This thesis deals with causality of bilateral teleoperation systems. By performing the causality analysis, physical behaviors of teleoperation systems are well explained, and the analysis enables improvement in stability and transparency of bilateral teleoperation. Furthermore, control strategies for real teleoperation tasks are proposed based on the causality.
By causality, we mean dependency relationship; which is independent (cause) and which is dependent (effect). Causality is one of the physical characteristics of physical systems which involve energy interaction. Causality has been considered important for correct modeling, identification of system failure, and proper controller design. However, unfortunately, there are few works which consider causality of teleoperation systems where stability and transparency have been major issues.
A teleoperation system consists of a human operator, master arm, slave arm, and environment. These subsystems mutually have dependency relationship, i.e., causality, therefore causality analysis helps to understand physical behavior of teleoperation system and, furthermore, it can bring benefits for improving stability and transparency of teleoperation systems. This thesis is motivated in this context.
By using bond-graph modeling, the causalities in teleoperation systems are identified. Four models are proposed depending on the causalities of operator-master part and slave-environment part. After identifying four models, the benefits of causality-based approach are determined in terms of stability and transparency.
First, for stability, causality-based stability provides broader and easier design of stable control architectures compared to previous stability criterion. In previous works, absolute stability has been adopted for stable teleoperation system design. However, absolute stability has difficulty even for small time delay between master and slave, and it has been known that absolute stability compromises transparency. Since absolute stability is sufficient condition for conventional asymptotic stability, some of potentially unstable systems can exhibit stable responses and this phenomenon is observed in real situations. By using causality-based stability, it was possible to design stable teleoperation systems among potentially unstable systems thereby providing broader stability region than absolute stability. In addition, the causality-based stability enables easier design than absolute stability.
Second, for transparency, causality-based approach improves transparency for some kinds of control architectures. In previous works, it is known that four-channel and some kinds of three-channel control architectures can only achieve transparency. However, by considering causality-based transparency, it has been proven that some of two-channel control architectures can achieve transparency, which is verified through experiments. In summary, for systems which do not satisfy absolute stability, the causality-based stability enables stable systems design. On the other hand for absolutely stable systems, the causality-based transparency can improve transparency. Even though an absolutely stable system looses absolute stability at the cost of achieving transparency, the causality-based stability can guarantee stability.
To apply the aforementioned benefits of causality-based approach, two issues must be considered; how to determine the operator's causality and how to deal with the controller switching accompanied by causality change. First, for determining the operator causality, an experimental analysis is provided for determining causality of human operator. By applying the experimental method to clinical tests, characteristics of operator causality is analyzed. Second, for the switching of controller, two control strategies are proposed. For well predefined tasks with negligible time delay, it is proven that the causality change does not cause abrupt changes in control inputs. Therefore, it is possible to take full benefits of causality-based stability and transparency without causing switching problems. For uncertain tasks, by proposing relative transparency instead of transparency, an operator can perform a task without causing causality change thereby no need for controller switching.
Finally, the proposed control strategies are verified by applying them to a 2 DOF teleoperation task, and a 3 DOF tele-rehabilitation task, shaving task.
In conclusion, this thesis proposes four causality models for bilateral teleoperation systems. The causality-based approach provides benefits in stability and transparency. For real application of the analysis, two control strategies are proposed and they are verified in real teleoperation tasks. Throughout these works, the significance of causality in bilateral teleoperation is proven.
본 연구는 양방향 원격조종시스템의 인과성을 분석함으로써, 양방향 원격 조종 시스템의 물리적 특성을 보다 정확하게 설명하고, 이를 통해 시스템의 안정성, 투명도등을 개선하기 위한 방법과 실제 작업에 적용하기 위한 제어 전략을 제공하고 있다.
인과성이란, 에너지를 주고받는 물리시스템에 항상 존재하는 특성으로써, 무엇이 원인이고 무엇이 결과인지를 나타내는 종속관계를 의미한다. 이러한 인과성은 기존의 다른 연구들에서 정확한 모델링, 시스템의 오류의 원인 규명, 향상된 제어기의 설계를 위해 많이 사용되어 왔으며, 특히 신경망과 같이 시스템의 변수가 복잡하게 얽혀있는 경우의 인과성 분석은 중요한 연구 주제로 다루어져 왔다. 그러나, 양방향 원격 조종 시스템에 대하여는 안정성, 투명도등에 대해서는 많은 연구가 이루어져 있는 반면, 인과성에 대한 연구는 아직 찾아볼 수 없다.
원격조종시스템은 사람, 마스터 매니퓰레이터, 슬레이브 매니퓰레이터, 환경등의 개체들로 이루어져, 각 개체들이 서로 종속되어 거동하는 시스템이다. 이러한 각 개체들은 서로 인과관계를 갖고 있기 때문에 원격조종시스템에 대한 인과성 분석은 원격조종시스템을 깊이 이해하는데 도움이 될 뿐만 아니라, 원격조종시스템을 개선하는 데 도움이 될 것임이 분명하다.
