KR20220127068A - tendon-driven haptic device - Google Patents
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Abstract
Description
실시예들은 사용자의 손에 장착 가능한 햅틱 장치에 관한 발명으로서, 보다 상세하게는 손 동작을 구현하기 위한 역감 피드백(kinesthetic feedback)과 사용자가 가상 객체와 상호작용 시에 상기 가상 객체와 실제로 접촉하는 느낌의 촉감 피드백(cutaneous feedback)을 제공하는 햅틱 장치에 관한 것이다.Embodiments relate to a haptic device that can be mounted on a user's hand, and more particularly, a kinesthetic feedback for implementing a hand motion and a feeling of actually contacting the virtual object when the user interacts with the virtual object It relates to a haptic device that provides cutaneous feedback.
가상 환경에서 가상 객체와의 접촉에 따른 촉감 자극을 전달하는 장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Research on a device that delivers a tactile stimulus according to contact with a virtual object in a virtual environment is being actively conducted.
현실 공간에서 손을 이동시키면 센서를 통해 손의 위치를 감지하고, 감지된 위치를 가상 공간 상의 위치로 반영됨에 따라 현실 공간의 손이 가상 객체와 상호 작용할 수 있다.When a hand is moved in real space, the position of the hand is sensed through a sensor, and the sensed position is reflected as a position in the virtual space, so that the hand in the real space can interact with the virtual object.
가상 객체와의 상호 작용 중에 만지고자 하는 가상 객체와의 접촉 또는 비접촉에 따라 기계적으로 접촉 또는 비접촉 배치로 전환이 가능한 다양한 장치들이 개발되었다.Various devices capable of mechanically switching to contact or non-contact arrangement according to contact or non-contact with a virtual object to be touched during interaction with a virtual object have been developed.
도 1은 종래의 촉감 피드백을 제공하는 햅틱 장치의 개략도이다. 1 is a schematic diagram of a conventional haptic device for providing tactile feedback.
예를 들어, 종래의 촉감 피드백을 제공하는 햅틱 장치(한국 등록특허공보 제10-2034023호 (2019.10.14.))는 촉감 피드백을 제공하는 착용형 장치로서, 가상 객체와의 상호 작용에 따른 촉감 자극을 손가락에 전달할 수 있었다. For example, a conventional haptic device that provides tactile feedback (Korean Patent Publication No. 10-2034023 (Oct. 14, 2019)) is a wearable device that provides tactile feedback, and a tactile sense according to interaction with a virtual object. The stimulus could be transmitted to the finger.
그러나, 사용자가 가상 공간에서 가상 객체와 상호작용할 경우, 가상 객체는 실체가 없어 가상 객체의 형체를 감싸는 손동작을 사용자 스스로 직접해야 한다. 가상 객체의 형체에 매칭하지 않는 손동작(예를 들어, 가상 객체의 표면을 뚫는 손동작)을 사용자가 취할 경우 가상 공간의 시각적 경험과 실제 손동작을 취하는 경험 간의 부조화가 발생하는 문제가 있다.However, when a user interacts with a virtual object in a virtual space, the virtual object has no substance, so the user must manually perform a hand gesture surrounding the shape of the virtual object. When the user takes a hand gesture that does not match the shape of the virtual object (eg, a hand gesture that pierces the surface of the virtual object), there is a problem in that there is a mismatch between the visual experience of the virtual space and the experience of taking the actual hand gesture.
본 발명은 종래의 햅틱 장치의 한계를 해결하기 위해, 가상 객체의 형체에 매칭하는 손 동작을 구현하기 위한 역감 피드백(kinesthetic feedback)과 사용자가 가상 객체와 상호작용 시에 상기 가상 객체와 실제로 접촉하는 느낌의 촉감 피드백(cutaneous feedback)을 제공 가능한 햅틱 장치를 제공한다. In order to solve the limitations of the conventional haptic device, the present invention provides a kinesthetic feedback for implementing a hand motion matching the shape of a virtual object, and a method of actually contacting the virtual object when the user interacts with the virtual object. A haptic device capable of providing cutaneous feedback of a feeling is provided.
이 외에도, 상기 햅틱 장치를 통해 사용자에게 역감 피드백과 촉감 피드백을 제공하여 가상 공간과 사용자를 상호작용시키는 햅틱 시스템을 제공한다. In addition to this, a haptic system for interacting with a virtual space and the user is provided by providing a sense feedback and a tactile feedback to the user through the haptic device.
본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 측면에 따른 센서 모듈은 사용자의 손에 장착 가능한 외피에 부착된 와이어가 배치되어 있는 손가락의 구조 변화를 감지한다. 상기 센서 모듈은: 모듈 프레임; 도르래를 갖는 복수의 와이어 디렉터(wire director); 상기 모듈 프레임의 일 측면과 타 측면 사이에 설치된 가이드 바; 상기 가이드 바를 따라 슬라이드 이동하는 와이어 그리퍼 쌍 - 상기 와이어 그리퍼 쌍 중 하나는 모터에 연결된 구동 와이어와 연결되고, 상기 와이어 그리퍼 쌍 중 다른 하나는 외피 층 상에 배치된 힘줄 와이어와 연결됨; 상기 와이어 그리퍼 쌍 사이에 가이드 바를 따라 배치된 스프링; 및 상기 와이어 그리퍼 쌍 중 적어도 하나의 이동을 감지하는 적어도 하나의 포텐셔미터를 포함할 수도 있다. A sensor module according to an aspect of the present invention detects a change in the structure of a finger on which a wire attached to a skin mountable on a user's hand is disposed. The sensor module includes: a module frame; a plurality of wire directors having pulleys; a guide bar installed between one side and the other side of the module frame; a pair of wire grippers sliding along the guide bar, one of the pair of wire grippers connected to a drive wire connected to a motor, and the other of the pair of wire grippers connected to a tendon wire disposed on the sheath layer; a spring disposed along a guide bar between the pair of wire grippers; and at least one potentiometer sensing movement of at least one of the pair of wire grippers.
일 실시예에서, 상기 모듈 프레임의 일 측단면에 복수의 포텐셔미터가 배치되고, 상기 한 쌍의 와이어 그리퍼 중 적어도 하나는 상기 복수의 포텐셔미터 사이의 틈(gap)을 따라 이동 가능하도록 결합한 것일 수도 있다.In one embodiment, a plurality of potentiometers are disposed on one side end surface of the module frame, and at least one of the pair of wire grippers may be coupled to be movable along a gap between the plurality of potentiometers.
일 실시예에서, 사용자의 손 동작에 의해 힘줄 와이어에 장력이 가해지고 상기 모터가 구동 와이어를 감으면, 힘줄 와이어에 연결된 와이어 그리퍼와 모터와 연결된 다른 와이어 그리퍼는 서로 반대 방향으로 이동하는 것일 수도 있다.In one embodiment, when tension is applied to the tendon wire by a user's hand motion and the motor winds the driving wire, the wire gripper connected to the tendon wire and another wire gripper connected to the motor may move in opposite directions. .
본 발명의 다른 일 측면에 따른 힘줄-구동 햅틱 장치는 상술한 실시예들에 따른 센서 모듈을 포함한다. 상기 힘줄-구동 햅틱 장치는, 상기 사용자의 손에 장착되는 복수의 외피 층 - 복수의 외피 층 각각은 적어도 하나의 손가락을 커버하는 형태를 가짐; 상기 외피 층의 커버 부분 상에 배치된 복수의 힘줄 와이어 - 상기 복수의 힘줄 와이어는 역감 피드백(kinesthetic feedback)용 힘줄 와이어를 포함함; 상기 복수의 힘줄 와이어를 고정하는 복수의 고정구; 상기 복수의 힘줄 와이어와 간접적으로 연결된 복수의 모터를 포함한 액추에이터 모듈 더 포함할 수도 있다. 상기 복수의 힘줄 와이어 각각은 와이어 그리퍼 쌍 중 어느 하나에 연결되어 다른 하나에 연결된 구동 와이어를 통해 모터에 간접적으로 연결된다. A tendon-driven haptic device according to another aspect of the present invention includes the sensor module according to the above-described embodiments. The tendon-driven haptic device includes: a plurality of skin layers mounted on the user's hand, each of the plurality of skin layers having a shape that covers at least one finger; a plurality of tendon wires disposed on a cover portion of said sheath layer, said plurality of tendon wires comprising tendon wires for kinesthetic feedback; a plurality of fasteners for fixing the plurality of tendon wires; It may further include an actuator module including a plurality of motors indirectly connected to the plurality of tendon wires. Each of the plurality of tendon wires is connected to one of the pair of wire grippers and indirectly connected to the motor through a driving wire connected to the other.
일 실시예에서, 상기 복수의 힘줄 와이어 중 일부와 다른 일부는 서로 다른 외피 층의 표면 상에 배치될 수도 있다.In one embodiment, some and other portions of the plurality of tendon wires may be disposed on surfaces of different sheath layers.
일 실시예에서, 상기 복수의 모터 중 일부는 촉감 피드백을 제공하고 다른 일부는 역감 피드백을 제공하도록 구동할 수도 있다.In an embodiment, some of the plurality of motors may be driven to provide tactile feedback and others to provide inverse feedback.
일 실시예에서, 서로 다른 모터가 동일한 손가락에 역감 피드백을 제공할 경우, 서로 다른 모터는 상기 동일한 손가락의 서로 다른 관절에서 서브 역감 피드백을 렌더링하도록 구동하고, 상기 서로 다른 모터에 대응한 힘줄 와이어는 서로 다른 외피 층에 각각 배치되는 것일 수도 있다.In one embodiment, when different motors provide negative feedback to the same finger, different motors are driven to render sub-inverse feedback in different joints of the same finger, and the tendon wires corresponding to the different motors are They may be disposed on different skin layers, respectively.
일 실시예에서, 상기 역감 피드백용 힘줄 와이어는 MCP 관절과 PIP 관절에 역감 피드백을 각각 제공하기 위한 힘줄 와이어들을 포함하고, 상기 MCP 관절에 역감 피드백을 제공하기 위한 힘줄 와이어와 상기 사용자의 손가락의 PIP 관절에 역감 피드백을 제공하기 위한 힘줄 와이어는 서로 다른 외피 층의 표면 상에 배치되는 것일 수도 있다.In one embodiment, the tendon wire for negative feedback includes tendon wires for providing negative feedback to the MCP joint and the PIP joint, respectively, and the tendon wire for providing negative feedback to the MCP joint and the PIP of the user's finger Tendon wires for providing repulsive feedback to the joint may be disposed on the surfaces of different integumentary layers.
