Nghiên cứu về điều khiển động cơ khớp tích hợp của robot cộng tác

1.1 Bối cảnh nghiên cứu

Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ,khả năng thông minhTiếp tục được cải tiến, sản xuất thông minh trở thành xu hướng chủ đạo trong phát triển công nghiệp. Ví dụ, dữ liệu do Bộ Công nghiệp Thông tin Trung Quốc công bố cho thấy sản xuất thông minh trong nước đã đạt mức tăng trưởng đáng kể 11,6% vào năm 2023 – minh chứng cho những nỗ lực bền bỉ và đổi mới công nghệ của quốc gia trong lĩnh vực này. Hơn nữa, số lượng đổi mới trong các doanh nghiệp sản xuất thông minh đã tăng mạnh, trải rộng trên các lĩnh vực như sản xuất thiết bị cao cấp, vật liệu tiên tiến và công nghệ môi trường, phản ánh sức sống và sự chuyển đổi sâu sắc của ngành. Xu hướng này không chỉ cách mạng hóa các phương pháp sản xuất truyền thống mà còn thúc đẩy nâng cấp công nghiệp, nâng cao cả hiệu quả và chất lượng. Ngày càng nhiều dây chuyền sản xuất tự động và robot công nghiệp đang thay thế lao động thủ công.

Với sự tiến bộ củakỷ nguyên sản xuất thông minhCác tính năng công nghệ tự động hóa cao và thông minh của robot công nghiệp hoàn toàn phù hợp với nhu cầu ngày càng tăng của ngành sản xuất về độ chính xác cao, dễ vận hành và tính linh hoạt trong quy trình sản xuất. Điều này đã nâng cao tầm quan trọng của chúng trong sản xuất, biến chúng thành một động lực then chốt thúc đẩy chuyển đổi và nâng cấp công nghiệp. Robot cộng tác – thiết bị công nghiệp có khả năng đạt được cả sự cộng tác giữa máy với máy và giữa người với robot – đã nổi lên như một trọng tâm chính trong nghiên cứu robot nhờ hành vi tự chủ và khả năng cộng tác của chúng, định vị chúng để đóng vai trò chủ đạo trong robot công nghiệp tương lai. Trong công nghệ robot cộng tác, các chỉ số hiệu suất của động cơ servo – bao gồm tốc độ phản hồi mô-men xoắn, độ chính xác mô-men xoắn, độ chính xác định vị, mức tiêu thụ điện năng và độ ổn định nhiệt độ – quyết định trực tiếp hiệu quả chuyển động, độ ổn định và độ chính xác của robot. Là lõi năng lượng của robot, hiệu suất của hệ thống servo ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác và độ tin cậy của chuyển động. Đặc biệt, động cơ servo khớp đóng vai trò then chốt trong việc đạt được độ chính xác định vị. Một động cơ servo khớp xuất sắc đảm bảo định vị chính xác và chuyển động ổn định trong các nhiệm vụ phức tạp, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm thiểu lỗi.

Kế hoạch “5 năm lần thứ 14 về phát triển ngành công nghiệp robot” nhấn mạnh việc thúc đẩy nghiên cứu về các khớp robot tích hợp thông minh, đặc biệt phù hợp với robot cộng tác. Khái niệm thiết kế tích hợp cao của chúng kết hợp các bộ truyền động, cảm biến và bộ điều khiển trực tiếp vào chính khớp, biến mỗi khớp thành một đơn vị điều khiển độc lập. Bằng cách tối ưu hóa cấu trúc và bố cục bên trong, kiến ​​trúc điều khiển phân tán giúp giảm đáng kể số lượng cáp giữa các cấp hệ thống khác nhau, từ đó giảm chi phí bảo trì và nâng cao độ tin cậy tổng thể. Thiết kế dạng mô-đun cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc thay thế và bảo trì khớp, giúp tăng đáng kể khả năng cạnh tranh trên thị trường của robot cộng tác.

Cáikhái niệm về robot cộng tácRobot cộng tác được giới thiệu lần đầu vào năm 1996, với triết lý thiết kế đã cách mạng hóa ngành robot truyền thống bằng cách cho phép các hoạt động phối hợp giữa robot và con người trên dây chuyền sản xuất. Cách tiếp cận hợp tác này không chỉ tận dụng hiệu quả và độ chính xác của robot mà còn tích hợp trí thông minh và sự linh hoạt của con người, nâng cao hiệu quả và tính trôi chảy trong hoạt động. So với robot công nghiệp thông thường, robot cộng tác thể hiện những đặc điểm riêng biệt, tự khẳng định mình là một phân loại quan trọng trong lĩnh vực robot. Cả cấu trúc vật lý và hệ thống điều khiển của chúng đều đã trải qua những sửa đổi đáng kể. Robot công nghiệp truyền thống—chẳng hạn như cấu hình cánh tay robot được mô tả trong Hình 1—chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng xếp pallet, xử lý vật liệu, hàn và cắt laser. Mặc dù những robot này có độ cứng cao, ổn định cấu trúc và khả năng chịu tải mạnh, nhưng chúng cũng có những hạn chế: kích thước và khối lượng tương đối lớn, quán tính chuyển động đáng kể, thiết kế cồng kềnh với độ linh hoạt kém và không có khả năng thực hiện các nhiệm vụ lắp ráp nhanh nhẹn. Ngoài ra, động lượng quán tính đáng kể và chuyển động tốc độ cao của chúng gây ra rủi ro an toàn đáng kể cho nhân viên trong phạm vi hoạt động, đòi hỏi phải hoạt động trong các khu vực kín.

Hình 1. Các cánh tay robot công nghiệp truyền thống và robot cộng tác.

Robot cộng tác cho phép hoạt động đồng thời với con người trong không gian chung và tạo điều kiện thuận lợi cho tương tác tầm gần trong các khu vực cộng tác. So với các cánh tay robot truyền thống, robot cộng tác thường chịu tải tối đa 20 kg ở đầu cuối, với phạm vi hoạt động tương đương với tầm với của cánh tay người. Cấu trúc của chúng đơn giản hơn so với các cánh tay robot công nghiệp thông thường có cơ chế truyền động phức tạp, đồng thời cung cấp phản hồi lực nhạy bén, tính linh hoạt nhẹ và khả năng nhận thức mạnh mẽ. Những tính năng này cho phép chúng điều chỉnh lực một cách linh hoạt trong quá trình tương tác với con người, ngăn ngừa hiệu quả các tổn thương nghiêm trọng. Do đó, robot cộng tác có thể cộng tác an toàn với con người để hoàn thành nhiệm vụ mà không cần đến các rào chắn an toàn truyền thống.

Robot cộng tác tham gia vào các hoạt động tiếp xúc trực tiếp với con người; do đó, an toàn là yêu cầu không thể thiếu trong sự hợp tác giữa người và robot. Việc kiểm soát chặt chẽ công suất hoạt động và mô-men xoắn quay, đồng thời áp dụng các biện pháp kỹ thuật như điều khiển dòng điện, điều khiển mô-men xoắn, cảm biến tiếp xúc và phát hiện va chạm là rất cần thiết để ngăn ngừa thương tích cho người. Hệ thống điều khiển truyền động thông minh của robot cũng cần được tối ưu hóa hơn nữa để quản lý an toàn, cho phép điều khiển mượt mà thích ứng thông qua các phép tính động và mô hình dựa trên bộ quan sát.

Trong một nghiên cứu gần đây, Liên đoàn Robot Quốc tế (IFR) đã nhấn mạnh rằng sự phát triển robot trong tương lai chủ yếu sẽ thể hiện xu hướng đơn giản, dễ sử dụng, linh hoạt và hợp tác an toàn. Robot công nghiệp sẽ dần đạt được mức độ tự động hóa và trí thông minh cao hơn; thiết kế thân thiện với người dùng sẽ giảm bớt các rào cản vận hành, cho phép nhiều doanh nghiệp dễ dàng tận dụng công nghệ robot để nâng cao hiệu quả sản xuất. Đồng thời, các thiết kế có tính linh hoạt và khả năng hợp tác an toàn sẽ cho phép robot thích ứng tốt hơn với môi trường sản xuất đa dạng và phức tạp, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hợp tác giữa con người và robot, từ đó thúc đẩy hơn nữa sự phát triển thông minh và hiệu quả của sản xuất công nghiệp.

