산업용 로봇 팔 제어를 위한 마스터 암 설계 및 제어
Design and Control of the Master Arm for Control of Industrial Robot Arm
지대형1, 전지혜1, 강현승1, 최형식1,
Dae Hyeung Ji1, Ji Hye Jeon1, Hyeon Seung Kang1, and Hyeung Sik Choi1,
1 한국해양대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Korea Maritime and Ocean University)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-51-410-4297 Manuscript received: 2015.1.14 / Revised: 2015.7.29. / Accepted: 2015.9.21.
In this paper, a new master arm was developed as an input device of the remote control system for easy control of the industrial robot arm; it has a structure similar to the robot arm and is easy to wear. For control of the slave arm, related equations were derived about the joints between the master and slave arm; and thereby using them, the master arm control system was developed.
Furthermore, a control simulator was developed for the convenient and accurate control of the slave arm. Experiments, about controlling the slave arm in applying the master arm, were performed to validate the developed simulator and the derived related equations.
KEYWORDS: Teleoperation system (원격조종 시스템), Master arm (마스터 암), Slaver arm (슬레이브 암), Teaching pendant (경로 생성 장치), Path command (경로 명령)
1. 서론
산업체에서 로봇 팔을 이용하여 용접이나 집기 -잡기와 같은 반복작업을 할 때, 대체로 교시장치 를 이용하여 로봇의 경로를 프로그램밍 하고 있다.
하지만 기준좌표를 정하기 어려운 다양한 작업을 하는 필드에서는 교시장치는 적용이 어렵다. 이러한 현장에서 로봇 팔을 제어하기에 적합한 방법 중의 하나가 원격조종 시스템(teleoperation system)이다.
원격조종 시스템은 Goetz1에 의해 최초로 원전 조종(nuclear operation)에 도입되었으며, 이러한 원 격제어는 작업자와 제어 대상 로봇이 동일한 작업 공간에 있지 않아도 되는 장점으로 인간의 접근이 어렵거나 위험한 극한 심해저, 우주, 원전 환경의 다양한 작업이나 원격시술(tele-surgery) 및 폭발물
제거 등에 광범위하게 적용되고 있다.2-4
이러한 원격제어 시스템의 한 종류로써 의료, 군사 등 여러 산업 분야에서 인체공학에 대한 지속 적인 연구와 함께 인체에 착용하는 착용식 교시장 치의 연구개발이 진행되고 있다. 이것은 인간이 잡 고 조작하는 마스터 암(master arm)과 원거리에서 실 제로 작업을 수행하는 매니퓰레이터로 제작된 슬레 이브 암(slave arm), 그리고 마스터 암과 슬레이브 암 과의 정보 교환을 위한 제어기로 구성되어 있다.5
마스터 암은 설계 시 착용의 간편성, 소형화, 경량성, 이동성, 기구 메커니즘, 운동/작업 범위, 센서 및 액츄에이터는 마스터 암의 필수적으로 고 려되어야 할 요소로 장치의 크기, 무게 및 이동성 과 직결된다. 힘 반향 구현 시 액츄에이터로 전기 모터를 사용한 연구들이 있다.6,7 이들은 구동회로 __________
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의 복잡함, 이동성의 어려움, 장치의 중량화가 단 점있으며, 공압 실린더를 이용한 경우,8 장치의 소 형화, 경량화는 얻어지나, 힘 반향을 위한 공기 공 급장치(air compressor)가 필수적이어서 이동성이 미 흡한 단점이 있다. 병렬형 메커니즘에 기초하는 마스터 암은 정교한 작업의 수행이 가능하나, 직 렬형 메커니즘에 비해 운동 범위가 상대적으로 작 은 단점이 있다.
로봇 팔을 제어하기 위한 마스터 암에 대한 연 구를 수행한 경우들 중의 하나로 한국과학기술연 구원에서 개발한 7자유도 착용식 마스터 암이 있 다.9 어깨 관절로부터 손목관절까지 착용하는 형태 로 다양한 모드로 힘 궤환이 가능하도록 설계되어 있지만 공압 특성상 비선형성과 반응시간 지연의 문제가 있다. 또한 Rutgers 대학교에서 공압을 사 용하여 힘 궤환을 구현한 마스터 암이 있다.10 이 는 모터기반의 마스터 암에 비해 크기를 줄였지만 공압식의 단점을 극복하지 못하였다.
