Tính toán động lực học và thiết kế điều khiển hệ tele robot SMSS trên kênh truyền thông có trễ

Để cải thiện sự đồng nhất giữa vị trí, lực của hệ Teleoperation SMSS với độ trễ biến thiên trên kênh truyền thông thì luật điều khiển của hệ thống SMSS một master một slave được đề xuất

Trang 1

HVTH: Lâm Thế Kiên Trang 1

LỜI CAM ĐOAN

Học viên : Lâm Thế Kiên , Sau 2 năm học tập và nghiên cứu tại trường Đại

Học Bách khoa Hà Nội đến nay đã hoàn thành chương trình đào tạo cũng như

luận văn tốt nghiệp dưới sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn TS Đỗ Đức

Nam và sự giúp đỡ của các thầy giáo trong bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot

Với đề tài “Tính toán động lực học và thiết kế điều khiển cho hệ thống

Tele-Robot trên kênh truyền thông có trễ”, tôi xin cam kết luận văn tốt nghiệp là công

trình nghiên cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn của TS Đỗ Đức Nam

Các kết quả nêu trong Luận văn tốt nghiệp là trung thực, không phải sao chép

toàn văn của bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2013

Tác giả luận văn tốt nghiệp

Lâm Thế Kiên

Trang 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ Teleoperation song phương ……… 11

Hình 1.2.1a Các vệ tinh trong không gian ngoài trái đất ……… 12

Hình 1.2.1b Nasa Pathfinder ……… 13

Hình 1.2.2 Các robot làm việc trong môi trường nguy hiểm ……… 14

Hình 1.2.3 Các robot làm việc dưới môi trường nước ……… 15

Hình 1.2.3 Ứng dụng trong y học phẫu thuật ……… 17

Hình 3.1 Khảo sát tốc độ của vi khối lượng dm ……… 32

Hình 3.2 Mômen quán trính độc cực ……… 34

Hình 3.3 Hệ thống điều khiển từ xa một robot master một robot slave (SMSS) 38 Hình 3.5 Robot 2 bậc tự do dạng tay nối tiếp ……… 40

