Từ những bước đi đầu tiên trong phòng thí nghiệm, Humanoid Robot đang nhanh chóng tiến gần hơn đến các ứng dụng thực tế. Sự kết hợp giữa AI, cảm biến, bộ truyền động và công nghệ điều khiển đang giúp robot ngày càng linh hoạt và có khả năng thực hiện những nhiệm vụ phức tạp. 

Humanoid Robot là gì?

Robot hình người (Humanoid Robot) là một loại robot có hình dáng tương tự cơ thể con người. Thiết kế của robot hình người có thể hướng đến nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn như tương tác với các công cụ và môi trường dành cho con người, làm việc cùng con người; phục vụ mục đích nghiên cứu, ví dụ như nghiên cứu về khả năng di chuyển bằng hai chân (bipedal locomotion); hoặc phục vụ các mục đích khác.

Nhìn chung, Humanoid Robot được đặc trưng bởi thiết kế mô phỏng hình thái con người, bao gồm thân, đầu, hai tay và hai chân. Một số robot hình người có thể chỉ mô phỏng một phần cơ thể con người, tức chỉ bao gồm một số thành phần nêu trên.

Các ứng dụng của Humanoid Robot

Y tế và nghiên cứu

Humanoid Robot là một nguồn lực có giá trị trong lĩnh vực y tế và công nghệ sinh học, cũng như các lĩnh vực nghiên cứu khác như cơ sinh học, khoa học nhận thức. Humanoid Robot đang được sử dụng để phát triển các loại thiết bị chân tay nhân tạo dành cho những người khuyết tật về thể chất, chẳng hạn như người bị mất chi. 

Giải trí

Humanoid Robot đã xuất hiện từ lâu trong lĩnh vực giải trí và các tác phẩm hư cấu, từ những nhân vật trong thần thoại như Prometheus cho đến các nhân vật máy móc trong những cỗ máy tự động thời kỳ đầu và các bộ phim khoa học viễn tưởng. Trong các công viên giải trí hiện nay, những cỗ máy hình người được sử dụng rộng rãi dưới dạng animatronics tinh vi, có khả năng mô phỏng chuyển động, biểu cảm khuôn mặt và giọng nói của con người.

Các nhóm nghiên cứu tại Walt Disney Imagineering đã phát triển “stuntronics” – những phiên bản diễn viên đóng thế hình người có khả năng bay tự do, sử dụng hệ thống cảm biến và điều khiển tích hợp để thực hiện các động tác nhào lộn trên không và tạo dáng trong các chương trình biểu diễn trực tiếp. Nhờ đó, những nhân vật như siêu anh hùng có thể thực hiện các màn trình diễn nguy hiểm mà diễn viên con người khó có thể thực hiện. 

Trình diễn công nghệ

Mặc dù nhiều ứng dụng thực tế của Humanoid Robot vẫn chưa được khai thác, mục đích sử dụng chủ yếu của chúng hiện nay là trình diễn các công nghệ mới và đang phát triển. Những Humanoid Robot hiện đại như Honda Asimo được giới thiệu trước công chúng nhằm thể hiện những tiến bộ mới về khả năng vận động, chẳng hạn như đi bộ, leo trèo và chơi nhạc cụ.

Cảm biến trong Humanoid Robot

Trong robot học, cảm biến là một trong ba thành phần nền tảng, bên cạnh lập kế hoạch và điều khiển, đóng vai trò quan trọng trong việc giúp robot nhận biết và tương tác với thế giới xung quanh.

Dựa trên loại thông tin đo được, cảm biến trong Humanoid Robot có thể chia thành hai nhóm chính:

Cảm biến cảm nhận bản thể (Proprioceptive)

Nhóm cảm biến này giúp Humanoid Robot xác định vị trí, hướng, tốc độ của cơ thể và các khớp, cùng nhiều thông số bên trong khác. Một số loại phổ biến gồm cảm biến gia tốc để đo gia tốc và tính toán vận tốc, cảm biến nghiêng để xác định độ nghiêng, cảm biến lực tại tay và chân để đo lực tiếp xúc với môi trường, cảm biến vị trí để xác định vị trí thực tế của robot và cảm biến tốc độ.

Cảm biến cảm nhận ngoại sinh (Exteroceptive)

Nhóm này giúp Humanoid Robot nhận biết các tác động và thông tin từ môi trường bên ngoài. Cảm biến xúc giác cung cấp dữ liệu về vật thể robot đang chạm vào, đồng thời đo lực và mô-men xoắn trong quá trình tương tác. Thị giác máy tính (Computer Vision) giúp robot nhận dạng vật thể và xác định đặc tính của chúng thông qua camera. Bên cạnh đó, cảm biến âm thanh và micro cho phép robot nhận biết lời nói cũng như âm thanh từ môi trường xung quanh.

Bộ truyền động của Humanoid Robot

Bộ truyền động là các cơ cấu tạo ra chuyển động cho Humanoid Robot, hoạt động tương tự cơ bắp và khớp của con người. Chúng gồm 3 loại chính: điện, thủy lực và khí nén.

