LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN XUÂN THUẬN

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.................................................................... 5
LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................... 4
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 9
CẤU TRÚC LUẬN VĂN ....................................................................................... 10
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................. 11
TỔNG QUAN .......................................................................................................... 11
1.1 Giới thiệu về hệ thống teleoperation .................................................................. 11
1.2 Ứng dụng của hệ Teleoperation ......................................................................... 12
1.2.1 Ứng dụng trong phẫu thuật ............................................................................. 13
1.2.2 Ứng dụng trong thám hiểm không gian ........................................................... 13
1.2.3 Ứng dụng trong các môi trường nguy hiểm .................................................... 13
1.2.4 Mobile Robot ................................................................................................. 13
1.2.5 Một vài ứng dụng khác của hệ Tele – Robot ................................................... 14
1.3 Mục tiêu chính và đóng góp của luận văn .......................................................... 14
CHƯƠNG 2 ............................................................................................................. 15
CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................................. 15
2.1 Lý thuyết ổn định Lyapunov.............................................................................. 15
2.1.1 Định nghĩa cơ bản .......................................................................................... 15
2.1.2 Tính ổn định Lyaponov .................................................................................. 17
2.2 Đầu vào đến trạng thái ổn định .......................................................................... 22
ĐỘNG LỰC HỌC HỆ TELEOPERATION .......................................................... 24
3.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 24

1


2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN XUÂN THUẬN

CÁC KHỐI CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG .............................................. 78
CÁC FILE CODE TRONG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ............................. 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 90

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN XUÂN THUẬN

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Các thông số của Robot……………………………………………………. 47
Bảng 4.2 Các thông số mô phỏng hệ SMSS…………………………………………. 47
Bảng 4.3 Giá trị trễ trên kênh truyền thông………………………………………..... 48
Bảng 5.1 Bảng tham số của mini robot 2 bậc tự do………………………………….. 68
Bảng 5.2 Bảng tham số của DD robot 2 bậc tự do…………………………………... 68

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 4.7. Vị trí của Master và Slave có trễ………………………………………..... 50
Hình 4.8. Vận tốc của Master và Slave có trễ……………………………………..... 51
Hình 4.9. Lực tác động của người và môi trường…………………………………… 51
Hình 4.10. Vị trí của Master và Slave có trễ………………………………………… 52
Hình 4.11. Vận tốc của Master và Slave có trễ……………………………………… 52
Hình 4.12. Lực tác động của người và môi trường………………………………...... 53
Hình 4.13. Vị trí của Master và Slave có trễ………………………………………… 53
Hình 4.14. Vận tốc của Master và Slave có trễ……………………………………… 54
Hình 4.15. Lực tác động của người và môi trường………………………………….. 54
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ SMMS
Hình 5.1 Hệ thống teleoperation SMMS…………………………………………….. 56
Hình 5.2 Cấu trúc hệ thống SMMS………………………………………………….. 52
Hình 5.3 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống SMMS…………………………………… 62
Hình 5.4 Vị trí của hệ thống Shape và xSd …………………………………………… 71
Hình 5.5 Vị trí master và hệ thống Lock…………………………………………….. 71
Hình 5.6 Lực của tay máy và ti lệ hệ thống Lock…………………………………… 72
Hình 5.7 Lực gắp trong hệ thống Shape…………………………………………….. 72
Hình 5.8 Vị trí của hệ thống Shape và xSd …………………………………………… 73
Hình 5.9 Vị trí master và hệ thống Lock…………………………………………….. 73
6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN XUÂN THUẬN

Hình 5.10 Lực của tay máy và ti lệ hệ thống Lock………………………………….. 74
Hình 5.11 Lực gắp trong hệ thống Shape……………………………………………. 74

7


Hiện nay, với sự phát triển của nhân loại, càng ngày càng nhiều những công
việc đòi hỏi trình độ cao đi kèm với những áp lực, độ nguy hiểm lớn. Để hoàn thành
những công việc đó trước đây là rất khó khăn, tuy nhiên từ khi hệ thống Robot song
phương được đưa vào sử dụng giúp con người có thể thực hiện những việc đó từ xa
với độ chính xác khá cao vì vậy vai trò của Teleoperation ngày càng quan trọng.
Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống cũng như hiệu quả khi làm việc phương
pháp điều khiển cần phải cải tiến rất nhiều. Với yêu cầu trên, để bổ sung và nâng
cao kiến thức về điều khiển và cũng một phần nhằm làm cơ sở cho quá trình nghiên
cứu cũng như làm việc sau này, học viên đã chọn đề tài:“ Tính toán động lực học
và tính toán điều khiển cộng tác cho hệ thống SMMS-Teleoperation với độ trễ
trên kênh truyền thông”. Đây là một đề tài mới và đang được sự quan tâm rất lớn
từ phía các nhà khoa học trên khắp thế giới, tiêu biểu như ở Nhật và Châu Âu…
Trong quá trình thực hiện đề tài này, học viên đã đưa ra được một số kết quả
khả quan. Để được kết quả đó, học viên xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình
của TS. Đỗ Đức Nam và các thầy, cô giáo trong bộ môn Cơ sở thiết kế máy và
Robot đã tạo điều kiện cho học viên hoàn thành đề tài một cách tốt nhất. Tuy nhiên,
với nhiều khó khăn do vấn đề thời gian và kinh nghiệm nên luận văn không tránh
khỏi những sai sót. Kính mong quý thầy cô đóng góp những ý kiến để đề tài này
được hoàn thành tốt hơn

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
HVTH
Nguyễn Xuân Thuận

9


LUẬN VĂN THẠC SĨ



10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN XUÂN THUẬN

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về hệ thống teleoperation
Teleoperation là một hệ thống thiết bị có sự tương tác ở khoảng cách khác nhau
tương tự như một hệ thống “điều khiển từ xa” thường gặp trong học thuật và môi
trường kỹ thuật. Trong các thiết bị của hệ thống Teleoperation có thiết bị liên quan
đến lĩnh vực Robot (cố định hoặc di động) và được ứng dụng nhiều trong khoa học
kỹ thuật và cuộc sống hàng ngày. Các thiết bị này thường được điều khiển từ xa bởi
con người thông qua một trong các thiết bị thuộc hệ thống.
Hệ thống thiết bị này cho phép con người sử dụng khả năng tư duy, sự hiểu biết
và hoạt động chân tay của mình tác động vào máy móc, Robot. Trong những thập
niên trở lại đây, hệ thống teleoperation được sử dụng nhiều trong các công việc
mang tính nguy hiểmcho con người khi trực tiếp thực hiện hay các công việc khó
thực hiện, như trong các môi trường phóng xạ, độc hại, vũ trụ, quân sự...
Teleoperation bao gồm một hệ thống chủ động, gọi là “Master” và một hệ thống
phụ thuộc gọi là “Slave”. Người điều khiển sử dụng một hệ thống tổng thể để gửi
các yêu cầu cho hệ thống teleoperation, thông qua hệ “Master” truyền tín hiệu đến
hệ “Slave”. Tùy thuộc vào kênh thông tin, hệ thống teleoperation được gọi là đơn
phương hoặc song phương. Trong teleoperation đơn phương, không có phản hồi nào
từ hệ “Slave” về hệ “Master”, và hệ “Slave” được thúc đẩy làm việc nhờ những tín
hiệu của hệ “Master”. Trong teleoperation song phương, bất kể loại tín hiệu nào của
hệ “Slave” đều có thể được gửi đến về hệ “Master”, những tín hiệu phản hồi có thể

Hình 1.1 Hệ Teleoperation song phương.
Để phân tích sự ổn định Teleoperation song phương, nhiều nghiên cứu căn cứ
trên tính thụ động để thành lập sự ổn định cho toàn hệ thống bằng cách sử dụng
phương phápLyapunov, tổngcác hàm lưu trữ củatất cả các khốithành phần.
1.2 Ứng dụng của hệ Teleoperation
Teleoperation song phương đã được áp dụng trong nửa thế kỷ qua trong rất
nhiều lĩnh vực khác nhau, từ việc sử dụng trong phẫu thuật, đến việc du hành thám

12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN XUÂN THUẬN

hiểm không gian, hay được sử dụng cho Robot cứu hộ dưới nước, mobile Robot, xử
lý các vật liệu nguy hiểm trong nhà máy hạt nhân,v.v…
1.2.1 Ứng dụng trong phẫu thuật
Việc áp dụng hệ thống Teleoperation trong phẫu thuật hiện đại xuất hiện nhiều
kể từ những năm 1990. Sau nhiều năm nghiên cứu của NaSa và SRI International hệ
thống phẫu thuật đã được giới thiệu bởi công ty Intuitive Surgical, Inc và được sử
dụng trên toàn thế giới để thực hiện các biện pháp can thiệp phẫu thuật với chấn
thương tối thiểu. Tuy nhiên, hệ thống ban đầu này còn chưa đáp ứng được các thông
tin về lực phản hồi, nên sau đó, các nhà khoa học đã tiếp tục nghiên cứu khả năng
cho phép phản hồi thông tin của hệ “Slave”. Gần gây, trung tâm vũ trụ Đức DLR đã
thiết kế một hệ thống teleoperation phẫu thuật mới được gọi là MIRO ( Minimally
invasive surgical Robot) có thể phản hồi chính xác các thông tin cho bác sĩ phẫu
thuật.
1.2.2 Ứng dụng trong thám hiểm không gian
Trong không gian, một chương trình Robot mang tên Viking Mars – Program

lái máy bay cho các học viên, từ đó các học viên có thể hiểu và nắm được kinh
nghiệm như khi lái máy bay thật. Điều này không những chỉ giúp giảm chi phí mà
còn tiết kiệm được thời gian và nguy cơ chấn thương được giảm kể.
1.3 Mục tiêu chính và đóng góp của luận văn
Trong khi thực hiện các tác vụ giữa Robot Master và Robot Slave của hệ thống
Teleoperation thì việc điều khiển vị trí và lực phản hồi hết sức quan trọng. Nội dung
chính của nghiên cứu này là thiết kế luật điều khiển cho hệ SMSS và SMMS trên cơ
sở phân tích, đánh giá các nghiên cứu trước đó và phương pháp được đề xuất đã
đảm bảo được các yêu cầu như: điều khiển chính xác vị trí của Robot Slave theo
Robot Master, lực phản hồi tác động của môi trường tác động lên Robot Slave.
Để cải thiện sự đồng nhất giữa vị trí, lực của hệ Teleoperation SMSS với độ trễ
là biến thiên trên kênh truyền thông, đề tài này đã đề xuất một hệ thống đầu vào
mới, dựa trên bộ chuyển đổi Scattering. Các tham số trong biểu thức của luật điều
khiển đã được đề xuất. Một phương pháp mới cũng được đề xuất cho hệ thống
SMMS với yêu cầu về độ tương đồng của hệ thống khi làm việc.
Vấn đề về phân tích tính ổn định của hệ thống sau khi đã đề xuất luật điều khiển
được giải quyết dựa trên phương pháp Lyapunov. Và kết quả chứng minh cho thấy
sự ổn định tổng thể của hệ thống SMSS là đạt được.
Từ kết quả mô phỏng, cho thấy tính hiệu quả của các phương pháp điều khiển đã
đề xuất trong đề tài, điển hình như sự đồng bộ về vị trí và lực của hệ thống.

14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN XUÂN THUẬN

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT


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

(2.3)

Định nghĩa 2.1 Một phiếm hàm là hàm số giá trị thực trong không gian V, thường
là của hàm số. Lý do thuật ngữ “phiếm hàm” được sử dụng là vì V có thể là không
gian hàm, ví dụ:
V  f : [0 :1]  R với f là liên tục

15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN XUÂN THUẬN

1

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

Định nghĩa 2.2 Xem xét một hệ thống động lực học phi tuyến trơn và tự trị được
biểu diễn bởi phương trình vi phân
x (t )  f (t , x (t ))

(2.4)

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

Định nghĩa 2.6 Một hàm số f : R  R được gọi là liên tục đều trên tập hợp S nếu
với tất cả x, y  S với   0 thì tồn tại một hằng số   0 như (2.5).
Thường sự liên tục của một hàm f : R  R có thể được kiểm tra bởi các bổ đề sau:

16


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN XUÂN THUẬN

Bổ đề 2.2 Xem xét một hàm khả vi f : R  R . Nếu một hằng số M  R tồn tại sao
cho
sup

xR

df
( x)  M ,
dx

thì f là liên tục đều trên R.
n

Đinh nghĩa 2.7 Một hàm số giá trị véc tơ f : R x R  R thỏa mãn K điều kiện
Lipschitz trong x, với hằng số Lipschitz   0 , nếu nhận được x1, x2 và đồng dạng
trong t
(2.6)

f (t , x1 )  f (t , x2 )   x1  x2


(2.8)
(2.9)

17


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN XUÂN THUẬN

dó đó, x = 0 là ổn định. Hơn nữa nếu

V ( x)  0 trong D-{0}

(2.10)

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

(2.11)

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

0,    D  Rn , và

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

là điểm cân bằng cho (2.11) tại t = 0 nếu
f (t , 0)  0,  t  0

18


LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN XUÂN THUẬN

ổn định theo nguyên lý được Lyapunov thực hiện trong nội dung nghiên cứu ứng xử
và chứng minh tính ổn định của điểm cân bằng trong hệ thống không tự trị.
Các khái niệm về tính ổn định và ổn định tiệm cận của điểm cân bằng trong hệ
thống không tự trị cơ bản là giống hệ thống tự trị. Một nguyên tố mới ở đây là khi
nghiệm của hệ thống tự trị phụ thuộc cả t và t0. Do đó, nói chung, xét tính ổn định
của điểm cân bằng sẽ bị phụ thuộc vào t0. Gốc tọa độ x = 0 là điểm cân bằng cho
(2.11) nếu mỗi   0 và t0 ≥ 0 bất kỳ, có    ( , t0  0) như là:
x (t0 )    x (t 0 )   ,  t  t 0

Các hằng số  là phụ thuộc vào thời gian ban đầu t0
Định nghĩa 2.10 Điểm cân bằng x=0 của (2.11) là:
 ổn định nếu, với mỗi   0 có    ( , t0 ) như là:
x (t 0 )    x (t0 )   ,  t  t 0  0

(2.12)

 ổn định đều nếu, với mỗi   0 có    ( ) , không phụ thuộc t0 sao cho
(2.12) là thỏa mãn  x (t0 )  c
 ổn định tiệm cận nếu nó là ổn định và có c  c(t0 ) sao cho x (t )  0 khi

t   sao cho:  x (t0 )  c
 ổn định tiệm cận đều nếu nó là ổn định đều và có c >0 không phụ thuộc t0 sao
cho  x (t0 )  c , x (t )  0 khi t   sao cho, đều trong t0; nghĩa là với mỗi

  3   4 phụ thuộc lớp K∞
  (r, s)      2 (r ), s   phụ thuộc lớp KL
Các bổ đề dưới đây cho các định nghĩa tương đương của ổn định đều và ổn
định tiệm cận đều bằng cách sử dụng hàm lớp K và hàm lớp KL
Bổ đề 2.4 Điểm cân bằng x = 0 của (2.11) là:
 ổn định đều nếu và chỉ nếu tồn tại một hàm lớp K:  (.) và một hằng số c xác
định dương, không phụ thuộc t0 sao cho:
x (t )  

 x  t   , t  t
0

0

 0,  x (t 0 )  c

(2.13)

 ổn định tiệm cận đều nếu và chỉ nếu tồn tại một hàm lớp KL:  (.,.) và một
hằng số c xác định dương, không phụ thuộc t0 sao cho:
x (t )  

 x t

0

 , t  t0  , t  t0  0, 

x (t 0 )  c



t  0,  x  D , W1, W2, W3, là các hàm liên tục và dương trên miền D. Thì x = 0 là

ổn định tiệm cận đều.
Hệ quả 2.1 Giả sử các giả thiết của Định lý 2.1 là thỏa mãn toàn cục (  x  R n ) và
W1 bị giới hạn, thì x = 0 là ổn định tiệm cận đều.
Định lý 2.3 Với x = 0 là điểm cân bằng cho hệ thống phi tuyến
x  f (t , x )

