햅틱의 정의와 적용 사례

햅틱의 정의와 적용 사례

요즘 햅틱이 적용되는 제품이 많이 늘어나고 있습니다.

햅틱의 정의와 적용 사례에 대해서 알아보겠습니다.

Haptic

---

1. 햅틱의 정의

 햅틱(Haptic)은 다양한 종류의 입력장치를 통해 사람이 촉각을 느끼게 하는 기술을 의미합니다.

예전에 '연아의 햅틱폰'이라는 제품이 있었는데요 쉽게 설명드리면 스마트폰의 터치 입력을 통해 핸드폰의 진동 출력을 햅틱이라고 설명할 수 있습니다.

햅틱은 기계공학+전기공학+제어공학+인지공학+컴퓨터공학+재료공학 등의 융합 기술입니다.

참 어려운 학문입니다.

 

현재 여러 분야에서 활용이 되고 있는데 좀더 자세히 햅틱의 개념에 대해 알아보아요.

사람은 감각신경을 가지고 있고, 사람 몸의 각 부분에서의 피부 민감도는 모두 다릅니다.

손가락과 입술은 매우 민감한 반면, 엉덩이 부분과 머리부분은 매우 둔감합니다.

 

가장 많이 활용되고 있는 손가락이 느끼는 진동기술은 다음의 손가락의 기계적 수용기의 특성을 활용하여 개발됩니다.

손가락의 기계적 수용기에 대해 알아보겠습니다.

---

2. 손가락의 기계적 수용기

 표현이 조금 어려운데, 우선 사람이 느끼는 손과 손가락의 최소 질량이라는게 있습니다.

Absolute threshold라고 표현을 하는데요, 손가락은 80mg 이상이 손바닥은 최소 150mg 이상의 질량이 있어야 감각을 느낄 수 있다고 합니다.

 

 손가락에는 피부 자극으로부터 느끼는 촉감 지각의 많은 부분은 표피와 진피에 위치한 4종류의 기계적 수용기가 있습니다. 4종류의 기계적 수용기는 다음과 같습니다

1. 메르켈 수용기 (Merkel's Disks)
2. 루피니 소체(Ruffini Corpuscles)
3. 마이스너 소체(Meissner Corpuscles)
4. 파시니 소체(Pacinian Corpuscles)

앞서 설명드린 손가락의 Absolute threshold는 80mg 이상이고, 위에 설명한 손가락의 표피와 진피에 위치한 4가지 기계적 수용기에서는 진동의 주파수(Hz)에 따라 기계적 수용기에서 진동을 느끼게 되고 이를 Stimulus Frequency라고  합니다.

즉 기계적 수용기 마다 최적의 주파수대가 있는 것이죠. 

이를 활용하여 햅틱 진동을 제품에 최적화 하여 제품을 개발하는 거라고 보시면 됩니다.

 

스마트폰의 햅틱(진동) 피드백의 경우 손가락의 기계적 수용기인 '파시니 소체'를 기준으로 하여 개발됩니다. '파시니 소체'는 Acceleration(가속)이나 Vibration(진동)을 느낄수 있는 수용기 이고, Stimulus Frequency는 100~300Hz입니다.

 쉽게 설명 드리면 제품의 진동원을 떨리게 해서 최종적으로 진동을 느끼는 손가락의 '파시니 소체'에 100~300Hz의 진동 주파수를 만들어 주는 방식으로 개발이 됩니다.

 

한국과학기술원에서는 "효과적인 질감 표현을 위한 질감 제시 장치의 요구 사항"을 다음과 같이 정리하였습니다.

1. 피부 자극을 위한 진동 주파수는 0~500Hz
2. 감각 수용기 역치의 10배 수준의 자극을 구현할 경우, 저주파에서는 약 1mm, 500Hz의 경우 약 56.2 마이크로미터 수준의 변위를 만족해야 함
3. 피부와의 접촉면은 질감을 표현할 수 있을 만큼의 넓이 이상이 되어야 합니다.
4. 작은 모양을 표현할 수 있어야 하며, 고정된 상을 유지할 때 더욱 유리

이해가 되셨나요???

---

3. 햅틱 구현 기술

사람의 촉감은 크게 운동감각(Kinesthetic)과 촉각(Tactile)로 구분됩니다.

 

운동감각(Kinesthetic)이란 근 감각, 역감을 의미하고 물체의 질량, 물체가 딱딱하고 무른정도, 물체의 외형등을 파악할 때 근육과 관절의 움직임을 통해서 느껴지는 감각이고

촉각(Tactile)은 물체 표면의 거칠기나 작은 모양들 또는 온열감을 느끼는 감각을 의미합니다.

 

그렇다면 운동감각과 촉각은 어떤기술로 구현할까요?  

 

운동감각은 유압/공압/전기모터 기술로 구현할 수 있고 

촉각은 회전모터(ERM: Eccentric Rotatin Mass) / 선형모터(LRA: Linear Resonant Actuator) / 압전 Actuator / Solenoid / EAP(Eletroactive Polymers) / 초음파 / 정전기력 / 압축공기 / 핀배열등의 기술로 구현하고 있습니다.

 

---

4. 햅틱 인터페이스 기술 표준화 동향

현재 햅틱 상호작용 기술에 대한 국제표준기구는 ISO/TC159/SC4/WG9, ISO/IEC JTC/SC29/WG11이 활동중에 있습니다.

 

---

5. 햅틱 개발 동향

진동소자는 TDK / MURATA / NIDEC / ALPSALPINE 등 많은 업체에서 개발되고  있고 세계 많은 대학에서 햅틱에 관한 연구가 되고 있다. IMMERSION사는 햅틱관련 많은 특허를 보유하고 있습니다.

이런 진동관련 기술을 기반으로 BENZ, GM, HKMC, AUDI등의 자동차 회사에서 자동차의 입력장치에 햅틱기술이 적용되고 있습니다.

 

---

6. 진동계의 수학적 모델링

• 진동계란 입력이 동적인 힘이고, 출력이 진동으로 나타나는 시스템을 말합니다.
• 질량(mass), 강성(Stiffness), 감쇠(Damping)의 정의로 구성된 물체의 집합체
• 진동계의 수학적 모델링은 다음과 같습니다.

진동계의 수학적 모델림

• 직선 운동계인지 회전 운동계인지에 따라 진동계의 수학적 모델링이 달라집니다.

이상으로 햅틱 기술에 대해서 간단히 알아보았습니다.

 

---