Haptic Cell manipulation systems require interaction between macro and micro worlds. Such systems have still not been able to employ accurate force feedback. Accurate force feedback depends on accurate sensing as well as transmission of force signals. Accurate sensing is possible through the selection of appropriate sensors with low noise and high resolution capable of measuring the micro-scale forces. On the other hand, accurate transmission needs complete cancellation of device dynamics like friction, inertia, gravity effects and proper choice of control parameters.
The presence of sensors to sense the position and force in the master and slave robots, however, poises problems as sensor measurements are noisy. This noise can also affect the performance of the system which becomes more prominent for macro-micro world interactions. This research aims at maximizing the transparency for micro-scale haptic cell manipulation systems while maintaining the stability in presence of sensor noise and device disturbances. This research also ensures that a proper sensor is chosen which can sense the micro-scale forces accurately. The transparency is enhanced by cancelling the master and slave dynamics using the disturbance observer.
Simulation results show that the position tracking capability is enhanced by employing the disturbance observer in force-position and four-channel control architectures. The effect of the sensor noise on the transparency of scaled teleoperation architectures is also analyzed and low-pass filters are employed to cancel the high frequency components of the noise.
New criteria have been developed relating the scaling factors with the control gains to achieve perfect transparency in the presence of sensor noise. Simulation results show that by following the newly developed criteria the transparency of the tele-haptic system is enhanced. This thesis also aims at analyzing the system stability in presence of low-pass filters to counteract the effect of sensor noise. New sufficient conditions for the stability of the system have been developed which can be used as guidelines to select control parameters.
Simulation results show the effectiveness of the new criteria and the effect of control gain, scaling factors and cut-off frequency of low pass filter on the stability of the system. The results show the presence of trade-off between transparency and stability of the system.
햅틱 세포 조작 시스템은 매크로와 마이크로 세계 사이의 상호작용을 필요로 한다. 그러한 시스템들은 여전히 정확한 힘 피드백을 구현하지 못하고 있다. 정확한 힘 피드백은 힘 신호의 정확한 전송뿐만 아니라 힘 감지의 정확성에도 의존한다. 정확한 감지는 작은 노이즈와, 마이크로 단위 힘을 측정할 수 있는 높은 분해능을 가진 적절한 센서를 선택하여 얻을 수 있다. 한편, 정확한 힘 전송은 장치의 마찰, 관성, 중력 효과 등의 소거와 제어 변수의 적절한 선택을 필요로 한다.
마스터와 슬레이브 로봇의 위치 및 힘을 감지하는 센서가 존재하지만 센서 측정에는 노이즈가 섞인다. 이러한 노이즈는 매크로-마이크로 세계의 상호작용에 대한 시스템의 성능에 영향을 끼칠 수 있다. 이 연구는 센서 노이즈와 장치 외란이 존재할 때, 안정성을 유지하는 동안 마이크로 단위의 햅틱 세포 조작 시스템의 transparency을 최대화하고, 또한 마이크로 단위의 힘을 정확하게 감지할 수 있는 적절한 센서 선택을 확실하게 하는데 목적을 둔다. Transparency는 외란 관측기를 사용하여 마스터와 슬레이브의 동역학 특성을 소거함으로써 높아진다.
시뮬레이션 결과는 힘-위치 제어 아키텍쳐와 4 채널 제어 아키텍쳐에 외란 관측기를 도입함으로써 위치 추적 가능성이 높아진다는 것을 보여준다. 스케일된 원격제어 아키텍쳐의 transparency에서 센서 노이즈의 효과가 분석되며 저주파 통과 필터가 노이즈의 고주파 성분을 소거하기 위해 이용된다.
센서 노이즈 존재시 완벽한 transparency를 달성하기 위한 새로운 기준을 개발하였으며 그것은 제어 게인과 스케일링 요소 및 둘 사이의 관계이다. 시뮬레이션 결과는, 새롭게 개발된 기준을 따름으로써 원격 햅틱 시스템의 transparency를 증가시킬 수 있음을 보여준다. 또한 이 논문은, 센서 노이즈 영향을 줄이는 저주파 필터가 있을 때의 시스템 안정성을 분석하는데도 목표를 둔다. 시스템의 안정성에 대한 충분한 조건이 밝혀졌으며 이는 제어 변수를 선택하는 지침으로서 사용될 수 있다.
시뮬레이션 결과는 새로운 기준의 효과와, 시스템이 안정성 측면에서 제어 게인의 효과, 스케일링요소 및 저주파 통과 필터의 차단 주파수를 보여준다 그 결과 시스템의 transparency와 안정성 사이에 트레이드 오프가 있다.
