Bilateral teleoperation enables a human operator to do a work at distance and even feel the remote environment. To allow this, physically-separated master and slave manipulators are connected through communication channels. As appeared in the terminology, bilateral teleoperation, two communication channels exist. These communication channels always accompany with time delay and packet loss. Comparing to the time delay, a little consideration has been given to the packet loss in literature. The objective of this thesis is to develop a robust controller which preserves stability and also guarantees the tracking performance for a bilateral teleoperation system even with packet loss in the communication channel.
To obtain a controller, the model of bilateral teleoperation system is prerequisite to achieve. Position-position control architecture is chosen as the most simple control architecture for bilateral teleoperation system. Communication channel with packet loss process is also modeled. We develop a state feedback controller, constructed with position error between master and slave. Packet loss model is categorized into four cases, according to the occurrence of the packet loss in each communication channel. Then the overall bilateral teleoperation system can be modeled with four linear time varying systems. Here, an augmented state is formed with position and velocity of master and slave, and the output of each communication channel. With this augmented state, bilateral teleoperation system can be expressed in state equations including packet loss process.
Stability of the system is discussed with asymptotical stability with zero input. In this thesis, we construct the Lyapunov function with an augmented state. If the difference of Lyapunov function decreases along the system regardless of the packet loss, we can say that the teleoperation system is asymptotically stable. Teleoperation system is not an autonomous system, therefore, performance of the system also should be considered. The position tracking performance is a widely discussed issue, and we have to focus not only on the stabilizing problem but also on the tracking performance. Controller is optimized to minimize the L2 gain of input over output. In teleoperation system, the input is an exogenous input from human operator and the output is a position error between master and slave. Position tracking performance is only discussed with diagonal term of the system. When the system is switching from a certain case to others, the suggested controller may not guarantee the position tracking performance. However, with the successive packet loss, the bilateral teleoperation system is prone to maintain one case rather than switch the case. Simulations and experimental results show that the proposed controller guarantees the stable system. Also, even the position tracking error increases by case-switching, it finally decreases when maintaining a certain case.
양방향 원격제어는 조작자가 원거리에서도 작업이 가능하도록 할 뿐만 아니라 원거리에서의 환경 또한 느낄 수 있도록 한다. 원격제어 시스템은 조작자와 마스터 장치, 슬레이브 장치와 환경으로 이루어져 있으며 물리적으로 떨어져 있는 마스터와 슬레이브 장치는 통신 채널을 통해 연결되어 있다. 양방향 원격제어 시스템에 존재하는 두 개의 통신 채널은 시간 지연과 패킷 손실을 동반하게 되고 이는 원격제어 시스템의 안정성과 성능에 영향을 미치게 된다. 본 학위 논문에서는 통신 채널에서 패킷 손실이 발생하더라도 시스템의 안정성과 성능을 보장하는 제어기 설계 방법을 제안하였다.
제어기를 설계하기 이전에, 우선, 양방향 원격제어 시스템에 대한 모델이 필요하다. 양방향 원격 제어 시스템의 구조로는 가장 기본적인 위치-위치 제어 구조를 사용하였고 통신 채널은 패킷 손실의 여부에 따라 두 가지 경우로 나눌 수 있다. 따라서, 전체 원격제어 시스템은 네 가지 경우로 모델화 된다. 마스터와 슬레이브의 위치와 속도와 통신 채널을 통과한 위치와 속도를 상태 변수로 정의하고 이 상태 변수로부터 원격제어 시스템에 대한 상태 방정식을 얻었다.
양방향 원격제어 시스템의 안정성은 점근적 안정성을 고려하여 증명하였고 시스템의 성능은 조작자의 입력에 대해 마스터와 슬레이브의 위치 오차가 제한되도록 제어기를 설계하였다. 제어기의 성능은 시스템의 네 가지 경우에 대한 대각성분을 고려하여 보장하였고 한 가지 경우를 유지하는 경우만 고려하였다. 이는 제안하는 제어기의 한계점이기도 하다. 하지만, 실제 원격제어 시스템의 통신 채널에서는 패킷 손실이 연속적으로 나타나면서 모델화한 네 가지 경우 중 한 가지를 유지하게 된다. 즉, 각각의 경우들간의 변환보다는 한 가지 경우를 유지하는 시간이 길게 나타난다. 따라서, 경우가 바뀌면서 시스템의 성능이 저하될 수 있지만, 이는 곧 한 가지 경우를 유지하면서 보상할 수 있다. 시뮬레이션과 실험 결과는 본 학위 논문에서 제안하는 제어기가 시스템의 안정성과 성능을 보장함을 보인다.
