CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Robot dạng người Biped robot là khái niệm dùng để chỉ robot có khả năng bước được trên 2 chân, hiện tại người ta chủ yếu sử dụng biped robot như một khái niệm về robot dạng người. Năm 1970, tiên phong nghiên cứu về biped robot là hai nhà nghiên cứu nổi tiếng Kato và Vukobratovic. Họ đều xây dựng mô hình thực nghiệm về biped robot. Tại Nhật, biped robot đầu tiên có tên WABOT1 được thực hiện thành công vào 1973 bởi I.
Kato cùng đồng nghiệp tại đại học Waseda [3]. Họ sử dụng một sơ đồ điều khiển đơn giản và nó có thể thực hiện đi bộ vài bước rất chậm trong trường hợp thăng bằng tĩnh. Đây là thành tựu được xem như điểm bắt đầu cho việc sản xuất ra những biped robot. Tại viện Mihailo Puppin ở Belgrade – Yogoslavia, M.
Vukobratovic cùng đồng nghiệp đã thiết kế kết cấu khung cho biped robot đầu tiên và đưa ra khái niệm ZMP để đảm bảo biped robot vận động ổn định vào năm 1972 [4]. Khái niệm ZMP này hiện nay được sử dụng rộng rãi trong điều khiển biped robot [5]. Vào thập niên kế tiếp – 1980, những đột phá đến từ Mỹ với hai nhà nghiên cứu R. MC Ghee và M.
MC Ghee đã bắt đầu nghiên cứu về biped robot vào thập niên 60 tại đại học Nam Cali (USC) và thập niên 70 tại đại học Ohio (OSU) với kết quả nổi bật là điều khiển biped robot đi bộ bằng máy tính. Raibert tại đại học Carnegie Mellon (CMU) bắt đầu nghiên cứu ổn định động lực học khi chạy. Raibert thành lập phòng thí nghiệm LEGLAB tại Viện kỹ thuật Massachusetts (MIT) và đạt được những kết quả khá ấn tượng cho robot có một chân, hai chân và bốn chân. [6] Cuối thập niên 90, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã chứng minh rằng có thể xây dựng được robot dạng người.
Trong số những robot dạng người lúc bây giờ thì ASIMO của hãng HONDA có thể đi bộ giống người nhất. Mặc dù, HONDA công bố kết quả thực nghiệm về ASIMO rất sớm vào năm 1998 nhưng không công bố chi tiết 8 về việc làm thế nào để ASIMO có thể đi bộ giống con người mà chỉ cho biết là hệ thống của ASIMO đi bộ sử dụng tiêu chuẩn ZMP [7, 8]. Chính vì vậy, tại thời điểm đó có rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới tập trung vào nghiên cứu biped robot đi bộ sử dụng tiêu chuẩn ZMP với nhiều quan điểm khác nhau [9 – 13]. Mãi đến năm 2009, Toru Takenaka cùng đồng nghiệp của hãng HONDA mới trình bày tại hội nghị quốc tế về “Robot và Hệ thống thông minh” tại Louis – Mỹ với chủ đề “Tạo vận động và điều khiển cho biped robot theo thời gian thực” thông qua bốn bài báo: tạo dáng đi bộ [14], tạo dáng chạy [15], bù sai số động lực học [16], điều khiển cân bằng thông minh [17].
Hiện nay, những thành quả ấn tượng nhất vẫn thường xuyên được đề cập là sản phẩm được giới thiệu bởi các trường đại học, các viện nghiên cứu, các công ty và các dự án. Các hoạt động nghiên cứu về robot dạng người trên khắp thế giới đã tăng tốc trong những thập kỷ qua. Tại Nhật Bản, nhóm của giáo sư Takanishi tại trường đại học Waseda đã tích cực phát triển nhiều robot dạng người theo hướng của giáo sư Kato (Giáo sư Kato là người đã chế tạo robot dạng người – WABOT-1 đầu tiên trên thế giới). Vào năm 2006, WABIAN-2R của giáo sư Takanishi đã thể hiện khả năng đi bộ ấn tượng giống như con người với đầu gối duỗi, tiếp đất bằng gót chân và dừng chuyển động bằng các ngón chân [18].
Một nhóm nổi bật khác được dẫn dắt bởi giáo sư Inaba tại Đại học Tokyo. Năm 2010, họ đã chứng minh HRP-2 có thể nâng và giữ các vật thể (có trọng lượng không xác định) dựa trên ước tính trực tiếp về lực tương tác [19]. Họ cũng đang phát triển robot dạng người nguyên bản có thể giữ thăng bằng ngay cả khi bị đá [20]. Phòng thí nghiệm về khoa học thần kinh ATR đang nghiên cứu robot dạng người với quan điểm về khoa học của bộ não.
Bộ điều khiển cân bằng về mặt sinh học của họ đã được thử nghiệm trên robot dạng người CB-i (do công ty SARCOS phát triển) [21]. Nghiên cứu robot dạng người không bị giới hạn ở Nhật Bản, ví dụ như: Lola của Đại học kỹ thuật Munchen (TUM) [22], HUBO2 của Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) [23], BHR-2 của Viện Công nghệ Bắc Kinh [24], 9 iCub của Viện Công nghệ Ý (IIT) và Đại học Genova [25], CHARLI của Viện Bách khoa Virginia [26], và TORO của Trung tâm hàng không vũ trụ Đức (DLR) [27]. Ngoài ra còn có nhiều robot dạng người được phát triển bởi các công ty. Kể từ khi ra mắt đáng ngạc nhiên về robot dạng người P2 vào năm 1996, Honda đã tiếp tục nghiên cứu và phát triển loạt ASIMO của họ.
ASIMO mới nhất được công bố vào năm 2011 có thể chạy với tốc độ 9 km/h, chạy lùi, nhảy bằng một chân hoặc hai chân liên tục [28]. Tại EXPO 2005 tại Aichi, một nhóm robot được phát triển bởi Tập đoàn ô tô Toyota đã thu hút lượng lớn khán giả bởi màn trình diễn thổi kèn của robot dạng người. Năm 2007, họ đã tiết lộ một robot dạng người khác có thể chơi violin [29]. Công ty điện tử Samsung của Hàn Quốc, cũng đã phát triển robot dạng người với Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST).
Robot dạng người mới nhất của họ là Roboray, có thể thực hiện bước đi giống như con người [30]. Vào năm 2012, công ty thiết kế và kỹ thuật robot của Mỹ, Boston Dynamics, đã phát triển một robot hình người PETMAN để thử quần áo bảo hộ hóa học [31]. Được hỗ trợ bởi các bộ truyền động thủy lực và được điều khiển bởi phần mềm điều khiển tiên tiến, robot này có thể thực hiện các động tác thu mình ngồi sát xuống đất, thu mình ngồi sát xuống đất trong khi xoay và nhảy với hai cánh tay giơ lên cao, cũng như đi bộ tự nhiên lên đến 4. Chúng ta không thể mua các robot được đề cập ở trên vì chúng được phát triển như một phần của các dự án R&D lớn.
Mặt khác, đã tồn tại các robot dạng người có sẵn trên thị trường cho mục đích nghiên cứu. Ví dụ, công ty Kawada đang bán robot dạng người HRP-4 làm nền tảng nghiên cứu [32]. PAL Robotics ở Barcelona cũng đã phát triển một robot dạng người REEM-C để bán [33]. Hiện nay, có rất nhiều robot dạng người kích thước nhỏ để nghiên cứu và chơi.
Ví dụ: chúng ta có thể chọn NAO của Aldebaran Robotics [34], DARwInOP của ROBOTIS [35], PALRO của FujitSoft [36] hoặc sê-ri KHR của Kondo Kagaku [37]. Vào ngày 10 tháng 4 năm 2012, dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến (DARPA) của Hoa Kỳ đã công bố một chương trình, cụ thể là Thử thách Robot 10 DARPA (DRC) [38]. Mục tiêu chính của nó là phát triển các công nghệ robot có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp trong môi trường nguy hiểm của con người bằng cách sử dụng các công cụ, thiết bị và phương tiện có sẵn của con người [39]. DRC là một dự án theo phong cách cạnh tranh, nhiều đội cạnh tranh nhau trong cùng một nhiệm vụ.
