모바일 가상 환경을 위한 스마트 액추에이터 기반 햅틱 컨트롤러
A Haptic Controller Based on Smart Actuators for Mobile Virtual Environment
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초록
본 논문에서 우리는 근감각을 사용자에게 전달할 수 있는 햅틱 컨트롤러를 제안한다. 햅틱 컨트롤러는 스마트 액추에이터 기반의 두 개의 햅틱 버튼과 얇은 압력센서로 구성되어 있다. 스마트 액추에이터는 전자석과 자기유변탄성체로 이루어져 있으며, 자기유변탄성체의 강성은 외부 자기장의 세기와 자기 선속에 의해 달라진다. 전자석에 전압이 인가되면 전자석은 자기장을 생성하고 자기유변탄성체를 단단해지게 만든다. 또한, 강성의 정도는 전압의 세기에 따라 달라진다. 그러므로 스마트 액추에이터는 물체의 강성을 표현할 수 있다. 게다가, 전자석에 교류 신호가 인가되면 자기유변탄성체는 기계적인 진동을 생성하게 된다. 본 연구에서는 장애물과의 충돌 없이 새를 움직이는 모바일 가상 환경을 구성하였다. 햅틱 컨트롤러에 있는 두 개의 햅틱 버튼은 각각 도약 기능과 아이템 발사 기능을 한다. 사용자가 도약 버튼을 누르지 않으면 중력 때문에 아래로 떨어지게 된다. 사용자가 도약버튼을 누름과 동시에 가상 환경 속 캐릭터는 위로 솟아오르고, 사용자는 가상환경의 배경(하늘, 설산, 바닷속)에 따라 햅틱 버튼의 강성을 다르게 느낄 수 있다. 게다가, 사용자가 아이템 버튼을 누르면 아이템이 발사됨과 동시에 사용자는 진동을 느낄 수 있다. 본 시스템의 효용성을 확인하기 위해 사용자 평가를 수행한 결과, 제안하는 햅틱 컨트롤러는 햅틱 피드백이 없는 일반 컨트롤러 보다 모바일 가상 환경에 대한 사용자의 즐거움과 몰입감, 조작성을 향상시켰다. 제안하는 햅틱 시스템이 가상 교육/훈련과 군사 또는 의료 시뮬레이터들과 같은 다양한 가상현실 시스템에 적용 가능할 것으로 예상된다.
Abstract
In this paper, we propose a handheld haptic controller that conveys kinesthetic sensation to users. The haptic controller consists of two haptic buttons based on the smart actuators and thin pressure sensors. The smart actuator is composed of an electromagnet and a soft magnetorheological elastomer whose stiffness can be changed by the external magnetic strength and flux. If voltage input is applied to the electromagnet, the magnet generates the magnetic fields to make the magnetorheological elastomer stiff. The amount of stiffness depends on the amplitude of the voltage input. Therefore, the smart actuator can simulate the stiffness of a target object. Furthermore, when the AC signal is provided to the electromagnet, the magnetorheological elastomer generates mechanical vibration. We construct a mobile virtual application whose goal is to move a bird to another place without colliding obstacles. Two buttons in the haptic controller are mapped as the soaring and the shooting an item, respectively. If a user does not push the soaring button, the bird falls toward the ground because it is affected by gravity. In case of pressing the soaring button, the bird that is in the application soars up. At that time, we can control the stiffness of the haptic button according to simulate various virtual environments (Blue sky, Snowstorm, and Underwater). Furthermore, when the user press shooting button, the haptic button generate vibration to make user feel shooting an item. We conducted the user study to evaluate the proposed haptic system. The result of the user study shows that the proposed haptic controller can improve the user’s enjoyment, immersion, and operability in the mobile virtual environment than the general controller without haptic feedback. We expect that the proposed haptic system is widely applied to various virtual reality applications such as virtual education/training and military or medical simulators.
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