Người máy (hay Rô bốt,tiếng Anh Robot) là cỗ máy đặc biệt được lập trình bởi một máy tính, có khả năng thực hiện chuỗi các hành động phức tạp một cách tự động.

Khoa học người máy

Khoa học người máy (robotics) chính là ngành khoa học về rô bốt. Đây là một mảng kỹ thuật bao hàm các khái niệm, thiết kế, chế tạo và vận hành rô bốt. Lĩnh vực này chính là phần xếp chồng của ngành khoa học máy tính, cơ khí, các thiết bị điện tử, trí tuệ nhân tạo, công nghệ nano, công nghệ sinh học, v.v. Mục tiêu của khoa học người máy chính là tạo ra những rô bốt thông minh giúp đỡ hỗ trợ con người trong cuộc sống hàng ngày và giữ cho mọi người được an toàn.

Trong định nghĩa về rô bốt ở trên có đề cập hai vấn đề chính: tự động thực hiện các hành động phức tạp (carrying out actions automatically) và được lập trình bởi một máy tính (programmable by a computer).

Tự động thực hiện các hành động phức tạp: Đây chính là chìa khóa trong khoa học người máy, tuy nhiên nó cũng xuất hiện trong các máy đơn giản hơn (hay còn gọi là máy tự động automata). Sự khác biệt giữa rô bốt và máy tự động đơn giản (ví dụ như máy rửa bát) chính là định nghĩa của “chuỗi các hành động phức tạp” là gì? Máy giặt quần áo có gồm chuỗi các hành động phức tạp hay không? Máy bay đang lái tự động có gồm chuỗi các hành động phức tạp? Đối với các tác vụ này, có những cỗ máy nằm ở ranh giới giữa rô bốt và máy tự động automata.

Lập trình bởi một máy tính: Đây cũng là một chìa khóa khác của rô bốt bởi máy tự động cũng được lập trình một cách máy móc và không thực sự phức tạp. Mặt khác, máy tính tìm thấy khắp mọi nơi nên thực sự khó sử dụng tiêu chuẩn này để phân biệt rô bốt và các máy móc khác.

Trong tài liệu khác, định nghĩa về rô bốt cụ thể hơn như sau: một cơ cấu rô bốt (robot mechanism) bao gồm các phần vật thể rắn (rigid bodies hay còn gọi là khâu -links) kết nối với nhau bởi các loại khớp khác nhau. Cơ cấu chấp hành (actuator), ví dụ như động cơ điện, cung cấp lực hoặc mô men xoắn tới các khớp để các khâu của rô bốt dịch chuyển thực hiện nhiệm vụ đặt ra [2]. Nói cách khác, rô bốt là thiết bị cơ điện với nhiều bậc tự do (degree of freedom -DOF), lập trình được để đạt được các nhiệm vụ đa dạng. Rô bốt có thể được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài hoặc bộ điều khiển nhúng bên trong rô bốt.

Một số định nghĩa liên quan

• Bậc tự do (DOF) chính là số các chuyển động độc lập mà thiết bị có thể tạo ra;

• Tay máy (manipulator) là thiết bị cơ điện có khả năng tương tác với môi trường xung quanh nó;

• Phần công tác (end-effector) là dụng cụ, kẹp, hoặc các thiết bị khác gắn ở điểm cuối của tay máy để thực hiện các nhiệm vụ hữu ích;

• Không gian làm việc (workspace) là khoảng không gian mà phần công tác end-effector của rô bốt có thể chạm tới đối với cả vị trí và hướng;

• Ví trí (position) là vị trí tịnh tiến của rô bốt (translational location);

• Hướng (orientation) là vị trí quay của đối tượng. Tư thế (pose) gồm vị trí position và hướng orientation;

• Khâu (link) là một phần vật thể rắn kết nối các khớp với nhau trong rô bốt;

• Khớp (joint) là thiết bị cho phép chuyển động liên quan giữa hai khâu của rô bốt;

• Động học (kinematics) là nghiên cứu chuyển động không tính đến các lực và mô men;