Trong thử nghiệm tháng 12 năm 2013, các nhiệm vụ sau đây đã được chỉ định (lái xe tiện ích, du lịch tháo gỡ, loại bỏ các mảnh vỡ chặn mục nhập, mở cửa và vào tòa nhà, leo lên một cái thang công nghiệp, vượt qua tường, xác định vị trí và đóng van, mang - giải mã và kết nối một vòi). Lưu ý rằng, DRC không giới hạn ở cấu hình robot là hình người, nhưng họ đang mong đợi năng lực giống như con người cho các nhiệm vụ nhất định. Thật vậy, một số đội đã thiết kế robot không hình người như CHIMP của Đại học Carnegie Mellon (CMU) - Trung tâm Kỹ thuật robot Quốc gia (NREC) [40] và ROBOSIMIAN của NASA - Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực [41]. Tuy nhiên, các đội tham gia chiếm ưu thế đã chọn thiết kế robot hình người cho thử thách này.
Ngoài ra, DRC còn có một robot robot hình người đặc biệt được phát triển bởi Boston Dynamics. Bản sao của nó sẽ được sử dụng bởi bảy đội. Không còn nghi ngờ gì nữa, thử thách Robot DARPA sẽ có tác động rất lớn đến nghiên cứu robot hình người trên thế giới. Như vậy, các nghiên cứu về robot dạng người hiện này đã phổ biến ở nhiều nước trên thế giới.
Ngoài việc tập trung vào phần trí tuệ nhân tạo, các nghiên cứu về hoạch định quỹ đạo bước và điều khiển cân bằng bước đi cho robot được xem xét. Hầu hết các robot này sử dụng tiêu chuẩn ổn định ZMP để thiết kế quỹ đạo động lực học cũng như thiết kế bộ điều khiển nhằm giúp robot bước đi ổn định trong địa hình không biết trước.2 Tổng quan về xây dựng quỹ đạo và điều khiển robot dạng người Bước đi của người luôn ẩn chứa nhiều bí ẩn mà cho đến nay các mẫu robot dạng người đi bằng hai chân vẫn chưa thể hiện hết được. Chính vì thế, các nghiên cứu dành cho cơ chế bước đi của robot dạng người đang được phát triển theo nhiều hướng khác 11 nhau. Một số tiêu chuẩn đã được áp dụng cho robot dạng người để bảo đảm bước đi ổn định và tự nhiên.
Bước đi tĩnh (static walking) là nguyên lý được áp dụng đầu tiên, trong đó hình chiếu thẳng đứng của khối tâm (CoM - center of mass) xuống mặt đất luôn nằm trong lòng bàn chân chống (supporting foot); nói cách khác, robot dạng người có thể dừng lại tại mọi thời điểm lúc bước đi mà không bị ngã. Với bản chất đơn giản, nguyên lý này áp dụng hiệu quả cho robot dạng người có tốc độ đi chậm, qua đó các hiệu ứng động lực học có thể bỏ qua. Sau đó, các nhà nghiên cứu bắt đầu tập trung phát triển bước đi động (dynamic walking). Phương pháp này cho phép robot dạng người đạt tốc độ bước đi nhanh hơn.
Tuy nhiên, trong quá trình robot dạng người thực hiện bước đi động, robot có thể bị ngã do ảnh hưởng của nhiễu môi trường và không thể dừng đột ngột. Vì vậy, bước đi dựa trên nguyên lý ZMP (ZMP-based walking) được đề xuất. Hầu hết các robot đồ chơi thực hiện đi bộ tĩnh bằng cách sử dụng bàn chân lớn. Điều này không thú vị theo quan điểm của kỹ thuật điều khiển vì nó khá dễ dàng.