WO2014142596A1 - 에어 쿠션 동작 감지 장치 및 방법 - Google Patents

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WO2014142596A1
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air cushion
air
contact surface
pattern
magnitude
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PCT/KR2014/002148
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이수웅
권순오
김영진
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한국생산기술연구원
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    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/171—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using fluid means
    • G—PHYSICS
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/042—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means
    • G06F3/0421—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means by interrupting or reflecting a light beam, e.g. optical touch-screen

Definitions

  • the present invention relates to an air cushion motion detection apparatus and method.
  • a force sensor is used to measure the pressure applied from the outside.
  • the force sensor directly converts the force applied from the outside into an electrical signal of a corresponding magnitude and outputs it.
  • the contact portion of the force sensor in contact with the user is made of a solid material such as metal, thereby reducing the user's feeling.
  • the contact portion with the user is covered with a soft material such as polyurethane.
  • the sensitivity of the force sensor is reduced and the performance of the force sensor is reduced.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to accurately detect the operating state of the air cushion and improve the user's convenience.
  • an air cushion motion sensing device is configured to output a corresponding air pressure detection signal by sensing an air pressure inside the air cushion, and a plurality of patterns arranged on the inner surface of the air cushion.
  • An air pressure sensing unit a temperature sensing unit for sensing a temperature inside the air cushion and outputting a corresponding temperature sensing signal, and outputting a pattern image for each pattern photographed by photographing the plurality of patterns located under the air cushion.
  • the air pressure sensor is connected to a photographing unit, the air pressure detecting unit, the temperature sensing unit, and the photographing unit, and determines the air pressure inside the air cushion using the air pressure sensing signal, and uses the temperature sensing signal to determine the air pressure inside the air cushion.
  • the magnitude of the force Fv (t) applied in the Y direction is preferably calculated by the following equation.
  • Pa (t) is the air pressure of the determined air cushion
  • P 0 is the initial air pressure of the air cushion
  • Sa is the lower area of the air cushion
  • Ka is the virtual modulus of elasticity in the cylinder piston model
  • Sh (t) Is the area of the contact surface of the air cushion
  • Ta (t) is the temperature of the determined air cushion.
  • the air cushion motion detecting apparatus may further include a heat sensing unit or a touch sensing unit located in the air cushion, and the control unit uses an area of the contact surface by using a signal output from the heat sensing unit or the touch sensing unit. Can be calculated.
  • the magnitude of the force Fh (t) applied in the X direction may be calculated by the following equation.
  • ⁇ x is the amount of movement in the horizontal direction
  • ⁇ y is the amount of movement in the vertical direction.
  • the control unit calculates the position [X (t)] of the X coordinate of each pattern and the position [Y (t)] of the Y coordinate of each pattern using the following equation, and averages the positions of the X coordinates of the plurality of patterns. And the average value of the position of the Y coordinate for the plurality of patterns as the current coordinate value for the current contact surface, and calculates the difference between the current coordinate value and the previous coordinate value for the contact surface calculated in the previous step, X for the contact surface It is preferable to calculate the movement amounts ⁇ X and ⁇ Y in the directions and the Y directions.
  • a method for detecting an air cushion including measuring air pressure inside an air cushion, measuring a temperature inside the cushion, and displaying a pattern image of each of a plurality of patterns arranged in the air cushion. Acquiring, comparing the photographed pattern image with the initial pattern image, and the area of the contact surface between the air cushion and a pressure applying unit applying pressure to the outside of the air cushion and the amount of movement in the X and Y directions relative to the contact surface; Determining the magnitude of the force applied in the Y direction to the air cushion using the determined temperature, the air pressure and the area of the contact surface, and the determined amount of movement of the contact surface. Determining the magnitude of the force applied in the X direction.
  • Pa (t) is the air pressure of the determined air cushion
  • P 0 is the initial air pressure of the air cushion
  • Sa is the lower area of the air cushion
  • Ka is the virtual modulus of elasticity in the cylinder piston model
  • Sh (t) Is the area of the contact surface of the air cushion
  • Ta (t) is the temperature of the determined air cushion.
  • ⁇ x is the amount of movement in the horizontal direction
  • ⁇ y is the amount of movement in the vertical direction. to be.
  • the step of determining the magnitude of the force applied in the X direction calculating the position [X (t)] of the X coordinate and the position [Y (t)] of the Y coordinate of each pattern by using the following equation; Calculating the average value of the position of the X coordinate with respect to the pattern and the average value of the position of the Y coordinate with respect to the plurality of patterns as the current coordinate values for the current contact surface, and the transfer of the current coordinate value and the contact surface calculated in the previous step.
  • the method may further include calculating a difference between coordinate values to calculate movement amounts ⁇ X and ⁇ Y in the X direction and the Y direction with respect to the contact surface.
  • the direction and magnitude of the force applied to the air cushion filled with air are accurately determined. For this reason, the operation state of an air cushion is correctly determined, the operation
  • FIG. 1 is a block diagram of an air cushion motion detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view schematically showing an air cushion device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an operation of an air cushion motion detecting apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a state change of the air cushion when a force is applied in the vertical direction to the air cushion according to an embodiment of the present invention, (a) is a view showing a state change of the air cushion device schematically; , (b) is a view schematically showing a change of a plurality of patterns located on the inner surface of the air cushion.
  • FIG. 5 is a view showing a state change of the air cushion when a force is applied to the air cushion in the horizontal direction according to an embodiment of the present invention
  • (a) is a view showing a state change of the air cushion device schematically
  • (b) is a view schematically showing a change of a plurality of patterns located on the inner surface of the air cushion.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between a position of a pattern at an actual position of an inner surface of an air cushion and a length of a long axis of a pattern image displayed on a display unit, according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 7 illustrates a change in the shape of the air cushion and a change in the position of the pattern when the air cushion is positioned in the pressure applying unit according to an embodiment of the present invention, and (a) illustrates a change in the shape of the air cushion. , (b) is a view showing a change in the position of the pattern according to the change of the shape of the air cushion.
  • Figure 8 (a) is the initial shape of the pattern located on the inner surface when the pressure applying unit is not located in the air cushion according to an embodiment of the present invention, (b) is the pattern of the pattern when the pressure applying unit is located in the air cushion It is a figure which shows the shape of a changing pattern.
  • FIG. 9 is a view showing a state change of the air cushion when a force is applied in the vertical direction to the air cushion according to an embodiment, (a) is a view schematically showing a state change of the air cushion, (b) (A) is a figure which expressed the piston cylinder model.
  • FIG. 10 is a view showing a state change of the air cushion when a force is applied in the horizontal direction to the air cushion according to an embodiment.
  • FIGS. 1 and 2 an air cushion motion sensing device according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail.
  • an air cushion motion detecting apparatus includes an air cushion device 100 having an air cushion 110, and air in the air cushion 110.
  • (temperature sensor) 13 a photographing unit 15 for photographing the pattern 111 formed in the air cushion 110 and outputting a photographed image, and an air pressure sensing unit 11, a temperature sensing unit 13, and
  • the control unit 20 is connected to the photographing unit 15.
  • the air cushion device 100 includes an air cushion 110, a transparent substrate 120 positioned below the air cushion 110, and a lower portion of the transparent substrate 120. Positioned on the substrate 130 to support the transparent substrate 120.
  • the air cushion 110 has an airtight space 110 filled with air, and the elasticity of the outer surface of the air cushion 110 exposed to the outside is determined according to the magnitude of the pressure applied from the outside. It is made of a material having.
  • the air cushion 110 is covered with a corresponding material to form an upper part, but the lower part is open.
  • the air cushion 110 is made of a material having elasticity that increases or decreases according to a pressure applied from the outside, and may be made of, for example, a rubber material.
  • the inner surface of the air cushion 110 (that is, the inner surface of the upper portion opposite to the outer surface) includes a plurality of patterns 111 arranged to be spaced apart in the horizontal and vertical directions at predetermined intervals.
  • a plurality of patterns 111 arranged to be spaced apart in the horizontal and vertical directions at predetermined intervals.
  • nine patterns 111 are arranged in a 3 ⁇ 3 matrix structure, the number and spacing of the patterns 111 located on the inner surface of the air cushion 110 are adjusted as necessary.
  • each pattern 111 is made of a color contrasted with the color of the air cushion 110, the shape change and the size change of each pattern 111 in the image taken by the photographing unit 15 can be more easily distinguished As an example, each pattern 111 may be white.
  • each pattern 111 is circular, so that the deformed size can be easily determined according to the pressure change applied from the outside.
  • the transparent substrate 120 is in contact with the lower portion of the air cushion 110 and completely covers the opened lower portion, whereby the air cushion 110 has a structure sealed by the transparent substrate 120.
  • the plurality of patterns 111 disposed on the inner surface of the air cushion 110 are exposed to the outside through the transparent substrate 120.
  • the transparent substrate 120 is made of a transparent material such as plastic or glass.
  • the pedestal 130 is positioned directly below the transparent substrate 120 to support the transparent substrate 120 on which the air cushion 110 is located.
  • An empty space is located inside the pedestal 130, and the imaging unit 15 is located in the space.
  • the photographing unit 15 is positioned to correspond to the plurality of patterns 111, and changes depending on the pressure applied to the air cushion 110 from the outside and photographs the pattern 111 reflected to the outside through the transparent substrate 120. do.
