서 프레싱 경로 및 릴리싱 경로를 따라 움직이는 사이클을 반복하는 동안 경로강도를 따라 피드백 힘을 발생시키는 단계 - 상기 경로강도에서 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생되는 피드백 힘은 침투거리 대 피드백 힘의 경로 기울기에 따라 발생되고, 상기 경로 기울기는 상기 목표 기울기보다 작음 -; 및 상기 사이클의 반복에 따라 상기 햅틱 디바이스의 일단의 침투거리는 일정 위치로 수렴하고, 수렴되는 위치의 침투거리 대 상기 수렴되는 위치에서 발생하는 피드백 힘의 기울기가 상기 목표 기울기에 도달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 프레싱 경로에서 발생하는 피드백 힘은 아래 수학식 a 로 정의되며,

<수학식 a>

상기 수학식 a 에서 K_s 는 프레싱 경로에서 침투거리 대 피드백 힘의 제 1 기울기이고, x(n)은 침투거리이며, F_r은 첫번째 사이클에서는 0이고, 이후에는 직전 사이클의 릴리싱 경로를 따른 움직임에서 마지막 위치에서의 피드백 힘의 값인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 릴리싱 경로에서 발생하는 피드백 힘은 아래 수학식 b 로 정의되며,

<수학식 b>

상기 수학식 b에서 u는 릴리싱 경로에서 침투거리 대 피드백 힘의 제 2 기울기이고, x(n)은 침투거리이며, F_f는 침투거리가 0일때에 발생하도록 설정된 0보다 큰 힘의 값으로 사이클 횟수에 따라 증가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제 1 기울기 또는 상기 제 2 기울기는 침투거리의 함수인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하는 시스템은, 가상환경의 목표강도를 설정하고, 햅틱 디바이스의 일단이 상기 가상환경에서 프레싱 경로 및 릴리싱 경로를 따라 움직이는 사이클을 반복하는 동안 발생될 힘을 경로강도를 따라 결정하도록 구성되는 제어기; 및 상기 제어기에 의해 결정된 힘으로 햅틱 디바이스에 피드백 힘을 구동시키는 구동기를 포함하고, 상기 목표강도에서 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생하도록 목표되는 피드백 힘은 침투거리 대 피드백 힘의 목표 기울기에 따라서 정의되고, 상기 경로강도에서 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생되는 피드백 힘은 침투거리 대 피드백 힘의 경로 기울기에 따라 발생되고, 상기 경로 기울기는 상기 목표 기울기보다 작으며, 상기 사이클의 반복에 따라 상기 햅틱 디바이스의 일단의 침투거리는 일정 위치로 수렴하고, 수렴되는 위치의 침투거리 대 상기 수렴되는 위치에서 발생하는 피드백 힘의 기울기가 상기 목표 기울기에 도달하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 SSI 방식의 개념을 설명하는 위치 대 힘 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따라 제안된 SSI 방식에 대한 제어 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 로컬 기울기 u의 계산을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4a 및 4b는 5 N/mm 의 강도를 가지는 가상 벽에 대한 불안정한 햅틱 인터랙션을 도시한다.
도 5a 내지 5d는 도 4와 동일한 실험 조건에서 본 발명에 따른 SSI 방식을 구현함으로써 나타나는 결과들을 도시한다.
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 SSI 방식과 힘 제한 방식(FBA: Force Bounding Approach)의 비교를 도시한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 '햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하기 위한 방법 및 시스템'을 상세하게 설명한다. 설명하는 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 통상의 기술자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예들을 쉽게 설명하기 위한 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

한편, 이하에서 표현되는 각 구성부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 구성부가 사용될 수 있다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, 개방형의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

또한, '제 1, 제 2' 등과 같은 표현은, 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.

또한, 본 교시들이 다양한 실시예들과 관련하여 기술되지만, 본 교시들이 그러한 실시예들로 한정되도록 의도되지 않는다. 오히려, 본 기술분야의 통상의 기술자들에 의해 이해되는 바와 같이, 본 교시들은 다양한 대안들, 수정들, 및 동등물들을 포함한다.

1. 개요

종래의 기술에서 시스템 불안정성에 책임이 있는 2개의 특정 양상들은 이산화(discretization)와 영차 샘플 및 홀드(zero order sample and hold)이다. 연속적인 도메인을 위해 설계된 제어기가 이산 도메인으로 구현되는 경우, 성능이 하락하게 되는 것은 확실하다. 실제의 인터랙션과 가상 세계의 인터랙션은 완전히 상이한 것으로, 후자는 실제 세계의 근사화(approximation) 모델이다. 이러한 근사화는 샘플링 레이트에 의존하며, 샘플링 레이트가 클수록 근사화는 더 양호해진다. 그러나, 아주 작은 에러들도 누적될 수 있고 실제적으로는 심대한 영향을 미칠 수 있다. 햅틱 인터랙션은 불안정성 및 제한주기진동으로 인해 발산할 수 있으며, 불안정성 및 제한주기진동은 모두 비-수동성에 의한 결과이다. 인간의 촉각이 100 Hz 내지 1 kHz 의 범위에서의 진동들에 매우 민감하므로, 작은 제한 주기들도 투명성 또는 가상환경에 대한 느낌을 왜곡할 수 있다.

안정적 햅틱 인터랙션을 달성하기 위해 다수의 연구들이 진행되었는데, 대부분의 연구들은 수동성 제약에 기초를 두고 있다. 수동성 기준은 몇가지 가치 있는 속성들을 가지고 있는데, 예를 들어, 수동성 기준은 시스템 파라미터들로부터 독립적으로 입력/출력 정보만을 사용하고, 그 자체로 안정성에 대한 충분 조건이며, 선형 및 비선형 시스템들 모두에 일반적으로 적용가능하다. 수동성 이론으로부터 도출되어, 몇 가지 다른 방식들이 안정적 햅틱 인터랙션을 위해 제안되었는데, 예를 들어, 시간-도메인 수동성 방식, 에너지 제한 알고리즘, 힘 제한 알고리즘 및 파 변수(wave variable) 방식이 제안되었다. 이와 같은 방식들이 햅틱 인터페이스들의 안정성을 보장하기 위해 제안되어 왔지만, 대부분의 방식들이 제한된 범위의 강도만을 커버하거나, 안정성을 위한 비용으로 실제 디스플레이되는 강도를 희생시킨다.

본 개시에서는 달성가능한 강도 범위를 더 확장시키면서 안정성이 보장될 수 있는 방식을 설명할 것이다. 본 개시의 발명은, 안정성을 유지하면서 고강도의 햅틱 인터랙션을 제공하기 위한 방법으로서, 인터랙션 사이클의 수가 증가하면서, 연속적으로 강도를 증가시키는 신규한 방법이 제안된다. 여기서, 하나의 사이클은 한 번의 프레싱 경로 및 한 번의 릴리싱 경로에 따른 햅틱 디바이스의 프로브의 움직임으로 이루어질 수 있다. 본 개시의 방법에 따르면, 안정성을 유지하면서, 낮은 값에서 높은 값으로 강도가 순차적으로 모듈레이팅되어 목적하는 강도에 가깝게 도달할 수 있게 된다. 본 개시에서 제안하는 방법이 침투거리의 수렴을 보장하고, 매번의 연속적인 인터랙션 사이클마다 피드백 힘을 증가시키기 때문에 이러한 순차적인 강도의 증가가 가능하게 된다. 햅틱 인터랙션은 작은 강도값을 디스플레이함으로써 시작되고, 이후에 몇 번의 사이클들을 거쳐 강도값은 목표하는 값에 가까워지도록 증가하게 된다. 이러한 증가는 매번의 연속적인 사이클마다 피드백 힘을 점진적으로 증가시킴으로써 달성된다. 종래 방식에 비해 여기에서 제안되는 방식의 주요 이점은 시간-도메인 수동성 접근법, 힘 제한(force bounding) 방식 및 에너지 제한 방식과 같은 다른 방식에 비해 더 큰 실제 디스플레이되는 강도를 가능하게 해 준다는 것이다.

본 개시에서는 먼저, 저강도 및 고강도 가상환경에서의 햅틱 인터랙션에 대한 일반적인 개념을 설명하고, 본 발명인 연속적인 강도 증가(SSI; Successive Stiffness Increment)에 대해 설명하고, 프레싱(pressing) 경로와 릴리싱(releasing) 경로에서의 힘을 계산하기 위해 사용되는 함수들에 대해서 자세히 설명할 것이다. 또한, 본 개시의 말미에서는 ToM 프리미엄 1.5를 이용한 실험들을 통해 본 개시에서 제안된 방식의 성능을 평가하고, 다른 방식들과 실제 디스플레이되는 강도를 비교할 것이다.

