I n te r n ati o n al   Jo u r n al   o El e c tr i c a l   an d   C o m p u te r   En gi n e e r i n g   (I JEC E )   V o l .   10 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2020 ,   pp .   828 ~ 8 39   IS S N :   2088 - 8708 D O I :   10. 1 1591 / i j e c e . v 10 i 1 . pp828 - 8 39             828       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i j e c e . i ae s c or e . c om / i nd e x . php / IJ E CE   Ob ser v e r   b a s e d   d y n a m i c   c o n t r o l   m o d e l   f o r   b i l a t e r a l l y   c o n t r o l l e d   M U - L a p a R o b o t :   s u r g i c a l   t o o l   f o r c e   l i m i t i n g       Br an e s h   M .   P i l l a i 1 ,   C h u m p o n   Wi l as r u s m e e 2 ,   Ja c k r i S u th ak o r n 3   1 ,3 D e pa r t m e n t   o f   B i o m e d i c a l   E ng i ne e r i ng ,   F a c ul t y   o f   E ng i ne e r i ng ,   M a h i do l   U ni v e r s i t y ,   T ha i l a nd   2 D e pa r t m e n t   o f   S ur g e r y ,   F a c ul t y   o f   M e di c i ne   R a m a t h i bo di   H o s pi t a l ,   M a hi do l   U n i v e r s i t y ,   T ha i l a n d       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T     Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e d   A pr   22,   201 9   R e v i s e S e p   2 0 ,   20 19   A c c e pt e S e p   27 ,   20 19       D ur i ng   l a pa r o s c o pi c   s ur g e r i e s ,   pr i m a r y   s ur g i c a l   t o o l   i ns e r t i o i s   t he   de m a n di ng   a n s t r e nuo us   t a s k.   A s   t he   s ur g e o i s   un a w a r e   o f   t he   t y pe   o f     t he   t i s s ue   a nd  a s s o c i a t e p a r a m e t e r s   t o   c o nduc t   t he   i n s e r t i o n,   t h e r e f o r e ,   t o   e a s e   t he   pr o c e dur e ,   t he   m o v e m e nt   o f   t he   s u r g i c a l   t o o l   ne e ds   t o   be   c o nt r o l l e d.   I t s   t he   o pe r a t i o na l   c a pa bi l i t i e s   t h a t   a r e   t o   be   m a ni pul a t e t o   pe r f o r m     a   s m o o t s u r g e r y   e v e f r o m   a   di s t a nt   l o c a t i o n.   I t h i s   s t udy ,   a   r o bo t   s y s t e m   i s   be i ng   i nt r o duc e f o r   l a pa r o s c o pi c   pr i m a r y   s ur g i c a l   t o o l   i ns e r t i o n.   I t   w i l l   i nc o r po r a t e   a   no v e l   o bs e r v e r   ba s e dy na m i c   c o nt r o l   a l o ng   w i t r o bo t   a s s i s t e d   bi l a t e r a l   c o nt r o l .   M o r e o v e r ,   a   v i r t u a l   s p r i ng   da m pe r   f o r c e   l o c s y s t e m   i s   i nt r o duc e t h r o ug w hi c t he   s l a v e   s y s t e m   w i l l   no t i f y   t he   m a s t e r   r e g a r d i ng   t he   t a r g e t   a c h i e v e a nd  e xc e s s i v e   f o r c e .   T he   v a l i da t i o of   t he   pr o po s e c o nt r o l   s y s t e m   i s   e xpe r i m e nt e w i t b i l a t e r a l l y   c o nt r o l l e M U - L a pa R o bo t .   T he   e x pe r i m e n t   i s   c o m pr i s i ng   c a s e s   o f   bi l a t e r a l   c o nt r o l   c r i t e r i a   w hi c a r e   no n - c o nt a c t   m o t i o n,   c o nt a c t   m o t i o n,   a nd  l i m i t   f o r c e   l o c ki ng .   T he   r e s u l t s   de f i ne t he   s a m e   v a l u e   f o r   c o nt a c t   a nd  no n - c o nt a c t   m o t i o by   0. 3N .     T he   r e s u l t s   de pi c t e a   f o r c e   e r r o r   o f   3. 6%   a nd  a   po s i t i o e r r o r   o f   5. 8%   w h i c v a l i da t e t he   p r o po s e a l g o r i t hm .   Ke y w or d s :   B i l a t e r a l   c o n t r o l   F o r c e   c o n t r o l     H a pt i c s   M e di c a l   r o b o t i c s   M o t i o n   c o n t r o l   Mu - L a pa r o b o t   Ro bo t i c s   s ur ge r y   C opy r i gh t   ©   2020   I n s t i t ut e   o f   A dv anc e E ng i ne e r i ng   and   S c i e nc e   A l l   r i gh t s   r e s e r v e d .   Cor r e s pon di n g   Au t h or :   J a c kri t   S ut ha ko rn,     Ce n t e f o r   B i o m e di c a l   a n d   R obo t i c s   T e c hn o l o g y   (B A R T   L A B ),     D e pa rt m e n t   o f   B i o m e di c a l   E n g i n e e r i ng,   F a c ul t y   of   E n g i n e e r i n g ,   M a hi do l   U n i v e r s i t y ,     999,   P h ut t a m o nt h o S a i   4 ,   S a l a y a ,   N a ko rn  P a t h o m ,   73 170,   T ha i l a n d .     E m a i l :   j a c kri t . s ut @ m a h i do l . a c . t h       1.   I N TR O D U C TI O N     M i n i m a l l y   In v a s i v e   S ur ge r y   (M IS w a s   i n i t i a l l y   c o n duc t e i n   1 980’s   a n w a s   t h e   f i r s t   l a pa r o s c o pi c   c h o l e c y s t e c t o m y   [1 - 3].   S i n c e   t h e n   m a n y   m o di f i c a t i o n s   ha v e   b e e n   p r o po s e t o   t e c h ni c a l l y   e n h a n c e   t h e   s ki l l   o s ur ge o n s   [4 - 6].   M IS   ha s   i t s   s e t   of   l i m i t a t i o n s   t h a t   r e l a t e   t o   t h e   t e c hni c a l   a n m e c h a ni c a l   na t u r e   of    t h e   e qui pm e nt ,   l o s s   of   h a pt i c   f e e d b a c ( f o r c e   a n t a c t i l e ),   e t c .   [7].   A t   p r e s e n t   t h e   i n s t rum e n t s   ha v e   r e s t r i c t e de gr e e s   of  m o t i o n ;   m o s t   of   t h e m   ha v e   4   de gr e e s   of   m o t i o n ,   w h e r e a s   t h e   h u m a n   w r i s t   a n h a nd  ha v e   de gr e e s   of   m o t i o n .   I a dd i t i o t o   t hi s ,   s u r ge o n s   e xpe ri e n c e   l a c o f   di r e c t   pa l pa t i o n ,   po o r   v i s i b i l i t y   due   t o   n o   di r e c t   v i e w i n o f   o r ga n s ,   po o r   h a n d - e y e   c oo r di na t i o n,   m e a ge r   i n f o r m a t i o n   a b o ut   t h e   de pt h ,   n o   p r o pe r   f o r c e   f e e d b a c f r o m   t o uc h i ng  t h e   o r ga n s   a nd  m o t i o n   c o n s t ra i nt s   t hr o ug h   s m a l l   i n c i s i o [8 - 1 2].   