Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xây dựng thuật toán điều khiển hệ Teleoperation (single master single slave)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Giáp Thị Nghi

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ

TELEOPERATION (SINGLE MASTER SINGLE SLAVE)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên – Năm 2020

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Giáp Thị Nghi

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN HỆ TELEOPERATION (SINGLE MASTER SINGLE SLAVE)

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

MÃ SỐ: 8.52.02.16

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Đặng Ngọc Trung

Thái nguyên - Năm 2020

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Giáp Thị Nghi, tôi xin cam đoan luận văn “Xây dựng thuật toán

điều khiển hệ Teleoperation (single master single slave)” là do chính tôi thực

hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Đặng Ngọc Trung và các tài liệu tham khảo

đã trích dẫn. Nội dung trong luận văn là hoàn toàn thực tế, khách quan, trung thực

và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 01 tháng 10 năm 2020

Tác giả luận văn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Giáp Thị Nghi

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này, tôi xin được chân thành cảm

ơn đến Thầy TS. Đặng Ngọc Trung đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng

luận văn đến quá trình viết và hoàn thiện luận văn.

Cũng qua đây, tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến các thầy

giáo trong khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

đã giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận

văn. Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy cô giáo, các

đồng nghiệp trong Khoa Điện - Tự động hóa trường cao đẳng Kỹ thuật Công nghiệp

Bắc Giang đã đóng góp những ý kiến quý báu về chuyên môn, quan tâm, tạo điều

kiện thuận lợi, giúp đỡ về công việc và thời gian để tôi làm bài luận văn này.

Tuy nhiên, với nhiều khó khăn do vấn đề thời gian, kinh nghiệm và năng lực

bản thân còn nhiều hạn chế nên nội dung luận văn không tránh khỏi những sai sót.

Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của các Thầy, Cô để luận văn

này được hoàn thiện hơn.

Tác giả luận văn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Giáp Thị Nghi

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... 9

MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 12

1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 12

2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 13

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 13

4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 13

5. Kết quả .................................................................................................................. 14

6. Bố cục của luận văn ............................................................................................. 14

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THAO TÁC TỪ XA .................................. 16

1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation ............................................................. 16

1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation .......................................................................... 16

1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation ................................. 17

1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation ................................... 20

1.1.3. Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation ....................................................... 21

1.2. Tính chính xác và đồng nhất trong hệ Teleoperation (Transparency in

Teleoperation Systems) ............................................................................................. 23

1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định và chất lượng hệ Teleoperation .......... 23

1.4. Ứng dụng của hệ thao tác từ xa (Teleoperation) ................................................ 25

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

1.4.1. Thám hiểm không gian.................................................................................... 25

1.4.2. Làm việc trong môi trường độc hại ................................................................. 26

1.4.3 Phương tiện dưới nước ..................................................................................... 26

1.4.4 Kính thiên văn .................................................................................................. 27

1.4.5 Robot di động .................................................................................................. 27

1.4.6 Các ứng dụng khác của hệ thống viễn thông ................................................... 28

1.5. Tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation và đề xuất

hướng giải quyết trong luận văn ............................................................................... 29

1.6. Kết luận Chương 1 ............................................................................................. 30

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO TỪNG PHÂN

HỆ ROBOT TRONG HỆ THỐNG TELEOPERATION SMSS ........................ 31

2.1 Lý thuyết ổn định Lyapunov ............................................................................... 31

2.1.1 Định nghĩa cơ bản ............................................................................................ 31

2.1.2 Tính ổn định Lyaponov .................................................................................... 32

2.2 Ổn định của hệ thống nhiễu ................................................................................ 36

2.3. Đầu vào đến trạng thái ổn định .......................................................................... 39

2.4. Lý thuyết về thuật toán điều khiển phản hồi thụ động ....................................... 40

2.4.1. Khái niệm hệ phi tuyến thụ động .................................................................... 40

2.4.2. Những tính chất cơ bản của hệ thụ động ......................................................... 42

2.5. Động lực học Robot ........................................................................................... 43

2.5.1 Phương trình động lực học robot ..................................................................... 43

2.5.2 Động lực học robot hệ SMSS........................................................................... 50

2.5.3 Phương trình động lực học robot Master/Slave ............................................... 52

2.5.4 Động lực học môi trường ................................................................................. 56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

2.5.5 Độ trễ trên kênh truyền thông .......................................................................... 59

2.6 Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ SMSS ................................................... 61

2.6.1 Mục tiêu điều khiển .......................................................................................... 61

2.6.2 Thiết kế điều khiển ........................................................................................... 62

2.7. Kết luận Chương 2 ............................................................................................. 68

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ

TELEOPERATION SMSS VỚI TRỄ TRÊN KÊNH TRUYỀN THÔNG

THAY ĐỔI ............................................................................................................... 69

3.1 Phân tích tính ổn định của hệ Teleoperation SMSS............................................ 69

3.2 Mô phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS ........................................................... 74

3.2.1. Mô phỏng từng phân hệ Robot trong hệ thống thao tác từ xa SMSS ............. 75

3.2.2. Mô phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS ....................................................... 89

3.3. Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 97

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 98

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Danh mục các ký hiệu

thời gian trễ trên kênh truyền thông

trạng thái quỹ đạo tự do

ma trận quán tính xác định dương

ma trận criolit và lực hướng tâm

ma trận Jacobi

góc quay khớp i

khối lượng khâu i

chiều dài khâu i

mômen quán tính với tâm đi qua trọng tâm khâu i

khoảng cách từ tâm khớp đến trọng tâm khâu i

ngoại lực đặt tại khớp i

độ giảm chấn tại khớp i

mômen đầu vào các Robot

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

lực tác động lên Master do người thao tác

phản lực từ môi trường lên Slave

véc tơ lực trọng trường

mômen lực tác động lên Master do người thao tác

mômen phản lực từ môi trường lên Slave

véc tơ vận tốc góc khớp i

véc tơ gia tốc góc khớp i

các thành phần nhiễu tác động lên các khớp

các thành phần nhiễu đánh giá tác động lên các khớp

sai số đánh giá nhiễu tác động lên các Robot

sai lệch quỹ đạo

Danh mục các chữ viết tắt tiếng việt

M-M Mô hình Robot chủ

S-M Mô hình Robot tớ

BĐK Bộ điều khiển

DPOS Xử lý nhiễu Robot tớ

DPOM Xử lý nhiễu Robot chủ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

SDE Ước lượng nhiễu Robot tớ

MDE Ước lượng nhiễu Robot chủ

Danh mục các chữ viết tắt tiếng anh

SMSS Single Master Single Slave

SMMS Single Master Multiple Slaves

MSMM Multiple Masters Multiple Slaves

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ISS Input-to-state stability

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình1.1. Mô hình hệ thống Teleoperation ........................................................... 16

Hình1.2. Hệ thống Teleoperation song phương ................................................... 21

Hình1.3. Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh. ................................................... 22

Hình1.4. Minh họa cấu trúc điều khiển 4 kênh. ................................................... 22

Hình 1.5 Hình ảnh hệ thống Robot Chủ – Robot Tớ song phương trong ứng dụng

không gian ............................................................................................................ 25

Hình 1.6. Hình ảnh hệ thống Robot Chủ – Robot Tớ trong môi trường nguy hiểm26

Hình 1.7. Một dạng xe tự hành kiểu Mobile Robot ............................................. 27

Hình 2.1: Hệ hồi tiếp âm ...................................................................................... 42

Hình 2.2 Khảo sát tốc độ của vi khối lượng dm .................................................. 44

Hình 2.3 Mômen quán trính độc cực ................................................................... 46

Hình 2.4 Hệ thống điều khiển từ xa một robot master một robot slave (SMSS) . 50

Hình 2.5 Robot 2 bậc tự do dạng tay nối tiếp ...................................................... 52

Hình 2.6 Mô hình môi trường .............................................................................. 57

Hình 2.7. Mô hình thời gian trễ ............................................................................ 60

Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc của khâu ước lượng tác động của môi trường lên Robot t64

Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc ước lượng nhiễu bất định tác động lên Robot chủ ....... 66

Hình 2.10 Động lực học robot master/slave với phản hồi thụ động .................... 67

Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thao tác từ xa SMSS ......................................... 70

Hình 3.2 Robot 2 bậc tự do dạng cánh tay nối tiếp trên mặt phẳng ngang .......... 74

Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển hệ SMSS trên Matlab Simulink . 77

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.4. Khối ước lượng nhiễu tác động lên Robot tớ (S-D-E) ......................... 78

Hình 3.5. Khối xử lý nhiễu tác động lên Robot tớ (DPOS)............................ 79

Hình 3.6. Khối Slave ............................................................................................ 80

Hình 3.7. Khối điều khiển Slave...........................................................................83

Hình 3.8. Khối ước lượng nhiễu tác động lên Robot chủ (M-D-E) .................... 81

Hình 3.9. Khối xử lý nhiễu tác động lên Robot chủ (DPOM) ....................... 82

Hình 3.10. Khối điều khiển Master ...................................................................... 82

Hình 3.11. Khối Master ........................................................................................ 83

Hình 3.12. Khối người tác động trong hệ thống SMSS (Operator) ................... 85

Hình 3.13. Khối môi trường trong hệ thống SMSS (Enviroment) ..................... 85

Hình 3.14. Khối thời gian trễ biến thiên .............................................................. 85

Hình 3.15. Thành phần nhiễu dạng hình Sin ................................................... 86

Hình 3.16. Thành phần nhiễu dạng hình Sin .................................................. 86

Hình 3.17. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi chưa bù nhiễu ................................. 87

Hình 3.18. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi không bù nhiễu .............................. 87

Hình 3.19. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi đã bù nhiễu ..................................... 88

Hình 3.20. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi đã bù nhiễu ..................................... 88

Hình 3.21. Thành phần nhiễu dạng trơn ngẫu nhiên ....................................... 90

Hình 3.22. Thành phần nhiễu dạng trơn ngẫu nhiên ...................................... 90

Hình 3.23. Thành phần nhiễu dạng trơn ngẫu nhiên ..................................... 91

Hình 3.24. Thành phần nhiễu dạng trơn ngẫu nhiên ..................................... 91

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.25. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu92

Hình 3.26. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu92

Hình 3.27. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu . 93

Hình 3.28. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu . 93

Hình 3.29. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=3s ............ 94

Hình 3.30. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=3s ............ 94

Hình 3.31. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ biến thiên .... 95

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.32. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ biến thiên .... 95

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Hiện nay trong các lĩnh vực y học, quân sự, khai thác mỏ, nghệ thuật điêu

khắc gỗ... có rất nhiều các công việc mà con người không thể trực tiếp làm được

nên cần phải sử dụng đến các robot để thay thế con người làm những công việc đó.

Robot nói chung và hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation) nói riêng, giúp giải

phóng sức lao động cho con người và đảm bảo sự an toàn khi thao tác với các công

việc. Đối tượng điều khiển trong hệ thao tác từ xa là những đối tượng phức tạp, phi

tuyến và chịu tác động của nhiều yếu tố bất định. Các yếu tố nhiễu cũng như ảnh

hưởng của thời gian trễ trên kênh truyền thông dễ gây mất ổn định hệ thống. Tất cả

những yếu tố đó gây khó khăn trong việc tổng hợp các luật điều khiển cho hệ. Cùng

với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật, các nghiên cứu cho hệ thao tác từ xa

cũng ngày một hoàn thiện hơn với các phương pháp điều khiển đã được ứng dụng

như: điều khiển PID, điều khiển thụ động, điều khiển thụ động kết hợp Scattering,

điều khiển trượt, điều khiển dự báo…[1], [5], [6], [7], [26]. Nhìn chung các nghiên

cứu trước đây đều đưa ra giải pháp xây dựng bộ điều khiển cho Robot chủ và Robot

tớ hoàn toàn giống nhau do chưa quan tâm đến chức năng và nhiệm vụ riêng của

từng Robot trong hệ thống, đồng thời các thuật toán đã đề xuất chưa thực sự đáp

ứng được các yêu cầu về kỹ thuật điều khiển đối với hệ thao tác từ xa. Cụ thể chưa

xét đến các ảnh hưởng đồng thời từ các yếu tố như: mô hình động học phi tuyến bất

định của Robot chủ và Robot tớ; nhiễu tác động lên hệ, trễ trên kênh truyền cũng

như các điều kiện ràng buộc thực tế của hệ…nên bài toán ổn định cũng như chất

lượng của hệ còn nhiều vấn đề cần quan tâm nghiên cứu. Thực tế đặt ra cho thấy rất

cần xây dựng các cấu trúc điều khiển đảm bảo cho hệ thống có khả năng kháng

nhiễu, tính bền vững và chịu được hiệu ứng trễ của đường truyền. Do đó việc phân

tích tính đặc thù, những khó khăn khi tổng hợp hệ thống thao tác từ xa và nghiên

cứu lý thuyết điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ là vấn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

đề bức thiết giúp cho hệ thống mở rộng hơn nữa các ứng dụng trong thực tế. Chính

vì vậy luận văn tập trung xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ Teleoperation có kể

đến đồng thời các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định cũng như chất lượng hệ thống

đã đề cập ở trên.

