I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   R o b o t i c s   a n d   A u t o m a t i o n   ( I J R A )   V o l .   1 ,   N o .   1 ,   M a r c h   2 0 1 2 ,   p p .   1 ~ 1 2   I S S N :   2 0 8 9 - 4 8 5 6             1       J o u r n a l   h o m e p a g e :   h t t p : / / i a e s j o u r n a l . c o m / o n l i n e / i n d e x . p h p / I J R A   D e s i g n   a n d   E x p e r i m e n t s   o f   L o w   C o s t   T e l e o p e r a t i o n   S y s t e m       A d h a   C a h y a d i *   * * ,   N g   K h i n   H o o i * * ,   A n u g r a h   P e r s a d a * * ,   R u b i y a h   Y u s o f * *   a n d   Y o s h i o   Y a m a m o t o * * *   *   D e p a r t e m e n t   o f   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   a n d   I n f o r m a t i o n   T e c h n o l o g y ,   U n i v e r s i t a s   G a d j a h   M a d a ,   Y o g y a k a r t a ,   I n d o n e s i a   * *   Ce n t r e   f o r   A r t i f i c i a l   I n t e l l i g e n c e   a n d   Ro b o t i c s   ( CA I RO ) ,   U n i v e r s i t i   T e k n o l o g i   M a l a y s i a ,   K u a l a   L u m p u r ,   M a l a y s i a   * * *   D e p a r t m e n t   o f   P r e c i s i o n   E n g i n e e r i n g ,   S c h o o l   o f   E n g i n e e r i n g ,   T o k a i   U n i v e r s i t y ,   K a n a g a w a ,   J a p a n       A r t i c l e   I n f o     A B S T R A C T   A r t i c l e   h i s t o r y :   R e c e i v e d   J a n   1 6 ,   2 0 1 2   R e v i s e d   M a r   1 7 ,   2 0 1 2   A c c e p t e d   M a r   2 1 ,   2 0 1 2       I n   t h i s   w o r k ,   a   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m   c o n s i s t s   o f   t w o   p l a n a r   S CA R A   m a n i p u l a t o r s   i s   d e v e l o p e d .   T h e   m a n i p u l a t o r s   a r e   c o n s t r u c t e d   u s i n g   b a s i c   l o w   c o s t   a l u m i n u m   b a r s   a s   w e l l   a s   c h e a p   e l e c t r o n i c   c i r c u i t r y   a n d   s o f t w a r e .   M o d e l i n g ,   s y s t e m   i d e n t i f i c a t i o n ,   i n d i v i d u a l   c o n t r o l   a n d   t e l e o p e r a t i o n   c o n t r o l   a r e   p r o p o s e d .   F i n a l l y ,   e x p e r i m e n t s   a r e   a l s o   p e r f o r m e d   t o   v e r i f y   t h e   e f f e c t i v e n e s s   o f   t h e   d e s i g n .   K e y w o r d :   L o w   c o s t   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m   P I D     S y s t e m   i d e n t i f i c a t i o n   S C A R A   P o s i t i o n   C o n t r o l   Co p y r i g h t   ©   2 0 1 2   I n s t i t u t e   o f   A d v a n c e d   E n g i n e e r i n g   a n d   S c i e n c e .     A l l   r i g h t s   r e s e r v e d .   C o r r e s p o n d i n g   A u t h o r :   F i r s t   A u t h o r   D e p a r t e m e n t   o f   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   a n d   I n f o r m a t i o n   T e c h n o l o g y   U n i v e r s i t a s   G a d j a h   M a d a ,   Y o g y a k a r t a ,   I n d o n e s i a   E m a i l :   a d h a . i m a m @ u g m . a c . i d         1 .   I N T R O D U C T I O N     T e l e o p e r a t i o n   h a s   b e e n   u s e d   i n   m a n y   a p p l i c a t i o n s   r a n g e d   f r o m   m i l i t a r y ,   m e d i c a l ,   b i o l o g i c a l ,   i n d u s t r i a l   t o   s p a c e   a p p l i c a t i o n s   ( S a n d e r s ,   2 0 0 6 ) ,   ( K a p o o r   a n d   T e s a r ,   2 0 0 6 ) ,   ( H a i n s w o r t h ,   2 0 0 1 ) ,   ( P a r r i s h   e t   a l ,   2 0 0 1 ) ,   ( M a d a n i   e t   a l ,   2 0 0 8 ) ,   ( S i t t i ,   2 0 0 3 ) .   T h e s e   s h o w   t h a t   t h e   r e s e a r c h e s   i n   t e l e o p e r a t i o n   a r e   i m p o r t a n t   a n d   c h a l e n g i n g .   