Nghiên Cứu Mô Hình Hóa và Điều Khiển Biped Robot

Nghiên cứu mô hình hóa và điều khiển robot dạng người nhỏ đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong… 266 trang · Trường Đại học Công nghệ TP. HCM · 2022.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Tiên
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tấn Tiến
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Hình Hóa và Điều Khiển Robot Dạng Người Nhỏ
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
• 1.2. Tổng quan về robot dạng người
• 1.3. Tổng quan về vấn đề mô hình hoá robot dạng người
• 1.4. Gốc tọa độ cố định
• 1.5. Gốc tọa độ tự do
• 1.6. Tổng quan về vấn đề điều khiển robot dạng người
• 1.7. Tổng quan về vấn đề giữ thăng bằng robot dạng người
• 1.8. Tổng quan về vấn đề liên quan bước đi robot dạng người
• 1.9. Kiểu đi bị động
• 1.10. Kiểu đi chủ động
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Mô tả robot dạng người loại nhỏ
• 2.2. Số bậc tự do ở phần đầu
• 2.3. Số bậc tự do ở phần tay
• 2.4. Số bậc tự do ở phần hông
• 2.5. Số bậc tự do ở phần chân
• 2.6. Các tiêu chí của cơ cấu chấp hành
• 2.7. Các phương án lựa chọn cơ cấu chấp hành được đề xuất
• 2.8. Động học robot dạng người
• 2.9. Động học thuận tay
• 2.10. Động học nghịch tay
• 2.11. Động học thuận chân
• 2.12. Động học nghịch chân
• 2.13. Động lực học tổng quát robot dạng người
• 2.14. Động lực học robot dạng người có phần thân dưới gồm 10 DoF
• 2.15. Tính toán quỹ đạo ZMP
• 2.16. Giải thuật tạo quỹ đạo online cho robot dạng người
• 2.17. Thiết lập quỹ đạo
• 2.18. Quỹ đạo theo phương X
• 2.19. Quỹ đạo theo phương Y
• 2.20. Quỹ đạo theo phương Z
• 2.21. Xác định và kiểm tra ZMP
• 2.21.1. Theo phương X
• 2.21.2. Theo phương Y
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN BƯỚC ĐI CHO ROBOT DẠNG NGƯỜI
• 3.1. Điều khiển trượt
• 3.2. Thiết lập dữ liệu mô phỏng
• 3.3. Kết quả mô phỏng
• 3.4. Điều khiển trượt hồi qui
• 3.5. So sánh kết quả giữa điều khiển trượt và điều khiển trượt hồi qui
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CÂN BẰNG CHO ROBOT DẠNG NGƯỜI
• 4.1. Thiết kế hệ thống cơ cấu cân bằng đối trọng cho robot dạng người
• 4.2. Các tiêu chí đặt ra
• 4.3. Các phương án thiết kế hệ thống cân bằng được đề xuất
• 4.4. Mô hình hóa thiết kế cơ cấu cân bằng đối trọng
• 4.5. Động học của đối trọng robot dạng người
• 4.6. Mối quan hệ giữa khối lượng và tọa độ trọng tâm robot dạng người xcom
• 4.7. Mô phỏng và thực nghiệm
• 4.7.1. Thiết lập dữ liệu mô phỏng
• 4.7.2. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
• 4.7.2.1. Trong trường hợp không có cơ cấu cân bằng đối trọng
• 4.7.2.2. Trong trường hợp có cơ cấu cân bằng đối trọng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• Phụ lục 01: DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Mô Hình Hóa Robot Dạng Người Nhỏ

Nghiên cứu mô hình hóa và điều khiển robot dạng người nhỏ đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ robot. Robot dạng người, hay còn gọi là robot biped, có khả năng di chuyển bằng hai chân, tương tự như con người. Việc phát triển các mô hình động học và động lực học cho loại robot này không chỉ giúp cải thiện khả năng di chuyển mà còn mở ra nhiều ứng dụng trong đời sống. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và điều khiển để robot có thể hoạt động hiệu quả hơn trong môi trường thực tế.

1.1. Định nghĩa và Phân loại Robot Dạng Người

Robot dạng người được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên cấu trúc và chức năng. Các loại robot này có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như dịch vụ, giải trí và nghiên cứu. Việc hiểu rõ về các loại robot này giúp định hình hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai.

1.2. Lịch sử Phát triển Robot Dạng Người

Lịch sử phát triển robot dạng người bắt đầu từ những năm 1950 với các mô hình đơn giản. Qua thời gian, công nghệ đã tiến bộ đáng kể, cho phép tạo ra những robot phức tạp hơn với khả năng di chuyển và tương tác tốt hơn. Những bước tiến này đã mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới trong lĩnh vực robot.

II. Thách Thức trong Nghiên Cứu Robot Dạng Người Nhỏ

Mặc dù có nhiều tiến bộ, việc nghiên cứu và phát triển robot dạng người vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định trong di chuyển, khả năng tương tác với môi trường và hiệu suất năng lượng là những yếu tố cần được giải quyết. Đặc biệt, việc duy trì thăng bằng trong quá trình di chuyển là một trong những thách thức lớn nhất mà các nhà nghiên cứu phải đối mặt.

2.1. Vấn Đề Thăng Bằng trong Di Chuyển

Thăng bằng là yếu tố quan trọng giúp robot có thể di chuyển một cách tự nhiên. Các nghiên cứu hiện tại đang tìm kiếm các phương pháp điều khiển hiệu quả để duy trì thăng bằng cho robot trong quá trình di chuyển.

2.2. Khó Khăn trong Mô Hình Hóa Động Lực Học

Mô hình hóa động lực học cho robot dạng người là một nhiệm vụ phức tạp do số lượng bậc tự do lớn. Việc xây dựng các mô hình chính xác là cần thiết để đảm bảo robot có thể hoạt động hiệu quả trong các tình huống khác nhau.

