تحليل و طراحي سيستم تله اپراتوري دوجانبه غيرخطي در تماس با محيط غيرمنفعل

Design of A Nonlinear Bilateral Teleoperation System coupled with nonpassive Environments

فراهم آوردن شفافيت هرچه بيشتر به همراه تامين پايداري ابتدايي‌ترين اهداف سيستم‌هاي تله‌اپراتوري دوجانبه محسوب مي‌شود. تاكنون براي طراحي اين سيستم‌ها، روشهاي مختلفي ارائه شده است كه در اين بين، تكنيك انفعال محور به صورت گسترده‌اي مورد استفاده قرار گرفته است. در اين تكنيك، محيط و اپراتور دو سيستم منفعل در نظر گرفته مي‌شوند. منفعل در نظر گرفتن اپرتور چندان دور از واقعيت نيست زيرا اپراتور باعث ناپايداري سيستم حلقه بسته نشده و علاوه بر آن در برابر اعمال نيروهاي خارجي به صورت منفعل عمل مي‌كند. اما با توجه به برخي از كاربردهاي جديد سيستم‌هاي تله‌اپراتوري مانند جراحي قلب، توانبخشي و غيره، فرض منفعل بودن محيط به هيج وجه قابل قبول نخواهد بود. در اين مقاله طراحي سيستم تله‌اپراتوري غيرخطي دوجانبه در تعامل با محيط‌هاي غيرمنفعل مورد توجه قرار گرفته است. در اين راستا، ابتدا معياري براي سنجش ميزان فعال بودن محيط ارائه شده است. سپس يك كنترلر تناسبي مشتقي توسعه‌يافته براي تامين هماهنگي موقعيت‌ها و بازتاب نيرو معرفي گرديده است. در ادامه، پايداري سيستم حلقه بسته با كمك روش لياپانوف اثبات شده است. پس از آن، شبيه‌سازي‌هايي براي بررسي عملكرد سيستم تله‌اپراتوري پيشنهاد شده در تعامل با محيط‌هاي منفعل و غيرمنفعل انجام گرفته است. در نهايت آزمايش‌هاي عملي براي صحه‌گذاري نتايج تئوري آورده شده است.

Stability and transparency are both very important conditions in bilateral teleoperation systems. For the design of such systems, different methods have been suggested. Among the approaches presented, passivity framework is widely utilized in which human and environment is considered passive. The operator does not make the closedloop system unstable. In addition, it is passive against an external input. Thus the adoption of this assumption is correct for the human. Nevertheless it is a conservative presumption for the environment and according to some modern applications of teleoperation systems such as cardiac surgery, it is absolutely not acceptable. In this paper a novel control structure for nonlinear bilateral teleoperation systems interacting with active environments is addressed. In this approach, first a criterion for measuring activity of the environment is presented. Then by developing a PD controller, an algorithm that guarantees masterslave position coordination and static force reflection is introduced. The overall stability of closed loop system is proved using passivity concept and LyapunovKrasovskii technique. Simulations are performed to verify the performance of the proposed bilateral teleoperation systems in contact with passive and nonpassive environments. Experimental results were carried out to validate the theoretical consequences.