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 là hằng số

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Teleoperation (hệ thao tác từ xa) hệ thống điều khiển có tương tác khoảng cách xa, thường gặp học thuật môi trường kỹ thuật Hệ Teleoperation bao gồm hệ thống Master (hệ thống chủ động hay Robot chủ) hệ thống Slave (hệ thống phụ thuộc hay Robot tớ) Trong hệ thao tác từ xa Robot thực chức riêng, cụ thể: Robot tớ phải bám xác quỹ đạo Robot chủ; Robot chủ phải tạo quỹ đạo theo mong muốn tay người thao tác, đồng thời phải giám sát việc thực nhiệm vụ Robot tớ khoảng cách xa thông qua Robot chủ nhờ bám ngược trở lại quỹ đạo Robot tớ, đảm bảo đem lại cho người thao tác có cảm giác thực nhiễu lực tương tác môi trường lên Robot tớ thông qua Robot chủ Ở tín hiệu điều khiển gửi qua lại Robot chủ Robot tớ thông qua kênh truyền thông [75], [80] Cho đến hệ thao tác từ xa có 60 năm nghiên cứu ứng dụng nhiều lĩnh vực như: quân sự, khai thác mỏ, nghệ thuật điêu khắc hội họa…[25], [55], [64], [74], [77] Đặc điểm đáng lưu tâm đây, đối tượng điều khiển hệ thao tác từ xa đối tượng phức tạp, phi tuyến chịu tác động nhiều yếu tố bất định Mục đích yêu cầu đặt phân hệ điều khiển Robot chủ; Robot tớ tổng thể hệ thống thao tác từ xa khác Thêm vào hệ ln tồn hiệu ứng trễ kênh truyền thông, dễ làm ổn định hệ thống Tất điều tạo nên thách thức không nhỏ việc tổng hợp luật điều khiển cho hệ Cùng với xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật, nghiên cứu cho hệ thao tác từ xa ngày hoàn thiện với phương pháp điều khiển ứng dụng như: điều khiển thụ động, điều khiển PID, điều khiển thụ động kết hợp Scattering, điều khiển trượt, điều khiển dự báo…[56], [64], [65], [76], [80] Tuy nhiên nghiên cứu trước nhìn chung đưa giải pháp xây dựng điều khiển cho Robot chủ Robot tớ hoàn toàn giống chưa quan tâm đến chức nhiệm vụ riêng Robot hệ thống, đồng thời thuật toán đề xuất chưa thực đáp ứng yêu cầu kỹ thuật điều khiển hệ thao tác từ xa cụ thể chưa xét đến ảnh hưởng đồng thời từ yếu tố như: mô hình động học phi tuyến bất định Robot chủ Robot tớ; nhiễu tác động lên hệ, trễ kênh truyền điều kiện ràng buộc thực tế hệ…nên toán ổn định chất lượng hệ nhiều vấn đề cần quan tâm nghiên cứu Thực tế đặt cho thấy cần xây dựng cấu trúc điều khiển đảm bảo cho hệ thống có khả kháng nhiễu, tính bền vững chịu hiệu ứng trễ đường truyền Do việc phân tích tính đặc thù, khó khăn tổng hợp hệ thống thao tác từ xa nghiên cứu lý thuyết điều khiển nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ vấn đề thiết giúp cho hệ thống mở rộng ứng dụng thực tế Chính luận án tập trung xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ Teleoperation có kể đến đồng thời yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định chất lượng hệ thống đề cập Phạm vi, đối tượng nghiên cứu phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu hệ thao tác từ xa nói chung sâu vào hệ thống thao tác từ xa chủ tớ (Teleoperation-SMSS) với trễ kênh truyền thông số (Truyền thông qua dây dẫn xem đường truyền hữu tuyến với trễ T=const) Phạm vi nghiên cứu luận án: Luận án tập trung nghiên cứu tính đặc thù khó khăn tổng hợp hệ thống thao tác từ xa, từ đề xuất cấu trúc phương pháp điều khiển đảm bảo ổn định tiệm cận cho Robot tớ; ổn định thực tế ISS cho Robot chủ với đặc thù nhiệm vụ riêng Robot, hệ thao tác từ xa làm việc ổn định thực tế ISS kết hợp Robot chủ Robot tớ thông qua kênh truyền hữu tuyến với trễ kênh truyền số nhiễu nội tác động môi trường lên Robot xem thành phần nhiễu cộng Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp phân tích, đánh giá tổng hợp Thơng qua nghiên cứu lý thuyết để đề xuất vấn đề cần giải xây dựng thuật toán giải vấn đề đó, kiểm chứng nghiên cứu lý thuyết mô thực nghiệm Mục tiêu luận án Nghiên cứu xây dựng điều khiển hệ thao tác từ xa chủ tớ (Teleoperation-SMSS), đảm bảo cho hệ bền vững có khả thích nghi kháng nhiễu, hoạt động ổn định điều kiện vừa có nhiễu bất định từ mơi trường bên ngồi, vừa có hiệu ứng trễ kênh truyền thơng, đồng thời có tính đến tính phi tuyến mạnh vốn tồn động học Robot chủ Robot tớ Nhằm nâng cao chất lượng hệ thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật đặc trưng hệ thao tác từ xa: - Điều khiển bám xác quỹ đạo Robot chủ Robot tớ - Người điều khiển có cảm giác thực thao tác Robot tớ vị trí lực tương tác với môi trường thông qua Robot chủ Những đóng góp lý luận thực tiễn luận án Luận án có đóng góp sau: Đã đề xuất phương pháp đánh giá nhiễu tác động môi trường lên Robot chủ Robot tớ; đưa giải pháp bù trừ nhiễu tác động bên lên hệ thống Đã tổng hợp điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu sở đánh giá, bù nhiễu sử dụng điều khiển mode trượt