• Điện: Phổ biến nhất nhờ kích thước nhỏ gọn. Một khớp có thể sử dụng nhiều bộ truyền động để đạt đủ công suất. Xu hướng hiện nay là mô-đun khớp tích hợp động cơ không chổi than mô-men xoắn cao với bộ truyền động sóng biến dạng, giúp tăng mật độ công suất.
• Thủy lực: Có công suất cao và khả năng kiểm soát mô-men xoắn tốt, nhưng kích thước lớn và cồng kềnh hơn. ATLAS của Boston Dynamics là một ví dụ tiêu biểu.
• Khí nén: Hoạt động dựa trên tính nén của khí: bơm khí để giãn, xả khí để co, tạo chuyển động tuyến tính. Cơ nhân tạo MacKibben là một ví dụ phổ biến.

Cách lập kế hoạch và điều khiển 

Planning xác định chuyển động và quỹ đạo để Humanoid Robot thực hiện, còn Control đảm nhiệm việc thực thi các chuyển động đó.

Do Humanoid Robot phải di chuyển bằng hai chân và tương tác với môi trường thực tế, hệ thống cần đảm bảo khả năng giữ thăng bằng, lập kế hoạch đường đi, phát hiện va chạm và tránh chướng ngại vật. Trong đó, Zero Moment Point (ZMP) là một khái niệm quan trọng để duy trì sự ổn định khi robot bước đi.

Ngoài ra, Whole-body control giúp phối hợp nhiều bậc tự do, cho phép robot thực hiện đồng thời nhiều chuyển động và nhiệm vụ phức tạp.

Các kỹ thuật đào tạo Humanoid Robot

Ba kỹ thuật đào tạo Humanoid Robot nổi bật gồm:

• Machine Learning: Robot phân tích dữ liệu và thông tin từ cảm biến để học từ các hành động trước đó, từ đó đưa ra quyết định theo thời gian thực.
• Imitation Learning: Robot học bằng cách mô phỏng chuyển động của con người. Camera hoặc cảm biến ghi nhận hành động, sau đó chuyển thành lệnh để robot tái hiện.
• Reinforcement Learning: Robot học thông qua thử và sai, được “thưởng” khi thực hiện đúng và “phạt” khi thực hiện sai, từ đó dần cải thiện hiệu suất.

An toàn chức năng trong Humanoid Robot 

Để Humanoid Robot có thể hoạt động an toàn và làm việc cùng con người, cần kết hợp nhiều lớp an toàn:

• An toàn chức năng: Đảm bảo phần cứng và phần mềm hoạt động ổn định, hạn chế nguy cơ gây hại.
• An toàn robot: Hỗ trợ các chức năng dừng khẩn cấp và dừng bảo vệ để phòng ngừa tai nạn.
• An toàn cộng tác người – máy: Giúp robot nhận biết và phản ứng phù hợp trước sự hiện diện, hành động của con người.
• An toàn cảm biến: Kiểm tra, xác thực độ chính xác của cảm biến để robot nhận biết chính xác môi trường.
• An toàn AI: Đảm bảo thuật toán AI hạn chế hiểu sai tình huống và phát sinh rủi ro mới.

Các tiêu chuẩn như IEC 61508, ISO 13849 và ANSI/RIA R15.606 đang hỗ trợ an toàn chức năng và an toàn robot. Đồng thời, các tiêu chuẩn mới như ISO/IEC TS 22440 và những nghiên cứu của IEEE đang hướng đến việc xây dựng khung tiêu chuẩn an toàn chuyên biệt cho Humanoid Robot.

Lợi ích của Humanoid Robot

Mục tiêu của Humanoid Robot là hoạt động hiệu quả trong những môi trường được thiết kế cho con người, giúp doanh nghiệp tự động hóa mà không cần cải tạo lại không gian. Công nghệ này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi tại kho hàng, trung tâm phân phối, cửa hàng bán lẻ, cơ sở y tế và nhiều lĩnh vực khác.

• Tương tác người – robot: Thiết kế mô phỏng cơ thể con người giúp robot có thể làm việc và phối hợp cùng con người trong nhiều nhiệm vụ.
• Linh hoạt và thích ứng: Có thể tận dụng công cụ và cơ sở hạ tầng vốn được thiết kế cho con người.
• Nâng cao năng suất: Hỗ trợ thực hiện các công việc lặp lại ngay trong cùng môi trường với người lao động.
• Tăng cường an toàn: Có thể đảm nhận các công việc nguy hiểm hoặc làm việc tại những khu vực có rủi ro cao, góp phần giảm tai nạn lao động và hạn chế con người phải tiếp xúc với môi trường nguy hiểm.

Bước tiến mới của tự động hóa

Từ cảm biến, bộ truyền động, khả năng lập kế hoạch và điều khiển đến các công nghệ Machine Learning, Imitation Learning và Reinforcement Learning, Humanoid Robot đang ngày càng hoàn thiện về khả năng cảm nhận, di chuyển và tương tác với môi trường.

Không dừng lại ở nghiên cứu hay trình diễn công nghệ, Humanoid Robot đang mở ra tiềm năng tự động hóa những công việc vốn được thiết kế cho con người, từ sản xuất, logistics đến y tế và các môi trường nguy hiểm. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, Humanoid Robot được kỳ vọng sẽ trở thành một thành phần quan trọng trong hệ sinh thái tự động hóa thế hệ mới.