Xây dựng mô hình động học, động lực học và phương pháp điều khiển cho robot biped

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ không thể thiếu của Thầy PGS.TS Lê
Hồi Quốc trong q trình nghiên cứu đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự Động Hoá ( Khoa Điện-Điện tử ) và
các thầy cơ tham gia trong q trình giảng dạy chun ngành, những người đã đặt nền móng
vững cho sự nghiên cứu của tôi trong đề tài
Xin chân thành cảm ơn sự ủng hộ của các Anh,Chị trong lớp Cao Học K15, các đồng nghiệp
trong Bộ Mơn KTĐKTĐ ( Khoa Cơ Khí ).
Và cuối cùng con xin dành tặng Cha và Mẹ…

Thành phố Hồ Chí Minh ngày 10 tháng 11 năm 2006
Học viên
Nguyễn Quốc Chí


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Mục lục .........................................................................................................................................i
Tóm tắt đề tài .............................................................................................................................iv
Abstract .......................................................................................................................................v
Danh mục hình ..........................................................................................................................vi
Danh mục bảng biểu .................................................................................................................ix
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ...................................................................................................1
1.1 Những nghiên cứu và phát triển các loại Robot hiện nay...........................................1
1.1.1 Robot vehicle ............................................................................................................1
1.1.2 Robot không gian ......................................................................................................6
1.1.3 Robot công nghiệp,Robot cá nhân và Robot dịch vụ.............................................10
1.2 Robot Humanoid...........................................................................................................12
1.2.1
1.2.2

1.2.3
1.2.4

Lược sử về Robot Humanoid 2 chân......................................................................13
Thành tựu trong lĩnh vực Robot Humanoid gần đây ............................................15
Thiết kế những Robot Humanoid 2 chân như thế nào ............................................17
Lĩnh vực ứng dụng của Robot Humanoid 2 chân ..................................................21

1.3 Những thách thức trong nghiên cứu Robot Humanoid ...........................................22
1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.3.4

Kết cấu cơ khí .........................................................................................................23
Mơ hình tốn ...........................................................................................................23
Điều khiển cho robot biped .....................................................................................23
Giá thành .................................................................................................................23

CHƯƠNG 2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ..........................................................24
2.1
2.2
2.3
2.4

Đặt vấn đề ......................................................................................................................24
Mục đích ........................................................................................................................24
Giới hạn đề tài...............................................................................................................25
Những nội dung nghiên cứu thưc hiện trong đề tài ..................................................25

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂN ...................................27
3.1 Giới thiệu các phương thức vận động.........................................................................28
3.2 Các giải pháp cho phương thức vận động ..................................................................31
3.3 Robot di chuyển bằng chân..........................................................................................32
3.4 Robot di chuyển bằng chân..........................................................................................38
3.5 Phân tích dáng đi của con người và các nguyên lý di chuyển của robot 2 chân .....40
3.5.1 Chu kỳ bước của con người ....................................................................................41
3.5.2 Các nguyên lý giữ thăng bằng và di chuyển trên Robot Biped...............................41

i


CHƯƠNG 4 ĐỘNG HỌC ROBOT BIPED ........................................................................45
4.1 Quy ước và ký hiệu .......................................................................................................46
4.1.1 Sơ đồ nguyên lý của Robot biped ...........................................................................46
4.1.2 Ý nghĩa các ký hiệu.................................................................................................47
4.1.2.1 Các thông số vật lý của Robot biped .....................................................................47
4.1.2.2 Các ký hiệu về vị trí .............................................................................................47
4.1.2.3 Các ký hiệu về cơng thức .....................................................................................47
4.1.3 Các quy ước về hệ tọa độ và góc ............................................................................48
4.1.3.1 Quy ước đặt hệ tọa độ .........................................................................................48
4.1.3.2 Quy ước chiều các góc ........................................................................................49

4.2 Phân tích bậc tự do cho Robot biped ..........................................................................51
4.3 Động học ........................................................................................................................53

CHƯƠNG 5 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT BIPED ..............................................................57
5.1 Thiết lập cơ năng...........................................................................................................58
5.1.1 Thế năng của hệ thống Robot biped........................................................................58
5.1.2 Động năng của hệ thống Robot biped .....................................................................59

5.2 Giai đoạn Single Phase .................................................................................................60
5.3 Giai đoạn Double Phase ...............................................................................................61

CHƯƠNG 6 HOẠCH ĐỊNH DI CHUYỂN CHO ROBOT BIPED .................................65
6.1 Phân tích khối tâm của hệ thống .................................................................................66
6.1.1
6.1.2
6.1.3
6.1.4

Sơ đồ .......................................................................................................................66
Tìm tâm khối lượng các chân và phần thân ............................................................67
Tọa độ tâm khối lượng các chân và phần thân........................................................68
Tọa độ tâm khối lượng của cả hệ thống ..................................................................68

6.2 Khảo sát bài toán con lắc .............................................................................................70
6.2.1 Giới thiệu.................................................................................................................70
6.2.2 Phương trình chuyển động của con lắc ngược 3D ..................................................71
6.2.3 Mơ hình con lắc ngược 3D tuyến tính.....................................................................72
6.3 Áp dụng bài tốn con lắc ngược 3D ............................................................................74
6.3.1 Thiết kế dáng đi cho Robot Biped trong giai đoạn Single Phase............................74
6.3.1.1 Ràng buộc về hướng của phần thân Robot ............................................................75
6.3.1.2 Ràng buộc cho khối tâm M của Robot biped..........................................................76
6.3.1.3 Kết quả...............................................................................................................82

6.3.2 Thiết kế dáng đi cho Robot Biped trong giai đoạn Double Phase ..........................87
6.3.2.1
6.3.2.2
6.3.2.3
6.3.2.4

6.3.2.5

Ràng buộc về hướng của phần thân Robot ............................................................88
Ràng buộc về góc nghiêng sang trái và sang phải của Robot..................................88
Ràng buộc cho khối tâm M của Robot biped..........................................................89
Ràng buộc cho Tip_e ...........................................................................................90
Kết quả...............................................................................................................90

ii


6.4 Thiết kế dáng đi của Robot Biped trong chu kỳ bước đầu tiên................................95
6.4.1. Thiết kế dáng đi cho Robot biped trong giai đoạn Double Phase ..........................95
6.4.1.1
6.4.1.2
6.4.1.3
6.4.1.4
6.4.1.5

Ràng buộc về hướng của phần thân Robot ............................................................96
Ràng buộc về góc nghiêng sang trái của Robot .....................................................96
Ràng buộc cho khối tâm M của Robot biped..........................................................97
Ràng buộc cho Tip_e ...........................................................................................98
Kết quả...............................................................................................................99

6.4.2. Thiết kế dáng đi cho Robot biped trong giai đoạn Single Phase .........................104
6.4.2.1
6.4.2.2
6.4.2.3
6.4.2.4

6.4.2.5

Ràng buộc về hướng của phần thân Robot ..........................................................104
Ràng buộc về góc nghiêng sang trái của Robot ...................................................104
Ràng buộc cho khối tâm M của Robot biped........................................................104
Ràng buộc cho Tip_e .........................................................................................106
Kết quả.............................................................................................................107

CHƯƠNG 7 PHÁC THẢO KẾT CẤU CƠ KHÍ ..............................................................112
7.1 Sơ đồ nguyên lý ...........................................................................................................113
7.2 Kết cấu cơ khí tại từng khớp .....................................................................................115
7.2.1 Kết cấu cơ khí tại khớp 1&7 .................................................................................115
7.2.2 Kết cấu cơ khí tại khớp hơng ................................................................................115
7.2.3 Kết cấu cơ khí tại khớp 4 ......................................................................................117

CHƯƠNG 8 THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN ......................................................................118
8.1 Giới thiệu các vấn đề cần giải quyết..........................................................................119
8.2 Thiết kế bộ điều khiển RDC ......................................................................................120
8.2.1 Phương trình động lực học và các giả thuyết ........................................................120
8.2.2 Thiết kế bộ điều khiển RDC ................................................................................121
8.3 Xây dựng bộ điều khiển cho single phase...............................................................123
8.3.1 Xây dựng hệ trục tọa độ tương đối qi tại các khớp quay.......................................123
8.3.2 Thiết lập sơ đồ khối Matlab Simulink...................................................................125
8.3.2.1 Thiết lập sơ đồ khối Matlab Simulink cho khối động lực học....................................125
8.3.2.2 Thiết lập sơ đồ khối cho khối điều khiển ...................................................................127
8.3.2.3 Thiết lập sơ đồ khối cho tín hiệu đầu vào mong muốn ..............................................129

CHƯƠNG 9 KẾT LUẬN & HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .......................................132
9.1 Kết luận .......................................................................................................................133
9.2 Hướng phát triển đề tài ..............................................................................................133

Tài liệu tham khảo ...............................................................................................................134
Phụ lục(in riêng)

iii


TĨM TẮT LUẬN VĂN

Giải trí là một trong những nhu cầu không thể thiếu của con người và nhu cầu này ngày
càng trở thành lĩnh vực ứng dụng mới của thế hệ Robot thông minh giống người.Với nền khoa
học kỹ thuật ngày càng phát triển, các thế hệ Robot ra đời ngày càng tiên tiến và thông minh
hơn dần dần hình thành một lĩnh vực Robot giống người gọi là Humanoid Robot. Humanoid
Robot đã thực sự đánh dấu cho bước phát triển cao nhất của kỹ thuật Robot hiện nay.
Đề tài này tập trung vào nghiên cứu lý thuyết về động học, động lực học, hoạch định di
chuyển và phương pháp điều khiển cho một Robot Biped 7 bậc tự do trong khơng gian 3D.
Đề tài gồm có 9 chương:
• Chương 1

Tổng quan

• Chương 2

Nhiệm vụ đề tài

• Chương 3

Phân tích phương thức di chuyển

• Chương 4

Động học Robot Biped

• Chương 5

Động lực học Robot Biped

• Chương 6

Hoạch định di chuyển cho Robot Biped

• Chương 7

Phương pháp điều khiển

• Chương 8

Phác thảo sơ bộ kết cấu cơ khí

• Chương 9

Kết luận

v


ABSTRACT

Entertainment is one of people’s essential needs. This need become a new application
field of robot which has some aspects and actions as human. With the progress of science,

many robotic generations which were generated are more and more progressive and
intelligent. This progress has become a new Robotic field so calls “Humanoid Robots”.
Humanoid robots marks for the highest progress in robotic technology nowaday.
This master thesis focuses on researching the theory of Kinematics, Dynamics ,
Motion Planning and Control Method for a 7 degrees of freedom Robot in 3D space.
The thesis contains 9 chapters
• Chapter 1

Overview

• Chapter 2

Purpose of thesis

• Chapter 3

Analysing the Motion Method

• Chapter 4

Kinematics of Biped Robot

• Chapter 5

Dynamics of Biped Robot

• Chapter 6

Motion planning for Biped Robot

• Chapter 7

Control method

• Chapter 8

Drafting preliminary mechanical design

• Chapter 9

Conclusion & future works

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
HÌNH 1.1
HÌNH 1.2
HÌNH 1.3
HÌNH 1.4
HÌNH 1.5
HÌNH 1.6
HÌNH 1.7
HÌNH 1.8
HÌNH 1.9
HÌNH 1.10
HÌNH 1.11
HÌNH 1.12
HÌNH 1.13
HÌNH 1.14

HÌNH 1.15
HÌNH 1.16
HÌNH 1.17
HÌNH 1.18
HÌNH 1.19
HÌNH 1.20
HÌNH 1.21
HÌNH 1.22
HÌNH 1.23

NASA Mars Rover...................................................................................................3
IFREMER ASTER ..................................................................................................3
IBOT advanced wheel chair(DEKA,U.S.)................................................................3
Chó Robot ................................................................................................................4
Qiro(Sony)&ASIMO(Honda) ..................................................................................4
Tay máy robot khơng gian(Canadian Space Agency) .............................................7
Mars Exploration Rover...........................................................................................7
Robot phi hành gia ...................................................................................................7
Mars Exploration Rover robot arm ..........................................................................7
SPDM trên trạm không gian(Canadian Space Agency............................................8
Main Arm và Small Fine Arm (Japan Aerospace Exploration Agency) .................8
Robot di chuyển trên bề mặt mặt trăng....................................................................9
Các ví dụ về robot trong lĩnh vựcRobot công nghiệp FANUC(trái), Mobile
Robot(giữa), Robot giải trí của SONY (phải) ......................................................10
Số lượng Robot cơng nghiệp trên 10.000 công nhân............................................11
Tỉ lệ % trong các lĩnh vực ứng dụng của robot cơng nghiệp .................................11
Ví dụ về service robot ...........................................................................................12
Các nghiên cứu đã thành công của Humanoid Robot hiện nay .............................16
Các phiên bản phát triển của ASIMO (Honda)......................................................18
So sánh cử động giữa người và ASIMO................................................................19

Sự vận động ở các khớp của con người .................................................................19
Mô phỏng các khớp cho Robot ..............................................................................19
Nghiên cứu từng bộ phận của Humanoid Robot....................................................21
Các Humanoid Robot giải trí ................................................................................22

HÌNH 3.1
HÌNH 3.2
HÌNH 3.3
HÌNH 3.4
HÌNH 3.5
HÌNH 3.6
HÌNH 3.7
HÌNH 3.8
HÌNH 3.9
HÌNH 3.10
HÌNH 3.11
HÌNH 3.12
HÌNH 3.13
HÌNH 3.14
HÌNH 3.15
HÌNH 3.16
HÌNH 3.17
HÌNH 3.18
HÌNH 3.19

Cơ chế vận động trong các hệ sinh vật..................................................................29
Minh họa một hệ vận động di chuyển trên hai chân .............................................30
Mô tả quan hệ định lượng .....................................................................................30
RoboTrac ...............................................................................................................30
Sự sắp xếp các chân của các động vật khác nhau ..................................................32

Hai ví dụ về cấu trúc chân với ba bậc tự do...........................................................33
Hai ví dụ minh họa dáng đi bằng bốn chân ...........................................................34
Trạng thái di chuyển ổn định tĩnh .........................................................................35
Robot nhảy Reibert ................................................................................................36
Cơ cấu chân nhảy 2D ...........................................................................................37
Robot mô phỏng người SDR-4X II của hãng SONY ..........................................38
Robot mô phỏng người P2 của hãng Honda ........................................................39
Robot WABIAN-RIII ở Đại học Waseda, Nhật Bản ..........................................40
Robot Nhảy Flamingo .........................................................................................41
Chu kỳ bước của con người .................................................................................41
Trọng tâm trong chu kỳ bước .............................................................................41
Quỹ đạo di chuyển của khối tâm chiếu trên mặt phẳng ngang ............................42
Nguyên tắc khép chân vào phía trong và đưa chân ra ngồi ...............................42
Hoạt động của ngun tắc đưa chân vịng trong..................................................43

HÌNH 4.1

Sơ đồ nguyên lý của Robot Biped .........................................................................46
vii


HÌNH 4.2
HÌNH 4.3
HÌNH 4.4
HÌNH 4.5
HÌNH 4.6
HÌNH 4.7
HÌNH 4.8

Quy ước đặt hệ tọa độ ............................................................................................48

Vết di chuyển của chân Robot ...............................................................................49
Hình chiếu của Robot trên mp xOy .......................................................................49
Quy ước chiều của góc...........................................................................................50
Quy ước góc nghiên trái và nghiên phải ................................................................50
Sơ đồ nguyên lý của Robot Biped .........................................................................51
Sơ đồ của Robot Biped trong mặt phẳng xOy, yOz..............................................53

HÌNH 5.1
HÌNH 5.2

Single Phase ...........................................................................................................60
Double Phase .........................................................................................................61

HÌNH 6.1 Phân bố khối lượng tại các khâu............................................................................66
HÌNH 6.2 Robot Biped trong mp xOy....................................................................................66
HÌNH 6.3 Biểu diễn tọa độ khối tâm theo Hip .......................................................................69
HÌNH 6.4 Mơ hình con lắc ngược tuyến tính 3D ...................................................................70
HÌNH 6.4b Dạng quỹ đạo của con lắc....................................................................................74
HÌNH 6.5 Ràng buộc θ 3 = 0 ..................................................................................................75
HÌNH 6.6 Ràng buộc góc θ r = θ l ..........................................................................................76
HÌNH 6.7 Quỹ đạo con lắc trong mp xOz ..............................................................................76
HÌNH 6.8 Đường di chuyển của khối tâm M .........................................................................77
HÌNH 6.9 Chiều cao của khối tâm M .......................................................................................79
HÌNH 6.10 Hoạch định quỹ đạo di chuyển của khối tâm M trong mặt phẳng xOz .................79
HÌNH 6.11 Xác định điều kiện đầu cho Tip_e .........................................................................81
HÌNH 6.12 Sơ đồ khối mơ phỏng giai đoạn Single Phase dùng Malab Simulink....................83
HÌNH 6.13 Đồ thị góc θ1 (t ) Single Phase ..............................................................................84
HÌNH 6.14 Đồ thị góc θ 2 (t ) Single Phase ...............................................................................84
HÌNH 6.15 Đồ thị góc θ 3 (t ) Single Phase ...............................................................................85
HÌNH 6.16

HÌNH 6.17
HÌNH 6.18
HÌNH 6.19
HÌNH 6.20
HÌNH 6.21
HÌNH 6.22
HÌNH 6.23
HÌNH 6.24
HÌNH 6.25
HÌNH 6.26

Đồ thị góc θ 4 (t ) Single Phase ...............................................................................85
Đồ thị góc θ 5 (t ) Single Phase ...............................................................................86
Đồ thị góc θ r (t ) = θ l (t ) Single Phase ....................................................................86
Dáng đi trong Double Phase .................................................................................87
Robot nghiên sang trái, sang phải .........................................................................88
Quỹ đạo của khối tâm M .......................................................................................88
Điều kiện đầu cho Double Phase ...........................................................................89
Sơ đồ khối mô phỏng giai đoạn Double Phase dùng Malab Simulink ..................91
Đồ thị góc θ1 (t ) Double Phase.............................................................................92
Đồ thị góc θ 2 (t ) Double Phase ...........................................................................92
Đồ thị góc θ 3 (t ) Single Phase ...............................................................................93

HÌNH 6.27
HÌNH 6.28
HÌNH 6.29
HÌNH 6.30
HÌNH 6.31
HÌNH 6.32
HÌNH 6.33

HÌNH 6.34

Đồ thị góc θ 4 (t ) Double Phase ...........................................................................93
Đồ thị góc θ 5 (t ) Double Phase ............................................................................94
Đồ thị góc θ r (t ) = θ l (t ) Double Phase..................................................................94
Quỹ đạo khối tâm M trong chu kỳ đầu tiên ...........................................................95
Double phase trong chu kỳ đầu tiên.......................................................................96
Robot nghiêng sang trái .........................................................................................97
Sơ đồ khối simulink trong giai đoạn Double Phase-chu kỳ đầu tiên...................100
Đồ thị góc θ 5 (t ) Double Phase ..........................................................................101

viii


HÌNH 6.35 Đồ thị góc θ 4 (t ) Double Phase ..........................................................................101
HÌNH 6.36 Đồ thị góc θ 3 (t ) Double Phase ..........................................................................102
HÌNH 6.37 Đồ thị góc θ 2 (t ) Double Phase ..........................................................................102
HÌNH 6.38 Đồ thị góc θ1 (t ) Double Phase............................................................................103
HÌNH 6.39 Đồ thị góc θ r (t ) = θ l (t ) Double Phase ..............................................................103
HÌNH 6.40 Single phase trong chu kỳ đầu tiên ......................................................................104
HÌNH 6.41 Điều kiện đầu cho Tip_e ......................................................................................106
HÌNH 6.42 Sơ đồ khối Matlab Simulink cho giai đoạn Single phase trong chu kỳ đầu tiên .108
HÌNH 6.43 Đồ thị góc θ 5 (t ) Single Phase ............................................................................109
HÌNH 6.44 Đồ thị góc θ 4 (t ) Single Phase ............................................................................109
HÌNH 6.45 Đồ thị góc θ 3 (t ) Single Phase ...........................................................................110
HÌNH 6.46 Đồ thị góc θ 2 (t ) Single Phase ............................................................................110
HÌNH 6.47 Đồ thị góc θ1 (t ) Single Phase ............................................................................111
HÌNH 6.48 Đồ thị góc θ r (t ) = θ l (t ) Single Phase .................................................................111
HÌNH 7.1
HÌNH 7.2

HÌNH 7.3
HÌNH 7.4
HÌNH 7.5
HÌNH 7.6

Sơ đồ nguyên lý ...................................................................................................113
Các động cơ .........................................................................................................114
Kết cấu cơ khí tại khớp gối(khớp 1&7) ...............................................................115
Hộp đặt động cơ tại Hip.......................................................................................116
Kết cấu cơ khí các khớp tại Hip1.........................................................................116
Kết cấu cơ khí tại khớp 4 .....................................................................................117

HÌNH 8.1 Tọa độ tương đối qi .............................................................................................124
HÌNH 8.2 Khối động lực học ...............................................................................................125
HÌNH 8.3 Chi tiết của khối động lực học .............................................................................125
HÌNH 8.4 Sơ đồ khối của vector b .......................................................................................126
HÌNH 8.5 Sơ đồ khối của Ma trận M ...................................................................................126
HÌNH 8.6 Sơ đồ khối cho cột 1 của ma trận M ......................................................................127
HÌNH 8.8 Sơ đồ khối điều khiển ............................................................................................127
HÌNH 8.10 Chi tiết sơ đồ khối điều khiển ..............................................................................128
HÌNH 8.11 Sơ đồ khối của Ke.................................................................................................128
HÌNH 8.12 Sơ đồ khối chi tiết của khối tín hiệu tham chiếu .................................................129
HÌNH 8.15 Sai lệch của khớp 1 (độ/s)..................................................................................129
HÌNH 8.16 Sai lệch của khớp 2 (độ/s)..................................................................................129
HÌNH 8.17 Sai lệch của khớp 3 (độ/s)....................................................................................130
HÌNH 8.18 Sai lệch của khớp 4 ,5(độ/s).................................................................................130
HÌNH 8.19 Sai lệch của khớp 6 (độ/s)....................................................................................130
HÌNH 8.20 Sai lệch của khớp 7(độ/s).....................................................................................130
HÌNH 8.21 Biểu diễn của ϕ 2 ..............................................................................................130

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
BẢNG 1.1
BẢNG 1.2
BẢNG 1.3
BẢNG 1.4
BẢNG 6.1

Hệ thống các loại Robot di chuyển ..........................................................................4
Những nghiên cứu ưu tiên trong lĩnh vực Robot vehicle.........................................5
So sánh thế mạnh trong từng lĩnh vực của Robot vehicle........................................5
Thế mạnh nghiên cứu Robot không gian ở các quốc gia........................................9
Các thơng số hình học và khối lượng của Robot biped ..................................78

x


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HỒI QUỐC

Chương 1
TỔNG QUAN

1.1.

Những nghiên cứu và phát triển các loại Robot hiện nay

Ngày nay Robot là một công cụ không thể thiếu trong bất kỳ một dây chuyền sản
xuất nào. Robot đã thay thế sức lao động của con người, làm tăng năng suất và đảm
nhiệm thay cho con người thực hiện những nhiệm vụ mà con người không thể thực hiện
được. Với nền khoa học ngày càng phát triển, các thế hệ Robot ra đời ngày càng đa dạng,
hiện đại và thông minh hơn và vì thế tính ứng dụng của nó ngày càng được phổ biến rộng
rãi trên nhiều lĩnh vực
Có rất nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu về lĩnh vực này như là: Nhật Bản,
Mỹ,Úc, Nga… Và các kết quả đạt được khiến con người không phải không ngạc nhiên.
Do vậy cũng có rất nhiều khái niệm, cũng như định nghĩa khác nhau về Robot. Dưới đây
là một số định nghĩa về Robot
ƒ Theo viện nghiên cứu của Hoa Kỳ thì Robot được định nghĩa như sau:
Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được
dùng để di chuyển nguyên vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công
việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình sẵn nhằm
mục đích hồn thành những nhiệm vụ đa dạng. (Schlussel, 1985)
ƒ Theo Mikell P. Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực Robot:
Robot công nghiệp là những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có
những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người.
ƒ Còn theo Giáo sư Masahioo (Viện cơng nghệ Tokyo) thì Robot cơng nghiệp phải có các
đặc điểm sau:
Có khả năng thay đổi chuyển động.
Có khả năng xử lý thơng tin (biết suy nghĩ).
Có tính vạn năng.
Có những đặc điểm của người và máy.
Nói chung có rất nhiều định nghĩa về Robot, tuy nhiên có một sự thống nhất trong tất cả
các định nghĩa là ở đặc điểm “điều khiển theo chương trình”. Tổng qt hơn có thể nói
Robot là một sản phẩm được chế tạo theo một kỹ thuật mới, chúng vừa có thể giải phóng
con người khỏi những công việc lao động chân tay nặng nhọc và tẻ nhạt, vừa có khả năng
NGUYỄN QUỐC CHÍ

1


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HOÀI QUỐC

nâng cao chất lượng sản phẩm cũng như tăng năng suất lao động. Robot thực sự là một
sản phẩm minh chứng cho khả năng tiềm ẩn của con người.
Ta sẽ khảo sát tình hình nghiên cứu và phát triển của những dạng Robot chủ yếu
trong lĩnh vực Robot.
1.1.1. Robot vehicle
Robot vehicle là những máy móc có thể di chuyển tự động trên mặt đất, trong khơng
khí, dưới nước, và cả trong khơng gian vũ trụ. Những Robot này tự di chuyển với nguồn
cung cấp riêng, hệ thống cảm biến và chương trình được lập trình để hướng dẫn cho
Robot chuyển động. Những Robot vehicle thường tích hợp với việc giám sát và thực thi
nhiệm vụ. Giám sát có nhiều dạng khác nhau, tuỳ thuộc vào mơi trường và lĩnh vực ứng
dụng.
Robot vehicle có khả năng di chuyển đến những nơi mà con người không thể đến
được, thay thế cho con người thực hiện những nhiệm vụ mang tính nguy hiểm cao. Để
đến được bề mặt sao Hỏa, một tàu không gian phải di chuyển hàng năm trời, di chuyển
trên bề mặt khơng có khơng khí, khơng có nước và các điều kiện cần thiết cho sự sống
của con người.

Hình 1.1 là Robot Mars Rover là một loại Robot vehicle của NASA, khám phá bề
mặt sao Hỏa, Mars Rover được giám sát điều khiển từ mặt đất. Nó có thể di chuyển vượt
chướng ngại trên bề mặt sao hỏa, định vị trí điểm đến rất chính xác và thực thi các nhiệm
vụ như: lấy các mẫu đất đá trên bề mặt sao hoả để phục vụ cho nghiên cứu.
Một ví dụ khác về Robot vehicle, thay cho con người thực hiện các nhiệm vụ khảo
sát đáy đại dương.