본 논문에서는 7자유도(degree of freedom) 산업 용 로봇 팔을 원격제어하기 위해 인체에 착용하기 적합한 구조의 7자유도 마스터 암의 기구부 설계 및 제작과 이를 제어하기 위한 제어시스템을 개발 하였다. 개발한 마스터 암을 이용하여 산업용 로 봇 팔인 슬레이브 암을 용이하고 정밀하게 제어하 기 위한 관계식을 유도하였다. 또한, 실험을 통하 여 슬레이브 암을 용이하게 제어하는 성능을 입증 하였다.
2. 마스터 암의 설계
로봇의 원격 조정 장치로는 경로 생성 장치와 마스터 암 등이 사용되고 있다. 경로 생성 장치는 작업자의 손으로 로봇을 제어하도록 조이스틱 또 는 스위치 등으로 구성된 장치이다. 이는 사용이 간편하고 저가인 반면, 로봇이 항상 관찰 가능한 위치에 있어야 하고 현장 상황을 유연하게 대처하 지 못하는 단점이 있다. 마스터 암은 로봇의 구조 와 유사하게 기구 구조를 구성하여 작업자의 팔에 착용하여 작업 대상인 실제 로봇을 제어할 수 있 도록 경로 명령(path command)을 생성하는 장치이 다. 이는 자연스럽고 폭넓은 경로로 움직일 수 있 기 때문에, 최근 원격제어 장치로 널리 이용되고 있다.11,12
본 논문에서 연구한 마스터 암은 산업현장에 대부분 사용하고 있는 산업용 로봇 팔의 구조와
유사한 구조로 그립퍼를 포함한 7축 구조로 설계 하였다.
본 연구에서 개발한 마스터 암은 Fig. 1과 같은 그리퍼를 포함한 7자유도 산업용 로봇 팔을 원격 제어하기 위하여 7축 관절을 가지며 Fig. 2와 같이 설계하였다. 마스터 암의 관절 구조는 어깨 축으 로부터 yaw, roll, pitch, pitch, roll, yaw 구조로 설계하 였다. 길이는 어깨부터 그립퍼 끝단까지 1023.5- 1169mm이고 짐벌부는 253.5mm, 상완부는 448.5- 518.5mm, 하완부는 317-397mm로 착용자가 길이를 조정 할 수 있도록 설계하였다. 구동을 용이하게 하기 위해 마스터 암의 어깨 관절은 어깨관절의 구성과 같은 3자유도 운동을 할 수 있도록 5 절 짐벌(bar gimbal) 구조를 갖도록 설계하였다.
마스터 암은 이동이 가능하며 하중을 감당하는 지지장치에 부착하도록 설계하였다. 마스터 암의 Fig. 1 The joint structure of general industrial robot arm
Fig. 2 The design of the master arm
각 관절에 모터와 엔코더가 장착되어 슬레이브 암 동작과 실시간으로 연동하여 슬레이브 암에 가해 지는 외력이나 토크를 감지할 수 있도록 구성하였 다. 감지된 힘이나 토크는 마스터 암에 전달되어 작업자가 반력을 느낄 수 있도록 구성하였다.
Table 1은 설계 제작된 마스터 암의 제원이고 직접 제작한 마스터 암의 사진은 Fig. 3과 같다.
3. 마스터 암의 제어시스템
3.1 마스터-슬레이브 암의 구동 축 연동 관계 운용자의 팔 크기와 유사한 마스터 암은 그리퍼 를 포함하는 7자유도 동작을 할 수 있도록 구성하 였고 슬레이브 암의 구동 축들과 각각 연동되도록 제어시스템을 구성하였고 동작 연계도는 Fig. 4와 같다. 마스터와 슬레이브 암의 구동 축 간에 1축부 터 그리퍼 구동 축인 7축까지 센서와 제어입력 신 호선을 구성하여 마스터 암의 제어 명령에 따라 슬레이브 암이 유사한 동작을 하도록 구성하였다.
