Robust Stability of Scaled-Four-Channel Teleoperation with Internet Time-Varying Delays
Identifieur interne : 000578 ( Pmc/Curation ); précédent : 000577; suivant : 000579Robust Stability of Scaled-Four-Channel Teleoperation with Internet Time-Varying Delays
Auteurs : Emma Delgado ; Antonio Barreiro ; Pablo Falc N ; Miguel Díaz-CachoSource :
- Sensors (Basel, Switzerland) [ 1424-8220 ] ; 2016.
Abstract
We describe the application of a generic stability framework for a teleoperation system under time-varying delay conditions, as addressed in a previous work, to a scaled-four-channel (γ-4C) control scheme. Described is how varying delays are dealt with by means of dynamic encapsulation, giving rise to mu-test conditions for robust stability and offering an appealing frequency technique to deal with the stability robustness of the architecture. We discuss ideal transparency problems and we adapt classical solutions so that controllers are proper, without single or double differentiators, and thus avoid the negative effects of noise. The control scheme was fine-tuned and tested for complete stability to zero of the whole state, while seeking a practical solution to the trade-off between stability and transparency in the Internet-based teleoperation. These ideas were tested on an Internet-based application with two Omni devices at remote laboratory locations via simulations and real remote experiments that achieved robust stability, while performing well in terms of position synchronization and force transparency.
Url:
DOI: 10.3390/s16050593
PubMed: 27128914
PubMed Central: 4883284
Links toward previous steps (curation, corpus...)
- to stream Pmc, to step Corpus: Pour aller vers cette notice dans l'étape Curation :000578
Links to Exploration step
PMC:4883284Le document en format XML
<record><TEI><teiHeader><fileDesc><titleStmt><title xml:lang="en">Robust Stability of Scaled-Four-Channel Teleoperation with Internet Time-Varying Delays</title>
<author><name sortKey="Delgado, Emma" sort="Delgado, Emma" uniqKey="Delgado E" first="Emma" last="Delgado">Emma Delgado</name>
<affiliation><nlm:aff id="af1-sensors-16-00593">School of Industrial Engineering, University of Vigo, 36310 Vigo, Spain;<email>abarreiro@uvigo.es</email>
(A.B.);<email>pfalcon@uvigo.es</email>
(P.F.)</nlm:aff>
</affiliation>
</author>
<author><name sortKey="Barreiro, Antonio" sort="Barreiro, Antonio" uniqKey="Barreiro A" first="Antonio" last="Barreiro">Antonio Barreiro</name>
<affiliation><nlm:aff id="af1-sensors-16-00593">School of Industrial Engineering, University of Vigo, 36310 Vigo, Spain;<email>abarreiro@uvigo.es</email>
(A.B.);<email>pfalcon@uvigo.es</email>
(P.F.)</nlm:aff>
</affiliation>
</author>
<author><name sortKey="Falc N, Pablo" sort="Falc N, Pablo" uniqKey="Falc N P" first="Pablo" last="Falc N">Pablo Falc N</name>
<affiliation><nlm:aff id="af1-sensors-16-00593">School of Industrial Engineering, University of Vigo, 36310 Vigo, Spain;<email>abarreiro@uvigo.es</email>
(A.B.);<email>pfalcon@uvigo.es</email>
(P.F.)</nlm:aff>
</affiliation>
</author>
<author><name sortKey="Diaz Cacho, Miguel" sort="Diaz Cacho, Miguel" uniqKey="Diaz Cacho M" first="Miguel" last="Díaz-Cacho">Miguel Díaz-Cacho</name>
<affiliation><nlm:aff id="af2-sensors-16-00593">School of Computer Engineering, University of Vigo, 32004 Orense, Spain;<email>mcacho@uvigo.es</email>
</nlm:aff>
</affiliation>
</author>
</titleStmt>
<publicationStmt><idno type="wicri:source">PMC</idno>
<idno type="pmid">27128914</idno>
<idno type="pmc">4883284</idno>
<idno type="url">http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4883284</idno>
<idno type="RBID">PMC:4883284</idno>
<idno type="doi">10.3390/s16050593</idno>
<date when="2016">2016</date>
<idno type="wicri:Area/Pmc/Corpus">000578</idno>
<idno type="wicri:Area/Pmc/Curation">000578</idno>
</publicationStmt>
<sourceDesc><biblStruct><analytic><title xml:lang="en" level="a" type="main">Robust Stability of Scaled-Four-Channel Teleoperation with Internet Time-Varying Delays</title>
<author><name sortKey="Delgado, Emma" sort="Delgado, Emma" uniqKey="Delgado E" first="Emma" last="Delgado">Emma Delgado</name>
<affiliation><nlm:aff id="af1-sensors-16-00593">School of Industrial Engineering, University of Vigo, 36310 Vigo, Spain;<email>abarreiro@uvigo.es</email>
(A.B.);<email>pfalcon@uvigo.es</email>
(P.F.)</nlm:aff>
</affiliation>
</author>
<author><name sortKey="Barreiro, Antonio" sort="Barreiro, Antonio" uniqKey="Barreiro A" first="Antonio" last="Barreiro">Antonio Barreiro</name>
<affiliation><nlm:aff id="af1-sensors-16-00593">School of Industrial Engineering, University of Vigo, 36310 Vigo, Spain;<email>abarreiro@uvigo.es</email>
(A.B.);<email>pfalcon@uvigo.es</email>
(P.F.)</nlm:aff>
</affiliation>
</author>
<author><name sortKey="Falc N, Pablo" sort="Falc N, Pablo" uniqKey="Falc N P" first="Pablo" last="Falc N">Pablo Falc N</name>
<affiliation><nlm:aff id="af1-sensors-16-00593">School of Industrial Engineering, University of Vigo, 36310 Vigo, Spain;<email>abarreiro@uvigo.es</email>
(A.B.);<email>pfalcon@uvigo.es</email>
(P.F.)</nlm:aff>
</affiliation>
</author>
<author><name sortKey="Diaz Cacho, Miguel" sort="Diaz Cacho, Miguel" uniqKey="Diaz Cacho M" first="Miguel" last="Díaz-Cacho">Miguel Díaz-Cacho</name>
<affiliation><nlm:aff id="af2-sensors-16-00593">School of Computer Engineering, University of Vigo, 32004 Orense, Spain;<email>mcacho@uvigo.es</email>
</nlm:aff>
</affiliation>
</author>
</analytic>
<series><title level="j">Sensors (Basel, Switzerland)</title>
<idno type="eISSN">1424-8220</idno>
<imprint><date when="2016">2016</date>
</imprint>
</series>
</biblStruct>
</sourceDesc>
</fileDesc>
<profileDesc><textClass></textClass>
</profileDesc>
</teiHeader>
<front><div type="abstract" xml:lang="en"><p>We describe the application of a generic stability framework for a teleoperation system under time-varying delay conditions, as addressed in a previous work, to a scaled-four-channel (γ-4C) control scheme. Described is how varying delays are dealt with by means of dynamic encapsulation, giving rise to mu-test conditions for robust stability and offering an appealing frequency technique to deal with the stability robustness of the architecture. We discuss ideal transparency problems and we adapt classical solutions so that controllers are proper, without single or double differentiators, and thus avoid the negative effects of noise. The control scheme was fine-tuned and tested for complete stability to zero of the whole state, while seeking a practical solution to the trade-off between stability and transparency in the Internet-based teleoperation. These ideas were tested on an Internet-based application with two Omni devices at remote laboratory locations via simulations and real remote experiments that achieved robust stability, while performing well in terms of position synchronization and force transparency.</p>
</div>
</front>
<back><div1 type="bibliography"><listBibl><biblStruct><analytic><author><name sortKey="Lawrence, D A" uniqKey="Lawrence D">D.A. Lawrence</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Arcara, P" uniqKey="Arcara P">P. Arcara</name>
</author>
<author><name sortKey="Melchiorri, C" uniqKey="Melchiorri C">C. Melchiorri</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Anderson, R" uniqKey="Anderson R">R. Anderson</name>
</author>
<author><name sortKey="Spong, M" uniqKey="Spong M">M. Spong</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Hashtrudi Zaad, K" uniqKey="Hashtrudi Zaad K">K. Hashtrudi-Zaad</name>
</author>
<author><name sortKey="Salcudean, S E" uniqKey="Salcudean S">S.E. Salcudean</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Niemeyer, G" uniqKey="Niemeyer G">G. Niemeyer</name>
</author>
<author><name sortKey="Slotline, J J" uniqKey="Slotline J">J.J. Slotline</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Delgado, E" uniqKey="Delgado E">E. Delgado</name>
</author>
<author><name sortKey="Diaz Cacho, M" uniqKey="Diaz Cacho M">M. Díaz-Cacho</name>
</author>
<author><name sortKey="Barreiro, A" uniqKey="Barreiro A">A. Barreiro</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Delgado, E" uniqKey="Delgado E">E. Delgado</name>
</author>
<author><name sortKey="Diaz Cacho, M" uniqKey="Diaz Cacho M">M. Díaz-Cacho</name>
</author>
<author><name sortKey="Bustelo, D" uniqKey="Bustelo D">D. Bustelo</name>
</author>
<author><name sortKey="Barreiro, A" uniqKey="Barreiro A">A. Barreiro</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Diaz Cacho, M" uniqKey="Diaz Cacho M">M. Díaz-Cacho</name>
</author>
<author><name sortKey="Delgado, E" uniqKey="Delgado E">E. Delgado</name>
</author>
<author><name sortKey="Prieto, J A G" uniqKey="Prieto J">J.A.G. Prieto</name>
</author>
<author><name sortKey="L Pez, J" uniqKey="L Pez J">J. López</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Natori, K" uniqKey="Natori K">K. Natori</name>
</author>
<author><name sortKey="Tsuji, T" uniqKey="Tsuji T">T. Tsuji</name>
</author>
<author><name sortKey="Ohnishi, K" uniqKey="Ohnishi K">K. Ohnishi</name>
</author>
<author><name sortKey="Hace, A" uniqKey="Hace A">A. Hace</name>
</author>
<author><name sortKey="Jezernik, K" uniqKey="Jezernik K">K. Jezernik</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Delgado, E" uniqKey="Delgado E">E. Delgado</name>
</author>
<author><name sortKey="Barreiro, A" uniqKey="Barreiro A">A. Barreiro</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Delgado, E" uniqKey="Delgado E">E. Delgado</name>
</author>
<author><name sortKey="Diaz Cacho, M" uniqKey="Diaz Cacho M">M. Diaz-Cacho</name>
</author>
<author><name sortKey="Bustelo, D" uniqKey="Bustelo D">D. Bustelo</name>
</author>
<author><name sortKey="Barreiro, A" uniqKey="Barreiro A">A. Barreiro</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Hokayem, P F" uniqKey="Hokayem P">P.F. Hokayem</name>
</author>
<author><name sortKey="Spong, M W" uniqKey="Spong M">M.W. Spong</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Chopra, N" uniqKey="Chopra N">N. Chopra</name>
</author>
<author><name sortKey="Spong, M W" uniqKey="Spong M">M.W. Spong</name>
</author>
<author><name sortKey="Lozano, R" uniqKey="Lozano R">R. Lozano</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Fernandez, A" uniqKey="Fernandez A">A. Fernández</name>
</author>
<author><name sortKey="Barreiro, A" uniqKey="Barreiro A">A. Barreiro</name>
</author>
<author><name sortKey="Carrasco, J" uniqKey="Carrasco J">J. Carrasco</name>
</author>
<author><name sortKey="Ba Os, A" uniqKey="Ba Os A">A. Baños</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Nu O, E" uniqKey="Nu O E">E. Nuño</name>
</author>
<author><name sortKey="Basa Ez, L" uniqKey="Basa Ez L">L. Basañez</name>
</author>
<author><name sortKey="Ortega, R" uniqKey="Ortega R">R. Ortega</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Aziminejad, A" uniqKey="Aziminejad A">A. Aziminejad</name>
</author>
<author><name sortKey="Tavakoli, M" uniqKey="Tavakoli M">M. Tavakoli</name>
</author>
<author><name sortKey="Patel, R V" uniqKey="Patel R">R.V. Patel</name>
</author>
<author><name sortKey="Moallem, M" uniqKey="Moallem M">M. Moallem</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Suzuki, A" uniqKey="Suzuki A">A. Suzuki</name>
</author>
<author><name sortKey="Ohnishi, K" uniqKey="Ohnishi K">K. Ohnishi</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Suzuki, A" uniqKey="Suzuki A">A. Suzuki</name>
</author>
<author><name sortKey="Ohnishi, K" uniqKey="Ohnishi K">K. Ohnishi</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Zhang, X M" uniqKey="Zhang X">X.-M. Zhang</name>
</author>
<author><name sortKey="Han, Q L" uniqKey="Han Q">Q.-L. Han</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Zhang, X M" uniqKey="Zhang X">X.-M. Zhang</name>
</author>
<author><name sortKey="Han, Q L" uniqKey="Han Q">Q.-L. Han</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Dashkovskiy, S" uniqKey="Dashkovskiy S">S. Dashkovskiy</name>
</author>
<author><name sortKey="Kosmykov, M" uniqKey="Kosmykov M">M. Kosmykov</name>
</author>
<author><name sortKey="Wirth, F" uniqKey="Wirth F">F. Wirth</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Delgado, E" uniqKey="Delgado E">E. Delgado</name>
</author>
<author><name sortKey="Diaz Cacho, M" uniqKey="Diaz Cacho M">M. Diaz-Cacho</name>
</author>
<author><name sortKey="Falcon, P" uniqKey="Falcon P">P. Falcon</name>
</author>
<author><name sortKey="Barreiro, A" uniqKey="Barreiro A">A. Barreiro</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Shigeru, S" uniqKey="Shigeru S">S. Shigeru</name>
</author>
<author><name sortKey="Natori, K" uniqKey="Natori K">K. Natori</name>
</author>
<author><name sortKey="Ohnishi, K" uniqKey="Ohnishi K">K. Ohnishi</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Jonghyun, K" uniqKey="Jonghyun K">K. Jonghyun</name>
</author>
<author><name sortKey="Chang, P H" uniqKey="Chang P">P.H. Chang</name>
</author>
<author><name sortKey="Park, H S" uniqKey="Park H">H.-S. Park</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Delgado, E" uniqKey="Delgado E">E. Delgado</name>
</author>
<author><name sortKey="Falcon, P" uniqKey="Falcon P">P. Falcon</name>
</author>
<author><name sortKey="Diaz Cacho, M" uniqKey="Diaz Cacho M">M. Diaz-Cacho</name>
</author>
<author><name sortKey="Barreiro, A" uniqKey="Barreiro A">A. Barreiro</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Rebelo, J" uniqKey="Rebelo J">J. Rebelo</name>
</author>
<author><name sortKey="Schiele, A" uniqKey="Schiele A">A. Schiele</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Meng, X" uniqKey="Meng X">X. Meng</name>