일 실시예에서, 상기 손가락과 다른 손가락의 DIP 관절에 역감 피드백용 힘줄 와이어는 복수의 외피 층 중 어느 하나의 외피 층 표면 상에 배치되는 것일 수도 있다.In one embodiment, the tendon wire for negative feedback to the DIP joint of the finger and the other finger may be disposed on the surface of any one of the plurality of skin layers.
일 실시예에서, 상기 복수의 튜브는 적어도 한 쌍의 튜브를 포함할 수도 있다. 상기 한 쌍의 튜브는 DIP, MCP 또는 PIP 관절을 중심으로 이격 설치되고, 상기 한 쌍의 튜브 중 어느 하나로 인입되어 다른 하나를 통과한 힘줄 와이어의 일 단과 타 단은 서로 교차 배치된다. In one embodiment, the plurality of tubes may include at least one pair of tubes. The pair of tubes is installed to be spaced apart around the DIP, MCP or PIP joint, and one end and the other end of the tendon wire that is introduced into any one of the pair of tubes and passed through the other are intersected with each other.
일 실시예에서, 상기 힘줄-구동 햅틱 장치는 커버 부분의 일부에 접촉하는 접촉판; 상기 접촉판에 연결된 촉감 피드백(cutaneous feedback)용 힘줄 와이어; 및 상기 촉감 피드백용 힘줄 와이어의 장력을 제어하는 적어도 하나의 모터를 더 포함할 수도 있다.In one embodiment, the tendon-driven haptic device comprises: a contact plate contacting a portion of a cover portion; a tendon wire for cutaneous feedback connected to the contact plate; and at least one motor for controlling the tension of the tendon wire for tactile feedback.
일 실시예에서, 상기 촉감 피드백용 힘줄 와이어는 상기 복수의 와이어 디렉터 중 일부를 통해 상기 외피 층 상의 고정구로부터 상기 적어도 하나의 모터로 연결되는 것일 수도 있다.In one embodiment, the tendon wire for tactile feedback may be connected to the at least one motor from a fixture on the skin layer through some of the plurality of wire directors.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 햅틱 시스템은 상술한 실시예들에 따른 힘줄-구동 햅틱 장치; 손가락의 위치를 추적하는 위치 센서; 및 가상 객체의 표면과 손가락 간의 접촉에 따른 접촉력에 대응한 대상 햅틱 피드백(desired haptic feedback)을 렌더링하기 위한 제어 명령을 생성하여 상기 힘줄-구동 햅틱 장치에 입력하는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는, 상기 접촉력에 기초하여 역감 피드백을 렌더링하기 위한 제어 명령을 생성하고, 상기 접촉력에 기초하여 촉감 피드백을 렌더링하기 위한 제어 명령을 생성한다. A haptic system according to another aspect of the present invention includes: a tendon-driven haptic device according to the above-described embodiments; a position sensor that tracks the position of the finger; and a controller for generating a control command for rendering a desired haptic feedback corresponding to a contact force according to a contact between a surface of a virtual object and a finger, and inputting the control command to the tendon-driven haptic device. The controller generates a control command for rendering the insensitive feedback based on the contact force, and generates a control command for rendering the tactile feedback based on the contact force.
일 실시예에서, 상기 접촉력은 손가락과 접촉하는 가상 객체의 표면 강도(stiffness), 3차원 가상 공간에서 접촉 손가락의 가상 프록시(proxy)에서의 접촉 위치 및 접촉 손가락의 가상 객체에서의 접촉 위치에 기초하여 계산될 수도 있다.In one embodiment, the contact force is based on the surface stiffness of the virtual object in contact with the finger, the contact position in the virtual proxy of the contacting finger in the three-dimensional virtual space, and the contact position in the virtual object of the contacting finger can also be calculated.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 촉감 렌더링 명령을 생성하기 위해, 상기 접촉력에 기초하여 접촉 손가락에 대한 촉감력을 상기 접촉 손가락에서의 촉감 피드백으로서 계산하고, 상기 접촉 손가락에 대한 촉감력에 대응한 모터의 토크를 계산하여 촉감 피드백을 위한 제어 명령을 생성하며, 그리고 상기 촉감 피드백을 위한 제어 명령을 상기 접촉 손가락의 촉감 피드백을 위한 모터에 입력하도록 구성될 수도 있다. In an embodiment, the controller calculates a tactile force for a contact finger as tactile feedback at the contact finger based on the contact force to generate the tactile rendering command, and corresponds to the tactile force on the contact finger. and generating a control command for tactile feedback by calculating the torque of one motor, and inputting the control command for tactile feedback to the motor for tactile feedback of the contact finger.
일 실시예에서, 상기 역감 피드백을 위한 모터는 상기 접촉 손가락의 복수의 관절 각각에서의 역감 피드백을 렌더링할 관절별 모터들을 포함한다. 상기 제어기는, 상기 역감 렌더링 명령을 생성하기 위해, 상기 접촉력에 기초하여 각 관절에서의 서브 역감 피드백을 계산하고, 각 관절에서의 서브 역감 피드백에 대응한 모터의 토크를 각각 계산하여 각 관절에서의 서브 역감 피드백을 위한 제어 명령을 생성하며, 그리고 각 관절에서의 서브 역감 피드백을 위한 제어 명령을 해당 모터에 각각 입력하도록 구성될 수도 있다. 각 관절에서의 서브 역감 피드백의 총 합은 가상 객체의 형상에 매칭하도록 상기 접촉 손가락의 구조를 유지하는 힘에 대응한다. In an embodiment, the motor for the negative feedback includes joint-specific motors for rendering the negative feedback in each of a plurality of joints of the contact finger. The controller calculates a sub-reverse feedback in each joint based on the contact force to generate the inverse rendering command, and calculates a torque of a motor corresponding to the sub-inverse feedback in each joint, respectively, in each joint. It may be configured to generate a control command for sub-reverse feedback, and respectively input a control command for sub-reverse feedback in each joint to a corresponding motor. The total sum of sub-inverse feedback at each joint corresponds to the force holding the structure of the contact finger to match the shape of the virtual object.
일 실시예에서, 상기 제어기는, 상기 토크를 계산하기 위해, 상기 서브 역감 피드백의 힘에 대응하는, 상기 서브 역감 피드백을 위한 모터에 연결된 와이어의 장력을 계산하고, 상기 와이어의 장력에 기초하여 상기 모터의 토크를 계산할 수도 있다.In one embodiment, the controller is configured to calculate a tension of a wire connected to a motor for the sub inverse feedback, corresponding to the force of the sub inverse feedback, to calculate the torque, and based on the tension of the wire It is also possible to calculate the torque of the motor.
본 발명의 일 측면에 따른 햅틱 장치는 사용자가 가상 객체와 접촉하여도 실제로 접촉하는 것에 대응한, 사용자에게 촉각 측면에서 실감나는 촉감 피드백을 제공할 수 있다. The haptic device according to an aspect of the present invention may provide a tactile feedback that is realistic in terms of tactile sense to the user, corresponding to the actual contact even when the user makes contact with the virtual object.
또한, 상기 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는, 가상 객체와 접촉하는 동안 손가락의 구조가 가상 객체의 표면을 뚫고 들어가는 것을 방지하고 구조적 매칭을 유지하는 역감 피드백을 제공함으로써, 사용자의 시각적 감각과 손가락 구조를 구현하는 신경적 감각 간의 불일치를 최소화하여 가상 객체의 상호작용에 있어 이질감을 경험하지 않게 한다. In addition, the tendon-driven
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.
도 1은, 종래의 햅틱 장치의 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 장치의 개략도이다.
도 3은, 도 2의 햅틱 장치의 촬영 이미지이다.
도 4a 및 도 4b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 역감 피드백을 제공하기 위한 힘줄 와이어와 고정구를 도시한 도면이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 촉감 피드백을 제공하기 위한 힘줄 와이어와 고정구를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 액추에이터 모듈과 센서 모듈의 개략도이다.
도 7a 및 도 7b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 힘줄-구동 햅틱 장치(1)를 착용한 사용자의 손 동작에 따라 제공되는 햅틱 피드백의 개념도이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 힘줄-구동 햅틱 장치와 연동된 햅틱 시스템 아키텍처를 도시한 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 장치의 햅틱 피드백 렌더링 메커니즘의 개략도이다.
도 10은 햅틱 피드백이 렌더링되지 않는 상태의 손가락을 도시한다.
도 11은 도 10의 상태 하에서 동작하는 액추에이터 모듈과 센서 모듈의 평면도 및 측면도이다.
도 12는 햅틱 패드빅에 렌더링될 상태의 손가락을 도시한다.
도 13은 도 12의 상태 하에서 동작하는 액추에이터 모듈과 센서 모듈의 평면도 및 측면도이다.1 is a schematic diagram of a conventional haptic device.
2 is a schematic diagram of a haptic device, according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a photographed image of the haptic device of FIG. 2 .
4A and 4B are diagrams illustrating a tendon wire and a fixture for providing inverse feedback, according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a tendon wire and a fixture for providing tactile feedback, according to an embodiment of the present invention.
6A to 6C are schematic diagrams of an actuator module and a sensor module, according to an embodiment of the present invention.
7A and 7B are conceptual diagrams of haptic feedback provided according to a hand motion of a user wearing the tendon-driven
8 is a diagram illustrating a haptic system architecture associated with a tendon-driven haptic device, according to an embodiment of the present invention.
9 is a schematic diagram of a haptic feedback rendering mechanism of a haptic device, according to an embodiment of the present invention.
Fig. 10 shows the finger in a state where haptic feedback is not rendered.
11 is a plan view and a side view of an actuator module and a sensor module operating under the state of FIG. 10 .
12 shows a finger in a state to be rendered on the haptic padbig.
13 is a plan view and a side view of an actuator module and a sensor module operating under the state of FIG. 12 .
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 촉감 자극 생성 장치 및 시스템을 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.Hereinafter, an apparatus and system for generating a tactile stimulus according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which will be described as one embodiment, the technical idea of the present invention and its core configuration and operation are not limited thereby.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 장치의 개략도이고, 도 3은 도 2의 햅틱 장치의 촬영 이미지이다. 2 is a schematic diagram of a haptic device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a photographed image of the haptic device of FIG. 2 .
