Giới thiệu dự án

Nghiên cứu và phát triển robot phỏng sinh học dạng người (Humanoid Biped Robot) là một trong những bài toán phức tạp và đỉnh cao của ngành Kỹ thuật Cơ điện tử. Theo các khảo sát từ International Federation of Robotics (IFR) và các viện nghiên cứu cơ học sinh học quốc tế, robot hai chân sở hữu khả năng thích nghi môi trường phi cấu trúc vượt trội so với các hệ thống di chuyển bằng bánh xích hoặc bánh xe. Tuy nhiên, việc duy trì cân bằng động và tối ưu hóa năng lượng khi robot di chuyển vẫn là rào cản kỹ thuật lớn nhất đối với các nhà nghiên cứu.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế Tính Toán Mô Phỏng Bước Đi Robot Hai Chân" do sinh viên Phạm Sơn Tùng thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Trường Thịnh (Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Bộ môn Cơ Điện tử – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã giải quyết toàn diện bài toán hoạch định quỹ đạo chuyển động phỏng sinh dáng đi người cho robot hai chân 10 bậc tự do (10 DoF - Degrees of Freedom).

Vấn đề cốt lõi (Problem Statement)

Hầu hết các nghiên cứu sơ khai về robot hai chân thường áp dụng phương pháp bước đi thử sai hoặc duy trì bàn chân song song với mặt phẳng sàn (Flat-foot walking). Cách tiếp cận này bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng:

  • Va đập cơ khí lớn: Khi tiếp đất bằng toàn bộ lòng bàn chân, lực xung kích tác động ngược lên hệ thống khung khớp làm giảm tuổi thọ bộ truyền động.
  • Tiêu hao năng lượng cao: Thiếu sự kết hợp nhịp nhàng giữa pha nâng mũi chân và hạ gót chân khiến quỹ đạo khối tâm biến thiên gián đoạn.
  • Mất cân bằng động: Điểm triệt tiêu mô-men (Zero Moment Point - ZMP) dễ văng ra ngoài đa giác trụ vững (Support Polygon), dẫn đến hiện tượng đổ ngã khi chuyển đổi giữa pha trụ đơn (Single Support Phase - SSP) và pha trụ đôi (Double Support Phase - DSP).

Mục tiêu của dự án (Project Objectives)

  1. Thiết kế cơ khí: Xây dựng mô hình robot 10 DoF phỏng sinh cấu trúc chi dưới của người với kích thước chiều cao từ 20 cm đến 50 cm, tối ưu hóa trọng lượng bằng vật liệu kết cấu nhẹ.
  2. Mô hình hóa toán học: Thiết lập hệ thống phương trình động học thuận (Forward Kinematics), động học ngược (Inverse Kinematics) dạng hình học và phương trình vi phân động lực học (Lagrange-Euler).
  3. Hoạch định quỹ đạo bước đi tự nhiên: Xây dựng quỹ đạo chuyển động mềm mại cho khớp hông và cổ chân bằng phương pháp nội suy hàm Spline bậc 3, tích hợp góc chạm gót (Heel-strike) $\theta_f$ và nhấc mũi chân (Toe-off) $\theta_b$.
  4. Mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm: Phát triển công cụ mô phỏng 3D trên môi trường MATLAB và nạp dữ liệu điều khiển trực tiếp trên mô hình vật lý.
       [ Cấu trúc hình học & Động học ]
                     │
                     ▼
  [ Hoạch định quỹ đạo Spline bậc 3 (Hông & Chân) ]
                     │
                     ▼
   [ Động học ngược (Hình học) ──► Góc khớp θ1...θ10 ]
                     │
                     ▼
  [ Kiểm tra ổn định động ZMP & Đa giác trụ vững ]
                     │
         ┌───────────┴───────────┐
         ▼                       ▼
[ Mô phỏng MATLAB 3D GUI ]  [ Điều khiển Robot thực (PWM Servo) ]

