مقاله طراحی کنترل کننده مقاوم تطبیقی بازوی ربات جراح در حضور تاخیر و عدم قطعیت سیستم

بخشی از مقاله

چکیده

در این مطالعه طراحی و شبیهسازی کنترل کننده تطبیقی برروی ربات جراح صورت گرفته است. اما آنچه در تعامل رباتها و انسان اهمیت دارد حفظ امنیت و کنترل رفتاری ربات است. ربات جراح از دو قسمت اصلی پایه و پیرو تشکیل شده است. هدف اصلی این پروژه کنترل کردن نیرو و موقعیت ربات جراح است. یعنی نوک ابزار نهایی باید بتواند مقداری دلخواه نیرو وارد کرده و همچنین به مکان موردنظر رفته و جهتگیری مناسب را نیز اتخاذ کند . هدف اصلی نحوه و استراتژی کنترل نیرو و موقعیت است.

ابتدا ربات را مدل سازی کرده و مدل سازی ربات بازوی جراح به صورت یک سیستم یکپارچه از بازو وجراح به صورت پایه وپیرو در نظر گرفته شده است ، سپس با استفاده از معادلات سینماتیکی و دینامیکی بدست آمده و در قدم بعدی روشهای کنترل امپدانس در این سیستم مورد بررسی قرار گرفته است و ساختار کنترلکننده تطبیقی توضیح داده شده و نتایج شبیهسازی به طور کامل ارائه گردیده است روش کنترل امپدانس مدل مبنا است وبه دلیل نامعلوم بودن خواص جرمی همچنین وجود عدم قطعیت در اندازه گیری نیروی تماس روش تطبیقی برای الگوریتم کنترلی ارائه شده است در این روش پایداری مجانبی در سیستم اثبات میشود وکارآیی آن در عمل ثابت خواهد شد.

-1 مقدمه

تله عملیات به فرد اجازه میدهد تا مهارتهای کنترل و هوش خود را به محیطهای مختلف از طریق کنترل هماهنگ دو بازوی روباتیک گسترش دهد. با کمک بازوی کارآمد روباتیک، کاربر میتواند بازوی تابعه را به منظور انجام کار از راه دور اداره کند. وفاداری از کنترل تله عملیات سیستم اغلب با شفافیت آن سنجیده میشود، یعنی اینکه چقدربه تعامل مستقیم با محیط شبیه است. کاربردهای سیستمهای مخابراتی بسیار متنوع هستند که اکتشافات فضا و عمیق آب، کار با مواد هسته ای و خطرناک، تا جراحی ربات دستیار جراحی از راه دور میباشد.

برای بررسی تله عملیات و روشهای مختلف کنترل، مقالات سالکودین1 و اخیرا توسط هوکایم2 و اسپونگ3 پیشنهاد میشود. افزایش علاقه به جراحی با دستیار روباتیک و تله عملیاتی پا به عرصه گذاشته است، زیرا میتواند به تواناییهای فوق العاده جراح مانند افزایش دقت و یا افزایش حساسیت از طریق بازخورد لمسی و نگاشت نیرو / موقعیت کمک شایانی کند. از جمله مزایای دیگر آن، کاهش ترومای بیمار به علت حداقل تهاجم و امکان انجام عمل جراحی راه دور است. توانایی تغییر ادراک جراح از بافت در جراحی روبوتیک، از طریق معرفی یک رابط قابل کنترل بین جراح و بیمار به دست امد، موجب تحقیقات بیشتری را در ارتباط با تله عملیات محیط نرم را موجب شده است.

برای بهبود نتیجه روشهای جراحی، معیارهای عملکرد طراحی کار جدید خاص باید در نظر گرفته شود که میتواند جایگزین اقدامات شفاف معمولی شود. همچنین کنترل کنندههای جدید تله کار این عملکرد باید برای دستیابی به اهداف این عملکردها توسعه داد.اهداف طراحی در تله مانیکول4 بافت نرم بایستی بر وفاداری سیستم تمرکز کنند.

معیارهای سنتی شفافیت شامل موقعیت و پیگیری نیروی بین استاد و شاگرد است به طوری که کاربر آمپدانس مکانیکی محیط کار را بدون اعوجاج درک کند. چنین رویکردی میتواند به ویژه در جراحی بافتهای نرم محدود باشد، در حالی که تواناییهای ادراکی انسان محدود است. پژوهش کولگیت5 یکی از تلاشهای اولیه در تغییر دادن حس اپراتور از طریق شکل گیری قوی آمپدانس خطی است.

در این مطالعه از روش تطبیقی و برمبنای فیدبک خروجی استفاده شده است. در این روش با خطی سازی مسیر از ورودی به خروجی در دینامیک سیستم نسبت به بدست آوردن مدل تطبیقی برای سیستم کنترل از راه دور شبکه ای اقدام شده است. در این پژوهش مسئله تاخیر زمان به صورت یک پارامتر متغیر با زمان وارد شده است. همچنین ورودیهای کنترلی سیستم بصورت فیزیکی و محدود شده در نظر گرفته شده اند از این رو نیاز بوده تا حل مسئله بصورت بهینه در نظر گرفته شود. این مسئله ربات جراح را قادر میسازد تا بتواند ورودیهای کنترلی مورد نظر را به سادگی بسازد . - Changchun Hua et al, 2015 -

در این پژوهش مدل کلی سیستم پایه/پیرو در رباتهای جراح در نظر گرفته شده است. مسئله تاخیر زمانی به صورت پارامتر ثابت و متغیر با زمان در نظر گرفته شده و مسئله برای هر دو حالت حل شده است. روش کنترل در این پژوهش بصورت متنوع ولی خطی در نظر گرفته شده است و مقایسه بین روشهای مختلف بعمل امده است . - Shafiqul Islam, P et al, 2015 -

در این مطالعه مسئله کنترل از راه دور ربات جراح از طریق اینترنت انجام گرفته است. در این پژوهش، مسئله نیروی محیط به عنوان یک متغیر بیرونی در نظر گرفته شده است. متغیر نیرو در اثر نیروی بیرونی وارد شده از طرف محیط بازوی جراح مدلسازی شده است و در مسئله کنترل هدف بررسی عدم ناکارامدی روش در حضور اغتشاش نیروی محیط میباشد . - W. Lo, P et al, 2004 -

در این پژوهش از فرآیند کنترل پیش بین به منظور کنترل سیستم بازوی جراح در حضور تاخیر ناشی از کانال اینترنتی استفاده شده است. در این روش، هدف استفاده از خروجیهای گذشته به منظور تخمین خروجی آینده در حضور اغتشاش میباشد. با تخمین اغتشاش و در نظر گیری اثر آن میتوان این عامل کانال اطلاعاتی را حذف و فرآیند کنترل از راه دور را بهبود بخشید - S. Munir and W. J.,2002 -

در این مطالعه تاخیر زمانی بصورت ثابت در نظر گرفته شده است. در این پژوهش از الگوریتمهای پسیو مجموعه روشهای انتگرالی-تناسبی به منظور کنترل سیستم ربات جراح استفاده شده است . - D. Lee and M. W, 2006 - در این پژوهش تاخیر تنها در مسئله انتقال اطلاعات در نظر گرفته شده است. در این پژوهش مسئله از دست دادن اطلاعات و یا خطا در نظر گرفته شده است. از الگوریتم نیرو به منظور کنترل بازو استفاده شده است . - I. G. Polushin, P. et al, 2007 -

دراین مطالعه مسئله کنترل بازوی ربات جراح با در نظر گرفتن و یا بدون در نظرگیری گرانش انجام شده است. طی این فرآیند میتوان عملیات پردازش را بدون در نظرگیری گرانش و با قبول خطا انجام داد. چنانچه با در نظر گرفتن گرانش عملیات کنترل پیچیده تر شده ولی خطای کار کاهش مییابد . - C. C. Hua and Y. N. Yang, 2012 -  در این پژوهش تاخیر زمانی کانال بصورت یک تابع متغیر با زمان در نظر گرفته شده است. الگوریتم کنترل مقاوم به منظور بدست آوردن مدل کنترل کننده مورد استفاده قرار گرفته است. در این روش برخی نامعینیهای مدل ربات و نامعینی نیرویهای برگشتی محیط در نظر گرفته شده است. مجموعه نتایج نشان از کاربردی بودن این روش دارد . - Hilliard, 2013 -

