햅틱 테크놀로지

Haptic technology
Tactile 기술과 혼동하지 마십시오.
NASA Ames Research Center에서 1980년대 머리에 쓰는 디스플레이와 유선 장갑

햅틱 기술([1][2]haptic technology)은 사용자에게 힘, 진동 또는 모션을 가함으로써 터치의 경험을 만들어낼 수 있는 기술입니다.[3]이러한 기술은 컴퓨터 시뮬레이션에서 가상 객체를 생성하고, 가상 객체를 제어하고, 기계 및 장치(텔레로보틱스)의 원격 제어를 강화하는 데 사용될 수 있습니다.햅틱 디바이스는 사용자가 인터페이스에 가하는 힘을 측정하는 촉각 센서를 포함할 수 있습니다.그리스어에서 온 햅틱(haptic)이라는 단어는 ἁπτικός(haptikos)는 "촉각과 관련된 촉각"을 의미합니다.간단한 햅틱 장치는 게임 컨트롤러, 조이스틱, 스티어링 휠 등의 형태로 일반적입니다.

햅틱 기술은 제어 가능한 햅틱 가상 객체를 생성함으로써 인간의 촉각이 어떻게 작동하는지를 쉽게 조사할 수 있습니다.대부분의 연구자들은 인간의 촉각과 관련된 세 가지 감각 체계를 구분합니다: 피부, 피부미용, 햅틱.[4][5][6]피부 및 피부미적 감성에 의해 매개되는 모든 지각을 촉각 지각이라고 합니다.터치의 감각은 수동적이고 능동적인 것으로 분류될 수 있고,[7] "햅틱"이라는 용어는 종종 물체를 통신하거나 인식하기 위한 능동적인 터치와 관련됩니다.[8]

역사

햅틱 기술의 가장 초기 응용 분야 중 하나는 제어 표면을 작동하기 위해 서보 기구 시스템을 사용하는 대형 항공기였습니다.[9]서보 시스템이 없는 가벼운 항공기에서는 항공기가 실속에 접근할 때 조종사의 조종에 공기역학적 부페(진동)가 느껴졌습니다.이것은 위험한 비행 상태에 대한 유용한 경고였습니다.서보 시스템은 "일방향"인 경향이 있는데, 이는 공기역학적으로 제어 표면에 가해지는 외부 힘이 제어 장치에서 감지되지 않음을 의미하며, 이로 인해 중요한 감각 신호가 부족하게 됩니다.이를 해결하기 위해 누락된 정상력을 스프링과 가중치로 시뮬레이션합니다.공격 각도가 측정되고 임계 정지점이 가까워지면 스틱 셰이커가 결합되어 보다 간단한 제어 시스템의 응답이 시뮬레이션됩니다.또는 서보 힘이 측정되어 신호가 제어 장치의 서보 시스템으로 향할 수 있으며, 이를 힘 피드백이라고도 합니다.힘 피드백은 일부 굴삭기에서 실험적으로 구현되었으며, 진흙이나 점토에 매립된 큰 암석과 같은 혼합 재료를 굴삭할 때 유용합니다.작업자가 보이지 않는 장애물을 "느끼고" 작업할 수 있게 해줍니다.[10]

1960년대에 Paul Bach-y-Rita는 화면의 픽셀과 유사한 촉각적인 "점"을 생성하면서 올리고 내릴 수 있는 20x20 배열의 금속 막대를 사용하는 비전 대체 시스템을 개발했습니다.이 장치를 갖춘 의자에 앉아 있는 사람들은 등에 찔러 넣은 점 무늬로부터 사진을 식별할 수 있었습니다.[11]

촉각 전화에 대한 미국 최초의 특허는 토마스 D에게 주어졌습니다.1973년의 섀넌.[12]A는 초기 촉각 인간-기계 통신 시스템을 구축했습니다. 1970년대[13] 초 Bell Telephone Laboratories, Inc.의 Michael Noll은 1975년에 그의 발명품에 대한 특허가 발행되었습니다.[14]

A photo of an Aura Interactor vest
아우라 인터랙터 조끼

1994년 아우라 인터랙터 조끼가 개발되었습니다.[15]조끼는 오디오 신호를 감시하고 전자기 액추에이터 기술을 사용하여 저음 음파를 펀치나 킥과 같은 동작을 나타낼 수 있는 진동으로 변환하는 착용 가능한 힘 피드백 장치입니다.조끼는 스테레오, TV 또는 VCR의 오디오 출력에 연결되고 오디오 신호는 조끼에 내장된 스피커를 통해 재생됩니다.

