This thesis proposes a performance index called Telepresence index for bilateral teleoperation, which can be used both for the performance evaluation of bilateral control architectures and for design purposes. This index is intended to represent a comprehensive performance objective consisting of kinematic correspondence and transparency, two major performance objectives of bilateral teleoperation. In order to quantify the performance objective, telepresence index has employed a novel method using error vector magnitude, which enables a seamless combination of magnitude and phase error and accommodation of time delay.
In comparison with existing performance indices, it was observed that telepresence index possesses the comprehensiveness of performance objectives, magnitude/phase integrity, and the capacity to include time delay, which the others lack in one way or another. The index was applied to evaluate the performances of three widely known control architectures: PD-type bilateral control, Ueda’s ideal control, and scattering-based control. In all cases, telepresence index has been compared favorably with the other indices, in terms of clarity, convenience and accuracy, thereby demonstrating its improvement.
Based on the telepresence index, the application of the telepresence index was investigated. A gain optimization method was proposed by combining the telepresence index and genetic algorithm, and its convenience and reliability for designing control gains was verified by a numerical example. Moreover, a novel control architecture, modified PD-type bilateral control, has been proposed with the insight of comprehensive performance objective from the telepresence index. The performance improvement of this control architecture was also verified by a numerical example in comparison with existing PD-type bilateral control.
As a practical example, the telepresence index and its applications have been applied to teleassessment tasks, a kind of telerehabilitation area. For the feasibility study of PD-type bilateral control and modified PD-type bilateral control in teleassessment tasks, the telepresence index and its applications were employed. Through this feasibility study, the utility of the telepresence index as well as the performance improvement of modified PD-type bilateral control were shown.
본 논문은 제어 구조의 성능 평가와 더불어 디자인에도 응용할 수 있는 양방향 원격조종을 위한 성능 지수인 텔레프레즌스(Telepresence) 지수를 제안하고자 한다. 제안하는 성능 지수는 기구학적 일치도와 투명도라고 하는 양방향 원격조종을 위한 두 주요 성능 목표를 결합한 형태의 포괄적 성능 목표를 기반으로 하고 있다. 또한 이 성능 목표를 정량화하기 위해서 본 논문에서는 오차 벡터 크기(Error vector magnitude) 기법을 사용한 새로운 정량화 방법을 사용하였는데, 이 방법은 정량화에 있어서 크기(magnitude) 및 위상(phase) 오차와 더불어 통신에 의한 시간 지연의 고려까지 가능하다는 장점이 있다.
양방향 원격조종을 위한 기존의 성능 지수와의 비교를 통해서, 제안하는 텔레프레즌스 지수는 기존의 성능지수들이 가지고 있지 않은 포괄적 성능 목표와 크기 및 위상오차 결합, 그리고 시간 지연의 고려까지 가능하다는 것을 확인할 수 있었다. 사례 연구로, 제안된 텔레프레즌스 지수는 3가지의 잘 알려진 제어 구조의 성능 평가에 적용되었는데, 이 모든 경우들에 있어서 텔레프레즌스 지수는 다른 기존의 성능 지수에 비하여 명확성, 편리함, 그리고 정확성 면에서 크게 개선되었다는 결과를 보여주었다.
더 나아가 제안된 텔레프레즌스 지수에 기반한 그 응용 방법 역시 연구되었다. 텔레프레즌스 지수와 잘 알려진 유전자 알고리즘(genetic algorithm) 을 결합한 게인 최적화 방법이 제안되었으며, 제어 구조의 게인 설계에 대한 이 방법의 편리함과 신뢰도가 수치적인 예에 의해서 입증되었다. 또한, 텔레프레즌스 지수의 포괄적 성능 목표의 생각으로부터, 잘 알려진 제어 구조인 PD형태 양방향 제어(PD-type bilateral control) 의 보완된 형태가 도출되어, 새롭게 제안되었다. 이 제안된 변경 PD형태 양방향 제어(modified PD-type bilateral control) 에 의한 성능 개선 역시 기존 PD형태 양방향 제어와의 비교를 통한 수치적인 예에 의하여 입증되었다.
위와 같은 연구의 실용적인 응용 예를 보이기 위해, 텔레프레즌스 지수와 그 응용 방법들은 원격 재활 분야의 일종인 원격 진단 작업에 적용되었다. 기존 PD형태 양방향 제어와 새로 제안된 변경 PD형태 양방향 제어가 원격 진단 작업에 적용 가능한지를 확인하는 데에 텔레프레즌스 지수 및 그 응용 방법들을 활용해봄으로써, 텔레프레즌스 지수의 유용성과 더불어 텔레프레즌스 지수로부터 얻어진 변경 PD형태 양방향 제어의 성능 개선까지 입증할 수 있었다.
