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].