An image of the Tap-in wristwatch.
젠슨의 탭인 장치

1995년 토마스 마시(Thomas Massie)는 개인 햅틱 인터페이스 메커니즘(PHANTOM) 시스템을 개발했습니다.그것은 사람의 손가락을 넣을 수 있는 컴퓨터화된 팔 끝에 있는 골무와 같은 콘센트를 사용하여 컴퓨터 화면에서 물체를 "느낄" 수 있게 했습니다.[16]

1995년 노르웨이의 가이어 젠슨(Geir Jensen)은 탭 인(Tap-in)이라 불리는 피부 탭 메커니즘을 가진 손목시계 햅틱 장치를 설명했습니다.손목시계는 블루투스를 통해 휴대전화에 연결되며, 탭핑 주파수 패턴은 착용자가 선택한 짧은 메시지로 발신자에게 응답할 수 있게 해줍니다.[17]

2015년에 애플워치가 출시되었습니다.그것은 피부 탭 감지를 사용하여 시계 착용자의 휴대폰으로부터 알림과 경고를 전달합니다.

기계식 터치 감지 유형

피부의 기계적 하중에 대한 인체의 감지는 기계적 수용체에 의해 관리됩니다.기계식 수용체는 여러 가지 유형이 있지만, 일반적으로 손가락 패드에 있는 수용체는 두 가지 범주로 분류됩니다.빠른 연기(FA)와 느린 연기(SA).SA 기계식 수신기는 상대적으로 큰 스트레스와 낮은 주파수에서 민감한 반면 FA 기계식 수신기는 높은 주파수에서 작은 스트레스에 민감합니다.그 결과 일반적으로 SA 센서는 200 마이크로미터 이상의 진폭으로 텍스처를 감지할 수 있고 FA 센서는 200 마이크로미터 미만에서 약 1 마이크로미터 미만의 진폭으로 텍스처를 감지할 수 있지만, 일부 연구에서는 FA가 지문 파장보다 작은 텍스처만 감지할 수 있음을 시사합니다.[18]FA 기계식 수용기는 마찰에 의해 발생하는 진동과 미세한 표면 질감 위에서 움직이는 지문 질감의 상호작용을 감지함으로써 이러한 높은 해상도의 감지를 달성합니다.[19]

실행

예제는 응용프로그램 아래의 하위 섹션을 참조하십시오.

햅틱 피드백

햅틱 피드백(haptic feedback)은 게임 내 동작을 나타내는 감각을 제공하기 위해 설정된 주파수와 간격으로 진동을 제어하는 것으로, 손이나 손가락의 '쿵', '노크', '두드리기' 등을 포함합니다.

햅틱 피드백을 제공하는 전자기기의 대부분은 진동을 사용하며, 대부분은 모터 샤프트에 부착된 불균형한 무게로 구성된 편심 회전 질량(ERM) 액추에이터를 사용합니다.샤프트가 회전함에 따라, 이 불규칙한 질량의 회전은 액추에이터와 부착된 장치를 흔들게 합니다.압전 액츄에이터는 또한 진동을 발생시키기 위해 사용되며, LRA보다 훨씬 더 정확한 움직임을 제공하며, 소음이 적고 플랫폼이 작지만 ERM과 LRA보다 더 높은 전압을 요구합니다.[20]

럼블

참고 항목:듀얼쇼크와 럼블박

럼블은 햅틱의 한 형태이고, 럼블은 다양한 주파수에서 꾸준히 진동하고 있을 뿐입니다.