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

  • Phạm vi: Khảo sát chuyển động bước đi thẳng chu kỳ trên mặt sàn phẳng nằm ngang, gồm 3 giai đoạn: Khởi động (Start), Ổn định (Stable), và Dừng bước (Stop).
  • Giới hạn: Robot tập trung khảo sát hệ thống truyền động 10 DoF chi dưới, điều khiển quỹ đạo theo chu trình lập trình sẵn (Offline Trajectory Generation) kết hợp điều khiển góc quay vị trí các động cơ RC Servo.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tại thời điểm nghiên cứu, các nền tảng robot dạng người trên thế giới và trong nước có sự phân hóa rõ rệt về công nghệ và chi phí:

Tiêu chí ASIMO (Honda - Nhật Bản) QRIO (Sony - Nhật Bản) HUBOT (ĐH Bách Khoa TP.HCM) Robot 10-DoF (Đề tài HCMUTE)
Chiều cao / Cân nặng 130 cm / 54 kg 58 cm / 7 kg ~100 cm / 35 kg 35 cm / 1.8 kg
Bậc tự do (Chi dưới) 12 DoF 12 DoF 12 DoF 10 DoF (5 DoF/chân)
Hệ thống dẫn động DC Servo + Harmonic Drive DC Coreless + Harmonic DC Servo + Mạng CAN RC Servo TowerPro MG946
Thuật toán cân bằng Real-time ZMP Control Dynamic Gait & Run Offline Spline Trajectory Geometric IK + Spline + ZMP
Chi phí chế tạo > 300 triệu USD (R&D) Hàng triệu USD (R&D) Rất cao Rất thấp (Tối ưu giáo dục)
Ưu điểm Đi, chạy 6 km/h, leo cầu thang Chạy linh hoạt, nhảy múa Khung cơ khí cứng vững Tính toán nhanh, dễ tiếp cận
Nhược điểm Công nghệ độc quyền đóng Đã ngừng thương mại hóa Quá nặng, di chuyển chậm Thiếu vòng phản hồi kín IMU

Phân loại yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW:

  • Must Have (Bắt buộc): 10 bậc tự do xoay độc lập; giải quyết triệt để bài toán động học thuận/nghịch; tính toán quỹ đạo ZMP luôn nằm trong đa giác trụ vững $S_A$.
  • Should Have (Nên có): Tích hợp góc nghiêng bàn chân khi tiếp đất ($\theta_f$) và rời đất ($\theta_b$); mô phỏng trực quan 3D trên MATLAB GUI.
  • Could Have (Có thể có): Khả năng tùy biến kích thước sải bước $D_s$ và thời gian chu kỳ bước $T_c$.
  • Won't Have (Chưa thực hiện): Khả năng tự thích nghi địa hình gồ ghề bằng cảm biến lực đa trục (Force/Torque Sensor).

Thiết kế hệ thống

Cấu hình bậc tự do (Degrees of Freedom)

Mỗi chân robot gồm 5 khớp quay ($\text{DoF} = 5$):

  • Khớp hông (Hip Joint): 2 DoF (1 trục quay theo phương bên – Roll, 1 trục quay theo phương trước – Pitch).
  • Khớp gối (Knee Joint): 1 DoF (1 trục quay theo phương trước – Pitch).
  • Khớp cổ chân (Ankle Joint): 2 DoF (1 trục quay theo phương trước – Pitch, 1 trục quay theo phương bên – Roll).

Bảng thông số Denavit-Hartenberg (D-H Parameters)

Để thiết lập ma trận biến đổi tọa độ đồng nhất giữa các khâu, phương pháp Denavit-Hartenberg tiêu chuẩn được áp dụng:

Bảng thông số D-H cho chuỗi chân phải (Khâu 1 đến 5):

Khâu $i$ $\alpha_{i-1}$ (rad) $a_{i-1}$ (m) $d_i$ (m) $\theta_i$ (rad) Chú thích khớp
1 $0$ $l_{af}$ $0$ $\theta_1$ Cổ chân (Lật ngang - Roll)
2 $-\pi/2$ $l_{a1}$ $0$ $\theta_2$ Cổ chân (Gập dọc - Pitch)
3 $0$ $l_{sh}$ $0$ $\theta_3$ Khớp gối (Pitch)
4 $0$ $l_{th}$ $0$ $\theta_4$ Khớp hông (Gập dọc - Pitch)
5 $\pi/2$ $l_{h1}$ $0$ $\theta_5$ Khớp hông (Lật ngang - Roll)

Trong đó: $l_{af}$ là chiều dài bàn chân, $l_{a1}$ là khoảng cách từ tâm xoay cổ chân đến khớp gập, $l_{sh}$ là chiều dài cẳng chân (shank), $l_{th}$ là chiều dài bắp đùi (thigh), $l_{h1}$ là khoảng cách từ khớp hông đến trục giữa.

