This thesis develops a new model to analyze stability of a haptic interface interacting with a stiff virtual environment, and proposes that the human arm property be characterized by a Linear Time-Invariant 2nd order impedance model and a response model of the human reaction to a simulated force. This thesis suggests a nonlinear virtual coupling to adjust the human response for guaranteeing high performance while maintaining the system stability based on the analysis of the new model including the human arm characteristic. A new and general stability condition is derived and compared with a passivity condition and a linear virtual model theoretically and empirically.
Property of the stiff virtual wall dramatically changes around the wall surface. The force generated inside the wall is quite different from the force generated outside the wall. Since the human arm has a delay in corresponding with this variation, the human arm cannot keep up with this unexpected force variation. This leads to high frequency vibration at the wall surface. Many researches have focused more on the passivity concept than the stability itself to analyze these problems. This is because the human arm is quite nonlinear and time variant. This thesis divides the human arm property into a passive impedance term and an active response term.
This thesis compares the proposed stability condition with the passivity condition or linear model and verifies a superiority of the proposed condition and the nonlinear model through theoretical analysis, simulation, and experiments.
햅틱 인터페이스는 사람이 전체 시스템에 포함되기 때문에 시스템의 안정성이 중요하게 된다. 본 논문에서는 강성이 큰 가상환경과 상호 작용하는 햅틱 인터페이스의 안정도를 분석하기 위한 새로운 해석 모델을 제시하며 사람에게 전달 되어지는 강성을 최대화 시키면서 햅틱 인터페이스의 안정성을 보장하기 위해 비선형 가상 커플링의 디자인 방법을 제안한다.
큰 강성을 갖는 가상 환경은 가상 벽 경계 주위에서 동역학적 특성이 급변하는데 사람 팔은 고유한 응답 지연을 갖기 때문에 이 갑작스러운 변화에 대응하지 못하며 이는 가상 벽 주위에서 고주파의 진동현상을 발생시킨다. 본 논문은 이러한 현상을 이론적으로 해석하기 위해 사람 팔의 임피던스 특성 외에 햅틱 장치에서 전달되는 가상 반력에 대한 사람의 응답특성이 시스템에 미치는 영향을 분석하며 이를 고려한 확장된 사람 팔의 동적 모델을 제시한다. 새로운 모델에 대한 이론적 해석을 통해 사람의 응답을 자연스럽게 유도하는 비선형 가상 커플링을 제안하며 안정하게 전달될 수 있는 가상 커플링의 최대 임피던스 증가량을 규명하여 햅틱 인터페이스에 대한 일반적인 안정도 조건을 유도한다. 또한 실험과 시뮬레이션을 통해 제안된 모델과 이론에 대한 타당성을 검증한다.
본 논문에서 제안된 안정도 조건은 패시비티에 근거하지 않으며 비선형 모델에 대한 해석이라는 차별성이 있다. 본 논문에서 사용된 햅틱 장치의 경우, 결과적으로 패시비티가 제시하는 조건보다 약 2.8배, 비선형 모델을 사용하는 경우 약 7.6배까지 안정도 영역을 확장시켰다. 또한 커플링을 기준으로 디자인 되었으므로 가상 모델에 무관하며 단지 소프트웨어적인 추가만으로 어느 모델에서도 사용 가능한 장점이 있다.