دراین مطالعه شبکه ای از سیستم بازوی جراح در نظر گرفته شده است. مبنای کنترل در این روش براساس کنترل گشتاور بازوی جراح میباشد. براین اساس با محاسبه گشتاور وارد شده به بازوی جراح الگوریتم کنترلی عمل میکند . - Liu, 2013 - در این پژوهش محدودیتهای هولونومیک برای بازوی ربات جراح در حین طی مسیر حرکت در نظر گرفته شده است. این محدودیتها میتوانند حرکت ربات جراح را با توجه به محدودیتهای سینماتیک و دینامیک آن در مسیرهای مشخصی قرار دهند. تاخیرهای زمانی در نظر گرفته شده در این پژوهش از نوع زمان متغیر میباشند . - Z. Li, X . Cao, Y, 2013 -

در سالهای اخیر با در نظرگیری امکانپذیری انجام عملیات از راه دور، امکان رسیدگی و جراحیهای فوری برای اشخاص امکانپذیر میباشد. این مهم بواسطه سیستمهای کنترل از راه دور انجام میگیرد. در روشهای مبتنی بر کنترل از راه دور با در نظر گرفتن زمان تأخیری که در کانال ارتباطی روی میدهد باید بتوان پایداری سیستم را بدست آورد.

-2 نوع و روش تحقیق

روش تحقیق حاضر، توصیفی است. در حقیقت در تحقیق بنیادی به بررسی ماهیت اشیاء، پدیدهها و روابط بین متغیرها، اصول، قوانین و ساخت یا آزمایش تئوریها و نظریهها پرداخته میشود. همچنین این نوع تحقیق میتواند در دو نوع تجربی و یا نظری باشد. در این مطالعه با توجه به اهداف تحقیق به شبیه سازی بازوی ماهر جراح پرداخته شده است.

شبیه سازی با استفادهازنرم افزار متلب انجام خواهد شد. معمولاً در شبیه سازی قصد تقلید داریم و رسیدن به شبیه سازی که عیناً مانند شیء اصلی عمل میکند علیرغم دشواری ساخت مطلوب نیز نمی باشد. در واقع شبیه ساز نمونه ساده شده ای از سیستم است که علاوه بر برآوردن نیازهای مدنظر، امکان فهم طرز کارکرد شیء را به دلیل سادگی و قابل درک بودن، فراهم میآورد. همچنین شبیه سازی تنها روی سیستمها صورت نمی گیرد بلکه فرآیندهای طبیعی و انسانی نیز میتوانند مورد شبیه سازی قرار گیرند نکته دیگری که از این تعریف قابل استنتاج است قابلیت پیشگویی به کمک شبیه سازها میباشد.

بدین معنی که چون در شبیه سازها زمان به صورت تابعی مستقل در اختیار است - مگر برخی شبیه سازها که دارای سرعت اجرای طولانی تری نسبت به زمان مطلق میباشند - میتوان در زمان پیش رفت و آینده سیستم واقعی را به کمک شبیه ساز و با دقتی که از شبیه ساز انتظار میرود، پیشگویی نمود. شبیه ساز به دلیل ساده تر بودن نسبت به سیستم اصلی، معمولاً دارای ساختاری قابل فهم است و میتوان با تغییر این ساختار، اثرات آن را روی خروجی مشاهده کرد. همچنین اثرات تغییر در ورودی و ساختار را روی شاخصهای عملکرد میتوان دید.

مشاهده اثر تغییرات روی خروجی و شاخصهای مطلوب سیستم، باعث افزایش شناخت از سیستم خواهد شد. اعمال این تغییرات روی سیستمهای واقعی ممکن است بسیار پر هزینه و حتی غیر ممکن باشد. شبیه ساز در مرحله طراحی سیستم نیز کاربرد دارد بررسی اثر تغییر ساختار شبیه ساز به منظور رسیدن به عملکرد مطلوب مارا از اشتباهات پرهزینه باز میدارد.

-3 مدل سازی ربات جراح

در این بخش معادلات دینامیکی مربوط به بازوی رباتها با مفاصل صلب و انعطاف پذیر ارائه شده است. بازوی یک ربات از n لینک با n اتصال تشکیل شده است. هر لینک میتواند توسط انرژیهای الکتریکی، هیدرولیکی و یا پنوماتیکی تحریک گردد. محرک ممکن است در هر اتصال بطور مستقیم قرار گیرد و یا اینکه به صورت کنترلی از راه دور اعمال شود که برخی از ان عبارتند از: تسمه، زنجیرو ... . در ربات صلب فرض میشود که همه لینکها و کوپلینگ بین محرکها و لینکها کاملا صلب هستند. بنابراین دینامیک ربات صلب میتواند توصیف گردد با nمختصات تعمیم یافته که نشاندهنده ی درجات ازادی n اتصال است.