KR20200076090A - 햅틱 디스플레이 장치 및 햅틱 디스플레이 방법 - Google Patents

Abstract

햅틱 디스플레이 장치 및 햅틱 디스플레이 방법에 관한 기술이 개시된다. 상기 햅틱 디스플레이 장치는 접촉부위에 촉각을 제공하는 촉각전달부 및 외부신호에 따라 상기 촉각전달부를 구동하는 구동부를 포함한다. 상기 구동부는 상기 촉각전달부가 상기 접촉부위를 마주보는 방향인 제1방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수직구동부 및 상기 제1방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수평구동부를 포함한다. 이 경우, 상기 외부신호에 따라 상기 수직구동부는 상기 접촉부위에 수직 힘을 제공하며, 상기 수평구동부는 상기 접촉부위에 수평 힘을 제공한다.
상기 햅틱 디스플레이 방법은 접촉부위에 촉각을 제공하는 촉각전달부를 준비하는 촉각전달부 준비과정 및 외부신호에 따라 상기 촉각전달부를 구동하는 촉각전달부 구동과정을 포함한다. 상기 촉각전달부 구동과정은 상기 촉각전달부가 상기 접촉부위를 마주보는 방향인 제1방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수직 구동과정 및 상기 제1방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수평 구동과정을 포함한다.
본 명세서에서 개시하는 기술은 촉각전달부, 수직구동부와 수평구동부를 통하여 접촉부위에 수직 힘과 수평 힘을 제공함으로써 로봇이 감지하는 촉각을 사용자에게 충실히 전달해 줄 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.

Description

햅틱 디스플레이 장치 및 햅틱 디스플레이 방법{apparatus and method for haptic display}

본 명세서에서 개시하는 기술은 대체로 햅틱 디스플레이 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 접촉부위에 촉각을 제공하는 촉각전달부를 수직구동부 및 수평구동부를 통하여 구동하여 로봇을 이용한 수술이나 작업과정에서 로봇이 감지하는 촉각을 모사하여 사용자에게 제공하는 햅틱 디스플레이 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 원격으로 로봇을 조작하여 의료 장비나 산업 장비를 제어하여 수술을 수행하거나 작업을 진행하는 장비의 개발 및 적용이 빈번하게 이루어지고 있다. 원격 로봇 조작의 경우에 조작자에 의하여 일방적으로 로봇에 힘이 전달되는 방식을 취하고 있다. 이로 인하여 조작자는 로봇이 현재 처하고 있는 상황 등을 피드백 받지 못하여 로봇의 정교한 조작이 어려운 문제점이 있다. 이에 최근에는 햅틱 인터페이스 장치 등을 통하여 로봇이 현재 처하고 있는 상황 등을 조작자에게 촉각으로 피드백해주는 기술에 대한 연구와 개발이 진행되고 있다.

햅틱 인터페이스 장치를 통하여 로봇에 가해지는 힘 등을 조작자에게 촉각으로 피드백해주는 기술과 관련된 종래기술로는 대한민국등록특허 KR 제10-1430248호 "촉각 디스플레이 장치" 등이 있다. 종래기술은 터치 스폿의 승강을 통하여 사용자에게 촉감을 제공하는 기술을 개시하고 있다. 종래기술은 터치 스폿의 승강을 통하여 사용자에게 수직력을 제공할 뿐이므로 수평력, 수직력과 수평력이 상호 조합되는 실제의 수술 또는 작업 환경에서 로봇이 처하고 있는 실제 상황을 사용자에게 제공할 수 없다는 문제점이 있다.

본 명세서에서 개시하는 기술은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 접촉부위에 촉각을 제공하는 촉각전달부를 외부신호에 따라 상기 접촉부위 방향으로 구동하는 수직구동부와 상기 수직구동부에 수직한 방향으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수평구동부를 통하여 상기 접촉부위에 수직 힘과 수평 힘을 제공함으로써 로봇이 감지하는 촉각을 사용자에게 충실히 전달해 줄 수 있는 기술을 제시한다.

또한, 본 명세서에서는 면적감지부를 통하여 접촉부위의 면적을 감지하여 접촉면적의 변화에 따라 수평 힘을 차등 제공함으로써 로봇이 감지하는 수평압력을 사용자에게 충실히 전달해 줄 수 있는 기술을 제시한다.

일 실시 예에 있어서, 햅틱 디스플레이 장치에 관한 기술이 개시(disclosure)된다. 상기 햅틱 디스플레이 장치는 접촉부위에 촉각을 제공하는 촉각전달부 및 외부신호에 따라 상기 촉각전달부를 구동하는 구동부를 포함한다.

상기 구동부는 상기 촉각전달부가 상기 접촉부위를 마주보는 방향인 제1방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수직구동부 및 상기 제1방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수평구동부를 포함한다. 이 경우, 상기 외부신호에 따라 상기 수직구동부는 상기 접촉부위에 수직 힘을 제공하며, 상기 수평구동부는 상기 접촉부위에 수평 힘을 제공한다. 이때, 상기 수평구동부는 상기 수직구동부가 구동된 후 구동될 수 있다.

한편, 상기 햅틱 디스플레이 장치는 상기 촉각전달부가 마련되는 이동체를 더 포함할 수 있다. 상기 수직구동부는 상기 이동체에 마련될 수 있으며, 상기 수평구동부는 상기 이동체를 상기 제1방향에 수직한 상기 방향을 기준으로 구동할 수 있다.

또 한편, 상기 햅틱 디스플레이 장치는 상기 촉각전달부가 마련되는 이동체를 더 포함할 수 있다. 상기 수직구동부는 상기 이동체에 마련될 수 있다. 상기 수평구동부는 상기 제1방향에 수직한 제2방향을 기준으로 상기 이동체를 구동하는 제1수평구동부 및 상기 제1방향과 상기 제2방향에 각각 수직한 제3방향을 기준으로 상기 이동체를 구동하는 제2수평구동부를 포함할 수 있다.

일례로, 상기 햅틱 디스플레이 장치는 상기 제1수평구동부가 마련되는 제1하우징 및 상기 제2수평구동부가 마련되는 제2하우징을 더 포함할 수 있다. 상기 제2하우징의 적어도 일부-이하 제2하우징 삽입부라 함-는 상기 제1하우징 내부에 마련될 수 있다. 상기 이동체의 적어도 일부-이하 이동체 삽입부라 함-는 상기 제2하우징 내부에 마련될 수 있다. 상기 제1수평구동부는 상기 제2하우징 삽입부를 상기 제2방향을 기준으로 구동할 수 있다. 상기 제2수평구동부는 상기 이동체 삽입부를 상기 제3방향을 기준으로 구동할 수 있다. 이때, 상기 촉각전달부는 상기 제1하우징 및 상기 제2하우징 옆에 마련될 수 있다.

다른 예로, 상기 햅틱 디스플레이 장치는 상기 제1하우징과 상기 제2하우징 삽입부 사이의 거리를 측정하는 제1거리측정센서 및 상기 제1하우징과 상기 이동체 삽입부 사이의 거리 또는 상기 제2하우징과 상기 이동체 삽입부 사이의 거리를 측정하는 제2거리측정센서를 더 포함할 수 있다. 상기 제1거리측정센서 및 상기 제2거리측정센서를 통하여 상기 제2방향 및 상기 제3방향으로 정의되는 평면에서의 상기 촉각전달부의 위치를 측정할 수 있다. 이때, 상기 제1거리측정센서는 상기 제1하우징에 마련되는 제1자기장센서 및 상기 제2하우징 삽입부에 마련되는 제1영구자석을 포함할 수 있다. 상기 제2거리측정센서는 상기 제1하우징 또는 상기 제2하우징에 마련되는 제2자기장센서 및 상기 이동체 삽입부에 마련되는 제2영구자석을 포함할 수 있다.

