"Thí nghiệm này có ý nghĩa rất lớn," Zachary Manchester, PGS tại RI, người đứng đầu Phòng thí nghiệm nghiên cứ Robot cho biết. "Tôi không nghĩ có ai đã từng thực hiện thành công cung cấp khả năng đi bộ thăng bằng với robot trước đây."

Theo nhận thức của nhóm, đây là trường hợp đầu tiên một robot bốn chân đi thành công trên một thanh ván cầu cân bằng hẹp. Báo cáo khoa học của nhóm nghiên cứu "Tăng cường thăng bằng cho robot có chân, sử dụng bánh xe hồi chuyển", được chấp nhận tham dự Hội nghị quốc tế về người máy và tự động hóa năm 2023 . Hội nghị thường niên này sẽ được tổ chức từ ngày 29/5 đến ngày 2/6 tại London.

Bằng phương pháp tận dụng phần cứng, thường được sử dụng để điều khiển các vệ tinh không gian, nhóm nghiên cứu của PGS Manchester khắc phục được những hạn chế trong thiết kế chuyển động của thiết bị, tăng cường khả năng cân bằng của robot 4 chân.

Nhóm nhà khoa học Đại học Carnegie Mellon thiết kế một hệ thống robot bốn chân có thể đi trên một cầu thăng bằng, đây là hệ thống robot đầu tiên có khả năng này. Ảnh Đại học Carnegie Mellon

Các thành phần tiêu chuẩn của hầu hết robot bốn chân hiện đại bao gồm thân và 4 chân với các khớp linh hoạt, mỗi chân đều có một bàn đế tròn, cho phép robot di chuyển trên các mặt phẳng cơ bản và thậm chí leo cầu thang. Thiết kế của robot tương tự như cấu trúc thân động vật 4 chân, nhưng không giống như báo gepard có thể sử dụng đuôi để điều chỉnh cân bằng ở những khúc cua gấp hoặc mèo rơi xuống có thể điều chỉnh hướng giữa không trung với sự trợ giúp của các đốt xương sống linh hoạt, robot 4 chân không có sự linh hoạt theo bản năng như vậy. Yêu cầu then chốt là 3 chân của robot tiếp xúc với mặt đất, thiết bị mới không bị lật. Nhưng nếu chỉ có 1 hoặc 2 chân tiếp đất, robot không thể dễ dàng điều chỉnh sự xáo trộn cân bằng động và bị lật nhào. Sự thiếu cân bằng này khiến việc đi bộ trên địa hình gồ ghề trở nên đặc biệt khó khăn.

Manchester cho biết: “Với những phương pháp điều khiển hiện nay, cơ thể và chân của robot bốn chân hoàn toàn tách rời và không tương tác để phối hợp những chuyển động của thiết bị. "Vậy làm thế nào chúng ta có thể cải thiện sự cân bằng của robot?"

Nhóm nhà khoa học đã đưa ra giải pháp, sử dụng hệ thống truyền động bánh đà phản lực (RWA) gắn vào phía sau của robot 4 chân. Với sự trợ giúp của một kỹ thuật điều khiển mới, RWA cho phép robot giữ thăng bằng không phụ thuộc vào vị trí của bàn chân.

RWA được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ để thực hiện kiểm soát trạng thái của các vệ tinh bằng phương pháp điều khiển động lượng góc của tàu vũ trụ.

PGS Manchester, làm việc trong dự án cùng với sinh viên tốt nghiệp RI Chi-Yen Lee và các sinh viên tốt nghiệp kỹ thuật cơ khí Shuo Yang và Benjamin Boksor cho biết: “Về bản chất, đây là một bánh đà lớn có gắn động cơ. Nếu quay chiếc bánh đà nặng này theo một hướng, lực phản hồi sẽ khiến vệ tinh quay theo hướng khác. Bây giờ hãy sử dụng RWA và lắp đặt lên thân của một robot bốn chân."

Nhóm đã tạo nguyên mẫu chứng minh phương pháp tiếp cận bằng cách gắn 2 RWA trên robot Unitree A1 thương mại, 1 trên trục cao độ và một trên trục xoay, cung cấp khả năng kiểm soát xung lượng góc của robot. Sử dụng RWA, trạng thái chân robot tiếp xúc với mặt đất hay không không quan trọng vì RWA cung cấp khả năng kiểm soát độc lập hai mặt phẳng của thân robot.

Manchester cho biết có thể dễ dàng sửa đổi khung điều khiển hiện có đối với các RWA vì phần cứng không làm thay đổi sự phân bổ khối lượng của robot, cũng như không có các giới hạn cho đuôi hoặc cột sống robot.

Không tính đến những ràng buộc với đuôi hoặc cột sống, phần cứng có thể được lập mô hình tương tự như mô hình một con quay hồi chuyển (một mô hình tàu vũ trụ lý tưởng hóa), được tích hợp vào một thuật toán điều khiển dự đoán mô hình tiêu chuẩn.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống với nhiều thí nghiệm thành công, chứng minh khả năng phục hồi trạng thái cân bằng của robot sau những tác động đột ngột. Trong mô phỏng, các nhà khoa học sử dụng bài toán mèo rơi kinh điển bằng phương pháp thả robot lộn ngược từ độ cao gần nửa mét, RWA cho phép robot tự điều chỉnh trạng thái lại giữa không trung và tiếp đất bằng chân. Nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy, robot nhanh chóng phục hồi trạng thái cân bằng sau khi bị tác động gây nhiễu (đẩy từ mọi phía), khả năng giữ thăng bằng của hệ thống khi thử nghiệm cho robot đi dọc theo một thanh cầu thăng bằng rộng 6 cm.

PGS Manchester dự đoán, robot 4 chân sẽ sớm chuyển từ nền tảng nghiên cứu chủ yếu trong phòng thí nghiệm sang những sản phẩm ứng dụng thương mại phổ biến rộng rãi, tương tự như máy bay không người lái (UAV) cách đây 10 năm. Nhóm nhà khoa học tiếp tục những nghiên cứu nhằm nâng cao khả năng ổn định của robot bốn chân, tương tự như các động thái bản năng của động vật bốn chân. Hành vi tự nhiên của động vật đã truyền cảm hứng cho thiết kế của nhóm nghiên cứu và các nhà khoa học cho rằng, robot 4 chân có thể được sử dụng trong những tình huống rủi ro cao như tìm kiếm cứu nạn trong những môi trường địa hình nguy hiểm phức tạp, khó khăn trong cơ động.

Manchester cho biết: “Động vật bốn chân là hình mẫu quan trọng đối với robot. Tôi cho rằng, những robot có khả năng tương tự như động vật tự nhiên sẽ xuất hiện nhiều trong vài năm tới."