Trên cánh tay công nghiệp, lệnh phổ biến là đi tới toạ độ này. Trên robot hình người, lệnh phổ biến hơn là tác dụng lực này lên môi trường. Khác biệt nghe nhỏ nhưng nó kéo theo cả một kiến trúc khác.
Hai kiểu lệnh, hai hành vi
Điều khiển vị trí: bộ điều khiển làm mọi cách để khớp tới đúng góc yêu cầu. Nếu có vật cản, nó tăng lực cho tới khi đạt được hoặc tới giới hạn bảo vệ.
Hành vi này phù hợp khi môi trường biết trước và cứng. Nó nguy hiểm khi môi trường có thứ không lường trước, ví dụ một bàn tay người.
Điều khiển mô men: bộ điều khiển ra lệnh cho khớp sinh một mô men cụ thể. Vị trí kết quả phụ thuộc vào môi trường: không có gì cản thì khớp chuyển động, có vật cản thì nó dừng và giữ lực đó.
Hành vi này an toàn hơn hẳn khi tiếp xúc và là điều kiện để robot nhường khi bị đẩy.
Vì sao robot hình người bắt buộc cần
Ba lý do, mỗi lý do đủ để bắt buộc.
Tiếp xúc với sàn. Chân robot liên tục chạm và rời sàn. Điều khiển vị trí thuần tuý sẽ hoặc đập chân xuống quá mạnh, hoặc không tạo đủ lực đẩy. Cần kiểm soát lực tiếp xúc.
Phân bổ lực giữa hai chân. Khi cả hai chân chạm đất, phải quyết định mỗi chân chịu bao nhiêu. Đây vốn dĩ là bài toán về lực, không phải về vị trí.
Làm việc gần người và với vật chưa biết. Không thể ra lệnh đi tới vị trí khi không biết chắc vật ở đâu và cứng tới đâu.
Cộng lại, một robot hình người chỉ điều khiển vị trí sẽ hoặc rất cứng và nguy hiểm, hoặc không giữ nổi thăng bằng.
Trở kháng: kết hợp cả hai
Trong thực tế, hiếm khi dùng thuần tuý một kiểu. Cách phổ biến là điều khiển trở kháng: robot hành xử như thể có một lò xo và một bộ giảm chấn nối nó với vị trí mong muốn.
Nếu không có gì cản, nó di chuyển tới vị trí đó. Nếu có vật cản, nó dừng lại và tác dụng một lực tỉ lệ với độ lệch — giống như bị lò xo kéo.
Điều hay là độ cứng của lò xo ảo này điều chỉnh được bằng phần mềm. Robot có thể cứng khi cần giữ vị trí chính xác, và mềm khi cần an toàn hoặc khi dò tìm.
Một trạm có thể đổi độ cứng theo giai đoạn: cứng khi di chuyển trong không gian trống, rất mềm khi tiếp cận và chạm vào vật.
Yêu cầu phần cứng
Điều khiển mô men không phải chỉ là chuyện phần mềm. Nó đòi phần cứng đáp ứng ba điều.
- Biết được mô men thật ở khớp. Qua cảm biến mô men, qua biến dạng phần tử đàn hồi, hoặc qua dòng điện động cơ nếu cơ cấu truyền ngược tốt.
- Điều khiển được dòng điện động cơ nhanh và chính xác, vì mô men động cơ tỉ lệ với dòng.
- Ma sát trong cơ cấu đủ nhỏ so với mô men cần kiểm soát. Nếu ma sát lớn hơn lực cần đo, mọi ước lượng đều vô nghĩa.
Điểm cuối là lý do robot dùng hộp số tỉ số rất cao khó điều khiển theo mô men: ma sát trong hộp số che lấp tín hiệu.
Bù trọng lực: bước nền tảng
Trước khi làm gì với mô men, hệ thống phải biết cần bao nhiêu mô men chỉ để chống lại trọng lực ở tư thế hiện tại.
Con số này tính được từ mô hình khối lượng của robot và tư thế các khớp. Nó thay đổi liên tục khi robot chuyển động.
Khi đã bù trọng lực đúng, mọi mô men thêm vào đều phản ánh tương tác với môi trường — đây chính là nền của việc phát hiện va chạm và của chế độ dẫn hướng bằng tay.
Nếu bù trọng lực sai, robot sẽ trôi theo một hướng khi để tự do, và mọi ước lượng lực tiếp xúc đều lệch một lượng cố định. Đây là lỗi nền tảng và cần kiểm tra đầu tiên khi hệ thống hành xử lạ.
Cách kiểm tra đơn giản: đặt robot ở chế độ chỉ bù trọng lực và xem nó có giữ nguyên tư thế khi không ai chạm vào hay không.
Câu hỏi thường gặp
Có thể ước lượng mô men từ dòng điện động cơ không?
Được nếu cơ cấu có tỉ số truyền thấp và ma sát nhỏ, vì khi đó quan hệ giữa dòng và mô men ở khớp còn đủ rõ. Với hộp số tỉ số rất cao, ma sát che lấp tín hiệu và ước lượng trở nên không tin cậy.
Điều khiển trở kháng khác điều khiển mô men thế nào?
Điều khiển mô men ra lệnh một giá trị lực cụ thể. Điều khiển trở kháng ra lệnh một quan hệ giữa độ lệch vị trí và lực, tức là robot hành xử như có lò xo. Cách thứ hai linh hoạt hơn và phổ biến hơn trong thực tế.
Bù trọng lực sai gây hậu quả gì?
Robot sẽ trôi theo một hướng khi ở chế độ tự do, và mọi ước lượng lực tiếp xúc lệch một lượng cố định. Điều này làm chức năng phát hiện va chạm báo sai và làm chế độ dẫn hướng bằng tay khó dùng.
Điều khiển mô men có làm giảm độ chính xác không?
Có, vì vị trí kết quả phụ thuộc vào môi trường chứ không được ép cứng. Đây là đánh đổi có chủ đích: hy sinh độ chính xác vị trí để có được an toàn khi tiếp xúc và khả năng cảm nhận lực bên ngoài.
Đọc thêm trong Nguồn điện & toả nhiệt và Chân & dáng đi.
