“촉감”을 흉내 낸 고급 전자 기술, 햅틱이 소비자 애플리케이션부터 훨씬 광범위한 산업, 상업, 자동차, 의료 등의 시스템까지 빠르게 확산되고 있다. 이 기술은 장비와의 상호작용을 넓히고 이를 보다 자연스럽게 느끼게 하면서 생산성과 안전, 제어를 개선하는 새로운 형태의 촉각을 경험하게 해줄 것이다.
글 : 브라이언 벌크(Brian Burk) / 햅틱 사업부 애플리케이션 매니저
텍사스 인스트루먼트 / www.ti.com
스마트폰이나 터치패드에 메시지를 입력하면서 매끄러운 화면 속 클릭 소리를 귀로 듣고 느꼈다면 그 사람 은 촉감을 자극하는 전자기술, 햅틱을 경험한 것이다. 이러한 시스템에서 조이스틱이나 슬라이딩 노브, 페달, 스티어링 휠, 그 밖의 전자기계식 컨트롤들은 전자적 효과로 진짜 시스템의 느낌을 흉내 낸다. 이제는 전화번호를 입력하거나 메일을 전송할 때 훨씬 더 많은 사람들의 손가락 끝에서 비슷한 효과가 이루어지고 있다.
이러한 햅틱 애플리케이션은 또 다른 전자적 진기함처럼 보이지만, 사실은 우리가 기계를 다루는 방식의 중대한 변화 중에서도 최첨단의 변화이다. 햅틱을 넣은 터치패드와 그 밖의 휴먼 인터페이스들이 산업 시스템과 로봇공학, 자동차, 가전, POS나 기타 입력 시스템, 새로운 형태의 훈련 시뮬레이션, 원격 장비 조작 등과 같은 애플리케이션 분야에서도 개발 중에 있다(그림 1).
사실 사람들이 화면을 터치하거나 전자적 제어를 해야 하는 거의 모든 곳에서 햅틱이 역할을 한다. 이렇게 흉내를 낸 촉각 경험은 재미있고 사용이 편리한 점 말고도 새로운 기능을 추가할 수 있고, 유용한 신규 정보를 제공할 수 있으며 제어를 강화하고 조작 안전성을 개선하고 새롭게 제품 차별화를 기할 수도 있다.
햅틱을 가능하게 하는 근원에는 저렴하고 설계가 편리한 반도체 기술이 있다. 텍사스 인스트루먼트(TI)는 혁신 설계와 통합 전문지식을 활용해 여러 새로운 애플리케이션에서 다양한 가능성을 보여주는 차별화된 햅틱 솔루션을 내놓고 있다.
햅틱 기능을 넣으면 얼마나 제품에 이로운지 알게 된 시스템 설계자와 제조사는 여러 장비와 상호작용을 할 때 그것이 더욱 자연스러울 수 있도록 집적회로(IC) 디바이스를 이용해 촉각적 피드백을 흉내 낸 다양한 애플리케이션들을 만들어낼 것이다.
물리적 제어 감각을 되살리다
전자제어 시스템이 기존의 기계 시스템을 대체하면서 물리적 조작감을 잃게 되었다. 즉, 만지고, 잡고, 끌고, 돌리고, 쥐고, 누르고 미는 시스템을 조작하는 감각과 그것이 감응하는 느낌을 잃게 된 것이다. 햅틱 기능은 온통 전자식인 휴먼 인터페이스가 마치 기계식 컨트롤이나 전자기계식 컨트롤인 것처럼 반응하며 이러한 피드백을 흉내 낸다.
예를 들어, 비디오 게이머는 운전대와 기계적 연결장치로 자동차를 회전시킬 때의 느낌이 어떤 것인지 알지만, 시스템에서 햅틱이 회전 드래그를 흉내 내주지 않으면, 플라스틱 패널의 운전대가 주는 느낌이 그것과 같지 않을 것이다.