본 연구는 이러한 동기로부터 원격조종시스템의 인과성을 규명하여, 기존의 것보다 더 정확한 모델링을 제공한다. 작업자와 마스터 조종장치, 슬레이브 매니퓰레이터와 환경간의 인과성을 본드그래프 모델링을 통해 규명하여, 네가지 조합의 인과성 모델을 제공하였다. 또한, 인과성 분석을 통해 원격조종시스템의 안정성 및 투명도를 향상시키는 방법을 제공하고 있다. 먼저, 안정성에 대해 본 연구는 기존의 안정성에 비해 보다 폭넓은 설계와 쉬운 설계 방법을 제공한다. 원격조종시스템의 안정성에 대한 기존의 연구에서는 절대 안정성 (Absolute Stability)을 이용하여 안정한 시스템을 설계하도록 하고 있다. 그러나, 절대 안정성 조건을 실제 상황에 적용해보면, 그 조건을 만족하기란 쉽지 않으며, 특히 시간지연이 조금이라도 존재할 경우엔 투명도가 현저히 나빠질 수 밖에 없다는 것으로 알려져 있다. 반면에, 절대 안전성을 만족하지 않는 잠재적으로 불안정한 (Potentially Unstable) 시스템은 항상 불안정한 것이 아니며, 실제로 안정한 현상을 보이는 경우가 존재한다. 본 연구에서는 인과성에 기반한 안정성 분석을 통해, 잠재적으로 불안정한 시스템 중에서도 안정한 시스템을 구별하는 방법을 제공하여, 보다 폭넓은 범위에서 설계할 수 있고 쉽게 설계하는 방법을 제공 한다.
투명도에 대하여는 기존의 투명도에서 고려하지 않은 인과성을 고려함으로써, 투명도를 더욱 개선할 수 있는 제어기 선정 방법을 제공한다. 기존의 연구에서는 4채널 제어구조나, 3채널 제어구조 중의 일부에서만 투명도를 구현할 수 있다고 알려져 있다. 그러나, 본연구에서는 인과성에 기반한 투명도 분석을 통해 2채널 제어구조에서도 투명도를 구현하는 것이 가능하다는 것을 보이고, 또한 실제 실험으로 이를 규명하였다. 결국, 인과성에 기반한 안정성과 투명도를 동시에 고려한다면, 절대안정도를 만족하지 않는 시스템에 대하여는 안정한 설계를 가능케할 수 있고, 절대안정도를 만족하는 시스템이라고 하더라도 투명도를 향상시킬 수 있고, 투명도 향상으로 인해 절대 안정도를 만족시키지 못하게 되더라도 인과성에 기반한 안정성을 보장할 수 있다는 장점을 얻게 된다.
앞서 제공된 안정성과 투명도에 대한 결과들을 실제 상황에 적용하려면, 두가지가 고려되어야 한다. 첫째는 작업자의 인과성이 어떻게 결정되는가를 알아야하고, 둘째는 작업자의 인과성이 바뀔 때 수반되는 제어기구조의 급격한 전환에 대하여 고려하여야 한다. 첫번째, 작업자의 인과성이 어떻게 결정되는가를 규명하기 위하여 본 연구에서는 하나의 실험적인 규명방법을 제안한다. 이 방법을 실제 임상실험에 적용하여 작업자가 인과성을 결정하는 특성을 파악하였다. 두번째, 제어기구조의 급격한 전환에 대하여는 두가지 전략을 제공한다. 먼저, 잘 알려진 작업의 경우에는 작업자의 인과성 변화를 미리 계획하여 제어구조를 전환함으로써, 제어구조가 갑자기 전환하더라도 제어입력에 급격한 변화가 발생하지 않음을 증명하였다. 두번째로는, 잘 알려져 있지 않은 작업에 대하여 투명도 대신에 상대 투명도 (Relative Transparency)의 개념을 제안하여 작업자가 인과성을 바꾸지 않고도 작업할 수 있도록 하였다.
끝으로, 이렇게 제안된 방법들을 2자유도 원격조종작업과, 장애인 보조작업중 접촉이 필요한 3자유도 면도작업에 적용함으로써, 그 성능을 검증하였다.
결론적으로, 본 연구에서는 인과성에 기반한 접근을 통해서 양방향 원격 조종시스템의 정확한 모델링과 더불어 안정성, 투명도의 개선을 얻을 수 있었고, 실제 작업에 적용하기위한 제어전략을 제안하여 인과성 연구의 중요성을 확인할 수 있었다.
