가상현실 7. 고유감각이 무엇인가

역감(고유 감각)

고유감각이 무엇인가? 시각·청각·촉각과 같이 외부에서 오는 감각이 아니라, 근육·관절·전정기관과 같은 내부에서 오는 감각이다. 고유 감각의 요소는 다음과 같다.

(1) 운동감(Kinesthetic sense) 몸을 움직이는 감각이다. 팔을 굽힐 때 느끼는 힘, 무게감, 저항감 등이다.

(2) 전정감각(Vestibular sence) 귀의 전정기관이 머리의 기울기, 가속도를 감지하여 ‘균형을 잡는’ 감각이다.

(3) 근육·관절 감각 근육과 관절이 얼마나 굽혔다 펴지는지를 알려준다.

우리가 자세를 취하는 것은 Efference와 Afference의 싸이클로 자세를 계속 수정해나가는 과정이다. 그리고 무의식적으로 자세 안정성에 고유 감각을 사용한다. 근육을 움직이라는 Efference 명령을 내리고 싶다. Efferent Copy를 만들어 예측하고 동작을 수행한다. 그리고 Afference가 들어와 예측한 감각 결과가 맞는지 체크한다.

고유 감각은 어떻게 느낄까?

감각 수용체가 근육의 변형·장력·가속도 변화를 전기 신호로 변환한다. 이것이 척수를 통해 대뇌로 전달된다.

고유 감각을 어떻게 Simulation할까?

사용자에 신체에 역감kinesthetic과 촉각tactile을 Force Display 장치로 제공해야 한다. Force Display 장치란, 사용자의 움직임에 따라 반대 방향의 힘을 제공해 실제로 힘을 주고 받는 느낌을 재현하는 장치다.

최소 매 1ms마다 힘/위치를 계산해야 한다. 첫 피드백 딜레이는 100ms~150ms정도 까지는 괜찮다. 그러나 연속 자극은 1kHz 속도로 제공해야 한다. 이 지연이 크다면 몰입도와 균형감이 깨진다.

어떻게 가능할까? Haptic과 유사하다. 사용자의 움직임을 인지하고, 물체의 무게를 계산한다. 그리고 Force Display 장치로 근육의 움직임을 제한한다. 이것이 Force Rendering 과정이다.

Force Display 장치로는 다음과 같다.

(1) Exoskeleton 관절에 로봇 구조를 부착하여 관절 운동을 제한하거나, 움직임을 유도하여 힘을 경험하게 하는 방법이다.

(2) End-Effector Device 손끝, 펜, 조이스틱 등 말단에 힘이나 토크를 가한다.

(3) Impedance Device 저항을 주는 장치다. 사용자의 위치, 속도를 입력받는다.

(4) Admittance Device 특정한 위치나 속도를 가지도록 유도하는 장치다. 사용자의 힘을 입력받는다.

(5) 6 Degrees of Freedom 3축 이동 + 3축 회전, 완전한 3D 힘 피드백을 제공한다. 1 Dof는 앞뒤 혹은 좌우로만 움직인다. 2Dof는 평면 위에서 움직인다. 3Dof는 공간 전체를 움직인다. 6Dof는 공간 전체 + 자유롭게 회전까지 가능한 자유도를 갖는다.

운동감

운동감vestibular은 몸의 움직임, 위치, 균형을 감지하는 감각이다. 전정 기관vestibular system은 inner ear에 위치하며, 몸의 균형와 움직임을 감지한다. 전정기관은 두가지 기관이 존재한다.

• 이석기관otolith organs은 머리의 직선 가속도(앞뒤, 위아래 움직임)과 중력 방향을 감지한다.
• 반고리관semicircular canals은 머리의 회전 운동(각가속도, 각속도)을 감지한다.

두 기관에서 감지한 신호는 전정신경nerve를 통해 뇌로 전달된다.

균형을 어떻게 잡는가?

균형은 하나의 감각으로만 잡는게 아니다. 전장기관의 감각 및 시각, 고유감각과 연계되어 균형감을 잡을 수 있다.

운동감을 어떻게 Simulation할까?

사용자의 몸에 실제 가속도, 회전 자극을 가해 전정기관이 실제 움직임을 경험하는 것처럼 만들어야 한다. 이를 Vestibular Display라고 하고, 대표적으로 모션 플랫폼, 움직이는 의자 등이 있다.

시각 정보와 동기화가 잘 될경우 멀미(Motion Sickness)가 없다. 그렇지 않은 경우 Simulator Sickness가 존재한다.

결국 Vestibular Rendering을 위해서 물리적 시뮬레이션이 필요하다. 가상 환경의 움직임을 실제 플랫폼의 움직임으로 변환하는 Physices Engine이 필요하다.

계산을 위해 필요한 파라미터는 기하학적 특성과 물리적 특성과 중력 정보가 필요하다.

• 기하학적 특성: 플랫폼의 크기, 형태, 회전축 등.
• 물리적 특성: 질량, 마찰, 관성, 감쇠 변수.
• 중력: 현재 사용자가 느끼는 중력의 방향

어떻게 계산하는가? 먼저 상하좌우의 가속도를 계산해 움직인다. 이는 Otolith Organs를 자극하는 것과 같다. 그리고 회전 가속도를 계산해 움직인다. 이는 반고리관을 자극하는 것과 같다. 그리고 가상 환경에서 충돌하면 자세 변화를 시뮬레이션 하여 플랫폼에서 사용자에게 힘을 가해야 한다. (Force Generation)

한계점이 무엇인가? 물리 시뮬레이션의 연상량이 높다. 그렇다고 연산량을 줄이기 위해 근사하면 실제 움직임과 불일치하여 몰입감이 떨어질 수 있다. 그리고 Primitive Hardware는 크고 무겁다. 그리고 가상 시뮬레이터 사용 후 전정기관의 운동감이 적응하고 현실로 돌아오는데 후유증이 있다. (After Effects)