피드백 강제

힘 피드백 장치는 모터를 사용하여 사용자가 들고 있는 물건의 움직임을 조작합니다.[21]자동차 주행 비디오 게임 및 시뮬레이터는 실제 차량을 코너링할 때 발생하는 힘을 시뮬레이션하기 위해 스티어링 휠을 돌리는 데 일반적으로 사용됩니다.2013년에 출시된 직접 구동 휠은 서보 모터를 기반으로 하며 강도와 충실성을 위해 가장 고급의 힘 피드백 레이싱 휠입니다.

2007년, 노빈트는 고해상도 3차원 힘 피드백을 가진 최초의 소비자용 3D 터치 디바이스인 Falcon을 출시했습니다.이것은 물체, 질감, 반동, 운동량 및 게임 내 물체의 물리적 존재에 대한 햅틱 시뮬레이션을 가능하게 했습니다.[22][23]

공기 소용돌이 고리

공기 소용돌이 고리는 집중된 공기의 돌풍으로 이루어진 도넛 모양의 공기 주머니입니다.집중된 공기 소용돌이는 촛불을 끄거나 종이를 몇 야드 떨어진 곳에서 방해하는 힘을 가질 수 있습니다.Microsoft Research(AirWave)[24]와 Disney Research(AIREAL)[25]는 모두 비접촉 햅틱 피드백을 제공하기 위해 공기 소용돌이를 사용했습니다.[26]

초음파

집속 초음파 빔을 사용하여 물리적 물체를 만지지 않고 손가락에 국소적인 압력 감각을 생성할 수 있습니다.압력감을 발생시키는 초점은 초음파 트랜스듀서들의 배열에서 각각의 트랜스듀서의 위상 및 세기를 개별적으로 제어함으로써 생성됩니다.또한 이러한 빔은 진동을 [27]전달하고 가상 3D 물체를 사용자가 느낄 수 있는 기능을 제공하는 데 사용될 수 있습니다.[28]

촉각 피드백의 또 다른 형태는 사람이 표면 텍스처에 대한 정보를 얻기 위해 (손가락을 표면 위로) 스캔할 때 활성 터치에서 비롯됩니다.마찰과 질감으로 인한 진동이 인체 피부의 기계 수용체를 활성화시킴에 따라 마이크로미터 스케일의 표면 질감에 대한 많은 정보를 얻을 수 있습니다.이 골판을 향해 초음파 주파수로 진동하도록 만들어 판과 피부 사이의 마찰을 줄일 수 있습니다.[29][30]

적용들

오토모티브

차량 대시보드에 대형 터치스크린 컨트롤 패널이 도입됨에 따라 운전자가 도로에서 눈을 떼지 않고도 터치 명령을 확인할 수 있는 햅틱 피드백 기술이 적용됩니다.[31]스티어링 휠 또는 시트와 같은 추가 접촉면은 운전자에게 햅틱 정보를 제공할 수도 있으며, 예를 들어 다른 차량과 가까울 때 경고 진동 패턴을 제공할 수도 있습니다.[32]

예체능

햅틱 기술은 시각과 애니메이션을 느슨하게 만드는 소리 합성이나 그래픽 디자인과 같은 가상 예술에서 탐구되어 왔습니다.[33]햅틱 기술은 2015년 테이트 센서리움 전시회에서 기존의 예술 작품들을 향상시키기 위해 사용되었습니다.[34]음악 창작 분야에서 스웨덴의 신시사이저 제조업체인 틴에이저 엔지니어링(Teenge Engineering)은 OP-Z 신시사이저를 위한 햅틱 서브우퍼 모듈(haptic subwoofer module)을 도입하여 음악가들이 악기에서 직접 베이스 주파수를 느낄 수 있도록 했습니다.[35]

항공

힘 피드백은 안전 비행 외피에 대한 순응도를 높이고 조종사의 최종 권한을 유지하고 상황 인식을 높이는 동시에 조종사가 작전 경계 밖의 위험한 비행 상태에 진입할 위험을 줄이기 위해 사용될 수 있습니다.[36]