• Động lực học (dynamics) là nghiên cứu chuyển động có tính tới các lực và mô men;

• Cảm biến rô bốt (thiết bị điện tử hoặc điện cơ nhỏ) là các cảm biến (sensor) giám sát vùng xung quanh và trạng thái của rô bốt, cung cấp các thông tin trực tiếp cho bộ điều khiển hoặc máy tính, phục vụ cho quá trình điều khiển. Rô bốt thường cần các thông tin dựa trên 5 giác quan của con người, cảm biến rô bốt có các loại như hệ thị giác máy tính, hệ thống tiếng nói, cảm biến xúc giác, cảm biến lực/áp xuất, cảm biến tiếp xúc, cảm biến vị trí, v.v.

• Bộ điều khiển (controller) là sự kết hợp phần cứng và phần mềm làm nhiệm vụ điều khiển vị trí và chuyển động của rô bốt. Bộ điều khiển rô bốt có nhiệm vụ xử lý thông tin đo từ các cảm biến và tính toán luật điều khiển, chuyển đổi một tác vụ cụ thể thành các lực và mô men xoắn tại bộ phận truyền động. Có nhiều dạng điều khiển, ví dụ như điều khiển lực (force control), điều khiển chuyển động (motion control), điều khiển lai chuyển động-lực (hybrid motion-force control), điều khiển mờ (fuzzy control), điều khiển thông minh (intelligent control), điều khiển thích nghi (adaptive control), điều khiển phản hồi (feedback control), v.v.

• Cơ cấu chấp hành (actuator) cung cấp lực/mô men cho chuyển động của rô bốt. Đây là bộ phận nhận và thực hiện luật điều khiển từ bộ điều khiển để thực hiện các nhiệm vụ đã vạch ra. Các cơ cấu chấp hành thông dụng của rô bốt sử dụng sự kết hợp của các thiết bị cơ điện khác nhau, ví dụ như động cơ đồng bộ, động cơ bước, động cơ servo AC, động cơ servo không chổi than DC, động cơ servo chổi than DC.

• Dẫn đường rô bốt (navigation): Dẫn đường rô bốt nghĩa là khả năng của rô bốt xác định vị trí trong khung tham chiếu của nó và sau đó lên kế hoạch đường đi hướng tới vị trí các mục tiêu. Điều hướng rô bốt chính là sự kết hợp của 3 khả năng cơ bản sau: tự định vị (self-localization), lập kế hoạch đường dẫn (path planning), xây dựng và biểu diễn bản đổ (map-building and map interpretation).

• Lập kế hoạch chuyển động (motion planning) chính là vấn đề tìm chuyển động của rô bốt từ trạng thái ban đầu tới trạng thái mục tiêu trong khi vẫn tránh chướng ngại vật có trong môi trường và thỏa mãn các điều kiện ràng buộc, ví dụ như hạn chế của mô men xoắn, hạn chế của các khớp, v.v. Lập kế hoạch chuyển động là một trong những vấn đề nổi bật nhất của khoa học người máy và là chủ đề của nhiều sách về khoa học người máy.

• Tạo quỹ đạo (tranjectory generation): Trong quá trình chuyển động, bộ điều khiển rô bốt luôn nhận một luồng ổn định vận tốc và vị trí của mục tiêu để theo dõi. Quỹ đạo (trajectory) chính là vị trí của rô bốt được biểu diễn theo hàm thời gian. Trong một số trường hợp quỹ đạo được xác định bởi nhiệm vụ, ví dụ như phần công tác end-effector phải bám theo một đối tượng đang di chuyển đã biết. Với các trường hợp khác, khi nhiệm vụ là di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác, chúng ta tự do thiết kế quỹ đạo để đáp ứng các ràng buộc này, đây chính là lập kế hoạch quỹ đạo (trajectory planning)

• Rô bốt di động có bánh xe (wheeled mobile robot): Bánh xe là một trong những hệ thống quan trọng nhất đối với sự di chuyển của rô bốt. Mô hình động học của rô bốt di động cho thấy mức ảnh hưởng của tốc độ của bánh xe lên vận tốc của rô bốt trong khi mô hình động lực học cho thấy mức ảnh hưởng của các mô men xoắn của bánh xe lên gia tốc của rô bốt.

• Rô bốt người máy (humanoid robot) là loại rô bốt có hình dạng giống như con người, có thể bước, nói, nhìn, suy nghĩ, sờ…Thiết kế rô bốt người máy có thể cho các mục đích chức năng (ví dụ như tương tác với công cụ và môi trường của con người), mục đích thực nghiệm (ví dụ như nghiên cứu về vận động AI). Thường rô bốt người máy có đủ thân, đầu, hai chân, hai tay. Tuy nhiên một số rô bốt người máy chỉ có từ phần eo trở lên hoặc chỉ có phần đầu nhưng có đầy đủ mắt mũi, miệng, tai và chuyển động cơ mặt mô phỏng như thật.

• Rô bốt quân sự (military robot) là rô bốt tự động hoặc rô bốt di động thiết kế riêng cho lĩnh vực quân sự, tự động hoàn toàn hoặc điều khiển từ xa từ di chuyển, tìm kiếm, cứu hộ và tấn công, ví dụ như rô bốt di động mang vũ khí, rô bốt chiến đấu, vũ khí sát thương tự động, xe không quân chiến đấu không người lái, rô bốt dò mìn, v.v.

• Thị giác rô bốt (robot vision) là quá trình thu thập và trích xuất thông tin từ hình ảnh 2D, 3D của môi trường rô bốt đang hoạt động. Thị giác rô bốt hầu như tập trung vào các thao tác, phân tích hình ảnh và sử dụng thông tin trong quá trình điều khiển hoạt động rô bốt.

• Trí tuệ nhân tạo và rô bốt (artificial intelligence and robots): Trí tuệ nhân tạo AI là một trong những lĩnh vực thú vị nhất của khoa học người máy. Sử dụng AI, rô bốt sẽ có khả năng và trí tuệ của con người, bao gồm khả năng học hỏi về bất cứ điều gì, khả năng lý luận, khả năng sử dụng ngôn ngữ và khả năng xây dựng ý tưởng ban đầu. Các máy AI ngày nay có thể tái tạo một số yếu tố cụ thể về khả năng trí tuệ.

• Phần mềm rô bốt (robot softwave) chính là một bộ lệnh mã hóa hoặc những chỉ dẫn để các thiết bị cơ học và hệ thống điện của rô bốt thực hiện các nhiệm vụ đặt ra. Lập trình thường là bước cuối cùng liên quan đến việc xây dựng một rô bốt để rô bốt có thể hoạt động và thực hiện các nhiệm vụ đặt ra hiệu quả.

Lịch sử phát triển

Từ những năm 1500’s, Leonardo da Vinci lấy cảm hứng từ con người đã tạo ra nhiều bản phác thảo và mô hình phác họa giống như rô bốt dạng người. Từ “robot” xuất hiện lần đầu tiên trong bản in “Rossum’s Universal Robots” năm 1920 của nhà viết kịch người Tiệp Khắc Karl Kapek. Isaac Asimov chính là người đã phổ biến thuật ngữ robot thông qua nhiều truyện ngắn và tiểu thuyết khoa học viễn tưởng. Isaac Asimov đã phát minh ra 3 định luật khoa học máy tính (giới thiệu trong truyện ngắn “Runaround”năm 1942 và nó vẫn đúng đến thời điểm hiện tại) như sau: 1- Rô bốt không bao giờ được làm hại con người; 2- Rô bốt phải tuân theo chỉ dẫn của con người và không vi phạm quy tắc 1; 3- Rô bốt phải tự bảo vệ chính mình mà không vi phạm các quy tắc khác.