Vì vậy, dưới sự định hướng của thầy hướng dẫn, em xin lựa chọn đề tài “Xây

dựng thuật toán điều khiển hệ Teleoperartion (Single Master Single Slave)” làm

đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu và xây dựng bộ điều khiển hệ thao tác từ xa một chủ một tớ

(Teleoperation-SMSS), đảm bảo: Điều khiển bám chính xác quỹ đạo giữa Robot

chủ và Robot tớ. Người điều khiển có được cảm giác thực về những thao tác của

Robot tớ cả về vị trí cũng như lực tương tác với môi trường thông qua Robot chủ.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là: Nghiên cứu về hệ thao tác từ xa nói chung và đi

sâu vào hệ thống thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS) với trễ trên

kênh truyền thông thay đổi.

Về phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tính đặc thù và những khó khăn khi

tổng hợp hệ thống thao tác từ xa, từ đó đề xuất cấu trúc và phương pháp điều khiển

đảm bảo ổn định cho hệ Teleoperation – SMSS, trong đó Robot chủ và Robot tớ có

cấu hình giống nhau.

4. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu và nghiên cứu các công trình đã

công bố trong và ngoài nước trên thế giới, kết hợp nghiên cứu lý thuyết về điều

khiển phi tuyến nhằm tìm ra thuật toán mới điều khiển hệ Teleoperation SMSS.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng.

5. Kết quả

- Trình bày được phương pháp đánh giá nhiễu và tác động của môi trường

lên Robot chủ và Robot tớ; đưa ra giải pháp bù trừ nhiễu và tác động bên ngoài lên

hệ thống.

- Đề xuất được cấu trúc điều khiển cho hệ thao tác từ xa một chủ một tớ và

chứng minh được điều kiện đủ để toàn bộ hệ thống ổn định đáp ứng các yêu cầu đặt

ra đối với hệ thao tác từ xa dưới tác động của nhiễu thay đổi từ bên ngoài và tồn tại

hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông.

6. Bố cục của luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu, 3 chương chính, phần kết luận và tài liệu tham

khảo. Bố cục được trình bày như sau:

Phần mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết và hướng nghiên cứu

chính.

Chương 1. Tổng quan về hệ thao tác từ xa (Teleoperation)

Chương này nghiên cứu tổng quan về hệ thống thao tác từ xa

(Teleoperation), thống kê và phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp điều

khiển hiện đại; các cấu trúc điều khiển đã được áp dụng cho hệ thao tác từ xa một

chủ một tớ (Teleoperation-SMSS) trong các nghiên cứu trước đây. Nêu ra tính đặc

thù và khó khăn khi tổng hợp hệ thống thao tác từ xa, từ đó đề xuất giải pháp xây

dựng thuật toán điều khiển phù hợp với các đặc điểm của các phân hệ Robot trong

hệ thao tác từ xa một chủ một tớ.

Chương 2. Xây dựng thuật toán điều khiển cho từng phân hệ Robot

trong hệ thống Teleoperation SMSS

Chương này xây dựng cấu trúc điều khiển cho các phân hệ Robot trong hệ

thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) cụ thể như sau: thứ nhất đề xuất thuật

toán ước lượng nhiễu và tác động của môi trường lên Robot, từ đó làm cơ sở tổng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững kháng nhiễu cho từng phân hệ Robot. Thông

qua chứng minh chặt chẽ cho phép khẳng định được tính đúng đắn của cấu trúc điều

khiển của từng phân hệ Robot.

Chương 3. Tổng hợp cấu trúc điều khiển cho hệ Teleoperation SMSS với

trễ trên kênh truyền thông thay đổi

Trên cơ sở đã thu được cấu trúc điều khiển từng phân hệ Robot độc lập, tổng

hợp hệ thống Teleoperation SMSS với trễ trên kênh truyền thông thay đổi, đảm bảo

hệ thống ổn định thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật của hệ Teleoperation. Thông qua

kết quả mô phỏng trên Matlab simulink sẽ kiểm chứng được tính đúng đắn của

thuật toán điều khiển cũng như cấu trúc điều khiển đã được đề xuất.

Phần kết luận: Tóm tắt các kết quả đạt được, tồn tại và hướng phát triển tiếp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

theo của đề tài.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THAO TÁC TỪ XA

1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation

1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation [1]

Teleoperation là một hệ thống điều khiển có sự tương tác ở khoảng cách xa.

Giống như một hệ thống “điều khiển từ xa”. Teleoperation bao gồm một hệ thống

chủ động, gọi là “Master” và một hệ thống phụ thuộc gọi là “Slave”. Ở đây tín hiệu

điều khiển được gửi đến hệ “Slave” thông qua hệ “Master”.

Hệ Teleoperation có thể được điều khiển theo kiểu hệ hở hoặc hệ kín. Trong

hệ hở, không có tín hiệu phản hồi từ hệ “Slave” về hệ “Master”[1]. Trong hệ kín, tín

hiệu phản hồi được truyền ngược từ hệ “Slave” về hệ “Master”, những tín hiệu phản

hồi có thể là về vị trí, vận tốc, gia tốc của robot, lực tương tác với môi trường làm

việc và thậm chí là hình ảnh, âm thanh, nhiệt độ… tại khu vực làm việc trong hệ

[2].

Trên hình 1.1 biểu diễn mô hình cơ bản của một hệ thống Teleoperation có

phản hồi.

Người thao tác

Môi trường làm

việc

Trễ T

Trễ T

Slave và Bộ điều khiển Slave

Master và Bộ điều khiển Master

Kênh truyền thông 1

Hình1.1. Mô hình hệ thống Teleoperation

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Trong Teleoperation này, Robot Master (nhận thao tác từ con người và đóng

vai trò điều khiển) và các robot Slave (nhận lệnh điều khiển từ Master và thao tác

công việc với môi trường) ngoài ra để trao đổi thông tin còn có hệ thống truyền

thông (Communication chanel) với nhiều giao thức khác nhau (mạng internet, qua

hệ thống dây truyền dẫn, hệ thống không dây wireless…) thực hiện nhiệm vụ

truyền thông tin giữa hai phía. Quá trình truyền dữ liệu giữa robot master và robot

slave có hiện tượng trễ trong 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. Vì thế khi thiết kế hệ thống phải chú ý

tính toán ảnh hưởng của sai lệch do trễ truyền thông gây ra. Ngoài ra phản lực phản

hồi (FR - Force Reflection) xuất hiện khi Robot tớ tương tác với môi trường làm

việc ảnh hưởng lớn tới hệ thống, tín hiệu này có thể được xác định tại phía Robot tớ

thông qua cảm biến lực hoặc các bộ quan sát và từ đó có phương án bù trừ trực tiếp

ảnh hưởng của FR tới sự sai lệch về vị trí và tính ổn định làm việc của Robot tớ

thông qua bộ điều khiển phía Robot tớ hoặc có thể kết hợp gửi về phía Robot chủ và

thông qua bộ điều khiển phía Robot chủ để hiệu chỉnh sai số sau đó gửi tín hiệu

điều khiển sang Robot tớ. Nếu không thể điều khiển, phản lực này có thể gây nguy

hiểm khi thực hiện các tác vụ. Việc điều khiển lực là một trong những vấn đề khó

khăn nhất khi thực hiện bài toán điều khiển hệ Teleoperation. Thông qua hệ

Teleoperation có thể cho ta cảm nhận được chính xác về lực tại Robot chủ khi xảy

ra tương tác giữa Robot tớ với môi trường.

Căn cứ theo số lượng rô bốt, hệ thống teleoperation được chia ra làm ba loại

chính đó là: hệ SMSS (một thiết bị master + một thiết bị slave), hệ MMMS (nhiều

thiết bị master + nhiều thiết bị slave) và hệ SMMS (một thiết bị master + nhiều thiết

bị slave).

1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation

Hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz từ nửa đầu thập

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

niên 40, hệ Teleoperation đã có những bước tiến từ các yếu tố ảnh hưởng qua lại

giữa người vận hành, môi trường làm việc và các Robot cho tới việc đề xuất các

thuật toán điều khiển liên quan. Đến nửa đầu của thập niên 60 Ferrell và Sheridan

bắt đầu có những định hướng trong việc nghiên cứu hệ Teleoperation có kể đến ảnh

hưởng của trễ trong việc truyền thông tin qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ.

Những năm tiếp theo từ 1967 đến 1989 nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm

đến sự thay đổi và mất mát về thông tin truyền đạt trên kênh truyền thông do vấn đề

trễ gây ra [8]. Từ nửa đầu thập niên 1980 các thuật toán điều khiển tiên tiến cho hệ

Teleoperation đã bắt đầu xuất hiện, như các lý thuyết điều khiển Lyapunov hay mô

hình nội. Trong một số bài báo, sự có mặt của tính bất định động lực học tay người

vận hành, môi trường và sự tồn tại thời gian trễ có thể làm cho hệ Teleoperation mất

ổn định [8], [9] kết Hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz từ

nửa đầu thập niên 40, hệ Teleoperation đã có những bước tiến từ các yếu tố ảnh

hưởng qua lại giữa người vận hành, môi trường làm việc và các Robot cho tới việc

đề xuất các thuật toán điều khiển liên quan. Đến nửa đầu của thập niên 60 Ferrell và

Sheridan bắt đầu có những định hướng trong việc nghiên cứu hệ Teleoperation có

kể đến ảnh hưởng của trễ trong việc quả cho thấy sự xung đột xảy ra giữa chất

lượng và tính ổn định của hệ thống [10]. Hầu hết các nghiên cứu trên vẫn chưa cho

được kết quả thỏa đáng chính xác về vị trí và lực tương tác giữa Robot chủ và

Robot tớ khi có trễ và đặc biệt cũng chưa kể đến ảnh hưởng của các nhiễu tác động

lên hệ thống, đó là các yếu tố làm mất ổn định hệ thống và làm giảm chất lượng

điều khiển. Sau này các nghiên cứu dần hoàn thiện trên cơ sở các thuật toán trước

đây trong điều khiển cho hệ Teleoperation, chủ yếu tập trung vào bài toán điều

khiển bền vững, tuy nhiên cũng chỉ quan tâm đến bài toán ổn định trong hệ

Teleoperation mà chưa quan tâm nhiều đến chất lượng của hệ thống như:

Đồng bộ hóa hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số, kết

hợp điều khiển thụ động và điều khiển thích nghi cho hệ nhưng không xét đến các

yếu tố nhiễu, lực ma sát, chất lượng hệ khi phía Slave va chạm với môi trường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

không thật sự thỏa mãn [8].

Thiết kế bộ điều khiển mờ theo tiêu chuẩn bền vững H∞ cho hệ

Teleoperation với trễ truyền thông thay đổi, ở đây bỏ qua nhiễu và ma sát, chỉ quan

tâm đến điều khiển vị trí chưa quan tâm đến điều khiển lực [11].

Chiến lược điều khiển thích nghi bền vững với trễ truyền thông là hằng số,

chỉ xét đến sự ổn định về lực của hệ thống, không xét đến quỹ đạo chuyển động và

đánh giá chất lượng điều khiển, không kể đến các yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường

và lực ma sát [12].

Điều khiển thụ động với kiến trúc 4 kênh cho hệ Teleoperation với trễ hằng

số (trễ = 1s) đã quan tâm đến bài toán chất lượng và bài toán ổn định, điều khiển cả

vị trí và lực, tuy nhiên không xét đến nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát [13].

Phương pháp khảo sát hệ thao tác từ xa trên cơ sở sử dụng các hệ điều khiển

thích nghi cục bộ cho Robot chủ và Robot tớ, nhằm hạn chế ảnh hưởng tính phi

tuyến của hệ thống được đề xuất trong [14]. Tác giả Nuno cùng các cộng sự [17] đã

giới thiệu hàm tựa Lyapunov và khảo sát tính ổn định của hệ thao tác từ xa, có chú

ý đến tính phi tuyến và trễ, trong đó không sử dụng phương pháp đo lực. Tuy nhiên

các hệ thao tác từ xa theo phương pháp đó vẫn chưa có tính kháng nhiễu tốt.

Trong [16] đề xuất bộ điều khiển thích nghi để hạn chế bớt ảnh hưởng không

tốt của tính phi tuyến bất định,. Tuy vậy các công trình này hầu như không bàn đến

trễ kênh truyền thông [18] hoặc có xét đến trễ (T300ms) nhưng chất lượng điều

khiển quỹ đạo còn hạn chế [16]. Trong [19] đã giới thiệu bộ điều khiển được tổng

hợp dựa trên LMI áp dụng cho hệ thao tác từ xa. Tuy bộ điều khiển này có thể làm

cho hệ ổn định khi tồn tại thời gian trễ và bất định, song mô hình động học của hệ

được sử dụng trong quá trình thiết kế bộ điều khiển là mô hình tuyến tính. Vì vậy

khi áp dụng vào thực tế cho các Teleoperation, bộ điều khiển nói trên sẽ không phát

huy được hiệu quả tốt, bởi các hệ Teleoperation là các hệ phi tuyến mạnh.

