In this research, we developed a small-size three-degrees-of-freedom tactile actuator for interacting with Augmented and Virtual Realities. With the actuator, we also designed various types of tactile feedback that simulate tangential virtual friction, normal compliance, and surface texture. Friction, compliance, and texture are what we always feel when we touch objects, and they are the most basic elements to recognize the objects. In order to simulate them, vibrotactile feedback and human’s perceptual illusions were explored and utilized. The virtual friction feedback was extended to 2D by combining two asymmetric vibrations with XY stage structure. Given only a force-displacement curve, the compliance feedback could simulate the elasticity or stiffness of various materials. The texture feedback could simulate various types of surfaces such as common paper, textile, sandpaper, and corrugated cardboard. In addition, we verified that there was little interference between the friction and the texture feedbacks when both feedbacks were provided simultaneously. Three tactile devices —named HapThimble, HapCube, and HapCube+, respectively— were developed for generating the tactile feedbacks, and with the devices, a series of experiments was conducted to examine the tactile feedbacks. The experimental results shows that the all feedbacks are generated and conveyed to users properly. At the end of the dissertation, we discussed the differences from the previous studies, the applicability of the developed tactile feedbacks and devices, and limitations of our research.
본 연구에서는 증강현실 및 가상현실과의 상호작용을 위한 소형 3차원 택타일 디바이스를 개발하였으며, 이 엑추에이터를 통해 생성될 수 있는 다양한 형태의 택타일 피드백들을 디자인하였다. 기존의 햅틱 디바이스들은 다양한 종류의 햅틱 피드백을 높은 퀄리티로 생성하기 위해서는 그 크기가 커지거나, 심지어 책상이나 땅에 고정되어서 전혀 포터블하거나 웨어러블하지 않는 문제들이 있다. 이를 극복하기 위해, 우리는 ‘진동에 대한 인간의 인지 착각’을 이용하여 크기가 작은 진동 엑추에이터만으로도 다양한 종류의 택타일 피드백을 제공하는 방법들을 제안하였다. 이 택타일 피드백들은 2차원의 접선 방향 마찰력, 1차원의 컴플라이언스, 그리고 물체 표면의 다양한 텍스처들을 모사할 수 있다.
이 연구를 통해, 두 비대칭 진동의 합성을 통해 2차원의 마찰력을 모사하는 방법을 제안하였다. 그리고, ‘힘-변위 커브’만 정의된다면, 다양한 물체의 컴플라이언스를 모사하는 방법 또한 제안되었다. 실험을 통해, 우리가 제안한 방법이 적축, 흑축, 청축, 갈축으로 불리는 기계식 키보드의 대표적인 네 가지 키 스위치의 컴플라이언스들이 적절히 모사할 수 있음을 확인하였다. 또한, 다양한 실제 표면위에서의 가속도 변화를 측정하고, 이 측정 데이터를 가공하여 표면의 텍스처들을 진동 피드백으로 모사하기 위한 방법도 제안되었다. 일반 종이, 나무, 청바지, 사포, 골판지의 텍스처들이 잘 모사가 되었으며, 이 외에도 다양한 종류의 텍스처들이 모사될 수 있다. 택타일 피드백으로 모사된 마찰력, 컴플라이언스, 그리고 텍스처들은 일련의 실험들을 통해 검증이 되었으며, 기존 연구들과의 차이점 및 활용 가능성에 대해 논의되었다.
