KR101174450B1 - 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치 및 콘트롤러 장치 - Google Patents
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Abstract
비베이스형 인터페이스에서 버추얼 물체나 게임의 캐릭터에 촉각적으로 닿는 완전 체감을 체험할 수 있는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치를 제공한다.
각종 센서(108)～(111)로부터의 정보 및 콘텐츠 데이터(104)를 토대로 콘텐츠를 작성하는 콘텐츠 작성 장치(102), 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수(1713)를 착촉력각 데이터(106)를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치(103), 착촉력각 디바이스(107)를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치(101), 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치(112)를 구비하고, 착촉력각을 이용하여 손가락 및 몸의 움직임에 맞춰 착촉력각에 의한 항력을 제어함으로써 입체 영상이나 입체 음상에 추가하여 버추얼 물체의 존재 및 형상, 질감인 마찰 감각이나 거칠기 감각을 표현한다.
각종 센서(108)～(111)로부터의 정보 및 콘텐츠 데이터(104)를 토대로 콘텐츠를 작성하는 콘텐츠 작성 장치(102), 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수(1713)를 착촉력각 데이터(106)를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치(103), 착촉력각 디바이스(107)를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치(101), 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치(112)를 구비하고, 착촉력각을 이용하여 손가락 및 몸의 움직임에 맞춰 착촉력각에 의한 항력을 제어함으로써 입체 영상이나 입체 음상에 추가하여 버추얼 물체의 존재 및 형상, 질감인 마찰 감각이나 거칠기 감각을 표현한다.
Description
본 발명은 착각 및 감각 특성을 이용한 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치 및 콘트롤러 장치에 관한 것이다.
더 상술하자면 본 발명은 VR(Virtual Reality) 분야에서 사용되는 기기, 게임 분야에서 사용되는 기기, 휴대전화기, PDA(휴대 정보 단말)에 탑재되는 맨 머신 인터페이스를 제공하기 위한 착촉력각(錯觸力覺) 인터페이스 장치, 착촉력각 정보 제시 방법 및 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에 관한 것이다.
종래의 VR에서의 촉력각 인터페이스 장치로서 장력 내지 반력의 역각(力覺) 제시에서 인간의 감각 기관에 접한 촉력각 디바이스와 촉력각 인터페이스 장치 본체가 와이어나 암 (arm)으로 연결된 것이 있다(비특허문헌 1). 또 비접지형으로 신체내에 베이스가 없는 비베이스형 역각 인터페이스 장치로서, 3축 직교 좌표에 배치된 3개의 플라이휠의 회전을 독립적으로 제어함으로써 임의의 방향 내지 임의의 크기로 토크를 제시할 수 있는 비베이스형 촉력각 인터페이스 장치가 제안되어 있다(비특허문헌 2). 또 사람에게 가상 물체의 존재나 반력을 주는 비베이스형 맨 머신 인터페이스에서 촉력각 인터페이스 장치의 물리적 특성만으로는 제시할 수 없는 감각, 예를 들면 토크 및 힘 등의 촉력각 감각을 동일 방향으로 연속적으로 지각시키는 장치 및 방법이 제안되어 있다(특허문헌 1). 이 촉력각 인터페이스 장치는 인간의 감각 특성을 이용하여 적절하게 물리량을 제어함으로써 물리적으로는 존재할 수 없는 힘을 사람에게 체감시킨다.
또 토크 발생용 플라이휠 대신에 2개의 편심 회전자로 이루어진 "트윈 편심 회전자 방식"을 사용함으로써 회전력 감각에 추가하여 병진력 감각도 동시에 제시할 수 있는 3자유도의 하이브리드형 역각 인터페이스 장치(비특허문헌 3)가 개발되어 있다. 하나의 인터페이스에서 평면내 임의의 방향으로 병진력 및 회전력의 두가지 감각을 연속적으로 제시할 수 있는 하이브리드 기능을 구비한 역각 인터페이스 장치이다. 인간의 비선형 감각 특성을 교묘하게 이용함으로써 손에 가진 자이로 큐브 센서스가 무거워지거나 가벼워지거나 마침내는 떠오른 것처럼 느껴지는 힘감각의 일루젼 효과를 실현하였다.
[비특허문헌 1] 나카무라 노리오, "비접지형 힘감각 제시 인터페이스 「밀고·잡아당기고·떠오르는」일루젼 감각을 체감", 검사 기술, 일본공업출판, 11권, 2호 pp.6-11(2006/02)
[비특허문헌 2] 다나카 요키치, 사카이 가츠타카, 가와노 유카, 후쿠이 사치오, 야마시타 쥬리, 나카무라 노리오, "Mobile Torque Display and Haptic Characteristics of Human Palm", INTERNATIONAL CONFERENCE ON ARTIFICIAL REALITY AND TELEXISTENCE, pp. 115-120(2001/12)
[비특허문헌 3] Nakamura,N., Fukui,Y.: "An Innovative Non-grounding Haptic Interface 'GyroCubeSensuous' displaying Illusion Sensation of Push, Pull, and Lift", Proceedings. of ACM Siggraph2005, 2005.
와이어나 암을 사용하면 그 존재가 인간의 움직임을 구속하고 또 역각 제시 시스템 본체와 역각 제시부를 와이어나 암으로 연결되는 유효 공간에서만 사용할 수 있기 때문에 사용할 수 있는 공간적 확장에 제한이 있다. 3개의 자이로 모터에 의해 발생된 각운동량 합성 벡터를 제어함으로써 토크를 발생시키는 방법은 와이어나 암에 의한 구속이 없고 구조가 비교적 간단하여 제어도 용이하다. 그러나 촉력각 감각을 연속적으로 제시하는 것이나 토크 이외의 힘감각을 제시하는 것이 불가능하다는 문제점도 있다.
나아가 종래의 역각 인터페이스 장치는 사용자의 움직임에 대한 인터페이스의 응답이 나쁘거나 버추얼 물체의 형상이나 질감을 표현할 수 있는 상호 작용을 충분히 얻을 수 없다는 문제가 있었다. 또 모터를 이용한 종래의 편심 회전자에 의한 가감속 기구에서는 발열 및 에너지 소비 절감은 실용화 및 제품화에서의 큰 과제이며, 감각 특성이나 손 크기, 기호에 대한 사용자별 개인차에 대응하여 조작성·사용의 용이성을 향상시키는 것도 불가결한 과제이다.
상술한 점을 감안하여 본 발명의 제1 목적은 비베이스형 인터페이스에서 버추얼 물체나 게임의 캐릭터에 촉각적으로 닿는 완전(full) 체감을 체험할 수 있도록 착촉력각을 이용하여 손가락 및 몸의 움직임에 맞춰 착촉력각에 의한 항력을 제어함으로써 입체 영상이나 입체 음상에 추가하여 버추얼 물체의 존재 및 형상, 질감인 마찰 감각이나 거칠기 감각을 표현할 수 있는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은, 일상생활에서 이용할 수 있는 가상 공간 및 실공간이 융합된 시청 촉각에 의한 버추얼 리얼리티 환경을 실현하기 위해 인터페이스를 실용화·제품화할 때 가감속 기구에서의 발열 및 에너지 소비를 억제하여 소형화·모바일화가 용이해지는 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 또 사용자의 손 크기나 기호 및 감각에서의 큰 개인차에 대해 사용자 개인의 특성이나 용도에 맞춘 인터페이스를 자유자재로 디자인하면서도 조작성 및 응답성이 좋은 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 관한 제1 형태는, 착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치와, 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치를 구비한 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치이다.
본 발명에 관한 제2 형태는, 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기(誘起)함수를 착촉력각 데이터를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치와, 착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치와, 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치를 구비한 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치이다.
본 발명에 관한 제3 형태는, 각종 센서로부터의 정보 및 콘텐츠 데이터를 토대로 콘텐츠를 작성하는 콘텐츠 작성 장치와, 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수를 착촉력각 데이터를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치와, 착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치와, 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치를 구비한 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치이다.
본 발명에 관한 제4 형태는, 각종 센서로부터의 정보 및 콘텐츠 데이터를 토대로 콘텐츠를 작성하는 콘텐츠 작성 장치와, 학습기 및/또는 보정기를 구비하고 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수를 착촉력각 데이터를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치와, 착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치와, 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치를 구비한 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치이다.
본 발명에 관한 제5 형태는, 각종 센서로부터의 정보 및 콘텐츠 데이터를 토대로 콘텐츠를 작성하는 콘텐츠 작성 장치와, 학습기 및/또는 보정기를 구비하고 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수를 착촉력각 데이터를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치와, 착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치와, 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치를 구비하고, 착촉력각 유기장치는 학습용 인스트럭션 후 학습용 착촉력각 유기함수를 생성하고 이 함수에 따라 제시된 착촉력각 정보에 대한 사용자의 반응·행동을 센싱하여 사용자의 착촉력각 감각 특성을 착촉력각 감각량으로서 추정하여 착촉력각 유기함수 및 제어에 관한 개인차 보정용 데이터를 산출하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치이다.
본 발명에 관한 제6 형태는, 각종 센서로부터의 정보 및 콘텐츠 데이터를 토대로 콘텐츠를 작성하는 콘텐츠 작성 장치와, 학습기 및/또는 보정기를 구비하여 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수를 착촉력각 데이터를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치와, 착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치와, 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치를 구비하고, 착촉력각 유기장치는, 각 콘텐츠에서의 착촉력각 정보에 대한 사용자의 반응·행동을 센싱하여 콘텐츠내의 특징량에 대한 사용자의 착촉력각 감각 특성을 추정하고, 착촉력각 유기함수 및 제어에 관한 개인차 보정용 데이터를 산출 및 이용하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치이다.
본 발명에 관한 제7 형태에 의하면, 착촉력각 디바이스는 가감속 기구를 구비한다.
본 발명에 관한 제8 형태에 의하면, 착촉력각 디바이스 구동 제어장치는 발진 회로를 사이에 두고 가감속 기구의 속도를 제어한다.
본 발명에 관한 제9 형태에 의하면, 착촉력각 디바이스 구동 제어장치는, 상기 착촉력각 유기장치에서 생성된 착촉력각 유기함수에 따라, 상기 착촉력각 디바이스가 구비한 모터의 위상, 방향, 회전 속도 또는 액추에이터의 위상, 방향, 속도를 제어한다.
본 발명에 관한 제10 형태에 의하면, 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치는 센서를 구비하고, 센서는 착촉력각 인터페이스 장치가 장착된 부위의 움직임을 검지·측정하는 위치 센서, 실물체의 형상 및 표면 형상을 측정하는 형상 센서, 실물체와 사용자와의 접촉·파지력을 검지·측정하는 압력 센서, 생체 신호 센서, 가속도 센서 중 적어도 하나이다.
본 발명에 관한 제11 형태에 의하면, 착촉력각 인터페이스 장치는 장착부를 가지고, 상기 착촉력각 디바이스와 상기 장착부 사이에 비선형 응력 특성을 가진 부재를 구비한다.
본 발명에 관한 제12 형태에 의하면, 상기 착촉력각 인터페이스 장치는, 상기 착촉력각 디바이스와 상기 가속도 센서와의 사이에 내진 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치이다.
본 발명에 관한 제13 형태에 의하면, 착촉력각 인터페이스 장치는 가속도 센서를 구비하고 상기 착촉력각 디바이스와 상기 가속도 센서와의 사이에 손가락 장착부를 구비한다.
본 발명에 관한 제14 형태에 의하면, 착촉력각 인터페이스 장치는 CPU, 메모리, 통신 장치 중 적어도 하나를 구비한다.
본 발명에 관한 제15 형태에 의하면, 콘텐츠 작성 장치는 센서로부터의 정보를 토대로 물리 시뮬레이션 계산, 버추얼 리얼리티 공간의 생성 및 갱신, 컴퓨터 그래픽의 작성 및 표시, 착촉력각 정보의 정보 처리를 수행한다.
본 발명에 관한 제16 형태에 의하면, 착촉력각 인터페이스 장치는 다른 주파수 및/또는 다른 가감속으로 구동하는 2조 또는 복수 조의 착촉력각 디바이스를 구비한다.
본 발명에 관한 제17 형태에 의하면, 착촉력각 인터페이스 장치는 손가락 또는 신체에 장착하기 위한 장착부를 가진다.
본 발명에 관한 제18 형태는, 변형 가능한 수단을 구비한 기부(基部)와, 착촉력각 디바이스 장치를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치를 구비한 콘트롤러 장치이다.
본 발명에 관한 제19 형태는, 버추얼한 동작을 만들어 내어 버추얼한 존재, 촉감, 버튼 조작 감각을 제공하는 착촉력각 인터페이스 장치와, 버추얼 물체를 제시하는 시청각 디스플레이를 구비한 버추얼·콘트롤러 장치이다.
본 발명에 관한 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치 및 방법을 실시함으로써 이하에 열거하는 특별한 효과를 얻을 수 있다.
(1)종래의 비베이스형 촉력각 인터페이스에서는 진동과 같은 주기적인 운동의 반복으로는 진동감밖에 지각할 수 없어 버추얼 물체의 형상이나 질감을 알 수 있을 정도의 힘피드백에 의한 충분한 상호작용을 얻을 수 없었다. 이에 반해 본 발명에서는 착촉력각을 이용함으로써 물리적으로는 존재하지 않는 힘 및 운동 성분을 지각시킴으로써 심리 물리적으로 일정 방향으로 연속적으로 힘이 작용하는 감각을 지각시킬 수 있다. 나아가 이 착각에 의해 힘의 지탱 없이 허공에 파지한 상태에서 이용하는 비베이스형 인터페이스임에도 불구하고 중력을 거슬러 인터페이스를 가진 팔이 들리는 물리적인 현상도 실제로 일어난다.
(2)착촉력각 인터페이스 장치를 장착한 손가락 및 몸의 움직임에 맞춰 착촉력각에 의한 항력을 제어함으로써 버추얼 물체의 존재 및 형상, 질감인 마찰 감각이나 거칠기 감각을 표현할 수 있다. 특히, 움직임에 대한 음의 항력(가속)을 제시함으로써 얼음 위를 미끄러지는 듯한 미끄러운 느낌이 실현된다. 또 실물체와의 파지압을 모니터링하면서 착촉력 감각을 제어함으로써 실물체 감촉의 편집이나 버추얼 물체 감촉과의 치환이 가능해진다.
(3)착촉력각에 동기시켜 착촉력각 인터페이스 장치의 형상이 변형됨으로써 착촉력각에 의해 유기된 힘감각이 강조되어 리얼리티가 향상된다.
(4)착촉력각은 사용자별 감각 특성이 다르게 지각되는 강도 및 질감에 큰 개인차가 있는데, 학습기 및 보정기를 가짐으로써 착촉력각 인터페이스 장치를 종래의 촉력각 인터페이스 장치와 동일하게 취급할 수 있다. 또 근전(筋電) 반응을 측정함으로써 개인차를 실시간으로 보정할 수 있기 때문에 착촉력각의 학습 향상 및 사용자별 제어를 최적화할 수 있다.
(5)모터를 이용한 종래의 편심 회전자에 의한 가감속 기구에서는 발열 및 에너지 소비가 큰 문제였다. 이에 반해 발진 회로에 의해 가감속 기구의 속도를 제어하거나 다른 주파수로 구동하는 복수 조의 착촉력각 디바이스를 사용함으로써 정속도 회전이면서 가감속 기구와 동일한 착촉력각을 실현함으로써 발열 및 에너지 소비가 억제되어 소형화·모바일화가 용이해진다.