Hình 3.7 Mô hình môi trường ……… 44

Hình 3.8 Mô hình thời gian trễ ……… 46

Hình 4.1 Động lực học robot master/slave với phản hồi thụ động ……… 50

Hình 4.2 Sơ đồ khối điều khiển 2 kênh hệ SMSS ……… 51

Hình 4.4.3.1: Lực khi tương tác ……… 57

Hình 4.4.4.1.a Vị trí trong không gian tự do không có độ trễ ……… 59

Hình 4.4.4.1.b Lực trong không gian tự do không có độ trễ ……… 59

Hình 4.4.4.2.a Vị trí trong không gian va chạm không có độ trễ ……… 60

Hình 4.4.4.2.b lực trong không gian va chạm không có độ trễ ……… 60

Hình 4.4.4.3.a Vị trí trong không gian tự do có độ trễ ……… 61

Hình 4.4.4.3.b Lực trong không gian tự do có độ trễ ……… 61

Hình 4.4.4.4.a Vị trí trong không gian va chạm có độ trễ ……… 62

Hình 4.4.4.4.b Lực trong không gian va chạm có độ trễ ……… 62

Hình 4.4.4.5.a Vị trí trong không gian tự do có độ trễ ……… 63

Hình 4.4.4.5.b Lực trong không gian tự do có độ trễ ……… 63

Trang 3

DANH MỤC CÁC BẢNG

Hình 4.4.4.6.a Vị trí trong không gian va chạm có độ trễ ……… 64

Hình 4.4.4.6.b Lực trong không gian va chạm có độ trễ ……… 64

Bảng 4.1 Các tham số trong hệ thống SMSS……… 56

Bảng 4.2 Các thông số mô phỏng ……… 58

Trang 4

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 8

GIỚI THIỆU 8

1.1 Hệ thống Teleoperation 8

1.2 Ứng dụng của hệ Teleoperation 11

1.2.1 Những ứng dụng không gian 12

1.2.2 Làm việc trong những môi trường nguy hiểm 14

1.2.3 Phương tiện dưới nước 15

1.2.4 Phẫu thuật từ xa 16

1.2.5 Robot di động 18

1.2.6 Những ứng dụng khác của hệ thống Teleoperation 18

1.3 Mục tiêu chính và đóng góp của luận văn 19

CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 21

CHƯƠNG 2 22

CƠ SỞ TOÁN HỌC 22

2.1 Định nghĩa cơ bản của lý thuyết ổn định Lyapunov 22

2.2 Tính ổn định Lyaponov 25

CHƯƠNG 3 31

ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 31

3.1 Phương trình động lực học robot 31

3.1.1 Vân tốc của một điểm trên robot 31

3.1.2 Tính động năng của vi khối lượng dm 33

3.1.3 Tính thế năng của robot 35

3.1.4 Hàm Lagrange 35

3.1.5 Phương trình động lực học robot 36

3.2 Động lực học robot hệ SMSS 37

3.2.2 Phương trình động lực học Robot Master và Slaver 39

Trang 5

3.4 Động lực học môi trường 43

3.5 Độ trễ trên kênh truyền thông 46

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ SMSS 48

4.1 Mục tiêu điều khiển 48

4.2 Thiết kế điều khiển 49

4.2.1 Phản hồi thụ động 49

4.2.2 Luật điều khiển đồng bộ với cấu hình giống nhau của robot master và slave 51

4.3 Phân tích tính ổn định 52

4.4 Mô phỏng hệ thống điều khiển SMSS 56

4.4.1 Tham số của các robot trong hệ thống SMSS 56

4.4.2 Cấu hình của người tác động và môi trường 56

4.4.3 Các thông số mô phỏng 58

4.4.4 Kết quả mô phỏng 59

4.5 Kết luận 65

CHƯƠNG 5 66

KẾT LUẬN 66

5.1 Kết luận 66

5.2 Hướng phát triển 66

PHỤ LỤC A 67

CÁC KHỐI CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 67

A.1 Hệ thống SMSS : 67

PHỤ LỤC B 70

CHƯƠNG TRÌNH MATLAB CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 70

2 File Parameter 73

3 File in đồ thị 74

Trang 6

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Trong điều khiển từ xa với hệ thống Teleoperation, việc thực thi chính xác các tác vụ cả về vị trí và lực phản hồi là rất cần thiết Thực tế, tại thời điểm robot slave bắt đầu tương tác với môi trường thì xuất hiện lực phản hồi và chúng tăng dần Vì vậy, tín hiệu phản hồi thông tin về lực là rất cần thiết và có lợi ích to lớn Thuật toán phản hồi lực (Force Reflection - FR) không chỉ thực thi tốt các tác vụ trong quá trình di chuyển tự do mà còn để truyền tải chính xác thông tin về lực giữa robot slave và môi trường

Luận văn này xem xét về điều khiển vị trí và điều khiển phản hồi lực của hệ thống Teleoperation với hệ thống master và hệ thống slave Để cải thiện sự đồng nhất giữa vị trí, lực của hệ Teleoperation SMSS với độ trễ biến thiên trên kênh truyền thông thì luật điều khiển của hệ thống SMSS (một master một slave) được

đề xuất dựa trên phương pháp phản hồi thụ động với các hệ số thời gian trễ biến thiên phụ thuộc vào việc đánh giá sự thay đổi biến thời gian trễ Trong phương pháp được đề xuất, điều kiện ổn định phụ thuộc vào độ lớn của độ trễ trên kênh truyền thông của hệ thống Tính ổn định toàn cục với độ trễ được chỉ ra thông qua phương pháp ổn định Lyapunov Và cuối cùng, một số kết quả mô phỏng đã cho thấy hiệu quả của các thuật toán đã đưa ra

Trang 7

LỜI NÓI ĐẦU

Có thể nhận thấy một điều là nền sản xuất của chúng ta hiện tại còn mang tính thủ công và đi sau so với nền phát triển trên thế giới Những thiết bị được sử dụng thường cho năng suất thấp, độ chính xác kém và dễ gây tai nạn cho người lao động Để cải thiện tình hình trên ngoài việc cải tiến các trang thiết bị, thì một vấn đề cần được xem xét là thay đổi phương thức sản xuất từ thủ công sang tự động hóa

Một trong những vấn đề then chốt của tự động hóa sản xuất chính là phương pháp điều khiển Với những vấn đề trên, là một học viên chuyên ngành cơ điện tử trường đại học Bách Khoa Hà Nội, với mong muốn bổ sung kiến thức và nâng cao kiến thức về điều khiển cho quá trình làm việc sau này tôi đã lựa chọn cho mình luận văn tốt nghiệp với đề tài “Tính toán động lực học và thiết kế điều khiển cho hệ thống Teleoperation SMSS trên kênh truyền thông có trễ” Đây là một đề tài mới và đang được sự quan tâm rất lớn từ phía các nhà khoa học trên khắp thế giới, tiêu biểu như ở Nhật và Châu Âu…

Trong quá trình thực hiện đề tài này, tôi đã đưa ra được một số kết quả khả quan Để được kết quả đó, tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Thầy giáo hướng dẫn TS Đỗ Đức Nam và các thầy cô trong Viện Cơ khí đặc biệt

là các thầy cô giáo trong bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành đề tài một cách tốt nhất Tuy nhiên, tôi cũng đã gặp nhiều khó khăn do vấn đề thời gian và kinh nghiệm của tôi nên sự phát triển đề tài này chưa

có nhiều đột phá và còn những thiếu xót Kính mong quý thầy cô đóng góp những ý kiến để đề tài này được hoàn thành tốt hơn

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ khí, Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và robot

Lâm Thế Kiên

Trang 8

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU 1.1 Hệ thống Teleoperation

Teleoperation là một hệ thống thiết bị có sự tương tác ở khoảng cách khác nhau tương tự như một hệ thống “điều khiển từ xa” thường gặp trong học thuật và môi trường kỹ thuật Các thiết bị trong hệ thống Teleoperation thường liên quan đến lĩnh vực robot (cố định hoặc di động) và có rất nhiều ứng dụng trong khoa học kỹ thuật và trong cuộc sống hàng ngày Các thiết bị này thường được điều khiển từ xa bởi con người thông qua một trong các thiết bị thuộc hệ thống

Hệ thống Teleoperation là một hệ thống cho phép con người sử dụng sự hiểu biết, khả năng tư duy và hoạt động chân tay của họ thông qua sự cộng tác điều khiển của các thiết bị như robot Khi điều hành làm việc ở các môi trường nguy hiểm độc hại Trong trường hợp này, một người sử dụng hoạt động của mình để điều khiển robot master và các thao tác của robot slave được thực hiện theo sự điều khiển của robot master và robot này mới là robot trực tiếp có những tương tác với môi trường làm việc Trong vài thập niên gần đây, hệ thống Teleoperation

đã được phát triển với nhiều ứng dụng khác nhau như là được sử dụng ở ngoài vũ trụ, dưới đáy biển, trong các thiết bị hạt nhân, trong hoạt động phẫu thuật, trong điều khiển lái xe từ xa, trong cứu hộ… và các loại ứng dụng của hệ thống Teleoperation và các nghiên cứu về hệ thống này vẫn đang được các nhà khoa học theo đuổi

Trong Teleoperation song phương, robot master và robot slave được sử dụng như một cặp thiết bị nằm ở hai phía và được liên kết với nhau qua kênh truyền thông, nơi mà các thông tin về vị trí, vận tốc, gia tốc hoặc lực được truyền Trong quá trình truyền dữ liệu giữa robot master và robot slave có hiện tượng trễ trong

