Developing a haptic device is essential for delivering haptic feedback in virtual prototyping designs. Hinge mechanisms, commonly found in various household appliances, exhibit diverse torque range and work space, making the design of an appropriate haptic device crucial for influencing user experience. While several haptic devices simulating different hinge mechanisms like car doors, refrigerator doors, and washing machine doors have been proposed, many studies have attempted to implement them using only motors. However, attempting to replicate passive torques, which change direction based on rotation, solely with active actuators such as motors can lead to unnatural haptic sensations and, in extreme cases, instability. To address these issues, this thesis presents the development of a hybrid haptic device capable of controlling both active and passive actuators simultaneously. The research primarily focuses on implementing a car door mechanism that involves (1) interacting with users through high torques, (2) varying torque profiles depending on the open/close direction, and (3) experiencing combined effects of driving and resisting torques. To achieve these goals, a magneto-rheological fluid brake (MR Brake) was designed and manufactured as the passive actuator. Furthermore, we introduce a novel control technique designed to decompose the car door torque profile into distinct active and passive torque components, effectively distributing each to the motor and brake. Leveraging direct torque control and feedback control methods, we achieved simultaneous and precise control of both the motor and the Magneto-Rheological brake, ensuring an authentic and immersive haptic feedback experience. Through the synergy of our developed haptic device and this advanced control methodology, we quantitatively and qualitatively assessed the similarity to the haptic sensation of actual car door operation. The outcomes of our user evaluations lead us to a compelling conclusion: the proposed haptic device is capable of faithfully simulating the intricate car door mechanism, and users can effectively differentiate the operation of specific car door models.
가상 프로토타이핑을 통한 설계에서 촉각적 피드백을 전달하기 위해 햅틱 감각 구현 디바이스를 개발하는 것은 필수적이다. 특히, 힌지 메커니즘의 경우 일상생활에서 마주하는 거의 모든 가전에 적용되며 그 쓰임에 따라 토크 세기와 회전 범위가 다양하기에 햅틱 디바이스를 통해 적합한 힌지 메커니즘을 설계하는 것은 사용자 경험에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이를 위해, 카 도어, 냉장고 도어, 세탁기 도어 등 다양한 힌지 메커니즘 모사용 햅틱 디바이스가 제안되었지만, 많은 연구에서 모터만을 사용해 구현을 시도하였다. 마찰과 같이 회전 방향에 따라 작용방향이 바뀌는 수동 토크를 능동형 액추에이터인 모터만으로 구현하면 부자연스러운 햅틱 조작감이 발생하거나 의도치 않은 회전을 야기하여 사용자 안전을 위협할 수 있다. 본 학위논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 능,수동형 액추에이터를 동시에 제어하는 하이브리드 햅틱 디바이스를 개발하였다. 본 연구는 힌지메커니즘 중 (1) 사용자와 큰 토크로 상호작용하며, (2) 여닫는 방향에 따라 토크 프로파일이 변화하고, (3) 가속 토크와 저항 토크가 복합적으로 작용하는 카도어를 구현하는 것을 중점적으로 다룬다. 이러한 목표를 달성하기 위해 수동형 액추에이터로 자기유변유체 브레이크를 설계 및 제작하였다. 또한, 카 도어 토크 프로파일을 능, 수동형 토크 요소로 분류하여 각각을 모터와 브레이크에 분배하는 제어 기법을 제안한다. direct torque control 및 피드백 제어 방식을 활용하여 모터와 자기유변유체 브레이크를 동시에 제어하면서 현실감 있는 촉각 피드백을 보장할 수 있었다. 개발한 디바이스와 제어 기법을 통해, 실제 카 도어 조작감과의 유사도를 정량, 정성적으로 평가하였다. 사용자 평가 결과를 통해, 제안한 햅틱 디바이스는 실제 카 도어 메커니즘을 충분히 유사하게 구현할 수 있으며 사용자들은 특정 모델의 카 도어의 조작감을 구분할 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