Ma trận biến đổi tổng quát giữa hai hệ tọa độ liên tiếp $^{i-1}A_i$:

$$^{i-1}A_i = \begin{bmatrix} \cos\theta_i & -\sin\theta_i\cos\alpha_{i-1} & \sin\theta_i\sin\alpha_{i-1} & a_{i-1}\cos\theta_i \ \sin\theta_i & \cos\theta_i\cos\alpha_{i-1} & -\cos\theta_i\sin\alpha_{i-1} & a_{i-1}\sin\theta_i \ 0 & \sin\alpha_{i-1} & \cos\alpha_{i-1} & d_i \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$

Ma trận vị trí toàn cục của chuỗi 10 bậc tự do:

$$T_{10}^0 = \left(\prod_{i=1}^5 A_i\right) \cdot {^5P_6} \cdot {^5R_6} \cdot \left(\prod_{i=7}^{10} A_i\right)$$

Giải thuật Động học ngược Hình học (Geometric Inverse Kinematics)

Thay vì sử dụng các phương pháp số lặp ma trận Jacobian tiêu tốn tài nguyên xử lý vi điều khiển, đề tài sử dụng phương pháp giải tích hình học giải quyết trực tiếp trên các mặt phẳng $Oxz$ và $Oyz$:

% Trích đoạn tính toán động học ngược trên mặt phẳng gập duỗi (Oxz)
% Đầu vào: Tọa độ khớp hông (xh1, zh1) và cổ chân (xa1, za1), độ dài l_th, l_sh
L = sqrt((xh1 - xa1)^2 + (yh1 - ya1)^2 + (zh1 - za1)^2);

% Tính góc khớp gối (theta_3) theo định lý hàm số Cosine
cos_theta3 = (l_th^2 + l_sh^2 - L^2) / (2 * l_th * l_sh);
theta_3 = pi - acos(cos_theta3);

% Tính góc khớp đùi/hông (theta_4) và khớp cổ chân (theta_2)
alpha = acos((l_th^2 + L^2 - l_sh^2) / (2 * l_th * L));
gamma = atan2(xh1 - xa1, zh1 - za1);
theta_4 = gamma + alpha;
theta_2 = -(theta_3 + theta_4 - theta_foot);

Tiêu chuẩn ổn định ZMP (Zero Moment Point)

Tọa độ ZMP được tính toán dựa trên cân bằng mô-men quán tính và trọng lực của $n$ khâu:

$$x_{\text{ZMP}} = \frac{\sum_{i=1}^{n} m_i (\ddot{z}i + g) x_i - \sum{i=1}^{n} m_i \ddot{x}i z_i - \sum{i=1}^{n} I_{iy} \dot{\omega}{iy}}{\sum{i=1}^{n} m_i (\ddot{z}_i + g)}$$

$$y_{\text{ZMP}} = \frac{\sum_{i=1}^{n} m_i (\ddot{z}i + g) y_i - \sum{i=1}^{n} m_i \ddot{y}i z_i - \sum{i=1}^{n} I_{ix} \dot{\omega}{ix}}{\sum{i=1}^{n} m_i (\ddot{z}_i + g)}$$

Điều kiện biên bắt buộc: $(x_{\text{ZMP}}, y_{\text{ZMP}}) \in S_A$ (vùng đa giác tiếp xúc chân với mặt sàn).

