Nếu chỉ đi trên sàn phẳng, bánh xe thắng chân về mọi mặt. Toàn bộ lý do tồn tại của robot hai chân nằm ở khả năng đi qua những nơi bánh xe không qua được — và đây cũng là phần khó nhất.
Hai chiến lược cơ bản
Nhìn trước và lập kế hoạch. Robot dùng cảm biến chiều sâu dựng bản đồ bề mặt phía trước, chọn các vị trí đặt chân an toàn, rồi đi theo kế hoạch đó. Hiệu quả với địa hình có cấu trúc rõ như bậc thang.
Phản xạ khi chạm. Robot không cần biết trước bề mặt; nó đưa chân xuống và phản ứng theo những gì cảm nhận được khi chạm — chạm sớm thì rút chân lên và điều chỉnh, chạm muộn thì tiếp tục hạ.
Hai chiến lược bổ sung cho nhau. Nhìn trước xử lý được các chướng ngại lớn cần lên kế hoạch; phản xạ xử lý được những gì cảm biến bỏ sót — mà cảm biến luôn bỏ sót thứ gì đó.
Hệ thống chỉ có nhìn trước sẽ ngã khi gặp một viên sỏi không thấy được. Hệ thống chỉ có phản xạ sẽ không leo được cầu thang.
Bậc thang: bài toán có cấu trúc
Cầu thang thực ra dễ hơn địa hình ngẫu nhiên, vì nó có cấu trúc lặp lại: chiều cao và chiều sâu bậc gần như không đổi.
Khó khăn nằm ở ba chỗ. Nhận biết chính xác mép bậc, vốn khó với cảm biến chiều sâu vì đó là chỗ gián đoạn. Đặt chân đủ sâu để không trượt khỏi mép. Và nâng chân đủ cao mà không va vào bậc trên.
Đi xuống thường khó hơn đi lên, vì trọng tâm dịch về phía trước và mỗi bước là một lần rơi có kiểm soát. Cảm biến cũng khó nhìn thấy bậc phía dưới hơn.
Đây là khả năng phân biệt rõ nhất giữa các thế hệ robot, và cũng là một trong những lý do chính đáng nhất để chọn chân thay vì bánh.
Dốc, bề mặt mềm và bề mặt trơn
Dốc. Vấn đề chính là bàn chân phải nghiêng theo mặt dốc trong khi thân giữ thẳng, và trọng tâm phải dịch để không đổ về phía sau. Robot có khớp cổ chân đủ tầm và có cảm biến lực dưới bàn chân xử lý được; robot thiếu một trong hai thì không.
Bề mặt mềm như thảm dày, cát, cỏ. Chân lún xuống một khoảng không đoán trước, nên vị trí thật khác vị trí tính toán. Đây là nơi phản xạ khi chạm quan trọng hơn hẳn kế hoạch nhìn trước.
Bề mặt trơn. Đây là trường hợp nguy hiểm nhất, vì giả định cơ bản của mọi thuật toán đi bộ — chân không trượt — bị vi phạm. Robot cần phát hiện trượt qua cảm biến lực và phản ứng bằng cách giảm lực đẩy ngang, tương tự cách người đi trên băng.
Chọn vị trí đặt chân
Đây là quyết định trung tâm của việc đi trên địa hình không phẳng, và nó phải cân bằng ba yêu cầu thường mâu thuẫn.
- An toàn về mặt địa hình: bề mặt đủ phẳng, đủ rộng, đủ ma sát.
- An toàn về mặt thăng bằng: đủ gần vị trí cần thiết để chặn đà hiện tại.
- Khả thi về mặt động học: nằm trong tầm với của chân từ tư thế hiện tại.
Khi ba yêu cầu mâu thuẫn — chỗ an toàn thì quá xa, chỗ vừa tầm thì không phẳng — hệ thống phải đánh đổi, và cách đánh đổi quyết định robot đi được qua địa hình nào.
Một chiến lược thường dùng: khi không có vị trí nào thoả cả ba, robot rút ngắn bước và đi chậm lại để mở rộng số phương án cho bước sau.
Vì sao đây vẫn là phần khó
Dù đã tiến bộ nhiều, đi trên địa hình thật vẫn kém tin cậy hơn nhiều so với đi trong phòng lab, vì ba lý do.
Cảm biến không hoàn hảo. Bề mặt phản chiếu, ánh sáng mạnh, bụi đều làm dữ liệu chiều sâu thiếu hoặc sai đúng ở chỗ cần nhất.
Ma sát không biết trước. Không có cách nào nhìn mà biết được sàn trơn tới đâu; chỉ biết khi đã chạm và có khi là đã muộn.
Hậu quả của một lần sai rất lớn. Robot đi sai một bước thì ngã, và ngã có thể làm hỏng thiết bị hoặc gây nguy hiểm.
Điểm cuối giải thích vì sao các bản trình diễn ấn tượng và việc vận hành hằng ngày còn cách nhau xa: trong trình diễn, một lần ngã chỉ là một lần quay lại; trong vận hành, đó là sự cố.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao đi xuống cầu thang khó hơn đi lên?
Vì trọng tâm dịch về phía trước và mỗi bước là một lần hạ có kiểm soát với động năng lớn hơn. Ngoài ra cảm biến khó quan sát các bậc phía dưới hơn, và sai lệch trong việc đặt chân dễ dẫn tới trượt khỏi mép bậc.
Robot có cần biết trước địa hình không?
Không bắt buộc cho các bất thường nhỏ, vì phản xạ khi chạm xử lý được. Nhưng với chướng ngại lớn như bậc thang hoặc hố, cần nhìn trước để lập kế hoạch đặt chân, vì phản ứng khi đã chạm là quá muộn.
Bề mặt trơn xử lý thế nào?
Bằng cách phát hiện trượt sớm qua cảm biến lực dưới bàn chân, rồi giảm lực đẩy theo phương ngang và rút ngắn bước. Không có cách nào biết trước độ trơn bằng quan sát, nên khả năng phản ứng nhanh sau khi chạm là yếu tố quyết định.
Robot mang tải có đi được địa hình khó không?
Khó hơn đáng kể, vì tải làm dịch trọng tâm và tăng quán tính, khiến việc điều chỉnh giữa chừng chậm hơn. Nhiều robot giới hạn tải trọng thấp hơn khi đi trên địa hình không phẳng so với khi đi trên sàn phẳng.
Đọc thêm trong Khớp & truyền động và Các mẫu robot hình người.
