WO2011122718A1 - 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법 - Google Patents

장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법 Download PDF

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WO2011122718A1
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touch screen
armored
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tactile
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양기훈
강성철
진연섭
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한국과학기술연구원
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/014—Hand-worn input/output arrangements, e.g. data gloves
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    • G06F3/016—Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user

Definitions

  • the present invention relates to a haptic delivery system and method using a glove-type actuator device, and more particularly, the strength of the voltage through the piezo disc actuator that can be worn on the user hand in the glove-type, attached to the position to transmit the stimulus
  • the present invention relates to a tactile transmission system and method using a glove-type actuator device capable of directly transmitting a user's body part.
  • the conventional vibrotactile device is mostly a method of vibrating the entire body of the device using a small motor or generating vibration using a pin type drive device.
  • the methods have a limitation in that the driving method is limited and thus it is difficult to transmit fine roughness or touch on the surface of the object.
  • An object of the present invention is to provide a tactile touch system and method using a glove-type actuator device capable of transmitting a touch to a virtual object by manipulating the vibration intensity and the deformation amount of the piezo disc actuator in accordance with the position and velocity information of the actuator in a screen or virtual reality world. To provide.
  • Another object of the present invention by using a three-axis acceleration sensor, by interlocking with the hologram, and the like, even without contact with the real object in the space, even if the touch system and method using a glove-type actuator device that can deliver the touch to the object of the virtual reality world To provide.
  • a tactile transmission system includes a touch screen for driving a preset program; And an armored actuator device that vibrates a body part in contact with the touchscreen to provide bending information of the surface of the object on the program displayed on the touchscreen, wherein the armored actuator device comprises one or more actuators to provide a vibration stimulus.
  • module 3-axis acceleration sensor for detecting the position of the actuator module;
  • a controller configured to map the position information detected by the three-axis acceleration sensor to a corresponding position on the touch screen, and generate a driving signal to vibrate the actuator module according to the bending information of the object surface corresponding to the mapped position. It includes.
  • the actuator module may include a lower plate contacting the surface of the touch screen; And a piezo disc actuator connected to the lower plate and vibrating according to a driving signal to the controller.
  • the actuator module may be configured in a concave shape connected to the lower plate, and further include a frame in which the piezo disc actuator is disposed.
  • a plurality of piezo disc actuators may be arranged in a grid.
  • a plurality of pores may be formed on the bottom of the lower plate.
  • An insulator may be attached to the conductor portion of the piezo disc actuator.
  • the controller may store a database of maps of bending information of the object surface on the program.
  • a tactile transmission method includes driving a preset program on a touch screen; Storing a database of a map of bending information of an object surface on the program displayed on the touch screen; Contacting the actuator module of the armored actuator with the touch screen; Detecting a position of the actuator module on the touch screen and generating a drive signal for vibrating the actuator module by a controller of the armored actuator device to provide bending information of the object surface corresponding to the detected position; And vibrating the actuator module according to the driving signal.
  • the position of the actuator module on the touch screen may be detected by a three-axis acceleration sensor attached to the armored actuator device.
  • the actuator module may include a piezo disc actuator, and the piezo disc actuator may move by converting an electric driving signal generated by the controller into a physical signal.
  • a tactile transmission method comprising: providing a virtual object in a space by driving a preset program in which bending information of an object surface is stored; Detecting, by a three-axis acceleration sensor, the spatial movement of the armored actuator device, and calculating a position using the displacement difference information in the space; Mapping the calculated position to a corresponding position of the virtual object; Generating a drive signal for vibrating the armored actuator device in a controller to provide bending information of the surface of the object corresponding to the mapped position; And vibrating the actuator module according to the driving signal.
  • the tactile transmission method may further include storing a map of the bending information on the surface of an object in a database and storing the map in advance in the controller.
  • the driving signal may be composed of a signal in the form of frequency.
  • Tactile delivery system and method using the glove-type actuator device of the present invention has an effect that can transmit information such as the roughness of the object, the curvature of the object or the surface material of the object by directly transmitting the vibrational touch to the body part of the user.
  • the tactile transmission system and method using the glove-type actuator device of the present invention is a glove-type device, so that the user can easily wear, the tactile sense so that the body can detect information such as roughness and curvature of the portion displayed on the touch screen ( Vibration) is effective.
