I. Tổng Quan Nghiên Cứu Động Lực Học Robot Hai Chân Hiện Nay
Robot hai chân đang ngày càng thu hút sự chú ý trong lĩnh vực robot học. Khả năng di chuyển linh hoạt và thích ứng với môi trường phức tạp là ưu điểm nổi bật. Bài toán động lực học robot hai chân đặt ra nhiều thách thức, từ việc mô hình hóa chính xác đến việc điều khiển robot hai chân để đạt được sự cân bằng và hiệu quả. Nghiên cứu về robot hai chân không chỉ mang tính học thuật mà còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, dịch vụ, và công nghiệp. Sự phát triển của hệ thống cảm biến robot hai chân và các thuật toán điều khiển tiên tiến là yếu tố then chốt để hiện thực hóa tiềm năng này. Nghiên cứu của Trịnh Quốc Trung là một bước tiếp cận cơ bản, sơ bộ ban đầu có hệ thống để nghiên cứu robot hai chân.
1.1. Giới thiệu chung về Robot Hai Chân Humanoid Robot
Robot hai chân, hay còn gọi là robot humanoid, mô phỏng dáng đi và cử động của con người. Chúng được trang bị các khớp và cơ cấu truyền động để thực hiện các tác vụ di chuyển, thao tác và tương tác với môi trường. Robot hai chân đòi hỏi sự kết hợp phức tạp giữa cơ khí, điện tử và điều khiển. Theo Trịnh Quốc Trung, robot dáng người có nhiều đặc điểm thú vị mà cần được nghiên cứu, đặc biệt là quá trình đi của robot, sự chuyển đổi qua lại giữa hai loại cấu trúc robot đã được biết đến. Robot hai chân được quan tâm nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới như Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ, Đức, Hà Lan, Thuỵ Điển, Trung Quốc v.v…
1.2. Lịch sử phát triển và các ứng dụng của Robot Hai Chân
Lịch sử phát triển robot hai chân trải qua nhiều giai đoạn, từ các thiết kế ban đầu còn thô sơ đến các mẫu robot hiện đại với khả năng di chuyển linh hoạt và trí tuệ nhân tạo. Các ứng dụng của robot hai chân ngày càng mở rộng, bao gồm hỗ trợ người già và người khuyết tật, làm việc trong môi trường nguy hiểm, và phục vụ trong ngành công nghiệp giải trí. Các ứng dụng robot hai chân này cho thấy tiềm năng to lớn của công nghệ này trong tương lai. Một trong những robot dáng người nổi tiếng nhất là ASIMO (Advanced Step in Innovative MObility) được sản xuất và phát triển bởi hãng Honda. Honda đã bí mật nghiên cứu trong vòng 1 thập kỷ trước khi công bố phát triển của robot dáng người thứ hai của họ và là robot đi bộ tự cân bằng đầu tiên trên thế giới vào năm 1996.
II. Thách Thức Nghiên Cứu Động Lực Học Robot Hai Chân
Nghiên cứu động lực học robot hai chân đối mặt với nhiều thách thức. Việc duy trì cân bằng động robot hai chân là một vấn đề nan giải, đặc biệt khi robot di chuyển trên địa hình không bằng phẳng hoặc chịu tác động từ bên ngoài. Mô hình hóa robot hai chân cũng đòi hỏi độ chính xác cao để đảm bảo tính tin cậy của các kết quả mô phỏng và điều khiển. Ngoài ra, việc giải quyết bài toán động lực học ngược robot hai chân và bài toán động lực học thuận robot hai chân cũng là những bài toán phức tạp. Theo nghiên cứu, khi xét quá trình đi của robot thì đó là sự chuyển đổi qua lại giữa hai loại cấu trúc robot đã được biết đến là cấu trúc dạng mạch hở và cấu trúc dạng mạch kín.
