KR20220018058A - 햅틱 컨트롤러 - Google Patents

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KR20220018058A
KR20220018058A KR1020227000979A KR20227000979A KR20220018058A KR 20220018058 A KR20220018058 A KR 20220018058A KR 1020227000979 A KR1020227000979 A KR 1020227000979A KR 20227000979 A KR20227000979 A KR 20227000979A KR 20220018058 A KR20220018058 A KR 20220018058A
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capstans
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KR1020227000979A
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마이클 잭 싱클레어
프랑코 마르 곤잘레즈
크리스티안 홀즈
에얄 오펙
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마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨
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Abstract

현재 개념은 햅틱 컨트롤러에 관한 것이다. 일 예에서 햅틱 컨트롤러는 베이스에 회전가능하게 고정된 제1 및 제2 캡스턴, 및 제1 캡스턴과 제2 캡스턴 사이에 연결된 에너지 저장 메커니즘을 포함할 수 있다. 예시적인 햅틱 컨트롤러는 또한, 제1 캡스턴에 고정된 사용자 인게이지먼트 어셈블리, 및 제1 및 제2 캡스턴이 겪는 회전 마찰을 제어함으로써 사용자 인게이지먼트 어셈블리에 부여되는 회전력을 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함할 수 있다.

Description

햅틱 컨트롤러
실생활에서, 인간은 손을 사용하여 물체와 상호 작용하는 경향이 있다. 이들은 그러한 물체에 접근하여, 터치하고, 잡고, 조작하고, 놓아주는 경향이 있다. 그러나, 가상 현실(VR)에서, 가상 객체와의 이러한 미세한 상호 작용은, 일반적으로 오늘날 불가능하다. 상호 작용에 일반적으로 사용되는 상용 VR 컨트롤러는, 사실적인 햅틱 피드백을 렌더링하고 이러한 자연스러운 사용을 지원하는 능력이 부족하다.
VR에서 사실적인 상호 작용의 맥락에서의 햅틱 컨트롤러에 대한 연구가, 최근 대중화되어, 글로브(glove)의 햅틱 렌더링 능력과 경쟁하는 다양한 프로토타입을 생산하였다. 가상 개체와 상호 작용할 때 더 내추럴한 햅틱 경험을 제공하기 위해, 개별 컨트롤러는, 터치, 드래그, 한 손 잡기 및 양손 잡기에 대해 응답하여 피드백을 렌더링하도록 설계되어 있다. 이러한 모든 컨트롤러는 합리적 충실도의 햅틱 감각을 생성하는 복잡한 메커니즘을 포함한다.
가상 객체에 대한 햅틱을 현실적인 방식으로 성공적으로 렌더링하기 위한 주요 제약은, 컨트롤러에 대한 힘이 잠재적으로 가장 높을 경우에 특히 물체를 잡아 스퀴징(squeezing)할 때, 상호 작용 중에 인간 규모의 힘을 생성 및 견디고 렌더링 피드백을 지속하도록 컨트롤러를 구축해야 한다는 것이다. 특히 이러한 디바이스는 접지되지 않는 경향이 있기 때문에, 핸드헬드 컨트롤러에서 이러한 크기의 힘을 달성하는 것은, 어려운 일이다.
연구원들은 강력한 잡기(grasping) 피드백을 생성하는 다양한 컨트롤러를 도입하였다. 하나의 솔루션은 강력한 서보 모터와 함께 능동 메커니즘을 사용하는 것이며, 이는 무겁고, 비싸고, 견고하지 않고, 전력 소모가 많은 설계가 된다. 대안은 브레이크로 사용자가 가하는 힘에 저항하고 프로그래밍 가능한 지점에서 입력 움직임을 정지시키는 것이며, 이는 높은 힘을 유지할 수 있지만, 특정 지점에서 잡기 잠금(lock)되고 수동 해제가 필요하다. 이 온-오프 로크는 단단한 물체를 잡는 데 적합하지만, 순응하는 물체, 또는 컴퓨터 제어 해제가 필요한 단단한 물체(예를 들어, 캔이나 물 컵의 크러싱(crushing))를 렌더링하는 데는 뒤쳐진다. 본 발명의 개념은 이러한 문제 및/또는 기타 문제를 해결할 수 있다.
첨부된 도면은 본 개념의 구현예를 예시한다. 예시된 구현예의 특징은, 첨부된 도면과 함께 다음의 설명을 참조하여 더 쉽게 이해될 수 있다. 다양한 도면에서 유사한 참조 번호는, 가능한 경우 유사한 요소를 나타내기 위해 사용된다. 일부 경우에, 참조 번호 뒤에 괄호를 사용하여 유사한 요소를 구분한다. 연관된 괄호 없이 참조 번호를 사용하는 것은 요소에 일반적이다. 첨부된 도면은 반드시 축척대로 그려지지 않는다. 도면에서, 참조 번호의 맨 왼쪽 숫자는 참조 번호가 처음 나타나는 도면을 식별한다. 설명 및 도면에서의 다른 경우에 유사한 참조 번호를 사용하는 것은, 유사하거나 동일한 항목을 나타낼 수 있다.
도 1 및 도 9는 본 개념의 일부 구현예와 일치하는, 에너지 저장 저항성 햅틱 제어 개념이 사용될 수 있는 예시적인 시스템을 도시한다.
도 2 및 도 4 내지 도 7은 본 개념의 일부 구현예와 일치하는, 예시적인 에너지 저장 저항성 햅틱 컨트롤러의 사시도를 도시한다.
도 3은 본 개념의 일부 구현예와 일치하는, 예시적인 캡스턴(capstan)에 관한 개략적인 힘 다이어그램을 도시한다.
도 8은 본 개념의 일부 구현예와 일치하는, 예시적인 액추에이터의 입면도를 도시한다.
도 10은 본 개념의 일부 구현예와 일치하는, 예시적인 에너지 저장 저항성 햅틱 제어 방법의 흐름도를 도시한다.
본 발명의 개념은 가상 현실 환경(증강 현실 및/또는 혼합 현실을 포함함) 및/또는 내추럴 움직임(natural motion)을 시뮬레이션하는 다른 환경에서 사용될 수 있는 에너지 저장 저항성(energy-storing resistive) 햅틱 컨트롤러에 관한 것이다. 에너지 저장 저항성 햅틱 컨트롤러 또는 ESR 햅틱 컨트롤러는, 예를 들어, 사용자의 핑거, 손, 손목, 아암, 머리/목, 레그(leg) 등과 관련된 다양한 사용 시나리오를 위해 구성될 수 있다. 일부 구성에서, ESR 햅틱 컨트롤러는, 아주 세밀한 손재주 조작을 사용하여 가상 객체를 조작하기 위해 사용자의 손과 협력하여 사용될 수 있는 핸드헬드 강성 내추럴 사용자 인터페이스(NUI)로서 나타날 수 있다. ESR 햅틱 컨트롤러는 다목적 촉각 경험도 제공할 수 있다. 예를 들어, ESR 햅틱 컨트롤러는, VR 환경에서 딱딱하고 유연한 물체를 모두 만지고 잡기 위해 햅틱 피드백을 렌더링하는 접지되지 않은 힘 저항 햅틱 컨트롤러로서 나타날 수 있다. 이전의 컨트롤러와 대조적으로, 현재의 ESR 햅틱 컨트롤러 구현예는, 크고, 높은 힘, 전력 소비, 및/또는 값비싼 액추에이터를 사용하지 않고, 인간 규모의 힘을 렌더링할 수 있다.