cho Robot tớ, đảm bảo ổn định tiệm cận, phù hợp với yêu cầu đặc thù Robot tớ Đã tổng hợp điều khiển bền vững, thích nghi kháng nhiễu, đảm bảo ổn định thực tế (ISS), phù hợp với yêu cầu đặc thù Robot chủ Đã chứng minh điều kiện đủ để toàn hệ thống ổn định thực tế (ISS) đáp ứng yêu cầu đặt hệ thao tác từ xa tác động nhiễu bất định từ bên tồn hiệu ứng trễ kênh truyền thông Những đóng góp có ý nghĩa khoa học, có giá trị thực tiễn áp dụng cho lớp đối tượng công nghiệp thực tiễn sản xuất ứng dụng số lĩnh vực như: tháo lắp thuốc nổ quân sự, Robot điêu khắc hội họa từ xa Bố cục luận án Luận án gồm 03 chương, phần mở đầu kết luận, bố cục sau: Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương nghiên cứu tổng quan hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation), thống kê phân tích ưu nhược điểm phương pháp điều khiển đại; cấu trúc điều khiển áp dụng cho hệ thao tác từ xa chủ tớ (Teleoperation-SMSS) nghiên cứu trước Nêu tính đặc thù khó khăn tổng hợp hệ thống thao tác từ xa, từ đề xuất giải pháp xây dựng thuật toán điều khiển phù hợp với đặc điểm chức Robot hệ thao tác từ xa chủ tớ Chương Xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) Chương xây dựng cấu trúc điều khiển cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) cụ thể sau: thứ đề xuất thuật toán ước lượng nhiễu tác động môi trường lên Robot tớ, từ làm sở tổng hợp điều khiển thích nghi bền vững kháng nhiễu sử dụng chế độ trượt cho Robot tớ thể Định lý 2.1 Tiếp đó, tương tự thuật tốn ước lượng nhiễu bên phía Robot tớ luận án tiếp tục áp dụng đánh giá nhiễu tác động lên Robot chủ, đồng thời xây dựng điều khiển thích nghi ISS kháng nhiễu cho Robot chủ, thuật toán thể Định lý 2.2 Cuối việc đề xuất Định lý 2.3 đảm bảo điều kiện đủ cho hệ thống thao tác từ xa sở ghép Robot chủ Robot tớ với trễ kênh truyền thông số làm cho hệ ổn định thực tế ISS Với chứng minh chặt chẽ kết hợp với mô phần mềm Matlab Simulink cho phép khẳng định tính đắn cấu trúc điều khiển tồn hệ thống Chương Mơ hình thực nghiệm kiểm chứng thuật toán điều khiển đề xuất cho hệ thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) Trên sở lý thuyết kết mơ thuật tốn ước lượng nhiễu cấu trúc điều khiển đề xuất cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation SMSS) chứng minh đánh giá chương Trong chương này, luận án xây dựng mơ hình thực nghiệm với hệ thống bao gồm Robot chủ Robot tớ hai bậc tự dạng tay nối tiếp mặt phẳng ngang để kiểm chứng tính đắn lý thuyết đề xuất Phần kết luận: nêu bật đóng góp luận án kiến nghị, đề xuất hướng nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Equation Chapter (Next) Section 1.1 Giới thiệu tổng quan hệ Teleoperation 1.1.1 Khái niệm hệ Teleoperation Teleoperation (hay gọi hệ thao tác từ xa) hệ thống điều khiển có tương tác khoảng cách xa Hệ Teleoperation bao gồm hệ thống Master (hệ thống chủ động hay Robot chủ) hệ thống Slave (hệ thống phụ thuộc hay Robot tớ) Các Robot điều khiển điều khiển tương ứng đảm bảo nhiệm vụ chức riêng Robot, vận hành giám sát người thao tác đảm bảo cho Robot tớ bám xác theo quỹ đạo Robot chủ; Robot chủ phải tạo quỹ đạo theo mong muốn tay người thao tác, đồng thời phải giám sát việc thực nhiệm vụ Robot tớ khoảng cách xa thông qua Robot chủ nhờ bám ngược trở lại quỹ đạo Robot tớ Hệ Teleoperation thường gặp học thuật môi trường kỹ thuật Hệ thống điều khiển cho phép người sử dụng khả tư duy, hiểu biết hoạt động chân tay tác động vào máy móc, đồng thời đem lại cho người có cảm giác thật tương tác người với Robot chủ Robot tớ với môi trường cho dù khoảng cách xa [64], [75] Trong thập niên trở lại đây, hệ thống Teleoperation ứng dụng nhiều lĩnh vực khác [18], [24], [25], [55], [64], [74], [77], [82], [83], [90], điều hành Robot không gian từ mặt đất, huy phương tiện không người lái nước, xử lý vật liệu nguy hiểm, độc hại nhà máy hạt nhân, tác chiến quân sự, thao diễn Robot di động tránh chướng ngại vật, cứu hộ người, ứng dụng lĩnh vực khai thác sản xuất, điêu khắc hội họa…Ở góc độ hệ Teleoperation ứng dụng “phẫu thuật từ xa”, Robot chủ dao điện thiết bị hỗ trợ phẫu thuật dạng cánh tay máy có độ xác hoàn chỉnh yêu cầu cao mặt kỹ thuật như: trễ, đường truyền, tín hiệu Hệ Teleoperation điều khiển theo kiểu hệ kín chủ yếu với cấu trúc song song Trong hệ kín, tín hiệu phản hồi vị trí, vận tốc, gia tốc Robot, lực tương tác với mơi trường làm việc chí hình ảnh, âm thanh, nhiệt độ… khu vực mà Robot tớ làm việc [7], [70], [75] Để trao đổi thông tin qua lại Robot chủ Robot tớ cịn có hệ thống truyền thông (Communication Chanel) với nhiều giao thức khác (mạng internet, qua hệ thống dây truyền dẫn, hệ thống khơng dây…) [75], [80] Trên Hình 1.1 biểu diễn mơ hình hệ thống