F u r t h e rm o r e ,   t r e m b l i n o f   ha n ds   w hi l e   c o n duc t i ng  M IS   i s   a l s o   a   m a t t e o f   i m m e n s e   c o n c e rn   i n   t e rm s   o f   t i s s ue   i n j ur y .   T h e s e   pr o b l e m s   m o t i v a t e a   n um b e r   o f   r e s e a r c h   g r o ups   f r o m   e n gi n e e r i ng  f i e l t o   de v e l o t h e   s y s t e m   t ha t   f a c i l i t a t e s   t h e   s u rge o n s   w i t h   t h e s e   p r o b l e m s .   D uri n L a p a r o s c o pi c   s ur ge r i e s ,   p ri m a r y   s ur gi c a l   t o o l   i n s e r t i o n   p r o v i de s   a n   a c c e s s   t o   e n t r y   po r t a l .     It   i s   a   c r uc i a l   s t e a n r e qui r e s   p r e c i s i o a nd  a c c u r a c y .   P ri m a r y   s ur gi c a l   t o o l   a s s o c i a t e i n s e r t i o n s   m i g ht   c a us e   i n j u r i e s   t o   ga s t r o i nt e s t i n a l   w a l l s   o r   t o   t h e   b l o o d   ve s s e l s   [13 - 15].   T h e   t r e m b l i n o f   h a n ds   o r     t h e   c l um s i n e s s   a t   t h e   pa rt   o f   t h e   s u rge o n   l e a ds   t o   s uc h   i n j u r i e s .   T h us ,   t o   c o n duc t   p r i m a r y   s ur g i c a l   t o o l   i n s e r t i o n   a   s t a f f   m e m b e r   w i t h   ha n ds   o n   e xpe r i e n c e   i s   a   m us t ,   s ub j e c t   t a v a i l a b i l i t y   [16].   T h e r e f o r e ,     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m E n g     IS S N :   2088 - 8708       O bs e r v e r   bas e d   d y nam i c   c on t r ol   m ode l   f or   bi l at e r al l y   c on t r o l l e MU - L a paR ob ot . . .   ( B r ane s M.   P i l l ai )   829   t h e   r a t i o na l e   f o r   de v e l o pi n s u r gi c a l   r o b o t s   i s   t o   ove rc o m e   t h e   l i m i t a t i o n s   o f   c urr e n t   l a p a r o s c o pi c   t e c hn o l o gi e s .   R obo t s   h a v e   hi g a c c ura c y   a n p r e c i s i o a n d   c a n   w o r w i t h   s t a b i l i t y   w i t h o ut   c o n t i n uo us   t r e m o r   e ff e c t .   It   i s   c o n t r o l l e r e m o t e l y   a n pr o v i de s   m i ni m a l l y   i n v a s i v e   a c c e s s   [17 - 20].   It   w o r ks   a s     a   na v i ga t i o na l   a i a n i s   u na f f e c t e by   r a di a t i o n .   T h e   e xpe r i m e nt s   c o n duc t e b y   r e s e a r c h e r s   a t   J o hn   H o pki n s   U n i v e r s i t y ,   e s t a b l i s h e t ha t   t r e m o r   i s   m a x i m u m   w h e n   t he   e xp e r i m e nt   i s   c a rri e by   h a n w h e r e a s   i t   i s   c o n t r o l l e d   a nd  m i ni m i z e d   w i t t h e   a p pl i c a t i o n   o f   r o b o t s   [8].   Ro bo t i c   a s s i s t a n c e   i s   a   fe a s i b l e   a n a   c o m pa c t   w a y   fo r   ov e r c o m i n t h e   ga ps   r e ga r d i n h um a f un c t i o na l i t y .   S uc h   d r a w b a c ks   a nd  g a ps   a r e   o b s e r v e d   i f i n e ,   o de xt e r o us   m a ni pu l a t i o t a s ks .   F i n e   m a ni pul a t i o n   t a s ks   i n v o l v e   h i g h   p r e c i s i o n   m i c r o m e t e r - l e v e l   p o s i t i o n i ng  a c c ura c y .   N a t ura l   f a c t o r s   s uc h   a s   p h y s i o l o g y   t r e m o r   t ha t   o c c ur s   i n   a l l   n o r m a l ,   a c t i v e   m us c l e   a n d ri f t   a r e   s o m e   o f   t h e   f a c t o r s   i e s t a b l i s h i ng  t h e s e   l i m i t a t i o n s   [20] .   T r e m o r   f urt h e r   i n c r e a s e s   w i t h   s t r e s s ,   a n x i e t y   a n p h y s i c a l   e xe r t i o n .   R obo t i c   s y s t e m s   a r e   i nh e r e n t l y   un a f f e c t e by   t h e s e   f a c t o r s .   K e e pi n g   i v i e w   t h e   s h o r t c o m i n gs   o f   t h e   a v a i l a b l e   r o b o t   s y s t e m s ,   i n   t h e   c u rr e n t   s t udy ,   r o b o t   b a s e pr i m a r y   s ur g i c a l   t o o l   i n s e r t i o n   s y s t e m   i s   i n t r o duc e by   i n c o r po r a t i ng  a   n o v e l   ob s e r ve r   b a s e d y n a m i c   c o n t r o l   a l o n w i t r o bo t   a s s i s t e b i l a t e r a l   c o n t r o l l e l a p a r o s c o pi c   s ur ge r y .     T h e   p r o b l e m   w i t h   a   b i l a t e r a l l y   c o n t r o l l e r o bo t i c   s y s t e m   a l o n w i t h   a   r e du n d a n t   t a s k   i s   t h a t   i t   o pe ra t e s   b y   us i n b o t h   s y s t e m s   s i m ul t a n e o us l y   a n t h e r e f o r e ,   of t e n   r e s ul t s   i n t o   u n c o n t r o l l e i n t e rna l   c o n gu ra t i o n   of    t h e   s y s t e m   [21,   22].   T h us ,   w h e n   de a l i n w i t h   s uc h   s y s t e m s ,   i t   i s   m uc h   f e a s i b l e   t us e   d y n a m i c s .   A s   t h e y   a r e   d y n a m i c a l l y   un c o upl e d,   b o t h   t h e   pa ra m e t e r s   i . e .   t a s a n d   po s t u r e   c a n   b e   c o n t r o l l e i n de pe n de nt l y .     T h i s   m e t h o w i l l   e nha n c e   t h e   o pe r a t i o na l   c a pa b i l i t i e s   o f   r o bo t i c   s y s t e m .   B i l a t e ra l   Co n t r o l   S y s t e m s   w o r ks   i n   a c c o r da n c e   w i t a c t i o a n d   r e a c t i o n   p r i n c i p l e   a s   s h o w n   i F i gur e   1.           F i gu r e   1 .   B i l a t e r a l l y   c o n t r o l l e d   r o bo t i c   s y s t e m       T h e   o pe r a t o r   o pe r a t e s   v i a   m a s t e r   de v i c e   o n t o   t h e   e n v i ro n m e n t   t hr o ug h   s l a v e   de v i c e   [23 - 26].   