Control scheme without force sensors for load sensing in telemanipulation systems with force-feedback

• Autorzy: Saków M. , Marchelek K. , Parus A. , Miądlicki K.

Warianty tytułu

PL

Bezsensorowy schemat sterowania dedykowany do wyczuwania ładunku w systemach telemanipulacyjnych z siłowym sprzężeniem zwrotnym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a novel approach to the control design of bilateral teleoperation systems with force-feedback dedicated only for weight sensing. The problem statement, analysis of related papers up to date, and the scope of the study are presented. The new design of a control unit for a master-slave system with force-feedback was based on an inverse model. The model was applied to subtract a value of force in the force-feedback communication channel that the system might generate during free-motion. A substantial part of the paper is focused on the development of a mathematical model for the investigated control scheme. The paper presents the modelling procedure of the experimental setup and the model used in the study. Two experiments are described to demonstrate the control unit of the master-slave system with force-feedback. The paper contains conclusions regarding to the control and the experimental setup.

PL

W artykule przedstawiono nowe podejście do projektowania sterowania dwustronnych systemów obustronnego działania ze sprzężeniem siłowym zwrotnym, przeznaczonym wyłącznie do wykrywania obciążenia. W artykule został zaprezentowany opis problemu, analiza dotychczasowych osiągnięć badawczych oraz zakres badania. Nowy projekt jednostki sterującej dla systemu Master-Slave ze sprzężeniem siłowym zwrotnym oparty został na modelu odwrotnym. Model został użyty do odejmowania wartości siły w kanale komunikacyjnym sprzężenia zwrotnego, który jest generowany przez system podczas ruchu swobodnego. Znaczna część pracy koncentruje się na opracowaniu modelu matematycznego obejmującego zjawiska występujące w badanym schemacie kontroli. W pracy przedstawiono wnioski dotyczące systemu kontroli oraz omówiono procedurę modelowania konfiguracji eksperymentalnej oraz model zastosowany w układzie sterowania. Opisane są dwa eksperymenty, aby zademonstrować jednostkę sterującą systemu master-slave ze sprzężeniem siłowym zwrotnym. W pracy przedstawiono również wnioski dotyczące wyników eksperymentalnych.

Słowa kluczowe

EN

teleoperation; force-feedback; inverse modelling; robotics; remote control

PL

operacja zdalna; siłowe sprzężenie zwrotne; modelowanie odwrotne; robotyka; sterowanie zdalne

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego
• Czasopismo: Journal of Machine Construction and Maintenance - Problemy Eksploatacji
• Rocznik: 2017
• Tom: no. 3
• Strony: 21--30
• Opis fizyczny: Bibliogr. 40 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Saków M.

• Department of Mechanical Engineering and Mechatronics, West Pomeranian University of Technology, Szczecin

autor

Marchelek K.

• Department of Mechanical Engineering and Mechatronics, West Pomeranian University of Technology, Szczecin

autor

Parus A.

• Department of Mechanical Engineering and Mechatronics, West Pomeranian University of Technology, Szczecin

autor

Miądlicki K.

• Department of Mechanical Engineering and Mechatronics, West Pomeranian University of Technology, Szczecin

