Điều khiển toàn thân, giữ thăng bằng, phát hiện va chạm và làm việc an toàn — cả bốn đều cần biết mô men thật ở từng khớp. Có bốn cách lấy con số này, và chúng không tương đương nhau.
Cách một: cảm biến mô men tại khớp
Một vòng cảm biến lắp giữa cơ cấu và đầu ra khớp, đo trực tiếp mô men truyền qua.
Ưu điểm: chính xác nhất, đo đúng thứ ta quan tâm, không bị ảnh hưởng bởi ma sát trong cơ cấu vì nó nằm sau cơ cấu.
Nhược điểm: đắt, thêm khối lượng ở vị trí khớp, và bản thân cảm biến có độ đàn hồi nên làm giảm độ cứng của khớp một chút.
Ngoài ra nó cần dây tín hiệu đi qua vùng chuyển động, và đây là điểm hỏng tiềm tàng.
Phương án này thường được chọn cho các khớp quan trọng nhất — hông và gối — và bỏ qua ở các khớp ít quan trọng hơn để tiết kiệm.
Cách hai: biến dạng phần tử đàn hồi
Nếu cơ cấu đã có phần tử đàn hồi, mô men suy ra được từ độ biến dạng của nó, đo bằng chênh lệch giữa hai cảm biến vị trí.
Ưu điểm: gần như miễn phí nếu đã có phần tử đàn hồi cho mục đích khác; dùng cảm biến vị trí vốn bền và rẻ; tín hiệu ít nhiễu.
Nhược điểm: độ chính xác phụ thuộc vào việc biết đúng độ cứng của phần tử đàn hồi, mà độ cứng này thay đổi theo nhiệt độ và theo mỏi vật liệu.
Cần hiệu chuẩn định kỳ, và nên theo dõi xem quan hệ giữa biến dạng và lực có trôi khỏi giá trị chuẩn không.
Đây là phương án phổ biến nhất trong các thiết kế có truyền động đàn hồi, vì nó cho hai lợi ích từ một chi tiết.
Cách ba: từ dòng điện động cơ
Mô men động cơ tỉ lệ với dòng điện, nên đo dòng là có ước lượng mô men — nhân với tỉ số truyền.
Ưu điểm: hoàn toàn miễn phí, vì dòng điện đã được đo sẵn để điều khiển động cơ. Không thêm phần cứng, không thêm khối lượng.
Nhược điểm quyết định: nó đo mô men ở phía động cơ, không phải ở khớp. Chênh lệch giữa hai giá trị chính là ma sát trong cơ cấu, và ma sát này thay đổi theo tốc độ, theo nhiệt độ và theo tuổi thiết bị.
Với cơ cấu tỉ số truyền thấp và ma sát nhỏ, ước lượng này khá tốt. Với hộp số tỉ số rất cao, nó gần như vô dụng cho việc phát hiện lực nhỏ.
Cách cải thiện: xây dựng mô hình ma sát theo tốc độ và bù trừ. Mô hình này đo được bằng cách cho khớp chạy không tải ở nhiều tốc độ.
Cách bốn: cảm biến lực ở bàn chân
Không đo mô men khớp mà đo trực tiếp lực tiếp xúc với sàn, thường bằng cảm biến sáu thành phần đặt ở cổ chân.
Đây là dữ liệu đặc biệt quan trọng vì nó cho biết điểm quy lực trên bàn chân — thông số then chốt của mọi thuật toán giữ thăng bằng.
Từ lực tiếp xúc, có thể suy ngược ra mô men ở các khớp chân bằng mô hình động lực học, dù kết quả kém chính xác hơn đo trực tiếp.
Nhược điểm: cảm biến đặt ở vị trí chịu va đập mạnh nhất trên robot, nên tuổi thọ hạn chế và cần bảo vệ. Nó cũng chịu quá tải khi robot ngã.
Dù vậy, phần lớn robot hình người đều có cảm biến này, vì thiếu nó thì việc giữ thăng bằng chỉ dựa vào mô hình mà không có phản hồi thực tế.
Vấn đề chung: trôi điểm không
Mọi cảm biến lực và mô men đều có một vấn đề chung: giá trị đọc được khi không có tải không đúng bằng không, và độ lệch này thay đổi theo nhiệt độ.
Hậu quả: robot tưởng đang chịu lực khi thực ra không, hoặc ngược lại. Với điều khiển thăng bằng, điều này gây trôi tư thế chậm và khó chẩn đoán.
Cách xử lý tiêu chuẩn là đặt lại điểm không ở một tư thế đã biết, thường là khi robot vừa khởi động và chưa chịu tải, hoặc theo lịch trong lúc vận hành.
Với cảm biến ở bàn chân, việc này khó hơn vì luôn có trọng lượng robot đè lên. Cách thường dùng là nhấc chân lên khỏi sàn rồi mới đặt lại điểm không.
Một thói quen tốt: ghi lại giá trị điểm không mỗi lần hiệu chuẩn. Xu hướng trôi của nó là chỉ báo sớm cho tình trạng cảm biến.
Câu hỏi thường gặp
Có cần cảm biến mô men ở mọi khớp không?
Thường không. Nhiều thiết kế chỉ đặt ở các khớp chịu tải lớn và quan trọng cho thăng bằng, còn các khớp khác dùng ước lượng từ dòng điện. Đây là đánh đổi giữa chi phí, khối lượng và chất lượng điều khiển.
Ước lượng mô men từ dòng điện sai bao nhiêu?
Phụ thuộc mạnh vào ma sát trong cơ cấu. Với truyền động tỉ số thấp, sai số có thể chấp nhận được cho nhiều mục đích. Với hộp số tỉ số cao, ma sát có thể lớn hơn cả lực cần đo, khiến ước lượng không dùng được.
Vì sao cảm biến ở bàn chân quan trọng cho thăng bằng?
Vì nó cho biết lực tiếp xúc thật và vị trí điểm quy lực trên bàn chân, thông số mà mọi thuật toán giữ thăng bằng đều cần. Không có nó, hệ thống chỉ có thể suy đoán từ mô hình và sẽ sai khi mặt sàn không như dự kiến.
Bao lâu nên đặt lại điểm không cho cảm biến lực?
Ít nhất mỗi lần khởi động, và nên lặp lại trong ca nếu nhiệt độ thay đổi nhiều. Một số hệ thống đặt lại tự động mỗi khi phát hiện điều kiện không tải, ví dụ khi chân đang ở pha vung.
Đọc thêm trong Giữ thăng bằng & điều khiển toàn thân và Nguồn điện & toả nhiệt.