O pe r a t o r   de l e ga t e s   c o m m a nd  t o   t h e   s l a v e   de v i c e   v i a   m a s t e de v i c e .   M a s t e r   de v i c e   n o t   o n l y   a c qui r e s   m o t i o n   f e e d b a c b ut   a l s o   t h e   a m o unt   o fo r c e   t b e   e xe r t e o n   t h e   e n v i r o nm e n t .   S o ,   t h e   fo r c e   s e n s o r   w h e n   a dde t o   t h e   s l a v e   d e v i c e   w i l l   t r a n s m i t   r e a c t i o n   f o r c e s .   T h e   f o r c e   s e n s o r s   h a v e   l i m i t e b a n dw i dt h   [2 7].   M o r e ov e r ,     t h e   di s t u r b a n c e   ob s e r ve r   (D O B i s   i n c o r po r a t e a s   a   t o r q ue   s e n s o r   a n i s   e f fe c t i ve   a ga i n s t   di s t u r b a n c e   c o m pe n s a t i o n .   F u rt h e r m o r e ,   i t   a c c o un t s   f o r   r e a c t i o n   t o r que   e s t i m a t i o n   [2 8 - 30] .   T h e r e f o r e ,   t h e   f o r c e   c o n t r o l l e w i l l   de t e rm i n e   t h e   r e a c t i o n   t o r que   w h i l e   s e n s i n t h e   i nt e rna l   di s t u r b a n c e   o f   t h e   s y s t e m   by   i n c r e a s i n g   t h e   c ut - off   f r e que n c y .   F urt h e rm o r e ,   a   v i rt u a l   s p ri n g - da m pe r   f o r c e   l o c s y s t e m   i s   a l s o   i n t r o duc e [31] .   W i t t h e   a i d   o f   t h i s   s y s t e m   t h e   s l a v e   s i de   w i l l   pr o v i de   fe e d b a c t o   t h e   m a s t e r   s i de   t o   a v o i e x c e s s i v e   fo r c e   e xe r t i o n.   T h i s   f e e d b a c i s   s e n t   v i a   f l e xi b l e   e l a s t i c   fe e l   ob s e r v e a t   m a s t e r ’s   s i de .   V i rt ua l   s p r i n c o n t r o l l e r   i s   i n s e r t e a t   m a s t e r   s i de   a nd  f o r c e   l o c i s   a ff i a n c e a t   s l a v e ’s   s i de .   M or e o ve r ,   w i t h   a ddi t i o n   o f   v i r t ua l   da m pe r   c o n t r o l   s y s t e m   t h e   a b s e n c e   o f   p o s i t i o n   o f   t h e   a c t ua l   f o r c e   t ha t   i s   a p p l i e f r o m   m a s t e r   m a ni pu l a t o r   i s   e qua l i z e a n d   i s   c o m pe n s a t e [32].   I n   t hi s   s t udy   w e   a r e   fo c us i n o n   i m p r o v i n t h e   O pe r a t i o na l   c a p a b i l i t y   of   t h e   B i l a t e ra l l y   Co n t r o l l e M U - L a pa R ob o t   pr i m a r y   s ur g i c a l   t o o l   i n s e rt i o n.   I n   t h e   s a i d   c a s e   t h e   m o t i o n   o f   t h e   s y s t e m   i s   s e gr e ga t e i n t o   c o n s t r a i n e di r e c t i o n   a nd  u n c o n s t ra i n e d   di r e c t i o n .   T hi s   i s   a c hi e v e v i a   c o n t r o l l i n t h e   s pe e d   of   s ur gi c a l   t o o l .   T h e   po s i t i o n,   o r i e nt a t i o n   a n t h e   r e gi o n   o f   t h e   t o o l   t i ps   r e l a t i v e   t e a c h   o t h e r   v a r y   t h e   s pe e d   a n i n t e rn a l   o rga n s   i n   p a t i e nt ’s   a b do m e n   b a s e o n   t h e   rob o t ’s   w o r ks pa c e .   S u r ge o n   n e e ds   t o   f oc us   o n     t h e   t a r ge t   (o pe r a t i n po i nt ),   e n v i r o nm e n t   (s e n s i t i v e   t i s s ue s   i t h e   o pe r a t i n r e gi o n s a nd  a b o ut   t h e   c o l l i s i o n   o Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m E n g ,   Vo l .   10 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2020  :     82 8   -   8 39   830   t o o l s   w h i l e   c o n duc t i ng  s u r g i c a l   p r o c e dur e   [33].   I n   t h i s   s t ud y   t h e   c o r e   c o n c e pt   i s   t o   c o n t r o l   t h e   m o ve m e n t   o s ur g i c a l   r o b o t   duri n l a pa r o s c o pi c   pr i m a r y   s ur gi c a l   t o o l   i n s e rt i o n,   s o   a s   t o   a v o i e xt ra   b urde o n   t h e   s u r ge o n   t o   t hi n i f   t h e   r o bo t i c   a rm   a nd  t o o l   w i l l   go   b e y o n t h e   o pe r a t i ng  r e gi o n,   o r   t h e   t o o l s   w i l l   go   be l o w     t h e   o pe r a t i ng  pa rt s   o r   i s   t h e r e   a n y   c o l l i s i o n   b e t w e e n   t h e   t o ol s   a n ga s t r o i n t e s t i na l   o rga n s .   T h e   w o r f l ow   of  th e   pe r s pe c t i v e   p r o c e dur e s   i s   de pi c t e d   i F i gu r e   2.           F i gu r e   2 .   E xpe r i m e nt a l   w o r f l o w   of   t h e   pe r s pe c t i v e   pr o c e dur e       2.   M A TER I A LS   A N D   M E TH O D S   2. 1 .   D e v e l o p e d   s u r gi c al   r o b o ti c   s ys t e m   MU - L a pa Robo t   i s   a   s u r g i c a l   r o b o t i c   s y s t e m   t ha t   a s s i s t s   i n   m i n i m a l l y   i n v a s i v e   s ur ge r y   [34].   T h i s   r o bo t   c a n   ge n e ra t e   de gr e e - of   f r e e d o m s   (D O F s v i a   r e m o t e   f i xe po i n t   c a l l e r e m o t e   c e n t e r   o f   m o t i o n   (R CM a s   s h o w n   i n   F i gu r e   3.   E n d   e ff e c t o r   s i de   of   t h e   r o bo t   i s   i n s t a l l e w i t h   f o r c e   s e n s o r   a n d   s u r gi c a l   t o o l   i s   m a n i pul a t e b y   w i r e - dri v e n   t ra n s m i s s i o n   f r o m   d r i v i n c o nt r o l l e r.   W i r e - d ri v e n   t ra n s m i s s i o n   i s   h e l pf ul   f o r   de s i gni n t h e   f o l l ow i n g   pa ra m e t e r s :   s i z e ,   w e i ght   a n l o a f o r   a c t u a t o r s .   I d ri v i n u ni t   a c t ua t o r s   a n e l e c t r o m a g n e t i c   c l ut c h e s   t r a n s m i t   t o r que   f r o m   a c t ua t o r s   t o   rob o t .   