Mở đầu”. Trong chƣơng này tổng quan về vấn đề nghiên cứu đó là xây dựng một quỹ đạo ổn định cho robot đƣợc trình bày, cụ thể là những nghiên cứu trong và ngoài nƣớc hiện nay. Chƣơng 2 : “ Các khái niệm về phương thức di chuyển của robot hai chân”. Trong chƣơng này một số các khái niệm và thuật ngữ cơ bản đƣợc sử dụng trong lĩnh vực robot hai chân đƣợc định nghĩa.
Đầu tiên một số khái niệm gắn liền với sự di chuyển của robot ngƣời đƣợc định nghĩa, sau đó là các khái niệm liên quan đến sự ổn định của robot. Chƣơng 3 : “Mô hình hóa robot hai chân ”. Trong chƣơng này một mô hình toán của robot hai chân dạng ngƣời đƣợc phát triển. Mô hình này bao gồm mô hình động học và động lực học.
Mô hình động học của robot đƣợc phát triển một cách chặt chẽ bao gồm một mô hình để xác định CoM của robot. Từ mô hình động học này dẫn đến mô hình động lực học đƣợc phát triển. Mô hình đƣợc sử dụng cho tính toán vị trí cân bằng cần thiết cho việc thiết kế điều khiển robot. Chƣơng 4 : “Hoạch định quỹ đạo di chuyển và điều khiển robot hai chân”.
Nội dung chủ yếu của chƣơng này là mô tả việc xác định các quỹ đạo ổn định nhất cho roobot hai chân bằng phƣơng pháp nội suy spline bậc ba kết hợp với kết quả phân tích động học và động lực học ở chƣơng 3. Thêm vào đó một số phƣơng pháp điều khiển cho robot cũng đƣợc xây dựng để đảm bảo robot có thể di chuyển ổn định. Chƣơng 5 : “Kết quả và thảo luận”. Trong chƣơng này sẽ trình bày cơ bản về thiết kế cơ khí, các kết quả mô phỏng và thực nghiệm của mô hình robot hai chân.
Các kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm của quỹ đạo đƣợc so sánh và đánh giá. Chƣơng 6 : “Kết luận”. nội dung chính của chƣơng này là tóm tắt lại các nội dung nghiên cứu và định hƣớng phát triển tƣơng lai. 6 Chƣơng 2 CÁC KHÁI NIỆM VỀ PHƢƠNG THỨC DI CHUYỂN CỦA ROBOT HAI CHÂN Trong chƣơng này một số các khái niệm và thuật ngữ cơ bản đƣợc sử dụng trong lĩnh vực robot hai chân dạng ngƣời đƣợc định nghĩa.
Đặc biệt là các khái niệm đƣợc sử dụng trong đề tài này thì đƣợc khái niệm cụ thể. Đầu tiên một số khái niệm gắn liền với sự di chuyển của robot ngƣời đƣợc định nghĩa, sau đó là các khái niệm liên quan đến sự ổn định của robot. Các khái niệm cơ bản về di chuyển của ngƣời: Các khái niệm và thuật ngữ trong lĩnh vực robot ngƣời đã đƣợc hình thành từ rất lâu và ngƣời có công đóng góp lớn nhất là Vukobratovic [8]. Trong đó một số khái niệm và thuật ngữ đó đƣợc sử dụng trong đề tài này nhƣ sau: Đi bộ (Walk) là sự dịch chuyển luân phiên của cả hai chân tức là hai chân không đồng thời nhất khỏi mặt đất.
Dáng đi (Gait): chính là cách thức của đi bộ. Dáng đi và đi bộ là không giống nhau. Do đó khi ngƣời đi bộ thì có thể có các dáng đi khác nhau. Bƣớc (Step): là quá trình di chuyển chân phía sau tới phía trƣớc để trở thành chân trƣớc.