Liên quan đến sự kết hợp giữa điều khiển thích nghi và mạng nơ ron cho các

hệ Teleoperation là công trình của Zhijun Li và cộng sự [20]. Luật điều khiển thích

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

nghi có tính đến tính chất thay đổi ngẫu nhiên của thời gian trễ trên kênh truyền

thông, trong đó thời gian trễ theo hai chiều có giá trị khác nhau. Tuy nhiên hạn chế

ở đây là luật điều khiển vẫn được xây dựng dựa trên mô hình tuyến tính hóa của

Robot chủ và Robot tớ. Để tạo ra khả năng kháng nhiễu, đặc biệt là các nhiễu bất

định, không đo được vấn đề đặt ra là phải nhận dạng, đánh giá được nhiễu. Một bộ

quan sát nhiễu cho hệ thao tác từ xa đã được đề xuất trong [20]. Tuy nhiên bộ quan

sát này chỉ áp dụng được cho trường hợp Robot chỉ có một bậc tự do (DOF), trong

đó mô hình động học đã được tuyến tính hóa.

Chiến lược điều khiển tách hai kênh vị trí và lực dựa trên bộ nhận dạng nhiễu

đã được nhóm tác giả T. Nozaki, T. Mizoguchi và K. Ohnishi đề xuất (2014) [21].

Bộ điều khiển theo chiến lược đề xuất ở đây chỉ cho phép giảm thiểu ảnh hưởng lẫn

nhau giữa các kênh. Tuy nhiên nhiễu bất định từ môi trường bên ngoài tác động lên

hệ thống chưa được nhận dạng và không được bù trừ.

Trong nghiên cứu gần đây nhất năm 2019 [22] các tác giả đã tìm đến giải

pháp điều khiển trượt, tuy nhiên với cách thức sử dụng mặt trượt như một biến phụ

để hạ bậc phương trình động lực của robot, đồng thời sử dụng thuật toán ước lượng

nhiễu bất định ảnh hưởng đến hệ thống. Với phương pháp điều khiển này thì thuật

toán sử dụng khá phức tạp gây hiệu ứng trễ không mong muốn đến hệ thống.

1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation

Nhìn chung các nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation nói chung và hệ

Teleoperation SMSS nói riêng cho đến nay vẫn còn rất hạn chế, trong đó việc tổng

hợp bộ điều khiển cho hệ hầu hết đều không xét đến các yếu tố ảnh hưởng của môi

trường, ma sát, gia tốc trọng trường…tác động lên hệ [1], [3].

Teleoperation đến nay vẫn là một lĩnh vực vẫn còn nhiều điều mới mẻ cho

nhiều học thuyết khám phá và ứng dụng ở Việt Nam. Mà ở đó tập trung chủ yếu vào

điều khiển vị trí gắn với các vấn đề như nhiễu môi trường, trễ truyền thông và mất

mát thông tin trong quá trình điều khiển.

Từ những phân tích trên đây ta có thể thấy rằng việc xây dựng các bộ điều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

khiển đảm bảo chất lượng cao cho hệ Teleoperation SMSS kể cả trong và ngoài

nước vẫn còn nhiều vấn đề chưa thực sự được giải quyết thỏa đáng, đang thực sự là

vấn đề cấp thiết thu hút được sự quan tâm của giới khoa học.

1.1.3. Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation

Cùng với sự phát triển về khoa học kỹ thuật, số lượng kênh truyền thông

cũng ngày một được cải tiến nâng lên có thể là hai kênh, ba kênh, hoặc bốn kênh

[23]. Số lượng kênh truyền thông phụ thuộc vào số lượng và loại tín hiệu cần truyền

đạt qua lại từ hai phía Robot chủ và Robot tớ mà mỗi bài toán điều khiển hệ

Teleoperation yêu cầu đặt ra tương ứng, nhưng nhìn chung tối thiểu là hai kênh.

 Cấu trúc điều khiển hai kênh (Two-Channel Architecture): Trong cấu trúc

này loại tín hiệu được gửi từ Robot chủ tới Robot tớ và ngược lại thường là

lực hoặc vị trí. Có một số giải pháp cho cấu trúc hai kênh điều khiển như sau:

- Cấu trúc điều khiển vị trí – vị trí (Position-Position Control Architecture):

Trong cấu trúc này tín hiệu từ hai phía Robot chủ và Robot tớ gửi đến nhau

là tín hiệu vị trí, cấu trúc này lần đầu tiên được Goertz sử dụng vào những

năm của thập niên 1950 [23].

- Cấu trúc điều khiển lực – vị trí (Force-Position Control Architecture):

Trường hợp này thì chỉ duy nhất lực tương tác giữa Robot tớ với môi trường

được truyền về Robot chủ và phía Robot tớ nhận tín hiệu vị trí từ Robot chủ

Hình1.2. Hệ thống Teleoperation song phương.

gửi đến [24].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Cấu trúc điều khiển lực – lực (Force-Force Control Architecture):

Cấu trúc này lần đầu tiên được đề xuất bởi Kazerooni, Tsay và Hollerbach

[25]. Ở đây, chỉ duy nhất tín hiệu về lực được gửi qua lại giữa hai phía Robot chủ

và Robot tớ. Sự hạn chế của phương pháp này là thiếu sự phối hợp về tín hiệu vị trí

giữa hai phía, do vậy chất lượng về quỹ đạo điều khiển không cao.

Hình1.3. Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh.

 Cấu trúc điều khiển bốn kênh (Four-Channel Architecture):

Yokokohji và Yoshikava [27] nhận thấy rằng để đạt được tính chính xác và

kịp thời đó thì trong các mạch vòng phản hồi cần phải tồn tại sự phản hồi cả về gia

tốc và lực cho cả phía Robot chủ và phía Robot tớ. Vì thế sự kết hợp các kênh điều

khiển với nhiều loại tín hiệu phản hồi về ở cả hai phía của hệ Teleoperation sẽ đảm

Hình1.4. Minh họa cấu trúc điều khiển 4 kênh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

bảo được chất lượng hệ thống tốt hơn.

1.2. Tính chính xác và đồng nhất trong hệ Teleoperation (Transparency in

Teleoperation Systems)

Một hệ Teleoperation được gọi là chất lượng cao nếu đảm bảo được tính

chính xác và đồng nhất về các yếu tố: đồng biên, đồng dạng cho tất cả các loại tín

hiệu như: vị trí, vận tốc, gia tốc, lực…gửi từ Robot chủ đến Robot tớ và ngược lại.

Khi mà hệ Teleoperation thỏa mãn được tất cả các yếu tố trên thì sẽ đảm bảo được

bài toán điều khiển vị trí chính xác cũng như giúp người thao tác phía Robot chủ có

được những cảm nhận thật về giác quan giống như đang thao tác trực tiếp trên

Robot tớ với môi trường kể cả về quỹ đạo, vận tốc cũng như lực tương tác [26]. Do

vậy ngoài việc nghiên cứu đến bài toán ổn định cho hệ Teleoperation thì cần tập

trung nâng cao chất lượng cho hệ để đảm bảo được các yếu tố về kỹ thuật đã nêu

trên.

1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định và chất lượng hệ Teleoperation

 Trễ trên kênh truyền thông (Time Delay):

Trễ trên kênh truyền thông là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng

trực tiếp đến tính ổn định và chất lượng của hệ thống [28]. Trong một số nghiên cứu

trễ truyền thông được xem như là nhiễu tác động lên hệ thống [13], tuy nhiên điều

đó không đúng với thực tế, không phản ánh đúng bản chất vật lý của thời gian trễ

đến tính ổn định và chất lượng hệ thống.

Trễ trên kênh truyền thông là hằng số và mỗi kênh đảm nhiệm việc truyền

một tín hiệu điều khiển thì không làm thay đổi về dạng của tín hiệu, nhưng lại làm

cho đáp ứng từ phía Robot chủ tới Robot tớ không còn kịp thời và ảnh hưởng đến

bài toán điều khiển quỹ đạo, khiến cho quỹ đạo giữa Robot chủ và Robot tớ không

còn đồng nhất.

Trường hợp thời gian trễ trên kênh truyền thông thay đổi hoặc chỉ có một

kênh truyền thông duy nhất dùng chung cho nhiều tín hiệu điều khiển cùng lúc thì

khi đó bài toán giải quyết về trễ trên kênh truyền thông không đơn giản. Chỉ với

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

khoảng thời gian 50ms có thể làm cho hệ thống mất ổn định và mất khả năng cảm

giác thực với môi trường [29]. Gần đây, với công nghệ internet được ứng dụng làm

tăng tốc độ trên kênh truyền thông, tuy nhiên lại có hạn chế là gây ra các vấn đề làm

cho thời gian trễ trên kênh truyền thông thay đổi, đồng thời thời gian rời rạc tín hiệu

trên kênh truyền thông sẽ khiến cho sự mất mát về thông tin truyền đạt từ hai phía

trong hệ Teleoperation [30]. Một trong những tác giả đầu tiên quan tâm đến trễ trên

kênh truyền thông là Ferrel in 1964 [15] đã đề xuất chiến lược điều khiển “move

and wait”, sau đó một số nghiên cứu lớn hơn đã được đưa ra cho vấn đề trễ trong hệ

này. Tuy nhiên tất cả các thuật toán đề xuất trên mới chỉ phù hợp với thời gian trễ

truyền thông rất ngắn [23]. Vì vậy sẽ không phù hợp cho các hệ Teleoperation có

khoảng cách xa. Trong các nghiên cứu [28] sử dụng thuật toán sliding mode, tuy

nhiên xây dựng thuật toán điều khiển với giả thiết động lực học của Robot trong hệ

là tuyến tính, không bàn đến ảnh hưởng của hiệu ứng “chattering” và xem trễ trên

kênh truyền thông như một yếu tố bất định tồn tại trong hệ thống. Với việc sử dụng

bộ điều khiển trượt thì tính bền vững của hệ thống có khả năng kháng lại tính bất

định của hệ thống, tuy nhiên trễ xử lý theo cách này không thỏa đáng. Ngoài ra một

số nghiên cứu [24] đi tìm những thuật toán tối ưu để đảm bảo cho cả hai chỉ tiêu ổn

định hệ thống và chất lượng hệ thống mà nguyên nhân chính làm cho tính ổn định

và chất lượng giảm là do trễ truyền thông gây ra.

 Nhiễu và các ngoại lực bên ngoài tác động lên hệ:

Trong điều khiển Robot nói chung và trong hệ Teleoperation nói riêng tất cả

các ảnh hưởng của nhiễu nội và ngoại lực bên ngoài tác động lên Robot cuối cùng

đều gây lên những ảnh hưởng về mô men tại các khớp của Robot [9], [26]. Vì vậy

việc xây dựng các bộ quan sát để ước lượng được các thành phần nhiễu và ngoại lực

đó là vấn đề đã và đang được quan tâm như trong [1], từ đó bù trừ sự ảnh hưởng của

chúng lên Robot là vấn đề quan trọng cần xem xét trong việc thiết kế hệ điều khiển

cho Robot nói riêng và hệ Teleoperation nói chung. Các nhiễu tồn tại trong Robot

bao gồm:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Mô men sinh ra bởi lực ma sát tồn tại trong các bộ phận truyền động.

- Mô men sinh ra do ngoại lực tác động từ bên ngoài khi va chạm với môi

trường tại điểm cuối của khâu chấp hành trên Robot.

- Mô men sinh ra do tính ỳ của Roto động cơ tại các khớp của Robot.

- Mô men sinh ra bởi gia tốc trọng trường tác động lên các khớp của Robot khi

mang tải theo các phương khác nhau…

- Tính cứng/đàn hồi của vật liệu cấu thành cánh tay Robot.

- Ảnh hưởng sai số của các cảm biến đo dòng, áp, gia tốc, vận tốc…

1.4. Ứng dụng của hệ thao tác từ xa (Teleoperation)

Kỹ thuật Robot đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ở

nhiều nước, nó đã đem lại hiệu quả to lớn trong sản xuất công nghiệp, trong quốc

phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ...

Dưới đây là một số ứng dụng điển hình của hệ thống này.

1.4.1. Thám hiểm không gian

Thám hiểm không gian và vận hành trên các quỹ đạo không đồng bộ đòi hỏi

phải sử dụng robot viễn thông giúp giảm chi phí lắp ráp, bảo trì và sửa chữa trong

Hình 1.5 Hình ảnh hệ thống Robot Chủ – Robot Tớ song phương trong ứng dụng không gian

không gian và mặt khác làm giảm rủi ro trong an toàn của phi hành gia.

Trong các phi thuyền không gian, một chương trình telerobotic không gian

thành công là Mars Viking Pro- gram, đã thực hiện các thí nghiệm khoa học trên bề

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

mặt sao Hỏa. Người cai trị có lẽ là nhà thám hiểm không gian được biết đến nhiều

nhất, sau khi thực hiện thành công nhiệm vụ của NASA trên con đường Sao Hỏa

(ngày 4 tháng 7 năm 1997).

