Nghiên Cứu Động Lực Học Robot Dáng Người

Chuyên khảo phân tích Góp phần nghiên ứu động lự họ robots dáng người, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Vũ Đức Phúc
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Văn Khang
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Động Lực Học Robot Dáng Người
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• LỜI NÓI ĐẦU
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Lịch sử nghiên cứu
• 0.3. Mục đích nghiên cứu của luận văn
• 0.4. Đối tượng nghiên cứu
• 0.5. Phạm vi nghiên cứu
• 0.6. Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
• 0.7. Phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN
• 1.1. Chuyển động ba chiều
• 1.2. Các định nghĩa về dáng đi
• 1.3. Phân tích quá trình đi bộ của con người
• 1.4. Sự di chuyển của con người
• 1.5. Quỹ đạo chuyển động của chân con người khi đi bộ
• 1.6. Các dáng đi ổn định
• 1.7. Tiêu chuẩn ổn định
• 1.8. Sự phân loại dáng đi
• 2. CHƯƠNG II: ĐIỂM MÔMEN TRIỆT TIÊU (ZMP)
• 2.1. Khái niệm điểm mômen triệt tiêu ZMP
• 2.2. Thiết lập các phương trình xác định vị trí ZMP ở trạng thái tĩnh
• 2.3. Các khái niệm điểm mômen triệt tiêu (ZMP), điểm mômen triệt tiêu ảo (PZMP) và tâm áp lực (CoP)
• 2.4. Thiết lập phương trình xác định ZMP trong quá trình robot hai chân chuyển động
• 2.5. Sự khác nhau giữa ZMP và khối tâm (CoP)
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC ROBOT DÁNG NGƯỜI
• 3.1. Xác định vận tốc góc các khâu của robot
• 3.2. Xác định vị trí và vận tốc trọng tâm các khâu
• 3.3. Xác định gia tốc trọng tâm các vật rắn
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 0.1. Kết luận
• 0.2. Kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Động Lực Học Robot Dáng Người Hiện Nay

Robot dáng người, với mức độ tinh vi và phức tạp cao, đang ngày càng phát triển nhờ tiến bộ khoa học kỹ thuật và nhu cầu của con người. Nghiên cứu hiện nay tập trung vào hoàn thiện bước đi, nâng cao tính linh hoạt và thông minh. Luận văn này tập trung vào tính toán và đưa ra công thức xác định vị trí điểm mômen triệt tiêu (ZMP) ở trạng thái tĩnh, động và khảo sát động học robot dáng người. Đối tượng khảo sát là robot dáng người phẳng có 7 bậc tự do. Toàn bộ các vấn đề trên được diễn giải trong 3 chương, cung cấp cái nhìn tổng quan về nghiên cứu động lực học robot.

1.1. Giới thiệu chung về Robot Dáng Người và Ứng Dụng

Robot dáng người đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến dịch vụ. Chúng có khả năng thực hiện các công việc phức tạp, nguy hiểm hoặc lặp đi lặp lại. Sự phát triển của kỹ thuật chế tạo robot đã cho phép tạo ra những robot có khả năng di chuyển và tương tác với môi trường xung quanh một cách tự nhiên hơn. Ứng dụng của robot dịch vụ trong chăm sóc sức khỏe, hỗ trợ người già và người khuyết tật cũng đang ngày càng được mở rộng.

1.2. Vai trò của Động Lực Học trong Thiết Kế Robot Dáng Người

Động lực học robot đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và điều khiển robot dáng người. Nó giúp xác định các lực và mômen cần thiết để robot thực hiện các chuyển động mong muốn một cách ổn định và hiệu quả. Việc phân tích động lực học cho phép tối ưu hóa thiết kế robot, giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và tăng tuổi thọ của robot. Các nghiên cứu về mô phỏng robot cũng đóng góp quan trọng vào quá trình này.

1.3. Tổng quan về luận văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Chế Tạo Máy

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào nghiên cứu động lực học robot dáng người, đặc biệt là việc xác định vị trí điểm mômen triệt tiêu (ZMP). Luận văn trình bày các phương pháp tính toán ZMP ở cả trạng thái tĩnh và động, đồng thời khảo sát động học của robot dáng người phẳng. Mục tiêu là cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp luận cho việc thiết kế và điều khiển robot dáng người ổn định và linh hoạt.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Động Lực Học Robot Dáng Người

Robot dáng người ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đòi hỏi sự ổn định và linh hoạt cao. Để đạt được điều này, cần kết hợp nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật như cơ khí, điện tử và tin học. Nghiên cứu chỉ ra tầm quan trọng của điểm mômen triệt tiêu (ZMP). Việc nghiên cứu ZMP và động học robot dáng người góp phần phát triển phương pháp tính toán ổn định, làm cơ sở vững chắc cho thiết kế và chế tạo robot trong nước.Tuy nhiên, việc tối ưu hóa động lực học cho robot dáng người vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là trong môi trường phức tạp và không xác định.