  • the tactile transmission system and method using the armored actuator device of the present invention when adding a three-axis acceleration sensor, by generating the position information on the space of the actuator device to interlock with a hologram, etc., clothes, cloth, wood, etc. sold in the Internet shopping mall, etc. Even if there is no part directly contacting the various objects, the curvature of the object can be provided in a tactile sense according to the direction in which the actuator device moves in space.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a tactile transmission system using a glove-type actuator device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a graph showing a comparison of the curve of the actual object and the voltage change according to the displacement difference when using the armored actuator device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a view schematically showing the configuration of a glove-type actuator device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the actuator module shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line A-A of the actuator module of FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of an actuator module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a bottom view of the actuator module of FIG. 6.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of an actuator module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the actuator module of FIG. 8 taken along the line B-B, illustrating a piezo disc actuator when no voltage is applied.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a piezo disc actuator whose shape is deformed when no voltage is applied.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a voltage and a shape of a piezo disc actuator which change according to the curvature of an object.
  • FIG. 12 is a flow chart of a tactile transfer method using a glove-type actuator device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a flow chart of a tactile transfer method using a glove-type actuator device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a tactile transmission system using a glove-type actuator device according to an embodiment of the present invention.
  • the tactile transmission system of the present invention includes a glove-type actuator device 100 and a touch screen 200.
  • the armored actuator device 100 generates vibrations to deliver the tactile feel of the virtual reality world or directly invisible object surfaces.
  • the armored actuator device 100 generates a vibration based on location information on the touch screen 200 while contacting the touch screen, thereby delivering a tactile feeling to the user.
  • a preset program is driven on the touch screen 200, and surface information such as roughness or valleys of an object displayed on the touch screen 200 may be stored in advance in a controller (not shown), and the controller may include a touch screen ( 200) or armored actuator device 100 may be provided.
  • the three-axis acceleration sensor 102 detects the position information of the actuator module 110, and the controller (not shown) identifies the position information detected by the three-axis acceleration sensor 102 on the touch screen 200. Map to location Subsequently, the controller generates a voltage for vibrating the actuator module 110 according to the information corresponding to the specific position on the touch screen 200.
  • the armored actuator device 100 may deliver a tactile feel to a user by vibrating strength and actuator deformation that vary according to the strength and change of voltage. Accordingly, the user may feel, for example, the touch through the touch screen 200 such as the texture and roughness of the cloth and the object which are not actually touched.
  • the actuator module 110 is illustrated as being attached to the index finger, but the number of actuator modules 110 used in the armored actuator device 100 of the present invention and the position to be attached to the armored body are not particularly limited. Various modifications are possible, depending on the usage environment and application method.
  • the 3-axis acceleration sensor 102 added to the armored actuator device 100 detects the position of the actuator module 110 by using an acceleration value according to the movement of the armored actuator device 100.
  • Figure 2 is a graph showing a comparison of the curve of the actual object and the voltage change according to the displacement difference when using the armored actuator device according to the present invention.
  • the spatial position of the actuator module 110 is sensed through the three-axis acceleration sensor 102, and the voltage change according to the displacement difference of the actuator module 110 appears similar to the curve of the actual object.
  • the graph of the sinusoidal curve determines the voltage intensity of the actuator module 110, and the actuator module 110 vibrates to deliver the tactile feel of the actual object.
  • FIG. 3 is a view schematically showing a configuration of a glove-type actuator device according to an embodiment of the present invention, and when a plurality of actuator modules 110, 120, 130, 140, 150 as shown in FIG. The touch can be simultaneously delivered to various parts of the user's body.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the actuator module shown in FIG. 3, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line A-A of the actuator module of FIG. 4.
  • the actuator module 120 includes a bottom plate 122 and a piezo disc actuator 124.
  • the bottom plate 122 fixes the piezo disc actuator 124 and is in contact with the surface of the object. As the distance between the finger and the surface of the object is smaller, the user may feel the touch as if it is actually in contact with the surface of the object, and the lower plate 122 is preferably configured as thin as possible.
  • the frame 126 is made of a conductor that transmits a voltage applied to the piezo disc actuator 124, and is formed in a concave shape having a predetermined curvature and may be in close contact with a user's finger.
  • the small actuators are arranged in a special form to convey the fine bending information of the surface of the object, so that the two-dimensional bending information in the non-point plane can be transferred.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of the actuator module according to another embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a bottom view of the actuator module of FIG.
  • the actuator module 130 includes a bottom plate 132 having pores 136 and a piezo disc actuator 134, and a squeeze film between the bottom plate 132 and the flat contact surface. ) To smoothly move the actuator module 130 on the contact surface.
  • the lower plate 132 in contact with the contact surface has a shape for contacting with a surface rather than a dot, and has pores 136 to use squeeze film development.
  • the lower plate 132 connected to the piezo disc actuator 134 also forms a relative motion with respect to the finger.
  • the slight movement of the lower plate 132 due to the vibration of the piezo disc actuator 134 forms an air layer between the pores 136 and the contact surface of the lower plate 132.
