KR20050048902A - Haptic system using voice coil motor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 가상공간의 원격조작 상황에 생생한 현실감과 기계 조작의 편리함을 주는 햅틱 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a haptic system using a voice coil motor, and more particularly, to a haptic system that provides vivid realism and convenience of machine operation in a remote operation situation of a virtual space.
본 발명의 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 장치는 물체의 무게나 단단함 등의 촉감을 전달하는 햅틱 시스템에 있어서, 사용자의 수동 조작이 입력되는 동작 입력 수단; 상기 동작 입력 수단의 움직임 위치 정보를 감지하여 피드백된 신호를 발생시키는 엔코더; 상기 동작 입력 수단 및 상기 엔코더를 연결하여 힘을 전달하는 링크; 상기 피드백된 신호를 입력받아 가상환경 모델에 따른 토크량을 계산하여 제어 신호를 발생시키는 제어부 및 상기 제어 신호에 따라 구동되어 상기 엔코더를 동작시키는 보이스 코일 모터로 이루어짐에 기술적 특징이 있다.A haptic device using the voice coil motor of the present invention, the haptic system for transmitting a touch, such as the weight of the object or the rigidity, the haptic system, comprising: motion input means for inputting a user's manual operation; An encoder for detecting the movement position information of the motion input means and generating a feedback signal; A link connecting the motion input means and the encoder to transmit a force; Technical features of the present invention include a controller for generating a control signal by calculating a torque amount according to a virtual environment model by receiving the feedback signal and a voice coil motor driven according to the control signal to operate the encoder.
따라서, 본 발명의 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템은 기어 및 기타 동력전달장치를 사용하지 않고 모터를 직접구동하여 백래쉬가 없고, 구조가 간단하며 치/슬롯구조가 없는 보이스 코일 모터를 사용함으로써, 토크 리플이 없고 전압 인가방법 및 정/역 구동의 구현이 간단하며, USB를 사용하여 쉬운 인터페이스가 가능하고 USB 제어기, 엔코더 카운트, 보이스 코일 모터 구동을 모두 한 개의 보드 위에 일체화하여 가격이 저렴한 장점이 있고, 알루미늄 재질의 링크 및 플레이트를 사용하여 경량화와 저관성이 가능하고 5절 링크를 사용하여 위치 및 힘 해석이 용이한 효과가 있다.Accordingly, the haptic system using the voice coil motor of the present invention directly drives the motor without using gears and other power transmission devices, and thus, has a backlash-free, simple structure, and no voice / slot structure. There is no ripple, the voltage application method and the implementation of the forward / reverse drive are simple, the interface is easy by using USB, and the USB controller, encoder count and voice coil motor drive are all integrated on one board, and the price is low. , Light weight and low inertia are possible by using aluminum link and plate, and position and force analysis is easy by using 5 link.
Description
본 발명은 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 가상공간의 원격조작 상황에 생생한 현실감과 기계 조작의 편리함을 주는 햅틱 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a haptic system using a voice coil motor, and more particularly, to a haptic system that provides vivid realism and convenience of machine operation in a remote operation situation of a virtual space.
일반적으로 햅틱 장치(Haptic Feedback Device)는 인간과 상호 작용하는 컴퓨터 시스템에서 매우 중요한 역할을 담당한다. 시각이나 청각 정보와는 달리 햅틱 장치를 통하여 물체의 무게나 단단함 등의 촉감을 전달하는 기술이다. 상기 햅틱 장치기술은 가상현실(Virtual Reality) 시스템 분야에 해당하는 기술로 실험용으로 제작되지만, 각 장치마다 단점이 많다는 문제점이 있었다.In general, haptic feedback devices play a very important role in computer systems that interact with humans. Unlike visual or auditory information, it is a technology that delivers a touch such as weight or rigidity of an object through a haptic device. The haptic device technology is a technology corresponding to the field of a virtual reality system, but is manufactured for an experiment, but each device has a problem in that there are many disadvantages.
