Robot học

Robot học là một ngành kỹ thuật bao gồm thiết kế, chế tạo, vận hành, và ứng dụng robot, 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 là robot 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. 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 các Robot dưới nước, robot công nghiệp hay robot 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...

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. Nguyên gốc từ robot là từ chữ robota trong tiếng Slavơ, 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 về android (người máy). Karel Capek không phải là người nghĩ ra từ này. Trong một lá thư ngắn nói về từ nguyên học trong quyển Oxford English Dictionary ông đã dặt tên anh trai mình là Josef Čapek như là nghĩa gốc của từ robot
Theo Từ điển Oxford tiếng Anh, từ robot lần đầu tiên được sử dụng trong văn bản là bởi Isaac Asimov, trong truyện ngắn khoa 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 ông Runaround vào tháng 3 năm 1942).
 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!".

Dạng khác

Các dạng cảm biến phổ biến khác sử dụng trong robot LIDAR, RADAR và SONAR.

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, Cơ cấu gắp có cấu tạo phức tạp giống bàn tay người như Shadow Hand và Robonaut, … Loại có độ phức tạp vừa vừa có thể kể đến Delft. Cơ cấu gắp có nhiều kiểu cấu tạo dựa trên các nguyên lý khác nhau, gồm kiểu ngàm sử dụng lực ma sát và 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.

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.

Tay máy đa dụng

Vài loại robot cải tiến hiện nay đã bắt đầu sử dụng tay máy dạng người, như Shadow Hand, MANUS, Schunk. Những tay máy này có độ khéo léo cao, bậc tự do lên đến 20 và có hàng trăm cảm biến xúc giác.

Robot lăn

Là dạng robot đơn giản nhất với 4 bánh xe hoặc bánh 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 một con quay hồi chuyển để 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. Nhiều robot thăng bằng loại này đã được thiết kế. 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 vụ NASA sử dụng Robonaut để gắn trên Segway.

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.

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  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. 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, như Robot 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

Nhảy lò cò

Một số robot được thiết kế vào những năm 1980 bởi Marc Raibert tại phòng thí nghiệm về chân thuộc MIT, 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 cách nhảy. 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. 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 cả nhào lộn. Một robot bốn châncũng đã được chứng minh có thể phi nước kiệu, chạy, tăng tốc, và nhảy. Để biết thêm danh sách, xin vào trang MIT 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. Kỹ thuật này gần đây đã được ứng dụng trong robot Dexter củaAnybots, chứng tỏ sự ổn định và thậm chí nó có thể nhảy. Một ví dụ khác là TU Delft Flame.

Bay

Một máy bay chở khách hiện đại thực chất là một robot bay, với hai người quản lý nó. Những máy lái tự động có 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. Các dạng robot bay khác không chở người, được gọi là máy 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. UAV cũng 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 gồm tên lửa hành trình, Entomopter, và robot 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.

Trườn giống rắn

Một số robot rắn đã 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. Robot rắn ACM-R5 của Nhật  có thể di chuyển cả trên đất liền và dưới nước.

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. Một robot khác là Plen, có thể sử dụng một ván trượt mini hoặc giày trượt patin để trượt trên một mặt bàn.

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 người trèo trên 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, được thiết kế bởi tiến sĩ Ruixiang Zhang tại đại học Stanford, California. Một cách khác nữa là sử dụng các miếng pad để trèo lên các bức tường giống như tắc 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 and Stickybot. Tờ "Nhật báo công nghệ" của Trung Quốc ngày 15 tháng 11 năm 2008 có đăng một mô hình của công ty New Concept Aircraft (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 ". Theo 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

Theo tính toán, khi bơi một số loại cá có thể đạt được hiệu suất lực đẩy lớn hơn 90%. Ngoài ra, chúng có thể tăng tốc và đổi hướng tốt hơn so với bất kỳ tàu hoặc tàu ngầm nhân 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. Điển hình loại này là robot Cá của đại học Essex, và robot Tuna (cá ngừ) của Institute of Field Robotics, dùng để phân tích và mô hình toán học hóa chuyển động của cá. Robot Aqua Penguin, được thiết kế và chế tạo bởi công ty Festo của Đức, sao chép hình dạng khí động học và "mái chèo" của chim cánh cụt. Festo cũng đã chế tạo Aqua Ray và Aqua Jelly, mô phỏng vận động của cá đuối, sứa.

Buồm

Robot thuyền buồm cũng đã được phát triển để thực hiện các phép đo trên mặt biển, điển hình là Vaimos 
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 và Sailbot.

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, cần phải phát triển các yếu tố cảm xúc cho giọng nói robot thông qua các kỹ thuật khác nhau.

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 phim Final Fantasy: The 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.

Tính cách

Nhiều robot trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng có một cá tính riêng, điều có thể hoặc không mong muốn trong các robot thương mại tương lai. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đang cố gắng tạo ra các robot có cá tính: 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 là Pleo, một robot khủng long đồ chơi, có thể thể hiện nhiều cảm xúc rõ ràng.

Đào tạo nghề

Nhiều trường đại học hiện đang đào tạo cử nhân, thạc sĩ, tiến sĩ chuyên ngành robot học.

Giấy chứng nhận

Liên minh Tiêu chuẩn Chứng nhận Robot học (RCSA, Robotics Certification Standards Alliance) là cơ quan có thẩm quyền cấp giấy chứng nhận robot học quốc tế, cơ quan này trao nhiều chứng nhận khác nhau liên quan tới robot cho các ngành công nghiệp và giáo dục.