H o w e v e r ,   m o s t l y   t h e   d e s i g n   o f   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m s   i s   d i f f i c u l t ,   t a s k s - s p e c i f i c   a n d   e x p e n s i v e   t o   f a b r i c a t e .   H o w e v e r ,   f o r   e d u c a t i o n a l   p u r p o s e ,   b e n c h m a r k i n g   a n d   s i m p l e   t a s k s   a   c h e a p   a n d   e a s y - t o - d e v e l o p   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m s   a r e   i n e v i t a b l y   n e e d e d .   O n   t h e   o t h e r   h a n d ,   m a n y   r o b o t s   o p e r a t e d   i n   t h e   i n d u s t r y   f o r   i n s t a n c e   S C A R A ,   S t a n f o r d   m a n i p u l a t o r ,   a r t i c u l a t e d   a r m   e t c . ,   d o   n o t   h a v e   c a p a b i l i t y   t o   b e   a p p l i e d   a s   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m .   I n   t h e   i n d u s t r y ,   b e s i d e   a u t o m a t i c a l l y   o p e r a t e d ,   r o b o t s   s o m e t i m e s   h a v e   t o   u n d e r g o   o p e r a t o r   o p e r a t e d ,   f o r   e x a m p l e   b y   u s i n g   t e a c h   p e n d a n t   o r   j o y s t i c k   f o r   s p e c i f i c   t a s k s .   B a s e d   o n   t h e s e   s i t u a t i o n s ,   o n e   m a y   t h i n k   t h a t   i f   w e   a r e   a b l e   t o   c o m p o s e   a   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m   u s i n g   t w o   i n d u s t r i a l   r o b o t s ,   a   c h e a p   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m   f o r   i n d u s t r i a l   a n d   l a b o r a t o r y   p u r p o s e s   c a n   b e   c o n s t r u c t e d   e a s i l y .     I n   a   c o m m o n   s e t t i n g ,   a   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m   a s   s h o w n   i n   F i g .   1 ,   t h e   o p e r a t o r   w i l l   e x e r t   f o r c e   o n   t h e   m a s t e r   m a n i p u l a t o r   w h i c h   i n   t u r n ,   r e s u l t s   i n   a   d i s p l a c e m e n t   o r   v e l o c i t y   t h a t   i s   t r a n s m i t t e d   t o   t h e   s l a v e   s i d e   a s   t h e   o r d e r   o r   c o m m a n d .   I n   o r d e r   t o   s e n s e   t h e   m a n i p u l a t e d   o b j e c t ,   s o m e   i n f o r m a t i o n s   h a v e   t o   b e   r e t u r n e d   f r o m   t h e   s l a v e   s i d e   t o   t h e   o p e r a t o r   s i d e .   T h e s e   i n f o r m a t i o n   c o u l d   b e   d i s t a n c e   m e a s u r e m e n t ,   v e l o c i t y   m e a s u r e m e n t ,   f o r c e   m e a s u r e m e n t   o r   t h e i r   c o m b i n a t i o n .   A   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m   a s   s h o w n   i n   F i g .   1   h a s   t o   b e   a b l e   t o   a c t u a t i n g   w h i l e   s e n s i n g   m e a n s   w h i l e   e x e r t i n g   f o r c e   f r o m   i t s   a c t u a t o r ,   t h e   f o r c e   i t s e l f   h a s   t o   b e   a c q u i r e d   a n d   s e n t   t o   t h e   o t h e r   s i d e   e i t h e r   m a s t e r   o r   s l a v e   s i d e .   U n f o r t u n a t e l y ,   a   c o m m e r c i a l l y   f a b r i c a t e d   r o b o t s   f o r   i n d u s t r i a l   p u r p o s e s   u s u a l l y   d o   n o t   c o m e   w i t h   t h i s   f e a t u r e .   T h u s   t h e y   n e e d   t o   b e   f u r t h e r   p r o t o t y p e d   i n   o r d e r   t o   h a v e   t h i s   c a p a b i l i t y .   T h e   m a i n   o b j e c t i v e   o f   t h i s   p r o p o s e d   r e s e a r c h   w o r k   i s   t o   d e s i g n   a n d   i m p l e m e n t   s u c h   k i n d   o f   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m   s o   t h a t   i t   i s   p o s s i b l e   t o   u s e   t h e   c o m m e r c i a l l y   a v a i l a b l e   r o b o t s   i n   t h e   m a r k e t   a s   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m .   