도 1은 종래의 햅틱 장치를 나타내는 구조도이다. 도 1(가)의 1-DOF(Degree Of Freedom : 자유도) 햅틱 장치를 살펴보면, 상기 1-DOF 햅틱 장치는 한 방향(Z방향) 회전으로만 작동하는 장치로서, 구동원은 DC모터 하나를 사용하였다. 주목할 점은 댐퍼(Damper) 장치를 사용하여 힘의 반향량을 제어하였다. 상기 1-DOF 햅틱 장치는 단순하면서 제어가 간단한 장치지만, 하나의 자유도만 가지므로 사용하기가 한정적이고, 유압 댐퍼를 사용하므로 정밀적인 힘을 제어하기에는 문제점이 있었다.1 is a structural diagram showing a conventional haptic device. Referring to the 1-DOF (Degree Of Freedom) haptic device of FIG. 1A, the 1-DOF haptic device operates only in one direction (Z direction) rotation, and a driving source uses one DC motor. It was. Note that a damper device was used to control the force reflection. The 1-DOF haptic device is simple and simple to control, but it is limited to use because it has only one degree of freedom, and there is a problem in controlling precision force due to the use of a hydraulic damper.
도 1(나)의 2-DOF 햅틱 장치를 살펴보면, 상기 2-DOF 햅틱 장치는 2개의 자유도(X, Y 방향)를 가지는 장치로서, 한 개의 자유도를 구성하는 장치는 한 개의 모터와 한 개의 포텐셔미터를 사용하였다. 따라서, 2개의 모터와 2개의 포텐셔미터를 가지고 있는 2-DOF 햅틱 장치는 의약용 미세수술장치의 시뮬레이션 장치를 연구하기 위해서 만든 장치이다. 상기 2-DOF 햅틱 장치는 두 개의 자유도를 가지지만 작업공간이 아주 좁고, 작업범위보다도 큰 기구부 부피를 차지하는 비효율성이 있으며, 기어를 사용함으로써 백래쉬(Back lash)가 생긴다는 문제점이 있었다.Referring to the 2-DOF haptic device of FIG. 1 (b), the 2-DOF haptic device has two degrees of freedom (X and Y directions), and a device constituting one degree of freedom includes one motor and one Potentiometers were used. Therefore, the 2-DOF haptic device, which has two motors and two potentiometers, was created to study the simulation device of the medical microsurgical device. Although the 2-DOF haptic device has two degrees of freedom, the working space is very narrow, there is an inefficiency of occupying the volume of the mechanism larger than the working range, and there is a problem in that a backlash is generated by using a gear.
도 1(다)의 3-DOF 햅틱 장치를 살펴보면, 상기 3-DOF 햅틱 장치는 3개의 수직링크와 3개의 수평링크로 구성된 장치로서, 3개의 작동기(Actuator)와 3개의 힘센서장치를 사용하였다. 상판과 하판을 연결하는 상기 수직링크에는 3개의 볼 조인트(Joint)를 사용하고, 수평링크와 연결 조인트는 3개의 핀 조인트를 사용하였다. 그러나 상기 3-DOF 햅틱 장치는 복잡한 구조를 가지고 있고, 수평링크의 마찰력의 영향이 크다. 또한, 아주 작은 작업공간을 가지고, 부가 부착물이 많으므로 비용이 많이 드는 문제점이 있었다.Referring to the 3-DOF haptic device of FIG. 1 (C), the 3-DOF haptic device is composed of three vertical links and three horizontal links, and uses three actuators and three force sensor devices. . Three ball joints were used for the vertical link connecting the upper plate and the lower plate, and three pin joints were used for the horizontal link and the connection joint. However, the 3-DOF haptic device has a complicated structure and has a large influence of the friction force of the horizontal link. In addition, it has a very small workspace, there is a problem that is expensive because there are many additional attachments.
