특허 개요
본 특허는 가상 공간의 물체 표면과 유체가 만날 때 생기는 압력을 비접촉 초음파 촉각으로 변환하는 가상 압력 필드 기반 햅틱 렌더링 기술입니다. 센서로 획득한 객체 표면을 깊이 텍스처와 법선 텍스처로 렌더링하고 이를 가상 강체 입자로 생성한 뒤, 가상 유체 입자와의 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 시뮬레이션으로 압력 분포를 계산합니다. 계산된 압력의 국부 최댓값을 집중점으로 선별해 위치, 음향방사력 및 변조 주파수를 반영한 초음파를 출력합니다.
- 핵심 기능
객체의 표면 정보에서 가상 강체를 만들고, 가상 유체와의 입자 기반 상호작용을 계산해 가상 압력 필드를 생성합니다. 압력이 큰 지점을 집중점으로 변환한 뒤 초음파를 출력하며, 접촉 상태에 따라 집중점의 변조 주파수를 다르게 설정할 수 있습니다.
- 차별 강점
기존 비접촉식 햅틱 인터페이스는 집중 초음파를 활용하지만, 가상 유체가 물체 표면에 가하는 압력 분포를 촉각으로 연결하려면 실시간 물리 계산과 촉각 변환이 필요했습니다. 본 기술은 가상 강체·유체 입자 시뮬레이션의 압력 국부 최댓값을 집중점으로 사용해, 객체 형상과 유체 상호작용 결과를 촉각 출력에 직접 반영하는 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 가상현실·증강현실, 비접촉식 햅틱 인터페이스, 3차원 디스플레이, 가상 유체 상호작용 시뮬레이션 분야에 활용 가능하며, 객체 표면 기반 촉각 렌더링 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 헤드 마운트 디스플레이, 몰입형 게임·디지털 콘텐츠, 가상 유체 교육·훈련 시뮬레이터, 비접촉 사용자 인터페이스로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
객체의 깊이·법선 텍스처를 가상 강체 입자로 변환하고, 가상 유체와의 SPH 입자 시뮬레이션으로 압력 필드를 산출한 뒤 국부 최댓값을 집중점으로 변환하는 흐름이 제시됐습니다. 접촉 상태별 변조 주파수 할당도 기재됐으나, 실제 사용자 대상 촉각 지각 성능과 하드웨어별 재현성은 확인되지 않았습니다.
- 입력 객체: 센싱 및 렌더링으로 깊이 텍스처·법선 텍스처를 획득한 객체
- 시뮬레이션 방식: 가상 강체 입자와 가상 유체 입자의 SPH 기반 상호작용
- 촉각 출력 조건: 연속 접촉 집중점 200Hz, 최초 접촉 집중점 100Hz 변조 주파수
현재 성과
가상 강체와 가상 유체의 물리 기반 상호작용으로 산출한 압력 필드를 집중 초음파 출력으로 변환합니다. 객체 형상과 상호작용 결과에 따라 집중점의 위치와 음향방사력을 반영할 수 있습니다. 실제 촉각 지각 성능은 PoC에서 확인이 필요합니다.
집중점 업데이트 시 새 집중점과 이전 집중점의 거리를 기준으로 연속 접촉 여부를 구분하는 방식을 제시했습니다. 연속 접촉과 최초 접촉에 서로 다른 변조 주파수를 할당하도록 구성했습니다. 사용자 지각에 대한 검증 결과는 기재되지 않았습니다.
가상 강체·가상 유체 입자 시뮬레이션에서 얻은 압력 분포의 국부 최댓값을 선별·정렬해 촉각 집중점으로 사용합니다. 단순히 초음파를 집중하는 방식과 달리, 가상 유체가 객체 표면에 가하는 압력 정보를 촉각 출력의 기반으로 삼는 점이 핵심 차별성입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 사용자 대상 촉각 지각 성능과 가상 압력 변화의 체감 일치도 검증
초음파 하드웨어 구성별 집중점 위치·음향방사력 출력의 재현성 검증
다양한 객체 형상과 상호작용 조건에서의 실시간 처리 성능 검증
장기 사용 환경에서의 비접촉 초음파 촉각 출력 안전성 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
가상 유체와의 상호작용에 기반한 촉각 피드백 제공 방법 및 이를 수행하는 장치
10-2021-0176503 (2021.12.10)
1020220086495 (2022.06.23)
1026893200000 (2024.07.24)
박진아, 장재현
한국과학기술원
한국과학기술원