Hình 1.6. Hình ảnh hệ thống Robot Chủ – Robot Tớ trong môi trường nguy hiểm

1.4.2. Làm việc trong môi trường độc hại

Telerobotics được áp dụng trong môi trường nguy hiểm (hạt nhân, hóa học,

khu vực nhiệt độ cao, ứng dụng quân sự) cho nhiều nhiệm vụ như: xử lý trực tiếp

chất phóng xạ hoặc vật liệu hóa học, dọn dẹp / xử lý chất thải, kiểm tra nhà máy, xử

lý đạn dược... các máy móc rất chuyên dụng (ví dụ xử lý vật liệu hạt nhân hoặc hóa

học) thường chỉ yêu cầu sự giám sát của con người đối với các thiết bị được phóng

xạ hoàn toàn (trong các hoạt động dọn dẹp nơi môi trường thường ít cấu trúc hơn).

• Độ tin cậy là một trong những yêu cầu chính, vì thiết bị thường phải hoạt

động trong khu vực bị ô nhiễm / nguy hiểm trong thời gian dài.

• Gặp phải sự cố công nghệ đáng kể do bức xạ và nhiệt độ cao.

Một ứng dụng gần đây đã xuất hiện trong Wang và Yuan (2004) để phát hiện

rò rỉ các chất phóng xạ bịt kín.

1.4.3 Phương tiện dưới nước

Trong những năm 1970 và 1980, một trong những ứng dụng chính của viễn

thông là trên các phương tiện dưới nước không người lái để thăm dò khoa học hoặc

ứng dụng quân sự: 1966 - ứng dụng quân sự thành công đầu tiên của máy điều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

khiển từ xa; Tàu USV CURV của Hải quân Hoa Kỳ đã thành công được sử dụng

đầy đủ để lấy một quả bom hạt nhân từ đại dương. Những năm 1980 sử dụng rộng

rãi ROV (Phương tiện vận hành từ xa) cho các hoạt động trên bờ cho ngành dầu khí.

Hiện tại, telerobotics dưới nước chủ yếu được sử dụng cho các hoạt động

kinh doanh, nhiệm vụ quân sự và các cuộc thám hiểm khoa học.

1.4.4 Kính thiên văn

Viễn thông đã tìm thấy những mảnh đất màu mỡ trong các ứng dụng y tế như

phẫu thuật viễn thám. Kính viễn vọng cho phép trao đổi chuyên môn y tế trên toàn

thế giới. Tại thời điểm này, có một mối quan tâm có liên quan trong việc áp dụng

viễn thông các thiết bị trong hoạt động vi phẫu, ví dụ: phẫu thuật mắt, nơi có những

cử động chính xác nhỏ cần thiết Các chuyển động của toán tử được thu nhỏ lại theo

cơ chế sao cho Các hoạt động có thể được thực hiện trong khi vẫn duy trì khả năng

ngoại cảm phù hợp. Khác lớp quan trọng của quá trình phẫu thuật bao gồm cái gọi

là thủ tục xâm lấn tối thiểu.

Telemanipulation có thể được sử dụng trong các hoạt động phẫu thuật cho:

- Phẫu thuật từ xa (militar, ...),

- Cải thiện hiệu suất cho hoạt động trình bày các vấn đề không gian cho bác

sĩ phẫu thuật (tốt hơn và kết quả ít phá hủy hơn)

- Cải thiện tầm với, thao tác, tầm nhìn và cái nhìn sâu sắc trên cơ thể bệnh nhân.

Hình 1.7. Một dạng xe tự hành kiểu Mobile Robot

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

1.4.5 Robot di động

Robot di động gần đây đã nổi lên như một ứng dụng mới của viễn thông

song phương. Khi hoạt động ở một địa điểm xa, robot di động sẽ gửi phản hồi trực

quan tới toán tử con người cho phép con người đánh giá môi trường xung quanh và

đưa ra cách khắc phục chỉ huy. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi băng thông cao để

truyền dữ liệu trực quan theo thời gian thực đến nhà điều hành, bên cạnh thực tế là

máy ảnh có góc nhìn hạn chế. Điều này thật sự cần thiết phải gửi thêm tín hiệu phản

hồi lực cho người vận hành cho phép họ cảm nhận được xung quanh robot di động

và giảm nhu cầu phản hồi hình ảnh chất lượng cao.

1.4.6 Các ứng dụng khác của hệ thống viễn thông

• Thực tế mở rộng và tầm nhìn âm thanh nổi

Thực tế mở rộng có nghĩa là tăng cường dữ liệu được cung cấp cho nhà điều

hành, cố gắng cung cấp với thông tin đầy đủ và chung hơn của những người có thể

trực tiếp. Ngoài ra dữ liệu trực quan có thể được quan sát bình thường, những thông

tin này cũng bao gồm bất kỳ hình thức nào dữ liệu làm tăng nhận thức của người

dùng về môi trường, bao gồm cả tiền xử lý cảnh video, sử dụng tầm nhìn hoạt động

hoặc âm thanh nổi, hình ảnh đồ họa và các công cụ ảo.

• Bảo vệ

Các ứng dụng trong lĩnh vực này nhằm mục đích sử dụng các thiết bị

telerobotic để bảo vệ con người. Hầu hết các hệ thống được sử dụng trong lĩnh vực

này là các thiết bị viễn thông vì các tác vụ này yêu cầu khả năng quyết định và mức

độ thông minh không thể có cho máy móc hiện nay. Trong lĩnh vực an ninh, robot

có thể được sử dụng để tuần tra các tòa nhà (ví dụ: các nhà máy) và cho mục đích

bảo vệ. Ngoài ra dân quân thông qua viễn thông, chủ yếu cho xác định vị trí kẻ thù

hoặc thiết bị nguy hiểm mà không gây rủi ro trực tiếp cho nhân viên.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

• Đào tạo và mô phỏng về telerobotics

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

lẽ, phổ biến nhất ví dụ là các trình mô phỏng ghight, được sử dụng để đào tạo phi

công.

1.5. Tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation và đề xuất

hướng giải quyết trong luận văn

 Tính đặc thù và khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation [1]:

Hầu hết các thành phần nhiễu đều không đo được vì thế cần phải xây dựng

phương pháp để đánh giá thành các phần nhiễu trên.

Tác động của môi trường thay đổi theo quy luật không biết trước trong dải

rộng, phải ước lượng được các tác động này và thuật toán điều khiển phải xử lý

được các tác động này một cách hiệu quả mới đảm bảo được chất lượng điều khiển.

Như vậy,cần phải xây dựng bộ điều khiển thích nghi kháng nhiễu mới có thể giảm

thiểu ảnh hưởng của sự tương tác của môi trường và nhiễu nội lên chất lượng hệ

thống. Bên cạnh đó cũng cần quan tâm đến giải pháp đảm bảo cho người thao tác

có được cảm nhận thực về tác động của môi trường lên Robot tớ thông qua Robot

chủ, để từ đó người thao tác đưa ra quyết định vận hành chính xác hơn.

- Robot chủ và Robot tớ đều là các đối tượng phi tuyến bất định, cần điều

khiển đồng thời Robot chủ và Robot tớ, trong đó Robot tớ phải bám theo quỹ đạo

(véc tơ vị trí) của Robot chủ; ngược lại Robot chủ cũng vừa phải bám theo quỹ đạo

của Robot tớ, lại vừa phải tạo ra quỹ đạo theo chủ ý của người thao tác. Để giải

quyết vấn đề điều khiển cho đối tượng phi tuyến bất định với những yêu cầu đặc thù

như vậy, luận văn đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển theo thuật toán

phản hồi thụ động và thông qua chứng minh để cho thấy tính ổn định của hệ thống

khi sử dụng thuật toán đề suất.

- Trong hệ thống tồn tại hiệu ứng trễ với thời gian trễ T và đặc biệt là trễ

thay đổi do kênh truyền thông gây nên. Điều này càng làm cho bài toán điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

phức tạp thêm.

 Đề xuất hướng nghiên cứu giải quyết:

Để đạt được các mục tiêu như trên luận văn cần giải quyết các vấn đề sau:

- Ước lượng các thành phần nhiễu nội và tác động của môi trường lên Robot

chủ/Robot tớ;

- Tổng hợp bộ điều khiển bền vững thích nghi kháng nhiễu sử dụng thuật

toán phản hồi thụ động cho từng phân hệ Robot ;

- Tổng hợp hệ thống thao tác từ xa bền vững thích nghi kháng nhiễu với trễ

trên kênh truyền thông thay đổi đảm bảo tính ổn định cũng như chất lượng của hệ

thống đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của hệ thao tác từ xa như: điều khiển quỹ

đạo Robot tớ bám chính xác theo quỹ đạo Robot chủ và đem lại cho người thao tác

có cảm nhận thật về sự tương tác giữa phía Robot tớ với môi trường cũng như giám

sát được các tác vụ mà Robot tớ đã thực hiện được.

1.6. Kết luận Chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation)

bao gồm cấu trúc, phân loại, các đặc điểm và yêu cầu về chất lượng điều khiển của

một hệ thống Teleoperation. Điểm lại một số kỹ thuật điều khiển hệ thống thao tác

từ xa đã được công bố trên tạp chí khoa học trên thế giới và trong nước. Đã chỉ ra

những vấn đề còn tồn tại chưa được giải quyết thỏa đáng cũng như nêu lên những

đặc thù và khó khăn khi tổng hợp điều khiển hệ thống Teleoperation đảm bảo được

các yêu cầu về kỹ thuật điều khiển. Từ đó đã nêu rõ tính bức thiết của luận văn cần

giải quyết, xác định rõ mục tiêu cần đạt được, đề xuất được thuật toán đảm bảo giải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

quyết được các mục tiêu của luận văn.

CHƯƠNG 2

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO TỪNG PHÂN HỆ

ROBOT TRONG HỆ THỐNG TELEOPERATION SMSS

2.1 Lý thuyết ổn định Lyapunov [4], [26]

2.1.1 Định nghĩa cơ bản

Chuẩn xuyên suốt luận văn này là chuẩn vector ơclit và được ký hiệu .

Trong khi đối với ma trận, là chuẩn phát sinh được ký hiệu 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).

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

định dương.

Bổ đề 2.1 (Johnson 1990) nếu và là các ma trận nửa xác

định dương và , thì ma trận khối đối xứng:

(2.1)

là nửa xác định dương nếu và chỉ nếu tồn tại ma trận sao cho

Nếu L và m là xác định dương, tiêu chuẩn này tương đương với

(2.2)

Hơn nữa XLM là xác dịnh dương nếu và chỉ nếu L và M là xác định dương và

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(2.3)

Định nghĩa 2.1 xem xét một hệ thống động lực học phi tuyến trơn và tự trị

được biểu diễn bởi phương trình vi phân

(2.4)

Một điểm trong không gian trạng thái được phái biểu là điểm cân

bằng của (2.4) nếu với . Một điểm cân bằng x* có tính chất đó

với bất kỳ, nếu trạng thái của hệ thống bắt đầu từ x* nó sẽ quay lại x* trong

tương lai.

2.1.2 Tính ổn định Lyaponov

Xem xét hệ thống tự trị

(2.5)

Với là ánh xạ Lipschitz cục bộ từ miền xác định đến

.

Giả sử x* là một điểm cân bằng của (2.5), đó là .

Định lý 2.1 Để x = 0 là điểm cân bằng cho (2.5) và là miền chứa x =

0. Lấy là một hàm liên tục khả vị, như sau:

và trong D-{0} (2.6)

trong D (2.7)

dó đó, x = 0 là ổn định. Hơn nữa nếu

trong D-{0} (2.8)

thì x = 0 là ổn định tiệm cận.