B e i n g   i t s   s i m p l e   s t r u c t u r e   a n d   d e s i g n ,   s i n c e   1 9 6 4   t h e   S C A R A   r o b o t   h a s   b e e n   w i d e l y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 9 - 4 8 5 6   I J R A     V o l .   1 ,   N o .   1 ,     M a r c h   2 0 1 2   :     1     1 2   2 u s e d   i n   t h e   i n d u s t r y .   M o r e o v e r ,   d u e   t o   i t s   i m p o r t a n c e ,   m a n y   w o r k s   h a v e   b e e n   d o n e   r e l a t e d   t o   t h e   S C A R A   r o b o t s   e s p e c i a l l y   i n   p r o d u c t i o n   a n d   f a b r i c a t i o n   ( C r a i g ,   2 0 0 5 ) .   I n   v i e w   o f   t h e   a b o v e   i n f o r m a t i o n s ,   i n   t h i s   w o r k   a   p a i r   o f   S C A R A   r o b o t   w i l l   b e   d e s i g n e d   a n d   p r o t o t y p e d   i n   o r d e r   t o   s e t   u p   a   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m .         F i g u r e   1 .   I l l u s t r a t i o n   o f   a   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m         2 .   M E C H A N I C A L   D E S I G N   2 . 1 .     D - H   C O n v e n t i o n   I n   t h i s   p a p e r ,   t h e   D - H   c o n v e n t i o n   ( D e n a v i t   a n d   H a r t e n b e r g ,   1 9 5 5 )   i s   u s e d   e s p e c i a l l y   t o   f i n d   t h e   f o r w a r d   a n d   i n v e r s e   k i n e m a t i c s   o f   t h e   r o b o t .   T h e   d e s i g n   o f   t h e   m a n i p u l a t o r s   w i t h   t h e   c h o i c e   o f   D - H   p a r a m e t e r s   i s   s h o w n   i n   F i g .   2 ,   w h i l e   t h e   o n e   d e v e l o p e d   i n   t h e   l a b o r a t o r y   i s   s h o w n   i n   F i g .   3 .   T h e   D - H   p a r a m e t e r s   i n   t h i s   p a p e r   a r e   d e n o t e d   a s   f o l l o w s   =     t h e   d i s t a n c e   f r o m     t o      m e a s u r e d   a l o n g       =   t h e   d i s t a n c e   f r o m     t o     m e a s u r e d   a l o n g     =   t h e   d i s t a n c e   f r o m      t o     m e a s u r e d   a l o n g       =   t h e   d i s t a n c e   f r o m     t o     m e a s u r e d   a l o n g   .           F i g u r e   2 .   D e s i g n   o f   S C A R A   a r m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R A     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       D e s i g n   a n d   E x p e r i m e n t s   o f   L o w   C o s t   T e l e o p e r a t i o n   S y s t e m   ( A d h a   C a h y a d i )   3     F i g u r e   3 .   d e v e l o p e d   a r m   i n   t h e   l a b o r a t o r y         T h e   b a s e   f r a m e   a s   s h o w n   i n   F i g .   4   i s   p l a c e d   o n   t h e   f l o o r   l e v e l   a n d   t h e   Z - a x i s   i s   p l a c e d   p a r a l l e l   w i t h   t h e   m a i n   s u p p o r t   o f   t h e   r o b o t   a r m .   O n   t h e   o t h e r   h a n d ,   t h e   e n d   e f f e c t o r   i s   p l a c e d   a t   t h e   e n d   a n d   f r a m e   f o r   l i n k   1   a n d   l i n k   2   i s   p l a c e d   i n   t h e   s a m e   p l a n e   a s   = 0 .   B y   d o i n g   t h i s ,   t h e   v a l u e   o f     a n d     c a n   b e   z e r o e d .   A f t e r   t h e   p l a c e m e n t   o f   t h e   f r a m e s ,   t h e   D - H   p a r a m e t e r s   a r e   s h o w n   i n   T a b l e   1 .   T h e   h o m o g e n o u s   t r a n s f o r m a t i o n   c o u l d   b e   o b t a i n e d   b a s e d   o n   t h e   f o u r   p a r a m e t e r s   a s   f o l l o w s     =   0 0 . 2 4 + 0 . 2 1 + 0 . 1 6 + + 0 0 . 2 4 + + 0 . 1 2 0 0 1 0 . 2 7 0 0 0 1   ( 1 )     w h e r e       i s   t h e   t r a n s f o r m a t i o n   f r o m   0 th - -   a x i s   t o   3 r d - a x i s ,   , , ,   a n d     s t a n d   f o r   , ,    a n d    ,   r e s p e c t i v e l y .             