(6)종래의 암형의 촉력각 인터페이스 장치에서는 손끝에 닿은 암의 각도로 위치·자세가 계측되고, 손끝의 미세한 움직임에 대해 버추얼 물체와의 접촉·간섭 판정 및 제시해야 할 응력의 재계산이 반복되기 때문에 응답 지연이 발생한다는 문제점이 있었다. 이에 반해 본 발명에서는 중추부인 콘텐츠 생성 장치가 아닌, 말소부인 착촉력각 인터페이스 장치에 CPU 및 메모리를 탑재하여 실시간 제어함으로써 버추얼 버튼 누름 등의 응답성이 향상되어 리얼리티 및 조작성이 향상된다. (7)종래의 드라이빙 시뮬레이터에서는 중력을 이용하는 것 외에는 연속적 가속감을 체험할 수 있는 방법이 없었기 때문에 주위가 시각적으로 보여 자신의 몸이 비스듬하게 기울어진 상태가 지각되는 환경에서는 가속감에 위화감이 있다. 이에 반해 본 발명에서는 받침대 위의 좁은 공간에서 주기적인 움직임을 반복하는 아케이드형 게임기로도 연속적 가속감을 체감할 수 있고, 모바일이나 게임 콘트롤러 등 비베이스형 인터페이스로도 연속적인 힘을 체감할 수 있다.
(8)종래의 게임 콘트롤러는 사용자 자신의 신체를 움직임에 따른 「유사 체감형」 게임으로서, 진동에 의한 힘피드백에서는 충분한 상호작용을 얻을 수 없었다. 이에 반해 본 발명에서는 착촉력각 인터페이스 장치를 사용함으로써 버추얼 물체나 게임의 캐릭터에 촉각적으로 닿을 수 있는 「완전 체감형 콘트롤러」가 실현된다.
(9)여러가지 형태나 크기, 버튼 배치 게임 콘트롤러가 판매되고 있는데, 사용자의 손 크기나 기호에 맞는 사용하기 쉬운 콘트롤러가 발견되지 않는 경우가 많다. 이에 반해 본 발명에서는 개인의 손바닥에 맞춘 콘트롤러의 형상이나 버튼 배치를 자유자재로 디자인하는 버추얼 콘트롤러의 기술로 인해 게임의 내용에 맞춘 전용 콘트롤러의 구입이 불필요하며 콘텐츠내의 씬이나 스토리에 맞춰 콘트롤러를 자유자재로 변형·변화시킬 수 있다.
(10)종래의 시청각에 치우쳐 있던 버추얼 리얼리티에 반해, 비베이스형에 의한 실용적인 버추얼 물체의 가촉화(可觸化) 기술이 제공되어 일상생활에서 이용할 수 있는 가상 공간 및 실공간이 융합된 시청 촉각에 의한 버추얼 리얼리티 환경이 제공된다.
도 1은 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치의 기본 유닛을 도시한 설명도이다.
도 2는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치의 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 3은 캘리브레이션의 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 4는 센싱 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 5는 콘텐츠 작성 장치 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 6은 제시 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 7은 학습 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 8a는 착촉력각을 유기하는 디바이스의 제어 방법의 일례를 도시한 설명도이다.
도 8b는 편심추의 형상을 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 현상 및 그 효과를 모식적으로 도시한 설명도이다.
도 10은 착촉력각의 개인차에 관한 설명도이다.
도 11은 가상 평판의 질감 표현을 도시한 설명도이다.
도 12는 위상 패턴의 초기 위상에 의한 착촉력각의 방향을 도시한 설명도이다.
도 13a는 착촉력각 인터페이스 장치의 실시예를 도시한 설명도이다.
도 13b는 착촉력각 인터페이스 장치의 실시예를 도시한 설명도이다.
도 14는 착촉력각 인터페이스 장치의 실시예를 도시한 설명도이다.
도 15는 착촉력각 인터페이스 장치의 실장예를 도시한 설명도이다.
도 16은 착촉력각 인터페이스 장치의 실장예를 도시한 설명도이다.
도 17은 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 제어 시스템의 일례를 도시한 설명도이다.
도 18은 착촉력각 디바이스 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 19는 펄스열을 사용한 모터 제어장치를 도시한 설명도이다.
도 20은 착촉력각 인터페이스 장치의 효과를 도시한 설명도이다.
도 21은 초기 위상 지연에 관한 제어 알고리즘을 도시한 설명도이다.
도 22는 착촉력각 인터페이스 장치에 사용하는 비선형 특성을 도시한 설명도이다.
도 23은 대체·착촉력각 디바이스를 도시한 설명도이다.
도 24는 다른 점탄성 재료를 사용한 제어 알고리즘을 도시한 설명도이다.
도 25는 다른 점탄성 재료를 사용한 효과를 도시한 설명도이다.
도 26은 히스테리시스 재료를 사용한 제어 알고리즘을 도시한 설명도이다.
도 27은 인가 전압으로 특성이 변하는 점탄성 재료를 사용한 제어 알고리즘을 도시한 설명도이다.
도 28은 발진 회로를 사용한 제어 알고리즘을 도시한 설명도이다.
도 29a는 착촉력각 디바이스의 배치예 및 응용예를 도시한 설명도이다.
도 29b는 착촉력각 디바이스의 배치예 및 응용예를 도시한 설명도이다.
도 29c는 착촉력각 디바이스의 배치예 및 응용예를 도시한 설명도이다.
도 30은 변형형 착촉력각 인터페이스 장치를 도시한 설명도이다.
도 31은 버추얼 콘트롤러의 실장 방법을 도시한 설명도이다.
도 32a는 1조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32b는 1조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32c는 1조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32d는 복수 조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32e는 복수 조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32f는 복수 조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32g는 복수 조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32h는 복수 조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 33은 다른 무게의 편심추를 가진 여러 개의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 34는 장착 부위를 도시한 설명도이다.
도 35는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치를 사용한 실시예를 도시한 설명도이다.
도 2는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치의 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 3은 캘리브레이션의 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 4는 센싱 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 5는 콘텐츠 작성 장치 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 6은 제시 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 7은 학습 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 8a는 착촉력각을 유기하는 디바이스의 제어 방법의 일례를 도시한 설명도이다.
도 8b는 편심추의 형상을 도시한 도면이다.
도 9는 도 8의 현상 및 그 효과를 모식적으로 도시한 설명도이다.
도 10은 착촉력각의 개인차에 관한 설명도이다.
도 11은 가상 평판의 질감 표현을 도시한 설명도이다.
도 12는 위상 패턴의 초기 위상에 의한 착촉력각의 방향을 도시한 설명도이다.
도 13a는 착촉력각 인터페이스 장치의 실시예를 도시한 설명도이다.
도 13b는 착촉력각 인터페이스 장치의 실시예를 도시한 설명도이다.
도 14는 착촉력각 인터페이스 장치의 실시예를 도시한 설명도이다.
도 15는 착촉력각 인터페이스 장치의 실장예를 도시한 설명도이다.
도 16은 착촉력각 인터페이스 장치의 실장예를 도시한 설명도이다.
도 17은 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 제어 시스템의 일례를 도시한 설명도이다.
도 18은 착촉력각 디바이스 처리의 흐름도를 도시한 설명도이다.
도 19는 펄스열을 사용한 모터 제어장치를 도시한 설명도이다.
도 20은 착촉력각 인터페이스 장치의 효과를 도시한 설명도이다.
도 21은 초기 위상 지연에 관한 제어 알고리즘을 도시한 설명도이다.
도 22는 착촉력각 인터페이스 장치에 사용하는 비선형 특성을 도시한 설명도이다.
도 23은 대체·착촉력각 디바이스를 도시한 설명도이다.
도 24는 다른 점탄성 재료를 사용한 제어 알고리즘을 도시한 설명도이다.
도 25는 다른 점탄성 재료를 사용한 효과를 도시한 설명도이다.
도 26은 히스테리시스 재료를 사용한 제어 알고리즘을 도시한 설명도이다.
도 27은 인가 전압으로 특성이 변하는 점탄성 재료를 사용한 제어 알고리즘을 도시한 설명도이다.
도 28은 발진 회로를 사용한 제어 알고리즘을 도시한 설명도이다.
도 29a는 착촉력각 디바이스의 배치예 및 응용예를 도시한 설명도이다.
도 29b는 착촉력각 디바이스의 배치예 및 응용예를 도시한 설명도이다.
도 29c는 착촉력각 디바이스의 배치예 및 응용예를 도시한 설명도이다.
도 30은 변형형 착촉력각 인터페이스 장치를 도시한 설명도이다.
도 31은 버추얼 콘트롤러의 실장 방법을 도시한 설명도이다.
도 32a는 1조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32b는 1조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32c는 1조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32d는 복수 조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32e는 복수 조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32f는 복수 조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32g는 복수 조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 32h는 복수 조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 33은 다른 무게의 편심추를 가진 여러 개의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시한 설명도이다.
도 34는 장착 부위를 도시한 설명도이다.
도 35는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치를 사용한 실시예를 도시한 설명도이다.
이하, 본 발명에 의한 실시형태를 도면에 기초하여 설명하기로 한다.
도 1은, 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치(VR환경 생성 장치)(100)에서 사용되는 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 하드웨어 블럭도를 도시하고 있다. 여기에서는 손끝(533)에 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 장착한 경우를 예로 들어 설명하는데, 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 장착 장소는 손끝으로 한정되지 않는다. 또 도면에는 가속도 센서(108), 압력 센서(109), 근전 센서(110)가 착촉력각 디바이스(107)와 일체가 되어 손끝(533)에 장착된 착촉력각 인터페이스 장치(101)안에 배치된 예를 도시하고 있는데, 이들 센서는 착촉력각 디바이스(107)와는 다른 신체 위치에 장착되어 있어도 좋다. 본 명세서에서는 착촉력각 디바이스(107)와 센서가 별개로 신체의 다른 부위에 장착된 경우에도 그들을 통틀어 착촉력각 인터페이스 장치(101)라고 한다.
각종 센서로부터의 정보 및 콘텐츠 데이터(104)를 토대로 콘텐츠가 작성되고, 이 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수(1713)가 착촉력각 유기함수 생성기(115)에서 착촉력각 데이터(106)를 사용하여 생성되고, 착촉력각 디바이스 구동 제어장치(112)에 의해 착촉력각 디바이스(107)가 제어된다.
착촉력각 유기장치(115)에서 생성된 착촉력각 유기함수에 따라 착촉력각 디바이스(107)의 편심 모터(815)의 위상, 방향, 회전 속도가 제어된다. 착촉력각 디바이스(107)에서 편심 모터에 의한 편심추(814)의 회전에 의해 생성된 운동량의 변화(가감속 패턴)에 따라 촉력각에 관한 착각(착촉력각)이 유기된다. 이 착촉력각 유기함수를 사용하면 비선형 감각 특성인 착각을 이용하여 제시된 운동량의 변화에 의해 발생하는 힘(물리 정보)과는 다른 감각을 지각시킬 수 있다. 즉, 물리적으로는 존재하지 않는 힘 및 운동 성분을 지각시킬 수 있다. 예를 들면, 물리적으로는 주기적으로 반복되는 진동은 주기적으로 힘의 방향이 변하기 때문에 일정 방향뿐인 힘정보를 갖지 않지만, 본 착촉력각 유기함수에 따라 운동량의 가감속 패턴을 제어함으로써 심리 물리적으로는 착촉력각에 의해 한 방향으로만 연속적인 힘을 지각시킬 수 있다. 착촉력각 유기장치(103)는 학습기(116) 및 보정기(117)를 가지고 있으며 사용자 개인의 특성에 맞춰 최적화된다.
착촉력각 인터페이스를 장착하는 손끝(533)의 움직임은 위치 센서(111) 및 가속도 센서(108)에 의해 센싱되고, 위치 센서 및 가속도 센서에서 얻어진 위치·속도·가속도의 정보로부터 콘텐츠 작성 장치(102)에서의 물리 시뮬레이터(113)에 의해 생성되는 버추얼 물체와 손가락(533)과의 접촉 판정 및 버추얼 물체에 작용하는 힘이 계산된다. 또 실물체와 사용자와의 접촉·파지력은, 압력 센서(109) 및 근전 센서(110)에 의해 검출된다. 콘텐츠는 컴퓨터 그래픽(114) 및 음원 시뮬레이터(119)에서 영상·음상화되어 시청각 디스플레이(105)에 표시된다. 이로써 종래 시청각에 치우쳤던 버추얼 리얼리티에 반해 실용적인 비베이스형 촉력각 인터페이스를 제공하여 일상생활에 이용할 수 있는 시청 촉각에 의한 버추얼 리얼리티 환경이 제공된다.
콘텐츠 작성 장치를 사용하지 않고 다른 장치(예를 들면, 종래의 게임기)의 물리 시뮬레이터의 시뮬레이션 데이터를 사용하거나 사용자가 메뉴얼적으로 물리량을 설정하여 착촉력각 유기장치(115)를 제어하여 이용할 수도 있다.
또 일반적으로 중추부인 콘텐츠 생성 장치로를 경유하여 제어하는데, 콘텐츠 생성 장치 및 착촉력각 유기장치(115)를 사용하지 않고 말소부인 착촉력각 인터페이스 장치에 탑재한 CPU 및 메모리를 사용하여 실시간 제어함으로써 버추얼 버튼 누름 등의 응답성, 리얼리티 및 조작성이 향상된다. 이것을 종래의 장치에 접속하여 이용할 수도 있다.
아울러 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 사용하면 종래의 촉력각에 관한 정보도 제시할 수 있다.
장치, 주변 기기, 데이터베이스, 센서의 각 기기간 정보의 수수 및 또는 접속은 유선으로 해도 좋고 무선으로 해도 좋다.
도 2(a)는 VR환경 생성 장치(100)의 처리의 흐름도를 도시하고 있다. VR환경 생성 장치(100)에서는 캘리브레이션이 수행되어 접속된 주변 기기(118) 및 센서로부터의 센싱 정보를 토대로 가상 공간 및 가상 물체를 형성하는 모델링에 의해 VR환경의 콘텐츠가 생성되고, 콘텐츠 정보 및 센싱된 사용자의 움직임과 주변 기기(118)로부터의 정보에 기초하여 콘텐츠가 생성·갱신되고 콘텐츠에 기초한 정보가 사용자에게 제시된다. 이 제시 정보를 사용자가 지각·인식하여 반응·행동한 결과가 센싱에 의해 더 모니터링된다.
캘리브레이션은 착촉력각 인터페이스 장치 및 착촉력각 유기장치에서 실행된다. 센싱은 착촉력각 인터페이스 장치(가속도 센서, 압력 센서, 근전 센서) 및 위치 센서에서 수행된다. 콘텐츠 생성은 콘텐츠 생성 장치에서 실행된다. 제시는 착촉력각 인터페이스 장치 및 착촉력각 유기장치에서 실행된다.
주변 기기(18)를 통해 실공간과의 정보 교환도 이루어져 가상 공간과 실공간을 복합적으로 취급하는 버추얼 리얼리티 환경이 생성·제어된다.
도 2(b)는, VR환경 생성 장치(100)가 통신기를 가지고 여러 명의 사용자가 소유한 각각의 VR환경 생성 장치(100), 및 떨어진 공간에 있는 VR환경 생성 장치(100)가 통신을 하여 하나의 큰 VR환경을 생성하는 것을 도시하고 있다. 통신에 의해 콘텐츠 및 센싱 정보가 공유됨으로써 원격지에 있는 여러 명의 사용자가 동일 VR환경에서의 공존 및 정보를 공유하여 동일 버추얼 물체의 조작·감촉의 공유가 이루어진다. 또 동일 사용자에게 장착된 여러 개의 착촉력각 인터페이스 장치(101)가 협조적으로 동작함으로써 착용 가능한 VR환경이 형성된다.
도 3은, 각종 센서, 촉력각 인터페이스 장치 및 착촉력각 인터페이스 장치(101)에 관한 캘리브레이션 처리의 흐름도를 도시하고 있다.
각 캘리브레이션 흐름에서 캘리브레이션용 신호가 발생되고 이에 따라 각종 센서, 촉력각 인터페이스 및 착촉력각 인터페이스 장치(101)가 제어되고 그 제어 결과를 센싱함으로써 캘리브레이션이 수행된다.
도 4는 센싱 처리의 흐름도를 도시하고 있다. 센싱에서는, 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 위치, 자세, 가속도 및 인터페이스와 피부간의 압력, 근전이 측정된다. 이들 정보는 캘리브레이션, 학습, 콘텐츠 작성, 제시에 이용된다. 이 근전 센서 대신에 뇌파, 심박, 호흡, 혈압, 혈류, 혈중 가스, 피부 저항 등의 생체 신호를 측정하는 생체 신호 센서를 이용해도 좋고, 생체 신호에 대한 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 제어 및 바이오 피드백 제어에 의해 캘리브레이션, 학습 및 효과적인 착각 유기가 촉진된다. 생체 신호 센서 및 바이오 피드백 제어는 의료 등에 사용되고 있는 기존 계측 센서 및 제어법을 이용하면 된다. 아울러 생체 신호 센서는 착촉력각 디바이스와는 떨어진 위치에서 신체에 장착해도 좋다. 예를 들면, 착촉력각 인터페이스 장치의 일부를 구성하는 생체 신호 센서로서의 뇌파 센서를 두부에 장착하고, 동시에 착촉력각 인터페이스 장치의 일부를 구성하는 착촉력각 디바이스를 손끝에 장착하는 형태를 취해도 좋다.
도 5(a)는, 콘텐츠 생성 처리의 흐름도를 도시하고 있다. 콘텐츠 작성에서는 읽어들인 콘텐츠 데이터(104) 및 센싱 정보를 토대로 물리 시뮬레이션의 계산 및 기타 모델 계산에 기초하여 VR공간이 생성·갱신되고 CG가 작성·표시되고 착촉력각 및 촉력각 정보가 정보 처리된다.
도 5(b)는 콘텐츠의 일례로서, 자유 변형되는 속이 빈 구체(球體)를 와이어 프레임 표현을 사용하여 스프링 댐퍼 물리 모델(528)에서 모델화한 물리 시뮬레이션(520)을 도시하고 있다.
격자점p1은 인접한 격자점p2～격자점p4와 결합되어 있는 경우, 격자점p1이 격자점p2에서 받는 힘벡터f12는,
f12=-k×(∥p2-p1∥-L0)×(p2-p1)/∥p2-p1∥-c×(v2-v1) (1)
로 표시된다. 단,
pi: 격자점pi의 위치 벡터
vi: 격자점pi의 속도 벡터
k: 스프링의 탄성 계수,
c: 댐퍼의 점성 계수,
L0: 평형 상태의 스프링 길이
질량m1의 격자점p1이 주위의 격자점p2～격자점p4로부터 받은 힘의 합력을 f1이라고 하면, 격자점p1의 운동 방정식은
m1×d2p1/dt2=f1=f12+f13+f14 (2)
로 표시된다.
착촉력각 인터페이스 장치(101)가 장착된 손끝(533)이 이 버추얼 물체·물리 모델(520)의 격자점p1에 접촉한 경우에는 격자점p1은 손끝의 위치p'1으로 변화되고, 손끝에 작용하는 반력(-f)은,
-f=(f12+f13+f14)-m1×d2p'1/dt2 (3)
로 표시된다. 접촉을 판정하기 위한 손끝(533)의 움직임은 위치 센서(111), 가속도 센서(108)에 의해 센싱된다.
실제 수치 시뮬레이션에서는 시각t'의 격자점p1의 위치p'1, 속도v'1, 힘f'1은 한시각전t의 변수p1,v1,f1로부터 구해진다.
즉,
속도 벡터: v'1=v1+(f1/m1)×Δt (4)
위치 벡터: p'1=p1+v1×Δt (5)
마찬가지로 질량m2의 p2의 위치, 속도가 계산된다.
속도 벡터: v'2=v2+(f2/m2)×Δt (6)
위치 벡터: p'2=p2+v2×Δt (7)
마지막으로 격자점p1 및 격자점p2 사이에 작용하는 힘벡터
f'12=-k×(∥p'2-p'1∥-L0)×(p'2-p'1)/∥p'2-p'1∥-c×(v'2-v'1) (8)
가 산출된다.
매 계산시마다 격자점의 위치, 속도, 힘이 계산되어 메모리에 저장된다. 이 저장된 값을 사용하여 다음 시간의 위치, 속도, 힘이 계산된다. 이들에 의해 손끝(533)으로의 반력이 제시되어 시청각 디스플레이에 입체 음상 및 입체 영상화된 버추얼 물체의 가촉화가 실현된다.
VR환경은 상기 버추얼 물체(531)에 관한 물리 시뮬레이션과 마찬가지로 주변 기기에 의해 센싱된 실공간의 실물체 및 위치 센서(111), 가속도 센서(108)에 의해 센싱된 사용자의 움직임 정보를 토대로 양자가 동일의 VR환경에서 모델화되고 콘텐츠와의 접촉·파지력이 계산되어 가상 공간 및 실공간이 융합된 VR공간이 생성된다.
도 5(c)는 손끝(533)에 장착한 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 움직였을 때의 버추얼 물체(531)의 변형을 도시하고 있다. 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 움직임은 센서에 의해 모니터링되어 버추얼 물체(531)과의 접촉이 검출되고, 버추얼 물체·물리 모델(520)의 물리 시뮬레이션에 의해 모델의 변형, 변형력 및 손끝에 전해지는 반력이 계산되어 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 통해 그 촉감이 제시된다. 물리 시뮬레이터(113)의 계산 결과에 기초하여 손가락(533)의 움직임에 맞춰 변형되는 버추얼 물체(531)에서 손끝(533)으로의 착촉력각이 제어되기 때문에, 예를 들면 버추얼 물체(531)의 재질을 나타내는 고무와 같은 탄력감이나 슬라임을 당겼을 때와 같은 점성감을 느끼면서 버추얼 물체(531)을 변형·이동할 수 있다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 제시 처리의 흐름도를 도시하고 있다.
콘텐츠 작성 장치(102)에서 작성된 VR공간의 착촉력각 및 촉력각에 관한 콘텐츠 데이터(104)가 읽어들여져 착촉력각 유기함수 및 촉력각 함수가 생성되고 센싱으로 얻어진 정보 및 각 사용자의 특성에 맞춰 보정기(117)에서 보정된다. 이 함수에 따라 착촉력각 디바이스(107)가 피드백 제어된다.
착촉력각 인터페이스 장치는 착각을 이용하고 있기 때문에 착촉력각에 대한 감도 및 학습에 의한 감도 향상에는 큰 개인차가 있다. 따라서 같은 자극을 제시하여도 사용자에 따라 느낌의 강도가 다르다. 따라서 사용자에 의존하지 않고 같은 강도의 자극을 지각시키려면 자극에 대한 학습 및 보정이 필요하다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 학습기(116)의 처리 흐름도를 도시하고 있으며, 능동적 학습 및 무자각적 학습이 있다. 능동적 학습 방법에서는 학습용 인스트럭션 후 이하에 나타내는 학습용 착촉각 유기함수가 생성된다. 이 함수에 따라 제시된 착촉력각 정보에 대한 사용자의 반응·행동이 센싱되어 구해진 착촉력각 감각의 강도가 사용자의 착촉력각 감각 특성을 나타내고 있다. 사전에 다수의 피험자에 대해 측정된 착촉력각 감각 특성의 데이터를 토대로 착촉력각 유기함수가 작성된다. 이 착촉력각 유기함수와 각 사용자의 착촉력각 감각 특성이 비교되어 개인차를 나타내는 보정 데이터(1714)가 산출되고 메모리 또는 사용자 특성 데이터베이스에 저장된다.
구체적으로는 능동적 학습에서는 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 장착한 후 인스트럭션에 따라 순차적으로 0°, 180°,90°, 270°의 방향으로 착촉력각에 따른 일정한 힘이 제시된다. 착촉력각은 촉력각과는 달리 제시 방향을 이산적으로 바꾸면서 제시함으로써 착촉력각으로의 습관·학습이 진행되어 제시 시간의 경과와 함께 문턱값의 저하 및 감각 감도가 증가하여 힘의 방향이 확실해진다. 1분간의 학습 후 착촉력각의 강도를 서서히 약하게 하면서 지각이 불가능했던 강도를 착촉력각의 감각 문턱값으로서 추정한다. 이 감각 문턱값은 제시한 방향, 사용자마다 다르며 이 감각 문턱값이 개인의 정(靜)특성을 보정하는 보정 데이터로서 메모리 또는 데이터베이스에 저장된다. 학습이 진행됨에 따라 문턱값이 착촉력각 감각 특성인 어느 일정값으로 수렴되는데, 학습도는 그 수렴율인 수렴시 정수에 의해 판단된다. 다음으로 심리 물리적 한쌍 비교법에 의해 등감 레벨 곡선이 구해진다.
마찬가지로 무자각적 학습 방법에서는 각 콘텐츠에서의 착촉력각 정보에 대한 사용자의 반응·행동이 센싱되어 콘텐츠내의 착촉력각 정보에 관한 특징량(착촉력각 강도 및 시간 패턴)에 대한 사용자의 착촉력각 감각 특성이 측정되고 전달 함수의 추정에 의해 응답 특성(동특성)이 추정된다. 각 사용자에 대한 응답 특성이 착촉력각 유기함수로서 개인차 보정용 데이터로서 메모리 또는 데이터베이스에 저장된다.
이와 같이 착촉력각은 개인차가 큰 특성이지만, 학습 및 보정을 사용함으로써 착촉력각 인터페이스 장치를 이용하여도 종래의 촉력각 인터페이스 장치와 동일한 자극 강도를 제시하는 장치로서 취급할 수 있다.
이하에 착촉력각의 특징을 나타내기로 한다.
종래의 촉력각 인터페이스 장치에서는 촉력각에 관한 물리 현상을 물리적으로 재현한 힘·운동이 손끝이나 손바닥에 제시·지각되는 것이었으나, 본 발명에서는 물리적으로 부여한 힘·운동과는 다른, 또는 존재하지 않는 힘·운동이 지각·인식되는 현상이다. 예를 들면, 인터페이스가 현실적으로는(물리적으로는) 떠오르지 않는 것임에도 불구하고 떠오르는 듯한 감각이 지각된다.
종래의 촉력각 인터페이스 장치에서는 외부에서 힘이 작용하도록 느끼게 하기 위해 손끝 등에 힘을 제시했을 때의 반력을 지지하는 베이스가 불가결하였다. 이에 반해 베이스가 없는 비베이스형 진동 모터를 이용한 촉각 인터페이스 장치에서는 진동 평형점이자 중심(重心) 주위에서 덜덜 진동할 뿐 외부에서 눌린 듯한 힘을 느낄 수 없었다. 이에 반해 본 발명인 착촉력각 인터페이스 장치(101)는 비베이스형이면서도 외부에서 눌린 감각을 제시할 수 있는, 착각을 이용한 촉력각의 감각을 제시하는 장치이다.(비특허문헌 3)
착촉력각이란, 착각에 의한 감각 지각뿐 아니라 인터페이스를 가진 팔이 실제로 들리는 물리적인 현상도 일으킨다. 이것은, 착각에 의해 속은 감각에 의해 사용자 자신이 무자각적으로 팔을 움직이거나, 반사에 의해 팔의 근육이 움직이는 것에 따른다. 이 점에서 물체와 인간의 몸 사이에 작용하는 물리적인 힘을 재현하기 위해 발명·개발되어 온 종래의 촉력각 인터페이스와는 크게 다르며, 본 발명은 촉력각에 관한 착각을 유기하는 장치에 관한 것으로서, 효과적으로 착촉력각을 유기시키는 장치에 관한 발명이다.
또 본 발명인 착촉력각 인터페이스 장치(101)는 종래형의 촉력각 인터페이스 장치로서의 기능·효과도 가지고 있어 양쪽의 제시 감각의 상승 효과를 꾀할 수 있다.
도 8a(a)～도 8a(d)는 착촉력각을 유기하는 디바이스의 제어 방법의 일례를 도시하고 있다.
도 8a(a)는 가감속 기구로서, 2개의 편심 회전자A 및 편심 회전자B로 구성되어 있다. 도 8a(b)는, 이 2개의 편심 회전자를 반대 방향으로 동기 회전시킨 경우를 모식화한 것이다. 이 반대 방향의 동기 회전 결과, 평면내에서 임의의 방향으로 직선적으로 가속·감속하는 힘을 합성할 수 있다. 도 8a(c)는 진동, 힘, 토크 등의 감각 특성이 대수 함수적인 특성인 경우를 모식화한 것이다. 이 감각 특성상의 동작점A에서 양의 힘을 발생시키고, 동작점B에서 반대 방향인 음의 힘을 발생시킨 경우를 감안하면, 힘감각은 도 8a(d)와 같이 표현된다. 2개의 편심 회전자의 합성 운동량 크기는 편심 회전자A 및 편심 회전자B의 각(角)운동량의 합성이고, 힘은 2개의 편심 회전자의 합성 운동량 크기의 시간 미분에 비례한다.
도 8b(a)～도 8b(c)는 편심추의 형상을 도시하고 있으며, 도 8b(b)와 같이 유선형으로 하거나, 도 8-(c)와 같이 비중이 다른 재질을 불균질하게 배치함으로써 회전에 의한 저항이 줄어 큰 회전 가감속을 얻을 수 있다.
도 9는, 이 도 8의 현상 및 그 효과를 모식적으로 도시하고 있다. 착촉력각에 관한 감각 특성을 고려하여 편심 모터(815)의 회전 패턴을 제어하여 2개의 편심 회전자의 합성 운동량을 시간적으로 변화시킴으로써 평형점 주위에서 주기적으로 가감속하는 진동(904)으로부터 일정 방향으로 연속적으로 작용하는 힘이 지각되는 착각(905)를 유기시킬 수 있다. 즉, 물리적으로는 일정 방향으로 작용하는 힘과 같은 성분은 존재하지 않지만, 일정 방향으로 힘이 작용하도록 지각되는 착각이 유기된다.
동작점A 및 동작점B에 위상 180°마다 번갈아 가감속시키면 일정 방향의 힘감각(905)이 연속적으로 지각된다. 힘은 물리적으로 1싸이클로 초기 상태로 되돌아와 그 운동량 및 힘의 적분값은 제로가 되었다. 즉, 평형점 주위에 머물러 가감속 기구가 왼쪽으로 이동하지 않는다. 그러나 감각량인 힘감각의 감각적 적분값은 제로가 되지 않는다. 이 때, 양의 방향의 힘의 적분(908)의 지각은 저하되고, 음의 방향의 힘의 적분(909)만이 지각된다.
여기에서 각운동량의 시간 미분이 토크, 운동량의 시간 미분이 힘이고, 일정 방향으로 연속하여 토크 및 힘을 계속 발생시키기 위해서는 모터의 회전수 또는 리니어 모터를 연속적으로 계속 가속시킬 필요가 있으며, 따라서 회전체 등을 주기적으로 회전시키는 방법은 역각을 일정 방향으로 연속적으로 제시하기 적합하지 않다. 특히 모바일 등에 이용되는 비베이스형 인터페이스에서는 한 방향으로의 연속적인 힘의 제시는 물리적으로는 불가능하다.
그러나 사람은 비선형 감각 특성을 가지고 있으며, 본 발명의 수법을 사용하면, 착촉력각 특성에 관한 지각 감도의 이용이나 운동량의 가감속 패턴 제어에 의해 물리 특성과는 다른 힘·힘패턴을 착각적으로 지각시킬 수 있다. 예를 들면 부여한 자극 강도에 대한 느껴진 자극 크기의 비가 감도인데, 인간의 감각 특성은 부여한 자극 강도에 대해 감도가 다르며 약한 자극에는 더욱 민감하고 강한 자극에는 둔감하다. 그래서 모터 회전 가감속 위상을 제어하여 주기적으로 가감속을 반복함으로써 약한 자극을 제시한 방향으로 연속적인 역각을 제시시키는데 성공했다. 또 감각 특성의 적절한 동작점A 및 B를 선택함으로써 강한 자극을 제시한 방향으로도 연속적인 역각을 제시시킬 수도 있다.
