CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN Ở chương này sẽ tập trung vào đánh giá tính cấp thiết, mục đích của đề tài và tình hình các nghiên cứu cũng như hệ thống tương tự. Tiếp theo xác định mục tiêu, nhiệm vụ cần thực hiện trong phạm vi luận văn để đạt được mục đích ban đầu. Tên đề tài Cải tiến hệ thống robot đóng gói bột ngọt bằng cách áp dụng thuật toán tự động phân bổ tác vụ. Tính cấp thiết, mục đích của đề tài, tổng quan tài liệu 1.
Tính cấp thiết Xuyên suốt theo các thời kỳ phát triển, vận động và biến đổi không ngừng của cuộc CMCN thì có thể tóm tắt một cách cơ bản: CMCN lần thứ nhất là cuộc cách mạng đánh dấu sự ra đời của kỷ nguyên cơ khí, cơ giới hóa với điểm nhấn là sự kiện phát minh ra động cơ hơi nước của James Watt, CMCN lần thứ hai là sự ra đời của các dây chuyền sản xuất hàng loạt trên quy mô lớn với điểm nhấn là việc sử dụng năng lượng điện, CMCN lần thứ ba là sự bùng nổ và lan rộng của công nghệ thông tin và tự động hóa. Ở thời điểm hiện tại, nhân loại đang bước những bước đầu tiên của CMCN lần thứ tư mà ở đó được dự báo rằng sẽ sự đột phá của các lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (AI), dữ liệu lớn (Big Data) và sự áp dụng của nó vào các lĩnh vực khác – tiến đến sự xóa nhòa ranh giới giữa các ngành trong cuộc sống. Tuy nhiên, để có một nên tảng chắc chắn trước khi bước vào CMCN lần thứ 4 thì việc áp dụng các thành tựu của của cuộc CMCN lần thứ 3 – tự động hóa để thay thế con người phải thật sự diễn ra đồng bộ, hiệu quả, rủi ro trong các khâu là tối thiểu hoặc phải được kiểm soát một cách chặt chẽ. Một trong những thiết bị tự động hóa tiêu biểu có khả năng linh hoạt thay thế được các công việc phức tạp của con người đó chính là Robot, chính xác hơn là cánh tay Robot, Industrial Robot.
Theo World Robotics Report 2020 của IFR đã thống kê hiện tại có khoảng 2,7 triệu robot công nghiệp đang hoạt động trong các nhà máy trên khắp thế giới - tăng 12%. Châu Á vẫn là thị trường mạnh nhất đối với robot công nghiệp - nguồn cung hoạt động cho người sử dụng lớn nhất trong khu vực là Trung Quốc tăng 21% và đạt 2 khoảng 783. Nhật Bản đứng thứ hai với khoảng 355. Á quân là Ấn Độ với kỷ lục mới khoảng 26.300 chiếc - cộng thêm 15%.
Trong vòng 5 năm, Ấn Độ đã tăng gấp đôi số lượng robot công nghiệp hoạt động trong các nhà máy của nước này. Thị phần robot mới được lắp đặt ở châu Á chiếm khoảng 2/3 nguồn cung toàn cầu [1]. Số lượng robot công nghiệp được lắp đặt hàng năm [1]. Từ số liệu trên có thể thấy được rằng xu hướng sử dụng robot công nghiệp - Industrial Robot để thay thế con người trong các quy trình trên dây chuyển sản xuất đã và đang tiến triển rất mạnh mẽ trong các năm trở lại đây.
Việc gia tăng mạnh mẽ này ngoài nguyên nhân chính là về khả năng tăng năng suất trong sản xuất, khả năng đáp ứng đa dạng trong công việc của robot thì còn là vì ưu tiên cấp bách trong giai đoạn dịch bệnh COVID-19 như ở thời điểm hiện tại – giai đoạn mà việc tập trung đông đúc nguồn nhân lực trong các lĩnh vực sản xuất là vô cùng rủi ro. Mục đích của đề tài Trong xu hướng tăng mạnh sử dụng robot công nghiệp vào các lĩnh vực sản xuất thì có thể thấy, thực tế việc sử dụng robot với các quỹ đạo, các tác vụ lập trình sẵn để thay thế được công việc nào đó trong công đoạn sản xuất đã không còn là vấn đề mới. Nếu như trong triết lý kinh doanh của người Nhật có thuật ngữ KAIZEN để nói về tinh thần cải tiến không ngừng các công việc của con người, của quy trình thì với robot công nghiệp - Industrial Robot cũng không nằm ngoài tinh thần đó. Việc áp 3 dụng các giải thuật mới và kết hợp với các thiết bị hỗ trợ (cảm biến vision, cảm biến force, cảm biến nhiệt độ,…) để nâng cao hiệu quả làm việc của robot, giúp hệ thống có thể đáp ứng các mục tiêu khác của người vận hành (tiết kiệm thời gian, không gian, chi phí,.) ngày càng được chú trọng và đẩy mạnh song song với việc đẩy mạnh áp dụng robot.
Một ví dụ điển hình như robot hàn, khi tiến hành gia công hàn trong môi trường sản xuất thực tế thì chất lượng của mối hàn sẽ phụ thuộc rất nhiều vào sai số khi gá đặt phôi, tính đồng nhất về biên dạng, bề mặt của phôi. Do đó, để xử lý các sai lệch này thì các robot hàn thường được tích hợp thêm cảm biến laser dò đường và dẫn mỏ hàn đi theo biên dạng đúng, từ đó giúp nâng cao độ chính xác của mối hàn. Robot hàn kết hợp cảm biến laser để tăng độ chính xác [2]. Chính vì vấn đề đó, đi vào cụ thể thì đề tài này sẽ tập trung vào việc cải tiến một hệ thống robot trong lĩnh vực sản xuất, cụ thể là một hệ thống robot đóng gói trong dây chuyền sản xuất MSG để giúp tăng hiệu quả vận hành của hệ thống, tiết kiệm chi phí bảo trì.
Hơn nữa là giúp tối ưu không gian làm việc để qua đó đáp ứng yêu cầu mở rộng sản xuất trong tương lai. Tình hình tổng quan 1. Một số thuật toán liên quan đã được nghiên cứu 4 - Dynamicmulti-robot task allocation under uncertainty and temporal constraints (Choudhury,S.(2022) [3]: Trong nghiên cứu này, với mục đích là làm tối thiểu số lượng tác vụ thực hiện không thành công ở vị trí cuối trong mô hình hoạt động, nhóm tác giả đã trình bày một thuật toán phân bổ tác vụ cho hệ nhiều robot. Cụ thể, thuật toán sẽ tiến hành giải quyết các đối tượng một cách tuần tự thông qua quá trình tính toán tương đối của hệ thống nhiều robot phối hợp, sau đó là giải quyết các đối tượng đó theo cách phân cấp.
Nhóm tác giả đã giới thiệu khả năng áp dụng thuật toán này thông qua một số ứng dụng điển hình trong các lĩnh vực: + Robot công nghiệp: Hệ thống gồm nhiều cánh tay robot để thực hiện công việc gắp các vật thể chạy liên tục trên băng tải. Hệ thống robot Pick & Place vật thể trên băng tải [3]. + Lĩnh vực logistic: Ứng dụng vận hành hệ nhiều máy bay không người lái (Drone) thực hiện công việc giao hàng. Hệ thống máy bay không người lái thực hiện công việc giao hàng [3].
Mô hình dạng nhánh cây xử lý các tác vụ theo trình tự [3]. Kết quả mô phỏng thuật toán với hệ robot – băng tải: Nhóm tác giả đã tạo một mô hình gồm 3 cánh tay robot giống nhau sắp xếp dọc theo một băng tải, robot sẽ tiến hành gắp các vật thể trên băng tải và bỏ vào thùng. Mỗi robot có không gian là việc là 0.3 đơn vị, bắt đầu từ X = 0. Kết quả mô phỏng thuật toán với hệ robot-conveyor [3].
