Tổng quan nghiên cứu

Theo các báo cáo kỹ thuật trong lĩnh vực tự động hóa và quân sự, khoảng 50% diện tích bề mặt địa hình tự nhiên trên Trái Đất là những vùng hiểm trở, gồ ghề mà các phương tiện di chuyển bánh xe hoặc bánh xích truyền thống hoàn toàn không thể tiếp cận. Trong khi đó, các loài sinh vật có chân lại thể hiện khả năng thích nghi và vượt chướng ngại vật vượt trội. Nhằm giải quyết bài toán di chuyển trên các địa hình phức tạp, đề tài nghiên cứu về robot phỏng sinh học dạng chân được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của Phó Giáo sư Tiến sĩ Đặng Văn Nghìn và học viên Nguyễn Chí Linh.

Vấn đề cốt lõi của đề tài tập trung vào việc khắc phục các hạn chế về tải trọng, sự tiêu hao năng lượng, độ ổn định cân bằng và tính phức tạp trong hệ thống điều khiển của robot có chân. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu nền tảng lý thuyết vận động, thiết kế kết cấu cơ khí, xây dựng mạch điều khiển điện tử và chế tạo thành công mô hình thực nghiệm robot 6 chân chuyển động trên mặt phẳng. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở phân tích động học, động lực học và thực nghiệm chuyển động thẳng của robot sử dụng dáng đi 3 chân đối xứng.

Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc làm chủ công nghệ chế tạo robot phỏng sinh học nội địa. Về mặt thông số kỹ thuật, mô hình thực nghiệm được thiết kế với tổng khối lượng toàn tải 7 kg, cơ cấu chân dài 18 cm, sử dụng 6 cụm động cơ dẫn động độc lập với yêu cầu mô-men kéo tối thiểu 7,44 Nm và độ phân giải điều khiển vị trí chân đạt 600 xung trên mỗi vòng quay, mở ra tiềm năng ứng dụng cao trong công tác tìm kiếm cứu nạn và thám hiểm địa hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự giao thoa của 3 nền tảng lý thuyết chính: Thuyết phỏng sinh học vận động học côn trùng, Lý thuyết cân bằng tĩnh học đa giác chân đế và Lý thuyết động lực học vật rắn nhiều khâu. Về mặt vận động học, nghiên cứu mô phỏng phương thức bước đi của loài gián với cấu trúc 6 chân đối xứng hai bên thân, mang lại khả năng tự cân bằng cao và giảm thiểu độ phức tạp trong thuật toán xử lý so với các mô hình 4 chân.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt được lượng hóa bao gồm:

  • Chu kỳ bước ($T$): Khoảng thời gian cần thiết để một chân hoàn thành việc thay đổi từ điểm đặt chân này sang điểm đặt chân kế tiếp.
  • Pha đỡ và Pha chuyển: Pha đỡ là giai đoạn chân tiếp xúc mặt nền để đỡ và đẩy thân tiến về phía trước; pha chuyển là giai đoạn chân nhấc lên để di chuyển đến vị trí đặt chân mới.
  • Hệ số làm việc ($\beta$) và Hệ số nghỉ ($q_\beta$): Tỷ lệ phần trăm thời gian chân ở trạng thái đỡ và trạng thái chuyển trong một chu kỳ bước. Đối với chuyển động ổn định tĩnh, hệ số $\beta$ được khống chế ở mức trên 0,75 đối với robot bốn chân, trong khi dáng đi nhanh đạt mức $\beta = 0,5$.
  • Đa giác chân đế (Mặt phẳng đỡ): Đa giác lồi tạo bởi các điểm tiếp xúc của chân với mặt nền. Điều kiện cân bằng tĩnh học đòi hỏi hình chiếu khối tâm $P_{cm}$ luôn nằm bên trong đa giác này.
  • Động học khối tâm: Vận tốc dài tịnh tiến của thân được tính toán thông qua vận tốc góc của khớp chân $\omega$ và chiều dài chân $l$ theo phương trình $v_x = \omega \cdot l \cdot \cos(\theta)$.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thứ cấp từ các công trình robot nổi tiếng trên thế giới như robot khí nén Zephyrus áp suất 6 bar, robot Genghis của Viện Công nghệ Massachusetts với 2 bậc tự do mỗi chân, và mô hình Mini-Whegs với vận tốc đạt 3 lần chiều dài thân trong một giây. Dữ liệu thực nghiệm sơ cấp được thu thập trực tiếp từ quá trình vận hành hệ thống phần cứng với cỡ mẫu gồm 6 cụm dẫn động chân độc lập, 6 đĩa encoder quang học và 2 bộ lưu trữ năng lượng.

