Telesurgery is one example of teleoperation and realize surgeons do surgical operation to patients at re-mote side. In this system, haptic feedback is transmitted to surgeon(human operator) in order to help surgical operation. The operator feels the slave side force by using haptic master device. With this background, this the-sis aims at analyzing dynamics of the haptic master device and designing controller to compensate dynamics effects for free motion.
This thesis is divided to two areas. The first area is to analyze dynamics of the haptic master device. The haptic master device we analyze is developed by Eterne, Inc. The difficulty of analyzing the dynamics is to ana-lyze the kinetic closed-loop part. In addition, spring is attached to the 3rd links for compensating gravity effect. To consider these whole components, Newton-Euler and Lagrange-Euler method are used to derive computationally efficient dynamics to be used in real-time. Passive joint constraints are also added to derive the dynamics.
Dynamics compensation controller is designed based on D control with online feedforward gravity-stiffness compensation and dynamics compensation. Human force intension is used to move the haptic master device to the intended direction. In order to focus on telesurgery, the motion and workspace of surgeon are ana-lyzed. Moreover, stiffness of the springs is estimated in two ways to use them feedforward control.
Experiment is conducted to analyze the performance of the two controllers. The performance index is human force because the aim of the control is free motion of the device. The gain matrix is tuned for XY and Z motion by experiment. Also, experiment is conducted to analyze the performance with different stiffness. From the discussion, the limitation of dynamics modeling and controller is analyzed, and the remained problem of the haptic master device is suggested, such as backlash and friction.
원격조작의 한 예인 원격수술 분야는 의료 시술자가 멀리 떨어진 환자에게 시술을 하는 것을 가능하게 하는 것이다. 이 시스템에서 햅틱 피드백은 시술자의 시술에 도움을 주기 위해 이용된다. 시술자는 슬레이브 쪽에 있는 힘을 햅틱 마스터 장치를 통해서 느낀다. 이 연구는 햅틱 마스터 장치의 동역학을 해석하고, 이를 보상하기 위한 제어기를 설계하는 것을 목표로 한다.
이 논문은 크게 두 가지 부분으로 나뉜다. 첫 번째 부분은 햅틱 마스터 장치의 동역학을 분석하는 것이다. 사용된 햅틱 마스터 장치는 Eterne, Inc.에서 개발되었다. 동역학 해석의 어려운 점은 기구적으로 닫힌 루프를 형성하는 링크 구조를 해석하는 것이다. 또한, 세 번째 링크에 중력을 보상하기 위한 스프링이 붙어있다. 이 요소들을 다 고려하기 위해, Newton-Euler와 Lagrange-Euler 방법을 이용하여 실시간으로 동역학 계산이 가능한 효율적인 알고리즘을 만들었다. 또한, 수동축의 조건을 함께 고려하여 문제를 해결하였다.
동역학 보상 제어기는 D 제어와 중력-스프링 feedforward 제어를 함께하여 구현하였다. 사용자가 움직이고자 하는 방향을 센싱하여 마스터 장치가 그 방향으로 먼저 움직이도록 설계하였다. 연구의 초점을 원격수술에 더 맞추기 위해서, 실제 시술시 의사의 모션과 이동반경에 대한 데이터를 분석하였다. 또한, feedforward 제어를 정확하게 하기 위해서 스프링 상수를 실험을 통해 예측하였다.
두 가지 제어기의 성능을 비교하기 위해서 실험을 하였다. 중력-스프링과 동역학 전체를 feedforward한 경우가 그 두가지 이다. 성능 지표는 사람의 힘의 크기로 하였다. 제어기에 사용되는 Gain 값들은 XY 와 Z 방향에 대해 개별적으로 얻었다. 또한, 다른 스프링 상수에 대해서도 실험을 하여 성능 지표를 비교하였다. 고찰로 동역학 모델과 제어기의 한계점에 대해서 분석하였고, backlash와 마찰과 같이 더 개선해야 하는 문제들에 대해서 소개했다.