F i g u r e   4 .   P l a c e m e n t   o f   f r a m e   o n   t h e   r o b o t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 9 - 4 8 5 6   I J R A     V o l .   1 ,   N o .   1 ,     M a r c h   2 0 1 2   :     1     1 2   4 T a b l e   1 .   D - H   p a r a m e t e r s     ( r a d )   ( m )   ( m )   ( r a d )   1   0 . 0   0 . 1 6   0 . 2 7     2   0 . 0   0 . 2 1   0 . 0 0     3   0 . 0   0 . 2 4   0 . 0 0   0 . 0       2 . 2     I n t e r f a c i n g   C i r c u i t r y       T o   d r i v e   t h e   r o b o t   a r m ,   a   l o w   c o s t   e l e c t r o n i c   c i r c u i t   i s   b u i l t   t o   i n t e r f a c e   t h e   h a r d w a r e   a n d   s o f t w a r e .     F o r   a n g u l a r   d i s p l a c e m e n t   s e n s o r ,   a   m u l t i - t u r n   p o t e n t i o m e t e r   i s   u s e d .   A s   t h e   s e n s o r   i s   n o i s y ,   t h e   v o l t a g e   r e g u l a t o r   a n d   t h e   a n t i - a l i a s i n g   f i l t e r   a r e   p r o p o s e d   a s   s h o w n   i n   F i g .   5   a n d   F i g .   6 .     T h e   v o l t a g e   r e g u l a t o r ,   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   4 ,   r e g u l a t e s   t h e   v o l t a g e   f r o m   a   p o w e r   s u p p l y   t o   p r o v i d e   t h e   m u l t i - t u r n   p o t e n t i o m e t e r   a   s t a b l e   v o l t a g e   r a n g i n g   f r o m   0   t o   5   v o l t s .   A   d i o d e   w a s   u s e d   a s   a   c i r c u i t   p r o t e c t i o n   i s   t h e   p o w e r   s u p p l y   t e r m i n a l s   w e r e   t o   b e   s w i t c h e d   a n d   t h e   c a p a c i t o r s   w e r e   p l a c e d   t o   p r o d u c e   s t a b l e   v o l t a g e   o u t p u t .   A s   s h o w n   i n   F i g u r e   6 ,   a n   a n t i - a l i a s i n g   l o w   p a s s   f i l t e r   i s   u s e d   t o   f i l t e r   o u t   h i g h   f r e q u e n c y   n o i s e   i n   t h e   m u l t i - t u r n   p o t e n t i o m e t e r .   C u t - o f f   f r e q u e n c y   o f   1 5 . 9   H e r t z   i s   c h o s e n   f o r   t h e   f i l t e r .   T h e   f i r s t   o p e r a t i o n a l   a m p l i f i e r   a c t s   a s   a   v o l t a g e   b u f f e r   f o r   t h e   m u l t i - t u r n   p o t e n t i o m e t e r .   T h i s   i s   t o   p r e v e n t   f r o m   v o l t a g e   s i d e - l o a d i n g   e f f e c t   w h e r e   t h e   v o l t a g e   r e a d i n g   w i l l   b e   n o n - l i n e a r   w i t h   t h e   r o t a t i o n   o f   t h e   a r m .   T h e   s e c o n d   o p e r a t i o n a l   a m p l i f i e r   a c t s   a s   a n   a c t i v e   1 s t - o r d e r   f i l t e r .           F i g u r e   5   V o l t a g e   r e g u l a t o r   u s i n g   L M 7 8 0 5           F i g u r e   6 .   A n t i - a l i a s i n g   l o w   p a s s   f i l t e r   w i t h   v o l t a g e   b u f f e r           F o r   t o r q u e   m e a s u r e m e n t ,   a   c u r r e n t   s e n s i n g   s e n s o r   A C S 7 1 4   f r o m   A l l e g r o   M i c r o S y s t e m s   I n c o r p o r a t e d   i s   p r o p o s e d .   U s i n g   c u r r e n t ,   u s u a l l y   t h e   t o r q u e   o f   t h e   m o t o r   c o u l d   b e   e s t i m a t e d   b y   u s i n g   a   l i n e a r   f u n c t i o n   i n t e r p o l a t i o n .   B e s i d e   t h a t   t h e   c u r r e n t   c o u l d   b e   u s e d   a s   a   f e e d b a c k   l o o p   f o r   t h e   c o n t r o l l e r .       F o r   t h e   a c t u a t o r   i n t e r f a c e ,   a   m o t o r   d r i v e r   f r o m   D i m e n s i o n   E n g i n e e r i n g ,   i . e . ,   S a b e r t o o t h   2 X 1 2   d r i v e r   i s   u s e d .   