도 2 및 도 3을 참조하면, 햅틱 시스템은 힘줄-구동 햅틱 장치(1) 및 이를 제어하는 제어기(controller)(미도시)를 포함한다. 상기 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 사용자의 손에 장착되는 외피 인터페이스; 액추에이터 모듈(300)을 포함한다. 특정 실시예들에서, 상기 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 센서 모듈(500)을 더 포함할 수도 있다. 2 and 3 , the haptic system includes a tendon-driven
실시예들에 따른 햅틱 시스템은 전적으로 하드웨어이거나, 전적으로 소프트웨어이거나, 또는 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 예컨대, 장치 또는 시스템은 데이터 처리 능력이 구비된 하드웨어 및 이를 구동시키기 위한 운용 소프트웨어를 통칭할 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", “모듈(module)”, “장치”, 또는 "시스템" 등의 용어는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 하드웨어는 CPU(Central Processing Unit), GPU(Graphic Processing Unit) 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있다. 또한, 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program) 등을 지칭할 수 있다.A haptic system according to embodiments may be entirely hardware, entirely software, or may have an aspect that is partly hardware and partly software. For example, the device or system may collectively refer to hardware equipped with data processing capability and operating software for driving the same. As used herein, terms such as “unit,” “module,” “device,” or “system” are intended to refer to a combination of hardware and software run by the hardware. For example, the hardware may be a data processing device including a central processing unit (CPU), a graphic processing unit (GPU), or another processor. In addition, software may refer to a running process, an object, an executable file, a thread of execution, a program, and the like.
힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 착용한 사용자의 손가락에서 햅틱 피드백을 렌더링하여 상기 사용자에게 햅틱 피드백을 제공한다. 제공되는 햅틱 피드백의 유형은 촉감 피드백(cutaneous feedback)과 역감 피드백(kinesthetic feedback)을 포함한다. The tendon-driven
사람이 손으로 실제 객체와 접촉하는 경우 (예컨대, 실제 객체를 감싸는 경우) 사람의 손가락 또는 손바닥에는 실제 객체의 표면과 신체 부분 간의 접촉력(contact force)이 가해진다. When a person makes contact with a real object with his or her hand (eg, wraps around the real object), a contact force between the surface of the real object and a body part is applied to the finger or palm of the person.
이 접촉력에 의해 실제 객체의 형상에 사람의 손이 구조적으로 매칭하도록 유지된다. This contact force keeps the human hand structurally matching the shape of the real object.
한편, 위의 상황에서 사람은 객체와 접촉하는 신체 부분의 피부를 자극하는 촉감 측면의 힘(이하, 촉감력(cutaneous force))을 동시에 경험한다. Meanwhile, in the above situation, a person simultaneously experiences a tactile force (hereinafter, cutaneous force) that stimulates the skin of a body part in contact with the object.
상기 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 가상의 객체와 힘줄-구동 햅틱 장치(1)를 장착한 사람의 손가락이 접촉할 경우, 가상의 객체를 실제로 접촉하는 것과 동일한 촉감 피드백을 제공한다. 또한, 상기 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 실제로 형상이 없는 가상의 객체를 실제로 접촉하는 것과 동일한 구조적 매칭을 유지하기 위한 역감 피드백을 제공한다. The tendon-driven
외피 인터페이스는 복수의 외피층(100, 200), 복수의 힘줄 와이어(tendon wire)(111, 114, 211) 및 복수의 고정구(121, 124, 221, 123, 126, 223)를 포함한다. The sheath interface includes a plurality of sheath layers 100 , 200 , a plurality of
외피 인터페이스는 내층 외피(100)와 외층 외피(200)를 포함한, 이중층(bi-layer) 구조를 가질 수도 있다. The shell interface may have a bi-layer structure, including an
외피층(100 또는 200)은 적어도 하나의 손가락을 커버하는 외피 형태를 가진다. 커버된 손가락은 랜더링 대상 손가락으로서, 커버된 손가락에 햅틱 피드백이 제공된다. The
외피층(100 또는 200)에서 역감 피드백이 제공될 손가락은 적어도 하나의 관절이 외피층(100 또는 200)에 의해 커버될 수도 있다. 여기서, 외피층(100 또는 200)에 의한 커버는 손가락의 단면 둘레를 따라 일부 또는 전부 커버하는 것을 의미한다. At least one joint may be covered by the
적어도 하나의 관절이 커버되면, 해당 관절에서 역감 피드백이 렌더링되어, 커버된 손가락에 대해 햅틱 피드백이 제공된다. 역감 피드백이 렌더링되는 관절은 DIP, MCP 및 PIP 중 적어도 하나를 포함한다. 여기서 엄지의 DIP 관절은 IP-관절(interphalangeal joint)을 의미한다. When at least one joint is covered, a negative feedback is rendered at that joint, providing haptic feedback for the covered finger. The joint for which the inverse feedback is rendered includes at least one of DIP, MCP, and PIP. Here, the DIP joint of the thumb means an IP-joint (interphalangeal joint).
일 실시예에서, 상기 관절은 손가락별로 상이할 수도 있다. 예를 들어, 검지에서 역감 피드백이 렌더링되는 관절은 PIP 및/또는 MCP를 포함할 수도 있다. 엄지에서 역감 피드백이 렌더링되는 과절은 DIP를 포함할 수도 있다.In an embodiment, the joint may be different for each finger. For example, the joint for which the negative feedback is rendered in the index finger may include the PIP and/or the MCP. Articulations in which negative feedback is rendered at the thumb may include DIPs.
외피층(100 또는 200)에서 촉감 피드백이 제공될 손가락은 객체와 접촉하는 부분이 커버될 수도 있다. In the
특정 실시예들에서, 촉감 피드백이 렌더링되는 손가락의 부분은 실제 객체와 접촉되는 부분으로서, 예를 들어 지문 부분과 같이 손가락끝의 내측 부분일 수도 있다. 가상 객체와의 접촉도 이 부분에서 발생할 것이므로, 손가락끝의 내측 부분에서 촉감 피드백이 렌더링되면 사용자는 평소에 실제 객체와 접촉할 때 느끼는 감각을 가상 객체와 상호작용하면서 경험한다.In certain embodiments, the part of the finger to which the tactile feedback is rendered is the part that comes into contact with the real object, and may be, for example, the inner part of the fingertip, such as a fingerprint part. Since the contact with the virtual object will also occur in this part, when the tactile feedback is rendered in the inner part of the fingertip, the user experiences the sensation that is usually felt when in contact with the real object while interacting with the virtual object.
각 층(100 또는 200)이 커버하는 손가락은 층별로 동일하거나, 또는 적어도 부분적으로 상이할 수도 있다. The fingers covered by each
복수의 힘줄 와이어는 손가락의 관절을 움직이거나, 또는 접촉판(400)을 움직이도록 연결된다. The plurality of tendon wires are connected to move the joint of the finger or to move the
힘줄 와이어는 내구성과 유연성을 갖는 물질로 이루어진다. 예를 들어, 힘줄 와이어는 폴리 에틸렌으로 이루어질 수도 있으나, 이에 제한되진 않는다. Tendon wires are made of materials that are durable and flexible. For example, the tendon wire may be made of polyethylene, but is not limited thereto.
복수의 고정구(121, 124, 221, 123, 126, 223)는 복수의 힘줄 와이어(111, 114, 211)를 외피층(100 또는 200) 상에 고정한다. The plurality of
복수의 고정구 중 일부(121, 124, 221)는 힘줄 와이어가 관통하는 튜브 형태를 가진다. 복수의 고정구 중 다른 일부(123, 126, 223)는 튜브(121, 124, 221)를 관통하여 다른 배치 경로를 갖는 다수의 힘줄 와이어를 동일한 위치에 고정 배치시키는 와이어 어셈블러(wire assembler) 형태를 가진다. Some of the plurality of fixtures (121, 124, 221) have a tube shape through which the tendon wire passes.
복수의 고정구(121, 124, 221, 123, 126, 223)와 복수의 힘줄 와이어(111, 114, 211)의 배치 구조는 햅틱 피드백이 제공될 손가락의 지정에 의존한다. The arrangement structure of the plurality of
이하, 역감 피드백과 촉감 피드백이 제공되는 손가락은 엄지, 검지로 설정된 실시예들을 예시로 힘줄 와이어와 고정구의 배치 구조를 보다 상세하게 서술한다. Hereinafter, the arrangement structure of the tendon wire and the fixture will be described in more detail by exemplifying embodiments in which the thumb and index finger are provided for the fingers to which the sensuous feedback and the tactile feedback are provided.
도 4a 및 도 4b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 역감 피드백을 제공하기 위한 와이어와 고정구를 도시한 도면이다. 4A and 4B are diagrams illustrating a wire and a fixture for providing negative feedback, according to an embodiment of the present invention.
도 4a는 내층 외피(100)를 도시한 도면이고, 도 4b는 외층 외피(200)를 도시한 도면이다. FIG. 4A is a view showing the
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 특정 손가락(즉, 동일한 렌더링 대상 손가락)에 특정 햅틱 피드백을 제공하기 위한 복수의 힘줄 와이어(111, 211)와 고정구(121, 221, 123, 223)는 서로 다른 외피층(100 또는 200)에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 검지에 역감 피드백을 제공하기 위한 복수의 힘줄 와이어(111, 211)와 고정구(121, 221, 123, 223) 중에서, 힘줄 와이어(111)와 고정구(121, 123)는 내층 외피(100) 상에 배치되고, 힘줄 와이어(211)와 고정구(221, 223)는 외층 외피(100) 상에 배치된다. 4A and 4B , the plurality of
이와 같이 특정 손가락에 특정 햅틱 피드백하기 위한 힘줄 와이어와 고정구를 다수의 층 상에 분산함으로써, 개별 층의 구조를 보다 단순화하여 제작 및 구동의 편의성이 증가한다.As such, by dispersing the tendon wire and the fixture for providing a specific haptic feedback to a specific finger on a plurality of layers, the structure of each layer is further simplified, thereby increasing the convenience of manufacturing and driving.