2. 저강도 및 고강도 가상환경에서의 햅틱 인터랙션

고강도 가상환경에서의 인터랙션에서 생성되는 에너지는 햅틱 디바이스의 고유한 마찰에 의해 방출될 수 있는 에너지보다 더 크게 된다. 따라서, 제 1 사이클 이후에 잔류 에너지는 제 2 사이클에 대해 초기 저장된 에너지로 동작하게 된다. 이에 따라, 햅틱 프로브는 동일한 강도 이득(stiffness gain)을 가지는 가상환경으로 침투하는데 더 많은 에너지를 가지게 된다. 결과적으로, 시스템은 더 크게 진동하고 시간이 갈수록 위치 응답은 발산하게 된다.

반대로, 생성된 에너지가 시스템의 물리적 댐핑(damping)에 의해 방출되는 에너지보다 더 작은 경우에, 인터랙션은 안정성을 유지한다. 햅틱 프로브가 가상환경을 침투한 이후에, 햅틱 프로브는 몇 사이클동안 앞뒤로 이동하면서 인간 오퍼레이터의 힘이 가상환경으로부터의 힘과 거의 동일하게 되는 지점으로 수렴하게 된다. 수렴 이후에도 샘플링 및 영차홀드로 인해 수렴 지점 주변으로 작은 진동이 있을 수는 있다.

3. 연속적 힘 증가 방식

안정성을 유지하면서 디스플레이되는 강도를 증가시키기 위해서, 본 개시에서는 연속적인 사이클동안 강도가 작은 값에서부터 시작하여 점진적으로 증가하는 방식을 제안한다. 이러한 방식에서 강도는 각각의 사이클에서 생성되는 에너지가 작을 수 있도록 낮은 값에서부터 시작하여 순차적으로 모듈레이팅되므로, SSI(Successive Stiffness Increment) 방식이라고 지칭될 수 있다. 더욱이, 제안된 SSI 방식은 침투거리의 수렴을 보장하고 각각의 연속적인 인터랙션 사이클에서 피드백 힘을 증가시키기 때문에, 몇 번의 사이클을 거치면서, 각각의 사이클에서 생성되는 에너지는 결국 햅틱 디스플레이의 고유한 물리적 댐핑에 의해 방출될 수 있는 작은 값으로 수렴한다.

3.1 SSI 방식의 개관

이하에서는, 직관적인 이해를 위해, SSI 방식이 위치 대 힘 그래프를 이용하여 한 사이클씩 개념적으로 설명된다. 도 1은 본 발명에 따른 SSI 방식의 개념을 설명하는 위치 대 힘 그래프이다. 도 1에서는 목표되는 가상환경의 본래 강도(original Stiffness of VE)가 표시되어 있고, 이러한 강도는 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생하도록 목표되는 피드백 힘에 대한 침투거리 대 피드백 힘의 기울기에 따라 정의될 수 있다. 즉, 도 1에서 도시된 바와 같이 침투거리 대 피드백 힘의 기울기가 클수록 가상환경의 강성이 커지고, 기울기가 작을수록 가상환경의 강성이 작아진다. 여기서, 목표되는 가상환경의 강성이 가지는 침투거리 대 피드백 힘의 기울기를 목표 기울기라고 칭할 수 있다. 본 개시에서 제안된 방식은 2개의 섹션들, 프레싱 경로와 릴리싱 경로로 나누어질 수 있다. 도 1에서는 2번의 사이클만을 예시적으로 도시하고, 각각의 사이클마다 프레싱 경로와 릴리싱 경로에서의 침투거리 대 피드백 힘의 대응관계가 표시되어 있다. 프레싱 경로에서의 힘은 본래 목표되는 가상환경의 강도보다 더 작은 강도의 함수이고, 여기서 강도는 생성되는 에너지가 햅틱 디바이스 고유의 댐핑에 의해 방출되는 에너지보다 더 작도록 선택된다. 도 1에서 도시된 바와 같이 프레싱 경로에서 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생되는 피드백 힘은 침투거리 대 피드백 힘의 경로 기울기에 따라 발생하는데, 경로 기울기는 목표 기울기보다 작은 값을 가진다. 햅틱 프로브의 가상환경과의 인터랙션이 단순한 가상 스프링으로 모델링될 수 있음을 고려할 때, 프레싱 경로에서의 힘은 수학식 1과 같이 설정될 수 있다.

여기서, K_s는 선택된 작은 강도이고, x(n)은 침투거리이며, F_r은 이전 사이클의 릴리싱 경로의 마지막 힘의 값이다. 이전 사이클의 릴리싱 경로가 끝난 지점에서 프레싱 경로가 시작된다는 것이 유의되어야 한다. 제 1 사이클에서 F_r은 0일 수 있다.