마찬가지로, 터치스크린도 키를 눌렀을 때 햅틱이 손가락에 딸깍(“딸깍” 소리로 다른 감각 양식을 통해 그 동작이 강화될 수도 있다)하는 감각이나 부딪히는 감각을 주지 않으면, 기계식 키패드 같은 느낌을 주지 못한다. 햅틱은 우리가 잃어버렸던 중요한 것을 돌려주고, 그렇게 함으로써 제품을 더 쉽고 즐겁게 사용할 수 있게 해준다.
조작이 복잡하고 완벽해야 하는 시스템의 모의 훈련에 햅틱 피드백이 자주 쓰여왔다는 것은 놀라운 일도 아니다. 예를 들어, 비행기 조종사는 다른 기종의 비행기를 몰기 전에 모의 조종실에서 많은 훈련을 한다.
조종사가 비행 절차를 배우고 비디오 시뮬레이션으로 조종실 창문 밖을 “보는” 것도 중요하지만, 이륙, 상승, 순항, 악천후 비행, 하강, 착륙 시에 그 제어에 대해 비행기가 어떻게 반응하는지를 배우는 것도 중요하다. 햅틱은 이러한 감각을 알려준다. 그래야 조종사가 실제 조종실에 앉았을 때 컨트롤 사용법은 물론, 실제 조종에서 비행기와 컨트롤이 어떻게 느껴지는지를 알 수 있다.
햅틱 피드백은 수술 훈련에도 사용된다. 이 수술 훈련은 인체조직의 3차원 그래픽 투영에 터치 감각을 추가한 것이다. 의사는 신체 조직이 어떻게 영향을 받는지 알 수 있게 되고 손과 도구가 닿는 인체의 좁은 공간에서 그 도구를 어떻게 조작할지 배우게 된다.
복강경 수술과 기타 내시경술의 경우, 햅틱 피드백을 넣은 모의 훈련이 미세 도구 사용법 학습에 무엇보다 중요하다. 몇몇 실험적 사례에서는 외과 전문의가 라이브 비디오, 모니터링 도구, 환자 옆 지원 인력의 도움을 받아 햅틱 기능의 모의 도구를 이용해 원거리에서 실제 수술을 하기도 한다.
새로운 방식으로 햅틱을 사용하다
모의 훈련은 최고급 햅틱 애플리케이션이다. 이 경우 시스템 비용보다는 어렵지만 불가결한 어떤 것을 달성하는 것이 더 중요하다. 반대로 스마트폰이나 태블릿, 비디오게임 같은 대중적 시장에서는 혁신적인 것도 중요하지만 그것이 판매 가격에 미치는 영향을 최소화해야 한다. 오늘날 햅틱 애플리케이션의 경계는 이 양극단 사이에 있다.
이 양극단 사이에서 약간의 가격 상승으로 촉각 기능을 제공함으로써 제품 기능을 확장하고 사용 편의를 높이고, 안전을 기하고, 그 밖의 차별화를 이뤄야 할 것이다. 이러한 쓰임새는 로봇과 수송장비, 빌딩 자동화, 가전, 상업시스템, 사무장비, 기타 사용자가 기계와의 햅틱 상호작용의 이점을 누릴 수 있는 여러 제품들에서 발견되고 있다.
햅틱 혁신에서 가장 전망이 밝은 것은 키패드 입력장치이다. 몇 년간 납작한 전자식 키들이 기계식 키들을 대체해왔고 최근에는 가변 작업에 맞춰 터치패드와 터치스크린도 점점 늘어나고 있다.
예를 들어, 조립 라인의 한 노동자가 평면 화면 패널에 데이터를 펀칭하면서 다수의 게이지나 계기, 라인 위로 움직이는 제품들을 지켜봐야 하거나 그 밖의 다른 역할을 해야 한다고 생각해보자.
이 노동자는 패널을 보며 오른쪽 버튼이나 일련의 버튼들을 연속으로 누르느라 다른 것들에서 눈을 뗄 수 밖에 없고, 그러면 중요한 것을 놓칠 수도 있으며 지나치게 많은 시각적 부담으로 실수를 하게 될 수도 있다.