III. Phương Pháp Mô Hình Hóa Robot Dạng Người Nhỏ

Để giải quyết các thách thức trong nghiên cứu, nhiều phương pháp mô hình hóa đã được đề xuất. Các phương pháp này bao gồm mô hình hóa động học, động lực học và các thuật toán điều khiển. Việc áp dụng các phương pháp này giúp cải thiện khả năng di chuyển và thăng bằng của robot.

3.1. Mô Hình Hóa Động Học Robot

Mô hình hóa động học giúp xác định các chuyển động của robot trong không gian. Các mô hình này thường sử dụng các phương pháp toán học để mô tả chuyển động của từng bậc tự do.

3.2. Mô Hình Hóa Động Lực Học Robot

Mô hình hóa động lực học tập trung vào việc phân tích lực và mô men tác động lên robot. Điều này giúp xác định cách robot phản ứng với các lực bên ngoài và duy trì thăng bằng trong quá trình di chuyển.

IV. Giải Pháp Điều Khiển Robot Dạng Người Nhỏ

Các giải pháp điều khiển cho robot dạng người nhỏ bao gồm việc sử dụng các bộ điều khiển trượt và hồi quy. Những giải pháp này giúp robot có thể di chuyển theo quỹ đạo đã được cài đặt trước, đồng thời duy trì thăng bằng trong quá trình di chuyển.

4.1. Bộ Điều Khiển Trượt

Bộ điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển hiệu quả giúp robot duy trì thăng bằng trong quá trình di chuyển. Phương pháp này sử dụng các thuật toán để điều chỉnh các tín hiệu điều khiển nhằm đạt được trạng thái ổn định.

4.2. Bộ Điều Khiển Hồi Quy

Bộ điều khiển hồi quy là một giải pháp khác giúp cải thiện khả năng điều khiển của robot. Phương pháp này cho phép robot điều chỉnh các chuyển động của mình dựa trên phản hồi từ môi trường xung quanh.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn của Robot Dạng Người Nhỏ

Robot dạng người nhỏ có nhiều ứng dụng thực tiễn trong đời sống. Chúng có thể được sử dụng trong các lĩnh vực như dịch vụ, giáo dục và giải trí. Việc phát triển các robot này không chỉ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và phát triển công nghệ.

5.1. Ứng Dụng trong Dịch Vụ

Robot dạng người có thể được sử dụng trong các dịch vụ như chăm sóc người già, hỗ trợ y tế và giáo dục. Chúng giúp nâng cao hiệu quả công việc và giảm bớt gánh nặng cho con người.

5.2. Ứng Dụng trong Giải Trí

Trong lĩnh vực giải trí, robot dạng người có thể tham gia vào các hoạt động như biểu diễn nghệ thuật, tương tác với khán giả và tham gia vào các trò chơi. Điều này không chỉ mang lại trải nghiệm mới mẻ mà còn thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp giải trí.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu mô hình hóa và điều khiển robot dạng người nhỏ đang mở ra nhiều cơ hội mới trong công nghệ. Các thách thức hiện tại cần được giải quyết để phát triển các robot có khả năng hoạt động hiệu quả hơn. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc cải thiện khả năng tương tác và tự động hóa của robot.

6.1. Hướng Phát Triển Công Nghệ Robot

Công nghệ robot sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của các tiến bộ trong trí tuệ nhân tạo và học máy. Điều này sẽ giúp robot trở nên thông minh hơn và có khả năng tương tác tốt hơn với con người.

6.2. Tương Lai của Robot Dạng Người

Robot dạng người có tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực. Việc nghiên cứu và phát triển các robot này sẽ góp phần vào sự tiến bộ của xã hội và nâng cao chất lượng cuộc sống.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật điện (mã số: 62520202) của nghiên cứu sinh Nguyễn Xuân Tiên, với đề tài "Nghiên cứu mô hình hóa và điều khiển Biped Robot", được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM (HUTECH) dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Tấn Tiến và PGS. Nguyễn Thanh Phương, bảo vệ thành công ngày 13 tháng 8 năm 2022.

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, robot dạng người hai chân (Biped Robot) là hệ thống cơ điện tử phi tuyến nhiều bậc tự do, chịu tác động của nhiều thành phần bất định và tín hiệu nhiễu từ môi trường. Trong quá trình di chuyển, việc duy trì sự ổn định động lực học và tạo dáng đi tự nhiên là thách thức lớn. Các thiết kế robot hai chân loại nhỏ hiện hành thường phải lắc hông nhiều hoặc nghiêng khớp cổ chân để chuyển trọng tâm vào mặt chân đế, dẫn đến hiện tượng lắc lư thân trên, dáng đi gượng gạo và dễ mất ổn định khi chịu tác động ngoại lực. Luận án tập trung giải quyết bài toán mô hình hóa động lực học thân dưới xuyên suốt, thiết kế bộ điều khiển bền vững bám quỹ đạo và bổ sung cơ cấu cân bằng đối trọng chủ động nhằm cải thiện dáng đi.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm ba nội dung:

1. Mô hình hóa hệ thống robot dạng người loại nhỏ.
2. Thiết kế giải thuật điều khiển bước đi cho robot dạng người.
3. Thiết kế cơ cấu cân bằng đối trọng nhằm giảm độ nghiêng thân của robot khi bước đi, giúp dáng đi tiếp cận gần hơn với dáng đi của con người.

