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

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

LỜI CAM ĐOAN
Học viên : Lâm Thế Kiên , Sau 2 năm học tập và nghiên cứu tại trƣờng Đại
Học Bách khoa Hà Nội đến nay đã hoàn thành chƣơng trình đào tạo cũng nhƣ
luận văn tốt nghiệp dƣới sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hƣớng 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 TeleRobot trên kênh truyền thông có trễ”, tôi xin cam kết luận văn tốt nghiệp là công
trình nghiên cứu của bản thân dƣới sự hƣớng 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

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 1


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hệ Teleoperation song phƣơng ………………………………………

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 trƣờng nguy hiểm …………………..

14

Hình 1.2.3 Các robot làm việc dƣới môi trƣờng nƣớc …………………………

15

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

17

Hình 3.1 Khảo sát tốc độ của vi khối lƣợng 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 trƣờng …………………………………………………

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 tƣơng 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

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 2


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

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

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1 Các tham số trong hệ thống SMSS………………………………….

56

Bảng 4.2 Các thông số mô phỏng …………………………………………….

58

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 3


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

MỤC LỤC
CHƢƠNG 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 trƣờng nguy hiểm ........................................ 14
1.2.3 Phƣơng tiện dƣới nƣớc ............................................................................ 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
CHƢƠNG 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
CHƢƠNG 3 ...................................................................................................... 31

ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT ............................................................................. 31
3.1 Phƣơng 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 lƣợng dm .................................................... 33
3.1.3 Tính thế năng của robot ........................................................................... 35
3.1.4 Hàm Lagrange ......................................................................................... 35
3.1.5 Phƣơng trình động lực học robot ............................................................. 36
3.2 Động lực học robot hệ SMSS ..................................................................... 37
3.2.2 Phƣơng trình động lực học Robot Master và Slaver ............................... 39
HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 4


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

3.4 Động lực học môi trƣờng ........................................................................... 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 ngƣời tác động và môi trƣờng ........................................... 56

4.4.3 Các thông số mô phỏng ........................................................................... 58
4.4.4 Kết quả mô phỏng.................................................................................... 59
4.5 Kết luận....................................................................................................... 65
CHƢƠNG 5 ...................................................................................................... 66
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 66
5.1 Kết luận....................................................................................................... 66
5.2 Hƣớng phát triển ......................................................................................... 66
PHỤ LỤC A ..................................................................................................... 67
CÁC KHỐI CỦA CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG........................................ 67
A.1 Hệ thống SMSS : ....................................................................................... 67
PHỤ LỤC B ...................................................................................................... 70
CHƢƠNG TRÌNH MATLAB CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN................... 70
2. File Parameter ............................................................................................... 73
3. File in đồ thị .................................................................................................. 74

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 5


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

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 tƣơng tác với môi trƣờng 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 trƣờng.
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) đƣợc
đề xuất dựa trên phƣơng 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 phƣơng
pháp đƣợc 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 đƣợc chỉ ra thông qua
phƣơng pháp ổn định Lyapunov. Và cuối cùng, một số kết quả mô phỏng đã cho
thấy hiệu quả của các thuật toán đã đƣa ra.

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 6


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

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 đƣợc sử
dụng thƣờng cho năng suất thấp, độ chính xác kém và dễ gây tai nạn cho ngƣời
lao động. Để cải thiện tình hình trên ngoài việc cải tiến các trang thiết bị, thì một
vấn đề cần đƣợc xem xét là thay đổi phƣơng 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 phƣơng

pháp điều khiển. Với những vấn đề trên, là một học viên chuyên ngành cơ điện tử
trƣờng 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 đƣợc sự quan tâm rất lớn từ phía các nhà khoa học trên
khắp thế giới, tiêu biểu nhƣ ở Nhật và Châu Âu…
Trong quá trình thực hiện đề tài này, tôi đã đƣa ra đƣợc một số kết quả khả
quan. Để đƣợc kết quả đó, tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của
Thầy giáo hƣớng 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 chƣa
có nhiều đột phá và còn những thiếu xót . Kính mong quý thầy cô đóng góp
những ý kiến để đề tài này đƣợc hoàn thành tốt hơn.
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
Viện Cơ khí, Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và robot
Lâm Thế Kiên
HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 7


