Đồ án: Thiết kế và triển khai bóng kỹ thuật số trên cánh tay robot 6 bậc

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu thiết kế và triển khai bóng kỹ thuật số (digital shadow) cho cánh tay robot 6 bậc tự do, ứng dụng trong tự động hóa.

• Tác giả: Nguyễn Phương Tài
• Người hướng dẫn: TS. Trần Đức Thiện
• 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: Thiết kế và triển khai bóng kĩ thuật số cho cánh tay robot
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm và Định Nghĩa Bóng Kỹ Thuật Số

Bóng kỹ thuật số (Digital Shadow) là một mô hình kỹ thuật số được tạo dựng để đồng bộ hóa với các thiết bị vật lý trong thời gian thực. Khác với Digital Twin là bản sao hoàn chỉnh với khả năng dự đoán, Digital Shadow tập trung vào việc sao chép dữ liệu và trạng thái hiện tại của robot. Công nghệ này cho phép các kỹ sư và nhà điều hành theo dõi hoạt động robot một cách chính xác, cải thiện hiệu suất và giảm thiểu rủi ro trong các ứng dụng công nghiệp. Trong lĩnh vực robot tay cơ khí, Digital Shadow đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý hiệu suất và phát hiện lỗi sớm.

1.1. Sự Khác Biệt Giữa Digital Shadow và Digital Twin

Digital Shadow chỉ nhận dữ liệu từ robot thực mà không có khả năng điều khiển hoặc dự đoán. Ngược lại, Digital Twin là một mô hình toàn diện với thuật toán học máy và khả năng tối ưu hóa. Digital Shadow phù hợp hơn cho các ứng dụng cần giám sát thời gian thực và phân tích dữ liệu từ các cảm biến robot.

1.2. Ứng Dụng trong Robot Công Nghiệp

Trong các nhà máy hiện đại, Digital Shadow giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Robot tay cơ khí sử dụng công nghệ này có thể tự động điều chỉnh động tác dựa trên phản hồi thời gian thực từ môi trường công việc, đảm bảo độ chính xác cao và an toàn lao động.

II. Quy Trình Thiết Kế Bóng Kỹ Thuật Số cho Robot

Thiết kế Digital Shadow cho cánh tay robot là một quá trình phức tạp đòi hỏi sự kết hợp của mô phỏng động học, truyền thông dữ liệu và tích hợp phần mềm. Quá trình này bắt đầu từ xây dựng mô hình 3D trên phần mềm CAD như SolidWorks, sau đó chuyển đổi sang MATLAB Simscape để thực hiện tính toán động lực học. Tiếp theo, cần thiết kế giao thức truyền thông CAN Bus để kết nối robot thực với môi trường ảo. Cuối cùng, đồng bộ hóa dữ liệu giữa hai hệ thống để tạo nên một Digital Shadow hoàn chỉnh.

2.1. Mô Phỏng Động Học và Động Lực Học

Bước đầu tiên là tính toán động học thuận và nghịch sử dụng phương pháp DH (Denavit-Hartenberg). Sau đó, mô phỏng động lực học trên MATLAB Simscape giúp xác định lực và mô-men tác động lên từng khớp robot. Quá trình này đảm bảo rằng mô hình ảo hoạt động giống hệt robot thực trong các điều kiện làm việc khác nhau.

2.2. Xây Dựng Môi Trường Ảo và Truyền Thông

Môi trường ảo được tạo dựng trên phần mềm chuyên dụng để hiển thị chuyển động robot trong không gian 3D. Mạng CAN Bus được sử dụng để truyền dữ liệu từ bộ điều khiển PLC đến môi trường ảo với tốc độ thực và độ trễ tối thiểu, đảm bảo đồng bộ hóa hoàn hảo.

III. Công Nghệ và Công Cụ Thực Hiện

Để thực hiện Digital Shadow cho robot, cần sử dụng nhiều công nghệ hiện đại và phần mềm chuyên dụng. SolidWorks 2021 được dùng để tạo mô hình 3D chi tiết của cánh tay robot với 6 bậc tự do. MATLAB 2023B với Simscape Multibody giúp mô phỏng động lực học và kiểm chứng kết quả. CAN Bus là giao thức truyền thông chuẩn cho hệ thống công nghiệp giúp trao đổi dữ liệu giữa bộ điều khiển và các động cơ Step Motor. Cuối cùng, lập trình C# hoặc Python được sử dụng để xây dựng giao diện người dùng và đồng bộ hóa dữ liệu.

3.1. Phần Mềm Thiết Kế và Mô Phỏng

SolidWorks cung cấp môi trường thiết kế 3D chuyên nghiệp với khả năng phân tích tĩnh và động lực học tích hợp. MATLAB Simscape cho phép mô phỏng hệ thống phức tạp với độ chính xác cao, hỗ trợ xuất khẩu mô hình từ CAD trực tiếp vào môi trường mô phỏng.

