Robot học là một ngành kỹ thuật bao gồm thiết kế, chế tạo, vận hành, và ứng dụng robot,

Ý tưởng về việc chế tạo các cỗ máy có thể làm việc tự động có từ thời cổ đại, nhưng những nghiên cứu về chức năng và khả năng ứng dụng không có bước tiến nào đáng kể cho đến thế kỷ 20.[2

Robot học là một ngành kỹ thuật bao gồm thiết kế, chế tạo, vận hành, và ứng dụng

robot,

Hệ thống cánh tay robot Shadow

Robot học là một ngànhkỹ thuậtbao gồm thiết kế, chế

tạo, vận hành, và ứng dụngrobot,[1] cũng như các hệ

thống máy tính để điều khiển, phản hồi tín hiệu cảm

biến, và xử lý thông tin của chúng Những công nghệ

này liên hệ với các máy móc tự động dùng để thay thế

con người trong những môi trường độc hại hoặc trong

các quá trình sản xuất, hoặc bắt chước con người về

hình thức, hành vi, hoặc/và nhận thức Nhiều robot

ngày nay được lấy cảm hứng từ các loài vật, còn gọi

làrobot phỏng sinh học

Ý tưởng về việc chế tạo các cỗ máy có thể làm việc tự

động có từ thời cổ đại, nhưng những nghiên cứu về

chức năng và khả năng ứng dụng không có bước tiến

nào đáng kể cho đến thế kỷ 20.[2] Xuyên suốt lịch sử,

robot học thường được nhìn nhận là để bắt chước hành

vi của con người, và thường quản lý các nhiệm vụ theo

cách thức tương tự Ngày nay, robot là một lĩnh vực phát triển nhanh chóng, nhờ công nghệ phát triển liên tục, robot đã được chế tạo để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, đó là cácRobot dưới nước,robot công nghiệp hayrobot quân sự Nhiều robot đã thay con người làm những công việc độc hại như tháo ngòi nổ bom, mìn và thăm dò các con tàu bị đắm…

1 Nguồn gốc tên gọi

Robot học được lấy từ chữ robot, có nghĩa là “người máy”

trong tiếng Việt, xuất hiện lần đầu tiên trong vở kịch

R.U.R (Rossum’s Universal Robots)bởi nhà văn người Czech Karel Čapek, công diễn vào năm 1920.[3]Nguyên

gốc từ robot là từ chữ robota trong tiếngSlavơ, nghĩa là công nhân Vở kịch diễn tả bối cảnh một nhà máy chế

tạo các nhân công nhân tạo được gọi là robots, các sinh

vật này có thể bị nhầm lẫn với con người - tương tự như những ý tưởng hiện đại vềandroid(người máy) Karel Capek không phải là người nghĩ ra từ này Trong một

lá thư ngắn nói vềtừ nguyên họctrong quyểnOxford English Dictionaryông đã dặt tên anh trai mình làJosef Čapeknhư là nghĩa gốc của từ robot[3]

eoTừ điển Oxford tiếng Anh , từ robot lần đầu tiên

được sử dụng trong văn bản là bởiIsaac Asimov, trong truyện ngắnkhoa học viễn tưởng"Kẻ nói dối", xuất bản tháng 5 năm 1941 Asimov đã không biết rằng ông đã tạo ra một từ mới, vì lĩnh vực khoa học kỹ thuật để chế

tạo ra các thiết bị điện làđiện học, ông đã nghĩ ra từ

robot học để nói về lĩnh vực khoa học kỹ thuật để chế

tạo nên robot Trong một số tác phẩm khác Asimov,

ông nói rằng việc sử dụng đầu tiên của từrobot học là

trong truyện ngắn của ôngRunaroundvào tháng 3 năm 1942).[4][5] Tuy nhiên, nguyên bản của “Kẻ nói dối!" được xuất bản trước “Runaround” tới 5 tháng, do đó nguồn gốc của từ này là từ tác phẩm “Kẻ nói dối!"

2 Lịch sử ngành robot học

Trong năm 1927 “người máy”Maschinenmensch gynoid

robot humanoid (còn gọi là “Parody”, “Futura”,

“Robotrix”, hay “người thủ vai Maria”) là sự mô tả đầu tiên và có lẽ là đáng nhớ nhất của một robot từng xuất 1

hiện trên phim ảnh, được diễn xuất bởi nữ diễn viên

ĐứcBrigie Helmtrong một bộ phim củaFritz Lang

Metropolis

Năm 1942, nhà văn chuyên viết về đề tài khoa học viễn

tưởngIsaac Asimovđưa ra đề xuất3 nguyên tắc của

Robot

Năm 1948,Norbert Wienerđưa ra các nguyên lý của

điều khiển học, làm nền tảng cho robot thực tế

CácRobot độc lậpvới đầy đủ ý nghĩa chỉ có xuất hiện

trong nửa sau của thế kỷ 20 Robot kỹ thuật số và được

lập trình đầu tiên, có tên gọiUnimate, được chế tạo vào

năm 1961 dùng để nâng phần nóng của miếng kim loại

từ một máy đúc chết và sắp xếp chúng lại theo trật tự

Ngày nay, các robot thương mại vàrobot công nghiệp

được sử dụng phổ biến để thực hiện các công việc với

giá rẻ hơn, chính xác và đáng tin cậy hơn con người

Chúng cũng được sử dụng trong các công việc mà độ

ô nhiễm cao, nguy hiểm, hoặc đơn điệu Robot được sử

dụng rộng rãi trongsản xuất, lắp ráp, đóng gói và mở

gói, vận chuyển, và thăm dò không gian cũng như lòng

đất, phẫu thuật, chế tạo vũ khí, nghiên cứu trong phòng

thí nghiệm, dây chuyền sản xuất hàng loạt.[6]

Hiện nay chủ yếu sử dụng (axit chì)pinđể làm nguồn

Nhiều loại pin khác nhau có thể được sử dụng để cấp

nguồn cho robot Gồm từ pin axít chì là nguồn an toàn

và có tuổi thọ tương đối dài nhưng khá nặng cho đến

pin cadmium bạc, thể tích nhỏ hơn nhiều và hiện cũng

đang đắt hơn nhiều

Việc thiết kế một con robot chạy pin cần phải tính đến

các yếu tố như độ an toàn, tuổi thọ và trọng lượng Máy

phát điện, thường là một số loại động cơ đốt trong, cũng

có thể được sử dụng Tuy nhiên, những thiết kế như vậy

thường rất phức tạp và cần nhiên liệu, phải có tản nhiệt

và khá nặng Dùng dây điện để cấp nguồn cho robot sẽ

loại bỏ module nguồn cấp trên robot hoàn toàn Việc

này có lợi thế là tiết kiệm trọng lượng và không gian

bằng cách di chuyển tất cả các bộ phận tạo nguồn và

lưu trữ năng lượng ra nơi khác Tuy nhiên, thiết kế này

có hạn chế là luôn phải có một sợi cáp kết nối với các

robot, có thể gây khó khăn trong việc sử dụng robot.[15]

Các nguồn cấp có tiềm năng gồm:

• Khí nén

• ủy lực

• Bánh đà lưu trữ năng lượng

• Rác hữu cơ (thông quaphân hủy yếm khí)

• Phân (con người, động vật); có thể hữu ích trong

môi trường quân đội như phân của nhóm chiến đấu nhỏ có thể được tái sử dụng cho các nhu cầu năng lượng của các robot trợ lý(xem dự án động cơ Stirling Slingshot của DEKA để biết thêm về cách thức hệ thống này làm việc)

3.2 Thiết bị chấp hành

Một chân robot được cấp nguồn bởi cơ bắp không khí

Cơ cấu truyền động giống như "cơ bắp" của robot, là các bộ phận chuyển đổi năng lượng được lưu trữ thành chuyển động Cho đến nay các thiết bị chấp hành phổ biến nhất là động cơ điện dùng để làm quay bánh xe hoặc bánh răng, và các cơ cấu chấp hành tuyến tính dùng để điều khiển robot công nghiệp trong các nhà máy Nhưng hiện nay cũng có một vài dạng khác sử dụng năng lượng điện, hóa học, và khí nén

3.3 Giác quan của robot 3

3.2.1 Động cơ điện

Hầu hết các robot đều sử dụng động cơ điện, chủ yếu là

động cơ DC chổi thay hoặc không chổi than được dùng

trong các robot di động hoặc động cơ AC dùng trong

các robot cong nghiệp và các máyCNC Chúng thích

hợp trong các hệ thống nhẹ tải, và dạng chuyển động

chủ yếu là chuyển động quay

3.2.2 Các cơ cấu chấp hành tuyến tính

Có nhiều dạng cơ cấu chấp hành tuyến tính, chúng di

chuyển vào ra thay vì quay, và thay đổi hướng đột ngột,

đặc biệt cần lực tác dụng rất lớn, được sử dụng phổ biến

trong robot công nghiệp Năng lượng cung cấp là khí

né và thủy lực

3.2.3 Cơ cấu chấp hành đàn hồi nối tiếp

Lò xođược sử dụng như một phần của cơ cấu chấp hành

động cơ, để tăng khả năng điều khiển lực tác dụng

Được sử dụng trong nhiều loại robot, đặc biệt làrobot

dạng ngườiđi bằng hai chân.[16]

3.2.4 Cơ bắp bằng khí nén

Cơ bắp bằng khí nén gồm các ống đặc biệt có khả năng

nén không khí bên trong chúng (điển hình là 40% thể

tích không khí được nén lại) Chúng được sử dụng trong

vài ứng dụng robot.[17][18]

3.2.5 Cơ bắp bằng sợi

Cơ bắp bằng sợi, còn được biết đến như là hợp kim có

khả năng ghi nhớ hình dạng, sợi Nitinol hoặc Flexinol,

là một vật liệu có khả năng co thắt nhẹ (thường dưới

5 %) khi có dòng điện chạy qua nó Chúng đã được sử

dụng cho một số ứng dụng robot nhỏ [19][20]

3.2.6 Polymer Electroactive

EAP hoặc EPAM là một vật liệu bằng nhựa mới có thể

nén lại đáng kể (lên đến 380 % kích hoạt làm căng) dưới

tác dụng của trường điện, đã được sử dụng trong các cơ

mặt và cánh tay của robot humanoid,[21]cho phép các

robot mới có thể nổi,[22]bay, bơi, hoặc bước đi.[23]

3.2.7 Động cơ Piezo

Lựa chọn thay thế gần đây của động cơ DC làđộng cơ

áp điệnhoặcđộng cơ siêu âm Những động cơ này hoạt động dựa trên một nguyên lý cơ bản khác nhau, các bộ phậngốm điện ápnhỏ, dao động hàng ngàn lần mỗi giây, gây ra chuyển động theo đường thẳng hoặc quay

Cơ chế hoạt động của chúng khác nhau, một loại sử dụng sự rung động của các thành phần áp điện để di chuyển động cơ trong một vòng tròn hoặc một đường thẳng.[24] Loại kia sử dụng các thành phầnáp điệnđể tạo ra một nhân để làm rung và làm xoay một ốc vít

Ưu điểm của những động cơ này là độ phân giải, tốc độ,

và lực tác dụng nhỏ tới mứcnano métvì kích thước của

nó.[25]Những động cơ này đã được thương mại hóa, và được sử dụng trên một số robot.[26][27]

3.2.8 Ống nano đàn hồi

Xem thêm thông tin: Ống nano

Ống nano đàn hồi là một công nghệ cơ bắp nhân tạo đầy hứa hẹn đang trong giai đoạn phát triển thử nghiệm Sự vắng mặt của các góc khuyết trong ống nano cacbon cho phép các sợi này có thể biến dạng đàn hồi theo nhiều phần trăm, với mức lưu trữ năng lượng khoảng 10J/cm3cho các ống nano kim loại Bắp tay con người có thể được thay thế bằng một sợi đường kính 8 mm làm bằng vật liệu này Nhờ vậy “cơ bắp” bó gọn có thể cho phép robot trong tương lai có thể chạy nhanh hơn và nhảy xa hơn con người.[28]

3.3 Giác quan của robot

Cảm biến cho phép robot thu nhận thông tin về một đặc tính nhất định của môi trường, hoặc các bộ phận bên trong nó Cảm biến giúp robot có thể thực hiện nhiệm vụ của nó, hành động theo những thay đổi của môi trường bằng cách tính toán các phản ứng thích hợp Chúng được sử dụng để đo lường các đại lượng khác nhau, cung cấp cho robot thông tin cảnh báo về an toàn hoặc trục trặc trong chức năng, và cung cấp thông tin thời gian thực về công việc đang thực hiện

3.3.1 Xúc giác

Cáccánh tay robotvàtay giảhiện nay thu nhận được ít thông tinxúc giáchơn bàn tay con người Nghiên cứu gần đây đã phát triển một mảng cảm biến xúc giác bắt chước tính chất cơ học và các thụ thể xúc giác của đầu

ngón tay con người.[29][30]Mảng cảm biến này gồm một

lõi cứng bao quanh bởi chất lỏng dẫn điện chứa trong

một lớp da đàn hồi Các điện cực được gắn trên bề mặt

của lõi cứng nhắc và được kết nối với một thiết bị đo

trở kháng trong phần lõi Khi lớp da nhân tạo chạm vào

một vật thể nào đó, đường đi của chất lỏng xung quanh

điện cực sẽ bị biến dạng, tạo ra thay đổi trở kháng, tạo

ra bản đồ các lực tiếp nhận từ đối tượng Các nhà nghiên

cứu hy vọng chức năng quan trọng này của ngón tay

nhân tạo sẽ giúp điều khiển robot nắm bắt được các vật

thể

Các nhà khoa học từ nhiều nước châu Âu và Israel đã

phát triển một loại tay giả trong năm 2009, được gọi

là SmartHand, có chức năng như tay thật - cho phép

bệnh nhân có thể viết, đánh máy, chơi piano và thực

hiện các chuyển động phức tạp khác Nó có các cảm

biến cho phép bệnh nhân có thể cảm nhận được cảm

giác bằng các đầu ngón tay của nó.[31]

3.3.2 Thị giác

ị giác máy tínhlà ngành khoa học và kỹ thuật liên

quan đến khả năng nhìn của máy móc, có liên quan tới

lý thuyết thông minh nhân tạo trích xuất thông tin từ

hình ảnh Các dữ liệu hình ảnh có thể có nhiều dạng,

như video và hình ảnh từ camera

Trong hầu hết các ứng dụng thị giác máy tính thực tế,

các máy tính được lập trình trước để giải quyết một

nhiệm vụ cụ thể, nhưng các phương pháp dựa trên việc

học hiện tại đang trở nên ngày càng phổ biến

Hệ thống thị giác máy tính dựa trên cảm biến hình

ảnh để phát hiện các bức xạ điện từ, thường là ở một

trong hai dạng:ánh sáng nhìn thấyhoặcánh sáng hồng

ngoại Các cảm biến được thiết kế sử dụngvật lý chất

rắn á trình ánh sáng truyền và phản xạ khỏi bề

mặt được giải thích bằngquang học Cảm biến hình ảnh

phức tạp thậm chí còn sử dụngcơ học lượng tửđể cung

cấp một sự hiểu biết đầy đủ về quá trình tạo thành

hình ảnh Robot cũng có thể được trang bị nhiều cảm

biến hình ảnh để có thể tính toán chiều sâu của thị giác

trong môi trường được tốt hơn Giống như đôi mắt của

con người, "đôi mắt “robot” cũng phải có khả năng tập

trung vào một khu vực đặc biệt, và cũng có thể điều tiết

để thích nghi với sự thay đổi cường độ ánh sáng

Có một ngành con trong thị giác máy tính đó là hệ

thống nhân tạo được thiết kế để bắt chước quá trình

xử lý và hành vi củahệ thống sinh học, ở các cấp độ

phức tạp khác nhau Ngoài ra, một số các phương pháp

học tập của máy tính được phát triển trong lĩnh vực thị

giác máy tính có nền tảng từ lĩnh vực sinh học

3.3.3 Dạng khác

Các dạng cảm biến phổ biến khác sử dụng trong robot LIDAR,RADARvàSONAR

3.4 Tay máy

KUKA industrial robot operating in a foundry

Robot cần phải thao tác được các vật thể như: nhấc, sửa chữa, phá hủy,… Do đó, “bàn tay” của một robot thường được gọi là thiết bị thực thi đầu cuối,[32]“cánh

tay” của robot được gọi là tay máy.[33]Hầu hết các cánh tay robot đều có thiết bị thực thi đầu cuối có thể thay thế được, mỗi kiểu thiết bị này cho phép robot thực hiện công việc trong một phạm vi nào đó Một số có tay máy cố định không thể thay thế, trong khi một số lại có tay máy đa dụng, như tay máy bắt chước hình dạng tay người

Để biết thêm các khái niệm về tất cả các thiết bị thi hành đầu cuối của robot, thiết kế của chúng, và công dụng từng loại, xin tham khảo cuốn sách “Robot Grippers”.[34]

3.4.1 Cơ cấu gắp

Là một trong những thiết bị thực thi đầu cuối phồ biến nhất Dạng đơn giản nhất chỉ là 2 ngón tay có thể khép

và mở để nhấc và di chuyển các vật nhỏ Các ngón tay

có thể được làm từ các thanh cứng có kết nối với động

cơ và dây điện.[35],[36]Cơ cấu gắp có cấu tạo phức tạp giống bàn tay người nhưShadow HandvàRobonaut, … Loại có độ phức tạp vừa vừa có thể kể đến Del[37][38]

Cơ cấu gắp có nhiều kiểu cấu tạo dựa trên các nguyên

lý khác nhau, gồm kiểu ngàm sử dụng lực ma sát và

3.5 Vận động 5

kiểu ngàm sử dụng lồng chứa Kiểu ngàm sử dụng lực

ma sát sẽ giữ vật thể bằng cách dùng lực ma sát Kiểu

lồng chưa sẽ ôm vật thể theo kiểu cõng/đặt lên trên, sử

dụng ít lực ma sát hơn

3.4.2 Cơ cấu gắp chân không

Cơ cấu này sử dụng lực hút chân không để nắm bắt

vật thể, có thể chịu đựng được vật có tải trọng rất lớn

Nhưng bề mặt vật cần nắm bắt phải đủ nhẵn để đảm

bảo độ bám hút Các robot lắp ráp các linh kiện điện tử

và các vật lớn hơn như kính chắn gió xe hơi, thường sử

dụng loại cơ cấu gắp này

3.4.3 Tay máy đa dụng

Vài loại robot cải tiến hiện nay đã bắt đầu sử dụng

tay máy dạng người[39], như Shadow Hand, MANUS[39],

Schunk[40] Những tay máy này có độ khéo léo cao,bậc

tự dolên đến 20 và có hàng trăm cảm biến xúc giác.[41]

3.5.1 Robot lăn

Segway ở viện bảo tàng robot Nagoya.

Là dạng robot đơn giản nhất với 4bánh xehoặcbánh

xích Vài nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra những loại

robot lăn có độ phức tạp cao hơn chỉ với 1 hoặc hai bánh

xe Những robot này có ưu điểm là hiệu suất cao hơn

và tăng độ tinh giản, cho phép robot có thể đến những nơi ngõ ngách mà robot 4 bánh không thể tiếp cận

Robot tự cân bằng 2 bánh Loại robot này sử dụng mộtcon quay hồi chuyểnđể phát hiện độ nghiêng của robot và điều khiển bánh xe tương ứng theo hướng ngược lại, để giữ thăng bằng trong hàng trăm lần trên một giây, dựa trên đặc tính động học của con lắc ngược[42] Nhiều robot thăng bằng loại này đã được thiết kế[43] Trong đó có Segway, nó thường không được hiểu với nghĩa là 1 robot, mà là một bộ phận của robot, khi được sử dụng như là RMP (Robotic Mobility Platform) Điển hình là vụNASAsử dụngRobonautđể gắn trên Segway[44]

Robot tự cân bằng 1 bánh

Là dạng mở rộng của robot tự cân bằng 2 bánh, sử dụng một hòn bi để làm bánh xe duy nhất, nó có thể

di chuyển trong không gian theo bất kỳ hướng nào RobotBallbotcủa đại họcCarnegie Mellon University

có chiều cao và cân nặng xấp xỉ một người trưởng thành, và robot “BallIP”[45]của đại học Tohoku Gakuin

là những robot thuộc loại này Vì hình dạng và đặc tính linh động, loại robot này rất có tiềm năng hơn các loại robot khác trong môi trường cần sự liên kết với con người[46]

Robot hình cầu

Nhiều cố gắng để thực hiện 1 robot hình cầu Có hai cách, hoặc quay một vật nặng bên trong quả cầu, hoặc quay vỏ ngoài của quả cầu,[47][48] or by rotating the outer shells of the sphere.[49][50]

Robot 6 bánh xe Sử dụng 6 bánh xe sẽ tăng độ bám đường cũng như khả năng thao tác ở địa hình có nhiều

đá, sỏi hoặc cây cỏ um tùm hơn là chỉ sử dụng 4 bánh

xe như thông thường

Robot có bánh xích Rất thích hợp cho các công việc ngoài trời cũng như trong quân sự Tuy nhiên rất khó

sử dụng cho các công việc trong nhà đặc biệt là các công việc làm trên thảm hoặc sàn nhà láng Điển hình loại này là robot “Urbie” của NASA[51]

3.5.2 Robot biết đi

Để chế tạo robot biết đi, có rất nhiều khó khăn phải giải quyết Nhiều robot biết đi chắc chắn trên 2 chân

với đã được tạo ra, nhưng không robot nào có đủ sự

vững chắc như chân người Phòng thí nghiệm AMBER

ra đời năm 2008 bởi khoa cơ khí thuộc đại học Texas

A&M [52] là một trong nhiều cơ quan nghiên cứu về

dạng robot này Có nhiều dạng robot cũng có thể bước

đi, tuy nhiên lại có nhiều hơn 2 chân, vì chúng có độ

phức tạp ít hơn nhiều[53][54] Robot biết đi được chế tạo

để có thể làm việc trong mọi địa hình, tăng tính cơ động

và hiệu suất sử dụng năng lượng hơn các loại robot

khác Robot dạng lai cũng được đề xuất trên phim ảnh,

nhưRobot I,, sử dụng 2 chân để đi và chuyển sang sử

dụng 4 bánh xe có gắn trên chân để tăng tốc Hiện nay,

loại robot này là có thể đi bằng 2 chân trên nền phẳng

và đôi lúc cũng có thể bước đi trên cầu thang Chưa có

loại nào có thể bước đi trên bề mặt lởm chởm Có một

vài phương pháp cải tiến đã được đưa ra đó

Kỹ thuật ZMP

Zero Moment Point (ZMP) là thuật toán được sử dụng

trong robotASIMO củaHonda Máy tính điều khiển

trên robot sẽ cố gắng để giữ cho tổng sốlực quán tính,

chống lại chính xácphản lựccủa mặt đất(lực tác dụng

của sàn nhà tác dụng trở lại trên chân robot) Nhờ

đó, hai lực này triệt tiêu nhau, không tạo ramô men

(lực làm cho robot bị xoay và ngã) nào nữa.[55] Tuy

nhiên, điều này không phản ánh chính xác cách thức

con người bước đi, và sự khác biệt này dễ dàng ta thấy

được, một số người đã chỉ ra rằng ASIMO đi như thể nó

cầnnhà vệ sinhvậy.[56][57][58]uật toán đi của ASIMO

không ổn định, và một số cân bằng động được sử dụng

(xem bên dưới) Tuy nhiên, nó vẫn đòi hỏi một bề mặt

nhẵn để bước đi trên đó

Nhảy lò cò Một số robot được thiết kế vào những

năm 1980 bởiMarc Raibert tại phòng thí nghiệm về

chân thuộcMIT, trình diễn đi bộ rất linh hoạt Ban đầu,

một robot chỉ với một chân, và một chân rất nhỏ, có

thể đứng thẳng chỉ đơn giản bằng cáchnhảy Chuyển

động giống như một người đang đi trên một cây cà

kheo Khi robot rơi xuống một bên, nó sẽ nhảy một

chút theo hướng đó, để bắt kịp chính nó.[59]Ngay sau

đó, các thuật toán đã được tổng quát hóa với hai và

bốn chân Một robot hai chân đã có thể chạy được và

thậm chí cảnhào lộn.[60] Một robot bốn châncũng đã

được chứng minh có thểphi nước kiệu, chạy, tăng tốc,

và nhảy.[61]Để biết thêm danh sách, xin vào trangMIT

Leg Lab Robots

Cân bằng động học Một kỹ thuật tiên tiến hơn đó

là sử dụng thuật toán cân bằng động, ổn định hơn kỹ

thuật Zero Moment Point, do liên tục giám sát chuyển

động của robot, và vị trí đặt chân của robot.[62] Kỹ

thuật này gần đây đã được ứng dụng trong robot Dexter

củaAnybots,[63]chứng tỏ sự ổn định và thậm chí nó có thể nhảy.[64]Một ví dụ khác làTU Del Flame

Động năng thụ động

Có lẽ cách tiếp cận hứa hẹn nhất là sử dụngđộng năng thụ độngtừ lực sinh ra của sự lắc lư của cánh tay/chân, giúp đạt hiệu năng cao hơn Người ta đã chứng minh rằng cơ cấu hình người không được cung cấp năng lượng, chỉ sử dụng trọng lựccủa chính nó, có thể đi

bộ xuống dốc một cách nhẹ nhàng Nếu sử dụng kỹ thuật này, một robot chỉ cần cung cấp một lượng nhỏ năng lượng cho động cơ để bước đi trên bề mặt bằng phẳng hoặc có độ dốc thấp Điều này hứa hẹn sẽ tăng hiệu suất cho robot đi bộ lên ít nhất 10 lần so với kỹ thuật ZMP, như robot ASIMO.[65][66]

3.5.3 Những cách vận động khác

Two robot snakes Left one has 64 motors (with 2 degrees of freedom per segment), the right one 10.

Bay Mộtmáy bay chở kháchhiện đại thực chất là một robot bay, với hai người quản lý nó Nhữngmáy lái

tự độngcó thể điều khiển máy bay với từng giai đoạn của chuyến bay, trong đó có cất cánh, bay bình thường,

và thậm chí hạ cánh.[67]Các dạng robot bay khác không chở người, được gọi làmáy bay không người lái(UAV) Chúng có thể nhỏ hơn và nhẹ hơn do không cần có phi công, và dùng để bay vào các khu vực nguy hiểm để thực hiện các nhiệm vụ giám sát quân sự Một số thậm chí có thể bắn vào các mục tiêu theo lệnh của người điều khiển.UAVcũng đang được phát triển để có thể

tự động bắn vào các mục tiêu, mà không cần mệnh lệnh

từ người điều khiển Các dạng robot bay khác gồmtên lửa hành trình,Entomopter, vàrobot trực thăng mini Epson Các robot như Air Penguin, Air Ray, và Air Jelly

có thân nhẹ hơn không khí, đẩy bằng cánh giầm, và được lái bởi siêu âm

3.5 Vận động 7

Trườn giống rắn Một số robotrắnđã được phát triển

thành công Bắt chước cách thức di chuyển của rắn,

các robot có thể điều hướng trong những không gian

chật hẹp, do đó chúng có thể được sử dụng để tìm kiếm

người bị mắc kẹt trong các tòa nhà bị sập.[68]Robot rắn

ACM-R5 của Nhật[69]có thể di chuyển cả trên đất liền

và dưới nước.[70]

Trượt (patin) Một số ít robot trượt đã được phát

triển, một trong số đó là một thiết bị đa chế độ đi bộ và

trượt Nó có bốn chân, có bánh xe không truyền động,

có thể bước hoặc lăn.[71]Một robot khác là Plen, có thể

sử dụng một ván trượt mini hoặc giày trượt patin để

trượt trên một mặt bàn.[72]

Capuchin Climbing Robot

Trèo Một số phương pháp khác nhau đã được sử

dụng để phát triển các robot có khả năng leo trên bề

mặt thẳng đứng Một trong số đó là bắt chước chuyển

động của một con ngườitrèotrên một bức tường với

những chỗ lồi lõm, bằng cách điều chỉnh tâm của trọng

lực và di chuyển các chi Điển hình của loại robot này là

Capuchin,[73]được thiết kế bởi tiến sĩRuixiang Zhang

tại đại học Stanford, California Một cách khác nữa là

sử dụng các miếng pad để trèo lên các bức tường giống

nhưtắc kè, phương pháp này có thể giúp robot chạy

thoải mái trên các bề mặt trơn nhẵn như kính thủy

tinh Điển hình cho loại robot này là Wallbot[74] and

Stickybot.[75]Tờ “Nhật báo công nghệ" của Trung ốc

ngày 15 tháng 11 năm 2008 có đăng một mô hình của

công ty New Concept Aircra (ZHUHAI) Co., Ltd Tiến

sĩ Li Hiu Yeung và nhóm nghiên cứu của ông gần đây

đã phát triển thành công loại robot phỏng sinh học của

loài tắc kè tên là " Speedy Freelander " eo Tiến sĩ Li giới thiệu, robot tắc kè này có thể nhanh chóng leo lên

và xuống các bức tường xây dựng, các bức tường nằm ngang hay thẳng đứng hoặc đi lộn ngược trên trần nhà,

nó có thể đi trên kính mịn, các bức tường dính bụi hoặc

xù xì cũng như các bề mặt kim loại và cũng có thể tự động nhận biết được vật cản, chỗ tránh, chuyển động linh hoạt và thực tế Tính linh hoạt và tốc độ của nó được so sánh với loài tắc kè trong tự nhiên Cách tiếp cận thứ ba là bắt chước các chuyển động của một con rắn khi leo lên một cột trụ

Bơi eo tính toán, khibơimột số loại cá có thể đạt được hiệu suất lực đẩy lớn hơn 90%.[76]Ngoài ra, chúng

có thể tăng tốc và đổi hướng tốt hơn so với bất kỳ tàu hoặctàu ngầmnhân tạo nào, và tạo ra ít tiếng ồn và ít khuấy động nước nước hơn Vì vậy, nhiều nhà nghiên cứu nghiên cứu robot dưới nước muốn sao chép lại loại vận động này.[77] Điển hình loại này là robot Cá của đại học Essex,[78] và robot Tuna (cá ngừ) củaInstitute

of Field Robotics, dùng để phân tích và mô hình toán học hóa chuyển động của cá.[79]RobotAqua Penguin, được thiết kế và chế tạo bởi công ty Festo của Đức, sao chép hình dạng khí động học và “mái chèo” củachim cánh cụt Festo cũng đã chế tạo Aqua Ray và Aqua Jelly,

mô phỏng vận động của cá đuối, sứa

robot thuyền buồmVaimos

Buồm Robot thuyền buồm cũng đã được phát triển

để thực hiện các phép đo trên mặt biển, điển hình là

Vaimos[80]của công ty IFREMER và ENSTA-Bretagne

Do lực đẩy của robot thuyền buồm sử dụng là gió, năng lượng từ ắc qui chỉ được sử dụng cho máy tính, thông tin liên lạc và các thiết bị truyền động (để điều chỉnh bánh lái và cánh buồm) Nếu robot được trang bị các tấm pin năng lượng mặt trời, về mặt lý thuyết có thể điều hướng robot mãi mãi Hai cuộc thi chính của robot thuyền buồm là WRSC (World Robotic Sailing Championship) diễn ra hàng năm ở châu Âu vàSailbot

3.6 Tương tác và định hướng với môi

trường

RADAR, GPS, LIDAR, are all combined to provide proper

navigation and obstacle avoidance (vehicle developed for 2007

DARPA Urban Challenge)

Mặc dù phần lớn robot ngày nay hoặc được điều khiển

bởi con người, hoặc hoạt động trong một môi trường

tĩnh, sự quan tâm tới robot có thể hoạt động tự chủ

trong một môi trường động lại ngày càng tăng Những

robot này yêu cầu một số sự kết hợp của phần cứng

và phần mềm điều hướng để di chuyển môi trường

Trong các sự kiện bất khả kháng, đặc biệt (ví dụ như

người và chướng ngại vật khác mà không phải là cố

định) có thể gây ra các vấn đề hoặc va chạm Một số

robot tiên tiến nhưASIMO vàMeinü Robotcó phần

cứng và phần mềm điều hướng đặc biệt tốt Ngoài ra

còn có xe hơi tự động, xe hơi không người lái của

Ernst Dickmanns, và các loại xe khác trong cuộc đua

DARPA Grand Challenge, có khả năng cảm nhận được

môi trường tốt và sau đó đưa ra quyết định định hướng

dựa trên các thông tin này Hầu hết các robot sử dụng

một thiết bịGPSđể định hướng với điểm tọa độ, cùng

vớiradar, đôi khi kết hợp với các dữ liệu từ các bộ cảm

biến khác nhưLIDAR,camera, vàhệ thống dẫn đường

quán tínđể điều hướng tốt hơn giữa các điểm tọa độ

Nếu robot làm việc hiệu quả trong gia đình và các

môi trường phi công nghiệp khác, cách chúng được lập

trình để thực hiện công việc, và đặc biệt là làm thế nào

chúng được ra lệnh để dừng công việc lại sẽ là rất quan

trọng Những người tương tác với chúng có thể có ít

hoặc không có đào tạo về robot, và do đó giao diện

Kismet có thể biểu hiện nhiều nét mặt khác nhau

giao tiếp sẽ cần phải rất trực quan Các nhà văn khoa học viễn tưởng cũng thường cho rằng robot cuối cùng

sẽ có khả năng giao tiếp với con người thông qualời nói,cử chỉ, vànét mặt, chứ không phải là mộtgiao diện dòng lệnh Mặc dù lời nói là cách tự nhiên nhất để con người giao tiếp với nhau, nhưng nó lại không tự nhiên cho robot Cần phải có một thời gian dài trước khi robot

có thể tương tác như tự nhiên như robot hư cấuC-3PO

3.7.1 Nhận dạng giọng nói

Để hiểu được ý nghĩa cácâm thanhtừ tiếng nói của con người theothời gian thực, là một nhiệm vụ khó khăn đối với một máy tính, chủ yếu là do sự biến đổi lớn của lời nói, giọng điệu.[81]Cùng một từ, được nói bởi cùng một người có thể có âm thanh khác nhau tùy thuộc vào

độ vangdo không gian xung quanh,âm lượng, trạng thái sức khỏe, cảm xúc của ngươi nói, vv Việc nhận biết lời nói càng khó khăn hơn khi gặp một người khác nói tiếng địa phương với âm điệu riêng.[82]Tuy nhiên, những bước tiến lớn đã được thực hiện trong lĩnh vực này kể từ khi Davis, Biddulph, và Balashek thiết kế “hệ thống nhập lệnh bằng tiếng nói” đầu tiên có thể nhận dạng được “mười chữ số được nói bởi một người dùng duy nhất với độ chính xác 100%" vào năm 1952.[83]Hiện nay, hệ thống tốt nhất có thể nhận dạng được liên tục, lời nói tự nhiên, lên đến 160 từ mỗi phút, với độ chính xác 95%.[84]

3.7.2 Giọng nói robot

Một khó khăn khác tồn tại là tạo giọng nói cho robot

để tương tác với con người Để giao tiếp xã hội,giọng

nói tổng hợp được chứng minh là một phương tiện

giao tiếp tối ưu,[85]cần phải phát triển các yếu tố cảm

xúc cho giọng nói robot thông qua các kỹ thuật khác

nhau.[86][87]

3.7.3 Cử chỉ

Chúng ta có thể tưởng tượng, trong tương lai một robot

đầu bếp có thể làm ra một chiếc bánh ngọt, hoặc hỏi

đường từ một sĩ quan cảnh sát robot Trong cả hai

trường hợp, cử chỉ của tay chân sẽ hỗ trợ cho các mô

tả bằng lời nói Trong trường hợp đầu tiên, các robot

sẽ nhận lệnh từ những cử chỉ được thực hiện bởi con

người, và có thể lặp lại để xác nhận Trong trường hợp

thứ hai, các sĩ quan cảnh sát robot sẽ thực hiện các cử

chỉ để hướng dẫn “xuống đường, sau đó rẽ phải” Có thể

cử chỉ sẽ một phần trong sự tương tác giữa con người và

robot.[88]Rất nhiều các hệ thống đã được phát triển để

nhận dạng được những cử chỉ từ bàn tay con người.[89]

3.7.4 Biểu hiện cảm xúc trên gương mặt

Nét mặt có thể cung cấp thông tin phản hồi nhanh

chóng trong quá trình đối thoại giữa hai người với

nhau, và có thể sớm trở thành điều tương tự đối với con

người và robot Khuôn mặt robot đã được phát triển bởi

Hanson Roboticsbằng cách sử dụng một loại polymer

đàn hồi được gọi là Frubber, cho phép biểu thị một số

lượng lớn các nét mặt nhờ tính đàn hồi của lớp cao su

trên mặt và các động cơ servo gắn dưới mặt.[90] Lớp

phủ và servo motor được gắn trên một hộp sọ kim loại

Robot nên biết cách làm sao để tiếp cận với một người

bằng cách đánh giá nét mặt vàđiệu bộcủa người đó

Xem người đó đang hạnh phúc, sợ hãi, hay giận dữ, sẽ

ảnh hưởng đến cách thức giao tiếp của robot Tương tự

như vậy, các robot như Kismet và gần đây, Nexi[91]có

thể biểu lộ một loạt các nét mặt, giúp nó có thể giao

tiếp thực sự với con người.[92]

3.7.5 Cảm xúc nhân tạo

Cảm xúc nhân tạo cũng có thể được tạo ra, bao gồm một

chuỗi các biểu hiện khuôn mặt và/hoặc cử chỉ Giống

trong phimFinal Fantasy: e Spirits Within, việc lập

trình cảm xúc nhân tạo rất phức tạp và đòi hỏi một số

lượng lớn các quan sát của con người Để đơn giản hóa

chương trình này trong bộ phim, các cài đặt trước đã

được tạo ra cùng với một chương trình phần mềm đặc

biệt Điều này làm giảm lượng thời gian cần thiết để

thực hiện bộ phim Những cài đặt trước này có thể có thể được chuyển giao để sử dụng cho robot thực tế

3.7.6 Tính cách

Nhiều robot trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng có mộtcá tínhriêng, điều có thể hoặc không mong muốn trong các robot thương mại tương lai.[93]Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đang cố gắng tạo ra các robot có cá tính:[94][95] tức là họ sử dụng âm thanh, nét mặt và cử chỉ để cố gắng truyền đạt một trạng thái nội tâm, có thể

là vui, buồn, hay sợ hãi Một ví dụ thương mại làPleo, một robot khủng long đồ chơi, có thể thể hiện nhiều cảm xúc rõ ràng.[96]

4 Điều khiển

Puppet Magnus, một con rối robot thao tác với hệ thống điều khiển phức tạp

Các cấu trúccơ khícủa một robot phải được điều khiển

để thực hiện nhiệm vụ của chúng á trình điều khiển một robot bao gồm ba giai đoạn - thu thập dữ liệu từ cảm biến, xử lý, ra lệnh thực hiện Cáccảm biếncung cấp thông tin về môi trường hoặc các trong nội bộ robot (ví dụ như vị trí của các khớp hoặc cơ cấu chấp hành đầu cuối) Những thông tin này sau đó được xử lý để tính toán các tín hiệu điều khiển phù hợp với thiết bị chấp hành để di chuyển các bộ phận cơ khí

Giai đoạn xử lý có độ phức tạp khác nhau Ở mức độ

phản ứng, các thông tin cảm biến thô sẽ được chuyển

thành tín hiệu điều khiển trực tiếp ra thiết bị chấp hành

Bộ tổng hợp cảm biếntrước tiên được sử dụng để ước

tính các thông số có liên quan (ví dụ vị trí tay gắp của

robot) từ dữ liệu cảm biến Một tác vụ tức thời (như di

chuyển tay gắp theo một hướng nhất định) được suy ra

từ những tính toán này Các kỹ thuật từlý thuyết điều

khiểnsẽ chuyển đổi tác vụ này thành các lệnh đưa đi

điều khiển các thiết bị chấp hành

Ở quy mô thời gian dài hơn hoặc với nhiệm vụ phức

tạp hơn, các robot có thể cần phải được trang bị một

mô hình “nhận thức” Mô hình nhận thức biểu thị cho

cách thức robot tương tác với thực tại Các nhận dạng

mẫu và thị giác máy tính có thể được sử dụng để theo

dõi các đối tượng Kỹ thuật lập bản đồ có thể được sử

dụng để xây dựng bản đồ thực tế Cuối cùng, cách thức

chuyển động và các kỹ thuậttrí tuệ nhân tạocó thể

được sử dụng để tìm ra cách để thực thi Ví dụ, một

robot có thể tìm ra cách để hoàn thành một nhiệm vụ

mà không va chạm với chướng ngại vật, hoặc bị ngã…

TOPIO, robot người máy, chơi bóng bàn tại Tokyo IREX

2009 [97]

Các hệ thống điều khiển có mức độ độc lập khác nhau

1 Tương tác trực tiếp được sử dụng cho các thiết bị

điều khiển bằng tay qua dây hoặc từ xa, con người

có quyền điều khiển gần như hoàn toàn chuyển

động của robot

2 Chế độ hỗ trợ từ nhân viên vận hành, nhân viên

vận hành ra lệnh robot thực hiện các công việc ở

mức bình đến cao cấp, các robot tự động tìm ra

cách để hoàn thành mệnh lệnh

3 Robot tự hành có thể di chuyển trong thời gian dài

mà không cần sự tương tác của con người Cấp độ

cao hơn của tự chủ không nhất thiết đòi hỏi khả

năng nhận thức phức tạp hơn Ví dụ, robot trong

nhà máy lắp ráp là hoàn toàn độc lập, nhưng hoạt

động trong một mẫu hình cố định

Một phân loại khác có tính đến sự tương tác giữa người điều khiển và các chuyển động của máy móc

1 ao tác từ xa Người vận hành điều khiển từng động tác một, mỗi thay đổi của máy được xác định bởi các người vận hành

2 Giám sát Người vận hành xác định cách di chuyển hoặc các thay đổi vị trí và máy tự xác định cách thức di chuyển của bộ phận chấp hành

3 Tự chủ về công việc Nhân viên vận hành chỉ xác định nhiệm vụ và các robot tự mình hoàn thành nhiệm vụ

4 Hoàn toàn tự chủ Máy sẽ tạo ra và hoàn thành tất

cả nhiệm vụ của mình mà không cần sự tương tác của con người

5 Nghiên cứu về robot

Có nhiều nghiên cứu về robot không tập trung vào các công việc nào cụ thể trong công nghiệp Hướng nghiên cứu mới tập trung vào các cách thức ứng dụng mới của robot, cũng như cách chế tạo chúng, chẳng hạn như dự

áncyberfloracủaMIT, hầu như mới chỉ nằm trên mặt hàn lâm

Sự đổi mới đầu tiên trong thiết kế robot là các dự án robot mã nguồn mỡ Để mô tả mức độ cải tiến của một robot, người ta dùng thuật ngữ “thế hệ Robot” uật ngữ này được đặt ra bởi Giáo sưHans Moravec, nhà khoa học nghiên cứu chính tại Học viện Robot học thuộcĐại học Carnegie Mellontrong các nghiên cứu

mô tả sự phát triển trong tương lai gần của công nghệ

robot Các robot đời đầu, Moravec dự đoán trong năm

1997, cần phải có khả năng trí tuệ có thể so sánh với một conthằn lằnvà sẽ thành thực tế vào năm 2010 Vì robot thế hệ đầu không có khả nănghọc tập, nhưng,

Moravec dự đoán rằng, robot thế hệ thứ hai sẽ được cải

tiến và thành công vào năm 2020, trí thông minh có thể được so sánh với một con chuột ế hệ thứ 3 sẽ

có trí thông minh giống con người, giáo sư Moravec

dự đoán, sẽ hoàn toàn có thể trở thành sự thực, ông không dự đoán điều này sẽ xảy ra trong vòng từ 2040 đến 2050.[98]

ứ hai là sự tiến hóa của Robot Đây là mộtphương phápsử dụngthuật toán tiến hóađể giúp thiết kế robot, đặc biệt là hình dáng cơ thể, hoặc chuyển động và các

bộ điều khiểnhành vi Trong một cách tương tự như tiến hóatự nhiên, một lượng lớn robot được phép cạnh tranh theo một cách hoặc khả năng nào đó, để thực hiện một nhiệm vụ và được đánh giá bằng cách sử dụng chức năng huấn luyện Những robot dở nhất được loại bỏ, và được thay thế bằng một robot mới có hành vi mới dựa trên các đặc điểm của robot thắng cuộc eo thời gian