Điều khiển vị trí và lực tương tác trong hệ thống SMSS Teleoperation.

- NGUYỄN TUẤN ANH THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ VÀ LỰC TƯƠNG TÁC TRONG HỆ THỐNG SMSS TELEOPERATION LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Hà Nội –2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- NGUYỄN TUẤN ANH THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ VÀ LỰC TƯƠNG TÁC TRONG HỆ THỐNG SMSS TELEOPERATION LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH:CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.
- 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TELEOPERATION.
- Ứng dụng của hệ Teleoperation.
- 11 1.2.1 Ứng dụng trong phẫu thuật từ xa.
- 12 1.2.2 Ứng dụng trong thám hiểm không gian.
- 12 1.2.3 Ứng dụng trong các môi trường nguy hiểm.
- 14 1.2.5 Một vài ứng dụng và đặc điểm khác của hệ thống Teleoperation.
- 28 CHƯƠNG III: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT TRONG HỆ THỐNG SMSS TELEOPERATION.
- 37 3.2.2 Phương trình động lực học robot Slave.
- Động lực học môi trường.
- Đối tượng điều khiển.
- Thiết kế hệ thống điều khiển PD kết hợp điều khiển lực.
- 54 4.3.Phân tích tính ổn định của hệ thống.
- Với đề tài luận văn tốt nghiệp là: “Điều khiển vị trí và lực tương tác trong hệ thống SMSS Teleoperatiton” Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS.
- Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Người cam đoan Nguyễn Tuấn Anh 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Bảng thông số DH Bảng 4.1 Bảng tham số robot Mini Bảng 4.2 Bảng tham số robot Slave Bảng 4.3 Bảng tham số điều khiển Bảng 4.4 Các trường hợp mô phỏng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TELEOPERATION Hình 1.1 Mô hình hệ thống Teleoperation Hình 1.2 Mô hình hệ thống Teleoperation trong y tế.
- 12 Hình 1.3 Hình ảnh hệ thống Teleoperation sử dụng trong không gian Hình 1.4 Hình ảnh hệ thống Teleoperation sử dụng trong môi trường nguy hiểm…..14 Hình 1.5 Mô hình Mobile Robot CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC HỆ THỐNG SMSS TELEOPERATION Hình 2.1 Biểu diễn một điểm trong không gian Hình 2.2 Các hệ tọa độ quay Hình 2.3 Hệ tọa độ biến đổi Hình 2.4 Robot n khâu Hình 2.5 Hai khâu liên tiếp Hình 2.6 Robot hai khâu CHƯƠNG III: ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG SMSS TELEOPERATION Hình 3.1 Khảo sát vi khối lượng dm của các tay robot Hình 3.2 Mômen quán trính độc cực.
- ...33 Hình 3.3 Hệ thống điều khiển từ xa gồm một robot Master một robot Slave (SMSS)37 Hình 3.4 Robot Master mini - 2 bậc tự do Hình 3.5 Robot Slave - 2 bậc tự do Hình 3.6 Mô hình môi trường tác động Hình 3.7 Mô hình thời gian trễ CHƯƠNG IV : THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SMSS TELEOPERATION Hình 4.1 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống SMSS Hình 4.2 Vị trí Robot Slave khi tương tác với môi trường Hình 4.3 Biểu đồ vị trí của các robot khi robot Slave chưa va chạm với môi trường khi không có trễ Hình 4.4 Biểu đồ lực của các robot khi robot Slave chưa va chạm với môi trường khi không có trễ Hình 4.5 Biểu đồ vị trí của các robot khi robot Slave va chạm với môi trường khi không có trễ Hình 4.6 Biểu đồ lực của các robot khi robot Slave va chạm với môi trường khi không có trễ Hình 4.7 Biểu đồ vị trí của các robot khi robot Slave chưa va chạm với môi trường với trễ trên kênh truyền thông Hình 4.8 Biểu đồ lực của các robot khi robot Slave chưa va chạm với môi trường với trễ trên kênh truyền thông Hình 4.9 Biểu đồ vị trí của các robot khi robot Slave va chạm với môi trường với trễ trên kênh truyền thông Hình 4.10 Biểu đồ lực của các robot khi robot Slave va chạm với môi trường với trễ trên kênh truyền thông.