Phương pháp nghiên cứu và Công nghệ (Methodology & Tech Stack)

  • Ngôn ngữ & Môi trường tính toán: MATLAB R2014a/R2015a (Simulink, Robotics Toolbox, GUI Design Environment).
  • Phần mềm thiết kế cơ khí 3D: SolidWorks 2014 (Phân tích khối lượng, xuất trọng tâm từng khâu $m_i, r_i$).
  • Hệ thống nhúng & Truyền động:
    • Vi điều khiển phát xung PWM 16 kênh độ phân giải 12-bit.
    • Động cơ: 10 x TowerPro MG946 Metal Gear RC Servo (Mô-men xoắn: $13\text{ kg}\cdot\text{cm}$ tại $6.0\text{V}$, tốc độ $0.20\text{s}/60^\circ$).
    • Nguồn cấp: Pin LiPo 2S 7.4V 2200mAh 30C kết hợp mạch hạ áp DC-DC UBEC 6V/8A.
  • Quy trình triển khai: Áp dụng mô hình chữ V (V-Model) từ thiết kế toán học $\rightarrow$ mô phỏng động học/động lực học $\rightarrow$ chế tạo cơ khí $\rightarrow$ kiểm thử chuyển động.

Triển khai thực nghiệm và Kết quả (Implementation & Results)

Quy trình xây dựng Quỹ đạo (Development Process)

Quỹ đạo bước đi được xác lập theo chu kỳ bước $T_c$ và chiều dài bước $D_s$. Trong đó, pha trụ đôi chiếm $T_d = 0.2 \cdot T_c$ (20%), pha trụ đơn chiếm $T_s = 0.8 \cdot T_c$ (80%).

Hàm nội suy Spline bậc 3 được áp dụng cho từng trục tọa độ:

$$S_k(t) = a_k + b_k(t - t_k) + c_k(t - t_k)^2 + d_k(t - t_k)^3, \quad t \in [t_k, t_{k+1}]$$

Các hệ số $a_k, b_k, c_k, d_k$ được giải bằng điều kiện liên tục về vị trí, vận tốc và gia tốc tại các nút chuyển pha ($t_k, t_d, t_m, t_{k+1}$).

function [q_spline] = generate_cubic_spline(t_pts, pos_pts, v_start, v_end, t_eval)
    % Khởi tạo bài toán nội suy Spline bậc 3 đảm bảo mượt gia tốc
    % t_pts: Các mốc thời gian chuyển pha [0, Td, Tm, Tc]
    % pos_pts: Tọa độ mục tiêu tại các mốc [x0, xd, xm, xc]
    
    cs = spline(t_pts, [v_start, pos_pts, v_end]);
    q_spline = ppval(cs, t_eval);
end

[Thời điểm t = 0]     DSP (Pha trụ đôi)   : Cả 2 chân chạm sàn, ZMP chuyển dần từ chân sau sang chân trước.
[Thời điểm t = Td]    Bắt đầu SSP         : Chân lăng rời đất với góc nhấc mũi chân θb > 0.
[Thời điểm t = Tm]    Giữa pha SSP        : Bàn chân lăng đạt độ cao cực đại H_a_max, hông hạ thấp cực tiểu H_h_min.
[Thời điểm t = Tc-Td] Tiếp đất gót chân   : Chân lăng chạm sàn với góc θf > 0, bước vào pha DSP mới.

Thử nghiệm và Đánh giá (Testing & Validation)

Hệ thống được kiểm thử qua 3 giai đoạn: kiểm nghiệm mô hình toán trên MATLAB, mô phỏng đồ họa 3D không gian thực, và điều khiển trực tiếp trên mô hình vật lý.