Hình 2: Khu vực làm việc của robot cộng tác

1.2 Ý nghĩa của nghiên cứu

Trong thị trường robot cộng tác hiện nay, robot bảy bậc tự do được ưa chuộng nhờ phạm vi hoạt động rộng và tính linh hoạt. Những robot này cung cấp các bậc tự do dư thừa, mang lại tiềm năng lớn hơn cho tự động hóa công nghiệp và sản xuất thông minh. Mỗi bậc tự do đạt được thông qua một khớp robot, đóng vai trò là yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của robot. Bốn nhà sản xuất lớn—FANUC, ABB, Yaskawa và KUKA—đều sử dụng các hệ thống truyền động riêng biệt trong các cánh tay robot công nghiệp truyền thống của họ; tuy nhiên, về cơ bản, chúng sử dụng động cơ servo kết hợp với bánh răng côn, bánh răng trụ hoặc dây đai đồng bộ để truyền lực đến các khớp quay. Các phương pháp truyền động này hạn chế kích thước của các khớp robot. Mặc dù đạt được độ chính xác cao là khả thi, nhưng việc thu nhỏ vẫn còn là một thách thức. Như thể hiện trong Hình 3, robot công nghiệp truyền thống yêu cầu các tủ điều khiển bên ngoài chứa các bộ truyền động servo của động cơ, với nhiều dây dẫn kết nối mỗi động cơ với tủ, do đó hạn chế việc triển khai linh hoạt các hệ thống điều khiển.

Hình 3. Robot công nghiệp truyền thống và tủ điều khiển.

Do cấu hình khớp truyền thống của các cánh tay robot công nghiệp không còn đáp ứng được yêu cầu của robot cộng tác, các khớp này đã từ bỏ cơ chế truyền động thông thường để chuyển sang một triết lý thiết kế mới. Cách tiếp cận này tập trung vào việc đạt được các hệ thống nhẹ, điện áp thấp và tích hợp cao bằng cách tích hợp bộ điều khiển, bộ điều khiển servo và động cơ bên trong chính khớp, với các kết nối điện cũng được thực hiện bên trong. Chỉ một số lượng tối thiểu các giao diện điều khiển được đưa ra bên ngoài, giúp đơn giản hóa việc đi dây bên ngoài và giảm độ phức tạp kỹ thuật. Thiết kế như vậy được gọi là khớp tích hợp.

Với nhu cầu và xu hướng phát triển hiện tại trong lĩnh vực khớp robot cộng tác, việc thiết kế một khớp robot cộng tác tích hợp, nhẹ, điện áp thấp, tích hợp cao và hiệu suất cao là vô cùng quan trọng. Một khớp tích hợp như vậy bao gồm tất cả các thành phần thiết yếu cần thiết cho chuyển động của khớp—bao gồm bộ truyền động, bộ điều khiển, bộ điều khiển động cơ và cảm biến—và có thể hoạt động độc lập như một mô-đun riêng biệt. Khi được kết nối với bộ điều khiển chính hoặc các mô-đun khác thông qua các bus nguồn và điều khiển đơn giản, thiết kế có tính liên kết cao nhưng độ ghép nối thấp này giúp tăng cường đáng kể khả năng mở rộng của robot cộng tác. Bằng cách sử dụng khớp mô-đun tích hợp này và kết hợp nó với các cánh tay robot và bộ phận cuối có kích thước phù hợp, các robot cộng tác được thiết kế riêng cho các yêu cầu khác nhau có thể được lắp ráp dễ dàng.

Hình 4. Sơ đồ cấu tạo của khớp nối mô-đun.

