كنترل دوجانبه ي شفاف با شناسايي پارامترهاي مدل ويسكوالاستيك بافت در يك سيستم جراحي رباتيك از راه دور

Transparent Bilateral Control with On-line Identification of Tissue Parameters for Telesurgery Robotic Systems

در اين پژوهش به منظور كنترل سيستم‌هاي جراحي رباتيك ِعمليات از راه دور، يك روش كنترل امپدانس دوجانبه ي تطبيقي غيرخطي به همراه شناسايي بلادرنگ پارامترهاي مدل بافت نرم ارايه شده است. از يك مدل ويسكوالستيك خطي با يك جرم (اينرسي) اضافه در مدل سازي ديناميكي بافت كه ِدر تعامل با ربات است، استفاده شده است. يكي از اهداف اين كنترلر يا كنترلگر دوجانبه ي تطبيقي، تنظيم امپدانس عملگر نهايي ربات راهبر بر اساس پارامترهاي امپدانسي بافت نرم، كه بلادرنگ در سمت ربات پيرو شناسايي مي‌شود، است. هدف ديگر، تعقيب مسير ربات راهبر توسط ربات پيرو است. اثبات پايداري سيستم عمليات از راه دور به همراه اثبات عملكردهاي تعقيب مسير و تعقيب نيرو، با در نظر گرفتن كنترلر دوجانبه و استفاده از تيوري لياپانوف انجام شده است. روش كنترلي مطرح شده مي‌تواند سيستم‌هاي عمليات از راه دور (مانند سيستم‌هاي جراحي ، توان‌بخشي و يا سونوگرافي از راه دور) كه با بافت نرم در تعامل هستند، را به صورت دوجانبه كنترل نمايد. با استفاده از شبيه سازي بر روي يك ربات دو درجه ي آزادي با ديناميك غيرخطي، عملكرد كنترلر ارايه شده در تعقيب نيرو، تعقيب موقعيت و نيز شناسايي پارامترهاي بافت نرم بررسي شده است.

In this paper, a transparent bilateral controller is developed for the control of telesurgery systems that have physical interactions with soft tissue. In this control method, the parameters of a viscoelastic model of the soft tissue are estimated during its interaction with the slave robot using an on-line identification method. These estimated parameters are used inanimpedance control of the master robot which is in contact with the surgeon. Also, the slave robot tracks the master robot position using a tracking controller. Accordingly, it is shown that the transparency of the teleoperation system is obtained by estimating and realizing the dynamic parameters of the tissue for the master robot and providing the position tracking performance for the slave robot. The stability, and the position and force tracking performances are proved using the Lyapunov theorem. Moreover, the effectiveness of the proposed transparent bilateral controller is investigated by simulations performed on a piece of beef (as the soft tissue) using a two DOF robot with nonlinear dynamics. The proposed control strategy can be used in telesurgery, telesonography and telerehabilitation systems in which the robot interacts with soft tissues.