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기계공학과 이두용 교수 공저 ‘Control Design for Haptic Systems’ 출간
한국전자통신연구원 김수용 연구원(2022년 KAIST 기계공학과 박사)과 우리 대학 기계공학과 이두용 교수가 공저한 도서, Control Design for Haptic Systems (부제: Enhancing the Stability and Rendering Performance) 가 Springer에서 출판됐다.
이 책은 학사과정 3~4학년 및 대학원 과정 학생과 현업에 종사하는 엔지니어를 위한 교재로서 햅틱시스템의 구성, 주요 제어기술, 그리고 안정성과 성능을 향상시키기 위한 새로운 방법 등을 실험 사례와 함께 소개한다.
햅틱시스템이 적용되고 있는 가상현실 시뮬레이션, 메타버스(metaverse) 응용, 원격조작 로봇시스템 등 넓은 분야의 현업에서 적용할 수 있는 체계적인 방법을 이 책을 통해 배울 수 있다.
책 링크 : Control Design for Haptic Systems: Enhancing the Stability and Rendering Performance | SpringerLink
2024.02.20
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스파이더맨 슈트처럼 내 몸에 착 맞춰지는 옷감형 웨어러블 햅틱 개발
우리 대학 기계공학과 오일권 교수 연구팀이 형상기억합금 와이어를 오그제틱(auxetic) 메타구조로 매듭지어 형상 적응이 가능한 옷감 형태의 착용형 '햅틱(haptic) 인터페이스'를 개발했다고 28일 밝혔다.
착용형 햅틱 인터페이스 기술은 시·청각 기반의 플랫폼의 한계를 벗어나, 피부 표면으로 전해지는 직관적인 촉감으로 메타버스 속 상호작용 몰입도를 높이는 역할을 한다.
하지만 일반적인 햅틱 인터페이스는 피부에 부착하거나 별도의 고정 장치를 착용하는 착용(부착)형으로, 이러한 햅틱 인터페이스는 장시간 사용 시 피부 발진의 위험과 고정 방식은 일상 움직임에서 불편함을 초래할 수 있다. 또 수십 개의 촉각 전달 소자를 장착해 촉감을 모방하는 기존의 제작 방식 역시 장치의 무게·부피 증가로 이어지는 한계를 보이고 있다.
우선 연구팀은 가볍고 편하게 착용할 수 있는 햅틱 인터페이스 개발을 위해 형상기억합금 와이어를 핵심 소재로 선택했다. 형상기억합금 와이어란 상온에서 모양이 쉽게 변형되고, 특정 온도에 도달하면 미리 기억된 형태로 되돌아가는 특징을 갖는 형상기억합금을 철사처럼 가늘고 길게 제작한 것이다. 이러한 형상기억합금 와이어를 기존의 천 제작 방식을 활용해 매듭지어 옷감처럼 제작하는 방식을 활용하였다. 특히, 연구팀은 형상기억합금 와이어를 오그제틱(auxetic) 구조로 매듭지어, 일반 구조에서는 볼 수 없는 3D 방향으로 구조 전체가 동시에 수축 및 이완하는 특성을 구현해 내었고, 이를 통해 착용자의 신체 형상에 순응하며 사이즈가 자동으로 조절되는 옷감형 액추에이터를 개발했다.
또한 연구팀은 8개의 영역을 개별 수축 제어할 수 있도록 설계해 총 아홉 가지 방향과 타이밍에 대한 정보를 사용자에게 촉감 피드백으로 전달할 수 있게 제작했다.
예로 팔목에 착용 시, 사용자는 방향 및 타이밍에 관한 정보를 촉각적으로 인지할 수 있고, 반면 팔꿈치에 착용할 때는 옷감형 액추에이터의 가변강성 기능을 활용해 팔꿈치의 굽힘각도에 따른 피드백을 제공하는 멀티모달(두 가지 이상의 피드백 형태로 정보를 전달) 햅틱 인터페이스로서 개발했다.
이처럼 옷감형 액추에이터를 팔목에 착용한 사용자가 가상현실 속 모빌리티 로봇 주변의 위치정보를 파악하고, 시각과 청각 정보가 제한될 때 장애물을 피해 로봇을 안정적으로 주행하는 실증에도 성공했다.