Phương pháp chọn mẫu nghiên cứu là phương pháp mẫu định mức thực nghiệm kỹ thuật, tập trung vào 6 cơ cấu chấp hành đại diện cho 6 chi của robot. Phương pháp phân tích kết hợp giữa mô hình hóa toán học giải tích, tính toán động lực học Newton-Euler để xác định mô-men tải cực đại, và lập trình mô phỏng quỹ đạo pha chuyển động. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu được triển khai chặt chẽ qua các giai đoạn từ khảo sát lý thuyết, thiết kế cơ điện tử, gia công chế tạo cơ khí đến lập trình thử nghiệm mạch công suất, hoàn thành toàn diện vào tháng 12 năm 2005.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán lý thuyết và thử nghiệm mô hình thực tế đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, kết cấu chân hình bán nguyệt bằng thanh nhôm uốn dán lớp cao su ma sát mang lại hiệu năng vận hành vượt trội so với chân thẳng dạng compass và chân 4 thanh. Dạng chân bán nguyệt duy trì tiếp xúc lăn liên tục trên mặt nền, giúp quỹ đạo chuyển động của điểm hông duy trì độ phẳng gần như tuyệt đối, loại bỏ hiện tượng đứt đoạn quỹ đạo thường gặp ở chân 4 thanh và khắc phục triệt để điểm tiếp xúc đơn trượt của chân compass.

Thứ hai, việc tính toán động lực học cho thấy với góc lệch cực đại $\theta_{max} = 20^\circ$, tổng khối lượng robot 7 kg và chiều dài chân 18 cm, mô-men kéo yêu cầu của mỗi động cơ phải đạt tối thiểu 7,44 Nm. Động cơ DC mã hiệu RS-755SH công suất 30W kết hợp hộp giảm tốc bánh răng nghiêng tỷ số truyền 30:1 đã cung cấp tốc độ đầu ra 100 vòng/phút, hoàn toàn đáp ứng công suất kéo tải của cơ hệ.

Thứ ba, hệ thống hồi tiếp góc quay sử dụng đĩa encoder 10 vạch kết hợp với bộ giảm tốc tỷ số 30:1 đã tạo ra 600 xung trên mỗi vòng quay trọn vẹn của chân. Điều này cho phép bộ điều khiển xác định vị trí góc với độ phân giải cực cao lên tới 0,6 độ trên một xung, đảm bảo sự đồng bộ pha giữa các chân đạt độ chính xác gần như tuyệt đối.

Thứ tư, mạch công suất cầu H tích hợp IC LMD18200 thể hiện tính ưu việt với khả năng chịu dòng điện định mức 3A, điện áp hoạt động tối đa 55V, hỗ trợ tần số điều chế độ rộng xung PWM lên đến 500 kHz và thời gian trễ chuyển mạch cực ngắn chỉ 1 microsecond, cho phép điều khiển đảo chiều và hãm động cơ một cách tức thì.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả cân bằng tĩnh của mô hình đạt được nhờ thuật toán dáng đi 3 chân luân phiên. Toàn bộ 6 chân được phân chia thành 2 nhóm pha độc lập: Pha 1 gồm các chân 1, 3, 5 và Pha 2 gồm các chân 2, 4, 6. Tại mọi thời điểm vận hành, luôn có đúng 3 chân tiếp đất tạo thành một tam giác đỡ vững chắc bao quanh hình chiếu khối tâm, trong khi 3 chân còn lại thực hiện pha chuyển nhanh để tái lập chu kỳ.

Khi so sánh với robot Zephyrus sử dụng cơ nhân tạo bằng khí nén 6 bar, mô hình nghiên cứu nhỏ gọn hơn nhờ loại bỏ hoàn toàn bình nén khí cồng kềnh. So với robot Genghis của MIT sử dụng các động cơ servo phức tạp cho 2 bậc tự do trên mỗi chân, mô hình con bọ 6 chân này chỉ cần 1 bậc tự do quay liên tục cho mỗi chân, giúp giảm 50% số lượng cơ cấu truyền động mà vẫn đảm bảo tốc độ di chuyển ổn định. Cơ chế cảm nhận tiếp đất thông minh được thực hiện bằng cách đo độ tăng vọt của dòng điện qua điện trở shunt 0,1 Ohm khi chân chạm nền, thay thế cho các cảm biến va chạm cơ học đắt tiền.