  • the air pressure detector 11 is connected to the inside of the air cushion 110 filled with air, and detects the air pressure inside the air cushion 110 to output an air pressure detection signal corresponding to the detected air pressure.
  • the temperature detector 13 is located inside the air cushion 110, and detects a temperature inside the air cushion 110 to output a temperature detection signal corresponding to the detected temperature.
  • the photographing unit 15 captures a plurality of patterns 111 mounted in the pedestal 130 and changes according to external pressure, and then outputs the captured image to the controller 20.
  • the control unit 20 uses a signal and an image output from the air pressure detecting unit 11, the temperature detecting unit 13, and the image capturing unit 15 in a direction perpendicular to the horizontal force applied to the air cushion 110. To determine the power.
  • the direction (horizontal direction and vertical direction) of the force applied to the air cushion 110 and the magnitude of the force are determined without using an expensive force sensor.
  • the control unit 20 reads the air pressure detection signal output from the air pressure detecting unit 11 (S11), and determines the internal air pressure in the air cushion 110 (S13).
  • control unit 20 reads the temperature sensing signal output from the temperature sensing unit 13 (S15), and determines the temperature in the air cushion 110 (S17).
  • the controller 20 reads an image output from the photographing unit 15 (S19), and performs a pattern image processing operation on the obtained image (S21).
  • an image signal corresponding to an image photographed by the controller 20 from the photographing unit 15 may be transmitted through a universal serial bus.
  • the control unit 20 removes the noise component included in the image transmitted through the imaging unit 15 and displays the obtained color image in black and white (for example, white on a black background).
  • the shape of the pattern image is determined.
  • the contour processing for each pattern image may be performed using an application programming interface (API) of open-CV (open source computer vision library).
  • API application programming interface
  • control unit 20 determines the center point for each pattern image to obtain the center point coordinates for each pattern image, and uses the center point coordinates and the shape of each pattern image to form a major axis and a short axis ( pattern image processing to determine the size of the minor axis).
  • control unit 20 calculates the movement amounts ⁇ X and ⁇ Y in the X direction (that is, the planar direction) and the Y direction (that is, the depth direction) by using the data of the contact surface calculated in the previous step, and the air cushion 110 In order to press the area of the contact surface with the pressure applying unit, such as a finger in contact with the outer surface of the upper air cushion 110 is calculated (S23).
  • the plurality of patterns 111 attached to the upper inner surface of the air cushion 110 are lowered in the vertical direction so that the upper portion of the upper cushion of the air cushion 110 is positioned in the pedestal 130. To the side.
  • the air cushion 110 is made of a rubber material having elasticity, the upper inner surface is increased by the applied pressure, so that the position of each pattern 111 is also at the edge of the air cushion 110, that is, in FIG. 4. Move in all directions as indicated by the arrow in (b).
  • the photographing unit 15 when the air cushion 110 is pressed when compared with the initial image of each pattern 111, that is, the initial pattern image OI, which is photographed when the air cushion 110 is in an initial state before the air cushion 110 is pressed, the photographing unit 15 when the air cushion 110 is pressed.
  • the size of the pattern image MI captured by the display unit 30 and displayed on the display unit 30 increases, and the distance between adjacent pattern images MI also increases.
  • each pattern 111 is moved in one of the left direction, the right direction, the forward direction and the backward direction in the plane to move in the X direction, wherein the direction of the force applied and the magnitude of the force is horizontal It is called the direction of force applied to the direction and the magnitude of the force.
  • each pattern 111 is moved in the X direction.
  • the pattern image MI obtained by the photographing unit 15 and displayed on the display unit 30 is displayed on the plane.
  • the position is moved in the corresponding direction, and the size of each pattern image MI is also increased.
  • the controller 20 compares the pattern image photographed by the photographing unit 15 with the initial pattern image to determine the moving direction and the moving amount of each pattern 110.
  • FIG. 6 shows the relationship between the position of the pattern 110 at the actual position of the inner surface of the air cushion 110 and the length of the long axis of the pattern image displayed on the display portion 30 (ie, the image display surface).
  • d is the initial diameter of each pattern (ie, the diameter of each pattern 110 when no pressure is applied to the upper surface of the air cushion 111 by the pressure applying unit) and a (t) is obtained.
  • the length of the major axis and L is the focal length.
  • the X coordinates of the plurality of patterns 111 are calculated.
  • the mean value for the position [X (t)] and the mean value for the position [X (t)] of the Y coordinate for the plurality of patterns 111 are the present coordinate values [X (t), Y (t) for the current contact surface. )].
  • the difference between the current coordinate values [X (t), Y (t)] and the previous coordinate values [X (t) ', Y (t)'] with respect to the contact surface calculated in the previous step is calculated.
  • the current movement amounts ⁇ X and ⁇ Y in the X and Y directions that is, the change amount ⁇ X of the coordinate value in the X coordinate and the change amount ⁇ Y of the coordinate value in the Y coordinate are calculated.
  • the controller 20 determines the current state of the air cushion 110 by using signals and images output from the air pressure sensor 11, the temperature sensor 13, and the photographing unit 15.
  • the control unit 20 is provided with a storage unit (not shown), and the storage unit has a position of the contact surface calculated in the previous step, a previous position with respect to the contact surface [X (t) ', Y (t)'], and a contact surface.
  • the previous shift amounts ⁇ X ', ⁇ Y' for the above are stored.
  • control unit 20 uses the movement amounts ⁇ X and ⁇ Y of the patterns 111 and the contact surfaces of the air cushion 110 in contact with the outer surface of the air cushion 110 using the lengths of the long and short axes of the patterns 111. Calculate the area of.
  • the shape of the portion where the pressure applying unit 500 is located that is, the pattern 111 existing at the reference position has a circular shape or an approximate circular shape
  • the pattern located around the pressure applying unit 500 the circular shape is changed into an elliptical shape by the balloon effect.
  • the portion having the mountain ridge shape has a pattern 111 shape which is close to the circular shape which is the initial shape again.
  • each elliptic ratio i.e., short axis length / long axis length in each pattern
  • the elliptic ratio of the pattern located immediately before the pattern located at the portion of the mountain floor shape is minimal.
  • the contact area of the pressure applying unit 500 may be roughly estimated to be a portion surrounded by a ridge on the basis of a reference position where the pressure applying unit 500 is located.
  • the contact area of the pressure applying unit 500 has an elliptic ratio value (that is, a short axis length d2 / long axis length in each pattern) centered on a reference pattern, that is, the pattern pressed deepest at the reference position.
  • d1 is estimated as the area of the portion formed by the pattern having the smallest value.
  • a plurality of patterns 111 having a circular shape are located on the inner surface of the air cushion 110 in a shape as shown in FIG. 8A.
  • the pattern shape photographed by the photographing unit 15 when the reference pattern image 111a is formed from among the plurality of pattern images according to the position of the pressure applying unit, the plurality of pattern images positioned around the reference pattern image 111a are elliptical pattern images 111b.
  • the elliptic ratio value of the pattern image 111b is reduced from the initial state (i.e., the circular pattern image), but is partially separated from the reference pattern image 111a, that is, the ridge.
  • the controller 20 determines the reference pattern image 111a by using each pattern image photographed by the photographing unit 15, and has an oval pattern having a minimum elliptic ratio value centering on the reference pattern image 111a.
  • the image 111b is determined.
  • the valid elliptic pattern image 111b is recognized by the valid elliptic ratio value, and the elliptic ratio value of the measured elliptic pattern image 111b is within the range defined as [minimum elliptic ratio value ⁇ valid value ( ⁇ )]. It is assumed to have a ratio value.
  • the area of the portion surrounded by the elliptical pattern image 111b (that is, the portion surrounded by the pattern image 111b hatched in Fig. 8B) is measured, and the measured area is used.
  • the contact area between the pressure applying unit and the air cushion 110 is calculated.
  • the controller 20 can know the X coordinate and the Y coordinate of each pattern image 111a, 111b, and 111c, the distance d1 and d2 between the reference pattern image 111a and the elliptical pattern image 111b. ), So the contact area can be calculated from the measured distance.
  • the correction value may be applied to the measured area to improve the reliability of the contact area.
  • the correction value is the difference between the area of the inner surface of the actual inner cushion and the inner surface by the image taken when the inner surface of the air cushion 110 and the inner surface is photographed by the photographing unit 15 and displayed as a plane Can be calculated based on this.
  • control unit 20 adjusts the area of the contact surface between the pressure applying unit and the air cushion 110. Can be calculated.
  • the heat detection unit outputs a corresponding heat detection signal according to the detected heat, and calculates the area of the contact surface by using the distribution of the heat detection signal, and the contact detection unit is a sensor in which the output signal changes according to whether the force is applied.
  • the touch sensing signal can be output using
  • the control unit 20 calculates the current The position of the contact surface, the position with respect to the contact surface [X (t), Y (t)], the movement amount ⁇ X, ⁇ Y with respect to the contact surface, the position of the previous contact surface, the previous position with respect to the contact surface [X (t) ', Y (t) ) '], And the previous movement amounts ( ⁇ X', ⁇ Y ') with respect to the contact surface.
  • the order of the air pressure determination operation and the temperature sensing operation can be changed, and the order of the area determination operation of the contact surface and the movement amount determination operation can also be changed.
