Cobot – robot cộng tác là gì ?
Robot cộng tác (Collaborative Robot hay Cobot) là robot được sử dụng nhằm mục đích có thể độc lập làm việc, hoặc cùng làm việc, hỗ trợ và tương tác với con người trong một không gian chia sẻ chung một cách an toàn và tin cậy. Điều này rất khác biệt với các robot công nghiệp truyền thống thường được thiết kế làm việc một cách tự động, với độ an toàn được bảo đảm nhờ cách ly vùng làm việc của robot với người sử dụng và vận hành. Cobot được thiết kế với khả năng và độ an toàn để đảm bảocho người sử dụng hay vận hành có thể tiếp xúc trực tiếp, cùng làm việc, hỗ trợ và tương tác với con người trong quá trình sử dụng.
Công nghệ và hệ sinh thái Cobot là nền tảng quan trọng cho các giải pháp sản xuất thông minh và công nghiệp 4.0, cũng như làm tăng khả năng sáng tạo và đa dạng hóa sản phẩm, đáp ứng tốt và nhanh chóng yêu cầu của khách hàng và sự thay đổi của thị trường. Hiện nay rất nhiều sản phẩm, đặc biệt là các sản phẩm mang hàm lượng giá trị cao về công nghệ, luôn cần có sự linh hoạt về thiết kế, mẫu mã và chức năng, đáp ứng tốt sự đa dạng hóa về nhu cầu của khách hàng và thị trường.
Các robot công nghiệp truyền thống thường không thể thay thế con người ở một số khâu trong quy trình sản xuất. Khi có yêu cầu thay đổi nhanh về sản phẩm, hệ thống sản xuất, cũng như nâng cao khả năng và năng lực sản xuất, cần có sự tương tác giữa người và robot cũng như các hệ thống máy móc một cách hiệu quả, thông minh, nhưng an toàn và tin cậy. Trong những trường hợp này, Cobot là giải pháp tối ưu và là xu hướng tất yếu.
Cobot – thị trường với tiềm năng lớn
Ở phạm vi khu vực Châu Á và toàn cầu, thị trường Cobot cũng chỉ mới bắt đầu và hiện đang đi vào mức tăng trưởng nóng: thị trường toàn cầu về Cobot được ước tính đạt 12 tỷ USD vào năm 2025, với mức tăng trưởng CAGR (Compound Annual Growth Rate – tỷ lệ tăng trưởng kép hằng năm) từ 35-50% trong giai đoạn 2017-2025 (theo www.marketsandmarkets.com & www.robotics.org).
Hiện nay, ba mảng ứng dụng chính của Cobot là chuyển phôi, lắp ráp và gắp đặt, chiếm 75% tổng doanh thu; và ngành sản xuất ô tô và linh kiện điện tử là hai nghành ứng dụng Cobot nhiều nhất. Trung Quốc là thị trường Cobot lớn nhất, chiếm 1/3 tổng đơn hàng và dự đoán chiếm đến 50% vào năm 2023.
Trong những năm sắp tới, các khu vực phát triển nhanh nhất về đơn hàng Cobot sẽ là Trung Quốc, Bắc Mỹ, phần còn lại của Châu Á – Thái Bình Dương và sau đó là Đông Âu với CAGR trên 30%.
Nghiên cứu và phát triển Cobot ở Việt Nam
Với tiềm năng lớn về mặt thị trường và ứng dụng, việc nghiên cứu và phát triển Cobot là một xu hướng tất yếu và trọng yếu của hệ sinh thái công nghệ liên quan tới sản xuất thông minh và công nghiệp 4.0. Vì vậy, việc làm chủ được công nghệ thiết kế và chế tạo, nội địa hóa được sản phẩm Cobot mang thương hiệu Việt đóng vai trò rất quan trọng để nâng cao năng lực và khả năng công nghệ của Việt Nam, và ít nhất sẽ đóng góp vào việc tạo ra các công nghệ nguồn, trực tiếp nâng cao năng lực và khả năng công nghệ cho các doanh nghiệp trong nước, đặc biệt là các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Tuy vậy, việc nghiên cứu và phát triển Cobot trong nước còn nhiều hạn chế, số lượng ấn phẩm khoa học, bằng sáng chế và sản phẩm thương mại liên quan tới Cobot gần như chưa có.
