بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه طراحی و شبیهسازی کنترلربر 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 توضیح داده شده سپس کنترلکنندهی ترکیبی مکان نیرو 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 مدل تاخیر و یا 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
