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문제 정의
- 본 논문에서는 새로운 병렬형 6자 유도 햅틱 핸드 컨트롤러를 설계 및 제작하고, 통합 시스템을 구축하였으며, 그 응용 사례를 제시하였다.
- 우선 HHC 핸들의 위치정보를 처리하는 과정을 살펴보자. 사용자가 핸들을 잡고 움직이면 이에 따라 6개의 능동 축이 운동을 하게 되는데, 각 능 동축에 설치된 엔코더의 펄스 정보를 각 하위제어 기의 계수기(counter)가 판독함으로써 각 축의 위치정보를 상위제어기에 전달하게 된다.
제안 방법
- Fig. 9(b)의 하위제어기는 Intel 사의 16비트 범용 마이크로컨트롤러인 80C196KC 를 사용하는데, 본 연구를 위하여 인터페이스 회로를 설계하고 PCB의 제작을 통하여 구현하였다. 이 제어기에서는 전류 센서를 통해 모터에 인가되는 전류를 측정하여 각 능동 관절의 토크를 제어하도록 하였으며, 엔코더의 신호 판별, 계수 회로 및 상위제어기와의 통신회로를 하나의 EPLD(Erasable Programmable Logic Device)에 구현하여 장착하였다 또한, 모터를 구동하기 위하여 4개의 FET로 구성된 인버터에 기초하는 모터 드라이버를 내장하고있다.
- Fig. 5에서 5절 링크 상단의 위치, 에 직접 핸들을 부착하였을 경우의 성능지수를 실선으로 표시하였으며, 제안된 구조와 같이 0의 위치를 링크 上를 통해 사용자 영역의 C에 투영하여 핸들을 부착하였을 경우의 성능지수를 링크의 길이(링크 1} 는 각각 3.0 Z1; 3.5 4, 4.0 人)에 따라 각 점선, 쇄선, 이점쇄선으로 표시하였다. 전자의 경우에 적용한 성능지수가 X, z 방향으로 균일하여 등방적임을 알수 있으며, 후자의 경우에 링크 £의 길이가 상대적으로 길어지면 각 방향에 대해 성능지수의 변화가 작아지고, 조작성이 전체적으로 증가하지만, 저항성이 감소하여 사용자에게 제시할 수 있는 힘의크기가 감소하게 된다.
- HHC는 Fig. 2에서 설명한 독립적인 3자 유도 기구 2개를 병렬로 연결하여6자 유도를를 구현하도록 하였으며, 모든 액추에이터를 베이스에 장착하여 장치의 역구동성을 향상시키도록 하였다. 또한, 기구부와 핸들의 연결에 있어 2점 지지 방식을 취하여 순기구학의 해석이 쉽도록 하였다.
- HHC의 설계변수는, 전술한 바와 같이, 장치의 크기를 고려하여 妃 h, d를 각각 90mm, 100mm, 70mm로 선정하였다. 또한, 링크의 길이를 4의 3.
- 8(b)에 나타나 있는 핸들에 사용되는 스크류/너트의 리드(lead)를 선택하는데 있어, 장치의 정확도 및 힘 반영 효율을 고려하여 적절하게 선택하도록 주의하였다. HHC의 핸들에 사용된 스크류/리드의 리드각은 45°로서, 리드를 크게 하여 정확도를 향상人키고, 역구동성이 우수하도록 하였다.
- 결국, 일반적인 5절 링크를 이용한 3자유도 장치와 달리 모든 액추에이터를 베이스에 장착할 수 있으므로 역구동성을 향상시킬 수 있다. 따라서 제시한 기구는 독립적으로 3 자유도 햅틱 핸드 컨트롤러로 사용할 수 있지만, 본 연구에서는 6자유도 핸드컨트롤러인 HHC를 제작하기 위해 핸들 양단에 연결하는 독립적인 3 자유도 햅틱장치로 사용하였다.
- HHC는 2점 지지 방식을 채택하여, 병렬형 기구의 장점을 활용하면서도, 순기구학의 해석이 용이하도록 하였다. 또한, 복잡한 기구부를 베이스 뒤쪽에 배치하고, 사용자의 작업영역에는 단순화된 핸들 형태의 인터페이스만을 제시하였다.
- 제어기에서는 전류 센서를 이용한 전류제어 방식으로 모터 토크를 제어하게 된다. 또한, 실험에서는 실제 핸들에서 발생하는 힘을 직접 측정한 것이 아 니라, 공급된 전류로부터 자코비안 관계식을 이용하여 힘을 추정하는 방식을 사용하였다.
- 먼저, 장치의 크기, 부착면적 및 작업영역을 고려하여 h, h, d를 각각 90mm, 100mm, 70mm로선 정하였으며, 작업공간의 등방성, 힘 피드백의 효율성등을 고려하여 上를 3.叫, 3.5 4, 4.0 4의 몇 가지 경우로 설정한 후, 적절한 작업공간과 힘피드백 크기, 등방성 등을 고려하여 이를 결정하고자 한다.