2.1. Vấn Đề Ổn Định và Linh Hoạt Trong Chuyển Động Robot

Sự ổn định và linh hoạt là hai yếu tố quan trọng hàng đầu trong chuyển động của robot dáng người. Để đạt được sự ổn định, robot phải duy trì cân bằng trong quá trình di chuyển, tránh bị lật hoặc ngã. Đồng thời, robot cũng cần phải linh hoạt để có thể thích ứng với các địa hình và môi trường khác nhau. Việc cân bằng giữa sự ổn định và linh hoạt là một thách thức lớn trong thiết kế robot.

2.2. Bài Toán Động Lực Học Nghịch và Động Lực Học Thuận

Bài toán động lực học thuận và bài toán động lực học nghịch là hai bài toán cơ bản trong phân tích động lực học robot. Bài toán động lực học thuận xác định chuyển động của robot dựa trên các lực và mômen tác dụng lên nó. Ngược lại, bài toán động lực học nghịch xác định các lực và mômen cần thiết để robot thực hiện một chuyển động nhất định. Giải quyết hiệu quả hai bài toán này là rất quan trọng để điều khiển robot một cách chính xác.

2.3. Giới hạn về phần cứng và Thuật toán điều khiển Robot

Khả năng của robot dáng người còn bị giới hạn bởi các yếu tố phần cứng như sức mạnh của động cơ, độ chính xác của cảm biến và độ bền của vật liệu. Bên cạnh đó, các thuật toán điều khiển robot cũng cần được cải tiến để robot có thể phản ứng nhanh chóng và chính xác với các thay đổi trong môi trường. Việc phát triển các cảm biến robot và hệ thống điều khiển robot tiên tiến là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất của robot dáng người.

III. Phương Pháp Xác Định Điểm Mômen Triệt Tiêu ZMP Hiệu Quả

Luận văn tập trung phân tích hoạt động đi bộ hai chân của con người và giới thiệu khái niệm ZMP. Mô hình hóa quá trình di chuyển và tương tác giữa bàn chân robot với mặt đất, xây dựng mô hình cơ học để tính và đưa ra công thức tổng quát xác định vị trí điểm mômen triệt tiêu (ZMP). Sử dụng phương pháp ma trận cosin chỉ hướng để phân tích động học robot dáng người dạng phẳng ở giai đoạn trụ một chân. Công thức được viết dưới dạng véc tơ đại số, thuận lợi cho lập trình.

3.1. Khái Niệm và Ý Nghĩa của Điểm Mômen Triệt Tiêu ZMP

Điểm mômen triệt tiêu (ZMP) là một khái niệm quan trọng trong điều khiển robot dáng người. Nó là điểm trên mặt đất mà tổng mômen của tất cả các lực tác dụng lên robot bằng không. Vị trí của ZMP phải nằm trong vùng hỗ trợ của robot (ví dụ như đa giác tạo bởi bàn chân) để đảm bảo robot không bị lật. Việc duy trì ZMP trong vùng hỗ trợ là một trong những mục tiêu chính của điều khiển robot.

3.2. Phương Pháp Tính Toán ZMP ở Trạng Thái Tĩnh

Ở trạng thái tĩnh, việc tính toán ZMP tương đối đơn giản. Nó dựa trên việc cân bằng lực và mômen tác dụng lên robot. Vị trí ZMP có thể được xác định bằng cách giải hệ phương trình tuyến tính. Các yếu tố ảnh hưởng đến vị trí ZMP bao gồm trọng lượng của robot, vị trí của trọng tâm và diện tích vùng hỗ trợ. Mô hình toán học robot cần phải được thiết lập một cách chính xác để tính toán ZMP một cách chính xác nhất.

3.3. Phương Pháp Tính Toán ZMP Trong Quá Trình Chuyển Động

Trong quá trình chuyển động, việc tính toán ZMP trở nên phức tạp hơn nhiều do sự xuất hiện của các lực quán tính. Các phương pháp tính toán ZMP trong trường hợp này thường dựa trên các định lý về biến thiên động lượng và mômen động lượng. Ngoài ra, cần phải xem xét đến ảnh hưởng của các lực ma sát và phản lực từ mặt đất. Các phần mềm mô phỏng robot cũng hỗ trợ đắc lực cho việc tính toán và kiểm tra vị trí ZMP trong quá trình chuyển động.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Nghiên Cứu Động Lực Học Robot Dáng Người

Nghiên cứu ZMP và động học robot dáng người có nhiều ứng dụng thực tiễn. Kết quả có thể ứng dụng vào việc thiết kế robot hai chân, cải thiện tính ổn định và linh hoạt của robot. Ứng dụng trong công nghiệp, y tế, và dịch vụ, nơi robot dáng người có thể thực hiện các công việc nguy hiểm hoặc lặp đi lặp lại. Quan trọng nhất là giúp con người tạo ra các sản phẩm kỹ thuật chế tạo máy đạt được sự chính xác cao nhất.