또 한편, 상기 햅틱 디스플레이 장치는 상기 접촉부위에 접하는 상기 촉각전달부의 면적을 감지하는 면적감지부를 더 포함할 수 있다. 상기 촉각전달부는 팽창부를 포함할 수 있다. 상기 수직구동부는 상기 팽창부를 부풀려 상기 팽창부를 상기 제1방향으로 구동할 수 있다. 상기 면적감지부는 상기 수직구동부의 구동에 따라 상기 접촉부위에 접촉한 상기 팽창부의 면적인 접촉면적을 감지할 수 있다. 상기 수평구동부가 상기 접촉부위에 제공하는 상기 수평 힘은 상기 접촉면적의 변화에 따라 변화될 수 있다.

이때, 상기 햅틱 디스플레이 장치는 상기 팽창부의 내부압력을 감지하는 압력감지부를 더 포함할 수 있다. 상기 수직구동부는 상기 내부압력이 기준압력이 되도록 상기 팽창부에 압력을 인가하여 상기 팽창부를 부풀릴 수 있다. 상기 수평구동부는 상기 면적감지부가 감지한 상기 접촉면적에서 상기 수평 힘에 기인하는 수평압력이 기준수평압력이 되도록 상기 수평 힘을 조절할 수 있다.

다른 실시 예에 있어서, 햅틱 디스플레이 방법에 관한 기술이 개시된다. 상기 햅틱 디스플레이 방법은 접촉부위에 촉각을 제공하는 촉각전달부를 준비하는 촉각전달부 준비과정 및 외부신호에 따라 상기 촉각전달부를 구동하는 촉각전달부 구동과정을 포함한다.

상기 촉각전달부 구동과정은 상기 촉각전달부가 상기 접촉부위를 마주보는 방향인 제1방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수직 구동과정 및 상기 제1방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수평 구동과정을 포함한다. 상기 수직 구동과정에서는 상기 외부신호에 따라 상기 접촉부위에 수직 힘을 제공한다. 상기 수평 구동과정에서는 상기 외부신호에 따라 상기 접촉부위에 수평 힘을 제공한다. 이때, 상기 수평 구동과정은 상기 수직 구동과정 후에 수행될 수 있다.

한편, 상기 햅틱 디스플레이 방법은 상기 수평 구동과정 이전에 수행되며, 상기 접촉부위에 접하는 촉각전달부의 면적인 접촉면적을 감지하는 접촉면적 감지과정을 더 포함할 수 있다. 상기 수직 구동과정은 상기 촉각전달부가 포함하는 팽창부를 부풀려 상기 팽창부를 상기 제1방향으로 구동하는 과정을 통하여 수행될 수 있다. 상기 수평 구동과정에서 상기 접촉부위에 제공되는 상기 수평 힘은 상기 접촉면적의 변화에 따라 변화될 수 있다.

이때, 상기 햅틱 디스플레이 방법은 상기 팽창부의 내부압력을 감지하는 내부압력 감지과정을 더 포함할 수 있다. 상기 수직 구동과정은 상기 내부압력이 기준압력이 되도록 상기 팽창부에 압력을 인가하여 상기 팽창부를 부풀리는 과정으로 수행될 수 있다. 상기 수평 구동과정은 상기 접촉면적 감지과정에서 감지한 상기 접촉면적에서 상기 수평 힘에 기인하는 수평압력이 기준수평압력이 되도록 상기 수평 힘을 조절하는 과정으로 수행될 수 있다.

본 명세서에서 개시하는 기술은 접촉부위에 촉각을 제공하는 촉각전달부를 외부신호에 따라 상기 접촉부위 방향으로 구동하는 수직구동부와 상기 수직구동부에 수직한 방향으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수평구동부를 통하여 상기 접촉부위에 수직 힘과 수평 힘을 제공함으로써 로봇이 감지하는 촉각을 사용자에게 충실히 전달해 줄 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.

또한, 본 명세서에서 개시하는 기술은 면적감지부를 통하여 접촉부위의 면적을 감지하여 접촉면적의 변화에 따라 수평 힘을 차등 제공함으로써 로봇이 감지하는 수평압력을 충실히 모사하여 사용자에게 전달해 줄 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.

또한, 본 명세서에서 개시하는 기술은 비접촉방식의 제1거리측정센서와 제2거리측정센서를 통하여 제1하우징과 제2하우징 삽입부의 거리 및 제1하우징 또는 제2하우징과 이동체 삽입부의 거리 측정을 통하여 촉각전달부의 위치를 감지할 수 있다. 본 명세서에서 개시하는 기술은 비접촉방식을 사용하여 촉각전달부의 위치를 감지함으로써 감지신호 등 신호전달을 위한 배선이 간소해지는 효과를 제공해 줄 수 있다. 그리고 본 명세서에서 개시하는 기술은 제1하우징, 제2하우징, 이동체 간의 거리를 측정함으로써 촉각전달부의 위치를 측정하는 간접측정방식을 취함으로써 접촉부위에 촉각전달부가 접촉하는 과정에서 촉각전달부의 변형에 따라 촉각전달부의 위치가 잘 못 계산될 수 있는 직접측정방식에 비하여 측정의 정확도를 높일 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.

전술한 내용은 이후 보다 자세하게 기술되는 사항에 대해 간략화된 형태로 선택적인 개념만을 제공한다. 본 내용은 특허 청구 범위의 주요 특징 또는 필수적 특징을 한정하거나, 특허청구범위의 범위를 제한할 의도로 제공되는 것은 아니다.

도 1은 일 실시 예에 따른 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치의 개념도를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 명세서에서 개시하는 구동부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 명세서에서 개시하는 수직구동부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 명세서에서 개시하는 거리측정센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 명세서에서 개시하는 면적감지부가 감지하는 접촉면적의 변화에 따라 수평구동부의 동작이 변화하는 모습을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고 자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구성요소의 폭, 길이, 두께 또는 형상 등은 과장되어 표현될 수도 있다.

일 구성요소가 다른 구성요소에 "마련"이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 마련되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.

일 구성요소가 다른 구성요소에 "제공"이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 제공되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다.

본 명세서에서 사용하는 로봇이라는 용어는 유선 또는 무선 방식을 통한 작업자의 지시나 동작, 미리 프로그램된 방식 등으로 입력되는 명령에 따라 작업을 수행하는 장치를 총 망라하는 개념으로 사용된다.

개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용된 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석 될 수 없다.

도 1은 일 실시 예에 따른 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치의 개념도를 보여주는 도면이다. 도 2는 본 명세서에서 개시하는 구동부의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 2의 (a) 내지 (d)는 각각 촉각전달부의 초기상태, 촉각전달부가 제2방향인 x축 방향으로 이동하는 모습, 촉각전달부가 제3방향인 y축 방향으로 이동하는 모습 및 촉각전달부가 xy평면에서 대각선 방향으로 이동하는 모습을 보여주는 도면이다. 도 3은 본 명세서에서 개시하는 수직구동부의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 도 2의 (b)에 표현된 AA'선에 따른 단면도이며, 도 3의 (a) 및 (b)는 각각 수직구동부의 동작 전 및 동작 후의 모습을 보여주는 도면이다. 도 4는 본 명세서에서 개시하는 거리측정센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (a) 및 (b)는 각각 초기거리를 측정하는 모습 및 제2하우징 또는 제2하우징 삽입부와 이동체 또는 이동체 삽입부가 xy평면에서 대각선 방향으로 이동한 거리를 측정하는 모습을 보여주는 도면이다. 도 5 및 도 6은 본 명세서에서 개시하는 면적감지부가 감지하는 접촉면적의 변화에 따라 수평구동부의 동작이 변화하는 모습을 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 (a)는 로봇(robot)이 그리퍼(gripper)를 통하여 대상물을 쥐고 있는 모습을 보여주는 도면이며, (b) 및 (c)는 대상물에 접하는 그리퍼의 접촉면적에 따라 그리퍼에 가해지는 수직압력과 수평압력을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 수직구동부에 의하여 구동되어 접촉부위에 수직 힘을 제공하는 촉각전달부를 보여주며, 도 6에는 촉각전달부로서 팽창부가 예시되어 있다. 도 6의 (a)와 (b)는 수직구동부에 의하여 촉각전달부가 접촉부위에 접하는 과정에서 서로 다른 접촉면적을 가지는 경우를 보여주는 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)에 대하여 설명하기로 한다.