A s   e a c h   d r i v e r   c a n   s u p p o r t   t w o   m o t o r s ,   o n l y   o n e   d r i v e r   i s   n e c e s s a r y   t o   d r i v e   a   s i n g l e   a r m .   T h i s   d r i v e r   i s   u s e d   a l o n g   w i t h   t h e   c u r r e n t   s e n s o r   w h e r e   t h e   c u r r e n t   s e n s o r   i s   c o n n e c t e d   i n   s e r i e s   w i t h   t h e   m o t o r .   B o t h   s e n s o r s   a n d   a c t u a t o r s   a r e   t h e n   c o n n e c t e d   t o   t h e   N I - U S B   6 0 0 8   t o   i n t e r f a c e   w i t h   L a b V i e w   f r o m   N a t i o n a l   I n s t r u m e n t s   t h a t   i s   u s e d   a s   t h e   m a i n   c o n t r o l l e r .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R A     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       D e s i g n   a n d   E x p e r i m e n t s   o f   L o w   C o s t   T e l e o p e r a t i o n   S y s t e m   ( A d h a   C a h y a d i )   5 3 .   M O D E L L I N G   I D E N T I F I C A T I O N   A N D   C O N T R O L   3 . 1   P a r a m e t e r   i d e n t i f i c a t i o n     I n   t h i s   s e c t i o n ,   t h e   i d e n t i f i c a t i o n   o f   e l e c t r i c a l   p a r a m e t e r s   o f   t h e   p e r m a n e n t   m a g n e t   D C   m o t o r   i s   d i s c u s s e d .   F i r s t l y ,   t h e   m e c h a n i c a l   m o d e l   i s   d e r i v e d .   T h e n   t h e   p a r a m e t e r   i d e n t i f i c a t i o n   i s   d o n e   u s i n g   M a t l a b   I d e n t i f i c a t i o n   T o o l b o x .   T h e   p e r m a n e n t   m a g n e t   d i r e c t   c u r r e n t   m o t o r   m o d e l   u s e d   i n   t h i s   w o r k   i s   d e p i c t e d   i n   F i g .   7 .           F i g u r e   7 .   P e r m a n e n t   m a g n e t   d i r e c t   c u r r e n t   m o t o r   m o d e l     T h e   m o t o r   r e s i s t a n c e ,   a n d   i n d u c t a n c e   a r e   i d e n t i f i e d   b y   g i v i n g   e x t e r n a l   s t i m u l u s   a t     w h i l e   o b s e r v i n g   t h e   c u r r e n t   .   I f   t h e   d i s t u r b a n c e   t o r q u e     i s   a s s u m e d   t o   b e   z e r o   t h e n   t h e   f i t t i n g   m o d e l   c a n   b e   d e r i v e d   f r o m   t h e   m o t o r   m o d e l   a s   f o l l o w s     =                                                                                                                                                                         ( 2 )   = .                                                                                                                                                                         ( 3 )           F i g u r e   8 .   P l o t   o f   t h e   e x t e r n a l   v o l t a g e   s t i m u l u s   a n d   t h e   m e a s u r e d   o u t p u t     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 9 - 4 8 5 6   I J R A     V o l .   1 ,   N o .   1 ,     M a r c h   2 0 1 2   :     1     1 2   6 S u b s t i t u t i n g   ( 1 )   i n   ( 2 )   a n d   r e a r r a n g i n g   w e   g e t     = ( ) .                                                                                                                       ( 4 )       D u e   t o   n o n l i n e a r i t y   i n   t h e   d i s t u r b a n c e   t o r q u e ,   ,   ( 3 )   w i l l   b e   n o   l o n g e r   v a l i d   a n d   b e c o m e   t o o   c o m p l e x   t o   i d e n t i f y .   T o   b e   e a s i e r ,   t h e   m o t o r   i s   s t a l l e d ,   i . e . ,   t o   s e t   = 0 .   T h u s ,   t h e   f i t t i n g   m o d e l   w i l l   b e   j u s t       = .                                                                                                                                                                                         ( 5 )     T h e r e f o r e ,   t h e   m o t o r   w i l l   b e   e x c i t e d   w i t h   v o l t a g e   s t i m u l a t i o n   t o   o b t a i n   t h e   o v e r a l l   m o t o r   p a r a m e t e r s .   A f t e r ,   e x t e r n a l   s t i m u l a t i o n   i s   g i v e n   t o     a n d   m o t o r   p o s i t i o n ,       i s   m e a s u r e d .   T h e   f i t t i n g   m o d e l   i s   g i v e n   b y     =                                                                                                                             ( 6 )       U n f o r t u n a t e l y ,   t h e   m o d e l   i s   n o t   e x p e c t e d   t o   p e r f e c t l y   f i t   d u e   t o   t h e   d i s t u r b a n c e   t o r q u e   a t   .   S o m e   o f   t h e   e x a m p l e s   o f   d i s t u r b a n c e   t o r q u e   a r e   g r a v i t y   w h i c h   i n   t h i s   c a s e ,   i s   z e r o   b e c a u s e   o f   t h e   a r m   d e s i g n ,   a n d   C o u l o m b   f r i c t i o n .     3 . 1 . 1   M o t o r   E l e c t r i c a l   C h a r a c t e r i s t i c s     A s   d i s c u s s e d   b e f o r e ,   t h e   m o t o r   i s   s t a l l e d   t o   m a k e   z e r o   b a c k   e l e c t r o m o t i v e   f o r c e .   B y   d o i n g   s o ,   t h e   m o t o r   r e s i s t a n c e   a n d   i n d u c t a n c e   c a n   b e   i d e n t i f i e d   u s i n g   a   f i r s t   o r d e r   f i t t i n g   m o d e l .   U s i n g   L a b V i e w   N I - U S B   6 0 0 8   t o   a c q u i r e   t h e   d a t a   a n d   i d e n t i f i e d   u s i n g   t h e   M a t l a b   S y s t e m   I d e n t i f i c a t i o n   T o o l b o x   f o r   i d e n t i f i c a t i o n ,   t h e   m o d e l   f o r   e l e c t r i c a l   c h a r a c t e r i s t i c s   i s   o b t a i n e d   a s   f o l l o w s     =  . .  .   ( 7 )     w h e r e ,   = 2 . 1 1 3   a n d     = 0 . 1 1 5 .     3 . 1 . 2   M o t o r   M e c h a n i c a l   C h a r a c t e r i s t i c s     A f t e r   o b t a i n i n g   t h e   e l e c t r i c a l   c h a r a c t e r i s t i c s ,   t h e   m o t o r   m e c h a n i c a l   c h a r a c t e r i s t i c   w i l l   a l s o   b e   d e r i v e d   a s   w e l l .             F i g u r e   9   C u r r e n t   l o o p   b e s t   f i t t i n g   v a l u e ,   8 9 . 9 6 %   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R A     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       D e s i g n   a n d   E x p e r i m e n t s   o f   L o w   C o s t   T e l e o p e r a t i o n   S y s t e m   ( A d h a   C a h y a d i )   7     F i g u r e   1 0 .   F i t t i n g   m o d e l   f o r   m e c h a n i c a l   m o d e l           F i g u r e   1 1 .   P l o t   o f   t h e   e x t e r n a l   v o l t a g e   s t i m u l u s   a n d   t h e   m e a s u r e d   o u t p u t         B y   u s i n g   t h e   s a m e   s t e p ,   a s   s h o w n   i n   F i g .   1 0 ,   t h e   f i t t i n g   f o r   t h e   t o t a l   m o t o r   m o d e l   i s   f o u n d   t o   b e   u n a c c e p t a b l e .   T h i s   i s   d u e   t o   t h e   i n i t i a l   v a l u e   i s   n o t   b e i n g   e s t i m a t e d   w e l l .   T o   s o l v e   t h i s ,   t h e   m o t o r   p o s i t i o n   d a t a   i s   d i f f e r e n t i a t e d   o n c e   u s i n g   f i v e   p o i n t s   f i r s t   d e r i v a t i v e   c e n t r a l   m e t h o d   i n   o r d e r   t o   g e t     = .                                                                                                                     ( 8 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 9 - 4 8 5 6   I J R A     V o l .   1 ,   N o .   1 ,     M a r c h   2 0 1 2   :     1     1 2   8   F i g u r e   1 2 .   