Xem xét hệ thống không tự trị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(2.9)

Với là liên tục từng phần trong t và Lipschitz cục bộ

trong x trên , và là một miền xác định chứa gốc tọa độ x =

0. Gốc tọa độ là điểm cân bằng cho (2.9) tại t = 0 nếu

Một trạng thái cân bằng tại gốc tọa độ có thể được chuyển đổi thành một

điểm cân bằng khác 0, Hơn nữa nó cũng có thể là một sự chuyển đổi của các

nghiệm khác 0 của hệ thống. Để xem các điểm sau, giả sử rằng là một

nghiệm của hệ thống

Định nghĩa cho tất cả . Việc chuyển đổi giá trị

Biến đổi hệ thống về dạng

Từ

Gốc tọa độ x = 0 là điểm cân bằng của hệ thống chuyển đổi tại t = 0. Do đó,

bằng sự kiểm tra tính ổn định của gốc tọa độ như một điểm cân bằng cho hệ thống

chuyển đổi, xác định được tính ổn định của giải pháp với hệ gốc tọa độ. Chú

ý rằng nếu 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 . Đó là lý do tại sao nghiên cứu

tính ổn định theo nguyên lý được Lyapunov thực hiện trong nội dung nghiên cứu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

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 (2.9) nếu mỗi như là: và t0 ≥ 0 bất kỳ, có

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

Định nghĩa 2.2 Điểm cân bằng x=0 của (2.9) là:

 Ổn định nếu, với mỗi có như là:

(2.10)

 Ổn định đều nếu, với mỗi có , không phụ thuộc t0 sao cho (2.10)

là thỏa mãn

 Ổn định tiệm cận nếu nó là ổn định và có sao cho khi

sao cho

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

, khi cho sao cho, đều trong t0; nghĩa là với mỗi

có sao cho

 Ổn định tiệm cận toàn cục đều nếu nó là ổn định đều và với mỗi cặp số dương

và c, có như sau

 Ổn định đều và ổn định tiệm cận có thể được đặc trưng bởi hàm vô hướng đặc

biệt, được biết tới như hàm lớp K và hàm lớp KL

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Bổ đề 2.2 Điểm cân bằng x = 0 của (2.9) 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

(2.11)

 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

(2.12)

 Ổn định tiệm cận đều toàn cục nếu và chỉ nếu bất đẳng thức (2.12) là thỏa mãn

cho trạng thái ban đầu x(t0)

Định nghĩa 2.3 Điểm cân bằng x = 0 của (2.9) là ổn định theo hàm mũ nếu

bất phương trình (2.12) được thỏa mãn với

và là ổn định theo hàm mũ toàn cục nếu điều kiện thỏa mãn với mọi trạng

thái ban đầu

Hệ quả 2.1 Giả sử các giả thiết của Định lý 2.1 là thỏa mãn toàn cục

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

Định lý 2.2 Với x = 0 là điểm cân bằng cho hệ thống phi tuyến

Với là khả vi liên tục, , và ma trận

Jacobi

bị giới hạn trong D, đều trong t. Với là hàm lớp KL và r0 là hằng

số xác định dương như vậy . Với . Giả thiết rằng quĩ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

đạo của hệ thống thỏa mãn

Do đó, Có hàm khả vi liên tục thỏa mãn bất đẳng thức

với và các hàm số lớp K xác định trên . Nếu hệ

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

Định lý 2.3 (Định lý của LaSalle) Với hệ thống (2.9) cho rằng hàm

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

(2.13)

Do đó (2.11) là ổn định tiệm cận nếu 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

(2.14)

là vô nghiệm

2.2 Ổn định của hệ thống nhiễu

Xem xét hệ thống

(2.15)

Với và liên tục từng phần trong t và

Lipschitz cục bộ trong x trên và là miền xác định bao gồm gốc

tọa độ x = 0. Hệ thống này coi như là một hệ nhiễu của hệ thống bình thường (2.9).

Điều kiện nhiễu có thể là sai số lấy mẫu, hoặc không chắc chắn tồn tại trong

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

bất kỳ vấn đề thực tế nào. Trong trường hợp điển hình, chúng ta không biết

nhưng chúng ta có thể biết một vài thông tin của nó, như là biết về giới hạn trên của

.

Giả sử gốc tọa độ x = 0 là một điểm cân bằng cấp số mũ của hệ thống bình

thường (2.9). Nếu nhiễu bị triệt tiêu ở gốc tọa độ, ví dụ , thì tồn tại

điều kiện của để chứng minh gốc tọa độ vẫn là ổn định điểm cân bằng cấp số

mũ cho hệ thống nhiễu (2.14) (Khalil 1996 [33])

Trường hợp tổng quát chúng ta có thể không biết . Do đó gốc tọa

độ x = 0 có thể không là điểm cân bằng của hệ thống nhiễu (2.15). Tốt nhất chúng

ta hi vọng nếu điều kiện nhiễu là nhỏ, do đó sẽ là giới hạn cuối cùng

bởi một rằng buộc nhỏ; đó là, sẽ là nhỏ trong khoản t đủ lớn. Nó mang nội dung

của giới hạn cuối cùng

Định nghĩa 2.4 Nghiệm của được gọi là giới hạn đều cuối cùng

nếu tồn tại hằng số b và c, và mỗi có một hằng số dương như

sau

(2.16)

Chúng được gọi là giới hạn đều cuối cùng toàn cục nếu (2.16) đúng với

lớn tùy ý. Giới hạn đều cuối cùng thường được gọi là ổn định thực tiễn. Hằng số b

trong (2.16) được gọi là giới hạn cuối cùng

Định lý 2.4 Với là miền giới hạn bao quanh gốc tọa độ và

là liên tục từng phần trong t và cục bộ Lipschitz cục bộ trong x.

Với là hàm khả vi liên tục

(2.17)

(2.18)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

, W1, W2, W3, là các hàm liên tục và dương trên miền D. Lấy

r > 0 sao cho và cho rằng đủ nhỏ để

(2.19)

Với và lấy sao cho . Do đó nó tồn tại

) và một hàm lớp KL sao cho một thời gian t1 hữu hạn (phụ thuộc x(t0) và

, nghiệm của thỏa mãn

(2.20)

(2.21)

Hơn nữa, nếu và W1(x) là bán kính giới hạn, do đó (2.20) và (2.21)

đúng với trạng thái x(t0) ban đầu và với

Trong trường hợp nhiễu không bị triệt tiêu và trong những trường hợp tổng

quát khi gốc x = 0 là điểm cân bằng ổn định tiệm cận đều của hệ thống bình thường

(2.9). Xa hơn ổn định cấp số mũ, sự phân tích của hệ thống nhiễu thu được trong

cách tương tự

Bổ đề 2.3 Với x = 0 là điểm cân bằng ổn định tiệm cận đều của hệ thống

bình thường (2.9). Với V(t,x) là hàm Lyapunov của hệ thống này và thảo mãn bất

phương trình

(2.22)

(2.23)

(2.24)

Trong , với và là các hàm lớp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

K. Giả sử điều kiện nhiễu g(t,x) thỏa mãn rằng buộc đều

(2.25)

Với , và một hằng số dương . Do đó, cho

, nghiệm x(t) của hệ thống nhiễu (2.15) thỏa mãn

Và

Cho vài hàm lớp KL là một hàm lớp và thời gian hữu hạn t1, với

K của xác định

2.3. Đầu vào đến trạng thái ổn định

Xem xét hệ thống

(2.26)

Với liên tục từng phần trong t và Lipschitz cục bộ

trong x và u, và là miền xác định bao gồm gốc tọa độ x = 0, và là

miền xác định bao gồm u = 0. Đầu vào u(t) là hàm liên tục từng phần, và bị giới hạn

bởi t với . Giả sử rằng hệ thống tự do

(2.27)

Có điểm cân bằng ổn định tiệm cận đều tại điểm x = 0. Bằng cách xem hệ

thống (2.26) như là nhiễu của hệ thống tự do (2.27). Chúng ta có thể áp dụng kỹ

thuật của phần trước để bân tích ứng sử “ đầu vào đến trạng thái” của (2.26)

Bất đẳng thức này làm rõ các định nghĩa của “ đầu vào đến trạng thái ổn định

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

” (ISS)

2.4. Lý thuyết về thuật toán điều khiển phản hồi thụ động [4]

Trong luận văn sử dụng thuật toán điều khiển phản hồi thụ động để chứng

minh tính ổn định của hệ thống.

2.4.1. Khái niệm hệ phi tuyến thụ động

Định nghĩa 2.5

Hệ tuyến tính thụ động có số đầu vào bằng số đầu ra m, được mô tả bởi:

(2.28)

Hệ phi tuyến 2.28 được gọi là :

a. Thụ động (passive), nếu tồn tại hàm trữ năng xác định dương (storage

function), thỏa mãn

(2.29)

b. Thụ động chặt (Strictly passive) nếu tồn tại hàm trữ năng xác định

dương (storage function) và một hàm tiêu tán cũng xác định dương

(dissipative function) thỏa mãn:

(2.30)

Trong nhiều tài liệu hai công thức (2.29) và (2.30) còn được biểu diễn dưới

dạng:

- Thụ động, nếu có (t)

- Thụ động chặt, nếu (t)

Sau khi lấy tích phân cả hai vế. Ý nghĩa của những việc đó là vì những dạng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

công thức này truyền tải được rõ hơn về bản chất thụ động, rằng năng lượng có bên

trong hệ thụ động thuộc khoảng thời gian không thể lớn hơn năng lượng từ

bên ngoài đã cung cấp vào cho nó, tính bởi

Xét riêng trường hợp hệ tuyến tính có mô hình trạng thái:

Giả sử hệ tuyến tính này là thụ động, tức là theo định nghĩa 2.5 phải tồn tại

hàm trữ năng , với P là ma trận đối xứng xác định dương, thỏamãn:

=

Suy ra:

Do bất đẳng thức trên phải đúng với mọi và nên cuối cùng cũng phải có:

bán xác định âm

Hệ tuyến tính vừa được khảo sát có đặc điểm là tín hiệu ra không phụ thuộc

trực tiếp vào tín hiệu vào . Đặc điểm này cũng được chuyển sang hệ phi

tuyến (2.28) với khái niệm hệ không truyền dẫn (no throughput), được định nghĩa

như sau:

Định nghĩa 2.6: Hệ phi tuyến (2.28) được gọi là hệ không có dẫn truyền

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

vào- ra (no throughput), nếu tín hiệu ra không phụ thuộc trực tiếp tín hiệu vào :

2.4.2. Những tính chất cơ bản của hệ thụ động

Định lý 2.5. Xét hệ phi tuyến (2.28). Khi đó:

a. Nếu hệ là thụ động thì nó sẽ ổn định (Lyapunov) tại gốc .

b. Nếu hệ là thụ động chặt thì nó sẽ ổn định tiệm cận tại gốc .

c. Nếu hệ là thụ động chặt thì nó sẽ là hệ pha cực tiểu (minimum phase)

d. Nếu hệ là thụ động không chặt thì ở chế độ động học không, mọi quỹ đạo

trạng thái sẽ tiến về một lân cận bị chặn của gốc tọa độ (được gọi là hệ

pha cực tiếu yếu – Weakly minimum phase)

Định lý 2.6. Xét hệ hồi tiếp âm mô tả ở hình 2.1

y

w

u

Hệ H1

-

z

Hệ H2

Hình 2.1: Hệ hồi tiếp âm

Trong đó:

H1: và H2 : :

Là hai hệ thụ động. Khi đó:

a) Hệ kín cũng là hệ thụ động

b) Hệ kín sẽ thụ động chặt nếu, nếu cả hai hệ con H1 và H2 là thụ động chặt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Định lý 2.7: Nếu hệ SISO không có dẫn truyền vào ra dạng affine:

Là thụ động với hàm trữ năng thì nó sẽ có bậc tương đối bằng 1 tại lân

cận các điểm trạng thái mà ở đó có:

Nội dung các định lý trên cho thấy bài toán điều khiển ổn định tiệm cận

Lyapunov hoàn toàn tương đương với bài toán điều khiển thụ động bằng phản hồi

trạng thái, tức là bài toán thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ (2.28) để

nó trở thành thụ động chặt (điều khiển thụ động hóa). Tuy nhiên ta cũng còn thấy

nếu hệ đã trở thành thụ động chặt thì nó không những ổn định tiệm cận tại gốc mà

còn là hệ pha cực tiểu

2.5. Động lực học Robot

2.5.1 Phương trình động lực học robot

Theo giáo trình robot công nghiệp [3]. 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.

2.5.1.1 Vận tốc của một điểm trên robot

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

Trong đó: là tọa độ của điểm xét đối với khâu thứ i, không thay đổi

theo thời gian. là ma trận chuyển đổi từ khâu thứ i về hệ tọa độ gốc:

. Như vậy là một hàm của thời gian t.

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

(2.31)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Khi tính bình phương của vận tốc này ta có:

Hình 2.2 Khảo sát tốc độ của vi khối lượng dm

(2.32)

Với là chuyển vị vectơ và Tr là viết tắt của Trace (vết của ma trận):

(2.33)

Hay:

(2.34)

Do vậy:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(2.35)

2.5.1.2 Tính động năng của vi khối lượng dm

Kí hiệu Ki là động năng của khâu thứ i, dKi là động năng của vi khối lượng

dm đặt tại vị trí trên khâu thứ i.

(2.36)

Và do đó động năng của khâu thứ i sẽ là:

(2.37)

Đặt: gọi là ma trận giả quán tính (Pseudo inertia matrix)

Ý nghĩa “giả quán tính” được 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 như các phần tử của mômen quán tính độc cực. Ta xét

mối quan hệ này như sau:

Theo định nghĩa ta có:

(2.38)

Bây giờ ta nhắc lại mômen quán tính độc cực của một vật thể bất kỳ như hình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

vẽ dưới:

Hình 2.3 Mômen quán trính độc cực

Theo định nghĩa ta có:

(2.39)

(2.40)

(2.41)

Và vì: (2.42)

Vậy: (2.43)

Ngoài ra ta còn có:

; ; (2.44)

; ; (2.45)

Đối chiếu với ma trận giả quán tính Mi, ta có thể trình bày Mi như sau:

(2.46)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Như vậy ý nghĩa biểu trưng của Mi đã rõ.

Vậy ta có:

(2.47)

Cuối cùng, động năng của một robot có n khâu được tính:

(2.48)

2.5.1.3 Tính thế năng của robot

Thế năng của khâu i có khối lượng mi, trọng tâm được xác định bởi vectơ ri

(vectơ biểu diễn trọng tâm của khâu i trong hệ tọa độ cơ bản) là:

(2.49)

Trong đó, vectơ gia tốc trọng trường g được biểu diễn dưới một ma trận cột:

(2.50)

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

(2.51)

2.5.1.4 Hàm Lagrange

Sau khi xác định động năng và thế năng của toàn cơ cấu, ta có hàm Lagrange

của robot có n bậc tự do:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(2.52)

Chúng ta chú ý rằng, trong hàm Lagrange vẫn chưa đề cập đến ảnh hưởng

của nguồn truyền động (gồm các phần tĩnh (stator) và phần động (rotor) của động

cơ điện.