Các dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua bảng thông số kỹ thuật nguồn điện (với các tầng giảm áp LM317 từ 24V xuống 17V, 12V và 7805 cấp 5V), giản đồ xung vuông lệch pha 90 độ của encoder và đồ thị thời gian chuyển đổi pha $t_1, t_2, \Phi_1, \Phi_2$.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả chế tạo và thử nghiệm mô hình, 4 giải pháp nâng cấp mang tính khả thi cao được đề xuất:

  1. Tích hợp cảm biến quán tính IMU 6 trục và cảm biến áp lực tiếp xúc đa điểm:

    • Động từ hành động: Tích hợp và hiệu chuẩn hệ thống cảm biến hồi tiếp tư thế.
    • Mục tiêu định lượng: Giảm độ dao động góc nghiêng thân robot xuống dưới 2 độ khi di chuyển trên địa hình gồ ghề.
    • Lộ trình thực hiện: Hoàn thành trong vòng 6 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Nhóm nghiên cứu Cơ điện tử và Kỹ thuật điều khiển.
  2. Nâng cấp bộ vi xử lý trung tâm sang nền tảng vi điều khiển 32-bit hiệu năng cao:

    • Động từ hành động: Thiết kế lại bo mạch điều khiển chủ và tối ưu hóa mã nguồn nhúng.
    • Mục tiêu định lượng: Nâng tần số lấy mẫu điều khiển lên 1000 Hz và hỗ trợ điều khiển chuyển hướng linh hoạt theo bán kính quay tùy biến.
    • Lộ trình thực hiện: Hoàn thiện trong thời gian 3 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Kỹ sư phần mềm nhúng và lập trình hệ thống.
  3. Cải tiến vật liệu khung thân và chân robot bằng hợp kim nhôm hàng không hoặc sợi carbon:

    • Động từ hành động: Tối ưu hóa hình học cấu trúc và thay thế vật liệu chế tạo.
    • Mục tiêu định lượng: Cắt giảm ít nhất 25% tổng trọng lượng 7 kg của mô hình nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của 2 bình ắc quy 12V 4Ah.
    • Lộ trình thực hiện: Triển khai trong vòng 4 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Kỹ sư thiết kế cơ khí và công nghệ vật liệu.
  4. Phát triển thuật toán điều khiển thích nghi cho chuyển động leo dốc và vượt bậc thang:

    • Động từ hành động: Xây dựng giải thuật bù mô-men tự động và điều chỉnh tần số bước chân.
    • Mục tiêu định lượng: Giúp robot vượt qua chướng ngại vật có chiều cao gấp 1,5 lần bán kính chân và duy trì tốc độ 0,3 m/s trên mặt nghiêng 15 độ.
    • Lộ trình thực hiện: Nghiên cứu trong vòng 12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu Robot và Tự động hóa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot: Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh từ mô hình hóa toán học, động học ngược đến bản vẽ thiết kế mạch điện tử chi tiết, phục vụ trực tiếp cho các đồ án tốt nghiệp và công trình nghiên cứu sau đại học.

  2. Kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống điều khiển tự động: Đội ngũ kỹ sư có thể ứng dụng trực tiếp thiết kế mạch lái công suất cầu H dùng IC LMD18200 chịu dòng 3A và bộ giải mã encoder quang học độ phân giải 600 xung vào các hệ thống truyền động công nghiệp.

  3. Các nhà nghiên cứu phát triển robot phỏng sinh học: Luận văn mở ra phương pháp tiếp cận tối ưu về kết cấu chân bán nguyệt và thuật toán dáng đi 3 chân, làm cơ sở để phát triển các thế hệ robot bò, trườn có khả năng tự thích ứng cao.

