CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THAO TÁC TỪ XA 1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation 1. Khái niệm về hệ Teleoperation [1] Teleoperation là một hệ thống điều khiển có sự tương tác ở khoảng cách xa. Giống như một hệ thống “điều khiển từ xa”.
Teleoperation bao gồm một hệ thống chủ động, gọi là “Master” và một hệ thống phụ thuộc gọi là “Slave”. Ở đây tín hiệu điều khiển được gửi đến hệ “Slave” thông qua hệ “Master”. Hệ Teleoperation có thể được điều khiển theo kiểu hệ hở hoặc hệ kín. Trong hệ hở, không có tín hiệu phản hồi từ hệ “Slave” về hệ “Master”[1].
Trong hệ kín, tín hiệu phản hồi được truyền ngược từ hệ “Slave” về hệ “Master”, 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 làm việc trong hệ [2].1 biểu diễn mô hình cơ bản của một hệ thống Teleoperation có phản hồi. Người thao tác Môi trường làm việc Trễ T Trễ T Master và Bộ điều Slave và Bộ điều khiển Master Kênh truyền thông khiển Slave 1 Hình1. Mô hình hệ thống Teleoperation Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn download by : skknchat@gmail.com Trong Teleoperation này, Robot Master (nhận thao tác từ con người và đóng vai trò điều khiển) và các robot Slave (nhận lệnh điều khiển từ Master và thao tác công việc với môi trường) ngoài ra để trao đổi thông tin 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 wireless…) thực hiện nhiệm vụ truyền thông tin giữa hai phía. Quá trình truyền dữ liệu giữa robot master và robot slave có hiện tượng trễ trong kênh truyền thông.
Trễ trong hệ thống vòng kín có thể làm mất tính ổn định và làm sai việc thực hiện các hoạt động thao tác và làm giảm tính đồng nhất của hệ thống Teleoperation. 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.
Việc điều khiển lực là một trong những vấn đề khó khăn nhất khi thực hiện bài toán điều khiển hệ Teleoperation. Thông qua hệ 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 rô bốt, hệ thống 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). Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation Hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz từ nửa đầu thập niên 40, hệ Teleoperation đã có những bước tiến từ các yếu tố ảnh hưởng qua lại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn download by : skknchat@gmail.com giữa người vận hành, môi trường làm việc và các Robot cho tới việc đề xuất các thuật toán điều khiển liên quan.
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. Những năm tiếp theo từ 1967 đến 1989 nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm đến sự thay đổi và mất mát về thông tin truyền đạt trên kênh truyền thông do vấn đề trễ gây ra [8]. Từ nửa đầu thập niên 1980 các thuật toán điều khiển tiên tiến cho hệ Teleoperation đã bắt đầu xuất hiện, như các lý thuyết điều khiển Lyapunov hay mô hình nội. 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 [8], [9] kết Hệ Master – Slave Teleoperation được xây dựng bởi Goertz từ nửa đầu thập niên 40, hệ Teleoperation đã có những bước tiến 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 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 quả cho thấy sự xung đột xảy ra giữa chất lượng và tính ổn định của hệ thống [10]. 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. 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: Đồng bộ hóa hệ Teleoperation với trễ trên kênh truyền thông là hằng số, kết hợp điều khiển thụ động và điều khiển thích nghi cho hệ nhưng không xét đến các yếu tố nhiễu, lực ma sát, chất lượng hệ khi phía Slave va chạm với môi trường không thật sự thỏa mãn [8]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn download by : skknchat@gmail.com 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 chưa quan tâm đến điều khiển lực [11].
