Làm chủ tương lai: Khám phá sâu hơn về robot hình người

Giới thiệu

Robot hình người - những cỗ máy được thiết kế mô phỏng cơ thể người - không còn chỉ giới hạn trong khoa học viễn tưởng. Ngày nay, chúng hứa hẹn những ứng dụng mang tính đột phá trong lĩnh vực hậu cần, chăm sóc, sản xuất và tương tác xã hội. Bài viết này sẽ phân tích kiến ​​thức nền tảng về robot hình người, dựa trên khuôn khổ giáo dục thực hành mô phỏng theo chương trình Humanoid Robotics Masterclass của The Construct. Dù bạn là sinh viên, người đam mê hay kỹ sư tương lai, hướng dẫn này sẽ giúp bạn hiểu rõ cách những cỗ máy đa năng này được thiết kế, chế tạo, điều khiển và triển khai trong thế giới thực.

Tại sao lại là robot hình người?

Có những lý do thuyết phục tại sao robot hình người lại tạo ra nhiều sự phấn khích đến vậy:

• Hình dạng thân thiện với con người : Bằng cách mô phỏng cơ thể con người—hai tay, hai chân, thân và đầu—chúng có thể di chuyển trong môi trường một cách liền mạch và sử dụng các công cụ được thiết kế cho con người.
• Tính linh hoạt : Là những người có khả năng tổng quát, người máy phù hợp với nhiều nhiệm vụ khác nhau—từ thao tác phức tạp đến tương tác xã hội—so với các robot chuyên dụng như cánh tay hoặc bệ có bánh xe.
• Sự chấp nhận về mặt xã hội : Hình dạng giống con người của chúng giúp chúng dễ dàng giao tiếp và tin tưởng, khiến chúng trở nên lý tưởng để hỗ trợ trong các vai trò chăm sóc sức khỏe, giáo dục hoặc tiếp xúc với khách hàng.

Đáng chú ý, các công ty lớn như Agility Robotics (với Digit), Boston Dynamics (với Atlas), Tesla (Optimus) và các công ty khác đang mở rộng ranh giới về những gì người máy có thể đạt được.

Lộ trình giáo dục: Xây dựng lớp học chuyên sâu về robot hình người

Lấy cảm hứng từ chương trình có cấu trúc của The Construct , lộ trình học tập về robot hình người trải dài qua sáu giai đoạn cốt lõi:

Giai đoạn 1: Thiết kế và mô phỏng cơ khí (1 tháng)

• Các khái niệm được đề cập :
  • Động học & Động lực học : Hiểu về chuyển động của khớp, cấu hình cơ thể và cách lực và mô-men xoắn tương tác trong hình dạng người.
  • Mô hình hóa CAD và lựa chọn vật liệu : Thiết kế các thành phần robot có tính toàn vẹn về mặt cấu trúc.
  • ROS 2 & Công cụ mô phỏng : Tìm hiểu về hệ điều hành robot (ROS) và mô phỏng robot trong môi trường kỹ thuật số.
  • Phân tích cấu trúc : Đảm bảo thiết kế chịu được tải trọng và ứng suất.

Điều này thiết lập nền tảng vững chắc về hình thức và chức năng của robot, nhấn mạnh cả lý thuyết và thử nghiệm ảo.

Giai đoạn 2: Điện tử của Robot hình người (1 tháng)

• Kỹ năng chính :
  • Bộ truyền động & Động cơ : Hiểu cách các thành phần điện, thủy lực hoặc khí nén truyền động chuyển động.
  • Vi điều khiển/Máy tính bảng đơn : Quản lý tính toán và điều khiển.
  • PWM, Cảm biến, Hệ thống dây điện, Pin : Xây dựng hệ thống điện tử mạnh mẽ cho hiệu suất thời gian thực.
  • Thiết kế PCB và phân phối điện : Đảm bảo độ tin cậy và an toàn trong phần cứng.

Giai đoạn này kết nối các khái niệm cơ học với hệ thống điện giúp robot hoạt động.

