Nghiên cứu và phát triển cánh tay robot công nghiệp di động tự động (AIMMR) cho ứng dụng trong hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS)

Đồ án nghiên cứu cánh tay robot công nghiệp di động AIMMR cho hệ thống FMS tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Lê Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Văn Phong
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu và phát triển cánh tay robot công nghiệp di động tự động (AIMMR) cho ứng dụng trong hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS)
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về cánh tay robot công nghiệp di động AIMMR

Cánh tay robot công nghiệp di động tự động (AIMMR) là xu hướng cốt lõi trong sản xuất hiện đại. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung nghiên cứu mô hình tích hợp này cho hệ thống sản xuất linh hoạt FMS. Cấu trúc thiết bị gồm hai thành phần cơ bản: đế di động tự hành và cánh tay robot công nghiệp nhiều bậc tự do. Sự kết hợp này mang lại khả năng di chuyển linh hoạt cùng năng lực gắp đặt chính xác. Mô hình hướng đến việc tự động hóa quá trình cấp phôi và thu hồi sản phẩm tại các xưởng cơ khí. Nền tảng điều khiển sử dụng hệ điều hành robot ROS2 hiện đại. Thiết bị có khả năng lập bản đồ môi trường, định vị và tự tránh vật cản theo thời gian thực. Toàn bộ thiết kế cơ khí và thuật toán điều khiển được tối ưu hóa theo điều kiện thực tế của doanh nghiệp Việt Nam. Dự án mở ra bước tiến mới trong việc nội địa hóa giải pháp tự động hóa cao cấp.

1.1. Khái niệm và cấu trúc cơ bản của hệ thống AIMMR

Hệ thống AIMMR kết hợp nền tảng xe tự hành AMR và cánh tay thao tác công nghiệp. Xe tự hành đảm nhận vai trò định vị và dẫn đường trong không gian xưởng. Cánh tay cơ khí thực hiện các nhiệm vụ gắp thả phôi chính xác tại các máy gia công CNC. Cấu trúc tổng thể bao gồm hệ thống khung cơ khí, cụm động cơ dẫn động, khối cảm biến đo lường và máy tính nhúng điều khiển trung tâm. Nguồn điện pin dung lượng cao cung cấp năng lượng độc lập liên tục cho toàn bộ chu trình làm việc. Giao thức mạng công nghiệp kết nối các khối phần cứng thành một thể thống nhất. Thiết kế mô-đun hóa cho phép thay thế hoặc nâng cấp linh kiện linh hoạt theo nhu cầu mở rộng.

1.2. Vai trò của AIMMR trong hệ thống sản xuất linh hoạt

Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS yêu cầu khả năng thích ứng cao trước sự biến động của đơn hàng. Các băng chuyền cố định thường bộc lộ nhiều hạn chế về diện tích và tính tùy biến. Robot AIMMR khắc phục hoàn toàn nhược điểm này nhờ tính cơ động vượt trội. Thiết bị kết nối liền mạch giữa các khu vực kho nguyên liệu, trạm máy công cụ và khu lắp ráp thành phẩm. Nhờ đó, dây chuyền sản xuất duy trì hoạt động nhịp nhàng mà không cần người vận hành can thiệp thủ công. Thời gian chuyển đổi mã hàng giảm xuống mức tối thiểu. Năng suất tổng thể của xưởng sản xuất gia tăng rõ rệt. Đồng thời, sai sót trong quá trình trung chuyển vật tư cũng bị triệt tiêu đáng kể.

II. Thách thức kỹ thuật cánh tay robot công nghiệp di động AIMMR

Việc phát triển hệ thống AIMMR đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật phức tạp trong môi trường công nghiệp. Trước hết, vấn đề động lực học ghép nối giữa thân xe di động và cánh tay thao tác gây ra rung lắc lớn. Khi cánh tay mang tải di chuyển, trọng tâm toàn hệ thống thay đổi liên tục, làm giảm độ thăng bằng của đế xe. Sai số vị trí tích lũy từ bánh xe cơ học khiến độ chính xác gắp đặt suy giảm nghiêm trọng. Môi trường nhà xưởng cơ khí thường xuyên có chướng ngại vật phát sinh và bề mặt sàn không bằng phẳng. Cảm biến định vị dễ bị nhiễu bởi bụi kim loại và ánh sáng thay đổi. Ngoài ra, việc đồng bộ tín hiệu thời gian thực giữa các phần cứng điều khiển khác chuẩn đặt ra bài toán khó. Tốc độ tính toán thuật toán điều hướng bị giới hạn bởi năng lực máy tính nhúng. Các thuật toán tối ưu cổ điển hay rơi vào cực trị cục bộ, khiến robot mất phương hướng hoặc phản ứng chậm.