3.2 제어시스템의 구성
슬레이브 암의 제어는 운용자가 착용한 마스터 암의 동작에 따라 관절에 설치되어 있는 센서 정 보를 동작지령 명령으로 보냄으로 이루어진다. 마 스터 암의 각 관절들에 설치된 관절각 센서는 로
보티즈사의 구동모터 모델으로 내장 엔코더가 있 는 다이나믹셀을 사용하였다. Fig. 5의 제어부 구조 도와 제어 연관 관계와 같이 마스터 암 으로부터 의 엔코더 신호를 통한 위치정보를 마이크로프로 세서 모듈로 전송하면 이를 슬레이브 암에 보내어 각 관절부가 동작하도록 제어된다. 만약, 슬레이브 암이 동작 중에 외부 부하를 받게 되면 슬레이브 암에 설치한 토크를 감지하는 홀 센서로부터의 신 호를 마스터 암의 마이크로 프로세서 모듈로 전송 하여 마스터 암 해당 관절의 모터에 힘 궤환을 하 는 구조를 구성하였다. 여기서 슬레이브 암이 받 는 외력의 부하 크기에 따라 마스터 암의 반력을 비례적으로 가하도록 구성하였다.
이와 같은 힘 궤환을 포함하는 알고리즘을 포 함하는 마스터 암의 제어 시스템은 Fig. 6과 같고 Table 1 Specification of master arm
Weight D.O.F Total length Material property 4.5 kg 7 1,169mm Al6061
Fig. 3 Picture of the developed master arm
Fig. 4 Picture showing related joint actuators
Fig. 5 Control system of the master and slave arms
여기서 1번은 외부 전원(AC 220V), 2번은 전원 장 치, 3번은 RS232 - RS485 변환기(convertor), 4번은 마이크로프로세서 모듈, 5번은 데이터 출력부, 6번 은 마스터 암으로부터 데이터를 받는 입력부로 구 성하였다.
3.3 통신 구성 및 제어 시스템 응답 속도 마스터 암의 관절 구동의 제어 신호는 RS485 통신을 사용하였고, 이를 이용하여 수신한 신호는 RS232로 변환하여 전송하도록 구성하였다. 또한 마이크로프로세서 모듈과 주 컴퓨터는 RS232통신 을 이용하여 신호를 송수신하도록 구성하였다. 이 의 통신체계를 나타내는 블록 선도는 Fig. 7에 나 타내었다.
Fig. 8의 시스템 구성도는 제어 시스템과 주 컴 퓨터와의 신호처리 관계를 나타낸다. 마스터 암의 엔코더 값을 마이크로프로세서에서 주 컴퓨터로 데이터를 송신하여 처리하는데 소요되는 시간은 약 20ms이다. 마스터 암에서 발생하는 신호들 중 노이즈 성분을 보정하기 위하여 이동 평균필터를 적용하였고 초기 데이터 수집 시를 제외한 응답속 도는 약 25ms 정도이다.
3.4 마스터-슬레이브 암의 연동 동작 모델링 마스터 암을 이용하여 슬레이브 암을 용이하고 정확하게 제어하기 위하여 각 암들 사이의 연동동 작에 대한 모델링을 하였다. 이 모델링을 위해 각 암들의 관절 축에 적용하는 구동 모터의 회전 한 계각을 측정하였다. Table 2는 마스터 암의 모든 관 절 구동 모터의 회전 한계각을 각 관절에 대해 측 정한 것이다. 여기에서 2번 관절은 구조상 중심각 을 갖지 않는다.
Fig. 7 Communication block diagram of the master arm
Fig. 8 System diagram of the master arm
Table 2 Angle of master arm (°)
Min Mid Max
1 110 200 290
2 150 · 190
3 130 190 250
4 90 210 330
5 60 180 300
6 30 70 110
7 110 200 290
Table 3은 슬레이브 암의 관절 구동 모터의 회 전 한계 엔코더 펄스 값을 모든 관절에 대해 측정 한 것이다. 마스터 암과 유사하게 2번 관절을 제 외하고 모두 최소, 중간, 최대의 각도/펄스 값을 가진다.
