A teleoperator is a pair of robot manipulators connected in such a way as to allow operating the slave on a remote environment through the master. The most important issue for designing a teleoperator is to make the operator feel as if he/she directly interacts with the remote environment. To achieve this, there are several key technologies have to be solved. One of the important technologies that play an integral role is control. Even though there have been numerous researches, the study of increasing control performance while guaranteeing system stability in spite of highly variable human operator and environment dynamics is still an open problem.
In this dissertation, a novel energy-based method is proposed to ensure stable teleoperation under a wide variety of operating conditions with increase of conservatism even less. This control method is developed in a general framework since the issue that increasing the performance while guaranteeing stability with wide range of uncertainty sets, is not only confined to the control of teleoperator. This has been a common theoretical issue in control theories. In terms of energy flow, large classes of control systems are expressed from a network point of view. The condition for guaranteeing the stability of the presented network model is obtained based on the concept of passivity. For satisfying the obtained stability condition, a new control scheme that is based on the time-domain definition of passivity is proposed. We define a "Passivity Observer" (PO) which measures energy flow in and out of one or more subsystems in real-time software. Active behavior is indicated by a negative value of the PO at any time. We also define the "Passivity Controller" (PC), an adaptive dissipative element which, at each time sample, absorbs exactly the net energy output (if any) measured by the PO. The most powerful point of the PO/PC method is that it requires very little additional computation and does not require a dynamic model to be identified.
The developed PO/PC approach is implemented to ensure stable teleoperation. Implementation issues are studied, and the controller design procedure is introduced. To show the feasibility, the proposed scheme is tested with our 2-DOF master/slave teleoperator. Totally stable operation is achieved with minimal increase of conservatism without any model information.
The proposed scheme is also applied for controlling a haptic interface system to ensure stable contact under a wide variety of operating conditions. Different from teleoperation systems, the design scheme of the PO/PC is changed to a one-port approach. The developed method is tested with “Excalibur” haptic interface, and obtained excellent results.
As an additional contribution, the developed energy-based control scheme is applied to a motion control system to show the generality of the control scheme. Several key issues are studied for implementing the developed control scheme to a motion control system. The method is tested with numerical simulation of a flexible manipulator, and obtained sufficient control performance even with noncollocated control problems.
원격조종 시스템은 조이스틱 형태의 마스터 (master)를 사람이 조작하여, 원격지의 슬레이브 (slave)를 움직여 작업을 수행할 수 있도록 하나의 쌍으로 구성된 로봇 시스템을 말한다. 원격조종 시스템을 설계하는데 있어 가장 중요한 목적은, 작업자가 실제로 원격지에서 작업하는 것과 같은 느낌을 얼마나 잘 전달해 줄 수 있는가에 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 여러 가지 선행적으로 해결되어야 될 문제점들이 있다. 그 중에서도 제어 알고리즘은 시스템을 통합하는 데 매우 중요한 역할을 하는 부분이다. 극도로 비선형성이 강하고 그 변화의 폭이 큰 사람이나 작업환경과 같은 요소들이 시스템에 포함되는 원격조종 시스템의 경우에, 안정성을 보장하면서 동시에 제어성능을 향상시키는 제어방법에 대한 연구는 아직까지 상당히 어려운 문제로 남아있는 실정이다.
본 논문에서는, 원격조종 시스템과 같이 그 모델변화의 폭이 큰 시스템의 안정성을 보장하면서 동시에 보수성의 증가를 최소화할 수 있는 새로운 개념의 원격조종 제어 알고리즘을 제안하였다. 안정성을 보장하면서 보수성의 증가를 최소화하는 제어방법에 대한 연구는 비단 원격조종 시스템에만 국한되는 연구는 아니다. 이러한 문제는 일반적인 제어시스템에서 고전적으로 가지고 있던 문제점이었다. 본 논문에서는, 제안된 제어방법을 일반적인 시스템에도 적용할 수 있도록 제어기의 구성을 일반화 하였다. 일반적인 제어시스템을 에너지의 흐름 관점에서 네트웍 (Network) 모델로 표현하였고, 구성된 네트웍모델의 안정성을 보장하기 위한 조건을 수동성 (passivity) 아이디어에 기초하여 구하였다, 그리고, 구해진 안정성보장조건을 만족하기 위하여, 새로운 개념의 제어방법을 시간영역에서의 수동성의 정의에 기초해서 제안하였다. 본 논문에서는, 하나 또는 그 이상의 시스템들의 에너지의 입출력을 소프트웨어를 이용하여 실시간으로 계산할 수 있는 수동성 관측기 (Passivity Observer)를 제안하였으며, 또한, 매순간 수동성 관측기에서 관측되는 에너지의 입출력 정보를 바탕으로, 만약 시스템의 수동성이 깨지는 순간이 발생하면, 시스템의 수동성을 깨뜨리는 에너지를 정확히 그 양만큼 소실 (dissipate) 시킬 수 있는 적응 소산 요소인 (adaptive dissipation element) 수동성 제어기 (Passivity Controller)를 제안하였다. 제안된 수동성 관측기/제어기의 최대 장점은 시스템의 모델 정보를 전혀 필요로 하지 않으며 아주 적은 양의 추가적인 소프트웨어적 계산만을 필요로 할 뿐이라는 점이다.
본 논문에서 제안된 수동성 관측기/제어기는 안정한 원격조종 시스템을 구현하는데 사용되어졌다. 제안된 알고리즘을 원격조종 시스템에 구현하는데 필요한 문제점들에 대한 연구가 이루어졌으며, 제어기의 설계과정에 대해 자세히 소개되어졌다. 제안된 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여, 2자유도 마스터/슬레이브 원격조종 시스템을 이용한 제안된 알고리즘의 실험이 이루어졌으며, 결과적으로, 어떠한 모델정보를 사용하지 않고도 보수성을 최소화하며 안정한 원격조종을 구현할 수 있었다.
제안된 알고리즘은 또한, 원격조종 시스템의 특별한 경우라고 할 수 있는 햅틱 (haptic) 장치로 확장 적용되어졌다. 원격조종 시스템의 경우와는 다르게 햅틱 장치의 경우에는 수동성 관측기/제어기의 설계가 2포트 (port) 접근법에서 1포트 접근법으로 바뀌게 된다. 제안된 방법은 “Excalibur”라는 햅틱 장치에 적용되어 뛰어난 성능을 얻을 수 있었다.
제안된 방법의 또 하나의 기여로, 제안된 에너지 관점의 제어 방법은 일반적인 모션 제어에 적용되어 졌다. 모션제어에 적용되기 위한 몇 가지 중요한 문제점들에 대한 연구가 수행되어졌으며, 제안된 알고리즘은 유연 매니퓰레이터에 적용되어 만족한 만한 성능을 얻을 수 있었다.
