Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ robot, humanoid robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế, cứu hộ và dịch vụ. Theo báo cáo của ngành, humanoid robot UXA-90 là một trong những mẫu robot tiêu biểu với chiều cao 100 cm, trọng lượng 9.5 kg và 23 bậc tự do (DOF), được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu và ứng dụng trí tuệ nhân tạo tại Việt Nam. Tuy nhiên, việc điều khiển quá trình đi bộ hai chân của UXA-90 còn gặp nhiều khó khăn do thiếu mô hình động học chính xác cho phần thân dưới, dẫn đến sai số lớn trong vị trí và gia tốc khi thực thi bộ điều khiển.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình động học tổng quát cho phần thân dưới của humanoid robot UXA-90 với 12 bậc tự do, từ đó thiết kế bộ điều khiển backstepping sliding mode nhằm đảm bảo tính ổn định và khả năng cân bằng khi robot đi bộ, đặc biệt là trong pha đứng một chân. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021 tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển robot UXA-90 mà còn có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống robot humanoid có khả năng vận động linh hoạt và ổn định hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: mô hình động học Lagrange và bộ điều khiển backstepping sliding mode (BSMC). Mô hình Lagrange được sử dụng để mô tả động lực học của hệ thống robot với các biến trạng thái là các góc khớp và vận tốc góc, bao gồm ma trận quán tính, ma trận Coriolis và lực ly tâm. Bộ điều khiển BSMC được lựa chọn vì khả năng đảm bảo tính bền vững và chống nhiễu tốt trong các hệ thống phi tuyến phức tạp như robot humanoid.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Bậc tự do (DOF): Số lượng các biến độc lập mô tả trạng thái chuyển động của robot, UXA-90 có 23 DOF, trong đó phần thân dưới có 12 DOF.
  • Pha đứng một chân (single support phase): Giai đoạn robot chỉ đứng trên một chân, đòi hỏi bộ điều khiển phải đảm bảo cân bằng tối ưu.
  • Mô hình con lắc (inverted pendulum model): Mô hình đơn giản hóa để phân tích cân bằng và điều khiển robot.
  • Bộ quan sát trạng thái bậc thấp (minimum-order observer): Giúp ước lượng các biến trạng thái chưa đo được, tăng độ chính xác cho bộ điều khiển.
  • Cân bằng trên một chân: Một cơ chế mới được đề xuất nhằm hỗ trợ robot duy trì trạng thái cân bằng khi chỉ có một chân tiếp xúc mặt đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật và cấu trúc cơ khí của robot UXA-90, bao gồm chiều dài các khớp, trọng lượng từng phần, và các thông số cảm biến IMU 9 trục. Phương pháp phân tích sử dụng mô hình hóa toán học dựa trên phương pháp Lagrange để xây dựng mô hình động học tổng quát cho phần thân dưới robot.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống robot UXA-90 với 12 bậc tự do cho phần thân dưới. Phương pháp chọn mẫu là phân tích toàn diện cấu trúc robot và mô phỏng trên phần mềm MATLAB nhằm đánh giá hiệu quả bộ điều khiển. Timeline nghiên cứu kéo dài 4 tháng, từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, bao gồm các bước: xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xây dựng thành công mô hình động học tổng quát cho phần thân dưới UXA-90:
    Mô hình bao gồm 12 bậc tự do, mô tả chính xác các chuyển động của khớp chân và hông. Mô hình này giúp giảm sai số vị trí và gia tốc so với các mô hình trước đây, cải thiện độ chính xác lên khoảng 15-20%.

  2. Thiết kế bộ điều khiển backstepping sliding mode hiệu quả:
    Bộ điều khiển đảm bảo hệ thống ổn định trong quá trình đi bộ, giảm sai số vị trí góc khớp xuống dưới 2 độ và sai số vận tốc góc dưới 0.05 rad/s trong các pha chuyển động. Thời gian đáp ứng bộ điều khiển là 0.01 giây, phù hợp với yêu cầu vận hành thực tế.

  3. Đề xuất cơ chế cân bằng mới hỗ trợ đứng một chân:
    Cơ chế này kết hợp với bộ điều khiển giúp robot duy trì trạng thái cân bằng khi chỉ có một chân tiếp xúc mặt đất, giảm hiện tượng nghiêng hông quá mức và ngã xuống. Mức độ ổn định tăng lên khoảng 25% so với các phương pháp truyền thống.

  4. Mô phỏng trên MATLAB xác nhận hiệu quả:
    Các kết quả mô phỏng cho thấy robot có thể thực hiện các bước đi tự do với độ ổn định cao, sai số vị trí và vận tốc được kiểm soát tốt, đồng thời bộ điều khiển thích nghi với các nhiễu và thay đổi môi trường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp cải thiện hiệu quả điều khiển là do mô hình động học được xây dựng chi tiết và chính xác hơn, đặc biệt là việc mô hình hóa các khớp chân với 12 bậc tự do. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào mô hình đơn giản hoặc không đầy đủ, mô hình này giúp giảm sai số tích lũy trong quá trình điều khiển.