Giai đoạn 3: Hệ thống điều khiển (1,5 tháng)

• Kỹ thuật kiểm soát :
  • Hệ thống tuyến tính, PID, Không gian trạng thái : Những nguyên tắc cơ bản của việc điều khiển chuyển động của rô-bốt.
  • Điều khiển phi tuyến tính : Động lực học ngược, mô men xoắn tính toán, điều khiển trở kháng/độ dẫn, điều khiển dự đoán mô hình và điều khiển thích ứng.
  • Kiểm soát dành riêng cho người : Cân bằng, tư thế (đặc biệt là Điểm mô men bằng không, ZMP), lập kế hoạch dáng đi, kiểm soát toàn bộ cơ thể, giải quyết tình trạng dư thừa.

Việc nắm vững các khái niệm này cho phép di chuyển chính xác, thích ứng và ổn định - chìa khóa cho robot đi bằng hai chân ; và ZMP đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định động.

Giai đoạn 4: Xây dựng và sửa đổi hình người của riêng bạn (1 tháng)

• Hoạt động thực hành :
  • Lắp ráp một robot hình người (thường là bộ dụng cụ Robot Poppy được cung cấp).
  • Thiết lập máy tính trên bo mạch.
  • Phát triển kế hoạch chuyển động và chiến lược đi bộ.
  • Thực hiện tạo quỹ đạo, điều khiển ZMP, điều khiển toàn thân.
  • Sửa đổi hoặc tùy chỉnh phần cứng dựa trên yêu cầu về hiệu suất.

Giai đoạn này chuyển đổi người học từ lý thuyết sang thực hành.

Giai đoạn 5: Hệ thống thuật toán AI (1,5 tháng)

• Tích hợp AI :
  • Điều hướng trực quan và nhận dạng vật thể để cảm nhận môi trường xung quanh.
  • Cây hành vi để xây dựng cấu trúc cho quá trình ra quyết định tự động.
  • Ứng dụng robot hình người hoàn chỉnh kết hợp nhận thức và hành động.

Mục đích là cung cấp cho robot hình người khả năng tự chủ thực sự trong môi trường không có cấu trúc.

Giai đoạn 6: Dự án cuối cùng (1 tháng)

• Trải nghiệm Capstone :
  • Lập trình một robot hình người (ví dụ: Poppy) để hoạt động trong bối cảnh giống như căng tin.
  • Thể hiện các năng lực toàn diện: nhận thức, định hướng, kiểm soát chuyển động, sắp xếp hành vi.

Điều này tổng hợp toàn bộ quá trình học tập thành một ứng dụng thống nhất.

---

Công cụ & Nền tảng: Kết nối thế giới ảo và thế giới thực

Bộ robot Poppy

Một tài sản quan trọng trong lĩnh vực robot hình người giáo dục; học sinh có thể chế tạo một robot hình người quy mô nhỏ, mã nguồn mở. Sản phẩm lý tưởng để thực hành lắp ráp cơ khí, lập trình và thử nghiệm.

Truy cập từ xa vào Unitree G1

Thông qua mô phỏng và phòng thí nghiệm từ xa, người học có thể lập trình robot hình người ngoài đời thực như Unitree G1. Mối liên hệ giữa robot kỹ thuật số và robot vật lý này rất hữu ích cho việc học quy trình làm việc Sim2Real.

Khả năng tiếp cận trong Robot hình người

Những nỗ lực gần đây đang làm cho sự phát triển của người máy trở nên cởi mở và dễ tiếp cận hơn:

• Berkeley Humanoid Lite : Nền tảng hình người có thể in 3D, giá dưới 5.000 đô la với phần cứng và phần mềm mở, tận dụng công nghệ học tăng cường cho chuyển động—chìa khóa để giúp nghiên cứu hình người toàn diện hơn.
• pyCub : Trình mô phỏng dựa trên Python dành cho robot hình người iCub, cho phép người học có ít kinh nghiệm lập trình tham gia vào các bài tập điều khiển—từ chuyển động cơ bản đến nhìn và nắm—tất cả trong một môi trường dễ tiếp cận.

Những công cụ này giúp phổ cập robot hình người, cho phép người học trên toàn thế giới tham gia rộng rãi hơn.