2.1. Duy trì Cân Bằng Động và Quản Lý ZMP COP trong di chuyển
Việc duy trì cân bằng động robot hai chân là yếu tố sống còn để đảm bảo robot không bị ngã. Các phương pháp điều khiển thường dựa trên việc quản lý ZMP (Zero Moment Point) và COP (Center of Pressure) để giữ cho trọng tâm của robot nằm trong vùng ổn định. Các thuật toán phức tạp được sử dụng để dự đoán và điều chỉnh vị trí của ZMP và COP trong thời gian thực. Khi robot hai chân bước đi có chu kỳ thì bước đi của nó có thể chia ra là 4 pha: Pha hai chân trụ (Double Support Phase – DSP), Pha trước khi bước (Pre – Swing Phase), Pha một chân trụ (Single Support Phase – SSP), Pha sau khi bước (Post – Swing Phase).
2.2. Độ Phức Tạp của Mô Hình và Bài Toán Động Lực Học Ngược
Mô hình robot hai chân thường có nhiều bậc tự do, dẫn đến độ phức tạp cao trong việc giải quyết bài toán động lực học ngược. Các phương pháp số và giải tích được sử dụng để tìm ra các lực và moment cần thiết để robot thực hiện một chuyển động mong muốn. Việc tính toán chính xác và hiệu quả là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất điều khiển của robot. Theo tài liệu, việc tính toán động lực học, động lực học ngược và điều khiển robot dạng này cũng có những điểm thú vị, thách thức.
III. Phương Pháp Điều Khiển Robot Hai Chân Cách Tiếp Cận Hiệu Quả
Có nhiều phương pháp điều khiển robot hai chân, từ các phương pháp cổ điển như điều khiển PD đến các phương pháp hiện đại như điều khiển thích nghi robot hai chân và điều khiển học máy robot hai chân. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng và yêu cầu khác nhau. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp là yếu tố then chốt để đạt được hiệu suất tối ưu. Nghiên cứu của Trịnh Quốc Trung tập trung vào việc phân tích dáng đi của robot hai chân được mô hình hoá thành dạng hệ nhiều vật, phân tích động học, động lực học và điều khiển mô hình robot hai chân đó theo các bộ tham số đầu vào của một số nhà khoa học đã được đăng trên các tạp chí.
3.1. Điều khiển PD Điều Khiển Trượt và Ứng Dụng Mạng Nơ ron
Các phương pháp điều khiển PD và điều khiển trượt là các phương pháp phổ biến trong điều khiển robot. Điều khiển PD đơn giản và dễ triển khai, trong khi điều khiển trượt có khả năng chống nhiễu tốt hơn. Mạng nơ-ron có thể được sử dụng để tăng cường khả năng thích nghi của hệ thống điều khiển. Điều khiển trượt robot dạng chuỗi; Điều khiển trượt cho robot hai chân; Điều khiển robot theo nguyên lý trượt sử dụng mạng nơ ron là những phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu.
3.2. Sử dụng ZMP và Bộ Điều Khiển Dáng Đi trong điều khiển
Phương pháp điều khiển dựa trên ZMP và bộ điều khiển dáng đi là một cách tiếp cận hiệu quả để đảm bảo cân bằng động robot hai chân. Bộ điều khiển dáng đi được thiết kế để tạo ra quỹ đạo chuyển động phù hợp, trong khi ZMP được sử dụng để kiểm soát sự ổn định của robot. Các thuật toán tối ưu hóa có thể được sử dụng để tìm ra quỹ đạo chuyển động tối ưu. Thiết kế quỹ đạo chuyển động; Pha một chân trụ; Pha hai chân trụ là những yếu tố cần quan tâm trong điều khiển robot hai chân.
IV. Ứng Dụng và Kết Quả Nghiên Cứu Động Lực Học Robot Hai Chân
Kết quả nghiên cứu động lực học robot hai chân có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các robot hai chân có thể được sử dụng trong các công việc nguy hiểm hoặc lặp đi lặp lại, giúp giảm thiểu rủi ro cho con người. Chúng cũng có thể được sử dụng trong lĩnh vực y tế để hỗ trợ phục hồi chức năng cho bệnh nhân. Ngoài ra, robot hai chân có thể được sử dụng trong ngành công nghiệp giải trí để tạo ra các trải nghiệm tương tác mới lạ. Robot có nhiều ứng dụng nhằm thay thế con người trong một số công việc và trong tương lai hướng tới việc thay thế hoàn toàn công việc của con người trong một số lĩnh vực.
4.1. Ứng dụng trong Phục Hồi Chức Năng và Hỗ Trợ Người Khuyết Tật
Robot hai chân có thể được sử dụng để giúp bệnh nhân phục hồi chức năng sau chấn thương hoặc đột quỵ. Các bài tập được thiết kế đặc biệt có thể giúp bệnh nhân cải thiện khả năng đi lại và tăng cường sức mạnh cơ bắp. Robot cũng có thể được sử dụng để hỗ trợ người khuyết tật di chuyển và thực hiện các hoạt động hàng ngày. Các thiết bị sức khỏe cần được chế tạo chính xác, an toàn cần phải có thời gian thí nghiệm, kiểm thử bằng chính việc đo đạc các thông số cơ thể con người.
4.2. Ứng dụng trong Công Nghiệp và Các Môi Trường Nguy Hiểm
Trong môi trường công nghiệp, robot hai chân có thể được sử dụng để thực hiện các công việc lắp ráp, vận chuyển và kiểm tra chất lượng. Chúng cũng có thể được sử dụng trong các môi trường nguy hiểm như khu vực có phóng xạ hoặc hóa chất độc hại. Khả năng di chuyển linh hoạt của robot hai chân giúp chúng thích ứng với các địa hình phức tạp và không gian hạn chế. Robot công nghiệp được sử dụng để thay thế con người làm những công việc nặng nhọc, nguy hiểm nhưng với nhu cầu hướng tới mang tính xã hội thì robot được đặt vào một ví trí, vai trò mới.
V. Hướng Phát Triển Tương Lai cho Robot Hai Chân và Điều Khiển
Tương lai của robot hai chân hứa hẹn nhiều đột phá. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải thiện khả năng điều khiển thích nghi robot hai chân, phát triển các thuật toán học máy robot hai chân tiên tiến, và tích hợp các hệ thống cảm biến robot hai chân thông minh hơn. Mục tiêu là tạo ra các robot hai chân có khả năng tự động điều chỉnh để thích ứng với các môi trường thay đổi và thực hiện các tác vụ phức tạp một cách hiệu quả. Các nghiên cứu về robot hai chân không ngừng được tiếp tục, và các phương pháp điều khiển không ngừng được cải tiến.
5.1. Tối ưu hóa Quỹ Đạo và Học Tăng Cường trong Điều Khiển
Các phương pháp tối ưu hóa quỹ đạo robot hai chân và học tăng cường đang được nghiên cứu để tạo ra các hệ thống điều khiển thông minh hơn. Các thuật toán này cho phép robot tự học và cải thiện hiệu suất của chúng theo thời gian. Việc tích hợp các kỹ thuật này vào các hệ thống điều khiển robot hai chân hứa hẹn sẽ mang lại những kết quả ấn tượng. Nhóm nghiên cứu của giá sư Ichiro Kato, đại học Waseda, người được biết đến như là cha đẻ của robot đi bộ. Robot Wabot được phát triển bởi đại học Waseda từ những năm 1973 đến nay.
5.2. Phát triển Vật Liệu Mới và Thiết Kế Cơ Khí Tiên Tiến
Sự phát triển của vật liệu mới và các thiết kế cơ khí tiên tiến cũng đóng vai trò quan trọng trong tương lai của robot hai chân. Vật liệu nhẹ và bền hơn sẽ giúp giảm trọng lượng của robot và tăng hiệu suất năng lượng. Các thiết kế cơ khí sáng tạo sẽ cho phép robot di chuyển linh hoạt hơn và thích ứng với các địa hình phức tạp. PETMAN đã trình diễn khả năng giữ thăng bằng khi đi ở mức độ đáng kinh ngạc, chưa từng được thấy trong lịch sử của robot đi bộ.
