[논문]컨택트 작업 시 햅틱 인터렉션의 투명성 향상을 위한 Virtual Coupling 기법의 설계

김명신; 이동준

doi:10.7746/jkros.2013.8.3.186

컨택트 작업 시 햅틱 인터렉션의 투명성 향상을 위한 Virtual Coupling 기법의 설계
Toward Transparent Virtual Coupling for Haptic Interaction during Contact Tasks 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.8 no.3, 2013년, pp.186 - 196

김명신 (Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) , 이동준 (Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Since its introduction (e.g., [4, 6]), virtual coupling technique has been de facto way to connect a haptic device with a virtual proxy for haptic rendering and control. However, because of the single dependence on spring-damper feedback action, this virtual coupling suffers from the degraded transparency particularly during contact tasks when large device/proxy-forces are involved. In this paper, we propose a novel virtual coupling technique, which, by utilizing passive decomposition, reduces device-proxy position deviation even during the contact tasks while also scaling down (or up) the apparent inertia of the coordinated device-proxy. By doing so, we can significantly improve transparency between multiple degree of freedom (possibly nonlinear) haptic device and virtual proxy. In other to use passive decomposition, disturbance observer of [3] is adopted to estimate human force with some dead-zone modification to avoid "winding-up" force estimation in the presence of device torque saturation. Some preliminary experimental results are also given to illustrate efficacy of the proposed technique.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 다자유도 연속시간의 햅틱 디바이스와 이산시간 가상 프록시 사이의 투명한 virtual coupling의 설계 기법을 소개하였다. 제시된 기법은 적절한 피드포워드 항을 통하여 정확한 위치정합제어와 결합된 햅틱 디바이스와 가상 프록시의 겉보기 관성의 조절이 가능하고, 이를 통하여 컨택트 작업 중에도 기존 virtual coupling 기법의 투명성을 눈에 띄게 향상시킬 수 있었다.
이 논문은 햅틱 인터렉션에서 virtual coupling 기법의 투명성(transparency)을 향상시키는 데에 있다. 특별히 질점(point mass)의 가상 프록시^[1,5,6,15]에 비해 훨씬 다양한 햅틱인터렉션을 가능케 하는 비선형 라그랑지 동역학을 갖는 다자유도 가상 프록시^[17]를 통한 햅틱 인터렉션의 경우를 고려한다.
이제, VP가 가상의 물체(예를 들어, 가상의 벽)와 접촉하고 있는 경우를 생각해 보자. 이 경우, 사용자는 VP와 가상 물체 사이의 컨택트힘을 그대로 느끼길 원할 것이다.

가설 설정

이제 디바이스 토크의 포화가 발생하고 이 포화현상이 힘 추정 (25)에는 반영되지 않았다고 가정하자. 이는 힘 추정 과정 (25)에서 실제 T = T_m대신에 T = T_c가 사용됨을 의미한다.