NGUYỄN QUỐC CHÍ

2


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HỒI QUỐC

Hình 1.2. IFREMER ASTER

IFREMER ASTER là loại Robot cá có khả năng lặn ở độ sau 3000 m. Nó được
nghiên cứu và phát triển tại Viện nghiên cứu quốc gia về biển tại Pháp. Robot cá này có
thể thực hiện nhiều nhiệm vụ dưới đáy đại dương, ví dụ khảo sát sinh vật biển, vẽ bản
đồ…Ở Mỹ loại Robot này còn được phát triển cho các nhiệm vụ tìm kiếm các tàu chìm
dưới đáy đại dương.
Một lĩnh vực ứng dụng phổ biến của Robot vehicle là hỗ trợ cho người tàn tật, các
nhà nghiên cứu chế tạo ra loại Robot dạng hình chiếc ghế có thể giúp người tàn tật di
chuyển dễ dàng thậm chí là những địa hình phức tạp như leo cầu thang.

Hình 1.3. IBOT advanced wheel chair (DEKA,U.S.)

Một ví dụ khác Robot vehicle cịn có thể làm những nhiệm vụ như chăm sóc người
già, giữ nhà hoặc làm cơng việc thơng báo tình trạng khẩn cấp. Các nhà nghiên cứu còn
chế tạo ra các loại Robot vehicle vừa thực hiện các công việc nhà hằng ngày vừa thực
hiện công việc giám sát. Khi có tình trạng khẩn cấp như kẻ lạ đột nhập hoặc cháy nổ thì
nó lập tức sẽ phát tín hiệu báo động. Ngồi những Robot vehicle thực hiện các cơng việc
nhà thì cịn có những loại Robot vehicle phục vụ trong việc giải trí. Những chú chó Robot
được nghiên cứu và phát triển tại Nhật đang được sản xuất bán ra thị trường. Và đặc biệt

là những Robot Humanoid có hình dạng và những cử động giống người được các nhà
nghiên cứu quan tâm đặc biệt.

NGUYỄN QUỐC CHÍ

3


Chương 1: TỔNG QUAN

Hình 1.4 Chó Robot

GVHD: PGS.TS LÊ HỒI QUỐC

Hình 1.5 QRIO ( Sony ) & ASIMO ( Honda )

Robot vehicle di chuyển trên mặt đất, trong không trung và dưới nước ngày càng đạt
được những thành tựu đáng kể trong kỹ thuật và trong ứng dụng. Để đạt được những
thành tựu này các nhà khoa học ln tìm ra các giải pháp mới, hướng nghiên cứu mới.
Một hướng nghiên cứu mới đó ra các Robot được chế tạo với các cử động được phỏng
theo các cử động của con người, các loài vật. những nghiên cứu này gọi là Biomimetics.
Bảng 1.1. Hệ thống các loại Robot di chuyển

( Arthur Sanderson, George Bekey, Brian Wilcox )

Các tổ chức sống sinh học là những tổ chức sống hoàn chỉnh, qua một thời gian dài
tiến hoá, các đặc điểm của mỗi sinh vật ngày càng thích nghi với mơi trường sống. Từ
nhận xét này các nhà nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu các cử động của sinh vật, các
tập quán sống để từ đó áp dụng cho các Robot. Và thực tế các Robot được chế tạo ra đã
mang lại những hiệu quả đáng kể.

NGUYỄN QUỐC CHÍ

4


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HOÀI QUỐC

Trong lĩnh vực nghiên cứu về Robot vehicle, trên thế giới có nhiều hướng nghiên
cứu và phát triển khác nhau, chủ yếu là tập trung ở Mỹ, Nhật, Hàn Quốc và khối Châu
Âu.
Bảng 1.2. Những nghiên cứu ưu tiên trong lĩnh vực Robot vehicle

Quốc gia
Mỹ

Những nghiên cứu ưu tiên
Các Robot vehicle di chuyển trên mặt đất, trong
không gian, dưới nước
Những Robot làm nhiệm vụ do thám, vẽ bản đồ ở
mơi trường bên ngồi phức tạp
Lĩnh vực ứng dụng: An ninh, quốc phòng, trong do
thám không gian

Nhật Bản
& Hàn Quốc

Các Robot trong nhà, các Robot humanoid, những

Robot di chuyển bằng chân, các Robot vật ni…
Lĩnh vực ứng dụng chủ yếu: Giải trí, dịch vụ và
thương mại…

Châu Âu

Các Robot vehicle được nghiên cứu chủ yếu để ứng
dụng trong giao thông, xây dựng cơ sở hạ tầng, vẽ
bản đồ địa hình…

( WTEC Panel Report )
Bảng 1.3 So sánh thế mạnh trong từng lĩnh vực của Robot vehicle

Khu vực

Mỹ

Nhật / Hàn Quốc

Châu Âu

Tính linh hoạt

**

****

***

Năng lượng tiêu tốn

**

***

***

Cấu trúc

****

**

****

Dẫn đường

***

**

***

Giải trí

*

****

**

Nơng nghiệp

***

**

***

Qn đội

****

*

**

Dịch vụ / hỗ trợ cá nhân

**

****

***

Khơng gian

****

*

**

Khả năng cơ bản

Ứng dụng

NGUYỄN QUỐC CHÍ

5


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HOÀI QUỐC

Vận chuyển

**

**

****

Dưới biển

****

***

****

(Arthur Sanderson, George Bekey, Brian Wilcox)

*Những thách thức trong tương lai trong lĩnh vực Robot vehicle.
Hệ thống nhiều Robot vehicle: nghiên cứu về hệ thống cảm biến và giám sát.
Các Robot vehicle với kích thước micro và nano.
Nguồn cung cấp độc lập và hiểu quả hơn.
Nghiên cứu những Robot giống người.
Sự tương tác với môi trường.
1.1.2. Robot không gian
Robot không gian là những loại Robot có khả năng tồn tại trong những môi trường
không gian khắc nghiệt nhằm thực thi nhiều nhiệm vụ như khảo sát, khám phá bề mặt các
hành tinh, sửa chữa các thiết bị hư hỏng ngồi khơng gian và những nhiệm vụ không biết
trước khác…Robot không gian có nhiều điểm khác với những Robot truyền thống khác vì
nó làm việc trong mơi trường khắc nghiệt, gia tốc trọng trường khác với quả đất, các điều
kiện về nhiệt độ khác biệt với sự sống trên trái đất nên yêu cầu đòi hỏi về kỹ thuật cũng
rất khác. Trong nghiên cứu về Robot khơng gian có 4 vấn đề chính sau:
Tính linh hoạt (Mobility)
Di chuyển phải nhanh, đảm bảo chính xác mà khơng bị va chạm với nhau, ln đảm
bảo độ an tồn cho Robot và cho chính các phi hành gia.
Thao tác bằng tay(Manipulation)
Sử dụng tay, bàn tay…để tiếp xúc với các đối tượng không biết trước một cách
chính xác nhanh chóng và an tồn mà khơng gây tai nạn.Lực tác động từ tay Robot lên
đối tượng phải phù hợp để không làm hư hỏng đối tượng…
Thời gian trễ(Time delay)
Cho phép con người điều khiển Robot từ một khoảng cách xa một cách hiệu quả
Điều kiện môi trường khắc nghiệt
Hoạt động trong mơi trường nóng và lạnh, mơi trường phóng xạ, ăn mịn và đầy
bụi…

