Disturbance observer based bilateral control systems

Abstract

İki yönlü hareket denetim sistemleri robotik biliminin uzun vade uygulamaları arasında yerini almaktadır. İki yönlü denetimin değişik uygulamaları, bir kimsenin uzak noktalara erişimini ve uzaktaki bir ortamda hareketini mümkün kılabilir. Bu bağlamda, ideal iki yönlü denetim insanlara uzaktaki bir ortamı hissetme yeteneğini bir köle efendi yapısı sayesinde olanaklı kılmaktadır. Buradan hareketle iki yönlü denetimin temel hedefleri köle sistemin efendi sisteme uygulanan hareketi birebir tekrarı ve efendi sistemin köle sistemde hissedilen kuvvetleri operatör kişiye yansıtabilmesi olarak ifade edilebilir. Bu tezde, iki yönlü denetimin detayları incelenmiştir. Bu amaçla, bozucu etken denetleyicileri kullanılarak iki yönlü denetleyici analizi ve tasarımı yapılmıştır. İlk olarak, bilinen bir yapı ivme denetimi konseptinde analiz edilmiş ve denenmiştir. Bunu müteakip, tutma kuvveti denetleyicisi olarak iki yönlü denetimin değişik bir uygulaması incelenmiştir. İkiyönlü denetim için hassasiyet arttırımı Üzerine çalışılmış ve bu bağlamda daha iyi hız, ivme ve bozucu etmen kestirimi yapabilecek yeni bir fonksiyonel gözlemci önerilmiştir. Tezin ikinci yarısında, zaman gecikmeli iki yönlü denetim üzerinde yoğunlaşılmıştır. Bu amaçla denetleyici tasarımı, pozisyonu ve kuvveti ayrı döngülerce içerecek şekilde yapılmıştır. Zaman gecikmeli pozisyon denetimi için, daha önceden önerilmiş olan, üzerine PD denetleyicileri eklenmiş iletişim bozucu etken denetleyicisi kullanılmıştır. Serbeshareketin dışında, çevre ile etkileşim hareketi yaparken gözlemlenen pozisyon ıraksaması analiz edilmiş ve bunun önün geçmek için bir model takip denetleyicisi önerilmiştir. Zaman gecikmeli kuvvet denetimi için öncelikle bir yerel denetleyicinin tepkisi analiz edilmiştir. Sistem şeffaflığını arttırmak için, gecikmeli köle kuvvetinin yerine köle ortamının çevre parametrelerinin kullanılması önerilmiştir. Bu yapıda çevre katılığının kestirimi bir endirek uyarlamalı denetleyici sayesinde yapılmıştır. Tez boyunca incelenen yapıların tamamı tek serbestlik dereceli efendi ve köle robotlardan oluşan bir sistemde denenmiştir. Önerilen yöntemlerde zaman gecikmeli ve gecikmesiz iki yönlü denetleyiciler için yapılan katkılar deneysel olarak da kanıtlanmıştır.

Bilateral teleoperation is becoming one of the far reaching application areas of robotics science. Enabling a human operator the ability to reach and manipulate a remote location will be possible with the various applications of bilateral control. In that sense, ideal bilateral control allows extension ofa person's sensing to a remote environment by a master slave structure. So, the coupled goals of bilateral control is to enforce the slave system track the motion generated on the master system and to re°ect the forces from the slave system. This thesis investigates the current state of the art in bilat-eral teleoperation. For that purpose, design and analysis of bilateral control is made based on the use of disturbance observers.First, a known control structure is investigated in the context of acceleration control. Following this, a case study is made to show a different application of bilateral con-trol, namely grasping force control. Performance improvement in bilateral control is also studied and correspondingly, a novel functional observer is proposed for better estimation of velocity, acceleration and disturbance. In the second half of the thesis, bilateral control with time delay is realized.Design is made via separating the position and force into two different loops. For position control under time delay, a previously proposed control scheme is used in which use of communication disturbance observer with convergence terms was discussed. Observation made about the divergence from the master reference under contact motion is analyzed and a model following control structure is proposed to eliminate the remaining disturbance from the slave plant. For force control under time delay, first the response of a local controller is analyzed. In order to improve the system transparency, a new method is proposed in which environment stiffness was used for force control loop rather than the delayed slave force. In this structure, estimation of environment stiffness was made via an indirect adaptive control scheme. The analyzed structures were also tested experimentally under a master slave system consisting of 1 DOF linear motors. Experiments show the validity of the contributions made for bilateral control with and without time delay.