بخشی از مقاله
چکیده:
در این مطالعه طراحی و شبیهسازی کنترل مقاوم امپدانسی بر روی 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، سپس با استفاده از معادلات سینماتیکی و دینامیکی بدست آمده الگوریتمهای کنترلی مناسب ارائه شده است. در قدم بعدی به بررسی کنترل سیستمهای عملیات از راه دور پرداخته و ساختار کنترلکننده مقاوم امپدانسی برای یک سیستم عملیات از راه دور طراحی شده و نتایج شبیهسازی به طور کامل ارائه گردیده است و با توجه به اینکه سیستمهای عملیات از راه دور دارای نامعینیهای پارامتری در دینامیک بازوها و یا دینامیک محیط و اپراتور میباشند اقدام به طراحی کنترلکنندهی مقاوم مکان و نیرو شده است
-1 مقدمه
سیستمهای کنترل از راه دور در چند سال اخیر جزء حوزههای تحقیقاتی بسیار فعالی بوده است. قابلیت بسیار بالا و توسعه کنترل از راه دور این سیستمها موجب اهمیت این موضوع شده است، لذا کنترل سیستمهای حرکت از راه دور در حضور جنبههایی همچون عدم قطعیت دارای اهمیت بالایی میباشد. در طراحی هر سیستم حرکت از راه دور هدف اصلی ایجاد یک ارتباط مطمئن بین سیستم فرمانده و فرمانبر و دسترسی به پایداری و کارائی سیستم در حضور تأخیر زمانی، اغتشاشات سیستم، نویز و خطای مدلسازی است.
کاربرد سیستمهای کنترل از راه دور در سیستمهای نظامی، پزشکی، خودرو، زیر دریایی میباشد. به طوریکه در پزشکی برای عمل جراحی توسط ربات - ربات جراح - صورت میگیرد سیستمهای جراحی رباتیک باتوجه به مزایای استفاده از روشهای جراحی به روش حداقل آسیب، همچنین در راستای رفع مشکلات
جراحان، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این سیستمها جراح در یک کنسول کاملا ارگونومیک قرار گرفته وبا نگاه در صفحه نمایش مقابل خود تصویری سه بعدی از داخل شکم بیمار خواهد داشت. سپس جراح رباتی - ربات راهبر - با فرض اینکه ابزار را در دست دارد حرکات موردنیاز را انجام میدهد. از طرفی ربات دیگری - ربات پیرو - در کنار تخت بیمار قرار گرفته و دستورات جراح را روی ابزار واقعی پیادهسازی میکند.
در این راستا هدف طراحی کنترلکننده برای سیستم از راه دور دسترسی به پایداری و کارائی بهینه در حضور زمان تأخیر، اغتشاشات سیستم، نویز و خطای مدلسازی است. معمولاً در اندازهگیری خروجیها یکی از عوامل، ضعف عملکرد سیستم رباتیک و حتی ناپایداری آن بوده و نیز باعث ایجاد پیچیدگی در طراحی کنترلکننده میشود. کنترل زمان تأخیر مهمترین هدف در پزشکی از را دور میباشد، هدف ما کنترل این مهم میباشد. به منظور بهبود کنترل سیستم دور عملیات با ربات مبتکر و برای عیمقتر شدن کنترل پیرو از روش مقاوم استفاده خواهد شد. در این روش هدف اصلی کنترل موقعیت و نیروی مطلوب در اندافکتور ربات جراح خواهد بود.
در این شیوه کنترلی از تشکیل یک متغیر امپدانسی به صورت نسبت خطای موقعیت به خطای نیرو و سپس کنترل این متغیر جدید عمل میشود. در کنترل امپدانس مسئله به صورت حل دینامیک معکوس در نظر گرفته میشود.
