Phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển cho hệ thao tác từ xa một chủ một tớ teleoperation smss

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -   - ĐẶNG NGỌC TRUNG PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THAO TÁC TỪ XA MỘT CHỦ MỘT TỚ (TELEOPERATION-SMSS) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2017 ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN LỜIKỸ CAM ĐOAN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUẬT CÔNG NGHIỆP    - Tôi tên Đặng Ngọc Trung, xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn tập thể nhà khoa học tài liệu tham ĐẶNG NGỌC TRUNG khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực chưa công bố công trình khác Thái Nguyên, 23 tháng năm CHO 2017 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP CÁC BỘngày ĐIỀU KHIỂN Tác giả MỘT luận án TỚ HỆ THAO TÁC TỪ XA MỘT CHỦ (TELEOPERATION-SMSS) Đặng Ngọc Trung Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hoá Mã số: 62 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Cán hướng dẫn Cán hướng dẫn TS Đỗ Trung Hải TS Đỗ Đức Nam THÁI NGUYÊN - 2017 iii LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình làm luận án, thực có lúc khó khăn, tưởng chừng tiếp tục, nhờ nhận động viên, giúp đỡ người thân, bạn bè đồng nghiệp, thầy giáo hướng dẫn tập thể nhà khoa học, tơi có kết hơm Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất Cảm ơn người thầy, người bạn đồng hành, giúp đỡ, chia giai đoạn khó khăn, vất vả chặng đường luận án Cũng qua đây, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn TS Đỗ Trung Hải – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp –ĐH Thái Nguyên TS Đỗ Đức Nam –Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình, dìu dắt định hướng cho tơi suốt thời gian qua Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc kính trọng đến thầy giáo, đồng nghiệp Khoa Điện, tập thể nhà khoa học, đóng góp ý kiến quý báu chuyên môn, quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ công việc thời gian Cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật Điện, Khoa Điện, Viện nghiên cứu phát triển công nghệ cao kỹ thuật công nghiệp, Trung tâm thí nghiệm, Phịng ban Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên nhiệt tình, tạo điều kiện suốt trình thực luận án Hơn hết, tơi muốn nói lời cảm ơn đến bố mẹ, anh chị, vợ gái ln ln bên tơi, hết lịng quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinh thần, tình cảm, tạo điều kiện giúp tơi có nghị lực để hồn thành luận án Tác giả luận án Đặng Ngọc Trung iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài luận án Phạm vi, đối tượng nghiên cứu phương pháp nghiên cứu Mục tiêu luận án Những đóng góp lý luận thực tiễn luận án Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu tổng quan hệ Teleoperation 1.1.1 Khái niệm hệ Teleoperation 1.1.2 Tình hình nghiên cứu giới hệ Teleoperation 1.1.3 Tình hình nghiên cứu nước hệ Teleoperation 13 1.1.4 Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation 13 1.2 Tính xác đồng hệ Teleoperation (Transparency in Teleoperation Systems) 15 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định chất lượng hệ Teleoperation 16 1.4 Tính đặc thù khó khăn tổng hợp hệ Teleoperation đề xuất hướng giải luận án 18 1.5 Kết luận Chương 22 CHƯƠNG 23 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG THAO TÁC TỪ XA (TELEOPERATION-SMSS) 23 