Teleoperation Người thao tác Môi trường làm việc Trễ T Trễ T Master Bộ điều khiển Master Kênh truyền thông Slave Bộ điều khiển Slave Hình1.1 Mơ hình hệ thống Teleoperation Trong hệ Teleoperation này, trình truyền liệu Robot chủ Robot tớ có tượng trễ kênh truyền thơng Trễ hệ thống vịng kín làm tính ổn định làm sai khác việc thực hoạt động thao tác làm giảm tính đồng hệ thống Teleoperation [22], [79], [85] Vì thiết kế hệ thống phải ý tính tốn ảnh hưởng sai lệch trễ truyền thơng gây Ngồi phản lực phản hồi (FR - Force Reflection ) xuất Robot tớ tương tác với môi trường làm việc ảnh hưởng lớn tới hệ thống, tín hiệu xác định phía Robot tớ thơng qua cảm biến lực quan sát từ có phương án bù trừ trực tiếp ảnh hưởng FR tới sai lệch vị trí tính ổn định làm việc Robot tớ thông qua điều khiển phía Robot tớ kết hợp gửi phía Robot chủ thơng qua điều khiển phía Robot chủ để hiệu chỉnh sai số sau gửi tín hiệu điều khiển sang Robot tớ Nếu khơng thể điều khiển, phản lực gây nguy hiểm thực tác vụ Do thông tin phản hồi lực quan trọng hữu ích Việc điều khiển lực vấn đề khó khăn thực tốn điều khiển hệ Teleoperation thơng qua hệ Teleoperation cho ta cảm nhận xác lực Robot chủ xảy tương tác Robot tớ với môi trường Căn theo số lượng Robot phía hệ thống Teleoperation hệ Teleoperation chia làm ba loại là: hệ SMSS (một thiết bị Master + thiết bị Slave), hệ MMMS (nhiều thiết bị Master + nhiều thiết bị Slave) hệ SMMS (một thiết bị Master + nhiều thiết bị Slave) Như hệ Teleoperation ứng dụng thực tế Hệ Teleoperation hệ phi tuyến có trễ chịu ảnh hưởng nhiễu ngoại lực bên tác động Trong luận án tập trung nghiên cứu đến hệ Teleoperation SMSS 1.1.2 Tình hình nghiên cứu giới hệ Teleoperation Từ nửa đầu thập niên 40, lần dầu tiên hệ Master – Slave Teleoperation xây dựng Goertz, hiểu biết hệ Teleoperation có bước tiến dài từ yếu tố ảnh hưởng qua lại người vận hành, môi trường làm việc Robot việc đề xuất thuật toán điều khiển liên quan Đến năm 1954 với cải tiến điều khiển Goertz bắt đầu có quan tâm đến vị trí lực phản hồi tương tác Robot tớ với môi trường làm việc nhờ hệ servo Đến nửa đầu thập niên 60 Ferrell Sheridan bắt đầu có định hướng việc nghiên cứu hệ Teleoperation có kể đến ảnh hưởng trễ việc truyền thông tin qua lại Robot chủ Robot tớ, với định hướng năm từ 1967 đến 1989 tạo xu nhiều nhà nghiên cứu giới quan tâm nhằm làm giảm thay đổi mát thông tin truyền đạt kênh truyền thông vấn đề trễ gây [74] Từ nửa đầu thập niên 1980 thuật toán điều khiển tiên tiến cho hệ Teleoperation bắt đầu xuất hiện, tiêu biểu lý thuyết điều khiển Lyapunov hay mơ hình nội Đến cuối thập niên 1980 nửa đầu thập niên 1990, số thuật toán như: điều khiển trở kháng Raju, Verghese Sheridan năm 1989; điều khiển lai Hanna Ford Fiorini năm 1988; điều khiển Cattering điều khiển thụ động Anderson Spong năm 1989, thuật toán thụ động phát triển tiếp đảm bảo tính xác thơng tin kênh truyền thơng với trễ thời gian số thực Jokokohji Yoshikawa năm 1994 [31], [74], [75] Và sau mở rộng thành cấu trúc điều khiển bền vững khác cho hệ Teleoperation [23], [43] đảm bảo tính ổn định hệ thống bất chấp thay đổi động lực học hệ Trong số báo, có mặt tính bất định động lực học tay người vận hành, mơi trường tồn thời gian trễ làm cho hệ Teleoperation ổn định [30], [47], [73], [74], [80] kết cho thấy xung đột xảy chất lượng tính ổn định hệ thống [21] Một số kết điều khiển H∞ bắt đầu đề xuất Leung Francis năm 1994; Sano, Fujimoto Tanaka năm 1998 [74] Với phát triển internet kênh truyền thông truyền đạt nhiều nội dung thơng tin lúc thời gian trễ có thay đổi khơng cịn số, thời gian trích mẫu rời rạc thơng tin kênh truyền thơng khác dẫn tới mát thông tin trình truyền đạt Các kết hoàn thiện dần đưa vào ứng dụng nhiều lĩnh vực từ năm 2000 [74] Hầu hết nghiên cứu chưa cho kết thỏa đáng xác vị trí lực tương tác Robot chủ Robot tớ có trễ đặc biệt chưa kể đến ảnh hưởng nhiễu tác động lên hệ thống, yếu tố làm ổn định hệ thống làm giảm chất lượng điều khiển Một số tác giả tiếp cận hướng giải cho thay đổi động lực học Robot tớ với môi trường thực tác vụ giải pháp tối ưu hay thích nghi sở yêu cầu ước lượng động lực học môi trường từ xa, nhiên nhiều ứng dụng hệ Teleoperation thường tương tác với hay nhiều điểm lặp lại với mức độ khác nhau, động lực học Robot tớ môi trường thay đổi nhanh, công cụ ước lượng không đảm bảo mặt thời gian [15], kỹ thuật xây dựng ước lượng đáp ứng nhanh phát triển để đáp ứng yêu cầu Sau nghiên cứu dần hoàn thiện sở thuật toán trước điều khiển cho hệ Teleoperation, chủ yếu tập trung vào toán điều khiển bền vững, nhiên quan tâm đến toán ổn định hệ Teleoperation mà chưa quan tâm nhiều đến chất lượng hệ thống như: Điều khiển dự báo cho hệ Teleoperation