Tính toán động lực học và thiết kế điều khiển hệ tele robot SMSS trên kênh truyền thông có trễ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD TS Đỗ Đức Nam LỜI CAM ĐOAN Học viên : Lâm Thế Kiên , Sau năm học tập nghiên cứu trƣờng Đại Học Bách khoa Hà Nội đến hoàn thành chƣơng trình đào tạo nhƣ luận văn tốt nghiệp dƣới giúp đỡ tận tình giáo viên hƣớng dẫn TS Đỗ Đức Nam giúp đỡ thầy giáo môn Cơ sở thiết kế máy Robot Với đề tài “Tính tốn động lực học thiết kế điều khiển cho hệ thống TeleRobot kênh truyền thơng có trễ”, tơi xin cam kết luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn TS Đỗ Đức Nam Các kết nêu Luận văn tốt nghiệp trung thực, khơng phải chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tác giả luận văn tốt nghiệp Lâm Thế Kiên HVTH: Lâm Thế Kiên Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD TS Đỗ Đức Nam DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ Teleoperation song phƣơng ……………………………………… 11 Hình 1.2.1a Các vệ tinh khơng gian ngồi trái đất ……………………… 12 Hình 1.2.1b Nasa Pathfinder ………………………………………………… 13 Hình 1.2.2 Các robot làm việc mơi trƣờng nguy hiểm ………………… 14 Hình 1.2.3 Các robot làm việc dƣới mơi trƣờng nƣớc ………………………… 15 Hình 1.2.3 Ứng dụng y học phẫu thuật ………………………………… 17 Hình 3.1 Khảo sát tốc độ vi khối lƣợng dm ……………………………… 32 Hình 3.2 Mơmen qn trính độc cực ………………………………………… 34 Hình 3.3 Hệ thống điều khiển từ xa robot master robot slave (SMSS) 38 Hình 3.5 Robot bậc tự dạng tay nối tiếp ………………………………… 40 Hình 3.7 Mơ hình mơi trƣờng ………………………………………………… 44 Hình 3.8 Mơ hình thời gian trễ ……………………………………………… 46 Hình 4.1 Động lực học robot master/slave với phản hồi thụ động …………… 50 Hình 4.2 Sơ đồ khối điều khiển kênh hệ SMSS …………………………… 51 Hình 4.4.3.1: Lực tƣơng tác ……………………………………………… 57 Hình 4.4.4.1.a Vị trí khơng gian tự khơng có độ trễ ………………… 59 Hình 4.4.4.1.b Lực khơng gian tự khơng có độ trễ ………………… 59 Hình 4.4.4.2.a Vị trí khơng gian va chạm khơng có độ trễ …………… 60 Hình 4.4.4.2.b lực khơng gian va chạm khơng có độ trễ ……………… 60 Hình 4.4.4.3.a Vị trí khơng gian tự có độ trễ ……………………… 61 Hình 4.4.4.3.b Lực khơng gian tự có độ trễ ………………………… 61 Hình 4.4.4.4.a Vị trí khơng gian va chạm có độ trễ …………………… 62 Hình 4.4.4.4.b Lực khơng gian va chạm có độ trễ ……………………… 62 Hình 4.4.4.5.a Vị trí khơng gian tự có độ trễ ……………………… 63 Hình 4.4.4.5.b Lực khơng gian tự có độ trễ ……………………… 63 HVTH: Lâm Thế Kiên Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD TS Đỗ Đức Nam Hình 4.4.4.6.a Vị trí khơng gian va chạm có độ trễ …………………… 64 Hình 4.4.4.6.b Lực khơng gian va chạm có độ trễ ……………………… 64 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Các tham số hệ thống SMSS………………………………… 56 Bảng 4.2 Các thông số mô …………………………………………… 58 HVTH: Lâm Thế Kiên Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD TS Đỗ Đức Nam MỤC LỤC CHƢƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Hệ thống Teleoperation 1.2 Ứng dụng hệ Teleoperation 11 1.2.1 Những ứng dụng không gian 12 1.2.2 Làm việc môi trƣờng nguy hiểm 14 1.2.3 Phƣơng tiện dƣới nƣớc 15 1.2.4 Phẫu thuật từ xa 16 1.2.5 Robot di động 18 1.2.6 Những ứng