일 실시예에서, 특정 손가락에 역감 피드백을 제공하기 위해서, 해당 손가락에 배치되는 힘줄 와이어와 고정구는 상기 특정 손가락을 이루는 관절 중 적어도 하나에서 역감 피드백을 렌더링하도록 배치될 수도 있다. 예를 들어, 검지에 역감 피드백을 제공하기 위해서, 힘줄 와이어(111, 211)와 고정구(121, 221, 123, 223)는 검지의 MCP 관절과 PIP 관절에서 역감 피드백이 렌더링되도록 배치된다. In an embodiment, in order to provide a negative feedback to a specific finger, a tendon wire and a fixture disposed on the corresponding finger may be arranged to render the negative feedback in at least one of joints constituting the specific finger. For example, in order to provide negative feedback to the index finger, the
일 실시예에서, 특정 관절에서 역감 피드백을 렌더링하기 위한 복수의 고정구는 적어도 한 쌍의 튜브를 포함한다. 예를 들어, DIP 관절, MCP 관절, PIP 관절에서 역감 피드백을 렌더링하기 위한 복수의 고정구는 도 4a 또는 도 4b에 도시된 바와 같이, 두 쌍의 튜브(111)를 포함한다. 튜브 쌍들(121, 221)은 각각 해당 관절을 중심으로 이격 설치된다. 이격 설치된 튜브 쌍들(1231, 221)에 의해 고정된 상기 한 쌍의 튜브 중 어느 하나로 인입되어 다른 하나를 통과한 힘줄 와이어의 일 단과 타 단은 서로 교차 배치된다. 도 4a에서 힘줄 와이어(111)는 MCP 관절 상단의 튜브 쌍(121) 중 어느 하나로 인입되어 다른 하나를 통과한다. 이 힘줄 와이어(111)의 일 단과 타 단은 서로 교차 배치되어, MCP 관절 하단의 튜브 쌍(121)에 각각 인입된다. In one embodiment, the plurality of fixtures for rendering insensitive feedback at a particular joint comprises at least a pair of tubes. For example, a plurality of fixtures for rendering inverse feedback in a DIP joint, an MCP joint, and a PIP joint include two pairs of
이와 같이 힘줄 와이어(111, 211)를 교차 배치함으로써, 최소한의 힘줄 와이어(111, 211)를 사용해 렌더링 대상 손가락에 역감 피드백을 제공한다. By intersecting the
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 촉감 피드백을 제공하기 위한 와이어와 고정구를 도시한 도면이다. 5 is a diagram illustrating a wire and a fixture for providing tactile feedback, according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 촉감 피드백을 위한 힘줄 와이어(114)는 고정구(124, 126)에 의해 고정된다. 힘줄 와이어(114)는 접촉판(400)과 연결된다. 접촉판(400)이 손가락의 피부 방향으로 이동하면 손가락에 압력이 가해진다. 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 힘줄 와이어114에 장력을 가하여 접촉판(400)을 통해 손가락의 표면에 접촉력을 가함으로써 접촉판 부분에서 사용자에게 국부적인 촉감 피드백을 제공한다. 힘줄-구동 햅틱 장치(1)가 촉감 피드백을 렌더링하는 것은 접촉판(400)에 의해 접촉력이 가해지는 것에 대응한다.Referring to FIG. 5 , the
일 실시예에서, 촉감 피드백을 위한 힘줄 와이어, 고정구(114, 124, 126)는 특정 외피층(예컨대, 100)에 배치될 수도 있다. In one embodiment, tendon wires for tactile feedback,
대안적인 실시예들에서, 상기 외피 인터페이스는 둘 이상의 외피층을 가질 수도 있다. 이 경우, 전술한 촉감 피드백과 역감 피드백을 렌더링하기 위해 둘 이상의 외피층 각각에 복수의 힘줄 와이어(111, 211, 114)와 고정구(121, 221, 123, 223, 124, 126)가 둘 이상의 외피층에 적절하게 배치될 수도 있다. In alternative embodiments, the skin interface may have two or more skin layers. In this case, a plurality of
액추에이터 모듈(300)은 촉감 피드백과 역감 피드백과 같은 햅틱 피드백을 제공한다. 액추에이터 모듈(300)은 제어기(미도시)로부터 제어 명령을 수신하여 동작한다. The
센서 모듈(500)은 사용자의 손가락 구조의 변화를 감지하여 제어기로 감지 결과를 전송한다. 제어기는 감지 결과에 기초하여 제어 명령을 생성한다. The
도 6a 내지 도 6c는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 액추에이터 모듈과 센서 모듈의 개략도이다. 6A to 6C are schematic diagrams of an actuator module and a sensor module, according to an embodiment of the present invention.
도 6a는 액추에이터 모듈(300)과 센서 모듈(500)의 장착 구조의 개략도이고, 도 6b는 모터와 손가락 관절에 와이어를 통해 연결된 센서 모듈의 개략도이다. 도 6c는 도 6b의 센서 모듈의 촬영 이미지이다. 6A is a schematic diagram of a mounting structure of an
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 액추에이터 모듈(300)은 햅틱 피드백을 제공하는 구성요소이다. 6A and 6B , the
액추에이터 모듈(300)은 복수의 모터(310)를 포함하며, 복수의 모터(310)는 복수의 힘줄 와이어와 직접 또는 간접적으로 각각 연결된다. The
복수의 모터(310) 각각은 햅틱 피드백 종류 및/또는 렌더링 위치에 의존한다. 동일한 손가락에 대해서 촉감 피드백과 역감 피드백이 제공되는 경우, 촉감 피드백용 모터(310)와 역감 피드백용 모터(310)가 액추에이터 모듈(300)에 포함될 수도 있다. Each of the plurality of
또한, 동일한 손가락에 대해서 역감 피드백이 다수의 관절에서 렌더링될 경우, 각 관절별 모터(310)가 액추에이터 모듈(300)에 포함될 수도 있다. Also, when the feedback feedback for the same finger is rendered in a plurality of joints, a
서로 다른 모터가 동일한 손가락에 역감 피드백을 제공할 경우, 서로 다른 모터는 상기 동일한 손가락의 서로 다른 관절에서 서브 역감 피드백을 렌더링하도록 구동한다. When different motors provide negative feedback to the same finger, different motors are driven to render sub-reverse feedback in different joints of the same finger.
예를 들어, 도 5와 같이 엄지와 검지에서 촉감 피드백을 렌더링하는 힘줄 와이어(124), 그리고 엄지의 DIP 관절 및 검지의 MCP 관절과 PIP 관절에서 역감 피드백을 렌더링하는 힘줄 와이어(111, 211)가 배치되면, 액추에이터 모듈(300)은 엄지의 촉감 피드백을 위한 모터(TC), 검지의 촉감 피드백을 위한 모터(IC), 검지의 PIP 관절을 위한 모터(IP), 검지의 MCP 관절을 위한 모터(IM), 및 엄지의 DIP 관절을 위한 모터(DP)를 포함할 수도 있다. For example, as shown in FIG. 5 , the
일 실시예에서, 상기 복수의 모터(310)는 구동 와이어와 연결된 모터(310)를 포함할 수도 있다. In an embodiment, the plurality of
힘줄-구동 햅틱 모듈1은 복수의 구동 와이어를 포함한다. 복수의 구동 와이어 중 일부(311)는 내층 외피의 힘줄 와이어(111)에 대응하고, 다른 일부(321)는 외층 외피의 힘줄 와이어211에 대응한다. The tendon-driven
구동 와이어와 연결한 모터(310)는 구동 와이어에 장력을 가하여 역감 피드백을 제공한다The
센서 모듈(500)은 외피 층(100 또는 200)에 부착된 와이어가 배치되어 있는 손가락의 구조 변화를 감지한다. 사용자가 손가락을 움직일 경우, 해당 손가락을 커버한 외피 층(100 또는 200)에 부착된 와이어에 장력이 가해지고, 장력이 가해진 와이어에 의해 손가락 구조의 변화 여부가 감지된다. 이러한 센서 모듈(500)은 액추에이터 모듈(300)이 움직임이 감지된 사용자의 손가락 움직임에 따른 역감 피드백을 제공하게 한다. The
도 6a를 참조하면, 센서 모듈(500)은 모듈 프레임(501); 복수의 와이어 디렉터(510); 가이드 바(520); 적어도 하나의 포텐셔미터(potentiometer)(521 및/또는 522), 스프링(530), 및 와이어 그리퍼 쌍(521, 522)을 포함한다. Referring to FIG. 6A , the
모듈 프레임(501)은 센서 모듈(500)의 구성요소(510, 520, 521, 522)를 지지하는 구성요소이다. 복수의 와이어 디렉터(510)는 도 6a에 도시된 바와 같이 모듈 프레임(501)의 적어도 하나의 측면에 설치될 수도 있다. 가이드 바(520)는 도 6a에 도시된 바와 같이 모듈 프레임(501)의 일 측면과 타 측 사이에 수평 방향으로 연장되도록 설치될 수도 있다. 적어도 하나의 포텐셔미터(541 및/또는 542)는 모듈 프레임(501)의 상단과 하단에 설치될 수도 있다. The
와이어 디렉터(510)는 마찰 손실을 최소화하면서 힘줄 와이어의 방향을 변경하는 구성요소이다. 와이어 디렉터(510)는 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 상부에 도르래를 포함할 수도 있다. 힘줄 와이어는 도르래에 접촉하도록 배치된다. The
복수의 와이어 디렉터(510)는 모터(310)에 연결된 와이어(즉, 구동 와이어)의 방향을 변경하거나, 외피 인터페이스에 배치된 와이어(즉, 힘줄 와이어)의 방향을 변경하도록 설치된다. The plurality of
와이어 그리퍼(521, 522)는 가이드 바(520)를 따라 슬라이드 이동하도록 결합된다. 와이어 그리퍼 쌍 중 어느 하나(도 6a의 542)는 모터(310)에 연결된 구동 와이어321를 고정하고 나머지 하나(도 6a의 도 522)는 손가락 관절에 연결된 힘줄 와이어211를 고정한다. The
와이어 그리퍼(521, 522) 중 어느 하나(예컨대, 521)는 모듈 프레임(501)의 상단에 결합되고 다른 하나(예컨대, 522)는 모듈 프레임(501)의 하단에 결합된다. 그러면, 와이어 그리퍼521에 연결된 와이어와 접촉한 와이어 디렉터(510)의 도르래 높이와 와이어 그리퍼522에 연결된 와이어와 접촉한 와이어 디렉터(510)의 도르래 높이는 서로 상이할 수도 있다. Any one of the
도 6a 내지 6c에 도시된 바와 같이, 와이어 디렉터(510)의 개수, 및 와이어 그리퍼 쌍(521, 522)의 개수는 렌더링 위치(예컨대, 손가락 관절), 햅틱 피드백 종류(즉, 역감 피드백 또는 촉감 피드백)에 의존한다. 6A-6C, the number of
일 실시예에서, 복수의 와이어 디렉터(510) 중 일부는 촉감 피드백용 힘줄 와이어(114)를 접촉판(400)으로부터 모터(310)로 연결하는데 사용된다. 복수의 와이어 디렉터(510) 중 다른 일부는 역감 피드백용 힘줄 와이어(111, 211)가 아래에서 서술할 와이어 그리퍼(521)에 연결하는데 사용된다. 복수의 와이어 디렉터(510) 중 또 다른 일부는 와이어 그리퍼(522)에 연결된 구동 와이어를 모터(310)에 연결하는데 사용된다. In one embodiment, some of the plurality of
전술한 바와 같이, 액추에이터 모듈(300)이 모터(TC, IC, IP, IM, TD)를 포함할 경우, 촉감 피드백용 힘줄 와이어(114)는 복수의 와이어 디렉터(510) 중 일부를 통해 모터(TC, IC)로 연결되고, 역감 피드백용 힘줄 와이어(예컨대, 211)는 복수의 와이어 디렉터(510) 중 다른 일부를 통해 와이어 그리퍼522에 연결되고, 구동 와이어(예컨대, 321)는 복수의 와이어 디렉터(510) 중 또 다른 일부를 통해 모터(310)에 연결된다. As described above, when the
스프링(530)은 와이어 그리퍼(521, 522) 사이에 배치된다. 스프링(530)의 코일은 가이드 바(520)를 따라 권선된다. A
포텐셔미터(541, 542)는 사용자의 손가락 동작에 따라 이동하는 구성요소의 움직임을 감지한다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 포텐셔미터가 상기 와이어 그리퍼 쌍 중 적어도 하나의 이동을 감지할 수도 있다. The
