Haptic technology is now maturing and coming out of research laboratories and into real products and applications from nuclear teleoperation to today's impressive nanomanipulator. A haptic interface conveys a kinesthetic sense of presence to a human operator interacting with a computer-generated environment. That is to say, a haptic interface is a human-machine interaction system, which lets the user touch, feel and manipulate virtual environments via so-called haptic devices. They incorporate actuators for force or tactile feedback to the user. The final goal of haptic interaction is achieving realism, that is to say, giving a transparent sensation to the user for physical properties of virtual environments. Key issue for achieving this transparency undoubtedly is how to improve the stability without degrading the haptic performance. This thesis is, therefore, directly dedicated to the stability and performance issues connected actuators essential to haptic interaction.
Stability and performance are two wings of haptic interface. In other words, there is tradeoff between stability and performance. For example, increasing device damping in order to obtain stable operation, however, the cost of this stability is degradation of the force perception. A number of researches have concentrated issues of stability and performance of the haptic interface. They were, however, mainly focused on its control rather than just the hardware itself such as actuators.
This thesis first reviews three different realizations of haptic interfaces: with active actuators, with passive actuators, and with active/passive actuators, and then discusses the stability and performance of each haptic interface. Next, a hybrid haptic interface controllable damping with active/passive actuators is proposed and as an available implementation, a hybrid haptic interface with controllable MR brake and motor is introduced. Even though the MR brake has its advantage of control various damping or friction, there are limitations to use in control or robot applications due to its hysteresis characteristics. Thus it is necessary to model this nonlinearity for control or compensation purpose. In this thesis, the nonlinearity of MR brake is modeled using the magnetic hysteresis model.
Generally speaking, the researches on the stability of haptic interface with active actuators have been biased toward the LTI systems. The second objective of this thesis is to present the generalized stability of the haptic interfaces, the so-called "coupled stability," applicable to regardless of the LTI or the nonlinear systems. Especially, the coupled stabilities of the LTI haptic interfaces are derived using the passivity theory of linear systems and also those of the nonlinear haptic interfaces with static nonlinear environments are examined using the absolute theory.
It has been known that multi degree-of-freedom (DOF) haptic interfaces with passive actuators cannot display the damping force or friction for even simple constraints such as circle or triangle. This thesis found out that the mechanical design requirements exist whether multi DOF haptic interfaces with passive actuators can display the damping or not. As a consequence of analysis, the damping display is possible if and only if multi DOF haptic interface has its orthogonal kinematic configuration over all workspace such as Cartesian manipulators. Therefore, it is essential to give the solution for multi DOF hybrid haptic interfaces with active/passive actuators without guaranteeing orthogonality to simulate the virtual environments. This thesis is proposed the control method based on passivity applicable to general multi DOF hybrid haptic interfaces with active/passive actuators. This control method has been initiated from the fact that the passive actuators are always passive. "Power Observer (PO)" is defined which measures power flow in and out of haptic device at every sampling time. Passive behavior is truly indicated by a positive value of the PO at any time. "Switching Control (SC)" is also defined which enables only the passive actuators when ensuring passivity by monitoring PO, otherwise, enables only the active actuators. The SC/PO has, however, discontinuity due to a to-and-fro mode changing of actuators (active or passive) inevitably. This discontinuity could make the system unstable. Thus, in order to cancel the discontinuity, the "Bridging Control (BC)" is proposed which active actuators contribute the small amount of passive power toward the completion of the continuity with increasing the power of passive actuators simultaneously. BC/PO has its advantage of less computation burden and implementation without any requirements for model information.
To evaluate the feasibility of the proposed BC/PO, the experiments were conducted via 2-DOF hybrid haptic interface which is a five-bar-linkage mechanism with two motors and two MR brakes, and also the experiments were performed to verify the stability and performance of the hybrid haptic interface via 1-DOF and 2-DOF case. In addition, quasi-quantitative Z-width as a performance measure is proposed and the performance evaluation is performed by using quasi-quantitative Z-width.
This thesis is reach the conclusion that the haptic interface with active/passive actuators is superior in its transparency, that is, stability and performance, to the haptic interface with active actuators.
The contributions of this thesis are to propose the hybrid haptic interface with active/passive actuators improving transparency, to propose the generalized stability for the haptic interfaces, to find out the kinematic requirements of multi DOF haptic interface with passive actuators, and at last to propose the control method of multi DOF hybrid haptic interfaces regardless of their kinematic configurations.