Nhiệm vụ và giới hạn nghiên cứu được xác định cụ thể:

1. Mô hình hóa động học, động lực học toàn diện cho mẫu robot 17 bậc tự do (DoF) và mô hình hóa động lực học tổng quát cho phần thân dưới gồm 10 DoF như một chuỗi cánh tay máy nối liền từ chân này sang chân kia.
2. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển trượt (SMC) và bộ điều khiển trượt hồi quy (Backstepping SMC) cho bước đi của robot thân dưới 10 DoF trên phần mềm Matlab.
3. Thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm cơ cấu cân bằng đối trọng đặt tại bụng robot 17 DoF nhằm giữ ổn định trọng tâm theo tiêu chuẩn ZMP.
4. Giới hạn nghiên cứu: Luận án chỉ tập trung vào chuyển động bước đi thẳng trên mặt phẳng nằm ngang tuyệt đối, chưa khảo sát chuyển động rẽ hướng (trái, phải), địa hình dốc gồ ghề và robot không trang bị hệ thống cảm biến nghe nhìn (camera, micro).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu là mẫu robot dạng người loại nhỏ có chiều cao 31,7 cm, khối lượng 2,1 kg với tổng cộng 17 bậc tự do, sử dụng động cơ DC Servo dạng mô-đun, được phát triển tại Trung tâm nghiên cứu Thiết bị và Công nghệ Cơ khí Bách khoa (HiTechLab) và Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống (DCSELab) - Trường Đại học Bách khoa TP.HCM.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa các thành tựu phát triển robot dạng người trên thế giới theo các nhóm chủ đề chuyên biệt:

Các nền tảng robot dạng người điển hình: Tác giả điểm lại các dòng robot kích thước lớn như WABIAN-2 của Đại học Waseda (2006) với khả năng chuyển động thân linh hoạt; ASIMO của Honda; HRP của AIST/Kawada phát triển trên nền tảng phần mềm mở; KHR của KAIST với cử động khớp gối và biểu cảm đầu; PETProto, Petman, Atlas của Boston Dynamics; Valkyrie của NASA với khớp đàn hồi và điều khiển phân cấp. Ở phân khúc thương mại và giáo dục, tác giả phân tích robot Nao của Aldebaran Robotics, iCub, DARwIn-OP, UXA-90 LIGHT, Alpha2 của UBTECH Robotics, Robi của Tomotaka Takahashi, SDR-4X của Sony và HRP-4C.

Về mô hình hóa: Các nghiên cứu được phân loại thành hai nhóm:

1. Gốc tọa độ cố định: Xem hệ thống hai chân tiếp xúc mặt đất như cánh tay máy, tiêu biểu là BIPER-3 (3 khâu) của Miura và Shinoyama, mô hình 5 khâu của M. Raibert, mô hình RABBIT (7 khâu giảm xuống 5 DoF trên mặt phẳng 2D) của Plestan và cộng sự.
2. Gốc tọa độ tự do: Mô hình cấu trúc cây xuất phát từ thân xuống chân của Yoonkwon Hwang; Saika-3 của Đại học Tohoku; chuỗi động học mở của Park và Kim; và mô hình đặt gốc tại hông của CHARLI-2 (Đại học Virginia Tech RoMeLa).

Về điều khiển bước đi và thăng bằng: Nghiên cứu điểm lại phương pháp ước lượng tâm khối lượng (CoM) bằng cảm biến lực/mô-men và bộ lọc Kalman của Kwon và Oh; hiệu chỉnh tư thế bù lệch của Kim và cộng sự; tính toán gradient mô-men khớp của Suleiman và cộng sự; xác định CoM thời gian thực của Kenji và Atsuo. Về bộ điều khiển khớp, Jun-Ho Oh và cộng sự dùng PD trên KHR-3; Park và Kim áp dụng Computed Torque Controller (CTC) cho robot 7 khâu; CHARLI-2 dùng bộ vi phân dựa trên dữ liệu IMU. Đối với điều khiển phi tuyến bền vững, Raibert và cộng sự chứng minh tính ưu việt của điều khiển trượt (SMC) so với PID và CTC; Moosavian và cộng sự áp dụng điều tiết mờ SMC để giảm hiện tượng chattering; In-Gyu Park và Jin-Geol Kim ứng dụng SMC điều khiển từng chân robot.

Về chiến lược bước đi và giữ thăng bằng: Luận án phân tích ba hướng giữ thăng bằng kinh điển: điều khiển mắt cá chân (Kim và cộng sự), điều khiển hông (Goswami và cộng sự) và bước thêm bước (Pratt và cộng sự dựa trên mô hình con lắc ngược). Về kiểu đi, tác giả phân tích kiểu đi bị động (passive walking) dựa trên trọng lực từ cơ cấu 4 thanh của McGeer (1980), 2 thanh của Goswami, Espiau, Keramane (1990), mô hình 3D của Collins và mô hình 10 DoF của Adolfsson; đối chiếu với kiểu đi chủ động dựa trên cân bằng tĩnh và cân bằng động qua tiêu chuẩn điểm không mô-men (Zero Moment Point - ZMP) của Miomir Vukobratovic (1972) cùng hoạch định quỹ đạo đa thức Bézier của E. Westervelt.

Khoảng trống nghiên cứu: Phần lớn các công trình trước đây mô hình hóa hai chân như hai chuỗi động học riêng biệt tách rời tại hông hoặc sử dụng các mô hình rút gọn điểm khối lượng. Việc thiếu một mô hình động lực học giải tích tổng quát xem toàn bộ 10 bậc tự do thân dưới như một chuỗi hở xuyên suốt từ chân tựa sang chân vung gây khó khăn cho việc áp dụng các luật điều khiển phi tuyến bậc cao. Đồng thời, việc giữ thăng bằng trên robot cỡ nhỏ phụ thuộc hoàn toàn vào chuyển động nghiêng cổ chân và lắc hông khiến thân trên dao động mạnh. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách kết hợp mô hình hóa chuỗi 10 DoF, áp dụng bộ điều khiển trượt hồi quy và thiết kế cơ cấu đối trọng chủ động tại bụng.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các nền tảng lý thuyết và công cụ phân tích toán học sau:

