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자기유변유체를 이용한 초소형 자가 센싱 근·촉감각 액추에이터 = A sensor-combined miniature kinaestactile actuator based on magnetorheological fluids
서명 / 저자 자기유변유체를 이용한 초소형 자가 센싱 근·촉감각 액추에이터 = A sensor-combined miniature kinaestactile actuator based on magnetorheological fluids / 류세민.
저자명 류세민 ; Ryu, Se-Min
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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Mechanical keypads on handheld devices have been replaced by touch screens in order to increase the size of the visual display unit. With this challenge in mobile technology, many studies targeting mobile devices concentrated on creating tactile sensations and developing actuators for tactile display. However, it is noticeable that vibrotactile actuators just ‘imitate’ kinaesthetic sensations. In general, users rub and press target objects when they try to perceive them. In other words, both kinaesthetic and vibrotactile feedbacks should be simulta-neously conveyed to users for creating realistic haptic sensation. To provide both kinaesthetic and vibrotactile feedbacks in single device, various types of actuators named as KinaesTactile actuator have been developed based on magnetorheological fluids. But it was difficult to decrease the size of the actuator and previous Ki-naesTactile actuators had the initial force missing problem which means the loss of resistive force at the initial stroke region. The purpose of this research is to present a new mechanism for miniaturizing and optimizing the KinaesTactile actuator. To maximize the total resistive force generated by KinaesTactile actuator in a small size, optimization technique using SQP algorithm was utilized. Through this optimal design process, design variables were determined. To predict the proposed actuator’s behavior and performance, an analytical model for compu-ting the resistive force generated by MR fluids was formulated. By analyzing this model, the feasibility of the new design was verified. Finally, we implemented the proposed actuator, which has dimensions of 10 mm × 10 mm × 6.5 mm. Then, experimental setup was constructed with dynamic mechanical analyzer, RSA3. The ap-plied load with respect to pressed depth was measured by varying the input current and frequency. The results of the kinaesthetic feedback measurement showed that the proposed KinaesTactile actuator can generate the resis-tive force of range from 2.0 N to 5.0 N. It is enough to display several steps of the force level to human’s finger. The results of the vibrotactile feedback measurement showed that the proposed KinaesTactile actuator can gen-erate vibrotactile feedback within a wide frequency range. It was also confirmed that the initial force missing problem is clearly reduced. Several kinds of usability tests for verifying performance of developed KinaesTac-tile actuator in the view of human were designed and performed with 9 subjects. The results from usability tests showed that the users can reliably discriminate at least five levels of kinaesthetic sensations and seven levels of vibrotactile sensations in both low and high frequency range. Furthermore, displacement sensing function mea-suring changes of inductance level of the solenoid coil in the form of the voltage was integrated with actuating function to provide more diverse haptic sensations. Thus, the proposed KinaesTactile actuator demonstrated that it can enhance the sense of immersion for users by providing variety and realistic haptic sensations in small electronic devices.

휴대용 전자 기기는 수 년에 거쳐 진화를 거듭하면서, 기존의 물리적 버튼을 이용한 입력 방식에서 탈피하여 화면의 크기를 극대화 하기 위한 터치 스크린 상의 키패드를 통한 입력 방식으로 대체되어 왔다. 이러한 기술의 전이와 함께 많은 연구들이 촉감각 생성과 촉감각 생성을 위한 액추에이터 개발에 집중해왔다. 그러나 진동 촉감각 생성을 위한 액추에이터는 실재하는 근감각을 단순히 모사하는 도구에 불과하다. 일반적으로 사람은 특정 사물을 인지할 때 누르는 동시에 문지르는 과정을 거친다. 즉, 보다 실재감 있는 촉각 전달을 위해서는 근감각과 촉감각 정보가 반드시 동시에 제공되어야 한다는 것이다. 단일 액추에이터에서 근감각과 촉감각 정보를 동시에 생성하기 위해서 자기유변유체를 이용한 다양한 근o촉감각 액추에이터가 개발되어 왔다. 그러나 기존에 개발된 근o촉감각 액추에이터는 초기 변위 구간에서 저항력을 충분히 생성하지 못했고 액추에이터의 크기를 줄이는 데에 있어서 한계점이 있었다. 본 연구의 목표는 기존 연구의 한계점을 극복하여 초소형화 및 최적화를 위한 새로운 구조를 가지는 근o촉감각 액추에이터를 개발하는 것이다. 제한된 크기 내에서 액추에이터가 생성하는 총 저항력을 극대화하기 위해 SQP 알고리즘을 이용한 최적설계 기법을 사용하였고, 이를 통해 최적의 설계 변수를 결정하였다. 제안하는 근o촉감각 액추에이터의 거동과 성능을 예측하기 위해 자기유변유체에 의해 생성되는 총 저항력에 대한 해석적 모델을 수립하였고, 새롭게 고안된 구조의 유용성을 검증하였다. 최종적으로 제작된 근o촉감각 액추에이터의 크기는 10 mm × 10 mm × 6.5 mm 이다. 정량적인 성능 평가를 위해 동적 기계 분석기를 사용하여 실험환경을 구성하였고, 인가되는 전류의 크기 및 주파수를 변경해가며 다양한 조건에서 누르는 깊이에 따른 저항력을 측정하였다. 제안하는 근o촉감각 액추에이터가 생성할 수 있는 저항력은 제한된 소비전력 내에서 약 2.0 N ~ 5.0 N으로 측정되었고, 이 범위 내에서 사람의 손을 자극할 수 있는 여러 단계의 저항력을 생성할 수 있음을 확인하였다. 그리고 진동 촉감각 생성 시의 측정 결과를 통해 제안하는 근o촉감각 액추에이터가 약 0 ~ 250 Hz의 주파수 대역에서 원활하게 동작함을 확인하였다. 또한 초기 변위 구간에서 저항력이 충분히 생성되지 못했던 기존 연구에서의 한계점이 개선되었음을 확인하였다. 제안하는 근o촉감각 액추에이터의 성능을 사용자의 관점에서 정성적으로 평가하기 위해 사용자 평가를 수행하였다. 사용자 평가를 통해 제안하는 근o촉감각 액추에이터가 5단계 이상의 구분 가능한 근감각, 그리고 저주파 및 고주파 영역에서 각각 7단계 이상의 구분 가능한 진동 촉감각을 생성할 수 있음을 확인하였다. 추가로, 액추에이터가 눌린 깊이, 즉, 변위 정보를 이용하여 다양한 촉각 정보를 구현하기 위해 솔레노이드 코일의 인덕턴스 변화를 감지하여 이를 통해 변위를 측정하는 방법 또한 고안 및 검증하였다. 제안하는 근o촉감각 액추에이터는 기존의 근o촉감각 제시장치가 해결하지 못했던 초소형화, 저전력화, 초기 저항력 손실 문제를 해결함과 동시에 구분 가능한 여러 단계의 근감각과 진동 촉감각을 개별적으로, 또는 동시에 생성할 수 있고 또한 변위 정보를 이용할 수 있기 때문에 소형 전자 기기에서도 사용자에게 더욱 실제에 가까운 햅틱감각을 제공할 수 있는 가능성을 보여주었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MME 13014
형태사항 v, 57 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Se-Min Ryu
지도교수의 한글표기 : 권동수
지도교수의 영문표기 : Dong-Soo Kwon
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 50-52
주제 근·촉감각 액추에이터
근감각
진동촉감각
자기유변유체
스퀴즈 모드
초소형
KinaesTactile Actuator
Kinaesthetic
Vibrotactile
MR fluids
Squeeze Mode
Miniature
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