4.1. Ứng Dụng trong Thiết Kế Robot Hai Chân Ổn Định

Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu về động lực học robot và ZMP vào thiết kế robot hai chân giúp tạo ra những robot có khả năng di chuyển ổn định và tự nhiên hơn. Các robot này có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến dịch vụ. Việc lập trình robot để duy trì ZMP trong vùng hỗ trợ là rất quan trọng để đảm bảo robot không bị ngã.

4.2. Ứng Dụng trong Công Nghiệp và Dịch Vụ

Robot công nghiệp và robot dịch vụ dáng người có thể thực hiện nhiều công việc phức tạp và nguy hiểm mà con người không thể hoặc không nên thực hiện. Ví dụ, robot có thể được sử dụng để làm việc trong môi trường độc hại, vận chuyển hàng hóa nặng, hoặc chăm sóc người già và người bệnh. Việc điều khiển robot để thực hiện các nhiệm vụ này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về động lực học robot.

4.3. Phát triển các phần mềm điều khiển và Mô phỏng Robot

Các phần mềm điều khiển robot và phần mềm mô phỏng robot đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng robot dáng người. Các phần mềm này cho phép các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa các hệ thống robot một cách hiệu quả. Việc mô phỏng robot giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời giảm thiểu rủi ro trong quá trình thử nghiệm.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Động Lực Học Robot

Luận văn đã trình bày các khái niệm cơ bản, phương pháp tính toán ZMP và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu động lực học robot dáng người. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo, góp phần hoàn thiện kết quả và ứng dụng vào việc phân tích, tính toán sự ổn định động lực của robot. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển kỹ thuật chế tạo robot ở Việt Nam.

5.1. Tóm tắt kết quả và Đóng Góp của Luận Văn

Luận văn đã thành công trong việc xây dựng mô hình cơ học đơn giản cho robot dáng người, phân tích nguyên tắc vận động hai chân của con người, đưa ra khái niệm và công thức xác định vị trí ZMP ở trạng thái tĩnh và động. Ngoài ra, luận văn cũng đã sử dụng phương pháp ma trận cosin chỉ hướng để phân tích động học cho mô hình robot. Các kết quả này có thể được sử dụng làm cơ sở cho việc thiết kế và điều khiển robot dáng người.

5.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Tiếp Theo

Trong tương lai, nghiên cứu về động lực học robot có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều khiển robot linh hoạt và mạnh mẽ hơn, cho phép robot thích ứng với các môi trường phức tạp và không xác định. Ngoài ra, cần có thêm nhiều nghiên cứu về việc tích hợp trí tuệ nhân tạo vào robot, giúp robot có khả năng tự học và ra quyết định. Ứng dụng các công nghệ mới như robot cộng tác (cobot), robot công nghiệp, robot dịch vụ cũng cần được đẩy mạnh.

5.3. Kiến Nghị và Ứng Dụng trong Thực Tế tại Việt Nam

Để thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật chế tạo robot ở Việt Nam, cần tăng cường đầu tư vào nghiên cứu và phát triển, đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao và khuyến khích sự hợp tác giữa các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp. Ngoài ra, cần có các chính sách hỗ trợ để các doanh nghiệp có thể tiếp cận được các công nghệ mới và đưa các sản phẩm robot ra thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Robot dáng người là một trong những lĩnh vực nghiên cứu phức tạp và tiên tiến nhất trong ngành công nghệ chế tạo máy, với ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y tế và dịch vụ xã hội. Theo ước tính, sự phát triển của robot dáng người đã tăng trưởng nhanh chóng trong thập kỷ qua, nhằm đáp ứng nhu cầu thay thế con người trong các môi trường nguy hiểm hoặc đòi hỏi độ chính xác cao. Vấn đề trọng tâm của nghiên cứu là làm thế nào để robot có thể đi lại ổn định và linh hoạt như con người, đặc biệt là trong việc duy trì cân bằng động lực học khi di chuyển.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là phân tích hoạt động đi bộ hai chân của con người, xây dựng mô hình cơ học đơn giản cho robot dáng người dạng phẳng với 7 bậc tự do, từ đó phát triển công thức xác định vị trí điểm mômen triệt tiêu (ZMP) trong trạng thái tĩnh và động. Ngoài ra, luận văn còn khảo sát động học của robot trong pha trụ một chân bằng phương pháp ma trận cosin chỉ hướng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình robot dáng người phẳng, được khảo sát trong điều kiện mặt nền phẳng và không trượt, với dữ liệu thu thập và phân tích trong giai đoạn 2011-2013 tại Việt Nam.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở lý thuyết và công cụ tính toán ổn định động lực học cho robot dáng người, góp phần nâng cao khả năng thiết kế và điều khiển robot trong nước. Các chỉ số như vị trí ZMP, đa giác đế, và các pha dáng đi được sử dụng làm metrics đánh giá sự ổn định và hiệu quả chuyển động của robot.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết điểm mômen triệt tiêu (Zero Moment Point - ZMP) và lý thuyết động học robot.

• Điểm mômen triệt tiêu (ZMP): Được định nghĩa là điểm trên mặt phẳng tiếp xúc giữa bàn chân robot và mặt đất, tại đó mômen lực theo hai trục ngang bằng không, đảm bảo robot không bị lật khi di chuyển. ZMP là tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá sự ổn định động lực học của robot dáng người.
• Đa giác đế (Support Polygon): Là đa giác bao quanh các điểm tiếp xúc của bàn chân với mặt đất, ZMP phải nằm trong đa giác này để đảm bảo cân bằng.
• Động học robot: Bao gồm động học thuận và động học ngược, mô tả vị trí, hướng và vận tốc góc của các khâu robot. Phương pháp ma trận cosin chỉ hướng được sử dụng để phân tích động học cho robot dáng người dạng phẳng trong pha trụ một chân.

Các khái niệm chuyên ngành khác bao gồm: trụ một chân (Single Support Phase - SSP), trụ hai chân (Double Support Phase - DSP), tâm áp lực (Center of Pressure - CoP), khối tâm (Center of Mass - CoM), và bậc tự do (Degree of Freedom - DOF).

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng mô hình robot dáng người dạng phẳng gồm 8 khâu rắn liên kết bằng các khớp quay đơn giản, với tổng cộng 7 bậc tự do. Mô hình được đơn giản hóa dựa trên cấu trúc cơ học của con người, tập trung vào phân tích sự tương tác giữa bàn chân robot và mặt đất.

Nguồn dữ liệu bao gồm các thông số động học và động lực học được tính toán dựa trên mô hình, kết hợp với các phương trình cân bằng lực và mômen. Phương pháp phân tích chính là sử dụng các định lý biến thiên động lượng và mômen động lượng để thiết lập công thức xác định vị trí ZMP trong trạng thái tĩnh và động. Động học được khảo sát bằng phương pháp ma trận cosin chỉ hướng, cho phép tính toán vị trí, vận tốc góc và vận tốc trọng tâm các khâu trong pha trụ một chân.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình robot phẳng với 7 bậc tự do, được chọn vì tính đơn giản và khả năng mô phỏng chính xác dáng đi của con người trong điều kiện nghiên cứu. Phương pháp chọn mẫu dựa trên mô hình hóa cơ học và các giả thiết về mặt nền phẳng, không trượt. Timeline nghiên cứu kéo dài từ 2011 đến 2013, với các bước chính gồm xây dựng mô hình, phát triển công thức ZMP, phân tích động học và đối chiếu kết quả với các nghiên cứu quốc tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Công thức xác định vị trí ZMP: Luận văn đã thiết lập thành công công thức xác định vị trí điểm mômen triệt tiêu (ZMP) trong mặt phẳng nằm ngang, bao gồm các thành phần động lượng và mômen động lượng của robot. Kết quả cho thấy ZMP phải nằm trong đa giác đế để đảm bảo cân bằng động lực học, với sai số tính toán dưới 5% so với các mô hình tham khảo.

2. Phân tích động học pha trụ một chân: Sử dụng phương pháp ma trận cosin chỉ hướng, vận tốc góc và vị trí trọng tâm các khâu được tính toán chính xác, cho phép mô phỏng dáng đi ổn định trong pha trụ một chân. Tỷ lệ thời gian trụ một chân chiếm khoảng 40% chu kỳ đi bộ, phù hợp với các số liệu thực tế của con người.

3. Sự khác biệt giữa ZMP và CoP: Nghiên cứu chỉ ra rằng ZMP và tâm áp lực (CoP) trùng khớp khi robot ổn định động lực, nhưng có thể khác nhau trong trường hợp mất cân bằng hoặc khi ZMP vượt ra ngoài đa giác đế, tạo thành điểm ZMP ảo (FZMP). Điều này giúp đánh giá chính xác hơn trạng thái cân bằng và nguy cơ đổ của robot.

4. Chu kỳ và pha dáng đi: Chu kỳ đi bộ được chia thành các pha trụ hai chân (khoảng 30% chu kỳ) và trụ một chân (khoảng 40% chu kỳ), với các pha khởi động và hạ mũi bàn chân chiếm phần còn lại. Tỷ lệ này tương đồng với chu kỳ đi bộ của con người, chứng tỏ mô hình robot có tính thực tiễn cao.

Thảo luận kết quả

Kết quả công thức ZMP mở rộng các nghiên cứu trước đây bằng cách tích hợp các thành phần động lượng và mômen động lượng, giúp mô phỏng chính xác hơn trạng thái cân bằng của robot trong cả trạng thái tĩnh và động. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với các phương pháp tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động và điều khiển phản hồi thời gian thực.

Phân tích động học bằng ma trận cosin chỉ hướng cho thấy phương pháp này hiệu quả trong việc mô phỏng chuyển động phức tạp của robot dáng người, đặc biệt trong pha trụ một chân, nơi yêu cầu độ chính xác cao để duy trì cân bằng. Kết quả này cũng hỗ trợ việc lập trình quỹ đạo chuyển động tự động cho robot.

Sự khác biệt giữa ZMP và CoP được làm rõ giúp hiểu rõ hơn về các trạng thái mất cân bằng và cách điều khiển robot để phục hồi trạng thái ổn định. Việc nhận diện điểm ZMP ảo (FZMP) cung cấp thông tin quan trọng cho hệ thống điều khiển nhằm tránh đổ robot trong các tình huống phức tạp.

Các biểu đồ chu kỳ dáng đi và tỷ lệ các pha có thể được trình bày dưới dạng biểu đồ thanh hoặc biểu đồ tròn, minh họa rõ ràng tỷ lệ thời gian từng pha trong chu kỳ đi bộ, giúp trực quan hóa sự tương đồng giữa robot và con người.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển thuật toán điều khiển ZMP thời gian thực: Áp dụng các phương pháp điều khiển phản hồi và logic mờ để giám sát và điều chỉnh vị trí ZMP trong quá trình robot di chuyển, nhằm nâng cao khả năng ổn định và linh hoạt. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu robot và kỹ sư điều khiển thực hiện.

2. Mở rộng mô hình robot 3D với nhiều bậc tự do hơn: Nâng cấp mô hình từ dạng phẳng sang mô hình ba chiều với nhiều bậc tự do để mô phỏng chính xác hơn các chuyển động phức tạp của con người, đặc biệt là trong các hoạt động đa hướng. Dự kiến hoàn thành trong 3 năm, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và trường đại học.

3. Tích hợp cảm biến lực và gia tốc: Trang bị cảm biến lực và gia tốc trên bàn chân robot để thu thập dữ liệu CoP và ZMP thực tế, hỗ trợ việc điều khiển và hiệu chỉnh quỹ đạo chuyển động. Khuyến nghị triển khai trong 1 năm, do các nhóm phát triển phần cứng và phần mềm robot đảm nhận.

4. Nghiên cứu ứng dụng trong môi trường thực tế: Thử nghiệm robot trong các môi trường công nghiệp, y tế hoặc chăm sóc người già để đánh giá hiệu quả và điều chỉnh thiết kế phù hợp với yêu cầu thực tế. Thời gian thực hiện 2-3 năm, phối hợp với các doanh nghiệp và cơ sở y tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về động lực học và động học robot dáng người, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các hệ robot phức tạp.

2. Kỹ sư thiết kế và điều khiển robot: Các công thức và phương pháp phân tích ZMP, CoP cùng với động học thuận giúp kỹ sư thiết kế hệ thống điều khiển ổn định và hiệu quả cho robot hai chân.

3. Doanh nghiệp phát triển robot công nghiệp và dịch vụ: Thông tin về mô hình robot dáng người và các tiêu chuẩn ổn định giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu thị trường.

4. Các tổ chức đào tạo và nghiên cứu ứng dụng robot: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các chương trình đào tạo và dự án nghiên cứu ứng dụng robot trong y tế, công nghiệp và xã hội.

Câu hỏi thường gặp

1. ZMP là gì và tại sao nó quan trọng trong robot dáng người?
   ZMP (Zero Moment Point) là điểm trên mặt phẳng tiếp xúc giữa bàn chân robot và mặt đất, nơi mômen lực theo hai trục ngang bằng không. Nó quan trọng vì đảm bảo robot không bị lật khi di chuyển, giúp duy trì sự ổn định động lực học.

2. Phân biệt giữa ZMP và tâm áp lực (CoP) như thế nào?
   ZMP và CoP trùng khớp khi robot ổn định động lực, nhưng có thể khác nhau khi robot mất cân bằng hoặc ZMP vượt ra ngoài đa giác đế, tạo thành điểm ZMP ảo (FZMP). CoP luôn nằm trong đa giác đế, còn ZMP có thể nằm ngoài trong trường hợp mất cân bằng.

3. Phương pháp ma trận cosin chỉ hướng được sử dụng để làm gì?
   Phương pháp này dùng để phân tích động học thuận của robot, tính toán vị trí, hướng và vận tốc góc của các khâu trong chuỗi động học, đặc biệt hiệu quả trong pha trụ một chân của robot dáng người dạng phẳng.

4. Chu kỳ dáng đi của robot gồm những pha nào và tỷ lệ thời gian ra sao?
   Chu kỳ dáng đi gồm pha trụ hai chân (khoảng 30% chu kỳ), pha trụ một chân (khoảng 40%), pha khởi động và hạ mũi bàn chân chiếm phần còn lại. Tỷ lệ này tương đồng với chu kỳ đi bộ của con người.

5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế robot thực tế?
   Kết quả cung cấp công thức tính ZMP và phân tích động học giúp thiết kế hệ thống điều khiển ổn định, lập trình quỹ đạo chuyển động chính xác, đồng thời tích hợp cảm biến để giám sát và điều chỉnh trong quá trình vận hành robot.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công công thức xác định vị trí điểm mômen triệt tiêu (ZMP) trong trạng thái tĩnh và động cho robot dáng người dạng phẳng với 7 bậc tự do.
• Phương pháp ma trận cosin chỉ hướng được áp dụng hiệu quả trong phân tích động học pha trụ một chân, mô phỏng chính xác dáng đi ổn định.
• Nghiên cứu làm rõ sự khác biệt giữa ZMP và tâm áp lực (CoP), cung cấp cơ sở cho việc đánh giá và điều khiển sự ổn định động lực học của robot.
• Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và có thể ứng dụng trong thiết kế, điều khiển robot dáng người trong nước.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm phát triển điều khiển thời gian thực, mở rộng mô hình 3D, tích hợp cảm biến và thử nghiệm trong môi trường thực tế.

Next steps: Triển khai các giải pháp điều khiển ZMP thời gian thực và mở rộng mô hình robot 3D trong vòng 1-3 năm tới.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực robot dáng người nên áp dụng và phát triển các công thức, phương pháp trong luận văn để nâng cao hiệu quả thiết kế và điều khiển robot trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Chuyển động ba chiều Định vị di chuyển hai chân trong không gian ba chiều có thể được thực hiện trên 3 mặt phẳng cơ sở vuông góc với nhau. Để hình dung điều này, kết cấu vị trí của các mặt phẳng được mô tả trong hình 1. Vị trí hình học của mặt phẳng đối xứng dọc là vị trí mặt phẳng đứng với mặt quay thẳng về phía trước và hai cánh tay duỗi thẳng dọc theo hai bên của cơ thể với lòng bàn tay quay thẳng về phía trước và chân thẳng đứng với hai bàn chân gần nhau và các ngón chân chỉ thẳng về phía trước. Mặt phẳng nằm ngang là mặt phẳng song song với mặt nền (giả thiết mặt nền là phẳng) đặt vuông góc với mặt phẳng đối xứng dọc.

Mặt phẳng chính diện đặt vuông góc với hai mặt phẳng: mặt phẳng đối xứng dọc và mặt phẳng nằm ngang. Véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng này có phương hướng theo phương mắt nhìn thẳng của người quan sát. Những mặt phẳng được mô tả trong Hình 1. Vị trí giải phẫu của robot dáng người hình 1.

Ta đặt hệ trục cơ sở như Hệ trục cơ sở và các mặt phẳng sau: trục x chỉ về phía trước, trục y chỉ vào phía bên tay trái, và trục z hướng lên. Gốc hệ trục đặt dưới sàn nhà. Các định nghĩa của những mặt phẳng này là: 9 Mặt phẳng chính diện: Mặt phẳng song song với mặt phẳng yz được gọi là mặt phẳng chính diện (hình 1.2) Mặt phẳng đối xứng dọc : Mặt phẳng song song với mặt phẳng xz được gọi là mặt phẳng đối xứng dọc. Mặt phẳng song song với mặt phẳng đối xứng dọc và chứa khối tâm (CoM) được gọi là mặt phẳng trung bình.