- Ví dụ hệ thống Robot song phương điều khiển từ xa (hay còn gọi là hệ thống Teleoperation) được đưa vào sử dụng giúp con người có thể thực hiện các công việc đó từ xa với độ chính xác khá cao, kết quả thu được là rất đáng kể.
- Vì vậy vai trò của hệ thống này ngày càng quan trọng và cần được phát triển.
- Để nâng cao độ tin cậy, tính hiệu quả, sự ổn định của hệ thống ngoài việc cải tiến về các kết cầu cơ khí để đảm bảo độ cứng vững của cấu trúc, việc cải tiến nâng cao phương pháp điều khiển cũng hết sức quan trọng.
- Sau khi tìm hiểu các kiến thức cơ bản và chuyên sâu về hệ thống Robot điều khiển từ xa, tác giả đã nhận thấy tầm quan trọng cũng như ý nghĩa thực tiễn của hệ thống này cũng như khả năng phát triển trong tương lai.
- Do đó đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu là :”Thiết kế điều khiển vị trí và lực tương tác trong hệ thống SMSS Teleoperation”.
- Vấn đề điều khiển vị trí và lực cũng đã có nhiều nhà nghiên cứu trước đó quan tâm, tuy nhiên kết quả còn cần phải cải thiện rất nhiều về độ chính xác, tính ổn định và tính hiệu quả của phương pháp điều khiển.
- 8 CẤU TRÚC LUẬN VĂN Luận văn được xây dựng gồm 5 chương như sau: Chương 1 : Tổng quan Ở phần đầu của chương giới thiệu về hệ thống Teleoperation, các thành phần trong hệ thống và các thông số yêu cầu đặt ra.
- Phần tiếp theo trong chương mở đầu là về ứng dụng của hệ thống Teleoperation, sau đó là mục tiêu và đóng góp của bản luận văn.
- Chương 2 : Tính toán động học Robot trong hệ thống SMSS Teleoperation Chương này sẽ đề cập về tính toán, biến đổi, bài toán động học thuận, bài toán động học ngược của Robot Scara 2 bậc tự do làm cơ sở cho việc giải bài toán về vị trí của Robot.
- Chương 3 : Động lực học Robot trong hệ thống SMSS Teleoperation Hệ thống Teleoperation được sử dụng gồm 2 Robot tương tác với nhau, tiến hành xây dựng phương trình động lực học cho các Robot này (Robot Master và Robot Slave có cấu trúc khác nhau) để làm nền tảng cho việc đề xuất phương pháp điều khiển của hệ thống.
- Chương 4 : Thiết kế điều khiển của hệ thống SMSS Teleoperation Trên cơ sở của phương trình động lực học được xây dựng ở chương 3, trong chương 4 này tác giả đã sử dụng phương pháp phản hồi thụ động để làm cơ sở đề xuất phương pháp điều khiển cho 2 phía của hệ thống.
- Sử dụng một kỹ thuật liên quan đến phương pháp của Lyapunov - từ đầu vào ổn định đến trạng thái ổn định (ISS) để chứng minh tính ổn định của phương pháp điều khiển được đưa ra.
- Một vài mô phỏng và kết quả thực nghiệm để chỉ ra tính hiệu quả của phương pháp được đề xuất này.
- Đưa ra các kết luận về kết quả của phương pháp điều khiển được đề xuất, đánh giá tính chính xác, hiệu quả và đưa ra các giải pháp trong tương lai.
- 9 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TELEOPERATION 1.1.
- Giới thiệu chung 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 nhiều 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.
- Trong những thập niên trở lại đây, hệ thống Teleoperation được sử dụng nhiều trong các công việc mang tính nguy hiểm cho 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.
- Trong khuôn khổ luận văn này, nội dung chính tập trung vào nghiên cứu hệ thống Teleoperation bao gồm các Robot cộng tác với nhau.
- Một trong hai Robot được điều khiển từ xa: Robot chủ động (Master), một Robot lệ thuộc (Slave).
- Các phương pháp điều khiển được sử dụng để điều khiển hệ thống này.
- Các tín hiệu hay tham số của hệ được gửi qua lại giữa 2 Robot qua kênh truyền thông: Tín hiệu về vị trí, vận tốc hay lực tương tác.
- Tùy thuộc vào kênh thông tin, hệ thống Teleoperation được gọi là đơn phương hoặc song phương.
- Trong hệ thống Teleoperation đơn phương, không có tín hiệu phản hồi nào từ hệ “Slave” về hệ “Master”, và hệ “Slave” được điều khiển thực thi công việc nhờ những tín hiệu gửi tới của hệ “Master”.
- Trong hệ thống Teleoperation song phương, ngoài các tín hiệu được gửi tới hệ “Slave” còn có các tín hiệu được phản hồi về hệ “Master”, những tín hiệu phản hồi có thể là hình ảnh, âm thanh, vị trí, nhiệt độ, lực, bức xạ, vận tốc, gia tốc.
- Như vậy ở hệ thống Teleoperation song phương, 2 phía Robot Master và Slave được liên kết với nhau thông qua kênh truyền thông 2 chiều, có thể 2 hay nhiều tín hiệu như đã được đề cập ở trên.
- Trong quá trình truyền thông giữa 2 hệ thống sẽ sinh ra sai lệch do có độ trễ xuất hiện, đây là một nguyên nhân làm mất 10 tính đồng bộ cũng như tính ổn định của hệ thống điều khiển.
- Độ trễ phụ thuộc nhiều vào yếu tố trong đó có công nghệ, kỹ thuật truyền thông, vì thế khi thiết kế hệ thống phải chú ý tính toán ảnh hưởng của sai lệch do trễ gây ra.
- Ngoài ra việc hiệu chỉnh các sai lệch là bản chất của luật điều khiển nói chung và hệ thống Teleoperation nói riêng, tính chính xác và ổn định của hệ thống điều khiển còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác.
- Ví dụ trong thực tế khi Robot Slave được điều khiển bắt đầu tương tác với môi trường, sẽ có phản lực phản hồi (FR - Force Reflection ) xuất hiện và ảnh hưởng tới hệ thống, tín hiệu này có thể được xác định tại phía Slave, hoặc có thể gửi về phía Master để hiệu chỉnh sai số.
- Việc điều khiển lực là một trong những vấn đề khó khăn nhất khi làm bài toán điều khiển hệ thống Teleoperation.
- Một trong những mục tiêu của hệ thống Teleoperation là sự hỗ trợ khả năng tương tác với môi trường ở hai phía của 2 Robot, ví dụ như hệ thống Teleoperation xử lý chất thải hạt nhân có thể giữ khoảng cách an toàn từ vật liệu nguy hại đến con người, hay đối với các hệ thống Teleoperation cho phép điều khiển từ xa các hoạt động như chụp ảnh vệ tinh, sửa chữa điện cao thế… sẽ làm giảm nguy cơ gây nguy hiểm cho người tiến hành công việc và các chi phí liên quan khi thực hiện nhiệm vụ một cách trực tiếp.
- Cho đến nay, một số giải thuật điều khiển thành công đã đề xuất cho hệ thống Teleoperation với một Robot Master một Robot Slave (Single Master Single Slave-SMSS) như: Teleoperation tuyến tính, phi tuyến, Teleoperation trên kênh truyền thông có trễ.
- Để phân tích sự ổn định của phương pháp điều khiển trong hệ thống Teleoperation song phương, nhiều nghiên cứu sử dụng phương pháp ổn định của Lyapunov để chứng minh và cho kết quả khả quan, tuy nhiên ở một vài phương pháp liên quan đến điều khiển lực thì phương pháp Lyapunov thuần túy không thực 11 sự hiệu quả.