도면을 참조하면, 햅틱 디스플레이 장치(100)는 촉각전달부(110) 및 구동부(120)를 포함한다. 몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 햅틱 디스플레이 장치(100)는 선택적으로(optionally) 이동체(130)를 더 포함할 수 있다. 몇몇 또 다른 실시 예들에 있어서, 햅틱 디스플레이 장치(100)는 선택적으로 제1하우징(140) 및 제2하우징(150)을 더 포함할 수 있다. 몇몇 또 다른 실시 예들에 있어서, 햅틱 디스플레이 장치(100)는 선택적으로 제1거리측정센서(160) 및 제2거리측정센서(170)를 더 포함할 수 있다. 몇몇 또 다른 실시 예들에 있어서, 햅틱 디스플레이 장치(100)는 선택적으로 면적감지부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 몇몇 또 다른 실시 예들에 있어서, 햅틱 디스플레이 장치(100)는 선택적으로 압력감지부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

촉각전달부(110)는 접촉부위(10)에 촉각을 제공한다. 보다 구체적으로 설명하면, 촉각전달부(110)는 사용자의 신체의 피부 등과 같은 접촉부위(10)에 접촉하여 사용자에게 촉각을 제공할 수 있다. 이때 사용자에게 제공되는 촉각은 수직 힘(normal force), 수평 힘(shear force), 수직 압력(normal pressure 또는 normal stress), 수평 압력(shear stress) 등의 형태로 제공될 수 있다. 이들은 각각 제공되거나 상호 연계되어 제공될 수 있다. 후술하는 구동부(120)의 동작에 의하여 촉각전달부(110)는 상술한 다양한 물리력을 접촉부위(10)에 촉각으로서 제공할 수 있다. 도 1에는 접촉부위(10)로서 손가락 끝단 피부가 예로서 표현되어 있다.

구동부(120)는 외부신호에 따라 촉각전달부(110)를 구동한다. 상기 외부신호는 다양한 방식과 형태로 제공될 수 있다. 도 5에 예로서 도시한 바와 같이, 상기 외부신호는 대상물(c)를 집거나 잡을 수 있는 로봇(a, robot)의 그리퍼(b, gripper)에 마련되는 센서들(미도시)로부터 제공될 수도 있다. 대상물(c)의 대상은 제한이 없으며, 예로서 수술도구, 용접기, 이동하려는 물체 등이 될 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 구동부(120)는 수직구동부(122) 및 수평구동부(124)를 포함한다. 수직구동부(122)는 촉각전달부(110)가 접촉부위(10)를 마주보는 방향인 제1방향을 기준으로 촉각전달부(110)를 구동한다. 도면에는 상기 제1방향으로서 Z축 방향이 예로서 표현되어 있다. 수직구동부(122)는 상기 외부신호에 따라 상기 제1방향을 기준으로 양의 방향으로 촉각전달부(110)를 구동할 수도 있고, 음의 방향으로 촉각전달부(110)를 구동할 수 있음은 당연하다 할 것이다.

수평구동부(124)는 상기 제1방향에 수직한 방향을 기준으로 촉각전달부(110)를 구동한다. 도면에는 상기 제1방향에 수직한 방향으로서 XY평면상에 위치하는 방향이 예로서 표현되어 있다. 수평구동부(122)는 상기 외부신호에 따라 상기 제1방향에 수직한 상기 방향을 기준으로 양의 방향으로 촉각전달부(110)를 구동할 수도 있고, 음의 방향으로 촉각전달부(110)를 구동할 수 있음은 당연하다 할 것이다.

이 경우, 상기 외부신호에 따라 수직구동부(122)는 접촉부위(10)에 수직 힘을 제공하며, 수평구동부(124)는 접촉부위(10)에 수평 힘을 제공한다.

도 5를 참고하여 구동부(120)의 동작을 구체적으로 설명하면, 로봇(a)이 그리퍼(b)를 통하여 대상물(c)을 잡을 경우에 대상물(c)과 접촉하는 그리퍼(b)의 접촉면에는 수직 힘(normal force)과 수평 힘(shear force)이 가해진다. 그리고 접촉면의 면적에 반비례하는 수직 압력(normal pressure 또는 normal stress)과 수평 압력(shear stress)이 접촉면에 가해진다.

도 5의 (a)를 참조하면, 그리퍼(b)를 통하여 대상물(c)을 잡을 경우에 그리퍼(b)에는 수직 힘(normal force)인 Fn이 수직항력으로 가해지며, 동시에 수평 힘(shear force)인 Fs가 가해지게 된다. 따라서 그리퍼(b)가 감지하는 촉각을 사용자에게 충실하게 제공하기 위해서는 수직 힘인 Fn과 함께 수평 힘인 Fs를 촉각전달부(110)를 통하여 접촉부위(10)에 제공할 필요가 있다.

그리퍼(b)가 감지하는 수직 힘인 Fn의 값과 수평 힘인 Fs의 값은 외부신호로서 본 기술인 햅틱 디스플레이 장치(100)에 제공될 수 있다. 수직구동부(122)는 상기 외부신호에 따라 수직 힘인 Fn에 대응되는 수직 힘을 접촉부위(10)에 제공하도록 구동하며, 수평구동부(124)는 상기 외부신호에 따라 수평 힘인 Fs에 대응되는 수평 힘을 접촉부위(10)에 제공하도록 구동한다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 기술인 햅틱 디스플레이 장치(100)는 그리퍼(b)가 감지하는 촉각을 사용자에게 충실하게 제공할 수 있다.

일례로, 수평구동부(124)는 수직구동부(122)가 구동된 후 구동될 수 있다. 이는 정지상태에 있는 대상물(c)을 그리퍼(b)가 잡고 작업을 수행하는 경우를 고려한 하나의 동작 예이다.

한편, 도 5의 (b)와 (c)를 참고하면, 그리퍼(b)를 통하여 동일한 외력(도면에는 외력으로서 수직 힘이 예시되어 있음)으로 동일한 대상물(c)를 잡을 경우에 접촉면의 면적에 관계없이 그리퍼(b)에는 동일한 수직 힘인 Fn이 수직항력으로 가해지게 된다. 또한, 대상물(c)이 동일하므로 그리퍼(b)에는 대상물(c)의 무게(weight)에 의한 동일한 수평 힘인 Fs가 가해지게 된다. 도 5의 (b)와 (c)에 각각 도시한 바와 같이, 그리퍼(b)와 대상물(c)의 접촉면의 면적을 각각 S1, S2(S2 > S1)이라 하자. 수직 힘 Fn에 의해 그리퍼(b)와 대상물(c)의 접촉면에 가해지는 수직 압력과 수평 힘 Fs에 의해 그리퍼(b)와 대상물(c)의 접촉면에 가해지는 수평 압력은 접촉면의 면적에 반비례한다. 따라서 그리퍼(b)는 도 5의 (c) 경우에 비하여 도 5의 (b) 경우에 상대적으로 큰 수직 압력과 수평 압력을 감지하게 된다.

따라서 그리퍼(b)가 감지하는 촉각을 사용자에게 충실하게 제공하기 위해서는 도 6에 예로서 도시한 바와 같이 촉각전달부(110)와 접하는 사용자의 접촉부위(10)를 고려할 필요가 있다. 이를 위하여 본 명세서에서 개시하는 기술인 햅틱 디스플레이 장치(100)는 접촉부위(10)에 접하는 촉각전달부(110)의 면적을 감지하는 면적감지부(미도시)를 활용한다. 이에 대한 자세한 설명은 상기 면적감지부와 관련한 상세한 설명에서 후술하기로 한다.