2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển đại 23 2.1.1 Khái niệm ổn định tiệm cận ổn định theo hàm mũ 23 2.1.2 Khái niệm ổn định ISS 29 v 2.1.3 Lý thuyết chung điều khiển trượt (Sliding mode control) 30 2.1.4 Điều khiển thích nghi ISS 35 2.2 Tổng hợp điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) 37 2.3 Mô điều khiển hệ thống từ xa (Teleoperation-SMSS) MatlabSimulink 57 2.4 Kết luận Chương 81 CHƯƠNG 83 MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐÃ ĐỀ XUẤT CHO HỆ THAO TÁC TỪ XA (TELEOPERATION-SMSS) 3.1 83 Sơ đồ khối ghép nối điều khiển hệ thống thao tác từ xa qua máy tính Card DSP1103 83 3.2 Sơ đồ kết nối vật lý cho khớp (1 động cơ) Robot chủ/Robot tớ với Card DSP1103 84 3.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ Teleoperation SMS 84 3.4 Sơ đồ khối ghép nối Matlab Simulink kết nối với DSP1103 hệ SMSS thực 87 3.5 Sơ đồ ghép nối thực điều khiển hệ thống Teleoperation-SMSS qua máy tính90 3.6 Kết điều khiển thực hệ SMSS qua card DSP1103 phần mềm Control Desk 91 3.7 Kết luận chương 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤ LỤC 109 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu T thời gian trễ kênh truyền thông s(e) mặt trượt x(t ) trạng thái quỹ đạo tự Mi ma trận quán tính xác định dương Ci ma trận criolit lực hướng tâm Ji ma trận Jacobi qi góc quay khớp i mi khối lượng khâu i li chiều dài khâu i i ri mômen quán tính với tâm qua trọng tâm khâu i Fi ngoại lực đặt khớp i Bi độ giảm chấn khớp i τi mômen đầu vào Robot Fop lực tác động lên Master người thao tác Fe phản lực từ môi trường lên Slave Gi véc tơ lực trọng trường τ op mômen lực tác động lên Master người thao tác τe mômen phản lực từ môi trường lên Slave q&i & q& i véc tơ vận tốc góc khớp i τ Ni thành phần nhiễu tác động lên khớp τˆNi thành phần nhiễu đánh giá tác động lên khớp i sai số đánh giá nhiễu tác động lên Robot useq tín hiệu điều khiển tương đương lên Slve e sai lệch quỹ đạo Ai ; K s ;  P ;  I ma trận đường chéo xác định dương khoảng cách từ tâm khớp đến trọng tâm khâu i véc tơ gia tốc góc khớp i vii O m ; O m* ; O miền hội tụ (hay miền hấp dẫn) Danh mục chữ viết tắt tiếng việt MHRM Mơ hình Robot chủ MHRS Mơ hình Robot tớ BĐK Bộ điều khiển XLNS Xử lý nhiễu Robot tớ XLNM Xử lý nhiễu Robot chủ ULNS Ước lượng nhiễu Robot tớ ULNM Ước lượng nhiễu Robot chủ ARSM-SC ISS-MC Cấu trúc điều khiển thích nghi bền vững sử dụng chế độ trượt cho Robot tớ Cấu trúc điều khiển thích ISS cho Robot chủ Danh mục chữ viết tắt tiếng anh SMSS Single Master Single Slave SMMS Single Master Multiple Slaves MSMM Multiple Masters Multiple Slaves ISS Input-to-state stability viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Thông số vật lý mô Robot chủ/Robot tớ 62 Bảng Thông số mô điều khiển Robot chủ 76 Bảng Thông số mô điều khiển Robot tớ 76 Bảng Thông số vật lý thực Robot chủ/Robot tớ 84 Bảng Thông số thực nghiệm điều khiển Robot chủ 85 Bảng Thông số thực nghiệm điều khiển Robot tớ 85 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình1.1 Mơ hình hệ thống Teleoperation Hình1.2 Minh họa cấu trúc điều khiển kênh tài liệu [38] 14 Hình1.3 Minh họa cấu trúc điều khiển kênh tài liệu [85] 15 Hình1.4 Minh họa cấu trúc điều khiển kênh tài liệu [65] 15 Hình 2.1 Tạo họ đường cong kín bao quanh gốc đường đơng mức hàm xác định dương 24 Hình 2.2 Véc tơ gradien V(x) 25 Hình 2.3 Minh họa miền hấp dẫn khái niệm ổn định ISS 