Đi bộ luôn có ít nhất một chân chạm đất, nên robot luôn có thể tác dụng lực để chỉnh. Khi cả hai chân rời đất, khả năng đó biến mất hoàn toàn trong suốt pha bay — và đó là điều làm chạy và nhảy khác hẳn về bản chất.
Vì sao pha bay đổi bản chất bài toán
Khi không có chân nào chạm đất, robot không thể thay đổi quỹ đạo của trọng tâm. Nó đang bay theo một đường đã được quyết định tại thời điểm rời đất.
Điều duy nhất còn điều chỉnh được là tư thế: xoay các chi để đổi hướng thân, chuẩn bị cho lần tiếp đất.
Hệ quả: mọi thứ quan trọng phải được quyết định trước khi rời đất. Lực đẩy, hướng, thời điểm — nếu sai thì không sửa được cho tới khi chạm lại.
Điều này ngược hẳn với đi bộ, nơi robot liên tục sửa sai qua từng bước. Vì vậy chạy và nhảy đòi khả năng dự đoán và độ chính xác cao hơn nhiều ở giai đoạn đẩy.
Yêu cầu về công suất
Để rời khỏi mặt đất, chân phải sinh lực lớn hơn trọng lượng trong một khoảng thời gian rất ngắn. Đây là yêu cầu về công suất đỉnh chứ không phải công suất trung bình.
Nhiều cơ cấu truyền động có mô men đủ để giữ tư thế nhưng không sinh được công suất đỉnh cần thiết cho việc bật lên.
Đây là lý do một robot đi được rất tốt vẫn có thể không nhảy được: không phải vì phần mềm mà vì phần cứng không đáp ứng.
Yêu cầu này cũng giới hạn tần suất: robot có thể nhảy một lần nhưng không nhảy liên tục, vì động cơ nóng lên nhanh khi làm việc ở công suất đỉnh.
Hấp thụ va chạm khi tiếp đất
Rời đất khó, nhưng tiếp đất mới là phần gây hỏng hóc.
Toàn bộ động năng tích luỹ khi rơi phải được hấp thụ trong một khoảng thời gian rất ngắn. Nếu chân cứng, lực xung kích truyền thẳng vào bộ truyền và kết cấu.
Ba cách hấp thụ, thường kết hợp: khuỵu gối chủ động để kéo dài thời gian giảm tốc; lớp đệm ở bàn chân hấp thụ phần va chạm tần số cao; và phần tử đàn hồi trong chân tích trữ rồi trả lại năng lượng.
Cách đầu đòi cơ cấu phải phản ứng rất nhanh và chịu được mô men lớn khi hãm. Đây là lý do nhiều robot chỉ nhảy được từ độ cao thấp: không phải vì không bật lên được mà vì không tiếp đất an toàn được.
Phần tử đàn hồi: học từ gân
Ở người và động vật, gân tích trữ năng lượng khi tiếp đất và trả lại khi đẩy, giúp chạy tốn ít năng lượng hơn nhiều so với tính toán thuần cơ học gợi ý.
Áp dụng nguyên lý này vào robot có hai lợi ích: giảm năng lượng tiêu tốn, và bảo vệ cơ cấu khỏi lực xung kích.
Cái giá là bài toán điều khiển. Phần tử đàn hồi tạo ra dao động, làm việc điều khiển vị trí chính xác khó hơn, và hệ có tần số cộng hưởng riêng cần tránh hoặc tận dụng.
Thiết kế tốt tận dụng cộng hưởng: chọn độ cứng của phần tử đàn hồi sao cho tần số tự nhiên khớp với nhịp chuyển động mong muốn. Khi đó hệ chạy gần như tự dao động và cơ cấu chỉ cần bù phần năng lượng mất đi.
Vì sao đây chưa phải năng lực dùng được
Các đoạn video robot nhảy và chạy rất ấn tượng, nhưng khoảng cách tới ứng dụng còn xa vì bốn lý do.
- Hao mòn. Mỗi lần tiếp đất là một lần va chạm mạnh vào cơ cấu. Số chu kỳ chịu được hữu hạn và thấp hơn nhiều so với đi bộ.
- Nhiệt. Làm việc ở công suất đỉnh làm nóng nhanh, giới hạn thời gian hoạt động liên tục.
- Rủi ro. Một lần tiếp đất hỏng có thể làm gãy chi tiết hoặc làm robot đổ với động năng lớn.
- Ít giá trị thực tế. Rất ít công việc đòi robot phải chạy hay nhảy. Đi ổn định và thao tác tin cậy hữu ích hơn nhiều.
Cách nhìn công bằng: các chuyển động này là bài kiểm tra rất tốt cho chất lượng phần cứng và điều khiển, và kỹ thuật phát triển từ đó cải thiện cả khả năng đi và khả năng phục hồi thăng bằng. Giá trị của chúng nằm ở đó, không nằm ở việc robot cần chạy.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao robot đi tốt vẫn không nhảy được?
Vì nhảy đòi công suất đỉnh lớn trong thời gian rất ngắn, còn đi chủ yếu đòi mô men duy trì. Một cơ cấu có thể đủ mạnh để giữ tư thế và bước đi mà không sinh nổi lực bật cần thiết, và đây là giới hạn phần cứng chứ không phải phần mềm.
Tiếp đất từ độ cao bao nhiêu là an toàn?
Phụ thuộc vào khả năng hấp thụ va chạm của thiết kế cụ thể, gồm hành trình khuỵu gối, lớp đệm và phần tử đàn hồi nếu có. Đây là thông số nên hỏi nhà sản xuất, và cũng nên hỏi số lần chịu được chứ không chỉ độ cao một lần.
Robot có điều chỉnh được gì trong lúc bay không?
Chỉ điều chỉnh được tư thế bằng cách xoay các chi, tương tự cách vận động viên xoay người khi nhảy. Quỹ đạo của trọng tâm thì không đổi được, vì không có lực nào tác dụng ngoài trọng lực trong suốt pha bay.
Phần tử đàn hồi có nên dùng cho mọi robot không?
Không. Nó rất có lợi cho chuyển động lặp lại đều như đi và chạy, nhưng làm giảm độ chính xác khi điều khiển vị trí và thêm dao động. Với robot chủ yếu đứng yên thao tác bằng tay, truyền động cứng thường phù hợp hơn.
Đọc thêm trong Khớp & truyền động và Tổng quan robot hình người.