Kết quả mô phỏng thuật toán với hệ các drone giao hàng [3]. 7 - Multi-Robot Task Allocation Games in Dynamically Changing Environments (Park, S. (2021, May)) [4]: Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã trình bày 2 nội dung chính: + Lý thuyết về phân bổ nhiệm vụ trong môi trường thay đổi linh hoạt: Nhóm tác giả đã đề xuất 1 nền tảng về phân bổ nhiệm vụ nhiều robot bao gồm mô hình tổng hợp mô tả động lực cơ bản của môi trường và thuật toán ra quyết định quy định cách robot có thể sửa đổi hiệu quả các lựa chọn nhiệm vụ của chúng. + Phân tích hội tụ và xác thực thông qua thử nghiệm: Bằng cách tận dụng các công cụ phân tích được phát triển gần đây, nhóm tác giả đã thiết lập thuật toán ra quyết định đảm bảo sự hội tụ để phân bổ nhiệm vụ hiệu quả mà tại đó môi trường các biến tài nguyên được giảm thiểu.
Ngoài ra, tác giả thực hiện thuật toán đề để đánh giá hiệu suất của nó ở quy mô các thí nghiệm lớn. Ứng dụng robot thu gom rác: Mỗi tay máy di động có nhiệm vụ thu thập qi rác, được hiển thị dưới dạng các vật thể màu đỏ, trong một patch i [4]. Robot thu gom rác: (a) Môi trường. - Kết quả mô phỏng với các điều kiện ban đầu của thí nghiệm lần lượt là q(0) = (0; 0; 0; 0), x(0) = (0:25; 0:25; 0:25; 0:25) và w = (0: 5; 0: 5; 0: 5; 0 : 5): Hình 1.
Kết quả thử nghiệm với việc thay đổi tốc độ tăng trưởng và sự suy giảm của các robot riêng lẻ [4]. 9 - Kết quả mô phỏng với các điều kiện ban đầu của thí nghiệm lần lượt là = p(0)=(100;200;300;400), x(0) = (0:25;0:25;0:25;0:25), w = (1:0;0:5;0:33;0:25): Hình 1. Kết quả thử nghiệm với các lựa chọn khác nhau của tham số v [4]. Trong nghiên cứu này, tác giả đã đề xuất một thuật toán ra quyết định để phân bổ nhiệm vụ cho nhiều robot trong các môi trường thay đổi linh động.
Các kết quả chính của nghiên cứu đã thiết lập sự đảm bảo hội tụ theo thuật toán được đề xuất, robot có thể học và đạt được phân bổ nhiệm vụ tối ưu và mạnh mẽ chống lại sự xáo trộn trong quá trình ra quyết định của chúng. Cuối cùng là đánh giá hiệu suất của thuật toán trong ứng dụng cụ thể là xây dựng hệ thống robot thu gom rác. Một số hệ thống thực tế - Robotic packaging solution for high speed packing of cookies into retail trays (Supplier: PWR) [5]: Thông số kĩ thuật của hệ thống: + Số lượng robot: 32 (5-axis PWR delta robot). + Tốc độ đóng gói: 3000 bánh quy/ phút.
+ Nhà cung cấp: PWR Pack International B. Chức năng của hệ thống: Hệ thống sử dụng 32 robot delta để thực hiện quy trình đóng gói bánh quy với tốc độ 3000 bánh quy/phút. Cụ thể, trong hệ thống sẽ có 2 robot cấp khay và 30 robot có nhiệm vụ gắp bánh quy trên băng tải (chạy liên tục) để đặt vào khay. Toàn hệ thống (trái) và cận cảnh quá trình gắp sản phẩm (phải) [5].
+ Camera: FANUC iRVision. + Tốc độ đóng gói: 400 bịch/ phút. + Nhà cung cấp: StrongPoint Automation. Chức năng của hệ thống: Hệ thống sử dụng 4 robot delta và 1 robot 6 trục để thực hiện quy trình đóng gói các bịch sản phẩm vào hộp carton với tốc độ 400 bịch/phút.
Hệ thống robot đóng gói sản phẩm [6]. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của luận văn 1.