상기 포텐셔미터(541, 542)는 모듈 프레임(501)의 서로 다른 측단면에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 포텐셔미터(541)는 상단면에 배치되고 포텐셔미터(542)는 하단면에 배치된다. The
일 실시예에서, 센서 모듈500은 일 측단면에 배치된 복수의 포텐셔미터를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 센서 모듈(500)의 상단면에 복수의 포텐셔미터(541A, 541B, 541C)가 배치될 수도 있다. 또한, 센서 모듈(500)의 하단면에 복수의 포텐셔미터(542A, 542B, 542C)가 배치될 수도 있다. In an embodiment, the
상기 일 측단면에 배치된 복수의 포텐셔미터는 틈을 갖도록 배치된다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 복수의 포텐셔미터(541A, 541B, 541C)는 평행하게 이격 배치되어 틈을 형성한다. A plurality of potentiometers disposed on the one end face are disposed to have a gap. For example, as shown in FIG. 6 , a plurality of
와이어 그리퍼 중 적어도 하나(예컨대, 521)는 복수의 포텐셔미터(541) 사이의 틈을 따라 이동 가능하도록 결합된다. 포텐셔미터(541)는 주변에 결합된 와이어 그리퍼521의 움직임을 감지한다. At least one of the wire grippers (eg, 521 ) is coupled to be movable along a gap between the plurality of potentiometers ( 541 ). The
상기 와이어 그리퍼 쌍 중 하나는 모듈 프레임의 상단에 배치된 두 개의 포텐셔미터 사이의 틈(gap)을 따라 이동 가능하도록 결합하고, 상기 와이어 그리퍼 중 다른 하나는 모듈 프레임의 하단에 배치된 다른 두 개의 포텐셔미터 사이의 틈을 따라 이동 가능하도록 결합한다. One of the pair of wire grippers is movably coupled along a gap between two potentiometers disposed at the top of the module frame, and the other of the wire grippers is coupled between the other two potentiometers disposed at the bottom of the module frame. Combined so that it can move along the gap of
일 실시예에서, 센서 모듈(500)은 와이어 그리퍼(541 또는 542)의 움직임을 시각적으로 표시하는 마커(550)를 더 포함할 수도 있다. In one embodiment, the
힘줄-구동 햅틱 장치(1)에서 손가락이 구부러지면 힘줄 와이어211에 장력이 가해져 와이어 그리퍼522가 이동한다. 모터(310)가 구동 와이어321를 감으면 와이어 그리퍼521가 이동한다. 모터(310)와 손가락 움직임에 의해 와이어 그리퍼(521, 522)는 서로 반대 방향으로 이동한다. In the tendon-driven
포텐셔미터(541)는 와이어 그리퍼521의 움직임에 의해 구동 와이어321의 장력을 감지하고 포텐셔미터(542)는 와이어 그리퍼522의 움직임에 의해 힘줄 와이어211의 장력을 감지한다. 포텐셔미터(541, 542)는 스프링230의 탄성 계수를 감지한다. The
일 실시예에서, 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 촉각 센서(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 손가락 끝 부분에 접촉하는 접촉판(400)에는 촉각 센서(미도시)가 부착될 수도 있다. 상기 촉각 센서는 예를 들어 힘 감지 저항기(force-sensing resistor)일 수도 있다. 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 촉각 센서에 의해 촉감 피드백을 위한 모터(310)를 제어한다. In an embodiment, the tendon-driven
상기 힘줄-구동 햅틱 장치(1)와 연동된 햅틱 시스템에서 손가락이 구부러져 와이어 그리퍼522가 이동하면, 포텐셔미터(542)는 와이어 그리퍼522의 이동을 감지한다. 포텐셔미터(542)의 감지 결과는 제어기로 전송된다. 제어기는 손가락 굽힘에 따른 역감 피드백 또는 촉감 피드백을 렌더링하기 위한 렌더링 명령을 생성하고 액추에이터 모듈(300)에 입력한다.When the
이러한 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 이를 착용한 사용자가 가상 객체를 감싸는 동작과 같이, 가상 객체와 상호작용하는 손 동작을 취할 경우 상기 가상 객체를 실제로 감싸는 것과 최대한 유사한 경험을 얻을 수 있도록 햅틱 피드백을 제공한다. Such a tendon-driven
도 7a 및 도 7b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 힘줄-구동 햅틱 장치(1)를 착용한 사용자의 손 동작에 따라 제공되는 햅틱 피드백의 개념도이다. 7A and 7B are conceptual diagrams of haptic feedback provided according to a hand motion of a user wearing the tendon-driven
도 7a 및 도 7b와 같이, 힘줄-구동 햅틱 장치(1)를 착용한 사용자가 원형의 가상 객체를 두 손가락을 사용해 잡는 동작을 하는 상황을 가정해보자. 이 상황에서 사용자는 우선 가상 객체를 잡기 위해 검지를 구부리거나 또는 검지와 엄지를 구부리는 손동작을 취한다. As shown in FIGS. 7A and 7B , it is assumed that a user wearing the tendon-driven
가상 객체의 형상이 검지와 엄지 사이에 없기 때문에, 역감 피드백이 제공되지 않는 다면 사용자는 계속 손가락을 구부릴 수도 있다. 특히, 사용자의 손가락이 가상 객체의 형상의 표면을 뚫고 들어가게 된다. Since the shape of the virtual object is not between the index finger and the thumb, the user may continue to bend the finger if no negative feedback is provided. In particular, the user's finger penetrates the surface of the shape of the virtual object.
반면, 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 접촉 손가락의 구조가 상기 가상 객체의 형상에 매칭하기 위한 역감 피드백을 제공하여, 손가락이 가상 객체의 형상의 표면을 뚫고 들어가는 것을 방지한다. On the other hand, the tendon-driven
또한, 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 손가락이 가상 객체의 표면과 접촉하는 것에 대응한 촉감 피드백을 제공한다. In addition, the tendon-driven
이러한 촉감 피드백과 역감 피드백은 가상 객체와 렌더링 대상 손가락 간의 접촉에 따른 접촉력에 기초하여 계산된다. The tactile feedback and negative feedback are calculated based on the contact force according to the contact between the virtual object and the rendering target finger.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 힘줄-구동 햅틱 장치와 연동된 햅틱 시스템 아키텍처를 도시한 도면이고, 도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 햅틱 장치의 햅틱 피드백 렌더링 메커니즘의 개략도이다. 8 is a diagram illustrating a haptic system architecture associated with a tendon-driven haptic device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a haptic feedback rendering mechanism of the haptic device, according to an embodiment of the present invention. is a schematic diagram of
상기 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는 햅틱 시스템과 연동되어 가상 현실을 위한 인터페이스 장치로 사용된다. 가상 현실 시스템에서 광학 센서 또는 자기 위치 센서 등과 같은 위치 센서를 통해 힘줄-구동 햅틱 장치(1)의 손가락 끝 위치를 추적하고, 추적 결과에 기초하여 힘줄-구동 햅틱 장치(1)로 햅틱 피드백을 제공할 수도 있다. The tendon-driven
손가락 끝 아바타와 가상 객체의 표면 사이에 접촉을 가정해보자. 그러면, 가상 객체와 렌더링 대상 손가락의 끝 부분이 실제로 접촉하는 것과 동일한 햅틱 피드백이 사용자에게 제공되어야 한다. Assume the contact between the fingertip avatar and the surface of the virtual object. Then, the same haptic feedback as the actual contact between the virtual object and the rendering target finger should be provided to the user.
이 가정 하에서는 손가락 끝에 적용되는 대상 힘(desired force)은 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 손가락 끝이 가상 객체의 형상에 매칭하도록 유지하는 힘(Fk)에 대응한 역감 피드백과 촉감력에 대응한 촉감 피드백으로 분해된다. Under this assumption, as shown in FIG. 8, the desired force applied to the fingertip is a negative feedback corresponding to the force Fk maintaining the fingertip to match the shape of the virtual object and the tactile force corresponding to the tactile force. decomposed into tactile feedback.
촉감 피드백 또는 역감 피드백은 개별 모터(310)에 연결된, 스프링을 포함한 센서 모듈(500)을 통해 렌더링되므로, 개별 모터(310)에 의한 햅틱 피드백의 렌더링 과정은 도 9와 같이 스프링 모델로 모델링할 수도 있다. 예를 들어, 스프링 모델은 아래의 수학식 1로 모델링된다.Since the tactile feedback or inverse feedback is rendered through the
도 9에서는 Fn으로 지칭되는, Fcontact는 가상 객체의 표면과 손가락 끝 부분의 접촉에 따라서 손가락 끝에 적용되는 대상 힘이다. K는 가상 객체의 표면 강도(stiffness)를 나타낸다. xp는 3차원 가상 공간에서 접촉 손가락의 가상 프록시에서의 접촉 위치로서 도 9에 도시된 바와 같이 가상 객체의 형상 표면에서의 접촉 위치를 의미한다. xf는 3차원 가상 공간에서 접촉 손가락의 가상 객체에서의 접촉 위치 벡터로서, 도 9에 도시된 바와 같이 3차원 가상 공간에서 추적된 손가락 끝이 가상 객체의 형상 좌표 범위 내에 속하는 지점에 대응한다. F contact , referred to as F n in FIG. 9 , is a target force applied to the fingertip according to the contact between the surface of the virtual object and the fingertip. K represents the surface stiffness of the virtual object. x p is a contact position in a virtual proxy of a contact finger in a three-dimensional virtual space, and means a contact position on the shape surface of a virtual object as shown in FIG. 9 . x f is a contact position vector of a contact finger in a virtual object in a three-dimensional virtual space, and corresponds to a point where the finger tip tracked in the three-dimensional virtual space falls within the shape coordinate range of the virtual object as shown in FIG. 9 .