- 본 논문에서는 핸들의 자유로운 운동능력을 나타내는 조작성(manipulability)과 효율적으로 힘을 제시할 수 있는 능력의 척도로 사용되는 저항성 (resistibility)을 이용하여 성능을 해석하고 설계변수 上를 최적화하였다“')
- 본 논문에서는, Fig. 2과 같이 5절링크와 짐벌기구를 이용하여, 핸드 컨트롤러에 사용하기 적합한 새로운 3자유도 기구를 설계하였다. 제시된 기구부는 5절링크 하부의 회전 관절을 짐벌기구로 대체하였으며, 5절링크 전체를 회전시키는 회전 관절의 축은, 5절 링크를 2자 유도로 움직여 주는 회전관절의 축과 일치하게 된다.
- 이러한 성능을 시험하기 위하여 햅틱 장치에서 발생되는 힘이 기준 힘 궤적을 추종하는 실험을 수행하였다. 실험에서는 HHC 핸들을 x = 0,y = 0, z = -180의 위치로 고정한 후에, 1N 크기의 힘을 계단입력 방식 이 나(Fig. 11)와 1Hz, 5Hz, 10Hz의 주파수를 갖는 정현파 입력 방식(Fig. 12)으로 제시하였고, 샘플링 시 간은 0.25msec로 설정하였다. 이때 기준 힘 궤적이 변화하면 제어기에서 이 힘을 발생시키기 위 하여 각 모터가 제공하여야 하는 토크 및 이에 해당하는 모터 공급 전류를 산출하게 된다.
- 우선 5절 링크와 짐 벌 기구를 이용하여 역구동성 이 우수한 3자 유도 기구를 구성하였으며, 이러한 2개의 3자 유도 기구를 결합하여 병렬형 6자 유도 기구를 구성하였다. 이러한 구조는 모든 액추에이 터를 베이스에 장착할 수 있도록 하여 역구동성을 높일 수 있고, 일반적인 3점지지 방식의 병렬기구와 다르게 순기구학의 해석이 용이하며, 복잡한 링크구조물과 사용자의 작업영역을 분리하여 단순한 인터페이스를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
- 햅틱 장치의 중요 기능 중의 하나는 가상환경에서 계산되거나 원격지에서 보내온 힘을 정확하고 신속하게 사용자에게 반영하는 것이다. 이러한 성능을 시험하기 위하여 햅틱 장치에서 발생되는 힘이 기준 힘 궤적을 추종하는 실험을 수행하였다. 실험에서는 HHC 핸들을 x = 0,y = 0, z = -180의 위치로 고정한 후에, 1N 크기의 힘을 계단입력 방식 이 나(Fig.
- 2과 같이 5절링크와 짐벌기구를 이용하여, 핸드 컨트롤러에 사용하기 적합한 새로운 3자유도 기구를 설계하였다. 제시된 기구부는 5절링크 하부의 회전 관절을 짐벌기구로 대체하였으며, 5절링크 전체를 회전시키는 회전 관절의 축은, 5절 링크를 2자 유도로 움직여 주는 회전관절의 축과 일치하게 된다. 결국, 일반적인 5절 링크를 이용한 3자유도 장치와 달리 모든 액추에이터를 베이스에 장착할 수 있으므로 역구동성을 향상시킬 수 있다.
- 제안된 HHC를 설계함에 있어서, 주요 설계변수로서 妃 ;2, h, d 등이 있으며, 작업공간 및 기구학적 성능을 고려하여 이를 결정하였다. 일반적으로 핸드컨트롤러는 베이스의 크기가 작으면서, 작업공간이 넓고, 각 방향에 대해 기하학적으로 등방적이어야(isotropic) 한다.
- 제안된 구조에 대해, 기구학적 성능지수를 해석하고 장치의 설계에 반영하여 기구 부를 제작하였으며, 제어기를 구성하여 PC와 연동한 통합시스템을 구축하고, 실험을 통해 장치의 사용성을 검증하였다. 현재 이를 이용한 다양한 응용 사례의 개 발이 진행되고 있다.
대상 데이터
- 복합된 .扁(Fig. 4 참조)를 구현하기 위하여 Fig. 8(a)에 도시한 바와 같이 상용으로 제작된 구면축수와 볼부시를 복합하여 사용하였다. 따라서 링크는 구면 운동을 하는 볼 부시 안으로 삽입되어 원활히 미끄럼 운동을 할 수 있다.
- 본 연구에서는 Fig. 1에 도시한, 2점 지지 방식 의 새로운 6 자유도 햅틱 핸드컨트롤러 인 KU-HHC(Korea University-Haptic Hand Controller, 이하 HHC라 칭함)를 개발하員다. HHC는 2점 지지 방식을 채택하여, 병렬형 기구의 장점을 활용하면서도, 순기구학의 해석이 용이하도록 하였다.
이론/모형
- Fig. 11 및 Fig 12에서 반영된 힘을 보면 구동모 터의 토크 리플 및 전류 센서에 의한 잡음이 섞여 있으며, 이를 해결하기 위해 하드웨어와 소프트웨어적으로 저 역통과 필터 (low-pass filter)를 사용하였다. Fig.
성능/효과
- 선정된 설계변수와 사용한 액추에이터를 통해 HHC에서 각 방향으로 제시할 수 있는 힘은 기구의 형상(configuration)에 따라 달라지며, 평균 약 5N의 힘을 반영할 수 있다. 선정된 설계변수에 의한 작업공간을 Fig.
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