30 Hình 2.4 Nhiệm vụ toán điều khiển trượt 32 Hình 2.5 Điều khiển trượt phản hồi đầu .33 Hình 2.6 Hiện tượng rung nguyên nhân tượng rung (chattering) 34 Hình 2.7 Thay khâu Relay hai vị trí khâu khuếch đại bão hịa để giảm 35 Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc ước lượng tác động môi trường lên Robot tớ .40 Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho Robot tớ 45 Hình 2.10 Thành phần nhiễu τ e*1 dạng sin 67 Hình 2.11 Thành phần nhiễu τ e* dạng sin .67 Hình 2.12 Thành phần nhiễu τ e*1 dạng 67 Hình 2.13 Thành phần nhiễu τ e* dạng 68 Hình 2.14 Quỹ đạo q1 Robot tớ khơng bù nhiễu τe* 68 Hình 2.15 Quỹ đạo q2 Robot tớ không bù nhiễu τe* 68 Hình 2.16 Quỹ đạo q1 Robot tớ bù nhiễu τe* 69 Hình 2.17 Quỹ đạo q2 Robot tớ bù nhiễu τe* 69 Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc ước lượng nhiễu bất định tác động lên Robot chủ 47 Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Robot chủ 50 Hình 2.20 Quỹ đạo q1 Robot chủ không bù nhiễu τ Nm .74 Hình 2.21 Quỹ đạo q2 Robot chủ khơng bù nhiễu τ Nm .74 Hình 2.22 Quỹ đạo q2 Robot chủ bù nhiễu τ Nm .74 Hình 2.23 Quỹ đạo q2 Robot chủ bù nhiễu τ Nm .75 x Hình 2.24 Sơ đồ cấu trúc hệ thống thao tác từ xa sở điều khiển thích nghi kháng nhiễu, bền vững sử dụng chế độ trượt 56 Hình 2.25 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS) Matlab-Simulink .77 * Hình 2.26 Thành phần tác động môi trường τˆe1 .78 Hình 2.27 Thành phần tác động mơi trường τˆe*2 .78 Hình 2.28 Thành phần quỹ đạo q1 78 Hình 2.29 Thành phần quỹ đạo q2 Robot 79 Hình 2.30 So sánh quỹ đạo q1 Robot chủ Robot tớ bù trừ thành * phần τˆe .79 Hình 2.31 So sánh quỹ đạo q2 Robot chủ Robot tớ bù trừ thành * phần τˆe .79 Hình 2.32 Thành phần mômen τ op1 80 Hình 2.33 Thành phần mơmen τ op 80 Hình 2.34 Thành phần quỹ đạo q1 Robot 80 Hình 2.35 Thành phần quỹ đạo q2 Robot 81 Hình 3.1 Sơ đồ ghép nối điều khiển hệ SMSS qua máy tính Card DSP1103 83 Hình 3.2 Sơ đồ ghép nối vật lý cho khớp Robot với Card DSP1103 84 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển cho hệ Teleoperation SMSS qua card DSP1103 máy tính 86 Hình 3.4 Sơ đồ ghép nối Matlab Simulink kết nối với DSP1103 hệ SMSS thực .87 Hình 3.5 Khối điều khiển Slave 87 Hình 3.6 Khối điều khiển Master .88 Hình 3.7 Khối xuất tín hiệu PWM cho mạch điều khiển đo dịng điện .88 Hình 3.8 Khối thu thập liệu động học thực Master .89 Hình 3.9 Khối thu thập liệu động học thực Slave 89 Hình 3.10 Mơ hình ghép nối thực hệ SMSS với DSP1103 mạch điều khiển 90 Hình 3.11 Mạch đo tín hiệu dịng mạch điều khiển tốc độ động 90 101 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 không đảo, thay đổi giá trị duty cycles, tần số sóng PWM, deadband • Tín hiệu PWM điều chế vecto không gian (bao gồm đầu đảo khơng 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 vịng 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) dòng điện danh nghĩa lớn 2A nên thích hợp cho các ứng dụng cơng suất nhỏ động chiều loại nhỏ vừa Trong hệ thống dùng chip L298D để làm driver cho động Cấu tạo bên L298D ... 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) ... 23 tháng năm CHO 2017 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP CÁC BỘngày ĐIỀU KHIỂN Tác giả MỘT luận án TỚ HỆ THAO TÁC TỪ XA MỘT CHỦ (TELEOPERATION- SMSS) Đặng Ngọc Trung Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động... 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