</author>
<author><name sortKey="Lam, J" uniqKey="Lam J">J. Lam</name>
</author>
<author><name sortKey="Du, B" uniqKey="Du B">B. Du</name>
</author>
<author><name sortKey="Gao, H" uniqKey="Gao H">H. Gao</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Da, S" uniqKey="Da S">S. Da</name>
</author>
<author><name sortKey="Naghdy, F" uniqKey="Naghdy F">F. Naghdy</name>
</author>
<author><name sortKey="Du, H" uniqKey="Du H">H. Du</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Kao, C Y" uniqKey="Kao C">C.Y. Kao</name>
</author>
<author><name sortKey="Rantzer, A" uniqKey="Rantzer A">A. Rantzer</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Skogestad, S" uniqKey="Skogestad S">S. Skogestad</name>
</author>
<author><name sortKey="Postlethwaite, I" uniqKey="Postlethwaite I">I. Postlethwaite</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Huang, J" uniqKey="Huang J">J. Huang</name>
</author>
<author><name sortKey="Shi, Y" uniqKey="Shi Y">Y. Shi</name>
</author>
<author><name sortKey="Wu, J" uniqKey="Wu J">J. Wu</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Islam, S" uniqKey="Islam S">S. Islam</name>
</author>
<author><name sortKey="Liu, P X" uniqKey="Liu P">P.X. Liu</name>
</author>
<author><name sortKey="El Saddik, A" uniqKey="El Saddik A">A. El Saddik</name>
</author>
<author><name sortKey="Yang, Y B" uniqKey="Yang Y">Y.B. Yang</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Polat, I" uniqKey="Polat I">I. Polat</name>
</author>
<author><name sortKey="Scherer, C W" uniqKey="Scherer C">C.W. Scherer</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
<biblStruct><analytic><author><name sortKey="Tugal, H" uniqKey="Tugal H">H. Tugal</name>
</author>
<author><name sortKey="Carrasco, J" uniqKey="Carrasco J">J. Carrasco</name>
</author>
<author><name sortKey="Maya Gonzalez, M" uniqKey="Maya Gonzalez M">M. Maya-Gonzalez</name>
</author>
</analytic>
</biblStruct>
</listBibl>
</div1>
</back>
</TEI>
<pmc article-type="research-article"><pmc-dir>properties open_access</pmc-dir>
<front><journal-meta><journal-id journal-id-type="nlm-ta">Sensors (Basel)</journal-id>
<journal-id journal-id-type="iso-abbrev">Sensors (Basel)</journal-id>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">sensors</journal-id>
<journal-title-group><journal-title>Sensors (Basel, Switzerland)</journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1424-8220</issn>
<publisher><publisher-name>MDPI</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta><article-id pub-id-type="pmid">27128914</article-id>
<article-id pub-id-type="pmc">4883284</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3390/s16050593</article-id>
<article-id pub-id-type="publisher-id">sensors-16-00593</article-id>
<article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group><article-title>Robust Stability of Scaled-Four-Channel Teleoperation with Internet Time-Varying Delays</article-title>
</title-group>
<contrib-group><contrib contrib-type="author"><name><surname>Delgado</surname>
<given-names>Emma</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="af1-sensors-16-00593">1</xref>
<xref rid="c1-sensors-16-00593" ref-type="corresp">*</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author"><name><surname>Barreiro</surname>
<given-names>Antonio</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="af1-sensors-16-00593">1</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author"><name><surname>Falcón</surname>
<given-names>Pablo</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="af1-sensors-16-00593">1</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author"><name><surname>Díaz-Cacho</surname>
<given-names>Miguel</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="af2-sensors-16-00593">2</xref>
</contrib>
</contrib-group>
<contrib-group><contrib contrib-type="editor"><name><surname>Villalba</surname>
<given-names>Luis Javier Garcia</given-names>
</name>
<role>Academic Editor</role>
</contrib>
<contrib contrib-type="editor"><name><surname>Jayasumana</surname>
<given-names>Anura P.</given-names>
</name>
<role>Academic Editor</role>
</contrib>
<contrib contrib-type="editor"><name><surname>Bi</surname>
<given-names>Jun</given-names>
</name>
<role>Academic Editor</role>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="af1-sensors-16-00593"><label>1</label>
School of Industrial Engineering, University of Vigo, 36310 Vigo, Spain;<email>abarreiro@uvigo.es</email>
(A.B.);<email>pfalcon@uvigo.es</email>
(P.F.)</aff>
<aff id="af2-sensors-16-00593"><label>2</label>
School of Computer Engineering, University of Vigo, 32004 Orense, Spain;<email>mcacho@uvigo.es</email>
</aff>
<author-notes><corresp id="c1-sensors-16-00593"><label>*</label>
Correspondence: <email>emmad@uvigo.es</email>
; Tel.: +34-986-813-697</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub"><day>26</day>
<month>4</month>
<year>2016</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection"><month>5</month>
<year>2016</year>
</pub-date>
<volume>16</volume>
<issue>5</issue>
<elocation-id>593</elocation-id>
<history><date date-type="received"><day>04</day>
<month>3</month>
<year>2016</year>
</date>
<date date-type="accepted"><day>19</day>
<month>4</month>
<year>2016</year>
</date>
</history>
<permissions><copyright-statement>© 2016 by the authors; licensee MDPI, Basel, Switzerland.</copyright-statement>
<copyright-year>2016</copyright-year>
<license><license-p><pmc-comment>CREATIVE COMMONS</pmc-comment>
This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC-BY) license (<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link>
).</license-p>
</license>
</permissions>
<abstract><p>We describe the application of a generic stability framework for a teleoperation system under time-varying delay conditions, as addressed in a previous work, to a scaled-four-channel (γ-4C) control scheme. Described is how varying delays are dealt with by means of dynamic encapsulation, giving rise to mu-test conditions for robust stability and offering an appealing frequency technique to deal with the stability robustness of the architecture. We discuss ideal transparency problems and we adapt classical solutions so that controllers are proper, without single or double differentiators, and thus avoid the negative effects of noise. The control scheme was fine-tuned and tested for complete stability to zero of the whole state, while seeking a practical solution to the trade-off between stability and transparency in the Internet-based teleoperation. These ideas were tested on an Internet-based application with two Omni devices at remote laboratory locations via simulations and real remote experiments that achieved robust stability, while performing well in terms of position synchronization and force transparency.</p>
</abstract>
<kwd-group><kwd>teleoperation</kwd>
<kwd>robust stability</kwd>
<kwd>time-varying delays</kwd>
<kwd>transparency</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body><sec id="sec1-sensors-16-00593"><title>1. Introduction</title>
<p>A teleoperation system consists of master and slave mechanical systems where the master is directly manipulated by a human operator and the slave, operating in a remote environment, is designed to track the master closely. The main issues in the analysis and synthesis of these systems are stability and transparency. Transparency refers to the level of achievement of an ideal situation of the operator acting on the remote environment. In practice, there is a compromise between these two goals mainly due to the presence of time delays generated by the communication channel [<xref rid="B1-sensors-16-00593" ref-type="bibr">1</xref>
].</p>
<p>Given this compromise, many control schemes for teleoperation have been proposed, broadly classified in terms of two main frameworks, namely, intrinsically stable schemes (passivity-based), and delay-dependent stability schemes [<xref rid="B2-sensors-16-00593" ref-type="bibr">2</xref>
]. In early works on constant delay, stability was addressed by means of frequency, Laplace or passivity techniques applied to linear time-invariant (LTI) master-slave two-port systems [<xref rid="B1-sensors-16-00593" ref-type="bibr">1</xref>
,<xref rid="B2-sensors-16-00593" ref-type="bibr">2</xref>
,<xref rid="B3-sensors-16-00593" ref-type="bibr">3</xref>
,<xref rid="B4-sensors-16-00593" ref-type="bibr">4</xref>
,<xref rid="B5-sensors-16-00593" ref-type="bibr">5</xref>
].</p>
<p>In regard to transparency properties, the most successful control scheme in achieving full transparency under ideal conditions is the four-channel (4C) control scheme [<xref rid="B1-sensors-16-00593" ref-type="bibr">1</xref>
,<xref rid="B2-sensors-16-00593" ref-type="bibr">2</xref>
,<xref rid="B4-sensors-16-00593" ref-type="bibr">4</xref>
,<xref rid="B6-sensors-16-00593" ref-type="bibr">6</xref>
]. The specialized literature contains very detailed analyses of transparency and control architectures based on four, three and two channels, that, in general assume constant delays (see especially [<xref rid="B4-sensors-16-00593" ref-type="bibr">4</xref>
] and references therein).</p>
<p>However, in recent years a new line of research on Internet-based teleoperation [<xref rid="B6-sensors-16-00593" ref-type="bibr">6</xref>
,<xref rid="B7-sensors-16-00593" ref-type="bibr">7</xref>
,<xref rid="B8-sensors-16-00593" ref-type="bibr">8</xref>
,<xref rid="B9-sensors-16-00593" ref-type="bibr">9</xref>
,<xref rid="B10-sensors-16-00593" ref-type="bibr">10</xref>
,<xref rid="B11-sensors-16-00593" ref-type="bibr">11</xref>
] exposes the system control loop to the time-varying delay of a packet-switched network—the subject of a tutorial presented by Hokayem and Spong [<xref rid="B12-sensors-16-00593" ref-type="bibr">12</xref>
].</p>
<p>Control schemes designed within the passivity framework using scattering and two-port network theory concepts have been improved—by Chopra, Spong and Lozano [<xref rid="B13-sensors-16-00593" ref-type="bibr">13</xref>
]—by means of an adaptive coordination architecture that provides robust stability against constant delay in network and position tracking. Reset control techniques have also been used to enhance performance [<xref rid="B14-sensors-16-00593" ref-type="bibr">14</xref>
] and, more recently, passivity-based controllers have also been described that include scattering-based, damping injection and adaptive controllers [<xref rid="B15-sensors-16-00593" ref-type="bibr">15</xref>
].</p>
<p>Other research lines refer to time-delay compensation to improve teleoperation performance and stability, such as a passivity-based approach to constant delay [<xref rid="B16-sensors-16-00593" ref-type="bibr">16</xref>
] or methods based on the concept of network disturbance and the communication disturbance observer [<xref rid="B9-sensors-16-00593" ref-type="bibr">9</xref>
,<xref rid="B17-sensors-16-00593" ref-type="bibr">17</xref>
,<xref rid="B18-sensors-16-00593" ref-type="bibr">18</xref>
]. All these theoretical approaches assume a global delay given by τ = τ<sub>m</sub>
+ τ<sub>s</sub>
(the sum of the delays between master and slave and vice versa) and a Laplace delay block e<sup>−τs</sup>
representing the global delay, which can commute with the other LTI blocks in the control loop. Therefore, although experimental results for simulated time-varying delay based on these techniques have been described [<xref rid="B9-sensors-16-00593" ref-type="bibr">9</xref>
,<xref rid="B17-sensors-16-00593" ref-type="bibr">17</xref>
,<xref rid="B18-sensors-16-00593" ref-type="bibr">18</xref>
], the stability condition for constant delay cannot apply. The loop must maintain all the time-varying delay channels of the control scheme because these cannot be combined in a single delay: time-varying delays do not commute with LTI systems.</p>
<p>Focusing on Internet-based teleoperation based on delay-dependent control schemes which can provide better transparency properties, the real problem is to establish delay-dependent conditions for systems with two internal control loops (master and slave) ”connected” by (time-varying) delayed signals. This problem can be solved—to name just two possible approaches—by applying delay-dependent stability tools developed for time-domain techniques that are based on Lyapunov-Krasovskii functionals, with a formulation of stability obtained via easily computable LMI conditions (see [<xref rid="B6-sensors-16-00593" ref-type="bibr">6</xref>
,<xref rid="B10-sensors-16-00593" ref-type="bibr">10</xref>
,<xref rid="B19-sensors-16-00593" ref-type="bibr">19</xref>
,<xref rid="B20-sensors-16-00593" ref-type="bibr">20</xref>
] and references therein), or by using approaches based on small-gain type theorems in the input-to-state stability framework [<xref rid="B21-sensors-16-00593" ref-type="bibr">21</xref>
], which can be used even when passivity is lost.</p>
<p>More specifically, referring to previous research by us, focusing on the stability of the delay-dependent teleoperation control schemes, we defined a generic approach to modelling any teleoperation setup as a negative single-feedback loop containing an LTI block and an uncertain time-varying delay [<xref rid="B11-sensors-16-00593" ref-type="bibr">11</xref>
]. The main contribution of this approach was the possibility of deriving frequency-domain conditions for robust stability in the presence of time-varying delays and parametric uncertainties. As a case study, the two-channel position-error (PE) control scheme was modelled, implemented and experimentally tested for the Internet-based haptic teleoperation of a laboratory 3D crane in normal operation conditions, that is, without contact with the environment.</p>