Bibliografia

• 1. Ben-Dov D., Salcudean S.E., A force-controlled pneumatic actuator for use in teleoperation masters, Robotics and Automation, 1993. Proceedings., 1993 IEEE International Conference on, 1993, pp. 938-943 vol. 933.
• 2. Ferrell W.R., Delayed Force Feedback, Human Factors: The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society, 8 (1966) 449-455.
• 3. Guerriero B., Book W., Haptic Feedback Applied to Pneumatic Walking, ASME 2008 Dynamic Systems and Control Conference, American Society of Mechanical Engineers, 2008, pp. 591-597.
• 4. Hannaford B., Stability and performance tradeoffs in bi-lateral telemanipulation, Robotics and Automation, 1989. Proceedings., 1989 IEEE International Conference on, 1989, pp. 1764-1767 vol. 1763.
• 5. Hastrudi-Zaad K., Salcudean S.E., On the use of local force feedback for transparent teleoperation, Robotics and Automation, 1999. Proceedings. 1999 IEEE International Conference on, 1999, pp. 1863-1869 vol. 1863.
• 6. Hogan N., Impedance Control: An Approach to Manipulation: Part II - Implementation, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 107 (1985) 8-16.
• 7. Ishikiriyama Y., Morita T., Improvement of selfsensing piezoelectric actuator control using permittivity change detection, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, 4 (2010) 143-149.
• 8. Khadraoui S., Rakotondrabe M., Lutz P., Interval Modeling and Robust Control of Piezoelectric Microactuators, Control Systems Technology, IEEE Transactions on, 20 (2012) 486-494.
• 9. Kim W.S., Developments of new force reflecting control schemes and an application to a teleoperation training simulator, Robotics and Automation, 1992. Proceedings., 1992 IEEE International Conference on, 1992, pp. 1412-1419 vol. 1412.
• 10. Kim W.S., Hannaford B., Fejczy A.K., Forcereflection and shared compliant control in operating telemanipulators with time delay, Robotics and Automation, IEEE Transactions on, 8 (1992) 176-185.
• 11. Miądlicki K., Pajor M., Overview of user interfaces used in load lifting devices, International Journal of Scientific & Engineering Research, 6 (2015) 1215-1220.
• 12. Miądlicki K., Pajor M., Real-time gesture control of a CNC machine tool with the use Microsoft Kinect sensor, International Journal of Scientific & Engineering Research, 6 (2015) 538-543.
• 13. Najdovski Z., Nahavandi S., Fukuda T., Design, Development, and Evaluation of a Pinch- Grasp Haptic Interface, Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 19 (2014) 45-54.
• 14. Nguyen T., Leavitt J., Jabbari F., Bobrow J.E., Accurate Sliding-Mode Control of Pneumatic Systems Using Low-Cost Solenoid Valves, Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 12 (2007) 216-219.
• 15. Ningbo Y., Hollnagel C., Blickenstorfer A., Kollias S.S., Riener R., Comparison of MRI-Compatible Mechatronic Systems With Hydrodynamic and Pneumatic Actuation, Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 13 (2008) 268-277.
• 16. Noritsugu T., Pulse-width modulated feedback force control of a pneumatically powered robot hand, International Symposium of Fluid Control and Measurement, Tokyo, 1985, pp. 47-52.
• 17. Pajor M., Miądlicki K., Saków M., KINECT SENSOR IMPLEMENTATION IN FANUC ROBOT MANIPULATION, Archives of mechanical technology and automation, 34 (2014) 35-44.
• 18. Polushin I.G., Takhmar A., Patel R.V., ProjectionBased Force-Reflection Algorithms With Frequency Separation for Bilateral Teleoperation, Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 20 (2015) 143-154.
• 19. Rakotondrabe M., Ivan I.A., Development and Force/ Position Control of a New Hybrid Thermo-Piezoelectric MicroGripper Dedicated to Micromanipulation Tasks, Automation Science and Engineering, IEEE Transactions on, 8 (2011) 824-834.
• 20. Rakotondrabe M., Ivan I.A., Khadraoui S., Clevy C., Lutz P., Chaillet N., Dynamic displacement selfsensing and robust control of cantilever piezoelectric actuators dedicated for microassembly, Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 2010 IEEE/ASME International Conference on, 2010, pp. 557-562.
