تحلیل و طراحی سیستم تله اپراتوری دوجانبه غیرخطی در تماس با محیط غیرمنفعل

فراهم آوردن شفافیت هرچه بیشتر به همراه تامین پایداری ابتدایی‌ترین اهداف سیستم‌های تله‌اپراتوری دوجانبه محسوب می‌شود. تاکنون برای طراحی این سیستم‌ها، روشهای مختلفی ارائه شده است که در این بین، تکنیک انفعال محور به صورت گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته است. در این تکنیک، محیط و اپراتور دو سیستم منفعل در نظر گرفته می‌شوند. منفعل در نظر گرفتن اپرتور چندان دور از واقعیت نیست زیرا اپراتور باعث ناپایداری سیستم حلقه بسته نشده و علاوه بر آن در برابر اعمال نیروهای خارجی به صورت منفعل عمل می‌کند. اما با توجه به برخی از کاربردهای جدید سیستم‌های تله‌اپراتوری مانند جراحی قلب، توانبخشی و غیره، فرض منفعل بودن محیط به هیج وجه قابل قبول نخواهد بود. در این مقاله طراحی سیستم تله‌اپراتوری غیرخطی دوجانبه در تعامل با محیط‌های غیرمنفعل مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا، ابتدا معیاری برای سنجش میزان فعال بودن محیط ارائه شده است. سپس یک کنترلر تناسبی مشتقی توسعه‌یافته برای تامین هماهنگی موقعیت‌ها و بازتاب نیرو معرفی گردیده است. در ادامه، پایداری سیستم حلقه بسته با کمک روش لیاپانوف اثبات شده است. پس از آن، شبیه‌سازی‌هایی برای بررسی عملکرد سیستم تله‌اپراتوری پیشنهاد شده در تعامل با محیط‌های منفعل و غیرمنفعل انجام گرفته است. در نهایت آزمایش‌های عملی برای صحه‌گذاری نتایج تئوری آورده شده است.

Design of A Nonlinear Bilateral Teleoperation System coupled with nonpassive Environments

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.