  • the squeeze film is formed between the lower plate 132 and the contact surface by the air layer, the surface friction force is reduced between the lower plate 132 and the contact surface, the smooth relative movement of the actuator module 130 and the contact surface can be realized.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of an actuator module according to another embodiment of the present invention.
  • the actuator module 140 includes a piezo disc actuator 144 and a lower plate 142 for fixing the piezo disc actuator 144.
  • a thin insulator may be attached to the conductor portion of the piezo disc actuator 144 to prevent an electric shock that may occur when contacting the skin of the user.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the actuator module of FIG. 8 taken along the line BB, illustrating a piezo disk actuator 144 when no voltage is applied, and FIG. 10 is a piezo with a deformed shape when a voltage is applied. It is sectional drawing which shows the disk actuator 144. As shown in FIG.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a voltage and a shape of a piezo disc actuator which change according to the curvature of an object.
  • the piezo disc actuators 124, 134, and 144 move in response to the intensity of the voltage generated according to the shape and roughness of the surface of the object, the shape of the piezo disc actuators 124, 134, and 144 is also deformed so that the user may actually move You can feel the shape of things.
  • FIG. 12 is a flow chart of a tactile transfer method using a glove-type actuator device according to an embodiment of the present invention.
  • a preset program is driven on the touch screen 200 (S110), and surface information such as roughness or valleys of an object on the program displayed on the touch screen 200 is extracted, and the touch screen 200 is extracted.
  • surface information such as roughness or valleys of an object on the program displayed on the touch screen 200 is extracted, and the touch screen 200 is extracted.
  • the data signal about the surface information of the thing is transmitted to the actuator module (110, 120, 130, 140, 150) through the control unit (S130).
  • a data signal relating to the surface information of the object is generated in the control unit as an electrical signal, and transmitted to the actuator module (110, 120, 130, 140, 150), the trigger for operating the piezo disk actuator (124, 134, 144) Can act as a signal.
  • the piezo disc actuators 124, 134, and 144 cause vibration and deformation in response to surface information of the object, and transmit a touch to the user (S140).
  • FIG. 13 is a flow chart of a tactile transfer method using a glove-type actuator device according to another embodiment of the present invention.
  • a virtual program is first provided in a space by driving a preset program in which fine bending information of an object surface is stored (S210).
  • a hologram or the like may be used to provide a virtual object in the space.
  • the positional information on the space of the 3-axis acceleration sensor 102 attached to the armored actuator device 100 is initialized (S220).
  • the three-axis acceleration sensor 102 calculates displacement difference information (S230).
  • the controller calculates a position on the space of the armored actuator device 100 based on the calculated displacement difference information (S240). Subsequently, the control unit recognizes fine bending information corresponding to a position in the space, and generates a driving signal including information such as voltage intensity and / or magnitude of amplitude to drive the piezo disc actuators 124, 134, and 144. (S250).
  • the roughness factor of the bending information in the space changes according to the frequency of the stimulus.
  • the driving signal consists of a signal in the form of a frequency, the roughness value of the surface can be easily changed. In the case of the apparatus of FIG. It can be changed easily.
  • the driving signal including the information such as the voltage strength or amplitude of the amplitude generated by the control unit is transmitted to the actuator module (110, 120, 130, 140, 150), accordingly the piezo disk actuator (124, 134, 144 transmits the touch to the user while the vibration and deformation (S260).

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Abstract

본 발명은 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 장갑형으로 사용자가 손에 착용할 수 있고, 자극을 전달하고자 하는 위치에 부착된 피에조 디스크 액추에이터를 통해 전압의 세기에 따른 움직임을 사용자의 신체 부위에 직접 전달할 수 있는 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 촉감 전달 시스템은, 미리 설정된 프로그램을 구동하는 터치스크린; 및 상기 터치스크린에 표시되는 상기 프로그램 상의 물체 표면의 굴곡 정보를 제공하도록 상기 터치스크린에 접촉하는 부위를 진동시키는 장갑형 액추에이터 장치를 포함하며, 상기 장갑형 액추에이터 장치는, 진동 자극을 제공하는 하나 이상의 액추에이터 모듈; 상기 액추에이터 모듈의 위치를 감지하는 3축 가속도 센서; 및 상기 3축 가속도 센서에서 감지한 위치 정보를 상기 터치스크린 상의 상응하는 위치에 맵핑시키며, 상기 맵핑된 위치에 해당하는 물체 표면의 굴곡 정보에 따라 상기 액추에이터 모듈을 진동시키도록 구동 신호를 생성하는 제어기를 포함한다.

