This paper presents the effects of a virtual mass with a low-pass filter on stability boundaries of a virtual spring in the haptic system with first-order hold. A virtual mass is required to improve the realism of a virtual environment. However the second derivative of a displacement of a haptic device is needed while the inertia forces are computed, which causes the reflective force to change quickly and then makes the haptic system unstable. A low pass filter is added to resolve this problem and the stability region of a haptic system depends on the characteristics of the filter. In this paper the finite impulse response filter (FIR filter) is applied as one of low pass filters and the effect of the FIR filter on the stable region of a haptic system with first order hold is analyzed. When compared to stable region of the system without the FIR filter, the region of available virtual mass is increased by 20% and the maximum of the stable virtual spring is reduced by 32%, irrespective of the sampling time. Besides it is shown that the stable region of a virtual spring is proportional to the inverse square of the sampling period.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea CI
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v.48
no.2
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pp.1-8
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2011
In this paper, we propose a haptic display system that can convert Braille and tactual map(braille map) to tactile information recognizable through sense of touch almost in real-time. The proposed system consists of a haptic display hardware device, which actually delivers tactile signal to visually impaired people, and a device control software program, which converts Braille and tactile information to tactile signal and transfers it to the hardware device. Experimental evaluations of the proposed system were performed with 10 visually impaired persons. Experimental results show that the proposed system can provide similar Braille recognition rate and speed to those of existing Braille information devices. In addition, the proposed system converts tactile information to tactile signal under maximum 1.1 seconds, so that it can provide graphic information in almost real-time which is not possible with existing tactile devices, such as Braille printer.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.35
no.5
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pp.459-467
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2011
Rehabilitation exercises must maintain a patient's interest and permit a quantitative evaluation of the rehabilitation. We have developed a haptic-device system. When users move a grip, the haptic device provides a virtual force that either assists the movement of their arm or working against it. To investigate the functional effect of this system in a rehabilitation program, we used for five subjects with motor-function disorders and measured the grip position, velocity, force exerted on the grip, and EMG activities during a reaching task of one subject. The accuracy of the grip position, velocity and trajectories patterns were similar for all the subjects. The results suggested that the EMG activities were improved by applying the virtual force to the grip. These results can be used for the development of rehabilitation programs and evaluation methods.
Jeon, Jung In;Oh, Hyun Suk;Woo, Sang Hun;Kim, Sung Mok;Kim, Min Gun;Kim, Whee Kuk
The Journal of Korea Robotics Society
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v.12
no.2
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pp.194-205
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2017
A redundantly actuated planar 3-degree-of-freedom parallel mechanism is analyzed to show its high application potential as a haptic device. Its structure along with the closed form forward position solutions is briefly discussed. Then its geometric and kinematic characteristics via singularity analysis, the kinematic isotropy index, and the input-output force transmission ratio are investigated both for the redundantly actuated cases and for the non-redundantly actuated case. In addition, comparative joint torque simulations of the mechanism with different number of redundant actuations as well as without redundant actuation are conducted to confirm the improved joint torque distribution characteristics. Through these analyses it is shown that the geometric and kinematic characteristics of the redundantly actuated mechanism are superior to the ones of the mechanism without redundant actuation. Thus, it can be concluded that the suggested planar mechanism with redundant actuation has a very high potential for haptic device applications.
Transactions on Control, Automation and Systems Engineering
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v.3
no.4
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pp.217-222
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2001
We propose a new two-degree of freedom parallel mechanism for a haptic device and will refer to the mechanism as the SenSation. The SenSation is designed in order to improve the kinematic performanced and to achieve static balance. We use the panto graph mechanisms in order to change the location of active joints, which leads to transform a direct kinematic singularity into a nonsingularity. The direct kinematic singular configurations of the SenSation occur near the workspace boundary. Using the property that position vector of rigid body rotating about a fixed point is normal to the velocity vector, Jacobian matrix is derived. Using the vector method, two different types of singularities of the SenSation can be identified and we discuss the physical significance of each of the three types of singularities. We will compare the kinematic performances(force manipulability ellipsoid, kinematic isotropy) of the SenSation with those of five-var parallel mechanism. By specifying that the potential energy be fixed, the conditions for the static balancing of the SenSation is derived. The static balancing is accomplished by changing the center of mass of the links.
This paper presents the effect of data-hold methods on stability of haptic system with a virtual wall. When a human operator interacts with virtual wall, the lager the stiffness of the virtual wall is, the more realistic the operator feels that the virtual wall is. However, if the stiffness of the virtual wall becomes extremely large, the system may be unstable. When a virtual wall is designed, it is necessary to analyze the maximum available stiffness to guarantee a stable haptic interaction. The simulation model in this paper is developed based on the haptic device model, sampler, a virtual wall model, and data hold methods to compute the maximum stiffness for stability. The effectiveness of the simulation is evaluated through comparing the results of previous studies with the results of this simulation. In addition, the effects of two data hold methods, that is, zero-order hold (ZOH) and first-order hold (FOH) on the stability are analyzed and the values of the maximum available stiffness are compared through the simulation.
Transactions on Control, Automation and Systems Engineering
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v.4
no.1
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pp.2-8
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2002
This paper discusses haptic display for grasping a virtual object by two fingers. Much research has been done on fundamental analysis for stability of haptic display. But it is difficult to apply the results immediately to grasping situations by two fingers, since the studies usually deal with a single device and a single object and the fingertip force in grasping situations has two components, internal and external components. The conventional methods, which specify the coupling impedance at each contact point separately, have no other alternative but to specify the impedance for the sum of the internal and external components. So even if only the impedance for the external force should be changed, the impedance for the internal force is also changed at the same time. In this paper, a new method, in which the coupling impedance is specified separately for the internal and external forces, is proposed and the stability of the proposed method is discussed using passivity analysis for 1 -DOF(Degree-Of-Freedom) system. Finally, some experiments are performed to study the effects of the proposed method.
This paper describes interactive dynamic simulation schemes for articulated bodies in virtual environments, where user interaction is allowed through a haptic interface. We incorporated these schemes into our dynamic simulator I-GMS, which was developed in an object-oriented framework for simulating motions of free bodies and complex linkages, such as those needed for robotic systems or human body simulation. User interaction is achieved by performing push and pull operations with the PHANToM haptic device, which runs as an integrated part of I-GMS. We use both forward and inverse dynamics of articulated bodies for the haptic interaction by the push and pull operations, respectively. We demonstrate the user-interaction capability of I-GMS through on-line editing of trajectories for 6-dof (degrees of freedom) articulated bodies.
This paper presents the effects of a virtual mass on the stability boundary of a virtual spring in the haptic system. A haptic system consists of a haptic device, a sampler, a virtual rigid body and zero-order-hold. The virtual rigid body is modeled as a virtual spring and a virtual mass. According to the virtual mass and the sampling time, the stability boundary of the virtual spring is analyzed through the simulation. As the virtual mass increases, the value of the virtual spring to guarantee the stability gradually increases and then decreases after reaching the maximum value. These simulation results show that the addition of the virtual mass enables to expand the stability boundary of the virtual spring.
A haptic hand controller operated by the user's hand can receive information on position and orientation of the hand and display force and moment generated in the virtual environment to the hand. This paper presents a design method for KU-HHC, 6 DOF Korea University-haptic hand controller, which allows separation of workspace from linkage mechanism in consideration of the efficient user operation. First, the 3 DOF mechanism in which all the actuators are mounted on the fixed base is developed by combining a 5-bar linkage and gimbal mechanism. Then, the 6 DOF HHC is designed by connecting the two 3 DOF devices through a handle. This paper presents the forward and inverse kinematics for this device and Jacobian analysis. Improvement of the kinematic characteristics using performance index is also discussed. The hand controller KU-HHC based on this design concept and kinematic analysis was manufactured and shows excellent performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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