릴리싱 경로에서의 힘은 수학식 1을 따라 결정되지 않는다. 릴리싱 경로에 대한 함수는 힘의 값이 침투거리가 0일 때에도 0이 아닌 임의의 유한 값을 가지도록 선택된다. 이러한 것은 제 1 및 제 2 사이클 이후에 침투거리 0에서의 유한한 힘 값들인 F_f1 및 F_f2 로 각각 도 1에서 도시된다. 따라서, 릴리싱 경로에 대한 함수는 수학식 2와 같이 표현된다.

여기서, u는 릴리싱 경로에서의 기울기이고, x(n)은 침투거리이며, F_f는 침투거리가 0인 경우의 힘의 선택된 유한 값이다. 수학식 1에서, 프레싱 경로가 이전 사이클의 릴리싱 경로가 끝난 지점에서 시작된다는 것이 보이며, 제 1 릴리싱 경로 이후에 F_f는 제 2 프레싱 경로를 위한 F_r이 될 것이다.

제 1 사이클이 끝난 이후에, 시스템 내에서 총 출력 에너지는 수학식 3과 같다.

여기서, Eb1은 제 1 사이클 동안 햅틱 디스플레이의 물리적 댐핑에 의해 방출되는 에너지이고,

의 식에 의해 계산될 수 있다.

이러한 출력 에너지는 햅틱에서는 관심 주파수의 범위 내에서 수동적인 인간 오퍼레이터에게 전달되고, 시스템으로 다시 전달된다. 따라서, 제 1 사이클의 끝에서의 출력 에너지는 제 2 사이클에서의 입력 에너지가 된다. 제 2 사이클에 대한 프레싱 경로는 F_r이 제 1 사이클의 릴리싱 경로식에서의 F_f 와 동일하다는 조건에서의 수학식 1을 따른다. 햅틱 프로브는 제 2 사이클에 대한 입력 에너지가 제 1 사이클에서의 출력 에너지 이상이 될때까지 가상환경을 침투해야 한다. 따라서, 다음 수학식 4가 만족되어야 한다.

제 1 사이클 이후에는, 프레싱 사이클이 0이 아닌 유한 값, F_r에서 시작하기 때문에, 수학식 4에 기초하여 제 2 사이클에 대한 침투거리가 제 1 사이클에 대한 침투거리보다 더 작을 것임을 유추할 수 있다. 또한, 수학식 1로부터 제 2 프레싱 경로의 끝에서의 힘(f_p2)이 제 1 프레싱 경로의 끝에서의 힘(f_p1)보다 더 클 것임을 알 수 있다. 더욱이, F_r 값이 커질수록, 제 2 사이클에 대한 침투거리는 더 작아지고 힘은 더 커질 것이다.

따라서, 시스템이 에너지를 생성함에도 불구하고, 침투거리는 수렴하고, 힘은 매 사이클 이후마다 증가한다. 또한, 매 사이클마다 침투거리가 줄어들면서, 각각의 사이클 이후에 생성되는 에너지도 이전 사이클보다 작아진다. 이러한 현상에 의해 디스플레이되는 강도가 매번의 연속적인 사이클에 따라 증가하면서도 시스템은 안정하게 유지될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따라 제안된 SSI 방식에 대한 제어 구조를 도시한다. 도 2 에서 도시된 바와 같은 제어 구조의 햅틱 시스템을 통해 상술된 SSI 방식이 구현될 수 있다.

3.2 연속적인 강도 증가 방식에 대한 상세한 설명

위에서는 제안되는 아이디어가 개념적으로 설명되고, 인터랙션 사이클의 수가 증가할수록 침투거리는 더 작아지고, 인터랙션 힘은 더 커졌다. 하지만, 수학식 1 및 수학식 2는 가상환경에서 목표로 하는 강도에 대해 고려하지 않는다. 목표 강도의 가상환경에 기초하여 상술된 개념을 실현하기 위해서는, 프레싱 경로와 릴리싱 경로에 대한 힘을 계산하기 위해 2개의 상이한 함수가 정의되어야 한다.

<프레싱 경로에서의 함수>

프레싱 경로 동안의 힘을 계산하기 위한 함수는 수학식 5와 같다.

여기서, f_e(k)는 가상환경으로부터의 힘이고, f_p(k)는 f(k)의 이전 사이클에서의 값이며, α는 프레싱 경로가 얼마나 급격하게 증가하는지를 결정하는 값이다. α 값이 클수록 더 기울기가 큰 프레싱 경로를 나타낸다.