Nghiên cứu về các khớp nối tích hợp cho robot cộng tác và hệ thống điều khiển servo của chúng có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của robot cộng tác. Các công nghệ cốt lõi của các khớp nối tích hợp này bao gồm hai thành phần chính: bộ giảm tốc hài hòa và hệ thống điều khiển truyền động động cơ khớp cùng với các thuật toán điều khiển tương ứng. Công ty TNHH Công nghệ Truyền động Zhixin (Thạch Gia Trang) tập trung nghiên cứu vào hệ thống điều khiển truyền động động cơ khớp cho robot cộng tác, tiến hành các nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế truyền động và điều khiển động cơ khớp. Công ty đang phát triển một loạt các sản phẩm động cơ khớp robot tích hợp thông minh cao, cho phép khả năng điều khiển linh hoạt và đáng tin cậy hơn cho các khớp robot cộng tác, đồng thời tích hợp các tính năng quan trọng như tự nhận thức, ra quyết định thông minh, thực hiện khéo léo và điều khiển chính xác - từ đó đáp ứng nhu cầu phát triển thiết bị thông minh.

2. Tình hình nghiên cứu hiện tại trong nước và quốc tế

Năm 1956, nhà vật lý người Mỹ Joe Engelberger và nhà phát minh George Devol thành lập một công ty robot có tên Unimation, và công ty này đã thành công trong việc phát triển robot công nghiệp đầu tiên trên thế giới - Unimate - vào năm 1959.

Năm 1961, General Motors lần đầu tiên triển khai robot trong sản xuất công nghiệp tại nhà máy ở New Jersey. Năm 1969, Nhật Bản giới thiệu robot của Unimation, sau đó cấp phép công nghệ này cho Kawasaki Heavy Industries và tập đoàn KUKAI của Anh để sản xuất robot tại Nhật Bản và Anh. Với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô Nhật Bản, ngày càng nhiều robot thay thế lao động con người trong sản xuất, chứng minh đầy đủ giá trị thực tiễn của chúng. Do đó, Nhật Bản ngày càng chú trọng vào phát triển robot công nghiệp. Bắt đầu với Kawasaki Heavy Industries là đơn vị tiên phong trong việc áp dụng công nghệ robot, tiếp theo là sự xuất hiện của các công ty robot nổi tiếng thế giới như FANUC và Yaskawa, Nhật Bản đã trở thành một trong những quốc gia hàng đầu thế giới về công nghệ robot tiên tiến.

Năm 1973, công ty KUKA của Đức đã cải tiến robot Unimate để tạo ra robot sáu bậc tự do đầu tiên, Famulus, được vận hành bằng động cơ điện. Năm 1974, ASEA (tiền thân của ABB), một công ty điện lực tổng hợp của Thụy Điển, đã phát triển robot hoàn toàn bằng điện đầu tiên trên thế giới, IRB 6, được điều khiển bởi bộ vi xử lý, giúp nâng cao đáng kể trí thông minh của robot. Năm 1978, công ty Unimation của Mỹ đã triển khai rộng rãi robot công nghiệp PUMA trên các dây chuyền lắp ráp của General Motors, tiếp tục chứng minh tính thực tiễn và giá trị của robot công nghiệp và đánh dấu sự trưởng thành hoàn toàn của công nghệ robot công nghiệp, từ đó đặt nền móng vững chắc cho những tiến bộ công nghệ tiếp theo.

Trong hơn bốn thập kỷ phát triển robot công nghiệp, những tiến bộ công nghệ đã diễn ra liên tục. Tuy nhiên, do các yếu tố an toàn, robot thường được cố định tại các vị trí làm việc cụ thể và được ngăn cách bởi lan can bảo vệ, ngăn chúng làm việc cạnh con người trong cùng một không gian. Cấu hình truyền thống này hạn chế sự hợp tác giữa người và robot, khiến việc đạt được hiệu quả hợp tác thực sự trở nên khó khăn. Mặc dù đã có nhiều nỗ lực và nghiên cứu, việc đạt được sự hợp tác an toàn giữa người và robot vẫn là một thách thức lớn trong lĩnh vực robot công nghiệp.

