Haptic display units, such as touch screens, for small consumer electronic products, including hand-held devices, have been widely used for conveying button sensations to users. In order to provide realistic button sensations, kinaesthetic information should be presented. However, since it is quite challenging to miniaturize the size of kinaesthetic actuators, button effects in almost small electronic products have been haptically im-itated by adopting vibrotactile actuators. Thus, this research investigates a miniature kinaesthetic actuator based on magnetorheological (MR) fluids with an aim to convey kinaesthetic information to users in small electronic devices. In addition to the miniature kinaesthetic actuator study, this research investigates a haptic actuator, named as a KinaesTactile actuator, which can generate both kinaesthetic and tactile sensations concurrently. Humans generally rub (tactile) and press (kinaesthetic) target objects when they try to perceive them. Hence, the KinaesTactile actuator will offer a more immersive and vivid haptic sensations to users.
The design focus for the proposed actuators is to maximize the resistive force generated by the fluids in limited size and power by using multiple operating modes of MR fluids. To this end, the actuators are designed using advanced fluid models derived from Navier-Stokes equations, FEM simulation results, as well as optimi-zation methods. Applying the design tools and methods, various versions of KinaesTactile actuators are con-structed, incrementally improving the performance in each version of the actuators.. Featuring inclined plunger surfaces, the “final” version of the KinaesTactile actuator significantly reduces the size, while achieving neces-sary actuation forces.
Upon fabrication of KinaesTactile actuators, their actuation performance are evaluated with a precision test frame by measuring the output resistive force of actuators with varying loading frequency, voltage (current), and velocity. As the input voltage is discretely varied from 0V to up to 5V,the resistive force is increased distinctly, indicating that the actuator is capable of producing various kinaesthetic sensations, In other words, the results show that the proposed KinaesTactile actuator can convey several steps of resistive force to human operators depending on the input voltage. To study the effect of types of input waveforms as well as their loading conditions, sinusoidal and square inputs are considered. When the frequency and the magnitude of these input waves are varied, the output resistive forces are also varied, following the input frequency and magnitude changes. The results indicate that the KinaesTactile actuators can represent various vibrotactile sensations by modulating the output resistive force based on the input voltages to the actuators. The results further indicate that the output force frequency bandwidth is well above 300 Hz, which is considered as a maximum frequency that human can feel. Thus, unlike currently existing vibrotactile actuators, the new KinaesTactile actuators offer a wide range of vibrotactile sensations. More importantly, the results show that the KinaesTactile actuators are capable of providing kinaesthetic and tactile sensations simultaneously for much enhanced realistic haptic experiences. Followed by the actuator characterizations, the usability of the KinaesTactile actuators are evaluated. To this end, a control interface is first developed to create various force profiles and vibrotactile sensations according to the amount of the pressed depth of the actuator. For sensing the pressed depth of the actuator, the actuator’s impedance change is measured. This measured data is then used to determine the displacement and the velocity of the user’s press of the proposed actuator. Using the haptic rendering technique that couples the control hardware with a computer software, a series of usability testing is performed with human subjects. For the software, a short game program is developed, and a 3x3 array of the KinaesTactile actuators is developed for the hardware. The array of actuators is used as a functional keypad for entering numbers and/or commanding directions for the game program. The usability test results show that users distinctly distinguish several steps of resistive force and various vibrotactile sensations over wide frequency range (0 to 250Hz) created from the proposed Kinaes-Tactile actuator.
In summary, this research successfully developed novel KinaesTactile actuators and demonstrated their effectiveness in conveying realistic haptic sensations for real-world applications. The outcomes of the current work will serve a foundation for further KinaesTactile actuator research, paving the way to develop haptic dis-plays or functional keypads that can convey both kinaesthetic and vibrotactile sensations over a continuous surface, such as a touch screen.
모바일 기기들이 기계적 키패드가 없는 전면 터치패널 방식으로 바뀜에 따라, 터치패널에서 가상의 버튼감각을 모사하기 위해, 응답속도가 빠르고 잔진이 없는 진동모터를 개발하는 등의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 진동모터와 같은 촉감제공장치로 실재감 있는 근감각(Kinaesthetic Sensation)을 재현하는데 한계가 있다. 본 논문에선 소형 전자기기에서도 근감각을 제공할 수 있도록 소형, 저전력으로 개발된 자기유변유체(MR Fluids)를 이용한 다양한 버전의 액츄에이터가 제안되었다. 사람이 실제로 물체를 인식할 때에 촉감과 근감각을 동시에 사용하기 때문에 더욱 현실감 있는 촉각을 제공하기 위해 근감각 제공용 액츄에이터에서 진동촉감(Vibrotactile Sensation)도 생성할 수 있는 새로운 메커니즘을 또한 제안하였다. 그래서 본 논문에선 근??촉감각 (KinaesTactile)이란 새로운 용어를 정의하고, 이를 적용한 근??촉감각 액츄에이터 (KinaesTactile Actuator)를 제안하였다. 제안된 근??촉감각 액츄에이터에서 저항력과 진동촉감은 솔레노이드로 자기유변유체의 점성을 주기적으로 변화시켜 제공한다. 강자성체로 제작된 플런져(Plunger)와 하우징(Housing)은 솔레노이드에서 생성된 전자기력을 자기유변유체에 집중적으로 제공하는 자기패스(Magnetic Flux Path)의 역할을 한다. 사용자는 자기유변유체의 주기적으로 가변 되는 점성을 저항력 내지 진동감각으로 느끼게 된다.