với trễ kênh truyền thông số (trễ = 250ms), sử dụng nhiều mơ hình quan sát tham số động lực học đối tượng môi trường khác nhau, nhiên đồng vị trí lực hai phía hệ chưa thực đảm bảo thời gian trễ truyền thơng tăng [80], bên cạnh có sử dụng cảm biến để đo lực tương tác với môi trường, khơng có giải pháp xư lý triệt để ảnh hưởng nhiễu, gia tốc trọng trường lực ma sát Thuật tốn IQC (Integral Quadratic Constrains) đảm bảo tính bền vững cho hệ thống với trễ thời gian số, chủ yếu xét đến toán ổn định hệ thống, khơng quan tâm đến tốn chất lượng, không xét đến nhiễu lực ma sát [35] Thiết kế điều khiển mờ theo tiêu chuẩn bền vững H∞ cho hệ Teleoperation với trễ truyền thông thay đổi, bỏ qua nhiễu ma sát, quan tâm đến điều khiển vị trí mà chưa quan tâm đến điều khiển lực [81] Chiến lược điều khiển thích nghi bền vững với trễ truyền thông số, xét đến ổn định lực hệ thống, không xét đến quỹ đạo chuyển động đánh giá chất lượng điều khiển, không kể đến yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường lực ma sát [36] Đồng hóa hệ Teleoperation với trễ kênh truyền thông số, kết hợp điều khiển thụ động điều khiển thích nghi cho hệ không xét đến yếu tố nhiễu, lực ma sát, chất lượng hệ phía Slave va chạm với mơi trường khơng thật thỏa mãn [68] Thuật tốn điều khiển thụ động kết hợp với PD điều khiển hệ Teleoperation với trễ kênh truyền thông số (trễ = 300ms), không xét đến yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường lực ma sát, chất lượng điều khiển chưa tốt kể vị trí lực [23] Điều khiển bền vững H∞ cho hệ Teleoperation với trễ phản hồi kênh điều khiển số, không xét đến ảnh hưởng yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường lực ma sát, quan tâm đến tốn điều khiển vị trí chưa quan tâm đến điều khiển lực [27] Một phương pháp điều khiển bền vững cho hệ Teleoperation với trễ truyền thông số, không kể đến nhiễu ma sát tác động lên hệ, sử dụng cấu trúc điều khiển kênh với thuật toán Scattering quan tâm đến chất lượng điều khiển 10 vị trí lực Nếu thời gian trễ kênh truyền thông nhỏ 1s chất lượng nhìn chung tốt [16] Thuật tốn dùng nhiều mơ hình ước lượng cho hệ Teleoperation với trễ truyền thơng số (trễ = 500ms), mục đích dùng nhiều mơ hình để ước lượng tính thụ động hệ, sử dụng điều khiển tối ưu LQG để điều khiển vị trí lực, nhiên khơng xét đến yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường lực ma sát [13] Điều khiển thụ động theo miền thời gian cho hệ Teleoperation với kiến trúc điều khiển vị trí – vị trí với trễ truyền thơng số , không quan tâm đến toán điều khiển lực, với trễ nhỏ 500ms đảm bảo đồng vị trí Robot chủ Robot tớ, không xét đến nhiễu, gia tốc trọng trường lực ma sát [38] Điều khiển thụ động với kiến trúc kênh cho hệ Teleoperation với trễ số (trễ = 1s) quan tâm đến toán chất lượng toán ổn định, điều khiển vị trí lực, nhiên khơng xét đến nhiễu, gia tốc trọng trường lực ma sát [39] Đồng hóa vị trí hệ Teleoperation với trễ kênh truyền thông thay đổi khoảng 0,1s, kết hợp điều khiển thụ động điều khiển PD, tín hiệu truyền qua kênh truyền thơng mã hóa làm giảm mát thông tin, không kể đến nhiễu, gia tốc trọng trường lực ma sát, áp dụng cho hệ Robot bậc tự do, quan tâm điều khiển vị trí, chưa tập trung điều khiển lực [88] Tác giả Nuno cộng [26] giới thiệu hàm tựa Lyapunov khảo sát tính ổn định hệ thao tác từ xa, có ý đến tính phi tuyến trễ, khơng sử dụng phương pháp đo lực Phương pháp khảo sát hệ thao tác từ xa sở sử dụng hệ điều khiển thích nghi cục cho Robot chủ Robot tớ, nhằm hạn chế ảnh hưởng tính phi tuyến hệ thống đề xuất [60] Tuy nhiên hệ thao tác từ xa theo phương pháp chưa có tính kháng nhiễu tốt Ứng dụng điều khiển trượt - PID điều khiển lực/ vị trí cho hệ Teleoperation thời gian giới hạn, trường hợp xem không kể đến trễ truyền thông không xét đến ảnh hưởng yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường 101 A Jafari, S M Rezaei, S S Ghidary, M Zareinejad, K Baghestan, M R Dehghan (2012), “A Stable Perturbation Estimator in Force – Reflecting Passivity – Based Teleoperation”, Trans Of the Institute of Measurement and Control, pp 147 – 156 10 A Smith, K Hashtrudi Zaad (2006), “Smith-predictor based predictive control architectures for time-delayed teleoperation systems”, Int J Robot Res., Aug, Vol 25(8), pp 797 – 818 11 Alexandre Seuret, Thierry Floquet, Jean-Pierre Richard, Sarah K Spurgeon (2007), “A sliding mode observer for linear systems with unknown time varying delay”, IEEE Proceedings of the American Control Conference, Marriott Marquis Hotel at Times Square New York City, USA, July 11 – 13, pp 4558 – 4563 12 Ali Jazayeri, Mahdi Tavakoli (2010), “Stability Analysis of Sampled-Data Teleoperation Systems”, 49th