M o t o r   m o d e l   b e s t   f i t ,   8 4 . 8 7 %     A f t e r   d o i n g   t h e   s i m i l a r   p r o c e s s ,   t h e   i d e n t i f i e d   m o d e l   f o r   t h e   t o t a l   s y s t e m   i s   g i v e n   a s   f o l l o w s     =  . . .   ( 9 )     w h e r e   = 1 5 3 . 8 4 6 ,   o b t a i n e d   f r o m   d a t a s h e e t ,   = 0 . 1 3 1 ,     = 0 . 9 1 8   a n d     ! = 1 4 . 4 1 8 .         F i g u r e   1 3 .   P r o p o s e d   c a s c a d e d   c o n t r o l   f o r   m o t o r   p o s i t i o n       3 . 2   R o b o t   D y n a m i c s     F r o m   t h e   k i n e m a t i c s   o f   t h e   a r m   a s   d i s c u s s e d   b e f o r e ,   t h e   d y n a m i c s   a r e   g i v e n   a s   f o l l o w s     " # + $ % , & ' = ( )                                                                                                                                                                                 ( 1 0 )     w h e r e   u   i s   t h e   c o n t r o l   i n p u t   t o r q u e ,   )   i s   t h e   t o r q u e   d u e   t o   i n t e r a c t i o n   w i t h   t h e   e n v i r o n m e n t   a n d   o t h e r   e x t e r n a l   f o r c e s ,   a n d   " = * + + 2 + + + + + + + + ,   ( 1 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J R A     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       D e s i g n   a n d   E x p e r i m e n t s   o f   L o w   C o s t   T e l e o p e r a t i o n   S y s t e m   ( A d h a   C a h y a d i )   9 $ % , & ' = - + & ( 2 + ) + .     ( 1 2 )   w h e r e     + = + + + + + % " + " + " ' + " + " + "   + = + + + + " + "   + = " + "     w i t h   , , , , , " , " , " ,   " , , , ,   a r e   r e s p e c t i v e l y ,   t h e   i n e r t i a s ,   m a s s e s ,   a n d   l e n g t h s   o f   t h e   r e s p e c t i v e   l i n k s .       3 . 3 .   P o s i t i o n   C o n t r o l       I n   t h i s   p a p e r ,   c a s c a d e   c o n t r o l l e r   i s   d e m o n s t r a t e d   t o   c o n t r o l   t h e   p o s i t i o n   o f   t h e   j o i n t   s e p a r a t e l y ,   i . e . ,   o n l y   o n e   j o i n t   i s   c o n s i d e r e d   a n d   t h e   o t h e r   j o i n t s   a r e   k e p t   f i x e d   t o   p r e v e n t   i t   a f f e c t e d   b y   C o r i o l i s   a n d   C e n t r i f u g a l   t e r m s .   C a s c a d e   c o n t r o l l e r   h a s   a d v a n t a g e s   c o m p a r e d   t o   s i n g l e   l o o p   d e s i g n .   F e w   o f   t h e   a d v a n t a g e s   a r e   b e t t e r   d i s t u r b a n c e   r e j e c t i o n   a n d   f a s t e r   r e s p o n s e   d u e   t o   b e t t e r   r e s p o n s e   i n   t h e   i n n e r   l o o p   ( A s t r o m   &   H a g g l u n d ,   1 9 9 5 )   a n d   ( V i s i o l i ,   2 0 0 6 ) .     F o r   t h e   c a s c a d e   c o n t r o l ,   t h e   i n n e r   l o o p   c o n t r o l   i s   t h e   c u r r e n t   c o n t r o l   l o o p   w h i l e   t h e   o u t e r   l o o p   i s   t h e   p o s i t i o n   c o n t r o l   o f   t h e   j o i n t .   P I D   c o n t r o l l e r   b a s e d   o n   Z i e g l e r - N i c h o l s   i s   d e s i g n e d   b a s e d   o n   t h e   i d e n t i f i e d   m o d e l   a n d   t u n e d   u s i n g   s i m u l a t i o n   s o f t w a r e .   L a b V i e w   f r o m   N a t i o n a l   I n s t r u m e n t s   i s   u s e d   t o   i m p l e m e n t   t h e   c o n t r o l l e r .   F o r   s i m p l i c i t y ,   o n l y   p r o p o r t i o n a l   g a i n   i s   u s e d   i n   b o t h   P I D   c o n t r o l l e r s .   T h e   c u r r e n t   c o n t r o l l e r   i s   t u n e d   t o   2 . 3 5 2 2   w h i l e   t h e   p o s i t i o n   c o n t r o l l e r   i s   t u n e d   t o   0 . 3 2 2 6 4 .   