Chương 1: Tổng quan Trình bày tổng quan các yếu tố xây dựng nên đề tài: Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu cũng như các phương pháp được sử dụng để nghiên cứu phát triển đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Nêu ra các cơ sở lý thuyết được vận dụng trong quá trình nghiên cứu đề tài. Trình bày sơ bộ về robot mềm, giới thiệu một số robot mềm bơi trên mặt nước đã được nghiên cứu và công bố trước đó. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của robot mềm và đặc biệt là robot mềm hoạt động bằng khí nén.
Giới thiệu về các loại vật liệu phù hợp và sự ảnh hưởng của 3 đặc trưng cơ tính vật liệu tới khả năng hoạt động của robot mềm. Tiếp đến là các phương pháp mô phỏng và chế tạo được áp dụng trong nghiên cứu cũng như mô hình điều khiển robot mềm. Chương 3: Thiết kế, mô phỏng, gia công và thực nghiệm phần thân robot Chương này sẽ trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của robot, từ đó đề ra vai trò của phần thân, nêu lên yêu cầu thiết kế. Tiếp đến sẽ trình bày các thiết kế đã tiến hành nghiên cứu, về thông số thiết kế, kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm của phần thân robot.
Chương 4: Thiết kế, mô phỏng và thực nghiệm bộ truyền động vỗ cánh mềm Trong chương 4, tập trung vào vai trò của phần cánh robot trong việc cấu thành bộ truyền động vỗ cánh mềm. Đề ra yêu cầu thiết kế phần cánh, sau đó trình bày các thiết kế, mô phỏng, gia công và kiểm nghiệm khả năng hoạt động của bộ truyền động, phân tích quỹ đạo vỗ cánh và bài toán năng lượng. Chương 5: Xây dựng bộ điều khiển Sau khi đã xây dựng được thiết kế và mô hình, chương 5 sẽ trình bày về mục tiêu, sơ đồ khối và giải thuật của bộ điều khiển cho robot. Chương 6: Kiểm nghiệm chuyển động thực tế Trình bày về các nội dung kiểm nghiệm, phương pháp sử dụng để kiểm nghiệm và tổng hợp các kết quả của robot trong thực tế.
Chương 7: Kết luận và phương hướng phát triển Tóm tắt các kết quả đạt được của nghiên cứu, nêu ra các điểm còn hạn chế và phương hướng phát triển. 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về robot mềm Trong những năm gần đây, robot mềm (soft robot) đã trở thành một trong những chủ đề phát triển nhanh nhất trong lĩnh vực robot. Đã có rất nhiều định nghĩa đưa ra cho lĩnh vực robot tiềm năng này. Robot mềm liên quan đến việc thiết kế, chế tạo và triển khai các robot được làm từ các vật liệu có độ linh hoạt cao, cho phép tương tác an toàn với con người và môi trường, cũng như khả năng thích ứng hình dạng và chức năng với các môi trường phức tạp, không có cấu trúc [2].
Robot mềm đề cập đến lĩnh vực robot học sử dụng các vật liệu có độ linh hoạt cao, mô phỏng tính linh hoạt và thích ứng của các sinh vật sống, để tạo ra các chức năng mới trong việc di chuyển qua các môi trường phức tạp và tương tác an toàn với con người [7]. Robot mềm là các hệ thống robot được cấu tạo từ các vật liệu mềm hoặc các cấu trúc có thể biến dạng lớn dưới sự tác động, cho phép chúng thực hiện các chức năng mô phỏng sinh học, di chuyển qua các không gian hẹp và cung cấp sự tương tác an toàn với con người và các vật thể dễ vỡ [8]. Những định nghĩa vừa nêu đều tập trung mô tả một kiểu robot mới được chế tạo bằng các vật liệu mềm, linh hoạt. Nổi trội lên bởi khả năng tương tác an toàn với con người và môi trường.
Không những thế mà còn là khả năng thích ứng với các môi trường phức tạp, phi cấu trúc. Trong một thế giới mà robot bắt đầu làm việc cùng chúng ta chứ không chỉ làm việc cho chúng ta, robot mềm là một sự lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng về chân tay giả, vì chúng thực sự phù hợp với cơ thể hơn. Các bộ phận của robot mềm thường rất nhẹ và có bề mặt tiếp xúc mềm mại hơn so với hệ thống robot truyền động truyền thống. Động cơ truyền thống chỉ có thể di chuyển theo một hướng duy nhất và thực hiện một chức năng cụ thể.
Điều này có nghĩa là chúng không linh hoạt và không thể thích ứng tốt với các tình huống khác nhau hoặc với hình dáng cơ thể con người. Ngược lại, các vật liệu robot mềm có thể di chuyển theo nhiều cách khác nhau. Chúng có thể uốn cong, xoắn, cuộn lại và kéo dài như một cơ bắp. Tất cả đều là những chuyển động hữu ích khi tương tác với cơ thể con người.
Robot mềm ngoài ra còn được biết đến là một lĩnh vực robot lấy cảm hứng sinh học. Động vật có thể di chuyển hiệu quả trong các môi trường tự nhiên phức tạp nhờ vào khả năng biến dạng của các cấu trúc mềm trong cơ thể chúng. Ví dụ, một con bạch tuộc có thể uốn cong và co giãn cơ thể để chui qua các khe hẹp hoặc di chuyển trong môi trường đầy rẫy các chướng ngại vật. Các cấu trúc mềm có tính chất linh hoạt tự nhiên, cho phép chúng có thể chịu được các biến dạng lớn mà không bị thương.
