افزايش شفافيت در سيستم‌هاي تله‌اپراتوري دوجانبه بر مبناي رويكرد مدل ميانجي

Improving transparency in bilateral teleoperation systems based on modelmediated approach

شفافيت يك معيار ارزيابي سيستم‌هاي تله‌اپراتوري بر مبناي خطاي نيرو و موقعيت است. معماري‌هاي كنترلي مرسوم براي حفظ پايداري عموماً شفافيت بالايي را نتيجه نمي-دهند. يك روش نوين رويكرد تله‌اپراتوري مدل ميانجي است كه امپدانس محيط را در سمت پيرو تخمين زده و به راهبر ارسال مي‌كند تا با ايجاد يك محيط مجازي، نيرو در آن‌جا به‌صورت محلي محاسبه ‌گردد. اين امر شفافيت را بدون كاهش پايداري و در حضور تأخير زماني در سيستم افزايش مي‌دهد. قرار دادن محيط مجازي در محل صحيح تأثير چشم‌گيري بر افزايش شفافيت سيستم دارد، اما روش‌هاي ارائه شده براي اين منظور عموماً يا نيازمند ساده‌سازي مدل محيط هستند يا تأثير منفي بر شفافيت مي‌گذارند. در اين مقاله الگوريتمي نوين و در عين حال بسيار ساده جهت تعيين موقعيت محيط مجازي و زمان برخورد ارائه‌ شده است. مهم‌ترين ويژگي‌ اين الگوريتم اين است كه اولاً مستقل از مدل محيط بوده و بنابراين براي تمام محيط‌ها قابل پياده‌سازي است، ثانياً شفافيت سيستم را بدون استفاده از سنسورهاي اضافي افزايش مي‌دهد. رويكرد پيشنهادي در يك سيستم تله‌اپراتوريِ دو‌جانبه‌ي يك درجه آزادي با تأخير زماني پياده‌سازي شده است. جهت تخمين امپدانس محيط از روش‌هاي نوينِ دقيق و مقاوم استفاده شده است. از كنترلرهاي امپدانس و مد لغزشي براي كنترل به ترتيب راهبر و پيرو استفاده شده و عملكرد سيستم در تعامل با محيط‌هاي سخت و نرم بررسي شده است. نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهد در تعامل با هر دو محيط شفافيت سيستم بسيار بالا است، اما تنها در لحظه ابتدايي برخورد با محيط سخت پرش مدل رخ مي‌دهد.

Transparency is an evaluation criterion for teleoperation systems based on force and position error. Generally, conventional control architectures do not lead to a high transparency to preserve the stability. A novel method is the model-mediated teleoperation approach which estimates the environment impedance on slave site and transmits it to master, where the force is calculated locally by creating a virtual environment. This procedure increases the transparency without degrading stability and with time delays in system. Correctly locating the virtual environment has a significant effect on improving the transparency of the system; however, the proposed methods for this aim either require simplifying environment model or adversely affect the transparency. In this paper a novel, yet very simple algorithm is presented for determining the location of the virtual environment and collision time. The main feature of this algorithm is that firstly it is independent of environment model and thus is applicable to all environments, and secondly, it increases the transparency of the system without using additional sensors. The proposed approach is implemented on a single-degree-of-freedom bilateral teleoperation system with time delay. For estimating environment impedance, novel accurate and robust methods are utilized. Impedance and sliding-mode controllers are used for controlling the master and slave, respectively, and the performance of the system is investigated in interaction with hard and soft environments. Simulation results indicate that the transparency of the system is suitably high in interaction with both environments; however, model jump occurs merely at the first moment of contact with the hard environment.