Time-delayed teleoperation with virtual environment reconstruction
Yükleniyor...
Tarih
2021
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
İstanbul Bilgi Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
ABSTRACT: Teleoperations have achieved a milestone in the field of robotics, performing ex tremely difficult tasks in hazardous environments such as undersea, nuclear sites, space exploration and tele-surgery. Their ability to perform tasks previously performed by a master device and to execute commands through a distant slave has opened many doors in the field of advanced robotics. When the distance between the master and the slave is long, the communication channel is subjected to time delays. In this thesis, our motivation was to find a way to reduce the effects of the time delay problem by estimating the parameters of remote environment contact force and render ing a virtual environment on the master side in a bilateral teleoperation system. First, Deep Learning Algorithm, Long Short Term Memory (LSTM) was used to estimate the parameters of the remote environment. After careful consideration, it was concluded that LSTM was not suitable for real-time implementation. Following the progress, the use of Recursive Least Squares (RLS) is demonstrated for estimating the parameters of remote environment contact force and rendering a virtual environment on the master side in a bilateral teleoperation system. Proper and fast estimation of the remote environment impedance plays a crucial role in the realization of local force controller for time delayed teleoperation systems. Three different variants of RLS estimator were implemented and compared against three different impedance models. The algorithms were initially tested in the sim ulation environment making use of a recorded real experiment data set. The force reconstruction performances are compared to evaluate the implemented models and estimators. Based on the simulation results, one of the estimators and one of the mod els are selected for experimental validation on a single degree of freedom motion control system. In a set of real experiments performed, the estimated force was rendered on the master side as a virtual environment, this way a local force feedback control loop was estab lished. The local force control loop was based on the predicted environment using the estimated parameters of RLS running in real time. Therefore, the master side was able to feel same force felt at the slave side without any time delay.
ÖZET: Teleoperasyon uygulamaları robotik alanında deniz altı, nükleer alanlar, uzay araştırmaları ve robotik cerrahi müdahaleler uygulamaları gibi tehlikeli ve önemli operasyonları başararak bir dönüm noktası olmuştur. Daha önce yapılmış olan uygulamaları efendi sistem aracılığıyla köle sisteme ne kadar uzak dahi olsa iletebilmesi gelişmiş robotik alanında birçok kapı açmıştır. Efendi ve köle sistemler arasındaki mesafe uzak oldukça iletişim hattında zaman gecikmeleri oluşmaktadır. Bu tezdeki motivasyon, uzaktaki ortamın temas kuvveti parametrelerini tahmin ederek ve köle sistemin temas ettiği ortamı sanal bir şekilde efendi sisteme çift yönlü kontrol ile iletmek ve efendi-köle sistemler arasında oluşan zaman gecikmesini azaltmaktır. Öncelikle, derin öğrenme algoritmaları ve Uzun Kısa Süreli Bellek (LSTM) algoritmaları uzaktaki ortamın parametrelerini tahmin etmek için kullanıldı. Dikkatli incelemeler sonucunda LSTM algoritmasının gerçek zamanlı kontrolcüler için kullanılamayacağına karar verildi. Yukarıda belirtilen işlemler sonucunda, Yinelenen En Küçük Kareler (RLS) algoritması uzaktaki ortamın temas kuvveti parametrelerini tahmin etmek ve çift yönlü kontrolcüde, uzaktaki ortamı efendi sistemde sanal olarak yaratmak için kullanıldı. Zaman gecikmeli tele operasyon sistemlerinde, uzaktaki ortamın empedansını düzgün ve hızlı bir şekilde tahmin etmek yerel kuvvet kontrolcüsünün gerçekleşmesi için çok önemli bir rol oynar. Üç farklı empedans modeli için üç farklı RLS yöntemi denendi ve gerekli karşılaştırmaları yapıldı. Algoritmalar öncelikle daha önceden gerçek zamanlı kontrolcü tarafından kaydedilmiş bilgileri kullanan simülasyonlar ile denendi. Kuvveti yeniden oluşturma performansları, uygulanmış modeller ve kestirim yöntemleri ile karşılaştırıldı. Simülasyon sonuçlarına göre, bir tane model ve bir tane kestirimci, bir serbestlik dereceli hareket kontrolü sistemi ile deneysel doğrulama için seçildi. Gerçekleştirilen gerçek zamanlı deneylerde, tahmin edilen kuvvet efendi sistemde sanal olarak yaratıldı ve böylece yerel kuvvet kontrolcüsü kuruldu. Yerel kuvvet kontrolcüsü, RLS algoritmasının gerçek zamanlı olarak tahmin ettiği parametrelere kestirimi yapılan ortam parametrelerini kullanarak çalışıyor. Böylece, efendi sistem tarafında, köle sistemin hissettiği kuvvetlerin tamamı zaman gecikmesi olmadan hissedilebiliyor.