유사한 장치로서 드라이빙 시뮬레이터가 연상되는데, 드라이빙 시뮬레이터에서는 목적으로 하는 힘(가속감)을 부여한 후에 알아차릴 수 없을 정도의 작은 가속도로 본래의 위치로 천천히 되돌림으로써 차의 가속감을 제시하고 있다. 따라서 힘의 제시는 단속적이 되며 이와 같은 편가속형 방식으로는 일정 방향의 힘감각이나 가속감을 연속적으로 제시할 수 없다. 종래형인 촉력각 인터페이스 장치에서도 동일하다. 그러나 본 발명에서는, 예를 들면 50Hz라는 짧은 주기로 감각 문턱값상에서의 순방향·역방향으로의 가감속을 연속으로 반복하는 구동 방법(904)임에도 불구하고 착각을 이용함으로써 일정 방향으로 연속적인 병진력 감각(905)이 제시된다. 특히 물리적인 수법에 의한 상기 드라이빙 시뮬레이터에 제시되는 단속적인 힘의 방향과는 반대 방향으로 연속적인 힘이 지각되는 점이, 착각을 사용한 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 특징이다.
즉, 이 강도에 따라 감도가 다르다는 인간의 비선형 감각 특성을 이용함으로써 주기적인 가감속이나 진동으로 발생하는 힘의 적분이 물리적으로는 제로임에도 불구하고 감각적으로는 상쇄되지 않을 뿐만 아니라 양의 방향의 힘(908)은 지각되지 않고 목적으로 하는 방향인 음의 방향(909)으로 병진력적인 역각(905)이나 토크감을 연속적으로 제시할 수 있다.(연속적인 토크 감각의 생성 방법은, 도 20(c)를 참조) 이러한 현상은 감각 특성(831)이 자극인 물리량(832)에 대해 그 감각량이 대수 이외인 경우에도 비선형 특성이라면 같은 효과를 얻을 수 있다. 본 효과는 비베이스형뿐 아니라 베이스형에서도 효과를 얻을 수 있다.
도 9에서, 동작점A에서의 회전 계속 시간Ta를 제로에 가깝게 함으로써 회전 계속 시간Ta와 회전 계속 시간Tb의 각각의 구간에서의 운동량이 같기 때문에 회전 계속 시간Ta의 구간에서의 합성 운동량이 커지고 힘도 커지는데, 힘감각은 대수적으로 변화되어 감도가 저하되기 때문에 회전 계속 시간Ta의 구간에서의 감각값의 적분은 제로에 가까워진다. 따라서 회전 계속 시간Tb의 구간에서의 힘감각이 상대적으로 커져 한 방향으로의 힘의 감각(905)의 연속성이 향상된다. 그 결과, 동작점A 및 동작점B를 적절하게 선택하고, 동작점A 계속 시간 및 동작점B 계속 시간을 적절하게 설정하여 2개의 편심 회전자A 및 편심 회전자B의 동기 위상을 조정함으로써 임의의 방향으로 자유자재로 힘감각을 계속 제시할 수 있다.
도 10(a)～도 10(c)에 도시한 감각 특성과 같이 사용자별 감각 특성은 다르다. 따라서 착촉력각이 확실하게 지각되는 사람이나 지각되기 힘든 사람, 학습에 의해 지각 용이성이 향상되는 사람이 있다. 본 발명에서는 이 개인차를 보정하는 장치를 갖는다. 또 같은 자극이 지속적으로 제시될 경우 그 자극에 대해 감각이 둔화되기도 한다. 따라서 자극 강도·주기나 방향에 변화를 줌으로써 익숙해짐을 방지하는 것이 효과적이다.
도 10(d)에 착촉력각을 사용한 일정 방향의 힘의 제시 수법의 일례를 도시한다. 2개의 편심 진동자를 반대 회전 방향으로 회전시켜 진동 성분을 합성하는 방법에서, 동작점A에서의 고속 회전수ω1(고주파f1)(1002a)과 동작점B에서의 저속 회전수ω2(저주파f2)(1002b)를 위상180°마다 번갈아 제시한 경우, 착촉력각 강도(II)는 편심 회전자의 회전 속도인 주파수의 가감속 비Δf/f의 대수에 비례한다(도 10(e)). 단, (f=(f1+f2)/2, Δf=f1-f2). 착촉력각 강도와 Δf/f의 대수값을 플로팅했을 때의 기울기n이 개인차를 나타낸다.
또 진동감 강도(Ⅵ)는 착각에 의한 일정 방향의 힘감각과 동시에 지각되는 진동 성분의 강도를 나타내고, 진동 성분의 강도와 물리량f(대수)와는 대체로 반비례 관계에 있으며 주파수f를 크게 함으로써 진동감 강도(Ⅵ)는 상대적으로 저하된다(도 10(f)). 이 진동 성분의 함유 강도를 제어함으로써 착촉력각을 제시했을 때의 힘의 질감이 바뀐다. 대수로 플로팅한 경우의 기울기m은 개인차를 나타낸다. 아울러 개인차를 나타내는 n,m은 학습이 진행됨에 따라 변화되고 학습이 포화되었을 때 일정 값으로 수렴된다.
도 11(a)～도 11(c)는 가상 평판(1100)의 질감 표현 방법을 도시하고 있다. 착촉력각 인터페이스 장치(101)가 센싱에 의해 모니터링된 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 움직임(위치·자세 각도, 속도, 가속도)이 가상 물체의 움직임(1101)을 나타내고 있으며, 이 가상 물체의 움직임에 맞춰 착촉력각에 의한 항력(1102)의 방향·강도 및 질감 파라미터(함유 진동 성분)를 제어함으로써 가상 평판의 질감인 마찰 감각(1109)이나 거칠기 감각(1111) 및 형상이 제어된다.
도 11(a)는 가상 평판(1100)위에서 가상 물체(착촉력각 인터페이스 장치(101))를 이동시켰을 때 작용하는 가상 평판에서 가상 물체로의 항력(1103) 및 이동에 대한 항력(1102)을 도시하고 있다.
도 11(b)는 착촉력각 인터페이스 장치(101)와 가상 평판(1100)이 접했을 때 양 물체간에 작용하는 마찰력(1104)이 동(動)마찰 및 정(靜)마찰을 진동적으로 반복하는 것을 도시하고 있다. 또 가상 평판의 오차 두께내(1107)에 착촉력각 인터페이스 장치(101)가 머무르도록 되미는 항력(1106)을 피드백 제어하여 제시함으로써 가상 평판의 존재·형상을 지각시킨다. 착촉력각 인터페이스 장치(101)가 가상 평판내(1100)에 존재하지 않을 때에는 되미는 항력을 제시하지 않고 존재할 때에만 제시함으로써 벽의 존재가 지각된다.
도 11(c)는 표면 거칠기의 표현 방법을 도시하고 있다. 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 이동시킨 방향(1101)과는 반대 방향으로 이동 속도·가속도에 맞춰 항력을 제시함으로써 저항감이나 점성감(1108)을 지각시킨다. 이동 방향과 같은 방향으로 음의 항력을 제시(가속력(1113))함으로써 얼음위를 미끄러지는 듯한 가상 평판의 미끄러운 느낌(1110)을 강조할 수 있다. 이 가속감·미끄러운 느낌(1110)은 종래의 진동자를 사용한 비베이스형 촉력각 인터페이스 장치에서는 제시하기 어렵고 착각을 사용한 착촉력각 인터페이스 장치(101)에서 실현된 질감 및 효과이다. 또 항력을 진동적으로 변화시킴(진동적 항력(1112))으로써 가상 평판의 표면 거칠기 감각(1111)을 지각시킨다.
도 12(a)는 위상 패턴의 초기 위상(θi)에 의해 유기·지각되는 착촉력각의 방향을 도시하고 있다.
착촉력각 디바이스(107)는 도 12(b)의 회전 개시 초기 위상(θi)을 바꿈으로써 편심 회전자에서 합성되는 운동량의 변화에 의해 유기되는 착촉력각의 방향(1202)을 초기 위상(θi)의 방향으로 제어할 수 있다. 예를 들면, 도 12(c)와 같이 초기 위상(θi)을 바꿈으로써 평면내 360°의 임의의 방향으로 유기할 수 있다.
이 때 착촉력각 인터페이스 장치(101) 자체의 무게가 무거운 경우, 착촉력에 의한 위쪽 방향의 힘감각(1202)과 중력에 의한 아래쪽을 향한 힘감각(1204)이 부정되어 떠오르는 부력 감각(1202)을 얻기 힘들어 무겁게 느껴지는 경우가 있다. 그 때에는 착촉력각에 의한 위쪽 방향을 중력 방향의 반대 방향에서 살짝 엇갈리게 하여 착촉력각(1203)을 유기시킴으로써 중력에 의한 부상 감각의 감소·저해를 억제할 수 있다.
중력 방향과 반대 방향으로 제시하고자 하는 경우에는 중력 방향과 180°+α° 및 180°-α°로 살짝 연직에서 엇갈린 방향으로 번갈아 착촉력각을 유기하는 방법도 있다.
도 13a(a)～도 13b(g)는 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 실장예를 도시하고 있다.
도 13a(a)나 도 13a(b)와 같이 접착 테잎(1301)이나 하우징(1302)의 손가락 삽입부(1303)를 사용하여 손끝(533)에 장착한다. 또 손가락(533) 사이에 장착하거나(도 13a(c), 도 13a(e)), 손가락(533)으로 끼워(도 13a(d)) 사용해도 좋다. 하우징(1302)은 변형이 적은 딱딱한 재료여도 좋고 변형이 용이한 재료여도 좋고 점탄성을 가진 슬라임 형태여도 좋다. 이러한 장착 방법의 변형태로서 도 13b(a)～도 13b(g)도 생각할 수 있다. 도 13b(e)～도 13b(g)에서는 유연한 접착 및 하우징에 의해 착촉력각 디바이스의 2개의 기본 유닛의 위상을 제어함으로써 좌우 상하의 역각에 추가하여 팽창 감각, 압축·압박 감각도 표현할 수 있다. 이와 같이 접착 테잎, 손가락 삽입부를 가진 하우징과 같이 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 신체 등에 장착시키는 것을 장착부라고 부른다. 장착부는 상기 접착 테잎, 손가락 삽입부를 가진 하우징 외에 씨트형, 벨트형, 타이츠(tights)와 같이 사물이나 신체에 장착할 수 있는 것이라면 어떠한 형태이든 좋다. 동일한 방법으로 손끝, 손바닥, 팔, 넓적다리 등 몸의 도처에 장착된다.
아울러 본 명세서에서 다루는 점탄성 재료 및 점탄성 특성이라는 용어는 점성 및 또는 탄성의 특성을 가진 것을 나타낸다.
도 14에 기타 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 실장예를 도시한다.
도 14(a)에서는 진동을 발생하는 착촉력각 디바이스(107)가 가속도 센서(108)에 노이즈 진동으로서 검출되기 때문에 이들을 손가락(533)에 대해 반대 방향으로 배치함으로써 진동 가속도 센서(108)에 미치는 영향을 줄인다. 또 착촉력각 디바이스(107)의 제어 신호를 토대로 가속도 센서(108)에 검출되는 노이즈 진동을 무효화함으로써 또한 노이즈 혼입 절감을 꾀하였다.
도 14(c)～도 14(e)에서는 착촉력각 디바이스(107)와 가속도 센서(108) 사이에 내진 재료(1405)를 개재시킴으로써 노이즈 진동 혼입을 억제하였다.
도 14(d)에서는 실물체를 만지면서 착촉력 감각도 지각하는 착촉력각 인터페이스 장치(101)이다. 실물체의 촉감에 착촉력각의 감각을 부가하였다. 종래의 데이터 글러브에서는 촉력각의 제시에 손가락으로 와이어를 장착하여 손가락을 잡아당김으로써 역각을 제시하였다. 데이터 글러브를 사용하여 실물체를 만지면서도 촉력각을 제시하면 실물체에서 손가락이 떨어지거나 파지가 저해되는 등 실물체와 버추얼 물체의 감촉을 복합시키기 어렵다. 착촉력각 인터페이스 장치(101)에서는 이와 같은 것이 없어 실물체를 확실히 파지하고 만지면서도 버추얼한 감촉도 부가하는 복합 감각(믹스 리얼리티)를 실현하고 있다.
도 14(e)에서는 나아가 압력 센서(109)에 의해 측정된 실물체와의 접촉 및 파지압에 따라 착촉력 감각을 부가함으로써 그 실물체의 파지·접촉 감촉을 편집하거나 버추얼 물체(531)의 감촉으로 치환한다. 도 14(f)에서는, 도 14(e)의 압력 센서 대신에 표면 형상이나 형상 변형을 측정하는 형상 센서(예를 들면, 포토 센서)를 사용하여 촉감에 관한 파지 물체의 형상·표면 형상의 측정 및 변형에 의한 파지력·왜곡 전단력·접촉 측정을 하였다. 이들에 의해 측정된 응력·전단력 및 표면 형상을 강조한 촉각 확대경이 실현된다. 현미경과 같이 디스플레이에서 미세한 표면 형상을 시각적으로 확인함과 동시에 그 형상을 촉각적으로도 확인할 수 있다. 또 형상 센서에 포토 센서를 사용하면, 접촉하지 않아도 형상을 측정할 수 있기 때문에 떨어져 있는 물체에 손을 얹음으로써 물체의 형상을 체감할 수 있다.
또 사용 상황이나 콘텍스트(문맥)에 의해 터치 패널상의 코맨드가 변화되는 가변형 터치 버튼의 경우, 특히 휴대전화와 같이 버튼을 누를 때 손가락으로 가린 경우에는 가변형 버튼의 코맨드가 가려져 읽을 수 없게 된다. 마찬가지로 VR콘텐츠에서의 가상 공간내의 가변형 버튼의 경우 메뉴 표기나 코맨드가 콘텍스트에서 변화되기 때문에 버튼을 누를 경우에는 지금 누르려고 하는 버튼의 내용을 알 수 없게 된다. 따라서 도 14(e)와 같이 착촉력각 인터페이스 장치(101)위의 디스플레이(1406)에 그것을 표시함으로써 버튼의 코맨드 내용을 확인하면서 착촉력각 버튼을 누를 수 있다.
버추얼 물체(531)나 버추얼 콘트롤러에서의 버추얼 버튼의 누름 정보 및 누름 반력을 실물체와 동일하게 위화감 없이 느낌 조작할 수 있으려면 누름과 누름 반력의 제시간의 시간 지연이 문제가 된다. 예를 들면 암형의 접지형 역각 인터페이스의 경우, 파지 손가락의 위치가 암의 각도 등으로 계측되어 디지털 모델과의 접촉·간섭 판정이 이루어진 후 제시해야 할 응력이 계산되고 모터의 회전이 제어되고 암의 움직임·응력이 제시되기 때문에 응답 지연이 발생하는 경우가 있다. 특히 게임시의 버튼 조작은 반사적으로 고속으로 수행되기 때문에 콘텐츠쪽에서 모니터링 제어하기에는 시간을 맞추지 못할 수 있다. 그래서 착촉력각 인터페이스 장치쪽(101)에도, 센서(108, 109, 110)를 모니터링하여 착촉력각 디바이스(107) 및 점탄성 재료(1404)를 제어하는 CPU, 메모리를 탑재하여 실시간 제어함으로써 버추얼 버튼 누름 등의 응답성이 향상되어 리얼리티 및 조작성이 향상된다.
또 통신기(205)를 가지고 다른 착촉력각 인터페이스 장치(101)와 통신한다. 예를 들면, 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 손가락 5개에 장착한 경우 각각의 손가락의 움직임에 연동하여 착촉력각 인터페이스 장치가 형상 변형재(도 14(b)의 1403)에서 변형되거나 버추얼 콘트롤러의 형상 변형이나 감촉, 버추얼 버튼 조작을 실시간으로 수행함으로써 리얼리티 및 조작성이 향상된다.
도 14(a)에서는 감각·근육의 히스테리시스 특성을 효과적으로 이용하기 위해 근전 센서(110)에서 근전 반응을 측정하여 근육이 축소되는 시간 및 강도가 커지도록 착촉력각 유기함수가 피드백적으로 보정된다. 착촉력각의 유기에 영향을 주는 요인 중 하나로, 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 손가락이나 손바닥에 대한 장착 방법(끼우는 법·끼우는 강도), 착촉력각 인터페이스 장치(101)로부터의 힘을 받아내는 팔에 사용자가 힘을 넣는 방법이 있다. 착촉력각의 감도에는 개인차가 있으며 가볍게 쥔 편이 착촉력각을 고감도로 느끼는 사람도 있고 강하게 쥔 편이 고감도로 느끼는 사람이 있다. 마찬가지로 장착시의 조임 방법에 의해서도 감도가 바뀐다. 이 개인차를 흡수하기 위해 압력 센서(109)나 근전 센서(110)에서 손잡이의 상태를 모니터링하여 개인차를 측정함과 동시에 착촉력각 유기함수를 실시간으로 보정한다. 사람은 콘텐츠중의 물리 시뮬레이션에 익숙해지고 학습함으로써 쥐는 방법이 적절한 방향으로 학습이 진행되는데 본 보정은 이것을 촉진하는 효과를 가지고 있다.
도 14(a)～도 14(e)에서는 부품 구성을 도시하기 위해 착촉력각 인터페이스 장치(101)가 두꺼워지는데 각 부품은 씨트형의 박형에도 대응할 수 있다.
도 15에 5개 손가락의 손끝(533)에 장착한 경우의 실장예를 도시한다.
본 실시예의 특징은, 종래의 게임기 등의 콘트롤러에 실장되어 있는 촉력각 인터페이스 장치에서는 단순히 진동의 강약·주파수를 변화시킬 뿐이지만, 본 실장 방식에서는 착촉력각 제시 수법에 의해 일정한 방향으로 연속적으로 힘을 지각시킬 수 있는 점에 있다. 이것을 사용하여 손가락(533) 및 손바닥의 움직임에 맞춰 도 11에 도시한 방법에 의해 착촉각의 힘의 방향·크기를 피드백 제어함으로써 손끝·손바닥 안에서 버추얼한 물체(531)의 존재나 감촉을 제시한다. 또 가속도 센서(108)나 위치 센서(111) 등에 의해 손가락(533)의 움직임을 검출하여 착촉력각을 피드백 제어함으로써 중력 감각이나 질량감 및 힘을 일정 방향으로 연속적으로 제시할 수 있기 때문에 비베이스형 인터페이스이면서 버추얼 물체(531)의 존재감, 형상, 촉감을 제시할 수 있다.
도 16은, 도 15와는 다른 실장예를 도시한 것으로서, 각각의 착촉력각 인터페이스 장치(101)에 CPU·메모리 및 통신기(205)가 장비되어 있다. 각각의 착촉력각 인터페이스 장치(101)는 서로 고속으로 통신을 수행하고 상호의 착촉력각의 정보 제시를 제휴하여 수행할 수 있다.
제스쳐에 의한 선택·의도를 입력하는 장치로서 사용할 경우, 버추얼 물체(531)와의 인터랙티브한 제스쳐 입력에 의해 직감적인 제스쳐 입력이나 조작이 가능해진다.
손가락(533)이나 사람 이외에도 연필이나 붓 등의 필기용구, 칫솔 등의 일용 잡화품, 봉제 인형이나 장난감 등의 완구 등 모든 물건에 장착할 수 있다. 예를 들면 봉제 인형의 손에 장착 또는 내장함으로써 봉제 인형의 손을 잡았을 때 끌어당겨지거나 밀리는 감각을 제시할 수 있다. 또 연필이나 붓의 사용 방법·움직임 방법의 트레이닝에도 이용할 수 있다.
각각이 콘트롤러이기도 하고, 또 집합체도 하나의 큰 콘트롤러가 되기 때문에 여러가지 형태의 콘트롤러를 실현할 수 있다.
도 17(a)는 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 제어 시스템의 일례를 도시하고 있다.
콘텐츠 정보가 제시해야 할 촉감에 맞춰 착촉력각 데이터베이스(1710)에 축적된 정보를 토대로 착촉력각 유기함수가 생성된다. 생성된 함수는 보정기(1702)에서 사용자 특성 및 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 위치·가속도·압력 정보에 기초하여 보정이 이루어진 후 착촉력각 디바이스(107)의 제어기인 모터 제어기(1703)에서 제어용 신호로 변환되어 편심추에 접속된 모터(1704)가 구동된다. 인코더(1705)에서 회전 위상이 모니터링되고, 모터 제어기(1703)에서 모터의 회전이 적정 회전이 되도록 피드백 제어된다. 이 회전·위상 패턴에 의해 착촉력각의 감각이 유기된다.
또 착촉력각의 유기 효과를 향상시키기 위해서 가감속 패턴을 생성하는 착촉력각 디바이스(107)의 대체 방법으로서 점탄성 특성 제어기(1706)에서 제어용 신호로 변환되어 점탄성 재료(1407)의 특성이 제어된다. 점탄성 재료(1407)의 점탄성 특성을 시간적으로 변화시킴으로써 등속 회전한 편심 회전자에서도 점탄성 재료(1407)를 통한 운동 특성에 의해 상기 회전·위상 패턴과 동일한 효과가 유기된다.
상기 2가지 방식뿐 아니라 착촉력각을 유기하는 제어 패턴으로 진동·운동량을 변화시킬 수 있는 것이라면 재료·방법은 불문한다.
도 17(b)는 착촉력각 데이터베이스(1710)에 기록된 착촉력각에 관한 등감 레벨 곡선을 도시하고 있다. 콘텐츠에서의 물리 시뮬레이션에서 구해진 반력(-f)에 대한 감각량, 예를 들면, 30dB에 대해 착촉력각 데이터베이스에 보관되어 있는 착촉력각 등감 레벨 곡선을 사용하여 이것과 등가인 착촉력각 감각 레벨을 유기시키는 물리 강도15dB(1725)가 산정되어 착촉력각 유기함수F가 생성된다.
착촉력각 유기함수 생성기에서 생성되는 착촉력각 유기함수F1713은, 힘을 제시해야 할 방향 벡터u(x,y,z), 착촉력각 강도II, 진동감 강도Ⅵ, 응답 특성R(P,I,D)로부터 구해지며, 편심 회전자의 회전 가감속을 제어하기 위한 위상 패턴θ(t)=F(u,Ⅱ,Ⅵ,R)이 계산된다. 단, P,I,D는 PID제어 비례 게인, 적분 게인, 미분 게인을 나타낸다.(구체적인 계산 방법은, 도 35의 실시예에서 도시한다)
상기 착촉력각·등감 레벨 곡선 및 사용자 개인의 착촉력각·등감 레벨 곡선으로부터 구해진 보정 데이터(1714)가 사용자 특성 데이터베이스(1711)에 저장되어 있으며, 이것을 사용하여 보정기(1702)에서 독출 개인차가 보정된다. 또 착촉력각은 손끝과 착촉력각 인터페이스 장치(101)와의 접촉 압력CP, 자세에 의한 중력의 영향PG 및 장치를 이동시켰을 때의 가속도에 의한 관성력FI에 의해 감도S(S=S(CP,PG,FI))가 다르다. 이 감도S는 사전의 피험자 실험에 의해 구해져 착촉력각 데이터(1710)에 저장되어 있고, 감도S 및 보정 데이터(1714)가 착촉력각·등감 레벨 곡선의 문턱값 상승으로서 더해짐으로써 보정이 이루어지고, 그 결과 보정된 착촉력각 유기함수가 구해진다.
도 18은, 착촉력각 디바이스 및 촉력각 디바이스의 처리의 흐름도를 도시하고 있다.
착촉력각 디바이스(107)는 착촉력각 유기함수 및 착촉력각 함수 데이터(1710)를 토대로 착촉력각 정보를 제시하는 모터(1704)가 피드백 제어되어 원하는 감각이 제시된다.
착촉력각 디바이스(107)는 촉력각을 제시하는 기능(촉력각 디바이스)도 가지고 있다. 착촉력각 및 촉력각을 동시에 제시함으로써 질감이 향상되는 상승 효과를 얻을 수 있다.
도 19는, 착촉력각 인터페이스 장치(101)의 제어 일례를 도시하고 있다.
본 장치에서는 모터(1704)의 제어를, 모터(1704)의 피드백 특성을 제어하는 모터 피드백(FB) 특성 제어기와 착촉력각 유기패턴을 모터 제어 신호로 변환하는 제어 신호 생성기로 나누어 제어한다. 본 발명에서는 모터 회전 위상 패턴θ(t)=F(u,Ⅱ,Ⅵ,R)의 동기를 제어하는 것이 긴요하고 시간적으로 고정밀도로 동기 제어할 필요가 있다. 따라서 수법의 일례로서, 여기에서는 서보 모터의 제어용 펄스열에 의한 위치 제어를 나타낸다. 위치 제어로서 스텝 모터를 사용한 경우에는 급한 가감속을 위해 간단히 탈조(脫調)·제어가 불가능한 경우가 많다. 그래서 여기에서는 서보 모터에 의한 펄스 위치 제어를 설명하기로 한다. 모터 피드백(FB) 제어 특성의 제어와 펄스 위치 제어법에 의한 모터 제어로 분리함으로써 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 다수 동기 제어하여 이용하는 본 발명에서는 다른 모터를 사용한 경우의 모터 제어 신호의 일관성, 착촉력각 유기패턴 생성 고속화 및 동기 제어해야 할 제어 모터수의 증가에 용이하게 대응할 수 있는 스케일러빌리티(scalability)가 확보된다. 또 개인차의 보정도 용이해진다.
착촉력각 유기함수 생성기(1701)에서 모터FB 특성 제어기 및 모터 제어 신호 생성기를 제어하기 위한 제어 신호로 분리되고, 모터 제어 신호 생성기에서 모터의 위상 위치를 제어하는 펄스 신호열gi(t)=gi(f(t))가 생성되어 모터의 위상 패턴θ(t)가 제어된다.
본 방식에서는 펄스수에 의해 모터의 회전 위상을 피드백 제어하고 있으며, 예를 들면 1펄스에 따라 1.8°모터가 회전한다. 아울러 회전 방향은 방향 제어 신호에 의해 정회전·반회전이 선택된다. 이 펄스 제어 수법을 사용함으로써 2개 이상의 모터의 위상 관계를 유지하면서 임의의 가감속 패턴(회전 속도, 회전 가속도)을 임의의 위상 타이밍으로 제어한다.
도 20(a)～도 20(f)는 기본적인 촉력각의 감각, 착촉력각의 감각을 제시하는 착촉력 디바이스(촉력 디바이스)의 제어 일례를 도시하고 있다.
도 20(a)는, 착촉력각 디바이스(107)에서 회전력을 발생하는 방법을 모식적으로 도시한 것이고, 도 20(d)는, 병진력을 발생하는 방법을 모식적으로 도시한 것이다. 도 20(a)의 2개의 편심추(814)의 회전은 위상180° 뒤처져 같은 방향으로 회전하고 있다. 이에 반해, 도 20(d)에서는 서로 반대 방향으로 회전하고 있다.
(1)도 20(b)와 같이 2개의 편심 회전자를 180도의 위상 지연으로 같은 방향으로 동기 회전시킨 경우, 2개의 편심 회전자가 점대칭이 되어 중심과 회전축 중심이 일치함으로써 편심이 없는 등 토크의 회전이 합성된다. 이로써 회전력 감각을 제시할 수 있다. 그러나 각운동량의 시간 미분이 토크이며, 일정 방향으로 연속하여 토크를 계속 제시하기 위해서는 모터의 회전수를 연속적으로 계속 가속할 필요가 있는데, 현실적으로는 연속적으로 제시하기 힘들다.
(2)도 20(c)와 같이, 각속도ω1 및 각속도ω2에 의해 동기 제어함으로써 일정 방향으로 연속적인 회전력의 착촉력각 감각(연속 토크 감각)이 유기된다.
(3)도 20(e)와 같이, 반대 방향으로 일정각 속도로 동기 회전시킨 경우, 초기 위상θi1201을 제어함으로써 임의의 방향으로 직선적으로 진동하는 힘(단진동)을 합성할 수 있다.
(4)도 20(f)와 같이, 착촉력각에 관한 감각 특성에 따라 각속도ω1 및 각속도ω2에 의해 반대 방향으로 동기 회전시킨 경우 일정 방향으로 연속적인 병진력의 착촉력각 감각(연속력 감각)이 유기된다.
착촉력각 인터페이스 장치(101)에서, 도 20(c) 및 도 20(f)와 같이 인간의 감각 특성에 맞춰 회전 속도(각속도) 및 위상 동기를 정확하게 제어하면 2종류의 각속도(ω1,ω2)의 조합만으로도 착촉력각을 유기할 수 있기 때문에 제어 회로를 간결하게 할 수 있다.
도 21은, 착촉력 디바이스(107)의 편심추(814)의 초기 위상 지연을 변화시켰을 때의 착촉력각에 관한 감각 강도의 변화를 도시하고 있다. 도 21(a) 및 도 21(b)는 초기 위상 지연이 없는 경우, 도 21(d) 및 도 21(e)는 초기 위상 지연이 있는 경우를 도시하고 있으며, 도 21(a) 및 도 21(d)는 2개의 편심추(814)의 위상 관계를 모식적으로 도시하고 있다. 도 21(c)는, 착촉력 디바이스에서 생성하는 진동 진폭에 대해 착촉력 디바이스에 의해 유기되는 착촉력각의 감각 강도의 관계를 도시한 감각 특성이다.
도 21(b)와 도 21(e)는 각 편심 회전자의 가속·감속시의 초기 위상 지연이 0° 및 -90°인 경우로서, 합성되는 가감속 패턴이 달라 도 21(e)이 큰 가감속 강도 변화(물리량(진폭))를 발생시킬 수 있기 때문에 큰 착촉력각의 감각 강도가 제시된다. 도 21(f)와 같이 초기 위상 지연을 제어함으로써 착촉력각의 감각 강도를 제어할 수 있다.
도 22는, 착촉력각 인터페이스 장치에 이용되는 비선형 특성을 도시하고 있으며, 각각 감각 특성(도 22(a) 및 도 22(b)), 점탄성 재료의 비선형 특성(도 22(c)), 점탄성 재료의 히스테리시스 특성(도 22(d))을 도시하고 있다.
도 22(b)는, 도 8과 같이 진동이나 힘 등의 물리량에 대해 문턱값(2206)을 가진 인간의 감각 특성을 도시한 모식도이고, 이 특성을 고려하여 착촉력각 인터페이스 장치를 제어함으로써 물리적으로는 존재하지 않는 감각이 착촉력각으로서 유기되는 것을 도시하고 있다.
도 222(c)와 같이 가해진 힘에 대한 응력 특성이 비선형 특성을 나타내는 물성을 가진 재료를 진동·토크·힘이라는 구동력을 발생하는 장치와 인간의 피부·감각 기관 사이에 끼웠을 때에도 동일한 착촉력각이 유기된다.
또 도 22(d)와 같이 감각 특성은 근육을 늘릴 때와 수축할 때 등 변위가 증가할 때와 감소할 때에 등방적이지 않으며, 히스테리시스적 감각 특성을 나타내는 경우가 많다. 근육이 끌어당겨지면 그 직후에 근육이 강하게 수축한다. 이와 같이 강한 히스테리시스 특성을 발생시킴으로써 동일한 착촉력각의 유기가 촉진된다.
