19104

۱۹۱۰۴

طراحي يك سيستم تله اپراتوري با استفاده از رويكردهاي كنترل پيش بين

كارشناسي ‌ارشد

مهندسي پزشكي - بيو مكانيك

۹۶-۹۷

۱۳۹۷/۴/۱۹

دكتر برهان بيگ زاده

دكتر علي مقداري

مكانيك

يكي از چالش¬هاي اصلي در طراحي سيستم¬هاي تله¬اپراتوري بر اساس معماري¬هاي كلاسيك وجود تأخير زماني در سيستم است كه شفافيت و پايداري سيستم را در تعارض با يكديگر قرار مي¬دهد. به منظور رفع اين كاستي، رويكردهاي كنترل پيش¬بين در سال¬هاي اخير پيشنهاد شده اند. معماري¬هاي پيش¬بين را مي¬توان از دو ديدگاه بررسي كرد: پيش¬بيني نيروي محيط و پيش¬بيني حركت كاربر. مدل ميانجي يك رويكرد پيشنهادي براي ديدگاه اول است كه با ايجاد يك محيط مجازي در سمت راهبر نيروي محيط را پيش¬بيني مي¬كند. دو مورد از چالش¬هاي اصلي اين رويكرد تعيين موقعيت محيط مجازي، و پايداري سيستم در لحظات اوليه برخورد با محيط (حالت گذار) هستند. در اين پايان نامه ابتدا راهكاري براي تعيين موقعيت محيط مجازي ارائه مي¬شود، و سپس جهت پايدارسازي حالت گذار رويكردي بر مبناي جدايي راهبر و پيرو پيشنهاد مي¬شود، بدين صورت كه تبادل سيگنال بين دو سمت قطع مي¬شود و موقعيت هر سمت توسط كنترلر مود لغزشي كنترل شده تا به وضعيت پايدار برسد. براي ديدگاه دوم يك شبكه عصبي طراحي مي¬شود كه موقعيت آينده كاربر را بر اساس داده¬هاي موجودِ فعلي به طور آنلاين پيش¬بيني مي¬كند. مزيت¬هاي اين روش اين است كه توانايي پيش¬بيني حركت براي كاربردها و شرايط متفاوت را دارد، و نيز فرض¬هاي اوليه بسيار كم¬تري از روش¬هاي ارائه شده¬¬ي مشابه لازم دارد. به¬علاوه اين روش مي¬تواند تا حدي حركات غيرمنتظره كاربر را پيش¬بيني كند. روش¬هاي پيشنهادي ابتدا در محيط سيمولينك نرم¬افزار متلب شبيه¬سازي شده و سپس بر روي ربات¬هاي فانتوم اُمني پياده¬سازي مي¬شوند. نتايج به دست آمده نشان مي¬دهند كه با استفاده از رويكرد پيشنهادي اول، سيستم تله¬اپراتوري در تعامل با محيط¬هاي مختلف شفافيت و پايداري خود را حفظ مي¬كند. هم¬چنين با استفاده از رويكرد پيشنهادي دوم، حركات آموزش داده شده و آموزش داده نشده¬ي كاربر به خوبي قابل پيش¬بيني بوده و لذا تأثير تأخير زماني در سيستم به حداقل مي¬رسد.

1397/04/27

Design of a Teleoperation System Based on Predictive Control Approaches

3/21/2021 12:00:00 AM

One of the main challenges in designing teleoperation systems based on classical architectures is the inherent time delay in the system which makes transparency and stability of the system conflict. To mitigate this deficiency, predictive control approaches have recently been proposed. Predictive architectures can be investigated from two perspectives: Predicting environment force and predicting operator motion. Model-mediated teleoperation is a proposed approach for the first perspective, which predicts environment force by locating a virtual environment on master side. Two pivotal challenges in this approach are determining the location of virtual environment, and stabilizing the system during the initial moments of interaction with environment (transition state). In this thesis, first a method for determining the location of virtual environment is presented, and then an approach for stabilizing the transition state is proposed based on decoupling master and slave, such that signal transmission between the two sides is interrupted and each side is position controlled by sliding mode controller in order to reach stability. For second perspective, a neural network is designed which predicts future position of operator online based on current available data. The advantages of this method are that it can predict the motion for different applications and circumstances, and also it requires much less presumptions in comparison with similar proposed approaches. Moreover, it can predict unexpected movements to a good extent. The proposed methods are first simulated in Simulink environment of MATLAB and then are implemented on Phantom Omni robots. Results indicate that by utilizing the first proposed approach, the teleoperation system is transparent and stable during interaction with different environments. Also by using the second proposed approach, trained and untrained operator motions can be well predicted and thus the effect of time delay in the system is reduced drastically.