A.K.B robot 6 bậc tự do: 'Quả ngọt' từ đề tài nghiên cứu khoa học thiết thực

Robot 6 bậc 'Made in Việt Nam' này có chất lượng tương đương sản phẩm ngoại nhập, thậm chí còn được tích hợp bộ điều khiển nhúng cũng như các giải thuật điều khiển, từ cơ bản đến nâng cao, là nền tảng cho hàng loạt ứng dụng thiết thực trong công nghiệp, huấn luyện và đào tạo.

• Techmart chuyên ngành y tế: giải pháp môi trường cho bệnh viện và phòng khám
• Ứng dụng tránh ngập UDI Maps: Thiết thực, hướng đến một đô thị thông minh, hiện đại
• Runway To The World: Bài học từ những chuyến đi
• A.K.B: Thổi hồn vào những cỗ máy vô tri
• Doanh nghiệp nghiên cứu khoa học: Khởi đầu cần hy sinh, và hướng đến phục vụ xã hội

Robot 6 bậc tự do: nhu cầu rất lớn trong sản xuất quy mô công nghiệp

Robot là một cấu trúc cơ khí có điều khiển, thực hiện các thao tác tự động nhằm thay thế chức năng nào đó của con người. Theo số liệu của Liên đoàn quốc tế về robot (IFR) thì số lượng robot công nghiệp trên toàn cầu tăng 27% trong năm 2014, với khoảng hơn 200.000 robot được bán ra. Năm 2015 ghi nhận số lượng robot lớn nhất được bán ra với con số lên tới 253,748 robot. Bởi vậy, robot dần trở thành động lực chính cho sự tăng trưởng trong hai năm 2014 - 2015 cho toàn ngành công nghiệp, và đương nhiên ngành sản xuất robot cũng trở thành hạt nhân cho sự phát triển của công nghiệp hiện đại.

Là sản phẩm tích hợp nhiều công nghệ hiện đại như cơ khí, điện - điện tử, cảm biến - điều khiển học - CNTT, đồng thời được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn như số bậc tự do động học, hệ thống truyền động, dạng hình học, hoặc các đặc tính chuyển động nên nhìn chung thì robot có thể có từ 2 đến 6 bậc tự do. Trong đó, ở cơ cấu chấp hành lý tưởng, đa năng thì robot phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự do trong không gian 3 chiều. Đa số các mẫu robot 6 bậc tự do thông dụng đều mô phỏng đầy đủ hoạt động của cánh tay người.

Robot thực hiện công việc mài kim loại.

Đáng lưu ý hơn cả, hệ thống điều khiển robot 6 bậc tự do là một thiết bị cấu trúc máy tính cho phép cánh tay robot vận hành chính xác nhờ việc kiểm soát nguồn điện cấp cho các động cơ, và chuyển động được dẫn động bởi các cơ cấu chấp hành servo. Với đặc thù như vậy, robot 6 bậc tự do là một cơ cấu hoàn chỉnh, hỗ trợ ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp như lắp ráp, gia công kim loại, hàn...

Hiện nay, nhu cầu robot 6 bậc tự do trong nước là rất lớn, tuy nhiên giá thành thiết bị nhập đắt (dạng cỡ nhỏ giá từ 30.000 – 60.000 USD), vì vậy khả năng trang bị ở các cơ sở sản xuất bị hạn chế.

Tuy thế, từ sau năm 2010 đến nay, robot công nghiệp ít được nghiên cứu và chế tạo ở Việt Nam, công trình nghiên cứu robot 6 bậc tự do lại còn ít hơn rất nhiều, mặc dù một số sản phẩm của trường - Viện đã có thành công ban đầu song lại chưa thể tiếp tục hoàn thiện thành thương phẩm để chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp.

A.K.B robot 6 bậc tự do: đa dụng và dễ làm chủ quy trình công nghệ

Từ hoạt động hỗ trợ nghiên cứu khoa học của Sở KHCN TP.HCM, Công ty TNHH Chế tạo máy A.K.B đã tiến hành nghiên cứu thiết kế mẫu robot 6 bậc tự do nền tảng cỡ nhỏ, từ đó hoàn thiện công nghệ và xây dựng các hệ robot cho các ứng dụng cụ thể (hàn, lắp ráp gia công...) và tiến đến sản xuất hàng loạt theo yêu cầu thị trường. Sản phẩm được thiết kế theo dạng module nhằm giảm giá thành và phù hợp với công nghệ chế tạo ở Việt Nam.