종래기술인 로젠버그 등의 대한민국 공개특허 제2003-0085080호의 장난감용 햅틱 원격 제어 장치 및 방법을 살펴보면, 햅틱 피드백 원격 제어 장치를 통해 장난감 장치에 제어 신호를 제공하여 장난감 장치의 동작을 제어하는 것에 관한 것이다. 그러나, 상기 종래기술은 다절 링크를 이용하지 않았고 햅틱 장치 내에 모든 기기를 일체화하지 않았다는 문제점이 있었다.Looking at the haptic remote control device and method for toys of the Republic of Korea Patent Publication No. 2003-0085080 of Rosenberg et al., The prior art relates to controlling the operation of the toy device by providing a control signal to the toy device through the haptic feedback remote control device. However, the prior art has a problem that it does not use a multi-link and does not integrate all the devices in the haptic device.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 큰 힘의 반향을 제시하고 힘 제어가 용이하며, 기어나 기타 동력전달장치를 사용하지 않고 보이스 코일 모터를 직접 구동하여 백래쉬를 없애며 링크연결 부분의 마찰력을 최소화하기 위한 햅틱 장치를 통하여 사람이 가상현실을 좀 더 리얼하게 느끼게 하기 위한 햅틱 시스템을 제공하고 USB(Universal Serial Bus) 제어기, 엔코더 카운트(Encoder Count), 보이스 코일 모터 구동을 모두 한 개의 보드 위에 일체화함에 본 발명의 목적이 있다. Accordingly, the present invention is to solve the above disadvantages and problems of the prior art, presenting a large force echo and easy to control the force, directly driving the voice coil motor without the use of gears or other power trains Haptic system to eliminate the backlash and minimize the friction of the link part to provide a haptic system to make the virtual reality more realistic, USB (Universal Serial Bus) controller, encoder count, voice An object of the present invention is to integrate the coil motor drive all on one board.
본 발명의 상기 목적은 물체의 무게나 단단함 등의 촉감을 전달하는 햅틱 시스템에 있어서, 사용자의 수동 조작이 입력되는 동작 입력 수단; 상기 동작 입력 수단의 움직임 위치 정보를 감지하여 피드백된 신호를 발생시키는 엔코더; 상기 동작 입력 수단 및 상기 엔코더를 연결하여 힘을 전달하는 링크; 상기 피드백된 신호를 입력받아 가상환경 모델에 따른 토크량을 계산하여 제어 신호를 발생시키는 제어부 및 상기 제어 신호에 따라 구동되어 상기 엔코더를 동작시키는 보이스 코일 모터로 이루어진 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템에 의해 달성된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a haptic system for transmitting a tactile feeling such as weight or rigidity of an object, comprising: motion input means for inputting a manual operation of a user; An encoder for detecting the movement position information of the motion input means and generating a feedback signal; A link connecting the motion input means and the encoder to transmit a force; By a haptic system using a voice coil motor consisting of a control unit for generating a control signal by calculating the torque amount according to the virtual environment model by receiving the feedback signal and a voice coil motor driven by the control signal to operate the encoder. Is achieved.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.Details of the above object and technical configuration of the present invention and the effects thereof according to the present invention will be more clearly understood by the following detailed description with reference to the drawings showing preferred embodiments of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 햅틱 장치를 나타내는 전체 구조도이다. 본 발명에 따른 햅틱 장치는 사람이 제시할 수 있는 힘을 10N, 작동범위를 40×40mm 및 링크구조를 구조적으로 견고한 5절(Five-Bar) 링크 구조로 2개의 보이스 코일 모터(Voice Coil Motor)(100)를 구동원으로 사용하였고, 자유도는 2-DOF(X, Y 평면)를 가진다. 2 is an overall structural diagram showing a haptic device according to the present invention. The haptic device according to the present invention has two voice coil motors with a force of 10 N, a working range of 40 × 40 mm, and a five-bar link structure that is structurally rigid. (100) was used as the driving source, and the degrees of freedom had 2-DOF (X, Y plane).
상기 햅틱 장치의 작동자가 손잡이(130)를 손으로 잡고 X, Y 평면상으로 움직일 수 있는데 보이스 코일 모터(100)를 구동원으로 사용하여 상기 보이스 코일 모터(100)의 제어를 용이하게 하였고, 직접구동방식을 사용하기 때문에 보이스 코일 모터(100)에서의 마찰력을 최소화하였다. 그리고 알루미늄 재질의 링크(120)와 플레이트(Plate)를 사용하여 무게를 경량화하였기 때문에 저관성(Inertia)을 이룰 수 있다. 관성은 햅틱 장치를 천천히 움직일 때는 문제가 되지 않지만 급가속시 시스템의 관성은 힘을 반영시키므로 속도의 한계가 생기고, 이로 인해 힘 반향제어의 응답이 늦어진다. 또한, 엔코더(110)는 상기 보이스 코일 모터에 의해 피드백된 신호로부터 힘을 발생하는 장치이다.The operator of the haptic device can move on the X, Y plane by holding the handle 130 by hand to facilitate the control of the voice coil motor 100 by using the voice coil motor 100 as a drive source, direct drive Since the method is used, the frictional force in the voice coil motor 100 is minimized. In addition, since the weight is reduced by using an aluminum link 120 and a plate, low inertia may be achieved. Inertia is not a problem when the haptic device is moving slowly, but the system's inertia reflects the force during rapid acceleration, which limits the speed, which slows the response of the force echo control. In addition, the encoder 110 is a device for generating a force from the signal fed back by the voice coil motor.
