Robot di động hai chân đã được nghiên cứu chế tạo từ thập kỷ bảy mươi của thế kỷ trước, tuy nhiên do tính đa dạng và phức tạp của robot, các công trình nghiên cứu về robot di động hai chân vẫn liên tục được nghiên cứu.
McGeer trong [31] đã nghiên cứu chuyển động thụ động ổn định trong bề mặt nghiêng bằng một robot hai chân với 1 bậc tự đo. Robot này có thể tạo ra một tiêu chuẩn di chuyển thụ động mà không cần sử dụng bất kỳ loại điều khiển chủ động nào, chỉ hoạt động bằng trọng lực. Nghiên cứu động lực học của một robot đi bộ bằng hai chân với bảy bậc tự do được trình bày trong [32].
Trong [33] đã mô tả phương pháp trong đó các robot đi bộ dựa trên điểm ZMP được tạo ra bằng thuật toán tìm kiếm đơn giản. Phương pháp được đề xuất có thể tạo ra các kiểu đi bộnăng động khác nhau như bước tiến, lùi và sang một bên hoặc quay đầu, và bước đi ổn định trên robot di động H5.
Tổng hợp các mô hình đi bộ hiệu quả cho một robot hai chân thực tế khi lên và xuống cầu thang được giới thiệu trong [34]. Robot hai chân được giới thiệu bao gồm chân có chiều dài thay đổi và trọng lượng cân bằng có thể dịch chuyển được trong cơ thể. Bước đi của robot hai chân là sự kết hợp của cả hai chế độ ổn định tĩnh và ổn định động và dựa vào một số mức độ ổn định tĩnh do bàn chân lớn cung cấp và bằng cách điều khiểncẩn thận vị trí của trọng tâm.
Hasegawa và các cộng sự trong [35] đã tạo ra chuyển động tự nhiên cho robot hai chân bằng cách đề xuất một thuật toán tiến hóa phân cấp để tạo ra sự chuyển động, xem xét việc tối ưu hóa năng lượng. Họ đã áp dụng thuật toán này trong một robot hai chân nặng 24 kg, cao 1,20 m, với 13 khớp nối và 13 động cơ DC. Robot hai chân này bước đi với bước chân 30 cm trong 5 giây và có khả năng đi theo một quỹ đạo tham chiếu vô hạn.
Các tác giả trong [36] đã có nghiên cứu về điều khiển một robot hai chân phẳng mới bằng phương pháp điều khiển thích nghi. Robot mới được thiết kế có thể di chuyển bằng gót chân như con người. Đối với điều khiển chuyển động của robot, các thông số vật lý như khối lượng, chiều dài và hình dạngcủa khâu được xác định bằng các phương pháp điều khiển thích nghi.
Trong [37] đã mô tả thuật toán điều khiển bước đi cho bước đi ổn định của robot hình người hai chân trên sàn không bằng phẳng và nghiêng. Một hệ thống điều khiển mới dựa trên quan sát để đạt được sự chuyển động tích cực cho đi bộ hai chân động của robot được giới thiệu trong [38]. Trong [39] đã trình bày một phương pháp để điều khiển vòng kín của một robot hai chân được hoạt động hoàn toàn để tận dụng động lực tự nhiên của nó khi đi bộ.
Trong [40] đã đề xuất một kiến trúc mới cho robot hai chân với 7 bậc tự do trên mỗi chân và 1 bậc tự dotương ứng với khớp ngón chân và trình bày các phương trình động học thuận và nghịch bằng cách chia dáng đi thành mặt phẳng Sagittal và mặt phẳng Frontal. Một phương pháp điều khiển sử dụng luật điều khiển PD có bù trọng lực để điều khiển quỹ đạo mong muốn và tìm mômen xoắn yêu cầu của các khớp.
Hanafiah Yussof trong [41] đã thiết kế quỹ đạo chuyển động bao gồm các giải pháp động học và công thức nội suy để tạo quỹ đạo cho robot hình người để cóđược chuyển động khi nắm vào bề mặt tường và điều chỉnh hướng chuyển động của nó, tránh chướng ngại vật cao và thấp và bò trên sàn.
19
Các kỹ thuật phân tích để lập kế hoạch và điều khiển chuyển động của robot đi bộ hai chân 10 bậc tự do được trình bày trong [42]. Từ phương pháp Denavit-Hartenberg và phương trình Newton-Euler, mômen khớp thu được và động lực học ngược được phát triển cho cả các trường hợp pha đơn và pha kép. Các kỹ thuật đã được sử dụng để đạt được sự ổn định của robot hai chân đi bộ Archie.
Nghiên cứu trong [43] nhằm mục đích phát triển robot đi bộ hai chân có thể đi bộ trên mặt đất nằm ngang và cải thiện hiệu quả đi bộ bằng cách sử dụng lý thuyết về đi bộ thụ động, cụ thể là nguyên lý con lắc. Luật điều khiển tỷ lệ được sử dụng trong thí nghiệm đi bộ, robot có thể đi trên mặt đất nằm ngang.
