Model-mediated teleoperation control employs an environment model at the master side to compute feedback output to the master at a faster rate. This approach improves system stability in the presence of time delay. It has an advantage in task performance as it does not utilize adaptive dampers which can cause unpredictable force changes. Previous literature, however, reports experiment results showing that system stability cannot be guaranteed if the model is not accurate. This implies that model-mediated teleoperation does not generally perform well if the environment impedance is unknown in advance or varies during a task. This dissertation, first, analyzes the limitations of the previous model-mediated methods in terms of system stability and task performance. It is confirmed that the system in the presence of delay generates energy when the model stiffness increases with the pressed depth. Simulations and experiments show that the energy generation induces fluctuations in the master and destabilizes the system. This dissertation proposes a model-mediated control which guarantees system stability with time delay even if the environment model cannot be predefined accurately. The proposed method renders force feedback through a linear spring model similar to the previous methods. The reference point of the model, however, is fixed to the contact position between the slave and the environment, whereas the reference point in the proposed method is adaptively set responding to the model stiffness update. The reference point moves to a position where the output to the master does not change even when the model stiffness is updated. This makes the master’s state change only by the operator’s manipulation so that system stability is not affected by time delay. Simulations and experiments verify that the proposed method guarantees stability even in the presence of delay and model mismatch. User studies are conducted to quantitatively measure and compare task performance in the proposed method with the previous methods that improve the stability in model-mediated teleoperation. It is confirmed that the proposed method more accurately renders the environment force to the operator. It is also observed that the operator's force-controlling accuracy is not affected by time delay in the proposed method in contrast to other methods. The stiffness discrimination experiment confirms that subjects can discriminate up to 40.9% smaller differences in the presence of 100 ms time delay than when using other methods. Spearman correlation coefficient shows that the subjects’ JNDs are the least degraded by time delay in the proposed method.
모델 매개 원격제어는 마스터의 출력을 모델에서 빠르게 계산함으로써 마스터와 슬레이브 사이에 시간 지연이 존재하는 원격 제어 시스템의 안정성을 향상시킨다. 이 방식은 적응형 감쇠기를 사용하지 않기 때문에 마스터에서 조작자가 대응하기 어려운 갑작스러운 힘 변화가 발생하지 않는다는 이점이 있다. 하지만 정확한 모델을 사용하지 않으면 모델 매개 제어 시스템의 안정성이 보장되지 않을 수 있다는 결과가 선행 문헌을 통해 보고되었다. 이는 환경의 임피던스를 사전에 알 수 없거나 그것이 상호작용 중에 변화할 경우, 기존 모델 매개 원격제어가 제대로 작동하지 않을 수 있음을 시사한다. 본 연구에서는 먼저 기존 모델 매개 방법이 시스템 안정성과 작업 수행의 측면에서 지니는 한계점을 분석한다. 그 결과, 모델 매개 원격제어에서는 누르는 깊이에 비례하게 모델의 탄성이 증가할 경우, 시간 지연에 의해서 에너지가 반복 생성됨을 확인하였다. 시뮬레이션 및 실험을 통해서 이 에너지 생성이 마스터에서 진동을 유발하고 시스템을 불안정하게 함을 확인하였다. 본 연구에서는 환경의 임피던스 모델을 정확히 알 수 없더라도, 시간 지연이 있는 시스템의 안정성을 보장할 수 있는 모델 매개 제어 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 기존의 모델 매개 제어에서 널리 사용되는 선형 스프링 모델을 매개로 힘을 구현한다. 하지만 기존 방법에서는 모델의 기준점이 슬레이브와 환경의 접촉 위치로 고정되는 반면, 제안하는 방법에서는 모델의 탄성이 업데이트 될 때마다 모델의 기준점도 함께 변화시킨다. 모델의 기준점은 모델의 탄성 변화에도 마스터 출력이 변화하지 않도록 하는 위치로 갱신된다. 이는 마스터의 위치가 조작자의 움직임에 의해서만 변화하게 하며, 결과적으로 시스템 안정성이 시간 지연의 영향을 받지 않게 만든다. 시뮬레이션 및 실험을 통해서 제안하는 방법에서는 시간 지연의 크기와 상관없이 항상 안정성이 보장됨이 검증되었다. 피험자 모집 실험을 통해서 모델 매개 원격제어의 안정성을 향상시킨 기존의 방법들과 제안하는 방법을 비교한 결과, 제안하는 방법에서 가장 정확하게 환경의 힘을 조작자에게 전달함을 확인하였다. 또한, 다른 방법들과 달리 조작자의 힘 조절 정확도가 시간 지연의 영향을 받지않는 것으로 관측되었다. 탄성 구별 실험을 통해서 피험자들이 제안하는 방법을 사용하면 다른 방법들을 사용할 때보다, 100 ms의 시간 지연이 존재할 때 최대 40.9 % 더 작은 차이까지 구분할 수 있음을 확인하였다. 피험자들의 탄성 구별 능력이 제안하는 방법에서 시간 지연의 영향을 가장 적게 받는 것으로 관측되었다.
