Tactile Display to Render Surface Roughness for Virtual Manufacturing Environment

가상제조환경에서 제품의 표면 거칠기 전달을 위한 촉각 디스플레이

Tactile Display to Render Surface Roughness for Virtual Manufacturing Environment

이동준¹, 박재형¹, 이원균^1,, 민병권¹ Dong-Jun Lee¹, Jae-Hyeong Park¹, Wonkyun Lee^1,, and Byung-Kwon Min¹

1 연세대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Yonsei University)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-2-2123-6611 Manuscript received: 2015.11.12. / Revised: 2015.12.23. / Accepted: 2015.12.24.

In smart factories, the entire manufacturing process from design to the final product is simulated in a virtual manufacturing environment and optimized before starting production. Suppliers and customers make decisions based on the simulation results. Therefore, effective rendering of the information of the virtual products to suppliers and customers is essential for this manufacturing paradigm. In this study, a method of rendering the surface roughness of the virtual products using a tactile display is presented. A tactile display device comprising a 3 x 3 array of individually controlled piezoelectric stack actuators is constructed. The surface topology of the virtual products is rendered directly by controlling the piezoelectric stack actuators. A series of experiments is performed to evaluate the performance of the tactile display device. An electrical discharge machined surface is rendered using the proposed method.

KEYWORDS: Smart factory (스마트 공장), Virtual manufacturing system (가상생산시스템), Haptic (햅틱), Electrical discharge machining (방전가공), Tactile feedback (촉감 피드백)

1. 서론

스마트 공장은 가상제조환경을 이용하여 제품 의 제조 공정을 시뮬레이션하고, 이를 이용하여 생산시스템을 제어함으로써 생산 효율을 향상시킨 다.¹ 이 때 가상제조환경에서 제품의 품질정보를 정확히 시뮬레이션하고, 이를 공급자 또는 소비자 에게 효과적으로 전달하는 것은 공정 설계를 위해 중요한 과정이다.² 이를 위해 절삭가공, 방전가공 등 제품 생산에 사용되는 다양한 공정의 모델을

바탕으로 생산될 제품의 표면형상을 시뮬레이션 하기 위한 다양한 연구가 이루어졌다.^3,4

Imani et al.은 볼엔드밀을 이용한 밀링가공 시 공구의 형상과 가공조건 등을 고려하여 가공표면 의 형상과 거칠기를 예측하였으며,⁵ Lee et al.은 가 공 중 절삭력에 의해 공구에 발생하는 진동을 고 려하여 가공표면의 형상을 예측하였다.⁶ Heo et al.은 미세방전가공 시 공구와 재료 사이에서의 방전 발 생을 기하학적으로 모델링하고, 이를 기반으로 가 공물의 표면 형상과 공구의 마모를 예측하였다.⁷ __________

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하지만 제품의 형상을 시각적 정보만을 이용하여 전달하는 현재의 방법으로는 사용자에게 최종 제 품의 표면 거칠기 등 구체적인 정보를 전달하기 어렵다.⁸

따라서, 본 연구에서는 촉각 디스플레이를 이 용하여 가상제조환경에서 제품의 표면 거칠기를 사용자에게 전달하는 방법을 제안하였다. 9개의 초 소형 적층형 압전 구동기를 3×3으로 배열한 촉각 디스플레이 장치를 제작하고, 제품의 표면 정보를 이용하여 각각의 압전 구동기의 변위를 독립적으 로 제어함으로써 제품의 표면 거칠기를 전달하였 다. 2장에서는 기존의 촉각 디스플레이 장치의 장 단점을 분석하고, 본 연구에서 제작한 촉각 디스 플레이 장치의 하드웨어, 제어기 구성 및 표면 거 칠기 전달 과정에 대해 자세히 설명하였다. 3장에 서는 제작한 장치의 구동성능을 측정하고, 다양한 종류의 사포를 이용한 판별실험을 통해 제안한 방 법이 다양한 표면 거칠기의 전달에 적합함을 검증 하였다. 가상제조환경에서 제품의 표면 거칠기를 전달하기 위해 방전가공을 이용하여 가공된 표면 의 거칠기를 표현하였다.