마스터-슬레이브 암의 상대 관절축 간의 동작 을 수학적 관계식을 이용하여 모델링 하였다.
Table 2의 마스터 암 회전 각도(°)와 Table 3의 슬레 이브 암 회전 각도(encoder pulse) 정보를 이용하여 Fig. 6 The control system of the master arm
관계식을 정리하였다. Table 4는 관계식을 정리한 6 축의 예로 여기서 1 행은 마이크로 프로세서에서 송신되는 명령 값, 2 행은 마스터 암의 각도 값이 며, 3 행은 슬레이브 암의 각도로써 미리 각 축별 로 설정된 배율을 1 행의 값과 연산하면 3 행의 값이 된다. 이 세 가지의 값을 이용하여 다음의 관계식(1)을 도출하였다.
_ C ( )
Angle Conversion B X A
=D× − + (1) 식(1)은 마스터 암의 관절의 각도에 따른 슬레 이브 암의 각도 값을 알 수 있도록 모델링한 식이 다. 식(1)에서 A는 마이크로 프로세서에서 송신할
때의 최대 값, B는 마스터 암의 각도 값, C는 1 행 의 구간 변화 값, D는 마스터 암의 변화 값, X는 현재 마스터 암의 각도 값이다.
식(1)을 이용하여 마스터 암과 슬레이브 암의 연동되는 관절 각들의 관계식을 수식화하였고 그 결과를 표로 정의하여 Table 5에 나타내었다.
Table 5에서 도출한 관계식을 마스터 암으로 슬 레이브 암을 제어하는 실험을 하였고 그 과정을 보여주는 사진은 Fig. 9이다. 실험에서 슬레이브 암 의 회전반경을 감안하여 실험 환경을 구성하였으 며 축 간의 연동이 되는 지 용이하게 알 수 있도 록 슬레이브 암과 마스터 암의 초기 위치를 동일 시 해놓은 후 마스터-슬레이브 간의 동작 비율을 1:1로 설정하여 실험을 수행하여 마스터 암의 교 시에 따라 슬레이브 암이 유사한 동작을 하는 것 을 확인할 수 있었다.
3.5 마스터 암의 끝단 좌표 순기구학 해석 구축한 마스터-슬레이브 암의 제어를 용이하게 하기 위하여 마스터 암의 끝단 좌표를 순기구학 해석을 통해 구하고 이 값과 시뮬레이션을 통해 Table 3 Position of slave arm (encoder pulse)
Min Mid Max 1 -45000 0 45000
2 -20000 · 0
3 -10000 10000 30000 4 -15000 0 15000 5 -12000 0 12000 6 -60000 0 60000 7 -45000 0 45000
Table 4 Example of relating equation Variation Result 700(A) 0 -700 700(C) Angle 60(B) 180 300 120(D) Distance -12000 0 12000 12000
Table 5 Relating equation of master-slave arm 1 450 (110 ) 450
90 × X
- - -
2 200 ( 190 )
40 × X
- -
3 200 (130 ) 300 60 × -X + 4 750 (330 ) 750
120× -X - 5 700 (60 ) 700
120× -X - 6 600 (30 ) 600
40 × -X + 7 450 (110 ) 450
90 × X
- - -
Fig. 9 Operation of the master arm
Table 6 DH-parameter of master arm idx αi-1 ai-1 d i θ i
1 0 0 0 θ 1
2 π/ 2 0 0 θ 2
3 π/ 2 0 0 θ 3
4 0 L 3 0 θ 4
5 π/ 2 0 L 4 θ 5
6 π/ 2 0 0 θ 6
7 0 L5+ L6 0 0
구한 값을 비교하였다.
마스터 암 끝단의 좌표는 가장 첫 번째 축의 중심으로부터 가장 말단의 축까지의 거리 관계를 좌표로 나타내었으며, 로봇 동역학의 Denavit- Hartenberg 규약에 따라 Table 6과 같이 D-H 파라미 터를 설정하고 아래의 식(2)와 같이 행렬 연산을 하 여 마스터 암의 끝단 X, Y, Z 좌표 값을 구하였다.
