[논문 리뷰] A New Six Degree-of-Freedom Haptic Device based on the Orthoglide and the Agile Eye

Damien Chablat, Philippe Wenger|ArXiv.org|2007. 07. 24.

Teleoperation and Haptic Systems참고 문헌 23인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 직선 운동을 위한 Orthoglide와 회전 운동을 위한 Agile Eye 평행 기구를 통합한 새로운 6-DOF 힘 전달 장치를 제안하며, 실시간 제어를 위한 분리된 운동학을 달성한다. 다리 길이를 최적화하고 등방성 구성 조건을 활용함으로써 높은 유연성, 거의 입방체 형태의 작업공간, 사용자에게 직관적인 제한 조건을 제공한다.

ABSTRACT

The aim of this paper is to present a new six degree-of-freedom (dof) haptic device using two parallel mechanisms. The first one, called orthoglide, provides the translation motions and the second one produces the rotational motions. These two motions are decoupled to simplify the direct and inverse kinematics, as it is needed for real-times control. To reduce the inertial load, the motors are fixed on the base and a transmission with two universal joints is used to transmit the rotational motions from the base to the end-effector. The main feature of the orthoglide and of the agile eye mechanism is the existence of an isotropic configuration. The length of the legs and the range limits of the orthoglide are optimized to have homogeneous performance throughout the Cartesian workspace, which has a nearly cubic workspace. These properties permit to have a high stiffness throughout the workspace and workspace limits that are easily understandable by the user.

연구 동기 및 목표

• 실시간 제어를 향상시키기 위해 분리된 직선 및 회전 자유도를 가진 6-DOF 힘 전달 장치를 개발하는 것.
• 기구의 기저부에 모터를 장착하고 유니버설 조인트를 사용해 토크를 전달함으로써 관성 부하를 최소화하는 것.
• Orthoglide 기구의 다리 길이와 범위 한계를 최적화하여 작업공간 전반에서 균일한 성능을 달성하는 것.
• Orthoglide와 Agile Eye 양 기구의 등방성 구성 조건을 활용하여 일관된 유연성과 예측 가능한 작업공간 경계를 확보하는 것.
• 사용자에게 쉽게 이해할 수 있고 직관적인 형태의 작업공간을 설계하여 힘 전달 응용 분야에서의 사용성을 향상시키는 것.

제안 방법

• 기구는 최적화된 다리 길이를 통해 등방성 성능을 확보하는 Orthoglide 평행 기구를 사용하여 3개의 직선 자유도를 제공한다.
• 3개의 회전 자유도를 확보하기 위해 Agile Eye 기구를 활용하며, 직선 운동과의 분리된 운동을 보장한다.
• 모터는 기구의 기저부에 고정되어 있고, 두 개의 유니버설 조인트를 통해 회전 운동을 전달함으로써 종단 기구의 관성 부하를 감소시킨다.
• 운동학의 분리로 인해 직접 및 역행 운동학 계산이 단순화되어 실시간 제어가 가능해진다.
• 양 기구의 등방성 구성 조건을 활용하여 카르테시안 작업공간 전반에서 균일한 유연성과 성능을 확보한다.
• 작업공간의 한계는 사용자에게 직관적이고 쉽게 이해할 수 있도록 설계되어 시스템의 사용성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 하면 실시간 제어를 위한 분리된 직선 및 회전 운동을 보장하는 6-DOF 힘 전달 장치를 설계할 수 있는가?
• RQ2 평행 운동학 기구에서 작업공간 균일성과 유연성을 최적화하기 위해 어떤 설계 선택이 필요한가?
• RQ3 고역동성 성능을 가진 힘 전달 장치에서 관성 부하를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ4 Orthoglide와 Agile Eye 기구의 등방성 구성 조건이 성능 일관성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 6-DOF 힘 전달 시스템에서 작업공간의 형태와 한계를 어떻게 사용자에게 직관적이고 친화적으로 만들 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 사용자에게 유용성과 예측 가능성을 향상시키는 거의 입방체 형태의 작업공간을 달성한다.
• Orthoglide와 Agile Eye 기구의 등방성 구성 조건은 작업공간 전반에서 균일한 성능과 높은 유연성을 보장한다.
• 분리된 운동학은 직접 및 역행 운동학 해법을 크게 단순화하여 실시간 제어를 가능하게 한다.
• 기구의 기저부에 모터를 장착하고 유니버설 조인트를 사용함으로써 종단 기구의 관성 부하가 감소하여 동적 반응성이 향상된다.
• 최적화된 다리 길이와 범위 한계는 명확하고 쉽게 이해할 수 있는 경계를 가진 작업공간을 만들어낸다.
• Orthoglide와 Agile Eye 기구의 통합은 전체 카르테시안 작업공간에서 높은 유연성과 일관된 성능을 달성한다.