In   c o l l a b o r a t i v e   o p e r a t i o n,   r o bo t   i s   a b l e   t pe r f o r m   a s   a   s u rgi c a l   t o o l   h o l de v i a   m a n u a l   a dj us t m e nt s   a n d   a s   a   c o n t r o l   i n   b i l a t e r a l   o pe ra t i o n.           F i gu r e   3 .   B i l a t e r a l l y   c o n t r o l l e d   M U - L a pa R obo t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m E n g     IS S N :   2088 - 8708       O bs e r v e r   bas e d   d y nam i c   c on t r ol   m ode l   f or   bi l at e r al l y   c on t r o l l e MU - L a paR ob ot . . .   ( B r ane s M.   P i l l ai )   831   T h e   b i l a t e r a l l y   c o n t r o l l e M U - L a pa R obo t   i s   s i m pl e   i n   de s i g n   a n c a n   b e   us e e a s i l y   by   a n y   s ur ge o n   w i t h o ut   s pe n di ng  m uc h   t i m e   o n   t ra i ni n g .   M U - L a pa R o bo t   re qui r e   l e s s   a r e a   a n c a n   s a v e   e n o ug h   s p a c e   i n     t h e   o pe r a t i n r o o m .   T hi s   r o bo t   us e s   pa ra l l e l o gra m   m e c ha ni s m   a nd  ha pt i c   o m n i   de v i c e   us e a t   o pe ra t o s i de .   It   t a ke s   a   l i t t l e   v o l um e   a n i s   l i g h t w e i ght   due   t o   i t s   de s i gn.   M U - L a pa R obo t   w i l l   b e   h e l pf ul   i n   t e r m s   o a s s i s t a n c e   du ri n g   o pe r a t i o n.       2. 2 .   D yn am i c s   o s e n s o r l e s s   b as e d   o b s e r v ato r tas k   c o n tr o l   T h e   c o n t r o l   s y s t e m   c o n c e r ni n r e du n d a n t   t a s e xpe r i e n c e s   c o m pl e xi t y   pr i m a ri l y   c a us e d   by   t h e   l a c k   of   c o n t r o l   o pos t ur e .   A d h e r i n t o   t h e   f a c t ,   f un da m e n t a l   dy n a m i c s   (N e w t o n ’s   S e c o n L a w i s   r e l a t i v e l y   m o r e   s ui t a b l e ,   e na b l i n t h e   i n de pe n de nt   c o n t r o l   of   t a s a n po s t u re   [22].   H e r e ,   t h e   t a s a n po s t u r e   a r e   t a ke n   t o   be   c o n t r o l l e d   i n de pe n de n t l y ,   w h e r e   t a s a n d   po s t ur e   t ra c ki n g   e rro r s   r e s pe c t i v e l y   a r e   de f i n e a s     , ) ( ) , ( r e f r e f q E     1 ) , ( PX r e f R E   , ) , ( r e f P P r e f P P P E     1 ) ( ) , ( X P n r e f P P P R E     In  t h e   a b ov e   e qua t i o n s   r e f a n d   r e f P r e f e r s   t o   t h e   t a s a nd  po s t u re   r e f e r e n c e s .   Co n s e que n t l y ,     t h e   dy n a m i c s   o f   t h e   s y s t e m   c a b e   w r i t t e i f o l l ow i n f o r m s     r e f r e f J G D JA E }} ) ( { { 1 1   (1)     r e f r e f P P P P P P P r e f P P P G D A E }} ) ( { { 1 1     (2)     In  c l o s e l o o p,   t h e   t a s a n d   po s t u r e   c o n t r o l   e rr o dy n a m i c s   c a n   b e   e xp r e s s e i f o l l ow i n g   f o r m s     P X P P d E K E K E 0   (3)     ) ( ) ( 0 P n X P n P PP P dP P E K E K E   (4)     T h e   c l o s e l oo t a s e rr o r   dy n a m i c s   i n   t h e   a b ov e   e qua t i o ns   a r e   de f i n e by   t h e   de s i g n   pa ra m e t e r s   PXP dP d R K K , ,   w h e r e a s ,   ) ( ) ( , P n X P n PP dP R K K r e p r e s e n t s   t h e   de s i g n   pa ra m e t e r s   i n   t h e   po s t ur e   c o n t r o l   l o o p.   A f t e r   t h e s e   pa r a m e t e r s   a r e   c h o s e n   i n de pe n de n t l y ,   t h e   c a l c ul a t i o n   o f   d e s i r e a c c e l e r a t i o n   c a n   b e   pe r f o r m e a s   s h o w n   i e qua t i o n s   b e l ow :     ) ( E K E K E E P d r e f d e s   (5)   ) ( P PP P dP r e f d e s E K E K   (6)     T h e   de s i r e a c c e l e ra t i o n   f o r   t a s a n po s t u r e   c o n t r o l   ha s   t h e   s a m e   s t r uc t u r e .   S i n c e   t h e   de s i r e a c c e l e r a t i o n s   a r e   o b t a i n e d,   t h e   t a s k   f o r c e   c a b e   w r i t t e n   a s       d e s d e s d e s J G D JA ] ) ( [ 1   (7)     d e s P P P d e s d e s P P P P P P G D A ] ) ( [ 1   (8)     A na l o go us   t o   t h e   de s i r e a c c e l e ra t i o n ,   c o n t r o l   f o r c e s   a s   w e l l   de m o n s t r a t e   a   s i m i l a r i t y   i n   s t r uc t u r e   f o bo t h   t h e   t a s c o n t r o l   a n t h e   po s t u r e   c o n t r o l .   H e r e ,   m a t ri c e s a n d P r e p r e s e n t s   d i s t u r b a n c e s   i n   t a s a nd  po s i t i o n   c o n t r o l s   r e s pe c t i v e l y .   In   c o n f i gura t i o n   s p a c e ,   w h e n   d i s t u r b a n c e s   a r e   e s t i m a t e d,   c o n s e que nt l y     t h e   t e r m   (D + G i n   b o t (7)   a nd  ( 8)  b e c o m e s   z e r o .   H e n c e ,   t h e   t a s c o nt r o l   t o r que   c o ul b e   r e w r i t t e a s   (9)     d e s x J   (9)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m E n g ,   Vo l .   10 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2020  :     82 8   -   8 39   832   S i m i l a rl y ,   t h e   po s t u r e   c o n t r o l   t o r que   c o ul d   b e   r e w r i t t e a s     d e s P P P x   (10)     F r o m   ( 9)  a n d   (10)   t h e   c o n f i gura t i o s pa c e   t o r que   c a t h e b e   e xp r e s s e a s     P P J T   (11)     Co n s i de r i n g   t h e   c o m pe n s a t e c o n f i gura t i o n   s p a c e   di s t u r b a n c e s   T J 1 a n d   s ub s t i t ut i n ( 9),   (10)   a n (11)   i nt o   (6),   t h e   de s i r e a c c e l e ra t i o n   o f   o pe r a t i o n   s p a c e   b e c o m e s   (12).     ) ( ) ( # # P d e s P P d e s d e s J J   (12)     w h e r e   T J A J 1 # r e p r e s e nt s   t h e   t a s J a c o b i a n   ps e udo i n v e r s e   a n d P T P A 1 # r e p r e s e nt s     t h e   po s t ur e   J a c o b i a n   ps e udo i n v e r s e .   T h e   r e s ul t   c o m pl i e s   w i t h   t h e   c o n s t r a i n e s y s t e m   c o n t r o l ,   a n i n   p l a c e   of  po s t ur e   c o n t r o l l i n g   a n o t h e r   t a s k ,   i t   o ff e r s   a a pp r o a c h   o f   c o m b i n i ng  t a s k   a n d   po s t u r e   c o n t r o l .   T hr o ug h   t h e   i m p l e m e nt a t i o n   of   di s t ur b a n c e   ob s e r v e r s ,   t h e   c o m po n e n t s   o f   t h e   c o n t r o l   f o r c e s   c a n   be   de t e r m i n e d.   A ppa r e nt l y ,   t h e   s t r uc t u r a l   b l o c ks   a r e   s i m i l a r   t o   t ha t   o f   c o n s t r a i n e s y s t e m   c o n t r o l ,   w h i c h   r e s ul t s   i n   que r y   r e ga r d i n t a s k - c o n s t ra i n t   r e l a t i o n s hi i n   m u l t i b o d y   s y s t e m .   B e s i de s ,   t h e   s t r uc t u r e   pl a y s   a   v i t a l   r o l e   w h e n   de s i g ni n t h e   c o n t r o l   f o r   m ul t i b o d y   s y s t e m   w h i c h   i nt e r a c t s   w i t h   e n v i r o n m e nt   o r   pe r f o r m s   c o o p e r a t i v e   t a s ks .   A s   s h o w n   i F i gu r e   4 ,   t h e   c o n t r o l   i o pe r a t i o na l   s pa c e   a n e n f o r c e m e n t   o f   c o n s t r a i nt s   f o r m s   a   s i m i l a r   s t ruc t u r e .   T h i s   de m o n s t ra t e s   a   de g r e e   o f   s i m i l a ri t y   i n   m ul t i bo d y   s y s t e m s   r e ga r di n g   t h e   s o f t   c o n s t r a i n t s   a n d     t h e   r e du n d a n t   t a s c o n t r o l .   O n   t ha t   b a s i s ,   a   s y s t e m   w h i c h   m a y   be   c o n s t ra i n e b ut   r e qui r e s   t h e   r e a l i z a t i o n   of    a   c e r t a i n   t a s pe r f o r m s   t h e   m o t i o n   c o n t r o l .   H e n c e ,   t h e   e qua t i o n s   r e p r e s e nt i n t h e   d y n a m i c s   of   c o n s t ra i n e d   s y s t e m   a n d   t a s ks   h a v e   c o n s i s t e n c y   r e ga r di ng  v e l o c i t i e s   a nd  f o r c e s .   T h i s   a l l o w s   t h e   c o m b i na t i o n   o f   c o n s t ra i nt s   a n t a s ks   i w i de s c o pe   a n d   t h e y   c a n   b e   t r e a t e b a s e o s a m e   f r a m e w o r k .           F i gu r e   4 .   O b s e r v e r   b a s e dy n a m i c   c o n t r o l   m o de l       2. 3 .   V i r tu al   s p r i n d am p e r   c o n tr o l l e r   A   c o n v e n t i o na l   b i l a t e ra l   c o nt r o l   s y s t e m   i s   s i g ni f i e by   t h e   i nt e gra t i o n   o f   a   v i r t u a l   s p r i ng  s y s t e m   i o r de r   t o   r e duc e   t h e   v i b ra t i o n   p r o b l e m .   A s   t h e   s l a v e   m a n i pu l a t o r   a pp r o a c h e s   a   f i rm   s u r f a c e ,   m a s t e m a ni pul a t o r   e xpe ri e n c e s   r e s i s t a n c e   w h i c h   i m pe de s   t h e   m o t i o n.   W h e n   e x t r a   f o r c e   i s   a pp l i e d,   s l a v e   m a ni pul a t o r   s t a r t s   t o   t r e m b l e ,   di s t u r b i n g   t h e   o v e r a l l   o p e r a t i o o f   t h e   s y s t e m .   T h e   s p r i ng  c o n t r o l l e r   i n c o r po r a t e s   a   s i m pl e   t o r s i o n a l   s p ri n g ,   d a m pe a nd  t w o   m a s s e s   w h i c a r e   s y n c hr o n i z e a s   s h o w n   i F i gu r e   5 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m E n g     IS S N :   2088 - 8708       O bs e r v e r   bas e d   d y nam i c   c on t r ol   m ode l   f or   bi l at e r al l y   c on t r o l l e MU - L a paR ob ot . . .   ( B r ane s M.   P i l l ai )   833       F i gu r 5 .   V i rt u a l   s p r i ng  d a m pe c o n t r o l l e r       k :   S pri n c o n s t a n t   o f   t h e   v i r t u a l   s p ri n g ;   c :   D a m pi ng  c o e ff i c i e n t   of   t h e   v i r t u a l   s p ri n g; m :   A n gu l a di s pl a c e m e n t   o f   m a s t e r   m a ni pul a t o r ;   s :   A n gul a r   di s p l a c e m e nt   of   s l a ve   m a ni pul a t o r ;   s :   E xt e rna l   t o r que   a c t i n o n   t h e   s l a v e   m a n i pu l a t o r ;   m :   E xt e rn a l   t o r que   a c t i ng   o n   t h e   m a s t e r   m a n i p ul a t o r.   m a n s a r e   pr o v i de by   m a s t e r”   a n s l a v e   a c t u a t e t o r que s   t hr o ug t h e   t e l e - o pe r a t e m a ni pu l a t o r s ,   p r o v i di n e qua l   a n o ppo s i t e   t o r que s   t hr o ug h   t h e   h um a n   o pe r a t o r   a nd  e n v i r o n m e nt .   I n   o r de r   t o   i m p l e m e n t   i n   t h e   c o n t r o l   b l oc di a g ra m ,   t h e   (13)   a n d   (14 w e r e   a do pt e f r o m   H a r s h a   e t   a l .   [35] .   F o r   m a s t e r,     s m m m cs k T k cs s J ) ( ) ( 2   (13)     F o r   s l a v e ,     s s s m T cs k k cs s J ) ( ) ( 2   (14)     F urt h e rm o r e ,   w h e a o pe r a t o r   pe r f o r m s   p ri m a r y   s ur gi c a l   t o o l   i n s e r t i o n ,   t h e   s y s t e m   s i gni f i c a nt l y   r e duc e s   t h e   e l a s t i c   e ff e c t .   T h e   us e   o f   s pr i n e f fe c t   s m oot h e n s   t h e   o pe r a t o r ’s   e xpe r i e n c e   a n d   a ug m e n t s     t h e   e ff i c i e n c y   by   s i gn i f i c a n t l y   r e duc i n a n y   c h a n c e s   of  o pe r a t o r   f e e l i n n e r v o us   due   t o   t h e   s y s t e m .     In  a d di t i o n,   a s   t h e   s l a v e   o pe r a t o r   a pp r o a c h e s   a n y   obj e c t ,   a i n pu t   o f   s m a l l   de f l e c t i o n   i s   p r o duc e t hr o ug   t h e   c h a n ge   i n   s p ri n c o n s t a nt   c o rr e s po n di n t o   t h e   n a t u r e   of  ob j e c t .   T hi s   w i l l   f ur t h e r   e nha n c e   t h e   c o m fo r t   o t h e   o pe r a t o r   a s s o c i a t e w i t h   t h e   de v i c e .   M o r e ove r ,   s u r ge o n   c a n   p r e s e t   t h e   s ur g i c a l   t o o l   fo r c e   l i m i t   b e fo r e     t h e   b e gi nn i ng  o f   b i l a t e ra l   c o nt r o l   o pe r a t i o n.   T h e   m o de l i n o f   t h e   r e a c t i o n   f o r c e   pe r t a i n i ng  t o   t h e   f e e d b a c of  t h e   s u r gi c a l   t o o l   c a b e   c o n s t ruc t e a s     k B J   (15)     T h e   F i gu r e   o ut l i n e s   t h e   o ve r a l l   c o m pl e t e   f un c t i o n a l   f o r c e   c o n t r o l l e r   b l o c di a gra m .   T h e   r e f e r e n c e   fo r c e   i s   c o n s i de r e t o   b e   t h e   o pe r a t o r   pr e s e t   f o r c e   w h e r e a s   t h e   f o r c e   s e n s o r   fe e d b a c i s   t a ke n   a s   t h e   r e a c t i o n   fo r c e .   A s   fo r c e   e r r o r   i s   c a l c ul a t e d,   i t   i s   f e b a c t o   t h e   s y s t e m   i n   f o r m   o f   c ur r e n t   t hr o u g h   t h e   P D   c o n t r o l l e r .     In  F i gu r e   6 e s t m e s t s   a r e   t h e   e s t i m a t e d i s t u r b a n c e   t o r que   b y   D O B   a n d   s um m e w i t h   c o m m a nde t o rque   t o   a t t a i t h e   s y s t e m s   a c t ua l   t o rque .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m E n g ,   Vo l .   10 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2020  :     82 8   -   8 39   834       F i gu r e   6 .   O v e r a l l   c o m pl e t e   f un c t i o n a l   f o r c e   c o n t r o l l e b l o c di a g ra m       3.   EX P ER I M EN TS   A N D   R ES U L TS   T h e   M U - L a pa Rob o t   i s   a   s ur gi c a l   s y s t e m   a nd  i s   s e t up  a s   a   b i l a t e r a l   c o n t r o l   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   7.     T h e   s l a v e   s i de   of   t h e   M U - L a pa R obo t   c o m e s   i nt o   c o n t a c t   w i t h   t h e   w o r ki ng  e n v i r o n m e n t   i . e .   pa t i e n t ;   t h e   s urge o n   o n   t h e   m a s t e r   s i de   i n c r e a s e s   t h e   w o r ki n g   t o r que .   W h e t h e   s l a v e   t o o l   i s   l o c ke d,   b i l a t e ra l   c o n t r o l l e r   s t a r t s   t o   un f a s t e n   a nd  n o t i f i e s   a n   e l a s t i c   fo r c e   fo r   a   p r e de f i n e pe r i o d.   T hi s   i s   r e c e i ve a t   t h e   s u r ge o n ’s   s i de   i t h e   f o r m   o f   e l a s t i c   f e e l   i n di c a t i ng   t h a t   r e a c t i o n   f o r c e   l i m i t   h a s   b e e n   a c hi e v e d.   If   t h e   o pe ra t o f ur t h e e xe r t s   e xc e s s i v e   fo r c e   o n   t h e   m a s t e r   s ur g i c a l   t o o l ,   a   v i rt ua l   s p ri n da m pe c o n t r o l l e r   i s   a c t i v a t e d.   A t   t h i s   po i n t ,   r e s t i n i n di c a t o r   i s   c o pi e f r o m   t he   M U - L a pa Ro bo t   p o s i t i o n .   I n   t h e   s a i s c e na r i o ,   fo r c e   l o c ki n g   o t h e   s l a v e   s i de   w i l l   b e   a c t i v a t e d.   D ue   t o   f i f o r c e   t h e   g r i p pe t i s s ue   de f o r m s   o ge t s   d a m a ge d.           F i gu r e   7 .   B i l a t e r a l l y   c o n t r o l l e d   M U - L a pa R obo t   a s   a e xpe r i m e nt a l   s e t up   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m E n g     IS S N :   2088 - 8708       O bs e r v e r   bas e d   d y nam i c   c on t r ol   m ode l   f or   bi l at e r al l y   c on t r o l l e MU - L a paR ob ot . . .   ( B r ane s M.   P i l l ai )   835   O n   s l a v e   s i de ,   t h e   M U - L a pa R obo t   i s   c o m po s e of   fo ur   M a xo n   m o t o r s   i nt e gra t e w i t h   512  pp e n c o de r   r e s o l ut i o n s .   T hr e e   a c t u a t o r s   a r e   us e fo r   t hr e e   r o t a t i o n a l   j o i nt   m o v e m e n t s   a nd  o n e   t ra n s l a t i o n a l   j o i n t   m o ve m e n t .   T h e   a c t u a t o r s   a r e   d r i v e n   a nd  c o n t r o l l e us i n g   M a xo n   E P O S c o n t r o l l e r   w h i c h   p r o v i de s   P ID   c o n t r o l   i n   e a c h   m o t o r.   O n   t h e   m a s t e r   s i de ,   t h e   h a pt i c   d e v i c e   (P h a nt o m   O m ni i s   us e t o   m a ni pu l a t e   t h e   e n d   e ffe c t o r .   T h e   ha pt i c   de v i c e   c o n s i s t s   of   s i de gr e e   of   f r e e d o m s   (D O F s a n p r o v i de s   di m e n s i o na l   f o r c e   f e e d b a c t o   t h e   s t y l us .   T h e r e f o r e ,   t h e   s y s t e m   i s   i m p l e m e n t e us i n g   j o i nt s   o f   h a p t i c   de v i c e   (m a s t e r   s i de t c o n t r o l   t h e   j o i nt   m o v e m e n t   o f   M U - L a pa Rob o t ’s   s l a v e   s i de .   T h e   e xpe r i m e n t   c o n s i de r s   t h e   b i l a t e ra l   c o n t r o l   o s ur gi c a l   t o o l   i n s e r t i o n   w h i c h   pr o v i de s   fo r c e   f e e d b a c t o   m a s t e r   s i de .   T h e   r o b o t ’s   s l a v e   s i de   i s   c o n t r o l l e r e m o t e l y   by   h a p t i c   de v i c e   w h i c h   w i l l   ge n e r a t e   t h e   fo r c e   i n   s pe c i f i c   w o r ks pa c e .   T h e   c o n t a c t   f o r c e   f r o m   t h e   s ur g i c a l   t o o l   i n s e r t i o n   i nt o   t h e   t i s s ue   a nd  po s i t i o of   s ur gi c a l   t o o l   a t   t h e   s l a v e   s i de   i s   m e a s u r e a l o n t h e   c o n t a c t   m o t i o n.   