한편, 백래쉬가 발생하는 곳의 측면에서는 보이스 코일 모터(100)의 직접 구동을 통해 백래쉬가 없어졌다. 상기 백래쉬는 보이스 코일 모터(100) 제어시 중요한 요소로 작용한다. 또한, 마찰력은 힘 전달의 주요한 손실 포인트가 되어 사용자가 햅틱 장치 손잡이(130)를 작동시킬 때 상기 백래쉬에 의해 조작성이 크게 떨어진다. 이 문제를 해결하기 위해서 링크(120)의 연결부위에 볼 베어링 및 부싱(140)(Bushing)을 사용해 회전 조인트 부분의 마찰력을 최소화시켰다.On the other hand, the backlash has disappeared through the direct driving of the voice coil motor 100 on the side where the backlash occurs. The backlash acts as an important factor in controlling the voice coil motor 100. In addition, the frictional force is a major loss point of the force transmission, and the operability is greatly degraded by the backlash when the user operates the haptic device handle 130. In order to solve this problem, a ball bearing and a bushing 140 (Bushing) at the connection portion of the link 120 is used to minimize the friction of the rotary joint portion.
상기 햅틱 장치는 병렬구조의 5절 링크(120) 구조를 채택하였다. 상기 병렬구조의 5절 링크(120) 구조는 위치 및 힘 해석의 용이성으로 인해 힘 센서 등 기존의 부가 부착물들을 많이 없애고, 구동기가 지지부에 가깝게 위치하며, 구조 자체가 견고하기 때문에 높은 응답 주파수 대역폭에서 힘의 제어가 가능하다. 소형 디자인이 가능하기 때문에 작업자가 용이하게 조작할 수 있어 무게가 중요시되는 작업에서 사용되고, 대칭구조를 가지고 있어 견고하다. 또한, 신뢰성이 있어 제작비용을 낮출 수 있고, 직렬형 구조보다 큰 강성을 지니고 있어 위치 오차의 누적없이 정확도를 높일 수 있다.The haptic device employs a five-section link 120 structure in parallel. Due to the ease of position and force analysis, the section 5 link 120 structure of the parallel structure eliminates many of the existing additional attachments such as force sensors, the driver is located close to the support portion, and the structure itself is solid, so the high response frequency bandwidth Force control is possible. Because of its compact design, it can be easily operated by the operator, so it is used in work where weight is important and has a symmetrical structure. In addition, it is possible to reduce the manufacturing cost due to reliability, and has a rigidity higher than that of the serial type structure, thereby increasing the accuracy without accumulating position errors.
도 3은 본 발명에 따른 다른 구조의 햅틱 장치를 나타내는 전체 구조도이다. 도 3(가), (나)에서 보는 바와 같이, 햅틱 장치를 기판 양면으로 부착시켜도 도 2에서와 같이 높은 응답 주파수 대역폭에서 힘의 제어가 가능한 동작을 할 수 있다.3 is an overall structural diagram showing a haptic device of another structure according to the present invention. As shown in FIG. 3 (a) and (b), even if the haptic device is attached to both sides of the substrate, the force can be controlled at a high response frequency bandwidth as shown in FIG.
도 4는 본 발명에 따른 보이스 코일 모터를 나타내는 구조도이다. 도 4(가)에서와 같이, 보이스 코일 모터는 자로를 구성하기 위한 금속층(200)과 금속층(205) 사이에 공심형 코일층(210)과 영구자석층(220)으로 구성된다. 도 4(나)는 보이스 코일 모터의 층구조를 나타내는 것이다. 상기 보이스 코일 모터는 구조가 간단하며 치/슬롯구조가 없기 때문에 토크 리플이 없으며, 전압 인가방법 및 정/역 구동 등의 구현이 간단하다. 또한 일정 각도의 회전용 모터로 사용시에는 일반 회전형 모터에 비하여 박형화 및 소형화가 가능한 모터이다.4 is a structural diagram showing a voice coil motor according to the present invention. As shown in FIG. 4A, the voice coil motor includes an air core coil layer 210 and a permanent magnet layer 220 between the metal layer 200 and the metal layer 205 for forming a magnetic path. Fig. 4B shows the layer structure of the voice coil motor. Since the voice coil motor has a simple structure and no tooth / slot structure, there is no torque ripple, and a voltage application method and a forward / reverse drive are easy to implement. In addition, when used as a rotation motor of a certain angle, it is a motor that can be thinner and smaller than the general rotary motor.
보이스 코일 모터를 만들기 위해 햅틱 장치의 끝부의 힘의 세기와 기구부 설계 사양으로 결정되었고, 그 설계된 모터는 전류 700mA에서 50[kgfmm]이며 총 운전구간은 ±20°내외이다.The strength of the tip of the haptic device and the design of the mechanism were determined to create a voice coil motor. The designed motor is 50 [kgfmm] at 700 mA current and the total operating range is around ± 20 °.
도 5는 본 발명에 따른 햅틱 시스템의 인터페이스와 제어를 나타내는 개략도이다. 먼저, 사용자의 수동 조작이 입력되는 동작 입력 수단의 움직임은 보이스 코일 모터를 기반으로 엔코더 등의 센서에 의해 피드백된 신호화되어 제어기에 입력된다. 상기 피드백된 신호는 다시 컴퓨터에 입력되어 가상환경 모델에 따른 운동 명령을 생성하여 다시 제어기에 전해진다. 그러면 제어기로부터의 제어신호는 보이스 코일 모터 드라이버를 구동시켜 생성된 힘을 사용자가 느낄 수 있도록 구성된다. 상기 제어기와 컴퓨터는 햅틱 시스템의 제어를 총괄하는 제어부의 일실시예이다. 상기 동작 입력 수단으로는 손잡이를 들 수 있다.5 is a schematic diagram illustrating an interface and control of a haptic system according to the present invention. First, the movement of the motion input means into which the user's manual operation is input is signaled and fed back to the controller by a sensor such as an encoder based on the voice coil motor. The feedback signal is input to the computer again, generates an exercise command according to the virtual environment model, and passes it back to the controller. The control signal from the controller is then configured to allow the user to feel the force generated by driving the voice coil motor driver. The controller and the computer are one embodiment of a controller that controls the control of the haptic system. A handle is mentioned as said motion input means.
상기 햅틱 시스템은 2-DOF의 자유도를 가지고, 구동부로 보이스 코일 모터를 사용한다. 또한, 햅틱 시스템은 회전방향, 토크 명령 및 위치와 같은 제어 명령을 위하여 기능과 사용의 편리성으로 인해 수요가 증가하고 있는 USB를 사용하여 햅틱 장치의 제어기와 인터페이스를 구성한다. The haptic system has a 2-DOF degree of freedom and uses a voice coil motor as drive. In addition, haptic systems interface with controllers of haptic devices using USB, which is increasing in demand due to its ease of use and functionality for control commands such as direction of rotation, torque commands and position.
상기 USB는 속도는 비교적 느리지만 디바이스 드라이버를 쉽게 구현할 수 있고, 프로그램이 비교적 용이한 벌크(Bulk) 모드를 사용하여 데이터 구조(Data Structure) 기반에 필요한 데이터를 실어 그 크기를 계산하여 필드(Field)에 같이 보내면 상기 구조가 송수신되는 방식으로 구현된다. USB 방식은 최근 가장 많이 사용되는 PC 인터페이스 방식이고, 플러그 앤 플레이(Plug and Play) 기능이 지원되므로 상기 USB 장치를 PC에 연결하면 자동으로 인식된다.The USB has a relatively slow speed but can easily implement a device driver, and use a bulk mode, which is relatively easy for a program, to load data necessary for a data structure based on a data structure to calculate a size of a field. When sent together, the structure is implemented in such a way that the structure is transmitted and received. The USB method is the most commonly used PC interface method in recent years, and since the Plug and Play function is supported, it is automatically recognized when the USB device is connected to the PC.