이동체(130)에는 촉각전달부(110)가 마련될 수 있다. 수직구동부(122)는 이동체(130)에 마련될 수 있다. 수평구동부(124)는 이동체(130)를 상기 제1방향에 수직한 상기 방향을 기준으로 구동할 수 있다.

일 실시 예에 있어서, 수평구동부(124)는 상기 제1방향에 수직한 제2방향을 기준으로 이동체(130)를 구동하는 제1수평구동부(124a) 및 상기 제1방향 및 상기 제2방향에 각각 수직한 제3방향을 기준으로 이동체(130)를 구동하는 제2수평구동부(124b)를 포함할 수 있다.

한편, 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 제1수평구동부(124a)가 마련되는 제1하우징(140) 및 제2수평구동부(124b)가 마련되는 제2하우징(150)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 도면에 도시한 바와 같이, 촉각전달부(110)는 예로서 제1하우징(140) 및 제2하우징(150) 옆에 마련될 수 있다.

제2하우징(150)의 적어도 일부-이하 제2하우징 삽입부(152)라 함-는 제1하우징(140) 내부에 마련될 수 있다. 도 2에는 제1하우징(140) 내부에 전부 마련된 제2하우징(150)이 예로서 표현되어 있어 제2하우징 삽입부(152)는 제2하우징(150)에 실질적으로 대응되나, 도면에 도시한 바와 달리, 제2하우징(150)은 제1하우징(140) 내부에 일부가 마련될 수도 있다. 이에 대한 구조는 후술하는 이동체(130)와 이동체 삽입부(132)의 구조로부터 통상의 기술자는 충분히 유추할 수 있을 것으로 판단된다.

이동체(130)의 적어도 일부-이하 이동체 삽입부(132)라 함-는 제2하우징(150) 내부에 마련될 수 있다. 제1수평구동부(124a)는 제2하우징 삽입부(152)를 상기 제2방향을 기준으로 구동할 수 있다. 제2수평구동부(124b)는 이동체 삽입부(132)를 상기 제3방향을 기준으로 구동할 수 있다.

이를 통하여 수직구동부(122)는 촉각전달부(110)를 상기 제1방향을 기준으로 구동할 수 있고, 수평구동부(124)는 상기 제1방향에 수직한 방향을 기준으로 촉각전달부(110)를 구동할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 수평구동부(124)는 촉각전달부(110)를 상기 제1방향에 수직한 평면(도면에는 XY평면이 예시되어 있음) 상에 놓이는 상기 제2방향 및 상기 제3방향으로 구동할 수 있다. 따라서 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 촉각전달부(110)를 3차원 구동할 수 있어 그리퍼(b) 등과 같은 로봇이 감지하는 촉각을 사용자에게 충실하게 제공할 수 있다.

도 2를 참조하여, 외부신호에 따른 수직구동부(122)와 수평구동부(124)를 포함하는 구동부(120)의 동작을 구체적으로 설명하기로 한다. 수직구동부(122)는 상기 외부신호에 따라 후술하는 수평구동부(124)의 동작 전에 먼저 촉각전달부(110)를 제1방향으로 구동하여 접촉부위(10)에 수직 힘을 제공할 수 있다. 다르게는, 수평구동부(124)의 동작과 함께 촉각전달부(110)를 상기 제1방향으로 구동하여 접촉부위(10)에 수직 힘을 제공할 수도 있다. 이하 수평구동부(124)의 동작을 하나의 예시로서 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2의 (a)는 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)의 초기상태를 보여준다.

도 2의 (b)에 예로서 도시한 바와 같이, 상기 외부신호로서 도면에 X축 방향으로 예로서 표현된 제2방향으로의 구동명령이 입력되면, 제1수평구동부(124a)가 동작하여 제2하우징(150)이 상기 제2방향으로 움직인다. 이때, 제2하우징(150)에 적어도 일부가 삽입된 이동체(130)도 함께 상기 제2방향으로 움직이며, 이동체(130)에 마련되는 촉각전달부(110)도 상기 제2방향으로 움직이게 된다. 도 2에는 제1수평구동부(124a)로서 공압에 의하여 팽창되거나 수축되는 한 쌍의 풍선막(balloon membrane)이 예로서 표현되어 있으나, 제2하우징(150)을 상기 제2방향으로 움직일 수 있는 한 제1수평구동부(124a)로서 피스톤 등 다양한 구동수단이 사용될 수 있다. 도 2를 참조하여 설명하면, 도면에는 제1수평구동부(124a)로서 제1하우징(140)의 내부에 위치하여 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152)를 사이에 두고 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152)의 외면에 접하는 한 쌍의 풍선막이 예로서 표현되어 있다. 서로 마주보는 두 풍선막이 동일할 경우에 두 풍선막에 인가되는 압력이 동등할 경우, 도 2의 (a)에 예로서 도시한 바와 같이, 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152)는 제1하우징(140)의 내부 중심에 위치하게 된다. 도 1에는 두 풍선막에 인가되는 압력으로서 공압 튜브(pneumatic tube)에 의해 인가되는 공압이 예로서 표현되어 있으나, 두 풍선막에 인가되는 압력은 유압 등이 될 수도 있다. 두 풍선막에 인가되는 압력에 차등이 생기면 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152)는 제1하우징(140)의 내부에서 이동하게 된다. 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152)가 제1하우징(140)의 내부에서 이동할 수 있도록 하기 위하여 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152)의 하부에는 윤활제, 레일(미도시) 등이 마련될 수 있다. 바람직하게는, 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152)의 하부에 제1레일(미도시)이 마련될 수 있으며, 이 경우 제1수평구동부(124a)의 동작에 따라 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152)는 상기 제2방향으로만 움직이도록 이동방향을 제한할 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 접촉부위(10)에 상기 제2방향으로 수평 힘을 제공할 수 있다. 한편, 도면에 예로서 도시한 바와 같이, 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152)는 기반(base) 상에 마련될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기반(base) 상에 마련될 경우에 외력을 인가하는 과정에서 굴곡(bending)을 방지하거나 줄일 수 있어 바람직할 수 있다.

도 2의 (c)에 예로서 도시한 바와 같이, 상기 외부신호로서 도면에 Y축 방향으로 예로서 표현된 제3방향으로의 구동명령이 입력되면, 제2수평구동부(124b)가 동작하여 이동체(130)가 상기 제3방향으로 움직인다. 이때, 이동체(130)에 마련되는 촉각전달부(110)도 상기 제3방향으로 움직이게 된다. 도 2에는 제2수평구동부(124b)로서 공압에 의하여 팽창되거나 수축되는 한 쌍의 풍선막이 예로서 표현되어 있으나, 이동체(130)를 상기 제3방향으로 움직일 수 있는 한 제2수평구동부(124b)로서 피스톤 등 다양한 구동수단이 사용될 수 있다. 도 2를 참조하여 설명하면, 도면에는 제2수평구동부(124b)로서 제2하우징(150)의 내부에 위치하여 도면에 Z축 방향으로 예로서 표현된 제1방향으로 돌출되게 마련되는 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132)의 돌출부를 사이에 두고 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132)의 상기 돌출부의 외면에 접하는 한 쌍의 풍선막이 예로서 표현되어 있다. 서로 마주보는 두 풍선막이 동일할 경우에 두 풍선막에 인가되는 압력이 동등할 경우, 도 2의 (a)에 예로서 도시한 바와 같이, 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132)의 상기 돌출부는 제2하우징(150)의 내부 중심에 위치하게 된다. 도 1에는 두 풍선막에 인가되는 압력으로서 공압 튜브(pneumatic tube)에 의해 인가되는 공압이 예로서 표현되어 있으나, 두 풍선막에 인가되는 압력은 유압 등이 될 수도 있다. 두 풍선막에 인가되는 압력에 차등이 생기면 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132)는 제2하우징(150)의 내부에서 이동하게 된다. 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132)가 제2하우징(150)의 내부에서 이동할 수 있도록 하기 위하여 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132)의 하부에는 윤활제, 레일(미도시) 등이 마련될 수 있다. 바람직하게는, 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132)의 하부에 제2레일(미도시)이 마련될 수 있으며, 이 경우 제2수평구동부(124b)의 동작에 따라 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132)는 상기 제3방향으로만 움직이도록 이동방향을 제한할 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 접촉부위(10)에 상기 제3방향으로 수평 힘을 제공할 수 있다. 한편, 도면에 예로서 도시한 바와 같이, 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132)는 기반(base) 상에 마련될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 기반(base) 상에 마련될 경우에 외력을 인가하는 과정에서 굴곡(bending)을 방지하거나 줄일 수 있어 바람직할 수 있다.