2.1. Vấn đề động lực học ghép nối và sai số tích lũy

Khi cánh tay vươn dài mang tải, mô-men quán tính tác động ngược trở lại phần đế xe di động. Hiện tượng trượt bánh cơ học làm sai lệch ước lượng tọa độ của hệ thống định vị quán tính odometry. Sai số nhỏ ở mặt đất sẽ khuếch đại thành sai số lớn tại đầu công tác kẹp phôi. Nếu không bù sai số kịp thời, ngón kẹp sẽ va chạm vào đồ gá hoặc máy công cụ CNC. Hơn nữa, dao động cơ học sinh ra trong quá trình tăng giảm tốc làm giảm tuổi thọ của cụm khớp nối. Việc triệt tiêu rung động đòi hỏi mô hình toán học phản ánh chính xác tương tác lực giữa các khâu động lực.

2.2. Hạn chế của thuật toán tối ưu hóa đường đi truyền thống

Các giải thuật tìm kiếm đường đi kinh điển thường gặp bế tắc trong không gian nhiều chướng ngại vật phức tạp. Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn PSO nguyên bản dễ mắc kẹt vào các điểm cực trị cục bộ. Tốc độ hội tụ của thuật toán chậm khiến robot phản ứng kém linh hoạt khi gặp chướng ngại vật di động. Khả năng cân bằng giữa thăm dò vùng mới và khai thác vùng tối ưu sẵn có chưa hiệu quả. Khi bản đồ nhà xưởng mở rộng quy mô, lượng tính toán bùng nổ làm quá tải bộ vi xử lý nhúng. Điều này dẫn đến sự gián đoạn trong việc lập kế hoạch quỹ đạo di chuyển theo thời gian thực.

III. Phương pháp phát triển cánh tay robot công nghiệp di động AIMMR

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM triển khai giải pháp tích hợp phần cứng và phần mềm toàn diện. Hệ thống kết hợp chặt chẽ giữa hệ điều hành mã nguồn mở ROS2 và hệ sinh thái phần cứng công nghiệp Mitsubishi. Mô hình 3D được thiết kế tỉ mỉ trên phần mềm Solidworks nhằm tối ưu phân bố khối lượng cơ khí. Nhóm thực hiện mô phỏng động học và động lực học chi tiết trên môi trường MATLAB/Simulink và Gazebo. Thuật toán bầy đàn cải tiến IPSO (Improved Particle Swarm Optimization) được áp dụng nhằm nâng cao năng lực dẫn đường. IPSO tự động điều chỉnh động trọng số quán tính và hệ số học hỏi trong suốt quá trình tìm kiếm. Hàm mục tiêu tích hợp đa tiêu chí gồm độ dài quãng đường, khoảng cách an toàn và mức tiêu hao năng lượng. Giải pháp này giúp robot né tránh vật cản mượt mà, đạt độ chính xác cao và tiết kiệm điện năng vận hành.

3.1. Thuật toán IPSO tối ưu hóa quỹ đạo và dẫn đường

Thuật toán IPSO giải quyết triệt để bài toán rơi vào cực trị cục bộ của phiên bản PSO truyền thống. Bằng cơ chế biến thiên thích nghi trọng số quán tính, thuật toán mở rộng vùng tìm kiếm ở giai đoạn đầu. Tiếp theo, hệ số học hỏi tăng dần giúp các hạt tập trung hội tụ nhanh về vị trí nghiệm tối ưu toàn cục. Hàm đánh giá mục tiêu không đòi hỏi đạo hàm giải tích phức tạp, rất phù hợp với dữ liệu đo thực nghiệm. Đường đi tạo ra có độ trơn nhẵn cao, giảm thiểu các góc ngoặt đột ngột cho xe tự hành. Nhờ đó, động cơ tiêu tốn ít năng lượng hơn và robot duy trì tốc độ vận hành ổn định.

3.2. Tích hợp hệ sinh thái Mitsubishi và nền tảng ROS2

Kiến trúc điều khiển kết hợp sức mạnh thuật toán của ROS2 và độ tin cậy từ thiết bị Mitsubishi. Các bộ điều khiển lập trình PLC và động cơ servo Mitsubishi phụ trách điều khiển chấp hành cấp thấp với tốc độ đáp ứng cao. Trong khi đó, ROS2 xử lý các tác vụ tính toán cấp cao như định vị SLAM, nhận dạng hình ảnh và lập kế hoạch di chuyển. Giao thức truyền thông công nghiệp chuẩn hóa đảm bảo dữ liệu truyền nhận liên tục và không có độ trễ. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa hai nền tảng tạo nên cấu trúc điều khiển phân tầng vững chắc. Hệ thống đáp ứng tốt các tiêu chuẩn an toàn công nghiệp khắt khe tại nhà máy.

IV. Ứng dụng thực tiễn cánh tay robot công nghiệp di động AIMMR

Đề tài nghiên cứu AIMMR tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mang lại giá trị ứng dụng cao cho ngành sản xuất thông minh. Hệ thống đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội thông qua các bài kiểm tra thực nghiệm tại xưởng gia công cơ khí. Robot thực hiện trơn tru các công đoạn cấp phôi thô vào đồ gá máy phay CNC và lấy chi tiết sau khi tiện xong. Quá trình vận hành tự động liên tục giảm thiểu nguy cơ tai nạn lao động cho công nhân trong môi trường độc hại. Năng lực làm việc chính xác giúp giảm tỷ lệ hư hỏng phôi kim loại giá trị cao. Mô hình thiết kế có tính ứng dụng linh hoạt, dễ dàng mở rộng sang ngành lắp ráp điện tử và kho vận logistics tự động. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc làm chủ công nghệ chế tạo robot công nghiệp di động phức tạp tại Việt Nam. Đây là tiền đề quan trọng thúc đẩy chuyển đổi số sản xuất.

4.1. Tự động hóa công đoạn bốc xếp phôi tại xưởng cơ khí

Trong các xưởng gia công kim loại, thao tác cấp phôi lặp đi lặp lại thường gây mệt mỏi và tiềm ẩn nhiều rủi ro chấn thương cho người lao động. Robot AIMMR tiếp cận từng máy phay hoặc máy tiện CNC với độ chính xác vị trí rất cao. Thiết bị kết hợp cảm biến tiệm cận và thị giác máy tính để nhận diện chi tiết phôi. Cánh tay kẹp phôi chắc chắn, đặt đúng tọa độ đồ gá và gửi tín hiệu kích hoạt chu trình gia công tự động. Sau khi máy hoàn tất công đoạn cắt gọt, robot thu hồi thành phẩm và chuyển tiếp đến trạm đo lường. Toàn bộ chuỗi thao tác diễn ra khép kín, nhịp nhàng và liên tục suốt ngày đêm.

4.2. Tiềm năng thương mại hóa và phát triển tương lai

Mô hình robot AIMMR mở ra cơ hội thương mại hóa sáng sủa cho các doanh nghiệp cơ khí chế tạo trong nước. Chi phí đầu tư hệ thống tự chế tạo thấp hơn nhiều so với việc nhập khẩu robot nguyên chiếc từ nước ngoài. Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu hướng tới việc nâng cấp hệ thống thị giác 3D nhận diện chiều sâu. Đồng thời, công nghệ trí tuệ nhân tạo học tăng cường sẽ được thử nghiệm để tối ưu hóa khả năng ra quyết định linh hoạt. Việc kết nối robot với hệ thống quản lý sản xuất đám mây MES sẽ nâng cao mức độ tự động hóa toàn diện của nhà máy thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN xưởng gia công. HanKamp Gears BV là một công ty Hà Lan chuyên sản xuất bánh răng chất lượng cao cho hộp số, họ đã hợp tác với công ty Robotnik một công ty Tây Ban Nha đi đầu về kỹ thuật robot di động tự hành để triển khai dự án RB-KAIROS+, một robot di động tự hành tích hợp cánh tay máy dùng cho các tác vụ Pick and Place và xử lí vật liệu. Hệ quả của sự hợp tác này là sự gia tăng hiệu quả trong dây chuyền sản xuất nhờ di động hóa cánh tay robot giúp cánh tay có thể thao tác trong phạm vi rộng hơn. Nhờ vào khả năng thao tác linh hoạt tại nhiều vị trí khác nhau trong nhà xưởng chỉ với một cánh tay robot, chi phí đầu tư được tối ưu đang kể.