2장에서는 자기유변유체를 활용하여 소형액츄에이터를 개발하기 위해 필요한 복합유체방정식을 나비어-스톡스(Navier-Stokes) 방정식으로부터 유도하였다. 3장에선 유도된 유체방정식과 FEM 시뮬레이션을 활용하여 다양한 버전의 소형, 저전력 근감각 액츄에이터(Kinaesthetic Actuator)들을 개발하고 그 성능이 평가되었다. 소형 사이즈에서, 저전력으로도 강한 저항력을 제공하기 위해서 자기유변유체의 유동모드(Flow Mode)와 전단모드(Shear Mode)가 동시에 제공될 수 있는 메커니즘이 제안되었다. 4장에선 근감각 액츄에이터에서 진동감각을 제공해 주기 위한 방법과 이에 적합한 메커니즘이 설계/제작되었다. 입력 전류의 크기와 형태, 그리고 주파수를 조절하면서 다양한 성능평가가 이루어졌다. 개발된 액츄에이터는 사용자가 Contact Plate를 누를 때, Contact Plate에 고정되어 있는 Plunger가 아래로 이동하게 되며, 사용자가 누르는 중에 다양한 저항력과 진동촉감을 느끼게 된다. 실제의 저항력을 생성하는 자기유변유체로 채워진 Housing과 Plunger사이의 공간은 경사면으로 설계되었는데, 이는 자기유변유체의 세가지 모드(Flow, Shear, Squeeze Mode)를 모두 활성화시켜 소형, 저전력 액츄에이터에서 강한 저항력과 진동력을 생성할 수 있도록 하기 위해서이다. 성능평가 결과 개발된 근??촉감각 액츄에이터는 0.6W 소모 시 최대 약 10N 이상의 저항력을 생성한다. 또한, 정현파(Sine Wave)와 구형파(Square Wave)를 인가 시, 0.3W 를 소모하며 각 주파수와 입력 크기에 따라 수많은 진동촉감을 제공한다. 5장에선 개발된 근??촉감각 액츄에이터를 활용하여, 다양한 햅틱어플리케이션을 제공하기 위해 필요한 제어용 하드웨어와 센싱 및 제어 방법이 제안되었다. 개발된 액츄에이터를 활용하여, 사용자에게 다양한 저항감 및 진동감각을 실시간으로 제공하기 위해, 액츄에이터의 임피던스(Impedance)를 측정하여 사용자가 액츄에이터를 누른 깊이를 계산하여, 이에 따라 컨트롤러에서 전류의 주기, 크기, 그리고 파형을 변화시켜주어 다양한 햅틱감각을 제공하는 방법이 제안되었다. 또한, 사용자 평가를 통해 제어된 액츄에이터가 다양한 저항감과 진동감각을 제공할 수 있다는 것을 검증하였다. 6장에선 개발된 근??촉감각 액츄에이터를 3x3으로 배열하고, 그 상단에 플렉서블 디스플레이를 장착하여, 방향키, 숫자키, 또는 메뉴버튼 등으로 활용될 수 있는 가변형 키패드 장치와 어플리케이션을 구현하였다. 또한, 모바일 기기에 내장될 수 있을 정도의 소형 근??촉감각 액츄에이터를 디자인하는 방법을 개발하고 제작 및 성능평가를 수행하였다.
개발된 근??촉감 액츄에이터는 소형전자장치에서 피부감각과 근감각을 동시에 제공할 수 있어, 이동형 장치에서 더욱 실재감 있는 촉각정보를 사용자에게 제공할 수 있다. 개발된 근??촉감 액츄에이터는 모바일 기기에서 다양한 버튼감각을 제공해 줄 수 있을 뿐 만 아니라, 휴대용 게임기 등에서 다양한 햅틱 효과를 제공할 수 있다. 또한, 추후 원격 수술로봇 또는 의료용 시뮬레이터의 소형 조종기에서 촉감과 근감각을 동시에 제공하여, 실재와 동일한 촉각정보를 제공할 수 있는 소형 전체론적 햅틱장치 (Holistic Haptic Display) 개발에 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