ÖZET: Teleoperasyon uygulamaları robotik alanında deniz altı, nükleer alanlar, uzay araştırmaları ve robotik cerrahi müdahaleler uygulamaları gibi tehlikeli ve önemli operasyonları başararak bir dönüm noktası olmuştur. Daha önce yapılmış olan uygulamaları efendi sistem aracılığıyla köle sisteme ne kadar uzak dahi olsa iletebilmesi gelişmiş robotik alanında birçok kapı açmıştır. Efendi ve köle sistemler arasındaki mesafe uzak oldukça iletişim hattında zaman gecikmeleri oluşmaktadır. Bu tezdeki motivasyon, uzaktaki ortamın temas kuvveti parametrelerini tahmin ederek ve köle sistemin temas ettiği ortamı sanal bir şekilde efendi sisteme çift yönlü kontrol ile iletmek ve efendi-köle sistemler arasında oluşan zaman gecikmesini azaltmaktır. Öncelikle, derin öğrenme algoritmaları ve Uzun Kısa Süreli Bellek (LSTM) algoritmaları uzaktaki ortamın parametrelerini tahmin etmek için kullanıldı. Dikkatli incelemeler sonucunda LSTM algoritmasının gerçek zamanlı kontrolcüler için kullanılamayacağına karar verildi. Yukarıda belirtilen işlemler sonucunda, Yinelenen En Küçük Kareler (RLS) algoritması uzaktaki ortamın temas kuvveti parametrelerini tahmin etmek ve çift yönlü kontrolcüde, uzaktaki ortamı efendi sistemde sanal olarak yaratmak için kullanıldı. Zaman gecikmeli tele operasyon sistemlerinde, uzaktaki ortamın empedansını düzgün ve hızlı bir şekilde tahmin etmek yerel kuvvet kontrolcüsünün gerçekleşmesi için çok önemli bir rol oynar. Üç farklı empedans modeli için üç farklı RLS yöntemi denendi ve gerekli karşılaştırmaları yapıldı. Algoritmalar öncelikle daha önceden gerçek zamanlı kontrolcü tarafından kaydedilmiş bilgileri kullanan simülasyonlar ile denendi. Kuvveti yeniden oluşturma performansları, uygulanmış modeller ve kestirim yöntemleri ile karşılaştırıldı. Simülasyon sonuçlarına göre, bir tane model ve bir tane kestirimci, bir serbestlik dereceli hareket kontrolü sistemi ile deneysel doğrulama için seçildi. Gerçekleştirilen gerçek zamanlı deneylerde, tahmin edilen kuvvet efendi sistemde sanal olarak yaratıldı ve böylece yerel kuvvet kontrolcüsü kuruldu. Yerel kuvvet kontrolcüsü, RLS algoritmasının gerçek zamanlı olarak tahmin ettiği parametrelere kestirimi yapılan ortam parametrelerini kullanarak çalışıyor. Böylece, efendi sistem tarafında, köle sistemin hissettiği kuvvetlerin tamamı zaman gecikmesi olmadan hissedilebiliyor.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
Environment Estimation, Long Short Term Memory, Recursive Least Squares, Bilateral Teleoperation, Virtual Environment, Ortam Kestirimi, Uzun Kısa Süreli Bellek, Yinelenen En Küçük Kareler, Çift Yönlü Teleoperasyon, Sanal Ortam