오일권 교수는 이번 연구성과를 통한 실용화 시 활용에 대해 "착용형 햅틱 인터페이스는 촉각 정보를 활용한 로봇, 무인기 제어와 메타버스가 접목된 의료·교육 등에도 활용할 수 있다"고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자(창의연구) 지원 사업으로 수행됐다. 연구 성과는 첨단 소재 분야 국제학술지 <어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)>에 9월 19일 게재됐고, 연구의 우수성을 인정받아 학술지 표지 논문으로 선정됐다. (논문명: Easy-To-Wear Auxetic SMA Knot-Architecture for Spatiotemporal and Multimodal Haptic Feedbacks)
2023.11.30
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움직이는 가상 물질을 입체적으로 쥘 수 있는 새로운 가상현실 컨트롤러 개발
우리 대학 산업디자인학과 안드리아 비앙키(Andrea Bianchi) 교수 연구팀이 회전하는 원판을 활용한 6-자유도 햅틱 컨트롤러를 개발했다고 12일 밝혔다.
비앙키 교수 연구팀은 마이크로소프트(Microsoft Research)와 협업해 움직이는 물체의 이동 속도, 방향과 두께감을 표현하는 `SpinOchhio(스피노키오)' 컨트롤러를 개발했다. 이 컨트롤러는 한 쌍의 회전 원판과 피버팅(2차적 축 회전) 메커니즘을 활용해 가상 환경(VR Environment)에서 사용자가 엄지와 검지로 쥐고 있는 물체가 손가락 사이를 지나가는 속도, 방향과 두께의 감촉을 사실적으로 체험할 수 있게 한다.
산업디자인학과 김명진 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 지난 5월 4일에 `ACM CHI 2022 (2022 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems)' 국제학회에서 발표됐다. (논문명: SpinOcchio: Understanding Haptic-Visual Congruency of Skin-Slip in VR with a Dynamic Grip Controller)
기존의 가상현실(VR) 컨트롤러는 가상 물체와의 상호작용을 표현하는 방법으로 진동 피드백만을 활용해, 손에 쥔 물체의 움직이는 속도, 방향, 또는 두께감에 대한 촉감 피드백을 표현하는 데에 한계가 있었다.
손가락으로 쥐고 있는 가상 물체의 움직임과 다양한 두께감을 사실적으로 재현하기 위해서는 각 손가락에 닿는 표면의 움직임과 표면 간의 거리를 고려해야 한다. 연구팀이 개발한 `스피노키오'는 한 쌍의 피버팅 하는 회전 원판을 엄지와 검지 각 손가락 끝에 접촉하게 함으로써, 손가락 사이에 있는 물체가 다양한 방향으로 미끄러지거나 회전하는 감각을 재현한다. 또한 연구팀은 두 원판 간의 거리를 조절함으로 가상 환경에서 실시간으로 다양한 물체의 두께와 형태의 촉감을 구현했다. 엄지와 검지 각 손가락 끝에 접촉한 표면의 움직이는 방향(1), 속도(2)와 폭(3)을 개별적으로 제어하여 `스피노키오'는 총 6-자유도 햅틱 피드백을 구현한다.
연구팀은 `스피노키오'를 활용해 표면의 움직임의 방향 변화에 대한 사용자들의 인지능력을 측정했고, 가상 물체를 재현했을 때 가상현실의 시각적 피드백이 촉각 피드백 인지에 큰 영향을 끼치는 것을 실험적으로 확인했다.
`스피노키오'의 활용 예시로 연구팀은 가상 환경에서 사용자가 손가락으로 힘을 주어 물체를 집어 올리거나 잡아당기거나 꼬집어 변형시키는 상호작용과 더불어 힘을 빼고 물체를 쓰다듬거나 떨어뜨리는 등 다양한 물체와의 상호작용을 제안했다.
연구를 주도한 안드리아 비앙키 교수는 "이번에 개발한 스피노키오는 이전과 달리 사용자가 움직이는 가상의 물체를 입체적으로 손으로 쥐는 햅틱 경험을 구현한 특징이 있으며, 3D 모델링 작업과 가상 교육 환경 등에 특히 응용되어 산업적 가치를 지닌다ˮ라고 설명했다.
한편 이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
2022.05.12
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전산학부 김대화 석사과정, ACM CHI 2021 학회 Honorable Mention Award 수상
우리 대학 전산학부 이기혁 교수 연구팀이 가상환경에서 안테나의 반사 손실을 이용해 사용자의 핀치 제스처를 정밀하게 감지하는 방법에 대해 연구했다고 밝혔다. (논문명: ‘AtaTouch: Robust Finger Pinch Detection for a VR Controller Using RF Return Loss’’)
이 교수 연구팀 소속 김대화 석사과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제학회 ACM CHI 2021 (ACM CHI Conference on Human Factors in Computing Systems)에 게재되고 Honorable Mention Award를 수상했다. ACM CHI 학회는 Human-Computer Interaction 분야의 최고 권위 학회로, Honorable Mention Award는 전체 논문 중 상위 5%의 논문에 주어지는 상이다.
가상환경에서 컨트롤러는 정확한 손 위치 추정과 햅틱 피드백을 통한 몰입형 가상현실을 가능하게 하고, 버튼 및 조이스틱과 같은 추가 입력을 제공하기 때문에 많은 장점이 있다. 컨트롤러의 장점을 유지하면서 자연스러운 상호작용을 지원하기 위해, 최신 감지 기술들은 컨트롤러를 든 상태에서 사용자의 손가락을 트래킹하고 손 제스처를 감지한다. 손 제스처들 중 핀치 제스처(엄지손가락과 다른 손가락이 서로 맞닿아 꼬집는 듯한 손동작)는 조그마한 움직임에도 큰 햅틱 변화를 내기 때문에 가상환경에서 버튼을 누르거나, 컨트롤 막대를 조절하고, 작은 가상 물체를 정교하게 움직이게 하며, 텍스트 입력을 하는 등의 많은 상황에서 유용하게 이용된다.
하지만 기존의 감지 기술들은 두 손가락의 터치 유무를 정밀하게 구분하는데 어려움이 있다. 빈번한 터치 구분 오류는 사용자들이 실패를 보상하기 위해 손가락을 평소보다 멀리 떨어뜨리거나 두 손가락을 세게 치도록 만들고, 그에따라 사용자는 상호작용 중 피로감을 느끼게 된다.
이번 논문은 전자기적으로 결합된 손과 안테나의 임피던스 변화를 이용하기 때문에, 기존의 핀치 제스처 감지 방식의 한계를 극복하고 정밀한 손가락의 터치 감지를 가능하게 한다. 두 손가락의 터치를 구분하는 원리는 다음과 같다. 사용자의 손을 안테나에 가까이 가져가면, 각각의 인덕터 성분으로 인해 안테나와 손가락의 임피던스가 결합된다. 두 손가락이 맞닿은지 혹은 떨어졌는지 여부에 따라 손가락의 전기용량 성분이 달라지고, 그에 따라 안테나의 반사 손실이 달라진다(그림1). 안테나에서 전파가 전송될 때 매질의 임피던스의 차이로 인해 일부는 반사되고 일부는 전송되는데, 손가락의 터치 여부에 따른 임피던스 변화에 의해 반사되는 전파의 양이 달라지기 때문에 반사손실의 변화를 측정할 수 있는 것이다.
연구팀은 프로토타입 컨트롤러를 개발(그림2)하여 그의 성능을 평가했다. 12명의 피실험자를 대상으로 한 실험에서 96.4%의 터치 구분 정확도를 확인했다. 또한, 가상블록을 옮기는 실제 가상환경 시나리오에서 낮은 오류율을 보였고, 실험참가자들은 민감하고 가벼운 상호작용이 가능했다고 응답했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행됐다. (No.2020-0-00537, Development of 5G based low latency device – edge cloud interaction technology).
- 논문 관련 정보: https://daehwa.github.io/atatouch
2021.04.05
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액정화면 깨뜨리지 않고 부드럽게 터치하는 인공손가락 개발
우리 대학 연구진이 액정 같이 깨어지기 쉬운 화면을 부드럽게 터치해 다양한 작업을 할 수 있는 인공손가락을 선보였다.
기계공학과 오일권 교수 연구팀이 스마트폰이나 햅틱 반응형 디스플레이를 정교하게 터치할 수 있는 소프트 터치 액츄에이터 기술을 개발했다고 밝혔다.