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 Hệ thống Teleoperation

Teleoperation là một hệ thống thiết bị có sự tƣơng tác ở khoảng cách khác
nhau tƣơng tự nhƣ một hệ thống “điều khiển từ xa” thƣờng gặp trong học thuật và
môi trƣờng kỹ thuật. Các thiết bị trong hệ thống Teleoperation thƣờng 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 thƣờng đƣợc điều
khiển từ xa bởi con ngƣời thông qua một trong các thiết bị thuộc hệ thống.
Hệ thống Teleoperation là một hệ thống cho phép con ngƣời sử dụng sự hiểu
biết, khả năng tƣ duy và hoạt động chân tay của họ thông qua sự cộng tác điều
khiển của các thiết bị nhƣ robot. Khi điều hành làm việc ở các môi trƣờng nguy
hiểm độc hại. Trong trƣờng hợp này, một ngƣời sử dụng hoạt động của mình để
điều khiển robot master và các thao tác của robot slave đƣợc thực hiện theo sự
điều khiển của robot master và robot này mới là robot trực tiếp có những tƣơng
tác với môi trƣờng làm việc. Trong vài thập niên gần đây, hệ thống Teleoperation
đã đƣợc phát triển với nhiều ứng dụng khác nhau nhƣ là đƣợc sử dụng ở ngoài vũ
trụ, dƣới 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 đƣợc các nhà khoa
học theo đuổi.
Trong Teleoperation song phƣơng, robot master và robot slave đƣợc sử dụng
nhƣ một cặp thiết bị nằm ở hai phía và đƣợc liên kết với nhau qua kênh truyền
thông, nơi mà các thông tin về vị trí, vận tốc, gia tốc hoặc lực đƣợc truyền. Trong
quá trình truyền dữ liệu giữa robot master và robot slave có hiện tƣợng trễ trong
HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 8


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

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, nhƣng nó vẫn chƣa đủ tốt để đạt đƣợc hiệu quả mong
muốn vì vị trí không phải là mối quan hệ duy nhất đƣợc đƣa ra giữa các robot.
Trong thực tế, ở cùng một thời điểm khi robot bắt đầu tƣơng tác với môi trƣờng,
phản lực xuất hiện và tăng dần lên. Nếu chúng ta không chú ý, lực đó có thể
không điều khiển đƣợc 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 đƣợc 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 đƣợc 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 trƣờng. Do đó ngƣời điều khiển có thể cảm thấy
những lực nhƣ trong thực tế ở môi trƣờng với các tƣơng 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 trƣờng. Mặt khác, môi trƣờng có thể đƣợc giả thiết nhƣ một hệ động lực đơn
giản đƣợc trải nhỏ ra nhƣng khi có lực tác động thì phản ứng của môi trƣờng là
biến dạng hữu hạn. Khi sự va chạm xảy ra, lực phát sinh sẽ đƣợc xác định bởi
phƣơng trình cân bằng động lực học của hệ thống robot slave và môi trƣờng. Để
có đƣợc một qui định mô tả động lực học cho các robot trong khi khâu cuối đang
tác động với môi trƣờng và lực va chạm là nhỏ thì điều khiển trở kháng đƣợc sử
dụng. Điều khiển này là để duy trì mối quan hệ động lực học đƣợc dẫn suất giữa
khâu cuối và môi trƣờng, và một hệ “khối lƣợng – lò xo – giảm chấn” ( massspring-dampe ) bậc hai đƣợc sử dụng để xác định mục tiêu động lực học. Nó đƣa
HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 9

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

ra sự gần hợp nhất cho sự điều khiển robot trong môi trƣờng tự do và điều khiển
chuyển động có rằng buộc.
Một nghiên cứu về điều khiển trở kháng đƣợc 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 phƣơng pháp tính toán momen xoắn và trở kháng
mong muốn, dù vậy hệ thống Teleoperation đã không đƣợc 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 phƣơng pháp này cho hệ thống Teleoperation. Đối
tƣợng điều khiển của luật điều khiển này là tạo ra đƣợc sự bắt chƣớc một dụng cụ
cơ khí thụ động với một khả năng phản hồi lực. Tuy nhiên sai số vị trí của
phƣơng pháp là lớn ngay cả khi thời gian trễ không đƣợc đề cập. Năm 2004
Aliagam và đồng nghiệp [3] đề xuất một phƣơng 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 tƣơng ứng về vị trí trong chuyển động không ràng buộc và sự tƣơng 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 đƣợc đƣa ra bởi Sato,
Nakashima và Tsuruta (2008) [4] với đầu vào không chắc chắn, tuy nhiên nghiên
cứu này đã không đƣợc áp dụng cho hệ thống Teleoperation.
Một phƣơng pháp phản hồi lực mới của Teleoperation với sự thích ứng điều
khiển trở kháng đƣợc sử dụng bởi Love và Book (2004) [5] để giảm năng lƣợng
thao tác mà không mất tính ổn định. Mặc dù thời gian trễ trên đƣờng truyền thông
đã không đƣợc đề cập.
Ngoài ra, để cải thiển tính đồng nhất của Teleoperation song phƣơng với trễ
truyền thông, một phƣơng pháp điều khiển có phản hồi lực đã đƣợc giải quyết bởi

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 10


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

Polushin và đồng nghiệp. (2007) [6], Đề xuất này có liên quan đến công việc
trƣớc đó của Polushin và đồng nghiệp năm 2005 [7], một phƣơng pháp điều khiển
ổn định cho Teleoperation có phản hồi lực đƣợc giới thiệu. Trong thuật giải mới
này, phƣơng pháp đƣợc 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 phƣơng
1.2. Ứng dụng của hệ Teleoperation
Teleoperation song phƣơng đã đƣợc ứng dụng trong 50 năm qua trong nhiều
lĩnh vực khác nhau, điều hành robot không gian từ mặt đất, chỉ huy phƣơng tiện
không ngƣời lái dƣới nƣớc, xử lý những vật liệu nguy hiểm nhƣ trong các nhà
máy hạt nhân, trong hoạt động phẫu thuật, tới việc thao diễn những robot di động
tránh chƣớng ngại vật, cứu hộ con ngƣời,… Nhiều khái niệm lý thuyết đƣợc xem
xét xuyên suốt các phần trƣớc đã đƣợc sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp để đạt
HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 11


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

đƣợc sự ổn định, thân thiện cho ngƣời 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
đƣợc thực hiện trong các hoạt động liên quan tới tàu con thoi (vấn đề là các định
nghĩa chính xác và môi trƣờng là có cấu trúc). Thông thƣờng ngƣời điều khiển
thực hiện một điều khiển trực tiếp lên tay máy để nhiệm vụ đƣợc thực thi. Hƣớng
chính của hoạt động nghiên cứu gần đây là phát triển:
• Các tay máy cho xe tự hành (ESA, NASA,...).
HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 12


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

• Các trạm không gian bay tự do.
• Các chuyển động hành tinh.
Trong không gian, một chƣơng trình Telerobotic không gian là Viking MarsProgam 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 đƣợc biết đến nhiều nhất, sau
khi thành công nhiệm vụ NASA Pathfinder trên sao Hỏa (ngày 4 tháng 7 năm
1997).

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 lƣợng 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 đƣợc 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 lƣợng.
HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 13


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

• Ràng buộc về điều kiện môi trƣờng.
• Thời gian trễ trên kênh truyền thông (từ 1 giây trên quỹ đạo trái đất đến 440 phút trên nhiệm vụ hành tinh).
Gần đây, các thí nghiệm đã đƣợc 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 chƣơng trình môi trƣờng 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 trƣờng nguy hiểm
Telerobotics đƣợc áp dụng trong các môi trƣờng độc hại (hạt nhân, hóa học,
khu vực nhiệt độ cao, các ứng dụng quân sự) cho một loạt các nhiệm vụ nhƣ: xử
lý trực tiếp phóng xạ hay vật liệu hóa học, làm sạch/xử lý chất thải, kiểm tra thiết
bị, xử lý đạn dƣợc, v.v… từ những máy chuyên dùng (ví dụ nhƣ xử lý hạt nhân
hay vật liệu hóa học) thƣờng chỉ yêu cầu con ngƣời giám sát với đầy đủ các thiết
bị teleoperated (trong các hoạt động dọn dẹp nơi mà môi trƣờng nguy hiểm).

