Nhìn hai robot đi, dễ thấy cái nào trông tự nhiên hơn. Điều ít rõ hơn là dáng đi phản ánh trực tiếp phương pháp điều khiển bên dưới, và mỗi kiểu đi là một bộ đánh đổi khác nhau.
Ổn định tĩnh: an toàn nhưng chậm
Trong kiểu đi này, hình chiếu trọng tâm luôn nằm trong diện tích tiếp xúc của chân đang chống. Nếu dừng lại ở bất kỳ thời điểm nào, robot vẫn đứng vững.
Đây là kiểu dễ điều khiển nhất và an toàn nhất, nên nó là lựa chọn của các thế hệ đầu và vẫn dùng khi robot mang tải nặng hoặc đi trên bề mặt không chắc chắn.
Cái giá là tốc độ. Để giữ điều kiện đó, robot phải dịch trọng tâm sang chân chống trước khi nhấc chân kia, và toàn bộ chu kỳ diễn ra chậm.
Ngoài ra kiểu đi này thường đòi khuỵu gối, và tư thế khuỵu gối tiêu tốn nhiều năng lượng vì cơ cấu ở gối phải giữ mô men liên tục.
Ổn định động: nhanh hơn, khó hơn
Ở kiểu này, robot chấp nhận trạng thái mà nếu dừng đột ngột nó sẽ đổ. Nó không đổ vì liên tục đặt chân tiếp theo vào đúng chỗ để chặn đà.
Đây chính là cách con người đi: mỗi bước là một lần ngã có kiểm soát, và chân đưa ra kịp để đỡ.
Ưu điểm: nhanh hơn nhiều, tự nhiên hơn, và tiêu tốn ít năng lượng hơn vì tận dụng được đà.
Cái giá: điều khiển khó hơn hẳn. Robot phải dự đoán trước, phải phản ứng nhanh, và một sai lệch không được sửa kịp sẽ dẫn tới ngã thật.
Khái niệm nền của kiểu đi này là điểm bắt: vị trí mà nếu đặt chân vào đó, robot sẽ dừng lại được ở trạng thái đứng yên. Điều khiển bước đi động về bản chất là liên tục tính vị trí này và đưa chân tới đó.
Khuỵu gối hay duỗi thẳng
Dáng khuỵu gối đặc trưng của robot đời cũ không phải lựa chọn thẩm mỹ mà là hệ quả kỹ thuật.
Khi chân gần duỗi thẳng hết cỡ, bài toán động học trở nên khó xử lý: một thay đổi nhỏ ở chiều cao hông đòi thay đổi rất lớn ở góc gối. Giữ gối luôn co tránh được vùng này.
Cái giá rất lớn: cơ cấu ở gối phải giữ mô men suốt thời gian đứng và đi, tiêu tốn năng lượng liên tục ngay cả khi không di chuyển.
Người đi với chân gần duỗi thẳng ở pha chống, nên xương chịu lực thay vì cơ, và điều đó tiết kiệm năng lượng đáng kể.
Các phương pháp điều khiển gần đây xử lý được vùng gần duỗi thẳng, nên dáng đi của robot mới trông tự nhiên hơn và tiêu tốn ít hơn. Đây là một trong những thay đổi dễ nhận thấy nhất giữa các thế hệ.
Chu kỳ bước và các pha
Một chu kỳ bước gồm hai pha chính.
Pha chống: bàn chân tiếp xúc mặt đất, chân đó chịu trọng lượng và đẩy cơ thể tiến lên.
Pha vung: chân rời mặt đất và đưa ra trước, chuẩn bị cho lần chạm tiếp theo.
Giữa hai pha có pha chống kép khi cả hai chân cùng chạm đất. Pha này càng dài thì càng ổn định nhưng càng chậm; đi nhanh nghĩa là rút ngắn nó.
Khi chạy, pha chống kép biến mất hoàn toàn và xuất hiện pha bay — cả hai chân đều rời đất. Đây là ranh giới định nghĩa giữa đi và chạy, và nó đòi khả năng hoàn toàn khác: hấp thụ va chạm mạnh khi chạm đất và sinh lực đủ lớn để nâng cả cơ thể lên.
Đọc dáng đi để đoán phương pháp
Vài dấu hiệu quan sát được nói lên khá nhiều về hệ thống bên dưới.
- Gối luôn co, bước ngắn, tốc độ đều → nhiều khả năng dùng quỹ đạo tính trước và ổn định tĩnh.
- Gối gần duỗi ở pha chống, bước dài, có nhún nhẹ → điều khiển động, tận dụng đà.
- Bước đổi độ dài liên tục, chân đặt xuống ở chỗ khác nhau mỗi lần → có điều chỉnh vị trí đặt chân theo phản hồi.
- Thân trên dao động nhiều → có thể đang dùng chuyển động thân để giữ thăng bằng, dấu hiệu của điều khiển toàn thân.
Một dấu hiệu nữa: robot có đi được trên bề mặt không phẳng mà không cần biết trước hay không. Đây là khác biệt lớn giữa hệ bám quỹ đạo và hệ phản ứng theo trạng thái đo được.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao robot đời cũ đi chậm hơn nhiều so với người?
Vì chúng dùng kiểu ổn định tĩnh, đòi trọng tâm luôn nằm trong vùng chống. Điều kiện này buộc robot phải dịch chuyển trọng tâm cẩn thận trước mỗi bước, làm chu kỳ bước dài ra đáng kể so với cách đi động của con người.
Robot chạy được chưa?
Một số robot đã thực hiện được các chuyển động có pha bay trong điều kiện kiểm soát. Nhưng chạy đòi hấp thụ va chạm rất mạnh và sinh lực lớn, nên đây vẫn là khả năng trình diễn hơn là năng lực dùng được trong công việc hằng ngày.
Dáng đi tự nhiên có nghĩa là điều khiển tốt hơn không?
Thường là dấu hiệu tốt, vì dáng tự nhiên gắn với việc tận dụng đà và điều khiển động. Nhưng không phải luôn đúng: một robot có thể được lập trình để trông tự nhiên trong điều kiện cụ thể mà vẫn kém bền vững khi gặp nhiễu loạn.
Vì sao khuỵu gối lại tốn năng lượng?
Vì khi gối co, cơ cấu ở gối phải sinh mô men liên tục để chống lại trọng lượng, kể cả khi robot đứng yên. Với chân gần duỗi thẳng, tải chủ yếu truyền qua kết cấu nên cơ cấu tiêu tốn ít hơn nhiều.
Đọc thêm trong Nguồn điện & toả nhiệt và Các mẫu robot hình người.