dụng khác hệ thống Teleoperation 18 1.3 Mục tiêu đóng góp luận văn 19 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 21 CHƢƠNG 22 CƠ SỞ TOÁN HỌC 22 2.1 Định nghĩa lý thuyết ổn định Lyapunov 22 2.2 Tính ổn định Lyaponov 25 CHƢƠNG 31 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 31 3.1 Phƣơng trình động lực học robot 31 3.1.1 Vân tốc điểm robot 31 3.1.2 Tính động vi khối lƣợng dm 33 3.1.3 Tính robot 35 3.1.4 Hàm Lagrange 35 3.1.5 Phƣơng trình động lực học robot 36 3.2 Động lực học robot hệ SMSS 37 3.2.2 Phƣơng trình động lực học Robot Master Slaver 39 HVTH: Lâm Thế Kiên Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD TS Đỗ Đức Nam 3.4 Động lực học môi trƣờng 43 3.5 Độ trễ kênh truyền thông 46 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ SMSS 48 4.1 Mục tiêu điều khiển 48 4.2 Thiết kế điều khiển 49 4.2.1 Phản hồi thụ động 49 4.2.2 Luật điều khiển đồng với cấu hình giống robot master slave 51 4.3 Phân tích tính ổn định 52 4.4 Mô hệ thống điều khiển SMSS 56 4.4.1 Tham số robot hệ thống SMSS 56 4.4.2 Cấu hình ngƣời tác động môi trƣờng 56 4.4.3 Các thông số mô 58 4.4.4 Kết mô 59 4.5 Kết luận 65 CHƢƠNG 66 KẾT LUẬN 66 5.1 Kết luận 66 5.2 Hƣớng phát triển 66 PHỤ LỤC A 67 CÁC KHỐI CỦA CHƢƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 67 A.1 Hệ thống SMSS : 67 PHỤ LỤC B 70 CHƢƠNG TRÌNH MATLAB CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 70 File Parameter 73 File in đồ thị 74 HVTH: Lâm Thế Kiên Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD TS Đỗ Đức Nam TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Trong điều khiển từ xa với hệ thống Teleoperation, việc thực thi xác tác vụ vị trí lực phản hồi cần thiết Thực tế, thời điểm robot slave bắt đầu tƣơng tác với mơi trƣờng xuất lực phản hồi chúng tăng dần Vì vậy, tín hiệu phản hồi thơng tin lực cần thiết có lợi ích to lớn Thuật toán phản hồi lực (Force Reflection - FR) không thực thi tốt tác vụ q trình di chuyển tự mà cịn để truyền tải xác thơng tin lực robot slave môi trƣờng Luận văn xem xét điều khiển vị trí điều khiển phản hồi lực hệ thống Teleoperation với hệ thống master hệ thống slave Để cải thiện đồng vị trí, lực hệ Teleoperation SMSS với độ trễ biến thiên kênh truyền thơng luật điều khiển hệ thống SMSS (một master slave) đƣợc đề xuất dựa phƣơng pháp phản hồi thụ động với hệ số thời gian trễ biến thiên phụ thuộc vào việc đánh giá thay đổi biến thời gian trễ Trong phƣơng pháp đƣợc đề xuất, điều kiện ổn định phụ thuộc vào độ lớn độ trễ kênh truyền thơng hệ thống Tính ổn định tồn cục với độ trễ đƣợc thông qua phƣơng pháp ổn định Lyapunov Và cuối cùng, số kết mô cho thấy hiệu thuật toán đƣa HVTH: Lâm Thế Kiên Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD TS Đỗ Đức Nam LỜI NÓI ĐẦU Có thể nhận thấy điều sản xuất cịn mang tính thủ công sau so với phát triển giới Những thiết bị đƣợc sử dụng thƣờng cho suất thấp, độ xác dễ gây tai nạn cho ngƣời lao động Để cải thiện tình hình ngồi việc cải tiến trang thiết bị, vấn đề cần đƣợc xem xét thay đổi phƣơng thức sản xuất từ thủ công sang tự động hóa Một vấn đề then chốt tự động hóa sản xuất phƣơng pháp điều