1. 1T ng quan chun gv lĩnh vực nghiên cu
2.7.4 ng d ng haptics trong quân sự
những môi tr ng làm việc đặc biệt nguy hiểm, thiết bị haptic có thểđ ợc dùng nh một thiết bị ch (master device) để điều khiển từ xa một thiết bị tớ (slave device). Ng i sử d ng vận hành thiết bị ch trong một phòng an toàn và điều khiển một thiết bị tớ một kho ng cách rất xa. Theo cách này, thiết bị haptics đã đ ợc sử d ng để lắp ráp bom h t nhân từ những năm 1950 εỹ.
Hình 2.24: Sử d ng haptics để lắp ráp bom h t nhân ( nh: http://matlabs.wordpress.com)
2.7.5 ng d ng trong công nghi p
thể làm thay. Thiết bị haptic (ch ) sẽ cung cấp vị trí và h ớng chuyển động cho robot (thiết bị tớ). Trong một số tr ng hợp, thiết bị haptic cung cấp c lực tiếp xúc cho robot. εôi tr ng làm việcth ng đ ợc gắn camera và truyền tín hiệu về một máy tính. Do đó, ng i vận hành có thể giám sát và thao tác robot một cách trực quan.
Hình 2.25: ng d ng haptics điều khiển robot từ xa ( nh:http://matlabs.wordpress.com/)
2.7.6 ng d ng haptics trong giáo d c
Thiết bị haptic đ ợc kết hợp với công nghệ thực tế o để t o lên những hệ thống đào t o thực hành lái xe ô tô, lái máy cẩu, lái máy xúc, lái máy i, vận hành máy CNC và nhiều máy móc khác trong công nghiệp. Đây là một h ớng ng d ng h a hẹn nhiều triển vọng và sẽ đ t đ ợc những thành tựu đáng kể trong t ơng lai gần.
Trong hệ thống thực hành lái máy xúc, một cabinđ ợc xây dựng với các tay lái, phanh và một số nút điều khiển, chúng có thể giao tiếp với máy tính. Trong khi đó, công nghệ thực tế o đ ợc ng d ng để xây dựng mô hỉnh c a máy xúc và môi tr ng làm việc. Nh vậy, ng i vận hành có thể sử d ng cabin này để điều khiển máy xúc mô hình trên máy tính. Việc thực hành này sẽ giúp cho các học viên làm quen với cách vận hành máy xúc tr ớc khithao tác trên môi tr ng thực tế.
2.7.8 ng d ng haptic trong công ngh thông tin
Ngành công nghệ thông tin là ngành ng d ng rất nhiều nh : điện tho i c m ng, máy tính b ng c m ng.v.v.
Hình 2.27: Axon Logic ra mắt chiếc tablet Haptics
Google vừa đệ trình một bằng sáng chế mới liên quan đến hệ thống ph n hồi xúc giác độ chính xác cao lên y ban Th ơng hiệu và Bằng sáng chế Hoa Kỳ (USPTO). Với nguồn thu chính từ qu ng cáo, bằng sáng chế mới sẽ giúp ích rất nhiều cho Google b i công nghệ này sẽ ch yếu đ ợc sử d ng để cung cấp thông tin qu ng cáo qua hệ thống ph n hồi xúc giác trên màn hình c m ng. C thể, khi thông tin qu ng cáo hiển thị trên màn hình thiết bị, mỗi pop-up qu ng cáo sẽ có một viền ranh giới riêng, nếu ngón tay c a b n di vào phần này thì màn hình sẽ cung cấp những ph n hồi xúc giác. Các ph n hồi sẽ khác nhau tùy thuộc từng lo i hình qu ng cáo. Ví d , b n di chuyển tay tới một qu ng cáo bãi biển, màn hình sẽ cung cấp c m giác nh b n đang ch m tay vào những h t cát thô ráp. Hay với một qu ng cáo cho đồ uống có ga, ng i dùng sẽ có c m giác về những lớp bọt đang s i tăm. Công nghệ xúc giác này đ ợc t o nên từ các điện áp nằm xung quanh phần mép màn hình thiết bị (Nguồn: Genk.vn).
Hình 2.28: Công nghệ ph n hồi xúc giác trên điện tho i màn hình c m ng Trong những năm tới, công nghệ c m ng sẽ xuất hiện trên màn hình khổng lồ, thẻ tín d ng thay vì chỉ có ch yếu trên điện tho i, tablet nh hiện nay.