의학과 치의학

의료 시뮬레이션을 위한 햅틱 인터페이스는 복강경 및 중재 방사선과와 같은 최소 침습적 시술을 위한 교육 [37][38]및 치과 학생을 위한 교육을 위해 개발되고 있습니다.[39]VHB(Virtual Haptic Back)는 오하이오 대학 오스테오패스 의학 대학의 커리큘럼에 성공적으로 통합되었습니다.[40]햅틱 기술은 원격 현장감 수술의 발전을 가능하게 했고, 전문 의사들이 멀리서 환자들을 수술할 수 있게 했습니다.[41]외과의사가 절개를 하면서 환자에게 직접 작업을 하는 것처럼 촉각과 저항의 피드백을 느끼게 됩니다.[42]

햅틱 기술은 또한 균형 조절에[43] 있어 연령 관련 장애를 개선하고 노인 및 균형 장애인의 낙상을 방지하기 위해 감각적 피드백을 제공할 수 있습니다.[44]Haptic Cow and Horse는 수의학 훈련에서 사용됩니다.[45]

모바일 디바이스

LG 옵티머스 L7 II의 바이브 모터

촉각적 햅틱 피드백은 셀룰러 디바이스에서 일반적입니다.대부분의 경우, 이것은 터치에 대한 진동 반응의 형태를 취합니다.Alpine Electronics는 많은 터치스크린 자동차 내비게이션과 스테레오 장치에 PulseTouch라는 이름의 햅틱 피드백 기술을 사용합니다.[46]넥서스 원은 사양에 따라 햅틱 피드백을 제공합니다.[47]삼성은 2007년 처음으로 햅틱폰을 출시했습니다.[48]

표면 햅틱은 터치스크린과 같은 표면과 상호작용하면서 사용자의 손가락에 다양한 힘이 생기는 것을 말합니다.

주목할 만한 소개 내용은 다음과 같습니다.

  • 탄바스는[49] 손가락 끝이 경험하는 면내 힘을 제어하기 위해 정전기 기술을[50] 사용하여 손가락 동작의 프로그램 가능한 기능을 수행합니다.TPaD 태블릿 프로젝트는 초음파 기술을 사용하여 유리 터치스크린의 겉보기 미끄러움을 조절합니다.[51]
  • 2013년 애플은 멀티 터치 표면에 적합한 햅틱 피드백 시스템에 대한 특허를 받았습니다.애플사의 "햅틱 피드백의 국소화 방법 및 장치"에 대한 미국 특허는 멀티 터치 입력 장치 아래에 적어도 두 개의 액츄에이터가 위치하여 사용자가 장치와 접촉할 때 진동 피드백을 제공하는 시스템을 설명합니다.[52]구체적으로, 특허는 피드백 진동을 유도하기 위해 하나의 액추에이터를 제공하는 반면, 적어도 하나의 다른 액추에이터는 제1 세트의 진동이 디바이스의 다른 영역으로 전파되는 것을 방지함으로써 햅틱 경험을 국소화하기 위해 그것의 진동을 이용하는 것을 제공합니다.특허는 "가상 키보드"의 예를 제공하지만, 본 발명은 또한 임의의 멀티터치 인터페이스에 적용될 수 있다는 점에 주목합니다.[53]"탭틱 엔진"을 특징으로 하는 애플의 아이폰(및 맥북)은 AC 전기 신호가 라우드스피커의 원뿔에서 움직임으로 변환되는 것과 유사한 자기 음성 코일을 통해 질량을 상호적인 방식으로 움직이는 선형 공진 액추에이터(LRA)로 진동을 수행합니다.LRA는 ERM보다 빠른 응답 시간을 가질 수 있으므로 보다 정확한 햅틱 이미지를 전송할 수 있습니다.[54]

신경재활

상지 운동 기능 장애를 가진 사람들을 위해, 햅틱 피드백을 사용하는 로봇 디바이스들은 신경 재활을 위해 사용될 수 있습니다.엔드 이펙터와 같은 로봇 장치와 접지 및 비접지 외골격은 여러 근육 그룹에 대한 제어를 복원하는 데 도움이 되도록 설계되었습니다.이들 로봇 기기가 적용한 햅틱 피드백은 몰입감이 높은 특성상 감각 기능 회복에 도움이 됩니다.[55]

퍼즐

복잡한 3D 환경에서 목표 지향적인 햅틱 탐색, 검색, 학습 및 기억을 조사하기 위해 햅틱 퍼즐이[56][57] 고안되었습니다.목표는 촉각을 가진 다중 손가락 로봇을 가능하게 하고 인간 메타 학습에 대한 더 많은 통찰력을 얻는 것입니다.