Trong tình hình đó, Quỹ VinIF đã tài trợ cho một dự án nghiên cứu chế tạo và phát triển Cobot (Phát triển robot cộng tác (cobot) và các phần tử máy thông minh (smart machine elements)) vào năm 2020. Dự án này (gọi tắt là I4SMART; website: www.robot3t.com) có sự phối hợp triển khai của cả doanh nghiệp và các trường đại học uy tín của Việt Nam (Công ty TNHH Chế tạo máy 3C, Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn Thông Cơ sở Hồ Chí Minh, Trường Đại học Thủ Dầu Một). Đây cũng chính là mô hình hợp tác hiệu quả nhất trên thế giới để thúc đẩy R&D và đưa các sản phẩm nghiên cứu đến với xã hội. Đây là dự án tiên phong trong triển khai nghiên cứu và phát triển Cobot mang thương hiệu Việt, tạo nền móng công nghệ nguồn cho hệ sinh thái công nghiệp 4.0 của Việt Nam, với một thị trường tiềm năng được đánh giá có mức tăng trưởng CAGR đạt 25-30% trong 5-10 năm tới.
Sản phẩm Cobot của dự án với thương hiệu Viet-Cobot đã và đang được phát triển, thương mại hóa tại Việt Nam và xuất khẩu, hướng đến việc xây dựng hệ sinh thái thông minh, có tính năng và yêu cầu kỹ thuật đạt chuẩn quốc tế. Đây là dự án có tiềm năng thương mại hóa ở phạm vi toàn cầu, đồng thời có thể kết hợp chuyển giao công nghệ với các đối tác trong và ngoài nước, có sự hỗ trợ của các chuyên gia quốc tế. Những phần nội dung tiếp theo sẽ giới thiệu tới độc giả tổng quan về dự án có tính ứng dụng và thương mại hóa rất cao này.
Giải pháp triển khai R&D Viet-Cobot tại Việt Nam
Hình 1 trình bày chi tiết về phạm vi ứng dụng và cách tiếp cận của dự án để thiết kế và chế tạo thành công sản phẩm Viet-Cobot. Cùng với khả năng ứng dụng và thương mại hóa cao, Viet-Cobot hiệu quả về mặt chi phí. Hình 2 trình bày cấu trúc điển hình của một Cobot.


Như đã đề cập, Cobot có yêu cầu kỹ thuật và thiết kế cao, khác biệt hơn so với robot truyền thống: các bộ phận cấu thành cần phải được thiết kế đặc biệt tinh gọn, đảm bảo độ an toàn và tin cậy cao, tương tác linh hoạt và đáp ứng nhanh với người sử dụng và làm việc cùng, dễ điều khiển với chức năng dạy học, và hiệu quả về mặt chi phí.
Dự án sẽ tập trung vào các hoạt động phát triển các công nghệ nguồn, cụ thể là: (1) nghiên cứu phát triển hoàn chỉnh bộ phận khớp đơn sử dụng động cơ mô-men xoắn Frameless Torque Motors(Động cơ mô-men xoắn không khung); và (2) nghiên cứu phát triển các phần tử và cảm biến thông minh, tích hợp hệ thống và phần mềm điều khiển.