<p>Using this generic approach, we presented preliminary results [<xref rid="B22-sensors-16-00593" ref-type="bibr">22</xref>
] on the 4C control scheme for teleoperating simulated manipulators, as more flexible than 3C [<xref rid="B23-sensors-16-00593" ref-type="bibr">23</xref>
] or 2C [<xref rid="B24-sensors-16-00593" ref-type="bibr">24</xref>
] versions. Further work [<xref rid="B25-sensors-16-00593" ref-type="bibr">25</xref>
] addressed the robust stability of simulated teleoperated systems, with the 4C architecture affected by time-varying communication delays, by using disturbance observers that are relevant when only position (but not force) measurements are available.</p>
<p>The main differences between our approach [<xref rid="B6-sensors-16-00593" ref-type="bibr">6</xref>
,<xref rid="B22-sensors-16-00593" ref-type="bibr">22</xref>
,<xref rid="B25-sensors-16-00593" ref-type="bibr">25</xref>
] and other delay-dependent proposals are that we look for: (a) complete stability to zero of the whole state; and (b) robustness against continuous-time time-varying delay. The first goal implies that, in the absence of external inputs, the whole state should converge to zero. In particular, the nominal, non-delayed closed-loop system should have well-posed dynamics dx/dt = Ax, with stable closed-loop eigenvalues, Real(Eig(A)) < 0. This excludes schemes where master and slave positions mutually converge x<sub>m</sub>
→ x<sub>s</sub>
but do not tend to zero. It also excludes cases where the master or the slave ports should be closed by dissipative port terminations to ensure stability. The first goal is important in applications where master or slave devices could be released and we want the resulting free motion to tend to zero (a fixed safe position in the workspace).</p>
<p>It is well-known [<xref rid="B4-sensors-16-00593" ref-type="bibr">4</xref>
] that 4C schemes with perfect transparency do not have well-posedness and complete stability to zero of the state vector. This is the reason why, starting out with the 4C architecture [<xref rid="B6-sensors-16-00593" ref-type="bibr">6</xref>
,<xref rid="B22-sensors-16-00593" ref-type="bibr">22</xref>
,<xref rid="B25-sensors-16-00593" ref-type="bibr">25</xref>
], we introduced a scaling parameter γ to achieve complete stability to zero of the whole state.</p>
<p>The second goal is to ensure robust stability in Internet-based teleoperation, that is, under time-varying delay. We address the problem of uncertain delays from a continuous-time perspective (not in discrete-time [<xref rid="B26-sensors-16-00593" ref-type="bibr">26</xref>
,<xref rid="B27-sensors-16-00593" ref-type="bibr">27</xref>
]) and for time-varying delays (more realistic than uncertain but constant delays [<xref rid="B28-sensors-16-00593" ref-type="bibr">28</xref>
]). The induced problem is more difficult but, since useful delay encapsulations have been described in the literature [<xref rid="B29-sensors-16-00593" ref-type="bibr">29</xref>
], we show how to adapt these delay bounds to achieve our second goal of robustness against continuous-time time-varying delay.</p>
<p>The main differences between our previous work and the present work—in other words, the novelty of the present paper—is that here we explicitly discuss ideal transparency issues and rearrange previous solutions [<xref rid="B22-sensors-16-00593" ref-type="bibr">22</xref>
,<xref rid="B25-sensors-16-00593" ref-type="bibr">25</xref>
] so that now the resulting controllers are proper, that is, they do not contain single or double differentiators and so avoid problems of noise. We also validated the ideas with simulations and real-life experiments on an Internet teleoperation setup that coordinated two Omni haptic devices between remote laboratory setups in Spain (University of Vigo, Vigo, Spain) and the UK (University of Manchester, Manchester, UK).</p>
<p>The paper is organized as follows: in <xref ref-type="sec" rid="sec2-sensors-16-00593">Section 2</xref>
the model for robust stability in 4C-based teleoperation is introduced and in <xref ref-type="sec" rid="sec3-sensors-16-00593">Section 3</xref>
a robust stability condition for this control scheme is defined. <xref ref-type="sec" rid="sec4-sensors-16-00593">Section 4</xref>
describes the haptic teleoperation case study. <xref ref-type="sec" rid="sec5-sensors-16-00593">Section 5</xref>
presents the analysis and simulation results and <xref ref-type="sec" rid="sec6-sensors-16-00593">Section 6</xref>
presents the experimental results. Finally, <xref ref-type="sec" rid="sec7-sensors-16-00593">Section 7</xref>
concludes the paper with a discussion.</p>
</sec>
<sec id="sec2-sensors-16-00593"><title>2. Model for Robust Stability in 4C Based Teleoperation</title>
<p>Consider the generic teleoperation setup depicted in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f001">Figure 1</xref>
, consisting of an exchange of signals through a communication channel between the master side (left) and the slave side (right). The master side is formed of the plant 1/<italic>P<sub>m</sub>
</italic>
and the controller <italic>K<sub>m</sub>
</italic>
. The plant is modelled as a mechanical system with coordinates (positions) given by the <italic>n</italic>
× 1 vectors <italic>x<sub>m</sub>
</italic>
, <italic>x<sub>s</sub>
</italic>
. In the Laplace domain, if <inline-formula><mml:math id="mm1"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>˙</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
we have:
<disp-formula id="FD1-sensors-16-00593"><label>(1)</label>
<mml:math id="mm2"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Note that we use lowercase and uppercase letters for time-domain and Laplace domain signals, respectively.</p>
<p>The input of the master plant is the master force <inline-formula><mml:math id="mm3"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
where <italic>f<sub>h</sub>
</italic>
is the force applied by the human operator and <italic>f<sub>mc</sub>
</italic>
is the force from the controller. The plant has two outputs, namely, the <italic>n<sub>y</sub>
</italic>
signals that send information to the slave (<italic>y<sub>m</sub>
</italic>
) and the <italic>n<sub>z</sub>
</italic>
signals used by the local controller (<italic>z<sub>m</sub>
</italic>
). </p>
<p>On the slave side, <italic>f<sub>e</sub>
</italic>
is the force from the environment. The controller force <italic>f<sub>sc</sub>
</italic>
enters additively in <inline-formula><mml:math id="mm4"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
<p>Master and slave exchange signals through the communication channel. Taking into account our theoretical [<xref rid="B10-sensors-16-00593" ref-type="bibr">10</xref>
], and experimental [<xref rid="B11-sensors-16-00593" ref-type="bibr">11</xref>
] discussions on delay bounds using the Internet User Datagram Protocol (UDP), the delay τ(t) can be assumed in a non-restrictive way from teleoperation point of view, to be an unknown time-varying function for which the upper bounds on the magnitude and the variation satisfy <inline-formula><mml:math id="mm5"><mml:mrow><mml:mo>∀</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
:
<disp-formula id="FD2-sensors-16-00593"><label>(2)</label>
<mml:math id="mm6"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi>τ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>η</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>|</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi>κ</mml:mi>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="FD3-sensors-16-00593"><label>(3)</label>
<mml:math id="mm7"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>τ</mml:mi>
<mml:mo>˙</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>|</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo><</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>The time-varying delay can be described by the operator <italic>𝒟</italic>
which is a (nonlinear) system used (in the time domain) in any of the equivalent notations: <inline-formula><mml:math id="mm8"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>∘</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
. This means that:
<disp-formula id="FD4-sensors-16-00593"><label>(4)</label>
<mml:math id="mm9"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:msub><mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msub><mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>τ</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
where <italic>𝒟 <sub>m</sub>
</italic>
, <italic>𝒟 <sub>s</sub>
</italic>
are the corresponding master and slave time-delay operators. To simplify matters we also extend the operator <italic>𝒟</italic>
to the Laplace domain in the equivalent forms <inline-formula><mml:math id="mm10"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>∘</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
, which simply means that: <inline-formula><mml:math id="mm11"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>⇔</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
and <inline-formula><mml:math id="mm12"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
.</p>
<p>We now consider a 4C control scheme in the most general and representative case of delay-dependent schemes. Here, the master and slave exchange, through the communication channel, velocities or positions and forces in both directions. The local controllers are defined in terms of the applied external force, their own velocity/position (master/slave) and the delayed velocity/position and force (slave/master) from the other side. When the system exchanges positions and forces (see <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f002">Figure 2</xref>
), the controllers <italic>K<sub>m</sub>
</italic>
, <italic>K<sub>s</sub>
</italic>
can be defined as:
<disp-formula id="FD5-sensors-16-00593"><label>(5)</label>
<mml:math id="mm13"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="FD6-sensors-16-00593"><label>(6)</label>
<mml:math id="mm14"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Following the procedure described in a previous work [<xref rid="B11-sensors-16-00593" ref-type="bibr">11</xref>
], we remodeled this whole system to obtain a single feedback loop containing an LTI block and an uncertain time-varying delay block with the same dimension as the number of the signals exchanged between the master and slave. For this purpose, we state the following Proposition 1 to obtain the model for 4C-based teleoperation:</p>
<statement><label><bold>Proposition 1.</bold>
</label>
<p>A teleoperation setup as described in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f001">Figure 1</xref>
and <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f002">Figure 2</xref>
, given by Equations (1)–(5), can be formulated as a compact model for robust stability analysis using a generic approach (as developed in [<xref rid="B11-sensors-16-00593" ref-type="bibr">11</xref>
]) in the form given by equations Equation (7), Equation (8) and the block diagram in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f003">Figure 3</xref>
:
<disp-formula id="FD7-sensors-16-00593"><label>(7)</label>
<mml:math id="mm15"><mml:mrow><mml:mo>Π</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>Φ</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
with:
<disp-formula id="FD8-sensors-16-00593"><label>(8)</label>
<mml:math id="mm16"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>Π</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mo> </mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo>Φ</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
</statement>
<statement><label><bold>Proof:</bold>
</label>
<p>The proof of this proposition is developed in <xref ref-type="app" rid="app1-sensors-16-00593">Appendix A</xref>
. ☐</p>
</statement>
<statement><label><bold>Remark 1.</bold>
</label>
<p>The model described by Equation (7) is directly represented by <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f003">Figure 3</xref>
, where four time-varying delays channels inherited from <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f001">Figure 1</xref>
are maintained, bearing in mind that they cannot be combined in a single delay because time-varying delays do not commute with LTI systems.</p>
</statement>
<sec id="sec2dot1-sensors-16-00593"><title>Ideal Transparency Conditions</title>
<p>Note that, from the teleoperation loop in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f003">Figure 3</xref>
, we can also obtain the zero-delay (<italic>D</italic>
= <italic>I</italic>
⇒ <italic>Y<sub>d</sub>
</italic>
<italic>=</italic>
<italic>Y</italic>
) closed loop dynamics for studying ideal behavior and transparency properties, considering:
<disp-formula id="FD9-sensors-16-00593"><label>(9)</label>
<mml:math id="mm17"><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>Π</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>Φ</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>That is:
<disp-formula id="FD10-sensors-16-00593"><label>(10)</label>
<mml:math id="mm18"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:msup><mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:msup><mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
with the following values:
<disp-formula id="FD12-sensors-16-00593"><label>(11)</label>