도 2의 (d)에 예로서 도시한 바와 같이, 상기 외부신호로서 도면에 X축 방향 및 Y축 방향으로 예로서 표현된 제2방향 및 제3방향으로의 구동명령이 입력되면, 제1수평구동부(124a)와 제2수평구동부(124b)가 동작하여 이동체(130)는 도면에 XY평면으로 표현된 상기 제1방향에 수직한 방향으로 다양하게 움직일 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 접촉부위(10)에 상기 제1방향에 수직한 방향으로 수평 힘을 제공할 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 2의 (d)와 앞서 도 2의 (a) 내지 (c)와 관련하여 상술한 내용에서 통상의 기술자는 충분히 유추 가능하므로 설명의 편의상 생략하기로 한다.

본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)의 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152)의 하부와 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132)의 하부에는 각각 제1레일(미도시) 및 제2레일(미도시)이 마련될 수 있다. 또한, 수직구동부(122)는 이동체(130)에 마련될 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 외부신호에 따라 촉각전달부(110)를 제1방향, 제2방향, 제3방향 및 이들의 조합 중에서 선택되는 적어도 어느 한 방향으로 구동할 수 있다. 이 경우, 수직구동부(122), 제1수평구동부(124a) 및 제2수평구동부(124b)는 상호 간섭 없이 촉각전달부(110)을 구동할 수 있다. 또한, 상기 제1레일 및 상기 제2레일을 포함함으로써 구동부(120)에 의한 촉각전달부(110)의 구동과정에서 상기 제1방향을 기준으로 촉각전달부(110)의 회전 또는 뒤틀림을 방지할 수 있다. 이를 통하여 후술하는 제1거리측정센서(160) 및 제2거리측정센서(170)를 통한 촉각전달부(110)의 위치검출의 정확도를 높일 수 있다.

정리하여 다시 설명하면, 본 명세서에서 개시하는 기술인 햅틱 디스플레이 장치(100)는 하나의 실시 예로서 촉각전달부(110)가 마련되는 이동체(130)를 도입하고, 수직구동부(122)가 이동체(130)에 마련되고, 수평구동부(124)가 이동체(130)를 구동하는 방식으로 햅틱 디스플레이 장치(100)를 구현할 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 촉각전달부(110)가 수평구동부(124) 상부에 적층되는 적층구조가 아니라 이동체(130)를 도입하고 이동체(130)에 촉각전달부(110)를 마련하는 구조인 수평구조를 취할 수 있다.

물론 본 명세서에서 개시하는 기술인 햅틱 디스플레이 장치(100)는 적층구조를 취할 수도 있다. 적층구조의 경우에 촉각전달부(110)가 적층면을 벗어나는 곳에 위치하는 경우, 즉 촉각전달부(110)가 수평구동부(124)와 상호 오버랩이 되지 아니하는 곳에 위치하는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우, 수직구동부(122)를 통하여 촉각전달부(110)를 제1방향으로 구동하여 접촉부위(10)에 수직 힘을 제공하는 경우에 적층면을 벗어나는 곳에 위치하는 촉각전달부(110) 부분이 굽는 벤딩(bending) 현상이 발생할 수 있다. 벤딩현상에 의하여 접촉부위(10)에 가해지는 상기 수직 힘의 왜곡이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 적층구조를 구현하는 과정에서 촉각전달부(110)가 적층면을 벗어나지 아니하도록 할 경우에는 촉각전달부(110)가 제1방향에 수직한 방향 내에서 이동할 수 있는 이동범위가 제한되는 문제가 발생될 수 있다.

이에 반하여 본 명세서에서 개시하는 수평구조를 취할 경우 촉각전달부(110)가 이동체(130)에 마련됨으로써 수직구동부(122)를 통하여 촉각전달부(110)를 제1방향으로 구동하여 접촉부위(10)에 수직 힘을 제공하는 경우에 촉각전달부(110) 부분이 굽는 벤딩(bending) 현상 및 이에 따른 상기 수직 힘의 왜곡이 발생하지 아니하는 효과를 제공해 줄 수 있다. 또한, 상기 제3방향(도면에는 Y축 방향)을 기준으로 한 제2하우징(150)의 내부 폭 중에서 이동체 삽입부(132)의 상기 돌출부 두께와 제2수평구동부(124b)의 두께를 제외한 나머지 부분을 제2수평구동부(124b)의 동작범위로 할 수 있어 상기 제3방향을 기준으로 한 이동체(130)의 이동 가능한 거리 또는 촉각전달부(110)의 이동 가능한 거리를 최대한 확보할 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 그리퍼(b) 등과 같은 로봇이 감지하는 촉각 중 수평 힘을 사용자에게 충실하게 제공할 수 있을 뿐만 아니라 그리퍼(b)에서 대상물(c)가 미끄러지는 슬립(slip)에 따른 촉각도 충실하게 사용자에게 제공해 줄 수 있다. 이를 통해 볼 때, 본 명세서에서 개시하는 기술인 햅틱 디스플레이 장치(100)는 수평구조를 취하는 것이 바람직할 수 있다.

제1거리측정센서(160)는 제1하우징(140)과 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 일례로, 도 4에 예로서 도시한 바와 같이, 제1거리측정센서(160)는 제1하우징(140)에 마련되는 제1자기장센서(160a) 및 제2하우징 삽입부(152)에 마련되는 제1영구자석(160b)을 포함할 수 있다. 제1영구자석(160b)의 자기장을 제1자기장센서(160a)가 감지하고 통상의 삼각측량 방식, 미리 데이터베이스(미도시)에 저장된 수치와 비교하는 방식 등을 통하여 제1거리측정센서(160)는 제1하우징(140)과 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서 제1하우징(140)과 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152) 사이의 거리를 측정할 수 있는 한 제1자기장센서(160a) 및 제1영구자석(160b)이 마련되는 위치 및 수량에는 그 제한이 없다. 영구자석은 자성체 또는 합금 또는 높은 투자율의 물질 등 자장의 변화를 유도할 수 있는 물질로 대체될 수 있으며, 이동체(130), 제1하우징(140) 또는 제2하우징(150)에 부착되거나 이동체(130), 제1하우징(140) 또는 제2하우징(150) 자체를 이러한 물질로 형성할 수 있다. 또한, 제1하우징(140)과 제2하우징(150) 또는 제2하우징 삽입부(152) 사이의 거리를 측정할 수 있는 한 제1거리측정센서(160)로서 광학적인 방식 등 다양한 방식의 센서가 사용될 수 있다.

제2거리측정센서(170)는 제1하우징(140)과 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132) 사이의 거리를 측정하거나, 제2하우징(150)과 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 일례로, 도 4에 예로서 도시한 바와 같이, 제2거리측정센서(170)는 제1하우징(140) 또는 제2하우징(150)에 마련되는 제2자기장센서(170a) 및 이동체 삽입부(132)에 마련되는 제2영구자석(170b)을 포함할 수 있다. 제2영구자석(170b)의 자기장을 제2자기장센서(170a)가 감지하고 통상의 삼각측량 방식, 미리 데이터베이스(미도시)에 저장된 수치와 비교하는 방식 등을 통하여 제2거리측정센서(170)는 제1하우징(140)과 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132) 사이의 거리를 측정하거나, 제2하우징(150)과 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 상기의 예시는 이해를 위한 예시로서 제1하우징(140)과 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132) 사이의 거리를 측정하거나, 제2하우징(150)과 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132) 사이의 거리를 측정할 수 있는 한 제2자기장센서(170a) 및 제2영구자석(170b)의 위치 및 수량에는 그 제한이 없다. 또한, 제1하우징(140)과 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132) 사이의 거리를 측정하거나, 제2하우징(150)과 이동체(130) 또는 이동체 삽입부(132) 사이의 거리를 측정할 수 있는 한 제2거리측정센서(170)로서 광학적인 방식 등 다양한 방식의 센서가 사용될 수 있다.