IEEE Conference on Decision and Control, December 15-17,Hilton Atlanta Hotel, Atlanta, GA, USA, pp 3608 – 3613 13 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 14 Ali Shahdi, Shahin Sirouspour (2009), “Adaptive/Robust Control for Time-Delay Teleoperation”, IEEE Transaction on Robotics, Vol 25(1), February , pp 196 – 205 15 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 16 Amir Haddadi, Keyvan Hashtrudi-Zaad (2013), “Robust Stability of Teleoperation Systems with Time Delay: A New Approach”, IEEE Transaction on Haptics, Vol 6(2), April - June, pp 229 – 241 17 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 18 C Nguan, Miller C., R V Patel, P Luke, C M Schlachta (2008), “Pre-clinical remote telesurgery trial of a da Vinci telesurgery prototype”, Int Jour of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, Vol 4(4), pp 304 –309 102 19 Christopher Edwards, Sarah K Spurgeon (1998), Sliding Mode Control: Theory and Applications, CRC Press, Taylor & Francis Ltd 20 D A Lawrence (1992), “Designing teleoperator architectures for transparency”, In Robotic and Auto., Proceedings IEEE Int Conf on, Nice, France, May, pp 1406 – 1411 21 D A Lawrence (1993), “Stability and transparency in bilateral teleoperation”, IEEE Trans on Robot and Auto., October, Vol 9(5), pp 624 – 637 22 Dongjun Lee, Mark W Spong (2005), “Passive bilateral control of teleoperators under constant time-delay”, IFAC Proceedings Volumes, Vol 38(1), pp 109 – 114 23 Dongjun Lee, M W Spong (2006), “Passive bilateral teleoperation with constant time delay”, IEEE Trans on Robot., April, Vol 22(2), pp 269 – 281 24 D W Hainsworth (2001), “Teleoperation user interfaces for mining robotics”, Autonomous Robots, Vol 11(1), pp 19 – 28 25 D Yoerger, J J Slotine (1987), “Supervisory control architecture for underwater teleoperation”, In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol 4, pp 2068 – 2073 26 E Nuno, L Basanez, R Ortega (2011), “Passivity – Based Control for Bilateral Teleoperation”, A Tutorial, Automatica, Vol 47, pp 485 – 495 27 Fernando O Souza, Reinaldo M Palhares, Eduardo Mendes, Leonardo Torren (2008), “Robust H∞ Control for Master – Slave Synchronization of Lur’e Systems with timedelay feedback control”, International Journal of Bifurcation and Chaos, Vol 18(4), pp 1161 – 1173 28 Gantmacher F R (2000), The theory of Matrices, America 29 G M H Leung, B A Francis (1994), “Robust Nonlinear Control of Bilateral Teleoperators”, Proceedings of the American Control Conference, pp 2119 – 2123 30 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 31 G Niemeyer, J J E Slotline (1991), “Stable adaptive teleoperation”, IEEE J Oceanic Eng., January, Vol 16(1), pp 152 – 162 103 32 G Niemeyer, J E Slotine (1998), “Towards Force Reflecting Teleoperation Over Internet”, International Conference on Robotics and Automation, pp 1909 – 1915 33 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), pp 50 – 62 34 H C Cho, J H Park (2005), “Impedance control with variable damping for bilateral teleoperation under time delay”, JSME Int J Series C, Vol 48(4), pp 695 – 703 35 Ilhan Polat (2011), “An IQC Formulation of Stability Analysis for Bilateral Teleoperation Systems with Time Delays”, IEEE World Haptics Conference, 21-24 June, Istanbul, Turkey, pp 505 – 509 36 Ilia G Polushin, A Tayebi, Horacio J Marquez (2005), “Adaptive Schemes for Stable Teleoperation with Communication Delay Based on IOS Small Gain Theorem”, AACC Proceedings of the American Control Conference, Portland, OR, USA, pp 4143 – 4148 37 I Font, S.Weiland, M Franked, M Steinhuchl, L Rovers (2004), “Haptic feedback design in Teleoperation systems for minimal invasive surgery”, IEEE Int.Conf on system, Man and Cybernetics Hague, Netherland, pp 2513-2518 38 Jordi Artigas, Jee-Hwan Ryu, Carsten Preusche (2010), “Time Domain Passivity Control for Position-Position Teleoperation Architectures”, The Massachusetts Institute of Technology, Presence, Vol 19(5), October, pp 482 – 497 39 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 40 John M Daly, David W L Wang (2009), “Bilateral Teleoperation Using Unknown Input Observers for Force Estimation”, American Control Conference, Hyatt Regency Riverfront, St Louis, MO, USA June 10-12, pp 89 – 106 41 J E Colgate (1993), “Robust impedance shaping telemanipulation”, IEEE Trans Robotic Automat., August, Vol 9(4), pp 374 – 384 42 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 – 316 104 43 J H Ryu, D S Kwon, B Hannaford (2004), “Stable teleoperation with time domain passivity control”, IEEE Trans on Robot and Auto., April, Vol 20(2), pp 365 – 373 44 J Yan, S E Salcudean (1996), “Teleoperation