Thông số hình học và chuyển động thực nghiệm:

  • Chiều dài bắp đùi $l_{th} = 120\text{ mm}$, cẳng chân $l_{sh} = 120\text{ mm}$, chiều rộng hông $l_h = 100\text{ mm}$.
  • Chiều dài bước $D_s = 80\text{ mm}$, thời gian chu kỳ bước $T_c = 1.5\text{ s}$.
  • Góc nhấc mũi chân $\theta_b = 15^\circ$, góc tiếp gót $\theta_f = 12^\circ$.
Biên độ dao động vị trí ZMP theo trục di chuyển (x) và trục ngang (y):
┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  [Y-Axis] (mm)                                               │
│    50 ┼───────────────╭──────────╮                           │
│       │               │ S_A Left │  ◄── Vùng chân trái       │
│    25 ┼───────────────╰──────────╯                           │
│       │        ╭───╮                                         │
│     0 ┼────────┼─●─┼──────────────────────────────           │
│       │        │ZMP│ ◄── Điểm ZMP nằm trọn trong S_A         │
│   -25 ┼────────┴───┴──╭──────────╮                           │
│       │               │S_A Right │  ◄── Vùng chân phải       │
│   -50 ┼───────────────╰──────────╯                           │
│       └────────────────────────────────────────────► [Time]  │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘

Bảng chỉ số đánh giá hiệu năng:

Hạng mục kiểm thử Giá trị lý thuyết / Mục tiêu Kết quả đo đạc thực tế Mức độ sai lệch / Đạt
Góc quay khớp gối ($\theta_3$) $0^\circ \rightarrow 48.5^\circ$ $0^\circ \rightarrow 47.2^\circ$ Sai số $2.6%$ (Chấp nhận được)
Hành trình nâng chân ($H_{a\max}$) $30.0\text{ mm}$ $28.8\text{ mm}$ Sai số $4.0%$ do đàn hồi cơ khí
Thời gian chu kỳ bước ($T_c$) $1.50\text{ s}$ $1.52\text{ s}$ Độ trễ xung PWM $1.3%$
Vị trí ZMP trong vùng đa giác Nằm trong biên $100%$ Nằm trong biên $100%$ Hoàn toàn ổn định (Không ngã)
Nhiệt độ động cơ sau 15 phút $< 55^\circ\text{C}$ $46.5^\circ\text{C}$ Đảm bảo an toàn nhiệt

Đổi mới và Đóng góp kỹ thuật

  1. Thuật toán Động học ngược Hình học rút gọn: Giải quyết triệt để tính phi tuyến của hệ 10 bậc tự do mà không cần tính định thức ma trận Jacobian $J^{-1}$, giảm $65%$ thời gian thực thi thuật toán trên vi điều khiển nhúng tần số thấp.
  2. Quy hoạch bước đi tự nhiên (Natural Gait Generation): Tích hợp thành công động học tiếp gót (Heel-strike) và đẩy mũi (Toe-off). So với mô hình bàn chân phẳng truyền thống, giải pháp giúp tăng chiều dài sải bước thêm $22%$ và giảm mô-men cản khi chân chạm đất $18%$.
  3. Phân đoạn quỹ đạo 3 pha hoàn chỉnh: Mô hình hóa chính xác giai đoạn bắt đầu tăng tốc và dừng bước giảm tốc, triệt tiêu xung lực giật (Jerk) khi robot xuất phát hoặc dừng lại.
  4. Tối ưu hóa chi phí nghiên cứu: Xây dựng thành công hệ thống phần cứng và phần mềm có độ mở cao, giảm chi phí đầu tư thiết bị thực nghiệm xuống dưới 5 triệu VNĐ, mở ra hướng tiếp cận giáo dục robotics chi phí thấp cho các trường đại học tại Việt Nam.

Ứng dụng thực tế và Triển khai

Lĩnh vực ứng dụng

  • Giáo dục và Đào tạo Đại học/Sau đại học: Làm mô hình chuẩn cho sinh viên ngành Cơ điện tử, Tự động hóa và Robot thực hành các môn học Lý thuyết Robot, Điều khiển tối ưu và Kỹ thuật vi điều khiển.
  • Robot dịch vụ và cứu hộ: Tiền đề phát triển các robot phỏng sinh phục vụ trong môi trường độc hại, địa hình bậc thang dân dụng mà robot bánh lăn không thể tiếp cận.
  • Y sinh & Thiết bị hỗ trợ vận động (Exoskeleton): Thuật toán quỹ đạo góc khớp hông - gối - cổ chân được ứng dụng trực tiếp để lập trình khung xương trợ lực chi dưới cho bệnh nhân phục hồi chức năng sau tai biến.
                    [ Ứng dụng & Triển khai ]
                               │
       ┌───────────────────────┼───────────────────────┐
       ▼                       ▼                       ▼
[ Giáo dục & R&D ]     [ Robot Dịch vụ ]      [ Y sinh & Exoskeleton ]
- Thực hành Cơ điện tử - Thám hiểm địa hình   - Khung trợ lực phục hồi
- Nghiên cứu phi tuyến - Dẫn đường dân dụng   - Tái tạo dáng đi tự nhiên

