Tổng quan nghiên cứu

Robot đi hai chân là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành cơ điện tử và robot học, với mục tiêu phát triển các hệ thống robot có khả năng di chuyển linh hoạt, ổn định và mô phỏng chuyển động của con người. Theo báo cáo của ngành, robot dáng người hai chân được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như công nghiệp, y tế, cứu hộ và giải trí. Nghiên cứu về động lực học và điều khiển robot đi hai chân nhằm giải quyết các thách thức về ổn định, điều khiển chuyển động và thiết kế quỹ đạo bước đi phù hợp với môi trường thực tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu động lực học và điều khiển robot đi hai chân trong phạm vi mô hình hệ nhiều vật với năm khâu, phân tích các giai đoạn chuyển động gồm khởi động, bước đi ổn định và dừng lại. Mục tiêu cụ thể là xây dựng các phương pháp tính toán động học ngược, động lực học ngược và thiết kế bộ điều khiển hiệu quả, đảm bảo robot có dáng đi ổn định động lực học. Nghiên cứu được thực hiện trong bối cảnh các robot hai chân đang được phát triển tại nhiều quốc gia công nghiệp như Nhật Bản, Mỹ, Đức và Trung Quốc, đồng thời góp phần thúc đẩy nghiên cứu robot tại Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình robot hai chân kích thước nhỏ, di chuyển trên mặt phẳng bằng phẳng với các bước đi có chu kỳ. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện độ ổn định, giảm sai số góc khớp và tối ưu hóa thời gian mô phỏng, góp phần nâng cao hiệu suất và tính ứng dụng của robot trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình cơ bản trong động lực học và điều khiển robot hai chân, bao gồm:

  • Lý thuyết điểm moment triệt tiêu (Zero Moment Point - ZMP): Đây là tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá sự ổn định động lực học của robot đi hai chân. ZMP được định nghĩa là điểm trên mặt phẳng nền nơi tổng moment do các lực tác dụng lên robot triệt tiêu, đảm bảo robot không bị ngã hoặc lật khi điểm này nằm trong đa giác trụ vững.

  • Mô hình hệ nhiều vật: Robot được mô hình hóa như một hệ gồm năm khâu phẳng trong mặt phẳng đối xứng dọc (Sagittal plane), với các tham số khối lượng, chiều dài, vị trí trọng tâm và moment quán tính được xác định cụ thể.

  • Phương pháp Newton-Raphson cải tiến: Phương pháp số này được sử dụng để giải bài toán động học ngược, giúp xác định tọa độ suy rộng của các khớp trong quá trình chuyển động, đảm bảo độ chính xác cao và giảm sai số tích lũy.

Các khái niệm chính bao gồm: dáng đi ổn định (tĩnh và động lực học), pha một chân trụ (Single Support Phase - SSP), pha hai chân trụ (Double Support Phase - DSP), đa giác trụ vững (Support Polygon - SP), và các điểm ZMP, FZMP (ZMP ảo) và CoP (Center of Pressure).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu chủ yếu là các mô hình toán học và mô phỏng số dựa trên các tham số kỹ thuật của robot hai chân kích thước nhỏ. Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích động học ngược: Sử dụng mô hình hệ nhiều vật và phương pháp Newton-Raphson cải tiến để giải bài toán xác định góc quay các khớp dựa trên quỹ đạo chuyển động của chân và hông.

  • Phân tích động lực học ngược: Thiết lập phương trình Lagrange loại 2 cho hệ nhiều vật, tính toán moment phát động và lực tác dụng trong các pha chuyển động.

  • Thiết kế quỹ đạo chuyển động: Xây dựng các hàm mô tả chuyển động của chân và hông trong các pha một chân trụ và hai chân trụ, đảm bảo tính liên tục và điều kiện biên.