<mml:math id="mm20"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>The previous admittance matrix definition can be associated with the impedance <italic>𝒵</italic>
or hybrid <italic>ℋ</italic>
models:
<disp-formula id="FD17-sensors-16-00593"><label>(12)</label>
<mml:math id="mm25"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup><mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup><mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="FD20-sensors-16-00593"><label>(13)</label>
<mml:math id="mm28"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>The ideal transparency properties are usually defined on the ℋ matrix, regarding which:
<disp-formula id="FD22-sensors-16-00593"><label>(14)</label>
<mml:math id="mm30"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Comparing Equations (13) and (14) with Equation (9), we obtain:
<disp-formula id="FD23-sensors-16-00593"><label>(15)</label>
<mml:math id="mm31"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Therefore, these properties can also be analyzed through Λ and <italic>𝒵</italic>
matrix in the following form:
<disp-formula id="FD27-sensors-16-00593"><label>(16)</label>
<mml:math id="mm35"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>≡</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo> </mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
</sec>
</sec>
<sec id="sec3-sensors-16-00593"><title>3. Robust Stability for 4C Based Teleoperation</title>
<p>Below we apply our previously developed approach to stability under time-varying delay in teleoperation [<xref rid="B11-sensors-16-00593" ref-type="bibr">11</xref>
,<xref rid="B22-sensors-16-00593" ref-type="bibr">22</xref>
] to the 4C control scheme. The time-varying delay is an uncertainty that may give rise to instability. To ensure robust stability, of necessity we have to impose some limits on maximum delay and maximum delay variation. Our treatment of time-varying delay is based on an encapsulation described in the literature [<xref rid="B29-sensors-16-00593" ref-type="bibr">29</xref>
] and adapted by us to a 4C teleoperation setup. This delay encapsulation [<xref rid="B29-sensors-16-00593" ref-type="bibr">29</xref>
]—based on the concept of the integral quadratic constraint (IQC), which is a powerful framework for robust stability—is combined with input-output stability criteria and μ-analysis and synthesis techniques in order to achieve a final robust stability condition (Theorem 1).</p>
<statement><label><bold>Proposition 2.</bold>
</label>
<p>A teleoperation setup, as stated in Proposition 1 and depicted in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f003">Figure 3</xref>
, can be modeled as a negative single-feedback loop containing an LTI block <italic>G(s)</italic>
and an uncertain time-varying delay block <italic>𝒟</italic>
, shown in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f004">Figure 4</xref>
a, with:
<disp-formula id="FD28-sensors-16-00593"><label>(17)</label>
<mml:math id="mm36"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup><mml:mo>Π</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="FD29-sensors-16-00593"><label>(18)</label>
<mml:math id="mm37"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
</statement>
<statement><label><bold>Theorem 1.</bold>
</label>
<p><italic>Consider a 4C-based teleoperation system, modeled by Equations (7) and (8), directly represented by <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f003">Figure 3</xref>
and transformed into <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f004">Figure 4</xref>
a by Proposition 2. Given G(s) as defined in Equation (15), let φ(s) [<xref rid="B29-sensors-16-00593" ref-type="bibr">29</xref>
]:</italic>
<disp-formula id="FD30-sensors-16-00593"><label>(19)</label>
<mml:math id="mm38"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="sans-serif">φ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msup><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:msup><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
with <inline-formula><mml:math id="mm39"><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
where c is any positive real number and delay bounds <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
and where <italic>d</italic>
is as defined in Equations (2) and (3). If necessary, [<xref rid="B29-sensors-16-00593" ref-type="bibr">29</xref>
] provides extensions of the delay encapsulations by another multipliers φ in Equation (19) that deal with great variability. A sufficient condition for stability of the delayed system as described in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f004">Figure 4</xref>
a, with a complex diagonal structured uncertainty, is given by:
<disp-formula id="FD31-sensors-16-00593"><label>(20)</label>
<mml:math id="mm40"><mml:mrow><mml:mo>Γ</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mi mathvariant="sans-serif">ω</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="sans-serif">μ</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="sans-serif">ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mi mathvariant="sans-serif">ω</mml:mi>
<mml:mo>∈</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi mathvariant="sans-serif">ρ</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="sans-serif">ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo><</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
where:
<disp-formula id="FD32-sensors-16-00593"><label>(21)</label>
<mml:math id="mm41"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="sans-serif">φ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
and where <inline-formula><mml:math id="mm42"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="sans-serif">μ</mml:mi>
<mml:mo>¯</mml:mo>
</mml:mover>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
is the structured singular value (SSV) with respect to a repeated complex scalar uncertainty, which is, in turn, equal to <inline-formula><mml:math id="mm43"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="sans-serif">ρ</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
, the spectral radius of a matrix (the maximum of the norms of the eigenvalues).</p>
</statement>
<statement><label><bold>Proof.</bold>
</label>
<p>This result is obtained in two ways. First, in applying the loop transformation theorem (the loop depicted in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f004">Figure 4</xref>
a is stable if the loop depicted in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f004">Figure 4</xref>
b is stable) and the small gain theorem to <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f004">Figure 4</xref>
b, whereby<inline-formula><mml:math id="mm44"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>‖</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo>
<mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>‖</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo><</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
, since <inline-formula><mml:math id="mm45"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo>
<mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>‖</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
by [<xref rid="B29-sensors-16-00593" ref-type="bibr">29</xref>
], a sufficient condition is <inline-formula><mml:math id="mm46"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>‖</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>‖</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo><</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
. Second, using the μ-techniques for robust stability [<xref rid="B30-sensors-16-00593" ref-type="bibr">30</xref>
] we can interpret <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f004">Figure 4</xref>
b as a nominal system <italic>H(s)</italic>
connected to a dynamic or complex uncertainty Δ that is actually diagonal (more details are given in [<xref rid="B11-sensors-16-00593" ref-type="bibr">11</xref>
]). ☐</p>
</statement>
<statement><label><bold>Remark 2.</bold>
</label>
<p>As a prerequisite for robust stability, we must first satisfy nominal stability. Hence, H(s) must be Hurwitz-stable, that is, all the λ<sub>i</sub>
eigenvalues must verify <inline-formula><mml:math id="mm47"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="sans-serif">λ</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo><</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>∀</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>…</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
.</p>
</statement>
<p>This frequency approach based on IQCs combined with μ-analysis and synthesis techniques is a powerful framework for robust stability. Therefore, using the stability condition of Equation (20) based on the system in Equation (21), for any delay satisfying Equations (2) and (3) and for some designed closed-loop (non-delayed) dynamic in G, we can ensure robust stability under time-varying delays.</p>
</sec>
<sec id="sec4-sensors-16-00593"><title>4. Haptic Teleoperation Case Study</title>
<p>The previous 4C architectural framework was applied to remote teleoperation between master and slave haptic devices located in laboratories in the University of Vigo and the University of Manchester. </p>
<p>Below we describe the details of the setup and of master and slave device identification. We then describe a scaled control scheme γ-4C in which the stability factor γ lets us obtain a practical and internally stable solution to Internet-based teleoperation, where all the controllers are proper (without differentiators), as is usual in classical solutions. Further sections will describe simulations and experimental results.</p>
<p>The master and slave sides consist of two Phantom Omni haptic devices manufactured by SensAble Technologies Inc. (Wilmington, MA, USA). In terms of degree of freedom (DoF), these devices have 6-DoF position sensing and 3-DoF force actuation. To focus on the robust stability issue, we limited movements to 1-DoF—rather than multi-DoF—using the first rotational coordinate (the base rotation) as the free DoF. In this way, the two Omnis rotated around their vertical axes, while the shoulder, elbow and stylus were blocked.</p>
<p>Thus, the master and slave positions were (<italic>x<sub>m</sub>
</italic>
, <italic>x<sub>s</sub>
</italic>
), the sensed Omni base angles in radians (rad). The actuations are (<italic>f<sub>m</sub>
</italic>
, <italic>f<sub>s</sub>
</italic>
), which are the torque inputs to the motors for vertical axis rotation in machine units (we did not have access to physical units).</p>
<p>We concentrated on 1-DoF movements around a fixed position (the “zero” of the Omnis). Although the Omnis are robotic nonlinear systems, given the linearization principle, it was expected that the local dynamics from forces to positions could be captured as is usual by models in the form <italic>G<sub>i</sub>
</italic>
(s) = 1/(s(<italic>M</italic>
s + <italic>B</italic>
)) [<xref rid="B31-sensors-16-00593" ref-type="bibr">31</xref>
]. Note that here, for simplicity sake, we use the terms “forces” and “positions” to denote torques and angles. Note also that, since the forces are in machine units, the inertia-mass <italic>M</italic>
and friction <italic>B</italic>
coefficients were given in machine or virtual units.</p>
<p>Before identifying the models <italic>G<sub>i</sub>
</italic>
(s), our experiments showed that there was a deadzone or static friction at the force inputs. This meant that the effective force <italic>f<sub>e</sub>
</italic>
<sub>f</sub>
was smaller than the applied or written force <italic>f<sub>i</sub>
</italic>
. This effect can be modelled by a deadzone function <italic>f<sub>ef</sub>
</italic>
= DZ(<italic>f<sub>i</sub>
</italic>
; <italic>D<sub>pos</sub>
</italic>
, <italic>D<sub>neg</sub>
</italic>
) in the form:
<disp-formula id="FD33-sensors-16-00593"><label>(22)</label>
<mml:math id="mm48"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow></mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>></mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder><mml:mrow><mml:mi>min</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow></mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo><</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Although this static friction slightly damaged linearity, producing small steady-state errors, this was easily mitigated by pre-compensation at input by an inverse function in the form <italic>f<sub>i</sub>
</italic>
= DZ(<italic>f</italic>
; −<italic>D<sub>pos</sub>
</italic>
, −<italic>D<sub>neg</sub>
</italic>
) with negative values −<italic>D<sub>pos</sub>
</italic>
, −<italic>D<sub>neg</sub>
</italic>
. If the deadzone (asymmetric) widths <italic>D<sub>pos</sub>
</italic>
, <italic>D<sub>neg</sub>
</italic>
were estimated well, the composition of these two functions would give rise to the identity, <italic>f<sub>ef</sub>
</italic>
= <italic>f</italic>
, thus linearizing the system.</p>
<p>After linearizing the devices by deadzone compensation, the linear models <italic>G<sub>i</sub>
</italic>
(s) = 1/(s(<italic>M</italic>
s + <italic>B</italic>
)), were obtained, by a standard procedure [<xref rid="B24-sensors-16-00593" ref-type="bibr">24</xref>
] applied in closed -loop (proportional controller) square and triangular references, recording force inputs and position outputs and performing standard least-squares identifications of <italic>M</italic>
, <italic>B</italic>
. The results (in machine units, m.u.) were:
<disp-formula><label>(23)</label>
<italic>M</italic>
= 0.00118 (m.u.) <italic>B</italic>
= 0.0199 (m.u.)