, , , ,
,
,
,
0 0 0 0 , 0 0 1 0 0 0 0 1
1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 , 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 , 0 0 0 1
i i i i
i i
i i
i
i
i
t z z d x a x a
z
z d
i x a
A Rot Trans Trans Rot
C S
S C Rot
Trans
d
Trans
θ
θ θ
θ θ
θ
α
=
⎡ − ⎤
⎢ ⎥
⎢ ⎥
= ⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎣ ⎦
⎡ ⎤
⎢ ⎥
⎢ ⎥
=⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎣ ⎦
⎡ ⎤
⎢ ⎥
⎢ ⎥
=⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎣ ⎦
,
1 0 0 0
0 0
0 0
0 0 0 1
0
0 0 0 1
i i
i
i i
i i i i i i
i i i i i i
i i
x a
i i i
C S
Rot S C
C S C S S C
S C C C S S
S C d
α α
α α
θ θ θ θ α θ
θ θ α θ α θ
α α
α α
⎡ ⎤
⎢ − ⎥
⎢ ⎥
= ⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎣ ⎦
⎡ − ⎤
⎢ − ⎥
⎢ ⎥
= ⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎣ ⎦
(2)
도출된 마스터 암 끝단의 좌표를 검증 및 측정 하기 위해 X, Y, Z 축 한 축씩 독립적으로 이동시 켜 시뮬레이션 하는 방법을 사용하였다.
Figs. 10과 11은 매틀랩(matlab)을 이용한 시뮬레 이션과 제작한 마스터 암의 제어 프로그램을 통해 구현한 실제 슬레이브 암의 끝단 좌표를 비교한 것이다. Fig. 10은 마스터 암의 단일 관절의 움직임 에 따른 좌표를 비교하였으며, Fig. 11은 마스터 암 의 다 관절의 움직임에 따른 좌표를 비교하였다.
이 두 가지를 각각 Tables 7과 8에 수치적으로 정 리하였다.
실험의 결과를 수치로 비교하기 위해 Fig. 10의 결과를 Table 7에, Fig. 11의 결과를 Table 8에 정리
(a) Posture of master arm #1
(b) Posture of master arm #2
(c) Posture of master arm #3
(d) Posture of master arm #4
Fig. 10 Comparison of the coordinates of the master arm1
(a) Posture of master arm #5
(b) Posture of master arm #6
(c) Posture of master arm #7
(d) Posture of master arm #8
Fig. 11 Comparison of the coordinates of the master arm2
Table 7 Comparison of the value of the master arm1 1 2 3 4
X a -0.3810 0.3810 0 0
b -0.3810 0.3810 0 0
Y a 0 0 -0.3808 0
b 0 0 -0.3810 0
Z a 0.3480 0.3480 0.3480 0.7285 b 0.3480 0.3480 0.3480 0.7284 avg. 0 0 0.0002 0.0001
Table 8 Comparison of the value of the master arm2 5 6 7 8 X a -0.3823 0.1672 0.3458 -0.2355
b -0.3821 0.1670 0.3460 -0.2357 Y a -0.2065 -0.1557 -0.4624 -0.0955 b -0.2063 -0.1559 -0.4623 -0.0956 Z a 0.1517 0.3144 0.2391 0.3503
b 0.1516 0.3144 0.2390 0.3501 avg. 0.0005 0.0004 0.0004 0.0005
하였다. 두 가지 경우 모두 각 좌표에 a 값은 시뮬 레이션의 값이며, b 값은 마스터 암의 제어 프로그 램의 값을 나타낸다. avg.는 a 값과 b 값의 차이를 평균한 수치이다. 이 수치들은 최대 0.0005m에서 최소 0m의 오차로 평균 값은 0.2625mm로 매우 적 은 오차를 가짐을 알 수 있다.
따라서 본 시뮬레이션을 이용하면 슬레이브 암 의 동작 예측이 가능하여, 슬레이브 암의 동선을 예 측하여 원활한 경로계획을 할 수 있는 장점이 있다.