제안 방법

이러한 다자유도 라그랑지 프록시는 그의 끝 점뿐 아니라 링크의 임의 위치에서의 접촉을 구현할 수 있다. (Fig. 1) 이와 같은 비선형 다자유도 프록시와 햅틱 디바이스의 위치정합제어를 위하여, 이 논문에서는 passive decom- position^[18,19] 기법을 도입하여 추가적인 피드포워드 제어를 설계하였다. 그렇게 함으로써 컨택트 시에 위치 정합오차를 효과적으로 줄여주며, 동시에 위치정합을 이룬 디바이스와 프록시의 겉보기 관성을 감소시켜(경우에 따라서 증가) virtual coupling을 통한 햅틱 인터렉션의 투명성을 향상시켰다.
기법을 연속시간(continuous-time)의 햅틱 디바이스와 이산시간 (disc- rete-time)의 가상 프록시 사이의 혼합시간(hybrid-time) 인터페이싱 문제로 확장하여, 디바이스와 프록시의 동역학을 위치정합양상을 나타내는 shape system과 결합된 동역학을 나타내는 locked system으로 나눈다. 그 후, shape system에 대하여, 위치정합 오차를 발생시키는 사용자와 가상현실로부터 프록시가 받는 힘을 상쇄시키며 shape system의 configuration(마스터와 슬레이브의 위치정합양상)을 0으로 수렴시키는 제어기를 설계하였다. 그와 함께 locked system에 대한 사용자와 가상현실의 힘을 적절히 증가(혹은 감소)시킴으로 정합제어된 locked system의 겉보기 관성을 조절하는 제어기를 설계하였다.
그러나 사용자의 힘 F₁의 측정은 힘센서를 필요로 하며, 대부분의 상용 햅틱 장비(예를 들면, Force Dimension Omega3®, Geomagic Phantom Omni®, Novint Falcon®)에서는 사용이 불가능하다. 그러므로 본 연구에서는 힘센서의 사용을 피하고자 [3]에 제시된 외란관측기를 도입하여 사용자의 작용힘을 추정하는 기법을 다음 장에서 다루도록 한다.
물론 보다 큰 스프링 이득 K_vc를 통하여 투명성의 향상을 생각해 볼 수 있지만, 이는 수동성 조건 (2) 및 그 성질상 한계가 분명함을 알 수 있다. 그러므로 상기한 방법대신 본 논문에서는 passive decomposition^[18,19]를 이용하여, 다자유도 VP와 HD의 비선형 동역학을 고려한 적절한 피드포워드 제어기를 설계하였다.
그 후, shape system에 대하여, 위치정합 오차를 발생시키는 사용자와 가상현실로부터 프록시가 받는 힘을 상쇄시키며 shape system의 configuration(마스터와 슬레이브의 위치정합양상)을 0으로 수렴시키는 제어기를 설계하였다. 그와 함께 locked system에 대한 사용자와 가상현실의 힘을 적절히 증가(혹은 감소)시킴으로 정합제어된 locked system의 겉보기 관성을 조절하는 제어기를 설계하였다.
만약 η <1이라면 전체 겉보기 관성은 실제보다 작아지게 된다. 다음 3장에서는 위의 passive decomposition에 기반한 제어 (9)-(10)을 확장하여 연속시간의 햅틱 디바이스와 이산시간의 가상 프록시 사이의 virtual coupling 기법의 투명성을 향상시키기 위한 방법을 제시하였다.
위의 혼합시간의 제어를 위하여서 passive decomposition이 사용되었으며, 사용자의 힘 추정을 위한 비선형 외란관측기법이 사용되었다. 또한 외란 추정 시에 장비포화 현상을 다루기 위한 투영기법을 제시하였고, 제시된 기법의 성능을 검증하기 위한 실험들과 그 결과를 제시하였다.
또한, 컨택트 작업을 위한 가상 물체로서 가상 프록시의 첫 번째 링크 qv1 >0.75[rad]에서 접촉할 수 있는 벽과 비슷한 물체를 만들었다 (Fig. 2).
본 연구의 실험을 위하여 Phantom Omni®가 햅틱 디바이스로 사용되었다. 실험을 위해 1자유도의 구동축을 고정하고 나머지 2자유도만을 이용하였다. 2자유도의 비선형 라그랑지안 가상 프록시의 임플리멘테이션에 사용된 파라미터들은 다음과 같다: (m_v1,m_v2 )=(0.
가상현실의 컨택트힘은 언제나 측정할 수 있는 반면, 사용자의 힘 정보는 대부분의 상용 햅틱 디바이스(예를 들면, Force Dimension Omega3®, Geomagic Phantom Omni®, Novint Falcon®) 에서 사용이 불가능하다. 이 문제를 해결하기 위하여, 참고 문헌 ^[9]에서와 같이, 외란관측기^[3]를 도입하였고, 이를 통해 제안된 제어기법을 위한 사용자의 힘 정보를 힘센서 없이 추정하여 사용하였다. 또한 디바이스의 포화(saturation)으로 인한 외란관측 정보의 “winding-up” 효과를 완화하기 위한 “dead zone” 기법^[23] 또한 사용되었다.
이를 위해, 먼저, passive decomposition[18,19] 기법을 연속시간(continuous-time)의 햅틱 디바이스와 이산시간 (disc- rete-time)의 가상 프록시 사이의 혼합시간(hybrid-time) 인터페이싱 문제로 확장하여, 디바이스와 프록시의 동역학을 위치정합양상을 나타내는 shape system과 결합된 동역학을 나타내는 locked system으로 나눈다.
이와 같은 “winding-up” 현상을 방지하기 위해, 우리는 장비의 포화 정보를 힘 추정기 (25)에 포함하는 방법을 사용하였다.
즉, 이러한 현상의 원인이 (25)에서 Tm대신 Tc 가 사용되는 것이므로 만약 Tc ≥ Tm이면 (25)에 Tm을 사용하도록 하였다.

