Stability Analysis of a Haptic System with a Human Impedance model using the Routh-Hurwitz Criterion

This paper presents the stability analysis of the haptic system including a human impedance using the Routh-Hurwitz criterion. The reflective force is computed from a virtual spring model and is transferred to a human operator using the first-order-hold method. The stability boundary conditions are induced and the relation among a virtual spring ($K_w$), the mass ($M_h$), the damping ($B_h$) and the stiffness ($K_h$) of a human impedance is analyzed. Hence the stability boundary of the virtual spring ($K_w$) is proposed as $K_w{\leq}54413{\sqrt{(M_h+M_d)(B_h+B_d)}}-0.486K_h$ when the sampling time is 1 ms. The average relative error is about 0.5% when the mathematical analysis results are compared with the results of the stability boundary model.

루드-후르비쯔 (Routh-Hurwitz) 안정성 판별법을 이용한 인간의 임피던스가 포함된 햅틱 시스템의 안정성 분석

햅틱 시스템에는 사용자인 인간이 항상 포함되므로, 인간 임피던스에 의한 시스템 안정성 분석이 필요하다. 특히, 일차 홀드 방식의 햅틱 시스템에 대한 인간 임피던스의 안정성 영향 분석이 미진하다. 본 논문에서는 선형 2차 시스템으로 모델화된 인간의 임피던스 모델을 포함하는, 일차 홀드 방식의 햅틱 시스템에 대한 안정성을 루드-후르비쯔 (Routh-Hurwitz)안정성 판별법을 이용하여 해석했다. 가상 벽 모델인 가상 스프링 상수 ($K_w$)의 안정성 영역과 인간 임피던스의 질량 ($M_h$), 댐핑 ($B_h$),그리고 스프링 상수 ($K_h$)와의 관계를 루드-후르비쯔 안정성 판별법을 이용하여 분석한 결과, 스프링 상수 ($K_h$)가 일정할 때 가상 스프링 상수 ($K_w$)는 인간 임피던스의 질량 ($M_h$)과 댐핑 ($B_h$)의 제곱근에 비례했다. 또한 인간 임피던스의 질량 ($M_h$)또는 댐핑 ($B_h$)가 일정할 때 가상 스프링 상수 ($K_w$)는 스프링 상수 ($K_h$)의 0.48배만큼 감소했다. 이를 종합하여 $K_w{\leq}54413{\sqrt{(M_h+M_d)(B_h+B_d)}}-0.486K_h$의 모델을 제안했고, 이론 값들과 제시된 모델로부터 계산된 값을 비교한 결과 평균적인 상대오차가 0.5%로 작게 나타났다. 제시된 모델이 인간 임피던스 모델과 가상 스프링 상수와의 관계를 비교적 잘 표현하고 있다.