CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT MỀM 1.1 Lịch sử hình thành Trong những năm gần đây, robot mềm đã trở thành một trong những chủ đề phát triển nhanh nhất trong cộng đồng robot cùng với sự gia tăng trong giới học thuật cho thấy tiềm năng cách mạng hóa vai trò của robot trong xã hội và ngành công nghiệp. Mặc dù với tương lai phi thường này, lĩnh vực nghiên cứu còn khá non trẻ. Theo một cuộc khảo sát tài liệu, thuật ngữ "robot mềm" lần đầu tiên được sử dụng cho một tay khí nén cứng, có một mức độ tuân thủ đối tượng nhất định do khả năng hạn chế của mô hình. Sau đó, robot mềm dần được sử dụng trong nhiều bài báo, bằng sáng chế, báo cáo và các tài liệu khoa học khác, nhưng vẫn đại diện cho robot hoặc máy móc tương tự được cấu tạo từ vật liệu cứng.
Năm 2008, thuật ngữ “robot mềm” đã được thông qua để mô tả các nghiên cứu về robot cứng với các khớp uyển chuyển, cũng như robot làm từ vật liệu mềm có tính linh hoạt, khả năng biến dạng và khả năng thích ứng quy mô lớn [1].1 - Quá trình phát triển của robot cứng dựa trên các cơ chế rời rạc thành robot liên tục được lấy cảm hứng từ sinh học dựa trên các cấu trúc có khả năng uốn liên tục [2]. HVTH: Nguyễn Đình Thy - 2070265 3 GVHD: TS. Nguyễn Trọng Tài Nhưng những nỗ lực phát minh ra những robot mới hoàn toàn khác với những người máy cứng nhắc thông thường của chúng đã thực sự bắt đầu từ rất xa trước khi thuật ngữ chuyên môn xuất hiện. Trong những năm 1950, McKibben đã phát triển thiết bị truyền động khí nén bện cho một thiết bị chỉnh hình cho bệnh nhân bại liệt.
Cơ nhân tạo McKibben đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong các loại thiết kế robot khác nhau [3]. Năm 1990, Shimachi và Matumoto đã báo cáo công việc của họ trên các ngón tay mềm. Một năm sau, Suzumori và cộng sự đã công bố thiết bị phản ứng siêu nhỏ linh hoạt của họ làm bằng cao su silicone và đã thử một số ứng dụng [4]. Trong mười năm sau đó, các cấu trúc tương tự đã được phát triển và đặt tên như là: thiết bị truyền động ống thổi khí nén, thiết bị truyền động cơ nhân tạo polyme điện động, bộ phận cao su, bộ cơ lỏng, bộ truyền động mềm quay khí nén, bộ truyền động chất lỏng linh hoạt, bộ truyền động khí nén linh hoạt, bộ thao tác xúc tu, bộ điều khiển vòi voi, bộ điều khiển khí, OctArm, robot sâu bướm, Clobot, bộ điều khiển liên tục, và nhiều tên gọi khác [5].
Bất chấp các cơ chế, cấu trúc và hiệu suất chuyển động khác nhau, những thiết bị và cơ cấu truyền động này rõ ràng là những bước phát triển quan trọng trong lĩnh vực chế tạo robot mềm. Mặc dù robot mềm đã có lịch sử gần nửa thế kỷ, nhưng nó mới chỉ trở thành một chủ đề nóng trong cộng đồng khoa học và công chúng trong một thập kỷ gần đây nhất. Khi những công nghệ này dần được công nhận bởi cộng đồng robot, ngày càng có nhiều nhà khoa học và kỹ sư muốn đóng góp vào lĩnh vực này. Điều này được phản ánh bởi số lượng ngày càng tăng của các phòng thí nghiệm, hợp tác quốc tế, các ấn phẩm mới nổi, các tổ chức và xã hội liên quan đến robot mềm, các phiên họp đặc biệt trong tất cả các loại hội nghị quốc tế, sự kiện chuyên môn và hoạt động.