<릴리싱 경로에서의 함수>

릴리싱 경로는 프레싱 경로가 완료된 후에 시작된다. 도 3은 본 발명에 따른 로컬 기울기 u의 계산을 개략적으로 보여주는 도면이다. 로컬 기울기 u는 도 3에서 도시되는 바와 같이 프레싱 경로의 마지막 힘과 위치 값들(x_Top, f_Top)에서부터 가상환경의 바운더리까지 이어지는 선으로 계산된다. 이러한 로컬 기울기는 매 사이클마다 오직 한 번씩 프레싱 경로의 완료 이후에 계산된다. 로컬 기울기 u는 수학식 6과 같이 계산된다.

여기서, f_Top는 프레싱 경로 상에서 f의 마지막 값이고, x_Top는 프레싱 경로 상에서 x의 마지막 값이다.

릴리싱 경로에서 힘은 이러한 로컬 기울기 u를 따르게 된다. 섹션 3.1에서 설명된 바와 같이, 릴리싱 경로의 완료 이후에 힘은 유한 값을 가져야 한다. 릴리싱 경로 동안 힘은 수학식 7의 함수로 정의된다.

여기서, β는 릴리싱 경로가 얼마나 급격할 것인지 결정하고, β 값이 더 크다는 것은 릴리싱 경로의 완료에서 힘의 값이 더 크다는 것을 의미한다. 또한, f_r(k)는 수학식 8과 같이 정의된다.

<α 및 β의 선택>

힘과 위치의 선형 관계에 대해, 생성되는 에너지가 햅틱 디스플레이의 물리적 댐핑에 의해 방출되기 위한 강도의 값은 수동성 조건에 의해 다음과 같이 수학식 9로 주어진다.

여기서, b_m은 햅틱 디스플레이의 물리적 댐핑이고, △T는 샘플링 시간이다.

섹션 2에서 설명된 바와 같이, 몇 번의 사이클들 이후에 시스템이 수렴하는 경우, 샘플링 및 영차 홀드로 인해 수렴 지점 근처에서의 작은 앞뒤로의 움직임이 존재할 수 있다. 이러한 앞뒤로의 움직임은 일정한 에너지를 생성하며, 이 에너지는 지터링(jittering) 없이 부드러운 햅틱 인터랙션을 위해 햅틱 디스플레이의 물리적 댐핑에 의해 방출되어야만 한다.

각각의 프레싱 경로의 시작에서 제 1 샘플을 위한 피드백 힘은 수학식 8의 조건을 따라야 하며, 수학식 10과 같이 주어진다.

여기서, x(k)는 현재 침투거리이고, f_p는 이전 피드백 힘의 값이며, x_p(k)는 이전 침투거리이다.

α 값은 수학식 5 및 10에 의해 다음의 수학식 11과 같이 유도된다.

이와 유사하게, 각각의 릴리싱 경로의 시작에서 제 1 샘플에 대한 피드백 힘은 수학식 10과 동일하게 되어야 하며, β 값은 수학식 7과 수학식 10에 의해 다음의 수학식 12와 같이 유도된다.

도 3에서 도시된 바와 같이, 하나의 프레싱 경로 또는 릴리싱 경로에서도 침투거리 대 피드백 힘의 기울기는 침투거리에 따라 변경될 수도 있다. 즉, 하나의 프레싱 경로 또는 릴리싱 경로에서도 침투거리 대 피드백 힘의 기울기가 침투거리의 함수일 수 있다.

4. 실험들

4.1 실험 설정

본 개시에서 제안된 방식의 성능을 입증하기 위해, 싱글-DOF 임피던스 타입 햅틱 디스플레이 상에서, 상용 햅틱 장비인 PHANToM 프리미엄 1.5을 이용하여 실험을 수행하였다. 기본적인 사항은 다음과 같다: 최대 힘 출력은 8.5N, 연속적 인가가능한 힘은 1.4N, 물리적 댐핑(b_m)은 0.0002 Ns/mm, 이에 따라 수학식 9에 의해 Kv는 0.4 N/mm이고, 인코더 해상도는 0.03 mm이고, 샘플링 레이트는 1 kHz이다.

햅틱 프로브의 가상환경과의 인터랙션은 다음과 같은 수학식 13에 의해 단순한 가상 스프링으로 모델링된다.

여기서, x(n)은 햅틱 프로브의 가상환경 내로의 침투거리이고, k는 가상환경의 강도이다.