Trang 9

kênh truyền thông Trễ trong hệ thống vòng kín có thể làm mất tính ổn định và làm sai việc thực hiện các hoạt động thao tác và làm giảm tính đồng nhất của hệ thống Teleoperation

Trong khi việc hiệu chỉnh chính xác các thông số là bản chất của các luật điều khiển thông qua các tác vụ, nhưng nó vẫn chưa đủ tốt để đạt được hiệu quả mong muốn vì vị trí không phải là mối quan hệ duy nhất được đưa ra giữa các robot Trong thực tế, ở cùng một thời điểm khi robot bắt đầu tương tác với môi trường, phản lực xuất hiện và tăng dần lên Nếu chúng ta không chú ý, lực đó có thể không điều khiển được và trở thành nguy hiểm trong một vài tác vụ Chính vì thế thông tin phản hồi của lực là rất quan trọng và cực kỳ hữu ích và nó được gọi là phản hồi lực ( FR - Force Reflection ) trong hệ thống robot master - robot slave

Sơ đồ FR không phải là thông số duy nhất để đạt được các hiệu chỉnh tốt nhất trong các chuyển động không rằng buộc mà nó còn biểu diễn thông tin chính xác của lực giữa robot slave và môi trường Do đó người điều khiển có thể cảm thấy những lực như trong thực tế ở môi trường với các tương tác trên các robot master Cho đến nay, một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề chuyển động và điều khiển lực, đặc biệt cho vị trí khâu tác động cuối của robot slave khi va chạm với môi trường Mặt khác, môi trường có thể được giả thiết như một hệ động lực đơn giản được trải nhỏ ra nhưng khi có lực tác động thì phản ứng của môi trường là biến dạng hữu hạn Khi sự va chạm xảy ra, lực phát sinh sẽ được xác định bởi phương trình cân bằng động lực học của hệ thống robot slave và môi trường Để

có được một qui định mô tả động lực học cho các robot trong khi khâu cuối đang tác động với môi trường và lực va chạm là nhỏ thì điều khiển trở kháng được sử dụng Điều khiển này là để duy trì mối quan hệ động lực học được dẫn suất giữa khâu cuối và môi trường, và một hệ “khối lượng – lò xo – giảm chấn” ( mass-spring-dampe ) bậc hai được sử dụng để xác định mục tiêu động lực học Nó đưa

Trang 10

ra sự gần hợp nhất cho sự điều khiển robot trong môi trường tự do và điều khiển chuyển động có rằng buộc

Một nghiên cứu về điều khiển trở kháng được công bố bởi Hogan (1985) [1] Trong nghiên cứu này, cần bổ sung những kiến thức hoàn chỉnh về mô hình động lực học của robot, thông qua phương pháp tính toán momen xoắn và trở kháng mong muốn, dù vậy hệ thống Teleoperation đã không được đề cập đến Cho và Park (2005) [2] cũng sử dụng dựa trên điều khiển trở kháng về sự tính toán gần đúng momen xoắn và áp dụng phương pháp này cho hệ thống Teleoperation Đối tượng điều khiển của luật điều khiển này là tạo ra được sự bắt chước một dụng cụ

cơ khí thụ động với một khả năng phản hồi lực Tuy nhiên sai số vị trí của phương pháp là lớn ngay cả khi thời gian trễ không được đề cập Năm 2004 Aliagam và đồng nghiệp [3] đề xuất một phương pháp điều khiển dựa trên điều khiển trở kháng có sự so sánh với một số bộ điều khiển cho hệ thống hai bậc tự

do robot master - robot slave

Sự tương ứng về vị trí trong chuyển động không ràng buộc và sự tương ứng

về lực khi kết nối với tác vụ đã có liên quan với nhau Một trong những điều khiển bám khác của robot dựa trên sự thích ứng đã được đưa ra bởi Sato, Nakashima và Tsuruta (2008) [4] với đầu vào không chắc chắn, tuy nhiên nghiên cứu này đã không được áp dụng cho hệ thống Teleoperation

Một phương pháp phản hồi lực mới của Teleoperation với sự thích ứng điều khiển trở kháng được sử dụng bởi Love và Book (2004) [5] để giảm năng lượng thao tác mà không mất tính ổn định Mặc dù thời gian trễ trên đường truyền thông

đã không được đề cập

Ngoài ra, để cải thiển tính đồng nhất của Teleoperation song phương với trễ truyền thông, một phương pháp điều khiển có phản hồi lực đã được giải quyết bởi

Trang 11

Polushin và đồng nghiệp (2007) [6], Đề xuất này có liên quan đến công việc trước đó của Polushin và đồng nghiệp năm 2005 [7], một phương pháp điều khiển

ổn định cho Teleoperation có phản hồi lực được giới thiệu Trong thuật giải mới này, phương pháp được sử dụng căn cứ theo điều khiển PD, tác giả tiếp tục tập trung về vấn đề ổn định của hệ thống Teleoperation phản hồi lực có trễ trên kênh giao tiếp mà không bị giới hạn theo thời gian

Hình 1.1 Hệ Teleoperation song phương 1.2 Ứng dụng của hệ Teleoperation

Teleoperation song phương đã được ứng dụng trong 50 năm qua trong nhiều lĩnh vực khác nhau, điều hành robot không gian từ mặt đất, chỉ huy phương tiện không người lái dưới nước, xử lý những vật liệu nguy hiểm như trong các nhà máy hạt nhân, trong hoạt động phẫu thuật, tới việc thao diễn những robot di động tránh chướng ngại vật, cứu hộ con người,… Nhiều khái niệm lý thuyết được xem xét xuyên suốt các phần trước đã được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp để đạt

Trang 12

được sự ổn định, thân thiện cho người sử dụng và sự đồng nhất của hệ Teleoperation

1.2.1 Những ứng dụng không gian

Thăm dò không gian và hoạt động trong quỹ đạo địa tĩnh đòi hỏi sử dụng robot vận hành từ xa (teleoperaiton robot) (Skaar & Ruoff, 1994) [8] làm giảm chi phí các nhiệm vụ lắp ráp, bảo trì và sửa chữa trong không gian và mặt khác làm giảm mối nguy hiểm về an toàn của những phi hành gia

Hình 1.2.1a Các vệ tinh trong không gian ngoài trái đất

Tại thời điểm hiện tại, hầu hết các phần của Teleoperation trong không gian được thực hiện trong các hoạt động liên quan tới tàu con thoi (vấn đề là các định nghĩa chính xác và môi trường là có cấu trúc) Thông thường người điều khiển thực hiện một điều khiển trực tiếp lên tay máy để nhiệm vụ được thực thi Hướng chính của hoạt động nghiên cứu gần đây là phát triển:

• Các tay máy cho xe tự hành (ESA, NASA, )

Trang 13

• Các trạm không gian bay tự do

• Các chuyển động hành tinh

Trong không gian, một chương trình Telerobotic không gian là Viking Progam đã thành công, trong đó thực hiện các thí nghiệm khoa học trên bề mặt sao Hỏa Rover Sojourner có lẽ là rover không gian được biết đến nhiều nhất, sau khi thành công nhiệm vụ NASA Pathfinder trên sao Hỏa (ngày 4 tháng 7 năm 1997)

Mars-Hình 1.2.1b Nasa Pathfinder

Công nghệ hiện nay sẽ cho phép tiếp tục phát triển xa hơn, đó là làm giảm đi

số lượng lớn tiền bạc và thời gian cần thiết để đảm bảo một nhiệm vụ thành công Với những lý do đó các nghiên cứu nói chung được phát triển chung bởi các cơ quan không gian quốc gia, các ngành công nghiệp và các phòng thí nghiệm nghiên cứu Những vấn đề kỹ thuật liên quan vẫn còn tồn tại do:

• Những yêu cầu về độ tin cậy

• Những ràng buộc trọng lượng

Trang 14

• Ràng buộc về điều kiện môi trường

• Thời gian trễ trên kênh truyền thông (từ 1 giây trên quỹ đạo trái đất đến

4-40 phút trên nhiệm vụ hành tinh)

Gần đây, các thí nghiệm đã được tiến hành (Imaida cùng đồng nghiệp, 2004

và Yoon cùng đồng nghiệp, 2004) cho phép Teleoperation của một cánh tay robot

6 bậc tự do trên tàu Engineering Test Satellite 7 (ETS-VII) trong quỹ đạo với chậm trễ hơn 7 giây, bằng cách sử dụng các chương trình môi trường ảo và dự đoán hiển thị ROKVISS của Đức là một trong nhiều dự án gần đây đối với các mục tiêu này, trong đó là nhằm mục đích tiến hành các thí nghiệm trong không gian bên ngoài của những cánh tay robot nhẹ

1.2.2 Làm việc trong những môi trường nguy hiểm

Telerobotics được áp dụng trong các môi trường độc hại (hạt nhân, hóa học, khu vực nhiệt độ cao, các ứng dụng quân sự) cho một loạt các nhiệm vụ như: xử

lý trực tiếp phóng xạ hay vật liệu hóa học, làm sạch/xử lý chất thải, kiểm tra thiết

bị, xử lý đạn dược, v.v… từ những máy chuyên dùng (ví dụ như xử lý hạt nhân hay vật liệu hóa học) thường chỉ yêu cầu con người giám sát với đầy đủ các thiết

bị teleoperated (trong các hoạt động dọn dẹp nơi mà môi trường nguy hiểm)

Hình 1.2.2 Các robot làm việc trong môi trường nguy hiểm

Trang 15

• Độ tin cậy là một trong những yêu cầu chính, từ khi thiết bị thường phải hoạt động trong các khu vực bị ô nhiễm / nguy hiểm trong khoảng thời gian dài

• Các vấn đề công nghệ quan trọng đang gặp phải do phóng xạ và nhiệt độ cao

1.2.3 Phương tiện dưới nước

Trong thập niên 1970 và 1980, một trong những ứng dụng chính của Teleoperation là trong các phương tiện không người lái dưới nước để thăm dò khoa học hay những ứng dụng quân sự: 1966 – những ứng dụng quân sự thành công đầu tiên quân đội của telemanipulators dưới nước; CURV của Hải quân Mỹ

đã hoàn toàn thành công, sử dụng để lấy một quả bom hạt nhân từ đại dương Năm 1980 sử dụng rộng rãi của ROVs (phương tiện điều khiển từ xa) cho các hoạt động ngoài khơi cho ngành dầu khí

Hình 1.2.3 Các robot làm việc dưới môi trường nước

Tại thời điểm này, telerobotics dưới nước chủ yếu được sử dụng cho kinh doanh, các cuộc thám hiểm khoa học quân sự, họ sử dụng:

• Những ứng dụng chính của tàu ngầm điều khiển từ xa là những hệ thống thông tin liên lạc (điện thoại) và trong các ngành công nghiệp dầu mỏ, với

Trang 16

các đường ống dưới nước và cáp được đặt dưới nước yêu cầu hoạt động thường xuyên

• Cộng đồng khoa học sử dụng công nghệ này cho biển sinh học, địa chất và các nhiệm vụ khảo cổ học

• Quân đội đã sử dụng nhiều hệ thống telerobotics trong các hoạt động cứu

hộ, chẳng hạn như máy bay hoặc tàu thuyền cứu hộ

Việc sử dụng dây để điều khiển các loại phương tiện như vậy như vậy là không thực tế khi chúng bị mắc và rối Mặt khác việc truyền tín hiệu điều khiển

và phản hồi thông qua môi trường nước thường có độ nhiễu lớn do đó tín hiệu chậm trễ và làm ảnh hưởng đến hiệu suất và ngay cả sự ổn định của hệ thống Phương pháp đồng thời để đối phó với các hệ thống teleoperated là kiểm soát giám sát, do đó vấn đề thời gian trễ được giải quyết theo phương diện đó (Funda

và Paul, 1991 [11]) Một trong những cách điều khiển những tay máy dưới nước trước đây xuất hiện tại Uhrich (1973) [12], ở đó lực phản hồi đã được sử dụng

1.2.4 Phẫu thuật từ xa

Teleoperation đã tìm thấy mảnh đất phong phú trong các ứng dụng y tế như phẫu thuật từ xa Phẫu thuật từ xa cho phép trao đổi chuyên môn y tế trên toàn thế giới mà không đòi hỏi bác sĩ đi xa Tại thời điểm này, có một lợi ích liên quan trong việc áp dụng các thiết bị điều khiển từ xa trong hoạt động của vi phẫu, ví dụ như phẫu thuật mắt, cần những di chuyển chính xác rất nhỏ Các chuyển động của người điều khiển được thu nhỏ lại bởi máy móc để hoạt động tốt có thể được thực hiện trong khi duy trì một hội thảo từ xa phù hợp Một khía cạnh quan trọng khác của quá trình phẫu thuật là thủ tục phẫu thuật xâm lấn tối thiểu Trong trường hợp này, bác sĩ phẫu thuật thực hiện công việc của mình thông qua các thiệu bị nhỏ lồng vào, sử dụng dụng cụ y tế mỏng và máy quay video nhỏ Những khó khăn bị

Trang 17

tăng cường cho bác sĩ phẫu thuật được bù đắp một phần bằng máy tính, được sử dụng để tạo ra môi trường ảo, nơi việc sử dụng hội thảo từ xa đóng một vai trò cơ bản

Hình 1.2.4 Ứng dụng trong y học phẫu thuật

Điều này tiết kiệm thời gian, tiền bạc và công sức bằng cách đưa các phòng phẫu thuật từ xa đến các ngón tay của bác sĩ phẫu thuật Các vấn đề thiết kế trong phẫu thuật từ xa có thể tìm thấy trong các báo cáo của Funda và cộng sự (1996), Madhani và cộng sự (1998) [13] ở đó thời gian trễ là một mối quan tâm lớn Tay máy từ xa có thể được sử dụng trong các hoạt động phẫu thuật cho:

• Phẫu thuật từ xa,

• Nâng cao chất lượng các hoạt động trình bày vấn đề không gian cho một bác sĩ phẫu thuật (tốt hơn và giảm đi những kết quả tiêu cực),

• Cải thiện tầm với, thao tác, tầm nhìn và nhận thức về cơ thể bệnh nhân Cuối cùng, hội thảo từ xa đang trở nên rất quan trọng đối với sự hướng dẫn của các bác sĩ chuyên khoa và để thực hiện buổi diễn tập trước các hoạt động thực

tế

Trang 18

1.2.5 Robot di động

Robot di động gần đây nổi lên như một ứng dụng mới của Teleoperation song phương (Diolaiti và Melchiorri, 2002 [14] Một hoạt động tại một địa điểm từ xa, robot di động gửi thông tin phản hồi trực quan tới người điều hành cho phép nó đánh giá môi trường xung quanh và ra lệnh khắc phục Tuy nhiên, điều này đòi hỏi một băng thông cao để truyền dữ liệu trực quan thời gian thực để điều hành, bên cạnh đó thực tế máy ảnh có một góc nhìn hạn chế Điều này đòi hỏi sự cần thiết phải gửi một tín hiệu lực phản hồi bổ sung tới người điều hành cho phép nhận biết được xung quanh robot di động, làm giảm bớt sự cần thiết phải phản hồi hình ảnh cao chất lượng Mặc dù các robot di động không thuộc vào Teleoperation truyền thống, kể từ khi sự giống nhau về động học giữa master và slave được loại bỏ, nó vẫn còn có thể đặt chúng theo lực phản hồi thông qua việc

sử dụng một thiết bị cảm nhận như Diolaiti và Melchiorri (2002) [14] và gần đây Lee, Martinez-Palafox, và Spong (2006) [15] cũng kết hợp thời gian trễ vào vòng lặp kênh truyền thông

1.2.6 Những ứng dụng khác của hệ thống Teleoperation

+ Tăng tính thực tế và trực quan

Tăng tính thực tế có nghĩa là để tăng cường các dữ liệu được trao cho người điều hành, cố gắng để cung cấp cho anh ta thông tin đầy đủ và tổng quát có thể thu được trực tiếp Bên cạnh đó các dữ liệu hình ảnh có thể được quan sát thông thường, các thông tin này cũng bao gồm bất kỳ hình thức dữ liệu nào đó làm tăng nhận thức của người sử dụng về môi trường, bao gồm cả tiền xử lý những hình ảnh video, sử dụng tích cực âm thanh hình ảnh, những hình ảnh đồ họa và các công cụ ảo

+ Vấn đề an ninh

Trang 19

Những ứng dụng trong mục tiêu này là sử dụng các thiết bị telerobotic để bảo

vệ người và tài sản Hầu hết các hệ thống được sử dụng trong lĩnh vực này là các thiết bị điều khiển từ xa từ những công việc đòi hỏi khả năng quyết định và mức

độ thông minh mà máy không thể thực hiện được ở thời điểm hiện tại Trong lĩnh vực an ninh, robot có thể được sử dụng cho các công tác tuần tra (ví dụ như các văn phòng và nhà máy) và cho các mục đích bảo vệ Ngoài ra những mục đích quân sự thông qua Teleoperation, chủ yếu là để định vị kẻ thù hoặc các thiết bị nguy hiểm mà không cần trực tiếp con người phải mạo hiểm

+ Đào tạo và mô phỏng trong telerobotics

Một số ngành công nghiệp đã được sử dụng công nghệ này trong nhiều năm

Có lẽ, những ví dụ phổ biến nhất là các mô phỏng trên máy bay, được sử dụng để huấn luyện phi công Mục tiêu là để cung cấp cho những người điều hành chuyên môn về các hoạt động phức tạp, giảm thời gian, với chi phí thấp hơn và nguy cơ chấn thương nhỏ

1.3 Mục tiêu chính và đóng góp của luận văn

Trong khi thực hiện các tác vụ giữa Robot Master và Robot Slave của hệ thống Teleoperation thì việc điều khiển vị trí và lực phản hồi hết sức quan trọng Nội dung chính của nghiên cứu này là thiết kế luật điều khiển cho hệ SMSS trên

cơ sở phân tích, đánh giá các nghiên cứu trước đó và phương pháp được đề xuất

đã đảm bảo được các yêu cầu như: điều khiển chính xác vị trí của Robot Slave theo Robot Master, lực phản hồi tác động của môi trường tác động lên Robot Slave

Để cải thiện sự đồng nhất giữa vị trí, lực của hệ Teleoperation SMSS với độ trễ là biến thiên trên kênh truyền thông, đề tài này đã đề xuất một hệ thống đầu

Trang 20

vào mới, dựa trên phương pháp phản hồi thụ động Các tham số trong biểu thức của luật điều khiển đã được đề xuất

Vấn đề về phân tích tính ổn định của hệ thống sau khi đã đề xuất luật điều khiển được giải quyết dựa trên phương pháp Lyapunov Từ kết quả mô phỏng, cho thấy tính hiệu quả của các phương pháp điều khiển đã đề xuất trong đề tài

Trang 21

CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Chương 1 : Tổng quan

Ở phần đầu của chương giới thiệu về hệ thống Teleoperation Các thành phần trong hệ thống và các thông số yêu cầu đặt ra Phân tích tổng quát một vài nghiên cứu trước đây Phần tiếp theo của chương là về ứng dụng của Teleoperation, mục tiêu và đóng góp của luận văn

Chương 2 : Cơ sở toán học

Chương này trình bày sơ bộ về lý thuyết toán học của phương pháp ổn định Lyapunov

Chương 3 : Tính toán động lực học hệ thống Teleoperation SMSS

Đề cập đến động lực học của hệ thống Teleoperation bao gồm Robot Master và các Robot Slave Hệ thống đưa ra là hệ SMSS với 2 Robot có cấu trúc giống nhau

Chương 4 : Thiết kế điều khiển của hệ thống SMSS

Chỉ ra mục tiêu điều khiển của hệ, đề xuất thiết kế hệ thống điều khiển, phân tích tính ổn định của hệ thống điều khiển

Chương 5 : Kết luận

Phân tích, đánh giá phương pháp điều khiển từ đó đưa ra các ưu nhược điểm cũng như đưa ra phương án khắc phục và cải thiện trong tương lai

Trang 22

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TOÁN HỌC

Chương này trình bày sơ bộ về lý thuyết toán học của ổn định Lyapunov để

sử dụng cho luận văn này Một vài định nghĩa về tính ổn định và ổn định Lyapunov được trình bày ngắn gọn Để có thể rõ hơn về hệ thống động lực học và tính ổn định có thể tham khảo bởi Khali (1996) [16] Lý thuyết ổn định đóng vai trò trung tâm trong hệ thống lý thuyết và kỹ thuật Có rất nhiều vấn đề về ổn định phát sinh trong quá trình nghiên cứu hệ thống động lực học Phần đầu tiên của chương này xem xét về tính ổn định của điểm cân bằng, tiếp theo đề cập sự ổn định của các hệ thống khác, như là “đầu vào đến trạng thái ổn định” hay ổn định của hệ thống nhiễu Tính ổn định của điểm cân bằng thường là đặc trưng trong ý nghĩa của Lyapunov, một nhà toán học, một kỹ sư người Nga, người đã đặt nền móng cho lý thuyết mà bây giờ được mang tên ông Tính ổn định của hệ thống nhiễu bao gồm các điều kiện có thể là sai số về mẫu, không chắc chắn… mà tồn tại trong bất kỳ vẫn đề thực tế nào

2.1 Định nghĩa cơ bản của lý thuyết ổn định Lyapunov

Chuẩn xuyên suốt luận văn này chuẩn vector là ơclit và được ký hiệu . Trong khi đối với ma trận, là chuẩn phát sinh được ký hiệu A  max (A A T )

với λmax là giá trị riêng lớn nhất Hơn nữa, với ma trận A bất kỳ xác định dương, chúng ta có thể ký hiệu giá trị riêng nhỏ nhất và lớn nhất của nó bởi Am và AM

Để hiểu biết cơ bản về chuẩn và chuẩn phát sinh, chúng ta có thể tham khảo Desoer và Vidyasagar (1975) và Khalil (1996) [16]

Các kết quả sau được sử dụng để chứng minh các ma trận khối đối xứng xác định dương

Trang 23

Bổ đề 2.1.1 (Johnson 1990) nếu mxm

LR và nxn

MR là các ma trận nửa xác định dương và mxn

Định nghĩa 2.1.2 Một phiếm hàm là hàm số giá trị thực trong không gian V,

thường là của hàm số Lý do thuật ngữ “phiếm hàm” được sử dụng là vì V có thể

được biểu diễn bởi phương trình vi phân

( ) ( , ( ))

x t  f t x t (2.4) Một điểm *

xx trong không gian trạng thái được phái biểu là điểm cân bằng của

(2.4) nếu *

( , ) 0

có tính chất đó với t0bất kỳ, nếu trạng thái của hệ thống bắt đầu từ x*

nó sẽ quay lại x* trong tương lai

Định nghĩa 2.1.3 Một vùng xung quanh gốc tọa trong bán kính r được ký hiệu

bởi Br, ví dụ,

n r

Trang 24

Định nghĩa 2.1.4 Một hàm số f R: n R m được gọi là liên tục ở điểm x nếu với

0

  thì tồn tại một hằng số  0 như sau:

( ) ( )

x  y  f x  f y  (2.5)

Định nghĩa 2.1.5 Một hàm số f R: n R m được gọi là liên tục từng phần trên tập

hợp S nếu là liên tục trên tập S ngoài trừ một số hữu hạn các điểm

Định nghĩa 2.1.6 Một hàm số f R: n R m được gọi là liên tục đều trên tập hợp S

nếu với tất cả x y, S với  0 thì tồn tại một hằng số  0 như (2.5)

Thường sự liên tục của một hàm f R: Rcó thể được kiểm tra bởi các bổ đề sau:

Bổ đề 2.1.7 Xem xét một hàm khả vi f R: R Nếu một hằng số MR tồn tại sao cho

thì f là liên tục đều trên R

Đinh nghĩa 2.1.8 Một hàm số giá trị véc tơ f R: nxRRthỏa mãn K điều kiện Lipschitz trong x, với hằng số Lipschitz   0, nếu nhận được x1, x2 và đồng dạng trong t,

( , ) ( , )

f t x  f t x  x x (2.6) Nếu điều kiện Lipschitz (2.6) đúng với tất cả x x1, 2R

thì hàm f t( ) được biết đến

như Lipschitz toàn cục và Lipschitz cục bộ khi nó chỉ giữ duy nhất một miền của

Rn

Đinh nghĩa 2.1.9 Một hàm liên tục : 0,   a  0,  được gọi là thuộc lớp K nếu

nó đơn điệu tăng và  (0)  0 Nó được gọi là thuộc lớp K∞nếu   và  ( )r  

khi r

Trang 25

Định nghĩa 2.1.10 Một hàm liên tục  : 0, a0,  đƣợc gọi là thuộc lớp KL nếu cố định s thì ánh xạ ( , )r s thuộc lớp K đối với r, và nếu cố định r thì ánh xạ ( , )r s

 là giảm đối với s và  ( , )r s  0khi s

là một điểm cân bằng của (2.7), đó là f x( )* 0

Định lý 2.2.1 Để x = 0 là điểm cân bằng cho (2.7) và n

DR là miền chứa x = 0

Lấy V D: R là một hàm liên tục khả vị, nhƣ sau:

V(0)  0 và V x( )  0 trong D-{0} (2.8) ( ) 0

DR là một miền xác định chứa gốc tọa độ x = 0 Gốc

tọa độ là điểm cân bằng cho (2.11) tại t = 0 nếu

f t( ,0)    0, t 0

Một trạng thái cân bằng tại gốc tọa độ có thể đƣợc chuyển đổi thành một điểm cân bằng khác 0, Hơn nữa nó cũng có thể là một sự chuyển đổi của các

Trang 26

nghiệm khác 0 của hệ thống Để xem các điểm sau, giả sử rằng y*( ) là một

Chú ý rằng nếu y*( ) không là hằng số, hệ thống chuyển đổi sẽ là không tự trị

ngay cả khi hệ thống gốc là tự trị, ngay cả khi g( , ) y g y( ) Đó là lý do tại sao nghiên cứu tính ổn định theo nguyên lý đƣợc Lyapunov thực hiện trong nội dung nghiên cứu ứng xử và chứng minh tính ổn định của điểm cân bằng trong hệ thống không tự trị

Các khái niệm về tính ổn định và ổn định tiệm cận của điểm cân bằng trong

hệ thống không tự trị cơ bản là giống hệ thống tự trị Một nguyên tố mới ở đây là khi nghiệm của hệ thống tự trị phụ thuộc cả t và t0 Do đó, nói chung, xét tính ổn định của điểm cân bằng sẽ bị phụ thuộc vào t0 Gốc tọa độ x = 0 là điểm cân bằng cho (2.11) nếu mỗi  0 và t0 ≥ 0 bất kỳ, có    ( ,t0  0) nhƣ là:

Trang 27

x t( )0   x t( )0   , t t0

Các hằng số  là phụ thuộc vào thời gian ban đầu t0

Định nghĩa 2.2.2 Điểm cân bằng x=0 của (2.11) là:

 ổn định nếu, với mỗi  0 có    ( , )t0 nhƣ là:

 ổn định tiệm cận đều nếu nó là ổn định đều và có c > 0 không phụ thuộc t0

sao cho  x t( )0  c, x t( )  0 khi t  sao cho, đều trong t0; nghĩa là với mỗi  0 có T T( )   0 sao cho

1 (.)

 với

Trang 28

Bổ đề 2.2.4 Điểm cân bằng x = 0 của (2.11) là:

 ổn định đều nếu và chỉ nếu tồn tại một hàm lớp K:  (.) và một hằng số c xác

định dương, không phụ thuộc t0 sao cho

x t( )   x t 0 ,    t t0 0, x t( ) 0  c (2.13)

 ổn định tiệm cận đều nếu và chỉ nếu tồn tại một hàm lớp KL:  (.,.) và một

hằng số c xác định dương, không phụ thuộc t0 sao cho

x t( )   x t 0 ,tt0,    t t0 0, x t( ) 0  c (2.14)

 ổn định tiệm cận đều toàn cục nếu và chỉ nếu bất đẳng thức (2.14) là thỏa mãn cho trạng thái ban đầu x(t0)

