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영어

This paper presents how human impedance, modeled as a mass-spring-damper model, influences the stability region of virtual objects modeled with a spring and a damper through simulations. We show that increases in human mass lead to proportional increases in the maximum available virtual stiffness, the peak stiffness value, and the maximum virtual damping. Using these relationships, we propose an analytic method to estimate the stability region of virtual objects without simulations. For human models characterized by low damping and stiffness, the estimated stability region deviates by less than 1% from the simulation results. However, for wrist models with relatively high damping and stiffness, most estimates fall within roughly 10% of simulation results. Additionally, human damping below 1 produces little change in the stability region, while values above 1 expand it proportionally. In contrast, simulation results indicate that human stiffness has minimal impact on the stability region across its range. Overall, variations in human mass are shown to have the most significant impact on stability, and the proposed estimation method enables the implementation of stable and highly realistic virtual rigid-body models.

한국어

본 논문에서는 질량-스프링-댐퍼로 구성된 인간의 임피던스가 가상 스프링과 댐퍼로 모델화된 가상 물체의 안정성 영역에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해 분석한다. 시뮬레이션 결과를 통해 인간의 임피던스 중 하나인 질량의 크기가 커지는 양에 비례하여 가상 스프링의 최대값, 가상 스프링의 극대값, 가상 댐핑 최대값 등이 커짐을 알 수 있다. 이런 정비례 상관관계를 이용하여 시뮬레이션을 하지 않고 가상 물체의 안정성 영역을 추정하는 방법을 제안한다. 작은 댐핑과 강성을 갖는 인간 모델에 대해서 추정된 안정성 영역은 시뮬레이션 결과의 1%미만의 오차로 추정된다. 반면 비교적 큰 댐핑과 강성을 갖는 손목 모델에 대해서, 시뮬레이션 결과와 비교하면 거의 대부분의 영역에서 추정오차가 10%이내 임을 알 수 있다. 그리고 인간의 임피던스와 햅틱 장치의 댐핑 합의 크기가 1 이하인 경우에는 댐핑이 안정성 영역에 거의 영향을 주지 않지만, 댐핑의 크기가 1 이상일 때에는 안정성 영역이 댐핑 값의 증가에 따라 비례하여 증가함을 보인다. 반면에 인간의 임피던스 중 강성은 그 크기가 비교적 크게 변하더라도 가상 물체의 안정성 영역에 미치는 영향이 거의 없다. 사용자 임피던스 중에서 질량 크기 변화가 가상스프링-댐퍼의 안정성 영역에 가장 큰 영향을 주며, 안정성영역 추정법 덕분에 안정적이고 현실감높은 가상강체 모델이 손쉽게 구현될 수 있다.

저자

• 이경노 [ Kyungno Lee ]

참고문헌

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• 간행물명

  The Journal of the Convergence on Culture Technology (JCCT) [문화기술의 융합]

• 간기

  격월간

• pISSN

  2384-0358

• eISSN

  2384-0366

• 수록기간

  2015~2026

• 등재여부

  KCI 등재

• 십진분류

  KDC 600 DDC 700