인체 상지 말단부의 재조정된 공간속도 기반 실시간 전 방향 매니퓰레이터 원격제어 프로토콜 = Real-time omnidirectional telemanipulation protocol based on rescaled spatial twist of human upper extremity
저자
발행사항
서울 : 숭실대학교 일반대학원, 2023
학위논문사항
학위논문(석사)-- 숭실대학교 일반대학원 : 기계공학과(일원) 2023. 8
발행연도
2023
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
41 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 이동훈
UCI식별코드
I804:11044-200000683336
소장기관
본 연구에서는 피험자의 진행방향 변화에도 직관적인 제어가 가능하도록 인체 상지부의 기구학적 해석을 기반으로 하는 다관절 로봇의 실시간 전 방향 원격제어 프로토콜을 제안한다. 본 연구의 주요 기여는 다음과 같다. 초기 보정동작을 통한 부동인체기준계 생성 및 센서 데이터 업데이트 방식을 기반으로 로봇 베이스와 피험자 베이스 간 상대적인 초기 자세를 알 수 있다. 따라서 지속적으로 변화하는 피험자의 진행방향 변화에도 일관적이고 직관적인 원격제어가 가능하다. 본 연구에서는 소량의 착용형 관성센서를 이용해 인체 상지부의 움직임을 분석한다. 또한, 센서 중복성을 최소화시키기 위해 골반부, 상완부, 전완부에 3개의 착용형 무선 관성 센서만을 사용하여 피험자 상지 말단부의 실시간 자세 및 공간속도를 계산한다. 특히 관성 센서의 bias 오차 누적으로 인한 drift error의 영향을 덜 받기 위해서 ROS 프로그램의 위치 제어기가 아닌 속도 제어기를 사용한다. 마지막으로 manipulability measure index를 기반으로 계산된 스케일 파라미터를 통한 선 속도 및 각속도의 재구성을 통해 사용자 친화적 실시간 로봇 원격조작 기술을 구현한다.
결과적으로, 피험자의 진행방향 변화에도 불구하고, 피험자의 의도대로 매니퓰레이터의 말단부 제어가 가능함을 확인하였다. 또한, 다양한 조건의 피험자를 대상으로도 제안된 방법이 적용 가능함을 보였다. 또한, 본 연구에서는 Optitrack의 모션 캡처 시스템을 기반으로 피험자의 손의 궤적과 다관절 로봇의 말단부 궤적을 비교하여 원격 조작의 성능을 검증하였다.
In this study, we propose a real-time omnidirectional telemanipulation protocol for manipulator based on the kinematic analysis of the upper-extremity of the human body so that intuitive control is possible even when the subject’s heading direction changes. The main contributions of this study are as follows. It is possible to know the relative initial posture between the robot base and the operator base based on the method of creating a floating body fixed frame through initial correction and updating sensor data, enabling consistent and intuitive telemanipulation even in the constantly changing direction of the subject. In this study, in order to minimize sensor redundancy, only three wearable wireless inertial sensors in the pelvic, upper arm, and forearm are used to calculate the real-time posture and spatial velocity of the extremity of the subject's upper extremity. In particular, in order to be less affected by the drift caused by the accumulation of bias errors of the inertial sensor, the speed controller was used instead of the position controller of the ROS program. Finally, the user convenience of telemanipulation is increased through reconstruction of linear and angular motions through rescaling parameters calculated based on the manipulability index.
As a result, it was confirmed that it was possible to control the distal end of the articulated robot as the subject intended regardless of the change in the subject's direction of movement, and it was shown that the proposed method could be applied to subjects under various conditions. In addition, in this study, the performance of telemanipulation was verified by comparing the trajectory of the subject's hand and the trajectory of the distal end of the articulated robot based on the motion capture system of Optitrack.
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