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.