  • control unit 20 determines the magnitude of the force applied in the vertical direction by using the determined air pressure, temperature and the area of the contact surface (S25).
  • FIG. 7A When a force Fv (t) in the vertical direction is applied to the air cushion 110 by a pressure applying unit such as a user's hand as shown in FIG. 7A, the coefficient acting on the air cushion 110 is shown in FIG. It may be represented by a cylinder piston model such as (b) of (7).
  • Pa (t) is the current air pressure in the air cushion 110 determined using the air pressure detecting unit 11
  • Sa is a lower area of the air cushion 110
  • the air cushion 110 includes an open portion.
  • the area of the contact portion of the transparent substrate 120 is a constant
  • Ps (t) is atmospheric pressure
  • f ko is an initial elastic force element of the material constituting the air cushion 110
  • h (t) is the imaginary thickness of the air cushion 110 that varies with the air pressure (Va (t)) inside the air cushion 110 in the cylinder piston model, Fv (t) of the air cushion 110
  • P 0 is the initial pressure (ie, initial air pressure) in the air cushion 1100 measured before pressing the air cushion 110.
  • Equation 7 Since it is difficult to calculate the virtual thickness [h (t)] of the air cushion 110 in Equation 6 directly, the value of the virtual thickness [h (t)] of the air cushion 110 is determined by the air cushion ( Using the relationship between the lower area Sa of the 110 and the air pressure Va (t) inside the air cushion 110, it is calculated indirectly as shown in Equation 7 below.
  • Equation 7 the air pressure Va (t) inside the air cushion 110 is indirectly calculated using Equation 8 using Boyle-Charles' Law. .
  • T 0 is an initial temperature value inside the air cushion 110, and may be a temperature measured in advance by using the temperature sensor 13 before the air cushion 110 is operated by an external pressure.
  • Ta (t) is the current temperature in the air cushion 110 determined using the temperature sensor 13
  • P 0 is the initial air pressure inside the air cushion 110
  • V 0 is inside the air cushion 110 Initial air volume.
  • Equation 9 the force Fv (t) applied in the vertical direction to the air cushion 110 is expressed again by the following Equation 9.
  • Equations 8 and 9 as described above, Pa (t) and Ta (t) are measured using the air pressure sensor 11 and the temperature sensor 13, and P 0 , V 0. , T 0 and S 0 are also measured.
  • Ka (t) is a parameter that changes with time, and is influenced by the stretch force of the material forming the air cushion 110. At this time, the stretching force of the material is affected by the air pressure inside the air cushion 110 and the area of the contact surface between the pressure applying portion and the upper portion of the air cushion 110.
  • Ka (t) is expressed as a function of the air pressure [Pa (t)] inside the air cushion 110 and the area [Sh (t)] of the contact surface between the pressure applying unit, as shown in Equation 10 below. .
  • Equation 9 is expressed again as in Equation 11 below, and the force [Fv () applied to the air cushion 110 in the vertical direction according to Equation 11 is obtained. t)] is calculated.
  • Ta (t) is a temperature in the air cushion 110 determined using the temperature sensor 13.
  • 't' means time.
  • control unit 20 applies the force Fv (t) in the vertical direction of the air cushion 110 according to [Equation 11] by using the determined air pressure, temperature, and area of the contact surface in the air cushion 110. ] Is measured.
  • the controller 20 measures the force Fh (t) applied in the horizontal direction of the air cushion 110 (S27).
  • control unit 20 uses the movement amounts ⁇ Y and ⁇ Y determined at the present stage, and the force [Fh (t) applied to the air cushion 110 in the horizontal direction through the equation (12). )].
  • a1, a2, a3, a4 and a5 are coefficients for determining the elasticity of the material constituting the air cushion 110 and are constants. At this time, a1, a2, a3, a4 and a5 are calculated by the least-squares method and have different values.
  • control unit 20 measures the magnitude of the force applied in the vertical direction and the horizontal direction when the air cushion 110 is pressed by a finger or the like to determine the direction and magnitude of the force applied to the air cushion 110. do.
  • steps S11 to 27 are performed at predetermined time periods, so that the control unit 20 detects the air pressure sensing signal of the air pressure sensing unit 11 and the temperature sensing signal of the temperature sensing unit 13 at predetermined time periods.
  • the image acquired by the photographing unit 15 is acquired to calculate the force Fv (t) applied in the vertical direction and the force Fh (t) applied in the horizontal direction.
  • the air cushion 110 in which the direction and magnitude of the force application is determined in this manner is used instead of an input device such as a mouse such as a computer, or as an auxiliary device of the input device, or wirelessly accesses an object such as a robot. Can be used as a device to adjust by wire.
  • the direction of movement of the cursor or the object of the display device may be determined by using the force of the air cushion 110 in the direction of applying force, and the degree of movement may be determined according to the magnitude of the force applied in the determined direction.
  • the material of the air cushion 110 is made of a cold, hard metal or plastic, instead of a soft and elastic rubber material and the inside is filled with air.
  • the air cushion 110 is used rather than an input device such as a mouse, a trackball, a joystick, or the like, the touch and cushioning on the skin are improved, and the usability is improved.
  • the cursor or the object is controlled in a desired state even by the direction of movement and the degree of movement or the pressure of the finger or the like positioned on the air cushion 110 without the operation of greatly moving or rotating the finger in the desired direction. This is possible and the fatigue of the user is greatly reduced.
  • an air cushion is used in an embodiment of the present invention as a switching switch such as an on state and an off state or a switch for controlling an operation amount
  • the operation of a desired device is precisely driven with little movement.
  • fatigue of the user is reduced and accurate control of the control object is achieved.

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Abstract

본 발명은 에어 쿠션 동작 감지 장치에 관한 것으로서, 상기 에어 쿠션 동작 감지 장치는 내부에 공기가 충진되어 있고 내부면에 복수의 패턴이 배열되어 있는 에어 쿠션, 상기 에어 쿠션 내부의 공기압을 감지하여 해당하는 공기압 감지 신호를 출력하는 공기압 감지부, 상기 에어 쿠션 내부의 온도를 감지하여 해당하는 온도 감지 신호를 출력하는 온도 감지부, 상기 에어 쿠션 하부에 위치하여 상기 복수의 패턴을 촬영하여 촬영된 각 패턴에 대한 패턴 영상을 출력하는 촬영부, 상기 공기압 감지부, 상기 온도 감지부 및 상기 촬영부에 연결되어 있고, 상기 공기압 감지 신호를 이용해 상기 에어 쿠션 내부의 공기압을 판정하고, 상기 온도 감지 신호를 이용하여 상기 에어 쿠션 내부의 온도를 판정하며, 촬영된 상기 패턴 영상과 초기 패턴 영상을 비교하여 상기 에어 쿠션과 상기 에어 쿠션 외부에 압력을 인가하는 압력 인가부와의 접촉면의 면적과 상기 접촉면에 대한 X 방향과 Y 방향에 대한 이동량을 판정하고, 판정된 상기 온도, 상기 공기압 및 상기 접촉면의 면적을 이용하여 상기 에어 쿠션에 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기를 판정하고, 판정된 상기 접촉면의 이동량을 이용하여 상기 에어 쿠션에 X 방향으로 인가되는 힘의 크기를 판정하는 제어부를 포함한다.

Description

에어 쿠션 동작 감지 장치 및 방법
본 발명은 에어 쿠션 동작 감지 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 외부에서 인가되는 압력을 측정하기 위해, 힘 센서(force sensor)가 사용된다.
힘 센서는 외부로부터 인가되는 힘을 바로 대응하는 크기의 전기적인 신호로 변환하여 출력한다.
이러한 힘 센서에서 사용자와 접촉하는 부분은 금속과 같은 견고한 물질로 이루어져 있으므로, 사용자의 사용감이 감소한다. 따라서, 종래에는 힘 센서의 사용감을 향상시키기 위해, 사용자와의 접촉 부분을 폴리우레탄(polyurethane)과 같은 부드러운 재료로 덮었다.
하지만 이러한 부드러운 재료의 연성 정도(softness)와 힘 센서의 두께 증가로 인해, 힘 센서의 감도(sensitivity)가 감소하여 힘 센서의 성능이 감소하는 문제가 발생하였다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 에어 쿠션의 동작 상태를 정확하게 감지하고 사용자의 편리성을 향상시키기 것이다.
본 발명의 한 특징에 따른 에어 쿠션 동작 감지 장치는 내부에 공기가 충진되어 있고 내부면에 복수의 패턴이 배열되어 있는 에어 쿠션, 상기 에어 쿠션 내부의 공기압을 감지하여 해당하는 공기압 감지 신호를 출력하는 공기압 감지부, 상기 에어 쿠션 내부의 온도를 감지하여 해당하는 온도 감지 신호를 출력하는 온도 감지부, 상기 에어 쿠션 하부에 위치하여 상기 복수의 패턴을 촬영하여 촬영된 각 패턴에 대한 패턴 영상을 출력하는 촬영부, 상기 공기압 감지부, 그리고 상기 온도 감지부 및 상기 촬영부에 연결되어 있고, 상기 공기압 감지 신호를 이용해 상기 에어 쿠션 내부의 공기압을 판정하고, 상기 온도 감지 신호를 이용하여 상기 에어 쿠션 내부의 온도를 판정하며, 촬영된 상기 패턴 영상과 초기 패턴 영상을 비교하여 상기 에어 쿠션과 상기 에어 쿠션 외부에 압력을 인가하는 압력 인가부와의 접촉면의 면적과 상기 접촉면에 대한 X 방향과 Y 방향에 대한 이동량을 판정하고, 판정된 상기 온도, 상기 공기압 및 상기 접촉면의 면적을 이용하여 상기 에어 쿠션에 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기를 판정하고, 판정된 상기 접촉면의 이동량을 이용하여 상기 에어 쿠션에 X 방향으로 인가되는 힘의 크기를 판정하는 제어부를 포함한다.