</disp-formula>
</p>
<p>Therefore, for the teleoperation setup described in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f001">Figure 1</xref>
formed of two identical OMNI Phantoms as the master and slave systems, for each DoF, the linearized dynamic models were:
<disp-formula id="FD34-sensors-16-00593"><label>(24)</label>
<mml:math id="mm49"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:msup><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Seeking a practical solution to Internet-based teleoperation, we fine-tuned a scaled 4C control scheme γ-4C. We also imposed internal stability, that is, the closed-loop system had to be Hurwitz-stable. The operator and environment were modelled as external forces.</p>
<p>These requirements were met in the scheme depicted in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f001">Figure 1</xref>
and <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f002">Figure 2</xref>
and given by Equations (1)–(5), with master and slave systems as in Equation (24) and with the controllers in Equation (5) defined in the following form:
<disp-formula id="FD35-sensors-16-00593"><label>(25)</label>
<mml:math id="mm50"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>></mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>and</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi mathvariant="sans-serif">γ</mml:mi>
<mml:mo>></mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>γ</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>γ</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mo> </mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>The Λ and <italic>𝒵</italic>
matrix in this γ-4C scheme with controllers given by Equation (25) take the values:
<disp-formula id="FD38-sensors-16-00593"><label>(26)</label>
<mml:math id="mm53"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>γ</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mo> </mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>γ</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mo> </mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>γ</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Note that the control parameters in Equation (5) with the values selected in Equation (25) were not eight independent controllers. Due to the transparency restriction requirements, there were ultimately only a minimum of <italic>two</italic>
DoFs in the design: the gain <italic>K</italic>
and the coefficient γ (<italic>K</italic>
’ can be zero). The gain <italic>K</italic>
was the only parameter that directly influenced the closed-loop poles (Δ<sub>Λ</sub>
= 0) in the non-delayed case, as seen in Equation (26). The value <italic>k</italic>
> 0 was necessary to ensure non-delayed system stability. We could thus tune <italic>k</italic>
> 0 from pole-placement principles, bearing in mind that the feedback loop would be affected by a (time-varying) delay. As for the coefficient γ, this ideally should be set to γ = 1 to ensure perfect transparency, but to avoid singularity in the feedback loop impedance (admittance) matrix, it was set to γ > 1. For greater transparency, γ should be as close as 1 as possible, but has to be greater than 1 to ensure robust stability and loop well-posedness.</p>
<statement><label><bold>Remark 3.</bold>
</label>
<p>If γ = 1 + ε, with ε → 0, the teleoperation system with the controllers defined by Equation (25) verify the transparency-optimized conditions for zero delay Equation (16). But in the ideal case ε = 0, the impedance matrix Equation (12) loses rank and thus the admittance model Equation (10) is thus not well-defined (ill-posed).</p>
</statement>
<statement><label><bold>Remark 4.</bold>
</label>
<p>To avoid the previous issue, the γ factor in Equation (25) can be selected to verify well-posedness and robust stability conditions under Internet time-varying delay, while maintaining the transparency properties of the system as much as possible. This control scheme therefore gives internal stability and a practical solution to the trade-off between performance and stability under time-varying delay.</p>
</statement>
<statement><label><bold>Remark 5.</bold>
</label>
<p>The proposed control scheme in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f001">Figure 1</xref>
and <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f002">Figure 2</xref>
as given by Equation (5) allows proper controllers in Equation (25) to be selected based on ideally optimized transparency, that is, they do not contain single or double differentiators like classical 4C solutions and so avoid negative effects with noise. See the explanation in <xref ref-type="app" rid="app2-sensors-16-00593">Appendix B</xref>
.</p>
</statement>
<statement><label><bold>Remark 6.</bold>
</label>
<p>The controllers defined in Equation (25) also provide robust stability and performance against parametric uncertainty. The closed-loop poles are now given by (M<sub>m</sub>
s<sup>2</sup>
+ B<sub>m</sub>
s + K) (M<sub>s</sub>
s<sup>2</sup>
+ B<sub>s</sub>
s + K) = 0 and, consequently, for zero delay, the system will be stable iff K, M<sub>m,s</sub>
= M ± Δ<sub>M</sub>
, B<sub>m,s</sub>
= B ± Δ<sub>B</sub>
>0.</p>
</statement>
<p>These remarks are further analyzed in the following sections.</p>
</sec>
<sec id="sec5-sensors-16-00593"><title>5. Analysis and Simulation Results</title>
<p>We first describe a simulation case for use with Simulink and Matlab, considering linear dynamic models for the master and slave, the rounded identified values given by <italic>M</italic>
= 0.001, <italic>B</italic>
= 0.02 and the controllers as stated in Equation (25), with <italic>K</italic>
= 0.1 and <italic>K’</italic>
= 0.</p>
<p>To justify choosing this control scheme based on performance criteria, using this simulation case and applying zero delay, we compared our scheme with some frequently used two- and three-channel (2C and 3C) control schemes. These schemes can be obtained by canceling certain controller parameters in Equation (25), as shown in <xref ref-type="table" rid="sensors-16-00593-t001">Table 1</xref>
.</p>
<p>Note that the 4C scheme results were obtained for γ = 1.07 ≈ 1 to avoid singularities. The selected value in <italic>K</italic>
provided an adequate time response by fixing equal and real closed-loop poles, that is, the linear model of the system had critical damping and so did not overshoot.</p>
<p>Performance can be studied by simulations that apply a simulated sine reference force (<italic>f<sub>h</sub>
</italic>
)—like the force imposed by a human operator—to move the master. The slave will follow the master in free motion in the interval <italic>t</italic>
= (0, 10) and (18, 30) s and with an environment step force <italic>f<sub>e</sub>
</italic>
simulated from <italic>t</italic>
= 10 s and <italic>t</italic>
= 18 s Note that the operator and environment are not assumed to be in contact or to be passive. </p>
<p>The best results for tracking properties were obtained for the schemes which approximated the ideal transparency conditions (γ-4C) or, at least, the schemes (PE, 3Ci, 3Cii) in which conditions were achieved in the steady state (<italic>s</italic>
→ 0). The simulation results, for brevity, are shown only for these schemes (<xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f005">Figure 5</xref>
, <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f006">Figure 6</xref>
, <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f007">Figure 7</xref>
and <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f008">Figure 8</xref>
). Only the γ-4C scheme provided internal stability to the system. Because the other schemes have a closed-loop pole at the origin, without external forces, some states of the system tended to the same value (in this case <italic>x<sub>m</sub>
</italic>
= <italic>x<sub>s</sub>
</italic>
) but not to zero, for example, PE in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f009">Figure 9</xref>
a. However, the γ-4C scheme in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f009">Figure 9</xref>
b, without external forces, drove the master and slave to their zero states.</p>
<p>Furthermore, it may happen that, for some input forces as used in remote teleoperation, the master and slave positions are not bounded for systems without internal stability, although position tracking is accomplished—for instance, one of the schemes in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f010">Figure 10</xref>
and the solution given for the 4C scheme in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f011">Figure 11</xref>
.</p>
<p>Finally, referring back to Remark 6, we used the γ-4C controllers defined in Equation (25) with master plant as in Equation (24), except that now the slave model was defined as <inline-formula><mml:math id="mm68"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
. The results can be seen in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f012">Figure 12</xref>
. Due to the fact that the models were different, the master and slave forces—obtained from the external forces and local proportional controllers—were also different in order to accomplish position tracking.</p>
<p>Once the performance of the different schemes was analyzed, we studied stability when the time-varying delay was considered. The idea was to maintain as much as possible the ideal tracking properties obtained by the standard controllers in the 4C control scheme by increasing, by means of the γ factor, the stability margin in practical conditions, that is, when there was time-varying delay in signals transmission.</p>
<p>Once the non-delayed part of the master and slave dynamics were fixed (including the gain <italic>K</italic>
), only γ remained to be chosen. All the delay uncertainty was characterized by two measures: the maximum delay <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
and the maximum delay rate <italic>d</italic>
. </p>
<p>The stability condition in Equation (20) is based on the <inline-formula><mml:math id="mm69"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>ϕ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
system in Equation (21). The closed-loop (non-delayed) system <italic>G</italic>
(s) only depended on <italic>γ</italic>
, and the “multiplier” <italic>φ</italic>
in Equation (19) depended on <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
, <italic>d</italic>
. Thus the condition in Equation (20) took the form <inline-formula><mml:math id="mm70"><mml:mrow><mml:mo>Γ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo><</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
. It is important to emphasize that Equation (20) involves the spectral radius of the frequency response <italic>H(jω)</italic>
of some <italic>H(s)</italic>
depending on (γ, <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
, <italic>d</italic>
) in a complex way. Thus, Equation (20) had to be treated numerically (not analytically).</p>