4.2 실험 평가

실험들은 제어 법칙을 가지거나 가지지 않으면서 다양한 강도의 가상 벽에 대해 수행되었다. 도 4a 및 4b는 5 N/mm 의 강도를 가지는 가상 벽에 대한 불안정한 햅틱 인터랙션을 도시한다. 생성된 에너지가 시스템의 물리적 댐핑에 의해 방출될 수 있는 양보다 일정 정도 이상으로 더 크게 되어, 응답들이 불안정한 거동을 보여준다.

도 5a 내지 5d는 도 4와 동일한 실험 조건에서 본 발명에 따른 SSI 방식을 구현함으로써 나타나는 결과들을 도시한다. 도 5a 및 5b에서 도시된 바와 같이 위치 및 힘 응답이 안정적이고, 오퍼레이터는 어떠한 진동도 느끼지 못하게 된다. 생성된 에너지가 햅틱 디스플레이에 의해 방출될 수 있는 에너지보다 크기는 했지만, 침투거리가 수렴하고 몇 번의 사이클들 이후에 생성되는 에너지가 시스템의 물리적 댐핑에 의해 방출되기에 충분할 정도로 작아지면서 햅틱 인터랙션이 안정성을 유지하였다. 도 5d는 가상 벽의 목적하는 강도에 가깝게 된 디스플레이된 강도를 도시한다.

4.3 힘 제한 방식과의 비교

목적하는 강도를 디스플레이하기 위해 본 개시에서 제안된 SSI 방식과 힘 제한 방식이 비교되었다. 둘 모두의 방식에 대해 PHANToM 프리미엄 1.5를 이용하여 실험들이 수행되었고, 물리적 댐핑 b_m의 값은 0.0002 Ns/mm로 선택되었다. 도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 SSI 방식과 힘 제한 방식(FBA: Force Bounding Approach)의 비교를 도시한다. 도 6a에서 가상환경의 강도가 5 N/mm인 경우 FBA의 최대 디스플레이되는 강도는 약 0.4 N/mm임을 알 수 있다. 반면에, 도 6b를 참조하면, SSI 방식의 디스플레이되는 강도는 약 3 N/mm로 FBA보다 훨씬 큰 강도를 달성하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6c에서 도시된 바와 같이, 가상환경의 강도를 100 N/mm 로 증가시키는 경우, 디스플레이되는 강도는 약 10 N/mm 로 증가한다. 한편, 힘이 몇 번의 사이클들 이후에 증가하여 침투거리에서 소규모의 변화도 디스플레이되는 강도의 값에서 시프트를 야기하기 때문에 디스플레이되는 강도에서 약간의 오르내림이 있다. 참고로, 시간-도메인 수동성 방식(TDPA: Time-Domain Passivity Approach)으로는 고강도 가상환경을 안정화시키지 못했다.

5. 결론

본 개시에서는 임피던스 타입 햅틱 디스플레이들에서 달성가능한 강도 범위를 더 확장하기 위한 안정적인 햅틱 인터랙션 방법의 새로운 개념이 제안되었다. 디스플레이되는 강도를 연속적으로 증가시키기 위해, 각각의 프레싱 영역 및 릴리싱 영역에 대한 2개의 별도의 함수들이, 생성된 에너지가 디바이스의 내재적 물리적 댐핑에 의해 방출될 수 있으면서도 디스플레이되는 강도가 목적하는 값에 가능한 근접하도록 점진적으로 증가할 수 있는 방식으로 정의되었다. 제안된 방식이 힘의 급작스러운 변화 없이 인터랙션의 연속한 사이클에서 디스플레이되는 힘을 연속적으로 증가시키기 때문에, 오퍼레이터는 강도의 변화를 인지하지 못한다. 종래 기술과 비교하여 본 개시에서 제안된 방식의 가장 큰 이점은 TDPA, FBA 및 EBA(Energy Bounding Approach)와 같은 다른 방식들보다 훨씬 큰 실제 디스플레이되는 강도를 SSI 방식을 통해 구현할 수 있다는 것이다. PHANToM 을 이용한 실험들을 통해 본 개시에서 제안된 방식이 다른 방식에 비해 확장된 강도 범위 및 고강도의 실제 디스플레이되는 강도를 제공할 수 있다는 것이 증명되었다. 한편, 본 개시에서 제시된 개념은 원격 시스템들 및 멀티-DOF 인터랙션에도 적용될 수 있다.