Bộ điều khiển backstepping sliding mode được lựa chọn vì khả năng chống nhiễu và đảm bảo tính bền vững trong hệ thống phi tuyến, phù hợp với đặc tính phức tạp của humanoid robot. Việc kết hợp bộ quan sát trạng thái bậc thấp giúp ước lượng chính xác các biến trạng thái chưa đo được, từ đó nâng cao hiệu quả điều khiển.

Cơ chế cân bằng mới hỗ trợ đứng một chân là điểm sáng của nghiên cứu, giúp UXA-90 khắc phục nhược điểm nghiêng hông và mất cân bằng khi di chuyển. Kết quả mô phỏng minh họa rõ ràng qua các biểu đồ sai số góc khớp và vị trí trọng tâm, cho thấy sự ổn định vượt trội so với các phương pháp truyền thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ điều khiển backstepping sliding mode trên robot thực tế:
    Thực hiện lắp đặt và kiểm thử bộ điều khiển trên UXA-90 trong vòng 6 tháng nhằm đánh giá hiệu quả ngoài môi trường mô phỏng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu robot tại trường đại học.

  2. Phát triển module cân bằng nâng cao cho các pha chuyển động phức tạp:
    Nghiên cứu và tích hợp thêm các cảm biến lực và gia tốc để cải thiện khả năng cân bằng trong các tình huống động như leo cầu thang hoặc di chuyển trên địa hình không bằng phẳng. Thời gian thực hiện: 1 năm.

  3. Mở rộng mô hình và bộ điều khiển cho các robot humanoid khác:
    Áp dụng mô hình và phương pháp điều khiển cho các robot có cấu trúc tương tự nhằm tăng tính phổ quát và ứng dụng rộng rãi. Chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp robot.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình hóa và điều khiển robot humanoid cho sinh viên và kỹ sư trong nước, góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu và phát triển robot tại Việt Nam. Thời gian: liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và phát triển robot:
    Có thể áp dụng mô hình và bộ điều khiển để phát triển các hệ thống robot humanoid mới, nâng cao hiệu quả và độ ổn định trong vận hành.

  2. Sinh viên và giảng viên ngành cơ khí, tự động hóa:
    Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các khóa học về robot, điều khiển tự động và mô hình hóa hệ thống phi tuyến.

  3. Doanh nghiệp sản xuất robot:
    Áp dụng các giải pháp điều khiển tiên tiến để cải tiến sản phẩm, tăng tính cạnh tranh trên thị trường trong và ngoài nước.

  4. Các tổ chức đào tạo và nghiên cứu công nghệ cao:
    Tích hợp nội dung nghiên cứu vào chương trình đào tạo và dự án nghiên cứu, thúc đẩy phát triển công nghệ robot trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình động học của UXA-90 có điểm gì nổi bật?
    Mô hình bao gồm 12 bậc tự do cho phần thân dưới, mô tả chính xác các chuyển động khớp chân và hông, giúp giảm sai số vị trí và gia tốc khi điều khiển robot.

  2. Tại sao chọn bộ điều khiển backstepping sliding mode?
    Vì bộ điều khiển này có khả năng chống nhiễu tốt, đảm bảo tính ổn định cho hệ thống phi tuyến phức tạp như robot humanoid, đồng thời giảm hiện tượng chattering.

  3. Cơ chế cân bằng mới hỗ trợ đứng một chân hoạt động như thế nào?
    Cơ chế này sử dụng bộ điều khiển kết hợp với mô hình cân bằng và cảm biến trọng tâm để duy trì trạng thái ổn định khi robot chỉ đứng trên một chân, giảm thiểu hiện tượng nghiêng hông và ngã.

  4. Phương pháp nghiên cứu sử dụng dữ liệu nào?
    Dữ liệu chủ yếu là thông số kỹ thuật của robot UXA-90, các thông số cảm biến IMU, và kết quả mô phỏng trên MATLAB để đánh giá hiệu quả bộ điều khiển.

  5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu giúp cải thiện khả năng vận động và cân bằng của robot humanoid, từ đó mở rộng ứng dụng trong công nghiệp, y tế, cứu hộ và dịch vụ, đồng thời nâng cao năng lực nghiên cứu robot tại Việt Nam.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình động học tổng quát cho phần thân dưới humanoid robot UXA-90 với 12 bậc tự do, nâng cao độ chính xác mô phỏng chuyển động.
  • Thiết kế bộ điều khiển backstepping sliding mode hiệu quả, đảm bảo tính ổn định và giảm sai số trong quá trình đi bộ.
  • Đề xuất cơ chế cân bằng mới hỗ trợ robot đứng một chân, cải thiện khả năng cân bằng và giảm hiện tượng nghiêng hông.
  • Kết quả mô phỏng trên MATLAB chứng minh tính khả thi và hiệu quả của bộ điều khiển và cơ chế cân bằng.
  • Đề xuất triển khai thực nghiệm và mở rộng ứng dụng cho các robot humanoid khác trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Triển khai bộ điều khiển trên robot thực tế, phát triển module cân bằng nâng cao và đào tạo chuyển giao công nghệ nhằm thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng robot humanoid tại Việt Nam.