khiển Với vấn đề trên, học viên chuyên ngành điện tử trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội, với mong muốn bổ sung kiến thức nâng cao kiến thức điều khiển cho trình làm việc sau tơi lựa chọn cho luận văn tốt nghiệp với đề tài “Tính tốn động lực học thiết kế điều khiển cho hệ thống Teleoperation SMSS kênh truyền thơng có trễ” Đây đề tài đƣợc quan tâm lớn từ phía nhà khoa học khắp giới, tiêu biểu nhƣ Nhật Châu Âu… Trong q trình thực đề tài này, tơi đƣa đƣợc số kết khả quan Để đƣợc kết đó, tơi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình Thầy giáo hƣớng dẫn TS Đỗ Đức Nam thầy cô Viện Cơ khí đặc biệt thầy giáo môn Cơ sở thiết kế máy Robot tạo điều kiện cho tơi hồn thành đề tài cách tốt Tuy nhiên, gặp nhiều khó khăn vấn đề thời gian kinh nghiệm nên phát triển đề tài chƣa có nhiều đột phá cịn thiếu xót Kính mong q thầy đóng góp ý kiến để đề tài đƣợc hoàn thành tốt Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ khí, Bộ môn Cơ sở thiết kế máy robot Lâm Thế Kiên HVTH: Lâm Thế Kiên Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD TS Đỗ Đức Nam CHƢƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Hệ thống Teleoperation Teleoperation hệ thống thiết bị có tƣơng tác khoảng cách khác tƣơng tự nhƣ hệ thống “điều khiển từ xa” thƣờng gặp học thuật môi trƣờng kỹ thuật Các thiết bị hệ thống Teleoperation thƣờng liên quan đến lĩnh vực robot (cố định di động) có nhiều ứng dụng khoa học kỹ thuật sống hàng ngày Các thiết bị thƣờng đƣợc điều khiển từ xa ngƣời thông qua thiết bị thuộc hệ thống Hệ thống Teleoperation hệ thống cho phép ngƣời sử dụng hiểu biết, khả tƣ hoạt động chân tay họ thông qua cộng tác điều khiển thiết bị nhƣ robot Khi điều hành làm việc môi trƣờng nguy hiểm độc hại Trong trƣờng hợp này, ngƣời sử dụng hoạt động để điều khiển robot master thao tác robot slave đƣợc thực theo điều khiển robot master robot robot trực tiếp có tƣơng tác với môi trƣờng làm việc Trong vài thập niên gần đây, hệ thống Teleoperation đƣợc phát triển với nhiều ứng dụng khác nhƣ đƣợc sử dụng vũ trụ, dƣới đáy biển, thiết bị hạt nhân, hoạt động phẫu thuật, điều khiển lái xe từ xa, cứu hộ… loại ứng dụng hệ thống Teleoperation nghiên cứu hệ thống đƣợc nhà khoa học theo đuổi Trong Teleoperation song phƣơng, robot master robot slave đƣợc sử dụng nhƣ cặp thiết bị nằm hai phía đƣợc liên kết với qua kênh truyền thông, nơi mà thông tin vị trí, vận tốc, gia tốc lực đƣợc truyền Trong trình truyền liệu robot master robot slave có tƣợng trễ HVTH: Lâm Thế Kiên Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD TS Đỗ Đức Nam kênh truyền thơng Trễ hệ thống vịng kín làm tính ổn định làm sai việc thực hoạt động thao tác làm giảm tính đồng hệ thống Teleoperation Trong việc hiệu chỉnh xác thơng số chất luật điều khiển thông qua tác vụ, nhƣng chƣa đủ tốt để đạt đƣợc hiệu mong muốn vị trí khơng phải mối quan hệ đƣợc đƣa robot Trong thực tế, thời điểm robot bắt đầu tƣơng tác với môi trƣờng, phản lực xuất tăng dần lên Nếu không ý, lực khơng điều khiển đƣợc trở thành nguy hiểm vài tác vụ Chính thơng tin phản hồi lực quan trọng hữu ích đƣợc gọi phản hồi lực ( FR - Force