Skip to main content
SUPERVISOR
فرید شیخ الاسلام (استاد راهنما) حمید صادقیان (استاد مشاور) مریم ذکری (استاد راهنما) محمد دانش (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohammad Hossein Hamedani
محمدحسین همدانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1394

TITLE

Intelligent and Robust Compliant Control of Robotic Manipulators for Operating in Unknown Surgical Environments
The compliant controller is an effective controller method widely used in order to perform surgical tasks. In this study, the interaction environment has two main properties. The first one is that the parameters of the environment such as the stiffness are unknown and the second one is that the position of the environment is not available. In this regard, the variable impedance controller is considered as the main compliant controller of this work. In order to interact with the unknown surgical environment, three challenges including robustness, adaptation, and stability of the variable impedance are considered as the main parts of the thesis. For the robustness of the variable impedance, we proposed the dynamic surface controller using the intelligent approach such as a fuzzy and wavelet neural network to eliminate the uncertainties and disturbances. As the second challenge and in order to interact with the unknown surgical environment, we presented a noble formulation for the impedance profile to update the impedance parameters using intelligent methods such as wavelet neural network and fuzzy mechanism. The last challenge is the stability of the variable impedance. Updating the impedance parameters makes the impedance profile as a time-varying system, which can lead to system instability. Therefore, we proposed approaches to guarantee the stability of the impedance profile as an important part of this study. Finally, we induce various simulations and implementation using da Vinci and IIWA robotic manipulators to evaluate the performance of the proposed approaches. Key Words : Variable Impedance Control, Compliant Control, Wavelet Neural Network, Unknown and Dynamic Environment, Dynamic Surface
این پژوهش بر مبنای طراحی کنترل‌کننده تعاملی مناسب به منظور اجرای عملیات توسط بازوهای رباتیک بر روی محیط‌های ناشناخته با دیدگاه کاربرد در زمینه پزشکی انجام شده است. محیط ناشناخته جراحی در این پژوهش، محیطی است که دارای نامعینی از دیدگاه پارامتر سختی و همچنین دارای پویایی از دیدگاه موقعیت است. در واقع تغییر در سختی بافت را می‌توان به عنوان یک نامعینی و حرکت بافت را به عنوان پویایی محیط در نظر گرفت که این دو ویژگی منجر به ناشناخته بودن محیط جراحی می‌شود. در این راستا، کنترل‌کننده امپدانس متغیر به عنوان کنترل‌کننده تعاملی و هسته اصلی این پژوهش در نظر گرفته شده و به منظور اجرای عملیات در محیط‌های ناشناخته سه ویژگی شامل مقاوم‌سازی، تطبیق‌پذیری و در نهایت تضمین پایداری کنترل‌کننده امپدانس متغیر، بخش‌های اصل این پژوهش را به خود اختصاص می‌دهند. به عنوان چالش اول در زمینه مقاوم‌سازی کنترل‌کننده ربات، هدف آن است که کنترل‌کننده ربات توانایی آن را داشته باشد تا نامعینی‌های موجود در مدل دینامیکی و اغتشاش‌های خارجی را حذف و یا موجب کاهش تاثیر آن‌ها بر عملکرد ربات شود. به طور معمول از روش غیر مقاوم فیدبک خطی‌ساز برای تولید سیگنال کنترل بر مبنای پروفایل امپدانس مطلوب استفاده می‌شود. اما در این پژوهش به منظور ارائه کنترل‌کننده امپدانس مقاوم، روش کنترل‌کننده غیرخطی سطح دینامیکی بر مبنای تئوری موجک و منطق فازی پیشنهاد می‌شود. به عنوان چالش دوم به منظور تطبیق عملکرد ربات با محیط‌های ناشناخته جراحی، رفتارامپدانس ربات باید متغیر و منطبق با تغییرات محیط عملیاتی خود باشد. در این تحقیق با ارائه فرمول‌بندی جدید برای ساختار پروفایل امپدانس متغیر، سعی بر آن شده است تا پارامترهای معادله امپدانس با توجه به محیط عملیات ربات و از طریق روش‌های هوشمند مانند شبکه عصبی موجک و مکانیزم فازی به‌روزرسانی شوند. لذا با استفاده از ساختار پیشنهادی جدید، پروفایل امپدانس به نحوی تطبیق‌پذیر می‌شود تا ربات بتواند با محیط‌های ناشناخته جراحی تعامل مناسبی داشته باشد به طوری که این تعامل با استفاده از کنترل‌کننده کلاسیک امپدانس امکان پذیر نیست. به عنوان آخرین چالش، موضوع پایداری امپدانس متغیر با زمان مطرح می‌شود. زیرا به‌روزرسانی پارامترها، منجر به تبدیل پروفایل امپدانس به یک سیستم خطی متغیر با زمان می‌شود که این امر می‌تواند منجر به ناپایداری سیستم شود. لذا با استفاده از روش‌های پیشنهادی سعی بر آن شده است که تضمین پایداری سیستم همواره به عنوان یک بخش مهم از این پژوهش، مورد توجه قرار گیرد. در آخر نیز به منظور بررسی عملکرد روش‌های پیشنهادی ارائه شده برای تعامل با محیط‌های پویا و نامعین، علاوه بر اجرای شبیه‌سازی‌های گوناگون، از ربات‌های داوینچی و ایوا نیز برای پیاده‌سازی و ارزیابی رهیافت‌های پیشنهادی استفاده شده است. واژه های کلیدی: 1? کنترل امپدانس متغیر 2? کنترل تطبیقی 3? شبکه موجک ?? محیط‌‌های پویا و نامعین ?? سطح دینامیکی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی