CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Nội dung chương trình bày tổng quan về robot di động nói chung và robot di động hai chân, các phương pháp nghiên cứu về bài toán động học, động lực học và điều khiển nhằm đảm bảo robot di chuyển theo một quy luật phù hợp với yêu cầu ứng dụng cũng như gần với dáng đi tự nhiên. Một loạt các phương pháp điều khiển sẽ được giới thiệu trong chương từ phương pháp đơn giản thông dụng cho đến một số phương pháp hiện đại. Trong chương cũng trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu về robot di động hai chân trong và ngoài nước.
Từ đó, các nội dung nghiên cứu chính của luận án được đề xuất, các bài toán cơ bản của luận án được đưa ra để giải quyết trong các chương tiếp theo.1 Tổng quan về robot di động hai chân 1.1 Giới thiệu về robot di động hai chân Robot di động là robot có thể di chuyển trong không gian như trên mặt đất, dưới nước hay trên không. Trong các loại robot di động có robot di động bằng chân, robot di động bằng bánh xe, bánh xích hay kết hợp giữa chân với bánh xe. Robot di động bằng chân có đặc điểm là tiếp xúc không liên tục với mặt đất do đó nó có thể tránh được chướng ngại vật, bước qua các mương, rãnh, đi trên mặt đất không bằng phẳng, và lên xuống cầu thang một cách dễ dàng. Trong các loại robot di động bằng chân, robot di động hai chân hay robot hai chân (biped robot) thực hiện chuyển động có bước đi giống với bước đi của con người.
Vì thế robot có thể hoạt động trong môi trường con người với hiệu quả cao hơn các robot khác. Robot có thể thực hiện các hoạt động thao tác phục vụ con người, thay thế con người trong một số công việc hoặc tương tác, làm việc trực tiếp cùng với con người. Qua quá trình nghiên cứu của con người thì người ta đã tạo ra nhiều mô hình cấu trúc robot di động hai chân khác nhau, đa dạng về kiểu dáng, phong phú về số lượng bậc tự do. Với những nghiên cứu ban đầu thì mô hình robot có cấu trúc đơn giản, về sau mô hình robot được nghiên cứu đầy đủ, phức tạp hơn.
Tuy nhiên dựa vào từng bài toán nghiên cứu cụ thể mà mô hình cấu trúc robot được lựa chọn một cách phù hợp, có thể sử dụng các cấu trúc đơn giản mà vẫn đảm bảo các vấn đề nghiên cứu.2 Sự phát triển của robot di động hai chân Robot di động hai chân đã được nghiên cứu, phát triển từ rất sớm. Ichiro Kato là một trong những người tiên phong về robot di động ở Nhật. Trong các năm 1966- 1967 ông và các cộng sự ở trường đại hoc Waseda đã phát triển robot hai chân đầu tiên mang tên là WL-1 (Waseda Leg - 1) [1], dựa trên cơ chế hoạt động của chân người. Các chức năng cơ bản về vận động hai chân đã được nghiên cứu.
Vào năm 5 1968, robot WL-3 được phát triển, robot hoạt động bằng bộ truyền động servo điện- thủy lực và được điều khiển bằng phương pháp master-slaver. Robot có chuyển động giống như con người có thể đứng lên và ngồi xuống. Robot WL-5 được chế tạo vào năm 1971, gồm có tổng cộng 11 bậc tự do, 5 bậc tự do ở mỗi chân và một bậc tự do ở thân. Nó có thể thay đổi hướng bằng cách sử dụng một chương trình điều khiển.1 Các robot hai chân: WL-1, WL-3, WL-5 (nguồn [1]) Vào năm 1973, Kato và các đồng nghiệp của ông đã phát triển một loạt các robot hai chân, trong số đó có robot WABOT-1 (the WAseda roBOT) [2] có hình dáng giống người.
Kích thước của nó tương đương với kích thước của một người. Robot có thể giữ trọng tâm của nó bên trong khu vực hỗ trợ của bàn chân.2 Các robot WABOT-1, WL-10R, WL-12RIII (nguồn [2 - 4]) Takanishi đã giới thiệu robot WL-10R (Waseda Leg - 10 Refined) [3] vào năm 1982. Đây là một cột mốc quan trọng trong ngành chế tạo robot hai chân, được đánh dấu bằng sự chuyển đổi từ trạng thái đi bộ với bước đi tĩnh sang đi với bước đi động. Robot WL-12RIII [4] được Takanishi phát triển vào năm 1990, robot có 9 bậc tự do.
Nó có thể bước đi trên mặt nghiêng. Phần thân có 2 bậc tự do có thể di chuyển trong mặt phẳng phía trước như một con lắc ngược. Robot nặng 100 kg và cao 170 cm. Hệ thống điều khiển có thể thay đổi điểm ZMP (Zero Moment Point) (điểm cân bằng momen) để đạt được khả năng đi bộ linh hoạt trên địa hình bằng phẳng hoặc không bằng phẳng.
Tại đại học bang Ohio, Mỹ, Zheng và các cộng sự trong các năm từ 1988 đến 1990 đã nghiên cứu chuyển động động lực học bằng cách sử dụng robot hai chân SD-2 với 9 khâu, 8 bậc tự do. Khối lượng của robot SD-2 là 9 kg và cao 0,9 m. Nó có thể di chuyển ở mức 0,13 m/s [5]. 6 Vào năm 1993, Gruver và các cộng sự đã phát triển robot hai chân có 12 bậc tự do [6], có thể đi lại linh hoạt, bao gồm một xương chậu và hai chân.
Robot có 5 khâu và 4 bậc tự do ở mặt phẳng trán và 7 khâu và 6 bậc tự do ở mặt phẳng nghiêng. Nó có thể thay đổi hướng do có 2 bậc tự do trục thẳng đứng của hông nó. Robot cao 92 cm. Nó thể hiện vận tốc 0,71 m/s trên sàn đường thẳng.3 Các robot của Zheng, Gruver, Miller (nguồn [5, 6, 7]) Năm 1994, Miller đã sửa đổi robot SD-2 của Zheng với việc bổ sung thêm đầu gối.
Kết quả là robot hai chân đã có thể nhận ra bước đi tĩnh và có 5 khớp xoay cho mỗi chân, tổng cộng là 10 bậc tự do. Nó được thực hiện thông qua các chiến lược điều khiển dựa trên mạng noron nhân tạo kiểu CMAC (Cerebellar Model Arithmetic to Computer), mà không sử dụng mô hình chi tiết của động học và động lực học. Robot mới nặng 6,8 kg và cao 104 cm [7]. Công ty Honda Motor ở Nhật Bản đã phát triển một số robot hai chân kể từ năm 1986, bắt đầu với mẫu E0 lên đến mẫu E6 vào năm 1993 [8].
Với E0 robot đi bộ bằng cách đặt một chân trước chân kia, phải mất gần 5 giây giữa các bước và chỉ có thể đi chậm trên một đường thẳng. Với E1 thì robot đi bộ với tốc độ tĩnh 0,25km/h trong khi đó E2 có thể đi bộ nhanh và đạt tốc độ 1,2 km/h. Với E3 có hai chân dạng đùi bước đi với vận tốc bình thường của con người là 3km/h. Các mẫu từ E4 đến E6 được Honda phát triển từ năm 1991 đến 1993.
Robot E4 có thể mô phỏng tốc độ bước nhanh của con người đạt 4,7km/h. Với E6 robot có thể tự điều khiển thăng bằng khi lên xuống cầu thang, đổ dốc hoặc bước qua chướng ngại vật.4 Các mẫu robot của Honda từ E0 đến E6 (nguồn [8]) Từ năm 1993 đến 1997, Honda nâng cấp các mẫu robot của hãng với sự kết hợp của các chân với phần thân trên trong các mẫu từ P1 đến P3. Robot P1 là mô hình đầu tiên giống người với hai tay và thân, nó có chiều cao 1915 mm và trọng lượng 175 7 kg. P2 là robot hình người đầu tiên với chuyển động thực tế, robot có chiều cao là 182 cm và khối lượng 210 kg.
Nó có thể di chuyển với tốc độ 0,83 m/s trên các bề mặt bằng phẳng, đi lên và đi xuống cầu thang, sàn nhà ở bề mặt nghiêng lên đến 10%. Hơn nữa, nó có thể đi qua một bên, rẽ và đi lùi lại phía sau. Trong khi P3 có sự nâng cấp về kích thước và trọng lượng, robot đứng 1600 mm và nặng 130 kg [9].5 Các mẫu robot giống người của Honda P1 đến P3 (nguồn [8, 9]) Robot hai chân Johnnie được phát triển vào năm 1998 tại Đức [10]. Robot có tổng cộng 17 khớp nối, nặng khoảng 40 kg và cao 1,80 m.
Mỗi chân kết hợp sáu khớp dẫn động. Ba trong số chúng nằm ở hông, một tác động lên đầu gối và hai động tác khác điều khiển khớp mắt cá chân. Phần thân trên được trang bị bậc tự do quay theo trục dọc của cơ thể. Hai cánh tay với 2 bậc tự do mỗi tay.
Các khớp được điều khiển bởi động cơ DC với các encoder đo các góc khớp và vận tốc khớp. Johnnie có các cảm biến lực ở bàn chân để đo phản lực trên mặt đất. Yamaguchi và các cộng sự trong năm 1999 đã phát triển một robot hình người với 41 bậc tự do được gọi là WABIAN-R. Robot đã đạt được bước đi ổn định bằng cách sử dụng con lắc ngược ở phần trên cơ thể của mình [11].
Năm 2000, Lim và Takanishi đã giới thiệu robot có hai chân giống người WABIAN-RII. Robot có 6 bậc tự do ở chân, 2 ở tay, ở cổ có 4 bậc tự do, mắt cũng có 4 bậc tự do và thân với eo có 3 bậc tự do. Chiều cao khoảng 1,84 m và tổng trọng lượng là 127 kg.6 Các robot Johnnie, WABIAN R, WABIAN RII (nguồn [10,11]) Honda cho ra mắt robot mang tên ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility) [12] vào năm 2000 với chiều cao 1,20 m, trọng lượng 43 kg. Robot này được chế tạo cho mục đích giải trí, một công nghệ đi bộ mới (i-WALK) cho phép ASIMO đi bộ liên tục trong khi thay đổi hướng và mang lại cho robot độ ổn định cao 8 hơn khi phản ứng với các chuyển động đột ngột.
Các năm tiếp theo Honda liên tục cập nhật ASIMO để hoàn thiện hơn. Một robot khác được phát triển để giải trí là SDR-3X (Sony Dream Robot), được sản xuất bởi Sony. SDR-3X [13] được giới thiệu vào năm 2000 và có khối lượng 5 kg, chiều cao 50 cm có 24 DOF. Vào tháng 9 năm 2003, Sony công bố QRIO (Quest for Curiosity).
Nó có thể đi lại và phục hồi sau khi ngã. Phương pháp điều khiển chuyển động của nó dựa trên điểm ZMP và nó có thể đi trên bề mặt không bằng phẳng, ngay cả khi độ dốc thay đổi đột ngột. QRIO có thể thực hiện một bước theo hướng nó được đẩy để không bị ngã, khi bị tác động lực bên ngoài, hoặc nó có thể ngừng ngay lập tức mọi chuyển động của cơ thể để tránh bị ngã.7 Robot ASIMO, SDR-3X và QRIO của Sony (nguồn [12, 13]) Từ 1997 đến 2002, ở Nhật đã khởi động một dự án robot hình người – HRP (Human Robot Project) [14]. Các robot hình người HRP-1 và HRP-2 đã được phát triển.
Robot hai chân HRP-2 có thể đi trên địa hình gồ ghề, đứng vững sau khi ngã và làm việc với con người. Robot cao 154 cm và nặng 58 kg.