2.5.1.5 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):

(2.53)

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

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

(2.55)

Thay đổi chỉ số giả j thành k trong số hạng thứ hai, và để ý rằng:

(2.56)

Ta có:

(2.57)

Cũng để ý rằng: trong , với qi là các biến khớp của i khớp đầu

tiên.

Do vậy, nếu i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(2.58)

Lấy vi phân theo thời gian t của phương trình trên:

(2.59)

Số hạng cuối của phương trình Lagrange – Euler là:

(2.60)

Cuối cùng ta có lực tổng quát của khâu p:

(2.61)

Thay thế các chỉ số p và i thành i và j, ta sẽ có:

(2.62)

Với một robot có n bậc tự do thì:

(2.63)

(2.64)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Và: (2.65)

Để cho gọn, ta biểu diễn:

(2.66)

Trong đó:

M thể hiện tác dụng của quán tính, là ma trận đối xứng (n x n);

C thể hiện tác dụng của lực ly tâm và Criolis, là một vectơ (n x 1);

G thể hiện tác dụng của lực trọng trường, cũng là một vectơ (n x 1);

Đây chính là phương trình động lực học của robot.

2.5.2 Động lực học robot hệ SMSS

Xét một cặp của hệ thống robot của hệ thống SMSS được liên kết thông qua

đường liên lạc với thời gian trễ biến thiên. Cấu hình của hệ thống này được thể hiện

Hình 2.4 Hệ thống điều khiển từ xa một robot master một robot slave (SMSS)

trong hình dưới.

Giả sử bỏ qua tác dụng của ma sát, các rối loạn 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:

(2.67)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Trong đó: m, s biểu thị chỉ số robot master và slave tương ứng

là vectơ góc của khớp

là vectơ vận tốc của khớp

là vectơ gia tốc của khớp

là vectơ momen đầu vào

là vectơ lực tác dụng lên robot master bởi người điều

khiển

là vectơ lực phản hồi lên robot slave từ môi trường

là ma trận quán tính xác định dương

là ma trận Coriolis

là ma trận Jacobi

Xét hệ số cho biết tọa độ tay máy , với i = m, s, hệ tọa độ đề các có quan

hệ với hệ tọa độ này theo:

(2.68)

Trong đó: là hàm chuyển tọa độ từ không gian khớp tới không gian làm việc

là vị trí làm việc cuối của robot trong không gian làm việc

Đạo hàm biểu thức trên thu được ma trận Jacobi như sau:

(2.69)

Giả thiết rằng bỏ qua trọng lực và các yếu tố không cần thiết khác, phương

trình động lực học (2.67) có một số đặc tính cơ bản sau:

Tính chất 2.1 Ma trận quán tính là đối xứng, xác định

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

dương và tồn tại các hằng số dương thỏa mãn:

(2.70)

Tính chất 2.2 Ma trận Coriolis và bị giới hạn bởi

các hằng số dương thỏa mãn:

(2.71)

Tính chất 2.3 Từ 2 ma trận và xác định được ma trận

và thỏa mãn:

(2.72)

Trong đó: là véctơ bất kì

2.5.3 Phương trình động lực học robot Master/Slave

Cơ cấu robot Master/Slave 2 bậc tự do trong hệ thống SMSS với hệ tọa độ

Hình 2.5 Robot 2 bậc tự do dạng tay nối tiếp

suy rộng được biểu diễn như hình vẽ bên dưới:

Trong đó:

: là góc quay của khớp i

: là khối lượng của khâu i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

: là chiều dài khâu i

: là momen quán tính với tâm đi qua trọng tâm của khâu i

: là khoảng cách từ tâm khớp đến trọng tâm của khâu i

: là momen tác động vào khớp i

: là ngoại lực đặt tại khớp i

: là độ giảm chấn của khớp i

Robot được đặt ngang bỏ qua gia tốc trọng trường, các khớp chuyển động

quay với các biến khớp và .

Hàm Lagrange của một hệ thống năng lượng được định nghĩa:

L = K – P (2.73)

Trong đó: K là tổng động năng của hệ thống

P là tổng thế năng

Đối với khâu 1:

(2.74)

(2.75)

Đối với khâu 2:

Về tọa độ:

(2.76)

Về vận tốc:

(2.77)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(2.78)

(2.79)

(2.80)

(2.81)

(2.82)

Áp dụng hàm Lagrange ta có:

L = (K1 + K2) – (P1 + P2) (2.83)

(2.84)

Đối với khâu 1:

(2.85)

(2.86)

(2.87)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Vậy:

(2.88)

Đối với khâu 2:

(2.89)

(2.90)

(2.91)

Vậy:

(2.92)

Đặt:

(2.93)

(2.94)

(2.95)

Ta có:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(2.96)

(2.97)

Phương trình động học của robot được viết lại bằng cách sử dụng hàm

Lagrange như sau:

(2.98)

Trong đó: (2.99)

(2.100)

(2.101)

Vị trí khâu chấp hành cuối:

(2.102)

Đạo hàm z theo q1 và q2 ta có:

(2.103)

(2.104)

=> Matrận Jacobi: (2.105)

2.5.4 Động lực học môi trường

Theo chuyển động của robot master, các cánh tay của robot slave tương tác

với môi trường. Ở đây môi trường được giả thiết như một hệ lò xo – giảm trấn đơn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

giản với các tham số là hằng số. Dạng của môi trường được đưa ra như hình dưới:

Hình 2.6 Mô hình môi trường

Hệ thống này như một hệ thống làm nhiễu bởi các phương trình dưới trong

dạng tính chất đầu vào tới trạng thái ổn định:

(2.106)

Trong đó: là vị trí của môi trường

là vectơ vị trí và vận tốc khâu chấp hành cuối của

robot slave trong không gian làm việc tương ứng

Ta giả thiết rằng là liên tục từng phần trên t và

Lipschitz cục bộ trong . Đầu vào là liên tục từng phần và là hàm

bị chặn bởi t với ; là trường nhiễu từ kết quả của sai số mô hình,

nhiễu loạn và sự không chắc chắn tồn tại trong thực tế. Ta giả thiết như sau:

Giả thiết 2.1 Lực tác động của người Fop và lực môi trường Fe là bị giới hạn

Giả thiết 2.2 Robot slave tiếp xúc với môi trường có các tham số là hằng số:

(2.107)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Trong đó: a,b > 0 là các tham số hằng số.

Giả thiết 2.3 Đặt là điểm trạng thái cân bằng đơn điệu tiệm cận của hệ.

Tồn tại hàm Lyapunov của hệ danh nghĩa mà với ,

và trong khi . Đạo hàm theo thời gian của theo quỹ đạo của (2.106):

(2.108)

Trong đó: là hàm lớp và . Nhiễu

trong (2.107) có giới hạn:

(2.109)

Với và ; là hệ số nhiễu.

Ta đặt định nghĩa:

(2.110)

Trong đó: là ma trận chéo xác định dương.

Chú ý giới hạn đầu của nhiễu trong (2.92), ta có:

(2.111)

Trong đó: là 1 hằng số dương,

Do đó, giới hạn trên của nhiễu trong (2.109) thỏa mãn đạo hàm theo thời

gian của như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(2.112)

Giả thiết 2.4 Người tác động và môi trường có thể được mô hình như những

hệ thống thụ động tương ứng.

Với giả thiết này người tác động được mô tả như sau:

(2.113)

và môi trường từ xa được mô tả như sau:

(2.114)

Trong đó là các vectơ đầu vào của người tác động và môi trường

tương ứng.

Ghi chú 2.1 Ta xét vai trò của trường nhiễu tới trạng thái ổn định của hệ

nhiễu (2.106). Nếu:

Hệ (2.106) có một điểm cân bằng ở gốc tọa độ. Trong trường hợp này, ta có

thể phân tích tính ổn định ở gốc tọa độ như một điểm cân bằng trong hệ thống

nhiễu. Mặt khác, trong trường hợp tổng quát, g(t,0) ≠ 0, gốc ban đầu sẽ không phải

là điểm cân bằng của hệ thống nhiễu. Do đó, ta có thể không quan tấm đến vấn đề

như một câu hỏi về tính ổn định của cân bằng. Trường hợp đó sẽ được giải quyết

sau với việc phân tích tính ổn định của hệ thống phụ robot slave.

2.5.5 Độ trễ trên kênh truyền thông

Đặt là thời gian phụ thuộc thời gian trễ trên kênh truyền

thông đi (i=m) và về (i=s) tương ứng. Những tín hiệu dưới dây có thể sử dụng để

điều khiển cho cả hai bên trong hệ teleoperation. Mô hình độ trễ được đưa ra trong

hình dưới, là đầu vào, là đâu ra trễ, là sai số điều chỉnh của hệ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

thống.

Hình 2.7. Mô hình thời gian trễ

Nếu vị trí và vận tốc của master và slave truyền tới nhau với độ trễ ,

các tín hiệu trễ được biểu diễn như sau:

(2.115)

Mặt khác, lực tác động bởi môi trường được đo trên phía slave và truyền

ngược về phía master. Tương tự, lực tác dụng lên tay máy master cũng được đo và

truyền tới phía slave với độ trễ trên kênh truyền thông , do đó:

(2.116)

Trong đó: và được giả thiết là thời gian trễ biến thiên.

Giả thiết 2.5 và là hàm khả vi liên tục và có giới hạn:

(2.117)

Trong đó: là giới hạn trên. Ngoài ra trong hệ thống SMMS giới hạn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

trên của độ trễ trên kênh truyền thông: được tính toán sơ bộ.

2.6 Xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ SMSS

Phần này tập trung vào điều khiển song phương cho hệ thống teleoperation

với thuật toán phản hồi thụ động và thời gian trễ biến thiên trên kênh truyền thông.

Trong phương pháp đó, một hệ thống đầu vào mới được đề xuất. Mục tiêu của

nghiên cứu này là nâng cao tính đồng bộ và đồng nhất cho hệ thống. Phương pháp

được đề xuất là một bộ điều khiển thụ động cơ bản đưa vào các hệ số thời gian biến

thiên. Trong chiến lược điều khiển được đề xuất này, điều kiện ổn định độc lập với

độ lớn của thời gian trễ. Vì vậy ta có thể thiết kế các tham số điều khiển gần đúng.

Sử dụng lý thuyết Lypunov ta chỉ ra được tính ổn định độc lập với thời gian trễ. Kết

quả của việc mô phỏng sẽ chỉ ra hiệu quả của thuật toán được đề xuất.

2.6.1 Mục tiêu điều khiển

Ta sẽ thiết kế và để đạt được sự đồng bộ trong không gian làm việc và

lực phản hồi tĩnh cho hệ teleoperation với cấu hình robot master, slave khác nhau và

có độ trễ trên kênh truyền thông biến thiên.

Ta xác định sai lệch vị trí của khâu chấp hành cuối như sau:

(2.118)

Trong đó: là số dương vô hướng biểu diễn tỉ lệ chuyển vị

và là thời gian trễ

là vectơ vị trí của khâu chấp hành cuối.

Do đó một vài đối tượng điều khiển của phương pháp này được đưa ra như

sau:

Mục tiêu 2.1 Hệ thống Teleoperation với thời gian trễ biến thiên ổn định độc

lập với độ lớn của thời gian trễ trên kênh truyền thông.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

khi (2.119)

Mục tiêu 2.2 Sự đồng nhất của hệ teleoperation đạt được khi độ trễ trên kênh

truyền thông là hằng số và robot slave được cho phép di chuyển tự do.

Mục tiêu 2.3 Lực phản hồi tĩnh ở phía robot slave truyền về phía robot

master và người tác động robot master là như nhau với khi độ trễ kênh

truyền thông là hằng số. (2.120)

Trong đó: là số dương vô hướng biểu diễn tỉ lệ lực.

2.6.2 Thiết kế điều khiển

Để nhận được hệ thống Teleoperation đồng bộ, trước hết ta đi đánh giá nhiễu

tác động lên từng phân hệ Robot Master và Slave. Trên cơ sở nhiễu đánh giá được

ta xây dựng cấu trúc điều khiển cho Robot Master và Slave, dựa trên thuật toán

phản hồi thụ động.

Đặt vấn đề

Theo [14] động học của hệ thao tác từ xa, bao gồm hai Robot là Robot chủ

(Master) và Robot tớ (Slave) được mô tả bằng hệ phương trình:

(2.121)

(2.122)

Trong đó: chỉ số “m” và “s” là các chỉ số chủ và tớ; ,

là các véc tơ góc (vị trí) tương ứng của chủ và tớ; là các mô men

đầu vào tương ứng của Robot chủ và Robot tớ; là mô men do người thao

tác tạo nên; là mô men do các lực tương tác của môi trường tác động lên

Robot tớ; là các ma trận đối xứng xác định dương, tương

ứng là mô men quán tính của Robot chủ và Robot tớ; là

các véc tơ mô men Coriolis và hướng tâm. là các thành phần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

nhiễu cộng không đo được và khó mô hình hóa tác động lên Robot chủ và Robot tớ.