상기 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기[Fv(t)]는 다음의 식에 의해 산출되는 것이 좋다.
Figure PCTKR2014002148-appb-I000001
,
Figure PCTKR2014002148-appb-I000002
(여기서, Pa(t)는 판정된 에어 쿠션의 공기압이고, P0는 에어 쿠션의 초기 공기압이고, Sa는 에어 쿠션의 하부 면적이고, Ka는 실린더 피스톤 모델에서의 가상 탄성 계수, Sh(t)는 에어 쿠션의 접촉면의 면적이며, Ta(t)는 판정된 에어 쿠션의 온도이다.)
상기 특징에 따른 에어 쿠션 동작 감지 장치는 상기 에어 쿠션에 위치하는 열 감지부 또는 접촉 감지부를 더 포함할 수 있고, 상기 제어부는 상기 열 감지부나 상기 접촉 감지부에서 출력되는 신호를 이용하여 접촉면의 면적을 산출할 수 있다.
상기 X 방향으로 인가되는 힘의 크기[Fh(t)]는 다음의 식에 의해 산출될 수 있다.
Figure PCTKR2014002148-appb-I000003
(여기서, a1, a2, a3, a4 및 a5는 에어 쿠션을 구성하는 재료의 탄성을 결정짓는 계수로서 상수이고, Δx는 수평 방향으로의 이동량이고, Δy는 수직 방향으로의 이동량이다.)
상기 제어부는 다음의 식을 이용하여 각 패턴의 X 좌표의 위치[X(t)]와 Y 좌표의 위치[Y(t)]를 산출하고, 상기 복수의 패턴에 대한 X 좌표의 위치에 대한 평균값과 복수의 패턴에 대한 Y 좌표의 위치에 대한 평균값을 현재 접촉면에 대한 현재 좌표값으로 산출하고, 현재 좌표값과 이전 단계에서 산출된 접촉면에 대한 이전 좌표값의 차이를 산출하여, 접촉면에 대한 X 방향과 Y 방향에 대한 이동량(ΔX, ΔY)을 산출하는 것이 바람직하다.
Figure PCTKR2014002148-appb-I000004
,
Figure PCTKR2014002148-appb-I000005
(여기서, d는 각 패턴의 초기 지름이고 a(t)는 얻어진 각 패턴에 대한 패턴 영상에서 장축의 크기이며, L은 초점 거리이다.)
본 발명의 다른 특징에 따른 에어 쿠션 동작 감지 방법은 에어 쿠션 내부의 공기압을 측정하는 단계, 상기 쿠션 내부의 온도를 측정하는 단계, 상기 에어 쿠션 내부에 배열되어 있는 복수의 패턴 각각에 대한 패턴 영상을 획득하는 단계, 촬영된 상기 패턴 영상과 초기 패턴 영상을 비교하여 상기 에어 쿠션과 상기 에어 쿠션 외부에 압력을 인가하는 압력 인가부와의 접촉면의 면적과 상기 접촉면에 대한 X 방향과 Y 방향에 대한 이동량을 판정하는 단계, 판정된 상기 온도, 상기 공기압 및 상기 접촉면의 면적을 이용하여 상기 에어 쿠션에 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기를 판정하는 단계, 그리고 판정된 상기 접촉면의 이동량을 이용하여 상기 에어 쿠션에 X 방향으로 인가되는 힘의 크기를 판정하는 단계를 포함한다.
상기 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기 판정 단계는 다음의 식을 이용하여 상기 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기[Fv(t)]를 산출하는 것이 좋다.
Figure PCTKR2014002148-appb-I000006
,
Figure PCTKR2014002148-appb-I000007
(여기서, Pa(t)는 판정된 에어 쿠션의 공기압이고, P0는 에어 쿠션의 초기 공기압이고, Sa는 에어 쿠션의 하부 면적이고, Ka는 실린더 피스톤 모델에서의 가상 탄성 계수, Sh(t)는 에어 쿠션의 접촉면의 면적이며, Ta(t)는 판정된 에어 쿠션의 온도이다.)
상기 X 방향으로 인가되는 힘의 크기 판정 단계는 다음의 식을 이용하여 상기 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기[Fh(t)]를 산출하는 것이 바람직하다.
Figure PCTKR2014002148-appb-I000008
(여기서, a1, a2, a3, a4 및 a5는 에어 쿠션을 구성하는 재료의 탄성을 결정짓는 계수로서 상수이고, Δx는 수평 방향으로의 이동량이고, Δy는 수직 방향으로의 이동량이다.)
상기 X 방향으로 인가되는 힘의 크기 판정 단계는 다음의 식을 이용하여 각 패턴의 X 좌표의 위치[X(t)]와 Y 좌표의 위치[Y(t)]를 산출하는 단계, 상기 복수의 패턴에 대한 X 좌표의 위치에 대한 평균값과 복수의 패턴에 대한 Y 좌표의 위치에 대한 평균값을 현재 접촉면에 대한 현재 좌표값으로 산출하는 단계, 그리고 현재 좌표값과 이전 단계에서 산출된 접촉면에 대한 이전 좌표값의 차이를 산출하여, 접촉면에 대한 X 방향과 Y 방향에 대한 이동량(ΔX, ΔY)을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
Figure PCTKR2014002148-appb-I000009
,
Figure PCTKR2014002148-appb-I000010
(여기서, d는 각 패턴의 초기 지름이고 a(t)는 얻어진 각 패턴에 대한 패턴 영상에서 장축의 크기이며, L은 초점 거리이다.)
이러한 특징에 따르면, 공기가 충진되어 있는 에어 쿠션에 힘이 인가되는 방향과 크기가 정확하게 판정한다. 이로 인해, 에어 쿠션의 동작 상태가 정확하게 판정되어, 에어 쿠션을 이용하여 원하는 대상물의 동작을 정확하고 신속하게 판정하여 사용자의 편리성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 에어 쿠션 동작 감지 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 에어 쿠션 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 에어 쿠션 동작 감지 장치의 동작 순서도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 에어 쿠션에 수직 방향을 힘이 인가될 때 에어 쿠션의 상태 변화를 도시한 도면으로서, (a)는 에어 쿠션 장치의 상태 변화를 개략적으로 도시한 도면이고, (b)는 에어 쿠션 내부면에 위치한 복수의 패턴의 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 에어 쿠션에 수평 방향을 힘이 인가될 때 에어 쿠션의 상태 변화를 도시한 도면으로서, (a)는 에어 쿠션 장치의 상태 변화를 개략적으로 도시한 도면이고, (b)는 에어 쿠션 내부면에 위치한 복수의 패턴의 변화를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 에어 쿠션의 내부면의 실제 위치에서의 패턴의 위치와 표시부에 표시된 패턴 영상의 장축의 길이 사이의 관계를 도시한 도면이다.
도 7는 본 발명의 한 실시예에 따른 에어 쿠션에 압력 인가부에 위치할 때, 에어 쿠션의 형상 변화와 패턴의 위치 변화를 도시한 것으로서, (a)는 에어 쿠션의 형상 변화를 도시한 것이고, (b)는 에어 쿠션의 형상 변화에 따른 패턴의 위치 변화를 도시한 도면이다.
도 8의 (a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 에어 쿠션에 압력 인가부가 위치하지 않을 경우 내부면에 위치한 패턴의 초기 형상이고, (b)는 에어 쿠션에 압력 인가부가 위치할 때 패턴의 변하는 패턴의 형상을 도시한 도면이다.
도 9는 한 실시예에 따른 에어 쿠션에 수직 방향을 힘이 인가될 때 에어 쿠션의 상태 변화를 도시한 도면으로서, (a)는 에어 쿠션의 상태 변화를 개략적으로 도시한 도면이고, (b)는 (a)를 피스톤 실린더 모델로 표시한 도면이다.
도 10은 한 실시예에 따른 에어 쿠션에 수평 방향을 힘이 인가될 때 에어 쿠션의 상태 변화를 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 에어 쿠션동작 감지 장치 및 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참고로 하여 본 발명의 한 실시예에 따른 에어 쿠션 동작 감지 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2를 참고로 하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 에어 쿠션 동작 감지 장치는 에어 쿠션(air cushion)(110)을 구비한 에어 쿠션 장치(100), 에어 쿠션(110) 내의 공기 압력(즉, 공기압)을 감지하여 해당하는 상태의 신호를 출력하는 공기압 감지부(pneumatic pressure sensor)(11), 에어 쿠션(110) 내의 온도를 감지하여 해당하는 상태의 신호를 출력하는 온도 감지부(temperature sensor)(13), 에어 쿠션(110) 내부에 형성된 패턴(111)을 촬영하여 촬영된 영상을 출력하는 촬영부(15), 그리고 공기압 감지부(11), 온도 감지부(13) 및 촬영부(15)와 연결되어 있는 제어부(20)를 구비한다.
도 2를 참고로 하면, 에어 쿠션 장치(100)는, 이미 설명한 것처럼, 에어 쿠션(110)을 갖고 있고, 에어 쿠션(110) 하부에 위치하는 투명 기판(120), 그리고 투명 기판(120) 하부에 위치하여 투명 기판(120)을 지지하고 있는 받침대(130)을 구비한다.
에어 쿠션(110)은 공기로 채워져 있는 밀폐된 공간(110)을 갖고 있고, 외부에서 인가되는 압력의 크기에 따라 외부에 노출되어 있는 에어 쿠션(110)의 외부 면이 눌러지는 정도가 정해지는 탄성을 갖는 재질로 이루어져 있다.
에어 쿠션(110)은 도 2에 도시한 것처럼, 상부는 해당 재질로 덮어져 있어 상부를 형성하지만, 하부는 개방되어 있다.
에어 쿠션(110)은 외부에서 인가되는 압력에 따라 늘어나거나 줄어드는 신축성을 갖는 재질로 이루어져 있고, 예를 들어 고무 재질로 이루어질 수 있다.
이러한 에어 쿠션(110)의 내부 면(즉, 외부 면의 반대 편에 위치하는 상부의내부 면)에는 정해진 간격으로 가로와 세로 방향으로 이격되게 배열되어 있는 복수의 패턴(111)을 구비한다. 본 예에서, 3×3 행렬 구조로 배열되어 있는 9개의 패턴(111)을 구비하지만, 에어 쿠션(110)의 내부 면에 위치하는 패턴(111)의 개수와 간격을 필요에 따라 조정된다.
이때, 각 패턴(111)은 에어 쿠션(110)의 색상과 대비되는 색상으로 이루어져, 촬영부(15)에 의해 촬영된 영상에서 각 패턴(111)의 형상 변화와 크기 변화를 좀더 용이하게 구분될 수 있도록 하고, 한 예로서, 각 패턴(111)은 흰색으로 이루어질 수 있다.
또한, 각 패턴(111)의 형상을 원형으로서, 외부에서 인가되는 압력 변화에 따라 변형된 크기를 용이하게 판정할 수 있도록 한다.
투명 기판(120)은 에어 쿠션(110)의 하부와 접해 있어 개방된 하부를 완전히 덮고, 이로 인해, 에어 쿠션(110)은 투명 기판(120)에 의해 밀폐된 구조를 갖고 있다.
따라서, 투명 기판(120)을 통해 에어 쿠션(110)의 내부면에 위치한 복수의 패턴(111)은 외부로 노출된다.
투명 기판(120)은 플라스틱(plastic)이나 유리 등과 같은 투명한 재질로 이루어져 있다.
받침대(130)는 투명 기판(120) 바로 하부에 위치하여, 에어 쿠션(110)이 위치하고 있는 투명 기판(120)을 지지한다.
이러한 받침대(130) 내부에는 빈 공간이 위치하고, 이 공간 내에 촬영부(15)가 위치한다.
이때, 촬영부(15)는 복수의 패턴(111)과 대응되게 위치하여, 외부로부터 에어 쿠션(110)에 가해지는 압력에 따라 변하고 투명 기판(120)을 통해 외부로 비치는 패턴(111)을 촬영한다.
공기압 감지부(11)는 공기로 채워진 에어 쿠션(110)의 내부에 연결되어, 에어 쿠션(110) 내부의 공기압을 감지하여 감지된 공기압에 해당하는 공기압 감지 신호를 출력한다.
온도 감지부(13)는 에어 쿠션(110) 내부에 위치하며, 에어 쿠션(110) 내부의 온도를 감지하여 감지된 온도에 해당하는 온도 감지 신호를 출력한다.
촬영부(15)는 이미 설명한 것처럼, 받침대(130) 속에 장착되어 외부 압력에 따라 변하는 복수의 패턴(111)을 촬영한 후, 촬영하여 얻어진 영상을 제어부(20)로 출력한다.
제어부(20)는 공기압 감지부(11), 온도 감지부(13) 및 촬영부(15)에서 출력되는 신호와 영상을 이용하여 에어 쿠션(110)에 가해지는 수평 방향으로의 힘과 수직 방향으로의 힘을 판정한다.
이로 인해, 고가의 힘 센서(force sensor)를 사용하지 않고 에어 쿠션(110)에 인가되는 힘의 방향(수평 방향 및 수직 방향)과 힘의 크기가 판정된다.
다음, 도 3을 참고로 하여, 에어 쿠션 동작 감지 장치의 동작에 대하여 설명한다.
먼저, 동작을 시작하면(S10), 제어부(20)는 공기압 감지부(11)에서 출력되는 공기압 감지 신호를 판독하여(S11), 에어 쿠션(110) 내의 내부 공기압을 판정한다(S13).
다음, 제어부(20)는 온도 감지부(13)에서 출력되는 온도 감지 신호를 판독하여(S15), 에어 쿠션(110) 내의 온도를 판정한다(S17).
또한, 제어부(20)는 촬영부(15)에서 출력되는 영상을 판독하여(S19), 획득한 영상에 대한 패턴 영상 처리 동작을 실시한다(S21). 이때, 범용 직렬 버스(universal serial bus)를 통해 촬영부(15)로부터 제어부(20)로 촬영된 영상에 해당하는 영상 신호가 전송될 수 있다.
따라서, 패턴 영상 처리 동작에 의해, 제어부(20)는 촬영부(15)를 통해 전송된 영상에 포함되어 있는 노이즈 성분을 제거하고 획득된 컬러 영상을 흑백(예를 들어, 검은색 바탕에 흰색의 패턴이 위치하는 영상) 영상(binary image)으로 처리하는 이진 처리(binary processing)를 실시하고, 획득된 흑백 영상 신호를 이용하여 각 패턴(111)을 촬영한 각 패턴 영상에 대한 윤곽 처리를 실시하여 패턴 영상의 형상을 판정한다. 이때, 각 패턴 영상에 대한 윤곽 처리는 오픈-씨브이[Open-CV(open source computer vision library)]의 API(Application Programming Interface)를 이용하여 행해질 수 있다.
그런 다음, 제어부(20)는 각 패턴 영상에 대한 중심점을 판정하여 각 패턴 영상에 대한 중심점 좌표를 획득하고, 중심점 좌표와 각 패턴 영상의 형상을 이용하여 각 패턴의 장축(major axis)과 단축(minor axis)의 크기를 판정하는 패턴 영상 처리를 실시합니다.
다음, 제어부(20)는 이전 단계에서 산출된 접촉면의 데이터를 이용하여 X 방향(즉 평면 방향)과 Y 방향(즉 깊이 방향)으로의 이동량(ΔX, ΔY)을 산출하고, 에어 쿠션(110)을 누르기 위해 에어 쿠션(110) 상부의 외부면에 접하는 손가락 등과 같은 압력 인가부와의 접촉면의 면적을 산출한다(S23).
다음, X 방향으로의 이동량(ΔX)과 수직 방향인 Y방향으로의 이동량(ΔY)을 산출하는 방법을 설명한다.
도 4의 (a)에 도시한 것처럼, 에어 쿠션(110)에 힘이 수직 방향인 Y 방향으로 인가되면 에어 쿠션(110)의 표면이 눌리게 되어 에어 쿠션(110)의 상부의 내부면에 위치한 패턴(111)의 이동이 발생한다.
이로 인해, 에어 쿠션(110)의 상부 내부면에 부착되어 있는 복수의 패턴(111)은 수직 방향으로 하강하여 에어 쿠션(110)의 상부 내부면이 받침대(130) 속에 위치하고 있는 촬영부(15) 쪽으로 이동하게 된다.
또한 에어 쿠션(110)이 신축성을 갖고 있는 고무 재질로 이루어져 있으므로, 인가되는 압력에 의해 상부 내부면이 늘어나게 되어 각 패턴(111)의 위치 역시 에어 쿠션(110)의 가장자리 쪽, 즉, 도 4의 (b)에 화살표로 표시한 것처럼 사방으로 이동한다.
따라서, 에어 쿠션(110)이 눌리기 전인 초기 상태일 때 촬영된 각 패턴(111)의 초기 영상, 즉 초기 패턴 영상(OI)과 비교할 때, 에어 쿠션(110)이 눌렸을 때 촬영부(15)에 의해 촬영되어 표시부(30)에 표시되는 패턴 영상(MI)의 크기는 증가하고 인접한 패턴 영상(MI)간의 거리 역시 증가하게 된다.
또한, 도 5의 (a)에 도시한 것처럼, 에어 쿠션(110)에 인가되는 힘의 방향이 수직 방향과 교차하는 방향인 측면으로 힘이 인가되면, 에어 쿠션(110)의 상부 내부면에 부착되어 있는 각 패턴(110)은 도 5의 (b)에 도시한 화살표처럼 힘이 인가되는 방향, 예들 들어, 좌측 방향, 우측 방향, 전진 방향 및 후진 방향 중 적어도 하나의 방향으로 움직이게 되고 동시에 수직 방향으로도 하강하게 된다. 이 경우, 역시 에어 쿠션(110)의 표면이 늘어나므로 각 패턴(111)의 크기와 인접한 패턴(111) 간의 간격은 초기 상태의 패턴(111) 간격과 상이하다.