T h e   e xpe ri m e n t   i s   c o m p r i s i ng  3   c a s e s   of   b i l a t e r a l   c o n t r o l   c ri t e r i a   w h i c h   a r e   n o n - c o nt a c t   m o t i o n,   c o n t a c t   m o t i o n ,   a n l i m i t   f o r c e   l o c ki n g.   I n   n o n - c o n t a c t   m o t i o n -   t h e   m a s t e r   s i de   c o n t r o l s   t h e   s l a v e   s i de .   I a dd i t i o n   t o   t h i s ,   t h e r e   i s   a   p r e de f i n e f o r c e   t hr e s h o l f o r   fo r c e   a c qui s i t i o n   o f   s l a v e   s i de .   In   t hi s   s c e n a r i o ,   s ur ge o n   c a nn o t   f e e l   t h e   f o r c e   fe e d b a c f r o m   ha pt i c   de v i c e .   N e xt   s c e n a r i o   i s   a   c o n t a c t   m o t i o n   i n   w h i c h   t he   f o r c e   o n   s l a v e   s i de   i s   i n c r e a s e o v e r   t h e   i n i t i a l   fo r c e   t hr e s h o l a n m a s t e s i de   c a s e n s e   a e l a s t i c   f o r c e   fe e db a c a s   r e a c t i o n   f o r c e .   I n   t h i s   s t a ge ,   t h e   e l a s t i c   fo r c e   i s   de pe n di ng  o t h e   d i s pl a c e m e n t   o f   s ur g i c a l   t o o l   i n s e rt i o n   t ha t   e qu a l s   t o   m a s t e r   o pe ra t i o n .   I n   l a s t   c a s e ,   t h e   fo r c e   l i m i t   i s   t h e   m a xi m um   f o r c e   t hr e s h o l a n i s   de f i n e t o   a v o i t h e   da m a ge   t o   c o n t a c t   a r e a .   W h e n   t h e   a c qui r e f o r c e   f r o m   r o bo t ’s   s l a v e   s i de   i s   h i g h e r   t h a n   t h e   v a l ue   of   fo r c e   l i m i t ;   t h e   r o bo t   w i l l   n o t   c o n t i n ue   o pe r a t i o n   a n t h e n   s t o p.   S i m i l a rl y ,   m a s t e r   s i de   w i l l   n o t   f e e l   t h e   e l a s t i c   f o r c e   b a c a n y m o r e .   A s   a   r e s ul t ,   f o r   s a f e t y   t h e   m a s t e r   s i de   o n   ha pt i c   de v i c e   w i l l   c ha n ge   f r o m   ge n e ra t i n f o r c e   m a de   t o   f r e e   m o v i n g.   E a c h   e xpe r i m e nt   c a s e   ha s   t hr e e   d i f fe r e nt   m a x i m u m   f o rc e   t hr e s h o l ds :   1   N ,   1. 5   N ,   a nd  2   N   s ub s e que n t l y .   A l l   t h e   e xpe ri m e n t s   de f i n e   t h e   s a m e   v a l ue   b e t w e e n   n o n - c o n t a c t   a n c o n t a c t   m o t i o n   b y   0. N   a s   a n   i ni t i a l   f o r c e   t hr e s h o l d.   I p r a c t i c a l   e n v i r o nm e nt   t h e   t e n s i l e   v a l ue   of   t h e   h u m a t i s s ue   v a r i e s   f r o m   pa t i e n t   t o   pa t i e nt ,   a n d   t h us   t h e   e xpe ri m e nt s   a r e   c o n duc t e w i t h   2   t y pe s   of   m a t e ri a l s   s po n ge   a n rub be r   (w i t h     a n   u nk n o w n   t e n s i l e   s t r e n g t v a l ue   15   7   c m )   t hi s   e xpe ri m e n t   w a s   pe r f o r m e u nde t h e   s u pe r v i s i o o   a   S u r ge o n   f r o m   R a m a t h i b o di   H o s pi t a l ,   M a h i do l   U n i v e r s i t y   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   7 .   I o r de r   t o   c h e c k     t h e   s t a b i l i t y   of   t h e   p r o po s e s y s t e m ,   t h e   m a t e ri a l s   w i t h   u n k n o w n   t e n s i l e   s t r e n gt w e r e   ut i l i z e a nd  t h i s   s y s t e m   c a b e   a pp l i e u ni v e r s a l l y   t o   r o bo t   a s s i s t e l a p a r o s c opi c   s u r ge r i e s .     T h e   e xpe r i m e n t   i s   c o n duc t e by   us i n a   c o upl e   of   r o t a r y   m o t o r s   o f   t h e   e qua l   s pe c i f i c a t i o a l o n g   w i t h   a   o n e - D O F   m o t i o c o n t r o l   t e s t .   S o m e   of   t h e   r e l e v a n t   pa r a m e t e r s   o f   t h e   e xpe r i m e nt   a r e   t a b ul a t e i T a b l e   1.   H e r e ,   i t   i s   a s s um e t h a t   t h e   s pr i ng  c o n s t a nt   of   t h e   ob j e c t   r e l i e s   up o n   t h e   pr e s s i n o t h e   ob j e c t   a n i t   r e p r e s e n t s   t h e   a n g l e .   T h e   r e l a t i o n   o f   t h e   a pp l i e f o r c e   f r o m   t h e   m a s t e r   a nd  t h e   r e s po n s e   f r o m   t h e   s l a v e   a l o n g   w i t h   t h e   r e gi o n   o f   o pe r a t i o n   a r e   de m o n s t ra t e i n   F i gu r e   ( b ),   (d),   (f a n F i gu r e   (b ),   (d),   (f ).   A s   s h o w n ,   duri n t h e   i ni t i a l   s e c o n ds ,   f o r c e   i s   a ppl i e b y   t h e   m a s t e r   i o r de r   t o   o v e r c o m e   t h e   s y s t e m   f r i c t i o n .   W h i l e   t h e   s l a v e   i s   m o v e 3c m ,   i t   i s   i n   c o n t a c t   w i t h   t h e   o bj e c t .   E v e n t ua l l y ,   t h e   m a s t e r   i n c r e a s e s   t h e   f o r c e   r e a c h i ng  t h e   m a x i m u m   l e v e l .   T h e   p r e s e t   v a l ue   o f   fo r c e   l i m i t   o f   t h e   ob j e c t   c a n   b e   a s s um e a s   1N ,   1 . 5N ,   a n d   2N .   I n   r e g a r ds   t o   t h e   s l a v e   fo r c e   r e s po n s e ,   F i g u r e   (b ),   (d ),   (f a n d   F i gu r e   (b ),   (d) ,   (f s h o w s   t ha t   s l a v e   fo r c e   r e a c h e t h e   p r e s e t   t hr e s h o l v a l ue   i n   d i f f e r e n t   t i m e   i n t e r v a l .   A t   t ha t   m o m e n t ,   de s pi t e   t h e   m a s t e r   c h a ngi n t h e   f o r c e   pr of i l e   w i t h o ut   r e v e r s i n t h e   fo r c e ,   t h e   s l a v e   fo r c e   r e m a i n s   a t   p r e de f i n e s e t   v a l ue   due   t   t h e   a c t i v a t i o o f   t h e   f o r c e   c o n t r o l l e r .       