This dissertation presents a control scheme for the optimization of kinesthetic perception with high position tracking, while guaranteeing the stability of scaled teleoperation systems. Three types of research themes are investigated to propose the new control scheme systemically.
A new control scheme is developed for a bilateral teleoperation system for microsurgical applications in the first part of the dissertation. The main objective of the developed control scheme is to enhance operator’s kinesthetic perception. At first, kinesthetic perception is quantified, based on psychophysics, into two metrics which relate to the detection and discrimination of stimulus. Secondly, an improved scaled bilateral control system is developed using an impedance-shaping method. The proposed control method can increase the kinesthetic perception of the operator by shaping and magnifying the impedance transmitted to the operator. Simulation and experimental results show that kinesthetic perception is significantly enhanced for four-channel, position-position, and force-position control architectures.
Applications like tele-microsurgical systems are prone to issues of stability and performance due to the interaction and information exchange between macro and micro world. Scaling factors used in these systems, therefore, have exceeding impacts on the stability and the performance. This dissertation, hence, analyzes the effects of the scaling factors in the third part, in an effort to increase the performance of the systems while maintaining the stability. Stability robustness is quantified using Llewellyn’s absolute stability criterion. Position tracking and the newly developed metrics of kinesthetic perception, which are important in telesurgical applications, are used to quantify the performance. The effects of the scaling factors are analyzed by using various combinations of the position and force scaling factors in addition to the human operator and environment impedances in the above stability and performance metrics for the popular four-channel and two-channel architectures. Experimental results using various phantom soft tissues are consistent with the analysis results.
There is generally a trade-off between the stability and the performance in haptic control systems. Teleoperation systems with haptic feedback are no exception. Hence, in the final part, this dissertation considers kinesthetic perception as the main performance objective for a scaled teleoperation system, and devises a scheme to optimize it with constraints of position tracking and absolute stability. The control problem is formulated as a multi-objective constrained optimization problem. Analytical criteria for monitoring stability have been derived for position-position, force-position, and four-channel control architectures using Llewellyn’s absolute stability criteria. This helps to reduce the optimization complexity and provides easy and effective design guidelines for the proper selection of control gains. Optimization results indicate that trade-offs exist among different control architectures. This dissertation, thus, provides design guidelines based on application-dependent selection of control scheme. Psychophysical experiments have been conducted using the method of limits to evaluate the developed kinesthetic perception-optimized control scheme. Results show that the developed control scheme is more effective in increasing the detection and discrimination capacity of human subjects as compared to the traditional transparency-optimized control laws.
미세 원격조작에서는 작업자의 작업 능력을 향상시키기 위해 슬레이브 로봇의 마스터 로봇에 대한 위치추종 능력 (position tracking)이 중요하다. 그리고 미세수술 같은 연성 생체조직의 미세 원격조작에서는 위치추종 능력 외에 조작 대상물에 대한 햅틱 감각이 작업 능력의 향상에 큰 역할을 한다. 본 논문은 연성 생체조직의 미세 원격조작에서 작업자의 햅틱 감각 최적화를 위한 제어 방법을 제안한다. 제안하는 제어 방법은 높은 위치추종 능력을 유지하고 원격조작 시스템의 안정성을 보장한다. 미세 원격조작 시스템의 햅틱 감각 최적화 제어기는 다음 세 단계의 연구를 거쳐 체계적으로 제안되었다.
먼저, 햅틱 감각을 정신물리학에 기초하여 감지 능력 (detectability)과 식별 능력 (discriminability)을 나타내는 두 가지 정략적 지수를 정의하였다. 정의된 지수는 원격조작 대상물의 임피던스와 작업자에게 전해지는 임피던스의 함수관계식으로 표현된다. 작업자의 햅틱 감각에 대한 성능 지수는 정의된 두 가지 지수를 조합하여 정의된다. 그리고 원격조작 대상물의 물성치를 사용하여 작업자에게 전해지는 임피던스를 조작하는 임피던스 조작법 (impedance-shaping method)를 이용하여 작업자의 햅틱 감각을 향상시키는 미세 원격조작 제어 시스템을 제안하였다. 제안된 제어 시스템은 위치-위치 그리고 힘-위치 양방향 제어 구조와 투명성 최적화 (transparency-optimized) 양방향 제어 구조에 적용하였고 시뮬레이션과 실험을 통해 햅틱 감각이 향상됨을 분석하고 검증하였다.
근본적으로 제어 시스템의 성능과 안정성은 트레이드오프 관계이다. 미세 원격조작에서는 위치/힘 스케일링 비율이 시스템의 성능과 안정성에 중요하다. 본 논문에서는 시스템의 안정성을 유지하면서 성능을 향상시키기 위해 위치/힘 스케일링 비율이 제어 시스템의 성능과 안정성에 어떤 영향을 미치는지 분석하였다. 이를 위해 절대 안정성 조건 (absolute stability criteria)을 이용하여 시스템의 안정성 강건도 (stability robustness)를 정량적으로 나타내는 지수를 제안하였다. 그리고 시스템의 성능은 정의된 햅틱 감각과 위치 추종능력으로 평가하였다. 널리 사용되고 있는 위치-위치 제어기에 대해서는 스케일링 비율이 시스템의 성능과 안정성 강건도에 영향을 미치지 않는다는 것을 분석하였다. 하지만 상대적으로 위치 추종능력이 좋은 두 채널 힘-위치 제어기는 스케일링 비율의 곱이 증가할수록 성능은 더욱 향상되지만 시스템이 불안정해짐을 분석하고 실험을 통해 검증하였다.
마지막으로, 시스템의 안정성을 유지하면서 정의된 햅틱 감각을 최대화하는 제어기 설계 방법을 제안하였다. 제안하는 제어기는 시스템 안정성과 위치추종 능력을 구속조건으로 두고 햅틱 감각에 대해 위치/힘 양방향 제어기의 게인들을 최적화하는 것이다. 제어기 최적화 문제의 계산 복잡도를 감소시키기 위해 위치-위치, 힘-위치 그리고 투명성 최적화 제어구조에 대해 절대 안정성을 유지하는 조건을 해석적으로 구하였다. 제안하는 안정성 조건은 직관적으로 원격조작 시스템의 제어기를 설계할 때에도 유용하다. 제안된 최적화 제어기는 다양한 인공 연성 생체조직을 이용한 실험과 여러 피실험자들에 대한 정신물리학적 실험을 통해 햅틱 감각이 30% 이상 향상 시키는 것을 확인하였다. 그리고 제어 구조에 따라 햅틱 감각과 위치추종 능력 및 안정성이 트레이드오프 관계가 있음을 확인하였다.
