While the perspectives on totally autonomous robots stagnates afar, teleoperation presents a more practical alternative for performing various manipulation tasks in hostile environments. Since telerobotic systems actively adopts human intervention in the essential parts of control and decision making loop, human operator is often burdened with multitude of decision makings in a pressed time. A significant portion of such decision makings attributes to the kinematic reasoning of the slave robot‘s environment, and very powerful aids must be provided to enhance operator‘s transparency to the kinematic complexity. In this regard, the presented work addresses on the extension of manipulator’s workspace analysis techniques to perform such kinematic reasoning in aid of fundamental stages of teleoperation, specifically in the placement of robot base and subsequent manipulation.
Using a mobile telemanipulator, the first responsibility of the operator is to adequately place the mobile base so that the manipulator has full access to the specified task trajectories. Such a decision making is difficult because the shape and topology of the workspace varies widely in the presence of obstacles. Thus, off-line methods are developed for generating the optimal base locations in regard to various task capabilities. In all of the methods, the various free workspaces and task trajectories are coded into octree to facilitate enumeration of task capabilities. Subsequently the base locationing problems are formulated into direct optimization processes. For the task of tracking continuous paths, two different methods are presented. One method implements the topological characterization of configuration free space, and it can provide clear visualization of the task capability of workspace. Another method adopts the identification of trajectory feasibility in operation space, and is computationally more efficient. Also, for the tasks consisting of PTP motions, a novel method is presented which implements the path connectivity analysis on discrete task points according to four different connectivity characteristics. Furthermore, a method for finding multiple discrete sequence of base locations is presented to deal with the case when the task is given as a long trajectory. In this method, the problem is formulated into a serial multistage decision making system, which can efficiently be solved by a dynamic programming technique.
Once the robot is placed at a task capable location, the next responsibility of the operator is to guide the slave manipulator‘s end effector to perform dexterous tasks. However, when a kinematically dissimilar master-slave system is used, it is possible that the operator may guide the slave’s end effector into unreachable regions due to the mismatch of workspace between the master and slave manipulators. Since it is difficult for the human operator to visualize the workspace boundaries of the slave manipulator, the second part of the thesis presents an on-line path modification strategy that effectively transforms such erroneous motion commands to into physically realizable slave actuation command. Such a path modification is naturally accomplished in joint angle space by expressing the robot joint angles in complex numbers and subsequently mapping them into real numbered joint angles. To improve the performance of the workspace mapping scheme, further considerations are given to joint limits and motion continuity.
원자력 시설과 같이 인간이 접근하기 어려운 극한환경에서의 작업을 위해서는 원격조작 로봇이 널리 사용되고 있다. 원격 조작형 로봇 시스템에서는 사람이 원거리의 작업상황을 원격 전시된 영상을 통해서 감시하면서, 작업 상황을 판단하고, 이에 따라 입력기구를 조작하므로써 작업장의 슬레이브 매니퓰레이터를 간접적으로 구동하여 주어진 작업을 수행하게된다. 이 경우 사람은 제한된 시간 내에 작업 수행에 관련된 많은 판단을 동시에 내려야 하므로 작업의 효율성 및 신뢰성이 크게 떨어지게된다. 따라서, 성공적인 원격조작 시스템의 운용을 위해서는 작업의 계획과 매니퓨레이터의 조작과 관련하여 사람이 직관적으로 판단하기 어려운 계산을 컴퓨터가 대신해주는 역할 분담 기능이 필수적으로 요구된다. 따라서 본 연구에서는 원격조작시 사람의 판단을 필요로하는 사항을 줄여주기 위하여, 인간이 직관적으로 판단하기 어려운 로봇의 기구학적인 구조와 장애물과의 연관 관계를 작업영역의 범위 및 특성에 기인하여 규명하고, 그 결과를 원격조작 작업의 계획과 원격 로봇의 조작에 응용하였다.
원격조작시 우선되는 과제는 로봇을 장애물 환경하에 적절히 배치하여, 로봇이 장애물에 충돌하지 않고 주어진 작업 경로를 추종할 수 있도록 하여야 한다. 이를 위해서 본 논문에서는 로봇의 관절 공간 및 작업 공간을 8진 트리 구조의 데이타베이스로 저장하고 이들사이의 집합연산을 수행하므로써 장애물 환경 내에서 작업공간의 여러가지 작업 수행특성을 정량화 할 수 있도록 하였다. 그 결과를 직접 탐색 방식의 최적화 기법에 도입하여 연속궤적을 추종하는 작업과 단속적인 작업에 대하여 작업 수행이 가능한 로봇의 최적 위치를 자동으로 선정하는 알고리즘을 개발하였다. 또한 매우 긴 작업 궤적이나, 장애물이 매우 조밀하게 배치된 경우를 위하여 다수의 로봇 위치를 선정하는 방법론을 최적 의사결정 방법을 도입하여 구현하였다.
로봇을 작업 가능한 영역에 배치한 후에 인간 조작자는 매스터 입력기구를 이용하여 슬레이브 로봇을 구동하게되는데, 이때 발생하는 문제가 작업영역의 불일치 문제이다. 즉, 주종 로봇 간의 각업영역이 달라서 사람이 지정한 위치 지령이 슬레이브 로봇이 추종할 수 없는 지역에 속할 수가 있게된다. 이러한 문제를 효과적으로 해결하기 위해서, 로봇의 역기구학 해를 복소수 공간에서 구하고, 이를 실수값의 관절각으로 변환하므로써 상기의 문제를 실시간으로 해결할 수 있는 방법을 제시하였다. 이를 위하여 직.병렬 방식의 실수부 변환 방식과, 관절 한계 변환 방식을 제안하고, 특성을 평가하였다. 또한 이상과 같은 작업 영역 변환시 발생하는 동작의 불연속성 문제를 해결하기 위한 연속 변환 방법도 개발하였다.