Robot tạo ra một không gian an toàn khi có thể làm việc chung với con người tạo ra một không gian cộng tác. Và cuối cùng RB-KAIROS+ giúp tự động hóa các tác vụ nhàm chán, nguy hiểm hoặc lặp đi lặp lại qua đó giảm nhân lực trong sản xuất [4]. Đồng thời robot di động tự hành tích hợp tay máy còn được ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực như y tế, nông nghiệp, không gian và quân sự. Vì sự thích ứng với đa dạng lĩnh vực, tính linh hoạt và khả năng tái cấu hình cao nên thị trường giành cho AIMMR ở những nước phát triển và đang phát phát triển đã và đang tăng trưởng rất nhanh với quy mô toàn cầu ước đạt 385,9 triệu USD vào năm 2023 và dự kiến đạt 1.699,5 triệu USD vào năm 2030, tương ứng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) 23,9% trong giai đoạn 2024–2030, nhờ vào sự phát triển vượt bậc của công nghệ trí tuệ nhân tạo, học máy, cảm biến và nhu cầu tự động hóa ngày càng cao trong các lĩnh vực như sản xuất, logistics, y tế và nông nghiệp, giúp cải thiện hiệu suất, giảm chi phí lao động, đảm bảo an toàn lao động và thích ứng linh hoạt với môi trường làm việc phức tạp [5].

Tuy nhiên, ở thị trường Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ AIMMR vẫn còn ở giai đoạn sơ khai do chi phí đầu tư cao, hạ tầng công nghệ chưa đồng bộ và thiếu nguồn nhân lực có chuyên môn sâu, dẫn đến tiềm năng nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này còn rất lớn. Do đó, việc lựa chọn đề tài nghiên cứu và ứng dụng robot di động tự hành tích hợp cánh tay máy tự hành trong môi trường sản xuất linh hoạt là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao, nhằm từng bước nội địa hóa công nghệ, giảm phụ thuộc vào nhập khẩu và đáp ứng xu hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa trong nước. 24 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN Từ những ưu và nhược điểm, những cơ hội lẫn thách thức trong đề tài “Nghiên cứu và phát triển cánh tay robot công nghiệp di động tự động (AIMMR) cho ứng dụng trong hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS)” được triển khai để đưa ra một hướng tiếp cận hoàn toàn mới về công nghệ AIMMR cho một thị trường mới như ở Việt Nam. Bằng cách ứng dụng các cơ cấu phần cứng đến từ Mitsubishi Electric, một công ty công nghiệp nặng lâu đời tại Nhật Bản và đã xuất hiện ở thị trường Việt Nam hơn một thập kỷ nay.

Đồng thời ứng dụng vào đó những công nghệ điều khiển mới nhất và hiệu quả nhất hiện nay nhằm nâng cao hiệu suất, hiệu quả trong quá trình sản xuất và gia công. Đồng thời nghiên cứu này còn là một hướng đi phù hợp với xu thế, tính khả thi cao và mang lại nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiễn. Không những thế, việc ứng dụng AIMMR còn mang theo một số lợi ích khác như: • Di chuyển và thao tác linh hoạt trong không gian ba chiều, cho phép thực hiện nhiều tác vụ khác nhau tại nhiều địa điểm và không cần thay đổi bố trí của nhà máy hoặc dây chuyền sản xuất. Cấu thành nên một hệ thống sản xuất linh hoạt FMS.

• Ứng dụng AIMMR giúp giảm sự phụ thuộc vào lao nhân công trong các công việc lặp đi lặp lại, nguy hiểm hoặc yêu cầu độ chính xác cao. Qua đó, doanh nghiệp tiết kiệm được chi phí nhân công, giảm sai sót do con người và tăng hiệu quả sản xuất • Trong các môi trường có tính rủi ro cao như xưởng gia công, AIMMR có thể thay thế con người để thực hiện các tác vụ nguy hiểm và có hại cho sức khỏe. Giúp giảm tai nạn lao động và tạo ra một môi trường an toàn hơn. Ngoài ra, AIMMR còn có thể được tích hợp vào những hệ thống thông minh (Industrial 4.0), giao tiếp với các thiết bị khác nhau qua mạng công nghiệp và chia sẻ dữ liệu thời gian thực giúp quản lý sản xuất hiệu quả hơn.

25 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1. Mục tiêu tổng quát Đề tài “Nghiên cứu và phát triển cánh tay robot công nghiệp di động tự động (AIMMR) cho ứng dụng trong hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS)” được nghiên cứu và thực hiện một cánh tay robot 6 bậc tự do (6 DOF Robot Arm) với một robot tự hành (AMR) và được đồng bộ hóa bằng các cơ cấu đến từ Mitsubishi Electric để thực hiện nhiệm vụ cấp phôi cho máy gia công cơ khí. Mục tiêu cụ thể Thiết kế và mô phỏng một cánh tay robot 6 bậc tự do có khả năng gắp, thả vật tại các vị trí xác định với sai số vị trí không quá ±5 mm và sai số góc không quá ±3 độ. Tích hợp cánh tay robot với nền tảng xe tự hành (AMR) có khả năng di chuyển trong môi trường xưởng với tải trọng tối đa 140 kg và sai số định vị không quá ±50 mm.

