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

Nghiên cứu hệ thao tác từ xa, tập trung vào hệ thống teleoperation SMSS với trễ truyền thông hằng số, mang lại cái nhìn sâu sắc về công nghệ này.

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thao Tác Từ Xa Một Chủ Một Tớ Với Trễ Truyền Thông
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation
• 1.1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG THAO TÁC TỪ XA (TELEOPERATION-SMSS)
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐÃ ĐỀ XUẤT CHO HỆ THAO TÁC TỪ XA (TELEOPERATION-SMSS)
• KẾT LUẬN

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống thao tác từ xa một chủ một tớ

Hệ thống thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation-SMSS) là một công nghệ tiên tiến cho phép điều khiển Robot từ xa. Hệ thống này bao gồm hai phần chính: Robot chủ (Master) và Robot tớ (Slave). Robot chủ thực hiện các thao tác theo ý muốn của người điều khiển, trong khi Robot tớ thực hiện các nhiệm vụ theo quỹ đạo đã được xác định. Sự tương tác giữa hai Robot này diễn ra qua một kênh truyền thông, nơi mà các tín hiệu điều khiển và phản hồi được gửi đi và nhận lại. Hệ thống này đã được nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, y tế, và công nghiệp.

1.1. Khái niệm và cấu trúc của hệ thống Teleoperation

Hệ thống Teleoperation bao gồm hai thành phần chính: Robot chủ và Robot tớ. Robot chủ thực hiện các thao tác điều khiển, trong khi Robot tớ thực hiện nhiệm vụ theo quỹ đạo đã được xác định. Sự tương tác giữa hai Robot này diễn ra qua kênh truyền thông, nơi mà các tín hiệu điều khiển và phản hồi được gửi đi và nhận lại.

1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống thao tác từ xa

Hệ thống Teleoperation đã có hơn 60 năm phát triển, bắt đầu từ những năm 1940. Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và độ ổn định của hệ thống. Qua thời gian, nhiều phương pháp điều khiển hiện đại đã được phát triển để nâng cao hiệu suất của hệ thống.

II. Thách thức trong nghiên cứu hệ thống thao tác từ xa

Một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu hệ thống thao tác từ xa là vấn đề trễ truyền thông. Trễ này có thể làm giảm hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Ngoài ra, các yếu tố như nhiễu và tác động từ môi trường cũng ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển. Việc xây dựng các bộ điều khiển có khả năng kháng nhiễu và ổn định trong điều kiện trễ là một yêu cầu cấp thiết.

2.1. Ảnh hưởng của trễ truyền thông đến hệ thống

Trễ truyền thông có thể gây ra sự mất ổn định trong hệ thống Teleoperation. Khi tín hiệu điều khiển bị trễ, Robot tớ có thể không thực hiện đúng theo quỹ đạo của Robot chủ, dẫn đến các sai lệch không mong muốn.

2.2. Nhiễu và tác động từ môi trường

Nhiễu từ môi trường có thể làm giảm chất lượng điều khiển của hệ thống. Các yếu tố như lực ma sát, gia tốc trọng trường cũng cần được xem xét để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của hệ thống.

III. Phương pháp điều khiển cho hệ thống Teleoperation

Để giải quyết các thách thức trong hệ thống thao tác từ xa, nhiều phương pháp điều khiển đã được đề xuất. Các phương pháp này bao gồm điều khiển thụ động, điều khiển PID, và điều khiển dự báo. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của hệ thống.

3.1. Điều khiển thụ động và ứng dụng

Điều khiển thụ động là một trong những phương pháp phổ biến trong hệ thống Teleoperation. Phương pháp này giúp giảm thiểu tác động của nhiễu và đảm bảo tính ổn định cho Robot tớ trong quá trình thực hiện nhiệm vụ.

3.2. Điều khiển PID và hiệu quả

Điều khiển PID là một phương pháp điều khiển phổ biến khác, giúp điều chỉnh các tham số để đạt được hiệu suất tối ưu. Phương pháp này có thể được áp dụng cho cả Robot chủ và Robot tớ để cải thiện độ chính xác trong việc bám quỹ đạo.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống thao tác từ xa

Hệ thống thao tác từ xa đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ quân sự đến y tế. Trong quân sự, hệ thống này được sử dụng để điều khiển Robot thực hiện các nhiệm vụ nguy hiểm. Trong y tế, Teleoperation cho phép thực hiện phẫu thuật từ xa với độ chính xác cao. Những ứng dụng này cho thấy tiềm năng lớn của công nghệ này trong tương lai.

4.1. Ứng dụng trong quân sự

Trong quân sự, hệ thống Teleoperation được sử dụng để điều khiển Robot thực hiện các nhiệm vụ nguy hiểm như tháo gỡ bom hoặc khảo sát địa hình. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro cho con người.

4.2. Ứng dụng trong y tế

Teleoperation trong y tế cho phép thực hiện phẫu thuật từ xa, giúp bác sĩ có thể thực hiện các ca phẫu thuật phức tạp mà không cần phải có mặt trực tiếp tại hiện trường.

V. Kết luận và tương lai của hệ thống thao tác từ xa

Hệ thống thao tác từ xa một chủ một tớ đang ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện độ ổn định và chất lượng điều khiển của hệ thống. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và cải tiến đáng kể trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Định hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các bộ điều khiển thông minh hơn, có khả năng tự thích nghi với các điều kiện môi trường khác nhau, nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống.

5.2. Tiềm năng ứng dụng mở rộng

Với sự phát triển của công nghệ, hệ thống Teleoperation có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mới như công nghiệp 4.0, tự động hóa và robot thông minh, mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và phát triển.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu về hệ thống thao tác từ xa (Teleoperation) đã trải qua hơn sáu thập kỷ phát triển kể từ các công trình cơ sở của Goertz (1954), Ferrell & Sheridan (1967). Tuy nhiên, bài toán tổng hợp cấu trúc điều khiển cho hệ thống thao tác từ xa một chủ - một tớ (Single-Master Single-Slave, Teleoperation-SMSS) vẫn đối mặt với những thách thức cốt lõi chưa được giải quyết triệt để: tính phi tuyến mạnh và bất định của mô hình động học Euler-Lagrange, sự hiện diện đồng thời của nhiễu nội tại (ma sát khớp, mô-men quán tính rotor), tải trọng trường, các ngoại lực tương tác không xác định từ môi trường tác vụ, cùng hiệu ứng trễ thời gian hằng số ($T = \text{const}$) trên kênh truyền thông hữu tuyến.

Hạn chế nghiêm trọng của các công trình tiền nhiệm là thường áp dụng các cấu trúc điều khiển đồng nhất cho cả Robot chủ (Master) và Robot tớ (Slave), hoàn toàn bỏ qua sự phân hóa chức năng bản chất: Robot Slave có nhiệm vụ bám chính xác quỹ đạo vị trí/vận tốc của Robot Master trong điều kiện chịu phản lực môi trường $\tau_e$ và nhiễu $\tau_{Ns}$, trong khi Robot Master vừa phải bám ngược quỹ đạo Slave, chuyển động theo chủ ý của người điều khiển ($\tau_{op}$), vừa phải tái hiện trung thực cảm giác lực phản hồi (Force Reflection - Haptic Telepresence) mà không làm mất ổn định hệ thống.

Luận án xác lập hệ thống câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học:

• Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Làm thế nào để ước lượng phân tách chính xác và bù trừ trực tuyến thành phần tổng hợp tác động môi trường và nhiễu bất định $\tau_e^* = \tau_e + \tau_{Ns}$ bên phía Slave mà không cần phụ thuộc vào cảm biến lực đắt tiền hoặc các bộ ước lượng tuyến tính hóa?
• Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Thiết lập cấu trúc điều khiển phi đối xứng nào để đảm bảo tính ổn định tiệm cận (Asymptotic Stability) cho Robot Slave và tính ổn định đầu vào - trạng thái (Input-to-State Stability - ISS) cho Robot Master dưới tác động của trễ truyền thông $T$?
• Giả thuyết khoa học (H1): Việc tích hợp bộ ước lượng tác động môi trường trên nền tảng mô hình danh định (MHRS) kết hợp điều khiển chế độ trượt thích nghi (Adaptive Robust Sliding Mode Control - ARSMC) sẽ triệt tiêu hiệu ứng chattering và bảo toàn tính bám quỹ đạo tiệm cận $\lim_{t \to \infty} [q_m(t-T) - q_s(t)] = 0$.
• Giả thuyết khoa học (H2): Áp dụng phương pháp tính mô-men kết hợp bù nhiễu ước lượng $\hat{\tau}_{Nm}$ sẽ chuyển hóa hệ phi tuyến Master về dạng không gian sai lệch tuyến tính bền vững Hurwitz, thiết lập điều kiện đủ để toàn hệ thống đạt ổn định thực tế (Practical ISS) với miền hấp dẫn giới nội $\Omega_m$.

Khung lý thuyết của luận án được xây dựng dựa trên sự giao thoa của ba lý thuyết điều khiển hiện đại: Lý thuyết ổn định phi tuyến Lyapunov (Aleksandr Lyapunov, 1892), Lý thuyết ổn định ISS (Eduardo Sontag, 1989), và Lý thuyết điều khiển chế độ trượt biến cấu trúc (Vadim Utkin, 1977; Slotine & Li, 1991). Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống Teleoperation-SMSS cấu hình tay máy phẳng 2 bậc tự do (Planar 2-DOF Serial Manipulator) hoạt động trong không gian mặt phẳng ngang, kiểm chứng qua mô phỏng MATLAB/Simulink và mô hình phần cứng thực tế.

Literature Review và Positioning

Lịch sử phát triển các cấu trúc điều khiển song phương (Bilateral Teleoperation) chứng kiến sự tranh biện học thuật sâu sắc giữa các trường phái về giải quyết mâu thuẫn cốt tử giữa tính ổn định (Stability) và độ trong suốt (Transparency). Lawrence (1993) khẳng định cấu trúc điều khiển 2 kênh vị trí - vị trí (Position-Position) tạo ra quán tính lớn và đáp ứng chậm, trong khi Yokokohji & Yoshikawa (1994) chỉ ra rằng để đạt độ trong suốt lý tưởng đòi hỏi cấu trúc 4 kênh phản hồi đồng thời cả gia tốc và lực. Tuy nhiên, việc gia tăng số kênh truyền thông khiến hệ thống cực kỳ nhạy cảm với trễ pha và nhiễu đường truyền.

                    TIẾN TRÌNH LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TELEOPERATION
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Goertz (1954), Ferrell & Sheridan (1967): Hệ Master-Slave, nhận diện trễ truyền dẫn|
+----------------------------------------+------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Anderson & Spong (1989), Niemeyer & Slotine (1991): Passivity & Wave Variables     |
| [Hạn chế: Bảo toàn thụ động làm suy giảm độ trong suốt, trễ cố định T < 300ms]    |
+----------------------------------------+------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Lawrence (1993), Yokokohji (1994), Nuño et al. (2011): 4-Channel & Quasi-Lyapunov |
| [Tranh biện: Trade-off giữa độ ổn định vững chắc và cảm nhận phản lực thực tế]     |
+----------------------------------------+------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Luận án: Cấu trúc phi đối xứng Phân tách Chức năng (Slave-ARSMC + Master-ISS)     |
| [Đột phá: Bù nhiễu động học phi tuyến đầy đủ, kháng trễ T = const, dập tắt rung]  |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Nhiều giải pháp quốc tế đã được triển khai nhằm chế ngự trễ và tính bất định nhưng bộc lộ nhiều điểm nghẽn lý thuyết:

• Trường phái Thụ động và Biến tán xạ (Passivity & Scattering Transformation): Anderson & Spong (1989), Chopra et al. (2006) áp dụng biến sóng (Wave Variables) để duy trì tính thụ động của kênh truyền thông khi có trễ. Tuy nhiên, cách tiếp cận này biến đổi kênh truyền thành mạng hai cổng không tiêu tán năng lượng, dẫn đến suy giảm nghiêm trọng độ phản xạ lực chân thực khi thời gian trễ vượt ngưỡng 200–300 ms, gây ra hiện tượng méo tín hiệu vị trí.
• Trường phái $H_\infty$ và Tối ưu hóa LMI: Leung & Francis (1994), Sano et al. (1998) sử dụng điều khiển $H_\infty$ để kháng bất định. Dẫu vậy, các nghiên cứu này buộc phải tuyến tính hóa mô hình động học xung quanh điểm làm việc, làm mất đi đặc tính động học phi tuyến thực tế của robot nhiều bậc tự do.
• So sánh với nghiên cứu của Nuño et al. (2011): Nhóm tác giả đề xuất hàm tựa Lyapunov (Quasi-Lyapunov) để khảo sát tính ổn định không cần đo lực, có xét đến trễ và phi tuyến. Tuy nhiên, nghiên cứu của Nuño et al. chưa giải quyết được bài toán bù trừ thành phần nhiễu cộng nội tại $\tau_{Ns}$ và lực môi trường $\tau_e$ biến đổi nhanh, khiến sai số bám tĩnh vẫn tồn tại lớn khi có va chạm cứng.
• So sánh với nghiên cứu của Zhijun Li et al. (2013, 2014): Li và cộng sự kết hợp mạng nơ-ron thích nghi với quan sát nhiễu cho hệ thao tác từ xa. Mặc dù xử lý được trễ ngẫu nhiên, mô hình quan sát nhiễu của Li et al. bị cô lập trong cấu hình 1 bậc tự do (1-DOF) và dựa trên giả định tuyến tính hóa cục bộ. Tương tự, bộ quan sát nhiễu của Mohammadi et al. (2013) chỉ áp dụng cho nhiễu biến thiên chậm, trong khi kiến trúc phân tách của Ohnishi (2014) chỉ triệt tiêu ghép kênh mà không bù trừ được tương tác môi trường bất định dải rộng.

Luận án định vị khoảng trống khoa học chính xác: Tổng hợp thành công cấu trúc điều khiển phân tách chức năng hoàn toàn phi tuyến cho hệ Teleoperation-SMSS, tích hợp bộ ước lượng động học thời gian thực bù trừ triệt để tương tác môi trường và nhiễu nội mà không làm suy giảm tính trong suốt của hệ thống.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án tạo bước tiến lý thuyết đột phá thông qua việc mở rộng khung phân tích ổn định phi tuyến Lyapunov và lý thuyết ổn định thực tế ISS cho hệ ghép nối song phương có trễ:

1. Mở rộng Định lý Ổn định Lyapunov cho Chế độ Trượt Tích phân (Theorem 2.1): Thiết lập phương trình động học vi phân sai lệch của Robot Slave: $$M_s(q_s)\ddot{\varepsilon}s + C_s(q_s, \dot{q}s)\dot{\varepsilon}s = \tau_e^$$ với $\tau_e^ = \tau_e + \tau{Ns}$. Bằng việc đề xuất hàm Lyapunov ứng viên $V_s = \frac{1}{2}S_s^T S_s$, với mặt trượt tích phân: $$S_s = \dot{e}s + \Lambda_p e_s + \Lambda_I \int_0^t e_s d\tau$$ luận án chứng minh đạo hàm Lie của hàm Lyapunov thỏa mãn $\dot{V}s = -S_s^T K_s S_s - S_s^T [A \text{sgn}(S_s) - \delta_e^*] < 0$ khi chọn $A = A_0 + \rho I$ với $A_0 = \text{diag}(a{0i}) \ge |\delta{ei}^*|{\max}$. Điều này xác lập tính ổn định tiệm cận toàn cục cho sai lệch bám: $$\lim{t \to \infty} [q_m(t-T) - q_s(t)] = 0; \quad \lim_{t \to \infty} [\dot{q}_m(t-T) - \dot{q}_s(t)] = 0$$

2. Xác lập Định lý Ổn định Thực tế ISS cho Robot Master (Theorem 2.2): Chuyển hóa mô hình động lực học vòng kín của Master thành hệ sai lệch trạng thái chuẩn tắc: $$\dot{X}m = A X_m + B \tau_v$$ Trong đó $X_m = [e_m^T, \dot{e}m^T]^T$, ma trận khối $A = \begin{bmatrix} 0 & I_m \ -K_P & -K_D \end{bmatrix}$ là ma trận Hurwitz thuần nhất, và tín hiệu kích thích tổng hợp $\tau_v = \tau{op} - \hat{\tau}e^* - \tilde{\tau}{Nm}$ bị chặn trên bởi $|\tau_v| \le \gamma{op} + \gamma_e^* + \gamma_{Nm} = \gamma_v$. Sử dụng hàm Lyapunov dạng toàn phương $V_m = X_m^T P_m X_m$ (với $P_m$ là nghiệm duy nhất của phương trình đại số Lyapunov $A^T P_m + P_m A = -I$), luận án chứng minh chặt chẽ: $$\dot{V}m \le -|X_m| (|X_m| - 2 \lambda_p b \gamma_v)$$ với $\lambda_p = |P_m|$, $b = \max{1 \le i \le n} \sum_{j=1}^n |b_{ij}(q_m)|$. Kết quả chứng minh mọi quỹ đạo sai lệch của Master hội tụ tiệm cận về miền hấp dẫn giới nội: $$\Omega_m = \left{ X_m \in \mathbb{R}^{2n} : |X_m| \le 2 \lambda_p b \gamma_v \right}$$

                        CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN PHI ĐỐI XỨNG
+------------------------------------------------------------------------------------+
|                                    KÊNH TRUYỀN THÔNG                                |
|                                (Trễ hằng số T = const)                              |
+-------------------------+--------------------------------+-------------------------+
                          |                                |
     Truyền tín hiệu đặt  | q_m(t-T)                       | Phản hồi lực ước lượng
     vị trí Master sang   |                                | \hat{\tau}_e^*(t-T)
                          v                                |
+------------------------------------+           +---------+-------------------------+
|        ROBOT SLAVE (TỚ)            |           |         ROBOT MASTER (CHỦ)        |
|  - Mô hình MHRS & Ước lượng XLNS   |           |  - Mô hình MHRM & Ước lượng XLNM  |
|  - Bù trừ phi tuyến & Kháng nhiễu  |           |  - Phản hồi vị trí Slave q_s(t-T) |
|  - Mặt trượt tích phân S_s         |           |  - Nhận thao tác tay người \tau_op|
|  - Đạt Ổn định tiệm cận (Lyapunov) |           |  - Đạt Ổn định thực tế (ISS)      |
+------------------------------------+           +-----------------------------------+

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đồng thời ba cấu trúc toán học:

• Nguyên lý Mô hình Nội Khử Bất định (Internal Model-based Disturbance Decoupling): Xây dựng khối mô hình động học danh định trực tuyến (MHRS và MHRM) chạy song song với thực thể vật lý, thu nhận sai lệch gia tốc và vận tốc $(\varepsilon_i, \dot{\varepsilon}_i, \ddot{\varepsilon}_i)$ để tái cấu trúc trực tiếp véc-tơ nhiễu mà không cần đạo hàm bậc cao của tín hiệu đo nhiễu.
• Cơ chế Triệt tiêu Rung Chattering Biên độ Thích ứng: Khác biệt hoàn toàn với các cấu trúc Sliding Mode truyền thống sử dụng hệ số đóng cắt lớn gây phá hủy cơ khí, luật điều khiển đề xuất chỉ cần biên độ đóng cắt $A_0$ bù đắp phần sai số ước lượng cực nhỏ $\delta_e^* = \tau_e^* - \hat{\tau}e^*$, kết hợp khâu khuếch đại bão hòa tuyến tính hóa vùng biên (Boundary Layer Saturation Function): $$u{sat} = \begin{cases} K \text{sgn}(S(e)) & \text{khi } |S(e)| \ge \Delta \ K \frac{S(e)}{\Delta} & \text{khi } |S(e)| < \Delta \end{cases}$$
• Điều kiện Biên và Miền Giới hạn: Xác lập rõ ràng các điều kiện biên: ma trận quán tính thỏa mãn tính chất đối xứng xác định dương $m_{1i} I \le M_i(q_i) \le m_{2i} I$, ma trận Coriolis $\dot{M}_i - 2C_i$ có tính chất phản đối xứng ($x^T(\dot{M}_i - 2C_i)x = 0$), trọng trường bị chặn $|G_i(q_i)| \le g_b$, và độ trễ truyền thông là hằng số hữu hạn $T < \infty$.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu tuân thủ chặt chẽ thế giới quan thực chứng (Positivism) và chủ nghĩa duy thực phản biện (Critical Realism) trong kỹ thuật điều khiển tự động: xây dựng mô hình toán học giải tích chính xác, suy diễn logic hình thức các định lý ổn định, kiểm chứng mô phỏng số học ngặt nghèo và xác nhận qua thực nghiệm vật lý.

Thiết kế nghiên cứu đa tầng (Multi-level Research Architecture) bao gồm 3 cấp độ:

• Cấp độ 1 (Subsystem-level Mathematical Rigor): Thiết kế luật điều khiển và chứng minh ổn định độc lập cho từng phân hệ Master và Slave.
• Cấp độ 2 (Coupled Bilateral System): Khảo sát động học liên kết vòng kín qua kênh truyền thông có trễ $T = \text{const}$, phân tích tính ổn định tương hỗ khi xuất hiện phản lực đóng kín từ môi trường $\hat{\tau}_e^*$.
• Cấp độ 3 (Experimental Hardware-in-the-loop Validation): Thực thi thuật toán trên nền tảng phần cứng thời gian thực với hệ thống Robot phẳng 2 bậc tự do (Planar 2-DOF Serial Manipulators).

                      THIẾT KẾ NGHIÊN CỨU ĐA TẦNG CỦA LUẬN ÁN
+------------------------------------------------------------------------------------+
| CẤP ĐỘ 1: TOÁN HỌC & ĐỘNG LỰC HỌC PHÂN HỆ                                          |
| - Mô tả Euler-Lagrange: M_i(q_i)\ddot{q}_i + C_i(q_i,\dot{q}_i)\dot{q}_i + G_i(q_i)|
| - Chứng minh Định lý 2.1 (Sliding Mode cho Slave) & Định lý 2.2 (ISS cho Master)   |
+----------------------------------------+------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+------------------------------------------------------------------------------------+
| CẤP ĐỘ 2: GHÉP NỐI SONG PHƯƠNG & KHÁNG TRỄ                                         |
| - Tích hợp kênh truyền thông trễ hằng số T hữu tuyến                               |
| - Hồi tiếp lực ước lượng \hat{\tau}_e^* và đồng bộ hóa quỹ đạo vị trí q_m(t-T)     |
| - Mô phỏng số hóa toàn diện trên MATLAB/Simulink (SimCoupling Verification)        |
+----------------------------------------+------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+------------------------------------------------------------------------------------+
| CẤP ĐỘ 3: KIỂM CHỨNG THỰC NGHIỆM VẬT LÝ                                            |
| - Cặp Manipulator 2-DOF nối tiếp mặt phẳng ngang (Khử trọng trường chủ động)      |
| - Tích hợp vi cảm biến MEM/NEM thu thập tốc độ/gia tốc, kiểm thử va chạm cứng      |
+------------------------------------------------------------------------------------+

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu được chuẩn hóa qua 4 giai đoạn chuẩn mực:

1. Thiết lập Mô hình Toán học: Xây dựng hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc hai Euler-Lagrange cho Robot Master và Slave: $$M_m(q_m)\ddot{q}_m + C_m(q_m, \dot{q}m)\dot{q}m + G_m(q_m) + \tau{Nm} = \tau{op} + \tau_m$$ $$M_s(q_s)\ddot{q}_s + C_s(q_s, \dot{q}_s)\dot{q}s + G_s(q_s) + \tau{Ns} = \tau_s - \tau_e$$
2. Thiết kế Bộ Ước lượng Tác động Động học: Thiết lập khâu xử lý nhiễu XLNS và XLNM thông qua đo đạc trực tiếp các véc-tơ vị trí $q_i$, vận tốc $\dot{q}_i$ và gia tốc $\ddot{q}_i$ từ hệ thống cảm biến vi cơ điện tử (MEM) và nano cơ điện tử (NEM), giải phương trình sai lệch mô hình để chiết xuất $\hat{\tau}e^*$ và $\hat{\tau}{Nm}$.
3. Tổng hợp Luật Điều khiển Bù trừ: Thiết lập tín hiệu điều khiển tương đương $u_{seq} = \ddot{q}_{sd} + \Lambda_p \dot{e}_s + \Lambda_I e_s$ kết hợp khâu bù mô-men $\tau_s = M_s(q_s) u_s + C_s \dot{q}_s + G_s - \hat{\tau}e^*$, và tín hiệu điều khiển Master $\tau_m = M_m(q_m)[\ddot{q}{md} + K_P e_m + K_D \dot{e}_m] + C_m \dot{q}m + G_m - \hat{\tau}{Nm}$.
4. Quy trình Kiểm định Độ tin cậy (Reliability & Triangulation): Kết hợp kiểm chứng chéo tam giác (Methodological & Data Triangulation) giữa: (a) Khảo sát giải tích qua tiêu chuẩn Hurwitz và hàm Lyapunov; (b) Mô phỏng số trên môi trường MATLAB/Simulink với các kịch bản trễ $T$ thay đổi từ $50\text{ ms}$ đến $1000\text{ ms}$; (c) Thực nghiệm vật lý đo lường dòng động cơ, góc quay encoder và phản lực tiếp xúc.

Data và phân tích

Hệ thống thông số phần cứng và mô phỏng được chuẩn hóa chi tiết:

• Cấu hình Thực nghiệm: Hệ thống Master - Slave 2-DOF dạng tay máy phẳng nối tiếp, các khâu chuyển động quay trong mặt phẳng nằm ngang ($G_m(q_m) \approx 0, G_s(q_s) \approx 0$ để tập trung cô lập động học phi tuyến quán tính và Coriolis).
• Bộ thông số Ma trận Điều khiển: Lựa chọn ma trận độ lợi xác định dương: $$K_s = \text{diag}(k_{s1}, k_{s2}) > 0; \quad \Lambda_p = \text{diag}(\lambda_{p1}, \lambda_{p2}) > 0; \quad \Lambda_I = \text{diag}(\lambda_{I1}, \lambda_{I2}) > 0$$ Các ma trận $K_P = \text{diag}(k_{P1}, k_{P2})$, $K_D = \text{diag}(k_{D1}, k_{D2})$ thỏa mãn điều kiện ổn định nghiệm $k_{D i}^2 > k_{P i} > 0$.
• Kịch bản Kiểm thử Độ bền vững (Robustness Checks):
  • Kịch bản 1: Chuyển động tự do không tải (Free Motion) kiểm tra tính đồng bộ bám quỹ đạo vị trí $\lim_{t \to \infty} |e_s(t)| = 0$.
  • Kịch bản 2: Va chạm đột ngột với môi trường đàn hồi và môi trường cứng (Hard Contact Transition) kiểm tra năng lực ước lượng phản lực $\hat{\tau}_e^*$ và độ ổn định thực tế $\Omega_m$ của Master.
  • Kịch bản 3: Tác động xung nhiễu ngẫu nhiên dải rộng kiểm định khả năng kháng nhiễu nội ma sát $\tau_{Nm}, \tau_{Ns}$.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Triệt tiêu Hoàn toàn Sai số Bám Quỹ đạo Khi có Trễ: Thuật toán đề xuất duy trì tính hội tụ tiệm cận của sai số vị trí $\lim_{t \to \infty} [q_m(t-T) - q_s(t)] = 0$ dưới tác động của trễ truyền thông hằng số $T$, khắc phục triệt để hiện tượng trôi pha và sai số tĩnh vốn tồn tại trong các bộ điều khiển PD/PID thụ động truyền thống (như trường hợp trễ $300\text{ ms}$ trong công trình [23]).
2. Ước lượng Tác động Môi trường Không Cần Cảm biến Lực: Khối ước lượng XLNS tái cấu trúc chính xác biên độ và dạng sóng của tổng véc-tơ $\tau_e^* = \tau_e + \tau_{Ns}$ theo thời gian thực với độ trễ nội tại xấp xỉ bằng không, loại bỏ sự phụ thuộc vào cảm biến lực tại khâu chấp hành cuối vốn dễ gãy vỡ và nhiễu tín hiệu.
3. Dập tắt Hiện tượng Rung Chattering Cơ học: Nhờ việc tách biệt thành phần bù nhiễu $\hat{\tau}_e^$ ra khỏi thành phần đóng cắt, biên độ của khâu relay $A_0$ giảm từ giá trị chặn trên của toàn bộ nhiễu xuống chỉ bằng chặn trên của sai số ước lượng cực nhỏ $\delta_e^ \ll \tau_e^*$. Kết quả thực nghiệm xác nhận hệ thống vận hành êm ái, loại bỏ hoàn toàn tiếng ồn bang-bang và quá nhiệt động cơ.
4. Bảo toàn Ổn định Thực tế ISS của Master trong Miền Bị chặn: Dưới tác động đồng thời của lực thao tác tay người $\tau_{op}$ và lực phản hồi môi trường $\hat{\tau}_e^*$, trạng thái sai lệch của Robot Master luôn được giữ chặt trong miền hấp dẫn $\Omega_m = {X_m : |X_m| \le 2\lambda_p b \gamma_v}$, hoàn toàn không xảy ra hiện tượng mất ổn định phân kỳ (divergence) ngay cả khi môi trường có độ cứng vô hạn.

Implications đa chiều

• Đóng góp Lý luận Sâu sắc: Cung cấp phương pháp luận mới trong việc tổng hợp hệ điều khiển phi đối xứng cho các hệ thống liên kết phức tạp có trễ, chứng minh rằng không cần thiết phải áp đặt cùng một luật điều khiển cho các phân hệ có vai trò chức năng khác biệt.
• Đổi mới Phương pháp Điều khiển Bền vững: Đưa ra giải pháp xử lý trễ truyền thông bằng cách tiếp cận giải tích hệ động học kết hợp bù trực tiếp tín hiệu đặt trong miền thời gian thực, bác bỏ quan điểm sai lầm xem trễ truyền thông như một thành phần nhiễu cộng đơn thuần.
• Ứng dụng Thực tiễn Đột phá: Mở ra khả năng ứng dụng trực tiếp trong các môi trường nguy hiểm và độ chính xác siêu cao:
  • Quân sự & An ninh: Thao tác xử lý, tháo gỡ vật liệu nổ, bom mìn từ xa với cảm giác xúc giác chân thực.
  • Công nghiệp Hạt nhân & Khai khoáng: Điều khiển robot làm việc trong vùng rò rỉ phóng xạ, hầm lò sâu.
  • Điêu khắc & Gia công Mỹ nghệ Từ xa: Tái hiện chính xác lực cắt và độ rung bề mặt của phôi gia công về tay nghệ nhân ở khoảng cách địa lý xa.
  • Hỗ trợ Phẫu thuật Từ xa (Telesurgery): Tích hợp dao mổ điện và cánh tay robot phẫu thuật đòi hỏi độ chính xác quỹ đạo tuyệt đối và kiểm soát phản lực mô mềm nghiêm ngặt.

Limitations và Future Research

Luận án thẳng thắn thừa nhận các giới hạn nghiên cứu:

• Giới hạn về Kênh truyền thông: Nghiên cứu hiện tại tập trung giải quyết bài toán với thời gian trễ là hằng số ($T = \text{const}$) trên đường truyền hữu tuyến. Trong môi trường Internet hoặc mạng không dây (Wireless Teleoperation), trễ truyền thông mang tính biến thiên ngẫu nhiên theo thời gian ($T(t)$), bất đối xứng hai chiều ($T_m \ne T_s$) và có hiện tượng mất gói tin (Packet Loss).
• Giới hạn Bậc tự do Cơ học: Mô hình thực nghiệm mới dừng lại ở cấu hình cánh tay nối tiếp 2-DOF trên mặt phẳng ngang, chưa tích hợp đầy đủ hiệu ứng động học không gian 3 chiều (3D Spatial 6-DOF Manipulator) với ảnh hưởng phức tạp của ma trận trọng trường biến thiên liên tục.
• Phụ thuộc vào Độ chính xác Cảm biến Gia tốc: Bộ ước lượng tác động môi trường yêu cầu đo trực tiếp gia tốc khớp $\ddot{q}_i$; sai số đo lường hoặc nhiễu tần số cao từ cảm biến MEM/NEM có thể lan truyền vào sai số đánh giá $\delta_e^*$.

Chương trình nghiên cứu tiếp theo (Future Research Agenda):

1. Mở rộng cấu trúc điều khiển sang kênh truyền thông Internet với trễ thời gian biến thiên ngẫu nhiên $T(t)$ sử dụng lý thuyết hệ thống chuyển mạch (Switched Systems) và hàm Lyapunov-Krasovskii.
2. Thiết kế bộ quan sát trạng thái mở rộng (Extended State Observer - ESO) để ước lượng gia tốc từ tín hiệu vị trí encoder, loại bỏ hoàn toàn cảm biến gia tốc vật lý.
3. Mở rộng cấu hình điều khiển cho hệ thống thao tác từ xa đa người dùng - đa robot (Multi-Master Multi-Slave, MMMS).

Tác động và ảnh hưởng

Nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng sâu rộng:

• Tác động Học thuật (Academic Impact): Dự báo thu hút sự quan tâm và trích dẫn lớn trong các tạp chí chuyên ngành tự động hóa hàng đầu (IEEE Transactions on Robotics, IEEE Transactions on Control Systems Technology, Automatica) nhờ giải quyết trọn vẹn mâu thuẫn giữa tính bền vững phi tuyến và chất lượng bám quỹ đạo có trễ.
• Chuyển dịch Năng lực Công nghiệp R&D: Cung cấp giải pháp phần mềm lõi cho các tập đoàn chế tạo robot công nghiệp, chuyển đổi từ hệ thống tay máy thụ động sang hệ thống thao tác từ xa thông minh có phản hồi lực chính xác cao.
• Chính sách & An toàn Lao động: Định hình tiêu chuẩn kỹ thuật mới cho việc tự động hóa các môi trường làm việc độc hại, thúc đẩy chính sách quốc gia về hiện đại hóa trang thiết bị cứu hộ cứu nạn và an ninh quốc phòng.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà nghiên cứu sau tiến sĩ (Postdocs): Tiếp cận một khung phân tích toán học hoàn chỉnh, phương pháp thiết kế Lyapunov và kỹ thuật xử lý ổn định ISS áp dụng cho các hệ động lực học phi tuyến có trễ.
• Chuyên gia Điều khiển & Kỹ sư Robot: Ứng dụng trực tiếp thuật toán ước lượng nhiễu động học và cấu trúc trượt giảm chattering vào các hệ thống tay máy công nghiệp thực tế mà không cần trang bị thêm phần cứng cảm biến đắt đỏ.
• Doanh nghiệp Chế tạo Thiết bị Đặc chủng: Làm chủ công nghệ nền tảng để sản xuất các tổ hợp robot rà phá bom mìn, robot can thiệp sự cố phóng xạ, nâng cao năng lực tự chủ công nghệ quốc gia.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?
Trả lời: Đóng góp độc đáo nhất là việc thiết lập cấu trúc điều khiển phi đối xứng phân tách chức năng: chuyển hóa bài toán bám của Robot Slave thành bài toán ổn định tiệm cận trên mặt trượt tích phân thông qua Định lý 2.1, và chứng minh điều kiện đủ để Robot Master đạt ổn định thực tế ISS với miền hấp dẫn giới nội $\Omega_m = {X_m \in \mathbb{R}^{2n} : |X_m| \le 2\lambda_p b \gamma_v}$ thông qua Định lý 2.2. Công trình mở rộng trực tiếp Lý thuyết Ổn định Đầu vào - Trạng thái (ISS) của Eduardo Sontag vào hệ động lực học song phương Euler-Lagrange có trễ truyền thông.

2. Đổi mới phương pháp luận của luận án so với các công trình quốc tế tiêu biểu?
Trả lời: So với công trình của Nuño et al. (2011) vốn bỏ qua nhiễu nội và công trình của Zhijun Li et al. (2014) bị hạn chế ở mô hình 1-DOF tuyến tính hóa, luận án đã xây dựng thành công bộ ước lượng động học vi phân đầy đủ $M_s(q_s)\ddot{\varepsilon}_s + C_s(q_s, \dot{q}_s)\dot{\varepsilon}_s = \tau_e^*$ giải quyết trọn vẹn mô hình phi tuyến nhiều bậc tự do mà không cần tuyến tính hóa cục bộ.

3. Phát hiện bất ngờ nhất trong quá trình nghiên cứu là gì?
Trả lời: Phát hiện rằng hiện tượng rung cơ học (chattering) trong điều khiển trượt cho robot tớ có thể được triệt tiêu gần như hoàn toàn bằng cách tách rời thành phần ước lượng nhiễu động học $\hat{\tau}_e^$. Biên độ đóng cắt relay $A_0$ lúc này không cần bao hàm toàn bộ biên độ nhiễu lớn mà chỉ cần thắng được phần sai số đo lường cực nhỏ $\delta_e^$, cho phép hệ thống đạt độ chính xác bám tối đa mà không gây tổn hại phần cứng truyền động.

4. Quy trình tái lập nghiên cứu (Replication Protocol) có được đảm bảo không?
Trả lời: Toàn bộ hệ phương trình toán học từ động học Euler-Lagrange, phương trình vi phân mô hình danh định (MHRS, MHRM), hệ số mặt trượt tích phân $\Lambda_p, \Lambda_I$, thuật toán giải phương trình đại số Lyapunov $A^T P_m + P_m A = -I$, cùng sơ đồ khối cấu trúc trên MATLAB/Simulink đều được trình bày minh bạch, cho phép cộng đồng học thuật tái lập 100% kết quả mô phỏng và triển khai thực nghiệm.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được định hình như thế nào?
Trả lời: Lộ trình 10 năm tập trung vào 3 trụ cột: (1) Nâng cấp thuật toán thích nghi cho trễ mạng biến thiên ngẫu nhiên $T(t)$ trên nền tảng 5G/6G; (2) Tích hợp học máy sâu (Deep Reinforcement Learning) để tự động nhận dạng tham số tương tác mô mềm trong phẫu thuật từ xa; (3) Thương mại hóa hệ thống điều khiển Master-Slave 6-DOF không gian phục vụ công nghiệp tháo dỡ hạt nhân và quốc phòng.

Kết luận

Luận án tiến sĩ đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu với các đóng góp cốt lõi:

1. Đề xuất Thuật toán Ước lượng Tác động Động học Môi trường và Nhiễu: Xây dựng cơ chế trích xuất trực tuyến chính xác $\hat{\tau}e^*$ và $\hat{\tau}{Nm}$ dựa trên mô hình danh định, loại bỏ hoàn toàn cảm biến đo lực cơ học.
2. Tổng hợp Bộ điều khiển Chế độ Trượt Tích phân Thích nghi (ARSMC) cho Robot Slave: Chứng minh ngặt nghèo điều kiện ổn định tiệm cận toàn cục, đảm bảo bám chính xác quỹ đạo Master $\lim_{t \to \infty} [q_m(t-T) - q_s(t)] = 0$ và dập tắt rung chattering.
3. Tổng hợp Bộ điều khiển Ổn định Thực tế ISS cho Robot Master: Xác lập điều kiện đủ để quỹ đạo sai lệch hội tụ về miền hấp dẫn $\Omega_m$, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người thao tác và tái hiện chân thực cảm giác lực xúc giác.
4. Chứng minh Tính Ổn định Đồng bộ Toàn Hệ thống Song phương: Giải quyết triệt để bài toán ghép nối Master - Slave khi chịu tác động đồng thời của động học phi tuyến, nhiễu bất định và trễ đường truyền hằng số $T = \text{const}$.
5. Kiểm chứng Thực nghiệm Toàn diện: Xác nhận tính đúng đắn của khung lý thuyết trên mô hình cánh tay nối tiếp 2-DOF, chứng minh năng lực ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp, y tế và an ninh quốc phòng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Equation Chapter (Next) Section 1 1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation 1. Khái niệm về hệ Teleoperation Teleoperation (hay còn gọi là hệ thao tác từ xa) là một hệ thống điều khiển có sự tương tác ở khoảng cách xa. Hệ Teleoperation bao gồm một hệ thống Master (hệ thống chủ động hay Robot chủ) và một hệ thống Slave (hệ thống phụ thuộc hay Robot tớ).

Các Robot này được điều khiển bởi các bộ điều khiển tương ứng đảm bảo được nhiệm vụ và chức năng riêng của từng Robot, dưới sự vận hành và giám sát của người thao tác đảm bảo cho Robot tớ bám chính xác theo quỹ đạo của Robot chủ; Robot chủ phải tạo ra quỹ đạo theo mong muốn của tay người thao tác, đồng thời phải giám sát được việc thực hiện nhiệm vụ của Robot tớ ở khoảng cách xa thông qua Robot chủ nhờ sự bám ngược trở lại quỹ đạo của Robot tớ. Hệ Teleoperation thường gặp trong học thuật và môi trường kỹ thuật. Hệ thống điều khiển này cho phép con người sử dụng khả năng tư duy, sự hiểu biết và hoạt động chân tay của mình tác động vào máy móc, đồng thời đem lại cho con người có những cảm giác thật trong sự tương tác giữa con người với Robot chủ và giữa Robot tớ với môi trường cho dù ở khoảng cách xa [64], [75]. Trong những thập niên trở lại đây, hệ thống Teleoperation được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [18], [24], [25], [55], [64], [74], [77], [82], [83], [90], điều hành Robot không gian từ mặt đất, chỉ huy phương tiện không người lái dưới nước, xử lý những vật liệu nguy hiểm, độc hại trong các nhà máy hạt nhân, trong tác chiến quân sự, thao diễn những Robot di động tránh chướng ngại vật, cứu hộ con người, ứng dụng trong các lĩnh vực khai thác và sản xuất, điêu khắc hội họa…Ở góc độ nào đó hệ Teleoperation cũng có thể ứng dụng trong “phẫu thuật từ xa”, khi đó Robot chủ chính là dao điện hoặc thiết bị hỗ trợ phẫu thuật dạng cánh tay máy có độ chính xác hoàn chỉnh và yêu cầu cao về mặt kỹ thuật như: trễ, đường truyền, tín hiệu.

6 Hệ Teleoperation được điều khiển theo kiểu hệ kín chủ yếu với các cấu trúc song song. Trong hệ kín, những tín hiệu phản hồi có thể là về vị trí, vận tốc, gia tốc của Robot, lực tương tác với môi trường làm việc và thậm chí là hình ảnh, âm thanh, nhiệt độ… tại khu vực mà Robot tớ làm việc [7], [70], [75]. Để trao đổi thông tin qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ còn có hệ thống truyền thông (Communication Chanel) với nhiều giao thức khác nhau (mạng internet, qua hệ thống dây truyền dẫn, hệ thống không dây…) [75], [80].1 biểu diễn mô hình cơ bản của một hệ thống Teleoperation. Người thao tác Môi trường làm việc Trễ T Trễ T Master và Bộ điều Slave và Bộ điều khiển Master khiển Slave Kênh truyền thông Hình1.

Mô hình hệ thống Teleoperation Trong hệ Teleoperation này, quá trình truyền dữ liệu giữa Robot chủ và Robot tớ có hiện tượng trễ trên kênh truyền thông. Trễ trong hệ thống vòng kín có thể làm mất tính ổn định và làm sai khác việc thực hiện các hoạt động thao tác và làm giảm tính đồng nhất của hệ thống Teleoperation [22], [79], [85]. Vì thế khi thiết kế hệ thống phải chú ý tính toán ảnh hưởng của sai lệch do trễ truyền thông gây ra. Ngoài ra phản lực phản hồi (FR - Force Reflection ) xuất hiện khi Robot tớ tương tác với môi trường làm việc ảnh hưởng lớn tới hệ thống, tín hiệu này có thể được xác định tại phía Robot tớ thông qua cảm biến lực hoặc các bộ quan sát và từ đó có phương án bù trừ trực tiếp ảnh hưởng của FR tới sự sai lệch về vị trí và tính ổn định làm việc của Robot tớ thông qua bộ điều khiển phía Robot tớ hoặc có thể kết hợp gửi về phía Robot chủ và thông qua bộ điều khiển phía Robot chủ để hiệu chỉnh sai số sau đó gửi tín hiệu điều khiển sang Robot tớ.

Nếu không thể điều khiển, phản lực này có thể gây nguy hiểm khi thực hiện các tác vụ. Do đó thông tin phản hồi của lực là rất quan trọng và hữu ích. Việc điều khiển lực là một trong những vấn đề khó khăn nhất khi thực hiện bài toán điều khiển hệ Teleoperation và thông qua hệ 7 Teleoperation có thể cho ta cảm nhận được chính xác về lực tại Robot chủ khi xảy ra tương tác giữa Robot tớ với môi trường. Căn cứ theo số lượng Robot trong mỗi phía của hệ thống Teleoperation thì hiện nay hệ Teleoperation được chia ra làm ba loại chính đó là: hệ SMSS (một thiết bị Master + một thiết bị Slave), hệ MMMS (nhiều thiết bị Master + nhiều thiết bị Slave) và hệ SMMS (một thiết bị Master + nhiều thiết bị Slave).

Như vậy hệ Teleoperation đã và đang được ứng dụng trong thực tế. Hệ Teleoperation là hệ phi tuyến có trễ và chịu ảnh hưởng của nhiễu và ngoại lực bên ngoài tác động. Trong luận án này chỉ tập trung nghiên cứu đến hệ Teleoperation SMSS. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation Từ nửa đầu thập niên 40, khi lần dầu tiên hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz, những hiểu biết về hệ Teleoperation đã có những bước tiến dài từ các yếu tố ảnh hưởng qua lại giữa người vận hành, môi trường làm việc và các Robot cho tới việc đề xuất các thuật toán điều khiển liên quan.

Đến năm 1954 với sự cải tiến trong điều khiển thì Goertz đã bắt đầu có quan tâm đến vị trí và lực phản hồi tương tác giữa Robot tớ với môi trường làm việc nhờ hệ servo. Đến nửa đầu của thập niên 60 Ferrell và Sheridan bắt đầu có những định hướng trong việc nghiên cứu hệ Teleoperation có kể đến ảnh hưởng của trễ trong việc truyền thông tin qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ, với những định hướng đó trong những năm tiếp theo từ 1967 đến 1989 đã tạo ra một xu thế được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm nhằm làm giảm sự thay đổi và mất mát về thông tin truyền đạt trên kênh truyền thông do vấn đề trễ gây ra [74]. Từ nửa đầu thập niên 1980 các thuật toán điều khiển tiên tiến cho hệ Teleoperation đã bắt đầu xuất hiện, tiêu biểu như các lý thuyết điều khiển Lyapunov hay mô hình nội. Đến cuối thập niên 1980 và nửa đầu thập niên 1990, một số thuật toán như: điều khiển trở kháng bởi Raju, Verghese và Sheridan năm 1989; điều khiển lai bởi Hanna Ford và Fiorini năm 1988; điều khiển Cattering và điều khiển thụ động bởi Anderson và Spong năm 1989, thuật toán thụ động được phát triển tiếp và đảm bảo tính chính xác về thông tin trên kênh truyền thông hơn với trễ thời gian là hằng số thực hiện bởi Jokokohji 8 và Yoshikawa năm 1994 [31], [74], [75].

Và sau này đã được mở rộng thành các cấu trúc điều khiển bền vững khác nhau cho hệ Teleoperation [23], [43] đảm bảo được tính ổn định của hệ thống bất chấp sự thay đổi về động lực học của hệ. Trong một số bài báo, sự có mặt của tính bất định động lực học tay người vận hành, môi trường và sự tồn tại thời gian trễ có thể làm cho hệ Teleoperation mất ổn định [30], [47], [73], [74], [80] kết quả cho thấy sự xung đột xảy ra giữa chất lượng và tính ổn định của hệ thống [21]. Một số kết quả điều khiển H∞ cũng bắt đầu đề xuất bởi Leung và Francis năm 1994; Sano, Fujimoto và Tanaka năm 1998 [74]. Với sự phát triển về internet trên cùng một kênh truyền thông có thể truyền đạt nhiều nội dung thông tin cùng một lúc vì thế thời gian trễ đã có sự thay đổi và không còn là hằng số, thời gian trích mẫu rời rạc thông tin trên kênh truyền thông khác nhau sẽ dẫn tới sự mất mát thông tin trong quá trình truyền đạt.

Các kết quả trên được hoàn thiện và dần đưa vào ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ những năm 2000 [74]. Hầu hết các nghiên cứu trên vẫn chưa cho được kết quả thỏa đáng chính xác về vị trí và lực tương tác giữa Robot chủ và Robot tớ khi có trễ và đặc biệt cũng chưa kể đến ảnh hưởng của các nhiễu tác động lên hệ thống, đó là các yếu tố làm mất ổn định hệ thống và làm giảm chất lượng điều khiển. Một số tác giả đã tiếp cận các hướng giải quyết cho sự thay đổi về động lực học của Robot tớ với môi trường khi thực hiện tác vụ bằng các giải pháp tối ưu hay thích nghi trên cơ sở yêu cầu về sự ước lượng động lực học của môi trường từ xa, tuy nhiên trong nhiều ứng dụng của hệ Teleoperation thường tương tác với một hay nhiều điểm và lặp lại với các mức độ khác nhau, bởi vậy động lực học của Robot tớ và môi trường thay đổi nhanh, các công cụ ước lượng không đảm bảo được về mặt thời gian [15], vì vậy các kỹ thuật về xây dựng bộ ước lượng đáp ứng nhanh được phát triển để đáp ứng được các yêu cầu trên. Sau này các nghiên cứu dần hoàn thiện trên cơ sở các thuật toán trước đây trong điều khiển cho hệ Teleoperation, chủ yếu tập trung vào bài toán điều khiển bền vững, tuy nhiên cũng chỉ quan tâm đến bài toán ổn định trong hệ Teleoperation mà chưa quan tâm nhiều đến chất lượng của hệ thống như: Điều khiển dự báo cho hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số (trễ = 250ms), sử dụng nhiều mô hình quan sát tham số động lực học đối tượng và môi trường khác nhau, tuy nhiên sự đồng nhất về vị trí và lực giữa hai phía 9 trong hệ chưa thực sự đảm bảo khi thời gian trễ truyền thông tăng [80], bên cạnh đó có sử dụng cảm biến để đo lực tương tác với môi trường, không có giải pháp xư lý triệt để ảnh hưởng của nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát.

Thuật toán IQC (Integral Quadratic Constrains) đảm bảo tính bền vững cho hệ thống với trễ thời gian là hằng số, chủ yếu xét đến bài toán ổn định hệ thống, không quan tâm đến bài toán chất lượng, không xét đến nhiễu và lực ma sát [35]. Thiết kế bộ điều khiển mờ theo tiêu chuẩn bền vững H∞ cho hệ Teleoperation với trễ truyền thông thay đổi, ở đây bỏ qua nhiễu và ma sát, chỉ quan tâm đến điều khiển vị trí mà chưa quan tâm đến điều khiển lực [81].