Đối với các Cobot, tất cả các bộ phận và phần tử cơ – điện cần phải được thiết kế và lắp đặt tinh gọn ngay trong mỗi khâu và khớp quay của robot. Bên cạnh đó, động cơ sử dụng cho Cobot cũng phải có kích thước nhỏ gọn nhưng phải đáp ứng đủ công xuất và mô men xoắn. Vì vậy, các động cơ thông thường không được sử dụng, mà cần phải sử dụng động cơ mô-men xoắn Frameless Torque Motors. Ngoài ra, vì Cobot làm việc cùng với người, cho nên yếu tố an toàn trong sử dụng và vận hành rất quan trọng. Do đó, các phần tử và thiết bị thông minh, cảm biến mô-men, và cảm biến hình ảnh thường được sử dụng để giúp Cobot nhận biết được sự hiện diện của người sử dụng và làm việc cùng, có khả năng đáp ứng tức thời, tránh gây nguy hiểm tới người. Cobot thường hỗ trợ làm các công việc với tải trọng không lớn (từ 3 – 10 kg), với độ chính xác, độ linh hoạt và độ khéo cao; vì vậy số bậc tự do (DOF – Degree of Freedom) thường từ 6 trở lên, giúp cho Cobot có thể mở rộng không gian làm việc, cũng như cho phép tiếp cận nhiều hướng và góc khác nhau, tránh va chạm với người sử dụng và vận hành. Bên cạnh đó, Cobot cần phải được trang bị chức năng điều khiển bằng dạy học, với độ chính xác và linh hoạt cao, dễ học và sử dụng đối với người không có kinh nghiệm về lập trình.

Hình 3 trình bày công nghệ nguồn của đơn vị triển khai dự án và đề xuất về Cobot sẽ phát triển. Trong phạm vi dự án, việc thiết kế và chế tạo cánh tay cobot sẽ được phát triển dựa trên sản phẩm robot công nghiệp được nội địa hóa 80% và thương mại hóa thành công với chi phí rẻ hơn 20-50% so với các sản phẩm ngoại nhập với tính năng và tải trọng tương tự. Trên cơ sở nền tảng công nghệ nguồn sẵn có về robot công nghiệp, dự án sẽ chủ động hoàn toàn từ việc thiết kế mô hình sản phẩm, thiết kế các bo mạch điều khiển, giao tiếp, ngoại vi và phần mềm điều khiển robot. Hệ thống phần mềm điều khiển và ứng dụng cho Cobot được thiết kế với giao diện vận hành và lập trình thân thiện, dễ dàng sử dụng.
Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Cobot của dự án sẽ bao gồm việc R&D hoàn chỉnh các khớp đơn Cobot sử dụng động cơ Frameless Torque, các thành phần kết cấu cơ khí của Cobot 6 – 7 bậc tự do, các thành phần điện tử của Cobot (gồm các bo mạch điều khiển, giao tiếp và ngoại vi của các khớp và Cobot), phát triển và thực hiện các thuật toán điều khiển Cobot, gói phần mềm ứng dụng, kết nối và điều khiển các Cobot, tích hợp các công nghệ tiên tiến hỗ trợ Cobot theo ngành ứng dụng. Sau khi hoàn thành mẫu sản phẩm và thử nghiệm thành công, sản phẩm Viet-Cobot sẽ được đăng kí chứng nhận các tiêu chuẩn quốc tế phục vụ thương mại trong nước và xuất khẩu.
Trọng tâm phát triển sản phẩm Viet-Cobot là phục vụ các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là tập trung vào việc cung cấp một giải pháp sáng tạo và hiệu quả để phát triển và tích hợp Cobot và các phần tử máy thông minh cho các hệ thống sản xuất mới hoặc hiện tại, việc này được thực hiện thông qua các nội dung: (1) xây dựng một hệ sinh thái Cobot hiệu quả về chi phí, bao gồm các gói phần mềm, bộ điều khiển, phần cứng và các cơ cấu chấp hành, nhằm dễ dàng và nhanh chóng cho các ứng dụng cuối khác nhau; (2) phát triển các giải pháp Cobot và tự động hóa hoàn toàn trong hệ sinh thái Cobot và tự động hóa; (3) tích hợp hệ thống và phần mềm điều khiển cho các công nghệ tiên tiến trong nghành Cobot và các ứng dụng công nghiệp, tập trung vào các giải pháp thông minh, tính năng an toàn thụ động, tính năng dạy robot thông minh, các tính năng tương tác giữa Cobot và người, và cải thiện hiệu suất của các góc khớp trong Cobot; (4) xây dựng kiến trúc mở và tích hợp thông minh cho công nghiệp 4.0, với trọng tâm là sản xuất thông minh và ứng dụng dịch vụ của Cobot, đặc biệt là trong việc hỗ trợ điều trị bệnh và phục hồi chức năng.