제어기는 가상 프록시 xp의 위치를 손가락 끝의 위치로부터 가상 객체의 표면까지의 최소 거리 지점으로 지정할 수도 있다. 힘줄-구동 햅틱 장치(1)의 사용자는 표면 강도K를 제어하여 다양한 가상 객체의 표면 속성을 변경할 수도 있다. The controller may specify the position of the virtual proxy x p as the point of the minimum distance from the position of the fingertip to the surface of the virtual object. The user of the tendon-driven
가상 객체와의 접촉력(Fn)이 획득되면, 상기 접촉력(Fn)에 기초하여 촉감 피드백과 역감 피드백을 위한 힘이 각각 계산된다. When a contact force F n with the virtual object is obtained, a force for tactile feedback and negative feedback is respectively calculated based on the contact force F n .
일 실시예에서, 촉감 피드백을 위한 힘(즉, 촉각력)은 상기 접촉력Fn의 일부로서 계산될 수도 있다. In an embodiment, the force for tactile feedback (ie, tactile force) may be calculated as a part of the contact force Fn.
예를 들어, 상기 촉각력(Fc)은 다음의 수학식에 의해 계산될 수도 있다. For example, the tactile force F c may be calculated by the following equation.
여기서, αc는 촉감 경도(hardness)의 비율이며, 이는 가상 표면의 감지된 경도를 결정하는데 요구되는 부분 계수이다.where α c is the ratio of tactile hardness, which is the partial coefficient required to determine the perceived hardness of the virtual surface.
일 실시예에서, 촉감력(Fc)은 다음의 수학식으로 계산되어, 촉감 피드백으로 렌더링될 수도 있다. In an embodiment, the tactile force Fc may be calculated by the following equation and rendered as tactile feedback.
여기서, Kc는 촉감 피드백으로 감지된 피부 경도를 정의한 프로그래밍 가능한 변수이다. Kc는 촉각 센서에 의한 감지 결과에 기초하여 설정될 수도 있다. Here, Kc is a programmable variable defining the skin hardness sensed by tactile feedback. Kc may be set based on the detection result by the tactile sensor.
일 실시예에서, 제어기는 촉각 센서(예컨대, FSR)을 사용하여 촉감 피드백으로 렌더링될 촉각력을 조절할 수도 있다. In one embodiment, the controller may use a tactile sensor (eg, FSR) to adjust the tactile force to be rendered as tactile feedback.
예를 들어, 대상 촉각력과 촉각 센서에 의해 측정되는 촉감 피드백이 다른 경우, 제어기는 수정된 제어 명령을 다시 입력할 수도 있다. For example, when the target tactile force and the tactile feedback measured by the tactile sensor are different, the controller may re-enter the modified control command.
한편, 특정 손가락에 제공될 역감 피드백 전체는 상기 특정 손가락의 관절에서 렌더링되는 부분적인 역감 피드백의 조합이다. 특정 손가락에 제공될 역감 피드백 전체에 대응하는 힘은 각 관절별로 분배되어 렌더링된다. 즉, 특정 손가락의 구조를 가상 객체의 형상에 매칭하도록 특정 손가락의 구조를 유지하는 힘은 상기 특정 손가락의 관절에서 각각 렌더링되는 서브 역감 피드백의 총 합에 대응한다. Meanwhile, the entire negative feedback to be provided to a specific finger is a combination of partial negative feedback rendered at the joint of the specific finger. The force corresponding to the entire force feedback to be provided to a specific finger is distributed and rendered for each joint. That is, the force for maintaining the structure of the specific finger so as to match the structure of the specific finger to the shape of the virtual object corresponds to the total sum of sub-inverse feedbacks respectively rendered in the joints of the specific finger.
일 실시예에서, 제어기는 각 관절별 서브 역감 피드백을 계산할 수도 있다. 그러면, 제어기는 서브 역감 피드백에 대한 렌더링 명령을 포함한 렌더링 명령을 생성할 수도 있다. In an embodiment, the controller may calculate a sub-inverse feedback for each joint. Then, the controller may generate a rendering command including a rendering command for the sub-insensitive feedback.
일 예에서, 관절별 서브 역감 피드백은 특정 유형의 자극의 인식에 대해서 각각의 감각 기관(예컨대, 각각의 관절별)에서의 인식의 부분적인 기여도를 모델링함으로써 계산될 수도 있다. 여기서, 각 관절에서의 인식의 부분적인 기여도는 다음의 수학식 형태로 모델링될 수도 있다. In one example, per-joint sub-inverse feedback may be calculated by modeling the partial contribution of perception in each sensory organ (eg, per each joint) to the recognition of a particular type of stimulus. Here, the partial contribution of recognition in each joint may be modeled in the form of the following equation.
여기서 σi는 관절(i)의 와버 비율(weber fraction)이다. 다수의 손가락 끝의 힘에 대한 와버 비율의 측정 데이터 및 수학식 4에 기초할 때, 접촉 손가락의 구조가 상기 가상 객체의 형상에 매칭하게 하는 접촉력으로서 손가락 끝 힘(Fft)이 주어지면, 상기 손가락 끝 힘(Fft)을 해당 손가락에 대한 역감 피드백으로 제공하기 위해 관절(i)에서 렌더링되어야 할 서브 역감 피드백은 다음의 수학식으로 계산된다. where σi is the weber fraction of joint (i). Based on the measured data of the warber ratio to the force of a plurality of fingertips and Equation 4, given the fingertip force F ft as the contact force that makes the structure of the contact finger match the shape of the virtual object, the In order to provide the fingertip force (F ft ) as the negative feedback for the corresponding finger, the sub negative feedback to be rendered in the joint (i) is calculated by the following equation.
여기서, 햇(^)은 와버 부분(weber fraction)의 추정 함수로서, 통계 분야에서 사용되는 다양한 추정 함수 알고리즘에 의해 결정될 수도 있다. Here, the hat (^) is an estimation function of the weber fraction, and may be determined by various estimation function algorithms used in the field of statistics.
이와 같이, 제어기는 특정 손가락에 역감 피드백 전체를 제공하기 위해 상기 특정 손가락의 각 관절별 서브 역감 피드백을 계산하면, 해당 관절에 연관된 모터에게 해당 서브 역감 피드백을 렌더링하기 위한 토크를 포함한 렌더링 명령을 생성한다. In this way, when the controller calculates the sub-reverse feedback for each joint of the specific finger in order to provide the entire negative feedback to the specific finger, it generates a rendering command including a torque for rendering the sub-reverse feedback to the motor associated with the corresponding joint. do.
다시 도 9를 참조하면, 힘줄-구동 햅틱 장치(1)의 피드백 렌더링 매커니즘에서 역감 피드백은 손가락의 구부림을 방지하는 힘으로 작용한다. 즉, 힘줄 와이어에 더 이상 장력이 가해지지 않기 위한 마찰력이 가해지는 것으로 모델링할 수도 있다. Referring back to FIG. 9 , in the feedback rendering mechanism of the tendon-driven
역감 피드백을 렌더링하기 위한 힘을 마찰력으로 간주할 경우, 힘줄 와이어의 장력과 렌더링될 힘(예컨대, 관절별 서브 역감 피드백) 사이의 관계는 다음의 수학식으로 정리된다. When the force for rendering the negative feedback is regarded as a friction force, the relationship between the tension of the tendon wire and the force to be rendered (eg, sub-reverse feedback for each joint) is expressed by the following equation.
여기서, fd는 해당 지점에서 렌더링할 대상 힘으로서, 해당 지점이 관절일 경우 관절별 서브 역감 피드백으로 계산된 값(즉, 도 9의 분해 값)을 나타낸다. μ, φ는 시스템 마찰 계수와 모터에 의해 감기는 와이어의 굽힘 각도를 나타낸다. A, B의 값은 실제 측정 값에 의해 결정된다. Here, f d is a target force to be rendered at the corresponding point, and when the corresponding point is a joint, it represents a value calculated by sub-reverse feedback for each joint (ie, the decomposition value of FIG. 9 ). μ and φ represent the system friction coefficient and the bending angle of the wire wound by the motor. The values of A and B are determined by the actual measurements.
제어기는 렌더링 지점에서 렌더링될 햅틱 피드백의 값이 계산될 경우, 상기 햅틱 피드벡에 대응하는 모터의 토크 값을 계산할 수도 있다. When the value of the haptic feedback to be rendered at the rendering point is calculated, the controller may calculate a torque value of the motor corresponding to the haptic feedback.
일 실시예에서, 각 지점별 햅틱 피드백을 위한 토크(τm)는 다음의 수학식에 의해 계산될 수도 있다. In an embodiment, the torque (τ m ) for the haptic feedback for each point may be calculated by the following equation.
여기서, τmf는 모터의 쿨롱 마찰(Coulomb friction), rm은 모터 스풀(spool)의 반경(radius)을 나타낸다. Here, τ mf is the Coulomb friction of the motor, and r m is the radius of the motor spool.
예를 들어, 제어기는 수학식 5에 의해 계산된 각 관절별 서브 역감 피드백의 값을 상기 수학식 6에 입력하여 각 관절별 서브 역감 피드백을 위한 장력을 계산함으로써, 각 관절별 서브 역감 피드백을 위한 토크를 계산한다. For example, the controller inputs the value of the sub-reverse feedback for each joint calculated by Equation 5 into Equation 6 and calculates the tension for the sub-reverse feedback for each joint, thereby providing the sub-reverse feedback for each joint. Calculate the torque.