도 23은, 착촉력각 디바이스(107)의 대체 디바이스를 도시하고 있다.
도 23(a)의 편심 회전자의 편심추(814)와 그것을 구동하는 편심 모터(815) 대신에 도 23(b)～도 23(e)에서는 추(2302)와 신축재(2303)를 사용하고 있다. 예를 들면, 도 23(b) 및 도 23(d)는 추(2302)를 떠받치는 신축재(2303)가 각각 8개인 경우와 4개인 경우의 평면도, 정면도, 측면도를 도시하고 있다. 각각 도면에서 쌍이 되는 신축재(2303)를 수축·팽창시킴으로써 추를 임의의 방향으로 이동시킬 수 있다. 그 결과, 병진 대상 및 회전적인 진동을 발생시킬 수 있다. 중심의 병진 이동이나 회전 토크를 발생·제어할 수 있는 가감속 기구를 가진 것이라면 어떠한 구조이든 대체품으로서 이용할 수 있다.
도 24는, 다른 점탄성 재료를 사용한 제어 알고리즘을 도시하고 있다.
도 24(g)와 같이 가한 힘에 대한 응력 특성이 비선형 특성(도 24(c))을 나타내는 물성을 가진 재료(2403, 2404)를 진동·토크·힘이라는 구동력을 발생하는 장치와 인간의 피부·감각 기관 사이에 끼웠을 때에도 동일한 착촉력각(905)이 발생한다.
예를 들면, 도 24(a)와 같이 착촉력각 디바이스 표면의 위상 -90～90°영역 및 90～270°영역에 다른 응력-변형 특성의 재질(2403, 2404)을 붙임으로써 편심 회전자는 정각 속도로 회전(도 24(b))하고 있어도 점탄성 변형 재료를 통해 전해지는 힘을 비선형으로 전달(도 24(d))할 수 있다. 그 결과, 편심 회전자를 가감속했을 때와 동일하게 위상 -90～90°영역 및 90～270°영역에서 다른 힘(물리량)이 제시되고, 치우친 중심 위치x(2402)의 변화가 발생되고, 감각 특성의 비선형(도 24(f))이 가해져 한 방향으로 착촉력각의 힘(905)을 느낄(도 24(g)) 수 있다. 착촉력각에 의한 힘의 방향은 다른 점탄성 변형 재료를 붙이는 위치에 의해 정해진다. 이로써 회전수를 가감속한 방법에 비해 소비 에너지를 억제할 수 있다. 또 회전수를 일정하게 하지 않고 가감속한 경우, 점탄성 재료(2403, 2404)에 의해 착촉력각의 효과가 늘어날 수 있다. 아울러 도 24(d)와 도 24(e)는 같은 도면이다.
도 25는, 도 24에서 다른 2개의 점탄성 변형 재료를 붙인 부위의 방향과 지각되는 착촉력각의 방향을 도시하고 있다.
도 25(a)(b)(c)(d)는, 도 24(c) 동작점A 및 동작점B에 작용하는 점탄성 특성을 가진 재료A 및 B를, 도 24(a)에서 (1)재료A를 위상180～360°영역 및 재료B를 0～180°영역에서 사용한 경우, (2)재료A를 위상90～270°영역 및 재료B를 -90～90°영역에서 사용한 경우, (3)재료A를 위상0～180°영역 및 재료B를 180～360°영역에서 사용한 경우, (4)재료A를 위상 -90～90°영역 및 재료B를 90～270°영역에서 사용한 경우에 대응하고 있다. 도 25(a)에서는 위쪽 방향의 착촉력이 작용하여 인터페이스가 떠오르는 감각을 얻을 수 있다. 도 25(b)에서는 왼쪽 방향의 착촉력이 작용하여 인터페이스가 왼쪽으로 끌려가는 감각을 얻을 수 있다. 도 25(c)에서는 아래쪽을 향한 착촉력이 작용하여 인터페이스의 무게가 무거워진 듯한 감각을 얻을 수 있다. 도 25(d)에서는 오른쪽의 착촉력이 작용하여 인터페이스가 오른쪽으로 끌어당겨지는 감각을 얻을 수 있다.
도 26은 히스테리시스 재료를 사용한 제어 알고리즘을 도시하고 있다.
도 26(c)와 같이, 힘이 증가하는 동작점B와 감소하는 동작점A에서 힘-변위 히스테리시스 응력 특성이 다른 경우, 히스테리시스 응력 특성 재료(2601, 2602)를 통해 전해지는 힘의 전달도 이 응력 특성에 따라 다르다. 그 결과, 도 26(b)와 같이 편심 회전자를 가감속했을 때 도 26(a)에서의 히스테리시스 응력 특성 재료(2601) 및 (2602)는 도 26(c)의 동작점B 및 동작점A에 따른 변위를 나타내어 가감속 운동을 발생시키고, 이 가감속 운동에 의해 도 26(d)의 감각 특성을 가진 사용자가 착촉력각을 지각한다. 이로써 각각의 비선형 효과에 의해 시스템 전체로서의 비선형 효과가 증강되어 큰 착촉력각을 얻을 수 있다. 이와 같이 히스테리시스 특성을 가진 재료를 진동·토크·힘이라는 구동력을 발생하는 장치와 인간의 피부·감각 기관 사이에 삽입함으로써 가감속 효과가 증강되어 착촉력각의 유기 효과가 증가한다. 도 26(e)와 같은 히스테리시스 응력 특성을 가진 경우도 도 26(c)의 경우와 동일하다. 또 도 26(a)와 같이 착촉력각 디바이스 표면에 히스테리시스 응력 특성 재료를 붙인 경우와 같이, 도 26(f)와 같이 히스테리시스 응력 특성 재료를 손끝이나 신체에 붙여도 좋다.
도 27은, 인가 전압으로 특성이 변하는 점탄성 재료를 사용한 제어 알고리즘을 도시하고 있다.
도 24에서의 점탄성 재료를 사용한 수법에서는 다른 응력-변형 특성의 재질(2403, 2404)를 붙였으나, 도 27(a)와 같이 인가 전압으로 점탄성 특성이 변화되는 재료(1707)를 사용해도 좋다. 인가 전압을 제어함으로써 점탄성 계수를 변화(도 27(b))시켜 편심 회전자에 의해 발생된 주기적으로 변화하는 운동량의 손바닥으로의 전달율을, 편심 회전자의 회전 위상과 동기시켜 변화시킴으로써 편심 회전자가 도 27(c)와 같이 일정 회전 속도로 회전(정속도 회전)한다고 해도 도 27(d)와 같이 점탄성의 특성을 시간적으로 동작점B 및 동작점A에서의 특성값이 되도록 변화시킴으로써 손바닥·손끝에 전해지는 운동량을 제어할 수 있기 때문에 편심 회전자의 회전 속도를 가감속한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또 본 수법은 피부의 물리 특성을 유사하게 바꾼 것과 같은 효과를 가지고 감각 특성 곡선(도 27(e))을 유사하게 변화시키는 효과를 가진다. 따라서 감각 특성의 개인차를 흡수하거나 착촉력각의 유기 효율을 높이는 제어에 이용할 수 있다. 또 도 27(a)와 같이 착촉력각 디바이스 표면에 점탄성 재료를 붙인 경우와 같이, 도 27(f)와 같이 점탄성 재료를 손끝이나 신체에 붙여도 된다. 여기에서 점탄성 재료는 인가 전압에 의해 응력-왜곡 특성을 비선형으로 제어할 수 있는 것이라면 재질·특성을 불문한다. 또 비선형 제어가 가능하다면 제어 방법도 인가 전압에 의한 제어에 한정되지 않는다.
도 26(b)와 같이 모터의 회전 가감속을 반복하면 큰 에너지의 로스 및 발열이 일어나는데, 본 수법은 모터의 회전 속도는 일정(도 27(c)) 또는 가속도비f1/f2가 1에 가까운 값이며, 인가 전압에 의한 특성의 변화를 수행하기 때문에 본 수법의 에너지 소비는 모터의 가감속에 의한 에너지 소비보다도 줄일 수 있다.
도 28은, 발진 회로를 사용한 제어 알고리즘을 도시하고 있다.
도 28(a)는, 발진 회로를 사용한 에너지 효율적인 착촉력각 인터페이스 장치의 일례를 도시하고 있다. 일반적으로 모터를 고속 회전(1002a) 및 저속 회전(1002b)을 반복하는 등 가감속을 반복할 때에는 큰 에너지의 로스 및 발열이 생긴다. 에너지 로스 및 발열은 모바일이나 무선에서의 이용을 생각했을 때 큰 장해가 된다. 그래서 코일, 콘덴서, 저항을 조합한 발진 회로를 끼워 착촉력각을 생성하도록 편심 회전 모터의 회전 속도를 제어(도 28(b))함으로써 에너지의 소비를 억제할 수 있게 된다. 특히 비선형 특성 및 히스테리시스성을 가진 발진이 바람직하다. 도 28(a)에 도시한 발신 회로는 일례로서 병렬 회로 등에 의한 조합, 전력 제어용의 반도체 소자에 의한 발신 회로여도 좋다.
도 29a 내지 도 29c에 어플리케이션이나 콘트롤러의 사용 목적에 맞춰 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 여러 개 사용한 장치를 도시한다.
도 29a(a)는, 대향형으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29a(b)는, 대향형으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29a(c)는, 병행형으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29a(d)는, 대향형 및 병행형으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29a(e)는, 대향형 및 병행형으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29a(f)는, 병행형으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29a(g)는, 병행형으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29(h)는, 정사면체의 꼭지점에 3차원으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29a(i)는, 대향형 및 병행형으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29a(j)는, 대향형 및 병행형으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29a(k)는, 병행형으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29b(a)는, 대향형을 2차원적으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29b(b)는, 대향형·병행형을 2차원적으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29b(c)는, 대향형·병행형을 2차원적으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29b(d)는, 대향형을 3차원적으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29b(e)는, 대향형·병행형을 3차원적으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29b(f)는, 대향형·병행형을 3차원적으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29c(a) 및 도 29c(b)는, 통형 게임·콘트롤러내에 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29c(c) 및 도 29c(d)는, 비틀림의 위치에 3차원으로 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 29c(e)는, 게임 콘트롤러내에 배치한 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 도시하고 있다.
도 30(a)는, 착촉력각 디바이스에 의해 유기되는 착촉력 감각에 추가하여 착촉력에 동기시켜 형상 변형용 모터(3002)에 의해 착촉력각 인터페이스 장치의 형상(3001)을 변형시킴으로써 유기되는 착촉력각(905)을 강조하는 장치를 도시하고 있다.
예를 들면 도 30(b)와 같이 낚시 게임에 응용한 경우, 물고기에 의한 낚싯대의 잡아당김에 맞춰 인터페이스의 형상(3001)을 휘게 함으로써 착촉력각(905)에 의해 유기된 낚시줄의 장력 감각이 더욱 강조된다. 이 때에 착촉력각 없이 인터페이스를 변형한 것만으로는 이와 같은 리얼한 물고기의 당김을 체감할 수 없고 착촉력각에 인터페이스의 변형이 가해짐으로써 리얼리티가 향상한다. 또 도 30(c)와 같이 착촉력각 디바이스의 기본 유닛을 공간적으로 배열함으로써 형상 변형용 모터(3002) 없이 변형 효과를 일으킬 수 있다.
형상의 변형은 형상 변형용 모터(3002)뿐 아니라 형상기억 합금이나 압전소자를 사용한 구동 장치라는 형상을 변화시킬 수 있는 기구라면 어떤 것이어도 좋다.
도 31은, 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 사용한 버추얼 콘트롤러(3101)를 도시하고 있다.
콘텐츠 작성 장치(102)에서 생성된 버추얼 콘트롤러(3101)는 시각적으로는 홀로그램, 나안 입체시 디스플레이, 헤드 망토 디스플레이라는 시청각 디스플레이(105)를 사용하여 손바닥 안에 버추얼 콘트롤러(3101)가 영상화되고, 촉력각적으로는 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 사용하여 버추얼 콘트롤러(3101)가 만들어져 버추얼 콘트롤러의 존재, 촉감, 버튼 조작 감각이 제시된다. 종래의 진동을 사용한 방법에서는 버추얼 물체의 형상을 촉각적으로 표현할 수 없었으나, 착촉력각 인터페이스 장치를 사용함으로써 버추얼 버튼(3102)의 존재, 버튼을 눌렀을 때 되눌려지는 반력이 표현된다.
종래의 게임 콘트롤러는 사용자 자신의 신체를 움직임으로써 체감 게임을 즐기는 것으로서, 진동을 제외하면 역각 정보에 의한 피드백이 없는 「유사 체감형」이었다. 이에 반해 착촉력각 인터페이스 장치(101)를 사용하면, 버추얼 물체(531)나 게임의 캐릭터에 촉각적으로 닿을 수 있는 「완전 체감형 콘트롤러」를 실현할 수 있다.
착촉력각 인터페이스 장치(101)를 사용한 버추얼 콘트롤러(3101)의 효과는, 게임의 내용에 따라 콘트롤러의 형상, 버튼 배치를 자유자재로 설계할 수 있는 점이다. 특히 남녀노소에 따라 손바닥 및 손가락의 길이가 다르기 때문에 개인의 손바닥에 맞춘 형상의 버추얼 콘트롤러(3101)를 디자인·변형할 수 있다. 또 콘텐츠에 맞춘 형상을 형성하거나 스토리 전개에 맞춰 형상을 변화시킬 수 있다. 예를 들면 종래의 게임 콘트롤러에서는 게임 콘텐츠에 맞춘 게임 콘트롤러가 발매되었다. 반대로 하나의 게임 콘트롤러에서 여러 종류의 콘텐츠를 조작할 경우에는 콘텐츠에 최적인 콘트롤러가 아니기 때문에 직관적으로 조작할 수 없거나, 게임 콘트롤러에 맞춰 콘텐츠의 작성 내용이 제한되는 등의 문제가 있었다. 이에 반해 본 실장예에서는 콘텐츠에 맞춘 콘트롤러를 버추얼로 작성시킬 수 있기 때문에 전용 콘트롤러의 재구입이 불필요하거나 콘텐츠내의 씬이나 스토리에 맞춰 콘트롤러를 자유자재로 변형·변화시킬 수 있다.
특히 새로운 게임 소프트가 발매되었을 때 그 소프트 안에 버추얼 콘트롤러의 정보를 내포시킬 수 있기 때문에 그 게임 내용에 최적화된 버추얼 콘트롤러를 이용할 수 있다. 네트워크를 통해 버추얼 콘트롤러를 아이템으로서 배포할 수 있기 때문에 버전업, 판매를 저렴하고 손쉽게 할 수 있다.
실제 게임콘트롤러의 경우, 약지와 새끼손가락으로 하우징을 파지하면서 여러 개의 버튼을 연속적으로 재빠르게 누르는 작업은 어렵지만, 버추얼 콘트롤러라면 하우징의 파지가 불필요하다. 또 게임 콘트롤러의 무게에 의한 관성력이 없기 때문에 재빠르게 콘트롤러를 움직일 수 있다. 반대로 착촉력각에 의한 버추얼 콘트롤러(3101)라면 필요에 따라 콘트롤러의 무게나 관성력을 생성할 수 있다.
종래의 게임 콘트롤러에서는 모든 입력이 콘트롤러의 버튼 등으로 수행되어왔다. 따라서 VR공간내의 스위치나 도어·손잡이 등을 조작할 경우에는 그것들을 선택하여 콘트롤러의 버튼으로 조작하였다. 따라서 게임에 익숙하지 않은 사용자는 게임 콘트롤러의 버튼에 할당된 기능이나 조작 방법의 습득, 게임별 조작 방법의 습득에 시간이 걸린다. 그러나 버추얼·콘트롤러(3101)에서는 게임 콘트롤러의 기능을 본래의 VR공간내의 버추얼 버튼(3102)에 배치할 수 있기 때문에 사용자가 친숙하고 익숙한 조작 방법으로 VR공간내의 버튼을 직접 조작할 수 있기 때문에 습득 시간이 불필요할 뿐 아니라 직관적인 조작이 가능해진다.