2. 촉각 디스플레이 장치

손가락의 촉각을 이용해 표면 거칠기를 전달하 는 촉각 디스플레이는 구동기를 진동시키며 주파 수를 제어하여 사용자에게 진동을 전달하는 방법 과 구동기의 변위를 정밀하게 제어하여 표면의 형 상을 전달하는 방법으로 구분된다.

진동 전달 방식의 촉각 디스플레이 장치에서는 손가락의 감각수용체가 민감하게 반응하는 주파수 영역의 진동을 발생시켜 표면 거칠기를 전달한 다.^9,10 Yang et al.은 진동 발생에 적합한 바이모프형 압전 구동기를 배열하고 그 선단에 핀을 설치하여 각 압전 구동기의 진동을 제어함으로써 손가락에 진동을 전달하는 촉각 디스플레이 장치를 제안하 였다.¹¹ 이는 특정한 공간주파수의 조합으로 구성 되는 표면의 거칠기를 효과적으로 전달할 수 있지 만, 다양한 공간주파수와 진폭을 갖는 실제 제품 의 경우 표면 거칠기의 전달 효과가 감소한다.¹²

표면의 형상을 전달하는 방식의 촉각 디스플레 이 장치에서는 정밀 고속 위치제어가 가능한 구동 기를 이용하여 물체의 표면 형상을 그대로 표현함 으로써 다양한 표면의 거칠기를 전달한다.¹³ Okamoto et al.은 적층형 압전 구동기를 이용하여

표면 형상을 그대로 표현하는 촉각 디스플레이 장 치를 제안하였다.¹⁴ 적층형 압전 구동기는 바이모 프형 압전 구동기에 비해 큰 힘을 발생시킬 수 있 으며, 변위의 정밀 제어가 가능하여 표면의 형상 을 그대로 전달할 수 있지만¹⁵ 기존의 연구에서는 하나의 압전 구동기만을 이용하므로 표면 거칠기 를 손가락에 정교하게 전달하기 어렵다.

본 연구에서는 기존 장치의 단점을 보완하여 적층형 압전 구동기를 3×3으로 배열한 촉각 디스 플레이 장치를 제작하였다. 9개의 압전 구동기의 변위를 독립적으로 제어하여 손가락에 제품의 표 면 형상을 그대로 구현하므로 기존의 방법에 비해 보다 정교하게 표면 거칠기를 전달할 수 있다.

Fig. 1은 본 연구에서 제안하는 촉각 디스플레 이 장치의 구성이다. 구동기 유닛(Actuator unit)은 2

×3×18 mm 크기의 적층형 압전 구동기(Piezoelectric stack actuator), 변위를 손가락에 전달하기 위한 핀 (Pin), 예압 스프링(Preload spring)으로 구성된다. 적 층형 압전 구동기는 밑판(Base plate)에 고정되며, 핀이 관통하는 예압 판(Preload plate)을 이용하여 예압 스프링에 압력을 인가한다. 손가락 접촉 시 이질감을 느끼지 않도록 핀의 끝과 접촉 판 (Contact plate)의 높이 차이가 나지 않게 설계하였 으며, 구동기 유닛에 전단력이 인가되지 않도록 베이스와 예압 판, 접촉 판을 동시에 체결하였다.

각 구동기 유닛 사이의 간격은 사람이 촉각을 통 해 두 점을 인식할 수 있는 최소거리인 two-point threshold를 고려하여 2 mm로 설계하였다.^16,17 적층 형 압전 구동기와 예압 스프링을 제외한 촉각 디 스플레이 장치의 모든 부품은 3D 프린터를 이용하 Fig. 1 Composition of the proposed tactile display device

여 제작하였다.