• 21. Rakotondrabe M., Ivan I.A., Khadraoui S., Lutz P., Chaillet N., Simultaneous Displacement/Force SelfSensing in Piezoelectric Actuators and Applications to Robust Control, Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 20 (2015) 519-531.
• 22. Saków M., Miądlicki K., Parus A., Self-sensing teleoperation system based on 1-dof pneumatic manipulator, Journal of Automation, Mobile Robotics and Intelligent Systems, 11 (2017) 64-76.
• 23. Saków M., Pajor M., Parus A., Estymacja siły oddziaływania środowiska na układ zdalnie sterowany ze sprzężeniem siłowym zwrotnym o kinematyce kończyny górnej, MODELOWANIE INZYNIERSKIE, 58 (2016) 113-122.
• 24. Saków M., Pajor M., Parus A., Układ sterowania samowyznaczający siły oddziaływania środowiska na manipulator wykonawczy w czasie pracy systemu telemanipulacyjnego, Projektowanie Mechatroniczne - Zagadnienia Wybrane, Katedra Robotyki i Mechatroniki, Akademia GórniczoHutnicza w Krakowie, 2016, pp. 139-150.
• 25. Saków M., Parus A., Sensorless control scheme for teleoperation with force-feedback, based on a hydraulic servo-mechanism, theory and experiment, Measurement Automation Monitoring, 62 (2016) 417-425.
• 26. Saków M., Parus A., Miądlicki K., Predykcyjna metoda wyznaczania siły w siłowym sprzężeniu zwrotnym w systemie zdalnie sterowanym (in Polish), Modelowanie inżynierskie, 31 (2017) 88-97.
• 27. Saków M., Parus A., Pajor M., Miądlicki K., Nonlinear inverse modeling with signal prediction in bilateral teleoperation with force-feedback, Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), 2017 22nd International Conference on, /IEEE, 2017, pp. 141-146.
• 28. Seraji H., Colbaugh R., Adaptive force-based impedance control, Intelligent Robots and Systems ‘93, IROS ‘93. Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on, 1993, pp. 1537-1544 vol. 1533.
• 29. Seul J., Hsia T.C., Bonitz R.G., Force tracking impedance control of robot manipulators under unknown environment, IEEE Transactions on Control Systems Technology, 12 (2004) 474-483.
• 30. Stuart K.D., Majewski M., Intelligent Opinion Mining and Sentiment Analysis Using Artificial Neural Networks, International Conference on Neural Information Processing, Springer, 2015, pp. 103-110.
• 31. Stuart K.D., Majewski M., Trelis A.B., Intelligent semantic-based system for corpus analysis through hybrid probabilistic neural networks, International Symposium on Neural Networks, Springer, 2011, pp. 83-92.
• 32. Tadano K., Kawashima K., Development of 4-DOFs forceps with force sensing using pneumatic servo system, Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2006. ICRA 2006., 2006, pp. 2250-2255.
• 33. Taghizadeh M., Ghaffari A., Najafi F., Improving dynamic performances of PWM-driven servopneumatic systems via a novel pneumatic circuit, ISA Trans, 48 (2009) 512-518.
• 34. Takigami T., Oshima K., Hayakawa Y., Ito M., Application of self-sensing actuator to control of a soft-handling gripper, Control Applications, 1998. Proceedings of the 1998 IEEE International Conference on, 1998, pp. 902-906 vol. 902.
• 35. WeiTechA.,Khosla P.K.,RiviereC.N., Feedforward Controller With Inverse Rate-Dependent Model for Piezoelectric Actuators in Trajectory-Tracking Applications, Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 12 (2007) 134-142.
• 36. Yokokohji Y., Yoshikawa T., Bilateral control of master-slave manipulators for ideal kinesthetic coupling-formulation and experiment, Robotics and Automation, IEEE Transactions on, 10 (1994) 605-620.
• 37. Yong Z., Barth E.J., Impedance Control of aPneumaticActuatorforContactTasks, Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2005, pp. 987-992.
• 38. Yuguo C., Self-Sensing Compounding Control of Piezoceramic Micro-Motion Worktable Based on Integrator, Intelligent Control and Automation, 2006. WCICA 2006. The Sixth World Congress on, 2006, pp. 5209-5213.
• 39. Zhang T., Jiang L., Wu X., Feng W., Zhou D., Liu H., Fingertip Three-Axis Tactile Sensor for Multifingered Grasping, Mechatronics, IEEE/ ASME Transactions on, PP (2014) 1-11.
• 40. ZhouM.,Ben-Tzvi P.,RMLGlove -AnExoskeleton Glove Mechanism With Haptics Feedback, Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 20 (2015) 641-652.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).