도 32a～도 32g 및 도 33은, 1조의 유닛 혹은 복수 조의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시하고 있다. 도 32a～도 32c는 1조의 유닛을 사용한 경우, 도 32d, 도 32e, 도 32g, 도 32h 및 도 33은 2조의 유닛을 사용한 경우를 도시하고 있다.
도 32a(a)는, 편심추의 위상 관계를 모식적으로 도시하고 있다. 도 32a(b)는, 편심추의 회전 위상 패턴을 도시하고 있다. 도 32a(c)는, 도 32a(b)의 위상 패턴에서 합성되는 착촉력각 디바이스의 중심 변위의 시간적인 변화를 도시하고 있다. 도 32a(c)에 도시한 것처럼 회전수를 가속하는 타이밍을 나타내는 위상 지연θd를 변화시킴으로써 진동의 기본 주기(동작점A의 계속 시간+동작점B의 계속 시간)를 일정한 그대로 도 32a(c)에 도시한 것처럼 중심 변위 플러스쪽 및 마이너스쪽의 가감속 비율을 제어한다. 단, θd가 음인 경우에 위상 지연을 의미하고, 양인 경우에 위상 진행을 의미한다. 그 결과, 도 32a(d)에 도시한 것처럼 진동 주기가 일정한 그대로여도 착촉력각의 감각 강도 및 방향을 변화시킬 수 있다. 위상 지연θd=0 및 π인 경우에는 착촉력각의 힘의 방향은 느껴지지 않고 단순한 진동으로서 지각된다.
또 도 32a(e)에 도시된 것처럼 동작점A의 계속 시간 및 동작점B의 계속 시간의 비율(동작점A의 계속 시간/동작점B의 계속 시간)을 변화시킴으로써 도 32a(f)에 도시된 것처럼 중심 변위의 시간적인 추이를 변화시킨다. 즉, 각속도의 비(동작점B의 계속 시간/동작점A의 계속 시간)을 변화시킴으로써 진동 기본 주기 및 중심 변위 최대 진폭이 일정한 그대로여도 도 32a(g)에 도시된 것처럼 착촉력각의 감각 강도를 변화시킬 수 있다. 이상과 같이 주기, 편심 진폭, 가속·감속을 독립적으로 제어하면서 착촉력각의 감각 강도 및 질감을 변화시킬 수 있다.
도 32b(a)～(h)는 도 32a에서 0° 및 180°방향을 진동 방향으로 하는 경우의 편심추의 위상 관계(위상θ: 0～7π/4)로서, 회전 진동을 포함하지 않는 직선 진동이다. 이에 반해, 도 32c(a)～(h)는 90° 및 270°방향을 진동 방향으로 하는 경우의 편심추의 위상 관계(위상θ: π/2～9π/4)로서, 회전 진동을 포함한 직선 진동이다. 이 회전 진동은, 착촉력각의 유기에서 방향 감각을 무디게 한다.
그래서 도 32d에 도시된 것처럼 2조의 유닛을 사용함으로써 이 회전 진동을 경감시킬 수 있다. 도 32d(a)는, 0°방향을 착촉력각의 방향으로 하는 경우의 위상 관계를 도시하고 있다. 도 32d(b)는, 90°방향을 착촉력각의 방향으로 하는 경우의 위상 관계를 도시하고 있다. 도 32d(c)는, 180°방향을 착촉력각의 방향으로 하는 경우의 위상 관계를 도시하고 있다. 도 32d(d)는, 270°방향을 착촉력각의 방향으로 하는 경우의 위상 관계를 도시하고 있다. 마찬가지로 유닛수를 늘림으로써 회전 진동을 줄일 수 있다.
여기에서 2조의 유닛간 위상θ1 및 θ2를 변화시킨 경우, 도 32e(c) 및 도 32e(d)에 도시된 것처럼 위상차θ2-θ1을 조정함으로써 착촉력각의 감각 강도를 변화시킬 수 있다.
도 32f에 도시된 것처럼 여러 개의 유닛의 위상 관계를 조정함으로써 병진적인 착촉력각(도 32f(a) 및 도 32f(b)), 회전적인 착촉력각(도 32f(c) 및 도 32f(d))를 제시할 수 있다.
여러 조의 유닛을 사용함으로써 또한 에너지 효율적인 착촉력각 제어장치도 가능하며, 이 일례를 도 32g～도 32h에 도시하였다.
도 32g(a)와 같이 2개의 편심 회전자로 구성된 착촉력각 디바이스(107a),(107b)를 2 조 준비하여 도 32g(b)와 같이 각각의 조의 회전 속도를 ω0 및 2ω0로 회전시킨 경우, 도 32(c)와 같은 중심 변위가 합성된다. 특히 위상을 90°엇갈리게 한 경우(3203), 최대치와 최소치의 차가 최대가 된다. 이로써 도 28(a)에 도시한 발진 회로를 사용하지 않고 각각의 모터는 일정 속도로 회전을 계속해도 착촉력각을 유기하는 듯한 가감속 진동을 합성할 수 있다.
여기에서 이와 같은 합성 방법은 2개의 기본 유닛의 회전 속도가 ω0,2ω0인 경우뿐 아니라 mω0,nω0(m,n은 자연수)와 같은 자연수비의 관계이면 된다.
이에 반해 도 32g(d)～도 32g(f)에 도시된 것처럼 모터의 회전 속도ω 및 2ω를 시간적으로 변화시킴으로써 도 32a와 같은 효과도 얻을 수 있다. 또 도 32d와 같이 도 32h에 도시된 것처럼 착촉력각의 방향을 선택할 수 있다.
도 33은, 다른 무게의 편심추를 가진 여러 개의 유닛을 사용한 착촉력각 디바이스 및 제어 방법을 도시하고 있다. 도 32(d)에서는 같은 편심추를 여러 개 사용하고 있는데, 도 33(a)와 같이 편심추의 무게나 형상은 2조간에 달라도 좋다. 나아가 상술한 방법에 대해서도, 2조의 착촉력각 디바이스를 사용한 본 방식을 사용함으로써 에너지 효율적인 착촉력각 제어가 가능해진다.
도 34에 도시한 것처럼 착촉력각 인터페이스 장치(101)는 접착 테잎, 손가락 삽입부를 가진 하우징과 같은 장착부에 의해 몸의 도처(3400)에 장착할 수 있다.
<실시예>
도 35는, 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치를 사용한 실시예로서, 원격지 사이에서 여러 명의 사용자가 협력하여 버추얼 도예를 수행하는 경우를 도시하고 있다.
VR환경 생성 장치A 및 VR환경 생성 장치B의 모든 장치류의 캘리브레이션이 수행된 후에 VR환경 생성 장치간의 통신이 확보된다. 각각 VR환경 생성 장치에 대응한 다른 공간에 사용자가 존재하고 있으며 상호의 VR환경 정보는 통신 장치를 사이에 두고 공유 되어 있다.
이하, 센서에 의한 센싱은 도 1에 기초하여 설명하기로 한다.
데이터 콘텐츠 데이터로서, 버추얼 점토 덩어리에 관한 모델의 초기 정보(모델 꼭지점의 위치Po)가 콘텐츠 데이터(104)로부터 읽어들여진다.
다음으로 여러 개의 위치 센서(111) 및 가속도 센서(108)에 의해 사용자의 몸의 각 부에 관한 정보 벡터군Mu'(위치Xu', 자세Pu', 속도Vu', 각속도Ru', 가속도Au', 각 가속도Tu')가 측정된다. 여기에서 위치 센서는 자세 정보도 측정할 수 있는 것을 사용한다. 속도, 각속도, 가속도, 각 가속도는 위치 정보의 미분, 2층 미분에 의해 구해짐과 동시에 빠른 움직임에 대해서는 가속도 센서의 정보를 사용한다. 또 물리 시뮬레이터(113)에서, 버추얼 점토의 물리 모델의 꼭지점에 관한 정보 벡터군Mo(위치Xo, 속도Vo, 가속도Ao, 각 꼭지점간에 작용하는 힘Fo), 사용자로부터 꼭지점에 작용하는 버추얼한 힘벡터군Fuo, 음원 데이터, 사용자 모델(버추얼 사용자)에 관한 정보 벡터군Mu(위치Xu, 자세Pu, 속도Vu, 각속도Ru, 가속도Au, 각 가속도Tu) 및 버추얼 점토의 꼭지점에서 버추얼 사용자에 작용하는 버추얼한 힘벡터군Fou를 기억하는 메모리 공간이 콘텐츠 작성 장치(102)에 확보된다. 시시각각으로 갱신되는 메모리 공간의 정보 벡터군을 토대로 콘텐츠인 버추얼 점토 및 버추얼사용자의 물리적인 시뮬레이션이 반복되어 메모리 공간의 정보가 갱신된다.
이하, 물리 시뮬레이션은 도 5의 모델을 사용하여 설명하기로 한다.
물리 시뮬레이터에서는 버추얼 점토가 도 5(b)에 도시된 스프링 댐퍼 모델에 의해 표현되고, 상기 정보 벡터군Mu 및 Mo가 계산·갱신된다. 버추얼 사용자의 첫번째 측정점p1(예를 들면, 손끝)의 자세Pu1, 및 이 손가락에 작용하는 버추얼한 힘벡터Fou1에서 착촉력각 인터페이스에서 제시해야 할 힘의 방향 벡터u1은,
u1=Fou1/∥Fou1∥-Pu1
으로 구해진다. 기타 측정점pi에서도 동일하게 계산된다.
도 12와 같이, 초기 위상θi와 힘을 제시해야 할 방향 벡터u 사이에 있는 관계u=(cosθi,sinθi,0)을 사용하여 초기 위상θi가 구해진다. 초기 위상 지연θd는 최대 감각 강도를 주는 -90°로 설정한다. 아울러 초기 위상 지연θd는 제공하고자 하는 감각 강도의 다이나믹 레인지에 맞춰 조정해도 좋다.
이상은, 1조의 착촉력각 디바이스를 사용하여 손끝의 둥글게 자른 단면내에서 임의의 방향으로 힘을 제시하는 경우였으나, 이것은 3조의 착촉력각 디바이스를 사용함으로써 전방위의 임의의 방향으로 힘을 제시하는 방법으로 확장할 수 있다.
제시해야 할 물리적 강도는, 도 17(b)의 착촉력각 등감 레벨 곡선을 나타내는 수치표를 사용하여 제시하고자 하는 착촉력각 강도Ⅱ에 대응하는 물리적 강도가 참조된다. 도 10(e)의 착촉력각 강도의 특성 그래프로부터 물리량Δf/f가 구해진다. 질감으로서, 도 11(c)의 거칠기 감각(1111)을 나타내는 진동감 강도Ⅵ는, 도 10(f)의 진동감 강도의 특성 그래프로부터 물리량f가 구해진다. 이들 물리량Δf/f 및 물리량f로부터 각속도ω1 및 ω2가 구해진다. 상기 특성 곡선으로부터 값을 구할 때에는 스플라인 함수 등의 보간 함수를 사용한다. 각속도ω1 및 ω2는, 이하와 같이 구해진다.
ω1=2π/f1,ω2=2π/f2 단, f1=f+Δf/2,f2=f-Δf/2
위상 패턴θ(t)는, 도 12(b)에 의해 초기 위상θi, 각속도ω1 및 ω2를 사용하여 표시된다.
모터의 응답 특성R은 오버슈팅에 의한 진동을 일으키지 않고 수렴 응답이 좋은 P,I,D파라미터가 선택된다. P,I,D파라미터에 의한 제어 방법은 해당 동업자가 일반적으로 이용하고 있는 서보 모터의 제어 방법으로서, 모터 제조업체가 제공하는 선정 방법에 따라 P,I,D파라미터가 선정된다. 거칠기 감각(1111)을 나타내는 진동감 강도Ⅵ를 강조하고자 할 경우에는 진동이 발생하도록, P 및 D파라미터가 커지도록 가속도 센서로 모니터링하면서 모터FB 특성 제어기에서 파라미터가 피드백적으로 설정된다.
이상과 같이 위상 패턴θ(t)는 착촉력각 유기함수F로부터 f(t)=F(u,Ⅱ,Ⅵ,R)로서 구해진다.
모터 제어의 분해 능력을 1.8°로 한 경우, 상기 위상 패턴θ(t)를 사용하여 종축의 위상360°를 1.8°씩 200개로 분해하여 이 200개의 점에 대응하는 횡축의 시간을 구한다. 이 시간이 제어용 펄스열을 발생시키는 타이밍이 된다. 이상, 위상 패턴θ(t)로부터 제어용 펄스열g(t)가 구해진다.
번형형 댐퍼 모델과 도 5(b)의 스프링·댐퍼 모델의 상이점은, 도 5(b)가 표면뿐인 중공 모델인 데 반해, 본건은 구조 스프링 및 전단 스프링에 대응한 솔리드 모델을 사용하는 점이다.
또다른 상이점은, 도 5(b)에서의 평형 상태의 스프링의 길이L0이 고정값이 아니라 물리 시뮬레이션의 계산에서 시각Δt후의 격자점간의 거리가 평형 상태인 스프링의 길이로서 갱신되는 것이다. 그러나 이 과정을 몇 번이나 반복하여 점토와 같이 복잡하게 겹쳐져 변형될 경우에는 스프링의 길이가 무한대로 연장된다. 그래서 변형될 때마다 스프링의 길이가 균등해지도록 모델링시에서의 격자점 분할을 재차 수행하기로 한다.
격자점1이 인접한 격자점2～격자점4와 결합되어 있는 경우, 격자점1이 격자점2로부터 받는 힘벡터f12는
fl2=-k×(∥p2-p1∥―L12)×(p2-p1)/∥p2-p1∥-c×(v2-v1) (9)
로 표시된다. 단,
pi: 격자점pi의 위치 벡터
vi: 격자점pi의 속도 벡터
k: 스프링의 탄성 계수,
c: 댐퍼의 점성 계수,
Lij: 격자점i와 격자점j간의 스프링의 자연 길이
질량ml의 격자점1이 주위의 격자점2～격자점4로부터 받은 힘의 합력을 f1로 하면, 격자점1의 운동 방정식은
m1×d2p1/dt2=f1=f12+f13+f14 (10)으로 표시된다.
착촉력각 인터페이스 장치가 장착된 손끝이 이 버추얼 물체·물리 모델의 격자점1(p1)에 접촉한 경우에는 격자점1(p1)은 손끝의 위치1(p'1)로 변화되고 손끝에 작용하는 반력(-f)는,
-f=(f12+f13+f14)-m1×d2p'1/dt2 (11)로 표시된다. 접촉을 판정하기 위한 손끝의 움직임은 위치 센서, 가속도 센서에 의해 센싱된다.
실제 수치 시뮬레이션에서는 시각t'의 격자점1의 위치p'1, 속도v'1, 힘f'1은 한시각전t의 변수p, 1v1,f1로부터 구해진다. 즉,
속도 벡터: v'1=v1+(f1/m1)×Δt (12)
위치 벡터: p'1=p1+v1×Δt (13)
마찬가지로 질량m2의 격자점2의 위치, 속도가 계산된다.
속도 벡터: v'2=v2+(f2/m2)×Δt (14)
위치 벡터: p'2=p2+v2×Δt (15)
마지막으로, 격자점1 및 격자점2 사이에 작용하는 힘은 도 5(b)와는 달리
f'12=0 (16)
로 산출된다.