Các phương trình (2.121) và (2.122) mô tả động học của Robot chủ và Robot

tớ.

2.6.2.1 Ước lượng nhiễu tác động lên Robot tớ [1]

Động học của Robot Slave được mô tả bởi phương trình (2.122) trong đó

thành phần mô men các lực tác động của môi trường và thành phần nhiễu bất

định là đại lượng thay đổi trong dải rộng và không đo được. Như đã nêu ở phần

trên, đối với tác động bên ngoài như và chúng ta cần xây dựng phương pháp

ước lượng, từ đó sử dụng kết quả ước lượng để điều khiển, làm cho hệ thống có khả

năng thích nghi kháng nhiễu. Trong phần này đề xuất cấu trúc và thuật toán của

khâu ước lượng tác động của môi trường lên Robot tớ.

Trên Hình 2.8 là sơ đồ cấu trúc của bộ ước lượng tác động của môi trường

lên Robot tớ, trong đó có hai khối chính: khối mô hình Robot tớ Slave Modle (S-

M) và khối xử lý nhiễu của Robot tớ Disturbance Processing of Slave(DPOS).

Động học của khối mô hình S-M (khi không tính đến nhiễu và được sử dụng trong

bộ ước lượng nhiễu) được mô tả bằng phương trình:

(2.123)

(2.124)

Trong đó: là các biến trạng thái tương ứng của mô hình S-M.

Lấy hai vế của phương trình (2.134) trừ hai vế tương ứng của phương trình

(2.129), có chú ý đến (2.135), ta thu được:

(2.125)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(2.126) với

Các biểu thức (2.125), (2.126) có thể sử dụng để xác định thành phần .

Phương trình (2.125) cho ta thấy, để ước lượng được cần phải có tín hiệu và

. Các tín hiệu này hoàn toàn có thể xác định được trên cơ sở các tín hiệu

và dựa vào (2.126). Trong số các tín hiệu đó là các biến trạng

thái của mô hình nên hoàn toàn có được một cách dễ dàng, còn các tín hiệu là

các biến của Robot tớ có thể thu được nhờ các sensor đo tốc độ và gia tốc. Với sự

phát triển vượt bậc của công nghiệp vi cơ điện tử (MEM) và nano cơ điện tử

(NEM), các chủng loại sensor đó ngày càng được nâng cao và được ứng dụng rộng

rãi trong điều khiển Robot và đặc biệt là trong lĩnh vực dẫn đường và điều khiển các

thiết bị bay.

Kết quả ước lượng theo (2.125), (2.126) sẽ là véc tơ đánh giá tác động của

môi trường lên Robot tớ , với sai số đánh giá phụ thuộc vào độ chính xác của

các sensor nói trên: hay (2.127)

Véc tơ đánh giá sẽ được sử dụng để tạo luật điều khiển bền vững cho

Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc của khâu ước lượng tác động của môi trường lên Robot tớ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Robot tớ.

2.6.2.2 Ước lượng nhiễu tác động lên Robot chủ [1]

Để cho người thao tác cảm nhận chính xác được tác động của môi trường

lên Robot tớ, được đưa tới Robot chủ, lúc đó kết hợp với phương trình gốc

(2.121), phương trình động học của Robot chủ sẽ có dạng:

(2.128)

Tương tự như phần ước lượng nhiễu tác động lên Robot tớ trình bày ở phần

(2.6.2.1); để đánh giá được nhiễu tác động lên Robot chủ, ta sử dụng cấu trúc

như Hình 2.9. trong đó phương trình của mô hình Robot chủ Master Modle (M-M)

sẽ có dạng:

(2.129)

Trong đó: (2.130)

là các biến trạng thái tương ứng của mô hình Robot chủ M-M.

Lấy hai vế của phương trình (2.129) trừ hai vế tương ứng của phương trình

(2.128), có chú ý đến (2.130), ta thu được:

(2.131)

với (2.132)

Như vậy, thành phần nhiễu bất định tác động lên Robot chủ hoàn toàn

được xác định thông qua các đại lượng trên cơ sở (2.131) và

(2.132). Để có được các đại lượng đó có thể sử dụng các sensor (tương tự như phần

ước lượng nhiễu và tác động của môi trường lên Robot tớ). Vì các sensor đo các đại

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

lượng đó có sai số nhất định, nên phép xác định nhiễu bất định tác động lên Robot

chủ (2.131), (2.132) sẽ có sai số và đó chính là sai số đánh giá, hay nói cách

khác là kết quả đánh giá kèm theo sai số :

(2.133)

Kết quả đánh giá nhiễu ở đầu ra của bộ ước lượng được sử dụng trong

Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc ước lượng nhiễu bất định tác động lên Robot chủ

luật điều khiển của Robot chủ.

2.6.2.3 Thuật toán điều khiển phản hồi thụ động cho từng phân hệ Robot

Để đảm bảo hệ thống SMSS được ổn định thích nghi bền vững với nhiễu và

yếu tố trễ truyền thông thay đổi. Ở đây đề xuất tín hiệu điều khiển của từng phân hệ

Robot master và Robot Slave như sau:

(2.134)

Trong đó: và là tín hiệu điều khiển cho việc điều khiểu đồng bộ

liên quan đến trễ truyền thông.

là ma trận điều khiển đường chéo xác định dương.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Đặt: ;

Thay (2.134) vào (2.121) và (2.122) ta có hệ phương trình biểu diễn động lực

học Robot master và Slave như sau:

(2.135)

Trong đó và là đầu ra mới của robot master và slave, được xác định

bằng cách kết hợp tuyến tính vị trí và vận tốc khâu chấp hành cuối như sau:

Hình 2.10 Động lực học robot master/slave với phản hồi thụ động

(2.136)

Ta đề xuất các thành phần và với cấu hình hai robot khác nhau và thời

gian trễ biến thiên như sau:

(2.137)

Trong đó: và được định nghĩa như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(2.138)

là ma trận điều khiển đường chéo xác định dương.

là hệ số điều khiển dương cho robot master, slave tương ứng.

là hệ số tỷ lệ chuyển vị dương.

là những ma trận thời gian biến thiên, xác định dương và phụ

thuộc vào như sau:

(2.139)

Trong đó: là ma trận đơn vị.

Thay (2.137) vào (2.135) hệ thống vòng kín được mô tả như sau:

(2.140)

2.7. Kết luận Chương 2

Trong chương 2 đã xây dựng được phương trình động lực học tổng quát cho

cánh tay Robot n bậc tự do, đồng thời tóm tắt sơ lược tính chất động học của Robot

cũng như giới thiệu qua lý thuyết về điều khiển ổn định hệ phi tuyến, làm cơ sở xây

dựng thuật toán điều khiển phản hồi thụ động đã đề xuất trong nội dung chương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

này.

CHƯƠNG 3

TỔNG HỢP CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TELEOPERATION

SMSS VỚI TRỄ TRÊN KÊNH TRUYỀN THÔNG THAY ĐỔI

3.1 Phân tích tính ổn định của hệ Teleoperation SMSS

Trên cơ sở hệ thống thao tác từ xa SMSS như công thức số (2.140) ta đưa ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

cấu trúc điều khiển hệ thống như hình 3.1.

Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thao tác từ xa SMSS

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Nhiệm vụ tiếp theo cần đi chứng minh tính ổn định của hệ thống với những

đặc thù riêng của các phân hệ robot đã xét trong chương 1.

Hệ thống thao tác từ xa đã cho sẽ ổn định tiệm cận với độ trễ trên kênh

truyền thông là thay đổi.

Chứng minh: Chọn hàm Lyapunov Vms(x) cho hệ thống với mối quan hệ tới

vectơ trạng thái như sau:

(3.1)

Đầu tiên ta chứng minh rằng hàm xác định dương. Trong phương trình

(3.1) ta có: và xác định dương (theo tính chất 2.1), xác định dương,

và xác định dương, lực tác dụng và môi trường là thụ động (theo giả thiết 2.1)

nên:

(3.2)

(3.3)

Do đó hàm bán xác định dương. Tiếp theo lấy đạo hàm hàm theo các

quỹ đạo của hệ thống với tính chất 2.3 ta được:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(3.4)

Thay và ta có:

(3.5)

Thay (2.137) vào (3.5) ta được:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

(3.6)

Do đó đạo hàm của hàm Lyapunov bán xác định âm. Từ đó ta có hàm

được giới hạn dưới bởi 0 và bán xác định âm, ta có thể kết luận rằng các tín

hiệu và bị giới hạn theo lý thuyết Lyapunov. Ngoài ra phương trình (3.6) chỉ

ra và . Chú ý rằng

hàm truyền đạt Laplace của (2.136) ổn định theo hàm mũ, hàm truyền giữa và

nhận được như sau:

(3.7)

Trong đó: là biến Laplace

là hàm truyền Laplace của tương ứng.

Từ và (3.5), các đầu ra của hệ thống sẽ có tính chất

. Do đó hệ thống Teleoperation ổn định độc lập độ trễ.

Ngoài ra, ta chỉ ra rằng các sai lệch của những đầu vào của các robot master

và slave thông qua các hệ số thời gian biến thiên ổn định tiệm cận . Từ

biểu thức (2.28), tính chất 2.1 và tính chất 2.3, gia tốc của robot master và slave

được giới hạn khi . Từ đó chỉ ra rằng . Sau đó đạo hàm

nhận được:

(3.8)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Sử dụng giả thiết 2.3 và , ta có:

Tương tự ta được: . Điều đó đưa ra hệ

quả là các sai lệch của những đầu vào mới của robot master và slave thông qua các

hệ số thời gian biến thiên là ổn định tiệm cận như sau:

(3.9)

3.2 Mô phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS

Hai robot Master và Slave sử dụng trong quá trình mô phỏng có cấu hình

giống nhau, các thông số hình học của hai robot sử dụng trong điều khiển được biểu

diễn trên Hình 3.2. Các kết quả mô phỏng nhận được bằng việc sử dụng phần mềm

Hình 3.2 Robot 2 bậc tự do dạng cánh tay nối tiếp trên mặt phẳng ngang

Matlab Simulink.

Trong đó:

: góc quay khớp i

: khối lượng khâu i

: chiều dài khâu i

: mô men quán tính với tâm đi qua trọng tâm của khâu i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

: là khoảng cách từ tâm khớp đến trọng tâm của khâu i

: là momen tác động vào k hớp i

: là ngoại lực đặt tại khớp i

: là độ giảm chấn của khớp i

Xét hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation – SMSS) với cấu hình Robot chủ

và Robot tớ giống nhau và được minh họa như Hình 3.2 và các thông số mô phỏng

như Bảng 1.

l1

l2

r1 r2

Thông số

Giá trị

0.2 (m) 0.2 (m) 0.1 (m) 0.082 (m)

1

2

Thông số

m1

m2

0.005 0.003

Giá trị

Bảng 1. Thông số vật lý mô phỏng của Robot chủ/Robot tớ

0.72 (kg) 0.48 (kg) (kg.m2) (kg.m2)

3.2.1. Mô phỏng từng phân hệ Robot trong hệ thống thao tác từ xa SMSS

Để thấy rõ được tính ưu việt cũng như sự chính xác của thuật toán ước lượng

nhiễu cho các phân hệ Robot và luật điều khiển bám chính xác quỹ đạo giữa Robot

tớ theo Robot chủ dưới tác động di chuyển của người thao tác và ảnh hưởng của trễ

kênh truyền, luận văn sử dụng phần mềm Matlab-simulink để mô phỏng như Hình 3.3.

Trước hết tập trung mô phỏng thuật toán ước lượng nhiễu lên các Robot và

luật điều khiển cho từng phân hệ Robot độc lập.

a. Mô phỏng cho từng phân hệ Robot độc lập

Do cấu hình phân hệ Robot tớ và Robot chủ là như nhau và thuật toán điều

khiển cho từng phân hệ Robot độc lập cũng tương tự nhau nên dưới đây tập trung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

mô phỏng minh họa cho phân hệ Robot tớ.