2.8 Lực ph n h i t môi tr ng lên robot di đ ng dựa trên ph ng pháp
Logic m
2.8.1 T ng quan v đi u khi n t xa robot di đ ng
Nhóm nghiên c u [07] đã giới thiệu sự điều khiển từ xa song song c a một robot có bánh. Ng i điều khiểnđ a ra lệnh chuyển động qua cánh tay máy haptics ch . δệnh điều khiển đ ợc gửi đến robot di động thông qua m ng truyền thông.
Hình 2.29: Thiết bị ch và robot di động
Các tín hiệu điều khiển đầu vào cho robot di độngđ ợc thực hiện dựa trên vị trí cuối (xm , ym). V , ω là vận tốc dài và vận tốc góc. Thông tin ph m vi vật c n thu đ ợc từ c m biến kho ng cách (ra – đa siêu âm hoặc c m biến laser) đ ợc gửi l i thiết bị ch . δực ph n hồi lên thiết bị ch đ ợc t o ra dựa trên thông tin ph m vi vật
Thiết bị ch Lệnh điều khiển Lực ph n hồi môitr ng Vật c n Robot di động
c n. Chiến l ợc lệnh vị trí - vận tốc đ ợc sử d ng phần lớn trong các ng d ng điều khiển từ xa robot di động. Tốc độ c a robot thay đổi liên quan với thiết bị ch . Chiến l ợc điều khiển này đ ợc mô t qua ph ơng trình:
Trong đó : kv, kω là các hệ số tỉ lệ
2.8.2 Lực ph n h i t môi tr ng
Trong bài viết này, chúng tôi [07] xem lực ph n hồi chỉ dựa trên thông tin ph m vi vật c n. δực ph n hồi đ ợc biểu diễn thông qua việc đo kho ng cách giữa vật c n và robot di động.
Trong đó:
Fm : Lực ph n hồi trên giao diện thiết bị haptic với ng i điều khiển
K : Hệ số lực ph n hồi giữa xe với vật c n (độ c ng c a lò xo o đ ợc đặt giữa xe và vật c n)
: Độ biến d ng lò xo o
R: Kho ng cách giữa robot và vật c n
R0: Kho ng cách bắt đầu xuất hiện lực ph n hồi
Hệ số K tỉ lệ tuyến tính với kho ng cách với vật c n, Fm và là các đ i l ợng vô h ớng đối với tr ng hợp đơn gi n. Tuy nhiên, trong hệ thống thực tế chúng có thể là những véc tơ, vì các kho ng cách với vật c n có thể đ ợc đo từ nhiều c m biến khác nhau. = R0 – R (2.5) = ∆, < 0, ≥ (2.4) m m v x y k k V 0 0 (2.3)
Hình 2.30: Sơ đồ biểu diễn lực ph n hồi dựa trên thông tin ph m vi vật c n Thực nghiệm trên robot di động điều khiển từ xa sử d ng haptics chỉ ra rằng sử d ng lực ph n hồi môi tr ng c i thiện đáng kể việc điều khiển từ xa do gi m số lần va ch m giữa robot với vật c n [14]. Tuy nhiên, nó cũng chỉ ra rằng lực ph n hồi với hệ số hằng số cũng làm gi m chất l ợng điều khiển chuyển động c a robot Thí nghiệm trên robot di động định vị chỉ ra rằng lực ph n hồi dựa trên thông tin ph m vi vật c n thực tế đã gây nhiễu đối với thiết bị ch . Khi ng i vận hành muốn đặt robot di động một vị trí xác định thì lực ph n hồi t o ra trên thiết bị ch có thể sửa đổi các lệnh do ng i điều khiển đ a ra. Kết qu là, sự di chuyển thực c a robot có thể khác với mong muốn [13].
2.8.3 Quy t c m trong vi c bi u di n lực ph n h i
Hình 2.31: Robot di động trong không gian ho t động rộng và hẹp
Không gian rộng
Không gian hẹp
V
t c
Trong hình 2.31a, robot di động làm việc trong môi tr ng rộng và không có nhiều vật c n thì robot di động sẽ ít va ch m với vật c n khi di chuyển. Do đó, xác suất va ch m giữa robot di động với vật c n là thấp. Ng ợc l i, khi robot di động di chuyển trong không gian hẹp thì xác xuất va ch m với vật c n là lớn hơn. δực ph n hồi trong tr ng hợp robot di động di chuyển trong không gian rộng sẽ nhỏ hơn trong tr ng hợp mobile di chuyển không gian hẹp: F’ < F”.
Khi robot di động ho t động trong không gian hẹp với vận tốc lớn thì xác suất va ch m với vật c n là lớn. Trong tr ng hợp đòi hỏi chuyển động chính xác thì tốc độ di chuyển c a robot di động cần gi m xuống, lúc này kho ng cách giữa robot di động và vật c n gi m từ từ nên gi m đ ợc xác suất va ch m.
Hình 2.32: Cấu trúc điều khiển từ xa robot di động với ph ơng pháp đề xuất biểu diễn lực ph n hồi
Một bộ điều khiển m sẽ điều khiển độ lớn c a lực ph n hồi đến ng i điều khiển dựa trên kho ng cách đến những vật c n và robot di động và / hoặc vận tốc t ơng đối với vật c n. Giá trị R là kho ng cách nhỏ nhất từ robot tới vật c n, dR/dt là tốc độ biến thiên c a kho ng cách R theo th i gian, đây là hai thông số đầu vào.
Ng i điều khiển Thiết bị master Bộ điều khiển Fuzzy Bộ điều khiển robot C m biến kho ng cách Vật c n Robot di động εôi tr ng R
Đầu ra c a bộ điều khiển m là hệ số lực ph n hồi K*. Nếu vật c n gần robot và kho ng cách giữa robot và vật c n thay đổi nhanh thì xác suất va ch m là lớn và ng ợc l i. Lực F*đ ợc tính theo hệ số K* sau:
Trong đó:
K* là đầu ra c a bộ điều khiển m
F* là lực ph n hồi đ ợc t o ra dựa trên quy tắc m
Lực ph n hồi đ ợc t o ra khi dR/dt < 0, nghĩa là robot di độngđang tiếp cận vật c n.
Nếu dR/dt > 0 nghĩa là robot di động không tiếp cận vật c n và không có kh năng va ch m.
Nếu dR/dt = 0 thì kho ng cách giữa robot di động và vật c n là không đổi
2.8.4 Phân tích n định c a h thống đi u khi n t xa robot di đ ng
Theo công th c (2.6), K* là đầu ra c a bộ điều khiển m và chính là độ c ng c a lò xo o đặt giữa robot di động và vật c n. Thực nghiệm chỉ ra rằng, trong hệ thống điều khiển từ xa robot di động, nếu K* là hằng số thì hệ thống sẽ mất ổn định. Do đó, để phân hệ thốngổn định thì hệ số K* ph i thay đổi.
M c tiêu chính trong phần này là sự thay đổi hệ số K* dựa trên kho ng cách đến vật c n là R và đ o hàm c a R theo th i gian t là dR/dt. Hệ số K* đ ợc xác định là : Trong đó : ∗ = , 1 − ( − ) + , − < < 0 , (2.7) F* = K* (2.6)
kmin và kmax: là các các giá trị biên nhỏ nhất và lớn nhất c a hệ số ph n hồi
: là tốc độ giới h n t ơng đối c a robot di động và vật c n
kmin và kmax đ ợc chọn có xét đến lực lớn nhất c a thiết bị haptics, độ c ng lò xo o và kho ng cách nhỏ nhất giữa robot di động và môi tr ng từ lúc mà lực ph n hồi bắt đầu đ ợc t o ra.
Thông th ng, trong hệ thống điều khiển từ xa robot di động, robot slave (đối t ợng điều khiển) không t ơng tác với môi tr ng và đó chính là lý do t i sao lực ph n hồi từ môi tr ng hiển thị đến ng i điều khiển đ ợc tính dựa trên tr ng thế năng o. Tr ng thế năng không nh h ng trực tiếp đến robot di động, nh ng nó nh h ng đến ng i vận hành khi điều khiển tốc độ c a robot di động. Để đơn gi n trong việc phân tích ổn định, chúng tôi [10]xét trong tr ng hợp hệ một bâc tự do. Động lực học c a ng i điều khiển, thiết bị ch và robot di động đ ợc mô t theo ph ơng trình: Trong đó : xm - là vị trí c a thiết bị ch xr - là vị trí c a robot di động m - là khối l ợng b - là hệ số ma sát nhớt k - là độ c ng lò xo o
các chỉ số h, m, r biểu diễn cho cánh tay ng i điều khiển, thiết bị ch , robot
h - là lực đ ợc t o ra b i tay ng i điều khiển
fm - biểu thị lực ng i điều khiển tác d ng lên thiết bị ch
m – là lực chấp hành dẫn động c a thiết bị ch
− = . + . + .