연구팀은 부드럽고 얇은 박막형의 소프트 터치 *액츄에이터를 원격으로 조정, 스마트폰 화면 위에서 전자피아노 연주하기, 전자책 넘기기, 화면스크롤하기 등을 시연해냈다.
※ 액츄에이터 : 전기적 신호를 기계적 운동으로 변환하는 장치
일종의 디지털 촉각인 ‘햅틱’을 구현, 사람 또는 전자디바이스와 섬세한 피드백을 주고받는 한편 가상현실이나 증강현실을 보다 실감나게 하려는 연구가 활발하다.
주로 부드러운 인공근육 기반 소프트 액츄에이터에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있지만, 낮은 전압에서는 반응속도가 너무 느려 터치형 액츄에이터로 활용하기에 어려움이 있었다.
인체에 나쁜 영향을 주거나 디바이스의 오작동을 유발하지 않으면서 터치 피드백을 주고받기 위해서는 저전압 구동이 전제되어야 하기 때문이다.
이에 연구팀은 저전압에서도 빠르게 반응할 수 있는 높은 효율의 소프트 액츄에이터를 위한 새로운 소재를 물색하였다.
유연성을 위해 금속을 배제한 공유결합으로 된 다공성 고리화합물(*트라이어진 고리)을 합성하고 널리 쓰이는 전도성 고분자(PE DOT-PSS)를 결합했다.
※ 트라이어진 고리(Covalent Triazine Framework, CTF) : 다공성 내인성 미세조도(PIM-1) 고분자로 이루어진 물질
실제 이 소재의 액츄에이터로 만든 인공손가락은 낮은 전압(±0.5V)으로도 빠르게 큰 변형을 만들 수 있어 부드러운 터치반응을 유도할 수 있었다.
핵심은 다공성 탄소구조체로 인해 비표면적을 극대화한 것이다. 비표적을 넓혀 표면전하량을 늘리는 한편 작동속도와 반응성도 높일 수 있었다. 실제 0.5V에서 17mm 정도 구부러지는 변형을 확인했다.
개발된 소프트 터치 액츄에이터를 배열형태로 확장하여 스마트폰 전자피아노 어플리케이션 위에서 연속적 터치를 통해서‘Happy Birthday’를 연주하였으며 전자책넘기기와 화면스크롤 기능 등을 구현했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구사업(창의연구)의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 10월 23일 게재됐다.
2020.11.05
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촉각기술 분야 국제 학회 14일부터 대전 컨벤션센터에서 열려
IEEE World Haptics Conference 2013가 대전 컨벤션센터에서 개최되고 있다.
- 전 세계 25개국 450명 전문가 "2013 IEEE 국제 햅틱스 학회" 참여해 -
사람이나 동물들은 촉각을 이용해 주위 환경을 인지하고 위험물을 피하기도 한다. 강아지가 사람의 손길에 꼬리를 흔들 듯 만지면 반응하는 로봇이나 터치 스크린 등 촉각분야 연구 전문가들이 지난 14일(일)부터 대전 컨벤션센터에 모여 오는 18일(목)까지 학회와 일반인들을 위한 기술성과 전시회를 개최한다고 KAIST(총장 강성모)는 밝혔다.
전 세계 25개국 450여명의 햅틱스(Haptics, 촉각 기술) 전문가들이 참여해 연구성과를 공유하고 상호지식을 교류하는 ‘IEEE 국제 햅틱스 학회(IEEE World Haptics Conference 2013, IEEE WHC 2013)’는 세계 주요 도시를 순회하며 격년 째 개최되고 있다. 2007년 일본 츠쿠바(Tsukuba), 2009년 미국 솔트레이크 시티(Salt Lake City), 2011년 터키 이스탄불(Istanbul)이어 올해는 대전에서 열린다.
IEEE WHC 2013(http://www.haptics2013.org)은 한국로봇학회와 국제전기전자기술자협회(IEEE) 소속 ‘로봇자동화학회(Robotics and Automation Society)’가 주관하며, KAIST, 한국전자통신연구원(ETRI), 한국표준과학연구원(KRISS), LG, 삼성, 마이크로소프트(Microsoft) 등 국내 과학 분야를 대표하는 연구기관과 기업이 참여해 미래 햅틱 기술의 연구와 발전방향에 대해 토론한다.