Mãi đến năm 2005, một dự án lớn do EU tài trợ mới giới thiệu khái niệm robot cộng tác. Sáng kiến ​​này đã quy tụ các công ty robot công nghiệp hàng đầu như ABB, KUKA, Reis, Comau và Gudel để cùng phát triển một loại robot nhỏ gọn, linh hoạt và giá cả phải chăng, được thiết kế đặc biệt cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ, nhằm giảm sự phụ thuộc vào thuê ngoài lao động. Dự án này đã làm nổi bật rõ ràng tiềm năng của sự hợp tác giữa con người và robot, đặt nền móng vững chắc cho khái niệm robot cộng tác.

Những robot cộng tác đời đầu chủ yếu là những cải tiến và ứng dụng của các robot công nghiệp truyền thống, mà không làm thay đổi về cơ bản triết lý thiết kế hay phương thức hoạt động của chúng. Kể từ khi thành lập vào năm 2005, Universal Robots đã tập trung vào việc phát triển các robot cộng tác có khả năng làm việc an toàn cùng với người lao động. Năm 2009, công ty đã cho ra mắt UR5 – robot cộng tác đầu tiên trên thế giới – đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên này. Sau đó, Rethink đã giới thiệu robot hai tay Baxter và robot một tay Sawyer mới, dần dần thiết lập robot cộng tác như một lĩnh vực được công nhận và chấp nhận trong ngành robot công nghiệp. Sự tiến bộ này đã mang lại những hiểu biết và định hướng mới cho tự động hóa công nghiệp và phát triển thông minh trong tương lai.

Hình 5: Robot UR5 và robot Sawyer Baxter

Công ty Robot Siasun, trực thuộc Viện Tự động hóa Thẩm Dương thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, lần đầu tiên giới thiệu robot cộng tác linh hoạt bảy trục, đại diện cho trình độ công nghệ tiên tiến của Trung Quốc, tại Triển lãm Công nghiệp vào tháng 11 năm 2015. Kể từ đó, nhiều mẫu robot cộng tác trong nước như Luoshi và Aobo đã dần được công nhận.

Đối với các khớp robot, sự khác biệt chính giữa các khớp robot cộng tác và các khớp của robot công nghiệp hạng nặng truyền thống nằm ở “độ linh hoạt” của chúng. Độ linh hoạt này thể hiện ở độ cứng cơ học thấp hơn, quán tính giảm và khả năng cảm nhận mô-men xoắn. ​​Hiện nay, độ linh hoạt của khớp được sử dụng trong các cánh tay robot cộng tác chủ yếu xuất phát từ khả năng điều khiển vị trí và điều khiển mô-men xoắn chính xác.

Hình 6. Cấu trúc điển hình của khớp nối tích hợp trong robot cộng tác.

Tổng quan về các nghiên cứu hiện tại cho thấy sự phát triển robot của Trung Quốc bắt đầu muộn hơn so với các nước như Hoa Kỳ và Nhật Bản. Nghiên cứu về robot cộng tác vẫn còn tụt hậu đáng kể so với các sản phẩm quốc tế hiện có, với những điểm nghẽn chính nằm ở bộ giảm tốc hài hòa và hệ thống điều khiển truyền động động cơ khớp. Robot cộng tác trong nước hiện vẫn còn nhiều dư địa để cải thiện khả năng điều khiển khớp, đặc biệt là về độ chính xác điều khiển và điều khiển thông minh. Hơn nữa, xu hướng nghiên cứu robot toàn cầu chỉ ra rằng an toàn, tính linh hoạt và trí thông minh là những đặc điểm nổi bật của sự tiến bộ công nghệ. Các khớp robot đang phát triển theo hướng các hệ thống điều khiển truyền động tích hợp cao và trí thông minh cao hơn. Mặc dù các khớp robot cộng tác đã chuyển đổi từ kiến ​​trúc điều khiển tập trung truyền thống sang kiến ​​trúc điều khiển truyền động phân tán, nhưng hiện tại chúng chỉ thực hiện các hành động điều khiển bằng động cơ, thiếu khả năng nhận thức tự chủ, ra quyết định thông minh và thực hiện khéo léo - dẫn đến mức độ thông minh tương đối thấp. Vẫn còn tiềm năng đáng kể cho nhu cầu ngày càng tăng đối với các hệ thống robot thông minh.