본 예에서, 평면상으로 각 패턴(111)의 위치가 좌측 방향, 우측 방향, 전진 방향 및 후진 방향 중 하나로 움직이는 것을 X 방향으로 이동하는 것으로 하며, 이때 가해지는 힘의 방향과 힘의 크기는 수평 방향으로 인가되는 힘의 방향과 힘의 크기라 한다.
이로 인해, 에어 쿠션(110)의 측면으로 힘이 가해지면, 각 패턴(111)은 X 방향으로 이동하게 된다.
따라서, 초기 상태일 때 촬영된 각 초기 패턴 영상(OI)과 비교할 때, 측면으로 힘이 가해질 때 촬영부(15)에 의해 획득되어 표시부(30)에 표시되는 패턴 영상(MI)의 평면상에서의 위치는 해당 방향으로 이동하게 되며, 각 패턴 영상(MI)의 크기 또한 증가하게 된다.
따라서, 제어부(20)는 촬영부(15)를 통해 촬영된 패턴 영상을 초기 패턴 영상과 비교하여 각 패턴(110)의 이동 방향과 이동량을 판정한다.
도 6는 에어 쿠션(110)의 내부면의 실제 위치에서의 패턴(110)의 위치와 표시부(30)(즉, 영상 표시면)에 표시된 패턴 영상의 장축의 길이 사이의 관계를 도시한다.
도 6에 도시한 그래프에 기초하면, 다음의 [수학식 1]과 같은 관계식을 얻어지고, [수학식 1]을 이용한 [수학식 2] 및 [수학식 3]에 따라 실제 공간[즉, 에어 쿠션(110)의 내부면)]에 위치한 각 패턴의 X 좌표의 위치[X(t)]와 Y 좌표의 위치[Y(t)]가 산출된다.
수학식 1
Figure PCTKR2014002148-appb-M000001
수학식 2
Figure PCTKR2014002148-appb-M000002
수학식 3
Figure PCTKR2014002148-appb-M000003
여기서, d는 각 패턴의 초기 지름[즉, 압력 인가부에 의해 에어 쿠션(111) 상부면에 압력이 가해지지 않은 초기 상태일 때, 각 패턴(110)의 지름]이고 a(t)는 얻어진 각 패턴 영상에서 장축의 크기이며, L은 초점 거리이다.
이와 같이, 현재 단계에서 복수의 패턴(111) 각각에 대한 X 좌표의 위치[X(t)]와 Y 좌표의 위치[Y(t)]를 산출하면, 복수의 패턴(111)에 대한 X 좌표의 위치[X(t)]에 대한 평균값과 복수의 패턴(111)에 대한 Y 좌표의 위치[X(t)]에 대한 평균값을 현재 접촉면에 대한 현재 좌표값[X(t), Y(t)]으로 산출한다.
그런 다음, 현재 좌표값[X(t), Y(t)]과 이전 단계에서 산출된 접촉면에 대한 이전 좌표값[X(t)', Y(t)']의 차이를 산출하여, 접촉면에 대한 X 방향과 Y 방향에 대한 현재 이동량(ΔX, ΔY), 즉, X 좌표에서 좌표값의 변화량(ΔX)과 Y 좌표에서 좌표값의 변화량(ΔY)을 산출한다.
이와 같이, 제어부(20)는 공기압 감지부(11), 온도 감지부(13) 및 촬영부(15)에서 출력되는 신호와 영상을 이용하여 현재 에어 쿠션(110)의 상태를 판정한다.
제어부(20)는 저장부(도시하지 않음)를 구비하고 있고, 저장부에 이전 단계에서 산출된 접촉면의 위치, 접촉면에 대한 이전 위치[X(t)', Y(t)'], 접촉면에 대한 이전 이동량(ΔX', ΔY')을 저장한다.
다음, 제어부(20)는 각 패턴(111)의 이동량(ΔX, ΔY)과, 각 패턴(111)의 장축과 단축의 길이를 이용하여 에어 쿠션(110)의 외부면과 압력 인가부가 접하고 있는 접촉면의 면적을 산출한다.
즉, 에어 쿠션(110)에 압력 인가부(500)에 의해 에어 쿠션(110)이 눌러질 경우, 도 7의 (a)와 같이 압력 인가부(500)에 위치하는 에어 쿠션(110)의 부분은 촬영부(15)와 가장 인접하게 위치하는 최저 부분이 되고, 이 최저 부분의 주변은 풍선 효과에 의해 위쪽 방향으로 올라가게 되어 촬영부(15)와 가장 멀게 위치하는 최고 부분이 된다.
따라서, 도 7의 (b)와 에어 쿠션(110)의 내부면에 배열되어 있는 복수의 패턴(111)을 측면에서 볼 때 도 7의 (b)와 같이 압력 인가부(500)가 위치한 부분이 가장 낮고 압력 인가부(500) 주변 부분은 산마루와 같이 솟아 올라있다.
또한, 압력 인가부(500)가 위치한 부분, 즉, 기준 위치에 존재하는 패턴(111)의 형상은 초기 모습인 원형 또는 원형에 가까운 형상을 갖고 있지만, 압력 인가부(500) 주변에 위치한 패턴(111)은 풍선 효과에 의해 원형의 형상이 타원형으로 바뀌게 된다.
하지만, 산 마루 형상을 갖는 부분은 다시 초기 형상인 원형에 가까운 패턴(111) 형상을 갖게 된다.
따라서, 기준 위치에서 산마루 형상을 갖는 부분으로 갈수록 각 타원 비율(즉, 각 패턴에서 단축길이/장축길이)을 감소하게 되어, 산 마루 형상의 부분에 위치한 패턴 바로 직전에 위치한 패턴의 타원 비율이 최소가 될 수 있다.
이를 기초로 하여, 압력 인가부(500)의 접촉 면적은 압력 인가부(500)가 위치한 부분인 기준 위치를 중심으로 산마루 부분으로 에워싸인 부분으로 개략적으로 추정할 수 있다.
이로 인해, 본 예의 경우, 압력 인가부(500)의 접촉 면적은 기준 패턴, 즉 기준 위치에서 가장 깊게 눌러진 패턴을 중심으로 타원 비율값[즉, 각 패턴에서 단축길이(d2)/장축길이(d1)]이 가장 작은 값을 갖는 패턴으로 형성되는 부분의 면적으로 추정한다.
예를 들어, 도 8의 (a)와 같은 형상으로 에어 쿠션(110)의 내부면에 원형 형상을 갖는 복수의 패턴(111)이 위치한다고 가정하자.
이때, 도 8의 (a)와 같은 패턴 형상을 갖는 에어 쿠션(110)에 압력 인가부에 의해 에어 쿠션(110)이 눌러질 때 촬영부(15)로 촬영한 패턴 형상[(도 8의 (b)]에서, 압력 인가부의 위치에 따라 복수의 패턴 영상 중에서 기준 패턴 영상(111a)이 형성되면, 이 기준 패턴 영상(111a)을 중심으로 주변에 위치한 복수의 패턴 영상은 타원형 패턴 영상(111b)으로 변하게 되어, 이 패턴 영상(111b)의 타원 비율값이 초기 상태(즉, 원형의 패턴 영상)보다 감소하게 된다. 하지만, 기준 패턴 영상(111a)에서 어느 정도 이격되어 있는 부분, 즉 산마루 부분에 위치하는 패턴 영상은 다시 원형에 가까운 패턴 영상(111c)으로 되어 이들 패턴 영상(111c)의 타원 비율값은 다시 증가하게 된다.
따라서, 제어부(20)는 촬영부(15)에 의해 촬영된 각 패턴 영상을 이용하여 기준 패턴 영상(111a)을 정하고, 이 기준 패턴 영상(111a)을 중심으로 하여 최소 타원 비율값을 갖는 타원형 패턴 영상(111b)을 정한다. 이때, 최소 타원 비율값에 유효값(α)을 인정하여, 측정된 타원형 패턴 영상(111b)의 타원 비율값이 [최소 타원 비율값±유효값(α)]으로 정해진 범위 내에 존재하면 동일한 최소 타원 비율값을 갖는 것으로 간주한다.
그런 다음, 타원형 패턴 영상(111b)으로 에워싸여져 있는 부분[즉, 도 8의 (b)에서 빗금친 패턴 영상(111b)으로 에워싸여져 있는 부분]의 면적을 측정하고, 이 측정된 면적을 이용하여 압력 인가부과 에어 쿠션(110)간의 접촉 면적을 산출한다. 이미 설명한 것처럼, 제어부(20)는 각 패턴 영상(111a, 111b, 111c)에 대한 X좌표와 Y좌표를 알 수 있으므로, 기준 패턴 영상(111a)과 타원형 패턴 영상(111b)간의 거리(d1, d2) 또한 측정할 수 있으므로, 측정된 거리를 이용해 접촉 면적을 산출할 수 있다.
또한, 측정된 면적에 보정값을 적용하여 접촉 면적의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 이때, 보정값은 실제 에어 쿠션(110)의 내부면의 면적과 내부면이 촬영부(15)로 촬영되어 평면으로 표시될 때 실제 내부면의 면적과 촬영된 영상에 의한 내부면의 면적 차이를 기초하여 산출될 수 있다.