Hình 1.2.2 Các robot làm việc trong môi trƣờng nguy hiểm
HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 14


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

• Độ tin cậy là một trong những yêu cầu chính, từ khi thiết bị thƣờng 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 Phƣơng tiện dƣới nƣớc
Trong thập niên 1970 và 1980, một trong những ứng dụng chính của
Teleoperation là trong các phƣơng tiện không ngƣời lái dƣới nƣớc 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 dƣới nƣớc; CURV của Hải quân Mỹ
đã hoàn toàn thành công, sử dụng để lấy một quả bom hạt nhân từ đại dƣơng.
Năm 1980 sử dụng rộng rãi của ROVs (phƣơng tiện điều khiển từ xa) cho các

hoạt động ngoài khơi cho ngành dầu khí.

Hình 1.2.3 Các robot làm việc dƣới môi trƣờng nƣớc
Tại thời điểm này, telerobotics dƣới nƣớc chủ yếu đƣợc 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

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 15


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

các đƣờng ống dƣới nƣớc và cáp đƣợc đặt dƣới nƣớc yêu cầu hoạt động
thƣờng 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 nhƣ máy bay hoặc tàu thuyền cứu hộ.
Việc sử dụng dây để điều khiển các loại phƣơng tiện nhƣ vậy nhƣ 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 trƣờng nƣớc thƣờng có độ nhiễu lớn do đó tín hiệu
chậm trễ và làm ảnh hƣởng đến hiệu suất và ngay cả sự ổn định của hệ thống.
Phƣơng pháp đồng thời để đối phó với các hệ thống teleoperated là kiểm soát
giám sát, do đó vấn đề thời gian trễ đƣợc giải quyết theo phƣơng diện đó (Funda
và Paul, 1991 [11]). Một trong những cách điều khiển những tay máy dƣới nƣớc

trƣớc đây xuất hiện tại Uhrich (1973) [12], ở đó lực phản hồi đã đƣợc sử dụng.
1.2.4 Phẫu thuật từ xa
Teleoperation đã tìm thấy mảnh đất phong phú trong các ứng dụng y tế nhƣ
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
nhƣ phẫu thuật mắt, cần những di chuyển chính xác rất nhỏ. Các chuyển động của
ngƣời điều khiển đƣợc thu nhỏ lại bởi máy móc để hoạt động tốt có thể đƣợc 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 trƣờng 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
HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 16


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

tăng cƣờng cho bác sĩ phẫu thuật đƣợc bù đắp một phần bằng máy tính, đƣợc sử
dụng để tạo ra môi trƣờng 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 đƣa 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 đƣợc sử dụng trong các hoạt động phẫu thuật cho:
• Phẫu thuật từ xa,
• Nâng cao chất lƣợng 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 hƣớng dẫn
của các bác sĩ chuyên khoa và để thực hiện buổi diễn tập trƣớc các hoạt động thực
tế.