3.2. Hệ Thống Điều Khiển và Truyền Thông

Mạng CAN Bus hoạt động ở tốc độ 1 Mbps cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng và đáng tin cậy. Động cơ Step Motor được điều khiển bởi PLC thông qua driver Step Motor với độ phân giải cao. Cảm biến vị trí cung cấp phản hồi thời gian thực để điều chỉnh chuyển động robot và duy trì đồng bộ với mô hình ảo.

IV. Lợi Ích và Ứng Dụng Thực Tế

Digital Shadow mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho các ứng dụng robot công nghiệp. Thứ nhất, nó cho phép giám sát hoạt động robot từ bất kỳ vị trí nào thông qua giao diện web hoặc ứng dụng di động. Thứ hai, phát hiện lỗi sớm thông qua so sánh dữ liệu giữa robot thực và mô hình ảo giúp giảm thời gian ngừng hoạt động. Thứ ba, nó hỗ trợ huấn luyện kỹ sư bằng cách mô phỏng các kịch bản khác nhau trong môi trường an toàn. Cuối cùng, tối ưu hóa hiệu suất thông qua phân tích dữ liệu giúp tăng năng suất sản xuất.

4.1. Giám Sát và Quản Lý Hiệu Suất

Dashboard thời gian thực hiển thị trạng thái robot, tốc độ hoạt động và mức tiêu thụ năng lượng. Cảnh báo tự động được gửi ngay khi phát hiện bất thường, cho phép can thiệp nhanh chóng. Dữ liệu lịch sử được lưu trữ để phân tích xu hướng, giúp dự đoán bảo trì phòng ngừa.

4.2. Hỗ Trợ Huấn Luyện và Tối Ưu Hóa

Mô phỏng các kịch bản phức tạp trên Digital Shadow cho phép thử nghiệm an toàn mà không ảnh hưởng đến robot thực. Huấn luyện nhân viên trở nên hiệu quả hơn khi có thể tương tác với mô hình ảo. Tối ưu hóa quỹ đạo dựa trên dữ liệu thực tế giúp giảm chu kỳ sản xuất và cải thiện chất lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong bối cảnh kinh tế toàn cầu không ngừng biến đổi, ngành công nghiệp sản xuất truyền thống đang đứng trước những thách thức lớn lao do sự phát triển vượt bậc của công nghệ kỹ thuật số. Sự tiến bộ này đã mở ra những cơ hội mới, đồng thời cũng đặt ra những yêu cầu khắt khe hơn đối với các doanh nghiệp sản xuất. Việc tích hợp các thiết bị thông minh kết nối trong nhà máy đã trở thành yếu tố cốt lõi của cái gọi là Công nghiệp 4.0, một khái niệm được giới thiệu lần đầu vào năm 2011 tại Hannover Messe và từ đó đến nay đã tạo nên một cuộc cách mạng trong lĩnh vực sản xuất [1]. Không chỉ mang lại những lợi ích về hiệu suất và năng suất, cuộc cách mạng công nghệ này còn nhắm đến việc nâng cao tiêu chuẩn an toàn trong các quy trình sản xuất.

Đây là một mục tiêu quan trọng, đặc biệt đối với các hoạt động liên quan đến robot và tự động hóa, nơi mà công việc mang tính chất lặp đi lặp lại, những công việc nguy hiểm đều được robot dần dần thay thế giúp giảm bớt sức lao động cho con người, đặc biệt vấn đề an toàn luôn được đặt lên hàng đầu và được nghiên cứu một cách kỹ lưỡng.1 Ứng dụng của robot a) Ứng dụng trong lắp ráp ô tô; b) Ứng dụng hàn các thiết bị; c) Ứng dụng trong gắp vật; d) Ứng dụng trong giáo dục Trong quá trình phát triển và triển khai robot công nghiệp, việc lập trình và tối ưu hóa các hoạt động của robot là một yếu tố then chốt. Trong ngành công nghiệp robot, các phương pháp lập trình có thể được phân loại thành lập trình ngoại tuyến (Offline Programming - OLP) hoặc trực tuyến (Online Programming). Loại đầu tiên là lập trình ngoại tuyến bao gồm lập trình và mô phỏng trạm làm việc của robot trong phần mềm lập trình dành cho robot như Hình 1. Ngược lại, lập trình trực tuyến liên quan đến việc dừng robot và sử dụng bộ điều khiển của nó như hình để tạo chương trình [2].

Phần lớn công việc lập trình thường được thực hiện bằng phương pháp ngoại tuyến vì nó cho phép giảm thời gian chết, tăng tốc độ tích hợp robot và liên tục cải thiện chương trình của robot mà không ảnh hưởng đến năng suất. Tuy nhiên, khi xuất chương trình ra robot thực, không phải lúc nào mọi thứ cũng hoạt động chính xác. Việc tinh chỉnh, một “nhiệm vụ quan trọng trong toàn bộ vòng đời của hệ thống sản xuất kỹ thuật” [3] , thường cần thiết khi sử dụng lập trình trực tuyến. Thật không may, bước này bao gồm việc xử lý không chỉ robot công nghiệp thực với các công cụ của nó mà đôi khi còn cả đối tượng công việc.

Tùy thuộc vào nhiệm vụ, các đối tượng này có thể đắt tiền và thậm chí nguy hiểm.Vấn đề quan trọng đặt ra là làm thế nào để kết hợp hiệu quả giữa hai phương pháp lập trình này, đảm bảo rằng quá trình chuyển đổi từ mô phỏng ngoại tuyến sang thực tế trực tuyến diễn ra suôn sẻ và an toàn, đồng thời tối thiểu hóa rủi ro và chi phí liên quan đến việc điều chỉnh và tinh chỉnh trên các robot thực.2 Mô phỏng và lập trình ngoại tuyến trên phần mềm ABB RobotStudio 2 Hình 1.3 Lập trình trực tuyến trên robot UR5 Để đạt được các mục tiêu của Công nghiệp 4.0, nhiều công nghệ tiên tiến đã được phát triển và áp dụng, trong đó có một công nghệ đặc biệt quan trọng là Digital Twin (DT). Được NASA giới thiệu vào năm 2002, DT bao gồm việc tạo ra một bản sao kỹ thuật số của một hệ thống thực tế, được coi là bản sao của nó [4]. Kể từ khi thành lập và được giới thiệu rộng rãi, bản sao kỹ thuật số và DT trong robot đã đi một chặng đường dài về việc ứng dụng trong các lĩnh vực được khám phá. Tuy nhiên, trong suốt hành trình của mình, công nghệ này đã dần được định nghĩa lại và tái sử dụng từ những gì bắt đầu như một cách tiếp cận vật lý, tinh vi hơn trong robot vũ trụ đến hệ sinh thái sản xuất robot thời gian thực, dự đoán trong tương lai.

Theo những gì tìm hiểu, tần suất nghiên cứu và triển khai DT trong năm lĩnh vực robot như trong Hình 1.4 Tần suất nghiên cứu và triển khai DT trong các lĩnh vực [5] 3 Trên thế giới, robot được nghiên cứu và ứng dụng DT khá là nhiều, trong lĩnh vực robot chia ra 5 loại phổ biến đã và đang ứng dụng công nghệ này trình bày như sau: - Space Robotics (Robot không gian) - Medical and Rehabilitation Robotics (Robot y tế và phục hồi chức năng) - Soft Robotics (Robot mềm) - Human-Robot Interaction (Tương tác giữa người và robot) - Industrial Robotic (Robot công nghiệp) DT dựa trên một khái niệm khác gọi là Digital Shadow (DS). DS là “kỹ thuật số hóa các quy trình thực và sử dụng mô hình hóa và mô phỏng quy trình để tạo ra một bản sao của thực tế càng giống càng tốt” [6]. Điểm khác biệt chính giữa hai khái niệm này là DS không gửi thông tin hoặc tác động đến hệ thống thực, trong khi DT cho phép giao tiếp hai chiều, trong đó DT có thể ảnh hưởng đến đối tác thực của nó. DS thường dễ triển khai hơn vì nó có thể được coi là một giai đoạn ban đầu trong việc phát triển DT [7].

Xét rằng đối với một số ứng dụng, mô hình kỹ thuật số (DM) không cần gửi thông tin đến đối tác thực của nó (như trong đề tài này), việc phát triển một DS thay vì DT có thể là một lựa chọn hợp lý và hiệu quả.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Bên cạnh các lĩnh vực và xu hướng như hình, đã có một số triển khai của DT trong các lĩnh vực robot như robot hàng không vũ trụ, robot công nghiệp, robot phục hồi chức năng y tế,…. Các lĩnh vực của HRI và robot công nghiệp đã được tìm thấy được đan xen chặt chẽ với nhau tuy nhiên, có một số nghiên cứu và thực tiễn được tìm thấy trong các bái báo và nghiên cứu. Xu hướng DT trong robot công nghiệp trong những năm gần đây có, mô phỏng Work-cell tức khu vực làm việc của robot. Vào năm 2017, RWCS vận hành logic năm tầng tích hợp DT đã được phát triển vào [8] dựa trên mô hình MVVM, nó cung cấp xác nhận thành công quỹ đạo robot trong các Work-cell.