본 발명의 개념은 인간 규모의 힘을 유지할 수 있는 ESR 햅틱 컨트롤러를 제공할 수 있다. ESR 햅틱 컨트롤러는 제어된 브레이크 기술을 사용하여, 다양한 강성 및/또는 컴플라이언스 레벨에서 잡기(grasp) 피드백을 렌더링할 수 있다. 햅틱용 저항 디바이스는, 안정성, 안전, 전력 요구사항, 복잡성, 속도, 디바이스 무게당 힘, 및/또는 비용의 영역에서 액티브 다이렉트 모터 햅틱에 비해 이점을 갖는다. ESR 햅틱 컨트롤러는, 캡스턴 기반 브레이크를 활용하여, 가변 순수 저항력 그리고 컴플라이언스 인식을 위해 내장 스프링의 저장된 에너지를 출력할 수 있는 클러치 가능 스프링을 사용할 수 있다. 캡스턴 브레이크와 클러치 스프링의 이러한 이중성은, 바이너리 브레이크 또는 스프링의 한계를 넘어 인간 규모의 힘을 또한 나타낼 수 있는 고유한 ESR 햅틱 컨트롤러를 생성할 수 있다.
도 1은 본 개념의 일부 구현과 일치하는 가상 현실 시스템(100)을 예시한다. 가상 현실 시스템(100)은 기지국(102)을 포함할 수 있다. 기지국(102)은 사용자(104)로부터 입력을 수신 및 처리하고 사용자(104)에 대한 피드백을 생성 및 출력하는 것을 포함하여, 가상 현실 세계를 생성 및 실행하기 위한 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 기지국(102)은 개인용 컴퓨터(PC), 서버, 게이밍 콘솔, 스마트폰, 태블릿, 노트북, 자동차, 시뮬레이터 등을 포함하는 임의의 컴퓨팅 디바이스일 수 있다.
일부 구현예에서, 가상 현실 시스템(100)은 헤드셋(106)(또는 다른 스마트 웨어러블)을 포함할 수 있다. 헤드셋(106)은, 예를 들어, 가상 현실, 현실 세계(예를 들어, 장면) 및/또는 사용자에 관한 정보를 수신할 수 있는 HMD(head-mounted display)일 수 있다. 일부 구현예에서, 헤드셋(106)은 기지국(102) 및/또는 헤드셋(106)에 입력을 제공하기 위한 하나 이상의 센서(도 1에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 센서는 예를 들어 가속도계, 자이로스코프, 카메라, 마이크 등을 포함할 수 있다. 따라서, 헤드셋(106)은 사용자 주변의 물체, 사용자의 머리 위치, 사용자의 머리가 향하고 있는 방향, 사용자의 눈이 뜨여 있거나 감겨 있는지 여부, 사용자의 눈이 보는 방향 등을 감지할 수 있다. 헤드셋은 오디오 및/또는 시각적 데이터와 같은 데이터를 사용자(104)에게 제시하는 능력을 가질 수 있다.
가상 현실 시스템(100)은 ESR 햅틱 컨트롤러(108)를 더 포함할 수 있다. ESR 햅틱 컨트롤러(108)는 베이스 어셈블리(110), 인게이지먼트(engagement) 어셈블리(112), 및/또는 캡스턴(capstan) 어셈블리(114)를 포함할 수 있다. 본 개념과 일치하여, ESR 햅틱 컨트롤러(108)는, 사용자(104)가 기지국(102) 및/또는 헤드셋(106)에 입력 및/또는 출력을 제공하기 위해, 그/그녀의 손(116)을 잡고 그의/그녀의 핑거(118) 중 하나 이상의 핑거로 조작할 수 있는 핸드헬드(handheld) 디바이스일 수 있다. (다른 구현예에서, ESR 햅틱 컨트롤러는 다른 신체 부위와 함께 작동하도록 구성될 수 있음). ESR 햅틱 컨트롤러(108)는 헤드셋(106) 및/또는 기지국(102)과 협력하여 사용자를 위한 현실적인 증강 경험을 생성할 수 있다. 예를 들어, 헤드셋(106)은 공과 같은 물체를 잡고 있는 사용자를 보여줄 수 있고, ESR 햅틱 컨트롤러(108)는 공을 스퀴징하는 사용자의 감각을 모방할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이(아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이), ESR 햅틱 컨트롤러는 다른 사용자 감각을 생성하여, 폼 볼(foam ball) 또는 테니스 공과 같은 탄성 볼을 스퀴징하는 것에 비해 점토의 공과 같은 비탄성 공을 스퀴징하는 것을 모방할 수 있다.
간단히 말해서, ESR 햅틱 컨트롤러(108)는 핑거 움직임 및/또는 힘을 직접 및/또는 간접적으로 감지할 수 있다. 유사하게, ESR 햅틱 컨트롤러는 핑거(118)에 힘을 부여할 수 있다. 또한, ESR 햅틱 컨트롤러(108)는, 기지국(102) 및/또는 헤드셋(106)에 의해 실행되는 가상 현실 세계로부터 햅틱 정보를 수신할 수 있고, 햅틱 정보를 사용자의 핑거(118)들 중 하나 이상의 핑거에 렌더링하고/하거나, 사용자의 핑거로부터의 정보를 기지국(102) 및/또는 헤드셋(106)으로 다시 송신한다. 이 경우에, 햅틱 정보는 사용자의 다른 손가락과 함께 검지 손가락으로 그리고 엄지손가락으로 ESR 햅틱 컨트롤러를 잡는 것과 관련될 수 있다. 다른 구성에서, 인게이지먼트 어셈블리(112)는, 예를 들어 더 많은 및/또는 상이한 핑거 및/또는 엄지손가락을 수용할 수 있다.
예시된 시스템 구현예는 기지국(102), 헤드셋(106), 및 ESR 햅틱 컨트롤러(108)를 포함한다는 점에 주목한다. 다른 시스템 구현예가 고려된다. 예를 들어, 헤드셋(106)은 기지국의 기능을 수행하는 강건한 독립형(self-contained) 디바이스일 수 있다. 그러한 경우에, 설명된 기능은 예를 들어 헤드셋(106) 및 ESR 햅틱 컨트롤러(108)로 달성될 수 있다. 또한, ESR 햅틱 컨트롤러(108)는 설명의 목적으로 여기에 제공된 증강 현실 시나리오 이외의 다른 시나리오에서 활용될 수 있다. 일부 경우에, ESR 햅틱 컨트롤러(108)는 강건한 독립형 디바이스일 수 있다. 다른 경우에, ESR 햅틱 컨트롤러는 헤드셋이나 기지국과 같은 다른 디바이스에 의존하여, ESR 햅틱 컨트롤러를 대신하여 일부 기능을 수행할 수 있다.
사람의 사지(limb)(들)에 직접 힘을 가하는 대부분의 기존 햅틱 컨트롤러는, 전기-기계적 능동형이며, 이들은 적용된 전기 신호로부터 사람 규모의 힘 또는 토크를 능동적으로 생성한다. 이들은 전기 에너지를 필요한 힘이나 토크로 직접 변환한다. 이것은 힘을 생성하기 위해 큰 전력이 필요할 수 있다. 특히 햅틱을 갖는 모바일 디바이스의 능동 액추에이터는, 많은 경우 필요한 큰 힘을 생성하도록 범위가 축소된 작은 전기 모터로 구성된다. 이는 느린 작동 속도, 큰 배터리 전력 요구량, 너무 많은 힘을 가하는 사람에 의해 손상될 수 있는 부서지기 쉬운 디바이스, 및/또는 이러한 문제의 조합을 초래할 수 있다.
기존의 햅틱 컨트롤러는 손가락이 끼일 수 있는 안전 문제도 제기할 수 있다. 이와 대조적으로, 본 구현예는 외부 기계적 움직임(인간 입력)에 저항하기 위해 저항성 액추에이터를 사용할 수 있다. 이 저항성 액추에이터는, 훨씬 적은 전력을 소비하고, 기존의 서보 및 기어박스 솔루션보다 빠르게 작동하고 및/또는 저항성 액츄에이터(예를 들어, ESR 햅틱 컨트롤러는 사용자가 ESR 햅틱 컨트롤러에 과도한 힘을 사용하는 경우 파손되기 전에 미끄러짐으로써 내장형 내결함성을 제공할 수 있음)에 과도한 힘을 가하는 사용자에 의해 손상되지 않으면서, 더 큰 저항력으로 사람의 사지(limb) 움직임에 대한 햅틱 응답을 제공할 수 있다. 기존의 저항 햅틱 디바이스는, 에너지 저장 방식으로 아무것도 제공하지 않는다. 현재 개념은, 스프링을 시뮬레이션하는 능력을 제공할 수 있으며, 비강성(부드러운(squishy)) 가상 객체를 시뮬레이션할 수 있다. 따라서, 현재의 ESR 햅틱 컨트롤러는, 사용자 움직임에 대한 저항성 제동 및 사용자 움직임으로부터 에너지 저장을 제공할 수 있는데, 예를 들어, 사용자는 시스템에 에너지를 제공할 수 있다. 이 조합은 비탄성 및 탄성 가상 객체를 모두 스퀴징할 때, 사용자에게 보다 사실적인 경험을 제공할 수 있다.