개인용 컴퓨터

애플 사의 맥북과 맥북 프로는 2015년에 버튼 기능과 햅틱 피드백이 포함된 "촉각 터치패드" 디자인을 추적 표면에 통합하기 시작했습니다.[58]

로보틱스

원격 현장감을 통해 복잡한 작업을 수행하려면 햅틱 피드백이 필수적입니다.첨단 로봇 핸드인 섀도우 핸드는 모든 관절과 손가락 패드에 총 129개의 터치 센서가 내장되어 있어 조작자에게 정보를 전달합니다.이를 통해 멀리서도 타이핑과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.[59]초기의 원형은 나사의 휴머노이드 로봇, 혹은 로보넛 컬렉션에서 볼 수 있습니다.[60]

감각 치환

주요 기사:감각 치환

2015년 12월에 데이비드 이글맨은 말과 다른 오디오 신호를 일련의 진동으로 "변환"하는 착용 가능한 조끼를 시연했고,[61] 이것은 청각 장애인들이 그들의 몸에서 소리를 "느낄" 수 있게 해주었고, 그 이후로 손목 밴드로서 상업적으로 만들어졌습니다.[62]

공간

뉴스 보도에 따르면, 햅틱 기술의 사용은 화성 방문을 포함한 우주 탐사에 유용할 수 있다고 합니다.[63]

촉각 전광판

참고 항목: 점자 단말기 및 점자 전자책

촉각 전자 디스플레이는 촉각을 이용하여 텍스트 및 그래픽 정보를 전달하는 디스플레이 장치입니다.시각적 또는 청각적 감각에 대한 대안을 제공함으로써 시각장애인 또는 청각장애인 사용자를 지원하기 위해 이러한 종류의 장치가 개발되었습니다.[64][65]

텔레오퍼레이터 및 시뮬레이터

텔레오퍼레이터는 원격 제어 로봇 도구입니다.조작자에게 관련된 힘에 대한 피드백이 주어지면 이를 햅틱 텔레오퍼레이션이라고 합니다.최초의 전기 작동식 원격 조작기는 1950년대에 Raymond Goertz에 의해 Argonne National Laboratory에서 방사성 물질을 원격으로 처리하기 위해 만들어졌습니다.[66]그 이후, 힘 피드백의 사용은 원격조종 수중 탐사 장치와 같은 다른 종류의 원격조종사에서 더욱 광범위하게 사용되고 있습니다.

의료용 시뮬레이터와 비행용 시뮬레이터와 같은 장치는 실제 현실에서 느낄 수 있는 힘 피드백을 이상적으로 제공합니다.시뮬레이션된 힘은 햅틱 오퍼레이터 컨트롤을 사용하여 생성되므로 터치 감지를 나타내는 데이터를 저장하거나 재생할 수 있습니다.[67]

텔레딜도닉스

햅틱 피드백은 원격으로 성완구를 연결하고 사용자가 가상의 성에 관여하거나 원격 서버가 자신의 성완구를 제어할 수 있도록 하기 위해 텔레딜도닉스, 즉 "성 기술" 내에서 사용됩니다.이 용어는 1975년 Ted Nelson이 사랑, 친밀도, 그리고 기술의 미래를 논하면서 처음 만들어졌습니다.[citation needed]최근 몇 년간 텔레딜도닉스와 섹스 기술은 진동, 압력, 감각의 소통을 통해 가상 섹스를 가능하게 하는 양방향 연결을 가진 장난감을 포함하는 것으로 확장되었습니다.많은 "스마트" 진동기는 장난감을 제어할 수 있도록 사용자 또는 원격 파트너 간의 단방향 연결을 허용합니다.

비디오 게임

이 드림캐스트 점프팩과 같은 컨트롤러용 럼블팩은 사용자의 손을 통해 햅틱 피드백을 제공합니다.