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 17


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

1.2.5 Robot di động
Robot di động gần đây nổi lên nhƣ một ứng dụng mới của Teleoperation song
phƣơng (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 ngƣời điều hành cho phép nó
đánh giá môi trƣờng 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 ngƣời điều hành cho phép
nhận biết đƣợc xung quanh robot di động, làm giảm bớt sự cần thiết phải phản hồi
hình ảnh cao chất lƣợng. 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 đƣợc loại bỏ, nó vẫn còn có thể đặt chúng theo lực phản hồi thông qua việc

sử dụng một thiết bị cảm nhận nhƣ 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 cƣờng các dữ liệu đƣợc trao cho ngƣời
điều hành, cố gắng để cung cấp cho anh ta thông tin đầy đủ và tổng quát có thể
thu đƣợc trực tiếp. Bên cạnh đó các dữ liệu hình ảnh có thể đƣợc quan sát thông
thƣờng, các thông tin này cũng bao gồm bất kỳ hình thức dữ liệu nào đó làm tăng
nhận thức của ngƣời sử dụng về môi trƣờng, 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

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 18


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

Những ứng dụng trong mục tiêu này là sử dụng các thiết bị telerobotic để bảo
vệ ngƣời và tài sản. Hầu hết các hệ thống đƣợc 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 đƣợc ở thời điểm hiện tại. Trong lĩnh
vực an ninh, robot có thể đƣợc sử dụng cho các công tác tuần tra (ví dụ nhƣ 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 ngƣời phải mạo hiểm.
+ Đào tạo và mô phỏng trong telerobotics
Một số ngành công nghiệp đã đƣợc sử dụng công nghệ này trong nhiều năm.
Có lẽ, những ví dụ phổ biến nhất là các mô phỏng trên máy bay, đƣợc sử dụng để
huấn luyện phi công. Mục tiêu là để cung cấp cho những ngƣời điều hành chuyên
môn về các hoạt động phức tạp, giảm thời gian, với chi phí thấp hơn và nguy cơ
chấn thƣơng 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 trƣớc đó và phƣơng pháp đƣợc đề xuất
đã đảm bảo đƣợc các yêu cầu nhƣ: điều khiển chính xác vị trí của Robot Slave
theo Robot Master, lực phản hồi tác động của môi trƣờng 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

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 19


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

vào mới, dựa trên phƣơng pháp phản hồi thụ động. Các tham số trong biểu thức
của luật điều khiển đã đƣợc đề xuất.
Vấn đề về phân tích tính ổn định của hệ thống sau khi đã đề xuất luật điều

khiển đƣợc giải quyết dựa trên phƣơng pháp Lyapunov. Từ kết quả mô phỏng,
cho thấy tính hiệu quả của các phƣơng pháp điều khiển đã đề xuất trong đề tài.

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 20


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Chƣơng 1 : Tổng quan
Ở phần đầu của chƣơng 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 trƣớc đây. Phần tiếp theo của chƣơng là về ứng dụng của Teleoperation, mục
tiêu và đóng góp của luận văn.
Chƣơng 2 : Cơ sở toán học
Chƣơng này trình bày sơ bộ về lý thuyết toán học của phƣơng pháp ổn định
Lyapunov.
Chƣơng 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 đƣa ra là hệ SMSS với 2 Robot có cấu trúc giống
nhau.
Chƣơng 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
Chƣơng 5 : Kết luận
Phân tích, đánh giá phƣơng pháp điều khiển từ đó đƣa ra các ƣu nhƣợc điểm cũng

nhƣ đƣa ra phƣơng án khắc phục và cải thiện trong tƣơng lai.

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 21


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

CHƢƠNG 2
CƠ SỞ TOÁN HỌC
Chƣơng 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 đƣợc 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
chƣơng này xem xét về tính ổn định của điểm cân bằng, tiếp theo đề cập sự ổn
định của các hệ thống khác, nhƣ là “đầu vào đến trạng thái ổn định” hay ổn định
của hệ thống nhiễu. Tính ổn định của điểm cân bằng thƣờng là đặc trƣng trong ý
nghĩa của Lyapunov, một nhà toán học, một kỹ sƣ ngƣời Nga, ngƣời đã đặt nền
móng cho lý thuyết mà bây giờ đƣợc 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 đƣợc ký hiệu . .
Trong khi đối với ma trận, là chuẩn phát sinh đƣợc ký hiệu

A  max ( AT A)

với

λmax là giá trị riêng lớn nhất. Hơn nữa, với ma trận A bất kỳ xác định dƣơng,
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 đƣợc sử dụng để chứng minh các ma trận khối đối xứng xác
định dƣơng.
HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 22


