Stability of Haptic System with consideration for Sample-and-Hold Methods and Properties of Haptic Device

In a haptic system, a virtual wall is modeled as a virtual spring. The larger the stiffness of the virtual spring is, the more improved the reality of the virtual wall is, but the more unstable the haptic system becomes. This paper shows how to increase the stiffness of the virtual spring while the stability of the haptic system is guaranteed and shows the effects of a mass (Md) and a damper (Bd) of a haptic device on the stability when first-order hold method is applied and a virtual wall is modeled as a virtual spring (Kw). The simulation results show the boundary of the virtual spring is proportional to the square root of the mass (Md) and the damper (Bd) while maintaining the stability. The relation among the virtual spring (Kw), the mass (Md) and the damper (Bd) of the haptic device, and sampling time (T) is inferred as $K_w{\leq}{1.611M_d}^{0.50}{B_d}^{0.50}T^{-1.51}$, by using the simulation results. The maximum available stiffness of the virtual spring in first-order hold method is larger than in zero-order hold method. So the reality of the virtual wall can be improved.

샘플-홀드 방식과 햅틱 장치 물성치에 따른 햅틱 시스템의 안정성 분석

햅틱 시스템에서 가상 벽의 스프링상수 (Kw)가 크면 클수록 사용자는 실제 벽처럼 느끼지만 햅틱 시스템은 그만큼 불안정해진다. 그래서 시스템의 안정성을 유지하면서 가상 벽에 대한 사용자 몰입감을 향상시키기 위해서 일차 홀드 방식을 이용한 방법을 제시하고자 한다. 특히 가상 벽 (virtual wall)로 구성된 가상 환경과 상호 작용할 때 일차홀드 (FOH) 방식을 이용하는 경우 햅틱 장치의 물성치인 질량 (Md)과 댐핑 상수 (Bd)가 시스템의 안정성에 미치는 영향을 분석한다. 시뮬레이션을 통해 시스템의 안정성을 유지하는 가상 벽의 스프링 상수 (Kw)가 햅틱 장치의 질량 (Md)과 댐핑 상수 (Bd)의 제곱근에 비례한다는 것을 보이고, 이를 통해 기존의 영차홀드 (ZOH) 방식보다 큰 가상 스프링의 구현이 가능함을 보인다. 따라서 사용자의 몰입감 높은 햅틱 시스템 구현이 가능함을 보인다. 그리고 시뮬레이션 결과분석을 통해 시스템 안정성을 보장하는 가상 스프링 상수 (Kw)의 범위를 샘플링 주기 (T), 햅틱 장치의 질량 (Md), 댐핑 상수 (Bd)의 관계로 유도한 결과가 $K_w{\leq}{1.611M_d}^{0.50}{B_d}^{0.50}T^{-1.51}$ 임을 보인다. 이 때 시뮬레이션 결과와의 상대 오차가 평균 0.53%로 매우 작다.