Delay compensation in bilateral teleoperation using predictor observers

Abstract

İletişim kanalındaki gecikmeden kaynaklanan kararsızlaşma ve performans düşüklüğü, bilateral teleoperasyonda karşılaşılan oldukça zor problemlerdir. Özellikle, internet kullanımının yaygınlaşmasıyla sınırlı bant genişliğinden, uzun mesafelerden ya da iletim sırasında oluşan yığılmadan kaynaklanan değişken gecikme problemi bilateral teleoperasyon araştırmalarında çözülmesi beklenen önemli bir problem haline gelmiştir. Mevcut gecikme telafisi yöntemlerinin çoğu doğrusal teleoperatör sistemleri için tasarlanmıştır. Bunları gerçek bilateral sistemlere uygulamak için öncelikle robotun doğrusal olmayan dinamiği doğrusallaştırılmalıdır. Geri beslemeyle doğrusallaştırma yöntemi bu amaç için sıkça kullanılan bir yöntemdir.Bu projede, gecikme telafisi problemi, gözlemci çerçevesinde ele alınmıştır. Bu amaçla iki yeni gözlemci tasarlanmıştır. Bozucu gözlemci, yönetilen sistem üzerindeki toplam bozucu etkiyi (doğrusal olmayan terimler, parametre belirsizlikleri ve dış bozucular) tahmin eder. Bozucu gözlemcinin yönetilen sistem tarafına entegre edilmesi, nominal parametrelerle ifade edilen doğrusallaştırılmış bir yönetilen sistem dinamiği oluşturur. Bir başka gözlemci ise yöneten sistem tarafında yönetilen sistemin durum değişkenlerini tahmin etmek üzere tasarlanmıştır. Bu gözlemci, doğrusal ve doğrusal olmayan çeşitli yöntemlerle tasarlanabilir. Sonlu zaman yakınsaması sağlayabilmek için yöneten sistem tarafında bir kayan kipli gözlemci tasarlanmıştır. Bu gözlemcinin yönetilen sistemin gelecekteki pozisyonlarını ve/veya hızlarını tahmin ettiği ve bu tahminlerin basit bir PD denetleyicisinde kullanılarak kararlı bir operasyon sağladığı gösterilmiştir. Bozucu gözlemci sistemin gürbüzlüğünü artırdığından, ortaya çıkan bilateral sistemin performansı yeterli düzeydedir.Bu projede kuvvet yansımalı bilateral teleoperasyon da ele alınmıştır. Önerilen gözlemci tabanlı gecikme telafisi tekniği iyi bilinen dört-kanallı kontrol mimarisine entegre edilerek sadece kararlı değil aynı zamanda saydam bir teleoperasyon sağlanmıştır. Önerilen yöntem, tek eksenli bir robot çifti ve pantograf çiftinden oluşan bilateral sistemlerde yapılan başarılı deney sonuçları ile doğrulanmıştır.

Destabilization and performance degradation problems caused by the time delay in communication channel is a serious problem in bilateral teleoperation. In particular, variability of the delay due to limited bandwidth, long distance or congestion in transmission problems has been a real challenge in bilateral teleoperation research since the internet communication has become prevalent. Many existing delay compensation techniques are designed for linear teleoperator systems. In order to implement them on real bilateral systems, the nonlinear dynamics of the robots must first be inearized. For this purpose feedback linearization is usually employed.In this project, the delay compensation problem is tackled in an observer framework by designing two observers. Integration of a disturbance observer to the slave side implies a linearized slave dynamics with nominal parameters. Disturbance observer estimates the total disturbance (nonlinear terms, parametric uncertainties and external disturbances) on the slave system. A second observer is designed at the master side to predict states of the slave. This observer can be designed using a variety of linear or nonlinear methods. In order to have finite-time convergence, a sliding mode observer is designed at the master side. It is shown that this observer predicts the future positions and/or velocities of the slave and use of such predictions in the computation of a simple PD control law implies stable operation for the bilateral system. Since the disturbance observer increases the robustness of the slave system, the performance of the resulting bilateral system is quite satisfactory.Force reflecting bilateral teleoperation is also considered in this project. Integrating the proposed observer based delay compensation technique into the well known four-channel control architecture not only stable but also transparent bilateral teleoperation is achieved. Simulations and successful experimental results with bilateral systems consisting of a pair of single link robots and a pair of pantograph robots validates the proposed method