- Trong luận văn này sẽ trình bày một phương pháp cải tiến dựa trên kỹ thuật của Lyapunov để chứng minh tính ổn định.
- Hình 1.1 Mô hình hệ thống Teleoperation Để phân tích sự ổn định của phương pháp điều khiển trong hệ thống Teleoperation song phương, nhiều nghiên cứu sử dụng phương pháp ổn định của Lyapunov để chứng minh và cho kết quả khả quan, tuy nhiên ở một vài phương pháp liên quan đến điều khiển lực thì phương pháp Lyapunov thuần túy không thực sự hiệu quả.
- Ứng dụng của hệ Teleoperation Trong phần giới thiệu trước đã cho thấy khả năng ứng dụng rộng rãi của hệ thống Teleopertion.
- Hệ thống 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 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… Dưới đây là một số ứng dụng điển hình của hệ thống này.
- 12 1.2.1 Ứng dụng trong phẫu thuật từ xa Hình 1.2 Mô hình hệ thống Teleoperation trong lĩnh vực y tế 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 từ xa do điều kiện không cho phép.
- Tuy nhiên, ban đầu hệ thống này còn chưa đáp ứng được các thông tin về lực phản hồi, 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 Hình 1.3 Hình ảnh hệ Teleoperation trong ứng dụng không gian 13 Thăm dò không gian và hoạt động trong quỹ đạo địa tĩnh đòi hỏi sử dụng robot vận hành từ xa (Teleoperation robot) làm giảm chỉ phí các nhiệm vụ lắp ráp, bảo trì và sửa chữa và mặt khác làm giảm mối nguy hiểm về an toàn của những phi hành gia.
- Tại thời điểm hiện tại, hầu hết các ứng dụng của hệ thống Teleoperation trong không gian được thực hiện trong các hoạt động liên quan tới việc thăm dò, thám hiểm, thu thập thông tin.
- Thông thường người thao tác thực hiện điều khiển trực tiếp lên tay máy để nhiệm vụ được thực thi.
- Các tay máy điều khiển cho xe tự hành (ESA, NASA.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống trong môi trường làm việc không gian phải kể đến.
- Điều kiện đáp ứng của môi trường.
- Trong những nghiên cứu gần đây Imaida (2004), Yoon (2004) cho phép hệ Teleoperation với một cánh tay robot 6 bậc tự do trên tàu Engineering Test Satellite 7 (ETS-VII) trong quỹ đạo với chậm trễ hơn 7 giây, bằng cách sử dụng các chương trình môi trường ảo và dự đoán hiển thị.
- Hệ thống ROKVISS của Đức cũng là một trong nhiều dự án đáng chú ý gần đây đối với các mục tiêu như trên, trong đó là nhằm mục đích tiến hành các thí nghiệm bên ngoài không gian của những cánh tay robot nhẹ.
- 14 1.2.3 Ứng dụng trong các môi trường nguy hiểm Hình 1.4 Hình ảnh Hệ thống Teleoperation trong môi trường nguy hiểm Đây là lĩnh vực mà hệ thống Teleoperation được ứng dụng nhiều nhất.
- Hệ thống Teleoperation sẽ tiếp cận các môi trường độc hại, nơi mà con người không thể trực tiếp tác động (môi trường hạt nhân, hóa học, khu vực nhiệt độ cao, axit,v.v.
- Chúng được sử dụng để làm một số nhiệm vụ như: xử lý trực tiếp phóng xạ, vật liệu hóa học, xử lý chất thải, thu thập thông tin.
- Các hệ thống Mobile Robot ứng dụng Teleoperation đã được sử dụng để xử lý hậu quả tại những khu vực nguy hiểm nhất trong nhà máy, thu thập thông tin môi trường, ghi hình, đo nồng độ phóng xạ, xây dựng bản đồ mật độ phóng xạ tại khu vực này… 1.2.4 Mobile Robot Hình 1.5 Một dạng xe tự hành kiểu Mobile Robot

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt