This paper reports on a realtime OS based master-slave configuration robot control system for laparoscopic surgery robot which enables telesurgery and overcomes shortcomings with conventional laparoscopic surgery. Surgery robot system requires control system that can process large volume information such as medical image data and video signal from endoscope in real-time manner, as well as precisely control the robot with high reliability. To meet the complex requirements, the use of high-level real-time OS (Operating System) in surgery robot controller is a must, which is as common as in many of modem robot controllers that adopt real-time OS as a base system software on which specific functional modules are implemened for more reliable and stable system. The control system consists of joint controllers, host controllers, and user interface units. The robot features a compact slave robot with 5 DOF (Degree-Of-Freedom) expanding the workspace of each tool and increasing the number of tools operating simultaneously. Each master, slave and Gill (Graphical User Interface) host runs a dedicated RTOS (Real-time OS), RTLinux-Pro (FSMLabs Inc., U.S.A.) on which functional modules such as motion control, communication, video signal integration and etc, are implemented, and all the hosts are in a gigabit Ethernet network for inter-host communication. Each master and slave controller set has a dedicated CAN (Controller Area Network) channel for control and monitoring signal communication with the joint controllers. Total 4 pairs of the master/slave manipulators as current are controlled by one host controller. The system showed satisfactory performance in both position control precision and master-slave motion synchronization in both bench test and animal experiment, and is now under further development for better safety and control fidelity for clinically applicable prototype.
In this paper, a new integral variable structure regulation controller(IVSRC) is designed by using a special integral sliding surface and a disturbance observer for the improved regulation control of highly nonlinear robot manipulators with prescribed output performance. The sliding surface having the integral state with a special initial condition is employed in this paper to exactly predetermine the ideal sliding trajectory from a given initial condition to origin without any reaching phase. And a continuous sliding mode input using the disturbance observer is also introduced in oder to effectively follow the predetermined sliding trajectory within the prescribed accuracy without large computation burden. The performance of the prescribed tracking accuracy to the predetermined sliding trajectory is clearly investigated in detail through the two theorems together with the closed loop stability. The design of the proposed IVSRC is separated into the performance design and robustness design in each independent link. The usefulness of the algorithm has been demonstrated through simulation studies on the regulation control of a two link manipulator under parameter uncertainties and payload variations, in view of no reaching phase, no overshoot, predetermined response with prescribed accuracy, easy change of output performance, separation of design phase, and so on.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.11
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pp.2011-2020
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1992
This paper discusses about real time control applying sliding mode to robot manipulators whose nonlinear terms, which are inertia term, Corilis term and centrifugal force mterm, are regarded as disturbances. We could simplify the dynamic equations of a manipulator and servo system, which are composed of linear elements and nonlinear elements, by assuming that non-linear terms are external disturbance. By simplifying that equation, we could easily obtain a control input which satisfy sliding mode. We proposed a new control input algorithm to decrease chattering in the application of sliding mode control of manipulator whose nonlinear elements are regarded as disturbances. We could take impulse response of linear elements of dynamic equations of a robot manipulator and servo system by Signal Compression Method. So then, we could obtain the unknown parametes of its linear lements, which are used to obtain switching parameter satisfying sliding mode, by Signal Compression Method. In this experiments, we used DSP(Digital Signal Processor) controller to suppress chattering by obtaining a switching speed and to carry out real time control.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.11
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pp.1741-1747
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2010
This work presents a study on the design of an economic service robot hand for tele-presence manipulators. The conceptual design of new robot hand is derived from biomimetics approach. Guided by the analysis of human arm' musculoskeletal structure, the fingers are actuated by cables and actuators in the forearm. High tension in the cables is achieved by screw-nut mechanism driven by DC motors. A set of combination springs is incorporated in each of the screw-nut mechanism for easy control of gripping force. The first prototype revealed difficulties with finger control and coupling problem between gripping force and wrist movement. The solutions to these problems have been derived from the contradiction analysis of TRIZ. The second design has been verified by tests on various objects with different weight and shape for full range of wrist motion.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.9
no.4
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pp.304-309
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2003
Uninterrupted power supply has become indispensable during the maintenance task of active electric power lines as a result of today's highly information-oriented society and increasing demand of electric utilities. The maintenance task has the risk of electric shock and the danger of falling from high place. Therefore it is necessary to realize an autonomous robot system. In order to realize these tasks autonomously, the three dimensional position of target object such as electric line and the stand of insulator must be recognized accurately and rapidly. The approaching of an insulator and the wrenching of a nut task is selected as the typical task of the maintenance of active electric power distribution lines in this paper. Image recognition by multilayer neural network and optimal target position calculation method are newly proposed in order to recognize the center 3 dimensional position of the bolt hole in the stand of insulator. By the proposed image recognition method, it is proved that the center 3 dimensional position of the bolt hole can be recognized rapidly and accurately without regard to the pose of the stand of insulator. Finally the approaching and wrenching task is automatically realized using 6-link electro-hydraulic manipulators.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.2
