탈부착이 가능한 진동 피드백 장치와 그 응용

Abstract

최근 많은 장치들을 활용한 상호작용이 빈번히 일어나면서, 사용자들은 다감각 표시 장치를 이용해 많은 정보를 획득하고 있다. 햅틱 인터페이스를 활용한 수많은 연구가 있음에도 불구하고, 다감각 표시 장치에 햅틱 하드웨어를 내장하는 데 드는 높은 비용 때문에 거의 상용화되고 있지는 못한 상황이다. 이 연구의 목적은 탈부착이 가능한 햅틱 모듈인 햅틱 인챈터를 사용하여 사용자가 원하는 곳에 높은 정보 전달 (IT)이 가능하게 하는 햅틱 인터페이스를 만드는 것이다.

햅틱 인챈터는 진동자, 부착부, 그리고 추가적인 진동 고립부로 이루어져 있다. 총 아홉 종류의 상자 타입과 반지 타입의 프로토타입이 개발되었고, 이 프로토타입은 단단하고 평평한 표면을 가진 모바일 폰이나 손가락에 부착하여 진동을 주도록 개발되었으며, 이 중 세 종류에는 진동 고립부가 제외되었다. 진동 고립부는 9000가지의 실험 조건 및 10번의 반복 측정을 통해 결정되었으며, 측정 결과 쇼어 경도계 0030의 기본 실리콘에 연화제를 15\,\%만큼 섞은 실리콘 혼합물을 3\,mm의 두께로 사용하는 경우 손으로 가볍게 쥔 상태에서도 90 퍼센트 이상의 진동 감쇄율을 보였다. 반지 타입의 프로토타입은 사람의 손가락에 직접적으로 부착되므로 진동 고립부를 부착할 필요가 없었다.

햅틱 인챈터의 인지적인 효과는 챕터 3과 4의 세 종류의 사용자 실험으로 측정되었다. 한 플랫폼의 정보 전달력을 측정하는 값인 정보 전달 (IT)가 챕터 3과 4에 있는 두 종류의 사용자 실험에서 측정되었다. 대표적인 사용 환경인 PHONE과 RING에서, 2개, 3개, 4개를 사용한 시공간 진동 패턴은 높은 진동 전달 능력을 보여주었다(4.55-7.06 bits). 정적인 공간 패턴에 대해서는, 네 개의 햅틱 인챈터를 사용한 2차원 환상 감각을 이용하는 경우 3 by 3, 4 by 4, 5 by 5의 2차원 가상 격자 공간에 대해 1.89-2.54 bits의 정보 전달 값을 보였다. 이 결과는 2D 환상 감각이 주 정보 채널이 아닌 보조 정보 채널로서의 가능성을 가지고 있음을 보여주었기 때문에, 환상 감각의 해상도가 좀 더 정확히 측정되어야 할 필요가 있었다. 측정 결과 선형 렌더링과 로그 렌더링을 이용한 PHONE에 대해서는 5 by 5, 5 by 4의 인지 해상도를 표현할 수 있음을 보였으며, 선형 렌더링과 로그 렌더링을 이용한 RING에서는 각각 6 by 5, 7 by 4 의 인지 해상도를 보일 수 있었다. 이 결과들은 햅틱 인챈터가 효율적이면서도 편리한 통신 보조기구로 쓰일 수 있음을 보여준다.

이러한 햅틱 인챈터들을 활용하기 위한 응용 프로그램으로 패턴 저작 도구를 제작하였다. PhysVib는 모바일 플랫폼에 사용되어 물리 엔진의 충돌 이벤트에 대해 진동을 자동적으로 생성시켜주는 소프트웨어 라이브러리로 개발되었다. PhysVib는 물리 엔진과 동시에 구동되며, 낮은 갱신률로 충돌 이벤트를 감지하며 높은 갱신률로 지수 감쇄 정현파 모델을 사용한 진동 피드백을 생성한다. 사용자 실험에서는 이 모델이 실제 충돌 소리를 사용한 진동보다 시각적 이벤트와 더 잘 어울림을 보였다. 또 다른 실험에서는 PhysVib에 위 모델을 포함한 여덟 종류의 진동 생성 모델을 적용하여 그 인지적 성능을 비교하였다. 실험 결과, PhysVib에서 사용한 지수 감쇄 정현파 모델이 시각적 이벤트와의 어울림, 사실성, 그리고 호감에 대해 가장 좋은 결과를 보였다.

PhysVib는 사실적인 진동 패턴을 제공해주는 효율적인 라이브러리이며, 진동 패턴 개발 시간을 획기적으로 줄여줄 수 있다. 여러 개의 햅틱 인챈터 역시 PhysVib에 2D 환상 감각 렌더링 방법을 적용하는 것으로 사용 가능하다.

With the increase interaction with many devices, multimodal displays can help users to acquire various information. Although there are literally thousands of researches of haptic interfaces, a small number of them are commercialized because of the high cost of embedding hardware to multimodal displays. The goal of this study is to develop an attachable and detachable haptic modules, haptic enchanters, to provide localized vibrations on user-desired locations with high information transfer (IT) rates.

Haptic enchanters consisted of an attachment part, a vibration isolation layer (optional), and a vibration actuator. Nine prototypes of box-type and ring-type haptic enchanters were developed considering target surface of a rigid flat mobile phone and a human finger and three of them did not included the vibration isolation layer. The vibration isolation layer was selected through an extensive measurement process, and a silicone layer of hardness 0030, softner ratio of 15\,\%, and 3\,mm of thickness showed over 90 percent of vibration attenuation with a moderate gripping. The ring-type prototypes directly contact to human fingers and do not need the isolation layer.

Perceptual qualities using haptic enchanters are estimated through three user studies in Chapter 3 and 4. As a performance measure of a platform for information transmission, information transfer (IT) is used in two user studies in Chapter 3 and 4. In the representative configurations of PHONE and RING, spatiotemporal vibration sequences using 2, 3, and 4 haptic enchanters provided the high capacity of information transfer (4.55-7.06 bits). For the stationary spatial patterns, Illusory 2D phantom sensations induced by using four haptic enchanters also showed information transfer of 1.89-2.53 bits for 3 by 3, 4 by 4, and 5 by 5 virtual grids. The result implied that 2D phantom sensations had a potential as a secondary information channel, so the illusory sensation resolution was measured more precisely. The perceptual resolution of using 2D phantom sensations were 5 by 5 and 5 by 4 grids for PHONE-LINEAR and PHONE-LOGARITHM and 6 by 5 and 6 by 4 grids for RING-LINEAR and RING-LOGARITHM. These results instantiate the promise of haptic enchanters as effective and convenient communication accessories.

An authoring tools was required to utilize haptic enchanters. First, a software library, PhysVib, was developed on the mobile platform by extending an open-source physics engine in a multi-rate rendering architecture for automatic vibrotactile feedback upon collision events. PhysVib runs concurrently with a physics engine at a low update rate and generates vibrotactile feedback commands at a high update rate based on the simulation results of the physics engine using an exponentially-decaying sinusoidal model. A user study showed that this vibration model is more appropriate to our purpose in terms of perceptual quality than more complex models based on sound synthesis. The perceptual performance of PhysVib was estimated by comparing eight vibrotactile rendering methods. Experimental results suggested that PhysVib enables more realistic vibrotactile feedback than the other methods as to perceived similarity to the visual events. PhysVib is an effective solution for providing physically plausible vibrotactile responses while reducing application development time to great extent. Multiple haptic enchanters are also available by extending PhysVib to support multi-channel vibrotactile signals using phantom sensation rendering methods.