Định nghĩa 2.2.5 Điểm cân bằng x = 0 của (2.11) là ổn định theo hàm mũ nếu bất

phương trình (2.14) được thỏa mãn với

Trang 29

và W1 bị giới hạn, thì x = 0 là ổn định tiệm cận đều

Định lý 2.2.8 Với x = 0 là điểm cân bằng cho hệ thống phi tuyến

D  x R x r Giả thiết rằng quĩ

đạo của hệ thống thỏa mãn

là tự trị, V có thể chọm sao cho không phụ thuộc t

Định lý 2.2.9 (Định lý của LaSalle) Với hệ thống (2.11) cho rằng hàm Lyapunov

V đƣợc tìm thấy, dọc theo quĩ đạo nghiệm sao cho:

Do đó (2.11) là ổn định tiệm cận nếu V không bị triệt tiêu cùng bất kỳ quĩ đạo nghiệm nào của (2.11) với (2.11) luôn có nghiệm, hệ thống là ổn định tiệm cận nếu nghiệm duy nhất của (2.11) thỏa mãn

Trang 30

Trang 31

CHƯƠNG 3

ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

Chương này trình bày về mô hình động lực học của hệ thống Teleoperation

Có nhiều cách để phát triển những mô hình này, một ví dụ có thể sử dụng công thức Lagrange hoặc Hamilton của cơ học cổ điển Nghiên cứu này xem xét hệ thống bộ đôi robot liên kết với nhau thông qua các kênh liên lạc với thời gian trễ biến thiên Hệ Teleoperation đang nghiên cứu là một đôi gồm một robot master hai bậc tự do và một robot slave hai bậc tự do dạng tay nối tiếp có cấu trúc lớn hơn với cấu hình giống nhau Nội dung của chương này rất cần thiết cho việc thiết kế bộ điều khiển và phân tích tính ổn định trong các chương sau

3.1 Phương trình động lực học robot

Theo một số phân tích [17] Xét khâu thứ i của một robot có n khâu Tính lực tổng quát Fi của khâu thứ i với khối lượng vi phân của nó là dm Lực tổng quát Fi đóng vai trò rất quan trọng khi xây dựng sơ đồ khối để thiết lập hàm điều khiển cho robot có n bậc tự do

3.1.1 Vân tốc của một điểm trên robot

Một điểm trên khâu thứ i được mô tả trong hệ tọa độ cơ bản là:r T i.i r

Trong đó: i r là tọa độ của điểm xét đối với khâu thứ i, i r không thay đổi theo thời gian T i là ma trận chuyển đổi từ khâu thứ i về hệ tọa độ gốc: T i  A1A2 A i

Như vậy r là một hàm của thời gian t

Tốc độ của vi khối lượng dm được tính bởi công thức:

r q q

T r

T dt

d dt

dr

i j

j j

i i

Trang 32

nn n

n

n n

a a

a a a

a a

a

a a

a

Trace

1

11 2 1

2 22

21

1 12

Trang 33

3.1.2 Tính động năng của vi khối lƣợng dm

Ký hiệu Ki là động năng của khâu thứ i, dKi là động năng của vi khối lƣợng

dm đặt tại vị trí i r trên khâu thứ i

1 2

Khau i

M   r r dm gọi là ma trận giả quán tính (Pseudo inertia matrix)

Ý nghĩa “giả quán tính” đƣợc sử dụng vì khi thiết lập đầy đủ các phần tử của

ma trận Mi ta có thể liên hệ với các khái niệm “mômen quán tính độc cực” và trình bày các phần tử của Mi giống nhƣ các phần tử của mômen quán tính độc cực Ta xét mối quan hệ này nhƣ sau:

Trang 34

2

1 ) (

2

y x z

x z

y

(3.12)Vậy:

( )/2;. .

2

v v I

I I dm

Trang 35

1 1

1 2

K K

(3.18)

3.1.3 Tính thế năng của robot

Thế năng của khâu i có khối lƣợng mi, trọng tâm đƣợc xác định bởi vectơ ri (vectơ biểu diễn trọng tâm của khâu i trong hệ tọa độ cơ bản) là:

i i i i

0

z y x

g g g

Thế năng của toàn cơ cấu robot n khâu động sẽ là:

i i i n i

i g T r m

Trang 36

3.1.5 Phương trình động lực học robot

Ta đã biết lực tổng quát đặt lên khâu thứ i của robot có n khâu (Phương trình Lagrange – Euler):

i i i

q

L q

L dt

d F

Sau khi thiết lập hàm Lagrange, với p=1…n, ta tính được:

(p là chỉ số lần lượt lấy theo j và k)

Cũng để ý rằng: trong T i(q1,q2, ,q i), với qi là các biến khớp của i khớp đầu tiên

Do vậy, nếu i<p thì  0



p

i q

Trang 37

q

L q

L dt

d F

n q q q

q  1,2, , (3.33)

n

F F F F

• M biểu diễn ma trận khối lượng, là ma trận đối xứng (n x n)

• C biểu diễn ma trận của lực ly tâm và Criolis, là một vectơ (n x 1)

• G biểu diễn tác dụng của lực trọng trường, cũng là một vectơ (n x 1)

3.2 Động lực học robot hệ SMSS

Xét một cặp của hệ thống robot của hệ thống SMSS được liên kết thông qua kênh liên lạc với thời gian trễ biến thiên Cấu hình của hệ thống này được thể hiện trong hình dưới đây

Trang 38

Hình 3.3 Hệ thống điều khiển từ xa một robot master một robot slave

(SMSS) Giả sử bỏ qua tác dụng của ma sát, các nhiễu khác và trọng lực, phương trình động lực học của robot master và robot slave với n bậc tự do được mô tả như sau:

z i  i i

(3.37) Trong đó:

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	1,78 MB