Bilateral control - operational enhancemets

Abstract

Robotikte karşılıklı iki sistemin pozisyon ve/veya kuvvet ilişkisiyle birbirlerinietkilediği sistemlerin kontrolüne çift-taraflı (bilateral) kontrol denir. Çift-taraflısistemler kullanıcı tarafı (master side) ve iş tarafı (slave side) olarak adlandırılan iki altsistemden oluşmaktadır. Bu sistemin genel geçer kullanımında kullanıcı tarafındangönderilen konum referanslarını iş tarafı, iş tarafından gönderilen kuvvet referanslarınıda kullanıcı tarafı takip etmektedir. Bu sayede kullanıcı iş tarafında kumanda ettiğirobota etki eden dış kuvvetleri hisseder. Orada bulunmadığı halde iş tarafındakietkileşim kuvvetlerini hissedebilmesiyle dokunma hissi gerektirecek hassas ve özelgörevleri becerebilmektedir. Çift taraflı kontrol insanın çalışmasının tehlikeli veyaimkansız olduğu nükleer santral, okyanus dibi ya da uzay gibi bölgelerdeki işlerdekullanılabileceği gibi insan ölçeğinden çok altında hassasiyet gerektirecek endoskopikmikro cerrahi, mikro montaj gibi alanlarda da kullanılmaktadır.Bu tez içinde çift taraflı kontrol sistemlerinin performansının arttırılması içinuygulamaya yönelik çeşitli iyileştirmeler tartışılmış, bunlardan uygun bulunanlarıhazırlanan deney düzeneğiyle test edilerek sağlaması yapılmıştır. Sisteme yapılaniyileştirmeler: (i) kısıtlı çözünürlükteki artımsal enkoderden gelen pozisyon bilgisindenvigeniş hız aralığında hassas ölçüm sağlaması, (ii) sistem gürbüzlüğünün (robustness)bozucu gözlemleyici (disturbance observer) tabanlı çalışan ivme kontrolcüsükullanılarak arttırılması. (iii) ivme kontrolcüsünün farklı hızlarda (multirate) çalışandijital kontrolcü ve yüksek hassasiyetli hız ölçümleri sayesinde bant genişliğininarttırılması. (iv) Etkileşim kuvvetlerinin algılanması için kuvvet sensörünün çok dahayüksek bant genişliğine sahip tepki kuvveti gözlemleyicisi (reaction force observer)kullanılarak sistemlerin dokunma stabilitesi arttırılması olarak sayılabilir.Bunlara ek olarak, literatürdeki çift taraflı kontrol sistemleri incelenmiş, çift taraflıkontrol sistemlerindeki genel tasarım ve performans kriterleri açıklanmıştır. Dört kanallıbir çift taraflı kontrol sistemi benimsenerek bu kontrol mimarisi kullanılarak oluşturulançift taraflı sistemde bazı deneyler yapılmış ve sonuçları sunulmuştur.vii

A succinct definition of the word bilateral is having two sides [1]. In robotics theterm bilateral control is used to define the specific interaction of two systems by meansof position and/or force. Bilateral systems are composed of two sides named master andslave side. The aim of such an arrangement is such that position command dictated bymaster side is followed by a slave side, and at the same time the force sensation of theremote environment experienced by slave is transferred to the mater - human operator.This way bilateral system may be perceived as an ?impendanceless? extension of thehuman operator providing the touch information of the remote (or inaccessible)environment. In a sense bilateral systems are a mechatronics extension of theteleoperated systems. There are many applications of this structure which requirescritical manipulations like nuclear material handling, robotic surgery, and micromaterial handling and assembly. In all these applications a human operator is requiredto have as close to real as possible contact with object that should be manipulated or inother word the telepresence of the operator is required.In this thesis work various important aspects of bilateral control systems arediscussed. These aspects include problems of (i) acquisition of information on masterand slave side, (ii) analysis and selection of the proper structure of the control systemsivto ensure fidelity of the system behavior. The work has been done to enhance theperformance of the bilateral control system by:(i) Enhancing position and velocity measurements obtained from incrementalencoder having limited number of pulses per revolution. A few algorithms areinvestigated and their improvements are proposed;(ii) Increasing system robustness by using acceleration controller based ondisturbance observer. The robust system design based on disturbance observer is knownbut its application requires very fast sampling and high bandwidth of the observer. Inthis work the discrete time realization of the observer is presented in details andselection of the necessary filters and the sampling so to achieve a good trade-off forobserver realization is discussed and experimentally confirmed;(iii) Increasing the bandwidth of force sensation by using reaction force observer.For transparent operation of a bilateral system the bandwidth of force sensation is of themajor interest. All force sensors do have relatively slow dynamics and observer basedstructures seems providing better behavior of the overall system. In this work theobserver of the interaction force is examined and design procedure is established.In order to verify all of the proposed ideas a versatile bilateral system is designedand built and experimental verification is carried out on this system.v