그 패널이 비시각적 피드백을 주어 노동자에게 데이터 입력이 옳게 등록되었음을 알려준다면 일이 수월해질 것이다. 각각의 버튼에 소리를 넣는 것은 별 도움이 되지 않을 수 있다. 공장은 대체로 시끄럽기 때문이다.
그렇지만 부딪히는 감각은 데이터가 입력되고 있는지를 촉감으로 알려줄 수 있다. 한 가지 디테일만으로, 즉 햅틱 “범프(부딪힘)”를 휴먼 인터페이스에 추가하는 것만으로 조립 라인을 더욱 생산적이면서 더욱 안전하게 만들 수 있다.
이전 사례들이 일상과 거리가 있어 보인다면, 어둠 속에서 전자레인지를 사용할 때 키패드 버튼이 되돌려주는 촉각 피드백을 감지한다거나 렌터카의 복잡한 대시보드에서 제대로 컨트롤을 찾았는지 손끝 피드백으로 확인하는 것이 얼마나 유용할지 생각해보자. 햅틱 기능은 이러한 경험들 외에도 다음과 같은 경우에 도움이 된다:
•주의가 산만해진 웨이터에게 특정 촉각 반응을 주어 터치패드에서 메뉴 품목을 선택하는 경우
•컴퓨터 터치패드가 단단한 표면 위를 이동하고 있는 것 같은 느낌을 강화하는 경우
•컴퓨터 마우스나 TV 리모컨처럼 포인팅 디바이스에 여러 가지 새로운 지향성 움직임 감각을 제공하는 경우
•자동차 운전대와 운전자 좌석에 컨트롤 감각을 주는 경우
•헤드폰에 저주파 진동을 넣어 깊은 베이스 사운드의 물리적 감각을 강화하는 경우
단순한 햅틱 감각도 매우 중요하게 쓰일 수 있다: 비디오 게이머가 조이스틱을 움직일 때 느끼는 것과 동일한 종류의 물리적 저항 역시, 인류가 해야 하지만 안전하지는 않은 위험한 구조, 탐험, 채굴, 제조, 그 밖의 환경에서 기계의 원격 조작자 에게 도움이 될 수 있다.
앞으로 새로운 분야에 햅틱을 적용하게 된다면, 더욱 정교한 형태의 촉각 경험이 필요해질 것이다. 예컨대, 어느 날 온라인으로 옷을 구매할 때 실크, 면, 울, 합성소재의 차이를 터치패드를 통해 느낄 수 있을지도 모른다. 이렇게 정교한 촉각을 경제적으로 만들어낼 기술이 아직 나오지는 않았지만, 햅틱의 새로운 응용 분야들이 그 개발을 촉진할 시장 환경들을 조성하고 있다.
햅틱을 위한 기술
촉각 시뮬레이션의 심리학과 그 해석은 복잡할 수 있지만 햅틱 효과 그 자체는 비교적 단순하다. 조이스틱처럼 조작 가능한 컨트롤이 진동과 부딪힘을 통해 햅틱 정보를 전달하기도 하고 움직임을 늘리거나 줄이거나 심지어 일시에 멈추게 할 수 있는 저항을 통해 햅틱 정보를 전달하기도 한다.
터치스크린 같은 평평한 표면에서 효과를 만들어내는 한 가지 방법은 몸체 전체를 진동시키는 것이다. 이 경우, 스마트폰의 알람이나 벨소리 진동처럼 표면 전체가 흔들린다.
이에 반해, 국소적 진동은 터치된 표면을 살짝 짧게 변형시켜 손끝 아래 부딪침이나 닿음을 만들어낸다. 이제는 손끝을 리드하거나 손끝을 따라다니도록 이러한 변형을 움직이는 시스템도 등장하고 있다. 두뇌는 버튼을 누르거나 손잡이를 밀 때의 느낌, 서로 다른 표면의 질감, 그 밖의 예상 등에 맞춰 발생된 감각을 해석한다.