도 2는 제1 및 제2 캡스턴(202)을 포함할 수 있는 ESR 햅틱 컨트롤러(108)를 도시한다. 이 경우, 제1 캡스턴(202(1))은 스프링 캡스턴(204)으로서 동작할 수 있고 제2 캡스턴(202(2))은 브레이크 캡스턴(206)으로서 동작할 수 있다. 햅틱 컨트롤러(108)는 또한, 다른 요소들 중에서, 베이스(208), 핸들(210), 캡스턴 아암(212), 핑거 길이 조정 메커니즘(214), 핑거 링(216), 인코더 기어(218), 스프링 캡스턴(204)용 코드(220), 브레이크 캡스턴(204)용 코드(222), 브레이크 코드 접지(예를 들어, 브레이크 캡스턴 접지)(224), 스프링 코드 접지(예를 들어, 스프링 코드 접지)(226), 브레이크 액추에이터(228), 스프링 액추에이터(230), 인코더(232), 및/또는 핸드 스트랩(234)을 포함할 수 있다. 이 경우에, 브레이크 액츄에이터(228)와 스프링 액츄에이터(230)는 트위스트(twisted) 스트링 액츄에이터(235)로서 나타나며, 이는 도 8와 관련하여 더 자세히 논의된다.
ESR 햅틱 컨트롤러(108)는 또한, 에너지 저장 메커니즘(236)(이 뷰에서 직접 보이지 않음), 컨트롤러(238)(베이스의 아래쪽에 있고 이 뷰에서 직접 보이지 않음), 및/또는 통신 구성요소(240)를 포함할 수 있다. 에너지 저장 메커니즘(236)은 제1 캡스턴과 제2 캡스턴(202) 사이에 연결될 수 있다. 에너지 저장 메커니즘(236)은 도 3 및 도 4에 명시되어 있다. 통신 구성요소(240)는 컨트롤러(238)와, 기지국(102) 및/또는 헤드셋(106)과 같은 다른 디바이스 사이의 통신을 유선 또는 무선을 통해 용이하게 할 수 있다.
인게이지먼트 어셈블리(112)는 센서(242) 및/또는 출력 디바이스(244)를 포함할 수 있으며, 이들 모두는 이 경우에 핑거 링(216) 상에 위치되고 컨트롤러(238)에 통신 가능하게 결합될 수 있다. 센서는 그 중에서도 가속도계, 자이로스코프, 카메라, 마이크, 및/또는 압력 센서 중 임의의 것을 포함할 수 있다. ESR 햅틱 컨트롤러(108)는 또한, 6축 센서와 같은 다른 센서를 포함할 수 있다.
출력 디바이스(244)는 사용자에게 제공되는 햅틱 피드백을 증강할 수 있는 스피커, 버저, 액추에이터 등일 수 있다. 예를 들어, 사용자가 가상의 빈 알루미늄 음료수 캔을 크러싱(crushing)하고 있는 시나리오에서, 캡스턴 어셈블리(114)는 사용자가 느낄 것으로 예상하는 저항을 제공할 수 있는 반면에, 출력 디바이스는 소리 및/또는 진동을 통해 캔의 붕괴와 연관된 '주름(crinkling)'을 제공한다.
위에서 언급한 바와 같이, 일부 경우에, 출력 디바이스(244)는 액추에이터일 수 있다. 예를 들어, 액추에이터는 VCA의 관성 질량에 대하여 광대역 진동촉각(vibrotactile) 작동력을 제공할 수 있는 음성 코일 액추에이터(VCA)일 수 있다. 액추에이터는 햅틱 피드백을 제공하는 소리(일부 경우에, 사람이 들을 수 없는 소리가 아니라 오디오 스펙트럼 내 진동)를 재생할 수 있다. 예를 들어, VCA는 9mm 직경의 보이스 코일을 포함할 수 있으며, 55 내지 75 데시벨의 음압 레벨(dbSPL)을 생성할 수 있다. 따라서, 액츄에이터는 힘과 자기 수용 감각을 포함한 운동 감각적 지각을 제공할 수 있다.
컨트롤러(238)는 컨트롤러에 저장되고/되거나, 기지국(102) 및/또는 헤드셋(106)과 같은 다른 디바이스로부터 전달되는 컴퓨터 판독 가능한 명령어에 기초하여, 브레이크 액추에이터(228), 스프링 액추에이터(230), 및/또는 출력 디바이스(244)를 제어할 수 있다. 이와 같이, 컨트롤러(238)는 인간의 핑거 움직임에 저항하기 위한 프로그램 가능한 브레이크의 저항 마찰을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 사용자 액션에 응답하여, 컨트롤러(238)는 에너지가 에너지 저장 메커니즘(236)에 저장되게 하는 방식으로, 브레이크 액츄에이터(228)를 통해 브레이크 캡스턴(206)을 그리고 스프링 액츄에이터(230)를 통해 스프링 캡스턴(204)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(238)는 브레이크 캡스턴(206)보다는 스프링 캡스턴(204) 상의 회전에 대해 약간 다른 저항을 생성할 수 있다. 이러한 차분은 에너지 저장 메커니즘을 로딩할 수 있다. 컨트롤러(238)는 사용자가 그립을 줄일 때 이 저장된 에너지가 '탄성 있는' 느낌을 생성하게 할 수 있다. 이러한 개념의 애플리케이션은, 다른 잠재적인 이점 중에서, ESR 햅틱 컨트롤러(108)로 하여금, 구현에 대하여 저비용이고, 단순하고, 안전하고, 인간 규모의 힘에서 동작, 낮은 대기 시간, 고속 및 낮은 전력 요구 사항과 같은 특징을 제공하도록 할 수 있다. 이러한 특징은 아래에서 더 자세히 논의된다.
예시된 구성은 단일 핑거와 관련된 핑거 움직임에 대한 저항을 제공하기 위해 제1 및 제2 캡스턴(202)을 이용한다는 점에 주목한다. 추가 캡스턴(202)은 추가 핑거 및/또는 엄지손가락에 대한 저항을 제공하기 위해 추가될 수 있다. 예를 들어, 다른 구현예는 베이스(208)에 회전 가능하게 고정되고 제1 및 제2 캡스턴과 동일하거나 다른 축을 중심으로 회전하도록 구성된 제3 및 제4 캡스턴(202)을 통해 또 다른 핑거에 별도의 저항을 제공할 수 있다. 제3 및 제4 캡스턴 사이에 제2 에너지 저장 메커니즘이 연결될 수 있다. 제2 사용자 인게이지먼트 어셈블리는 제3 캡스턴에 고정될 수 있다. 제3 코드는 제3 캡스턴 주위에 감겨질 수 있고, 베이스에 대해 고정된 제1 단부 및 베이스에 대해 고정된 제3 액추에이터에 고정된 제2 단부를 가질 수 있다. 제4 코드는 제4 캡스턴 주위에 감겨질 수 있고, 베이스에 대해 고정된 제1 단부 및 베이스에 대해 고정된 제4 액추에이터에 고정된 제2 단부를 가질 수 있다. 컨트롤러는 제1 핑거에 대해 제1 및 제2 캡스턴을 제어하고 제2 핑거에 대해 제3 및 제4 캡스턴을 제어할 수 있다. 또 다른 구현예는 사용자의 손에 대해 동작하고 손목 관절(예를 들어, 손과 팔뚝 사이)에서의 움직임에 저항하도록 구성될 수 있다. 다른 부속물(예를 들어, 관절)에 대해서도 유사한 구현예를 구성할 수 있다. 예를 들어, 캡스턴은 다른 구성 중에서, 핸드 루프 또는 레그(leg) 루프가 있는 부목(splint)이나 글로브(glove)로 구현될 수 있다.
