Development of an Adaptive Planar Cable-driven Haptic Interface to Expand Workspace for Virtual Education Contents

Abstract

대유행병의 시대를 맞아 가상교육 콘텐츠는 미래의 교육으로써 각광을 받고 있다. 가상 콘텐츠를 통한 교육은 다양한 학습 시나리오를 제공할 수 있지만, 여전히 햅틱 상호 작용이 부족한 실정이다. 햅틱 피드백이 물리적 상호작용의 일환으로써 효과적인 학습을 도와줄 수 있기 때문에, 햅틱 인터페이스의 개발이 필요한 상황이다.

본 학위 논문에서는 가상 교육 콘텐츠에 햅틱 상호작용을 제공하기 위해, 다양한 임피던스를 제공할 수 있는 평면 케이블 구동 방식의 힘 피드백 인터페이스를 제안한다. 제안된 인터페이스는 가상 교육 콘텐츠를 표시하고 있는 상용 화면 디스플레이 위에 배치되는 것을 목표로 한다. 따라서 가상 교육 콘텐츠의 확장성과 사용성을 위해서는 화면 전체 영역을 포괄할 수 있는 작업 공간과 힘 생성 영역이 필수적이다. 케이블 구동 방식은 태생적으로 제한된 작업 공간과 힘 생성 영역의 단점을 갖지만, 제안된 인터페이스는 이를 목표 영역으로 확장하기 위해 완전 적응형 메커니즘을 도입하였다.

햅틱 인터페이스에 적응형 메커니즘을 도입하기 위해, 평면 케이블 구동 햅틱 인터페이스의 일반화된 운동학 및 정적 분석을 진행하였다. 이후 해당 분석들을 기반으로 인터페이스의 설계, 분석, 제어와 더불어 작업 공간과 힘 생성 영역의 최대화 관련 내용이 기술되었다. 성능 평가를 통해 개발된 햅틱 인터페이스가 목표 영역을 포괄하는 작업 공간을 가지며, 시뮬레이션 값 대비 평균 94.01% 의 정확도로 최대 등방성 힘을 출력할 수 있음을 확인하였다. 또한 햅틱 인터페이스로서의 성능을 평가하기 위하여 주파수 영역에서의 폐루프 위치 대역폭, 개방 루프 힘 대역폭, 그리고 생성 가능한 임피던스 범위인 Z-width를 측정하였다.

In the era of a pandemic, virtual education content is becoming popular as the future of education. Education with virtual content can provide various learning scenarios, but still lack haptic interaction. Since haptic feedback can help efficient learning as a physical interaction, the development of a haptic interface is in demand.

In this thesis, a planar cable-driven force feedback interface that can display variable impedance is proposed to provide haptic interaction for virtual education content. The interface targets to be placed above the commercial screen display that presents virtual education contents. Therefore, workspace and force generation range that can cover the whole screen area is essential for the scalability and usability of virtual contents. While the cable-driven mechanism has inherently limited workspace and force generation range, the interface adopts a fully adaptive mechanism to expand them to the target area.

To deploy adaptive mechanism on the haptic interface, generalized kinematic and static analyses of planar cable-driven haptic interface considering adaptive mechanism were derived. Then based on the analyses, a design, analysis, and control for the proposed interface with the workspace and force generation range maximization are introduced. Performance evaluation revealed that the proposed system could cover the target area as a workspace and exert the maximum isotropic force with 94.01% accuracy on average compared to the simulated value. Also, further characterizations in frequency response were conducted to measure closed-loop position bandwidth, open-loop force bandwidth, and Z-width to evaluate performance as a haptic interface.