Ta b l e   1 .   E xpe r i m e nt a l   p a ra m e t e r s   P a ra m e t e r s   S y m b o l   V a l u e   U n i t s   N o m i n a l   I n e rt i a   n J   1 3 . 5   g c m 2   T o rq u e   c o e ff i c i e n t   t K   0 . 2 5 6   N m / A   S p r i n g   c o n s t a n t   x K   0 . 5   --   P ro p o rt i o n a l   c o n s t a n t   p K   0 . 0 1   --   D e ri v a t i v e   c o n s t a n t   d K   0 . 0 0 6   --   Cu t - o ff   fre q u e n c y   o f   l o w   p a s s   f i l t e u s e d   i n   D O a s   re a c t i o n   fo r c e   s e n s o r     1 0 0 . 0   Hz       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2088 - 8708   Int   J   E l e c   &   Co m E n g ,   Vo l .   10 ,   N o .   1 F e b r ua r y   2020  :     82 8   -   8 39   836   T h e   o bj e c t   i s   r e l e a s e a n b i l a t e r a l   c o n t r o l   i s   r e t a i n e w h e n   t h e   m a s t e r e v e r s e s   t h e   f o r c e   a l s   t h e   m a s t e r   po s i t i o n   r e s po n s e   b e c o m e s   l e s s   t h a n   o r   e qua l   t o   9 9%  of   t h e   s l a v e   po s i t i o n   r e s po n s e   i n   n o n - c o nt a c t   m o t i o n.   T h e   m a s t e po s i t i o r e s po n s e   a n t h e   s l a v e   po s i t i on   r e s po n s e   a r e   de m o n s t ra t e i n   F i gu r e   ( a ) ,   (c ),   (e a n F i g u r e   ( a ),   (c ),   (e r e s pe c t i v e l y .   In   c o n t a c t   m o t i o m o de ,   t h e   s y s t e m   i s   a c c e l e r a t i n g   w h i l e   t h e r e   i s   c o n t a c t   b e t w e e n   s l a v e   a n t h e   o bj e c t .   T h e   o bj e c t   i s   c o m pre s s e by   t h e   s l a v e   up  t o   i t s   fo r c e   l i m i t   due   t o     t h e   fo r c e   a ppl i e o n   t h e   m a s t e r.   A t   t h e   fo r c e   l i m i t ,   t h e   a c t i v a t e f o r c e   c o n t r o l l e r   m a i n t a i n s   t h e   s l a v e   p o s i t i o n   t a k i n i n t o   a c c o un t   t h e   o bj e c t   pr o pe rt y   i t   r e m a i n s   u n c h a n g e unl e s s   t h e   m a s t e a pp l i e s   t h e   r e l e a s i ng  f o r c e .   T h e   po s i t i o n   o f   t h e   m a s t e r   du ri n t h e   f o r c e   l o c k e pe r i o o n   t h e   s l a v e   i s   c o n t r o l l e by   a   s pr i n c o nt r o l l e w h i c i s   a ppe n de o nt o   t h e   m a s t e r .   A pa rt   f r o m   t h e   f o r c e   l o c m o de ,   m a s t e r   a n d   s l a v e   o pe r a t e   u nde b i l a t e ra l   c o n t r o l .   A s   t h e   o bj e c t   i s   r e l e a s e d,   m a s t e r   a n s l a v e   r e t a i n   t h e   b i l a t e r a l   c o n t r o l ,   s y s t e m   r e l y i n upo n     t h e   a p pl i e d   f o r c e   o n   t h e   m a s t e r.   In   e xpe ri m e n t ,   t h e   r e s ul t s   of   m a s t e r - s l a v e   c o n t r o l   a r e   s h o w n   s e pa ra t e l y   i n   t e r m s   o f   p o s i t i o n   a n f o r c e   a ppl i e d.   T h e   s l a v e   po s i t i o n   a f t e r   s e i z i ng  o f   t h e   c o n t a c t   m o t i o n   o bs e r v e s   a   l i t t l e   c ha n ge   i n   r e v e r s e   di r e c t i o n .   T h e   du ra t i o n   o f   t h e   c o n t a c t   m o t i o i s   i n   de pe n o t h e   a m o u nt   o f   fo r c e .   T h e   s pe e of   m a s t e r   m a ni pul a t i o i s   c o r r e s po n di ng  w i t h   t h e   t i m e   t o   ob t a i n   a   f o r c e   v a l ue .   T h e   f o r c e   a t   t h e   s i de   o f   c o n t a c t   m o t i o i s   i n c r e a s i n g   g ra du a l l y   a f t e r   i t   i s   s t o ppe a t   t h e   de f i n e m a xi m um   f o r c e s   i n   b o t h   m a t e ri a l s .   T h e   r e s ul t s   de f i n e t h e   s a m e   v a l ue   fo r   c o n t a c t   a n n o n - c o n t a c t   m o t i o n   b y   0. 3N .   T h e   r e s ul t s   a s   s h o w n   i n   F i gu r e   10   de pi c t e a   f o r c e   e rr o r   o 3. 6%  a n a   po s i t i o n   e rr o r   o f   5. 8%  e s t i m a t e us i ng  b o t h   t h e   s t a n d a r l i n e a r   r e g r e s s i o n   m e t h o a n t h e   m e t h o of   e v a l ua t i o [36 w hi c v a l i da t e t h e   p r o po s e a l go r i t h m .           F i gu r e   8 .   E xpe r i m e nt s   a n d   r e s po n s e s   o n   r ub b e r   m a t e ri a l   ( a 1 N   po s i t i o (b 1N   f o r c e   (c 1. 5N   po s i t i o   (d)  1 . 5N   f o r c e   (e 2N   po s i t i o (f 2N   f o r c e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   E l e c   &   Co m E n g     IS S N :   2088 - 8708       O bs e r v e r   bas e d   d y nam i c   c on t r ol   m ode l   f or   bi l at e r al l y   c on t r o l l e MU - L a paR ob ot . . .   ( B r ane s M.   P i l l ai )   837       F i gu r e   9 .   E xpe r i m e nt s   a n d   r e s po n s e s   o n   s po nge   m a t e r i a l   (a 1N   po s i t i o (b 1N   f o r c e   (c 1 . 5N   po s i t i o   (d)  1 . 5N   f o r c e   (e 2N   po s i t i o (f 2N   f o r c e           F i gu r e   10 .   E rr o r e s po n s e   a na l y s i s   (a )   po s i t i o (b f o r c e       4.   C O N C LU S I O N     In  t hi s   pa pe r,   f o r c e   l i m i t i ng  m e c h a ni s m   w a s   i n c o rpo r a t e w i t h   t h e   b i l a t e ra l   c o nt r o l   s y s t e m .     T h e   p r o po s e c o n t r o l   s y s t e m   w a s   a ppl i e f o r   a   s i ngl e   D O F   t r a n s l a t i o na l   m o t i o n   a t   t h e   s l a v e   s i de   (s ur g i c a l   t o o l   s i de ).   In  c o ur s e   of   s a fe t y   t h e   f o r c e   l i m i t i n c o nt r o l   s y s t e m   p r o t e c t e t i s s ue s   f r o m   da m a ge   o r   u n w a n t e Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.