도 3은 캡스턴(202(2)), 코드(222), 브레이크 캡스턴 접지(224), 및 브레이크 액츄에이터(228)의 관계를 도시한다. 캡스턴[202(2)]은 브레이크 캡스턴으로서 기능할 수 있다. 브레이크 캡스턴은 코드로 감긴 캡스턴(드럼)의 대수 힘 관계를 레버리징할 수 있다. 이 힘 관계에서, 코드-캡스턴 마찰은 고정된 총 풍각(wind angle)(
Figure pct00001
)과 코드와 캡스턴 드럼 사이의 고정 상호 마찰 계수에 의존한다.
Figure pct00002
Tload　＞ Thold
이 구현예에서, 브레이크 캡스턴 접지(224)는 더 높은 장력(Tload)을 제공할 수 있고, 브레이크 액츄에이터(228)는 낮은 장력(Thold)을 제공할 수 있다.
도 4는 힘의 방정식과 함께 ESR 햅틱 컨트롤러(108)의 브레이크 캡스턴 양태의 일부의 개략도를 도시한다. (스프링 캡스턴 및 에너지 저장 메커니즘은 포함되어 있지 않다). 코드가 캡스턴 드럼과 관련하여 움직이는 대부분의 캡스턴 시스템과 달리, 일부 ESR 햅틱 컨트롤러 구현예의 캡스턴은 사용자의 핑거에 의해 회전된다. 브레이크 액츄에이터(228)는 코드에 낮은 장력(Thold)을 인가할 수 있고 코드의 더 높은 장력(Tload) 측이, 브레이크 캡스턴 접지(224)에 의해 ESR 햅틱 컨트롤러(108)에 고정(접지)된다. 따라서, 사용자가 Thold 액츄에이터 장력이 작거나 없는 상태에서 반시계 방향(핑거 클로징)으로 캡스턴을 회전시키려고 할 때, 캡스턴(202(2))은 다소 자유롭게 회전할 수 있다. Thold 장력이 브레이크 액츄에이터(228)에 의해 증가됨에 따라, Tload는 기하급수적으로 증가하여, 캡스턴(202(2))을 반시계 방향으로 돌리기 어렵게 만든다.
Figure pct00003
사용자가 캡스턴(202(2))을 시계 방향으로 회전시킬 때, 캡스턴[202(2)]의 코드 출구 지점을 브레이크 액츄에이터(228)에 더 가깝게 이동시킴으로써 Thold가 자동으로 감소된다. Thold가 캡스턴의 반대 방향(핑거 오프닝)에 의해 자동으로 해제되는 경우, 일부 구현예는 회전 방향에 따라 크게 비대칭적인 힘을 사용할 수 있다. 이 구성은 저항력이 요구되지 않은 곳에서 핑거가 클로징 때 프로그래밍된 힘을 그리고 핑거가 오픈될 때 낮은 힘을 허용할 수 있다. 이들 및 다른 양태는 도 5 내지 도 7과 관련하여 아래의 논의에서 확장된다.
도 5 내지 도 7은 ESR 햅틱 컨트롤러(108)의 일부 구현예의 일부 특징에 관한 추가 세부사항을 집합적으로 도시한다. 도 5는 캡스턴 어셈블리(114)의 분해도를 도시한다. 에너지 저장 메커니즘(236)은 스프링 캡스턴(204)과 브레이크 캡스턴(206) 사이에 명백히 알 수 있다. 이 예에서, 에너지 저장 메커니즘(236)은 비틀림 스프링과 같은 스프링(502)으로서 나타난다. 스프링(502)의 일 단부는 504에 표시된 바와 같이 스프링 캡스턴(204)에 연결되고, 스프링(502)의 다른 단부는 506에 표시된 바와 같이 브레이크 캡스턴(206)에 연결된다.
이 경우에, 스프링 캡스턴(204) 및 브레이크 캡스턴(206)은 z-기준 축에 평행한 공통 회전 축을 따라 수직으로 적층된다(예를 들어, 동일한 공간에 걸쳐 있음(co-extensive)). 또한, 스프링 캡스턴(204) 및 브레이크 캡스턴(206)은 동일한 직경(예를 들어, xy-기준 평면에서 측정됨)을 갖지만, 다른 구현예는 상이한 직경을 가질 수 있다. 이 경우에, 스프링 캡스턴(204) 및 브레이크 캡스턴(206)은 수직 방향(예를 들어, z-기준 방향)으로 높이가 연장되고, 내부에 홈(groove)(508)(예를 들어, 나선형 패턴을 갖는 홈)이 형성된다. 홈(508)은 코드(220 및 222)의 직경과 대략 동일한 직경을 가질 수 있다(예를 들어, 인장된 상태에서 코드 직경의 ± 20%). 코드(220)는 스프링 캡스턴 접지(226)로부터 스프링 액추에이터(230)까지 홈(508(1)) 주위에 감길 수 있다. 유사하게, 코드(222)는 브레이크 캡스턴 접지(224)로부터 브레이크 액츄에이터(228)까지 홈(508(2)) 주위에 감길 수 있다. 홈(508)은 코드가 그 자체의 상부에 감겨서 캡스턴이 작동 불가능하게 되는 기회를 감소 및/또는 제거한다. 이를 위해, 일부 구현예에서, 홈은 코드가 자체적으로 중첩될 가능성을 추가로 줄이기 위해 홈에 코드가 맞도록 홈이 넓어지기 것보다 더 깊어질 수 있다.
하나의 관점에서, 예시된 구현예는 선형 브레이크로서 사용되는 수정된 캡스턴 구성 그리고 햅틱 피드백에서 컴플라이언스와 푸시백을 렌더링하기 위해 동일한 캡스턴 기반 브레이크 접근 방식을 사용하는 가변 강성 스프링 메커니즘을 제공할 수도 있다. 이것은 에너지 저장 메커니즘에 의해 낮은 힘이 확대되는 저비용, 저지연, 저렴하고 단순한 트위스트 스트링 액추에이터로 달성될 수 있다. 이 양태는 아래에 설명되어 있다.
스프링 캡스턴(204) 및 브레이크 캡스턴(206) 중 다른 하나에 대한 스프링 캡스턴(204) 또는 브레이크 캡스턴(206) 중 하나의 회전은, 스프링(502)에 힘을 부여할 수 있다. 힘은 스프링(502)에 저장되고 후속적으로 해제될 수 있다. 예를 들어, 사용자는 캡스턴 암(212)에 힘을 부여하여 캡스턴 아암을 회전시킬 수 있다(예를 들어, 그리핑(grippping) 또는 스퀴징(squeezing) 움직임). 브레이크 캡스턴의 회전 저항은 브레이크 액츄에이터에 의해 설정될 수 있다. 캡스턴 아암(212)은 브레이크 캡스턴(206)에 고정될 수 있음을 상기(recall)한다. 캡스턴 아암(212)을 회전시키는 것은, 스프링 캡스턴(204)이 정지 상태로 유지되거나 스프링 액추에이터 상의 장력에 의해 제어될 때 덜 회전하는 동안에, 브레이크 캡스턴(206)을 회전시킬 수 있다. 이는 (사용자로부터의) 에너지를 스프링에 저장되게 할 수 있는 스프링(502)에 힘을 부여할 수 있다. 이 저장된 에너지는 캡스턴 아암(212)에 반대 회전력을 생성하여, 탄성 물체(예를 들어, 폼 볼(foam ball))를 스퀴징하는 것을 모방할 수 있다.
