نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموختة کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک ایران)

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک ایران)

3 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک ایران)

4 دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک ایران)

10.22041/ijbme.2013.13130

چکیده

در این مقاله روش جدیدی برای کنترل سیستم‌های جراحی رباتیک از راه دور دوجانبه با بازوی انعطاف‌پذیر جراح ارائه شده است. در این راستا، ساختار دوگانه‌ای از کنترل‌های پس‌خوراند و پیش‌خوراند برای بازوی پیرو انعطاف‌پذیر پیشنهاد شده‌است. این روش، توانایی روش شکل‌دهنده ورودی به عنوان کنترل پیش‌خوراند را برای کاهش ارتعاشات انتهای بازو و کنترل پس‌خوراند بر اساس کنترل‌کننده تناسبی- مشتقی مجتمع را برای کنترل حرکت صلب سیستم با هم می‌آمیزد. در این مقاله برای اولین بار، پایداری شکل‌‌دهنده ورودی در حلقه بسته کنترلی برای سیستم‌های غیرخطی بررسی شد. شرایط پایداری کلی سیستم با وجود تأخیر زمانی ثابت در کانال‌های ارتباطی با استفاده از روش لیاپانوف استخراج شده‌ است. به سبب استقلال از پارامترهای سیستم، ترکیب کنترلی معرفی‌شده به پایداری مقاوم نسبت به عدم قطعیت پارامتری منتج شده است. به علاوه، با شکل‌دهی به فرمان ارسالی راهبر به پیرو، عملکرد ردیابی درحضور انعطاف‌پذیری بهبود یافت. تأثیرگذاری چهارچوب پیشنهادی از نظر قابلیت همزمان تعقیب ورودی، کاهش ارتعاشات و ارزیابی بررسی‌های تئوری، با شبیه‌سازی‌های متعدد ارزیابی شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Vibration control of Bilateral Nonlinear Telesurgical System for Flexible Link Slave Robot

نویسندگان [English]

  • Mohadese Yaryan 1
  • Mahyar Naraghi 2
  • Seyed Mehdi Rezaei 3
  • Mohammad Zareinejad 2
  • Hamed Ghafarirad 4

1 M.Sc, Faculty of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology

2 Assistant Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology

3 Professor, Faculty of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology

4 Ph.D Student, Faculty of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology

چکیده [English]

This paper addresses a new control scheme for bilateral telesurgical system with flexible links surgical robot. In this regard, hybrid structure of feedback and feedforward controller is suggested for flexible slave robot. This approach utilizes capability of Input Shaping (IS) as feedforward controller to reduce vibration at robot’s end tip and the feedback controller based on collocated Proportional-Derivative (PD) for control rigid body motion of the system. Stability of closed loop input shaper for nonlinear systems is discussed for the first time in this article. The stability conditions for overall system with constant communication time delay are derived using lyapunov method. Due to the independence of the system parameters, combination of these controllers results stability robustness to parameter uncertainties. Moreover, It is shown that reshaped master command to slave’s controller improves tracking performance in the presence of robot flexibility. Simulation results are used to verify the main theoretical points of this paper and demonstrate the effectiveness of proposed control framework in terms of input tracking and vibration suppression.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bilateral Telesurgical Robotics
  • Flexible Surgical Robots
  • Input shaping-PD controller
  • Time delayed communication
  • Vibration control in flexible structure

[1]     Tavakoli M.,  Howe R.D., Haptic effects of surgical teleoperator flexibility; The international journal of robotic research, 2009; 28(10): 1289-1302.

[2]     Beasley R.A., Howe R.D., Increasing accuracy in Image-Guided robotic surgery through tip tracking and Model-based flexion correction; IEEE Transaction on robotics, 2009; 25(2): 292-302.

[3]     Atashzar S.F., Talebi H.A., Towhidkhah F., Shahbazi  M., Patel R.V., Shojae S., Control challenges in non-minimum phase Tele robotics systems; IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Budapest, 2011; 152-157.

[4]     Nu˜no E., Ortega R., Barabanov N., Basa˜nez L., A globally stable PD controller for bilateral teleoperators; IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS, 2008; 24(3): 753-758.

[5]     Lee D., Spong M.W., Passive bilateral teleoperation with constant time delay; IEEE Transaction on robotics, 2006; 22(2): 269-281.

[6]     Mohamed Z., Tokhi M.O., Command shaping techniques for vibration control of a flexible robot manipulator; Mechatronics, 2004; 14: 69–90.

[7]     Chatlatanagulchai W., Prutthapong C., Input Shaping to Reduce Vibration in Human-Operated Very-Flexible-Link Robot Manipulator; KKU Engineering Journal, 2009; 36(1): 77-85. 

[8]     Vaughan J, Yano A, Singhose W; Comparison of robust input shapers; Journal of Sound and Vibration 2008; 315: 797–815.

[9]     Kapila V., Tzes A., Yan Q., Closed-loop Input Shaping for flexible structures using time-delay control; Proceedings of the 38’m Conference on Decision & Control, Phoenix, 1999; 1561-1566.

[10] Huey J.R., Singhose W., Trends in the stability properties of CLSS controllers: A Root-Locus analysis; IEEE Transaction on Control Systems Technology, 2010; 18(5): 1044-1056.

[11] Sun D., Mills J.K., Shan J., Tso S.K., A PZT actuator control of a single-link flexible manipulator based on linear velocity feedback and actuator placement; Mechatronics, 2004; 14: 381–401.

[12] Huey J.R., Sorensen K.L., Singhose W.E., Useful applications of closed-loop signal shaping controllers; Control Engineering Practice, 2008; 16: 836–846.