주요 강연자로는 토니 프리스카트(Tony Prescott) 영국 셰필드대학(University of Sheffield) 교수, 압둘모탈랩 사디크(Abdulmotaleb Saddik) 캐나다 오타와대학(University of Ottawa) 교수, 마사히코 이나미(Masahiko Inami) 일본 게이오대학(Keio University) 교수, 웨인 북(Wayne Book) 조지아공대(Georgia Institute of Technology) 교수가 참석해 사람과 동물의 촉각을 응용해 만든 로봇, 인터페이스, 멀티미디어 사례에 대해서 언급한다.
토니 프리스카트 교수는 쥐가 얼굴에 난 수염으로 사물을 인지할 수 있다는 것에 착안해 2008년 쥐를 닮은 로봇을 개발한 이래 최근에는 작은 두더지 모습을 한 로봇 쉬루봇(Shrewbot)을 탄생시킨 경험에 대해서 얘기할 예정이다. 에트루리아산 두더지인 쉬루(shrew)는 아주 작은 크기의 들쥐로 어두운 곳에서도 민감하게 반응하는 수염을 가지고 길을 찾거나 먹이 감을 사냥한다. 쉬루봇은 수염에서 느껴지는 촉각만으로 상대가 있는 방향으로 쫓아가거나 상대방의 특성이나 위치 등을 파악할 수 있다. 이 같은 로봇이 상용화 되면 화재 현장 등 재난 지역에서 인명을 구조하는데 큰 도움을 줄 수 있다.
이 밖에도 웨인 북 교수는 오늘날 우리 생활의 상당 부분이 기계나 컴퓨터에 의한 자동화에 의존하고 있는데 과연 이들 기계가 맡은 역할을 제대로 수행하고 있는지 기계나 컴퓨터로부터 피드백을 받는 것이 점점 더 중요해지고 있다며 기계와 인간 사이의 피드백 인지 기술에 대해서 강연한다.
햅틱스 분야 세계 최고 전문가들이 집결할 이번 학회에서는 역대 최대 수의 논문이 발표되고 촉각을 응용한 80개의 최신 기술이 시연된다. 11개 기업(국내 4, 해외 7)의 제품 전시와 더불어 지금까지 학술대회에서 시도되지 않았던 햅틱 기술을 응용한 아트 전시회가 개최되며, 전 세계에서 초청된 7명의 예술가가 자신들의 작품을 선보인다. 특히 17일(수, 오전 9:00-오후 5:00)에는 햅틱 아트와 햅틱 기술전시를 일반인에게 무료로 개방해 누구나 과학기술과 예술이 만나는 현장을 즐길 수 있다.
IEEE WHC 2013 조직운영위원장인 권동수 KAIST 기계공학과 교수는 “이번 대회를 성공적으로 주관함으로써 2016년 한국이 세계 최고 권위의 정보통신기술(ICT) 학회인 국제지능형로봇시스템총회(2016 International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS)를 개최하는데 초석이 될 것”이라며 “그동안 IEEE WHC 2013가 주로 유럽과 미국에서만 개최되어 참석이 어려웠던 국내 햅틱스 전문가들도 이번에 대거 참여하게 되면서 우리의 햅틱 기술 및 역량 발전에 크게 도움이 될 것”이라고 말했다. 끝.
※ 주요 강연자 의제발표 제목
○토니 프리스카트 교수: 쥐의 수염에서부터 인간의 손끝까지--보다 능동적으 반응하는 생체모방형 촉각기술 구현(From whiskers to fingertips--a biomimetic approach to active touch sensing)
○ 압둘모탈래브 사디크 교수: 멀티미디어 측면에서 본 촉각 기술(Haptics: A multimedia perspective)
○ 마사히코 이나미 교수: 꼭 터치해야만 하나? -- 물질적인 형태를 넘어서는 촉각 기술(Should I touch it--Haptics beyond its physicality)
○웨인 북 교수: 인간과의 상호작용이라는 관점에서 본 촉각을 통한 피드백 기술(A human in the loop: Feedback from one perspective)
※ 첨부: 행사 안내 자료
2013.04.15
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