Kết hợp cánh tay robot và robot tự hành để thực hiện nhiệm vụ di chuyển đến vị trí đã định sẵn, sử dụng mã ArUco để định vị chính xác và tiến hành thao tác gắp vật với độ tin cậy cao. Phát triển hệ thống điều khiển đồng bộ giữa robot arm và AMR sử dụng thiết bị điều khiển PLC và servo của Mitsubishi Electric, đảm bảo hoạt động ổn định liên tục trong ít nhất 2 giờ mà không xảy ra lỗi hệ thống. Xây dựng giao diện điều khiển cho phép người dùng lựa chọn vị trí cấp phôi, điều khiển robot vận hành và giám sát trạng thái theo thời gian thực. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 1.

Cách tiếp cận Đề tài sẽ được tiếp cận theo hướng tích hợp và ứng dụng công nghệ điều khiển hiện đại để giải quyết các bài toán thực tiễn trong sản xuất linh hoạt. Trong đó AIMMR được xem là một giải pháp kỹ thuật toàn diện, là sự kết hợp giữa khả năng định hướng tự động của AMR và khả năng thao tác vật lý của cánh tay robot công nghiệp. Hướng tiếp cận sẽ được xây dựng trên cơ sở: • Nghiên cứu các bài báo, nghiên cứu uy tín về robot di động tự hành tích hợp tay máy, cũng như là các hướng tích hợp mô hình vào những hệ thống 26 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN sản xuất thông minh. Đồng thời, phần tích bài toán thực tiễn, tập trung vào môi trường gia công cơ khí tại các xưởng, các cơ sở gia công kim loại từ đó rút ra phương pháp thiết kế phần cứng lẫn phần mềm để đáp ứng được tính linh hoạt, tính chính xác và tính an toàn trong sản xuất • Thiết kế mô hình robot với những linh kiện, cơ cấu phù hợp với điều kiện kỹ thuật, nguồn cung cấp vật liệu và cơ sở lý thuyết đã đề ra • Sử dụng các công cụ phần mềm để tính toán mô phỏng như MATLAB/Simulink, Solidworks và Gazebo để mô phỏng và đánh giá hiệu quả hệ thống trước khi triển khai thực tế.

• Nghiên cứu và đi sâu vào các phần cứng đến từ Mitsubishi, giao tiếp và đồng bộ hệ sinh thái của Mitsubishi với hệ điều hành robot (ROS2) 1. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sẽ được triển khai theo phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm như sau: Nghiên cứu, xây dựng cơ sở lý thuyết dựa trên những công trình nghiên cứu, bài báo khoa học, tiêu chuẩn công nghiệp, ứng dụng thực tế liên quan đến AIMMR, sản xuất linh hoạt và các thuật toán điều khiển liên quan. Đồng thời xây dựng môi trường mô phỏng và đánh giá khả năng vận hành, định vị, lập kế hoạch đường đi, xây dựng bản đồ và thao tác vật thể. Hoàn thiện bản thiết kế về phần cơ khí, phần điện và hệ điều khiển đa bậc cho toàn bộ robot.

Sau khi mô phỏng, gia công và lắp đặt mô hình thực tế theo bản thiết kế đã để ra. Bắt đầu kiểm tra độ đáp ứng của robot với các cơ cấu thực tế và đưa ra hướng giải quyết khi gặp vấn đề. Đồng thời, kiểm tra những tính năng an toàn khi robot đang vận hành nhằm khắc phục sớm nhất những sai số có thể xảy ra. Giới hạn đề tài Robot được thiết kế chủ yếu để hoạt động trong không gian trong nhà có kích thước từ 40m2 trở lên như các xưởng sản xuất, nhà kho– nơi có mặt sàn bằng phẳng, khô ráo, ít chướng ngại vật.

Đường đi cho robot có chiều rộng từ 1,4m trở lên. 27 CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN Vì hạn chế về kinh phí thực hiện đề tài nên nhóm chưa trang bị pin,vì vậy mô hình dùng điện lưới để chạy thử nghiệm. Đề tài chưa trang bị pin nên không xét đến việc năng lượng pin của robot trong trạng thái yếu hoặc hết cũng như kết nối mạng yếu, từ đó có thể gây ra việc dừng robot đột ngột trong quá trình thực nghiệm, hay đề tài chỉ xét đến việc robot trong trạng thái tốt hoặc bình thường. Đề tài xét giới hạn tầm hoạt động của lidar là 210 độ nên không xét trường hợp xe đi lùi.