본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 제1거리측정센서(160) 및 제2거리측정센서(170)를 통하여 상기 제2방향 및 상기 제3방향으로 정의되는 평면에서의 촉각전달부(110)의 위치를 측정할 수 있다.

이하 도 4를 참조하여 자기장 방식의 제1거리측정센서(160)와 제2거리측정센서(170)의 동작을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

촉각전달부(110)의 위치를 감지함에 있어서, 본 명세서에서 개시하는 기술인 햅틱 디스플레이 장치(100)는 촉각전달부(110)의 위치를 직접 감지하는 대신에 촉각전달부(110)가 마련된 이동체(130)의 수평구동을 담당하는 제1하우징(140)과 제2하우징 삽입부(152)의 거리 및 제1하우징(140) 또는 제2하우징(150)과 이동체 삽입부(132)의 거리를 감지하는 간접적인 방식을 취할 수 있다. 이를 통하여 접촉부위(10)에 촉각을 제공하는 과정에서 촉각전달부(110)의 변형(특히, 제1방향으로 가해지는 힘에 의한 변형) 또는 인접한 구동부(120)의 변형 등에 따른 오차를 줄여줄 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다. 이를 통하여 접촉부위(10)에 수평 힘을 제공하기 위한 촉각전달부(110)의 수평구동거리를 보다 더 정확하게 제어할 수 있다. 촉각전달부(110)의 위치를 직접 감지할 경우에 수직 힘에 의한 촉각전달부(110)의 변형에 의하여 실제 이동체(130)가 이동해야 하는 수평구동거리가 잘 못 계산될 수 있다. 또한, 간접적 방식을 취하여 촉각전달부(110)의 위치를 감지함으로써 추가적인 촉각을 제공하기 위하여 촉각전달부(110)를 정확히 초기 위치로 복귀시키는 것도 가능한 효과를 제공해 줄 수 있다.

한편, 제1거리측정센서(160)와 제2거리측정센서(170)로서 제1영구자석(160b) 및 제2영구자석(170b)과 이들에 각각 대응되는 제1자기장센서(160a) 및 제2자기장센서(170a)를 활용하여 거리를 측정함으로써, 외부로 인출하여야 하는 전선 등 배선의 수를 줄일 수 있어 장치의 구조를 간소화할 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.

한편, 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 면적감지부(미도시)를 포함할 수 있다.

상기 면적감지부(미도시)는 접촉부위(10)에 접하는 촉각전달부(110)의 면적을 감지할 수 있다. 촉각전달부(110)는 팽창부(112)를 포함할 수 있다. 수직구동부(122)는 팽창부(112)를 부풀려 팽창부(112)를 제1방향으로 구동할 수 있다. 도면에는 팽창부(112)로서 풍선막(balloon membrane)이 예시되어 있으나, 팽창할 수 있는 한 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 면적감지부는 수직구동부(122)의 구동에 따라 접촉부위(10)에 접촉한 팽창부(112)의 면적인 접촉면적(10)을 감지할 수 있다. 이 경우, 수평구동부(124)가 접촉부위(10)에 제공하는 상기 수평 힘은 접촉면적(10)의 변화에 따라 변화될 수 있다. 다시 말하면, 수평구동부(124)가 이동체(130)를 이동시키는 방식으로 촉각전달부(110)를 이동시켜 접촉부위(10)에 제공하는 상기 수평 힘은 접촉면적(10)의 변화에 따라 제어되어 제공될 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 그리퍼(b) 등을 통하여 로봇이 감지하는 촉각을 사용자에게 충실하게 제공해 줄 수 있다.

이와 관련하여 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다. 도 6을 참조하면, 촉각전달부(110)의 팽창부(112)는 수직구동부(122)에 의하여 팽창하여 접촉부위(10)에 접하여 수직 힘(Fn1, Fn2)을 접촉부위(10)에 제공할 수 있다. 실제로 사용자가 피부 등을 통하여 느끼는 촉감은 힘의 형태가 아닌 압력의 형태에 가깝다. 일반적으로 수직 압력은 수직 힘이 가해지는 면적에 반비례하는 특성을 보인다. 수직구동부(122)는 팽창부(112)를 부풀리며, 이 과정에서 내부 압력을 제어함으로써 접촉부위(10)에 가해지는 수직 압력을 제어할 수 있다. 이는 유체역학 관점에서 풍선 등과 같은 팽창체의 경우에 표면에서의 압력은 위치에 관계 없이 서로 동일하다는 점에서 용이하게 도출할 수 있다.

도 6의 (a)와 (b)에 예로서 도시한 바와 같이, 수직구동부(122)가 팽창부(112)에 제공하는 내부 압력이 동일하더라도 사용자의 피부의 형상, 사용자의 장치의 사용습관, 팽창부(112)의 소재 등 다양한 변수에 의하여 접촉부위(10)에 접촉한 팽창부(112)의 면적인 접촉면적(contact area)은 S3, S4(S4 > S3)로 서로 다를 수 있다.

이 경우, 도 6의 (a)와 (b)에 예로서 도시한 바와 같이, 수직 압력은 같더라도 접촉면적이 S3, S4로 서로 달라 수직 힘인 Fn1과 Fn2는 서로 다를 수 있다. 하지만 사용자가 피부 등으로 통하여 실질적으로 느끼는 촉감은 힘보다는 압력에 가까우므로 수직 압력은 수직구동부(122)에 의한 팽창부(112) 내부 압력의 제어로서 제어가 가능하다.

한편, 촉각전달부(110)는 수평구동부(124)에 의하여 도면에 예로서 Z축 방향으로 표현된 제1방향에 수직한 방향으로 구동될 수 있다. 이를 통하여 접촉부위(10)에는 수평 힘이 제공될 수 있다. 도면에는 상기 제1방향에 수직한 방향으로 Y축 방향이 예로서 표현되어 있다.

접촉부위(10)에 제공되는 수평 힘의 경우에도 수직 힘과 마찬가지로 사용자가 피부 등을 통하여 실질적으로 느끼는 촉감은 힘보다는 압력에 가까우므로 힘의 제어가 아닌 압력의 제어가 필요하다. 일반적으로 수평 압력은 수평 힘이 가해지는 면적에 반비례하는 특성을 보인다. 도 6의 (a) 및 (b)에 예로서 도시한 바와 같이, 접촉부위(10)에 접촉한 팽창부(112)의 면적인 접촉면적(contact area)은 S3, S4(S4 > S3)로 서로 다를 수 있다. 접촉면적의 서로 다름을 고려하고 않고 수평구동부(124)가 이동체(130)를 동일하게 이동시킬 경우, 접촉부위(10)에 인가되는 수평 힘은 서로 같을 수 있으나 수평 압력을 서로 달라지게 된다.

본 명세서에서 개시하는 기술은 이점에 착안하여 면적감지부(미도시)를 통하여 접촉부위(10)에 접촉한 팽창부(112)의 면적인 접촉면적을 감지할 수 있다. 상기 면적감지부가 감지한 상기 접촉면적은 수평구동부(124)에 제공될 수 있다. 수평구동부(124)는 상기 접촉면적을 고려하여 촉각전달부(110)를 상기 제1방향에 수직한 방향으로 얼마나 구동하여야 하는지를 결정할 수 있다. 이를 통하여 본 명세서에서 개시하는 기술은 상기 접촉면적이 변화하더라도 접촉부위(10)에 가해지는 수평 압력을 제어할 수 있다. 수평구동부(124)에 의한 촉각전달부(110)의 구동에 의하여 동일한 수평 압력이 접촉부위(10)에 가해질 때, 도 6의 (a) 및 (b)에 예로서 도시한 바와 같이, 접촉부위(10)에 가해지는 수평 힘은 Fs1, Fs2로 서로 다를 수 있다.