이와 같이 제어기가 토크를 계산하면, 해당 지점에서 햅틱 피드백을 렌더링하기 위한 렌더링 명령을 생성한다. 제어기가 이를 액추에이터 모듈(300)에 입력하면, 대상 모터(310)가 명령 내 토크로 구동하여 역감 피드백을 해당 관절에서 렌더링한다. When the controller calculates the torque in this way, it generates a rendering command for rendering the haptic feedback at the corresponding point. When the controller inputs this to the
전술한 바와 같이, 햅틱 피드백 종류별로 그리고 렌더링 지점별로 모터(TC, IC, IP, IM, TD)가 설치될 경우, 각 렌더링 지점별 모터(TC, IC, IP, IM, TD) 각각에 대한 토크가 계산되고, 결국 해당 햅틱 피드백이 각 렌더링 지점에서 개별적으로 렌더링된다. As described above, when motors (TC, IC, IP, IM, TD) are installed for each haptic feedback type and for each rendering point, torque for each of the motors (TC, IC, IP, IM, TD) for each rendering point is computed, and eventually the corresponding haptic feedback is rendered individually at each rendering point.
도 10은 햅틱 피드백이 렌더링되지 않는 상태의 손가락을 도시한다. 도 11은 도 10의 상태 하에서 동작하는 액추에이터 모듈과 센서 모듈의 평면도 및 측면도이다. Fig. 10 shows the finger in a state where haptic feedback is not rendered. 11 is a plan view and a side view of an actuator module and a sensor module operating under the state of FIG. 10 .
도 10과 같이 검지가 굽혀지지 않을 경우, 힘줄 와이어211에는 장력이 가해지지 않는다. 그러면, 도 11에 도시된 바와 같이, 와이어 그리퍼522가 스프링 압축 방향(SPD)으로 움직이지 않게 된다. 포텐셔미터(542)에 의해 와이어 그리퍼522의 움직임이 감지되지 않는다. 이 경우, 제어기는 렌더링 명령을 생성하지 않는다. 결국 모터(310)도 구동하지 않는다. When the index finger is not bent as shown in FIG. 10, no tension is applied to the
도 12는 햅틱 패드빅에 렌더링될 상태의 손가락을 도시한다. 도 13은 도 12의 상태 하에서 동작하는 액추에이터 모듈과 센서 모듈의 평면도 및 측면도이다. 12 shows a finger in a state to be rendered on the haptic padbig. 13 is a plan view and a side view of an actuator module and a sensor module operating under the state of FIG. 12 .
도 10과 같이 검지가 굽혀질 경우, 힘줄 와이어211에는 장력이 가해지게 되어 연결된 와이어 그리퍼522가 이동한다. 포텐셔미터(542)는 와이어 그리퍼522의 움직임을 감지하고, 감지 결과를 제어기로 전송한다. 제어기는 감지 결과에 기초하여 렌더링 명령을 생성한다. When the index finger is bent as shown in FIG. 10, tension is applied to the
일 실시예에서, 제어기는 포텐셔미터(542)에 의한 와이어 그리퍼522의 움직임 감지 결과에 반응하여 렌더링 명령을 생성할 수도 있다.In an embodiment, the controller may generate a rendering command in response to a motion detection result of the
제어기는 사용자에게 VR 또는 AR 컨텐츠로 제공되는 가상 객체의 위치 정보, 및 시스템의 위치 센서에 의해 감지되는 사용자의 손가락 끝의 위치 정보에 기초하여 수학식 1을 통해 햅틱 피드백으로 제공될 접촉력(Fn)을 계산한다. The controller determines the contact force Fn to be provided as haptic feedback through
제어기는 상기 수학식 2 또는 수학식 3을 통해 촉감 피드백으로서 접촉판(400)에서 렌더링될 촉각력(Fc)을 계산한다. The controller calculates the tactile force Fc to be rendered in the
제어기는 상기 수학식 4 내지 7을 통해 역감 피드백으로서 각 관절에서 렌더링될 역감 피드백(Fk)을 계산한다. The controller calculates the negative feedback Fk to be rendered in each joint as the negative feedback through Equations 4 to 7 above.
제어기는 촉감 피드백(Fc) 또는 역감 피드백(Fk)에 대응한 토크를 계산한다. The controller calculates a torque corresponding to the tactile feedback (Fc) or the inverse feedback (Fk).
제어기는 접촉 손가락에 대해 촉감 피드백을 제공하기 위한 모터(예컨대, IC, DC)에 입력할 촉감 피드백을 위한 렌더링 명령을 생성한다. 촉감 피드백을 위한 렌더링 명령은 각 모터(IC, DC)의 토크를 포함한다. The controller generates a rendering command for tactile feedback to be input to a motor (eg, IC, DC) for providing tactile feedback for the touching finger. The rendering command for tactile feedback includes the torque of each motor (IC, DC).
제어기는 접촉 손가락에 대해 역감 피드백을 제공하기 위한 모터(예컨대, IP, IM, TD)에 입력할 역감 피드백을 위한 렌더링 명령을 생성한다. 역감 피드백을 위한 렌더링 명령은 각 지점별 모터(IP, IM, TD)의 토크를 포함한다. The controller generates a rendering command for negative feedback to be input to a motor (eg, IP, IM, TD) for providing negative feedback to the contacting finger. The rendering command for feedback feedback includes the torque of the motors (IP, IM, TD) for each point.
그러면, 도 11에 도시된 바와 같이, 촉감 피드백과 역감 피드백이 제공된다. Then, as shown in FIG. 11 , tactile feedback and negative feedback are provided.
이와 같이 제어기는 접촉력으로서 전달되길 원하는 힘이 입력되면, 이 대상 힘에 대응한 렌더링 명령을 구동모듈로 전송하여 구동모듈이 힘이 전달되는 토크로 구동하게 한다. In this way, when a force desired to be transmitted as a contact force is input, the controller transmits a rendering command corresponding to the target force to the driving module to drive the driving module with the torque to which the force is transmitted.
제어기는 매커니즘에 기초한 제어 알고리즘을 사용하여 렌더링 명령을 생성한다. 상기 렌더링 명령에 의해 동작하는 햅틱 장치는 사용자의 대상 손가락에 역감 피드백과 피부 피드백을 모두 제공함으로써 가상의 불규칙, 원격 표면과의 접촉을 렌더링할 수 있다. The controller generates rendering commands using a control algorithm based on the mechanism. The haptic device operated in response to the rendering command may render contact with a virtual irregular and remote surface by providing both feedback and skin feedback to the target finger of the user.
그 결과, 상기 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는, 사용자가 가상 객체와 접촉하여도 실제로 접촉하는 것에 대응한, 사용자에게 촉각 측면에서 실감나는 촉감 피드백을 제공할 수 있다. 또한, 상기 힘줄-구동 햅틱 장치(1)는, 가상 객체와 접촉하는 동안 손가락의 구조가 가상 객체의 표면을 뚫고 들어가는 것을 방지하고 구조적 매칭을 유지하는 역감 피드백을 제공함으로써, 사용자의 시각적 감각과 손가락 구조를 구현하는 신경적 감각 간의 불일치를 최소화하여 가상 객체의 상호작용에 있어 이질감을 경험하지 않게 한다. As a result, the tendon-driven
상술한 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.In the above-described specific embodiments, elements included in the invention are expressed in the singular or plural according to the specific embodiments presented. However, the singular or plural expression is appropriately selected for the situation presented for convenience of description, and the above-described embodiments are not limited to the singular or plural component, and even if the component is expressed in plural, it is composed of a singular or , even a component expressed in a singular may be composed of a plural.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시 예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.On the other hand, although specific embodiments have been described in the description of the invention, various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea contained in the various embodiments. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should be defined by the claims described below as well as the claims and equivalents.
1: 햅틱 장치
100: 내층 외피
200: 외층 내피
111, 114, 211: 와이어
121, 124, 221: 튜브
123, 126, 223: 와이어 어셈블러
300: 액추에이터 모듈
310: 모터
321: 모터 와이어
400: 접촉판
500: 센서 모듈
501: 모듈 프레임
510: 와이어 디렉터
520: 가이드 바
521, 522: 와이어 그리퍼
530: 스프링
541, 542: 포텐셔미터
550: 마커1: Haptic Device
100: inner layer shell
200: outer layer endothelium
111, 114, 211: wire
121, 124, 221: tube
123, 126, 223: wire assembler
300: actuator module
310: motor
321: motor wire
400: contact plate
500: sensor module
501: module frame
510: wire director
520: guide bar
521, 522: wire gripper
530: spring
541, 542: potentiometer
550: marker
Claims (17)
모듈 프레임;
도르래를 갖는 복수의 와이어 디렉터(wire director);
상기 모듈 프레임의 일 측면과 타 측면 사이에 설치된 가이드 바;
상기 가이드 바를 따라 슬라이드 이동하는 와이어 그리퍼 쌍 - 상기 와이어 그리퍼 쌍 중 하나는 모터에 연결된 구동 와이어와 연결되고, 상기 와이어 그리퍼 쌍 중 다른 하나는 외피 층 상에 배치된 힘줄 와이어와 연결됨;
상기 와이어 그리퍼 쌍 사이에 가이드 바를 따라 배치된 스프링; 및
상기 와이어 그리퍼 쌍 중 적어도 하나의 이동을 감지하는 적어도 하나의 포텐셔미터(potentiometer)를 포함하는 센서 모듈.
In the sensor module for detecting a change in the structure of a finger on which a wire attached to a skin that can be mounted on a user's hand is disposed,
module frame;
a plurality of wire directors having pulleys;
a guide bar installed between one side and the other side of the module frame;
a pair of wire grippers sliding along the guide bar, one of the pair of wire grippers connected to a drive wire connected to a motor, and the other of the pair of wire grippers connected to a tendon wire disposed on the sheath layer;
a spring disposed along a guide bar between the pair of wire grippers; and
and at least one potentiometer for sensing movement of at least one of the pair of wire grippers.
상기 모듈 프레임의 일 측단면에 복수의 포텐셔미터가 배치되고,
상기 한 쌍의 와이어 그리퍼 중 적어도 하나는 상기 복수의 포텐셔미터 사이의 틈(gap)을 따라 이동 가능하도록 결합한 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
According to claim 1,
A plurality of potentiometers are disposed on one side cross-section of the module frame,
At least one of the pair of wire grippers is coupled to be movable along a gap between the plurality of potentiometers.
사용자의 손 동작에 의해 힘줄 와이어에 장력이 가해지고 상기 모터가 구동 와이어를 감으면, 힘줄 와이어에 연결된 와이어 그리퍼와 모터와 연결된 다른 와이어 그리퍼는 서로 반대 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
According to claim 1,
A sensor module, characterized in that when tension is applied to the tendon wire by a user's hand motion and the motor winds the driving wire, the wire gripper connected to the tendon wire and the other wire gripper connected to the motor move in opposite directions.