Chiến lược điều khiển thích nghi bền vững với trễ truyền thông là hằng số, chỉ xét đến sự ổn định về lực của hệ thống, không xét đến quỹ đạo chuyển động và đánh giá chất lượng điều khiển, không kể đến các yếu tố nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát [12]. Điều khiển thụ động với kiến trúc 4 kênh cho hệ Teleoperation với trễ hằng số (trễ = 1s) đã quan tâm đến bài toán chất lượng và bài toán ổn định, điều khiển cả vị trí và lực, tuy nhiên không xét đến nhiễu, gia tốc trọng trường và lực ma sát [13]. Phương pháp khảo sát hệ thao tác từ xa trên cơ sở sử dụng các hệ điều khiển thích nghi cục bộ cho Robot chủ và Robot tớ, nhằm hạn chế ảnh hưởng tính phi tuyến của hệ thống được đề xuất trong [14]. Tác giả Nuno cùng các cộng sự [17] đã giới thiệu hàm tựa Lyapunov và khảo sát tính ổn định của hệ thao tác từ xa, có chú ý đến tính phi tuyến và trễ, trong đó không sử dụng phương pháp đo lực.
Tuy nhiên các hệ thao tác từ xa theo phương pháp đó vẫn chưa có tính kháng nhiễu tốt. Trong [16] đề xuất bộ điều khiển thích nghi để hạn chế bớt ảnh hưởng không tốt của tính phi tuyến bất định,. Tuy vậy các công trình này hầu như không bàn đến trễ kênh truyền thông [18] hoặc có xét đến trễ (T300ms) nhưng chất lượng điều khiển quỹ đạo còn hạn chế [16]. Trong [19] đã giới thiệu bộ điều khiển được tổng hợp dựa trên LMI áp dụng cho hệ thao tác từ xa.
Tuy bộ điều khiển này có thể làm cho hệ ổn định khi tồn tại thời gian trễ và bất định, song mô hình động học của hệ được sử dụng trong quá trình thiết kế bộ điều khiển là mô hình tuyến tính. Vì vậy khi áp dụng vào thực tế cho các Teleoperation, bộ điều khiển nói trên sẽ không phát huy được hiệu quả tốt, bởi các hệ Teleoperation là các hệ phi tuyến mạnh. Liên quan đến sự kết hợp giữa điều khiển thích nghi và mạng nơ ron cho các hệ Teleoperation là công trình của Zhijun Li và cộng sự [20]. Luật điều khiển thích nghi có tính đến tính chất thay đổi ngẫu nhiên của thời gian trễ trên kênh truyền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn download by : skknchat@gmail.com thông, trong đó thời gian trễ theo hai chiều có giá trị khác nhau.
Tuy nhiên hạn chế ở đây là luật điều khiển vẫn được xây dựng dựa trên mô hình tuyến tính hóa của Robot chủ và Robot tớ. Để tạo ra khả năng kháng nhiễu, đặc biệt là các nhiễu bất định, không đo được vấn đề đặt ra là phải nhận dạng, đánh giá được nhiễu. Một bộ quan sát nhiễu cho hệ thao tác từ xa đã được đề xuất trong [20]. Tuy nhiên bộ quan sát này chỉ áp dụng được cho trường hợp Robot chỉ có một bậc tự do (DOF), trong đó mô hình động học đã được tuyến tính hóa.
Chiến lược điều khiển tách hai kênh vị trí và lực dựa trên bộ nhận dạng nhiễu đã được nhóm tác giả T. Bộ điều khiển theo chiến lược đề xuất ở đây chỉ cho phép giảm thiểu ảnh hưởng lẫn nhau giữa các kênh. Tuy nhiên nhiễu bất định từ môi trường bên ngoài tác động lên hệ thống chưa được nhận dạng và không được bù trừ. Trong nghiên cứu gần đây nhất năm 2019 [22] các tác giả đã tìm đến giải pháp điều khiển trượt, tuy nhiên với cách thức sử dụng mặt trượt như một biến phụ để hạ bậc phương trình động lực của robot, đồng thời sử dụng thuật toán ước lượng nhiễu bất định ảnh hưởng đến hệ thống.
Với phương pháp điều khiển này thì thuật toán sử dụng khá phức tạp gây hiệu ứng trễ không mong muốn đến hệ thống.