• Quy tắc Denavit-Hartenberg (D-H): Thiết lập hệ trục tọa độ cục bộ tại từng khớp xoay, xác định các ma trận biến đổi thuần nhất $T_i^{i-1}$ biểu diễn vị trí và hướng của các khâu cơ khí.
• Cơ học Lagrange: Thiết lập phương trình vi phân động lực học tổng quát cho hệ nhiều vật dưới dạng ma trận: $M(\theta)\ddot{\theta} + C(\theta, \dot{\theta})\dot{\theta} + G(\theta) = \tau$.
• Tiêu chuẩn điểm không mô-men (ZMP): Điểm trên mặt đất mà tại đó tổng mô-men của các lực quán tính và trọng lực theo phương ngang triệt tiêu. Điều kiện giữ thăng bằng động là điểm ZMP phải luôn nằm trong đa giác tiếp xúc của mặt chân đế (SSP khi đứng 1 chân và DSP khi đứng 2 chân).
• Mô hình con lắc ngược 3D tuyến tính (Linear Inverted Pendulum Model - LIPM): Ràng buộc tâm khối lượng chuyển động trên mặt phẳng nằm ngang song song với mặt đất nhằm tuyến tính hóa phương trình động lực học ZMP.
• Quỹ đạo Cycloid: Áp dụng để tạo quỹ đạo chuyển động trơn tru cho bàn chân vung và khớp hông theo các phương X, Y, Z, đảm bảo vận tốc và gia tốc liên tục tại các thời điểm tiếp đất và nhấc chân.
• Lý thuyết điều khiển phi tuyến: Cấu trúc bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) và kỹ thuật thiết kế điều khiển trượt hồi quy (Backstepping SMC) dựa trên hàm ứng viên Lyapunov nhằm triệt tiêu sai số bám quỹ đạo và kháng nhiễu.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

• Nghiên cứu lý thuyết: Giải tích toán học động học thuận, động học nghịch và động lực học; xây dựng giải thuật tạo quỹ đạo bước đi trực tuyến (online trajectory generation).
• Phương pháp mô phỏng: Lập trình giải thuật, tính toán quỹ đạo, kiểm tra tiêu chí ZMP và khảo sát đáp ứng các bộ điều khiển SMC, Backstepping SMC trên phần mềm Matlab; mô phỏng động học, va chạm chân đế và chuyển động toàn thân trong môi trường Gazebo.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mẫu thử nghiệm robot 17 DoF với kết cấu khung cơ khí, tích hợp động cơ DC Servo dạng mô-đun giao tiếp RS232 theo chuỗi (daisy chain), kiểm chứng hoạt động của cơ cấu cân bằng đối trọng tại bụng robot trong phòng thí nghiệm.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về lịch sử phát triển của robot công nghiệp và robot dịch vụ, phân tích các xu hướng nghiên cứu robot dạng người trên thế giới. Tác giả phân loại chi tiết các phương pháp mô hình hóa (gốc tọa độ cố định và gốc tọa độ tự do), các giải thuật điều khiển vị trí/mô-men khớp, các kỹ thuật giữ thăng bằng (mắt cá chân, khớp hông, bước phụ) và các dạng bước đi (bị động và chủ động). Chương này chỉ ra rằng chuyển động bước đi của con người gồm chu kỳ hai pha: pha đứng (stance phase, chiếm khoảng 60% chu kỳ) và pha vung (swing phase, chiếm khoảng 40% chu kỳ), trong đó trạng thái hai chân cùng tiếp xúc mặt đất (double support) chiếm 20% chu kỳ. Tác giả xác lập hướng đi của đề tài là áp dụng nguyên lý cân bằng động ZMP kết hợp mô hình hóa chính xác và bộ điều khiển phi tuyến bền vững.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 tập trung vào việc mô tả cấu trúc vật lý và toán học hóa chuyển động của robot. Tác giả phân tích các phương án lựa chọn bậc tự do và cơ cấu chấp hành:

• Phần đầu: 0 DoF do không gắn cảm biến quan sát.
• Phần tay: 3 DoF mỗi tay (2 DoF tại khớp vai, 1 DoF tại khớp khuỷu), loại bỏ phương án $\ge 4$ DoF để tránh làm dài cánh tay gây mất cân đối.
• Phần hông: 0 DoF độc lập (các bậc tự do xoay được tích hợp vào chuỗi liên kết chân).
• Phần chân: 5 DoF mỗi chân (2 DoF tại hông, 1 DoF tại gối, 2 DoF tại cổ chân).

Bộ phận	Số DoF lựa chọn	Cấu hình khớp chi tiết	Rationale lựa chọn
Đầu	0	Không có khớp chuyển động	Không bố trí camera/cảm biến khoảng cách
Tay (mỗi bên)	3	2 khớp vai, 1 khớp khuỷu	Đảm bảo biên độ vung tay tự nhiên, tay không quá dài
Hông	0	Không có khớp độc lập	Giảm khối lượng, chuyển động xoay tích hợp vào chân
Chân (mỗi bên)	5	2 khớp hông, 1 khớp gối, 2 khớp cổ chân	Cho phép nhấc chân thẳng đứng, di chuyển phẳng ổn định
Bụng	1	1 khớp tịnh tiến ngang	Dành riêng cho cơ cấu cân bằng đối trọng
Toàn thân	17	6 DoF tay + 10 DoF chân + 1 DoF bụng	Tối ưu hóa cấu trúc cơ khí và tải trọng 2,1 kg

Về cơ cấu chấp hành, tác giả so sánh 3 phương án:

1. Động cơ Step/RC Servo (điều khiển vòng hở, không có phản hồi vị trí/tải, kết nối hình sao phức tạp).
2. Động cơ DC Servo thông thường kèm hộp giảm tốc và encoder (kích thước thon dài, khó bố trí cơ khí).
3. Động cơ DC Servo dạng mô-đun tích hợp sẵn mạch điều khiển, biến trở xoay và hộp giảm tốc trong một khối nhỏ gọn, hỗ trợ chuẩn giao tiếp nối tiếp drop-out/daisy-chain. Phương án 3 được lựa chọn. Mạng truyền thông dùng chuẩn RS232 ở mức logic TTL, máy tính đóng vai trò Master và các động cơ là Slave. Hệ thống bổ sung các đi-ốt ngăn ngừa ngắn mạch tại chân TXD và điện trở kéo lên ở chân RXD.