<p>There was an easy way to deal with Equation (20) numerically: the delay uncertainty parameters (<italic>h<sub>max</sub>
</italic>
, <italic>d</italic>
) could be discretized in the ranges of interest, and for each discretized value, the minimum γ could be computed. These computations can be represented in the form of 3D surfaces and the designer can use the numerical results to decide, depending on the expected delay uncertainty, the adequate tuning of γ to be included in the controllers.</p>
<p>The stability analysis could be assessed applying Theorem 1 and using Matlab. In all cases it had to be proved, firstly, that the system verified the nominal stability condition given in Equation (22). Here we show, briefly as <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f013">Figure 13</xref>
, the effect on stability (from the results on SSV) of different bounds on the delay, fixing the stability factor at γ = 12, which was the value selected for the experiments described in the next section. Note that the delay variation was the most critical aspect of stability. The results depicted in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f014">Figure 14</xref>
show the minimum value of the stability factor γ (<italic>z</italic>
axis) needed to ensure the stability of the system given the bounds on the delay (<italic>h<sub>max</sub>
</italic>
, <italic>d</italic>
).</p>
</sec>
<sec id="sec6-sensors-16-00593"><title>6. Experimental Results</title>
<p>In order to test the above simulation results, real experiments were conducted from the haptic teleoperation case study as described above. The Omni devices were connected to the computer through a FireWire connection. The computers contained the local controllers implemented under Matlab/Simulink and Quarc real-time control software as a real-time machine for the experiments. The Quarc software managed the interface with the haptic device using Quarc Phantom Omni software and also collected and saved all exchanged data. The sampling period in the experiments was set to 1 millisecond. The two devices were remotely coordinated under programmed force profiles like the human and environment external forces, and the experimental data validated the stability and performance results in the theoretical part.</p>
<p>We describe results for three experiments. The first experiment (<xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f016">Figure 16</xref>
) reproduced real local teleoperation of the Omni devices at the University of Vigo, artificially increasing a time-varying delay between master and slave. The simulation case depicted in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f015">Figure 15</xref>
is compared with this first experiment as depicted in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f016">Figure 16</xref>
.</p>
<p>The results were very similar to the simulation results, although the difference between the linear identified models used in the simulation case and the OMNI nonlinear dynamic with a pre-compensated deadzone Equation (22) can be appreciated. </p>
<p>The second experiment (<xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f017">Figure 17</xref>
) reproduced real remote teleoperation between the University of Vigo and the University of Manchester using linear models of master and slave like the corresponding simulation model described in <xref ref-type="sec" rid="sec5-sensors-16-00593">Section 5</xref>
. Here we could analyze the impact of time delays separately from model uncertainty and nonlinearities issues. The final experiment (<xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f018">Figure 18</xref>
) tested real remote teleoperation between the master haptic device located at the University of Vigo and the slave haptic device located at the University of Manchester. Note that, for implementation over the haptic devices, the deadzone was pre-compensated at the input Equation (22) by an inverse function in the form explained in <xref ref-type="sec" rid="sec4-sensors-16-00593">Section 4</xref>
. In general, this function caused the system to be more oscillating than the linear model and to have a small steady-state error.</p>
<p>The data (forces and positions) were exchanged between the master and the slave computers by a transmission of UDP packets. Each packet was composed of time stamps and the transmitted value with a fixed size of 68 bytes. <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f019">Figure 19</xref>
shows some experimental data for connections via Internet between Vigo and Manchester. The delay was measured in terms of the round trip time (RTT) communication. The maximum delay was near <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
= 0.028 s, with very low variation tested with a transmission rate of 1000 packets per second (<xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f019">Figure 19</xref>
a). The test over the communication channel also revealed that variations in time delay never exceeds <italic>d</italic>
= 0.45, as can be seen in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f019">Figure 19</xref>
b. It should be noted that the communication network used in the experiment belongs to the GÉANT pan-European research and education network, which has very good quality linkage between facilities.</p>
</sec>
<sec id="sec7-sensors-16-00593"><title>7. Conclusions</title>
<p>In this paper we have extended our generic framework to stability under time-varying delay [<xref rid="B11-sensors-16-00593" ref-type="bibr">11</xref>
] to scaled 4C or γ-4C teleoperation. The application of the theoretical framework to the four channel case, with time-varying delays, gave rise to an encapsulated delay uncertainty, size 4 × 4 and diagonal. Assuming symmetric delays, the related structured singular value or μ-value was equal to the spectral radius of the linear subsystem. The approach represents an appealing frequency technique to deal with the stability robustness of the architecture. </p>
<p>The main novelty of the present research compared to previous related research is that we have explicitly discussed the problems associated with ideal transparency and that we have rearrange previous 4C solutions [<xref rid="B22-sensors-16-00593" ref-type="bibr">22</xref>
,<xref rid="B25-sensors-16-00593" ref-type="bibr">25</xref>
] so that the resulting controllers are proper, that is, they do not contain single or double differentiators and so avoid problems of noise. We have also validated this research through new simulations and real-life experiments using an Internet teleoperation setup that coordinates two Omni haptic devices between remote laboratory setups in Spain (University of Vigo) and the UK (University of Manchester).</p>
<p>The experiments achieved remote device coordination under programmed force profiles. This required resolving a large number of practical issues related to hardware, software and communications. Some important practical problems were related to linearized model identification and to deadzone or static friction in the Omni devices, which had to be pre-compensated. Finally, the architecture was fine-tuned and successfully tested, obtaining complete stability to zero of the whole state and robustness against continuous-time time-varying delay for Internet-based teleoperation. The real and simulated experiments give similar results, thus validating the models. Stable remote teleoperation also performed adequately in terms of position synchronization and force transparency.</p>
<p>This research has several possible extensions to future work. First, time-varying delay uncertainty was treated here by means of encapsulation [<xref rid="B29-sensors-16-00593" ref-type="bibr">29</xref>
], but exploring other novel approaches to uncertain time delays could improve the robustness analysis, for example, Lyapunov-Krasovskii functionals [<xref rid="B32-sensors-16-00593" ref-type="bibr">32</xref>
]. The generic framework based on IQCs [<xref rid="B33-sensors-16-00593" ref-type="bibr">33</xref>
] is also a potentially powerful tool in addressing teleoperation robustness. Second, one of the main difficulties encountered was the problem of deadzones as, although the coarse values of the (asymmetrical) deadzone widths can easily be estimated, the related static friction does not repeat well from one experiment to another. Since deadzone is a static monotone bounded uncertainty, it could potentially be addressed by means of the IQC approach that uses Zames-Falb multipliers to deal with robust stability [<xref rid="B34-sensors-16-00593" ref-type="bibr">34</xref>
].</p>
</sec>
</body>
<back><ack><title>Acknowledgments</title>
<p>The authors are very grateful to University of Manchester academics Joaquin Carrasco for hosting Pablo Falcon and Harun Tugal for support with the remote haptic experiments between Manchester and Vigo. This work has been funded by MINECO (Spain) under research project DPI2013-47100-C2-2-P.</p>
</ack>
<notes><title>Author Contributions</title>
<p>E. Delgado and A. Barreiro conceived and developed the algorithms; P. Falcón and M. Díaz-Cacho performed the experiments and the data analysis; E. Delgado and A. Barreiro wrote the paper.</p>
</notes>
<notes><title>Conflicts of Interest</title>
<p>The authors declare no conflict of interest.</p>
</notes>
<app-group><app id="app1-sensors-16-00593"><title>Appendix A</title>
<p>In the proposed scheme the master and slave are modeled as mechanical systems given by the following equation in Laplace domain Equation (A1):
<disp-formula id="FD39-sensors-16-00593"><label>(A1)</label>
<mml:math id="mm71"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>The output vector of the plant <italic>y<sub>m</sub>
</italic>
= (x<sub>m</sub>
f<sub>m</sub>
)<sup>T</sup>
that sends information to the slave in the 4C scheme is a <italic>n<sub>y</sub>
</italic>
× 1 = 2 × 1 vector because the system exchanges both positions and forces. It can be expressed in Laplace domain as a function of the scalar <italic>X<sub>m</sub>
</italic>
:
<disp-formula id="FD41-sensors-16-00593"><label>(A2)</label>
<mml:math id="mm73"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>The other output of the plant <italic>z<sub>m</sub>
</italic>
, used by the local controller, is a <italic>n<sub>z</sub>
</italic>
= 1 signal which is the position. Hence:
<disp-formula id="FD43-sensors-16-00593"><label>(A3)</label>
<mml:math id="mm75"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>A generic controller in the Laplace domain that uses the previous notation (see <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f001">Figure 1</xref>
) can be described by:
<disp-formula id="FD45-sensors-16-00593"><label>(A4)</label>
<mml:math id="mm77"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
where the values of <italic>C<sub>im</sub>
</italic>
can be obtained by comparing the master controller in 4C as expressed in (5) with Equation (A4).