스프링 캡스턴(204) 및 브레이크 캡스턴(206)은, 임의의 고체 재료로부터 형성될 수 있다. 홈은 캡스턴이 형성된 후 몰드 인(mold in) 또는 기계 가공과 같은 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 코드(220, 222)는 폴리머, 코폴리머, 금속 등과 같은 다양한 재료로 형성될 수 있다. 코드는 단일 가닥(strand) 또는 복수 가닥(예를 들어, 감싸거나 꼬여진 것)일 수 있다. 캡스턴과 코드 재료의 임의의 조합을 사용할 수 있지만, 일부 구현예는 특정 속성을 나타내는 재료 쌍을 선택할 수 있다. 이 양태는 아래에서 더 자세히 설명된다.
대부분의 캡스턴 시스템과 마찬가지로, 코드와 캡스턴(예를 들어, 드럼) 사이의 마찰 관계는 정적(코드와 관련하여 움직이지 않는 캡스턴) 또는 동적(캡스턴 회전)인 경향이 있으며, 일반적으로 캡스턴을 사용하는 대부분의 애플리케이션에서 매우 다르다. 일부 구현예는 20% 이하 또는 10% 이하와 같이 정적 마찰계수와 운동 또는 동적 마찰 계수 간의 차이가 비교적 작은 캡스턴 및 코드용 재료 쌍을 선택할 수 있다. 정적 마찰과 동적 마찰 사이의 상대적으로 작은 차이와 히스테리시스(작은 스틱-슬립 계수)는 단지 이진(온/오프) 모드가 아니라 선형 방식으로 브레이크의 작동을 허용할 수 있다.
하나의 예시적인 재료 페어링은, 벡트란(Vectran)(Celanese Corporation의 LCD 플라스틱) 코드가 있는 드럼 재료용 아세탈(예를 들어, 델린(Delrin))을 수반할 수 있다. 이 조합은 거의 선형 방식으로 브레이크 작동을 허용할 수 있다. 또한, 아세탈을 미끄럽게 만드는 것 외에도, 벡트란은 매우 높은 신축 저항과 낮은 크리프(creep)를 가진다.
도 3 및 도 4에 대해 위에서 언급된 바와 같은 것을 상기하고, 사용자가 캡스턴(202(2))을 시계 방향으로 회전시킬 때, 캡스턴(202(2))의 코드 출구 지점을 브레이크 액츄에이터(228)에 더 가깝게 이동시킴으로써, Thold가 자동으로 감소된다. Thold가 캡스턴의 반대 방향(핑거 오프닝)에 의해 자동으로 해제되는 경우, 일부 구현예는 회전 방향에 따라 큰 비대칭적인 힘을 사용할 수 있다. 이 구성은 저항력이 요구되지 않은 곳에서 핑거가 클로징될 때 프로그래밍된 힘과 핑거가 오픈될 때 낮은 힘을 허용할 수 있다.
그러나 실제로, 캡스턴(204, 206)에 대한 코드(220, 222)의 점착력은, 강한 폐쇄력 이벤트 후에 존재할 수 있으므로, 사용자가 핑거를 오픈할 때 모든 장력이 실제로 해제되지 않는다. 이것은 적어도 부분적으로, 캡스턴의 부드러운 아세탈에 부분적으로 안착되는 벡트란 코드의 직조(weave) 때문일 수 있다.
점착력에 대한 하나의 솔루션은, 핑거 위치 인코더(232)를 사용하여 달성될 수 있다. 핑거 위치 인코더는 베이스(208) 상의 포인트에 대한 캡스턴 아암(212)의 각도 배향을 제공할 수 있다. 핑거 위치 인코더(232)로부터의 정보가 사용자가 핑거를 오픈하고 있음을 나타낼 때, 컨트롤러(238)는 브레이크 액츄에이터(228)에 작은 역펄스를 인가할 수 있으며, 이는 코드(222)의 로우-측 장력을 추가로 해제하여, 자유롭게 회전시키도록 브레이크 캡스턴(206)(예를 들어, 드럼)을 해제한다.
따라서, 햅틱 컨트롤러(108)는 브레이크 캡스턴(202)을 통해 (거의) 선형 브레이크 기능을 제공할 수 있다. 햅틱 컨트롤러(108)는 에너지 저장 메커니즘(236) 및 스프링 캡스턴(204)과 함께 동일한 캡스턴 기반 브레이크 접근 방식을 사용하여 가변 강성 스프링 기능을 제공하여, 햅틱 피드백에서 컨플라이언스 및 푸시백을 렌더링할 수 있다.
도 6은 ESR 햅틱 컨트롤러(108A)의 대안적인 캡스턴 어셈블리(114A)를 도시한다. 이 캡스턴 어셈블리(114A)는, 홈(508)이 z-참조 축 주위에 동일한(또는 유사한) 수의 랩(wrap)을 만들 수 있음에도 불구하고, 수직으로 구속되는(예를 들어, z-기준 방향으로 더 적은 공간을 점유하는) 평평한 스프링 캡스턴(204) 및 브레이크 캡스턴(206)을 사용할 수 있다. 이 경우에, 홈은 평평한 디스크 형상의 캡스턴의 양측에 나선형 패턴을 형성할 수 있다. 설명의 목적을 위해, 이 캡스턴은 일 측의 홈(508)으로부터 다른 측의 홈(508)까지 관통하는 축음기 레코드(phonographic record)와 유사한 것으로서 보여질 수 있다. 나선형 캡스턴 구현예는 캡스턴 어셈블리의 전체 크기를 줄여, 다양한 핸드헬드 ESR 햅틱 컨트롤러(108A), 특히 복수의 핑거를 독립적으로 처리하는 컨트롤러에 포함시키기 위해 더 적응가능하게 만들 수 있다.
도 7은 평평한 캡스턴 구성을 사용하는 또 다른 캡스턴 어셈블리(114B)를 도시한다. 이 경우에, 홈(304(2))은 보수의 평평한 '미니 캡스턴'(702)[이들 모두는 특정하게 지정되지 않음]에 의해 규정된다. 평평한 미니 캡스턴(702)은 회전 축 주위에 방사상으로 배열된다(예를 들어, 회전 축은 z-기준 축에 평행함). 캡스턴의 코드의 총 랩(wrap)은 개별 미니 캡스턴 주위의 랩 합계로서 계산될 수 있다.
도 8은 트위스트 스트링 액츄에이터(235)로서 나타나는 스프링 액츄에이터(230)의 세부사항을 도시한다. 이러한 세부 사항은 브레이크 액츄에이터(228)에도 동일하게 적용될 수 있다. 컨트롤러(238)는 모터(802)에 전기적으로 결합된다. 모터(802)의 출력 샤프트(804)는 트위스트 스트링 메커니즘(808)의 전단부(806)(예를 들어, 허브)에 연결된다. 트위스트 스트링 메커니즘은 회전 가능하게 고정된 슬라이딩 아암으로서 기능할 수 있다. 코드(220)는 스프링 루프(810)에 연결된다. 스프링 루프(810)는 트위스트 스트링 메커니즘(808)의 후단부(812)와 코드 사이에서 연장된다. 스트링 또는 코드(814)는 트위스트 스트링 메커니즘(808)의 전단부(806)로부터 연장될 수 있고, 후단부(812) 주위를 우회하여 전단부(806)로 복귀할 수 있다.
예시 1은 감기지 않은 상태의 트위스트 스트링 액추에이터(235)를 도시하며, 여기서 트위스트 스트링 액추에이터는 길이 L1을 갖는다. 예시 2는 감긴 상태의 트위스트 스트링 액츄에이터(235)를 도시하며, 여기서 컨트롤러(238)는 활성화된 모터(802)를 갖고 출력 샤프트를 제1 방향(예를 들어, 시계 방향 또는 반시계 방향)으로 회전시킨다. 출력 샤프트는 코드(814)를 돌려 감으며. 이는 트위스트 스트링 액츄에이터(235)의 길이(L2)를 줄인다. 달리 말하면, 코드(814)가 모터(802)에 의해 감겨짐에 따라, 코드는 스프링 루프(810)에 결합된 슬라이딩 아암을 당기고 모터에 공급되는 전류에 대한 함수로서 캡스턴의 HOLD 측에 코드 장력을 인가한다. 이러한 길이의 단축은, 스프링 루프(810)를 통해 코드(220)에 장력을 인가한다. 스프링 루프의 장력은 스프링 루프(810)를 약간 확장할 수 있으며, 이는 코드의 장력을 감긴 상태에서 일정하게 유지하는 데 도움이 될 수 있다. 달리 말하면, 스프링 루프(810)는, 장력이 증가하고 캡스턴이 회전할 때 작은 외관상 코드 스트레치를 보상하기 위해 액추에이터에 추가된 컴플라이언스 기능을 제공하여, HOLD 및 LOAD 장력 모두를 소량으로 변경한다.