크기 특성과 진동 특성 등 여러 가지 애플리케이션 요건들이 햅틱 효과를 내는데 사용하는 액츄에이터의 유형을 결정한다. 예를 들어, 전신 효과는 ERM(electric rotating mass)으로 만들어낼 수 있다.
ERM은 여러 가지 속도로 돌며 진동 효과를 만들어내는 편심 질량의 작은 회전 모터이다. 정해진 위치에서의 버튼 효과나 키 효과는 일련의 LRA(linear resonant actuators)을 이용해 구현할 수 있다. 이것은 자기장 변화에 반응하여 진동을 높이고 내리는 스프링 질량 시스템이다.
이보다 복잡한 국소 진동은 전압이 주어지면 형태를 바꾸는 특정 소재의 기질, 피에조 효과(그림 2)를 채택한 액츄에이터로 달성 가능하다. 피에조 액츄에이터는 고감응 햅틱의 정밀한 발동이 가능하여 마찰 감각이나 질감 재현 등 터치스크린의 새로운 효과들에 점점 더 많이 쓰이고 있다.
피에조 효과는 변형이 전압을 만들어내고 전압이 소재를 변형시키는 식으로 양방향이기 때문에 피에조 디바이스는 감지와 발동의 역할을 둘 다 할 수 있다. 그래서 동일한 디바이스로 입력되는 압력 정보와 출력되는 촉각 정보를 둘 다 처리할 수 있다. 이 디바이스는 다른 액츄에이터에 비해 매우 얇기 때문에 휴대용 컴퓨팅의 키보드처럼 얕고 낮은 시스템에서 강점을 발휘한다.
햅티 시스템 컴포넌트
햅틱 시스템(그림 3)의 구성요소들에는 터치패드의 키 같은 센서 스위치가 있다. 이것은 외부 입력 자극을 받아들인 후 시스템 마이크로컨트롤러(MCU)에 신호를 보낸다. MCU는 다른 프로세싱 기능들 말고도 출력 파형을 만들어낸다. 그러면 드라이버가 이것을 해당 전압으로 증폭시켜 액츄에이터로 보낸다.
액츄에이터에서, 범프나 클릭, 스와이프, 기타 등등에 맞춰 기계적 진동이 만들어진다. 햅틱 효과를 위해 추가되는 디바이스들은 드라이버와 액츄에이터 뿐이다. 다른 디바이스들은 이미 이 시스템에 들어 있다.
또한, 이 시스템은 액츄에이터 유형과 속성에 따라, 파형을 정전압, 사인파, PWM 구동 파형으로 생성할 소프트웨어를 필요로 한다.
햅틱 디바이스 자체에 높은 수준의 통합과 작은 풋프린트가 반드시 있어야 한다. 휴먼 인터페이스의 크기는 제한적이지만, 그것이 제어할 시스템은 크기 때문이다. 포켓형 배터리 구동 애플리케이션에서는 초저전력 소비가 필수적이다. 이러한 특성은, 중요성은 좀 떨어지지만 유선 시스템에서도 득이 된다.
햅틱 기술은 거의 모두를 위한 새로운 분야의 설계이기 때문에, 그 IC 하드웨어는 새로운 시스템의 설계에 넣거나 기존 시스템에 추가하기 쉬워야 하고, 소프트웨어는 표준 MCU 인터페이스로 운용할 수 있을 만큼 간단해야 한다.
또한 기술 쓰임새가 점점 확대되고 있기 때문에, 시스템 개발자에게는 몇 년 앞서 훨씬 진화된 옵션들을 자사의 제품에 제공해줄 IC 공급자의 햅틱 솔루션이 필요하다.
TI 햅틱 솔루션
시스템 인터페이스용 센서와 드라이버 등 아날로그 기술의 산업 선도적 사업자로서, TI는 시스템 개발자가 차별화된 햅틱 기능을 자사의 제품에 빠르고 경제적으로 선보일 수 있도록 도와줄 광범위한 솔루션 포트폴리오를 오랫동안 개발해왔다.
