Điều khiển hệ tay máy hai phía có ràng buộc holonomic chịu ảnh hưởng trễ thời gian

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - HOÀNG THẾ HẢI ĐIỀU KHIỂNHỆTAY MÁY HAI PHÍACĨRÀNG BUỘCHOLONOMICCHỊUẢNHHƯỞNGTRỄ THỜIGIAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - HOÀNG THẾ HẢI ĐIỀU KHIỂNHỆTAY MÁY HAI PHÍACĨRÀNG BUỘCHOLONOMICCHỊUẢNHHƯỞNGTRỄ THỜIGIAN Chun ngành: Kỹ thuật Điều Khiển Tự Động Hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS ĐÀO PHƯƠNG NAM LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi dƣớisựhƣớngdẫncủaTS.ĐàoPhƣơngNam.Tàiliệuthamkhảotrongluậnvănđƣợctríchdẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận văn trung thực chƣa đƣợcaicơng bố bấtkỳcơng trình khác Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo tơi xin chịu hồn tồn tráchnhiệm Tác giả luận văn Hoàng Thế Hải LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc, chân thành đến thầy giáo hƣớngdẫnTS Đào Phƣơng Nam, thầy tận tình hƣớng dẫn tạo điều kiện thuận lợichotơi nhắc nhở đƣa lời khun để tơi hồn thành đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể thầy cô giáo Bộ môn Điều Khiển Tự Động, Trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội truyền thụ cho kiến thức chuyên ngành quý báu đƣa góp ý để luận văn đƣợc hồn chỉnh Tơi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp khích lệ, động viên tơi q trình học tập nghiên cứu Tác giả luận văn Hoàng Thế Hải MỤC LỤC LỜICAMĐOAN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,ĐỒTHỊ MỞĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆBILATERALTELEOPERATION .10 1.1 Phầnmởđầu 11 1.2 Quá trình phát triểnhệteleoperation 13 1.3 CácphƣơngphápđiềukhiểnhệBilateralTeleoperation 14 1.3.1 Cácphƣơngphápdựatrênlýthuyếtthụđộng 15 1.3.2 Các phƣơngphápkhác .25 1.4 Ứng dụng củahệTeleoperation 30 1.4.1 Lĩnh vực khám phávũtrụ .30 1.4.2 Lĩnhvựchoạtđộngdƣớiđạidƣơng .31 1.4.3 Lĩnh vực xử lý hóa chất độc hại,phóng xạ .31 1.4.4 Lĩnh vựcyhọc 32 1.4.5 Lĩnh vựcquânsự 33 CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH HĨAHỆTHỐNG 35 2.1 Mơ hình động lực học tay máy córàngbuộc 35 2.2 Mơ hình khơng gian trạng thái MastervàSlave 38 2.3 Mơ hình hóamơitrƣờng .41 2.3.1 Mơ hìnhKenvil-Voigt 41 2.3.2 Mơ hình Khối lƣợng-Lịxo-Giảmchấn 41 2.3.3 MơhìnhHunt-Crossley 42 2.3.4 Mơ hìnhMaxwell 42 2.3.5 Mô hình tiêu chu n tuyến tínhđc .43 2.4 Mơ hình Slave có tính đến tác động củamôitrƣờng .43 CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN CHO HỆBILATERALTELEOPERATION .44 3.1 Về điều khiểntối ƣu .44 3.1.1 Phƣơng phápbiếnphân 45 3.1.2 Điều khiển bám tối ƣu cho hệtuyếntính 46 3.1.3 Tính ổn định điều khiển bámtốiƣu 49 3.2 Phƣơng phápbiến sóng 49 3.2.1 Mơ hình độnglựchọc .50 3.2.2 Bộ điều khiển tínhtốn 50 3.3 Điều khiểnthíchnghi 56 3.3.1 Mơ hình độnglực học 57 3.3.2 Phƣơng pháp điều khiểnthíchnghi 58 CHƢƠNG 4: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNGHỆTHỐNG .62 4.1 Cấu trúcđiềukhiển .62 4.1.1 Các thông sốhệthống .62 4.1.2 Điều khiểnphíaMaster 63 4.1.3 Điều khiểnphíaSlave .63 4.1.4 Mô .65 4.2 Cấu trúc điều khiểnbiếnsóng .66 4.2.1 Các thông sốhệthống .68 4.2.2 Mô .69 4.3 Cấu trúc điều khiểnthíchnghi .71 4.3.1 Các thông sốhệthống .71 4.3.2 Mô .72 4.3.3 Nhậnxét 74 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNGPHÁTTRIỂN .75 Tài liệuthamkhảo 