Mẫu robot 6 trục tự do mà A.K.B chế tạo thuộc dạng cỡ nhỏ, cấu trúc kiểu khớp quay, tải trọng 3kg, tầm với 500mm, công suất tiêu thụ 0,5 KVA, trọng lượng dưới 25kg. Sản phẩm có tỷ lệ nội địa hóa cao, có chất lượng tương đương sản phẩm nhập ngoại (độ chính xác định vị, tốc độ vận hành, tốc độ xử lý…). Bên cạnh đó, A.K.B còn nghiên cứu về thiết kế chế tạo bộ điều khiển nhúng, phát triển các giải thuật điều khiển thích hợp để nâng cao chất lượng điều khiển, đồng thời xây dựng bộ dữ liệu về lý thuyết và thực nghiệm, quy trình công nghệ nhằm làm cơ sở để phát triển sản phẩm dài hơi.

Mẫu robot 6 bậc tự do gồm hai phần: cánh tay robot và hệ thống điều khiển. Trong đó, cánh tay chứa 6 trục nên có khả năng di chuyển đến bất kỳ điểm nào trong không gian quy định, cũng như cho phép thực hiện nhiều thao tác khác nhau (như lắp ráp, vận chuyển sản phẩm, hàn, gia công bề mặt…) ở phạm vi rộng với độ linh hoạt cao.

Thực tế, robot là thiết bị cơ bản, có thể được tích hợp thêm với máy ép phun, máy đúc khuôn, máy ép cắt, xử lý ngọn lửa, phun thuốc và thiết bị hàn. Robot có khả năng làm việc trên các bộ phận phức tạp (hoặc với các quá trình phức tạp) như hàn hồ quang. Nếu trường hợp 6 trục vẫn không đủ thì có thể kết hợp thêm trục thứ 7 hoặc bổ sung thiết bị định vị phôi nhằm phối hợp đồng bộ với sự chuyển động của robot.

Hệ thống phần cứng điều khiển robot được thiết kế bằng 1 bộ điều khiển STM32F407IGT6. Vì vậy, CPU trong bộ điều khiển thực hiện mọi chức năng hoạt động của robot và có khả năng kết nối với các thiết bị ngoại vi và thiết bị phụ trợ khác.

Chương trình hoạt động của robot được xây dựng từ những module chương trình cơ sở - từng được A.K.B sử dụng trong các chương trình tổng thể điều khiển robot từ bộ điều khiển phím nhấn (Tech pendant), hay từ máy tính bảng, điện thoại thông minh. Trong đó, chương trình vận hành được bộ điều khiển tiếp nhận qua bút lưu trữ USB hoặc tải xuống từ máy tính. Sau khi nhận chương trình vận hành, bộ điều khiển sẽ thao tác vận hành chương trình chính điều khiển robot thông qua những module đã được lập trình sẵn trong CPU.

Để giải quyết bài toán động học, A.K.B đã sáng tạo trong việc chọn Unity để mô phỏng robot 3D nhanh và thuận tiện hơn, thay vì sử dụng OpenGL hay Direct3D, nhờ ưu điểm dễ dàng nhập các mô hình Robot vào và thiết lập hệ tọa độ, hướng xoay nhanh và rất chính xác. Bên cạnh đó, người điều khiển cũng có thể thiết lập camera hoặc thêm mô phỏng vật lý (va chạm, trọng lực) cho robot, điều rất khó thực hiện khi chỉ lập trình bằng một thư viện đồ họa đơn thuần.

Những thử nghiệm cho thấy robot thực hiện tốt các thao tác ứng dụng như gắp sản phẩm, mài, đánh bóng, hàn kim loại… với độ chính xác phù hợp sản xuất công nghiệp. Tuy nhiên, sản phẩm còn cần hoàn thiện thêm về thiết kế cơ khí, phần cứng, phần mềm, thuật toán điều khiển robot và công nghiệp chế tạo để đáp ứng việc sản xuất hàng loạt robot thương phẩm.