  • Mô phỏng số: Thực hiện mô phỏng chuyển động robot đi bộ 3 bước liên tiếp trên mặt phẳng bằng phẳng, đánh giá các chỉ số như moment phát động, sai số góc khớp và thời gian mô phỏng.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2013, với các bước từ xây dựng mô hình, phân tích lý thuyết, thiết kế thuật toán đến mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Động học ngược giải được với điều kiện bộ tham số phù hợp: Qua phân tích ma trận Jacobi và điều kiện không kỳ dị động học, bài toán động học ngược của robot hai chân được giải thành công với các tham số khớp và quỹ đạo chuyển động được xác định chính xác. Điều kiện này giúp tránh các vị trí không xác định trong quá trình vận hành.

  2. Quỹ đạo chuyển động chân và hông được thiết kế liên tục và ổn định: Các hàm mô tả chuyển động chân theo dạng sin và cos thỏa mãn điều kiện biên, đảm bảo chuyển động mượt mà trong pha một chân trụ và hai chân trụ. Ví dụ, chiều cao nhấc chân tối đa đạt giá trị z_max tại thời điểm giữa pha một chân trụ, giúp tránh va chạm với mặt đất.

  3. Bộ điều khiển PD, trượt và mạng nơ ron cải thiện hiệu suất điều khiển: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển theo nguyên lý trượt sử dụng mạng nơ ron giảm sai số góc khớp xuống khoảng 30% so với bộ điều khiển PD truyền thống, đồng thời giảm moment phát động và thời gian mô phỏng từ khoảng 0.5 giây xuống còn 0.35 giây trong điều kiện độ bất định 0%.

  4. Dáng đi ổn định động lực học được duy trì trong suốt quá trình bước: Điểm ZMP luôn nằm trong đa giác trụ vững, đảm bảo robot không bị ngã khi di chuyển với vận tốc bước ổn định. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này tương đương với các robot HRP-2 và WABIAN-2R.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do việc áp dụng mô hình hệ nhiều vật với năm khâu phẳng, kết hợp phương pháp Newton-Raphson cải tiến giúp giải bài toán động học ngược hiệu quả, đồng thời thiết kế quỹ đạo chuyển động dựa trên các hàm toán học liên tục và có đạo hàm bậc hai liên tục. Việc sử dụng bộ điều khiển trượt kết hợp mạng nơ ron giúp robot thích nghi tốt hơn với các nhiễu và độ bất định trong quá trình vận hành.

So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã mở rộng phạm vi phân tích sang cả giai đoạn khởi động và dừng, đồng thời cung cấp các thuật toán điều khiển mới giúp giảm sai số và tăng tính ổn định. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ moment phát động, sai số góc khớp và vị trí ZMP theo thời gian, minh họa rõ ràng hiệu quả của các phương pháp đề xuất.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp một khung lý thuyết và phương pháp thực nghiệm có thể áp dụng cho các robot hai chân kích thước nhỏ, góp phần nâng cao khả năng điều khiển và ổn định trong môi trường thực tế, từ đó thúc đẩy phát triển robot phục vụ công nghiệp và xã hội.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển bộ điều khiển tích hợp mạng nơ ron và điều khiển trượt: Đề xuất áp dụng rộng rãi bộ điều khiển này nhằm giảm sai số góc khớp và moment phát động, nâng cao độ ổn định động lực học. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do các nhóm nghiên cứu robot và kỹ sư điều khiển thực hiện.

  2. Mở rộng mô hình sang môi trường địa hình không bằng phẳng: Nghiên cứu thêm các yếu tố ảnh hưởng của địa hình gồ ghề, dốc và chướng ngại vật để thiết kế quỹ đạo và điều khiển thích nghi. Thời gian nghiên cứu dự kiến 2-3 năm, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp robot.

  3. Tích hợp cảm biến lực và cảm biến độ nghiêng để cải thiện phản hồi điều khiển: Sử dụng các cảm biến này giúp xác định chính xác vị trí ZMP và CoP, từ đó điều chỉnh chuyển động kịp thời, giảm nguy cơ ngã. Khuyến nghị triển khai trong 1 năm, do các nhóm phát triển phần cứng và phần mềm robot thực hiện.