Controller design using H Optimization with Application to Motion-Scaling”, IEEE Trans On Control System Technology, Vol 4(3), pp 244 – 258 45 Keivan Baghestan, Seyed Mehdi Rezaei, Heidar Ali Talebi, Mohammad Zareinejad (2014), “A controller-observer scheme for nonlinear bilateral teleoperation systems”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering published, pp – 11 46 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 47 K Hashtrudi Zaad, S E Salcudean (2001), “Analysis of control architectures for teleoperation systems with impedance/admittance master and slave manipulators”, Int J Robot Res., Vol 20(6), pp 419 – 445 48 K Hashtrudi Zaad (2000), Design Implementation and Evaluation of stable bilateral teleoperation Control Architectures for enhanced telepresence, PhD thesis, The University of British Colombia, BC, Canada 49 K Hashtrudi Zaad, S E Salcudean (1996), “Adaptive transparent impedance reflecting teleoperation”, In Proc IEEE Int Conf Robotic Auto., Minneapolis, Minnesota, pp 1369 – 1373 50 K Natori, T Tsuji, K Ohnishi, A Hace, K Jezernik (2004), “Robust Bilateral Control with Internet Communication”, Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, pp 2321 – 2326 51 K Natori, K Ohnishi (2006), “Time Delay Compensation in Bilateral Teleoperation Systems”, IEEE 3rd International Conference of Mechatronics, pp 601 – 606 52 L Basanez, J Rosell, L Palomo, Emmanuel Nuno, H Portilla (2011), “A Framework for Robotized Teleoperated Tasks”, Escuela Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla, pp 573 – 580 53 L G Garcıa-Valdovinos, V Parra-Vega, M A Arteaga (2006), “Bilateral Cartesian Sliding PID Force/Position Control for Tracking in Finite Time of Master-Slave 105 Systems”, Proceedings of the American Control Conference, Minneapolis, Minnesota, USA, June 14-16, pp 369 – 375 54 L G Garcia-Valdovinos, V Parra-Vega, M A Arteaga (2007), “Observer-based Sliding Mode Impedance Control of bilateral Teleoperation under constant unknown time delay”, Robotics and Autonomous Systems 55, pp 609 – 617 55 L Panait, E Akkary, R L Bell, K E Roberts, S J Dudrick, A J Duffy (2009), “The role of haptic feedback in laparoscopic simulation training”, The Journal of Surgical Research, Vol 156(2), pp 312 – 316 56 Lin W S, Chen C S (2002), “Robust adaptive Sliding mode control using fuzzy modelling for a class of uncertain MIMO nonlinear systems”, IEEE Proc Control Theory Application, Vol 149(3), pp 193 – 201 57 Lauis I, Whitcomb, Alfred A Rizzi and Daniel E Koditschek (1993), “Comparative Experiments with a new adaptive Controlrer for Robot arms”, IEEE Transaction on Robotics and Automation, Vol.9, No.1, pp.59-70 58 Mehrzad Namvar and Farhad Aghili (2006), “Adaptive Force Control of Robots in Presence of Uncertainty in Environment”, IEEE Proceedings of the American Control Conference, Minneapolis, Minnesota, USA, June 14 -16, pp 3253 – 3258 59 M Tavakoli, A Mohammadi, H J Marquez (2011), “Disturbance Observer Based Control of Nonlinear Haptic Teleoperation Systems”, IET Control Theory & Applications, Vol 5(18), Dec, pp 2063 – 2074 60 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 61 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 Conf, Jun, pp 155 – 160 62 M W Ortega, R Chopra, N Spong, N E Barabanov (2006), “On tracking performance in bilateral teleoperation”, IEEE Trans on Robot, vol 22(4), pp 861 – 866 106 63 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 64 Nam Duc Do, Toru NameriKawa (2009), “Impedance Cotrol Force – Reflecting Teleoperation With Communication Delays Based on IOS Small Gain Theorem”, Proceedings of ICCAS - SICE International Joint Conference, Fukuoka, Japan, pp 4079 – 4086 65 Nam Do Duc, Toru Namerikawa (2011), “Cooperative Control Based on ForceReflection with Four – chanel Teleoperation system”, IEEE Conference on Decision and Control and European Control Conference, Orlando, FL, USA, pp 4879 – 4884 66 N Berestesky, P Chopra, M.W Spong (2003), “Discrete time passivity in bilateral teleoperation over the internet”, In Proc of the IEEE Int Conf on Robot and Auto, New Orleans, LA, USA, pp 155 – 160 67 N Chopra, P Berestesky, M W Spong (2008), “Bilateral Teleoperation Over Unreliable Communication Networks”, IEEE Transactions on Control Systems Techology, pp 304 – 313 68 N Chopra, Mark W Spong, Rogelio Lozano (2008), “Synchronization of bilateral teleoperators with time delay”, Automatica 44, pp 2142 – 2148 69 N Chopra, Mark W Spong, Romeo Ortega, Nikita E, Barabanov (2006), “On Tracking Performance in Bilateral Teleoperation”, IEEE Transaction on Robotics, Vol 22(4), August, pp 861 – 866 70 N Hogan (1985), “On