Chân robot hình người nhìn đơn giản hơn chân người rất nhiều, nhưng mỗi khớp trong đó đều có lý do. Hiểu vai trò từng khớp giúp đọc được vì sao một robot làm được việc này mà không làm được việc kia.
Sáu bậc tự do và vai trò từng bậc
Cấu hình phổ biến nhất là ba bậc ở hông, một ở gối, hai ở cổ chân.
Hông ba bậc cho phép chân xoay quanh cả ba trục: đưa chân tới trước sau, dạng sang ngang, và xoay quanh trục dọc. Bậc dạng ngang là thứ cho phép robot bước sang bên và điều chỉnh khi bị đẩy ngang — bỏ nó đi thì robot chỉ đi được tới trước.
Gối một bậc giống người, cho phép co duỗi để nâng bàn chân qua chướng ngại và hấp thụ va chạm khi chạm đất.
Cổ chân hai bậc cho phép bàn chân nghiêng trước sau và nghiêng ngang, giữ cho lòng bàn chân áp đều xuống mặt sàn dù chân nghiêng. Đây là khớp chịu tải nặng nhất và cũng khó thiết kế nhất.
Sáu bậc là con số tối thiểu để đặt bàn chân ở vị trí và hướng bất kỳ trong tầm với. Ít hơn thì mất một khả năng cụ thể.
Bàn chân: phẳng hay có khớp
Phần lớn robot hình người dùng bàn chân phẳng, cứng, hình chữ nhật. Lý do là nó đơn giản và tạo ra một diện tích tiếp xúc rõ ràng để tính toán thăng bằng.
Diện tích này quan trọng vì thăng bằng phụ thuộc vào việc giữ một điểm đặc trưng nằm trong đó. Bàn chân lớn cho vùng an toàn rộng hơn, dễ giữ thăng bằng hơn — nhưng cũng vướng hơn khi đi và nặng hơn.
Bàn chân người có nhiều khớp và cong theo bước đi, giúp lăn mượt từ gót sang mũi và tích trữ năng lượng đàn hồi. Sao chép điều này rất khó và ít robot làm.
Một chi tiết thực tế quan trọng: lớp đệm dưới bàn chân. Vật liệu có độ đàn hồi vừa phải giúp hấp thụ va chạm khi chạm đất và tăng ma sát. Quá cứng thì robot nảy; quá mềm thì tư thế không xác định và điều khiển khó.
Bố trí cơ cấu truyền động
Đây là quyết định thiết kế có ảnh hưởng lớn nhất tới hiệu năng chân.
Vấn đề cốt lõi: khối lượng đặt càng xa khớp hông thì quán tính của chân càng lớn, và chân càng khó vung nhanh. Điều này giới hạn trực tiếp tốc độ đi và khả năng phản ứng.
Vì vậy nhiều thiết kế đặt động cơ càng gần thân càng tốt, rồi truyền lực xuống khớp xa bằng đai, dây hoặc thanh nối.
Đổi lại là độ phức tạp cơ khí, thêm ma sát, thêm độ đàn hồi trong đường truyền và thêm điểm hỏng.
Cách khác là đặt động cơ ngay tại khớp: đơn giản, ít mất mát, dễ điều khiển, nhưng chân nặng ở phía dưới.
Không có phương án đúng tuyệt đối; lựa chọn phụ thuộc vào việc robot ưu tiên tốc độ hay ưu tiên độ tin cậy.
Cứng hay có phần tử đàn hồi
Một lựa chọn thiết kế nữa là có đặt phần tử đàn hồi giữa động cơ và khớp hay không.
Truyền động cứng cho điều khiển vị trí chính xác và phản ứng nhanh. Nhưng khi bàn chân chạm đất, toàn bộ va chạm truyền thẳng vào bộ truyền và động cơ.
Truyền động có phần tử đàn hồi hấp thụ va chạm, bảo vệ cơ cấu và cho phép đo lực gián tiếp qua độ biến dạng của phần tử đó. Đổi lại, điều khiển vị trí kém chính xác hơn và hệ dễ dao động hơn.
Với robot phải chạy hoặc nhảy, khả năng hấp thụ va chạm gần như bắt buộc. Với robot chỉ đi chậm, truyền động cứng đơn giản hơn và đủ dùng.
Những điểm hỏng thường gặp ở chân
Chân chịu tải lớn nhất và va đập nhiều nhất, nên đây là nơi hỏng hóc tập trung.
- Khớp cổ chân: chịu toàn bộ trọng lượng cộng lực va chạm, và ở vị trí gần mặt đất nên bám bụi.
- Cáp đi qua khớp: gập liên tục theo mỗi bước, và ở chân thì số chu kỳ rất lớn.
- Lớp đệm bàn chân: mòn dần làm đổi đặc tính tiếp xúc, và điều này ảnh hưởng tới thăng bằng theo cách khó nhận ra.
- Bộ truyền ở gối: chịu mô men lớn khi robot khuỵu gối hoặc hấp thụ va chạm.
Điểm thứ ba đáng chú ý: khi robot bắt đầu đi kém ổn định hơn sau vài tháng, kiểm tra lớp đệm bàn chân thường cho câu trả lời trước khi nghĩ tới phần điều khiển.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao robot cần bậc tự do dạng ngang ở hông?
Vì không có nó, robot không dịch được trọng tâm sang hai bên và không bước ngang được. Khi bị đẩy theo phương ngang, phản ứng tự nhiên là bước sang bên để lấy lại thăng bằng, và bậc này là thứ cho phép điều đó.
Bàn chân lớn có tốt hơn không?
Lớn hơn cho vùng ổn định rộng hơn nên dễ giữ thăng bằng, nhưng cũng nặng hơn, dễ vướng khi bước và làm dáng đi kém tự nhiên. Kích thước bàn chân là một đánh đổi giữa độ ổn định tĩnh và khả năng chuyển động linh hoạt.
Vì sao đặt động cơ gần thân lại quan trọng?
Vì khối lượng đặt xa khớp làm tăng quán tính của chân, khiến việc vung chân nhanh tốn nhiều mô men hơn. Điều này giới hạn trực tiếp tốc độ đi và khả năng bước nhanh để phục hồi thăng bằng.
Lớp đệm dưới bàn chân nên chọn thế nào?
Cần đủ đàn hồi để hấp thụ va chạm khi chạm đất và đủ ma sát để không trượt, nhưng không quá mềm khiến tư thế bàn chân trở nên khó xác định. Vật liệu này mòn theo thời gian nên cần đưa vào lịch kiểm tra định kỳ.
Đọc thêm trong Nguồn điện & toả nhiệt và Giữ thăng bằng & điều khiển toàn thân.