76 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Hệ thống Teleoperationsonghành 10 Hình 2.HệTeleoperation 11 Hình Sơ đồ khốihệTeleoperation .12 Hình Mạng2cửa 16 Hình Sơ đồ hệBilateralTeleoperation 18 Hình 5.Biếnsóng 20 Hình Phối hợptrởkháng 22 Hình Điều khiển hệ BT thôngquaInternet 23 Hình Méo tín hiệu với kênh truyền thơng có nhiều trễkhácnhau 23 Hình 10 Cấu trúc4kênh 26 Hình11.Kịchbảnkhámphávũtrụtrongtƣơnglai 30 Hình12.ROVJasoncủaViệnHảiDƣơnghọcWoodsHole .31 Hình 13 Robot xử lý chất thải hạt nhân Toshibachếtạo 32 Hình 14 Hệ thống phẫu thuật từ xada Vinci 33 Hình 15 Robot Cheetah đạt tới với vậntốc29km/h 34 Hình 16 Sơ đồ hệ thốngBilateralTeleoperation 35 Hình 17 Scattering kết hợpvới TDPA 54 Hình 18 Sơ đồ hệ thống điều khiển phía chohệBT .60 Figure1.SơđồđiềukhiểntốiƣuhệBilateralTeleoperation 62 Figure Sơ đồ mô hệ thốngbằngSimulink .65 Figure Vị trí Master Slave tín hiệu vào hàmbƣớcnhảy 66 Figure Vị trí Master Slave tín hiệu vào xungchữ nhật 67 Figure Vị trí Master Slave tín hiệu vào hàmbƣớcnhảy 67 Figure Vị trí Master Slave tín hiệu vào xungchữ nhật 68 Figure Scattering kết hợpvớiTDPA 68 Figure Biến khớp thứ haihệrobot 69 Figure.9 Biến khớp thứ hai haihệrobot 70 Figure 10 Lực thứ ngƣời vàmôitrƣờng 70 Figure 11 Lực thứ hai ngƣời vàmôi trƣờng 71 Figure 12 Sơ đồ hệ thống điều khiển phía chohệBT 71 Figure 13 Lực tác động củaconngƣời 73 Figure14.Thamsốƣớclƣợngdựatheobộđiềukhiểnđềnghị 73 Figure 15 Góc lệch khớp robot điều khiển thực thi sử dụng điều khiểnđềnghị 74 MỞ ĐẦU Hệ Bilateral Teleoperation(BT)là hệ thống có nhiều khả ứng dụng sống đại Bài tốn điều khiển hệ BT có hai nhiệm vụ ổn địnhvàđạtđƣợcđộminhbạchhệthống.ViệcổnđịnhhệBTkhơnghềđơngiảnkhitrễ xảy kênh truyền thơng Nhiều phƣơng pháp điều khiển đƣợcnghiêncứuvàứngdụngvàohệBTnhằmgiảiquyếtvấnđềtrễtruyềnthơngnhƣngchƣacón hiều báo cáo bàn phƣơng pháp điều khiển điều khiển hệ BT Khinghiêncứu về“Điều khiển hệ tay máy phía có ràng buộc Holonomic chịu ảnh hưởngtrễ thời gian”.Tìm hiểu cách tiếp cận cho hệ BT, hệ đƣợc biểu diễn dƣới dạng mơ hình trạng thái Trƣớc hết hệ BT gồm bathànhphần(Master – Slave– Mơi trường)đƣợc mơ hình hóa, từ điều khiểnsẽđƣợcthiếtkếdựatrênmộtbiểuthứchàmchiphíđƣợcxácđịnhtrƣớc Hệ Bilateral Teleoperation bao gồm hai Robot(Master Slave)gồm Robot Master đƣợc đ t phòng điều khiển Robot Slave đƣợc đ t trƣờnglàmviệc.HệBTchophépconngƣờilàmviệctrongnhữngmơitrƣờngkhắcnghiệtnhƣhầ mlị,dƣớibiển,mơitrƣờngphóngxạ…vớiđộchânthựccaothơngquaviệcđiềukhiển tƣơng tác ngƣời robot Với thao tác tác động vàoRobotMastersẽđƣợctruyềnthơngđếnRobotSlavevàtừđóảnhhƣởngmơitrƣờngxungqua nh, ngƣợc lại mơi trƣờng xung quanh có tác động lên Robot Slave thìnócũng truyền ngƣợc trở lại Robot Master, ngƣời điều khiển có thểcảmnhận đƣợc tác động từ mơi trƣờng lên Robot để tìm cách xử lý hay thay đổiquỹđạo tay máy Robot, có nhiều nghiên cứu giải vấn đề xung quanh hệ BTlàổnđịnhhệvớithờigiantrễhằngsốhoc thayđổi,điềukhiểnbámvịtrítƣơngtác lực robot, nhiều nghiên cứu để mở rộng phát triển lý thuyết cũngnhƣthựcnghiệm.NhiệmvụcủabàitoánđiềukhiểnhệBilateralTeleoperationlà hai Robot Master Slave phải bám đƣợc vị trí tốc độ, ngƣờiđiểukhiển phải cảm nhận đƣợc tƣơng tác môi trƣờng làm việc tác động lênRobotSlave,quantrọnghơncảlàsựổnđịnh,chấtlƣợngcủahệthốngđƣợcdựanhiềuvàolý thuyết thụđộng