+ = + + .
= . + .
r – là lực chấp hành dẫn động c a robot di động
Trong hệ thống điều khiển từ xa robot di động, m t ơng ng với lực ph n hồi dựa trên thông tin kho ng cách vật c n với robot di động (m = - fe )
Hình 2.33: Sơ đồ tổng quát hệ thống điểu khiển robot di động từ xa với lực ph n hồi
Trên hình 2.33 biểu diễn một hệ thống tổng quát điều khiển từ xa robot di động với lực ph n hồi dựa trên thông tin d i vật c n. Wh và Wm là hàm truyền c a ng i vận hành và thiết bị ch trong miền s; Z là tr kháng c a robot , C là bộ điều khiển vận tốc c a robot. Hình 2.33a có thể đ ợc chuyển thành hình 2.33b. đây, lực ph n hồi fe là d ơng. δ u ý rằng chúng ta chỉ xét các tr ng hợp khi (xobst – xr)
0 và (xr - xobst + r0 ) 0. Nghĩa là, kho ng cách đến vật c n không bao gi âm. Để phân tích ổn định c a hệ thống, chúng ta có đ ợc hệ thống điều khiển vòng kín đ ợc mô t nh trong hình 2.33c. Hàm truyền c a hệ thống điều khiển kín này có thể đ ợc mô t nh sau: = , = , = ( + ) , = ( + ) ( + ) + = . . . ( + ) ( 1 + ) + = + + + + (2.9) D i vật c n và biểu đồ môi tr ng
= ( + ) + ( + ) + ( + ) , = ( + )
Sử d ng tiêu chuẩn Hurwitz chúng ta có đ ợc miền điều kiện cho hệ số lực ph n hồi k* nh sau:
Nếu k thỏa mãn điều kiện (2.10) thì hệ thống điều khiển từ xa robot di động sẽ ổn định
Tuy nhiên, hệ thống trong hình 2.33c không thể hiện cho việc ng d ng thực tế trong hệ thống điều khiển từ xa robot di động. Thông th ng, trong hệ thống điều khiển từ xa robot di động, ng i điều khiển đ ợc giao nhiệm v di chuyển robot đến vị trí yêu cầu. Thông tin o (hình nh từ các camera từ xa, t ơng tác với các biểu đồ) để theo dõi vị trí c a robot. Để tìm kho ng giá trị cho phép c a hệ số ph n hồi lực k, trong hệ thống ổn định còn l i, chúng ta phân tích ổn định trong hệ thống đ ợc chỉ ra trên hình 2.33d. là vị trí mong muốn c a robot. Ch đ i diện cho hệ thống bộ óc và thần kinh c a con ng i giống nh là bộ điều khiển vị trí. Để đơn gi n, chúng ta gi sử rằng Ch là một biến vô h ớng. Hệ thống điều khiển vòng kín với việc xét vị trí điều khiển đ ợc xác định nh sau:
Tiêu chuẩn Hurwitz chúng ta có đ ợc miền điều kiện cho hệ số lực ph n hồi k*nh sau:
Kho ng giá trị k* bị gi m xuống b i Ch, kho ng giá trị Ch có thể lớn hơn tùy thuộc vào từng ng i điều khiển khác nhau và các điều kiện khác nhau. Đó là lý do quan trọng để xét tính không ổn định c a con ng i dựa trên quá trình chọn giá trị c a k*. 0 < ∗ < ( − ) − (2.12) = ( + ) ( 1 + ) + ( + ) (2.11) 0 < ∗ < ( − ) (2.10)
Thử nghiệm sơ bộ ch ng minh nh h ng c a sự thay đổi hệ số lực ph n hồi
k đến ổn định c a hệ thống điều khiển từ xa đ ợc thể hiện qua kết qu mô phỏng trên hình 2.34. Các giá trị mô phỏng đ ợc cho nh sau:
mh =2 kg, bh = 2 Ns/m, kh = 10 N/m, mm = 1 kg, bm = 0,05 Ns/m, kV = 0,3s-1, Cs =30 Ns/m, ms = 20 kg, bs = 1Ns/m, Ch = 7 N/m, xobst = 1,2 m, xdes = 1.1, r0 = 0,5 m, 0 <