Một cách tiếp cận khác vào năm 2019 [9] một nghiên cứu “Using digital twin for maintenance applications in manufacturing: state of the art and gap analysis ” của đã sử dụng việc dự đoán tuổi thọ hữu ích còn lại (RUL) là một ứng dụng đáng chú ý khác như là một phần của bảo trì nhà máy dựa trên RDT. RDT là phương pháp dựa trên dữ liệu vật lý và dữ liệu lịch sử để bảo trì dự đoán. Cùng năm đo [10] một nghiên cứu với tên “Digital Twin based Synchronised control and simulation of the industrial robotic cell using virtual reality” kết quả chính của nghiên cứu này là phát triển mô hình đồng bộ hóa robot công nghiệp thực và ảo và thử nghiệm mô hình đã phát triển trong thực tế tế ảo. Thêm vào đó năm 2021 một nghiên cứu “Digital Twin for Industrial Robotics” [11] đã dùng robot công nghiệp FANUC M-10iA / 12 và tạo ra một môi trường ảo 3D bằng cách sử dụng một công cụ phần mềm phát triển game Unity, mô tả một mô hình trong Digital Twin hoàn chỉnh, cho phép có thể thấy bản sao chuyển động trong một robot vật lý với các lợi ích của môi trường VR.

Tuy nhiên, để có thể xây dựng 4 Digital Twin hoàn chỉnh, yếu tố hàng đầu phải hiểu và tạo dựng một Digital Shadow là tiền đề để phát triển lên Digital Twin, một nghiên cứu gần đây đã đề cập đến vấn đề này “Extending The Digital Shadow for industrial robotic arms in Mixed Reality environment” đã phát triển một hệ thống trực quan hóa trong MR đồng thời đồng bộ hóa Digital Model với robot UR10e để có thể kích hoạt Digital Shadow [12].3 Tình hình nghiên cứu trong nước Trong bối cảnh hiện nay, với sự tiến bộ không ngừng của khoa học và công nghệ tại Việt Nam, việc ứng dụng song sinh kỹ thuật số trong ngành robot ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp. Một nghiên cứu vào năm 2021, nghiên cứu “A Conceptual Digital Twin for Cost-Effective Development of a Welding Robotic System for Smart Manufacturing” [13] của nhóm các kĩ sư đến từ trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn Hà Nội đã thiết kế và phát triển một bản sao song sinh kỹ thuật số của robot hàn để tối ưu hóa về mặt chi phí trong một hệ thống sản xuất thông minh. Cùng năm đó, nhóm các kĩ sư khác cũng đến từ trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn Hà Nội cho ra nghiên cứu “Design and Implementation of a Digital Twin to Control the Industrial Robot Mitsubishi RV-12SD” [14] sử dụng mô hình song sinh kỹ thuật số để điều khiển và giám sát một robot công nghiệp Mitsubishi RV-12SD. Giao diện người dùng và bản sao kỹ thuật số được thiết kế và triển khai trên phần mềm Unity.

Cả mô hình song sinh kỹ thuật số và mô hình vật lý đều được tích hợp thành công và luồng dữ liệu có thể được trao đổi với nhau để điều khiển cả hai mô hình hoạt động cùng nhau qua đó thể hiện tiềm năng để phát triển hệ thống lập trình, điều khiển và giám sát thông minh hơn cho robot công nghiệp. Bên cạnh đó trong năm 2022, nhóm nghiên cứu đến từ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã kết hợp thuật toán A-star nổi tiếng và công nghệ song sinh kỹ thuật số “A-star Algorithm for Robot Path Planning Based on Digital Twin” [15] để lập kế hoạch và đề xuất những phương án hiệu quả, phù hợp với từng giai đoạn chuyển động của robot trong toàn bộ quy trình vận hành. Từ những phân tích trên, cho thấy các nghiên cứu trong nước hầu hết chỉ đề cập đến ứng dụng song sinh kỹ thuật số trong kết cấu cơ sở hạ tầng, tối ưu hóa chi phí cho hệ thống sản xuất thông minh và tối ưu hóa chuyển động của robot dựa vào song sinh kỹ thuật số DT của nó mà chưa có nghiên cứu nào để có thể làm rõ hơn Digital Shadow.4 Mục đích và mục tiêu đề tài 1.1 Mục đích của đề tài Đề tài này nhằm xây dựng một môi trường ảo cho phép người dùng phủ các công cụ kỹ thuật số và yêu cầu công việc lên robot vật lý (PR). Để đạt được sự đồng bộ giữa robot kỹ thuật số và thực tế, một Bóng Kỹ Thuật Số (DS) của robot sẽ được phát triển.