햅틱 인터페이스는 컴퓨터가 만들어내는 가상환경의 힘이나 토오크 등과 같은 물리적 정보를 구동기를 갖는 기계적 장치를 통하여 작업자에게 전달해 주는 인간-로봇 상호작용 시스템을 말하며 이를 햅틱 상호작용이라고 일컫는다. 햅틱 인터페이스를 설계하는 데 있어 가장 중요한 목적은, 작업자에게 가상환경의 정보를 안정적으로 얼마나 생생하게 전달해 줄 수 있는가에 있다. 이러한 안정성과 성능이라는 햅틱 품질을 달성하기 위해서 요구되는 햅틱 인터페이스의 설계 조건들로는 장치의 물리적인 조건, 제어적인 조건이 있다. 높은 품질의 햅틱 상호작용을 얻기 위한 햅틱 장치의 물리적인 조건들로는 가볍고 튼튼한 구조적 강건성(stiffness), 구동기의 높은 토크/중량비(torque/weight ratio) 및 높은 선형성(linearity), 위치/속도 및 힘/토크 센서의 높은 분해능(resolution), 전체 시스템의 구조적 간결성(compactness) 등이 있다. 특히 이것들 중에서 구동기를 어떻게 선택할 것인가는 햅틱 인터페이스의 안정성과 성능에 직접적으로 연결되는 매우 중요한 문제이다. 물리적인 관점에서 보면, 큰 감쇠 고유(inherent damping)를 갖는 시스템이 안정하다고 할 수 있다. 그러나 큰 감쇠 고유치를 갖는 햅틱 인터페이스로 공기 중과 같은 물리계를 가상환경으로 구현하는 것은 매우 어려운 일일 것이므로, 이를 구현하기 위해서는 모터와 같은 능동형 구동기를 사용하여 감쇠 고유치를 제어적으로 제거해 줄 수 밖에 없다. 일반적으로 능동형 구동기를 갖는 햅틱 인터페이스의 경우에는 구조적인 간결성 및 제어의 용이성을 위해 디지털 센서를 사용하게 된다. 이때 전체 시스템은 이산 제어 시스템화 되어 안정성과 성능을 판단하기 어렵게 된다. 특히 질량-댐퍼-스프링과 같은 선형적인 가상환경 모델뿐만 아니라 극도로 비선형성이 강하고 그 변화의 폭이 큰 가상 환경을 구현하기 위한 햅틱 인터페이스의 경우에, 안정성을 보장하면서 동시에 성능을 향상시키는 방법에 대한 연구는 아직까지 상당히 어려운 문제로 남아있는 실정이다.
본 논문에서는, 물리적인 관점에서 출발하여 감쇠 고유치를 물리적으로 조절할 수 있는 새로운 개념의 햅틱 인터페이스를 제안하였다. 이 장치는 모터와 같은 능동형 구동기와 감쇠 고유치를 조절할 수 있는 감쇠 제어가 가능한 자기유변유체 브레이크라는 수동형 구동기를 갖는 하이브리드형 햅틱 인터페이스이다. 자기유변유체 브레이크는 감쇠 제어 및 마찰 제어가 가능하다는 장점이 있음에도 입력-출력간의 큰 히스테리시스 비선형성으로 인해 사용이 많이 제한되는 측면이 있다. 따라서 이 비선형성을 제어하기 위해서는 비선형성의 특성을 모델화하여 제어에 이용할 필요성이 있다. 본 연구에서는 자기유변유체 브레이크의 입출력 비선형성을 자기 히스테리시스 모델을 이용하여 모델링 하였다.
또한 능동형 구동기를 갖는 햅틱 인터페이스에 대한 안정성과 성능에 대한 연구들이 주로 가상환경이 선형적인 경우에 치중되어 왔다. 본 논문에서는 능동형 구동기를 갖는 햅틱 인터 페이스뿐만 아니라 능동형/수동형 구동기를 갖는 하이브리드형 햅틱 인터페이스의 안정성과 성능을 판정하기 위해 이음 안정성(coupled stability)을 도입하여 일반적인 햅틱 인터페이스의 안정성 판별을 이론적으로 일반화하였다. 특히 선형 시스템의 경우에는 선형 시스템의 수동성(passivity)을 이용하여 이음 안정성을 판별하였고, 비선형 시스템의 경우에는 절대 안정성(absolute stability)을 이용하여 이음 안정성을 판별하였다.