Nguồn gốc của robot mềm thường bắt nguồn từ việc tạo ra robot ngoằn ngoèo vào cuối những thập niên 1960 [6] [7]. Những robot này sử dụng một số khớp nối gần nhau để mô phỏng chuyển động của xương sống của một con rắn. Những điểm yếu của thiết kế liên tục vào thời điểm đó bao gồm tải trọng thấp, độ chính xác kém, động học và động lực học kém đã khiến cho những dự án nghiên cứu đầy hứa hẹn bắt đầu vào cuối những năm 1960 bị từ bỏ vào những năm 1970. Sự phát triển liên tục của robot mềm tái xuất hiện vào cuối những năm 1970 và tiếp tục trong suốt những HVTH: Nguyễn Đình Thy - 2070265 4 GVHD: TS.
Nguyễn Trọng Tài năm 1980 và hơn thế nữa với công trình tiên phong của Hirose và nhóm của ông, những người đã phát triển nhiều thiết kế mới và sáng tạo, đặc biệt chú ý đến nguồn cảm hứng thu thập được từ các hệ thống sinh học [8]. Các máy với cơ cấu chấp hành liên tục trong công nghiệp từ đó được phát triển trong khoảng thời gian này bao gồm robot Spine, robot phun sơn có độ khéo léo cao, trong khi các nỗ lực học thuật khác bao gồm việc tạo ra một máy thao tác giống như vòi voi [9]. Những tiến bộ đáng kể trong việc mô hình hóa robot mềm đã được thực hiện trong những năm 1990, bao gồm việc giới thiệu phương pháp tiếp cận theo phương thức thiết lập nền tảng lý thuyết cho robot mềm dựa trên việc ước lượng gần đúng hình dạng của chúng [10] [11]. Những đóng góp đáng kể khác bao gồm mô hình hóa cơ học liên tục cơ bản của robot [12].
Ngoài ra, robot mềm tiếp tục được áp dụng trong nhiều ứng dụng mới và sáng tạo trong cả diễn đàn thương mại và nghiên cứu học thuật.2 Tình hình nghiên cứu Thập kỷ đầu tiên của thế kỷ 21 đã chứng kiến rất nhiều tiến bộ trong thiết kế, mô hình hóa và ứng dụng của người máy liên tục. Nhiều ứng dụng thực tế cho robot mềm đã được đề xuất và/hoặc chứng minh (như trong Bảng 1), bao gồm thao tác dưới biển, sơn xe hơi, khử nhiễm hạt nhân, sửa chữa lò phản ứng hạt nhân, xử lý bể chứa chất thải, vận chuyển chất lỏng, chà nhám, kiểm tra môi trường phi cấu trúc hoặc đường ống, và tìm kiếm cứu nạn. Các phân loại trước đây của robot mềm dựa trên phân loại của chúng dựa trên vị trí của tác động cơ học, về kiến trúc xương sống, khả năng mở rộng, hoặc trình bày một loạt các nguyên mẫu robot mềm [8] [13]. Đánh giá về robot mềm với robot cứng, robot siêu bậc, đồng thời cung cấp tổng quan rộng hơn về robot lấy cảm hứng từ sinh học bao gồm robot cá, sao biển, vòi voi, giun và các hình thức hiện thực hóa sáng tạo khác của robot mềm.
Tất cả những điều trên là những cách hữu ích để phân loại robot mềm và robot siêu bậc, và sau đó được biên soạn thành Bảng 1. HVTH: Nguyễn Đình Thy - 2070265 5 GVHD: TS. Nguyễn Trọng Tài Đề tài Các tiêu chí phân loại Cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành cơ cấu chấp hành Cách kết nối các Vùng hoạt động Không liên tục Bậc tự do mỗi Số đoạn robot Ứng dụng mỗi đoạn Liên tục/ Mở rộng đoạn đoạn Tensor arm Cơ cấu ứng dụng KLT - 4 4 2 900 Mềm Đồng trục [14] dưới nước OC Robotics Phân phối Sửa chữa lò phản KLT - 5 3 2 1200 Mềm [15] đều ứng hạt nhân Elephant trunk Cơ cấu điều khiển KLT - 4 4 2 900 Mềm/lò xo Đồng trục [16] dựa trên sinh vật Elephant trunk Vận chuyển LT - 3 2 2 900 Mềm/lò xo Đồng trục [17] chất lỏng Mài, ứng dụng EMMA [18] KLT - 3 3 2 1200 Mềm/lò xo Đồng trục trong hạt nhân Backbone [19] LT - 1 1 1 1800 Mềm/trục N/A Ứng dụng chung Tentacle robot LT - 2 4 2 900 Mềm/trục Đồng trục Ứng dụng chung [20] Arthroscope KLT - 1 1 2 1200 Mềm/trục N/A Nội soi khớp [21] Phân phối Phẫu thuật Catheter [22] LT X 2 2 3 1200 Mềm/trục đều tim mạch Colobot [23] LT X 1 3 3 1200 Khí nén N/A Nội soi đại tràng OctArm [24] LT X 3 3 3 1200 Khí nén Đơn Ứng dụng chung Slim Slime 1 LT X 6 3 3 1200 Khí nén Đơn Cứu nạn, cứu hộ [25] Air-OCTOR Mềm/ Phân phối LT X 2 3 3 1200 Ứng dụng chung [26] khí nén đều Mềm/ Phân phối Khử độc KSI [27] LT X 2 3 2 1200 khí nén đều phóng xạ Active catheter Phẫu thuật LT X 3 3 2 1200 Thủy lực Đơn [28] tim mạch Phẫu thuật DDU [13] LT X 3 3 2 1200 Thủy lực Đơn thanh quản Active cannula Đa ống LT X 2n 1 2 - N/A Vi phẫu [29] cong Beveled needle Đầu kim/ LT X ∞ 0 3 - Đơn Vi phẫu [30] mô Bảng 1 - Một số ví dụ về các thiết kế robot giống rắn đã được hoặc có thể được mô tả bằng cách sử dụng động học độ cong không đổi. HVTH: Nguyễn Đình Thy - 2070265 6 GVHD: TS.
Nguyễn Trọng Tài Gần đây, các tác giả khác nhau đã đề xuất các phương pháp mới để điều khiển hành vi động học của học robot mềm. Qua đó cho thấy rằng có rất nhiều cách tiếp cận: phương pháp vòng hở hoặc vòng kín, thuật toán học hoặc bộ điều khiển dựa trên mô hình, v. Những phương pháp khác nhau này luôn bổ khuyết cho nhau. Các phương pháp vòng hở sở hữu nhiều lợi thế, chẳng hạn như để nghiên cứu khả năng điều khiển của nó hoặc để tối ưu hóa vị trí của các cảm biến.
Mô phỏng vòng hở cũng được sử dụng để ước tính không gian làm việc vị trí cuối của robot điều khiển bằng dây cáp [31] hoặc để tìm hiểu về toàn bộ không gian làm việc của robot hình người [32]. Bộ điều khiển vòng hở không phụ thuộc vào trạng thái và đầu ra của hệ thống, chúng cũng nhạy cảm với các thông số bất định của mô hình hoặc nhiễu loạn bên ngoài. Để đảm bảo rằng các trạng thái và/hoặc đầu ra của hệ thống đạt đến điểm đặt hoặc quỹ đạo mong muốn, bộ điều khiển vòng kín lúc này được sử dụng. Bộ điều khiển động học dựa trên mô hình độ cong không đổi được trình bày bởi Falkenhahn [33], trong đó mô hình được điều khiển bằng bộ điều khiển PID.
Cũng dựa trên mô hình độ cong không đổi theo từng đoạn (Piece-wise Constant Curvature – PCC), các tác giả Della Santina và cộng sự trình bày một bộ điều khiển phép bám quỹ đạo cho robot mềm liên tục trong khi xử lý các tương tác với môi trường [34].2 - Robot mềm được điều khiển dựa trên mô hình PCC có xử lý tiếp xúc [34]. HVTH: Nguyễn Đình Thy - 2070265 7 GVHD: TS. Nguyễn Trọng Tài 1.3 Phân loại trong lĩnh vực y tế Robot mềm cũng đã tạo ra một tác động đáng kể trong y học. Một số lượng lớn các thiết bị y tế thường được sử dụng như ống thông tiểu và ống soi ruột kết có thể được coi là thiết bị liên tục.