TI 햅택 드라이버는 핸드헬드 소비자 전자제품부터 산업 로봇까지, 그리고 인텔리전트 빌딩 관리부터 최신 자동차까지 다양한 곳에 쓰일 수 있는 ERM이나 LRA, 피에조 액츄에이터 등을 지원하고 있다.
기존 모터 드라이버와 달리, 이 디바이스들은 햅틱 액츄에이터를 구동하도록 설계된 것으로, 불필요한 기능과 그 소프트웨어 컨트롤을 없앰으로써 디자인을 간소화시켰다.
피에조 액츄에이터에 필요한 고전압 등 고전압 햅틱 구동에 필요한 모든 부분들이 이미 통합되어 있다(그림 4). 모든 종류의 터치 입력을 사용할 수 있기 때문에 이 드라이버는 새로운 햅틱 애플리케이션에서 매우 다양하게 쓰일 수 있다.
성능을 개선하고 설계를 간소화하기 위해 햅틱 효과의 필수적인 기능들이 드라이버 안에 설계돼 있다. 이러한 기능들 중에는 ERM과 LRA의 반응을 개선하기 위한 자동 폐회로 피드백, 모든 액츄에이터의 폐회로 피드백을 감지하여 구성하는 자동 캘리브레이션, LRA의 공명 주파수를 감지하는 자동 공명 감지 등이 있다.
클릭, 버즈, 램프 같은 기성 파형들에는 드라이버들이 있다. 따라서 개발자는 맞춤형 파형을 만들어 손쉽게 소프트웨어 프로토타입핑을 만들 수 있다. 통합 진단은 디자인을 단순하게 해주고 제조를 위한 빠른 실험을 도와준다. TI의 고급 제조 프로세스 기술은 전체 기능을 위한 햅틱 드라이버의 전력 요건을 필요한 최소한도로 유지시켜준다.
TI는 스마트폰, 컴퓨터 마우스, 터치스크린, 냉장고, 제어판, 시계, HMI, 포켓형 바코드 스캐너, 산업 모바일 컴퓨팅, 기타 등등의 애플리케이션을 위해 레퍼런스 디자인을 제공하고 있다. 또한 TI는 광범위한 써드파티 네트워크와 협력하여 추가 시스템 디자인과 통합 지원을 내놓고 있다.
TI는 광범위한 제품 라인을 통해 초저전력 MCU, 아날로그 프론트엔드, 전력관리 디바이스 같은 기타 메이저 시스템 컴포넌트를 제공함으로써 개발자들의 IC 선택 프로세스를 간소화시키고 있다.
또한 TI의 지속적인 연구 노력은 폴리머 기반 액츄에이터와 전기 촉진제 기반의 햅틱 효과 같은 햅틱 기술의 새로운 발전을 충분히 지원할 수 있는 위치에 TI를 자리매김하게 할 것이다.
접촉을 유지하다
터치패드나 평면 제어판, 기타 전자식 유저 인터페이스 등에 점점 더 의존하게 됨에 따라, 어떤 시스템이 작동하고 있는지 알려주는 촉각 피드백이 필요하게 될 것이다. 햅틱 기술은 우리의 경험을 보다 만족스럽게 해줄 뿐만 아니라 시스템 사용자의 컨트롤을 개선하고 기능을 확장하고 안전을 강화하면서 제조사에게는 제품을 차별화할 수 있는 기회가 된다.
TI는 혁신적인 IC 기술 개발의 산업 선도자로서 다양한 애플리케이션에서 촉각 시뮬레이션을 접할 수 있는 고도로 집적된 사용하기 편리한 저전력 솔루션을 내놓고 있다. 전자공학의 미래가 어디로 향할지에 상관없이, TI의 햅틱 진화는 우리가 언제나 시스템에 닿아 있을 수 있도록 해줄 것이다.
보다 자세한 정보:
TI 햅틱 레퍼런스 디자인 : www.ti.com/corp-inn-innind-mc-lp2
TI 햅틱 웹사이트 : www.ti.com/corp-inn-innind-mc-tidesignss
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