<disp-formula id="FD46-sensors-16-00593"><label>(A5)</label>
<mml:math id="mm78"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Combining all the previous equations, and omitting, for simplicity sake, dependence on <italic>s,</italic>
we obtain:
<disp-formula id="FD47-sensors-16-00593"><label>(A6)</label>
<mml:math id="mm79"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>On the slave side, the environment force is <italic>f<sub>e</sub>
</italic>
, whereas the controller force is <italic>f<sub>sc</sub>
</italic>
and thus <inline-formula><mml:math id="mm81"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
Hence:
<disp-formula id="FD49-sensors-16-00593"><label>(A7)</label>
<mml:math id="mm82"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>In compact form, with 0<sub>r × c</sub>
as a zero matrix with <italic>r</italic>
rows and <italic>c</italic>
columns <italic>s</italic>
:
<disp-formula id="FD52-sensors-16-00593"><label>(A8)</label>
<mml:math id="mm85"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow></mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>That is:
<disp-formula id="FD53-sensors-16-00593"><label>(A9)</label>
<mml:math id="mm86"><mml:mrow><mml:mo>Π</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>Φ</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Now <italic>Y<sub>d</sub>
</italic>
= (<italic>Y<sub>md</sub>
Y<sub>sd</sub>
</italic>
)<sup>T</sup>
can be obtained as a function of <italic>Y</italic>
= (<italic>Y<sub>m</sub>
Y<sub>s</sub>
</italic>
)<sup>T</sup>
by applying the time-delay expressions in Equations (2)–(4), with <italic>I<sub>ny</sub>
</italic>
as the <italic>n<sub>y</sub>
</italic>
= 2 order identity matrix:
<disp-formula id="FD54-sensors-16-00593"><label>(A10)</label>
<mml:math id="mm87"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mtext>or</mml:mtext>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Considering Equation (A2) and the corresponding slave equation, we obtain:
<disp-formula id="FD56-sensors-16-00593"><label>(A11)</label>
<mml:math id="mm89"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mtext>or</mml:mtext>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Finally, replacing Equations (A10) and (A11) in Equation (A9), we have a complete description of the system:
<disp-formula id="FD57-sensors-16-00593"><label>(A12)</label>
<mml:math id="mm90"><mml:mrow><mml:mo>Π</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo>Φ</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
</app>
<app id="app2-sensors-16-00593"><title>Appendix B</title>
<p>Here we reproduce the classical implementation of the 4C control scheme, but maintaining the sign conventions as in <xref ref-type="fig" rid="sensors-16-00593-f001">Figure 1</xref>
, that is, with the same definition of <inline-formula><mml:math id="mm91"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
In this case, the master and slave systems exchange external forces <italic>f<sub>e</sub>
</italic>
and <italic>f<sub>h</sub>
</italic>
, instead of <italic>f<sub>m</sub>
</italic>
and <italic>f<sub>s</sub>
</italic>
in our proposal. Accordingly, Equation (5) results as follows:
<disp-formula id="FD58-sensors-16-00593"><label>(B1)</label>
<mml:math id="mm93"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
and the addmitance matrix definition for zero delay is now given by:
<disp-formula id="FD60-sensors-16-00593"><label>(B2)</label>
<mml:math id="mm95"><mml:mrow><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>Π</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>Φ</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="FD61-sensors-16-00593"><label>(B3)</label>
<mml:math id="mm96"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⇒</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:msup><mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:msup><mml:mrow></mml:mrow>
<mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
with the following values:
<disp-formula id="FD63-sensors-16-00593"><label>(B4)</label>
<mml:math id="mm98"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:msub><mml:mo>Λ</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="FD67-sensors-16-00593"><label>(B5)</label>
<mml:math id="mm102"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>The transparency conditions are achieved by selecting:
<disp-formula id="FD68-sensors-16-00593"><label>(B6)</label>
<mml:math id="mm103"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo> </mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
<mml:mspace linebreak="newline"></mml:mspace>
<mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub><mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow></mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mo> </mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>Note that for <inline-formula><mml:math id="mm106"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>Δ</mml:mo>
<mml:mo>Λ</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo>→</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
, C<sub>1</sub>
and C<sub>4</sub>
must be not proper.</p>
</app>
</app-group>
<ref-list><title>References</title>
<ref id="B1-sensors-16-00593"><label>1.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lawrence</surname>
<given-names>D.A.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Stability and transparency in bilateral teleoperation</article-title>
<source>IEEE Trans. Robot. Autom.</source>
<year>1993</year>
<volume>9</volume>
<fpage>624</fpage>
<lpage>637</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/70.258054</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B2-sensors-16-00593"><label>2.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Arcara</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name><surname>Melchiorri</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Control schemes for teleoperation with time delay: A comparative study</article-title>
<source>Robot. Autono. Syst.</source>
<year>2002</year>
<volume>38</volume>
<fpage>49</fpage>
<lpage>64</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0921-8890(01)00164-6</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B3-sensors-16-00593"><label>3.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Anderson</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name><surname>Spong</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Bilateral control of teleoperators with time delay</article-title>
<source>IEEE Trans. Autom. Control</source>
<year>1989</year>
<volume>34</volume>
<fpage>494</fpage>
<lpage>501</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/9.24201</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B4-sensors-16-00593"><label>4.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hashtrudi-Zaad</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name><surname>Salcudean</surname>
<given-names>S.E.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Analysis of control architectures for teleoperation systems with impedance/admittance master and slave manipulators</article-title>
<source>Int. J. Robot. Res.</source>
<year>2001</year>
<volume>20</volume>
<fpage>419</fpage>
<lpage>445</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1177/02783640122067471</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B5-sensors-16-00593"><label>5.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Niemeyer</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name><surname>Slotline</surname>
<given-names>J.J.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Stable adaptive teleoperation</article-title>
<source>IEEE J. Ocean. Eng.</source>
<year>1991</year>
<volume>16</volume>
<fpage>152</fpage>
<lpage>162</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/48.64895</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B6-sensors-16-00593"><label>6.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Delgado</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name><surname>Díaz-Cacho</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name><surname>Barreiro</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Stability of teleoperation systems for time-varying delays by Neutral LMI Techniques</article-title>
<source>Math. Probl. Eng.</source>
<year>2012</year>
<volume>2012</volume>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2012/467629</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B7-sensors-16-00593"><label>7.</label>
<element-citation publication-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Delgado</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name><surname>Díaz-Cacho</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name><surname>Bustelo</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name><surname>Barreiro</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Stability of teleoperation systems under time-varying delays by using Lyapunov-Krasovskii techniques</article-title>
<source>Proceedings of the 18th International Federation of Automatic Control World Congress</source>
<conf-loc>Milano, Italy</conf-loc>
<conf-date>28 August–2 September 2011</conf-date>
<volume>Volume 18</volume>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B8-sensors-16-00593"><label>8.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Díaz-Cacho</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name><surname>Delgado</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name><surname>Prieto</surname>
<given-names>J.A.G.</given-names>
</name>
<name><surname>López</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Network Adaptive Deadband: NCS Data Flow Control for Shared Networks</article-title>
<source>Sensors</source>
<year>2012</year>
<volume>12</volume>
<fpage>16591</fpage>
<lpage>16613</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/s121216591</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">23208556</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B9-sensors-16-00593"><label>9.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Natori</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name><surname>Tsuji</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name><surname>Ohnishi</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name><surname>Hace</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name><surname>Jezernik</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Time-delay compensation by communication disturbance observer for bilateral teleoperation under time-varying delay</article-title>
<source>IEEE Trans. Ind. Electron.</source>
<year>2010</year>
<volume>57</volume>
<fpage>1050</fpage>
<lpage>1062</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.2009.2028337</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B10-sensors-16-00593"><label>10.</label>
<element-citation publication-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Delgado</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name><surname>Barreiro</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Stability of teleoperation systems for time-varying delays by LMI techniques</article-title>
<source>Proceedings of the European Control Conference</source>
<conf-loc>Kos, Greece</conf-loc>
<conf-date>2–5 July 2007</conf-date>
<fpage>4214</fpage>
<lpage>4221</lpage>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B11-sensors-16-00593"><label>11.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Delgado</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name><surname>Diaz-Cacho</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name><surname>Bustelo</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name><surname>Barreiro</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Generic approach to stability under time-varying delay in teleoperation: Application to the position-error control of a gantry crane</article-title>
<source>IEEE/ASME Trans. Mechatron.</source>
<year>2013</year>
<volume>18</volume>
<fpage>1581</fpage>
<lpage>1591</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.2012.2208758</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B12-sensors-16-00593"><label>12.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hokayem</surname>
<given-names>P.F.</given-names>
</name>
<name><surname>Spong</surname>
<given-names>M.W.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Bilateral teleoperation: An historical survey</article-title>
<source>Automatica</source>
<year>2006</year>
<volume>42</volume>
<fpage>2035</fpage>
<lpage>2057</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.automatica.2006.06.027</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B13-sensors-16-00593"><label>13.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chopra</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name><surname>Spong</surname>
<given-names>M.W.</given-names>
</name>
<name><surname>Lozano</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Synchronization of bilateral teleoperators with time delay</article-title>
<source>Automatica</source>
<year>2008</year>
<volume>44</volume>
<fpage>2142</fpage>
<lpage>2148</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.automatica.2007.12.002</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B14-sensors-16-00593"><label>14.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fernández</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name><surname>Barreiro</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name><surname>Carrasco</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name><surname>Baños</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Reset control for passive bilateral teleoperation</article-title>
<source>IEEE Trans. Ind. Electron.</source>
<year>2011</year>
<volume>58</volume>
<fpage>3037</fpage>
<lpage>3045</lpage>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B15-sensors-16-00593"><label>15.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Nuño</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name><surname>Basañez</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name><surname>Ortega</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Passivity-based control for bilateral teleoperation: A tutorial</article-title>
<source>Automatica</source>
<year>2011</year>
<volume>47</volume>
<fpage>485</fpage>
<lpage>495</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.automatica.2011.01.004</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B16-sensors-16-00593"><label>16.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Aziminejad</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name><surname>Tavakoli</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name><surname>Patel</surname>
<given-names>R.V.</given-names>
</name>
<name><surname>Moallem</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Transparent time-delayed bilateral teleoperation using wave variables</article-title>
<source>IEEE Trans. Control Syst. Technol.</source>
<year>2008</year>
<volume>16</volume>
<fpage>548</fpage>
<lpage>555</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCST.2007.908222</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B17-sensors-16-00593"><label>17.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Suzuki</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name><surname>Ohnishi</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Frequency-domain damping design for time-delayed bilateral teleoperation system based on modal space analysis</article-title>
<source>IEEE Trans. Ind. Electron.</source>
<year>2013</year>
<volume>60</volume>
<fpage>177</fpage>
<lpage>190</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.2012.2183832</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B18-sensors-16-00593"><label>18.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Suzuki</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name><surname>Ohnishi</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Novel four-channel bilateral control design for haptic communication under time delay based on modal space analysis</article-title>
<source>IEEE Trans. Control Syst. Technol.</source>
<year>2013</year>
<volume>21</volume>
<fpage>882</fpage>
<lpage>890</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCST.2012.2189398</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B19-sensors-16-00593"><label>19.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhang</surname>
<given-names>X.-M.</given-names>
</name>
<name><surname>Han</surname>
<given-names>Q.-L.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Robust H∞ filtering for a class of uncertain linear systems with time-varying delay</article-title>
<source>Automatica</source>
<year>2008</year>
<volume>44</volume>
<fpage>157</fpage>
<lpage>166</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.automatica.2007.04.024</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B20-sensors-16-00593"><label>20.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhang</surname>
<given-names>X.-M.</given-names>
</name>
<name><surname>Han</surname>
<given-names>Q.-L.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>New Lyapunov-Krasovskii functionals for global asymptotic stability of delayed neural networks</article-title>
<source>IEEE Trans. Neural Netw.</source>
<year>2009</year>
<volume>20</volume>
<fpage>533</fpage>
<lpage>539</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TNN.2009.2014160</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">19224733</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B21-sensors-16-00593"><label>21.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dashkovskiy</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name><surname>Kosmykov</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name><surname>Wirth</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>A small-gain condition for interconnections of ISS systems with mixed ISS characterizations</article-title>
<source>IEEE Trans. Autom. Control</source>
<year>2011</year>
<volume>56</volume>
<fpage>1247</fpage>
<lpage>1258</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TAC.2010.2080110</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B22-sensors-16-00593"><label>22.</label>
<element-citation publication-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Delgado</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name><surname>Diaz-Cacho</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name><surname>Falcon</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name><surname>Barreiro</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Robust stability in -4C based teleoperation</article-title>
<source>Proceedings of the 2013—9th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON</source>
<conf-loc>Vienna, Austria</conf-loc>
<conf-date>10–13 November 2013</conf-date>
<fpage>4258</fpage>
<lpage>4263</lpage>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B23-sensors-16-00593"><label>23.</label>
<element-citation publication-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Shigeru</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name><surname>Natori</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name><surname>Ohnishi</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Three-channel micro-macro bilateral control system with scaling of control gains</article-title>
<source>Proceedings of the 34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, IECON 2008</source>
<conf-loc>Orlando, FL, USA</conf-loc>