Lộ trình nâng cấp công nghiệp (Industrial Roadmap)

  • Giai đoạn 1 (Hiện tại): Điều khiển quỹ đạo góc vòng hở, mô phỏng kiểm chứng tính toán ZMP.
  • Giai đoạn 2 (6 - 12 tháng): Nâng cấp cảm biến lực tiếp xúc FSR (Force Sensitive Resistor) dưới 4 góc bàn chân, tích hợp cảm biến IMU 6 trục trên thân trên để bù sai lệch cân bằng thời gian thực (Closed-loop Real-time Balancing).
  • Giai đoạn 3 (12 - 24 tháng): Thay thế động cơ RC Servo bằng cụm động cơ BLDC không chổi than tích hợp bộ giảm tốc điều hòa (Harmonic Drive) và giao tiếp truyền thông công nghiệp CAN Bus tốc độ cao 1Mbps.

Hạn chế và Hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Vật liệu khung cơ khí: Khung gia công bằng tấm Mica cắt Laser có độ biến dạng dẻo nhất định dưới tải trọng động, gây ra sai số nhỏ tại điểm đặt bàn chân.
  • Hệ thống điều khiển vòng hở: Động cơ RC Servo tiêu chuẩn sử dụng biến trở phản hồi góc nội bộ, chưa truyền thông dữ liệu mô-men và góc quay thực tế về vi xử lý trung tâm.
  • Môi trường chuyển động: Thuật toán hiện tại chỉ tối ưu hóa cho bề mặt phẳng, chưa tự thích ứng với địa hình nghiêng hoặc bậc thang ngẫu nhiên.

Hướng phát triển mở rộng

  1. Nâng cấp hệ thống khung sang hợp kim nhôm Al 6061 hoặc sợi Carbon gia cường nhằm tăng độ cứng vững và giảm trọng lượng tĩnh.
  2. Ứng dụng giải thuật điều khiển thích nghi thông minh (Adaptive Fuzzy-PID Control) hoặc học tăng cường sâu (Deep Reinforcement Learning - DRL) để tự động tối ưu hóa bước đi khi có ngoại lực tác động bất ngờ.
  3. Bổ sung camera thị giác máy tính (RGB-D Depth Camera) trên phần đầu để nhận diện chướng ngại vật và tự động lập bản đồ di chuyển (SLAM).

Đối tượng hưởng lợi

┌────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI                             │
├──────────────────┬──────────────────┬──────────────────────────────────┤
│ Sinh viên & HVCH │ Kỹ sư & Lập trình│ Nhà nghiên cứu & Doanh nghiệp    │
│                  │                  │                                  │
│ • Mã nguồn mẫu   │ • Giải thuật IK  │ • Dữ liệu động học phỏng sinh    │
│ • Bảng thông số  │ • Framework nhúng│ • Cấu trúc cơ điện tử chi phí    │
│   D-H chi tiết   │ • Giao thức PWM  │   thấp cho thiết bị y tế         │
└──────────────────┴──────────────────┴──────────────────────────────────┘
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa: Sở hữu tài liệu hoàn chỉnh từ cơ sở toán học D-H, động lực học Lagrange-Euler đến mã nguồn mô phỏng MATLAB 3D.
  • Kỹ sư phát triển Robot: Nắm bắt kiến thức thực chiến về phương pháp tính toán động học ngược hình học tốc độ cao và kỹ thuật phối hợp chuyển động đa trục Servo.
  • Nhà nghiên cứu Y sinh & Thiết bị phục hồi chức năng: Khai thác dữ liệu quỹ đạo góc khớp chuẩn phỏng sinh học để thiết kế các cơ cấu chi dưới giả hoặc robot tập đi cho bệnh nhân.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Cần cấu hình phần cứng tối thiểu nào để biên dịch và chạy mô phỏng MATLAB 3D của dự án?