상술한 면적감지부(미도시)를 통하여 접촉면적을 감지하여 접촉부위(10)에 가해지는 수직 압력과 수평 압력을 제어함으로써 본 명세서에서 개시하는 기술인 햅틱 디스플레이 장치(100)는 그리퍼(b) 등을 통하여 로봇이 감지하는 촉각을 사용자에게 충실하게 제공해 줄 수 있다.

상기 면적감지부로는 팽창부(112)에 마련되는 접촉면적감지센서(미도시), 팽창부(112)의 이미지를 감지하는 이미지 감지센서(미도시) 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 접촉면적감지센서는 접촉면에서 발생하는 정전용량을 측정하는 방식, 유전체 접촉물체와의 접촉 임피던스를 측정하는 방식, 전도체 물체와의 접촉 저항을 측정하는 방식, 접촉 온도를 측정하는 방식 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또 한편, 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 팽창부(112)의 내부압력을 감지하는 압력감지부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 수직구동부(122)는 상기 내부압력이 기준압력이 되도록 팽창부(112)에 압력을 인가하여 팽창부(112)를 부풀릴 수 있다. 수평구동부(124)는 상기 면적감지부가 감지한 상기 접촉면적에서 상기 수평 힘에 기인하는 수평압력이 기준수평압력이 되도록 상기 수평 힘을 조절할 수 있다. 상기 기준압력과 상기 기준수평압력은 그리퍼(b) 등을 통하여 로봇이 감지하는 촉각인 수평 압력과 수직 압력을 기준으로 정해질 수 있다.

정리하여 다시 말하면, 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)의 촉각전달부(110)는 하나의 예시로서 내부압력변화에 따라 부피가 변화하는 팽창부(112)를 포함할 수 있다. 수직구동부(122)는 팽창부(112)에 압력을 제공하며, 팽창부(112)는 부풀어 접촉부위(10)에 촉각을 제공할 수 있다. 이 경우, 수직구동부(122)가 제공하는 압력에 따라 접촉부위(10)에 닿는 팽창부(112)의 면적인 접촉면적이 변화될 수 있다. 접촉면적 변화에 따라 수평구동부(124)에 의해 촉각전달부(110)가 구동되는 과정에서 접촉면적에 가해지는 수평 힘에 따른 수평 압력은 접촉면적의 크기에 따라 달라지게 된다. 이에 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 장치(100)는 면적감지부를 활용하여 접촉면적의 크기에 따라 수평구동부(124)의 구동을 수정 제어함으로써 수평 압력을 제어할 수 있다. 한편, 압력감지부가 감지하는 팽창부(112)의 내부압력은 수직구동부(122)가 제1방향으로 제공하는 압력이므로 수직방향의 압력이므로 상기 압력감지부를 통하여 팽창부(112)의 내부압력을 측정하고 수직구동부(124)를 통하여 팽창부(112)의 내부압력을 제어함으로써 수직 압력을 제어할 수 있다. 상기 면적감지부에 의하여 접촉면적의 감지는 상술한 방법 이외에도 수직구동부(122)가 제공하는 압력과 촉각전달부(110)가 접촉부위(10)에 접촉시 변경되는 압력으로부터 접촉면적을 추출할 수도 있다.

이하 도면을 참조하여 본 명세서에서 개시하는 햅틱 디스플레이 방법에 대하여 설명하기로 한다.

상기 햅틱 디스플레이 방법은 접촉부위(10)에 촉각을 제공하는 촉각전달부(110)를 준비하는 촉각전달부 준비과정 및 외부신호에 따라 촉각전달부(110)를 구동하는 촉각전달부 구동과정을 포함한다.

상기 촉각전달부 구동과정은 촉각전달부(110)가 접촉부위(10)를 마주보는 방향인 제1방향을 기준으로 촉각전달부(110)를 구동하는 수직 구동과정 및 상기 제1방향에 수직한 방향을 기준으로 촉각전달부(110)를 구동하는 수평 구동과정을 포함한다. 상기 수직 구동과정에서는 상기 외부신호에 따라 접촉부위(10)에 수직 힘을 제공한다. 상기 수평 구동과정에서는 상기 외부신호에 따라 접촉부위(10)에 수평 힘을 제공한다. 이때, 상기 수평 구동과정은 상기 수직 구동과정 후에 수행될 수도 있다.

한편, 상기 햅틱 디스플레이 방법은 상기 수평 구동과정 이전에 수행되며, 접촉부위(10)에 접하는 촉각전달부(110)의 면적인 접촉면적을 감지하는 접촉면적 감지과정을 더 포함할 수 있다. 상기 수직 구동과정은 촉각전달부(10)가 포함하는 팽창부(112)를 부풀려 팽창부(112)를 상기 제1방향으로 구동하는 과정을 통하여 수행될 수 있다. 상기 수평 구동과정에서 접촉부위(10)에 제공되는 상기 수평 힘은 상기 접촉면적의 변화에 따라 변화될 수 있다.

이때, 상기 햅틱 디스플레이 방법은 팽창부(112)의 내부압력을 감지하는 내부압력 감지과정을 더 포함할 수 있다. 상기 수직 구동과정은 상기 내부압력이 기준압력이 되도록 팽창부(112)에 압력을 인가하여 팽창부(112)를 부풀리는 과정으로 수행될 수 있다. 상기 수평 구동과정은 상기 접촉면적 감지과정에서 감지한 상기 접촉면적에서 상기 수평 힘에 기인하는 수평압력이 기준수평압력이 되도록 상기 수평 힘을 조절하는 과정으로 수행될 수 있다.

상술한 상기 햅틱 디스플레이 방법에 대한 구체적인 내용은 앞서 햅틱 디스플레이 장치(100)에 대한 상세한 설명으로부터 충분히 유추할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략하기로 한다.

상술한 바와 같이, 본 명세서에서 개시하는 기술인 햅틱 디스플레이 장치(100) 및 햅틱 디스플레이 방법은 접촉부위(10)에 촉각을 제공하는 촉각전달부(110)를 외부신호에 따라 접촉부위(10) 방향으로 구동하는 수직구동부(122)와 수직구동부(122)에 수직한 방향으로 촉각전달부(110)를 구동하는 수평구동부(124)를 통하여 접촉부위(10)에 수직 힘과 수평 힘을 제공함으로써 로봇이 감지하는 촉각을 사용자에게 충실히 전달해 줄 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.

또한, 본 명세서에서 개시하는 기술은 면적감지부(미도시)를 통하여 접촉부위(10)에 접하는 촉각전달부(110)의 면적을 감지하여 접촉면적의 변화에 따라 수평 힘을 차등 제공함으로써 로봇이 감지하는 수평압력을 충실히 모사하여 사용자에게 전달해 줄 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.

또한, 본 명세서에서 개시하는 기술은 비접촉방식의 제1거리측정센서(160)와 제2거리측정센서(170)를 통하여 제1하우징(140)과 제2하우징 삽입부(152)의 거리 및 제1하우징(140) 또는 제2하우징(150)과 이동체 삽입부(130)의 거리 측정을 통하여 촉각전달부(110)의 위치를 감지할 수 있다. 본 명세서에서 개시하는 기술은 비접촉방식을 사용하여 촉각전달부(110)의 위치를 감지함으로써 감지신호 등 신호전달을 위한 배선이 간소해지는 효과를 제공해 줄 수 있다. 그리고 본 명세서에서 개시하는 기술은 제1하우징(140), 제2하우징(150), 이동체(130) 간의 거리를 측정하여 촉각전달부(110)의 위치를 측정하는 간접측정방식을 취함으로써 접촉부위(10)에 촉각전달부(110)가 접촉하는 과정에서 촉각전달부(110)의 변형에 따라 촉각전달부(110)의 위치가 잘 못 계산될 수 있는 직접측정방식에 비하여 측정의 정확도를 높일 수 있는 효과를 제공해 줄 수 있다.