대상 데이터

본 연구의 실험을 위하여 Phantom Omni®가 햅틱 디바이스로 사용되었다.

이론/모형

2장과는 다르게 햅틱 시스템은 연속시간의 햅틱 디바이스(HD)와 이산시간의 가상 프록시(VP)로 이루어진 혼합시간의 시스템이다. 본 연구에서는 HD를 n자유도의 비선형 라그랑지안 동역학 (3)으로 모델링하였고, (Fig. 1) 마찬가지로 n자유도 라그랑지안 VP를 NPMI기법을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 상술하자면, n자유도 동역학 식 (4) 를 모사하기 위한 VP의 NPMI 표현식이 [17]에 의해 다음과 같이 주어진다.
사람이 햅틱 장비 (3)에 작용하는 힘을 추정하기 위해, 본 연구에서는 [3]의 비선형 외란관측기를 이용하였다. 이를 위하여, 사람의 힘 F₁을 외란 d로서 고려하자.
제시된 기법은 적절한 피드포워드 항을 통하여 정확한 위치정합제어와 결합된 햅틱 디바이스와 가상 프록시의 겉보기 관성의 조절이 가능하고, 이를 통하여 컨택트 작업 중에도 기존 virtual coupling 기법의 투명성을 눈에 띄게 향상시킬 수 있었다. 위의 혼합시간의 제어를 위하여서 passive decomposition이 사용되었으며, 사용자의 힘 추정을 위한 비선형 외란관측기법이 사용되었다. 또한 외란 추정 시에 장비포화 현상을 다루기 위한 투영기법을 제시하였고, 제시된 기법의 성능을 검증하기 위한 실험들과 그 결과를 제시하였다.
m_⋆,I_⋆,l_⋆는 각각 가까운 쪽 관절과 먼 쪽 관절의 질량, 관성 모멘트, 그리고 길이를 의미한다. 햅틱 디바이스의 파라미터 추정을 위해서는 최소제곱추정 기법(least square estimation)이 사용되었다. 사용된 햅틱 장비의 질량은 (m_h1,m_h2 )=(0.

성능/효과

3에 나타내었다. Fig. 3의 결과를 통해 피드포워드 항을 추가한 제시된 제어기법이 컨택트 중에도 위치정합을 훨씬 정확하게 유지하여 햅틱 인터랙션의 투명도를 향상시킴을 확인할 수 있었다. 또한 컨택트가 일어나는 순간에 충돌힘^[7]을 사용하여 사용자의 역감을 향상시킬 수 있었다.
4의 그래프는 햅틱 디바이스의 제어토크의 크기 대비 위치정합오차의 크기를 나타낸 것으로 여러 번의 컨택트(벽에 다가가는 과정과 나오는 과정 포함) 행위를 통하여 얻은 결과이다. 그래프에서 볼 수 있듯이, 기존의 virtual coupling 기법은 제어토크의 크기에 선형적으로 비례하여 위치정합오차가 증가하는데 반해, 제안된 passive decomposition에 기반한 제어기법의 경우 작용힘과 상관없이 위치정합오차를 작게 유지할 수 있어서 제안된 기법의 성능을 확인할 수 있었다. 한편, Fig.
1) 이와 같은 비선형 다자유도 프록시와 햅틱 디바이스의 위치정합제어를 위하여, 이 논문에서는 passive decom- position^[18,19] 기법을 도입하여 추가적인 피드포워드 제어를 설계하였다. 그렇게 함으로써 컨택트 시에 위치 정합오차를 효과적으로 줄여주며, 동시에 위치정합을 이룬 디바이스와 프록시의 겉보기 관성을 감소시켜(경우에 따라서 증가) virtual coupling을 통한 햅틱 인터렉션의 투명성을 향상시켰다.
7에 나타내었다. 실험의 결과로부터, 투영기법을 사용하지 않은 경우 프록시가 가상의 벽 안으로 침입할 뿐만 아니라 사용자의 힘이 크게 추정되어 가상의 물체 밖으로 나올 때 축적된 힘의 영향으로 원치 않는 힘과 위치오차가 발생함을 확인할 수 있었다(Fig. 6). 그러나 투영기법을 사용한 경우 어느 정도의 위치오차는 발생하지만, 이러한 “windingup” 문제를 해결할 수 있었고 굉장히 선명한 역감을 사용자에게 전달할 수 있었다.
즉, 이러한 현상의 원인이 (25)에서 T_m대신 T_c 가 사용되는 것이므로 만약 T_c ≥ T_m이면 (25)에 T_m을 사용하도록 하였다. 이 방법을 사용하여, 우리는 디바이스 토크 포화 상황에서의 힘 추정 시 발생하는 winding-up 현상을 효과적으로 줄여줄 수 있었다. 이러한 장비포화로 인한 문제는 #을 T_m보다 작게 직접 투영하는 방식으로 [9]에서도 고려가 되었다.
본 연구에서는 다자유도 연속시간의 햅틱 디바이스와 이산시간 가상 프록시 사이의 투명한 virtual coupling의 설계 기법을 소개하였다. 제시된 기법은 적절한 피드포워드 항을 통하여 정확한 위치정합제어와 결합된 햅틱 디바이스와 가상 프록시의 겉보기 관성의 조절이 가능하고, 이를 통하여 컨택트 작업 중에도 기존 virtual coupling 기법의 투명성을 눈에 띄게 향상시킬 수 있었다. 위의 혼합시간의 제어를 위하여서 passive decomposition이 사용되었으며, 사용자의 힘 추정을 위한 비선형 외란관측기법이 사용되었다.