Một bƣớc bao gồm tối thiểu hai pha: pha trụ đơn (SSP) khi mà chỉ có một chân tiếp xúc mặt đất(lúc này chân trụ phía trƣớc sẽ dần chuyển thành chân sau và chân lắc di chuyển từ phía sau ra phía trƣớc; và pha trụ đôi (DSP) là cả hai chân cùng tiếp xúc trên mặt đất. Thông qua việc tìm hiểu về các khớp của chi dƣới ta thấy rằng:Khớp hông và khớp ổ chân có thể phối hợp nhiều chuyển động khác nhau, mỗi khớp trong cơ hệ 7 gồm hai bậc tự do quay quanh hai trục đồng quy. Khớp gối thực hiện chủ yếu các chuyển động gập và duỗi, trong cơ học là khớp quay quanh một trục.Từ đó có thể đƣa ra sơ đồ bậc tự do của chân robot mô phỏng ngƣời hình 2.1 thể hiện số bậc tự do ở các khớp của mô hình robot hai chân. Sơ đồ bậc tự do của chân robot hai chân Bảng 2.
Bậc tự do của mô hình robot hai chân Khớp Khớp hông Khớp gối Khớp cổ chân Chân Chân trái 2 1 2 Chân phải 2 1 2 Chu kì bƣớc của ngƣời:Một chu kì bƣớc đi của ngƣời đƣợc chia thành 8 giai đoạn: 5 giai đoạn cho chân trụ và 3 giai đoạn cho chân lắc[7]. Việc phân tích và hiệu chỉnh các giai đoạn sẽ tạo ra một dáng đi khác nhau. Chu kì bƣớc đi của ngƣời( chân phải là chân trụ)[7] Giai đoạn chân trụ: (giả sử chân phải) là giai đoạn có một hoặc hai chân tiếp xúc mặt đất chiếm 60% của chu kì bƣớc [7]. Thứ nhất là giai đoạn tiếp xúc ban đầu là giai đoạn bắt đầu một chu kì bƣớc đi, gót chân chạm đất và trọng tâm cơ thể là thấp nhất.
Thứ hai là giai đoạn đáp ứng tải trọng là giai đoạn cả bàn chân tiếp xúc mặt đất. Thứ ba là giai đoạn tƣ thế trung gian khi chân lắc đi qua chân trụ và lúc này trọng tâm cơ thể là cao nhất, giai đoạn này năng lƣợng đƣợc bảo toàn. Thứ tƣ là giai đoạn cuối của chân trụ là giai đoạn gót chân bắt đầu nhấc khỏi đất mãi đến khi gót chân lắc tiếp xúc đất. Cuối cùng là giai đoạn tiền chân lắc là giai đoạn kết thúc giai đoạn chân trụ và mũi chân trụ bắt đầu rời khỏi mặt đất.
Giai đoạn chân lắc: là giai đoạn mà chân lắc ( chân trái) đƣa về phía trƣớc mà không tiếp xúc với đất chiếm 40% của chu kì bƣớc. Thứ nhất là giai đoạn đầu chân lắc là giai đoạn chân bắt đầu rời khỏi đất và kết thúc lúc chân lắc đƣa tới vị trí chân trụ. Giai đoạn này còn gọi là giai đoạn tăng tốc. Thứ hai là giai đoạn lắc trung gian là giai đoạn chân lắc đi qua khỏi chân trụ tới trƣớc thân lúc này xƣơng chày ở vị trí thẳng đứng.
Và cuối cùng là giai đoạn cuối của chân lắc còn gọi là giai đoạn giảm tốc, làm chậm bƣớc đi và ổn định chân bƣớc để chuẩn bị cho got chạm đất và trở thành chân trụ ở giai đoạn kế tiếp. 9 Pha trụ đơn (SSP) là giai đoạn mà robot chỉ có một chân trụ trên mặt đất. pha trụ đơn SSP có hai trƣờng hợp xảy ra là pha trụ đơn cơ bản (SSP-X) là trƣờng hợp mà một bàn chân robot tiếp xúc hoàn toàn với đất. Khi đi thì con ngƣời măt khoảng 80% thời gian cho SSP-X nhƣ hình 2.