  4. Doanh nghiệp và đơn vị phát triển thiết bị cứu hộ, thăm dò chuyên dụng: Các cơ quan chuyên trách có thể tiếp cận giải pháp di chuyển dạng chân để chế tạo các phương tiện tự hành khảo sát môi trường độc hại, khu vực đổ nát hoặc công trình ngầm nơi địa hình bị chia cắt.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nghiên cứu lại lựa chọn cấu trúc 6 chân thay vì mô hình 4 chân phổ biến? Cấu trúc 6 chân cho phép áp dụng dáng đi 3 chân luân phiên, trong đó 3 chân tiếp đất luôn tạo thành một tam giác đỡ khép kín chứa trọng tâm 7 kg của robot. Điều này đảm bảo trạng thái cân bằng tĩnh tuyệt đối ở mọi thời điểm chuyển động mà không đòi hỏi hệ thống cân bằng động học phức tạp và tốn kém như ở robot 4 chân.

  2. Chân robot dạng bán nguyệt mang lại ưu thế kỹ thuật vượt trội nào? Chân bán nguyệt bằng nhôm dán cao su tạo ra chuyển động tiếp xúc lăn liên tục trên mặt nền. Thiết kế này triệt tiêu hoàn toàn sự thay đổi đột ngột chiều cao hông, giúp quỹ đạo chuyển động của thân phẳng đều, đồng thời hạn chế tối đa hiện tượng trượt khớp so với chân compass điểm đơn.

  3. Hệ thống nguồn điện của robot được cấu hình như thế nào để vận hành ổn định? Robot sử dụng nguồn cấp gồm 2 bình ắc quy khô 12V nối tiếp tạo thành khối nguồn 24VDC dung lượng 4Ah. Nguồn 24V cấp trực tiếp cho 6 động cơ kéo, sau đó qua các IC ổn áp LM317 để hạ xuống 17V, 12V và qua IC 7805 cấp nguồn 5V ổn định cho vi xử lý và encoder.

  4. Robot nhận biết thời điểm chân chạm đất bằng phương pháp nào? Hệ thống sử dụng phương pháp giám sát dòng điện động cơ thông qua điện trở shunt 0,1 Ohm nối với chân cảm biến của IC công suất. Khi chân chạm mặt nền, tải trọng tăng khiến dòng điện động cơ vượt ngưỡng không tải 200mA lên mức trên 1A, giúp mạch so sánh kích hoạt tín hiệu chuyển pha chính xác.

  5. Độ chính xác điều khiển góc quay của chân robot đạt mức bao nhiêu? Nhờ gắn đĩa encoder quang học 10 vạch lên trục động cơ trước hộp giảm tốc bánh răng tỷ số 30:1, hệ thống thu được 600 xung tín hiệu trên mỗi vòng quay của chân. Con số này tương đương với độ phân giải góc quay đạt 0,6 độ, đảm bảo khả năng đồng bộ chuyển động cực kỳ tinh chuẩn.

Kết luận

  • Đề tài đã hoàn thành xuất sắc việc xây dựng nền tảng lý thuyết cân bằng tĩnh học và phân tích động lực học cho mô hình robot phỏng sinh học 6 chân với dáng đi 3 chân đối xứng.
  • Thiết kế thành công kết cấu cơ khí chân hình bán nguyệt bằng thanh nhôm uốn dán cao su, tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động hông và hạn chế triệt để hiện tượng trượt nền.
  • Chế tạo hoàn chỉnh hệ thống điện tử công suất với 6 động cơ DC RS-755SH công suất 30W, hộp số 30:1, mạch cầu H LMD18200 chịu dòng 3A và bộ encoder đạt độ phân giải 600 xung/vòng.
  • Giải quyết triệt để bài toán đồng bộ hóa chuyển động 2 pha (pha 1: chân 1, 3, 5; pha 2: chân 2, 4, 6) và nhận diện tiếp đất tự động qua biến thiên dòng tải.
  • Thử nghiệm thực tế chứng minh robot có tổng khối lượng 7 kg vận hành ổn định trên mặt phẳng, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra.

Kế hoạch phát triển trong giai đoạn 3 đến 12 tháng tiếp theo sẽ tập trung vào việc nâng cấp cảm biến đo góc nghiêng IMU, thay thế khung thân bằng vật liệu composite nhẹ và hoàn thiện thuật toán chuyển hướng thích nghi. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp các sơ đồ nguyên lý mạch điện và thuật toán điều khiển từ luận văn này để phát triển các hệ thống robot tự hành hiện đại.