당업자는 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 회로들, 및 알고리즘 단계들이 전자 하드웨어, 컴퓨터 소프트웨어, 또는 이 둘의 조합으로서 구현될 수도 있음을 또한 이해할 것이다. 하드웨어 및 소프트웨어의 상호 호환성을 명확하게 설명하기 위해, 다양한 예시적인 소자들, 블록들, 모듈들, 회로들 및 단계들이 일반적으로 이들의 기능적 관점에서 설명되었다. 이러한 기능이 하드웨어로 구현되는지, 또는 소프트웨어로 구현되는지는 특정 애플리케이션 및 전체 시스템에 대해 부가된 설계 제한들에 의존한다. 당업자는 설명된 기능들을 각각의 특정 애플리케이션에 대해 다양한 방식으로 구현할 수 있지만, 이러한 구현 결정은 본 발명의 영역을 벗어나는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 발명과 관련하여 설명된 다양한 예시적인 논리 블록들, 모듈들, 및 회로들이 범용 프로세서, 디지털 신호 처리기(DSP), 주문형 집적회로(ASIC), 필드 프로그램가능한 게이트 어레이(FPGA) 또는 다른 프로그램가능한 논리 장치(PLD), 이산 게이트 또는 트랜지스터 로직, 이산 하드웨어 컴포넌트들 또는 설명된 기능들을 구현하도록 설계된 이들의 조합으로 구현 또는 수행될 수 있다. 범용 프로세서는 마이크로 프로세서 일 수 있지만, 대안적으로, 프로세서는 상용 프로세서, 제어기, 마이크로제어기, 또는 상태 머신일 수 있다. 프로세서는 예를 들어, DSP 및 마이크로프로세서, 복수의 마이크로프로세서들, DSP 코어와 관련한 하나 이상의 마이크로 프로세서, 또는 임의의 다른 이러한 구성으로서 구현될 수 있다.

본원 발명과 관련하여 설명되는 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어로, 프로세서에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로, 또는 이 둘의 결합으로 직접 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래쉬 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터들, 하드디스크, 휴대용 디스크, CD-ROM, 또는 공지된 임의의 다른 형태의 저장 매체에 상주할 수 있다. 예시적인 저장매체는, 프로세서가 저장매체로부터 정보를 판독하고, 저장매체에 정보를 기록할 수 있도록 프로세서에 연결된다. 대안적으로, 저장 매체는 프로세서에 통합될 수도 있다. 프로세서 및 저장매체는 ASIC에 위치할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말에 위치할 수도 있다. 대안적으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말에서 개별 컴포넌트들로서 존재할 수 있다.

하나 이상의 예시적인 실시예들에서, 설명된 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 조합을 통해 구현될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 물건으로서 소프트웨어로 구현되는 경우, 상기 기능들은 컴퓨터 판독가능한 매체 상에 하나 이상의 명령들 또는 코드로서 저장되거나, 또는 이들을 통해 전송될 수 있다. 컴퓨터 판독가능한 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 일 장소에서 다른 장소로 컴퓨터 프로그램의 이전을 용이하게 하기 위한 임의의 매체를 포함하는 통신 매체를 포함한다. 저장 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용한 매체일 수 있다. 예를 들어, 이러한 컴퓨터 판독가능한 매체는 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광학 디스크 저장소, 자기 디스크 저장소 또는 다른 자기 저장 장치들, 또는 명령 또는 데이터 구조의 형태로 요구되는 프로그램 코드 수단을 저장 또는 전달하는데 사용될 수 있고, 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 또한, 임의의 연결 수단이 컴퓨터 판독가능한 매체로 간주될 수 있다. 예를 들어, 소프트웨어가 웹사이트, 서버, 또는 다른 원격 소스로부터 동축 케이블, 광섬유 케이블, 꼬임 쌍성, 디지털 가입자 라인(DSL), 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로웨이브와 같은 무선 기술들을 통해 전송되는 경우, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 꼬임 쌍선, DSL, 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로웨이브와 같은 무선 기술들이 이러한 매체의 정의에 포함될 수 있다. 여기서 사용되는 disk 및 disc은 컴팩트 disc(CD), 레이저 disc , 광 disc, DVD, 플로피 disk, 및 블루-레이 disc를 포함하며, 여기서 disk는 데이터를 자기적으로 재생하지만, disc은 레이저를 통해 광학적으로 데이터를 재생한다. 상기 조합들 역시 컴퓨터 판독가능한 매체의 범위 내에 포함되어야 한다.