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

Bổ đề 2.1.1 (Johnson 1990) nếu L  R mxm và M  Rnxn là các ma trận nửa xác định
dƣơng và L  X mxn , thì ma trận khối đối xứng:
 L
X LM   T
X

X
M 

(2.1)

là nửa xác định dƣơng nếu và chỉ nếu tồn tại ma trận C  R mxn sao cho
X  L1/2CM 1/2

Nếu L và m là xác định dƣơng, tiêu chuẩn này tƣơng đƣơng với
L1/2 XM 1/2  1

(2.2)

Hơn nữa XLM là xác dịnh dƣơng nếu và chỉ nếu L và M là xác định dƣơng và
L1/2 XM 1/2  1

(2.3)

Định nghĩa 2.1.2 Một phiếm hàm là hàm số giá trị thực trong không gian V,
thƣờng là của hàm số. Lý do thuật ngữ “phiếm hàm” đƣợc sử dụng là vì V có thể
là không gian hàm, ví dụ:
V  f :[0 :1]  R với f là liên tục
1

Trong trƣờng hợp ví dụ. T ( f )  f (0) , T ( f )   ( s)ds là hàm tuyến tính trên V
0

Định nghĩa 2.1.2 xem xét một hệ thống động lực học phi tuyến trơn và tự trị
đƣợc biểu diễn bởi phƣơng trình vi phân
x(t )  f (t , x(t ))

(2.4)

Một điểm x  x* trong không gian trạng thái đƣợc phái biểu là điểm cân bằng của
(2.4) nếu f (t , x* )  0 với t  0 . Một điểm cân bằng x* có tính chất đó với t  0

bất kỳ, nếu trạng thái của hệ thống bắt đầu từ x* nó sẽ quay lại x* trong tƣơng lai.
Định nghĩa 2.1.3 Một vùng xung quanh gốc tọa trong bán kính r đƣợc ký hiệu
bởi Br, ví dụ,
Br  x  R n x  r

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 23


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

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

  0 thì tồn tại một hằng số   0 nhƣ sau:
x  y    f ( x)  f ( y)  

(2.5)

Định nghĩa 2.1.5 Một hàm số f : R n  R m đƣợc 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 đƣợc 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 nhƣ (2.5).
Thƣờng sự liên tục của một hàm f : R  R có thể đƣợc 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
sup

xR

df
( x)  M ,
dx

thì f là liên tục đều trên R.
Đinh nghĩa 2.1.8 Một hàm số giá trị véc tơ f : R n x R  R thỏa mãn K điều kiện
Lipschitz trong x, với hằng số Lipschitz   0 , nếu nhận đƣợc x1, x2 và đồng dạng
trong t,
f (t , x1 )  f (t , x2 )   x1  x2

(2.6)

Nếu điều kiện Lipschitz (2.6) đúng với tất cả x1 , x2  R thì hàm f (t ) đƣợc biết đến
nhƣ 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,  đƣợc gọi là thuộc lớp K nếu
nó đơn điệu tăng và  (0)  0 . Nó đƣợc gọi là thuộc lớp K∞ nếu    và  (r )  
khi r  .
HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 24


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

GVHD TS. Đỗ Đức Nam

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)  0 khi s  .

2.2 Tính ổn định Lyaponov
Xem xét hệ thống tự trị
x  f ( x)

(2.7)

Với f : D  R n là ánh xạ Lipschitz cục bộ từ miền xác định D  Rn đến R n .
Giả sử x* 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 D  Rn 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)

V ( x)  0 trong D

(2.9)

dó đó, x = 0 là ổn định. Hơn nữa nếu
V ( x)  0 trong D-{0}

(2.10)

thì x = 0 là ổn định tiệm cận.
Xem xét hệ thống không tự trị
x  f (t , x(t ))

(2.11)

Với f : 0,   D  Rn là liên tục từng phần trong t và Lipschitz cục bộ trong x
trên 0,   D  Rn , và D  Rn 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

HVTH: Lâm Thế Kiên

Trang 25