감긴 상태에서, 출력 샤프트를 같은 방향으로 더 회전시킴으로써 코드(220)의 장력을 쉽게 조절할 수 있거나, 또는 반대 방향으로 출력 샤프트를 회전시킴으로써 코드(220)의 장력을 줄일 수 있다.
임의의 유형의 액츄에이터가 사용될 수 있지만, TSA(twisted string actuator)(235)는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 데 효율성과 역구동성을 제공할 수 있으며, 이는 스퍼 기어와 같은 기어보다 더 우수할 수 있다. 또한, 에너지 변환 효율성과 낮은 관성 부하 및 코어리스 모터 설계로 인해, 응답 및 대기 시간이 합리적인 가격의 다른 옵션보다 훨씬 더 빠를 수 있다. TSA는 또한, 기어가 있는 액추에이터의 특성보다 소음이 적은 경향이 있다. 또한, 트위스트 스트링 액추에이터는, 사용자가 감지할 수 있는 지연을 피하기 위해, 비교적 빠른 응답 시간을 제공할 수 있다. 또한, TSA는 낮은 힘으로 인해 종종 불리하게 여겨지지만, 캡스턴 어셈블리는, 컨트롤러로부터의 높은 장력에 의존하지 않으므로, 임의의 잠재적으로 부정적인 양태를 최소화하면서 TSA의 유익한 양태를 레버리징할 수 있다.
다양한 양태가 위에서 자세히 논의되어 있다. 이러한 양태에 대한 컨텍스트는 도 4로 되돌아감으로써 제공될 수 있다. 컨트롤러(238)는 핑거 위치 인코더(232)로부터의 입력에 기초하여 ESR 햅틱 컨트롤러(108)를 제어할 수 있다. 컨트롤러(238)는 브레이크 캡스턴(206)에 맞춰진 회전 전위차계 인코더 출력을 변환할 수 있다. 컨트롤러(238)는 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 통해 각각의 액추에이터를 구동함으로써 그 힘 피드백 거동 및 스프링 인게이지먼트를 조정할 수 있으며, 이는 도 3 및 도 4의 캡스턴 방정식을 따르는 저항에서 예측 가능하고 반복 가능한 힘을 생성할 수 있다.
이 구성은 많은 햅틱 시나리오를 합성할 수 있다. 핑거 위치 인코더(232)가 물체와의 적절한 접촉 위치를 보고할 때, 컨트롤러(238)는 저항력으로서 사용자의 핑거에 즉시 기계적으로 전달되는 원하는 낮은 장력으로 브레이크 액츄에이터(228)를 통해 캡스턴 브레이크(206)를 작동시킬 수 있다. 예를 들어 점토와 같이 단단한 물체보다 덜 단단한 것을 스퀴징하는 시뮬레이션의 경우, 브레이크 액츄에이터(228)는 단단한 재료보다 더 작은 힘으로 작동하도록 명령된다. 사용자는 점토와의 접촉감을 느끼면서 충분한 힘을 가하면, VR 디스플레이에 나타나는 적절한 비주얼로 점토를 스퀴징하고 변형할 수 있다.
컨트롤러(238)는 스프링 또는 다른 순응하는 햅틱을 시뮬레이션하기 위해 가상 객체가 뒤로 밀려나는 시나리오(예를 들어, 사용자의 핑거를 미는 디바이스로부터의 능동력)를 추가로 합성할 수 있다. 컨트롤러(238)는 스프링(502) 또는 탄성 밴드와 같은 다른 에너지 저장 메커니즘(236)을 통해, 브레이크 캡스턴(206)에 연결된 제2 캡스턴(예를 들어, 스프링 캡스턴(204))를 사용함으로써, 컴플라이언스의 햅틱 인식을 합성할 수 있다. 이 제2 캡스턴(예를 들어, 스프링 캡스턴(204))은 적절한 시간에 스프링과 인게이징하는 클러치로서 기능할 수 있다.
스프링 캡스턴(204)은 또한, 스프링 캡스턴 접지(226)를 통해 컨트롤러 본체 또는 베이스(208)에 접지된 높은 장력 부하(TLoad) 코드 측 그리고 낮은 힘의 제2 액추에이터(예를 들어, 스프링 액츄에이터(230))에 연결된 낮은 장력(THold) 측을 가질 수 있다. 스프링과 브레이크 캡스턴의 작동 없이, 이들은 핑거가 클로징되면 자유롭게 회전한다. 스프링 캡스턴(204)만이 최대 힘으로 작동되면, 핑거 움직임과 브레이크 캡스턴(206)은 회전 스프링(예를 들어, 에너지 저장 메커니즘(236)) 및 캡스턴을 통해 접지에 연결된다. 이 경우에, 사용자는 일정한 스프링 계수 k를 사용하여 스프링을 스퀴징하는 것을 경험한다. 따라서,
Finger_closing_force = k * Finger_closing_distace
이 경우에 k는 상수라는 것이 주목된다. 스프링 캡스턴(204)이 더 작은 작동력으로 인해 미끄러지도록 허용되고/거나 작은 선형 제동력을 적용하면, 컨트롤러(238)는 사용자가 느끼는 인지된 스프링 상수 k'를 조정할 수 있다. 이제 인지된 컴플라이언스는, 고정 스프링 상수, 스프링 캡스턴이 미끄러지는 정도, 브레이크가 적용된 정도의 함수이다. 컨트롤러(238)는 이들 변수를 사용함으로써 많은 상이한 인지된 스프링 거동을 합성하도록 프로그래밍될 수 있다.
도 9는 본 개념의 일부 구현예와 일치하는 시스템(100)의 추가 세부사항을 도시한다. 시스템(100)은, ESR 햅틱 컨트롤러(108), 헤드셋(106), 기지국(102)과 같은 디바이스(900), 및/또는 개인용 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 휴대폰, 스마트폰, 개인용 디지털 단말기, 패드형 컴퓨터, 모바일 컴퓨터, 웨어러블 디바이스, 카메라, 가전 제품, 스마트 디바이스, IoT 디바이스, 차량 등과 같은 기타 디바이스, 및/또는 계속 진화하거나 아직 개발되지 않은 임의의 수많은 유형의 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 이들 디바이스(900) 중 임의의 것은, 주어진 기능을 달성하기 위해 독립형 방식으로 동작할 수 있거나, 기능을 달성하기 위해 다른 디바이스와 협력하여 동작할 수 있다.
도 9는 ESR 햅틱 컨트롤러(108), 헤드셋(106), 기지국(102), 및/또는 다른 디바이스에 의해 사용될 수 있는 2개의 예시적인 디바이스 구성(902)을 도시한다. ESR 햅틱 컨트롤러(108)와 같은 개별 디바이스는, 구성[902(1) 또는 902(2)] 중 하나 또는 대안 구성을 사용할 수 있다. (도면 페이지의 공간 제약으로 인해, 각 디바이스에 대한 디바이스 구성을 예시하는 것보다는 각 디바이스 구성의 하나의 예시가 도시된다.) 간단히 말해서, 디바이스 구성(902(1))은 운영 체제(OS) 중심 구성을 나타낸다. 디바이스 구성(902(2))은 SOC(시스템 온 칩) 구성을 나타낸다. 디바이스 구성 902(1)은 하나 이상의 애플리케이션(904), 운영 체제(906), 및 하드웨어(908)로 조직화된다. 하드웨어(908)는 저장 장치(storage)/메모리(910) 및 프로세서(912)를 포함할 수 있다. 베이스 어셈블리(110), 인게이지먼트 어셈블리(112), 및 캡스턴 어셈블리(114)와 같은 다른 하드웨어(908)는, 도 2와 관련하여 위에서 상세히 설명되었지만 여기에 다시 소개되지는 않는다. 디바이스 구성(902(2))은 공유 자원(914), 전용 자원(916), 및 이들 사이의 인터페이스(918)로 조직화된다.
