Modular Planar Cable-Driven Haptic Interface with Adjustable Workspace

Abstract

Combining virtual haptic exhibits with real exhibits is a solution to solve the aging problem of science museum exhibits. Virtual haptic exhibits reproduce physical phenomena using virtual reality and deliver audiovisual and haptic information through display, loudspeaker, and haptic interface to visitors. However, virtual haptic exhibits require virtual and augmented reality with various workspaces according to the exhibition's contents. Therefore, when the existing haptic interface is applied to a virtual haptic exhibit, a problem arises: the haptic interface needs to be replaced according to the exhibition's content. Therefore, in this thesis, a modular planar cable-driven haptic interface that can be applied to both virtual and augmented reality and can change the workspace as desired was developed. A two-step module position calculation algorithm was devised, and a real-time controller was constructed using an embedded system. In addition, a cable tension control module combining a motor, pulley, and constant torque spring was fabricated, and a minimum static tension condition to prevent cable slack was proposed. Furthermore, the frequency response and linearity of the tension control were measured to evaluate the module's performance. Finally, it was shown that the haptic interface developed through various demonstrations could be applied to multiple exhibition contents.

과학관의 전시물 노후화 문제를 해결하기 위해 실제 전시물과 가상 햅틱 전시물을 결합하는 방안이 유망하다. 가상 햅틱 전시물은 가상 현실을 이용해 물리적 현상을 재현하는 전시물로, 디스플레이와 스피커를 통한 시청각 정보뿐만 아니라 햅틱 인터페이스를 통한 촉각 및 운동감각 정보를 관람객에게 전달한다. 그러나 가상 햅틱 전시물은 전시 내용에 따라 가상 현실 대신 증강 현실을 이용하며 필요한 작업 공간도 달라진다. 따라서 기존의 햅틱 인터페이스를 가상 햅틱 전시물에 적용할 경우, 전시 내용에 따라 햅틱 인터페이스를 교체해야 하는 문제가 생긴다. 따라서 본 학위논문에서는 가상 현실과 증강 현실에 모두 적용할 수 있으며 작업 공간을 원하는 대로 변경할 수 있는 모듈형 평면 케이블 구동 햅틱 인터페이스를 개발하였다. 개발된 햅틱 인터페이스를 제어하기 위해 2단계로 구성된 모듈 위치 계산 알고리즘을 고안하였고 임베디드 시스템을 활용해 실시간 제어기를 구성했다. 또한 모터, 풀리, 정 토크 스프링이 결합한 케이블 장력 제어 모듈을 제작하였고 케이블이 느슨해지는 슬랙 현상을 방지하기 위한 최소 장력 조건을 제안했다. 완성된 모듈의 성능을 평가하기 위해 장력 제어의 주파수 응답과 선형성을 측정했다. 마지막으로 다양한 시연을 통해 개발된 햅틱 인터페이스가 여러 가상 햅틱 전시물에 적용 가능하다는 것을 보였다.