Haptic interfaces are the devices that provide the operator useful haptic or kinesthetic information in teleoperation tasks and virtual reality applications. The objective of this dissertation is to design a compact six degree-of-freedom haptic device having relatively large workspace and isotropic force-reflecting capability, to develop a force feedback control system that can adequately compensate for mechanical deficiencies at some acceptable level, and to evaluate its performance through the extensive experiments.
Design goal of the haptic interface is to develop a compact device that can provide large workspace and good force-reflecting capability. The proposed design employs a six degree-of-freedom parallel mechanism which is composed of three sets of five-bar link mechanism. Each link set is driven by a couple of rotary actuators. The time consuming forward kinematics has been improved to be calculated in real-time using three pin-joint sensors in addition to six actuator position sensors. The force transformation matrix is derived form the relationship between actuator torques and output forces/moments. The workspace volume is one of the important performance measures since it can limit application area of the haptic interface. The numerical results of the effects of the design parameters and constraints are provided as three-dimensional plots and cross-sections of the most interesting workspace. Design of a haptic interface is also required to ensure uniform force controllability everywhere in the specified workspace. The uniform force controllability can be expressed with a condition number of the force transformation matrix. Since the force transformation matrix consists of elements having two different dimensions of force and moment, the condition number is evaluated by dealing with the output forces and the output moments separately. Moreover, to obtain a measure of the global behavior of the device's condition number, the global dexterity indices for each condition number are defined. Using global dexterity indices and a workspace volume, the five-bar paralleI device is optimized and its results are evaluated with respect to the output force/moment capability. The optimum design has significantly isotropic characteristics, exhibits high output force/moment capability, and makes the compact design possible.
The haptic interface needs to appear to the operator as transparent as possible. In reality, forces felt by the operator differ from the computed ones owing to several factors such as system noise, as well as friction and inertia in the interface mechanism. To reduce such effects and improve control accuracy, the interface needs close-loop force control incorporating with a force sensor. Even though the force feedback control can partially mask the inertial and friction of the haptic device up to a certain level, a fundamental performance limitation exists due to stability issues. As a compensation method for minimizing the effects such as friction and inertia, the feedforward friction compensator and the disturbance observer in the Cartesian space are included in the force feedback control loop. The proposed control strategies are implemented to the two degree-of-freedom five-bar haptic device, and their performances are evaluated through the experiments. In the first experiment, the haptic device is considered as a force controlled robot, and the performances of the device itself are evaluated through frequency and force step response. The first resonance frequency of the haptic device limits its dynamic range of haptic interface is measured, and the control performances with steady state error and decoupling characteristics are evaluated. The second experiment is conducted to measure how well the impedance fidelity could be achieved for various control strategies. The third experiments were conducted to compare the performances of the control strategies on discontinuity perception. From these experiments, the achievable impedance range that avoids destabilizing oscillation has been investigated
햅틱인터페이스 (haptic interface)는 원격조종 (teleoperation) 및 가상현실 (virtual reality) 응용 분야에서 촉감 이나 근운동 감각 등의 유용한 정보를 작업자에게 제공하는 기구이다. 본 논문의 목적은 상대적으로 큰 작업공간과 방향에 따른 균일한 힘반사 (force-reflecting) 성능을 갖는 작고 간결한 구조의 6자유도 햅틱 인터페이스 기구를 설계하며, 기구가 가지고 있는 결함을 보상하기 위한 힘 궤환 제어 (force feedback control) 알고리즘을 제안하고 이를 적용한 햅틱 시스템의 성능을 폭 넓은 실험을 통하여 평가하기 위한 것이다.
햅틱 인터페이스 설계 목표은 큰 작업공간과 힘반사 기능이 우수한 작고 간결한 기구를 개발하는 것이다. 햅틱 인터페이스의 기구 구조로 회전형 구동장치로 구동되는 3조의 five-bar 링크 기구로 구성된 6자유도 병렬기구를 선정하였으며, 이에 대한 기구학 및 입출력 힘변환 관계가 해석되었다. 병렬기구의 순기구학 계산은 비선형성 및 다중해로 인하여 많은 계산시간이 소요되므로, 핀 조인트에 3개의 여분의 위치센서를 설치하여 실시간으로 계산이 가능하도룩 하였다. 구동장치 입력과 힘/모멘트 출력의 관계로부터 힘 변환 행렬울 유도하였다. 작업공간은 햅틱 인터페이스의 적용분야를 제한할 수 있는 중요한 성능지수 중의 하나이다. 작업공간 해석은 역기구학을 이용하여 해석되었으며, 설계인자와 구속조건을 고려한 수치해석 결과는 3차원 그립과 중요한 부분의 작업공간 단면적으로 표현하였다. 또한, 햅틱인터페이스는 작업공간의 모든 곳에서 균일한 힘 제어능력을 보장할 수 있어야 하며, 이러한 성능지수는 힘 변환 행렬의 조건수 (condition number)를 사용하여 평가하였다. 힘 변환 행렬은 힘과 모멘트의 서로 다른 차원의 요소들로 구성되어 있으므로, 힘 변환 행렬을 힘과 모멘트 성분으로 분리한 후 각각의 변환 행렬에 대한 조건수를 평가하였다. 또한, 기구에 대한 조건수의 포괄적 거동을 위한 성능 지수를 얻기 위해, 각 조건수에 대한 전역성능지수 (global dexterity index)를 정의하였다. 전역성능지수와 작업공간을 사용하여 five-bar 병렬 기구를 최적화 하고, 그 결과는 힘/모멘트 출력 특성을 비교하여 평가하였다. 최적화된 설계는 출력 힘/모멘트의 등방성이 뛰어나며, 높은 힘/모멘트 출력특성을 가지므로, 작고 간결한 기구 설계를 가능하게 한다. 햅틱 인터페이스는 작업자에게 가능한 한 현실감(transparence)이 있도룩 작동하여야 한다. 그러나, 작업자가 실제로 느끼는 힘은 시스템 노이즈나 인터페이스 기구의 마찰력과 관성 등의 요인들로 인하여 계산된 입력 값과 다르게 나타난다. 이러한 결함요인에 의한 효과를 감소시키고 제어 성능을 향상시키기 위해서는, 햅틱 인터페이스에 힘 센서를 사용한 힘 궤환 제어 (forcefeedback control)가 요구된다. 그러나, 힘 궤환 제어는 햅틱 기구의 관성과 마찰력을 부분적으로 감소시킬 수 있으나, 안정성 문제로 인한 근본적인 한계를 보인다. 마찰력과 관성 등의 영향을 줄이기 위한 보다 효과적인 방법으로 마찰 보상기와 직교작업공간에서 설계한 외란 보상기를 힘 궤환 제어에 포함시켰다. 제안된 제어 구조는 2 자유도 five-bar 햅틱 인터페이스에 적용한 후 실험을 통하여 그 성능을 평가하였다. 첫 번째 실험에서는 햅틱 기구를 힘제어 로봇으로 보고, 주파수 반응과 힘 스텝응답을 통하여 그에 대한 성능 평가를 하였다. 햅틱 인터페이스의 동역학적 범위를 제한하는 첫번째 공진 주파수를 측정하고, 정상상태 오차와 coupling 에 의한 오차의 항으로 제어 성능을 평가하였다. 두 번째 실험은 제안된 제어 구조에 대하여 임피던스(impedance) 신뢰도를 측정하기 위하여 수행되었다. 세 번째 실험에서는 불연속면을 인지하는 능력에 제어 구조의 성능을 비교하기 위하여 수행하였다.또한, 상기 실험들로부터 불안정한 진동없이 얻어질 수 있는 임피던스 범위를 고찰하였다.