4. 실험 및 결과
본 논문에서는 마스터 암을 사용하여 슬레이브 암을 제어하는 실험을 진행하였다. 운용자가 착용 한 마스터 암은 구동 시에 팔의 떨림으로 슬레이 브 암으로 입력되는 신호는 노이즈 형태의 진동 현상이 발생한다. 슬레이브 암의 원활한 제어를 위해서 노이즈 형태인 입력신호의 필터링이 필요 하다. 반면 필터링으로 입력신호의 지연현상이 발 생한다.
본 실험에서는 엔코더에서 나오는 입력신호의 지연을 방지하는 반면 노이즈를 저감하는 필터 기 법으로 처리속도가 빠른 이동 평균필터를 사용하 였다.
평균필터를 적용한 경우와 그렇지 않은 경우의 실험 결과를 비교하였다. Fig. 12는 마스터 암의 1
축 모터의 값을 받아 원래의 데이터와 이동 평균 필터를 적용한 실험 데이터를 그래프로 나타낸 것 이다. Fig. 12에서 A구간을 보면 평균 필터를 적용 함으로 응답속도가 20ms에서 25ms로 약간 늘어났 지만 노이즈가 감쇄된 것을 알 수 있다.
마스터-슬레이브 암의 축간 동작 수식화를 실 시하여 다른 슬레이브 암에 적용하려 한다면 식(1) 의 기본 설정 값을 수정하여 이용하면 간단하게 바로 적용이 가능하며, 마스터 암의 경로 명령에 따른 슬레이브 암의 구동 범위가 수식화를 실시한 뒤에는 이를 모두 활용할 수 있게 되었으며 경우 에 따라 제한점을 설정할 수 있게 되어 위치 정밀 도를 높일 수 있었다.
또한 순기구학 해석으로 산출한 마스터 암의 끝단 좌표는 실험에 의해 도출된 값의 평균 차이 가 0.2625mm로 시뮬레이션 값과 거의 유사하며, 이를 제어 프로그램 상에 표시하여 작업자가 슬레 이브 암의 동작과 동선을 미리 예측하고, 현장에 서 실제 기구를 보지 않고 개발한 시뮬레이터를 보고 작업하는 것이 가능하다.
5. 결론
본 논문에서는 마스터 암을 이용하여 그리퍼를 포함하는 7자유도 산업용 로봇 매니퓰레이터의 용 이한 제어를 위해 이와 유사한 구조 및 자유도를 갖는 새로운 마스터 암을 개발하고 이를 이용한 제어에 관한 연구를 하였다.
슬레이브 암의 위치 및 속도 제어를 위해 인체구 조에 착용하기 적합한 구조의 마스터 암을 제작하였 다. 슬레이브 암의 동작을 제어하기 위해 마스터 암 의 각 관절 구동 모터의 엔코더 값을 받아 제어하는
제어시스템을 설계하고 제작하였다. 특히, 엔코더에 서 나오는 입력신호의 지연을 방지하는 반면 노이즈 를 저감하는 필터 기법으로 처리속도가 빠른 이동 평균필터를 사용하여 노이즈를 저감하였다.
정밀한 제어를 위해 마스터-슬레이브 암 축 간 의 동작을 수식화하여 정리하였으며 이를 제어 시 스템에 적용하여 실험을 행하였다.
순기구학 해석으로 마스터 암의 끝단 좌표를 산출하고 매틀랩을 이용한 시뮬레이션을 수행하여 마스터 암의 제어 프로그램을 통해 나온 값과 비 교한 결과 평균 차이가 0.2625mm로 매우 정밀함 을 확인하였다. 연구한 시뮬레이션을 이용하면 슬 레이브 암의 원활한 경로계획을 할 수 있어 실제 작업환경에 적용하기에 용이하다.
후 기
본 연구는 한국해양과학기술원 부설 선박해양 플랜트연구소에서 지원하는 “다관절 복합이동 해 저로봇 개발” 과제 연구결과의 일부이며, 또한 산 업통상자원부 및 한국산업기술진흥원의 재원으로 광역경제권연계협력사업의 지원을 받아 수행된 연 구 입니다 (R0000496).
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