Tác giả thiết lập bảng thông số Denavit-Hartenberg (D-H) cho cánh tay phải và chân phải, giải bài toán động học thuận bằng các ma trận biến đổi thuần nhất $T_i^{i-1}$ và động học nghịch bằng phương pháp hình học kết hợp đại số. Động lực học thân dưới gồm 10 DoF được mô hình hóa xuyên suốt từ chân tựa qua hông sang chân vung bằng phương trình vi phân phi tuyến bậc hai. Quỹ đạo chuyển động của hông và cổ chân được thiết lập theo đường cong cycloid kết hợp mô hình con lắc ngược 3D tuyến tính để tính toán tọa độ quỹ đạo ZMP mong muốn theo phương X và phương Y.

Chương 3: Điều khiển bước đi cho robot dạng người

Chương 3 trình bày việc thiết kế hai bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống thân dưới 10 bậc tự do:

1. Bộ điều khiển trượt (SMC): Xây dựng mặt phẳng trượt $S = \dot{e} + \lambda e$ với $e = \theta - \theta_d$. Luật điều khiển bao gồm thành phần tương đương và thành phần đóng cắt để triệt tiêu ảnh hưởng của bất định và nhiễu.
2. Bộ điều khiển trượt hồi quy (Backstepping SMC): Kết hợp thuật toán Backstepping từng bước với mặt trượt để đảm bảo tính ổn định tiệm cận toàn cục theo tiêu chuẩn Lyapunov.

Tác giả thực hiện mô phỏng trên Matlab với các bộ thông số động lực học thực tế của 10 khớp ($\theta_1$ đến $\theta_{10}$). Kết quả so sánh cho thấy:

• Cả hai bộ điều khiển đều điều khiển được 10 góc khớp bám theo quỹ đạo đặt và đảm bảo mặt phẳng trượt hội tụ về 0.
• Bộ điều khiển trượt hồi quy (Backstepping SMC) cho chất lượng bám quỹ đạo vượt trội, thời gian xác lập nhanh hơn, biên độ sai số xác lập nhỏ hơn và giảm thiểu rõ rệt hiện tượng chattering ở tín hiệu điều khiển mô-men ($\tau_1$ đến $\tau_{10}$) so với bộ điều khiển trượt thông thường. Quỹ đạo trọng tâm COM theo các trục x, y, z được duy trì chính xác.

Chương 4: Thiết kế cân bằng cho robot dạng người

Chương 4 nghiên cứu giải pháp giữ thăng bằng chủ động bằng cơ cấu đối trọng tịnh tiến đặt tại phần bụng của robot. Tác giả khảo sát 3 phương án thiết kế cơ cấu tịnh tiến:

1. Phương án 1: Truyền động thanh răng - bánh răng sử dụng cụm động cơ LX16A kéo 2 khối đối trọng trượt trên ray.
2. Phương án 2: Truyền động vít-me sử dụng động cơ DC Gearbox GM12F dẫn động con trượt mang đối trọng.
3. Phương án 3: Cơ cấu tịnh tiến truyền động dạng con lắc.

Phương án truyền động vít-me được lựa chọn do đảm bảo độ chính xác định vị cao, kết cấu gọn nhẹ và khả năng tự hãm tốt. Tác giả xây dựng phương trình động học đối trọng, xác định mối quan hệ định lượng giữa độ dịch chuyển của đối trọng $y_{cw}$ với tọa độ trọng tâm toàn phần $x_{com}, y_{com}$ của robot.

Mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng được tiến hành trên Matlab và Gazebo cho hai trường hợp:

• Khi không có cơ cấu đối trọng: Trọng tâm robot dao động lớn theo phương ngang (trục Y), đồ thị ZMP tiến sát biên vùng chân đế, robot bị nghiêng người nhiều khi nhấc chân vung và có nguy cơ ngã cao nếu không lắc hông biên độ lớn.
• Khi có cơ cấu đối trọng: Khi chân vung nhấc lên, đối trọng tự động dịch chuyển sang phía chân trụ ngược chiều với xu hướng lệch tâm, giữ cho hình chiếu COM và điểm ZMP luôn nằm sâu bên trong đa giác chân đế tiếp xúc. Robot giữ được tư thế thân trên thẳng đứng, giảm hiện tượng lắc hông và nghiêng cổ chân, hoàn thành chu kỳ bước đi ổn định.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tổng kết các kết quả nghiên cứu đã đạt được của luận án và vạch ra các định hướng phát triển tiếp theo nhằm hoàn thiện nền tảng robot dạng người.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Căn cứ vào nội dung văn bản luận án, các đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật bao gồm:

1. Về mô hình học: Đề xuất phương pháp mô hình hóa động học và động lực học tổng quát cho phần thân dưới robot dạng người gồm 10 bậc tự do theo dạng chuỗi cánh tay máy nối liền từ chân này sang chân kia. Mô hình này làm sáng tỏ tương tác động lực học giữa hai chi dưới và là cơ sở toán học thuận lợi cho việc thiết kế bộ điều khiển đa biến.
2. Về thuật toán điều khiển: Thiết kế và mô phỏng thành công bộ điều khiển trượt hồi quy (Backstepping SMC) cho hệ thống bước đi 10 DoF của robot trên Matlab. Kết quả chứng minh bộ điều khiển trượt hồi quy nâng cao độ chính xác bám quỹ đạo góc khớp và giảm hiện tượng chattering so với điều khiển trượt truyền thống.
3. Về giải pháp cơ khí và cân bằng động: Đề xuất, thiết kế và thử nghiệm thành công cơ cấu cân bằng đối trọng chủ động 1 DoF đặt tại bụng robot 17 DoF. Cơ cấu này điều chỉnh linh hoạt vị trí tâm khối lượng toàn phần, thỏa mãn tiêu chuẩn ZMP mà không yêu cầu robot phải nghiêng lắc thân quá mức, giúp cải thiện đáng kể dáng đi tiệm cận với chuyển động bước đi tự nhiên của con người.
4. Kiến nghị ứng dụng: Mô hình toán và giải thuật điều khiển của luận án có thể chuyển giao làm tài liệu cơ sở để mở rộng nghiên cứu mô hình hóa cho các hệ robot hai chân có số bậc tự do lớn hơn hoặc các mẫu robot dịch vụ có kích thước tương đương người thật trong tương lai.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu (theo công bố của tác giả):