햅틱 피드백은 아케이드 게임, 특히 레이싱 비디오 게임에서 일반적으로 사용됩니다.1976년 세가의 오토바이 게임인 모토 크로스는 [68][69]폰즈로도 알려져 있으며 햅틱 피드백을 사용한 최초의 게임으로 다른 차량과 충돌하는 동안 핸들 바가 진동했습니다.[70]Tatsumi의 TX-1은 1983년 자동차 운전 게임에 포스 피드백을 도입했습니다.[71]Earthshaker! 라는 게임은 1989년에 핀볼 기계에 햅틱 피드백을 추가했습니다.

간단한 햅틱 장치는 게임 컨트롤러, 조이스틱, 스티어링 휠 등의 형태로 일반적입니다.초기 구현은 1997년 닌텐도 64 컨트롤러의 럼블 팩과 같은 옵션 구성 요소를 통해 제공되었습니다.같은 해, 이머션 코퍼레이션은 피드백이 내장된 마이크로소프트 사이드 와인더 포스 피드백 프로를 출시했습니다.[72]많은 콘솔 컨트롤러와 조이스틱에는 Sony의 DualShock 기술과 Microsoft의 Impulse Trigger 기술을 포함하여 회전하는 불균형한 무게를 가진 모터인 내장된 피드백 장치가 있습니다.예를 들어, 일부 자동차 스티어링 휠 제어기는 도로의 "느낌"을 제공하도록 프로그래밍되어 있습니다.사용자가 방향을 틀거나 가속하면 스티어링 휠은 방향 전환에 저항하거나 제어할 수 없게 되어 반응합니다.

주목할 만한 소개 내용은 다음과 같습니다.

  • 2013년: 심레이싱을 위한 최초의 직접 구동 휠이 도입되었습니다.
  • 2014:[73] LG전자 멀티미디어 입력에 대응하는 새로운 형태의 햅틱 쿠션
  • 2015: 밸브의 스팀 머신(콘솔과 같은 PC)에는 장치의 트랙패드를 통해 광범위한 햅틱 피드백을 전달할 수 있는 가중 전자석을 사용하는 새로운 스팀 컨트롤러가 포함되어 있습니다.[74]이러한 컨트롤러의 피드백 시스템은 사용자 구성이 가능하여 컨트롤러 양쪽에 있는 햅틱 힘 액츄에이터를 통해 정확한 피드백을 제공합니다.[75]
  • 2017년: 닌텐도 스위치의 조이콘은 이머션 코퍼레이션과 함께 개발하고 알프스 액츄에이터를 사용한 HD 럼블 기능을 선보였습니다.[76][77][78]
  • 2018: 로펠트가 개발한 한 쌍의 광대역 햅틱 드라이버를 사용한 게임용 헤드폰 레이저 나리 얼티밋.[79][80]
  • 2020: Sony PlayStation 5 DualSense 컨트롤러는 팜 그립에 통합된 보이스 코일 액추에이터가 제공하는 진동촉각 햅틱과 두 개의 DC 로터리 모터가 제공하는 어댑티브 트리거에 대한 힘 피드백을 지원합니다.[81]손잡이에 장착된 액추에이터는 게임 내 동작에 대한 다양하고 직관적인 피드백을 제공할 수 있습니다. 예를 들어 모래 폭풍에서는 바람과 모래를 느낄 수 있으며 어댑티브 트리거의 모터는 활에서 가상으로 화살표를 그리는 것과 같은 경험을 지원합니다.[82]
  • 2021년 슈퍼턱스카트 1.[83]3 출시, 포스 피드백 지원무료 소프트웨어 게임에서는 강제 피드백이 매우 흔하지 않습니다.

가상현실

햅틱은 가상 현실 시스템의 핵심 부분으로 널리 받아들여지고 있으며, 이전의 시각적 전용 인터페이스에 촉각을 더해주고 있습니다.[84]홀로그램을 보고 느낄 수 있는 시스템을 포함하여, 3D 모델링 및 설계를 위해 햅틱 인터페이스를 사용하기 위한 시스템이 개발되고 있습니다.[85][86][87]여러 회사에서 사용자가 폭발과 총알 충격을 느낄 수 있도록 몰입형 가상 현실에서 사용할 전신 또는 몸통 햅틱 조끼 또는 햅틱 슈트를 만들고 있습니다.[88]

참고 항목

참고문헌

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