Stability Analysis of Teleoperation System by State Convergence with Variable Time Delay

We propose a novel control scheme for bilateral teleoperation of n degree-of-freedom (DOF) nonlinear robotic systems with time-varying communication delay. A major contribution from this work lies in the demonstration that the structure of a state convergence algorithm can be also applied to nth-order nonlinear teleoperation systems. By choosing a Lyapunov Krasovskii functional, we show that the local-remote teleoperation system is asymptotically stable. The time delay of communication channel is assumed to be unknown and randomly time varying, but the upper bounds of the delay interval and the derivative of the delay are assumed to be known.

Metodología de Diseño y Análisis de Sistemas Teleoperados Considerando Dinámica No Lineal

Cuando la separación física entre el sistema local y remoto es relativamente corta, el retardo no es perceptible; sin embargo, cuando el manipulador local y el manipulador remoto se encuentran a una distancia lejana uno del otro, el retardo de tiempo ya no es insignificante e influye negativamente en la realización de la tarea. El retardo de tiempo en un sistema de control introduce un atraso de fase que a su vez degrada el rendimiento del sistema y puede causar inestabilidad. Los sistemas de teleoperación pueden sacar provecho de la posibilidad de estar presente en dos lugares simultáneamente, sin embargo, el uso de Internet y otras redes de conmutación de paquetes, tales como Internet2, impone retardos de tiempo variables, haciendo que los esquemas de control ya establecidos elaboren soluciones para hacer frente a inestabilidades causadas por estos retardos de tiempo variables. En este trabajo de tesis se presenta el modelado y análisis de un sistema de teloperación bilateral no lineal de n grados de libertad controlado por convergencia de estado. La comunicación entre el sitio local y remoto se realiza mediante un canal de comunicación con retardo de tiempo. El análisis presentado en este trabajo considera que el retardo puede ser constante o variable. Los principales objetivos de este trabajo son; 1) Desarrollar una arquitectura de control no lineal garantizando la estabilidad del sistema teleoperado, 2) Evaluar la estabilidad del sistema considerando el retardo en la comunicación, y 3) Implementación de los algoritmos desarrollados para probar el desempeño de los mismos en un sistema experimental de 3 grados de libertad. A través de la teoría de Estabilidad de Lyapunov y el funcional Lyapunov-Krasovskii, se demuestra que el sistema de lazo cerrado es asintóticamente estable. Estas conclusiones de estabilidad se han obtenido mediante la integración de la función de Lyapunov y aplicando el Lema de Barbalat. Se demuestra también que se logra sincronizar las posiciones del manipulador local y remoto cuando el operador humano no mueve el manipulador local y el manipulador remoto se mueve libremente. El esquema de control propuesto se ha validado mediante simulación y en forma experimental empleando un sistema de teleoperación real desarrollado en esta tesis doctoral y que consta de un un manipulador serie planar de tres grados de libertad, un manipulador local, PHANTOM Omni, el cual es un dispositivo haptico fabricado que consta de 3 grados de libertad (en fuerza) y que proporciona realimentación de fuerza en los ejes x,y,z. El control en tiempo real se ha diseñado usando el Sistema Operativo en Tiempo Real QuaRC de QUARC en el lado local y el Simulink Real-Time Windows TargetTM en el lado remoto. Para finalizar el resumen se destaca el impacto de esta tesis en el mundo científico a través de los resultados publicados: 2 artículos en revistas con índice de impacto , 1 artículo en una revista indexada en Sistemas, Cibernética e Informática, 7 artículos en congresos y ha obtenido un premio en la 9a. Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernética e Informática, 2010. ABSTRACT When the physical separation between the local and remote system is relatively short, the delay is not noticeable; however, when the local manipulator and the remote manipulator are at a far distance from each other, the time delay is no longer negligible and negatively influences the performance of the task. The time delay in a control system introduces a phase delay which in turn degrades the system performance and cause instability. Teleoperation systems can benefit from the ability to be in two places simultaneously, however, the use of Internet and other packet switched networks, such as Internet2, imposes varying time delays, making established control schemes to develop solutions to address these instabilities caused by different time delays. In this thesis work we present a modeling and analysis of a nonlinear bilateral teloperation system of n degrees of freedom controlled by state convergence strategy. Communication between the local and remote site is via a communication channel with time delay. The analysis presented in this work considers that the time-delay can be constant or variable. The main objectives of this work are; 1) Develop a nonlinear control schemes to ensure the stability of the teleoperated system, 2) Evaluate the system stability considering the delay in communication, and 3) Implementation of algorithms developed to test the performance of the teleoperation system in an experimental system of 3 degrees of freedom. Through the Theory of Stability of Lyapunov and the functional Lyapunov-Krasovskii, one demonstrates that the closed loop system is asymptotically stable.. The conclusions about stability were obtained by integration of the Lyapunov function and applying Barbalat Lemma. It further shows that the positions of the local and remote manipulator are synchronize when the human operator stops applying a constant force and the remote manipulator does not interact with the environment. The proposed control scheme has been validated by means of simulation and in experimental form using a developed system of real teleoperation in this doctoral thesis, which consists of a series planar manipulator of three degrees of freedom, a local manipulator, PHANTOM Omni, which is an haptic device that consists of 3 degrees of freedom (in force) and that provide feeback force in x-axis, and, z. The control in real time has been designed using the Operating system in Real time QuaRC of Quanser in the local side and the Simulink Real-Time Windows Target in the remote side. In order to finalize the summary, the highlights impact of this thesis in the scientific world are shows through the published results: 2 articles in Journals with impact factor, one article in a indexed Journal on Systemics, Cybernetics and Informatics, 7 articles in Conferences and has won an award in 9a. Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernética e Informática, 2010.