• Nghiên cứu chỉ mới tập trung vào mô hình bước đi thẳng trên bề mặt phẳng tuyệt đối, chưa xây dựng giải thuật tạo quỹ đạo và điều khiển cho chuyển động rẽ hướng (quay trái, quay phải).
• Cấu trúc bàn chân robot là bề mặt phẳng cứng, chưa được trang bị lớp đệm cao su giảm chấn để hấp thu phản lực va chạm từ mặt đất khi tiếp gót.
• Robot chưa tích hợp hệ thống cảm biến thị giác (camera) hoặc cảm biến lực đa trục tại bàn chân để nhận dạng môi trường và phản hồi lực thời gian thực.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Nghiên cứu giải thuật hoạch định quỹ đạo bước đi và bộ điều khiển cho robot khi thực hiện động tác chuyển hướng, quay vòng và di chuyển trên địa hình không bằng phẳng hoặc bậc thang.
• Thiết kế bổ sung lớp vật liệu đàn hồi giảm chấn tại bàn chân nhằm giảm tải trọng va đập động học lên các cơ cấu khớp servo.
• Tích hợp thêm cảm biến lực tiếp xúc (Force/Torque sensors) ở lòng bàn chân và hệ thống cảm biến quán tính (IMU), camera nhận dạng để hoàn thiện hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín thích nghi với môi trường thực tế.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng nghiên cứu sau:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp mô hình hóa D-H cho chuỗi động học hở nhiều bậc tự do, kỹ thuật giải động học ngược hình học - đại số, phương pháp thiết lập phương trình động lực học Lagrange và quy trình thiết kế bộ điều khiển phi tuyến trượt hồi quy trên Matlab.
• Các kỹ sư thiết kế phần cứng robot: Tham khảo quy chuẩn lựa chọn bậc tự do, cấu hình phân bố động cơ DC Servo dạng mô-đun, phương thức truyền thông nối tiếp RS232 đa điểm (Daisy-chain) và bản vẽ nguyên lý cơ cấu cân bằng đối trọng tịnh tiến bằng trục vít-me.
• Các nhà nghiên cứu về robot dịch vụ: Tham khảo giải pháp cân bằng ZMP chủ động bằng cơ cấu đối trọng tại thân trên nhằm giải quyết bài toán rung lắc và nâng cao độ ổn định động học cho robot hai chân cỡ nhỏ.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Mẫu robot dạng người trong luận án có cấu hình phần cứng và kích thước như thế nào?
Robot có chiều cao 31,7 cm, tổng khối lượng 2,1 kg, sở hữu 17 bậc tự do (DoF) gồm: 3 DoF ở mỗi tay (2 khớp vai, 1 khớp khuỷu), 5 DoF ở mỗi chân (2 khớp hông, 1 khớp gối, 2 khớp cổ chân) và 1 DoF ở bụng dành cho đối trọng. Toàn bộ các khớp sử dụng động cơ DC Servo dạng mô-đun giao tiếp RS232 theo chuỗi.

2. Tại sao luận án mô hình hóa phần thân dưới của robot như một cánh tay máy 10 bậc tự do?
Xuyên suốt quá trình di chuyển, robot luôn có ít nhất một chân tiếp xúc mặt đất làm chân trụ. Việc xem toàn bộ 10 khớp của hai chân và hông như một chuỗi động học cánh tay máy liên tục từ chân tựa sang chân vung cho phép thiết lập một phương trình vi phân động lực học giải tích toàn vẹn, giúp tính toán chính xác lực tương tác và thiết kế bộ điều khiển đa biến thống nhất.

3. Cơ cấu cân bằng đối trọng tại bụng robot hoạt động theo nguyên lý nào và mang lại lợi ích gì?
Cơ cấu sử dụng động cơ DC Gearbox GM12F dẫn động trục vít-me đưa khối đối trọng tịnh tiến theo phương ngang (trục Y). Khi robot nhấc một chân để bước, đối trọng dịch chuyển về hướng ngược lại nhằm kéo tâm khối lượng CoM của hệ thống về vị trí mong muốn, đảm bảo điểm ZMP luôn nằm trong mặt chân đế mà robot không cần phải lắc mạnh khớp hông hay nghiêng vẹo cổ chân.

4. Kết quả so sánh giữa bộ điều khiển trượt (SMC) và bộ điều khiển trượt hồi quy (Backstepping SMC) ra sao?
Mô phỏng trên Matlab cho thấy cả hai bộ điều khiển đều giúp 10 góc khớp bám theo quỹ đạo đặt, nhưng bộ điều khiển trượt hồi quy (Backstepping SMC) đạt chất lượng vượt trội hơn với sai số xác lập nhỏ hơn, tốc độ hội tụ nhanh hơn và giảm thiểu hiện tượng chattering ở tín hiệu mô-men điều khiển.

5. Luận án đã sử dụng những phần mềm và môi trường nào để mô phỏng và kiểm chứng kết quả?
Tác giả sử dụng phần mềm Matlab để tính toán động học, động lực học, lập trình tạo quỹ đạo cycloid, kiểm tra điều kiện ZMP và mô phỏng thuật toán điều khiển SMC/Backstepping SMC; đồng thời sử dụng môi trường Gazebo để mô phỏng tương tác vật lý toàn thân và chuyển động bước đi của mô hình robot.