  4. Phát triển phần mềm mô phỏng và kiểm thử tự động: Xây dựng công cụ mô phỏng đa dạng các tình huống vận hành robot hai chân, giúp đánh giá hiệu quả điều khiển và thiết kế quỹ đạo trước khi áp dụng thực tế. Thời gian phát triển khoảng 1 năm, do các nhóm phần mềm và kỹ thuật robot đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ điện tử, robot học: Luận văn cung cấp nền tảng lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về động lực học và điều khiển robot hai chân, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan.

  2. Kỹ sư phát triển robot công nghiệp và dịch vụ: Các giải pháp điều khiển và thiết kế quỹ đạo trong luận văn giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của robot trong môi trường làm việc thực tế.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và ứng dụng robot: Tham khảo để áp dụng các công nghệ điều khiển tiên tiến, nâng cao chất lượng sản phẩm robot hai chân, đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng tăng.

  4. Các viện nghiên cứu và trung tâm phát triển công nghệ: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để xây dựng các dự án nghiên cứu, phát triển robot phục vụ y tế, cứu hộ và giải trí.

Câu hỏi thường gặp

  1. Robot hai chân có ưu điểm gì so với các loại robot khác?
    Robot hai chân có khả năng di chuyển linh hoạt trên địa hình không bằng phẳng, leo trèo và thực hiện các thao tác tương tự con người, phù hợp với nhiều ứng dụng xã hội và công nghiệp.

  2. Điểm moment triệt tiêu (ZMP) là gì và tại sao quan trọng?
    ZMP là điểm trên mặt phẳng nền nơi tổng moment do các lực tác dụng lên robot triệt tiêu, giúp đánh giá sự ổn định động lực học. Nếu ZMP nằm trong đa giác trụ vững, robot không bị ngã khi di chuyển.

  3. Phương pháp Newton-Raphson cải tiến được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Phương pháp này được sử dụng để giải bài toán động học ngược, xác định chính xác tọa độ suy rộng của các khớp trong quá trình chuyển động, giảm sai số tích lũy và tăng độ chính xác mô phỏng.

  4. Bộ điều khiển trượt kết hợp mạng nơ ron có ưu điểm gì?
    Bộ điều khiển này giúp robot thích nghi tốt hơn với các nhiễu và độ bất định, giảm sai số góc khớp và moment phát động, nâng cao độ ổn định và hiệu suất vận hành.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các robot kích thước lớn hơn không?
    Mô hình và phương pháp nghiên cứu chủ yếu áp dụng cho robot kích thước nhỏ, tuy nhiên các nguyên lý cơ bản có thể được mở rộng và điều chỉnh để phù hợp với robot kích thước lớn hơn trong tương lai.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình động lực học và điều khiển robot đi hai chân dựa trên mô hình hệ nhiều vật với năm khâu, áp dụng phương pháp Newton-Raphson cải tiến giải bài toán động học ngược.
  • Thiết kế quỹ đạo chuyển động và bộ điều khiển trượt kết hợp mạng nơ ron giúp cải thiện đáng kể độ ổn định và giảm sai số góc khớp trong quá trình vận hành.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy robot duy trì dáng đi ổn định động lực học với điểm ZMP luôn nằm trong đa giác trụ vững, tương đương với các robot tiên tiến trên thế giới.
  • Đề xuất các giải pháp phát triển bộ điều khiển tích hợp, mở rộng mô hình sang địa hình phức tạp và tích hợp cảm biến để nâng cao hiệu quả ứng dụng.
  • Khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp trong lĩnh vực robot tham khảo và áp dụng các kết quả nghiên cứu để thúc đẩy phát triển robot hai chân tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo là triển khai các đề xuất nghiên cứu mở rộng và phát triển phần mềm mô phỏng, đồng thời tăng cường hợp tác quốc tế để cập nhật công nghệ mới nhất trong lĩnh vực robot đi hai chân.