position Tracking in Bilateral Teleoperation”, Procceding of the American Control Conference, pp 5244 – 5249 71 O Sename, A.Fattouh (2005), “Robust H Control of Bilateral Teleoperation Systems under Communication time-delay”, In Applications of Time Delay Systems, 16th Triennial World Congress, pp 231 – 236 72 Ortega J M (1987), Matrix Theory, Plenum Press, New York 73 P Arcara, C Melchiorri (2002), “Control schemes for teleoperation with time delay”, Robotics and Autonomous Systems, Vol 38(1), pp 49 – 64 74 Peter F Hokayem, Mark W Spong (2006), “Bilateral teleoperation: An historical survey”, Automatica 42, pp 2035 – 2057 107 75 R J Anderson, M W Spong (1989), “Bilateral control of Teleoperators with Time Delay”, IEEE Trans on Automatic Control, Vol 43(5), pp 494 – 501 76 R Lozano, N Chopra, M W Spong (2002), “Passivation of Force Reflecting Bilateral Teleoperators with Time Delay”, Proceedings of the Mechatronics Forum, pp 954 – 962 77 S E Salcudean, S Ku, G Bell (1997), “Performance measurement in scaled teleoperation for microsurgery”, In CVRMed-MRCAS’97, pp 789 – 798 78 S E Salcudean, N Wong, R Hollis (1995), “Design and Control of a Force-Reflecting Teleoperation System with Magnetically Levitated Master and Wrist”, IEEE Transaction on Robotics and Automation, December ,Vol 11(6), pp 844 – 858 79 S I Niculescu, D Taoutaou, R Lozano (2002), “On the closed-loop stability of a teleoperation control scheme subject to communication time-delays”, Proc IEEE Conf on Decision and Control, December ,Vol 2, pp 1790 – 1795 80 S Sirouspour, Ali Shahdi (2006), “Model Predictive Control for Transparent Teleoperation Under Communication Time Delay”, IEEE Transaction on Robotics, Vol 22(6), pp 1131 – 1145 81 S Tabatabaee, Sayed Mohsen Sayed Mosavi (2011), “Robust H-infinity TakagiSugeno Fuzzy Controller Design for a Bilateral Tele-operation System via LMIs”, Majlesi Journal of Electrical Engineering, Vol 5(2), June, pp – 82 T B Sheridan (1993), “Space teleoperation through time delay: review and prognosis”, IEEE Trans on Robotic and Auto, October, Vol 9(5), pp 592 – 606 83 T Nef, M Mihelj, R Riener ARMin (2007), “A robot for patient-cooperative arm therapy”, Medical and Biological Engineering and Computing, Vol 45(9), pp 887 – 900 84 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 85 Toru Namerikawa (2009), “Bilateral Control with Constant Feedback Gains for Teleoperation with Time Varying Delay”, IEEE Conference on Decision and Control, Shanghai, P.R China, December 16 - 18 pp 7527 – 7532 108 86 Tugba Lebleb, Berk Calli, Mustafa Unel, Asif Sabanovic, Seta Bogosyan, Metin Gokasan (2011), “Delay compensation in bilateral control using a sliding mode observer”, Turk J Elec Eng & Comp Sci, Vol 19(6), pp 851 – 859 87 Utkin V.I (1992), Sliding mode in Control Optimation, Spinger – Verlag, Berlin 88 Vinay Chawda, Marcia K O’Malley (2015), “Position Synchronization in Bilateral Teleoperation Under Time-Varying Communication Delays”, IEEE Transaction on Mechatronics , pp 1083 – 4435 89 W R Ferrell (1965), “Remote manipulation with transmission delay”, PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology, Nasa Technical Note 90 W Wei, Y Kui (2004), “Teleoperated manipulator for leak detection of sealed radioactive sources”, In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol 2, pp 1682 – 1687 91 Young K D., Utkin V I., Ozguner U (1999), “A control engineer’s guide to sliding mode control”, IEEE Trans Control Syst Technol, Vol 7(3), pp 328 – 342 92 Y Yokokohji, T Imaida, T Yoshikawa (2000), “Bilateral control with energy balance monitoring under time-varyingcommunication delay” In Proc of the IEEE Int Conf on Robotic and Auto., San Francisco, CA, USA, Vol 3, pp 2684 – 2689 93 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 94 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 – 25 109 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Card DSP1103  Tính Master DSP Đơn vị xử lý DS1103 bao gồm: • Bộ xử lý PowerPC 750GX (master PPC), mơ hình điều khiển thực thi • Xung nhịp 1GHz (CPU clock) • nhớ cache level (32KB) cho lệnh liệu • Một nhớ cache 1MB level • Bộ điều khiển ngắt • Các Timer • Giao tiếp host ISA Khả vào/ra master PPC: • Bộ chuyển đổi ADC • Bộ chuyển đổi DAC • Vào/ra dạng bit • Giao tiếp Encoder • Giao tiếp nối tiếp • Vào/ra đồng Master DSP ADC Đơn vị ADC master PPC DS1103 gồm hai loại: • chuyển đổi A/D song song (ADC1 … ADC4), chuyển đổi tích hợp đầu vào (ADCH1 … ADCH16) Tín hiệu vào chuyển đổi chọn dồn kênh 4:1 Các chuyển đổi A/D có đặc điểm: - Độ phân giải 16 bit - Điện áp vào +- 10V - Offset +-5mV - Sai số +-0.25% - Tỉ số tín hiệu tạp âm (SNR) >83 