- LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG. - 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 1.2.5 Một vài ứng dụng khác của hệ Tele – Robot. - 15 2.1 Lý thuyết ổn định Lyapunov. - 15 2.1.2 Tính ổn định Lyaponov. - 24 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 2 3.1. - Động lực học môi trường. - 42 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ SMSS. - 42 4.1 Mục tiêu điều khiển. - 42 4.2 Thiết kế luật điều khiển. - 42 4.3 Phân tích tính ổn định của hệ thống. - 56 5.1 Mục tiêu điều khiển. - 59 5.4 Luật điều khiển cộng tác của hệ thống SMMS. - 60 5.4.1 Luật điều khiển hệ thống Shape. - 60 5.4.2 Luật điều khiển hệ thống Lock. - 78 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 3 CÁC KHỐI CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG. - 90 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Các thông số của Robot. - 68 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG TELEOPERATION Hình 1.1 Hệ Teleoperation song phương. - 16 CHƯƠNG 3: ĐỘNG LỰC HỌC HỆ TELEOPERATION Hình 3.1 Hệ thống điều khiển từ xa gồm một robot master một robot slave. - 24 Hình 3.2 Hệ thống teleoperation một robot master nhiều robot slave. - 27 Hình 3.3 Robot 2 bậc tự do dạng tay liên kết song song. - 29 Hình 3.4 Robot 2 bậc tự do dạng tay nối tiếp. - 34 Hình 3.5 Mô hình thời gian trễ. - 38 Hình 3.6 Mô hình môi trường. - 39 CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ SMSS Hình 4.1 Sơ đồ khối điều khiển hệ SMSS. - 50 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 6 Hình 4.7. - 51 Hình 4.10. - 52 Hình 4.11. - 52 Hình 4.12. - 53 Hình 4.13. - 53 Hình 4.14. - 54 Hình 4.15. - 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. - 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. - 73 Hình 5.9 Vị trí master và hệ thống Lock. - 73 dSxdSx LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 7 Hình 5.10 Lực của tay máy và ti lệ hệ thống Lock. - 74 Hình 5.11 Lực gắp trong hệ thống Shape. - 74 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 8 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Nguyên Xuân Thuận, học viên cao học khóa 2012B.CĐT.KH chuyên ngành Cơ Điện Tử. - Đỗ Đức Nam, tôi đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp thạc sĩ. - Với đề tài luận văn tốt nghiệp là: “Tính toán động lực học và tính toán điều khiển cộng tác cho hệ thống SMMS-Teleoperation với độ trễ trên kênh truyền thông” Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. - Hà Nội, ngày 26 tháng 03 năm 2014 Người cam đoan Nguyễn Xuân Thuận LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 9 LỜI NÓI ĐẦU 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”. - 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 10 CẤU TRÚC LUẬN VĂN Chương 1: Tổng quan Giới thiệu chung. - 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. - sự ổn định của hệ thống có nhiễu, lý thuyết này sẽ được ứng dụng cho hệ thống động lực học môi trường và phân tích tính ổn định của hệ thống. - Chương 3: Động lực học của hệ thống teleoperation Đề cập đến động lực học của hệ thống teleoperation bao gồm Robot Master và Robot Slave. - Chương này sẽ giới thiệu 2 hệ thống đó là SMSS(single master single slave) và hệ thống SMMS(single master multi slave) Chương 4: Thiết kế điều khiển của hệ thống SMSS theo phương pháp Scattering Đưa ra bộ thông số điều khiển Scattering cho hệteleoperation,kết hợp với Virtual Damping và được ứng dụng cho hệ thống SMSS để cải tiến sự bám sát thực thi và sự đồng nhất. - Trong phân tích tính ổn định của phần này, sử dụng lý thuyết Lyapunov để chứng minh rằng hệ “ ổn định tiệm cận” Chương 5: Thiết kế luật điều khiển cho hệ thống SMMS Một phương pháp mới được đề xuất cho hệ thống SMMS. - Trong chương này tính ổn định được phân tích theo lý thuyết Lyapunov và một số kết quả mô phỏng cụ thể được đưa ra trong các hình vẽ. - LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 11 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 là hình ảnh, âm thanh, vị trí, nhiệt độ, lực, bức xạ, vận tốc, gia tốc. - Ngoài ra, ở hệ thống teleoperation song phương, “Master” và “Slave” được liên kết với nhau qua kênh truyền thông và nằm ở hai phía khác nhau. - Việc hiệu chỉnh chính xác các thông số là bản chất của các luật điều khiển hệ thống teleoperation, song hệ thống vẫn chưa đủ tốt để đạt được hiệu quả như mong muốn vì vị trí không phải là mối quan hệ duy nhất được đưa ra giữa hai Robot. - Thực tế, khi bắt đầu tương tác với môi trường, phản lực xuất hiện và ảnh hưởng tới LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 12 hệ thống. - Hiện nay, có nhiều nghiên cứu liên quan đến vấn đề chuyển động và điều khiển lực, đặc biệt là vị trí của khâu tác động cuối của “Slave” khi va chạm với môi trường. - Mục tiêu của hệ thống teleoperation là cung cấp khả năng tương tác với môi trường, 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 hoạt động như chụp vệ tinh và sửa chữa sẽ làm giảm nguy cơ gây nguy hiểm cho con người 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 (SMSS) như: Teleoperation tuyến tính, Teleoperation phi tuyến, Teleoperation trễ. - Tuy nhiên hệ thống Teleoperation với nhiều Robot vẫn ít được đề cập. - 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 13 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. - 1.2.3 Ứng dụng trong các môi trường nguy hiểm Hệ thống teleoperation được áp dụng phổ biến trong 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. - Khi có tác vụ ở một địa điểm từ xa, Robot sẽ gửi thông tin phản hồi một cách trực quan tới người điều khiển, từ đó người điều khiển có thể nhận biết và có LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 14 cách cải thiện, khắc phục tác vụ đó. - Tuy nhiên, điều này yêu cầu phải có một đường truyền nhanh, ổn định và chính xác để truyền dữ liệu trong thời gian thực 1.2.5 Một vài ứng dụng khác của hệ Tele – Robot - Tính trực quan và thực tế: Giúp cho người điều hành có thể quan sát, phân tích và thực hiện nhiệm vụ một cách chính xác nhất, thông qua việc truyền về những hình ảnh, các tác động đến môi trường. - 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. - LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 15 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết ổn định Lyapunov 2.1.1 Định nghĩa cơ bản Chuẩn được sử dụng xuyên suốt đồ án này là chuẩn vector ơclit và được ký hiệu. - Lý do thuật ngữ “phiếm hàm” được sử dụng là vì V có thể là không gian hàm, ví dụ: :[0 :1]V f R với flà liên tục LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN THUẬN 16 Trong trường hợp ví dụ trên. - )T f s dslà hàm tuyến tính trên V 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. - Một điểm cân bằng x* có tính chất đó với 0tbất kỳ, nếu trạng thái của hệ thống bắt đầu từ x* nó sẽ quay lại x* trong tương lai
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt