힘 벡터 전달 장치{APPARATUS FOR TRANSMITTING FORCE VECTOR}
힘 벡터를 사람에게 전달하기 위한 기술에 관한 것이다.
원거리에서 로봇을 조작하거나, 또는 가상공간 내에서 물체를 직관적으로 조작하기 위해 사람의 손이나 팔에 실제로 물체를 조작할 때 느껴지는 감각을 인위적으로 생성하여 전달할 필요가 있다.
일실시예에 따른 힘 벡터 전달 장치는 삽입된 객체에 의해 신축되는 내벽, 상기 내벽을 둘러싸는 외형, 및 상기 내벽과 상기 외형 사이에 위치하며, 상기 내벽을 통해 상기 객체에 힘을 전달하는 액추에이터(actuator)를 포함한다. 다른 일실시예에 따른 힘 벡터 전달 장치는 객체가 삽입되는 내부공간을 포함하는 외형, 및 상기 외형 내부에 형성되어 상기 객체에 복수 방향의 힘을 전달하는 복수의 액추에이터를 포함한다. 또 다른 일실시예에 따른 힘 벡터 전달 장치는 손가락 말단이 삽입되는 오프닝을 포함하는 외형, 및 상기 외형 내부에 형성되어 상기 손가락 말단에 힘을 전달하는 액추에이터를 포함한다.
일 측면에 따르면, 로봇의 손가락 말단에 작용하는 여러 방향의 힘을 사람의 손가락 말단에 그대로 전달할 수 있다. 일 측면에 따르면, 수술 로봇과 같이 민감한 조직이나 물체를 다루는 로봇의 말단이 조직과 접촉하는 힘을 조작자에게 전달하도록 함으로써 로봇을 이용하는 작업의 효율성과 안전성을 향상시킬 수 있다. 일 측면에 따르면, 돌기로 형성된 내벽을 통해 손가락으로 힘을 전달함으로써, 촉각의 민감도를 향상시킬 수 있다. 일 측면에 따르면, 일정한 압력으로 유체를 액추에이터로 공급하고, 공급된 유체의 압력에 의해 액추에이터가 신축됨으로써, 손가락으로 힘의 크기를 직접적으로 전달할 수 있다.
도 1은 손가락에 작용하는 힘의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 힘 벡터 전달 장치의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 힘 벡터 전달 장치에 포함된 액추에이터의 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 힘 벡터 전달 장치의 가로 단면을 도시한 측면도이다.
도 5는 힘 벡터 전달 장치의 세로 단면을 도시한 측면도이다.
도 6은 힘 벡터 전달 방법의 일례를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 실시예를 상세하게 설명하지만, 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 원거리에서 로봇을 조작하거나, 또는 가상공간 내에서 물체를 직관적으로 조작하기 위해서는, 사람의 손이나 팔에 실제로 물체를 조작할 때 느껴지는 감각을 전달할 필요가 있다. 도 1은 손가락에 작용하는 힘의 일례를 도시한 도면이다. 도 1을 참고하면, 로봇이 물체를 조작할 때, 로봇 손가락(100)의 말단에는 여러 방향의 힘이 작용할 수 있다. 예컨대, 방향은 정면(150), 상면(110), 하면(130), 좌면(140), 또는 우면(120)을 포함할 수 있다. 도 2는 힘 벡터 전달 장치의 일례를 도시한 도면이다. 도 2를 참고하면, 힘 벡터 전달 장치(200)는 객체(210)를 삽입하고, 상기 삽입된 객체(210)에 의해 신축되는 내벽, 상기 내벽을 골무 형태로 둘러싸는, 경화 재질의 외형, 및 상기 내벽과 상기 외형 사이에 위치하며, 상기 내벽을 통해 객체(210)에 힘을 전달하는 액추에이터(actuator)로 구성될 수 있다. 여기서, 객체(210)는 사람의 손가락일 수 있다. 힘 벡터 전달 장치(200)는 사람의 손가락 말단(210)에 부착되어 이용될 수 있다. 또한, 힘 벡터 전달 장치(200)는 도 1에서 도시한 여러 방향의 힘을 전달하는 골무 형태일 수 있다. 도 3은 힘 벡터 전달 장치에 포함된 액추에이터의 일례를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 액추에이터(310)는 도 1에서 도시한 각 방향의 힘을 객체에 전달할 수 있다. 액추에이터(310)는 팽창과 수축이 가능한 구조로 형성될 수 있으며, 일례로 유연한 고무 재질로 만들어진 유체를 담는 풍선과 같은 주머니의 구조일수 있다. 풍선의 팽창과 수축은 풍선에 공급되는 유체(fluid)의 양을 통해 조절할 수 있으며, 유체를 공급하기 위한 도관(320)이 형성될 수 있다. 예컨대, 도관(320)에 공기와 같은 유체를 일정한 압력으로 주입하면 풍선이 압력에 의해 부풀게되고 공기를 빼내면 수축하게 할 수 있다. 이러한, 액추에이터(310)는 힘 벡터 전달 장치(200)에 정면(150), 상면(110), 하면(130), 좌면(140), 또는 우면(120) 중 적어도 하나의 방향에 각각 대응되게 복수개로 구성될 수 있다. 예컨대, 액추에이터(310)는 도 1에서 도시한 정면(150), 상면(110), 하면(130), 좌면(140), 또는 우면(120) 방향에 각각 대응되게, '5개'로 구성될 수 있다. 이하, 도 4는 도 2의 힘 벡터 전달 장치를 'B'를 중심으로 자른 가로 단면을 도시한 측면도이다. 도 4를 참조하면, 힘 벡터 전달 장치(200)는 외형(230), 객체(210)를 감싸는 내벽(220), 복수의 액추에이터들(410, 420, 430, 440, 450)을 포함할 수 있다. 외형(230)은 골무 형태를 갖고 단단한 경화 재질로 형성될 수 있다. 외형(230)에는 객체(210)인 사람의 손가락 말단이 삽입될 수 있는 크기의 오프닝(240)이 형성되어 있다. 오프닝(240)과 연결된 내부공간은 손가락 말단을 수용할 수 있는 크기로 형성될 수 있으며 앞에서 설명한 바와 같이 내벽(220)으로 둘러싸인 공간일 수 있다. 외형(230)을 골무 형태로 형성하는 것은 객체(210)인 사람의 손가락에 잘 부착하기 위한 것이다. 내벽(220)은 삽입되는 객체(210)에 의해 신축(伸縮)될 수 있다. 내벽(220)은 객체(210)와 직접적으로 접촉하는 부분으로, 힘 벡터 전달 장치(200)가 객체(210)에 잘 밀착될 수 있도록 신축성 있는 재질로 형성될 수 있다. 액추에이터(410 내지 450)는 외형(230)과 내벽(220) 사이에 위치하며, 내벽(220)을 통해 객체(210)로 힘을 전달한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 액추에이터(410 내지 450)는 정면(150), 상면(110), 하면(130), 좌면(140), 또는 우면(120) 방향에 각각 대응되게, '5개'로 구성될 수 있다. 일례로, 로봇 손가락(100)의 하면(130) 방향 힘에 대응하는 액추에이터(430)는 사람의 손가락 아래쪽에 위치할 수 있다. 액추에이터(430)로 유체를 공급하는 도관(431)은 외형(230)과 내벽(220) 사이의 빈 공간을 통해 힘 벡터 전달 장치(200) 아래로 연결된다. 또는, 로봇 손가락(100)의 정면(150) 방향 힘에 대응하는 액추에이터(450)는 사람의 손가락 앞쪽에 위치할 수 있다. 또한, 액추에이터(450)로 유체를 공급하는 도관(도 5의 451)은 외형(230)과 내벽(220) 사이의 빈 공간을 통해 힘 벡터 전달 장치(200) 아래로 연결된다. 이하, 도 5는 도 2의 힘 벡터 전달 장치를 'A'를 중심으로 자른 세로 단면을 도시한 측면도이다. 도 5를 참조하면, 기본 적인 구성은 그림 4의 가로 단면과 같다. 액추에이터(410 내지 450) 각각에 대응되는 도관(411~451)은 힘 벡터 전달 장치(200)의 바닥면을 통해 유체를 제어하는 제어모듈(500)과 연결된다. 객체(210)를 힘 벡터 전달 장치(200)의 내벽(220)으로 삽입하면, 내벽(220)은 객체(210)와 밀착하게 되고, 제어모듈(500)은 각 방향을 담당하는 액추에이터(410 내지 450)에 도관(411~451)을 통해 유체를 공급한다. 유체가 액추에이터(410 내지 450)에 공급되면, 액추에이터(410 내지 450)에 압력이 가해져, 액추에이터(410 내지 450)는 객체(210)의 해당 부분에 각 방향의 힘을 전달하게 된다. 실시예로, 힘 벡터 전달 장치(200)는 내벽(220)과 액추에이터(410 내지 450)의 신축성으로 인해 다양한 크기와 모양의 손가락에 대응이 가능하다. 또는, 힘 벡터 전달 장치(200)의 내벽(220)에 객체(210)와 직접적으로 접촉하는 부분에 돌기를 형성하면, 객체(210), 즉, 손가락 촉각의 민감도를 향상시킬 수 있다. 액추에이터(410 내지 450)는 유체를 이용한 벌룬형 액추에이터 이외에 다른 실시예를 이용하였으나, 전기활성고분자(Electro Active Polymer; EAP) 또는 압전 소자(Piezo-electric Element)를 이용한 액추에이터를 사용하는 것도 가능하다. 도 6은 힘 벡터 전달 방법의 일례를 도시한 흐름도이다. 단계 610에서, 힘 벡터 전달 장치(200)는 삽입되는 객체에 의해 신축되는 내벽을 제공한다. 내벽(220)은 객체(210)와 직접적으로 접촉하는 부분으로, 힘 벡터 전달 장치(200)가 객체(210)에 잘 밀착될 수 있도록 신축성 있는 재질로 형성될 수 있다. 단계 620에서, 힘 벡터 전달 장치(200)는 경화 재질의 외형(230)으로, 내벽(220)을 둘러싼다. 단계 630에서, 힘 벡터 전달 장치(200)는 내벽(220)과 외형(230) 사이에 위치한 액추에이터(410 내지 450)를 이용하여 객체(210)에 힘을 전달한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 액추에이터(410 내지 450)는 정면(150), 상면(110), 하면(130), 좌면(140), 또는 우면(120) 중 어느 하나의 방향에 각각 대응되게, 복수 개로 구성될 수 있다. 예를 들어, 객체(210)가 사람의 손가락인 경우, 손가락을 힘 벡터 전달 장치(200)의 내벽(220)에 삽입하면, 내벽(220)은 손가락과 밀착하게 되고, 제어모듈(500)은 각 방향을 담당하는 액추에이터(410 내지 450)에 유체를 공급한다. 유체가 액추에이터(410 내지 450)에 공급되면, 액추에이터(410 내지 450)에 압력이 가해져, 액추에이터(410 내지 450)는 손가락의 해당 부분에 각 방향의 힘을 전달할 수 있다. 또는, 내벽(220)에 객체(210)와 직접적으로 접촉하는 부분에 돌기를 형성함으로써, 손가락 촉각의 민감도를 향상시킬 수 있다. 이상과 같이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
200: 힘 벡터 전달 장치
210: 객체
220: 내벽
230: 외형
410 내지 450: 액추에이터 |
