جلسه دفاع کارشناسی ارشد (آقای نیما ریاضی)

موضوع:  طراحی سیستم کنترلی به‌منظور بهبود شفافیت در سیستم‌های عمل از راه دور

ارائه دهنده:  نیما ریاضی

استادان راهنما: دکتر محمد دانش، دکتر سعید بهبهانی

استادان داور: دکتر مرضیه مجدراصیل، دکتر مرضیه کمالی 

چکیده:

سیستم‌های عمل از راه دور رباتیک، یک فناوری کلیدی در کاربردهایی همچون جراحی از راه دور، تعمیر و نگهداری در محیط‌های خطرناک و دست‌کاری رباتیک در محیط‌های غیرقابل دسترس به شمار می‌آیند. طراحی یک سیستم عمل از راه دور پایدار و شفاف، که قادر باشد ضمن انتقال دقیق موقعیت و نیرو، نامعینی‌های سیستم، دینامیک‌های پیچیده محیط و محدودیت‌های انسانی را مدیریت نماید، همچنان یک چالش مهم و فعال در پژوهش‌های حوزه کنترل پیشرفته محسوب می‌شود. این پژوهش به طراحی، تحلیل و پیاده‌سازی یک ساختار کنترل تطبیقی پیشرفته برای یک سیستم عمل از راه دور چهارکاناله نیرو موقعیت می‌پردازد که به طور همزمان انتقال موقعیت و بازخورد نیروی واقعی را تضمین می‌کند و پایداری را در حضور نامعینی‌ها فراهم می‌سازد. در این پژوهش، ابتدا مدل دینامیکی جامع هر یک از اجزای سیستم شامل ربات راهبَر، ربات پیرو، کاربر انسانی و محیط تعاملی ارائه می‌شود و به منظور شبیه‌سازی دقیق ویژگی‌های واقعی تعامل با بافت‌های زیستی، محیط تعاملی با استفاده از مدل‌های پیشرفته‌ای همچون مدل بافت‌های ترکیبی توسعه داده شده‌است. این مدل‌ها امکان بررسی رفتار سیستم کنترلی در مواجهه با محیط‌های غیرخطی و دارای خواص ویسکوالاستیک را فراهم می‌کنند.

کنترل‌کننده پیشنهادی استفاده شده در این پژوهش، از قوانین تطبیق پارامترها به منظور جبران نامعینی‌های پارامتری استفاده می‌کند و به منظور مقابله با نامعینی‌های ساختاری و غیرخطی محیط، از شبکه‌های عصبی پایه شعاعی بهره می‌گیرد. این شبکه‌ها به طور برخط، دینامیک‌های ناشناخته را تقریب زده و خطای مدل‌سازی را کاهش می‌دهند. 

تحلیل پایداری سیستم با استفاده از روش لیاپانوف انجام شده است و یک تابع لیاپانوف برای کل سیستم شامل خطاهای موقعیت، سرعت، خطاهای تخمین پارامترها و وزن‌های شبکه عصبی تعریف شده و نشان داده شده‌است که مشتق زمانی آن منفی نیمه‌معین است. با استفاده از قضیه لم باربالات نتیجه می‌شود که تمام سیگنال‌های سیستم کراندار باقی می‌مانند و خطاهای رهگیری به سمت صفر میل می‌کنند. این تحلیل تضمین می‌کند که در حضور نامعینی‌های پارامتری، ویژگی‌های غیرخطی‌ محیط و برهم‌کنش با کاربر انسانی، کل سیستم عمل از راه دور پایدار و شفاف باقی خواهد ماند.

نتایج شبیه‌سازی در محیط نرم‌افزار سیمولینک نشان می‌دهند که سیستم کنترلی پیشنهادی قادر است موقعیت راهبَر و پیرو را با دقت بالا همگام‌سازی کند و بازخورد نیروی واقعی محیط را حتی زمانی که محیط شامل خواص ترکیبی یا رفتارهای غیرخطی تماس می‌باشد، به کاربر منتقل نماید. همچنین در این پژوهش به بررسی اثر تاخیر بر روی این سیستم کنترلی پرداخته شد و عملکرد آن در قیاس با پژوهش‌های پیشین مورد تحلیل قرار گرفت و در انتها نیز آزمایش‌هایی با استفاده از بازوی رباتیکKUKA  بر روی  بافت‌های مصنوعی به منظور شناسایی پارامترهای این بافت‌ها انجام شد.