NGUYỄN QUỐC CHÍ

6


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HOÀI QUỐC

Ở các nước phát triển, Robot không gian không ngừng được phát triển. Robot khơng
gian đã mang lại những lợi ích cực kỳ to lớn, phục vụ không chỉ vấn đề nghiên cứu trong
khơng gian mà cịn các vấn đề an ninh, vấn đề do thám, dự báo thời tiết, và kể cả trong
lĩnh vực truyền thông.
Người Nhật cũng đã nghiên cứu ra những mô đun Robot rất hiện đại cho trạm không
gian quốc tế. Hệ thống tay máy điều khiển từ xa hoặc RMS gồm hai cánh tay Robot, cánh
tay chính có thể nâng được một khối lượng lên đến 15.000pounds.

NGUYỄN QUỐC CHÍ

7


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HỒI QUỐC

Có nhiều Robot chuẩn bị được đưa lên trạm không gian quốc tế, ví dụ như tay máy
SPDM( Special Purpose Dexterous Manipulator ) của Canada ( Hình 1.10 ) hoặc là tay
máy Main Arm hay Small Fine Arm( Hình 1.11 )

Hình 1.10 SPDM trên trạm khơng gian( Canadian Space Agency )

Hình 1.11 Main Arm và Small Fine Arm đang được
kiểm tra chuẩn bị đưa lên trạm không gian
( Japan Aerospace Exploration Agency )

Trong những năm gần đây Trung Quốc đã trở thành một cường quốc số 3 thế giới đã
đưa người vào không gian bằng chính những phi thuyền do chính mình sản xuất.

NGUYỄN QUỐC CHÍ

8


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HỒI QUỐC

Hình 1.12 Robot di chuyển trên bề mặt mặt trăng

Ở châu Á, các quốc gia tham gia vào các chương trình nghiên cứu về Robot không
gian là Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc và cả Ấn Độ.
Với bảng số liệu sau cho ta cái nhìn về thế mạnh của các quốc gia trong từng lĩnh
vực của Robot không gian.
Bảng 1.4 Bảng so sánh thế mạnh nghiên cứu Robot không gian trong
những lĩnh vực riêng ở các quốc gia

U.S

Canada

Japan

Europe

Khả năng di chuyển

****

*

**

***

Thao tác bằng tay

**

***

***

***

Cách ly khỏi ảnh hưởng của môi
trường

***

**

**

**

Năng lượng tiêu hao, giao tiếp v.v

****

*

**

**

Tầm xa

****

*

**

***

Tầm với rộng

*

****

****

*

Thao tác linh hoạt

***

****

***

****

Bay tự do

***

*

***

**

Tính năng cơ bản

Ứng dụng

(VTEC Panel Report)
NGUYỄN QUỐC CHÍ

9


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HỒI QUỐC

1.1.3. Robot cơng nghiệp,Robot cá nhân và Robot dịch vụ
Robot có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau tuỳ thuộc vào chức năng và
nhu cầu thị trường .Trong lĩnh vực này, chúng ta có 2 dạng chủ yếu :
Robot trong cơng nghiệp ( Industrial Robots )
Robot trong dịch vụ ( Service Robot ).
Robot cá nhân ( Personal Robot )
Robot chuyên dung ( Professional Robot ) ( xem hình 1.13 )

Hình 1.13 Các ví dụ về Robot trong lĩnh vựcRobot cơng nghiệp FANUC ( trái ),
Mobile Robot( giữa ), Robot giải trí của SONY ( phải )

Theo hiệp hội Robot công nghiệp, một Robot công nghiệp là môt tay máy được điều
khiển một cách tự động, được lập trình cho nhiều mục đích khác nhau và có thể lập trình
lại được. Robot có thể được cố định tại một vị trí nào đó hoặc có thể di chuyển để sử dụng
cho những ứng dụng trong tự động hóa cơng nghiệp. Robot cơng nghiệp ra đời cách đây
khoảng 4 thập kỷ, và Robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo bởi Unimate được đặt bởi
hãng General Motors vào năm 1961.
Robot công nghiệp đã thay thế con người ngày càng nhiều hơn, và năng suất của nó
mang lại rất cao làm cho giá thành sản phẩm giảm đi rất nhiều. Các quốc gia phát triển

mạnh Robot công nghiệp là những nước phát triển. Ở mỗi nước có tỉ trọng các Robot
cơng nghiệp trên số lượng cơng nhân cũng khác nhau.

NGUYỄN QUỐC CHÍ

10


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HỒI QUỐC

Hình 1.14 Số lượng Robot công nghiệp trên 10.000 công nhân

Hiện nay xu hướng đa dạng hoá sản phẩm và thu nhỏ các kích cỡ sản phẩm đã làm
cho các hệ thống sản xuất cứng nhắt khơng cịn phù hợp , thay vào đó sản xuất tự động
ngày càng được phát triển để đáp ứng được theo xu hướng này. Các Robot công nghiệp
phát triển với doanh số hằng năm tăng 4%. Hầu hết các lĩnh vực ứng dụng hiện tại là gia
công vật liệu và trong kỹ thuật hàn.Trong lĩnh vực hàn và sơn, các Robot tự động tực hiện
rất hiệu quả và cho năng suất rất cao.

Tỉ lệ ứng dụng/ tổng số Robot cơng nghiệp được bán ra
Lắp ráp
Khác
7%
11%
Sơn
Q trình tự động
7%
8%

Lắp ráp
Sơn
Hàn
Xếp dỡ
Quá trình tự động

Hàn
33%

Khác

Xếp dỡ
34%

Hình 1.15 Tỉ lệ % trong các lĩnh vực ứng dụng của Robot công nghiệp

Theo UNECE ( United Nations Economic Commission for Europe ) có khoảng 20
ngàn Robot service chuyên dụng được sử dụng ngày nay và có giá trí khoảng 2,4 tỉ USD.
Lĩnh vực Robot giải trí cũng vượt con số 3.5 tỉ USD. Theo UNECE doanh số hằng năm
của Robot service bao gồm các Robot chuyên dụng và Robot cá nhân(Professional &
Personal Robot) vào năm 2005 khoảng 5 tỉ USD
NGUYỄN QUỐC CHÍ