상기 힘줄-구동 햅틱 장치는,
상기 사용자의 손에 장착되는 복수의 외피 층 - 복수의 외피 층 각각은 적어도 하나의 손가락을 커버하는 형태를 가짐;
상기 외피 층의 커버 부분 상에 배치된 복수의 힘줄 와이어 - 상기 복수의 힘줄 와이어는 역감 피드백(kinesthetic feedback)용 힘줄 와이어를 포함함;
상기 복수의 힘줄 와이어를 고정하는 복수의 고정구;
상기 복수의 힘줄 와이어와 간접적으로 연결된 복수의 모터를 포함한 액추에이터 모듈 더 포함하고,
상기 복수의 힘줄 와이어 각각은 와이어 그리퍼 쌍 중 어느 하나에 연결되어 다른 하나에 연결된 구동 와이어를 통해 모터에 간접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 힘줄-구동 햅틱 장치.
A tendon-driven haptic device comprising the sensor module according to claim 1, comprising:
The tendon-driven haptic device comprises:
a plurality of skin layers mounted on the user's hand, each of the plurality of skin layers having a shape covering at least one finger;
a plurality of tendon wires disposed on a cover portion of said sheath layer, said plurality of tendon wires comprising tendon wires for kinesthetic feedback;
a plurality of fasteners for fixing the plurality of tendon wires;
Further comprising an actuator module including a plurality of motors indirectly connected to the plurality of tendon wires,
Each of the plurality of tendon wires is connected to one of the pair of wire grippers and is indirectly connected to the motor through a driving wire connected to the other.
상기 복수의 힘줄 와이어 중 일부와 다른 일부는 서로 다른 외피 층의 표면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 힘줄-구동 햅틱 장치.
5. The method of claim 4,
and some and other portions of the plurality of tendon wires are disposed on surfaces of different sheath layers.
상기 복수의 모터 중 일부는 촉감 피드백을 제공하고 다른 일부는 역감 피드백을 제공하도록 구동하는 것을 특징으로 하는 힘줄-구동 햅틱 장치.
5. The method of claim 4,
and driving some of said plurality of motors to provide tactile feedback and others to provide inverse feedback.
서로 다른 모터가 동일한 손가락에 역감 피드백을 제공할 경우, 서로 다른 모터는 상기 동일한 손가락의 서로 다른 관절에서 서브 역감 피드백을 렌더링하도록 구동하고, 상기 서로 다른 모터에 대응한 힘줄 와이어는 서로 다른 외피 층에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 힘줄-구동 햅틱 장치.
7. The method of claim 6,
When different motors provide negative feedback to the same finger, different motors drive to render sub-reverse feedback in different joints of the same finger, and the tendon wires corresponding to the different motors are located in different skin layers. Tendon-driven haptic devices, characterized in that each is disposed.
상기 역감 피드백용 힘줄 와이어는 MCP 관절과 PIP 관절에 역감 피드백을 각각 제공하기 위한 힘줄 와이어들을 포함하고,
상기 MCP 관절에 역감 피드백을 제공하기 위한 힘줄 와이어와 상기 사용자의 손가락의 PIP 관절에 역감 피드백을 제공하기 위한 힘줄 와이어는 서로 다른 외피 층의 표면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 힘줄-구동 햅틱 장치.
5. The method of claim 4,
The tendon wire for negative feedback includes tendon wires for providing negative feedback to the MCP joint and the PIP joint, respectively,
The tendon-driven haptic device, characterized in that the tendon wire for providing the anti-feedback to the MCP joint and the tendon wire for providing the anti-feedback to the PIP joint of the user's finger are disposed on surfaces of different skin layers.
상기 손가락과 다른 손가락의 DIP 관절에 역감 피드백용 힘줄 와이어는 복수의 외피 층 중 어느 하나의 외피 층 표면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 힘줄-구동 햅틱 장치.
5. The method of claim 4,
The tendon-driven haptic device, characterized in that the tendon wire for feedback feedback to the DIP joint of the finger and the other finger is disposed on the surface of any one of the plurality of skin layers.
상기 복수의 튜브는 적어도 한 쌍의 튜브를 포함하고,
상기 한 쌍의 튜브는 DIP, MCP 또는 PIP 관절을 중심으로 이격 설치되고,
상기 한 쌍의 튜브 중 어느 하나로 인입되어 다른 하나를 통과한 힘줄 와이어의 일 단과 타 단은 서로 교차 배치된 것을 특징으로 하는 힘줄-구동 햅틱 장치.
5. The method of claim 4,
The plurality of tubes includes at least a pair of tubes,
The pair of tubes are installed spaced apart around the DIP, MCP or PIP joint,
Tendon-driven haptic device, characterized in that one end and the other end of the tendon wire that is introduced into one of the pair of tubes and passed through the other are crossed with each other.
커버 부분의 일부에 접촉하는 접촉판;
상기 접촉판에 연결된 촉감 피드백(cutaneous feedback)용 힘줄 와이어; 및
상기 촉감 피드백용 힘줄 와이어의 장력을 제어하는 적어도 하나의 모터를 더 포함하는 힘줄-구동 햅틱 장치.
5. The method of claim 4,
a contact plate in contact with a portion of the cover portion;
a tendon wire for cutaneous feedback connected to the contact plate; and
The tendon-driven haptic device further comprising at least one motor for controlling the tension of the tendon wire for tactile feedback.
상기 촉감 피드백용 힘줄 와이어는 상기 복수의 와이어 디렉터 중 일부를 통해 상기 외피 층 상의 고정구로부터 상기 적어도 하나의 모터로 연결되는 것을 특징으로 하는 힘줄-구동 햅틱 장치.
12. The method of claim 11,
and the tendon wire for tactile feedback is coupled from a fixture on the sheath layer to the at least one motor through a portion of the plurality of wire directors.
손가락의 위치를 추적하는 위치 센서; 및
가상 객체의 표면과 손가락 간의 접촉에 따른 접촉력에 대응한 대상 햅틱 피드백(desired haptic feedback)을 렌더링하기 위한 제어 명령을 생성하여 상기 힘줄-구동 햅틱 장치에 입력하는 제어기를 포함하는 햅틱 시스템에 있어서,
상기 제어기는,
상기 접촉력에 기초하여 역감 피드백을 렌더링하기 위한 제어 명령을 생성하고,
상기 접촉력에 기초하여 촉감 피드백을 렌더링하기 위한 제어 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
A tendon-driven haptic device according to any one of claims 6 to 12;
a position sensor that tracks the position of the finger; and
A haptic system comprising a controller for generating a control command for rendering a desired haptic feedback corresponding to a contact force according to a contact between a surface of a virtual object and a finger and inputting the control command to the tendon-driven haptic device,
The controller is
generate a control command for rendering a negative feedback based on the contact force;
and generating a control command for rendering tactile feedback based on the contact force.
상기 접촉력은 손가락과 접촉하는 가상 객체의 표면 강도(stiffness), 3차원 가상 공간에서 접촉 손가락의 가상 프록시(proxy)에서의 접촉 위치 및 접촉 손가락의 가상 객체에서의 접촉 위치에 기초하여 계산되는 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
14. The method of claim 13,
The contact force is calculated based on the surface stiffness of the virtual object in contact with the finger, the contact position in a virtual proxy of the contacting finger in a three-dimensional virtual space, and the contact position of the contacting finger in the virtual object. haptic system with
상기 제어기는, 상기 촉감 렌더링 명령을 생성하기 위해,
상기 접촉력에 기초하여 접촉 손가락에 대한 촉감력을 상기 접촉 손가락에서의 촉감 피드백으로서 계산하고,
상기 접촉 손가락에 대한 촉감력에 대응한 모터의 토크를 계산하여 촉감 피드백을 위한 제어 명령을 생성하며, 그리고
상기 촉감 피드백을 위한 제어 명령을 상기 접촉 손가락의 촉감 피드백을 위한 모터에 입력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
14. The method of claim 13,
The controller is configured to generate the tactile rendering command:
calculating a tactile force for a contacting finger as a tactile feedback at the contacting finger based on the contacting force;
generating a control command for tactile feedback by calculating a torque of a motor corresponding to a tactile force for the contact finger, and
and input a control command for tactile feedback to a motor for tactile feedback of the contact finger.
상기 역감 피드백을 위한 모터는 상기 접촉 손가락의 복수의 관절 각각에서의 역감 피드백을 렌더링할 관절별 모터들을 포함하며,
상기 제어기는, 상기 역감 렌더링 명령을 생성하기 위해,
상기 접촉력에 기초하여 각 관절에서의 서브 역감 피드백을 계산하고,
각 관절에서의 서브 역감 피드백에 대응한 모터의 토크를 각각 계산하여 각 관절에서의 서브 역감 피드백을 위한 제어 명령을 생성하며, 그리고
각 관절에서의 서브 역감 피드백을 위한 제어 명령을 해당 모터에 각각 입력하도록 구성되며,
각 관절에서의 서브 역감 피드백의 총 합은 가상 객체의 형상에 매칭하도록 상기 접촉 손가락의 구조를 유지하는 힘에 대응하는 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템.
14. The method of claim 13,
The motor for the negative feedback includes motors for each joint to render the negative feedback in each of a plurality of joints of the contact finger,
The controller is configured to generate the inverse rendering command,
Calculate the sub-reverse feedback in each joint based on the contact force,
Calculating the torque of the motor corresponding to the sub-reverse feedback in each joint, respectively, generates a control command for the sub-reverse feedback in each joint, and
It is configured to input a control command for sub-reverse feedback in each joint to the corresponding motor, respectively.
The haptic system according to claim 1, wherein the sum total of sub-inverse feedback at each joint corresponds to a force holding the structure of the contact finger to match the shape of the virtual object.
상기 제어기는, 상기 토크를 계산하기 위해,
상기 서브 역감 피드백의 힘에 대응하는, 상기 서브 역감 피드백을 위한 모터에 연결된 와이어의 장력을 계산하고,
상기 와이어의 장력에 기초하여 상기 모터의 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 햅틱 시스템. 17. The method of claim 16,
The controller, to calculate the torque,
Calculate the tension of the wire connected to the motor for the sub-reverse feedback, corresponding to the force of the sub-reverse feedback,
The haptic system according to claim 1, wherein the torque of the motor is calculated based on the tension of the wire.
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| KR1020210031623A KR102468421B1 (en) | 2021-03-10 | 2021-03-10 | tendon-driven haptic device |
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