بعلاوه در این روش مبنای کار تشکیل نامعادلات ماتریسی - LMI - براساس نامعینیهای سیستم و تأخیر کانال با کران بالای معلوم - حداکثر زمان تأخیر مشخص است - میباشد. حل این معادلات LMI به پاسخ ماتریسهای لیاپانوف مسأله میانجامد و پایداری کار را مشخص میکند.
در واقع با حل این نامعادلات ماتریسی میتوان بهرههای کنترلکننده به منظور دستیابی به عملکرد مقاوم ربات را بدست آورد.
تصور میشود با این روش میتوان تأثیر خطای کانال را به حداقل کاهش داد و نوسانات ناشی از این مسأله را حداقل نمود. از طرفی بر نویز مسیر غلبه نموده و مدل کنترلی برای کار در ناحیه عدم قطعیت ربات جراح را بدست آورد.
علاوه بر این در روش کنترل امپدانسی میتوان علاوه بر موقعیت اندافکتور ربات جراح، نیروی اندافکتور را بصورت دقیق کنترل نمود. چرا که حساسیت این ربات در کار با بیمار این مسأله را ایجاب میکند.
روشهای کنترلی به منظور هماهنگ سازی سیستم یکپارچه اپراتور و بازوی جراح ضروری است. در این فرآیند هدف اصلی حفظ پایداری در حضور تاخیرهای معمول در این سیستم می باشد. به این منظور پژوهشهای مختلفی انجام شده است که در ادامه به بررسی برخی از آنها می پردازیم:
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 می سازد تا بتواند ورودیهای کنترلی مورد نظر را به سادگی بسازد
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
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 می باشد
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 می باشد. با تخمین اغتشاش و در نظرگیری اثر آن میتوان این عامل کانال اطلاعاتی راحذف وفرآیند کنترل از راه دور رابهبود بخشید
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
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
دراین مطالعه مسئله کنترل بازوی ربات جراح با در نظر گرفتن و یا بدون در نظرگیری گرانش انجام شده است. طی این فرآیند می توان 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 می یابد
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
دراین مطالعه شبکه ای از سیستم بازوی جراح در نظر گرفته شده است. مبنای کنترل در این روش براساس کنترل گشتاور بازوی جراح می باشد. براین اساس با محاسبه گشتاور وارد شده به بازوی جراح الگوریتم کنترلی عمل می کند
در این پژوهش محدودیتهای هولونومیک برای بازوی ربات جراح در حین طی مسیر حرکت در نظر گرفته شده است. این محدودیتها می توانند 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 می باشند
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 عدم قطعیت ها باید بتوان پایداری سیستم را بدست آورد.
در این بین ربات بازوی جراح نقش مهمی ایفا میکنند. در این رباتها شخص جراح با انجام عملیات مورد نظر به عنوان پایه، بازوی قرار گرفته در سمت دیگر کانال به عنوان پیرو را کنترل مینماید.
-2مدلسازی و کنترل به روش امپدانس بازوی ربات جراح
سیستم ربات بازوی جراح با n درجه آزادی تشریح شده با مدل دینامیکی زیر در فضای مفصلی را در نظر بگیرید.
بردار نیروهای تعمیم یافته تماسی اعمال شده توسط بازوی ربات جراح بر میدان عملیاتی و P بعد فضای کاری میباشد. J - θ - ∈ Rp∗n ماتریس ژاکوبین و X. Ẋ∈ Rp به ترتیب، موقعیت و سرعت سیستم ربات جراح در فضای کارتزین میباشد. مسألهای که باید حل شود، طراحی قوانین کنترلی U ∈ Rn که باید پایداری مجانبی سیستم تشریح شده توسط مدل دینامیکی - 1 - و مدلهای سینماتیکی - 2 - تحت فرضیات زیر را ارضا نماید:
-1 تمامی بردارهای نیرو، موقعیت، سرعت و شتاب اندازهگیری شدهاند.
-2 تمامی بهرههایی که برای مسأله کنترلی استفاده میشوند، ماتریس قطری با عناصر برابر هستند.