Để chạy mượt mà mô phỏng GUI 3D và tính toán ma trận động học, máy tính cần trang bị tối thiểu: CPU Intel Core i3 (thế hệ 4 trở lên), RAM 4GB, phần mềm MATLAB phiên bản từ R2013a trở lên có cài đặt bộ công cụ Symbolic Math Toolbox.

2. Tại sao đồ án chọn phương pháp Động học ngược Hình học thay vì nghịch đảo ma trận Jacobi?

Phương pháp nghịch đảo Jacobian đòi hỏi năng lực tính toán dấu phẩy động ma trận cấp cao liên tục theo thời gian thực, dễ gặp lỗi suy biến (Singularity). Phương pháp hình học tận dụng các tam giác phẳng cố định trên hệ cơ khí 10 DoF, cho ra nghiệm giải tích trực tiếp cực nhanh, tối ưu hóa tuyệt đối cho các vi điều khiển nhúng 8-bit hoặc 32-bit.

3. Động cơ TowerPro MG946 có bị hiện tượng trôi bước hoặc thiếu lực trong quá trình robot đứng một chân không?

Động cơ TowerPro MG946 sở hữu bộ bánh răng kim loại với mô-men giữ (Holding Torque) lên tới $13\text{ kg}\cdot\text{cm}$ tại điện áp $6\text{V}$. Với tổng khối lượng robot thực nghiệm chỉ xấp xỉ $1.8\text{ kg}$ (trọng lượng mỗi chân $\approx 0.6\text{ kg}$), động cơ hoàn toàn đáp ứng hệ số an toàn lực $k_{\text{safe}} > 2.5$, không xảy ra hiện tượng sụp khớp trong pha trụ đơn SSP.

4. Làm thế nào để điều chỉnh robot bước nhanh hơn hoặc bước dài hơn?

Trong file cấu hình quỹ đạo, người dùng chỉ cần thay đổi 2 tham số đầu vào: $T_c$ (thời gian chu kỳ bước - giảm $T_c$ để bước nhanh hơn) và $D_s$ (chiều dài nửa bước - tăng $D_s$ để sải bước dài hơn). Hệ thống hàm Spline sẽ tự động tái cấu trúc lại toàn bộ các điểm nút vận tốc và gia tốc tương ứng.

5. Dự án xử lý hiện tượng sụt áp nguồn khi 10 động cơ Servo khởi động đồng thời như thế nào?

Để chống sụt áp gây Reset vi điều khiển, hệ thống sử dụng nguồn cấp độc lập: một khối pin LiPo dòng xả cao (30C) đi qua module chuyển đổi nguồn xung UBEC 6V/8A riêng biệt cấp nguồn động lực cho 10 Servo, trong khi mạch điều khiển trung tâm được cấp nguồn qua IC ổn áp LDO cách ly có gắn tụ lọc chống nhiễu dung lượng lớn ($1000\mu\text{F}$).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết Kế Tính Toán Mô Phỏng Bước Đi Robot Hai Chân" của tác giả Phạm Sơn Tùng dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Nguyễn Trường Thịnh đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đề ra:

  • Xây dựng thành công cơ sở lý thuyết toán học vững chắc về động học và động lực học cho robot phỏng sinh học 10 DoF.
  • Giải quyết bài toán hoạch định quỹ đạo bước đi tự nhiên kết hợp kỹ thuật tiếp đất bằng gót chân và rời đất bằng mũi chân qua hàm nội suy Spline bậc 3.
  • Hiện thực hóa thành công từ mô phỏng đồ họa không gian 3D trên MATLAB đến mô hình vật lý hoạt động ổn định, giữ vững tiêu chuẩn cân bằng ZMP.

Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật giá trị, đóng góp nền tảng quan trọng cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo về robot dạng người tự hành và thiết bị y sinh phục hồi chức năng tại Việt Nam.