Trong [44] đã nghiên cứu các vấn đề về động học thuận và ngược cho robot hình người Aldebaran NAO và trình bày một giải pháp phân tích hoàn chỉnh, chính xác cho cả hai vấn đề. Trong [45] đã trình bày các phương trình động lực học và mô phỏng các vị trí khớp trong Matlab.
Một bộ điều khiển phản hồi lực đã được thiết kế trong [46], có tính đến lực tiếp xúc giữa chân và mặt đất trong khi robot đang chuyển động trên các địa hình khác nhau. Trong [47] đã đề xuất một giải pháp cho điều khiển phản hồi song phương để điều khiển robot hai chân thực hiện các bước nhảy và đi bộ đồng bộ với người điều khiển. Trong [48] đã trình bày và thảo luận về một cách tiếp cận chung để mô hình hóa và phân tích động của một robot đi bộ hai chân thụ động, đặc biệt tập trung vào tương tác tiếp xúc giữa chân và mặt đất. Mục đích chính của nghiên cứu này là giải quyết sự trượt chân đỡ và lực tiếp xúc tiêu hao nhớt của mô hình robot đi bộ hai chân và phát triển các phương trình động lực học của nó cho các pha đơn và pha kép.
Trong [49] các tác giả đã thiết kế bộ điều khiển PID gần tối ưu cho robot hai chân khi đi bộ trên địa hình không bằng phẳng, một nỗ lực được thực hiện để điều chỉnh độ lợi của bộ điều khiển PID cho robot hai chân đi lên, đi xuống cầu thang và bề mặt dốc với sự trợ giúp của các thuật toán tối ưu. Trong [50] các tác giả đã nghiên cứu tạo quỹ đạo bằng cách sử dụng điều khiển PID dự đoán cho robot hình người đi bộ ổn định. Mục đích giúp việc đi lại trơn tru và hiệu quả hơn. Thiết kế của điều khiển PID cho robot đi bộ 4 bậc tự do đã trình bày trong [51] để đảm bảo sự ổn định tối đa trong quá trình di chuyển của nó. Hệ thống được phân tích với việc bổ sung các điều khiển PI, PD và PID vào chức năng chuyển hệ thống và đã được xác minh tính hiệu quả của thiết kế bằng mô phỏng trên máy tính.
Trong [52] đã đưa ra một cách tiếp cận mới để điều khiển thông minh một robot đi bộ hai chân. Bằng cách sử dụng logic mờ xác định điều khiển lực và vị trí để dẫn đến cải thiện hiệu suất của hệ thống. Các triển khai và kết quả thử nghiệm được thực hiện đối với robot hai chân 12 bậc tự do. Trong [53] trình bày một nghiên cứu về đi bộ hai chân trên mặt phẳng nghiêng. Định hướng của phần trên cơ thể được điều chỉnh trực tuyến bởi một hệ thống logic mờ để thích ứng với các độ dốc bề mặt đi bộ khác nhau. Một phép đo mới được xác định về hành vi dao động của góc nghiêng cơ thể và giá trị trung bình của góc nghiêng xương chậu được sử dụng làm đầu vào cho hệ thống thích ứng mờ. Mô hình robot hai chân 12 DOF được sử dụng trong mô phỏng 3-D.
Tác giả trong [54] đã trình bày điều khiển vận tốc logic mờ của robot hai chân để tạo ra dáng đi được nghiên cứu trên một robot có sáu bậc tự do với khớp háng, khớp gối và khớp cổ chân. Trong [55] đã giới thiệu bộ điều khiển mờ trên tiêu chí điểm
20
điểm ZMP được thực hiện để duy trì sự cân bằng của bước đi động. Bộ điều khiển mờ được cung cấp để điều khiển điểm ZMP bên trong vùng tham chiếu ZMP, bằng cách điều chỉnh một góc thích hợp cho mắt cá chân và khớp hông.
Nghiên cứu trong [56] là để chứng minh cụ thể rằng có thể đạt được việc đi bộ bằng hai chân ổn định bằng cách kết hợp các đặc tính vật lý của robot đi bộ với một mạng noron nhỏ, dựa trên phản xạ, được điều khiển chủ yếu bởi các tín hiệu cảm biến cục bộ. Trong [57] một sơ đồ điều khiển mạng noron tuần hoàn (RNN) được đề xuất cho hệ thống theo dõi quỹ đạo robot hai chân. Một thuật toán training trực tuyến thích ứng được tối ưu hóa để cải thiện phản ứng nhất thời của mạng được phát triển trong miền thời gian rời rạc và được áp dụng cho mô hình robot 7 khâu.