Description

장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법
본 발명은 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 장갑형으로 사용자가 손에 착용할 수 있고, 자극을 전달하고자 하는 위치에 부착된 피에조 디스크 액추에이터를 통해 전압의 세기에 따른 움직임을 사용자의 신체 부위에 직접 전달할 수 있는 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법에 관한 것이다.
다양한 미디어기기의 발달로, 사용자는 TV, PC 등의 화면을 통해 영상정보를 시각적으로 확인할 수 있다. 그러나, 화면에 표시되는 영상은 단지 눈으로만 볼 수 있으므로, 화면에 표시되고 있는 사물에 대한 현실감이 떨어진다는 단점이 있다. 따라서, 이를 극복하기 위해, 화면에 표시되는 영상에 대한 촉감을 제공하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
이러한 시도의 일환으로, 종래의 진동 촉각 장치는 소형 모터를 이용하여 장치의 몸체 전체를 진동시키거나 핀형 구동장치를 이용하여 진동을 발생시키는 방법이 대부분이었다. 그러나, 상기 방법들은 구동 방식이 제한적이어서 사물 표면의 미세한 거칠기나 촉감을 전달하기 어렵다는 한계가 있었다.
따라서, 사용자에게 제공되는 화면이나 가상 세계에서 사물의 표면을 문질렀을 때, 그 물체의 촉감, 거칠기, 굴곡 등의 미세한 정보를 사용자의 신체에 촉감으로 전달할 수 있으며, 진동 촉각 장치의 움직이는 방향 및 속도에 따라 더 실감나는 촉감을 제공할 수 있는 수단이 요구된다.
본 발명의 목적은 화면 또는 가상 현실 세계에서 액추에이터 장치의 위치 및 속도 정보에 따라 진동 세기 및 피에조 디스크 액추에이터의 변형량을 조작하여 가상 물체에 대한 촉감을 전달할 수 있는 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 3축 가속도 센서를 이용하여, 홀로그램 등과 연동함으로써, 공간 상에서 실제 사물과 접촉하지 않더라도, 가상 현실 세계의 물체에 대한 촉감을 전달할 수 있는 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 촉감 전달 시스템은, 미리 설정된 프로그램을 구동하는 터치스크린; 및 상기 터치스크린에 표시되는 상기 프로그램 상의 물체 표면의 굴곡 정보를 제공하도록 상기 터치스크린에 접촉하는 신체 부위를 진동시키는 장갑형 액추에이터 장치를 포함하며, 상기 장갑형 액추에이터 장치는, 진동 자극을 제공하는 하나 이상의 액추에이터 모듈; 상기 액추에이터 모듈의 위치를 감지하는 3축 가속도 센서; 및 상기 3축 가속도 센서에서 감지한 위치 정보를 상기 터치스크린 상의 상응하는 위치에 맵핑시키며, 상기 맵핑된 위치에 해당하는 물체 표면의 굴곡 정보에 따라 상기 액추에이터 모듈을 진동시키도록 구동 신호를 생성하는 제어기를 포함한다.
상기 액추에이터 모듈은, 상기 터치스크린의 표면에 접촉하는 하부판; 및 상기 하부판에 연결되며, 상기 제어기에 구동 신호에 따라 진동하는 피에조 디스크 액추에이터를 포함할 수 있다.
상기 액추에이터 모듈은, 상기 하부판과 연결되는 오목한 형상으로 구성되며, 내측에 상기 피에조 디스크 액추에이터가 배치되는 프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 프레임 내측에는 복수의 피에조 디스크 액추에이터가 격자형으로 배열될 수 있다.
상기 하부판의 저면에는 복수의 기공이 형성될 수 있다.
상기 피에조 디스크 액추에이터의 도체 부분에는 절연체가 부착될 수 있다.
상기 제어기는 상기 프로그램 상의 물체 표면의 굴곡 정보에 대한 맵을 데이터베이스화하여 저장할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉감 전달 방법은, 미리 설정된 프로그램을 터치스크린에서 구동시키는 단계; 상기 터치스크린에 표시되는 상기 프로그램 상의 물체 표면의 굴곡 정보에 대한 맵을 데이터베이스화하여 저장하는 단계; 상기 장갑형 액추에이터의 액추에이터 모듈을 상기 터치스크린에 접촉시키는 단계; 상기 터치스크린 상에서의 상기 액추에이터 모듈의 위치를 감지하여, 감지된 위치에 해당하는 물체 표면의 굴곡 정보를 제공하도록 상기 장갑형 액추에이터 장치의 제어부에서 상기 액추에이터 모듈을 진동시키기 위한 구동 신호를 생성하는 단계; 및 상기 구동 신호에 따라 상기 액추에이터 모듈을 진동시키는 단계를 포함한다.