컨트롤러(238)는 저장 장치/메모리(910)에 저장되고 프로세서(912)에 의해 실행되는 소프트웨어로서 나타날 수 있다. 다른 경우에, 컨트롤러(238)는 마이크로컨트롤러와 같은 전용 하드웨어 또는 펌웨어 컨트롤러일 수 있다. 컨트롤러는 가상 현실 시나리오, 훈련 시나리오 등과 같은 시나리오와 관련된 정보를 수신할 수 있다. 정보는 무엇보다도, 물체의 탄성 및/또는 질감과 같이 사용자가 잡고 있는 물체의 속성에 대한 정보를 포함할 수 있다. 컨트롤러는 또한 무엇보다도, 핑거, 아암, 레그와 같은 사용자의 신체 부위에 대한 정보를 수신할 수 있다. 컨트롤러는 '실제' 물체를 잡을 때, 사용자가 경험할 촉각 피드백을 합성하기 위해, ESR 햅틱 컨트롤러(108)와 같은 디바이스를 제어하는 신호를 생성할 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "디바이스", "컴퓨터" 또는 "컴퓨팅 디바이스"는 어느 정도의 처리 능력 및/또는 저장 능력을 갖는 임의의 유형의 장치를 의미할 수 있다. 처리 능력은 기능을 제공하기 위해 컴퓨터 판독 가능한 명령어의 형태로 데이터를 실행할 수 있는 하나 이상의 프로세서에 의해 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 명령어 및/또는 사용자 관련 데이터와 같은 데이터는, 디바이스 내부 또는 외부에 있을 수 있는 저장 장치와 같은 저장 장치에 저장될 수 있다. 저장 장치는 그 중에서도, 휘발성 또는 비휘발성 메모리, 하드 드라이브, 플래시 저장 디바이스 및/또는 광학 저장 디바이스(예를 들어, CD, DVD 등), 원격 저장 장치(예를 들어, 클라우드 기반 저장 장치) 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "컴퓨터 판독 가능한 매체"라는 용어는 신호를 포함할 수 있다. 이에 반하여, "컴퓨터가 판독 가능한 저장 매체"는 신호를 제외한다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 "컴퓨터가 판독 가능한 저장 디바이스"를 포함한다. 컴퓨터 판독 가능한 저장 디바이스의 예는, 그 중에서도, RAM과 같은 휘발성 저장 매체 그리고 하드 드라이브, 광 디스크, 및 플래시 메모리와 같은 비휘발성 저장 매체를 포함한다.
위에서 언급한 바와 같이, 디바이스 구성(902(2))은 SOC(시스템 온 칩) 유형 설계로서 생각될 수 있다. 이러한 경우에, 디바이스에 의해 제공되는 기능은, 단일 SOC 또는 복수의 결합된 SOC에 통합될 수 있다. 하나 이상의 프로세서(912)는, 저장 장치/메모리(910) 등과 같은 공유 자원(914) 및/또는 어떤 특정 기능을 수행하도록 구성된 하드웨어 블록과 같은 하나 이상의 전용 자원(916)을 조정하도록 구성될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용된 "프로세서"라는 용어는, 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽 처리 유닛(GPU), FPGA(필드 프로그램 가능한 게이트 어레이), 컨트롤러, 마이크로컨트롤러, 프로세서 코어, 및/또는 기타 유형의 프로세싱 디바이스를 지칭할 수도 있다.
일반적으로, 본 명세서에 설명된 기능들 중 임의의 기능은, 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어(예를 들어, 고정 논리 회로), 또는 이들 구현의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "구성요소"라는 용어는, 일반적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 전체 디바이스 또는 네트워크, 또는 이들의 조합을 나타낸다. 예를 들어 소프트웨어 구현예의 경우에, 이들은 프로세서(예를 들어, CPU 또는 CPU들)에서 실행될 때 지정된 작업을 수행하는 프로그램 코드를 나타낼 수 있다. 프로그램 코드는 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체와 같은 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능한 메모리 디바이스에 저장될 수 있다. 구성 요소의 특징 및 기술은 플랫폼에 독립적이며, 이는 다양한 처리 구성을 갖는 다양한 상용 컴퓨팅 플랫폼에서 구현될 수 있다는 것을 의미한다.
도 10은 물체를 시뮬레이션하는 것과 관련된 예시적인 방법(1000)을 예시하는 흐름도를 도시한다. 단계 1002에서, 방법은 가상 객체에 대한 정보를 수신할 수 있다. 정보는 크기, 질감, 경도, 탄성 등과 같은 다양한 속성을 포함할 수 있다. 단계 1004에서, 방법은 가상 객체의 사용자 인게이지먼트에 대한 다른 정보를 수신할 수 있다. 다른 정보는 압력 센서 및/또는 위치 센서와 같은 다양한 센서로부터 획득될 수 있다. 예를 들어, 위치 센서는 사용자가 인게이징하고 있는 요소의 회전을 야기하는 가상 객체에 대한 힘을 사용자가 인가하고 있음을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 사용자 인게이지먼트는 베이스에 대한 캡스턴 아암의 회전을 야기할 수 있다. 압력 센서는 사용자가 인게이지먼트에 의해 생성하는 압력을 직접 또는 간접적으로 감지할 수 있다. 예를 들어, 핑거 링에 위치된 압력 센서는, 사용자가 핑거 링에 대해 생성하는 압력을 감지할 수 있다. 이와 유사하게, 캡스턴 아암은 사용자의 손목을 가로질러 연장되어, 팔뚝에 대한 사용자의 손 움직임이 위치 센서 및/또는 압력 센서에 의해 감지될 수 있다.
단계 1006에서, 방법은 사용자 결합에 대한 저항을 제공하기 위해 제1 및/또는 제2 캡스턴을 제어하기 위한 신호를 보낼 수 있다. 신호는 정보 및 기타 정보에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 일부 구성에서, 신호는 제1 및/또는 제2 캡스턴과 연관된 액추에이터와 같은 액추에이터로 보내질 수 있다.
단계 1008에서, 방법은 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 사용자 인게이지먼트에 대한 저항을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 캡스턴은 브레이크 캡스턴일 수 있다. 물체가 비탄성 물체인 경우, 브레이크 캡스턴의 작동은, '실제' 물체와 인게이징할 때, 느껴지는 저항을 시뮬레이션할 수 있다. 신호는 브레이크 캡스턴의 코드를 팽팽하게 하는 액추에이터에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 물체가 탄성이 있는 경우, 제2 캡스턴(예를 들어, 스프링 캡스턴)에 신호를 전송함으로써, 사용자 인게이지먼트에 저항하면서 에너지를 저장할 수 있다. 이 저장된 에너지는, 사용자가 인게이지먼트를 줄임(예를 들어, 하드하게 스퀴징하는 것을 중지)에 따라 물체의 탄성 성질을 시뮬레이션하는 데 활용될 수 있다. 일부 경우에, 2개의 캡스턴이 에너지 저장 메커니즘에 의해 상호 연결될 수 있다. 2개의 캡스턴 사이의 상대 회전을 제어함으로써, 에너지 저장 메커니즘에 에너지를 저장할 수 있다. 이 에너지는 물체의 탄성 특성을 합성하기 위해 방출될 수 있다. 이 방법은 이 에너지를 생성할 필요가 없으며, 대신에 사용자 인게이지먼트에 의해 추가된 에너지를 저장할 수 있다.