Với f :  0,    D  R n là khả vi liên tục, D  x  R n x  r , và ma trận Jacobi

f
bị giới hạn trong D, đều trong t. Với  (.,.) là hàm lớp KL và r0 là hằng số xác
dx
định dương như vậy  (r0 ,0)  r . Với D0  x  R n x  r0 . Giả thiết rằng quĩ đạo
của hệ thống thỏa mãn

x (t )  V (t , x)    x (t0 ), t  t0  , t  t0  0
Do đó, Có hàm V :  0,    D0  R khả vi liên tục thỏa mãn bất đẳng thức
 1 ( x )  V (t , x )  a 2 ( x )

V V

f (t , x)   3  x  ,
t x
V
 4  x 
x
với 1 (.), 2 (.), 3 (.) và  4 (.) các hàm số lớp K xác định trên  0, r0  . Nếu hệ thống
là tự trị, V có thể chọn sao cho không phụ thuộc t.

Xem xét hệ thống
x  f (t , x, u )

Với : [0, ∞) ×
và u, và

⊂

×

→

(2.19)

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

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 ∀ > 0. Giả sử rằng hệ thống tự do
x  f (t , x, 0)

(2.20)

Có điểm cân bằng ổn định tiệm cận đều tại điểm x = 0. Bằng cách xem hệ thống
(2.19) như là nhiễu của hệ thống tự do (2.20). Chúng ta có thể áp dụng kỹ thuật của

=

=

,

, và bất phương trình (2.21) là được thỏa mãi với bất kỳ trạng thái ban đầu

x(t0) và bất kỳ đầu vào bị giới hạn u(t).
Bất đẳng thức (2.21) đảm bảo rằng một đầu vào bị giới hạn u(t), trạng thái x(t)
sẽ bị giới hạn. Hơn nữa, khi t tăng, trạng thái x(t) sẽ là giới hạn cuối với rằng buộc
‖ ( )‖. Bất đẳng thức (2.21) được được

cuối cùng, cái đó là hàm lớp K của sup

sử dụng để hiện thị nếu u(t) không hôi tụ khi → ∞, hoặc x(t) không hội tụ khi
→ ∞. Với u(t) = 0, (2.21) giảm đến
‖ ( )‖ ≤ (‖ ( ), −

‖)

“đầu vào đến trạng thái ổn định” cục bộ được coi là hệ thống tự do (2.20) là ổn định
tiệm cận đều, Trong khi “đầu vào đến trạng thái ổn định” được coi là ổn định tiệm
cậnđều toàn cục.
Định lýsau đây theo quan điểm Lyapunovgiống nhưđưa ra mộtđiều kiện
đủcho“đầu vàođến trạng tháiổn định”.
=

Định lý 2.6.Với
→


(. ),

(. ),

(. ) và

(

( )) và

=

(2.23)

làcác hàm lớp K, Do đó

hệ thống (2.19) “đầu vào đến trạng thái ổn định” cục bộ với
=

×

=

°

° , và

(min , ( )). Hơn nữa nếu D = Rn, Du = Rm và


∈

×

Là vectơ góc của khớp.

̇ , ̇ ∈

×

Là vectơ vận tốc góc của khớp.

̈ , ̈ ∈

×

Là vectơ gia tốc góc của khớp.

×

Là vectơ momen đầu vào.

,

,

∈
×

∈

×

là ma trận Jacobi.

Xét hệ số cho biết tọa độ tay máy

, với =

, , hệ tọa độ đề các có quan hệ

với hệ tọa độ này theo:
(3.2)

zi  hi (qi )

Trong đó: ℎ 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 vận tốc bằng cách sử dụng ma trận Jacobi như
sau:
zi  J i (qi )qi

(3.3)

Giả thiết rằng bỏ qua trọng lực và các yếu tố không cần thiết khác, phương trình
động lực học (3.1) có một số đặc tính cơ bản sau:
(

Tính chất 3.1 Ma trận quán tính
,


( , ̇ ) = ̇ ( , ̇ ) − 2 ( , ̇ ), =

∈

×

, thỏa mãn:
(3.6)

là véctơ bất kì.

Tính chất 3.4 Ma trận quán tính
hằng số dương

(3.5)

( , ̇ ) xác định được ma trận

zT N i  qi , qi  z  0, i  m, s

Trong đó:

(3.4)

,

,

( ) là đối xứng, xác định dương và tồn tại các