상기 터치스크린 상에서의 상기 액추에이터 모듈의 위치는 상기 장갑형 액추에이터 장치에 부착된 3축 가속도 센서에서 감지할 수 있다.
상기 액추에이터 모듈은 피에조 디스크 액추에이터를 포함하며, 상기 피에조 디스크 액추에이터는 상기 제어부에서 생성된 전기적인 구동 신호를 물리적 신호로 변환하여 움직일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 촉감 전달 방법은, 물체 표면의 굴곡 정보가 저장되어 있는 미리 설정된 프로그램을 구동하여, 공간 상에 가상의 물체를 제공하는 단계; 상기 장갑형 액추에이터 장치의 공간 상 이동을 3축 가속도 센서가 감지하고, 공간 상의 변위차 정보를 이용하여 위치를 산출하는 단계; 상기 산출된 위치를 상기 가상의 물체의 해당 위치에 맵핑시키는 단계; 상기 맵핑된 위치에 해당하는 상기 물체 표면의 굴곡 정보를 제공하도록 제어부에서 상기 장갑형 액추에이터 장치를 진동시키기 위한 구동 신호를 생성하는 단계; 및 상기 구동 신호에 따라 상기 액추에이터 모듈을 진동시키는 단계를 포함한다.
상기 촉감 전달 방법은, 물체 표면의 굴곡 정보에 대한 맵을 데이터베이스화하여 상기 제어부에 미리 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 구동 신호는 주파수 형태의 신호로 구성될 수 있다.
본 발명의 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법은 사용자의 신체 부위로 진동 촉감을 직접 전달하는 것에 의해 사물의 거칠기, 물체의 굴곡 또는 사물의 표면 재질 등의 정보를 전달할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법은 장갑형 장치이므로 사용자가 손쉽게 착용할 수 있고, 터치스크린 화면에 표시되는 부분의 거칠기 및 굴곡 등의 정보를 신체에서 감지할 수 있도록 촉감(진동)을 전달할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법은 3축 가속도 센서를 부가하는 경우, 액추에이터 장치의 공간 상의 위치 정보를 생성하여 홀로그램 등과 연동함으로써, 인터넷 쇼핑몰 등에서 파는 옷이나 천, 목재 등 여러 물체에 대해 직접 접촉하는 부분이 없더라도, 공간 상에서 액추에이터 장치가 이동하는 방향에 따라 사물의 굴곡을 촉감으로 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 장갑형 액추에이터 장치 사용시 변위차에 따른 전압변화와 실제 사물의 골곡을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 장갑형 액추에이터 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시한 액추에이터 모듈의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 액추에이터 모듈을 A-A 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액추에이터 모듈의 구성을 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6의 액추에이터 모듈의 저면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액추에이터 모듈의 구성을 도시한 사시도이다.
도 9는 도 8의 액추에이터 모듈을 B-B 선을 따라 절취한 단면도로서, 전압이 인가되지 않았을 때의 피에조 디스크 액추에이터를 나타내는 단면도이다.
도 10은 전압이 안가되었을 때, 모양이 변형된 피에조 디스크 액추에이터를 나타내는 단면도이다.
도 11은 사물의 굴곡에 따라 변하는 전압과 피에조 디스크 액추에이터의 모양을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 방법의 순서도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 방법의 순서도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템 및 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 촉감 전달 시스템은 장갑형 액추에이터 장치(100)와 터치스크린(200)을 포함한다.
장갑형 액추에이터 장치(100)는 가상 현실 세계나 직접 만져볼 수 없는 물체 표면의 촉감을 전달하도록 진동을 발생시킨다. 장갑형 액추에이터 장치(100)는 터치스크린에 접촉하면서, 터치스크린(200) 상의 위치 정보를 바탕으로 진동을 발생시켜서 사용자에게 촉감을 전달한다.
터치스크린(200)에는 미리 설정된 프로그램이 구동되며, 터치스크린(200) 상에 표시되는 사물의 거칠기나 골곡 등의 표면 정보는 제어기(미도시)에 미리 저장될 수 있으며, 상기 제어기는 터치스크린(200) 또는 장갑형 액추에이터 장치(100)에 구비될 수 있다.