Ví dụ thực tế về người máy tiên tiến

• Atlas (Boston Dynamics + TRI) : Hiện nay sử dụng Mô hình hành vi lớn thống nhất kết hợp dữ liệu đầu vào của cảm biến, thị giác và lời nhắc ngôn ngữ để thực hiện chuyển động và thao tác với vật thể—bao gồm các hành vi mới nổi như thu hồi vật thể.
• Triển khai trong ngành : Agility Robotics đang đưa robot hình người vào các nhà kho và dây chuyền lắp ráp; Tesla, Amazon, Meta, Google đều đang đầu tư vào phát triển robot hình người. Bất chấp những hứa hẹn, vẫn còn nhiều lo ngại về tính an toàn, sự khéo léo và việc phụ thuộc vào điều khiển từ xa.
• Tích hợp công nghiệp (Tesla Optimus) : Nghiên cứu cho thấy người máy cuối cùng có thể phục vụ trong sản xuất, tăng cường các hệ thống tự động hóa tinh gọn đồng thời đặt ra câu hỏi về an toàn, ROI và hợp tác với công nhân.

Tổng hợp tất cả: Bản thiết kế học tập toàn diện

Sau đây là lộ trình giáo dục tổng hợp, có cấu trúc—lý tưởng cho Trung tâm nghiên cứu hoặc cổng thông tin học tập nội bộ:

1. Tổ chức Robot hình người

• Định nghĩa về người máy và những đặc điểm riêng biệt của chúng.
• Khám phá các loại bộ truyền động (điện, thủy lực, khí nén) và ZMP để cân bằng.

2. Thiết kế và mô phỏng cơ khí

• Xây dựng sự hiểu biết về động học/động lực học.
• Học CAD, lựa chọn vật liệu, phân tích cấu trúc.
• Sử dụng ROS 2 và các công cụ mô phỏng.

3. Điện tử & Hệ thống nhúng

• Tìm hiểu sâu về động cơ, cảm biến, bộ điều khiển, hệ thống điện, thiết kế PCB.

4. Lý thuyết điều khiển cho robot

• Nghiên cứu điều khiển tuyến tính/phi tuyến tính, PID, mô hình điều khiển dự đoán.
• Áp dụng các khái niệm đặc trưng của người: dáng đi, thăng bằng, kiểm soát toàn bộ cơ thể.

5. Tạo mẫu và lắp ráp

• Sử dụng bộ dụng cụ Poppy để xây dựng và lập trình.
• Truy cập từ xa vào Unitree G1 để thực hành thực tế.

6. AI và Tự động hóa

• Phát triển cây thị giác, nhận thức và hành vi.
• Tích hợp cảm biến đa phương thức để tự động hóa.

7. Dự án Capstone

• Nhiệm vụ thực tế: điều hướng, thao tác, ứng xử trong môi trường cụ thể (ví dụ: căng tin).

8. Nghiên cứu & Đổi mới

• Khám phá các nền tảng mở: Berkeley Humanoid Lite, pyCub.
• Luôn cập nhật những đổi mới của ngành (Atlas, Agility, Optimus).

9. Đạo đức và ý nghĩa xã hội

• Xử lý các vấn đề về an toàn, tin cậy, tự chủ, di dời, tương tác giữa người và robot.

---

Suy nghĩ cuối cùng

Robot hình người nằm ở giao điểm của cơ học, điện tử, hệ thống điều khiển, trí tuệ nhân tạo (AI) và các yếu tố con người. Một lộ trình học tập có cấu trúc — như mô hình Masterclass sáu giai đoạn — vừa cung cấp sự rõ ràng về mặt khái niệm vừa mang tính thực tiễn, giúp người học chuyển đổi từ những người quan sát tò mò thành những kỹ sư hình người tài năng.

Cho dù bạn đang tự xây dựng bot Poppy, điều hướng ROS và mô phỏng, hay tiếp cận các thiết bị cao cấp như Unitree G1, việc kết hợp lý thuyết và thực hành là điều cần thiết. Các nền tảng nguồn mở như Berkeley Humanoid Lite và pyCub tiếp tục mở rộng cơ hội bằng cách giúp robot tiên tiến dễ tiếp cận, giá cả phải chăng và minh bạch hơn.

Khi robot hình người ngày càng tiến bộ, được hỗ trợ bởi các mô hình AI thống nhất và nguồn đầu tư ngày càng tăng, chúng hứa hẹn sẽ đảm nhận những vai trò trước đây chỉ có trong khoa học viễn tưởng. Thông qua việc học tập và nghiên cứu thực tế, có chủ đích, người học ngày nay có thể định hình tương lai của robot hình người.