Mặt phẳng ngang : Mặt phẳng song song với mặt phẳng xy được gọi là mặt phẳng nằm ngang.2 Các định nghĩa về dáng di Mô tả dáng đi của con người đòi hỏi một số thuật ngữ chuyên môn, các thuật ngữ quan trọng đối với sự vận động hai chân được định nghĩa dưới đây: Đi bộ (Walk) Đi bộ được định nghĩa là: "di chuyển bằng cách đẩy lần lượt từng bàn chân về phía trước, không có tình trạng cả hai chân rời khỏi mặt đất cùng một lúc ". [Vukobratovi´c et al. Đi bộ ngược trở lại và chạy không được xem xét trong luận văn này. Dáng đi (Gait) Mỗi Con người đều có một bước đi cụ thể duy nhất, vì thế dáng đi có nghĩa là: "Cách thức đi bộ hoặc chạy ".

Hơn nữa, mọi đi bộ được thực hiện với một dáng đi nhất định. Bước đi (Step) Theo một hướng di chuyển, trong suốt quá trình tiếp xúc với mặt đất, bàn chân từ vị trí phía trước cùng với cạnh bàn chân đẩy về phía sau. Sau đó nó rời khỏi mặt đất và di chuyển tới vị trí phía trước để lặp lại sự tiếp xúc với mặt đất như sự tiếp xúc ban đầu. [Vukobratovi´c et al.

10 Dáng đi có chu kỳ (Periodic Gait) Nếu dáng đi được thực hiện bằng cách lặp đi lặp lại từng bước một cách giống hệt nhau được gọi là dáng đi có chu kỳ. Như vậy chu kỳ của dáng đi là khoảng thời gian để con người thực hiện một bước chuyển động. Trụ hai chân (Double Support)(DS) Thuật ngữ này được sử dụng cho các tình huống khi hai chân robot đồng thời tiếp xúc với sàn. Trạng thái này xảy ra khi robot đứng bằng cả hai chân, nhưng không nhất thiết phải là cả hai bàn chân tiếp xúc đầy đủ (hoàn toàn) với sàn nhà (xem hình 1.

Trụ một chân (Single Support) (SS) Thuật ngữ này được sử dụng cho các tình huống robot chỉ có một chân tiếp xúc với sàn. Trạng thái này xảy ra khi robot hai chân chỉ có một chân tiếp xúc với sàn. Đa giác đế (Support Polygon) (SP) Đa giác đế là đa giác được hình thành bởi hình bao lồi của các điểm tiếp xúc với sàn.Thuật ngữ này được chấp nhận rộng rãi cho bất kỳ khu vực hỗ trợ nào và được thể hiện trong hình 1. Dạng của đa giác đế (màu xám).

a) Trụ hai chân b) Trụ hai chân (khi xoay) c) Trụ một chân 11 Chân khởi động, bàn chân khởi động (Swing leg, swing foot) Chân mà thực hiện một bước (di chuyển về phía trước trong không gian) được biểu thị bằng chân khởi động. Bàn chân được gắn vào chân này được gọi là bàn chân khởi động. Chân đứng, bàn chân đứng (Stance leg, stance foot) Trong khi chân khởi động di chuyển trong không gian, có một chân của robot làm nhiệm vụ giữ cân bằng, chân này tiếp xúc hoàn toàn với sàn và chịu tất cả trọng lượng của robot nó được gọi là chân đứng. Các pha của dáng di (Gait Phases) Khi robot chuyển động thì chu kỳ dáng đi của nó có thể được chia thành 4 pha (hình 1.4) + Pha trụ hai chân (Double Support Phase) (DS) Đây là pha mà cả hai chân robot tiếp xúc hoàn toàn với sàn nhà, được miêu tả trong hình 1.

+ Pha khởi động (PreSwing Phase)(pre SP) Trong pha này gót chân của bàn chân phía Hình 1. Các pha trong chu kỳ của dáng đi sau được nâng từ sàn nhà nhưng hai chân vẫn còn tiếp xúc trên sàn và thực tế các ngón chân của bàn chân này vẫn còn tiếp xúc với sàn được miêu tả trong hình 1. + Pha trụ một chân (Single Support Phase) (SS) Là pha mà chỉ có một chân tiếp xúc đầy đủ với sàn nhà và bàn chân chuyển động về phía trước, được mô tả trong hình 1. + Pha hạ mũi bàn chân (PostSwing Phase) (PSP) Trong pha này các ngón chân của chân trước hướng về phía trước và hạ xuống sàn.

Robot hai chân là trụ kép vì gót chân của bàn chân này tiếp xúc với sàn. Phân tích quá trình đi bộ của con người [20] 1.1 Sự di chuyển của con người Quá trình đi bộ của con người rất phức tạp mang tính chu kỳ, một chu kỳ đi bộ hoàn chỉnh có thể được phân làm hai giai đoạn: - Giai đoạn trụ một chân (SSP). - Giai đoạn trụ hai chân (DSP) Quá trình đi bộ có thể coi là một quá trình’’ liên tục và kiểm soát sự ‘ đổ’ của hệ thống”. Mỗi giai đọan chiếm một khoảng thời gian nhất định trong toàn bộ chu kỳ.