Và pha trụ đơn với trƣờng hợp robot đứng trên mũi chân (SSP-X-T) tức chỉ có mũi của bàn chân tiếp đất nhƣ hình 2. Pha trụ đôi (DSP) là giai đoạn cả hai chân tiếp xúc với mặt đất. Pha trụ đôi DSP có bốn trƣờng hợp đặc biệt. Thứ nhất là pha trụ đôi cơ bản khi cả hai bàn chân tiếp xúc hoàn toàn mặt đất hình 2.
Thứ hai là pha trụ đôi DSP-X-H khi chân sau tiếp xúc hoàn toàn mặt đất và chân trƣớc gót chân bắt đầu chạm đấtnhƣ hình 2. Thứ ba là DSP-X-TH, lúc đó chân sau đứng trên mũi chân và chân trƣớc gót chân tiếp đất hình 2. Cuối cùng là DSP-X-T khi chân sau đứng trên mũi chân và chân trƣớc tiếp xúc hoàn toàn với đất nhƣ hình 2. Sự khác nhau của giai đoạn SSP [8] Hình 2.
Sự khác nhau của giai đoạn DSP [15] Vùng diện tích chân trụ (SA):Là một đa giác lồi tạo bởi tất cả các điểm tiếp xúc của chân robot và mặt đất nhƣ hình 2. Vùng này sẽ không tồn tại nếu cả hai 10 chân nhấc khỏi mặt đất, nhƣng thực tế thì luôn tồn tại vùng này vì chân robot luôn tiếp đất khi di chuyển. Vùng diện tích chân trụ Trong giai đoạn SSP thì SA trùng với diện tích của chân tiếp xúc đất [8]. Còn trong giai đoạn DSP thì SA là diện tích đa giác tạo bởi diện tích hai chân tiếp đất và các tiếp tuyến chung [8].
SA trong pha trụ đƣợc minh họa nhƣ hình 2. Sự khác nhau của SA trong giai đoạn SSP 11 Hình 2. Sự khác nhau của SA trong giai đoạn DSP 2. Các khái niệm liên quan tính ổn định robot hai chân 2.
Trọng tâm (CoM) là vị trí trọng tâm của cơ thể nhƣ hình 2. CoM đƣợc tính nhƣ sau: Nk mp PCoM i 1 i i (2.1) i1mi Nk Trong đó: PCoM vectơ vị trí của CoM Nk : số lƣợng khâu mi : khối lƣợng của khâu i (kg) pi : vectơ vị trí của khâu i 12 Trọng tâm Hình 2. Trọng tâm ở ngƣời Quỹ đạo là đƣờng dẫn tập hợp tất cả các điểm di chuyển trong không gian ba chiều. Trong phân tích di chuyển thì các quỹ đạo đƣợc sử dụng để mô tả sự di chuyển của một hệ tọa độ khớp đối với một hệ tọa độ toàn cục mà gắn liền với bề mặt tiếp xúc của bàn chân.
Điểm cân bằng moment (ZMP) và tâm áp lực (CoP): Việc xây dựng các khái niệm về tâm áp lực (CoP) và điểm cân bằng moment (ZMP) là rất quan trọng để xây dựng quỹ đạo cân bằng cho robot. Lực tác động lên robot có thể chia thành hai loại: thứ nhất là lực tác động khi có sự tiếp xúc và thứ hai là lực truyền động mà không có sự tiếp xúc ( trọng lực, lực quán tính…). CoP thì quan hệ với loại thứ nhất và ZMP quan hệ với loại thứ hai. Điểm cân bằng moment (ZMP) là một điểm trên mặt đất mà tổng các moment do trọng lực và lực quán tính gây ra là bằng không nhƣ hình 2.
Moment này đƣợc xác định bởi các thành phần moment tiếp tuyến với bề mặt chân trụ. Nếu bề mặt chân trụ nằm ngang thì momnet là các moment di chuyển theo trục x và trục y nhƣng không di chuyển theo trục z [8].2) Mx : moment quanh trục x My : moment quanh trục y Công thức tính vị trí ZMP [11]: m x z g x z I n i 1 i i i z i i iy iy xZMP (2.3) m (z g ) n i 1 i i z m y z g y z I n i 1 i i i z i i ix ix yZMP (2.