---

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu mô hình hóa và điều khiển Biped Robot" của tác giả Nguyễn Xuân Tiên đã giải quyết thành công bài toán mô hình hóa động học, động lực học tổng quát cho phần thân dưới 10 bậc tự do của robot dạng người loại nhỏ. Tác giả đã thiết kế và mô phỏng hiệu quả bộ điều khiển trượt hồi quy giúp các khớp chân bám chính xác quỹ đạo chuyển động, đồng thời hiện thực hóa cơ cấu cân bằng đối trọng 1 DoF tại bụng để duy trì điểm ZMP ổn định trong mặt chân đế. Toàn bộ kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng trên Matlab/Gazebo và thực nghiệm trên mẫu robot 17 DoF cao 31,7 cm đã chứng minh tính khả thi của giải pháp trong việc cải thiện độ ổn định và tự nhiên hóa dáng đi của robot hai chân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Xét về lí thuyết robot là một loại máy được lập trình sẵn các chương trình hoạt động trên các bo vi mạch điện tử hoặc được điều khiển bởi hệ thống máy tính, để từ đó chúng có thể thực hiện những công việc nhất định một cách tự động, không có sự tham gia của con người. Nếu xét ở khía cạnh kỹ thuật robot là một hệ thống cơ khí - điện - điện tử, hoàn toàn được làm ra dưới bàn tay con người.

Thiết kế robot có thể có dạng người ở mức độ khác nhau, tùy theo các mục đích chức năng. Trong hai thập kỷ qua, lĩnh vực nghiên cứu robot dạng người đã chứng kiến các tiến bộ đáng kể và nhiều dự án robot dạng người đã được phát triển không ngừng trong ngành công nghiệp thứ cấp. Tổng quan về robot dạng người. Trong các lĩnh vực công nghiệp, robot được đánh giá là sẽ thay thế sức lao động của con người, cũng như thay thế các khả năng xữ lý khác của con người.

Robot dạng người được phát triển càng giống người càng tốt. Với sự trợ giúp của sự phát triển công nghệ bao gồm các hệ truyền động tốt hơn và công cụ tính toán mạnh mẻ hơn, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu nhiều dạng rotbot khác nhau như: đi bộ, nhảy…có dạnh hình người với một mục tiêu chung là tạo ra một robot có thể giúp đỡ và hợp tác với con người. Khi hợp tác với con người, thiết kế dạng người rất có lợi do có thể sử dụng các vật dụng thường ngày: cửa, bàn ghế, và cầu thang. Việc này giúp đơn giản hóa các công việc mà robot dạng người phải làm đồng thời hạn chế phải thay đổi môi trường xung quanh cho phù hợp với chúng [1].

Chẳng hạn như Robonaut của NASA có khả năng làm việc chung và sử dụng các công cụ của con người [2]. Humanoid robot còn có thể sử dụng các máy móc [3] bằng cách được điều khiển từ xa bởi con người. Trong số này, robot dạng người đi bộ bằng hai chân sẽ là nền tảng cho robot thân thiện với con người, tương tác với con người và giao tiếp với con người. Ngoài ưu điểm giúp robot dạng người di chuyển trên các địa hình mà con người đi được [4], cấu hình hai chân sẽ giúp chúng cơ động hơn, có thể vươn người tới, kéo vật nặng bằng cả cơ thể, hoặc bò dưới vật cản [5, 6].

Các dạng robot dạng người đầu tiên được Trường Khoa học & Kỹ thuật của Đại học Waseda đã tham gia thành lập "Nhóm kỹ thuật sinh học" bắt đầu dự án robot. Năm 2006 robot dạng người WABIAN-2 [7] có thân được thiết kế để 5 cho phép quay vòng, di chuyển tiến lùi và di chuyển linh hoạt trái phải (Hình 1. Hơn nữa, cánh tay của nó được thiết kế để hỗ trợ trọng lượng hoàn chỉnh của nó khi đẩy máy trợ giúp đi bộ, nó có thể dựa vào một máy trợ giúp đi bộ kiểm soát cánh tay bằng cách sử dụng chuyển động thân. Để robot dạng người có thể bước đi hiệu quả hơn cần phải xác định các thông số đi bộ như quỹ đạo chân.

Các robot dạng người ASIMO [8-10] có thể hỗ trợ con người trong các công việc hàng ngày của họ, mang lại giá trị bổ sung cho xã hội loài người (Hình 1. Robot dạng người HRP [11, 12] được phát triển dựa trên robot hình người và phần mềm mở gồm một trình mô phỏng động lực học và các bộ điều khiển chuyển động của robot để chuyển động bằng hai chân (Hình 1. Một thiết kế khác (Hình 1.4) giúp cho việc kiểm soát chuyển động đứng lên và ngồi xuống bằng một chân của khớp gối trong việc đi bộ và đi lên cầu thang và bổ sung vào cử động đầu thực tế cho phép tạo ra một loạt các biểu thức mô phỏng như biểu hiện của sự ngạc nhiên, niềm hạnh phúc, nỗi buồn là robot KHR [13, 14].1: Robot dạng người WABIAN-2 [7].2: Robot dạng người ASIMO [9].3: Robot dạng người HRP [11].4: Robot dạng người KHR [13]. Robot dạng người (Hình 1.5) PETProto, Petman, Atlas của Boston Dynamics [15] được phát triển để thử nghiệm đem lại hiệu quả cao trong cần thiết trong các hành vi của con người.

Valkyrie là robot dạng người mặt đất đầu tiên của NASA [16] đã thông qua một phương pháp tiếp cận tầm xa và phát triển mới mẽ. Valkyrie với mục tiêu cuối cùng là tạo ra một nền tảng robot dạng người có khả năng làm việc hiệu quả trong cả hai ứng dụng tại không gian và tại trái đất với mục đích thay thế con người khi làm việc ở ngoài không gian cũng như ở môi trường khắc nghiệt ở một vài nơi trên trái đất. Valkyrie áp dụng những công nghệ mới nhất trong lĩnh vực robotics như là khớp đàn hồi, điều khiển phân cấp, điện toán nhúng, công nghệ pin lưu trữ năng lượng, cảm biến tiếp xúc, điều khiển giám sát, thiết kế giao diện người vận hành và nghiên cứu động cơ điện (Hình 1.5: Robot dạng người Boston Dynamics [15].6: Robot dạng người Valkyrie [16]. Robot dạng người Nao là sản phẩm thương mại của Aldebaran robotics (Hình 1.7) có thể nhảy theo nhạc, đi bộ đa hướng cho các ứng dụng RoboCup và với việc được trang bị máy tính nhúng đi kèm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo [17-19].7: Robot dạng người Nao [18].