사용자가 장갑형 액추에이터 장치(100)를 착용하고, 터치스크린(200) 상에서 상하좌우로 움직이면, 맵핑된 위치에 따라 특정 전압이 장갑형 액추에이터 장치(100)로 전달된다. 보다 상세하게, 3축 가속도 센서(102)가 액추에이터 모듈(110)의 위치 정보를 파악하고, 제어기(미도시)는 3축 가속도 센서(102)가 감지한 위치 정보를 터치스크린(200) 상의 특정 위치로 맵핑시킨다. 이어서, 상기 제어기는 터치스크린(200) 상의 특정 위치에 해당하는 정보에 따라 액추에이터 모듈(110)을 진동시키는 전압을 생성시킨다.
장갑형 액추에이터 장치(100)는 전압의 세기 및 변화에 따라 변동하는 진동 세기 및 액추에이터 변형에 의해 사용자에게 실감나는 촉감을 전달할 수 있다. 따라서, 사용자는, 예를 들어, 실제 만져볼 수 없는 옷감 및 물체의 질감, 거칠기 등의 촉감을 터치스크린(200)을 통해 느낄 수 있다. 도 1에서 액추에이터 모듈(110)은 검지에 하나 부착되어 있는 것으로 도시되었으나, 본 발명의 장갑형 액추에이터 장치(100)에 사용되는 액추에이터 모듈(110)의 개수와 장갑형 몸체에 부착되는 위치는 특별히 제한적이지 않으며, 사용 환경 및 적용 방식에 따라 다양한 변형이 가능하다.
한편, 장갑형 액추에이터 장치(100)에 부가된 3축 가속도 센서(102)는 장갑형 액추에이터 장치(100)의 움직임에 따른 가속도 값을 이용하여, 액추에이터 모듈(110)의 위치를 감지한다.
도 2는 본 발명에 따른 장갑형 액추에이터 장치 사용시 변위차에 따른 전압변화와 실제 사물의 골곡을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 3축 가속도 센서(102)를 통해 액추에이터 모듈(110)의 공간 상 위치가 감지되며, 액추에이터 모듈(110)의 변위차에 따른 전압 변화는 실제 사물의 골곡 곡선과 유사하게 나타난다. 사인파 곡선의 그래프는 액추에이터 모듈(110)의 전압 세기를 결정하며, 액추에이터 모듈(110)은 실제 사물의 촉감을 전달하도록 진동한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 장갑형 액추에이터 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 3과 같이 액추에이터 모듈(110, 120, 130, 140, 150)을 장갑형 몸체 상에 복수개 부착하면, 사용자 신체의 여러 부위에 동시에 촉감을 전달할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시한 액추에이터 모듈의 구성을 나타내는 사시도이며, 도 5는 도 4의 액추에이터 모듈을 A-A 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 액추에이터 모듈(120)은 하부판(122)과 피에조 디스크 액추에이터(124)를 포함한다. 하부판(122)은 피에조 디스크 액추에이터(124)를 고정하며, 물체의 표면에 접촉가능하다. 사용자는 손가락과 물체의 표면 사이의 간격이 작을수록 물체 표면에 실제 접촉하는 듯한 촉감을 느낄 수 있으므로, 하부판(122)은 최대한 얇게 구성하는 것이 바람직하다.
피에조 디스크 액추에이터(124)는 하나만 사용될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 피에조 디스크 액추에이터들(124)이 격자형으로 배열될 수 있다. 도 4에서 프레임(126)은 피에조 디스크 액추에이터(124)로 인가되는 전압을 전달하는 전도체로 이루어지며, 소정 곡률을 갖는 오목한 형상으로 구성되어, 사용자의 손가락에 밀착될 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 물체 표면의 미세 굴곡 정보를 전달하기 위해 소형 액추에이터들이 특수 형태로 배열되어, 점이 아닌 면에서의 2차원 굴곡 정보가 전달될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액추에이터 모듈의 구성을 도시한 단면도이며, 도 7은 도 6의 액추에이터 모듈의 저면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 액추에이터 모듈(130)은 기공(136)을 갖는 하부판(132)과 피에조 디스크 액추에이터(134)를 포함하며, 하부판(132)과 평평한 접촉면 사이의 스퀴즈 필름(squeeze film) 현상을 이용하여 접촉면 상에서 액추에이터 모듈(130)의 이동을 원활하게 한다. 접촉면과 접촉하는 하부판(132)은 점이 아닌 면과 접촉하기 위한 모양이며, 스퀴즈 필름 현상을 이용하기 위해 기공(136)을 갖는다.