Fig. 2는 제작된 촉각 디스플레이 장치의 사진 이다. 각각의 적층형 압전 구동기는 DAQ (NI9264, National Instrument)에서 출력되는 0 - 0.9 V의 전압 을 증폭기(DRV8662, Texas Instrument)를 이용하여 0 - 90 V로 증폭하여 제어하였다. 표면을 문지르며 질감을 체감하는 실제 표면인식 과정을 구현하기 위해 사용자가 직접 위치를 제어할 수 있도록 제 작한 장치를 직선이송가이드(Linear motion guide) 위 에 설치하였다. 손가락의 위치를 실시간으로 측정하 기 위하여 분해능 0.1 µm의 리니어스케일(Linear scale)을 직선이송가이드와 평행하게 설치하고, DAQ 를 이용하여 리니어스케일의 위치를 측정하였다.

Fig. 3은 제작한 촉각 디스플레이 장치를 이용 한 표면 거칠기 전달 과정이다. 가공 시뮬레이션 을 통해 가상 제품의 표면을 예측한 후 이를 Z- map 형태로 저장한다. 리니어스케일에서 측정한

위치를 바탕으로 9개 구동기 유닛의 핀에 해당하 는 영역의 값들을 추출하고, 보간을 통해 각 구동 기 유닛의 목표 변위를 계산한다. 목표 변위로부 터 구동기 유닛을 제어하기 위한 신호를 생성하여 증폭기로 전달한다. 전체 과정은 LabVIEW (National Instrument)를 이용하여 구현하였다.

3. 실험 및 분석 3.1 구동성능 측정

Fig. 4는 제작한 촉각 디스플레이 장치의 구동 기 유닛의 구동성능을 측정하기 위한 실험 구성이 다. 금속판을 부착할 수 있는 핀을 제작하고, 최대 측정범위 2 mm, 분해능 40 nm의 정전용량 센서 (CPL190, Lion)를 이용하여 구동기 유닛의 변위를 측정하였다. 실험을 통해 각 구동기 유닛의 최대 변위는 18 µm 이며, 손가락이 인식할 수 있는 주 파수 영역인 40 - 250 Hz에서 최대변위로 제어됨을 확인하였다.

3.2 표면 거칠기 전달 성능 검증

제안한 방법이 다양한 표면 거칠기의 전달에 적합함을 검증하기 위해 촉감에 문제가 없는 피실 험자 13명을 대상으로 다양한 거칠기의 사포를 이 용한 표면 거칠기 판별실험을 수행하였다. 백색광 간섭계 (NewView 6300, Zygo)를 이용하여 네 종류 의 사포의 표면을 측정하고 촉각 디스플레이 장치 를 이용하여 이를 전달하였다. 각각의 사포를 입 자 지름에 따라 S1 (400 µm), S2 (600 µm), S3 (1500 µm), S4 (2000 µm)로 명명하였고, 피실험자들에게

Amplifier circuit DAQ

Linear scale

Linear motion guide Tactile display device

Fig. 2 Photograph of the tactile display device

Fig. 3 Algorithm of surface roughness rendering using proposed textile display device

Fig. 4 Experimental setup to measure the displacement of the actuator unit

각 사포의 표면 거칠기를 인지할 수 있도록 충분 한 시간을 주었다. 실험은 총 두 단계로 구성된다.

첫 번째 단계에서는, Fig. 5(a)와 같이 피실험자들이 눈을 감은 채 임의의 사포를 체감한 후, 표면 거 칠기가 가장 유사한 사포를 선택하게 하였고, 그 결과를 기록하였다. 이 실험은 각 종류에 대해 두 번씩 수행하였다. 두 번째 단계에서는, Fig. 5(b)와 같이 피실험자들이 눈을 감은 채 촉각 디스플레이 장치를 이용하여 전달된 가상의 사포를 체감하게 하였다. 촉각 디스플레이 장치를 통해 모사한 거 칠기와 가장 유사한 사포의 숫자를 선택하게 하였 고, 그 결과를 기록하였다. 이 실험 역시 각 종류 에 대해 두 번씩 수행하였다.

