Trên một cánh tay công nghiệp, có thể điều khiển từng khớp gần như độc lập. Trên robot hình người, vươn một cánh tay ra làm dịch trọng tâm và có thể làm robot đổ. Mọi thứ nối với mọi thứ, và lời giải phải phản ánh điều đó.
Vì sao không tách riêng được
Ba lý do khiến việc điều khiển từng phần riêng không hoạt động.
Trọng tâm phụ thuộc toàn thân. Vị trí tay ảnh hưởng tới trọng tâm, mà trọng tâm quyết định thăng bằng của chân.
Động lượng lan truyền. Xoay nhanh thân trên tạo mô men tác dụng lên chân. Đây vừa là vấn đề vừa là công cụ — nó chính là cơ chế của chiến lược gập hông.
Lực tiếp xúc phải chia đúng. Khi hai chân cùng chạm đất, tổng lực từ sàn phải cân bằng với trọng lực và gia tốc, nhưng cách chia giữa hai chân có nhiều phương án và cách chia ảnh hưởng tới việc chân có trượt hay không.
Vì vậy bài toán phải được đặt cho cả cơ thể cùng lúc.
Bài toán được đặt như thế nào
Cách tiếp cận phổ biến là mô tả nó thành một bài toán tối ưu giải lại ở mỗi chu kỳ điều khiển.
Biến cần tìm: gia tốc của các khớp, và lực tiếp xúc tại các điểm chạm đất.
Ràng buộc bắt buộc: phương trình động lực học phải thoả mãn; lực tiếp xúc phải nằm trong giới hạn ma sát để chân không trượt; các khớp không vượt giới hạn góc, tốc độ và mô men.
Mục tiêu: các nhiệm vụ cần đạt, ví dụ giữ trọng tâm ở vị trí mong muốn, đưa tay tới một điểm, giữ thân thẳng.
Kết quả là một tập lệnh cho tất cả các khớp, thoả mọi ràng buộc và đạt các mục tiêu tốt nhất có thể.
Thứ tự ưu tiên giữa các nhiệm vụ
Robot thường có nhiều mục tiêu cùng lúc, và chúng có thể mâu thuẫn. Vươn tay xa hơn nữa sẽ làm mất thăng bằng.
Lời giải là xếp hạng ưu tiên. Nhiệm vụ ưu tiên cao được thoả trước; nhiệm vụ ưu tiên thấp chỉ được thoả trong phần tự do còn lại.
Thứ tự thông thường: giữ thăng bằng và không trượt ở mức cao nhất, giữ tư thế thân ở mức giữa, và nhiệm vụ của tay ở mức thấp hơn.
Kết quả thực tế rất trực quan: robot vươn tay tới mức nào có thể mà không mất thăng bằng, rồi dừng lại. Nó không cố với thêm và đổ.
Điều này khả thi nhờ robot hình người dư bậc tự do: có nhiều cách sắp xếp khớp cho cùng một vị trí tay, và bộ điều khiển chọn cách ít ảnh hưởng tới thăng bằng nhất.
Ràng buộc ma sát: chi tiết quyết định
Ràng buộc thường bị bỏ qua nhưng lại quan trọng nhất là điều kiện không trượt.
Lực mà sàn tác dụng lên bàn chân có thành phần thẳng đứng và thành phần ngang. Thành phần ngang không được vượt quá một tỉ lệ nhất định so với thành phần thẳng đứng, tỉ lệ đó chính là hệ số ma sát.
Nếu bộ điều khiển không đưa ràng buộc này vào, nó có thể tính ra một lời giải hoàn hảo về mặt toán học nhưng đòi lực ngang lớn hơn ma sát cho phép. Trên sàn thật, chân sẽ trượt.
Vấn đề là hệ số ma sát thật không biết trước và thay đổi theo bề mặt. Cách xử lý thực tế là dùng giá trị bảo thủ, và bổ sung cơ chế phát hiện trượt để phản ứng khi giả định sai.
Khó khăn khi triển khai
Về lý thuyết thì gọn; về triển khai có bốn khó khăn thực tế.
- Phải giải trong thời gian rất ngắn. Bài toán này chạy ở tần số cao, nên phải giải xong trong khoảng thời gian rất nhỏ. Điều này giới hạn độ phức tạp của mô hình dùng được.
- Mô hình phải đủ đúng. Phân bố khối lượng, ma sát khớp, độ đàn hồi kết cấu — sai lệch ở đây làm lời giải kém chất lượng.
- Chuyển đổi tiếp xúc. Khi một chân rời đất, tập ràng buộc thay đổi đột ngột. Xử lý mượt các thời điểm này là phần khó và cũng là nơi hay xảy ra dao động.
- Gỡ lỗi khó. Khi robot hành xử lạ, khó biết là do mục tiêu đặt sai, ưu tiên xếp sai, hay mô hình sai.
Về mục cuối, một thói quen hữu ích là ghi lại giá trị của từng nhiệm vụ và mức độ thoả mãn của nó theo thời gian. Khi có sự cố, dữ liệu này thường chỉ thẳng ra nhiệm vụ nào đang bị hy sinh.
Câu hỏi thường gặp
Điều khiển toàn thân có cần thiết cho mọi robot hình người không?
Cần cho các robot phải vừa giữ thăng bằng động vừa thao tác bằng tay. Robot chỉ đứng yên trên bệ cố định hoặc chỉ đi mà không dùng tay có thể dùng các phương pháp đơn giản hơn, tách riêng phần đi và phần tay.
Vì sao robot dừng vươn tay khi ra quá xa?
Vì nhiệm vụ giữ thăng bằng được xếp ưu tiên cao hơn nhiệm vụ đưa tay tới đích. Khi hai mục tiêu mâu thuẫn, bộ điều khiển thoả mục tiêu ưu tiên cao trước, nên tay chỉ vươn tới mức không làm mất thăng bằng.
Ràng buộc ma sát xử lý thế nào khi không biết hệ số thật?
Thường dùng một giá trị bảo thủ thấp hơn thực tế để có biên an toàn, kèm cơ chế phát hiện trượt qua cảm biến lực. Khi phát hiện trượt, hệ thống giảm lực ngang và điều chỉnh lại giả định.
Chuyển đổi tiếp xúc gây vấn đề gì?
Khi một chân rời hoặc chạm đất, tập ràng buộc của bài toán thay đổi đột ngột, và lời giải có thể nhảy. Nếu không xử lý mượt, robot sẽ giật tại các thời điểm này, và trong trường hợp xấu là dao động rồi mất ổn định.
Đọc thêm trong Tay & bàn tay khéo và Tổng quan robot hình người.