하지만, 대안적인 예에서, 에어 쿠션(110)의 상부면에 열 감지부나 접촉 감지부와 같은 별도의 감지부를 이용하여, 제어부(20)는 압력 인가부와 에어 쿠션(110)의 접촉면의 면적을 산출할 수 있다.
이때, 열 감지부는 감지되는 열에 따라 해당하는 열 감지 신호를 출력하여, 열 감지 신호의 분포를 이용하여 접촉면의 면적을 산출할 수 있고, 접촉 감지부는 힘의 인가 여부에 따라 출력 신호가 변하는 센서 등을 이용하여 접촉 감지 신호를 출력할 수 있다.
위에 기재한 것처럼, 현재 단계에서, 접촉면의 위치, 접촉면에 대한 위치[X(t), Y(t)], 접촉면에 대한 이동량(ΔX, ΔY)이 산출되면, 제어부(20)는 현재 산출된 접촉면의 위치, 접촉면에 대한 위치[X(t), Y(t)], 접촉면에 대한 이동량(ΔX, ΔY)을 이전 접촉면의 위치, 접촉면에 대한 이전 위치[X(t)', Y(t)'], 접촉면에 대한 이전 이동량(ΔX', ΔY')으로 저장한다.
이때, 공기압 판정 동작과 온도 감지 동작의 순서는 변경 가능하며, 접촉면의 면적 판정 동작과 이동량 판정 동작의 순서는 또한 변경 가능하다.
그런 다음, 제어부(20)는 판정된 공기압, 온도 및 접촉면의 면적을 이용하여 수직 방향으로 인가되는 힘의 크기를 판정한다(S25).
도 7의 (a) 처럼 사용자의 손과 같은 압력 인가부에 의해 에어 쿠션(110)에 수직 방향으로의 힘[Fv(t)]이 인가될 때, 에어 쿠션(110)에 작용하는 계수는 도 7의 (b)와 같은 실린더 피스톤 모델(cylinder piston model)로 표현될 수 있다.
도 4의 (b)에 도시한 물리 모델에 파스칼 이론(Pascal' principle)과 후크의 법칙(Hooke's Law)을 적용하면, 다음의 [수학식 4]과 [수학식 5]과 같은 수식이 얻어진다.
수학식 4
Figure PCTKR2014002148-appb-M000004
수학식 5
Figure PCTKR2014002148-appb-M000005
여기서, Pa(t)는 공기압 감지부(11)를 이용해 판정된 에어 쿠션(110) 내의 현재 공기압이고, Sa는 에어 쿠션(110)의 하부 면적으로서, 개방된 부분을 포함한 에어 쿠션(110)과 투명 기판(120)이 접해 있는 부분의 면적으로서 상수이며, Ps(t)는 대기압이고, fko는 에어 쿠션(110)을 구성하는 재질의 초기 탄성 계수(initial elastic force element)이고, Ka(t)는 도7의 (b)에 도시된 실린더 피스톤 모델에서의 가상 탄성 계수(hypothetical elastic element)이다.
또한, h(t)는 실린더 피스톤 모델에서 에어 쿠션(110) 내부의 공기압[Va(t)]에 따라 변하는 에어 쿠션(110)의 가상적인 두께이고, Fv(t)는 에어 쿠션(110)의 수평 방향으로 인가되는 힘의 크기이며, P0는 에어 쿠션(110)을 누르기 전에 측정된 에어 쿠션(1100) 내의 초기 압력(즉, 초기 공기압)이다.
[수학식 4]에 [수학식 5]를 적용하면, Fv(t)는 다음 [수학식 6]처럼 표현된다.
수학식 6
Figure PCTKR2014002148-appb-M000006
[수학식 6]에서 에어 쿠션(110)의 가상적인 두께[h(t)]는 직접 산출하는 것이 곤란하므로, 에어 쿠션(110)의 가상적인 두께[h(t)]의 값은 에어 쿠션(110)의 하부 면적(Sa)과 에어 쿠션(110) 내부의 공기압[Va(t)]의 관계를 이용해 다음 [수학식 7]과 같이 간접적으로 산출된다.
수학식 7
Figure PCTKR2014002148-appb-M000007
또한, [수학식 7]에서, 에어 쿠션(110) 내부의 공기압[Va(t)]은 보일-샤를의 법칙(Boyle-Charles' Law)을 사용하여 [수학식 8]를 이용해 간접적으로 산출한다.
수학식 8
Figure PCTKR2014002148-appb-M000008
[수학식 8]에서, T0는 에어 쿠션(110) 내부의 초기 온도값으로서, 에어 쿠션(110)이 외부 압력에 의해 동작되기 전에 온도 감지부(13)를 이용해 미리 측정된 온도일 수 있고, Ta(t)는 온도 감지부(13)를 이용해 판정된 에어 쿠션(110) 내의 현재 온도이며, P0는 에어 쿠션(110) 내부의 초기 공기압이고, V0는 에어 쿠션(110) 내부의 초기 공기 부피이다.
[수학식 6] 내지 [수학식 8]를 기초로 하여, 에어 쿠션(110)에 수직 방향으로 인가되는 힘[Fv(t)]은 다음의 [수학식 9]로 다시 표현된다.
수학식 9
Figure PCTKR2014002148-appb-M000009
[수학식 8] 및 [수학식 9]에서, 이미 설명한 것처럼, Pa(t)와 Ta(t)는 공기압 감지부(11)와 온도 감지부(13)를 이용해 측정되고, P0, V0, T0 및 S0 역시 측정된다.
하지만, Ka(t)는 시간에 따라 변하는 매개 변수(parameter)로서, 에어 쿠션(110)을 이루는 재료의 신장력(stretch force)에 영향을 받는다. 이때, 재료의 신장력은 에어 쿠션(110) 내부의 공기압 그리고 압력 인가부와 에어 쿠션(110)의 상부와의 접촉면의 면적에 영향을 받는다.
따라서, Ka(t)는 다음 [수학식 10]과 같이, 에어 쿠션(110) 내부의 공기압 [Pa(t)]과 압력 인가부와의 접촉면의 면적[Sh(t)]의 함수로 표현된다.
수학식 10
Figure PCTKR2014002148-appb-M000010
결과적으로, [수학식 10]을 이용해 [수학식 9]는 다음의 [수학식 11]처럼 다시 표현되어, [수학식 11]에 따라 에어 쿠션(110)에 수직 방향으로 인가되는 힘[Fv(t)]이 산출된다.
수학식 11
Figure PCTKR2014002148-appb-M000011
[수학식 11]에서, Ta(t)는 온도 감지부(13)를 이용해 판정된 에어 쿠션(110) 내의 온도이다. 't'는 시간을 의미한다.
이와 같이, 제어부(20)는 판정된 에어 쿠션(110) 내의 공기압, 온도, 및 접촉면의 면적을 이용해 [수학식 11]에 따라 에어 쿠션(110)의 수직 방향으로 인가되는 힘[Fv(t)]을 측정한다.
다음, 제어부(20)는 에어 쿠션(110)의 수평 방향으로 인가되는 힘[Fh(t)]을 측정한다(S27).
사용자의 손 등에 의에 에어 쿠션(110)에 수평 방향으로의 힘[Fh(t)]이 인가될 때, 도 8에 에어 쿠션(110)의 변화를 개략적으로 도시한다.
도 8에 도시한 것처럼, 수평 방향으로 에어 쿠션(110)에 힘이 가해지면, 수직 방향으로 접촉부의 위치[즉, X 좌표의 위치(X(t)), Y 좌표의 위치(Y(t))]가 변하고, 또한 수평 방향으로 접촉부의 위치가 변하게 되어 이전 상태와 비교할 때, 수평 방향으로의 이동량(ΔY)과 수직 방향으로의 이동량(ΔY)이 발생한다.
따라서, 제어부(20)는 현재 단계에서 판정된 이들 이동량(ΔY, ΔY)을 이용하여 다음의 [수학식 12]와 같은 수식을 통해 에어 쿠션(110)에 수평 방향으로 인가되는 힘[Fh(t)]을 산출한다.
수학식 12
Figure PCTKR2014002148-appb-M000012
여기서, a1, a2, a3, a4 및 a5는 에어 쿠션(110)을 구성하는 재료의 탄성을 결정짓는 계수로서, 상수이다. 이때, a1, a2, a3, a4 및 a5는 최소 자승법(least-squares method)으로 산출되며 서로 상이한 값을 갖고 있다.
이처럼, 제어부(20)는 에어 쿠션(110)이 손가락 등으로 눌려짐에 수직 방향과 수평 방향으로 인가되는 힘의 크기를 측정하여, 에어 쿠션(110)에 힘이 인가되는 방향과 크기를 판정하게 된다.
이와 같은 단계(S11) 내지 단계(27)의 동작은 정해진 시간 주기로 행해져, 제어부(20)는 정해진 시간 주기마다 공기압 감지부(11)의 공기압 감지 신호와 온도 감지부(13)의 온도 감지 신호 및 촬영부(15)에서 획득된 영상을 획득하여 수직 방향으로 인가되는 힘[Fv(t)]과 수평 방향으로 인가되는 힘[Fh(t)]을 산출하게 된다.