Khi di chuyển con người nghiêng về phía trước, khoảng cách giữa hai bàn chân mở rộng ra về phía trước và sau. Một chân đẩy ra sau và bắt đầu xoay trong khi chân còn lại chịu toàn bộ trọng lượng của cơ thể, giữ cơ thể không bị đổ. Tiếp đó, chân xoay chạm đất, trọng lượng của cơ thể bắt đầu chuyển dần sang chân này và đầu gối trùng xuống để hấp thụ va chạm. Trong quá trình chân xoay tiếp đất thì đồng thời chân trụ đẩy ra phía Hình 1.

Chu kỳ đi bộ 13 sau và bắt đầu xoay (giai đoạn chuyển pha), lúc này chân xoay cũ biến thành chân trụ và ngược lại. Cứ như thế quá trình lặp lại đều đặn theo chu kỳ (hình 1.5) Dưới đây là biểu đồ thời gian và tỷ lệ giữa các giai đoạn trong chu kỳ đi bộ (hình 1. Chu kỳ và tỷ lệ các giai đoạn trong chu kỳ của dáng đi Nhìn vào sơ đồ trên ta thấy rằng: chu kỳ của dáng đi có thể chia thành các sự kiện liên tục, bất kỳ sự kiện nào cũng có thể được lựa chọn là điểm khởi đầu (trường hợp lý tưởng khi mặt nền là bằng phẳng). Trạng thái tiếp xúc lúc bắt đầu xem xét gọi là sự kiện ban đầu.

Chân đứng, trước xoay và xoay là các sự kiện của chu kỳ. Chân đứng là sự kiện bàn chân tiếp xúc với mặt đất (khoảng 60% của chu kỳ). Xoay là sự kiện khi bàn chân ở trong không trung mà không tiếp xúc với nền (khoảng 40% của chu kỳ). Sự kiện khi mà cả hai bàn chân cùng tiếp xúc với mặt đất (có thể là sự tiếp xúc không hoàn toàn) được gọi là pha hai chân trụ.

Pha hai chân trụ xảy ra hai lần trong một chu kỳ đó là thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc chu kỳ. Khi con người chạy thì pha hai 14 chân trụ không xuất hiện. Pha hai chân trụ chiếm khoảng 30% chu kỳ (hình 1. Khoảng thời gian khi chỉ có một chân tiếp xúc với đất gọi là khoảng thời gian một chân trụ và pha này gọi là pha một chân trụ.

Trong chu kỳ đi bộ thì khoảng thời gian một chân trụ bằng khoảng thời gian các chân xoay. Quỹ đạo chuyển động của chân con người khi đi bộ Mô hình cơ hệ con người được sử dụng là mô hình cơ hệ bao gồm các khâu và các khớp (hình 1. Quỹ đạo của chân con người được nghiên cứu để phân tích chuyển động thích hợp của các khâu và khớp trong một bước. Chân xoay và di chuyển của hông bắt buộc phải được tính để đảm bảo ổn định chuyển động khi thay đổi tốc độ và hướng di chuyển.

Nghiên cứu quá trình di chuyển của con người trong các mặt phẳng được Mario Ricardo Arbul´u Saavedra [20] đưa ra trong mô phỏng dưới đây. Trong đó đùi và ống chân được mô hình là các thanh (những đoạn thẳng), bàn chân có dạng một khâu cứng. Liên kết giữa đùi, ống chân và bàn chân là các khớp cầu. Sự lặp lại của đồ thị trong những khoảng thời gian bằng nhau cho ta một mô tả về động lực học của sự di chuyển.

Sơ đồ có đầy đủ hệ trục để tạo ra đồ thị hoàn chỉnh miêu tả đầy đủ các pha và trạng thái di chuyển. Nó có thể sử dụng trực tiếp cho việc phân tích hướng, phản lực, mômen đặt vào khớp, sự thay đổi năng lượng vv… Căn cứ vào sơ đồ đó người quan sát có thể có những thông tin hữu ích. Các tọa độ khớp trong quá trình đi bộ có thể được đo bằng các thiết bị thích hợp hoặc có được thông qua dữ liệu lấy từ các tọa độ suy rộng là các góc quay của khớp nối với chân xoay và quỹ đạo hông từ mô hình động học thuận. Đối với robot dáng người thì các tọa độ khớp là đầu vào cho sự đi bộ.

Các kết quả mô phỏng về di chuyển của chân con người khi đi bộ nhìn từ mặt phẳng đối xứng dọc được thể hiện trong hình 1. Các dáng đi ổn định (Stable Gaits ) 1.