다양한 예가 위에서 설명되어 있다. 추가 예는 아래에 설명되어 있다. 하나의 예는, 베이스, 베이스에 회전 가능하게 고정되고 공통 축을 중심으로 회전하도록 구성된 제1 및 제2 캡스턴, 제1 캡스턴과 제2 캡스턴 사이에 연결된 에너지 저장 메커니즘, 제1 캡스턴에 고정된 사용자 계합(인게이지먼트) 어셈블리, 제1 캡스턴 주위에 감겨 있고 베이스에 대해 고정된 제1 단부 및 베이스에 대해 고정된 제1 액추에이터에 고정된 제2 단부를 갖는 제1 코드, 그리고 제2 캡스턴 주위에 감겨 있고 베이스에 대해 고정된 제1 단부 및 베이스에 대해 고정된 제2 액추에이터에 고정된 제2 단부를 갖는 제2 코드를 구비하는 디바이스를 포함한다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 베이스는 핸들, 부목(splint), 또는 글로브를 포함한다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 핸들은 공통 축과 동일한 공간에 걸쳐 있다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 제1 및 제2 캡스턴은 높이 및 폭이 동일하거나, 제1 및 제2 캡스턴은 높이 및/또는 폭이 상이하다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 제1 및 제2 캡스턴이 공통 축을 따라 연장되거나, 제1 및 제2 캡스턴이 공통 축을 따라 평평해질 수 있다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 제1 및 제2 캡스턴은 홈(groove)을 가진다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 제1 및 제2 캡스턴은 나선형(helical) 패턴으로 홈이 파여 있다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 제1 및 제2 캡스턴은 스파이럴(spiral) 패턴으로 홈이 파여 있다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 제1 및 제2 캡스턴은 제1 및 제2 코드의 직경과 동일한 직경을 갖는 나선형 홈을 규정한다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 제1 및 제2 캡스턴의 재료와 코드의 재료가 서로의 ±10%인 정적 및 동적 마찰 계수를 갖는다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 제1 및 제2 액츄에이터가 제1 및 제2 트위스트 스트링 액츄에이터를 포함한다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 에너지 저장 메커니즘은 스프링을 포함한다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 사용자 인게이지먼트 어셈블리는 아암과 핑거 링을 포함하거나 사용자 인게이지먼트 어셈블리가 아암과 핸드 루프를 포함한다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 디바이스는 베이스에 대한 아암의 각도 배향 및/또는 베이스에 대한 아암의 회전을 감지하도록 구성된 센서를 더 포함한다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 센서가 아암을 직접 감지하거나 센서가 제1 및/또는 제2 캡스턴을 감지한다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 센서가 핑거 위치 인코더를 포함한다.
또 다른 예는 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 디바이스가 센서로부터의 데이터에 적어도 부분적으로 기초하여 제1 및 제2 액츄에이터의 작동을 제어하도록 구성된 컨트롤러를 더 포함한다.
또 다른 예는, 위 및/또는 아래의 예 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기서 디바이스는, 베이스에 회전 가능하게 고정되고 공통 축을 중심으로 회전하도록 구성된 제3 및 제4 캡스턴, 제3 캡스턴과 제4 캡스턴 사이에 연결된 제2 에너지 저장 메커니즘, 제3 캡스턴에 고정된 제2 사용자 인게이지먼트 어셈블리, 제3 캡스턴 주위에 감겨 있고 베이스에 대해 고정된 제1 단부 및 베이스에 대해 고정된 제3 액추에이터에 고정된 제2 단부를 갖는 제3 코드, 및 제4 캡스턴 주위에 감겨 있고 베이스에 대해 고정된 제1 단부 및 베이스에 대해 고정된 제4 액추에이터에 고정된 제2 단부를 갖는 제4 코드를 더 포함한다.
또 다른 예는 디바이스를 포함하며, 상기 디바이스는 베이스에 회전 가능하게 고정된 제1 및 제2 캡스턴, 제1 캡스턴과 제2 캡스턴 사이에 연결된 에너지 저장 메커니즘; 제1 캡스턴에 고정된 사용자 인게이지먼트 어셈블리, 및 제1 및 제2 캡스턴에 의해 경험되는 회전 마찰을 제어함으로써 상기 사용자 인게이지먼트 어셈블리에 가해지는 회전력을 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함한다.
또 다른 예는, 컴퓨터 구현 방법을 포함하며, 이 방법은 가상 객체에 대한 정보를 수신하는 단계, 가상 객체의 사용자 인게이지먼트에 대한 다른 정보를 수신하는 단계, 및 사용자 인게이지먼트에 대한 저항을 제공하기 위해 제1 캡스턴 및/또는 제2 캡스턴을 제어하는 신호를 전송하는 단계를 포함한다.
다양한 예가 위에서 설명되었다. 주제가 구조적 특징 및/또는 방법론적 행위에 특정한 언어로 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 규정된 주제는 반드시 위에서 설명된 특정 특징 또는 행위로 제한되지 않는다. 오히려, 위에서 설명된 특정 특징 및 행위는 청구범위를 구현하는 예시적인 형태로서 제시되며, 당업자에 의해 인식될 다른 특징 및 행위는 청구범위의 범위 내에 있도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 디바이스에 있어서,
    베이스;
    상기 베이스에 회전 가능하게 고정되고 공통 축을 중심으로 회전하도록 구성된 제1 및 제2 캡스턴(capstan);
    제1 캡스턴과 제2 캡스턴 사이에 연결된 에너지 저장 메커니즘;
    상기 제1 캡스턴에 고정된 사용자 인게이지먼트(engagement) 어셈블리;
    상기 제1 캡스턴 주위에 감겨 있고 상기 베이스에 대해 고정된 제1 단부 및 상기 베이스에 대해 고정된 제1 액추에이터에 고정된 제2 단부를 갖는 제1 코드; 및
    상기 제2 캡스턴 주위에 감겨 있고 상기 베이스에 대해 고정된 제1 단부 및 상기 베이스에 대해 고정된 제2 액추에이터에 고정된 제2 단부를 갖는 제2 코드
    를 포함하는 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스는 핸들, 부목(splint), 또는 글로브를 포함하는 것인 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 핸들은 공통 축과 동일한 공간에 걸쳐 있는(co-extensive) 것인 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 캡스턴은 높이 및 폭이 동일하거나, 상기 제1 및 제2 캡스턴은 높이 및/또는 폭이 상이한 것인 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 캡스턴은 공통 축을 따라 연장되거나, 상기 제1 및 제2 캡스턴은 공통 축을 따라 평평해지는 것인 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 캡스턴은 홈을 갖는 것인 디바이스.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 캡스턴은 나선형(helical) 패턴으로 홈이 파인 것인 디바이스.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 캡스턴은 스파이럴(spiral) 패턴으로 홈이 파인 것인 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 캡스턴은 상기 제1 및 제2 코드의 직경과 동일한 직경을 갖는 나선형 홈을 규정하는 것인 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 캡스턴의 재료와 상기 제1 및 제2 코드의 재료는, 서로에 대하여 ±10%인 정적 및 동적 마찰 계수를 가지는 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 액츄에이터는 제1 및 제2 트위스트 스트링 액츄에이터를 포함하는 것인 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 상기 에너지 저장 메커니즘은 스프링을 포함하는 것인 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 상기 사용자 인게이지먼트 어셈블리는 아암과 핑거 링을 포함하거나, 상기 사용자 인게이지먼트 어셈블리는 아암과 핸드 루프를 포함하는 것인 디바이스.
  14. 제13항에 있어서, 상기 베이스에 대한 아암의 각도 배향 및/또는 상기 베이스에 대한 아암의 회전을 감지하도록 구성된 센서를 더 포함하는 디바이스.
  15. 디바이스에 있어서,
    베이스에 회전 가능하게 고정된 제1 및 제2 캡스턴;
    제1 캡스턴과 제2 캡스턴 사이에 연결된 에너지 저장 메커니즘;
    상기 제1 캡스턴에 고정된 사용자 인게이지먼트 어셈블리; 및
    상기 제1 및 제2 캡스턴에 의해 경험되는 회전 마찰을 제어함으로써 상기 사용자 인게이지먼트 어셈블리에 부여되는 회전력을 제어하도록 구성된 컨트롤러
    를 포함하는 디바이스.
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