원격 촉각 상호작용 환경에서 임의의 햅틱 감각 제공을 위한 광대역 고출력 웨어러블 햅틱 모듈 개발 = Development of a Wideband, High-Output Wearable Haptic Module for Rendering Arbitrary Haptic Feedback in Telehaptic Interaction Environments

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 원격 촉각 상호작용 환경에서 연속적인 촉각 정보를 효율적 으로 표현하고 손끝에 임의의 진동 촉감을 재현하기 위한 촉감 양자화 （Tactile Quantization） 기반 웨어러블 햅틱 프레임워크를 제안하였다. 본 연 구에서 촉감 양자화는 연속적인 촉각 신호를 임펄스의 크기, 부호 및 인가 시점으로 구성된 촉감 단위와 구동 파라미터로 변환하고, 이를 사용자 측 햅 틱 장치에서 재구성하는 과정으로 정의하였다. 이를 위해 임펄스 기반 입력 성형 기법과 Base excitation 기반 1자유도 동역학 모델을 구축하고, Cymbal 형 압전 액추에이터, Preload 판 스프링 및 진동 전달판으로 구성된 3 g급 손끝 착용형 웨어러블 햅틱 모듈을 제작하였다. 먼저 질량 부하형 검증 플랫폼을 이용하여 Preload 기반 압전 변위 전달 메커니즘의 구현 가능성을 확인하였다. 이후 손끝 착용형 모듈에 15, 25, 35 및 45 kN/m의 판 스프링을 적용하여 주파수 응답을 비교하였다. 그 결과, 35 kN/m 조건에서 805 Hz의 공진주파수, 12.02 g의 최대 가속도, 278.5 Hz의 −3 dB 대역폭, 2.56 ms의 상승시간 및 2.70 ms의 하강시간을 확보하여 최 종 설계점으로 선정하였다. 이는 압전 액추에이터의 변위 전달 성능과 Preload에 의한 접촉 안정성이 균형을 이루는 최적 강성 조건이 존재함을 보 여준다. 더미 손가락 고정 조건에서 재식별한 동특성 파라미터를 1자유도 동역학 모델에 적용하고, 동일한 입력 성형 신호에 대한 시뮬레이션 및 실측 가속도 파형을 비교하였다. 임의 파형 발생기의 재생 조건을 16 Ki native playback 으로 개선한 후 Sine, Triangle 및 Ramp 기본 파형의 평균 파형 상관계수는 0.994, 평균 NRMSE는 2.70%, 평균 포락선 상관계수는 0.991로 나타났다. 또 한 9종의 바이폴라 임의 촉감 파형은 평균 파형 상관계수 0.946과 약 0.98의 평균 포락선 상관계수를 보여, 단발성 충격, 반복 버스트, 감쇠 진동 및 연속 적인 진폭 변화를 포함하는 다양한 촉감 파형을 높은 유사도로 재현할 수 있 음을 확인하였다. 실제 표면 질감의 재현 가능성을 검증하기 위해 UR3 매니퓰레이터로 서로 다른 거칠기의 사포 표면에서 진동 신호를 획득하고, 이를 포락선, 임펄스 구 조 및 진폭 파라미터로 재구성하였다. 생성된 16-bit, 8 kHz 디지털 촉감 파 형은 세 개의 손끝 모듈과 통합 컨트롤러로 구성된 장갑형 햅틱 인터페이스 에서 VR 접촉 이벤트에 따라 재생되었다. 출력 가속도 파형의 Ra는 표면 거 칠기에 따라 단조적으로 증가하였으며, 네 가지 거칠기 조건은 출력 신호 수 준에서 구분되었다. 출력 신호로부터 표면 거칠기를 재구성한 결과, 모델 적 합 데이터에서는 5.44%, 별도의 검증 데이터에서는 8.86%의 상대오차를 보여 촉감 양자화와 디지털 구동 과정을 거친 이후에도 질감 정보가 유지됨을 확 인하였다. 본 연구에서는 임펄스 기반 입력 성형, 동역학 모델 및 광대역, 고출력 손 끝 착용형 모듈을 하나의 촉감 양자화 프레임워크로 통합하고, 임의 촉감 파 형과 실제 표면 질감의 재현 가능성을 실험적으로 제시하였다. 향후에는 사 용자 지각 기반 촉감 파라미터 최적화, 사용자별 동특성을 고려한 적응형 촉 각 렌더링 및 실제 통신 환경에서의 성능 검증을 수행하고자 한다. 또한 다 차원 촉감 부호화와 구동 모듈 컨트롤러의 소형화, 저전력화, 무선화, 다채널 화를 추진하고, 마찰, 온도 및 힘 피드백 기술과 결합함으로써 제안한 프레임 워크를 원격 촉각, 확장현실（XR） 및 Physical AI 기반 인간과 로봇간의 상호 작용을 위한 차세대 멀티모달 햅틱 인터페이스로 확장하고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. Preload 기반 압전 구동 메커니즘의 검증 18
• 2.1 질량 부하형 Preload 검증 플랫폼 구성 19
• 2.2 질량 부하 조건별 주파수 응답 평가 21
• 2.3 질량 부하 조건별 주파수 응답 평가 결과 23
• 2.4 Discussion 25
• Ⅲ. 웨어러블 햅틱 모듈의 설계 및 성능평가 27
• 3.1 웨어러블 햅틱 모듈의 동작 원리 및 설계 27
• 3.2 손끝 착용형 웨어러블 햅틱 모듈의 동작 원리와 구성 30
• 3.2.1 손끝 착용형 웨어러블 햅틱 모듈의 동작 원리 30
• 3.2.2 손끝 착용형 웨어러블 햅틱 모듈의 구조 및 구성요소 ·· 32
• 3.3 판 스프링 강성별 주파수 응답 평가 35
• 3.3.1 성능평가 환경 35
• 3.3.2 성능평가 결과 37
• 3.4 Discussion 42
• Ⅳ. 임펄스 기반 촉감 양자화 모델링 및 검증 44
• 4.1 촉감 양자화 모델링 및 검증 45
• 4.2 모델 검증용 경계조건의 동특성 파라미터 식별 47
• 4.3 Base excitation 기반 1자유도 모델 50
• 4.4 임펄스 응답 및 입력 성형 53
• 4.5 상태공간 수치 해석 및 모델 검증 지표 57
• 4.6 기본 파형 검증 결과 59
• 4.7 응용 임의 촉감 파형 검증 결과 62
• 4.7.1 바이폴라 임의 촉감 파형 검증 결과 63
• 4.7.2 유니폴라 임의 촉감 파형 검증 결과 67
• 4.8 포락선 노치 원인 분석 및 제거 71
• 4.9 Discussion 77
• Ⅴ. 촉감 양자화 기반 장갑형 햅틱 인터페이스 ·· 78
• 5.1 사포 표면의 질감 신호 수집 78
• 5.2 포락선 기반 임펄스 질감 파형 생성 80
• 5.3 장갑형 웨어러블 햅틱 인터페이스 및 디지털 구동 구조 82
• 5.4 VR 접촉 이벤트 기반 촉감 양자화 신호 재생 84
• 5.5 출력 파형 Ra 기반 질감 정보 보존 분석 86
• 5.6 Discussion 93
• Ⅵ. 결 론 95
• 참 고 문 헌 97
• ABSTRACT 104