후속연구

반면에, 식 (18)-(19)의 나머지 항 들은 일반적으로 수동성을 보장하지 않는다. 이들의 수동성을 보장하기 위한 기법, 예컨대 가상의 에너지 저장 장치인 fictitious flywheel 기법^[18]이나 PO/PC 기법^[10]등의 도입은 이후 수행될 연구에서 논의될 것이다. 비록 앞서의 이유로 (18)-(19)의 수동성이 보장되지 않고, 결과적으로 VP의 파라미터 선택에 약간의 제한이 있음에도 불구하고, (16)-(17)의 passive decomposition을 통해 설계된 추가적인 “피드포워드” 제어입력을 통하여 비선형 다자유도 HD-VP의 기존 virtual coupling (1)의 투명성을 매우 향상 시킬 수 있었고, 관련한 실험결과를 4장에 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	virtual coupling 기법이 가상물체와 컨택트 작업 시에 투명성의 저하를 겪게 되는 이유는 무엇인가?	이 기법과 관련된 적용과 보다 자세한 이론적 결과들은[5,11-13,15, 22]에서 찾아볼 수 있다. 그러나 그 사용의 광범위함과 햅틱 분야에서의 지배적인 존재감에도 불구하고, virtual coupling 기법은 가상물체와의 컨택트 작업 시에 투명성의 저하를 겪게 되는데, 이는 virtual coupling 기법이 전적으로 스프링-뎀퍼의 피드백 작용으로 이루어져 있고 피드포워드 제어를 통한 사람의 작용힘과 가상 프록시에 작용하는 접촉힘의 상쇄가 이루어지지 않기 때문이다. 이상적인 투명성[24]은 햅틱장비와 가상의 프록시 사이의 완벽한 위치정합제어와 위치정합이 이루어졌을 때의 겉보기 관성이 없을 때 얻어지는데, virtual coupling 기법은 가상공간의 접촉힘을 생성하기 위하여 항상 위치정합오차를 필요로 하게 된다.
	Virtual coupling의 장점은 무엇인가?	Virtual coupling[1,4,6]은 그 구조가 간단하고 직관적으로 사용이 가능하기 때문에 햅틱장비와 가상공간의 프록시 사이의 제어를 위해 광범위하게 사용되는 기법이다. 이 기법과 관련된 적용과 보다 자세한 이론적 결과들은[5,11-13,15, 22]에서 찾아볼 수 있다.
	대부분의 연구에서 외란관측기법은 어떻게 사용되었는가?	외란관측기법은 원격제어와 햅틱스를 다룬 많은 다른 연구들[8,9,14,20]에서도 도입되었다. 그러나, 대부분의 연구에서 내부축간 연결에 의한 동적 효과나 마찰 등의 원치 않는 외력을 상쇄해주기 위해 사용되었고, 본 연구에서처럼 사용자의 힘을 측정하기 위한 사용은 많지 않았다. 한편, [9]에서 본 연구에서 사용된 것과 같은 형식의 외란관측기법[3]이 사용자의 힘 추정을 위하여 도입되었으나 1자유도 질점 형식 프록시와의 햅틱 인터렉션에 대해 사용되었고, 그러므로 본 연구에서 사용된 것과 같은 다자유도 비선형 프록시에 대해서의 확장 및 적용은 분명치 못한 면이 있었다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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