<conf-date>10–13 November 2008</conf-date>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B24-sensors-16-00593"><label>24.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jonghyun</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name><surname>Chang</surname>
<given-names>P.H.</given-names>
</name>
<name><surname>Park</surname>
<given-names>H.-S.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Two-channel transparency-optimized control architectures in bilateral teleoperation with time delay</article-title>
<source>IEEE Trans. Control Syst. Technol.</source>
<year>2013</year>
<volume>21</volume>
<fpage>40</fpage>
<lpage>51</lpage>
<pub-id pub-id-type="pmid">23833548</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B25-sensors-16-00593"><label>25.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Delgado</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<name><surname>Falcon</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name><surname>Diaz-Cacho</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name><surname>Barreiro</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Four-Channel Teleoperation with Time-Varying Delays and Disturbance Observers</article-title>
<source>Math. Probl. Eng.</source>
<year>2015</year>
<volume>2015</volume>
<fpage>574874</fpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2015/574874</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B26-sensors-16-00593"><label>26.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rebelo</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name><surname>Schiele</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Time domain passivity controller for 4-channel time-delay bilateral teleoperation</article-title>
<source>IEEE Trans. Haptics</source>
<year>2015</year>
<volume>8</volume>
<fpage>79</fpage>
<lpage>89</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TOH.2014.2363466</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">25343769</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B27-sensors-16-00593"><label>27.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Meng</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name><surname>Lam</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name><surname>Du</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name><surname>Gao</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>A delay-partitioning approach to the stability analysis of discrete-time systems</article-title>
<source>Automatica</source>
<year>2010</year>
<volume>46</volume>
<fpage>610</fpage>
<lpage>614</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.automatica.2009.12.004</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B28-sensors-16-00593"><label>28.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Da</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name><surname>Naghdy</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name><surname>Du</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Transparent four-channel bilateral control architecture using modified wave variable controllers under time delays</article-title>
<source>Robotic</source>
<year>2014</year>
<fpage>1</fpage>
<lpage>17</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1017/S026357471400191X</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B29-sensors-16-00593"><label>29.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kao</surname>
<given-names>C.Y.</given-names>
</name>
<name><surname>Rantzer</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Stability analysis of systems with uncertain time-varying delays</article-title>
<source>Automatica</source>
<year>2007</year>
<volume>43</volume>
<fpage>959</fpage>
<lpage>970</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.automatica.2006.12.006</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B30-sensors-16-00593"><label>30.</label>
<element-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Skogestad</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name><surname>Postlethwaite</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
</person-group>
<source>Multivariable Feedback Control: Analysis and Design</source>
<publisher-name>John Wiley & Sons</publisher-name>
<publisher-loc>Hoboken, NJ, USA</publisher-loc>
<year>1996</year>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B31-sensors-16-00593"><label>31.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Huang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name><surname>Shi</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name><surname>Wu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Transparent virtual coupler design for networked haptic systems with a mixed virtual wall</article-title>
<source>IEEE/ASME Trans. Mechatron.</source>
<year>2012</year>
<volume>17</volume>
<fpage>480</fpage>
<lpage>487</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.2012.2188640</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B32-sensors-16-00593"><label>32.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Islam</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name><surname>Liu</surname>
<given-names>P.X.</given-names>
</name>
<name><surname>El Saddik</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name><surname>Yang</surname>
<given-names>Y.B.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Bilateral control of teleoperation systems with time delay</article-title>
<source>IEEE/ASME Trans. Mechatron.</source>
<year>2015</year>
<volume>20</volume>
<fpage>1</fpage>
<lpage>12</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.2013.2297354</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B33-sensors-16-00593"><label>33.</label>
<element-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Polat</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name><surname>Scherer</surname>
<given-names>C.W.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Stability analysis for bilateral teleoperation: An IQC formulation</article-title>
<source>IEEE Trans. Robot.</source>
<year>2012</year>
<volume>28</volume>
<fpage>1294</fpage>
<lpage>1308</lpage>
<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TRO.2012.2209230</pub-id>
</element-citation>
</ref>
<ref id="B34-sensors-16-00593"><label>34.</label>
<element-citation publication-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tugal</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name><surname>Carrasco</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name><surname>Maya-Gonzalez</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group>
<article-title>Teleoperation with memoryless, monotone and bounded environments: A Zames-Falb multiplier approach</article-title>
<source>Proceedings of the European Control Conference (ECC15)</source>
<conf-loc>Linz, Austria</conf-loc>
<conf-date>15–17 July 2015</conf-date>
</element-citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
<floats-group><fig id="sensors-16-00593-f001" position="float"><label>Figure 1</label>
<caption><p>Generic teleoperation system.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g001"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f002" position="float"><label>Figure 2</label>
<caption><p>Local controllers in the 4C control scheme.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g002"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f003" position="float"><label>Figure 3</label>
<caption><p>Teleoperation loop.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g003"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f004" position="float"><label>Figure 4</label>
<caption><p>(<bold>a</bold>
) LTI system with time-varying delay in the feedback loop; (<bold>b</bold>
) Loop transformation.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g004"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f005" position="float"><label>Figure 5</label>
<caption><p>Simulated sine reference force: PE control scheme with hmax = 0, d = 0. (<bold>a</bold>
) Positions; (<bold>b</bold>
) Forces.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g005"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f006" position="float"><label>Figure 6</label>
<caption><p>Simulated sine reference force: 3C-i control scheme with <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
= 0, <italic>d</italic>
= 0. (<bold>a</bold>
) Positions; (<bold>b</bold>
) Forces.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g006"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f007" position="float"><label>Figure 7</label>
<caption><p>Simulated sine reference force: 3C-ii control scheme with <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
= 0, <italic>d</italic>
= 0. (<bold>a</bold>
) Positions; (<bold>b</bold>
) Forces.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g007"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f008" position="float"><label>Figure 8</label>
<caption><p>Simulated sine reference force: γ-4C control scheme with <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
= 0, <italic>d</italic>
= 0. (<bold>a</bold>
) Positions; (<bold>b</bold>
) Forces.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g008"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f009" position="float"><label>Figure 9</label>
<caption><p>Simulated f<sub>h</sub>
= f<sub>e</sub>
= 0 with <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
= 0, <italic>d</italic>
= 0. Positions. (<bold>a</bold>
) PE; (<bold>b</bold>
) γ-4C.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g009"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f010" position="float"><label>Figure 10</label>
<caption><p>Simulated ramp-step reference force: PE control scheme with <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
= 0, <italic>d</italic>
= 0. (<bold>a</bold>
) Positions; (<bold>b</bold>
) Forces.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g010"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f011" position="float"><label>Figure 11</label>
<caption><p>Simulated ramp-step reference force: γ-4C control scheme with <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
= 0, <italic>d</italic>
= 0. (<bold>a</bold>
) Positions; (<bold>b</bold>
) Forces.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g011"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f012" position="float"><label>Figure 12</label>
<caption><p>Simulated sine reference force: γ-4C control scheme, Ps ≠ P, with <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
= 0, <italic>d</italic>
= 0. (<bold>a</bold>
) Positions; (<bold>b</bold>
) Forces.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g012"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f013" position="float"><label>Figure 13</label>
<caption><p>Upper bound on <italic>μ</italic>
for <italic>d</italic>
, <italic>h</italic>
, |<italic>η</italic>
(t)| ≤ 0.01.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g013"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f014" position="float"><label>Figure 14</label>
<caption><p>γ<sub>min</sub>
(<italic>z</italic>
axis) needed to ensure stability given the delay bounds.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g014"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f015" position="float"><label>Figure 15</label>
<caption><p>Local teleoperation using linear models of master and slave with <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
= 0.5 s and <italic>d</italic>
= 0.45. (<bold>a</bold>
) Positions; (<bold>b</bold>
) Forces.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g015"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f016" position="float"><label>Figure 16</label>
<caption><p>Local teleoperation using haptic devices with <italic>h<sub>max</sub>
</italic>
= 0.5 s and <italic>d</italic>
= 0.45. (<bold>a</bold>
) Positions; (<bold>b</bold>
) Forces.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g016"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f017" position="float"><label>Figure 17</label>
<caption><p>Remote teleoperation between Vigo and Manchester using linear models of master and slave. (<bold>a</bold>
) Positions; (<bold>b</bold>
) Forces.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g017"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f018" position="float"><label>Figure 18</label>
<caption><p>Real remote teleoperation between Vigo and Manchester using haptic devices. (<bold>a</bold>
) Positions; (<bold>b</bold>
) Forces.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g018"></graphic>
</fig>
<fig id="sensors-16-00593-f019" position="float"><label>Figure 19</label>
<caption><p>Experimental delay bounds between Vigo and Manchester. (<bold>Top</bold>
) Magnitude; (<bold>Bottom</bold>
) Variation.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="sensors-16-00593-g019"></graphic>
</fig>
<table-wrap id="sensors-16-00593-t001" position="float"><object-id pub-id-type="pii">sensors-16-00593-t001_Table 1</object-id>
<label>Table 1</label>
<caption><p>Control Schemes (P<sub>m</sub>
= P<sub>s</sub>
= P = 0.001s<sup>2</sup>
+ 0.02s, C<sub>m</sub>
= C<sub>s</sub>
= K = 0.1, C<sub>5</sub>
= C<sub>6</sub>
= K’ = 0).</p>
</caption>
<table frame="hsides" rules="groups"><thead><tr><th align="center" valign="middle" style="border-top:solid thin;border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1"></th>
<th align="center" valign="middle" style="border-top:solid thin;border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1">C<sub>1</sub>
</th>
<th align="center" valign="middle" style="border-top:solid thin;border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1">C<sub>2</sub>
</th>
<th align="center" valign="middle" style="border-top:solid thin;border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1">C<sub>3</sub>
</th>
<th align="center" valign="middle" style="border-top:solid thin;border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1">C<sub>4</sub>
</th>
<th align="center" valign="middle" style="border-top:solid thin;border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm54"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo mathvariant="bold">Δ</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="bold">Λ</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
<th align="center" valign="middle" style="border-top:solid thin;border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm55"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo mathvariant="bold">Δ</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="bold">Λ</mml:mo>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="bold">Λ</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</th>
</tr>
</thead>
<tbody><tr><td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">PE</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">K</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">0</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">0</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">−K</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm56"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<break></break>
s<sub>i</sub>
= 0, −20, −10 ± 10i</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm57"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr><td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">FP</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">0</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">0</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">1</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">−K</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm58"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup><mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<break></break>
s<sub>i</sub>
= −18.7 ± 5i, −1.3 ± 5i</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm59"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr><td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">PF</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">K</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">−1</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">0</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">0</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm60"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup><mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<break></break>
s<sub>i</sub>
= −18.7 ± 5i, −1.3 ± 5i</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm61"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr><td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">3C-i</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">K</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">−1</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">0</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">−K</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm62"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<break></break>
s<sub>i</sub>
= 0, −20, −10, −10</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm63"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr><td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">3C-ii</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">K</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">0</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">1</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1">−K</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm64"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<break></break>
s<sub>i</sub>
= 0, −20, −10, −10</td>
<td align="center" valign="middle" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm65"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr><td align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1">4C (γ = 1.07)</td>
<td align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1">K</td>
<td align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1">−1/γ</td>
<td align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1">1</td>
<td align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1">−K/γ</td>
<td align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm66"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>⋅</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>γ</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<break></break>
s<sub>i</sub>
= −10, −10, −10, −10</td>
<td align="center" valign="middle" style="border-bottom:solid thin" rowspan="1" colspan="1"><inline-formula><mml:math id="mm67"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>γ</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo> </mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</floats-group>
</pmc>
</record>
Pour manipuler ce document sous Unix (Dilib)
EXPLOR_STEP=$WICRI_ROOT/Ticri/CIDE/explor/HapticV1/Data/Pmc/Curation
HfdSelect -h $EXPLOR_STEP/biblio.hfd -nk 000578 | SxmlIndent | more
Ou
HfdSelect -h $EXPLOR_AREA/Data/Pmc/Curation/biblio.hfd -nk 000578 | SxmlIndent | more
Pour mettre un lien sur cette page dans le réseau Wicri
{{Explor lien |wiki= Ticri/CIDE |area= HapticV1 |flux= Pmc |étape= Curation |type= RBID |clé= PMC:4883284 |texte= Robust Stability of Scaled-Four-Channel Teleoperation with Internet Time-Varying Delays }}
Pour générer des pages wiki
HfdIndexSelect -h $EXPLOR_AREA/Data/Pmc/Curation/RBID.i -Sk "pubmed:27128914" \ | HfdSelect -Kh $EXPLOR_AREA/Data/Pmc/Curation/biblio.hfd \ | NlmPubMed2Wicri -a HapticV1
![]() | This area was generated with Dilib version V0.6.23. | ![]() |