보다 구체적으로, 피에조 디스크 액추에이터(134)가 사용자의 손가락에 접촉하고 있는 상태에서 상하로 진동하게 되면, 피에조 디스크 액추에이터(134)와 연결된 하부판(132)도 손가락에 대해 상대적인 움직임을 형성한다. 피에조 디스크 액추에이터(134)의 진동에 따른 하부판(132)의 미소한 움직임은 하부판(132)의 기공(136)과 접촉면 사이에 공기층을 형성시킨다. 상기 공기층에 의해 하부판(132)과 접촉면 사이에 스퀴즈 필름이 형성되면, 하부판(132)과 접촉면 사이에 표면 마찰력이 감소하여, 액추에이터 모듈(130)과 접촉면과의 매끄러운 상대적인 움직임이 구현될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 액추에이터 모듈의 구성을 도시한 사시도이다.
도 8을 참조하면, 액추에이터 모듈(140)은 피에조 디스크 액추에이터(144)와 상기 피에조 디스크 액추에이터(144)를 고정하는 하부판(142)을 포함한다. 피에조 디스크 액추에이터(144)의 도체 부분에는 사용자의 피부에 접촉하여 발생할 수 있는 감전을 방지하도록 얇은 절연체가 부착될 수 있다.
도 9는 도 8의 액추에이터 모듈을 B-B 선을 따라 절취한 단면도로서, 전압이 인가되지 않았을 때의 피에조 디스크 액추에이터(144)를 나타내는 단면도이며, 도 10은 전압이 인가되었을 때, 모양이 변형된 피에조 디스크 액추에이터(144)를 나타내는 단면도이다.
도 11은 사물의 굴곡에 따라 변하는 전압과 피에조 디스크 액추에이터의 모양을 나타내는 도면이다.
도 11을 참조하면, 사물 표면의 굴곡의 모양과 거칠기 정도에 따라 발생된 전압의 세기에 반응하여, 피에조 디스크 액추에이터(124, 134, 144)가 움직이면, 그 모양도 변형되어 사용자가 피부를 통해 실제 사물의 모양을 느낄 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 방법의 순서도이다.
도 12를 참조하면, 터치스크린(200)에는 미리 설정된 프로그램이 구동되며(S110), 터치스크린(200)에 표시되는 상기 프로그램 상의 사물의 거칠기나 골곡 등의 표면 정보가 추출되어, 터치스크린(200)과 연동하는 메모리 또는 제어기에 저장된다(S120).
다음으로, 장갑형 액추에이터 장치(100)가 터치스크린(200)에 접근하여, 액추에이터 모듈(110, 120, 130, 140, 150)의 하부판이 터치스크린(200)에 접촉하면, 터치스크린 상의 특정 위치에서 사물의 표면 정보에 관한 데이터 신호가 제어부를 통해 액추에이터 모듈(110, 120, 130, 140, 150)로 전달된다(S130). 여기서, 사물의 표면 정보에 관한 데이터 신호는 전기 신호로서 제어부에서 생성되고, 액추에이터 모듈(110, 120, 130, 140, 150)로 전달되어, 피에조 디스크 액추에이터(124, 134, 144)를 작동시키는 트리거 신호로 작용할 수 있다.
이어서, 피에조 디스크 액추에이터(124, 134, 144)는 사물의 표면 정보에 대응하여 진동 및 변형을 일으키며, 사용자에게 촉감을 전달한다(S140).
계속하여, 장갑형 액추에이터 장치(100)가 터치스크린(200)과 접촉하면서 이동함에 따라(S150), 상기 130 단계부터 150 단계가 반복된다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 방법의 순서도이다.
도 13을 참조하면, 우선 사물 표면의 미세한 굴곡 정보가 저장되어 있는 미리 설정된 프로그램을 구동하여, 공간 상에 가상의 사물을 제공한다(S210). 상기 공간 상에 가상의 사물을 제공하기 위해 홀로그램 등이 이용될 수 있다.
이어서, 장갑형 액추에이터 장치(100)에 부착된 3축 가속도 센서(102)의 공간 상 위치 정보를 초기화한다(S220). 다음으로, 장갑형 액추에이터 장치(100)가 공간 상에서 상하좌우로 움직이면, 3축 가속도 센서(102)가 변위차 정보를 산출한다(S230).
제어부는 상기 산출된 변위차 정보를 바탕으로 장갑형 액추에이터 장치(100)의 공간 상의 위치를 산출한다(S240). 이어서, 제어부는 공간 상의 위치에 해당하는 미세한 굴곡 정보를 인식하여, 피에조 디스크 액추에이터(124, 134, 144)를 구동하기 위해 전압 세기 및/또는 진폭의 크기 등의 정보가 포함된 구동 신호를 생성한다(S250). 공간 상의 굴곡 정보의 거칠기 요소는 자극의 주파수에 따라 변화하는 것으로, 상기 구동 신호가 주파수 형태의 신호로 구성되면, 표면의 거칠기 값을 용이하게 변화 시킬 수 있으며 도 7의 장치의 경우는 마찰 계수를 용이하게 변화시킬 수 있다.