이러한 방식에 따라 힘의 인가 방향과 크기가 판정되는 에어 쿠션(110)은 컴퓨터 등의 마우스(mouse)와 같은 입력 장치 대신 또는 입력 장치의 보조 장치로서 사용되거나 로봇(robot) 등의 대상물을 무선 또는 유선으로 조정하는 장치로 사용될 수 있다.
즉, 에어 쿠션(110)의 힘 인가 방향으로 이용하여 표시 장치의 커서(cursor)나 대상물의 움직임 방향으로 정하고, 정해진 방향으로 인가되는 힘의 크기에 따라 움직임 정도를 정할 수 있다.
이와 같이, 에어 쿠션(110)을 사용하여 커서나 대상물의 동작을 제어할 경우, 사용자의 만족도가 향상된다.
즉, 에어 쿠션(110)의 소재가 차갑고 단단한 금속이나 플라스틱 등으로 이루어진 대신, 촉감이 부드럽고 탄력성이 있는 고무 재질로 이루어져 있고 또한 그 내부는 공기로 충진되어 있다.
따라서, 마우스, 트랙볼(trackball), 조이스틱(joystick) 등과 같은 입력 장치보다 에어 쿠션(110)을 사용할 경우, 피부에 닿는 촉감과 쿠션감이 향상되어 사용감이 향상된다.
또한, 손가락을 원하는 방향으로 크게 이동시키거나 회전시키는 동작 없이 단지 에어 쿠션(110) 위에 위치한 손가락 등의 움직임 방향과 움직임 정도나 눌리는 정도 등으로도 원하는 상태로 커서나 대상물을 제어하게 되므로, 미세 조정이 가능하며 사용자의 피로감이 크게 줄어든다.
또한, 본 발명의 한 실시예에 에어 쿠션을 온(on) 상태와 오프(off) 상태와 같은 절환 스위치나 동작량을 제어하는 스위치로 사용될 경우, 적은 움직임으로도 원하는 장치의 동작을 정밀하게 구동하게 되므로, 사용자의 피로감이 감소하고 제어 대상물에 대한 정확한 제어가 이루어진다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 내부에 공기가 충진되어 있고 내부면에 복수의 패턴이 배열되어 있는 에어 쿠션,
    상기 에어 쿠션 내부의 공기압을 감지하여 해당하는 공기압 감지 신호를 출력하는 공기압 감지부,
    상기 에어 쿠션 내부의 온도를 감지하여 해당하는 온도 감지 신호를 출력하는 온도 감지부,
    상기 에어 쿠션 하부에 위치하여 상기 복수의 패턴을 촬영하여 촬영된 각 패턴에 대한 패턴 영상을 출력하는 촬영부, 그리고
    상기 공기압 감지부, 상기 온도 감지부 및 상기 촬영부에 연결되어 있고, 상기 공기압 감지 신호를 이용해 상기 에어 쿠션 내부의 공기압을 판정하고, 상기 온도 감지 신호를 이용하여 상기 에어 쿠션 내부의 온도를 판정하며, 촬영된 상기 패턴 영상과 초기 패턴 영상을 비교하여 상기 에어 쿠션과 상기 에어 쿠션 외부에 압력을 인가하는 압력 인가부와의 접촉면의 면적과 상기 접촉면에 대한 X 방향과 Y 방향에 대한 이동량을 판정하고, 판정된 상기 온도, 상기 공기압 및 상기 접촉면의 면적을 이용하여 상기 에어 쿠션에 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기를 판정하고, 판정된 상기 접촉면의 이동량을 이용하여 상기 에어 쿠션에 X 방향으로 인가되는 힘의 크기를 판정하는 제어부
    를 포함하는 에어 쿠션 동작 감지 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기[Fv(t)]는 다음의 식에 의해 산출되는
    Figure PCTKR2014002148-appb-I000011
    ,
    Figure PCTKR2014002148-appb-I000012
    (여기서, Pa(t)는 판정된 에어 쿠션의 공기압이고, P0는 에어 쿠션의 초기 공기압이고, Sa는 에어 쿠션의 하부 면적이고, Ka는 실린더 피스톤 모델에서의 가상 탄성 계수, Sh(t)는 에어 쿠션의 접촉면의 면적이며, Ta(t)는 판정된 에어 쿠션의 온도이다.)
    에어 쿠션 동작 감지 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 에어 쿠션에 위치하는 열 감지부 또는 접촉 감지부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 열 감지부나 상기 접촉 감지부에서 출력되는 신호를 이용하여 접촉면의 면적을 산출하는
    에어 쿠션 동작 감지 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 X 방향으로 인가되는 힘의 크기[Fh(t)]는 다음의 식에 의해 산출되는
    Figure PCTKR2014002148-appb-I000013
    (여기서, a1, a2, a3, a4 및 a5는 에어 쿠션을 구성하는 재료의 탄성을 결정짓는 계수로서 상수이고, Δx는 수평 방향으로의 이동량이고, Δy는 수직 방향으로의 이동량이다.)
    에어 쿠션 동작 감지 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 제어부는,
    다음의 식을 이용하여 각 패턴의 X 좌표의 위치[X(t)]와 Y 좌표의 위치[Y(t)]를 산출하고,
    Figure PCTKR2014002148-appb-I000014
    ,
    Figure PCTKR2014002148-appb-I000015
    (여기서, d는 각 패턴의 초기 지름이고 a(t)는 얻어진 각 패턴에 대한 패턴 영상에서 장축의 크기이며, L은 초점 거리이다.)
    상기 복수의 패턴에 대한 X 좌표의 위치에 대한 평균값과 복수의 패턴에 대한 Y 좌표의 위치에 대한 평균값을 현재 접촉면에 대한 현재 좌표값으로 산출하고,
    현재 좌표값과 이전 단계에서 산출된 접촉면에 대한 이전 좌표값의 차이를 산출하여 접촉면에 대한 X 방향과 Y 방향에 대한 이동량(ΔX, ΔY)을 산출하는
    에어 쿠션 동작 감지 장치.
  6. 에어 쿠션 내부의 공기압을 측정하는 단계,
    상기 쿠션 내부의 온도를 측정하는 단계,
    상기 에어 쿠션 내부에 배열되어 있는 복수의 패턴 각각에 대한 패턴 영상을 획득하는 단계,
    촬영된 상기 패턴 영상과 초기 패턴 영상을 비교하여 상기 에어 쿠션과 상기 에어 쿠션 외부에 압력을 인가하는 압력 인가부와의 접촉면의 면적과 상기 접촉면에 대한 X 방향과 Y 방향에 대한 이동량을 판정하는 단계,
    판정된 상기 온도, 상기 공기압 및 상기 접촉면의 면적을 이용하여 상기 에어 쿠션에 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기를 판정하는 단계, 그리고
    판정된 상기 접촉면의 이동량을 이용하여 상기 에어 쿠션에 X 방향으로 인가되는 힘의 크기를 판정하는 단계
    를 포함하는 에어 쿠션 동작 감지 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기 판정 단계는 다음의 식을 이용하여 상기 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기[Fv(t)]를 산출하는
    Figure PCTKR2014002148-appb-I000016
    ,
    Figure PCTKR2014002148-appb-I000017
    (여기서, Pa(t)는 판정된 에어 쿠션의 공기압이고, P0는 에어 쿠션의 초기 공기압이고, Sa는 에어 쿠션의 하부 면적이고, Ka는 실린더 피스톤 모델에서의 가상 탄성 계수, Sh(t)는 에어 쿠션의 접촉면의 면적이며, Ta(t)는 판정된 에어 쿠션의 온도이다.)
    에어 쿠션 동작 감지 방법.
  8. 제6항에서,
    상기 X 방향으로 인가되는 힘의 크기 판정 단계는 다음의 식을 이용하여 상기 Y 방향으로 인가되는 힘의 크기[Fh(t)]를 산출하는
    Figure PCTKR2014002148-appb-I000018
    (여기서, a1, a2, a3, a4 및 a5는 에어 쿠션을 구성하는 재료의 탄성을 결정짓는 계수로서 상수이고, Δx는 수평 방향으로의 이동량이고, Δy는 수직 방향으로의 이동량이다.)
    에어 쿠션 동작 감지 방법.
  9. 제8항에서,
    상기 X 방향으로 인가되는 힘의 크기 판정 단계는 다음의 식을 이용하여 각 패턴의 X 좌표의 위치[X(t)]와 Y 좌표의 위치[Y(t)]를 산출하는 단계,
    Figure PCTKR2014002148-appb-I000019
    ,
    Figure PCTKR2014002148-appb-I000020
    ,(여기서, d는 각 패턴의 초기 지름이고 a(t)는 얻어진 각 패턴에 대한 패턴 영상에서 장축의 크기이며, L은 초점 거리이다.)
    상기 복수의 패턴에 대한 X 좌표의 위치에 대한 평균값과 복수의 패턴에 대한 Y 좌표의 위치에 대한 평균값을 현재 접촉면에 대한 현재 좌표값으로 산출하는 단계, 그리고
    현재 좌표값과 이전 단계에서 산출된 접촉면에 대한 이전 좌표값의 차이를 산출하여, 접촉면에 대한 X 방향과 Y 방향에 대한 이동량(ΔX, ΔY)을 산출하는 단계
    를 더 포함하는 에어 쿠션 동작 감지 방법.
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