Năm 1954, lấy cảm hứng từ cánh tay con người, George Devol đã phát minh ra cánh tay rô bốt đầu tiên (lấy tên Utimate) được vận hành và lập trình kỹ thuật số. Đây chính là điểm đặt nền móng cho ngành rô bốt hiện đại. Devol đã bán chiếc Unimate đầu tiên cho General Motors vào năm 1960, và nó được lắp đặt vào năm 1961 tại một nhà máy ở Trenton, New Jersey để nâng và xếp các mảnh kim loại nóng từ máy đúc. Rô bốt xếp hàng đầu tiên được giới thiệu vào năm 1963 bởi công ty Fuji Yusoki Kogyo. Năm 1973, một rô bốt có sáu trục điều khiển bằng cơ điện đã được cấp bằng sáng chế bởi KUKA Robot ở Đức. Năm 1976, Victor Scheinman phát minh ra cánh tay thao tác vạn năng lập trình được.

Trong thập niên 70s, Freddy I&II là những rô bốt sớm nhất tích hợp hệ thống thị giác, hệ thống thao tác và hệ thống thông minh, có tính linh hoạt, dễ dàng đào tạo và lập trình lại cho các nhiệm vụ mới.

Năm 1984, Wabot-2 có 10 ngón tay và 2 bàn chân ra đời. Wabot-2 có khả năng chơi đàn organ, có thể đọc một số điểm âm nhạc và đi cùng với một người. Năm 1986, Honda bắt đầu chương trình nghiên cứu và phát triển rô bốt dạng người để tạo ra rô bốt có khả năng tương tác thành công với con người.

Trong thập kỷ 90s, nhiều loại rô bốt ra đời như rô bốt RobotTuna sinh học, rô bốt hỗ trợ phẫu thuật Cyberknife… Rô bốt dạng người P2 và P3 của Honda cũng dần ngày càng hoàn thiện hơn, và tới năm 2000 Honda giới thiệu kết quả tiên tiến nhất của dự án rô bốt dạng người, được đặt tên là ASIMO. ASIMO có thể chạy, đi bộ, giao tiếp với con người, nhận diện khuôn mặt, môi trường, giọng nói và tư thế và tương tác với môi trường của nó. Tháng 10 năm 2000, Liên Hợp Quốc ước tính rằng có 742.500 rô bốt công nghiệp trên thế giới, với hơn một nửa trong số chúng được sử dụng ở Nhật Bản.

Từ năm 2001 tới nay, khoa học người máy đã có những bước tiến vượt bậc. Tháng 4 năm 2001, máy bay không người lái Global Hawk đã thực hiện chuyến bay thẳng tự hành đầu tiên trên Thái Bình Dương trong 22 giờ từ căn cứ không quân Edwards ở California đến căn cứ RAAF ở Nam Úc. Roomba là một rô bốt hút bụi rất được ưa thích, được phát hành lần đầu tiên vào năm 2002 bởi công ty iRobot. Năm 2005, Đại học Cornell giới thiệu một rô bốt có khả năng tự sao chép; với một tập hợp các khối cube có khả năng gắn và tách ra, rô bốt đầu tiên sẽ có khả năng tự tạo các bản sao của chính nó.

Những chiếc xe tự lái đã xuất hiện vào khoảng năm 2005, tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề cần cải tiến. Năm 2006, Đại học Cornell giới thiệu rô bốt "Starfish" bốn chân có khả năng tự mô hình hóa và học cách đi bộ lại sau khi bị hư hại. Năm 2007, TOMY đã cho ra mắt rô bốt giải trí, i-sobot. Đây là một rô bốt hai chân hình người có thể đi như người và thực hiện các cú đá và đấm và cả một số thủ thuật giải trí và các hành động đặc biệt.

Robonaut 2 là thế hệ mới nhất của những người trợ giúp phi hành gia, đã được đưa lên trạm vũ trụ trên tàu Space Shuttle Discovery trong nhiệm vụ STS-133 vào năm 2011. Ngày 25 tháng 10 năm 2017 tại Hội nghị thượng đỉnh đầu tư tương lai ở Riyadh, một rô bốt tên Sophia và được gọi bằng đại từ nữ đã được cấp quốc tịch Ả Rập Saudi, trở thành rô bốt đầu tiên có quốc tịch.