dB 110 • Bốn chuyển đổi A/D song song (ADC5 … ADC8), chuyển đổi có đầu vào( ADCH17 … ADCH20) Đặc điểm: - Độ phân giải 16 bit - Điện áp vào +- 10V - Offset +-5mV - Sai số +-0.25% - Tỉ số tín hiệu tạp âm (SNR) >83 dB Master DSP DAC Có chuyển đổi D/A master PPC Đặc điểm: - Tám kênh DAC song song (DACH1 … DACH8) - Độ phân giải 16 bit - Điện áp +-10V - Offset +-1mV - Sai số +-0.2% - Tỉ số SNR > 83 dB - Chế độ transparent latched Giao diện Encoder (Incremental Encoder) • Hỗ trợ hai loại encoder ( loại từ kênh …5, kênh 6,7 cho loại 2) • Hỗ trợ tín hiệu dạng TTL tín hiệu vi sai RS422 • Kênh mã hóa analog (1Vpp 11uApp) • Bộ đếm vị trí 24bit • Tần số tối đa 1.65 MHz (kênh 1…6) 600kHz (kênh 7) • Hỗ trợ đầu cuối cho đầu vào vi sai • Nguồn cấp encoder (5V, 1A)  Tính Slave DSP Hệ Slave DSP DS1103 chứa xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240 Texas Instruments, xung nhịp 20 MHz: + Bộ nhớ chương trình 64-Kword + Bộ nhớ liệu 28-Kword + Bộ nhớ cổng kép (dual port memory) 4-Kword, dùng cho truyền thông với master PPC 111 Khả vào/ra slave DSP + Slave DSP ADC + Slave DSP bit I/O + Slave DSP Timing I/O + Slave DSP Serial Peripheral Interface + Slave DSP Communication Interface Slave DSP ADC: Slave DSP DS1103 có biến đổi ADC với 16 kênh: + Độ phân giải 10bit + Điện áp vào: 0…5V Các chân kết nối Slave DSP ADC Tạo tín hiệu PWM: • Tín hiệu PWM phase: thay đổi được: giá trị Duty cycles, tần số PWM, cực tính, chế độ phát PWM đối xứng bất đối xứng • Tín hiệu PWM phase với đầu đảo khơng đảo, thay đổi giá trị duty cycles, tần số sóng PWM, deadband • Tín hiệu PWM điều chế vecto không gian (bao gồm đầu đảo không đảo): giá trị T1, T2; góc vector, tần số sóng PWM, deadband Cổng kết nối Encoder (CP32…CP37, CP39): 112 Cổng kết nối Slave I/O (CP31): 113 Phụ lục 2: Sơ đồ nguyên lý đo dòng điện động servo sử dụng IC1999CS10 Cảm biến dòng LT1999CS10 làm việc dựa nguyên lý đo gián tiếp dòng điện động thông qua điện trở Shunt Rs mắc nối tiếp với phần ứng động cơ, tạo điện áp thể độ lớn chiều dòng cần đo Sơ đồ nguyên lý đo dòng điện động servo dùng IC1999CS10 Thông thường IC LT1999CS10 mục đích dùng để lấy tín hiệu dịng động hệ điều khiển động với mạch cầu H, tín hiệu đầu IC dịng điện áp khuếch đại với giá trị lớn khoảng 5mV đến 250mV Phụ lục 3: Nguyên tắc hoạt động Encoder Để điều khiển vận tốc, vị trí động phải đọc góc quay motor Trong hệ thống sử dụng Encoder tích hợp sẵn động Encoder bao gồm nguồn phát quang (thường hồng ngoại – infrared), cảm biến quang đĩa có chia rãnh Cấu tạo Encoder 114 Encoder thường có kênh (3 đầu ra) bao gồm kênh A, kênh B kênh I (Index) Trên hình có lỗ nhỏ bên phía đĩa quay cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ Đó kênh I encoder Cứ lần motor quay vịng, lỗ nhỏ xuất vị trí cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, tín hiệu xuất cảm biến Như kênh I xuất “xung” vịng quay động Bên ngồi đĩa quay chia thành rãnh nhỏ cặp thu-phát khác dành cho rãnh Đây kênh A encoder Hoạt động kênh A tương tự kênh I, điểm khác vòng quay motor, có N “xung” xuất kênh A N số rãnh đĩa gọi độ phân giải (resolution) encoder Mỗi loại encoder có độ phân giải khác Để điều khiển động cơ, ta phải biết độ phân giải encoder dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độ xác điều khiển phương pháp điều khiển Ngoài encoder cịn có cặp thu phát khác đặt đường tròn với kênh A lệch chút (lệch M+0,5 rãnh), kênh B encoder Tín hiệu xung từ kênh B có tần số với kênh A lệch pha 900 Bằng cách phối hợp kênh A B người đọc biết chiều quay động Hai kênh A B Encoder 115 Phụ lục 4: Sơ đồ Driver động servo Driver cho động mạch cầu H tiếp điểm bán dẫn để điều khiển tốc độ động quay theo chiều thuận, ngược Trong luận án sử dụng chip driver L298D để làm mạch lực cho động L298D chip tích hợp hai mạch cầu H gói 15 chân Tất mạch kích, mạch cầu tích hợp sẵn L298D có điện áp danh nghĩa cao (lớn 50V) dịng điện danh nghĩa lớn 2A nên thích hợp cho các ứng dụng công suất nhỏ động chiều loại nhỏ vừa Trong hệ thống dùng chip L298D để làm driver cho động Cấu tạo bên L298D ... án nghiên cứu hệ thao tác từ xa nói chung sâu vào hệ thống thao tác từ xa chủ tớ (Teleoperation- SMSS) với trễ kênh truyền thông số (Truyền thông qua dây dẫn xem đường truyền hữu tuyến với trễ. .. với trễ kênh truyền thông T số Trong luận án đề cập đến hệ thống thao tác từ xa xây dựng sở tích hợp Robot chủ Robot tớ thông qua kênh truyền thông với trễ T số Vì yêu cầu đặt phải tổng hợp hệ. .. nghiên cứu tổng quan hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation) , thống kê phân tích ưu nhược đi? ??m phương pháp đi? ??u khiển đại; cấu trúc đi? ??u khiển áp dụng cho hệ thao tác từ xa chủ tớ (Teleoperation- SMSS)