상기 USB는 전송속도도 일반 시리얼 통신에 비하여 빠르고, 신호선은 표준이어서 일반 USB 신호선을 사용할 수 있기에 쉽고 편리하게 인터페이스할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 USB 제어기, 엔코더 카운트 및 보이스 코일 모터 구동을 모두 한 개의 보드 위에 설계하여 저렴하면서도 단순하다.The USB has a faster transmission speed than general serial communication, and the signal line is standard, so that a general USB signal line can be used for easy and convenient interface. In addition, in the present invention, USB controller, encoder count and voice coil motor drive are all designed on one board, which is inexpensive and simple.
도 6은 본 발명에 따른 제어기 내부를 나타내는 블럭도이다. 보이스 코일 모터의 구동전원은 12V로 되어 있으므로 레귤레이터를 사용하여 보드전원(5V)을 생성시키고, 2048ct/rev 사양을 가진 엔코더를 2개 사용하는데 이를 카운팅하기 위해 프로그램 논리 디바이스(PLD : Programmable Logic Device)를 이용한다. 상기 프로그램 논리 디바이스의 내부는 15 비트 카운터를 2개로 하여 제작된 햅틱 장치의 동작영역에 충분하도록 설계한다. 구동회로에 있어서는 PORT B의 4 비트를 이용하여 모터의 정/역 구동을 하고, 마이크로 컨트롤러에서는 컨트롤러 내부 두 개의 PWM(Pulse Width Modulation) 출력을 이용하여 토크 제어를 수행한다.6 is a block diagram showing the inside of a controller according to the present invention. Since the driving power of the voice coil motor is 12V, it generates a board power supply (5V) using a regulator, and uses two encoders with a 2048ct / rev specification, and a programmable logic device (PLD) to count them. Use The interior of the program logic device is designed to be sufficient for the operating area of a haptic device fabricated with two 15-bit counters. In the driving circuit, 4 bits of PORT B are used to drive the motor forward and reverse. In the microcontroller, torque control is performed using two PWM (Pulse Width Modulation) outputs inside the controller.
그리고 상기 신호들을 디코더 회로를 통하여 L298칩과의 인터페이스를 수행한다. 햅틱 장치는 무부하시의 느낌이 아주 중요한데 무부하시에 부하가 느껴지면 특성이 아주 나쁘므로 이를 위하여 L298칩의 각 브릿지(Bridge)의 인에이블(Enable) 단자를 제어하여 무부하시에는 이를 디스에이블(Disable)시켜 코일에 전원이 오픈되게 한다.The signals are then interfaced with the L298 chip through a decoder circuit. The haptic device feels very important at no load, but the characteristics are very bad when the load is felt at no load. Power on the coil.
도 7은 본 발명에 따른 햅틱 시스템의 동작 과정을 나타내는 도면이다. 먼저, 햅틱 장치의 손잡이를 움직이면(S100), 움직이는 위치 정보가 일종의 회전각도 측정 센서인 엔코더로 2축의 회전각도 신호가 제어보드로 전송된다(S110). 전송된 엔코더 신호를 이용하여 운동학(Kinematics)을 풀면(S120), 현재 움직이는 손잡이의 정확한 위치를 알 수 있고 이를 컴퓨터의 디스플레이부에 디스플레이한다(S130). 상기 디스플레이와 동시에 컴퓨터 화면의 가상의 벽 등에 손잡이가 부딪히면 힘을 느끼게 해 주어야 하므로 운동학에서의 자코비안 매트릭스(Jacobian Matrix)를 이용하여 손잡이에서 느껴야 될 2축의 힘을 계산하고 모터에 주어야 할 토크량이 계산된다(S140). 제어기와 같이 제어를 담당하는 컴퓨터는 햅틱 장치 제어기에 USB를 통하여 토크량에 따른 운동 명령을 내리면 제어기에서는 실제로 모터에 계산된 토크가 나오도록 구동을 하고(S150), 그러면 손잡이를 잡고 있는 사람은 힘을 느낄 수가 있다.7 is a view showing the operation of the haptic system according to the present invention. First, when the handle of the haptic device is moved (S100), the moving position information is transmitted to the control board by the two-axis rotation angle signal to the encoder which is a kind of rotation angle measurement sensor (S110). When kinematics are solved using the transmitted encoder signal (S120), the exact position of the currently moving handle may be known and displayed on the display unit of the computer (S130). When the handle hits the virtual wall of the computer screen at the same time as the above display, the force should be felt. It becomes (S140). When the computer in charge, such as a controller, controls the haptic device controller via USB, the controller drives the controller to actually output the calculated torque to the motor (S150). I can feel it.