Các cấu trúc này thường không thấy trong các robot truyền thống, vốn được làm từ các vật liệu cứng. Các kỹ sư robot đã bị truyền cảm hứng từ các khả năng của động vật để tích hợp công nghệ mềm vào thiết kế robot của họ. Shepherd điều hành Phòng thí nghiệm Robot Hữu cơ tại Đại học Cornell, mô tả "sử dụng sự thích nghi tổng hợp của sinh lý học tự nhiên để cải thiện chức năng và tự động hóa của máy móc." [9] Ví dụ, chúng ta có thể bóp một quả bơ để kiểm tra độ chín mà không nghiền nát nó nếu nó 5 quá chín. Một robot có thể làm điều này không? Robot mềm thì có thể.
Khả năng có được cảm giác chạm này là khả thi một phần nhờ vào các vật liệu mà chúng được làm ra và tính dẻo dai của chúng, làm cho robot mềm giống con người hơn so với robot cứng. Phần cứng của robot mềm cũng có thể chịu đựng được các tác động của môi trường tốt hơn so với robot cứng. Một cánh tay robot được lập trình để nhặt một quả trứng, một bộ điều khiển rất chính xác có thể nhặt một quả trứng mà không gặp vấn đề gì nhưng sau đó lại làm vỡ hoặc làm rơi quả trứng. Nhưng với tính mềm dẻo của robot mềm nó có thể lệch một chút và vẫn nhặt được quả trứng đó, nó sẽ không làm vỡ hay rơi.
Vật liệu tạo nên robot mềm vừa là đặc điểm nhận dạng vừa là yếu tố tạo nên những ưu điểm nổi bật của lĩnh vực này. Robot mềm nổi trội với khả năng hấp thụ lực, chuyển động phức tạp và đặc biệt là phù hợp khi tiếp xúc với con người. Khi thiết kế robot mềm, cần phải cân nhắc giữa nhiều yếu tố như trọng lượng, diện tích, chi phí, tuổi thọ, tính linh hoạt, độ bền và độ phức tạp của việc điều khiển. Điều này phụ thuộc vào số lượng và vị trí tối ưu của các bộ kích hoạt, cảm biến, cơ chế truyền động và sự mềm dẻo cơ học.
Mục tiêu là đặt các bộ kích hoạt và cảm biến sao cho yêu cầu ít nỗ lực điều khiển nhất mà không làm giảm sự an toàn và hiệu suất của robot. Một câu hỏi quan trọng khác là làm thế nào để tích hợp khái niệm tính toán hình thái học vào thiết kế robot mềm. Khái niệm tính toán hình thái học trong thiết kế robot mềm nhấn mạnh việc chuyển giao một số chức năng tính toán và ra quyết định cho hình thái vật lý của robot hoặc các đặc điểm của vật liệu. Thay vì điều khiển từng khớp hoặc bộ phận của robot một cách chính xác, robot mềm có thể tận dụng độ đàn hồi, độ cứng và các đặc tính cơ học của vật liệu để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp một cách hiệu quả.
Ví dụ, trong một bàn tay giả mềm, khi nắm giữ một vật thể không xác định, bàn tay có thể tự điều chỉnh hình dạng và lực nắm mà không cần các lệnh chi tiết từ hệ thống điều khiển trung tâm. Tương tự, động vật điều chỉnh độ cứng và độ giảm chấn của các cơ để thích nghi với địa hình, thay vì kiểm soát chi tiết từng bước chuyển động. Việc tích hợp tính toán hình thái học vào thiết kế robot mềm không chỉ giảm bớt khối lượng tính toán mà còn mang lại sự linh hoạt và hiệu quả cao hơn trong các tác vụ tương tác với môi trường phức tạp. Điều này cho phép robot mềm có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp một cách tự nhiên và hiệu quả hơn, tương tự như cách mà động vật trong tự nhiên hoạt động.
Phần lớn mục đích nghiên cứu ban đầu trong lĩnh vực robot mềm được thúc đẩy bởi nhu cầu về các co-robot thân thiện với con người, có thể sử dụng cho tương tác vật lý giữa người và máy móc. Các ứng dụng bao gồm các thiết bị hỗ trợ cầm nắm bằng khí nén cho con người, dụng cụ hỗ trợ tay McKibben [1] (Hình 2.1A) và cánh tay robot công nghiệp Rubbertuator (Hình 2. Hầu hết robot học vào thời điểm đó dựa trên ý tưởng mô hình hóa con người hoặc động vật hoặc làm cho các hệ thống cơ học linh hoạt và đa chức năng hơn, nhằm mang lại khả năng hoặc tính tự chủ cao hơn [11].1 Các thiết kế ban đầu về robot mềm. Trong khi những tiến bộ về robot mềm đã có những bước tiến lớn trong thập kỷ qua, một lĩnh vực được chú ý ngày càng tăng là robot mềm lấy cảm hứng từ sinh học, mở ra những cơ hội mới để tạo ra các thành phần, thiết bị và máy móc kỹ thuật có thể nối liền khoảng cách giữa robot truyền thống và các sinh vật tự nhiên.
Những công cụ mới này có thể cho phép tương tác liền mạch giữa con người và robot, cũng như giữa robot và thế giới tự nhiên. Có nhiều ứng dụng đầy hứa hẹn cho robot mềm lấy cảm hứng từ sinh học tương thích về mặt cơ học với con người, bao gồm những ứng dụng đáp ứng các nhu cầu xã hội trong chăm sóc sức khỏe, chiến lược di chuyển và cứu trợ thảm họa. Đặc điểm của động vật không xương sống là một trong những nguồn cảm hứng to lớn ở gia đoạn sơ khai này.