 Thông số mô phỏng cho phân hệ Robot tớ: Khi chỉ xét phân hệ Robot tớ

độc lập, thì luật điều khiển Robot tớ chỉ là:

Trong đó:

Thông số quỹ đạo đặt và nhiễu tác động lên Robot tớ:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

- Trường hợp nhiễu tác động dạng hình sin:

Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển hệ SMSS trên Matlab Simulink

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.4. Khối ước lượng nhiễu tác động lên Robot tớ (S-D-E)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.5. Khối xử lý nhiễu

tác động lên Robot tớ (DPOS)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.6. Khối Slave

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.7. Khối điều khiển Slave

Hình 3.8. Khối ước lượng nhiễu tác động lên Robot chủ (M-D-E)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.9. Khối xử lý nhiễu

tác động lên Robot chủ (DPOM)

Hình 3.10. Khối điều khiển Master

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.11. Khối Master

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.12. Khối người tác động trong hệ thống SMSS (Operator)

Hình 3.13. Khối môi trường trong hệ thống SMSS (Enviroment)

Hình 3.14. Khối thời gian trễ biến thiên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.15. Thành phần nhiễu

dạng hình Sin

Hình 3.16. Thành phần nhiễu

dạng hình Sin

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

 Kết quả mô phỏng ước lượng nhiễu và môi trường tác động lên Robot tớ:

Hình 3.17. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi chưa bù nhiễu

Hình 3.18. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi không bù nhiễu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

 Kết quả mô phỏng quỹ đạo của Robot tớ:

Hình 3.19. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi đã bù nhiễu

Hình 3.20. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi đã bù nhiễu

b. Nhận xét: Qua kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink từ Hình 3.15 đến Hình

3.20 cho chúng ta thấy thuật toán ước lượng nhiễu tác động lên từng phân hệ Robot

là hoàn toàn chính xác, từ đó làm cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc bổ sung tổng

hợp tín hiệu điều khiển cho từng phân hệ Robot. Trong Hình 3.17 và Hình 3.18 khi

chưa bù nhiễu tác động lên phân hệ Robot thì quỹ đạo các khớp của Robot vẫn tồn

tại sai lệch đáng kể, trong Hình 3.19 và Hình 3.20 đã bù trừ ảnh hưởng của nhiễu

đảm bảo quỹ đạo của từng phân hệ Robot bám chính xác theo quỹ đạo đặt trước với

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

sai số xấp xỉ bằng 0.

3.2.2. Mô phỏng hệ thống thao tác từ xa SMSS

Phần trên đã trình bày kết quả mô phỏng ước lượng nhiễu và quỹ đạo của

từng phân hệ Robot theo các thuật toán đã đề xuất. Trong phần này sẽ tập trung mô

phỏng quỹ đạo giữa Robot tớ và Robot chủ với ảnh hưởng của nhiễu tác động lên

từng phân hệ Robot và trễ kênh truyền thông là thay đổi. Khi đó tín hiệu điều khiển

của các phân hệ Robot như sau:

Thông số mô phỏng như sau:

; ; ;

;

 Thông số nhiễu tác động lên các Robot và thời gian trễ:

 Kết quả mô phỏng ước lượng nhiễu và môi trường tác động lên hệ thao tác

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

từ xa SMSS:

dạng trơn ngẫu nhiên

Hình 3.22. Thành phần nhiễu

dạng trơn ngẫu nhiên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.21. Thành phần nhiễu

Hình 3.23. Thành phần nhiễu

dạng trơn ngẫu nhiên

Hình 3.24. Thành phần nhiễu

dạng trơn ngẫu nhiên

 Kết quả mô phỏng quỹ đạo bám của Robot tớ theo Robot chủ trong hệ

thao tác từ xa SMSS:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

 Trường hợp không có trễ kênh truyền thông: (Tm =Ts = T = 0s)

Hình 3.25. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu

Hình 3.26. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ nhiễu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.27. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu

Hình 3.28. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.29. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=3s

Hình 3.30. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=3s

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

 Trường hợp trễ kênh truyền thông là hằng số: (Tm =Ts = T  0s)

Hình 3.31. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ biến thiên

Hình 3.32. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ biến thiên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

 Trường hợp trễ kênh truyền thông biến thiên:

Nhận xét: Qua kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink từ Hình 3.21 đến

hình 3.24 một lần nữa cho thấy sự ưu việt của thuật toán đánh giá nhiễu đã được đề

xuất trong luận văn. Ngoài ra với kết quả mô phỏng trên các Hình từ 3.25 đến Hình

3.32 cho ta thấy quỹ đạo của Robot tớ bám chính xác theo quỹ đạo của Robot chủ

khi kết hợp bù trừ nhiễu vào tín hiệu điều khiển cũng như kiểm chứng được tính ổn

định và chất lượng của bộ điều khiển phản hồi thụ động đã đề xuất trong các trường

hợp không có trễ và khi có trễ trên kênh truyền thông biến thiên.

3.3. Kết luận Chương 3

Chương 3 tập trung đưa ra cấu trúc điều khiển và chứng minh tính ổn định

của hệ thao tác từ xa SMSS. Bên cạnh đó thông qua phần mềm Matlab Simulink mô

phỏng các thuật toán ước lượng nhiễu và thuật toán xây dựng bộ điều khiển phản

hồi thụ động cho các phân hệ Robot trong hệ thao tác từ xa SMSS có kể đến yếu tố

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

nhiễu và trễ truyền thông thay đổi giữa Robot chủ và Robot tớ.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

 Kết luận

Luận văn đã giới thiệu phương pháp đánh giá nhiễu và tác động của môi

trường lên Robot chủ và Robot tớ; đưa ra giải pháp bù trừ nhiễu và tác động bên

ngoài lên hệ thống.

Luận văn đã xây dựng được thuật toán điều khiển bền vững, thích nghi

kháng nhiễu trên cơ sở đánh giá, bù nhiễu và sử dụng điều khiển phản hồi thụ động,

đảm bảo ổn định tiệm cận, phù hợp với yêu cầu đặc thù đối với các phân hệ Robot.

Luận văn đã chứng minh được tính ổn định của cấu trúc điều khiển hệ thao

tác từ xa SMSS đề xuất trong luận văn, đáp ứng các yêu cầu đặt ra đối với hệ thao

tác từ xa dưới tác động của nhiễu bất định từ bên ngoài và tồn tại hiệu ứng trễ trên

kênh truyền thông biến thiên.

 Hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn và kiến nghị

Tiếp tục áp dụng kết quả nghiên cứu cho các hệ SMMS và MMMS.

Luận văn đã đề cập đến phân tích và tổng hợp hệ thống thao tác từ xa

(Teleoperation-SMSS) với cấu hình Robot chủ và Robot tớ giống nhau và trễ trên

kênh truyền là biến thiên với thời gian nhỏ hơn bằng 3s. Cần tiếp tục nghiên cứu

cho các trường hợp trễ trênh kênh truyền lớn hơn và thay đổi không đối xứng, cùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

với cấu hình Robot chủ và Robot tớ khác nhau.

===========================================================

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng việt

1. Đặng Ngọc Trung (2017), “Phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển cho hệ thao

tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS)”, Luận án tiến sĩ kỹ thuật,Việt Nam.

2. Nguyễn Xuân Thuận, Đỗ Đức Nam (2012), “Điều khiển song phương của hệ

thống Teleoperation sử dụng phương pháp Scattering & Virtual Damping với trễ

trên kênh truyền thông”, Tuyển tập công trình Hội nghị cơ điện tử toàn quốc lần thứ

6,Hà Nội, tr. 429-435.

3. TS. Phạm Đăng Phước, Giáo trình robot công nghiệp

4. Nguyễn Doãn Phước (2012), Phân tích và điều khiển hệ phi tuyến, Nhà xuất bản

Bách Khoa Hà Nội.

5. Nguyễn Xuân Thuận, Lâm Thế Kiên, Nguyễn Công Khoa, Đỗ Đức Nam (2013),

“Động lực học và đề xuất điều khiển cho hệ thống Teleoperation sử dụng phương

pháp PD kết hợp với bộ thông số trở kháng”, Kỷ yếu hội nghị khoa học và công

nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ 3, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, tr. 1154-

1161.

6. Nguyễn Xuân Thuận, Đỗ Đức Nam (2012), “Điều khiển song phương của hệ

thống Teleoperation sử dụng phương pháp Scattering & Virtual Damping với trễ

trên kênh truyền thông”, Tuyển tập công trình Hội nghị cơ điện tử toàn quốc lần thứ

6,Hà Nội, tr. 429-435.

Tiếng Anh

7. Peter F. Hokayem, Mark W. Spong (2006), “Bilateral teleoperation: An historical

survey”, Automatica 42, pp. 2035 – 2057.

8. G. Niemeyer, J. J. E. Slotline (1991), “Stable adaptive teleoperation”, IEEE J.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Oceanic Eng., January, Vol. 16(1), pp. 152 – 162.

9. D. A. Lawrence (1993), “Stability and transparency in bilateral teleoperation”,

IEEE Trans. on Robot. and Auto., October, Vol. 9(5), pp. 624 – 637.

10. Amir Haddadi (2011), A thesis of Stability, Performance, and Implementation

Issues in Bilateral Teleoperation Control and Haptic Simulation Systems, Queen’s

University Kingston, Ontario, Canada.

11. N. Chopra, Mark W. Spong, Rogelio Lozano (2008), “Synchronization of

bilateral teleoperators with time delay”, Automatica 44, pp. 2142 – 2148.

12. Fernando O. Souza, Reinaldo M. Palhares, Eduardo Mendes, Leonardo Torren

(2008), “Robust H∞ Control for Master – Slave Synchronization of Lur’e Systems

with time-delay feedback control”, International Journal of Bifurcation and Chaos,

Vol. 18(4), pp. 1161 – 1173.

13. Joao Rebelo, Andre Schiele (2013), “Time domain passivity controller for 4-

channel time-delay bilateral teleoperation”, IEEE Transactions on Haptics, Vol.

8(1), pp. 79 – 89.

14. M. Motaharifar, I. Sharifi, H. A. Talebi (2011), “An Adaptive Observer-Based

Controller Design for Time-Delay Teleoperation with Uncertainty in Environment and

Parameters”, American Control Conference, On O'Farrell Street, San Francisco, CA,

USA June 29 - July 01, pp. 3710 – 3715.

15. W. R. Ferrell (1965), “Remote manipulation with transmission delay”, PhD

thesis, Massachusetts Institute of Technology, Nasa Technical Note.

16. Ali Shahdi (2005), “Multiple Model Control for Teleoperation under Time –

delay”, A thesis, Submited to the Department of Electrical & Computer

Engineering, MC Master University, Hamilton, Ontario, Canada.

17. E. Nuno, L. Basanez, R. Ortega (2011), “Passivity – Based Control for Bilateral

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Teleoperation”, A Tutorial, Automatica, Vol. 47, pp. 485 – 495.

18. Asier Ibeas (2006), “A Robust Multiestimation Based Stable Adaptive Control

Scheme for a Tandem of Master-Slave Robotic Manipulators with Force

Reflection”, IEEE Proceedings of the American Control Conference, Minneapolis,

Minnesota, USA, June 14-16, pp. 3215 – 3220.

19. M. Sadeghi, H. R. Momeni, R. Amirifa (2008), “H∞ and LI control of a

Teleoperation systems via LMIs, J. Appl. Math. Comput, vol 206, No.1, pp. 669-

677.

20. Zhijun Li, Yuanqing Xia (2013), “Adaptive neural network control of bilateral

teleoperation with unsymmetrical stochastic delays and unmodeled dynamics”,

International Journal of Robust and Nonlinear control. DOI:10.1002/rnc.2950, pp. 1 –

21. T. Nozaki, Takahiro Mizoguchi, Kouhei Ohnishi (2014), “Decoupling Strategy for

Position and Force Control Based on Modal Space Disturbance Observer”, IEEE

Transactions on Industrial Electronics, Vol. 61(2), February, pp. 1022 – 1032

22. Yen-Chen Liu, Senior Member, IEEE, Phuong Nam Dao, and Kai Yong Zhao

(2019), “On Robust Control of Nonlinear Teleoperators under Dynamic

Uncertainties with Variable Time Delays and without Relative Velocity”IEEE

TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS DOI

10.1109/TII.2019.2950617

23. K. Hashtrudi Zaad, S.E. Salcudean (2000), “Analysis and evaluation of stability

and performance robustness for teleoperation control architectures”, In Proc. of the

IEEE Int. Conf. on Robotic and Auto., April, Vol. 4, pp. 3107 – 3113.

24. G. M. H. Leung, B. A. Francis, J. Apkarian (1995), “Bilateral controller for

teleoperators with time delay via µ-synthesis”, IEEE Trans. on Robot and Auto.,

February, Vol. 11(1), pp. 105 – 116.

25. H. Kazerooni, T. I. Tsay, K. Hollerbach (1993), “A controller design framework

for telerobotic systems”, IEEE Trans. on Trans. Cont. Sys. Tech., March, Vol. 1(1),

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

pp. 50 – 62.

26. Do Duc Nam (2010), “Cooperative Control of Teleoperation System with Four

– channel Force Reflection”, Natural Science & Technology Kanazawa University

- Japan.

27. Y. Yokokohji, T. Yoshikawa (1994), “Bilateral control of master-slave

manipulators for ideal kinesthetic coupling-formulation and experiment”, IEEE

Trans. On Robot and Auto, 10(5), October, pp. 605 – 620.

28. J. H. Park, H. C. Cho (1999), “Sliding-Mode Controller for Bilateral

Teleoperation with Varying Time Delay”, International Conference on Advanced

Intelligent Mechatronics, pp. 311 – 316.

29. Amir Haddadi (2011), A thesis of Stability, Performance, and Implementation

Issues in Bilateral Teleoperation Control and Haptic Simulation Systems, Queen’s

University Kingston, Ontario, Canada.

30. M. W. Hirche, S. Chopra, N. Spong, M. Buss (2003), “Bilateral teleoperation

over the internet”, The time varying delay problem. In Proc. of American Control

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Conf, Jun, pp. 155 – 160.