본 발명에 따른 햅틱 시스템은 조이스틱, 캐드 도면화 작업 툴, 자동 조각 장치나 작화 장치 및 힘 반향 마우스에서 사용할 수 있다. 먼저 상기 조이스틱은 간단한 구조변경을 통해 종래의 오락게임용 힘 반향 조이스틱으로 사용 가능하고, 상기 캐드 도면화 작업 툴은 캐드 작업시 작용포인트 끝점에서의 힘 제시 햅틱 장치의 적용으로 미세한 도면 작성시 용이하게 사용할 수 있다.The haptic system according to the present invention can be used in joysticks, CAD drawing work tools, automatic engraving devices or drawing devices and force echo mice. First, the joystick can be used as a force reverberation joystick for a conventional entertainment game through a simple structure change, and the CAD drawing work tool can be easily used when creating a fine drawing by applying a force presenting haptic device at an action point end point during a CAD work. Can be.
또한, 상기 자동 조각 장치나 작화 장치는 모터 출력의 제어 조정을 통한 조각장치나 그림을 그릴 수 있는 작화 장치로 사용할 수 있고, 상기 힘 반향 마우스는 링크 구조의 단순화 및 모터 선정의 소형화를 통한 힘 반향 마우스 장치로 사용할 수 있다.In addition, the automatic engraving device or drawing device can be used as a engraving device or drawing device through the control adjustment of the motor output, the force echo mouse is a force reflection through the simplified link structure and miniaturization of the motor selection Can be used as a mouse device.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with reference to preferred embodiments as described above, it is not limited to the above-described embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.
따라서, 본 발명의 보이스 코일 모터를 이용한 햅틱 시스템은 기어 및 기타 동력전달장치를 사용하지 않고 모터를 직접구동하여 백래쉬가 없고, 구조가 간단하며 치/슬롯구조가 없는 보이스 코일 모터를 사용함으로써, 토크 리플이 없고 전압 인가방법 및 정/역 구동의 구현이 간단하며, USB를 사용하여 쉬운 인터페이스가 가능하고 USB 제어기, 엔코더 카운트, 보이스 코일 모터 구동을 모두 한 개의 보드 위에 일체화하여 가격이 저렴한 장점이 있고, 알루미늄 재질의 링크 및 플레이트를 사용하여 경량화와 저관성이 가능하고 5절 링크를 사용하여 위치 및 힘 해석이 용이한 효과가 있다.Accordingly, the haptic system using the voice coil motor of the present invention directly drives the motor without using gears and other power transmission devices, and thus, has a backlash-free, simple structure, and no voice / slot structure. There is no ripple, the voltage application method and the implementation of the forward / reverse drive are simple, the interface is easy by using USB, and the USB controller, encoder count and voice coil motor drive are all integrated on one board, and the price is low. , Light weight and low inertia are possible by using aluminum link and plate, and position and force analysis is easy by using 5 link.
도 1은 종래의 햅틱 장치를 나타내는 구조도이다.1 is a structural diagram showing a conventional haptic device.
도 2는 본 발명에 따른 햅틱 장치를 나타내는 전체 구조도이다.2 is an overall structural diagram showing a haptic device according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 다른 구조의 햅틱 장치를 나타내는 전체 구조도이다.3 is an overall structural diagram showing a haptic device of another structure according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 보이스 코일 모터를 나타내는 구조도이다.4 is a structural diagram showing a voice coil motor according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 햅틱 시스템의 인터페이스와 제어를 나타내는 개략도이다. 5 is a schematic diagram illustrating an interface and control of a haptic system according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 제어기 내부를 나타내는 블럭도이다. 6 is a block diagram showing the inside of a controller according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 햅틱 시스템의 동작 과정을 나타내는 도면이다.7 is a view showing the operation of the haptic system according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 모터 110 : 엔코더100: motor 110: encoder
120 : 링크 130 : 손잡이120: Link 130: Handle
140 : 볼 베어링/부싱 200, 205 : 금속층 140: ball bearing / bushing 200, 205: metal layer
210 : 코일층 220 : 영구자석층210: coil layer 220: permanent magnet layer
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