Ứng dụng

Rô bốt và khoa học người máy vẫn ngày càng phát triển mạnh mẽ, thay đổi phù hợp với các yêu cầu phức tạp, thay thế và phục vụ con người. Nhờ học máy và trí tuệ nhân tạo, rô bốt đã trở nên có nhận thức và tự động hơn bao giờ hết. Rô bốt thương mại và rô bốt công nghiệp hiện đang được sử dụng rất phổ biến thực hiện các công việc với giá rẻ hơn hoặc với độ chính xác và độ tin cậy cao hơn con người. Chúng cũng được sử dụng cho các nhiệm vụ quá bẩn, nguy hiểm hoặc buồn tẻ không phù hợp với con người. Với nhiều lợi ích mang lại, rô bốt ngày càng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, lắp ráp và đóng gói, vận chuyển, thăm dò trái đất và vũ trụ, phẫu thuật, vũ khí, nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và sản xuất hàng loạt hàng tiêu dùng và công nghiệp...

Rô bốt có thể ứng dụng ở bất cứ môi trường 3D nào tồn tại ví dụ như trong công nghiệp-Industry (rô bốt công nghiệp sử dụng trong các nhà xưởng); Điều khiển từ xa-Remote operations (ứng dụng điều khiển từ xa cho khoa học người máy gồm dưới đáy biển, môi trường hạt nhân, xử lý bom mìn, ngoài không gian, v.v.); Phục vụ-Service (rô bốt phục vụ thực hiện phụ việc trong bệnh viện, trợ lý người tàn tật, bán lẻ, giúp việc nhà, hút bụi, cắt cỏ…). Một số hướng ứng dụng điển hình như:

1. Ngoài vũ trụ. Hiện tại, rô bốt đang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc thám hiểm ngoài vũ trụ. Tàu vũ trụ không người lái chính là chìa khóa để khám phá các ngôi sao, hành tinh trong không gian. Rô bốt nổi tiếng được sử dụng trong các ứng dụng ngoài không vũ trụ chính là Mars rovers của NASA. Năm 1997, Sojourner, một rô bốt Mars rover, đã thực hiện nhiệm vụ tìm đường và gửi dữ liệu từ sao Hỏa về.

Sau nhiệm vụ của Sojourner, NASA đã lần lượt gửi 2 rô bốt Spirit và Oppotunity cho hành tinh Đỏ (Red Planet) vào ngày 10 tháng 6 và 23 tháng 7 năm 2003. Spirit và Opportunity lần lượt hạ cánh trên Sao Hỏa vào ngày 4 tháng 1 và 25 tháng 1 năm 2004. Spirit và Opprtunity tích hợp nhiều cảm biến, máy đo để thực hiện nghiên cứu về khoáng vật học của đá và đất trên sao Hỏa; kiểm tra kết cấu, màu sắc, khoáng vật học và cấu trúc của địa hình,… Phoenix Mars Rover đã được gửi đến hành tinh Đỏ vào ngày 4 tháng 8 năm 2007 và hạ cánh vào ngày 25 tháng 5 năm 2008. Nhiệm vụ của rô bốt Phoenix là điều tra sự tồn tại của nước và các điều kiện hỗ trợ sự sống trên Sao Hỏa.

2. Trong quân sự. Rô bốt quân sự là rô bốt tự động hoặc rô bốt di động được điều khiển từ xa được thiết kế cho các ứng dụng quân sự, từ vận chuyển đến tìm kiếm, cứu hộ và tấn công. Rô bốt trong quân đội là nhân tố rất quan trọng và rất được quan tâm, phát triển mạnh mẽ. Một số người tin rằng tương lai của chiến tranh hiện đại sẽ được chiến đấu bởi các hệ thống vũ khí tự động. Các rô bốt quân sự đã có từ thời thế chiến thứ II và Chiến tranh lạnh. Hiện có nhiều nghiên cứu theo hướng phát triển máy bay chiến đấu và máy bay ném bom hoàn toàn tự động. Quân đội Hoa Kỳ đang đầu tư mạnh vào nghiên cứu và phát triển theo hướng thử nghiệm và triển khai các hệ thống tự động. Hệ thống nổi bật nhất đang được sử dụng là máy bay không người lái (IAI Pioneer & RQ-1 Predator) có thể được trang bị tên lửa không đối đất và điều khiển từ xa từ một trung tâm chỉ huy trong vai trò trinh sát.