T h e   g a i n s   a r e   o b t a i n e d   f r o m   t h e   M A T L A B   S I S O   T o o l b o x   b a s e d   o n   Z i e g l e r - N i c h o l s   f r e q u e n c y   r e s p o n s e   t u n i n g .   T h e   r e s u l t s   d e p i c t e d   i n   F i g .   1 4   s h o w s   t h a t   t h e   p o s i t i o n   c a n   b e   c o n t r o l l e d   w e l l .           F i g u r e   1 4 .   r e s p o n s e   o f   t h e   m o t o r   p o s i t i o n       4 .     T E L E O P E R A T I O N   S Y S T E M   D E S I G N     I n   t h i s   s e c t i o n   t h e   d e s i g n   o f   t e l e o p e r a t i o n   m o d e   i s   d i s c u s s e d .   W e   a r e   g o i n g   t o   c o n s i d e r   t w o   i d e n t i c a l   S C A R A   r o b o t s   ( 7 )   f o r   b o t h   m a s t e r   a n d   s l a v e   s i d e s .   F o r   c o n t r o l l e r   d e s i g n   s i m p l i c i t y ,   o u r   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m   e i t h e r   i n   t h e   s l a v e   s i d e   o r     i n   t h e   m a s t e r   s i d e   i s   r e - w r i t t e n   a s   f o l l o w s       / 0 0 1 = * 0 "  2$ % , & ' & ( + ) 3 ,                                                                                                                 ( 1 3 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 9 - 4 8 5 6   I J R A     V o l .   1 ,   N o .   1 ,     M a r c h   2 0 1 2   :     1     1 2   1 0 w h e r e   t h e   e x t e r n a l   f o r c e s   t e r m   )     i s   c o m i n g   f r o m   t h e   d i r e c t   i n t e r a c t i o n   f r o m   t h e   e n v i r o n m e n t   i n   t h e   s l a v e   s i d e   o r   f r o m   t h e   h u m a n   f o r c e   i n   t h e   m a s t e r   s i d e .   I t   a l s o   r e f l e c t s   t h e   i n t e r a c t i o n   f o r c e s   s e n t   f r o m   t h e   o t h e r   s i d e   w h e r e   t h e   s u b s c r i p t   d   m e a n s   t h a t   t h e   i n f o r m a t i o n   i s   d e l a y e d   .   F o r   c o o r d i n a t i o n   c o n t r o l ,   i t   i s   n e c e s s a r y   f o r   t h e   c o n t r o l   l a w   u   a s   a   f u n c t i o n   o f   t h e   s t a t e   f r o m   t h e   o t h e r   s i d e .   I n   t h i s   p r e l i m i n a r y   w o r k ,   w e   o n l y   c o n s i d e r   s i m p l e   P I D   c o n t r o l   f o r     b o t h   m a s t e r   a n d   s l a v e   m a n i p u l a t o r s   a s   f o l l o w s     ( = 4 0 0 + 4 5 % 0 6 0 6 ' 6 + 4 0 & 0 &   ( 1 4 )     ( = 4 0 0  + 4 5 0 ( 6 ) 0  ( 6 ) 6 + 4 0 & 0 &  .   ( 1 5 )       F i g u r e   1 5 .   T e l e o p e r a t i o n   s c h e m e           F i g u r e   1 6 .   T r a c k i n g   r e s p o n s e   o f   t h e   f i r s t   l i n k         T h e   s t r u c t u r e   o f   t h e   t e l e o p e r a t i o n   s y s t e m   c a n   b e   s e e n   i n   F i g .   1 5 .   T h e   c o n t r o l l e r s   p a r a m e t e r s   4 ,   4   a n d     4   f o r   b o t h   m a s t e r   a n d   s l a v e   m a n i p u l a t o r s   a r e   r e s p e c t i v e l y   s e t   t o   5 ,   1 ,   2   f o r   l i n k   1   a n d   8 ,   2 ,   3   f o r   l i n k   2 .   A s   t h e   m a s t e r   a n d   s l a v e   m a y   b e   l o c a t e d   i n   a   d i s t a n c e ,   t h e   U s e r   D a t a g r a m   P r o t o c o l   ( U D P )   c o n n e c t i o n   w i t h   a p p r o x i m a t e l y   1   s e c o n d   d e l a y   i s   i m p l e m e n t e d .   T h e   t r a c k i n g   r e s u l t s   f o r   t h e   f i r s t   a n d   s e c o n d   l i n k   a r e   s h o w n   i n     S l a v e M a n i p u l a t o r P I D C o n t r o l l e r M a s t e r M a n i p u l a t o r P I D C o n t r o l l e r T 1 T 2 - + θ 1 s , θ 2 s θ 1 m , θ 2 m θ 1 s , θ 2 s + - f h f e . Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.