11


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HỒI QUỐC

Hình 1.16 Ví dụ về service Robot

Những thách thức trong tương lai:
Có nhiều vấn đề vẫn chưa được giải quyết và là những thách thức cơ bản trong lĩnh
vực Robot.
Giao tiếp với môi trường thực, cần kết hợp mô phỏng và điều khiển với sự phát
triển những phần cứng để tạo nên các cánh tay, bàn tay có thể thực hiện gắp đặt một cách
hiệu quả.
Sự nhận biết được các môi trường không biết trước. Hầu hết các Robot cơng
nghiệp đều có cảm biến tiệm cận, nhưng khả năng nhận biết môi trường bị giới hạn.
Tính an tồn của Robot, đối với những Robot cá nhân(personal Robot) hoạt động
trong môi trường chung với con người địi hỏi phải có tính an tồn cao. Ngay cả trong
công nghiệp, các Robot công nghiệp và những cơng nhân hoạt động trên một dây chuyền
sản xuất địi hỏi tính an tồn khi thiết kế Robot phải cao.Để làm được điều này đòi hỏi
phải thay đổi trong cả phần cứng lẫn phần mềm.
Giao tiếp giữa Robot và người trở nên thông minh hơn
Mạng Robot và cảm biến hoạt đông ổn định và hiệu quả…
Sự phát triển của Robot trong từng lĩnh vực mang những đặc trưng khác nhau,
những khó khăn khác nhau. Những lĩnh vực Robot mà ta đã lược sơ ở những mục trên đã
cho ta thấy một cách chung nhất tình hình phát triển Robot trên thế giới. Trong phần tiếp
theo ta sẽ đi kỹ hơn về phần tổng quan của Robot Humanoid để hiểu rõ hơn những nét
cơ bản trong quá trình phát triển và nghiên cứu về Robot Humanoid- một lĩnh vực liên
quan đến đề tài.

1.2. Robot Humanoid
1.2.1. Lược sử về Robot Humanoid hai chân
NGUYỄN QUỐC CHÍ

12

Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HOÀI QUỐC

Robot humanoid hai chân là những Robot thơng minh được thiết kế có hình dạng
giống con người, ta gọi là Robot Biped.
Các nhà khoa học ngày càng tập trung vào nghiên cứu các Robot có khả năng di
chuyển được.Những Robot này được thiết kế với các bánh xe hoặc là bằng chân để có thể
di chuyển được. Robot di chuyển bằng bánh xe thì có độ ổn định cao hơn và dễ điều khiển
hơn. Robot di chuyển bằng chân khó điều khiển hơn nhiều nhưng khả năng di chuyển tốt
hơn Robot bằng bánh xe, đặc biệt là trong vấn đề di chuyển ở những địa hình phức tạp ví
dụ:bước lên cầu thang, bước qua hoặc nhảy qua một vật cản phía trước.
Robot biped là loại Robot di chuyển bằng chân giống với sự di chuyển hai chân của
con người. Nghiên cứu về Robot biped tập trung ở Nhật và ở Mỹ. Trường đại học Waseda
là một trong những trung tâm nghiên cứu hàng đầu về Robot Biped, và phát triển nhiều
phiên bản Robot kể từ 1972 đến nay. Thành tựu gần đây nhất về Robot hai chân là
ASIMO với thiết kế gần giống với con người được phát triển vào năm 2000. Ở Mỹ hàng
loạt các Robot biped đi bộ và chạy nhảy được nghiên cứu tại phịng thí nghiệm MIT, và
gần đây một phiên bản Robot giống người có tên Johnnie đang được phát triển tại đại học
Munich.
Nghiên cứu Robot Biped có thể được sử dụng cho cả mục đích nghiên cứu và chế
tạo ra các Robot hữu ích trong lĩnh vực giải trí và chăm sóc người già…Nhiều nghiên cứu
Robot Biped tập trung vào động lực học, hoạch định di chuyển và quy luật di chuyển.
Động lực học
Mô phỏng động lực học là một bài tốn phức tạp địi hỏi kiến thức về cơ khí, hệ
thống phi tuyến và động lực học. Vấn đề chính là mơ tả một hệ thống cơ khí di chuyển
động giống với sự di chuyển của con người với số bậc tự do lớn. Hệ thống có bậc tự do
càng lớn thì phương trình chuyển động càng phức tạp. Do đó phải chọn mơ hình cơ khí

như thế nào với ít bậc tự do cần thiết để cịn có thể giải được phương trình di chuyển
nhưng vẫn có thể miêu tả đầy đủ dáng đi giống người của Robot Biped.
Một trong những tiếp cận đó là khảo sát bài toán con lắc ngược. Con lắc ngược có
thể được xem là một mơ hình đơn giản nhất miêu tả sự di chuyển và ổn định dáng đi của
một hệ thống Robot Biped vì phần thân trên của Robot có thể được xem như một con lắc
ngược với 3 bậc tự do xoay quanh 3 trục tọa độ trong hệ tọa độ Decartes. Tuy nhiên một
mơ hình đơn giản của con lắc ngược vẫn còn quá đơn giản để có thể mơ tả dáng đi của
Robot biped một cách hoàn thiện. Và các nhà nghiên cứu lại đưa ra các giải pháp khác tốt
hơn. Hurmuzlu và Moskowitz ( 1986 ) đã phát triển mơ hình tốn sự di chuyển của một
con lắc ngược kép và nghiên cứu sự ổn định cũng như vai trò tiếp xúc trong di chuyển.
Theo dòng các nghiên cứu kể từ sau những năm 1970, hệ thống Robot Biped đã phát
triển từ 3 bậc tự do lên đên 9 bậc tự do. Robot Biped 5 khâu về cơ bản có thể mơ tả giống
cơ thể của con người, gồm phần thân và hai chân, mỗi chân gồm phần đùi và phần cẳng
chân. Tuy nhiên vẫn còn chưa đủ bậc tự do cần thiết để miêu tả sự di chuyển của Robot
biped giống con người mà đảm bảo mơ hình tốn có thể giải được.