상기로부터, 본 개시의 다양한 실시 예들이 예시를 위해 기술되었으며, 아울러 본 개시의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 가능한 다양한 변형 예들이 존재함을 이해할 수 있을 것이다. 그리고 개시되고 있는 상기 다양한 실시 예들은 본 개시된 사상을 한정하기 위한 것이 아니며, 진정한 사상 및 범주는 하기의 청구항으로부터 제시될 것이다.

a: 로봇
b: 그리퍼
c: 대상물
10: 접촉부위
100: 햅틱 디스플레이 장치
110: 촉각전달부
112: 팽창부
120: 구동부
122: 수직구동부
124: 수평구동부
124a: 제1수평구동부
124b: 제2수평구동부
130: 이동체
132: 이동체 삽입부
140: 제1하우징
150: 제2하우징
152: 제2하우징 삽입부
160: 제1거리측정센서
160a: 제1자기장센서
160b: 제1영구자석
170: 제2거리측정센서
170a: 제2자기장센서
170b: 제2영구자석

Claims (14)

1. 접촉부위에 촉각을 제공하는 촉각전달부; 및
   외부신호에 따라 상기 촉각전달부를 구동하는 구동부를 포함하며,
   상기 구동부는
   상기 촉각전달부가 상기 접촉부위를 마주보는 방향인 제1방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수직구동부; 및
   상기 제1방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수평구동부를 포함하되,
   상기 외부신호에 따라 상기 수직구동부는 상기 접촉부위에 수직 힘을 제공하며, 상기 수평구동부는 상기 접촉부위에 수평 힘을 제공하는 햅틱 디스플레이 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수평구동부는 상기 수직구동부가 구동된 후 구동되는 햅틱 디스플레이 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 촉각전달부가 마련되는 이동체를 더 포함하며,
   상기 수직구동부는 상기 이동체에 마련되며,
   상기 수평구동부는 상기 이동체를 상기 제1방향에 수직한 상기 방향을 기준으로 구동하는 햅틱 디스플레이 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 촉각전달부가 마련되는 이동체를 더 포함하며,
   상기 수직구동부는 상기 이동체에 마련되며,
   상기 수평구동부는
   상기 제1방향에 수직한 제2방향을 기준으로 상기 이동체를 구동하는 제1수평구동부; 및
   상기 제1방향 및 상기 제2방향에 각각 수직한 제3방향을 기준으로 상기 이동체를 구동하는 제2수평구동부를 포함하는 햅틱 디스플레이 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1수평구동부가 마련되는 제1하우징; 및
   상기 제2수평구동부가 마련되는 제2하우징을 더 포함하며,
   상기 제2하우징의 적어도 일부-이하 제2하우징 삽입부라 함-는 상기 제1하우징 내부에 마련되며,
   상기 이동체의 적어도 일부-이하 이동체 삽입부라 함-는 상기 제2하우징 내부에 마련되며,
   상기 촉각전달부는 상기 제1하우징 및 상기 제2하우징 외부에 마련되며,
   상기 제1수평구동부는 상기 제2하우징 삽입부를 상기 제2방향을 기준으로 구동하며,
   상기 제2수평구동부는 상기 이동체 삽입부를 상기 제3방향을 기준으로 구동하는 햅틱 디스플레이 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 촉각전달부는 상기 제1하우징 및 상기 제2하우징 옆에 마련되는 햅틱 디스플레이 장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 제1하우징과 상기 제2하우징 삽입부 사이의 거리를 측정하는 제1거리측정센서; 및
   상기 제1하우징과 상기 이동체 삽입부 사이의 거리 또는 상기 제2하우징과 상기 이동체 삽입부 사이의 거리를 측정하는 제2거리측정센서를 더 포함하며,
   상기 제1거리측정센서 및 상기 제2거리측정센서를 통하여 상기 제2방향 및 상기 제3방향으로 정의되는 평면에서의 상기 촉각전달부의 위치를 측정하는 햅틱 디스플레이 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1거리측정센서는 상기 제1하우징에 마련되는 제1자기장센서 및 상기 제2하우징 삽입부에 마련되는 제1영구자석을 포함하며,
   상기 제2거리측정센서는 상기 제1하우징 또는 상기 제2하우징에 마련되는 제2자기장센서 및 상기 이동체 삽입부에 마련되는 제2영구자석을 포함하는 햅틱 디스플레이 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 접촉부위에 접하는 상기 촉각전달부의 면적을 감지하는 면적감지부를 더 포함하며,
   상기 촉각전달부는 팽창부를 포함하며,
   상기 수직구동부는 상기 팽창부를 부풀려 상기 팽창부를 상기 제1방향으로 구동하며,
   상기 면적감지부는 상기 수직구동부의 구동에 따라 상기 접촉부위에 접촉한 상기 팽창부의 면적인 접촉면적을 감지하며,
   상기 수평구동부가 상기 접촉부위에 제공하는 상기 수평 힘은 상기 접촉면적의 변화에 따라 변화되는 햅틱 디스플레이 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 팽창부의 내부압력을 감지하는 압력감지부를 더 포함하며,
    상기 수직구동부는 상기 내부압력이 기준압력이 되도록 상기 팽창부에 압력을 인가하여 상기 팽창부를 부풀리며,
    상기 수평구동부는 상기 면적감지부가 감지한 상기 접촉면적에서 상기 수평 힘에 기인하는 수평압력이 기준수평압력이 되도록 상기 수평 힘을 조절하는 햅틱 디스플레이 장치.
11. 접촉부위에 촉각을 제공하는 촉각전달부를 준비하는 촉각전달부 준비과정; 및
    외부신호에 따라 상기 촉각전달부를 구동하는 촉각전달부 구동과정을 포함하며,
    상기 촉각전달부 구동과정은
    상기 촉각전달부가 상기 접촉부위를 마주보는 방향인 제1방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수직 구동과정; 및
    상기 제1방향에 수직한 방향을 기준으로 상기 촉각전달부를 구동하는 수평 구동과정을 포함하며,
    상기 수직 구동과정에서는 상기 외부신호에 따라 상기 접촉부위에 수직 힘을 제공하며,
    상기 수평 구동과정에서는 상기 외부신호에 따라 상기 접촉부위에 수평 힘을 제공하는 햅틱 디스플레이 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 수평 구동과정은 상기 수직 구동과정 후에 수행되는 햅틱 디스플레이 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 수평 구동과정 이전에 수행되며, 상기 접촉부위에 접하는 촉각전달부의 면적인 접촉면적을 감지하는 접촉면적 감지과정을 더 포함하며,
    상기 수직 구동과정은 상기 촉각전달부가 포함하는 팽창부를 부풀려 상기 팽창부를 상기 제1방향으로 구동하는 과정을 통하여 수행되며,
    상기 수평 구동과정에서 상기 접촉부위에 제공되는 상기 수평 힘은 상기 접촉면적의 변화에 따라 변화되는 햅틱 디스플레이 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 팽창부의 내부압력을 감지하는 내부압력 감지과정을 더 포함하며,
    상기 수직 구동과정은 상기 내부압력이 기준압력이 되도록 상기 팽창부에 압력을 인가하여 상기 팽창부를 부풀리는 과정으로 수행되며,
    상기 수평 구동과정은 상기 접촉면적 감지과정에서 감지한 상기 접촉면적에서 상기 수평 힘에 기인하는 수평압력이 기준수평압력이 되도록 상기 수평 힘을 조절하는 과정으로 수행되는 햅틱 디스플레이 방법.
    

Images