다음으로, 상기 제어부에서 생성된 전압 세기나 진폭의 크기 등의 정보가 포함된 구동 신호는 액추에이터 모듈(110, 120, 130, 140, 150)로 전달되며, 이에 따라 피에조 디스크 액추에이터(124, 134, 144)가 진동 및 변형하면서 사용자에게 촉감을 전달한다(S260).
계속하여, 장갑형 액추에이터 장치(100)가 공간 상에서 이동함에 따라(S270), 상기 230 단계부터 270 단계가 반복된다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 단지 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 디스플레이되는 물체 표면의 촉감을 전달하는 촉감 전달 시스템으로서,
    미리 설정된 프로그램을 구동하는 터치스크린; 및
    상기 터치스크린에 표시되는 상기 프로그램 상의 물체 표면의 굴곡 정보를 제공하도록 상기 터치스크린에 접촉하는 부위를 진동시키는 장갑형 액추에이터 장치를 포함하며,
    상기 장갑형 액추에이터 장치는,
    진동 자극을 제공하는 하나 이상의 액추에이터 모듈;
    상기 액추에이터 모듈의 위치를 감지하는 3축 가속도 센서; 및
    상기 3축 가속도 센서에서 감지한 위치 정보를 상기 터치스크린 상의 상응하는 위치에 맵핑시키며, 상기 맵핑된 위치에 해당하는 물체 표면의 굴곡 정보에 따라 상기 액추에이터 모듈을 진동시키도록 구동 신호를 생성하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 액추에이터 모듈은,
    상기 터치스크린의 표면에 접촉하는 하부판; 및
    상기 하부판에 연결되며, 상기 제어기에 구동 신호에 따라 진동하는 피에조 디스크 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 액추에이터 모듈은,
    상기 하부판과 연결되는 오목한 형상으로 구성되며, 내측에 상기 피에조 디스크 액추에이터가 배치되는 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 프레임 내측에는 복수의 피에조 디스크 액추에이터가 격자형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 하부판의 저면에는 복수의 기공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 피에조 디스크 액추에이터의 도체 부분에는 절연체가 부착된 것을 특징으로 하는 촉감 전달 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 프로그램 상의 물체 표면의 굴곡 정보에 대한 맵을 데이터베이스화하여 저장하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 시스템.
  8. 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 방법으로서,
    미리 설정된 프로그램을 터치스크린에서 구동시키는 단계;
    상기 터치스크린에 표시되는 상기 프로그램 상의 물체 표면의 굴곡 정보에 대한 맵을 데이터베이스화하여 저장하는 단계;
    상기 장갑형 액추에이터의 액추에이터 모듈을 상기 터치스크린에 접촉시키는 단계;
    상기 터치스크린 상에서의 상기 액추에이터 모듈의 위치를 감지하여, 감지된 위치에 해당하는 물체 표면의 굴곡 정보를 제공하도록 상기 장갑형 액추에이터 장치의 제어부에서 상기 액추에이터 모듈을 진동시키기 위한 구동 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 구동 신호에 따라 상기 액추에이터 모듈을 진동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 터치스크린 상에서의 상기 액추에이터 모듈의 위치는 상기 장갑형 액추에이터 장치에 부착된 3축 가속도 센서에서 감지하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 방법.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 액추에이터 모듈은 피에조 디스크 액추에이터를 포함하며, 상기 피에조 디스크 액추에이터는 상기 제어부에서 생성된 전기적인 구동 신호를 물리적 신호로 변환하여 진동하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 방법.
  11. 장갑형 액추에이터 장치를 이용한 촉감 전달 방법으로서,
    물체 표면의 굴곡 정보가 저장되어 있는 미리 설정된 프로그램을 구동하여, 공간 상에 가상의 물체를 제공하는 단계;
    상기 장갑형 액추에이터 장치의 공간 상 이동을 3축 가속도 센서가 감지하고, 공간 상의 변위차 정보를 이용하여 위치를 산출하는 단계;
    상기 산출된 위치를 상기 가상의 물체의 해당 위치에 맵핑시키는 단계;
    상기 맵핑된 위치에 해당하는 상기 물체 표면의 굴곡 정보를 제공하도록 제어부에서 상기 장갑형 액추에이터 장치를 진동시키기 위한 구동 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 구동 신호에 따라 상기 액추에이터 모듈을 진동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 물체 표면의 굴곡 정보에 대한 맵을 데이터베이스화하여 상기 제어부에 미리 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 구동 신호는 주파수 형태의 신호로 구성되는 것을 특징으로 하는 촉감 전달 방법.
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