Table 1은 실제 사포를 사용한 첫 번째 단계에 서의 표면 거칠기 정답률과 촉각 디스플레이 장치 를 이용한 두 번째 단계에서의 표면 거칠기 정답 률이다. T-검정을 통해 두 정답률의 유사성을 분석 한 결과 각 사포 별 p-value는 0.7865, 0.4717, 0.3346, 0.0647로, 모두 0.05 이상임을 확인하였다.

이는 실제 사포와 촉각 디스플레이 장치로 전달된 가상 표면의 거칠기 사이의 유의차가 없으며 제작 한 촉각 디스플레이 장치를 이용하여 실제 표면의 거칠기를 전달할 수 있음을 의미한다.^18,19

3.3 방전가공된 표면의 거칠기 전달

본 연구는 가상가공의 예로서 방전가공을 사용 하였다. 기존의 연구를 통해 방전가공된 표면의 거칠기를 높은 정밀도로 예측할 수 있음을 제시한 바 있다.⁸ 제안한 방법을 이용한 가상가공된 표면 의 거칠기 전달 가능성을 실험하기 위해 실제 방 전가공된 표면의 거칠기를 전달하였다. 서로 다른 조건에서 방전가공된 두 개의 표면의 거칠기를 제 안한 방법을 이용하여 전달하고 실제 표면과 비교 하였다.

상용 방전가공기를 이용하여 알루미늄 표면에 서로 다른 가공조건으로 지름 20 mm의 원형 포켓 을 가공하였다. Fig. 6은 검증실험을 위해 제작된 방전가공 표면과 백색광 간섭계를 이용한 측정 결 과이다. 표면 1의 거칠기(Ra)는 0.787 µm이며 표면 2의 거칠기(Ra)는 2.092 µm이다.

이 실험에는 총 12명의 피실험자가 참여하였다.

먼저 피실험자들에게 충분한 시간을 주어 두 표면 의 느낌을 인지할 수 있도록 하였다. 피실험자들 은 눈을 감은 채 촉각 디스플레이 장치를 이용하 여 전달된 가상의 표면을 체감하고, 이와 유사한 표면을 선택하였다. 피실험자의 정답률은 표면 1 과 2에서 각각 89.6 %와 80.7 %였다.

(a) Recognition of the real surface

(b) Recognition of the virtual surface rendered by tactile display device

Fig. 5 Experimental evaluation

Table 1 Correction rate of the surface recognition test using sandpaper

S1 S2 S3 S4 Sandpaper 19/26 19/26 14/26 19/26 Tactile display 18/26 16/26 10/26 14/26

(a) Surface 1 (R_a = 0.787 µm)

(b) Surface 2 (Ra = 2.092 µm) Fig. 6 Electrical discharge machined surface

4. 결론

본 논문에서는 촉각 디스플레이 장치를 이용하 여 가상제조환경에서 제품의 표면 거칠기를 전달 하는 방법을 제안하였다. 9개의 초소형 적층형 압 전 구동기를 3×3으로 배열한 촉각 디스플레이 장 치를 제작하고, 표면 정보를 바탕으로 각각의 구 동기를 제어하여 표면 형상을 전달하였다. 다양한 종류의 사포를 이용한 판별실험을 통해 제안한 방 법이 표면 거칠기 전달에 적합함을 검증하였고, 가상 제품의 예로 방전가공을 이용하여 가공된 표 면의 거칠기를 전달하였다.

후 기

이 연구는 한국기계연구원 주요사업 ‘기계장비 정밀도 시뮬레이션 플랫폼 기술 개발’의 지원을 받아 수행되었다.

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