نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

3 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

10.22041/ijbme.2016.14659

چکیده

در این پژوهش به منظور کنترل سیستم‌های جراحی رباتیک ِعملیات از راه دور، یک روش کنترل امپدانس دوجانبه­ی تطبیقی غیرخطی به همراه شناسایی بلادرنگ پارامترهای مدل بافت نرم ارائه شده­است. از یک مدل ویسکوالستیک خطی با یک جرم (اینرسی) اضافه در مدل­سازی دینامیکی بافت که ِدر تعامل با ربات است، استفاده شده­است. یکی از اهداف این کنترلر یا کنترلگر دوجانبه­ی تطبیقی، تنظیم امپدانس عملگر نهایی ربات راهبر بر اساس پارامترهای امپدانسی بافت نرم، که بلادرنگ در سمت ربات پیرو شناسایی می‌شود، است. هدف دیگر، تعقیب مسیر ربات راهبر توسط ربات پیرو است. اثبات پایداری سیستم عملیات از راه دور به همراه اثبات عملکردهای تعقیب مسیر و تعقیب نیرو، با در­نظر گرفتن کنترلر دوجانبه و استفاده از تئوری لیاپانوف انجام شده­است. روش کنترلی مطرح­شده می‌تواند سیستم‌های عملیات از راه دور (مانند سیستم‌های جراحی ، توان‌بخشی و یا سونوگرافی از راه دور) که با بافت نرم در تعامل هستند، را به صورت دوجانبه کنترل نماید. با استفاده از شبیه­سازی بر روی یک ربات دو درجه­ی آزادی با دینامیک غیرخطی، عملکرد کنترلر ارائه­شده در تعقیب نیرو، تعقیب موقعیت و نیز شناسایی پارامترهای بافت نرم بررسی شده­است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • Mojtaba Sharifi 1
  • Saeid Behzadipour 2
  • Hasan Salarieh 2
  • Farzam Farahmand 3

1 Ph.D Candidate, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

2 Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

3 Professor, Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • transparent bilateral control
  • telesurgery robotic system
  • parameters identification
  • soft tissue interaction
  • haptic feedback

[1]          A. Haddadi and K. Hashtrudi-Zaad, "Bounded-Impedance Absolute Stability of Bilateral Teleoperation Control Systems,"IEEE Transactions onHaptics, vol. 3, pp. 15-27, 2010.

[2]          P. F. Hokayem and M. W. Spong, "Bilateral teleoperation: An historical survey," Automatica, vol. 42, pp. 2035-2057, 2006.

[3]          D. A. Lawrence, "Stability and transparency in bilateral teleoperation," IEEE Transactions onRobotics and Automation,vol. 9, pp. 624-637, 1993.

[4]          Y. Yokokohji and T. Yoshikawa, "Bilateral control of master-slave manipulators for ideal kinesthetic coupling-formulation and experiment," IEEE Transactions onRobotics and Automation, vol. 10, pp. 605-620, 1994.

[5]          X. Liu and M. Tavakoli, "Adaptive inverse dynamics four-channel control of uncertain nonlinear teleoperation systems," Advanced Robotics, vol. 25, pp. 1729-1750, 2011.

[6]          X. Liu and M. Tavakoli, "Adaptive Control of Teleoperation Systems With Linearly and Nonlinearly Parameterized Dynamic Uncertainties," Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, vol. 134, p. 021015 (10 pages), 2012.

[7]                     J. J. E. Slotine and W. Li, "Applied nonlinear control, EnglewoodCliffs," USA:Prentice Hall, 1991.

[8]          H. C. Cho and J. H. Park, "Stable bilateral teleoperation under a time delay using a robust impedance control," Mechatronics, vol. 15, pp. 611-625, 2005.

[9]          J. J. Abbott and A. M. Okamura, "Pseudo-admittance Bilateral Telemanipulation with Guidance Virtual Fixtures," International Journal of Robotics Research, vol. 26, pp. 865-884, 2007.

[10]        L. Barbe, B. Bayle, M. D. Mathelin, and A. Gangi, "In Vivo Model Estimation and Haptic Characterization of Needle Insertions," International Journal of Robotics Research, vol. 26, pp. 1283-1301, 2007.

[11]        P. Moreira, L. Chao, N. Zemiti, and P. Poignet, "Soft tissue force control using active observers and viscoelastic interaction model," Proc. IEEE International Conference onRobotics and Automation (ICRA), pp. 4660-4666, 2012.

[12]        A. M. Okamura, C. Simone, and M. D. O'Leary, "Force modeling for needle insertion into soft tissue," IEEE Transactions onBiomedical Engineering,vol. 51, pp. 1707-1716, 2004.

[13]        Y. Kobayashi, A. Onishi, T. Hoshi, K. Kawamura, M. Hashizume, and M. Fujie, "Development and validation of a viscoelastic and nonlinear liver model for needle insertion," International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery,vol. 4, pp. 53-63, 2009.

 [14]       O. Khatib, "Unified approach formotion and force control of robot manipulators: The operational space formulation," IEEE journal of robotics and automation,vol. RA-3, pp. 43-53, 1987.

[15]        M. Sharifi, S. Behzadipour, and G. R. Vossoughi, "Model reference adaptive impedance control of rehabilitation robots in operational space," Proc.4th IEEE RAS & EMBS International Conference onBiomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), pp. 1698-1703, 2012.

[16]        M. Sharifi, S. Behzadipour, and G. Vossoughi, "Nonlinear model reference adaptive impedance control for human–robot interactions," Control Engineering Practice, vol. 32, pp. 9-27, 2014.

[17]        M. Sharifi, S. Behzadipour, and G. R. Vossoughi, "Model reference adaptive impedance control in Cartesian coordinates for physical human–robot interaction," Advanced Robotics, vol. 28, pp. 1277-1290, 2014.