NGUYỄN QUỐC CHÍ

13


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HOÀI QUỐC

Đối với những hệ thống Robot Biped có nhiều khâu hơn 5 thì mơ phỏng sự di
chuyền càng chính xác hơn nhưng lại tăng độ phức tạp, ví dụ tăng thêm hai khâu đóng vai
trị là bàn chân của hai chân sẽ làm số bậc tự do tăng lên 7.
Ngoài việc chọn số bậc tự do cho Robot Biped ảnh hưởng đến việc thiết lập mơ hình
động lực học cho Robot, sự khác nhau trong dáng đi cũng ảnh hưởng rất lớn.Trong sự di

chuyển của Robot Biped thì có hai giai đoạn chính , giai đoạn một chân tiếp xúc đất
(single phase) và giai đoạn 2 chân tiếp xúc đất (double phase). Các nghiên cứu trước đây
hầu như tập trung vào nghiên cứu pha 1 chân mà bỏ qua pha 2 chân trên đất, điều này làm
cho dáng đi của Robot chưa được hoàn thiện.
Một vấn đề khác liên quan đến động lực học là vấn đề tiếp xúc đất của các chân.
Hiện tượng tiếp xúc xảy ra một cách tự nhiên trong suốt q trình di chuyển của Robot
và đóng một vai trị rất quan trọng. Sự tiếp xúc khơng tốt sẽ làm cho Robot có thể có
những bước đi khơng như mong muốn, và những thiết kế về cơ khí tại các khớp bàn chân
cũng được nghiên cứu kỹ.
Hoạch định di chuyển
Đối với Robot Biped để đạt được hướng di chuyển theo mong muốn, và mô phỏng
lại dáng bước đi không phải là nhiệm vụ đơn giản, vấn đề cân bằng, ổn định và điều khiển
ln ln là những phần khó. Có nhiều phương pháp hoạch định di chuyển cho Robot
Biped. Zarrugh và Radcliffe đã khảo sát dáng đi của Robot Biped bằng cách thu thập
các dữ liệu về động học bước đi của con người. Vukobratovic và các đồng sự đã nghiên
cứu sự di chuyển của Robot Biped bằng cách sử dụng tập dữ liệu về bước đi của con
người để miêu tả sự chuyển động của phần thân dưới Robot Biped. Những phương pháp
sử dụng máy tính thu lại và phân tích dữ liệu về hình dáng đã được phát triển cho việc
thiết kế và điều khiển sự di chuyển của Robot Biped. Những phương pháp có hệ thống
tổng hợp dáng đi của Robot Biped đã được phát triển trong những năm gần đây.
Hurmuzlu đã phát triển một thông số ràng buộc với các hàm ràng buộc và các góc quay ở
các khớp nối. Từ các hàm ràng buộc ta có thể tìm ra được các góc quay tại các khớp để
tạo cho Robot Biped một dáng đi như mong muốn.
Có 4 thơng số đặc trưng cho sự di chuyển của Robot biped đó là
o

Chiều dài bước chân

o

Tốc độ bước

o

Chiều cao tối đa của bước chân

o

Tư thế của khớp gối.

Để có được sự liên tục và lặp lại hình dáng di chuyển thì tư thế ở thời điểm bắt đầu
và thời điểm kết thúc của mỗi bước phải được xác định. Điều này đòi hỏi sự lựa chọn các
điều kiện đầu, các hàm ràng buộc và các thông số hình dáng phù hợp. Khi thiết kế dáng đi
cho Robot biped hầu hết những công việc trước đây mô phỏng các góc tại các khớp.
Chow và Jacobson (1971) đã nghiên cứu sự di chuyển tối ưu và lần đầu tiên đề ra sự di
NGUYỄN QUỐC CHÍ

14


Chương 1: TỔNG QUAN

GVHD: PGS.TS LÊ HOÀI QUỐC

chuyển của khớp hông và đề nghị cần ưu tiên tổng hợp quỹ đạo chuyển động của khớp
hơng hơn là tại các góc. Bởi vì sự di chuyển của khớp hơng đóng vai trò quan trọng trong
sự ổn định bước đi của Robot Biped.
Điều khiển chuyển động
Bước đi của Robot Biped được điều khiển bằng giải thuật điều khiển phi tuyến vì hệ
thống động lực học có độ phi tuyến cao. Mitobe (1995) đã sử dụng điều khiển hồi tiếp phi

tuyến để điều khiển vị trí và vận tốc của khối tâm của Robot Biped. Tính tốn điều khiển
mơmen là điều khiển phi tuyến cổ điển dựa trên kỹ thuật tuyến tính hố tín hiệu hồi
tiếp… sử dụng luật điều khiển với cấu trúc tương tự với mơ hình động lực học của hệ
thống để ước lượng các phương trình phi tuyến liên quan trong mơ hình và tín hiệu sai
lệch như là đầu vào hồi tiếp để có thể bám theo quỹ đạo mong muốn tốt hơn.Mitobe
(1997) điều khiển sự di chuyển của Robot Biped 4 bậc tự do trong suốt quá trình pha 2
chân chạm đất và áp dụng giải thuật điều khiển tính mơmen cho hệ thống, bài tốn điều
khiển lúc này được xem như là bài toán bám theo quỹ đạo của tâm khối lượng của phần
thân theo một quỹ đạo mong muốn.
Trong điều khiển đi chuyển Robot Biped, sự không chắc chắn của các giá trị thông
số và sự khơng chính xác của mơ hình động lực học ln ln tồn tại. Đối mặt với vấn đề
này có hai kỹ thuật mang tên “robust control” và “ adaptive control” có thể giải quyết đối
với những hệ thống dạng này. Adaptive control tạm dịch là điều khiển thích nghi là một
cách tiếp cận để ước lượng các thông số khơng chắc chắn một cách trực tuyến dựa trên
các tín hiệu đo được và sử dụng các thông số ước lượng trong tính tốn điều khiển tín
hiệu vào. Hiểu quả của kỹ thuật điều khiển này đã được khảo sát bởi Yang và
Shahabuddin (1994) với mơ hình Robot Biped 5 khâu . Trong khi đó, Doft và Bishop đã
sử dụng những phương pháp thiết kế một điều khiển bền vững cho vấn đề tương tự như
trên vào năm 1998. Ngoài ra phương pháp sử dụng chế độ sliding trong luật điều khiển
cũng nhận được nhiều kết quả tốt cho việc chống lại các tác động từ các thông số thay đổi
của hệ thống và nhiễu ( Slotine và Sastry 1983, Slotine 1984 ).
1.2.2. Thành tựu trong lĩnh vực Robot humanoid gần đây
Robot Humanoid là những Robot có hình dạng và thực hiện những chức năng giống
người.
Khái niệm về Robot Humanoid khơng cịn là mới. Lịch sử phát triển của nó cũng đã
có từ rất lâu. Nỗ lực tạo ra một Robot với hình dạng giống con người để có thể làm những
việc lặp đi lặp lại và thực hiện những nhiệm vụ nguy hiểm đã có từ trước kỷ nguyên Hy
Lạp và Ai Cập cổ đại. Gần hơn, Leonardo Da Vinci, một nhà hội họa và là một kỹ sư
thiên tài người Ý trong thời kỳ phục hưng cũng đã thiết kế một vài bản vẽ cơ khí có dạng
giống con người. Tuy nhiên chúng ta mãi chờ đến 3 thập kỷ cuối của thế kỷ 20 mới có thể

thấy Robot Humanoid được nghiên cứu một cách có hệ thống và sâu hơn. Bắt đầu với đề
tài tại trường đại học Waseda, kỷ nguyên Robot Humanoid đã bắt đầu và phát triển ngày
càng nhanh hơn.Những Robot hình dạng giống người đầy ấn tượng được giới thiệu trong

NGUYỄN QUỐC CHÍ

15