3. Trong nhà thông minh. Đây hiện đang là một mảng rất phát triển và ngày càng có nhiều người muốn tận hưởng tiện tích này: một ngôi nhà thông minh với cửa sổ và cửa chính có thể mở tự động, hệ thống ánh sáng và điều hòa không khí được lập trình kích hoạt theo ý muốn của chủ nhân, hệ thống rèm tự động đóng/mở theo thời tiết và ánh sáng ngoài trời, an ninh và tiết kiệm năng lượng luôn được giám sát và có thể điều khiển từ xa, rô bốt tự hút bụi và dọn dẹp, các tiện ích được ra lệnh điều khiển bằng giọng nói, v.v.

4. Trong công nghiệp. Từ khi bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp, rô bốt và tự động hóa trở thành một phần quan trọng nhất trong sản xuất. Theo dữ liệu của Hiệp hội Công nghiệp Robot Hoa Kỳ, năm 2016 ngành công nghiệp ô tô là khách hàng chính của rô bốt công nghiệp với 52% tổng doanh số. Rô bốt chiếm hơn một nửa số "lao động" trong ngành công nghiệp ô tô. Thậm chí nhà máy sản xuất bàn phím của IBM ở Texas đã hoàn toàn tự động vào đầu năm 2003.

5. Dịch vụ sức khỏe. Trong y khoa và chăm sóc sức khỏe, rô bốt đã và đang được ứng dụng rất nhiều ví dụ như bộ đồ rô bốt (robotic suit) giúp các y tá nâng đỡ bệnh nhân dễ dàng và tránh chấn thương vùng lưng; bộ đồ hỗ trợ năng lượng giúp các y tá có thêm sức mạnh cơ bắp để nâng đỡ bệnh nhân; rô bốt tham gia trong quá trình khám chữa bệnh từ xa (telemedicines); rô bốt phẫu thuật (hệ rô bốt Da Vinci Surgical System của Hoa Kì), rô bốt phục vụ tại bệnh viện (rô bốt HOSPI của Panasonic), …

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và trí tuệ nhân tạo, rô bốt và khoa học người máy sẽ mang lại nhiều cơ hội thú vị cho ngành công nghiệp, hứa hẹn sẽ tạo ra một thế giới mới “hoàn toàn tự động”. Mặc dù một số người tin rằng rô bốt sẽ trở nên nguy hiểm cho xã hội của chúng ta và dần dần thay thế, có thể khiến con người trở nên lỗi thời. Tuy nhiên, thực tế có thể không trở nên kịch tính như vậy. Trong vài thập kỷ tới, xã hội của chúng ta sẽ trải qua nhiều thay đổi và sẽ khác hoàn toàn so với ngày nay. Một yếu tố quan trọng tác động và biến đổi các khía cạnh khác nhau của cuộc sống hàng ngày là sự mở rộng nhanh chóng của ngành công nghiệp rô bốt và trí tuệ nhân tạo. Trong tương lai, rô bốt sẽ trở thành trợ lý hàng ngày, rô bốt và trí tuệ nhân tạo cũng sẽ lấy mất nhiều công việc của con người, tuy nhiên nhiều loại công việc mới sẽ xuất hiện

Tài liệu tham khảo

1. M. Ben-Ari, F. Mondada (2017). Elements of Robotics, Springer.
2. K. M. Lynch and F. C. Park (2017). Modern Robotics: Mechanics, Planning, and Control, Cambridge University Press.
3. B. Siciliano and O. Khatib (2008). Springer Handbook of Robotics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
4. L. Sciavicco and B. Siciliano (2000). Modelling and Control of Robot Manipulators, Springer-Verlag London.
5. Nguyễn Thiện Phúc, Rô bốt Công Nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2002.