Một dạng robot dạng người khác là ICub [20] có thể nhìn thấy và nghe được, di chuyển và cảm nhận môi trường xung quanh nhờ các cảm biến ở các ngón tay (Hình 8 1. Robot dạng người DARwIn-OP [21] và UXA-90 LIGHT [22] là một dạng robot dạng người thu nhỏ được trang bị các bộ cảm biến cân bằng máy tính nhúng mạnh và khả năng chuyển động năng động cho phép sử dụng trong hoạt động học tập nghiên cứu và giáo dục (Hình 1.10) được thử nghiệm các giải thuật điều khiển, hệ thống cơ khí được dẫn động bằng các động cơ điện phổ thông vẫn chưa đạt được bước đi như người.8: Robot dạng người iCub [20].9: DARwIn-OP Humanoid robot [21].10: Robot dạng người UXA-90 LIGHT [22]. Tổng quan về vấn đề mô hình hoá robot dạng người. Đa phần mô hình robot dạng người bắt chước các khía cạnh của con người như động học, động lực học, hình học, và tính chất cơ thể.

Do vậy, robot dạng người sẽ bao gồm các khâu cứng xấp xỉ hệ thống xương con người. Thông thường, cấu trúc robot dạng người sẽ ưu tiên bắt chước các bậc tự do quan trọng và dễ sử dụng. Chẳng hạn robot dạng người ít tịnh tiến khớp vai về phía trước hoặc di chuyển xương sống [23, 24]. Đối với phần tay của robot, dạng người thường chúng sẽ có 2 cánh tay, mỗi cánh tay có 7 bậc tự do, nhưng bàn tay thì khác nhau tùy từng loại.

Các nhà nghiên cứu đã tái hiện lại tay con người với nhiều độ chính xác khác nhau như Shadow Hand 20 bậc tự do, DLR-Hand-II 12 bậc tự do, và Robonaut Hand 11 bậc tự do [25-27]. Hiện tại, robot dạng người không đủ kỹ năng để thực hiện nhiều nhiệm vụ mà con người thường làm. Điều này là do hệ thống giác quan của chúng kém hơn so với con người. Robot dạng người phải xử lý một số loại dữ liệu cảm giác thô như định hướng thu được bởi cảm biến con quay hồi chuyển, lực thu được bởi cảm biến lực, dữ liệu pixel hình ảnh thu được từ camera và tín hiệu âm thanh thu được từ micrô.

Sau đó, có dữ liệu mức trung gian được lọc như vận tốc, gia tốc, luồng quang học, các cạnh và màu sắc. Cuối cùng là dữ liệu nhận dạng cấp cao như khuôn mặt người, cử chỉ, tư thế, cầu thang, cửa và các câu ngôn ngữ tự nhiên. Tạo ra một robot dạng người có thể chạy không phải là một thử thách dễ dàng, có ba trở ngại lớn một là phản lực ở tầng cao hơn, hai là trượt trên sàn trong khi nhảy về phía trước và ba là phản ứng lực quay được tạo ra bởi chuyển động nhanh hơn của chân. Do đó, để giải quyết những thách thức này, các nghiên cứu đã cải tiến trình điều khiển cơ cấu đối trọng của robot với phản ứng điều khiển cao hơn, nâng cao khả năng ổn định cơ thể của robot dạng người với sự phối hợp toàn bộ cơ thể và phối hợp các cánh tay của robot dạng người và thân trên chống lại lực quay trên.

Thật vậy, cả độ phức tạp và tốc độ di chuyển sẽ cần được cải thiện hơn nữa, cũng như sự khéo léo và kỹ năng của bàn tay và toàn bộ cơ thể của robot dạng người. Mặc dù có nhiều công nghệ robot dạng người khác nhau trong cộng đồng học thuật, nhưng một số rất ít trong số chúng đã được triển khai trên robot dạng người cho đến nay. Do đó, việc robot dạng người bắt chước chuyển động của con người là một nhiệm vụ tối quan trọng vì khác với con người, chúng không được trang bị hệ thống thị giác để nhận biết vật thể, các mô mềm ở chân để giảm lực va chạm, não bộ để giữ thăng bằng. Mặc dù có nhiều 10 nỗ lực trong việc thực hiện chức năng như đi bộ bằng hai chân, vấn đề vẫn chưa được giải quyết ổn thỏa.

Nhìn chung, chuyển động bước đi của con người là một chuyển động phức tạp, đòi hỏi sự phối hợp của nhiều bộ phận và giác quan của con người một cách chính xác. Do đó,việc đưa ra một mô hình tổng quát là rất quan trọng khi thiết kế robot dạng người. Có hai loại mô hình hóa dựa vào đặc tính của gốc tọa độ: di chuyển tự do hoặc cố định [28]. Gốc tọa độ cố định.

Xuyên suốt quá trình di chuyển, do robot dạng người luôn có chân trụ lúc nào cũng tiếp xúc với mặt đất nên có thể xem hệ hai chân robot là một cánh tay máy. Theo phương pháp này, Miura và Shinoyama đã cho ra robot BIPER-3 có 3 khâu và chứng minh được độ ổn định. Ngoài ra, mô Hình robot với 5 khâu được mô Hình hóa thành công bởi M.Raibert và cộng sự [29]. Trong mô hình này, gốc tọa độ bắt đầu từ một chân sau đó đến hông và kết thúc ở chân còn lại.

Mô hình động lực học Lagrange cũng được đưa ra cho hệ robot 5 khâu này. Plestan cùng các cộng sự của mình cũng cho ra mô hình robot 7 khâu trên mặt phẳng 2D dựa trên mẫu RABBIT. Nhờ việc giả sử không có hiện tượng trượt giữa chân và mặt đất, số bậc tự do của RABBIT được giảm xuống còn 5 bậc tự do. Gốc tọa độ tự do.

Hệ động học được xem là tự do nếu nó không có khớp nào bị ràng buộc trực tiếp vào không gian.