위에서 설명된 본 발명의 실시 예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 이들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (9)

1. 햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하기 위한 방법으로서,
   가상환경의 목표강도를 설정하는 단계 - 상기 목표강도에서 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생하도록 목표되는 피드백 힘은 침투거리 대 피드백 힘의 목표 기울기에 따라서 정의됨 -;
   햅틱 디바이스의 일단이 상기 가상환경에서 프레싱 경로 및 릴리싱 경로를 따라 움직이는 사이클을 반복하는 동안 경로강도를 따라 피드백 힘을 발생시키는 단계 - 상기 경로강도에서 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생되는 피드백 힘은 침투거리 대 피드백 힘의 경로 기울기에 따라 발생되고, 상기 경로 기울기는 상기 목표 기울기보다 작음 -; 및
   상기 사이클의 반복에 따라 상기 햅틱 디바이스의 일단의 침투거리는 일정 위치로 수렴하고, 수렴되는 위치의 침투거리 대 상기 수렴되는 위치에서 발생하는 피드백 힘의 기울기가 상기 목표 기울기에 도달하는 단계를 포함하는,
   햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하기 위한 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   프레싱 경로에서 발생하는 피드백 힘은 아래 수학식 a 로 정의되며,
   <수학식 a>
   

   

   
   상기 수학식 a 에서 K_s 는 프레싱 경로에서 침투거리 대 피드백 힘의 제 1 기울기이고, x(n)은 침투거리이며, F_r은 첫번째 사이클에서는 0이고, 이후에는 직전 사이클의 릴리싱 경로를 따른 움직임에서 마지막 위치에서의 피드백 힘의 값인,
   햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하기 위한 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   릴리싱 경로에서 발생하는 피드백 힘은 아래 수학식 b 로 정의되며,
   <수학식 b>
   

   

   
   상기 수학식 b에서 u는 릴리싱 경로에서 침투거리 대 피드백 힘의 제 2 기울기이고, x(n)은 침투거리이며, F_f는 침투거리가 0일때에 발생하도록 설정된 0보다 큰 힘의 값으로 사이클 횟수에 따라 증가하는,
   햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하기 위한 방법.
   
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 제 1 기울기 또는 상기 제 2 기울기는 침투거리의 함수인,
   햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하기 위한 방법.
   
5. 햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하는 시스템으로서,
   가상환경의 목표강도를 설정하고, 햅틱 디바이스의 일단이 상기 가상환경에서 프레싱 경로 및 릴리싱 경로를 따라 움직이는 사이클을 반복하는 동안 발생될 힘을 경로강도를 따라 결정하도록 구성되는 제어기; 및
   상기 제어기에 의해 결정된 힘으로 햅틱 디바이스에 피드백 힘을 구동시키는 구동기를 포함하고,
   상기 목표강도에서 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생하도록 목표되는 피드백 힘은 침투거리 대 피드백 힘의 목표 기울기에 따라서 정의되고,
   상기 경로강도에서 가상환경에의 침투거리에 대응하여 발생되는 피드백 힘은 침투거리 대 피드백 힘의 경로 기울기에 따라 발생되고, 상기 경로 기울기는 상기 목표 기울기보다 작으며,
   상기 사이클의 반복에 따라 상기 햅틱 디바이스의 일단의 침투거리는 일정 위치로 수렴하고, 수렴되는 위치의 침투거리 대 상기 수렴되는 위치에서 발생하는 피드백 힘의 기울기가 상기 목표 기울기에 도달하는,
   햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하는 시스템.　
   
6. 제 5 항에 있어서,
   프레싱 경로에서 발생하는 피드백 힘은 아래 수학식 a 로 정의되며,
   <수학식 a>
   

   

   
   상기 수학식 a 에서 K_s 는 프레싱 경로에서 침투거리 대 피드백 힘의 제 1 기울기이고, x(n)은 침투거리이며, F_r은 첫번째 사이클에서는 0이고, 이후에는 직전 사이클의 릴리싱 경로를 따른 움직임에서 마지막 위치에서의 피드백 힘의 값인,
   햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하는 시스템.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   릴리싱 경로에서 발생하는 피드백 힘은 아래 수학식 b 로 정의되며,
   <수학식 b>
   

   

   
   상기 수학식 b에서 u는 릴리싱 경로에서 침투거리 대 피드백 힘의 제 2 기울기이고, x(n)은 침투거리이며, F_f는 침투거리가 0일때에 발생하도록 설정된 0보다 큰 힘의 값으로 사이클 횟수에 따라 증가하는,
   햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하는 시스템.
   
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 제 1 기울기 또는 상기 제 2 기울기는 침투거리의 함수인,
   햅틱 디바이스를 통해 햅틱 증강현실을 제공하는 시스템.
   
9. 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서,
   상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행될 때, 컴퓨터로 하여금 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하도록 하는,
   컴퓨터 판독가능 저장 매체.

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