s.173
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pp.481-488
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2000
This paper presents a new passive gravity -compensating system for articulated robot manipulators. The system, which consists of linear zero- free -length springs, achieves exact counterbalancing o f the gravitational loads throughout the entire range of the manipulator workspace, A basic concept is to design springs such that the total potential energy of the system including the manipulator and the springs should be maintained constant. A prototype has been developed for a direct-drive five-bar manipulator and its performances have been investigated. Results show that the gravity-induced motor torques have been reduced to less than 5% of those of uncompensated robots. Also, the gravity-compensating system simplifies the position control algorithm while maintaining the trajectory-tracking errors in a satisfactory level. In conclusion, the proposed system efficiently improves the manipulator performances by reducing the driving motor size and the energy consumption as well as by simplifying the control systems.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SC
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v.38
no.6
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pp.28-36
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2001
A robust adaptive sliding mode robot control algorithm is derived, which consists of a feed-forward compensation part and discontinuous control part. The unknown parameters is categorized into two groups, with group containing the parameters estimated on-line, and group containing the parameters not estimated on-line. Then a sliding control term is incorporated into the torque input in order to account for the effects of uncertainties on the parameters not estimated on-line and of disturbances. Moreover, the algorithm is computationally simple, due to an effective exploitation of the structure of manipulator dynamics. It is shown that, despite the existence of the parameter uncertainty and external disturbances, the controller is globally asymptotically stable and guarantees zero tracking errors.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.18
no.3
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pp.139-149
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2015
In this paper, we describe a new approach to perform real-time implementation of an robust controller for robotic manipulator based on digital signal processors in this paper. The Texas Instruments DSPs chips are used in implementing real-time adaptive control algorithms to provide enhanced motion control performance for dual-arm robotic manipulators. In the proposed scheme, adaptation laws are derived from model reference adaptive control principle based on the improved direct Lyapunov method. The proposed adaptive controller consists of an adaptive feed-forward and feedback controller and time-varying auxiliary controller elements. The proposed control scheme is simple in structure, fast in computation, and suitable for real-time control. Moreover, this scheme does not require any accurate dynamic modeling, nor values of manipulator parameters and payload. Performance of the proposed adaptive controller is illustrated by simulation and experimental results for robot manipulator consisting of dual arm with eight degrees of freedom at the joint space and cartesian space.
In this paper, applications of neural networks to vibration control of flexible single link robot manipulator are ocnsidered. The architecture of neural networks is a hidden layer, which is comprised of self-recurrent one. Tow neural networks are utilized in a control system ; one as an identifier is called neuro identifier and the othe ra s a controller is called neuro controller. The neural networks can be used to approximate any continuous function to any desired degree of accuracy and the weights are updated by dynamic error-backpropagation algorithm(DEA). To guarantee concegence and to get faster learning, an approach that uses adaptive learning rates is developed by introducing a Lyapunov function. When a flexible manipulator is ratated by a motor through the fixed end, transverse vibration may occur. The motor torque should be controlle dinsuch as way, that the motor is rotated by a specified angle. while simulataneously stabilizing vibration of the flexible manipulators so that it is arrested as soon as possible at the end of rotation. Accurate vibration control of lightweight manipulator during the large body motions, as well as the flexural vibrations. Therefore, dynamic models for a flexible single link manipulator is derived, and LQR controller and nerual networks controller are composed. The effectiveness of the proposed nerual networks control system is confirmed by experiments.
The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences
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v.18
no.9
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pp.1376-1385
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1993
This paper presents a new dynamic model which is represented by the second order differenatial equation and itcludes the robot arm dynamics as well as the actuator dynamics. The model exhibits excellent performance in the steady state and transient response. In addition the time varing nonlinear and coupled dynamic system has been linearized and decoupled by using nonlinear feedback and linearization method. In this case a pole assignment law is used to improve stability, and the optimal control altorithm is applied to the error equation to minimize the path error. In applying the proposed algorithm to the three joint manipulator with actuators, we obtained very encouraging results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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