Các tác giả trong [58] đã phát triển một phương pháp tạo mô hình động cho robot hai chân năm khâu bảy bậc tự do. Phương pháp dựa trên mạng noron, làm giảm đáng kể sự phức tạp trong việc giải các phương trình mô hình động lực của robot hai chân. Bảy mạng noron đã được tổng hợp để mô hình hóa bảy bậc tự do của robot. Để tạo ra dữ liệu cho việc training mạng noron, động lực học của robot khi đi trên bề mặt hai chiều không nhẵn đã được xem xét. Bài báo trong [59] đã trình bày so sánh thiết kế ba bộ điều khiển mạng noron nhân tạo để điều khiển mức độ đi bộ của robot hai chân có hông, đầu gối và mắt cá chân. Trong [60] các chiến lược điều khiển mạng noron được thiết kế cho robot hai chân, bao gồm điều khiển cân bằng và tư thế. Mạng noron được sử dụng để xác định gần đúng mô hình chưa biết của robot. Cả điều khiển phản hồi trạng thái đầy đủ và điều khiển phản hồi đầu ra đều được xem xét.
Trong [61] đã đề xuất một cách tiếp cận mới để tạo mẫu dáng đi của robot hai chân. Điều này nhằm mục đích cho phép robot đi lại tự nhiên hơn và ổn định hơn khi di chuyển trên mặt đất bằng phẳng. Phương pháp tối ưu hóa gần đúng dựa trên Mạng noron nhân tạo và thuật toán tiến hóa cho bài toán tạo dáng đi được đề cập. Để đánh giá kết quả của phương pháp đề xuất, robot đã được mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng động đa cơ thể, Adams. Các tác giả trong [62] đã đề xuất một cơ chế điều khiển phân cấp mới cho vận động hai chân trong đó mạng CPG được tối ưu hóa được sử dụng để điều khiển chung và mạng noron hoạt động như một bộ điều khiển cấp cao để điều chế mạng CPG. Bộ điều khiển phân cấp được chứng minh thông qua các thí nghiệm mô phỏng bằng cách sử dụng robot NICO (Neuro-Inspired Companion).
Ở trong nước cũng đã có những công trình nghiên cứu về robot di động hai chân đã được triển khai. Các tác giả Trần Thiện Chí, Chu Bá Long, Nguyễn Tấn Tiến thuộc Trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh đã có nghiên cứu về động học, động lực học và mô phỏng quỹ đạo đi của robot hai chân trong thời gian thực [63], bộ điều khiển xem trước được sử dụng kết hợp với bộ quan sát để mô phỏng quỹ đạo đi của robot trong thời gian thực được giới thiệu.
Tác giả Trần Thiện Huân và các đồng nghiệp ở Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã có nhiều công trình nghiên cứu về dáng đi của robot di động. Trong [64] đã thiết kế 1 bộ tạo dáng đi tối ưu mới cho robot di động hai chân, bài toán thiết kế dáng đi được nghiên cứu như một bài toán tối ưu có ràng buộc. Còn trong [65] đã tao dáng đi thích ứng cho robot hình người sử dụng mô hình mạng noron tiến hóa được tối ưu với kỹ thuật tiến khóa khác biệt sửa đổi.
21
Nhận xét đánh giá:
Như vậy ở trên đã giới thiệu một loạt các nghiên cứu về robot di động hai chân, trong đó phần lớn các công trình đã áp dụng điều khiển dựa trên mô hình động lực [40, 43, 49-51], một số công trình [52-55] đã áp dụng điều khiển logic mờ, và các công trình [56-62, 65] đã áp dụng điều khiển mạng noron.
Tuy nhiên, như đã phân tích việc áp dụng điều khiển dựa trên mô hình động lực có những thuận lợi nhưngcũng gặp những khó khăn. Khó khăn ở đây chính là mô hình động lực khó có thể xác định một cách chính xác và đầy đủ được, ngoài ra thì thao tác của robot thay đổi liên tục do vậy các đại lượng động lực trong mô hình động lực cũng thay đổi liên tục.
Để khắc phục những khó khăn của phương pháp điều khiển rõ dựa trên mô hình động lực thì phương pháp điều khiển dựa trên logic mờ đã được áp dụng như trình bày ở các phần trên cũng như trong các công trình [52-55]. Tuy nhiên, như đã trình bày vấn đề chính của điều khiển dựa trên logic mờ là xây dựng hệ luật và phương pháp giải mờ hợp lý, do vậy nó vẫn là bài toán mở. Đối với một hệ động lực có những cách xây dựng hệ luật mờ tương ứng cho những kết quả điều khiển tốt. Tương tự phương pháp điều khiển mạng noron cũng có nhiều công trình nghiên cứu áp dụng cho robot di động hai chân [56-62, 65] song với mỗi công trình thì đều có mô hình và tính toán cụ thể và giải quyết vấn đề đối với những trường hợp mà các công trình đó nghiên cứu.
Điều khiển dựa trên đại số gia tử có ưu điểm sẽ trình bày trong các phần sau, chưa được áp dụng trong điều khiển robot di động hai chân. Đặc biệt sự tích hợp của các phương pháp đó cùng với phương pháp điều khiển kinh điển tuyến tính PID.
Nên trong luận án sẽ đi theo hướng ứng dụng logic mờ vừa để khắc phục khó khăn trong việc điều khiển dựa trên mô hình động lực vừa tìm cách xây dựng hệ luật phù hợp cho robot di động hai chân vừa tích hợp các phương pháp điều khiển đó để có bộ điều khiển hợp lý.