햅틱 인터페이스의 분류(직렬형 역감 제시장치, 병렬형 역감 제시장치)

햅틱 인터페이스의 분류(직렬형 역감 제시장치, 병렬형 역감 제시장치)

역감 제시장치(Force Feedback Interface)

햅틱 인터페이스는 전달하는 촉감의 분류에 따라 역감 제시장

치와 질감 제시장치로 분류된다. 이중 역감 제시장치는 장치를

구성하는 기구의 링크와 조인트의 연결 형태에 따라 직렬형 또

는 병렬형 장치로 나뉠 수 있다. SensAble사의 PHANToM[26]

이나 Haption의 Virtuose[11]와 같이 조인트에 의해 링크가 직

렬로 연결된 장치가 직렬형 구조의 역감 제시장치이며<그림

2>, Force Demension사의 Omega[9]나 Novint사의 Falcon

[21]등과 같이 두 개 이상의 직렬형 암(Arm)으로 구성된 장치

가 병렬형 구조의 역감 제시장치이다<그림 3>. 직렬형 장치는

작업공간이 비교적 크며, 기구의 정위치 해석과 동역학적 해석

이 용이하나, 일반적으로 표현할 수 있는 힘의 범위가 병렬형

에 비해 작다. 또한 조인트에서의 측정 오차들이 누적되어, 정

밀한 위치 제어가 쉽지 않은 단점이 있다. 이에 비해 병렬형 장

치는 여러 개의 암(Arm)이 병렬로 연결되므로 직렬형에 비해

상대적으로 큰 힘의 범위를 표현할 수 있으며, 조인트에서 발생

하는 오차 누적과 물리적 관성을 최소화하여 정밀 제어가 가능

하다. 그러나, 작업공간이 작고, 정위치 해석에서 단일 해가 존

재하지 않아 실시간 제어가 어렵고, 정상 제어가 불가능한 지점

(Singular Point)을 고려해야 하는 기술적 어려움이 있다.

역감 제시장치의 다른 형태로는 인간의 팔 또는 손가락의 골

격 모양으로 링크를 구성하고, 조인트로 관절 역할을 할 수 있

도록 제작하여 사용자가 직접 착용한 상태로 사용하는 외골격

형(Exoskeleton Type) 장치도 있다. 외골격형 장치는 부피가

크고 무겁지만, 인간의 움직임을 그대로 반영할 수 있는 특징

이 있어 주로 재활 훈련용으로 활용된다. 특히 Immersion사의

Cyberforce[12]나 PERCRO의 Exoskeletons[23]가 대표적이

다<그림 4>.

고 다양한 질감 표현을 위한 자극 발생 방법에 대해서도 연구

중이다. Katz는 물체의 표면 질감을 인식하기 위해서 진동자

극이 효과적임을 밝혔으며, 질감 표현을 위해 진동을 정량적으

로 분석하였다 [15]. Lederman은 홈이 있는(Grooved) 표면에

대한 거칠기 인식에서의 진동의 역할에 대해 연구하였다[17].

또한 Cascio등은 거칠기 인식에 있어 시간 정보가(Temporal

information)가 미치는 영향을 신경 과학적인 관점에서 분석

하였다[8]. Weinstein은 촉감에 가장 민감한 부분을 규명하기

위해 인체의 모든 부위에서의 촉감 신경 분포와 촉각 인지 역

치(Threshold)를 조사하여 사람의 엄지, 검지 손가락과 윗 입

술 등이 가장 예민한 부분임을 밝힌 바 있고[25], Bolanowski,

Gescheider등은 촉감에 대한 4 가지 인지 생리학적 채널을 제

시하고, 관련된 수용기 섬유를 분류하여 각 수용기의 응답 특성

및 인지 역할을 정리하였다[4]. 이들 연구 결과를 바탕으로 한

국과학기술원에서는 효과적인 질감 표현을 위한 질감 제시 장

치의 요구 사항을 아래와 같이 정리하기도 하였다[14].

- 피부 자극을 위한 진동 주파수는 0 ~ 500Hz가 되어야 한다.

- 감각 수용기 역치의 10배 수준의 자극을 구현할 경우, 저주파

에서는 약 1mm, 500Hz의 경우 약 56.2um 수준의 변위를

만족해야 한다.

- 피부와의 접촉면은 질감을 표현할 수 있을 만큼의 넓이 이상

이 되어야 한다.

- 작은 모양을 표현할 수 있어야 하며, 고정된 상을 유지할 때

더욱 유리하다

현재 질감 표현에 대한 연구는 진동 자극을 이용하는 방법에

대해서 주로 연구되고 있으며, 현재 알려진 질감 제시장치들도

진동 자극을 가장 많이 사용하고 있다. 진동 자극을 사용하는

전형적인 질감 제시 장치 형태는 여러 개의 핀들이 배열 형태

로 배치하고 각각의 핀들을 수직 방향으로 이동하여 피부에 표

면 무늬를 직접적으로 자극하는 핀 배열(Pin-Array) 형태이다

[29]. Northwestern 대학에서는 초음파 진동에 의한 에어 스

퀴즈 필름 현상을 이용하여 유리 표면의 마찰을 변화시켜, 유

리 표면위에서 손가락이 움직임에 따라 서로 다른 마찰감을 제

공하는 T-PaD를 개발한 바 있다[16]. 프랑스의 Lille 대학에서

는 터치패널 아래 피에조 세라믹 재질의 액추에이터를 메트릭

스 형태로 배치하여, 손가락과 진동면 사이에서 발생하는 에어

스퀴즈 필름 효과로 마찰감을 발생시키는 질감 제시장치를 개

발하였다[18]. 진동 자극 이외에도 공기의 흡입력을 이용한 자

극[28], 전극 접촉을 이용한 자극, 정전기력을 이용한 자극, 온

도 차를 이용한 냉, 온감 자극 등 다양한 방법으로 질감을 표현

하려는 노력이 계속되고 있다. 그러나, 이러한 방법들은 자극의

세기, 장치 부피 또는 장치 구성의 복잡성 등의 문제로 터치스크린 

등의 모바일 디바이스에서 활용하기에는 부적합한 측면이 있다.