Reflection ) hệ thống robot master - robot slave Sơ đồ FR thông số để đạt đƣợc hiệu chỉnh tốt chuyển động khơng buộc mà cịn biểu diễn thơng tin xác lực robot slave mơi trƣờng Do ngƣời điều khiển cảm thấy lực nhƣ thực tế môi trƣờng với tƣơng tác robot master Cho đến nay, số nghiên cứu liên quan đến vấn đề chuyển động điều khiển lực, đặc biệt cho vị trí khâu tác động cuối robot slave va chạm với mơi trƣờng Mặt khác, mơi trƣờng đƣợc giả thiết nhƣ hệ động lực đơn giản đƣợc trải nhỏ nhƣng có lực tác động phản ứng mơi trƣờng biến dạng hữu hạn Khi va chạm xảy ra, lực phát sinh đƣợc xác định phƣơng trình cân động lực học hệ thống robot slave môi trƣờng Để có đƣợc qui định mơ tả động lực học cho robot khâu cuối tác động với môi trƣờng lực va chạm nhỏ điều khiển trở kháng đƣợc sử dụng Điều khiển để trì mối quan hệ động lực học đƣợc dẫn suất khâu cuối môi trƣờng, hệ “khối lƣợng – lò xo – giảm chấn” ( massspring-dampe ) bậc hai đƣợc sử dụng để xác định mục tiêu động lực học Nó đƣa HVTH: Lâm Thế Kiên Trang LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD TS Đỗ Đức Nam gần hợp cho điều khiển robot môi trƣờng tự điều khiển chuyển động có buộc Một nghiên cứu điều khiển trở kháng đƣợc công bố Hogan (1985) [1] Trong nghiên cứu này, cần bổ sung kiến thức hồn chỉnh mơ hình động lực học robot, thơng qua phƣơng pháp tính tốn momen xoắn trở kháng mong muốn, dù hệ thống Teleoperation không đƣợc đề cập đến Cho Park (2005) [2] sử dụng dựa điều khiển trở kháng tính tốn gần momen xoắn áp dụng phƣơng pháp cho hệ thống Teleoperation Đối tƣợng điều khiển luật điều khiển tạo đƣợc bắt chƣớc dụng cụ khí thụ động với khả phản hồi lực Tuy nhiên sai số vị trí phƣơng pháp lớn thời gian trễ không đƣợc đề cập Năm 2004 Aliagam đồng nghiệp [3] đề xuất phƣơng pháp điều khiển dựa điều khiển trở kháng có so sánh với số điều khiển cho hệ thống hai bậc tự robot master - robot slave Sự tƣơng ứng vị trí chuyển động không ràng buộc tƣơng ứng lực kết nối với tác vụ có liên quan với Một điều khiển bám khác robot dựa thích ứng đƣợc đƣa Sato, Nakashima Tsuruta (2008) [4] với đầu vào không chắn, nhiên nghiên cứu không đƣợc áp dụng cho hệ thống Teleoperation Một phƣơng pháp phản hồi lực Teleoperation với thích ứng điều khiển trở kháng đƣợc sử dụng Love Book (2004) [5] để giảm lƣợng thao tác mà không tính ổn định Mặc dù thời gian trễ đƣờng truyền thơng khơng đƣợc đề cập Ngồi ra, để cải thiển tính đồng Teleoperation song phƣơng với trễ truyền thơng, phƣơng pháp điều khiển có phản hồi lực đƣợc giải HVTH: Lâm Thế Kiên Trang 10 ... Master Robot Slave Hệ thống đƣa hệ SMSS với Robot có cấu trúc giống Chƣơng : Thiết kế điều khiển hệ thống SMSS Chỉ mục tiêu điều khiển hệ, đề xuất thiết kế hệ thống điều khiển, phân tích tính ổn... Nam 3.4 Động lực học môi trƣờng 43 3.5 Độ trễ kênh truyền thông 46 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ SMSS 48 4.1 Mục tiêu điều khiển 48 4.2 Thiết kế điều khiển ... tốt nghiệp với đề tài ? ?Tính toán động lực học thiết kế điều khiển cho hệ thống Teleoperation SMSS kênh truyền thơng có trễ? ?? Đây đề tài đƣợc quan tâm lớn từ phía nhà khoa học khắp giới, tiêu biểu