일반적으로 수동형 구동기를 갖는 햅틱 장치를 다자유도를 갖도록 설계했을 때, 수동형 구동기만으로는 예를 들어 원(circle) 혹은 사각형(rectangle)등의 간단한 가상 환경에 대해서도 마찰 혹은 감쇠력을 구현할 수 없다고 알려져 왔다. 본 논문에서는 수동형 구동기를 갖는 햅틱 장치가 다자유도로 확장 가능한 지를 살펴보기 위해, 기구적인 조건을 수학적으로 규명하였다. 그 결과, 직교로봇(Cartesian Robot)등과 같은 직교성(orthogonality)을 갖는 장치의 경우에만 수동형 구동기만으로도 마찰 혹은 감쇠력을 구현할 수 있으나, 일반적인 장치에서는 불가능함으로 수학적으로 증명하였다.
그러나 직교성을 갖는 장치는 매우 제한적이므로 일반적인 다자유도 능동형/수동형 구동기를 갖는 하이브리드 햅틱 인터페이스에 적용하기 위한 제어 방법을 제안하였다. 제어 방법은 수동형 구동기가 언제나 수동성을 만족한다는 것에 착안하여 햅틱 인터페이스를 작업자, 햅틱 장치, 그리고 가상환경으로 나누어 네트웍 모델로 표현하였고, 가상환경이 햅틱 장치에게 제공한 일(energy)이 양(positive)의 값을 가질 때 햅틱 인터페이스의 수동성이 보장되고, 보다 비보수적(nonconservative)으로는 순간 시간(instant time) 개념으로 보면 동력(power)이 양(positive)의 값을 가질 때 수동성이 보장되므로 수동성 을 실시간으로 관측하기 위해 동력 관측기(Power Observer)를 제안하였으며, 또한 동력 관측기의 입출력 정보를 바탕으로, 만약 시스템의 수동성이 보장될 때 수동형 구동기를 구동 시키고, 그렇지 않을 경우에는 능동형 구동기를 구동 시키는 교번 제어(Switching Control)를 제안하였다. 그러나 이 방법은 수동성 여부에 따라 능동형 구동기와 수동형 구동기를 계속 번갈아 구동하기 때문에 불연속성(discontinuity)이 필연적으로 발생하게 된다. 이러한 불연속성은 제어 시스템에 있어서 시스템의 안정성을 해치는 요소가 된다. 따라서, 이러한 불연속성을 없애기 위해 수동성이 보장되는 최초의 순간에 능동형 구동기의 작동을 바로 폐쇄하지 않고 출력의 기여(contribution)를 매 샘플링 순간 마다 조금씩 줄여가고, 이와 동시에 수동형 구동기의 출력을 점점 늘여가는 방식의 교량 제어(Bridging Control)를 제안하였다. 제안된 제어 방법의 장점은 시스템의 모델 정보를 전혀 필요로 하지 않으며, 실시간 계산에 따른 부하가 굉장히 작다는 점이다.
제안된 제어 방법의 타당성을 검증하기 위하여 능동형/수동형 구동기를 갖는 2자유도 하이브리드 햅틱 인터페이스를 이용한 실험을 수행하였다. 또한 능동형/수동형 구동기를 갖는하이브리드 햅틱 인터페이스의 안정성(stability)과 성능(performance)을 판정하기 위한 실험이 1자유도 장치와 2자유도 장치 모두에서 이루어졌다.
결론적으로 능동형/수동형 구동기를 갖는 하이브리드 햅틱 인터페이스가 능동형 구동기를 갖는 능동형 햅틱 인터페이스에 비해 안정성과 성능이 모든 면에서 우수하다는 것을 입증할 수 있었다.
본 논문의 기여는 첫째 햅틱 안정성과 햅틱 성능을 향상시킬 수 있는 능동형/수동형 구동기를 갖는 하이브리드 햅틱 인터페이스를 제안한 것과, 둘째 일반적인 햅틱 인터페이스의 안정성 해석 방법을 제안한 것과, 셋째 수동형 구동기를 갖는 햅틱 장치의 다자유도 확장성을 획득하기 위한 기구적 조건을 규명한 것과, 마지막으로 앞의 기구적 조건에 관계없이 수동형 구동기를 갖는 능동형 햅틱 장치의 다자유도 사용성을 위한 제어 방법을 제안한 것이다.