이상의 물리 시뮬레이션에 의해 버추얼 사용자의 손끝에서 버추얼 점토에 작용하는 힘이 계산되어 버추얼 점토가 변형된다. 또 버추얼 점토에서 버추얼 사용자의 손끝에 작용하는 응력도 계산된다. 이 응력의 계산 결과를 토대로, 제시에서 착촉력각 인터페이스 장치가 착촉력각 유기장치 및 착촉력각 디바이스 구동 제어장치에 의해 제어됨으로써 사용자(실체)는 시청각 디스플레이에서의 입체 영상 및 입체 음상에 맞춰 버추얼 점토의 감촉을 체감함과 동시에 감촉에 의해 버추얼 물체의 형상을 확인하면서 버추얼 점토를 변형시켜 버추얼 꽃병을 완성한다. 이 때, 버추얼 물체A와 버추얼 물체B가 VR공간상에서 동일물인 경우 공동 작업에 의해 버추얼 꽃병을 완성시키게 된다.
아울러 버추얼 물체A 및 버추얼 물체B는 실물체여도 좋고 주변 기기에 의해 실물체의 영상 및 형상이 측정되어 그 결과가 통신기기를 통해 VR환경 생성 장치A 및 VR환경 생성 장치B에서 데이터가 공유된다. 버추얼 물체A가 실물체일 때에는 사용자A의 도예 체험을 사용자B가 체험 공유하게 된다.
매 계산마다 격자점의 위치, 속도, 힘이 계산되어 메모리에 저장된다. 이 저장된 값을 사용하여 다음 시간의 위치, 속도, 힘이 계산된다. 이들에 의해 손끝으로의 반력이 제시되고 버추얼 물체의 가촉화가 실현된다.
VR환경은 상기 버추얼 물체에 관한 물리 시뮬레이션과 마찬가지로 주변 기기에 의해 센싱된 실공간의 실물체 및 위치 센서·가속도 센서에 의해 센싱된 사용자의 움직임 정보를 토대로 양자가 동일한 VR환경에서 모델화되고 콘텐츠의 접촉·파지력이 계산되어 가상 공간 및 실공간이 융합된 VR공간이 생성된다.
도 31에 도시된 버추얼 콘트롤러도 상기 버추얼 도예와 같은 방법으로 실현할 수 있다.
본 장치는 버추얼 리얼리티 분야 이외의 여러가지 분야에 응용할 수 있다.
버추얼 리얼리티 기술에 의한 정보 제시 및 표현에서는, 실물의 탈것에서는 멀미를 하지 않는 사람이 시뮬레이터에서는 멀미를 일으키거나 입체시용 버추얼 리얼리티에서 입체감이 느껴지지 않는 사람도 적지 않으며 같은 버추얼 리얼리티라 해도 리얼리티를 느끼는 방법이 사람에 따라 크게 다르다. 이에 더하여 손바닥의 크기나 근육의 강도 등 신체적인 차이, 인터페이스의 무게·형상의 차이, 인터페이스 취급 방법의 사용자 익숙도에 따라 버추얼 리얼리티 기술에 의한 속기 쉬운 정도, 즉 느끼는 방법이 남녀노소, 개인마다 크게 다르다. 따라서 용도에 따라 학습 및 보정 효과가 달라진다.
휴대전화·PDA 등의 정보 단말에 응용하면, 개인 특성에 맞춤으로써 촉력각 정보의 정보량·식별 용이성 및 조작성이 향상된다.
예를 들면, 매너 모드용 바이브레이터 대신에 본 장치를 사용함으로써 종래의 방향 정보가 없는 진동에 대해 내비게이션에서의 진행 방향, 간과하기 쉬운 주의 환기를 촉력각으로 효과적으로 제시할 수 있게 된다.
정보 단말에 착촉력각 디바이스 및 촉력각 디바이스를 내장시킨 경우, 단말의 무게 및 형상과 손바닥의 크기 및 근력과의 상대적인 관계로 촉력각의 강도나 느끼는 방법이 달라진다. 또 손바닥에 놓고 흔들어 사용하는 비베이스형인 경우 질량·관성 모멘트에 의한 관성력에 의해 같은 촉력각 정보를 제시해도 다르게 느껴진다. 따라서 본 장치의 보정 기능이 촉력각 정보를 적절하게 제시하기 때문에 효과적이다.
모션 센서를 사용한 휴대전화용 게임에 이용하면, 힘에 의한 입력에 대해 힘에 의한 아웃풋이 효과적으로 얻어짐으로써 인터랙티브성, 리얼리티가 향상되어 직감적인 조작성이 향상된다. 터치 펜(스타일러스)나 타블렛PC에 이용하면 손가락이나 터치 펜으로 아이콘을 클릭했을 때의 클릭감 향상, 디스플레이내의 Window마다 마찰 저항을 바꿈으로써 겹친 Window의 식별이 가능해져 시각 장애자의 사용성(Usability)이 향상된다.
또 수술 시뮬레이터 등의 각종 트레이닝 장치에 응용하면 개인 특성이나 학습도에 맞춰 조정하고 학습해야 하는 특징적인 포인트, 간과하기 쉬운 포인트 등의 정보를 역각적으로 강조하여 표현함으로써 조작성, 식별 용이성, 학습 효과가 향상된다.
착각에 의한 강조가 포함되기 때문에 역각 정보 제시와 같이 단순히 물리량을 증가시키거나 콘트라스트를 강화시키면 되는 것이 아니라 사람의 감각 특성에 기초하여 강조 보정할 필요가 있다. 또 기구의 다양함이나 입문자용이나 숙련자용으로 나뉘는 공구류를 표현하기 위해서는 사용 빈도나 익숙도에 의해 변화되는 리얼리티감, 버추얼 리얼리티 기술에 의한 속기 쉬운 정도에 맞춰 보정한다.
101 착촉력각 인터페이스 장치
102 콘텐츠 작성 장치
103 착촉력각 유기장치
104 콘텐츠 데이터
105 시청각 디스플레이
106 촉력각 데이터 및 착촉력각 데이터
107 착촉력각 디바이스
107a 착촉력각 디바이스
107b 착촉력각 디바이스
108 가속도 센서
109 압력 센서
110 근전 센서
111 위치 센서
112 제어기
113 물리 시뮬레이터
114 컴퓨터 그래픽
115 착촉력각 유기함수 생성기
116 학습기
117 보정기
118 주변 기기
119 음원 시뮬레이터
205 통신기
520 버추얼 물체(물리 모델)
528 스프링 댐퍼 물리 모델
531 버추얼 물체
533 손가락
535 버추얼 물체로부터 작용하는 응력
814 편심추
815 편심 모터
901 물리 현상
902 비선형 감각 특성
903 심리 현상
904 좌우의 진동
905 착촉력각
908 동작점A의 계속 시간Ta에서의 힘감각의 적분량
909 동작점B의 계속 시간Tb에서의 힘감각의 적분량
1002a 고속 회전수ω1
1002b 저속 회전수ω2
1100 가상 평판
1101 가상 물체의 움직임
1102 이동에 대한 항력
1103 가상 평판으로부터의 항력
1104 마찰력
1105 점성 항력
1106 가상 평판을 표면내로 되미는 항력
1107 가상 평판의 오차 두께
1108 저항감·점성감
1109 마찰감
1110 미끄러운 느낌·가속감
1111 거칠기 감각
1112 진동적 항력
1113 가속력(음의 항력)
1201 초기 위상θi
1202 착촉력각에 의한 부상 감각
1203 착촉력각에 의한 부상 감각
1204 착촉력각에 의한 중력 감각
1301 접착 테이프
1302 하우징
1303 손가락 삽입부
1403 형상 변형재
1404 점탄성 재료
1405 내진 재료
1406 디스플레이
1702 보정기
1703 모터 제어기
1704 모터
1705 인코더
1706 점탄성 특성 제어기
1707 점탄성 재료
1713 착촉력각 유기함수
1714 보정 데이터
1725 물리 강도15dB
1901 모터FB 특성 제어기
1902 제어 신호 생성기
2206 문턱값
2302 추
2303 신축재
2400 정속도 회전
2403 점탄성 재료A
2404 점탄성 재료B
2601 히스테리시스 재료A
2602 히스테리시스 재료B
3001 착촉력각 인터페이스 장치의 형상
3002 형상 변형용 모터
3003 유연 변형 재료
3101 버추얼 콘트롤러
3102 버추얼 버튼
3202 중심 변위(위상차0°)
3203 중심 변위(위상차180°)
102 콘텐츠 작성 장치
103 착촉력각 유기장치
104 콘텐츠 데이터
105 시청각 디스플레이
106 촉력각 데이터 및 착촉력각 데이터
107 착촉력각 디바이스
107a 착촉력각 디바이스
107b 착촉력각 디바이스
108 가속도 센서
109 압력 센서
110 근전 센서
111 위치 센서
112 제어기
113 물리 시뮬레이터
114 컴퓨터 그래픽
115 착촉력각 유기함수 생성기
116 학습기
117 보정기
118 주변 기기
119 음원 시뮬레이터
205 통신기
520 버추얼 물체(물리 모델)
528 스프링 댐퍼 물리 모델
531 버추얼 물체
533 손가락
535 버추얼 물체로부터 작용하는 응력
814 편심추
815 편심 모터
901 물리 현상
902 비선형 감각 특성
903 심리 현상
904 좌우의 진동
905 착촉력각
908 동작점A의 계속 시간Ta에서의 힘감각의 적분량
909 동작점B의 계속 시간Tb에서의 힘감각의 적분량
1002a 고속 회전수ω1
1002b 저속 회전수ω2
1100 가상 평판
1101 가상 물체의 움직임
1102 이동에 대한 항력
1103 가상 평판으로부터의 항력
1104 마찰력
1105 점성 항력
1106 가상 평판을 표면내로 되미는 항력
1107 가상 평판의 오차 두께
1108 저항감·점성감
1109 마찰감
1110 미끄러운 느낌·가속감
1111 거칠기 감각
1112 진동적 항력
1113 가속력(음의 항력)
1201 초기 위상θi
1202 착촉력각에 의한 부상 감각
1203 착촉력각에 의한 부상 감각
1204 착촉력각에 의한 중력 감각
1301 접착 테이프
1302 하우징
1303 손가락 삽입부
1403 형상 변형재
1404 점탄성 재료
1405 내진 재료
1406 디스플레이
1702 보정기
1703 모터 제어기
1704 모터
1705 인코더
1706 점탄성 특성 제어기
1707 점탄성 재료
1713 착촉력각 유기함수
1714 보정 데이터
1725 물리 강도15dB
1901 모터FB 특성 제어기
1902 제어 신호 생성기
2206 문턱값
2302 추
2303 신축재
2400 정속도 회전
2403 점탄성 재료A
2404 점탄성 재료B
2601 히스테리시스 재료A
2602 히스테리시스 재료B
3001 착촉력각 인터페이스 장치의 형상
3002 형상 변형용 모터
3003 유연 변형 재료
3101 버추얼 콘트롤러
3102 버추얼 버튼
3202 중심 변위(위상차0°)
3203 중심 변위(위상차180°)
Claims (19)
- 착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치,
상기 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치,
를 구비한 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치. - 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수를 착촉력각 데이터를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치,
착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치,
상기 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치,
를 구비한 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치. - 각종 센서로부터의 정보 및 콘텐츠 데이터를 토대로 콘텐츠를 작성하는 콘텐츠 작성 장치,
콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수를 착촉력각 데이터를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치,
착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치,
상기 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치,
를 구비한 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치. - 각종 센서로부터의 정보 및 콘텐츠 데이터를 토대로 콘텐츠를 작성하는 콘텐츠 작성 장치,
학습기, 보정기 또는 학습기 및 보정기를 구비하고, 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수를 착촉력각 데이터를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치,
착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치,
상기 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치,
를 구비한 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치. - 각종 센서로부터의 정보 및 콘텐츠 데이터를 토대로 콘텐츠를 작성하는 콘텐츠 작성 장치,
학습기, 보정기 또는 학습기 및 보정기를 구비하여 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수를 착촉력각 데이터를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치,
착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치,
상기 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치,
를 구비하고,
상기 착촉력각 유기장치는 학습용 인스트럭션 후 학습용 착촉력각 유기함수를 생성하고 이 함수에 따라 제시된 착촉력각 정보에 대한 사용자의 반응·행동을 센싱하여 사용자의 착촉력각 감각 특성을 착촉력각 감각량으로서 추정하여 착촉력각 유기함수 및 제어에 관한 개인차 보정용 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치. - 각종 센서로부터의 정보 및 콘텐츠 데이터를 토대로 콘텐츠를 작성하는 콘텐츠 작성 장치,
학습기, 보정기 또는 학습기 및 보정기를 구비하여 콘텐츠에 맞춘 착촉력각 유기함수를 착촉력각 데이터를 사용하여 생성하는 착촉력각 유기장치,
착촉력각 디바이스를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치,
상기 착촉력각 디바이스를 구동 제어하는 착촉력각 디바이스 구동 제어장치,
를 구비하고,
상기 착촉력각 유기장치는, 각 콘텐츠에서의 착촉력각 정보에 대한 사용자의 반응·행동을 센싱하여 콘텐츠내의 특징량에 대한 사용자의 착촉력각 감각 특성을 추정하고, 착촉력각 유기함수 및 제어에 관한 개인차 보정용 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에서, 상기 착촉력각 디바이스는 가감속 기구를 구비한 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치.
- 제7항에 기재된 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에서, 상기 착촉력각 디바이스 구동 제어장치는 발진 회로를 사이에 두고 상기 가감속 기구의 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에서, 상기 착촉력각 디바이스 구동 제어장치는, 상기 착촉력각 유기장치에서 생성된 착촉력각 유기함수에 따라, 상기 착촉력각 디바이스가 구비한 모터의 위상, 방향, 회전 속도 또는 액추에이터의 위상, 방향, 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에서, 센서를 구비하고, 상기 센서는 상기 착촉력각 인터페이스 장치가 장착된 부위의 움직임을 검지·측정하는 위치 센서, 압력 센서, 형상 센서, 생체 신호 센서, 가속도 센서 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에서, 상기 착촉력각 인터페이스 장치는 장착부를 가지고, 상기 착촉력각 디바이스와 상기 장착부 사이에 비선형 응력 특성을 가진 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에서, 상기 착촉력각 인터페이스 장치는 가속도 센서를 구비하고, 상기 착촉력각 디바이스와 상기 가속도 센서와의 사이에 내진 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에서, 상기 착촉력각 인터페이스 장치는 가속도 센서를 구비하고, 상기 착촉력각 디바이스와 상기 가속도 센서와의 사이에 장착부를 구비한 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에서, 상기 착촉력각 인터페이스 장치는 CPU, 메모리, 통신 장치 중 적어도 하나를 구비한 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에서, 콘텐츠 작성 장치는 상기 센서로부터의 정보를 토대로 물리 시뮬레이션 계산, 버추얼 리얼리티 공간의 생성 및 갱신, 컴퓨터 그래픽의 작성 및 표시, 착촉력각 정보의 정보 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에서, 상기 착촉력각 인터페이스 장치는 다른 주파수, 다른 가감속 또는 다른 주파수 및 다른 가감속으로 구동하는 2조 또는 복수 조의 착촉력각 디바이스를 구비한 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치에서, 상기 착촉력각 인터페이스 장치는 손가락 또는 신체에 장착하기 위한 장착부를 갖는 것을 특징으로 하는 버추얼 리얼리티 환경 생성 장치.
- 변형 가능한 수단을 구비한 기부 (基部),
착촉력각 디바이스 장치를 구비한 착촉력각 인터페이스 장치,
를 구비한 콘트롤러 장치. - 버추얼한 동작을 만들어 내어 버추얼한 존재, 촉감, 버튼 조작 감각을 제공하는 착촉력각 인터페이스 장치,
버추얼 물체를 제시하는 시청각 디스플레이,
를 구비한 버추얼 콘트롤러 장치.
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