Việc thiết kế thành công Cobot mở ra tiềm năng ứng dụng lớn ở các mảng thị trường mới, khi Cobot có thể được được hiệu chỉnh và mở rộng phạm vi cho các lĩnh vực như (1) chăm sóc sức khỏe và phục hồi chức năng, (2) giải trí và dịch vụ, (3) giáo dục và đào tạo. Hình 4 là một số cấu hình robot cộng tác đã được phát triển hoàn thiện, hiện đã và đang được triển thai ứng dụng thí điểm trong một số công đoạn sản xuất tại một số nhà máy ở Việt Nam như May Việt Tiến, Pinaco, Swarovski, Pepperl+Fuchs, v.v.

Con đường phát triển trong tương lai?
I4SMART là một dự án nghiên cứu ứng dụng mũi nhọn có tham vọng phát triển và thương mại hóa sản phẩm Cobot đầu tiên mang thương hiệu của Việt Nam (Viet-Cobot). Viet-Cobot cũng sẽ được tích hợp các công nghệ mới nhất như trí tuệ nhân tạo (AI), dữ liệu lớn (Big Data), cảm biến ảo (Virtual Sensor), các giải pháp kết nối vạn vật IoT (Internet of Things) nhằm nâng cao độ an toàn, tin cậy và tính thông minh cho sản phẩm. Trên cơ sở công nghệ nguồn và hệ sinh thái robot mạnh của đơn vị chủ trì dự án, các ứng dụng cụ thể sẽ từng bước được hoàn thiện và mở rộng phạm vi và tập trung vào các mảng ứng dụng có khả năng tác động lớn đến kinh tế, xã hội và nâng cao chất lượng cuộc sống như sản xuất thông minh, y học từ xa, chăm sóc sức khỏe tại nhà, v.v.
Song song với Viet-Cobot, dự án cũng sẽ phát triển các phần tử máy thông minh (smart machine elements) như khớp mềm (compliant joint) ứng dụng cho Cobot, an toàn và tiết kiệm được năng lượng, có khả năng thực hiện được các tác vụ tương đương với khả năng của con người. Các cơ cấu chấp hành mềm, thụ động, có thể điều chỉnh được sẽ càng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong Cobot tương lai. Hiện nay chỉ có một vài sản phẩm có tích hợp khớp mềm cho Cobot như các sản phẩm của công ty Rethink Robotics, Kuka, tuy nhiên chưa có khớp mềm nào đáp ứng được hoàn toàn các đặc tính mong muốn, đặc biệt là các khớp mềm với chi phí thấp về phương diện sản xuất và tích hợp hệ thống.
Tác giả: PGS.TS. Lê Chí Hiếu, Đại học Greenwich, Vương quốc Anh.
ThS. Trương Trọng Toại, Giám đốc Công ty TNHH Chế tạo máy 3C.
Biên tập: Quỹ đổi mới sáng tạo Vingroup (VinIF).
Tài liệu tham khảo
[1] Z. Pan, H. Zhang, Z. Zhu, and J. Wang, “Chatter analysisof robotic machining process,”Journal of materialsprocessing technology, vol. 173, pp. 301-309, 2006.
[2] E. A. Erlbacher, “Force control basics,”Industrial Robot:An International Journal,vol. 27, pp. 20-29, 2000
[3] Hoang, Phan Gia, et al. “Characterization of impedance rendering with a cable-driven agonist-antagonist haptic device.” 2014 13th International Conference on Control Automation Robotics & Vision (ICARCV). IEEE, 2014.
[4] Yudha P. Pane, et al, “Reinforcement Learning Based Compensation Methods for Robot Manipulators”, Engineering Applications of Artificial Intelligence
[5]. Salama M, Maha B, Ahmed El H, “Robust observer based Fault Tolerant Tracking Control for T-S uncertain systems subject to sensor and actuator faults” Transactions (2018), https://doi.org/10.1016/j.isatra.2018.11.022
[6] Rijun W. Chạngun Z, “An Actuator Fault Detection and Reconstruction Scheme for Hex-Rotor Unmanned Aerial Vehicle”, July 5, 2019, date of current version July 30, 2019. Digital Object Identifier 10.1109/ACCESS.2019.2927010
[7] Tan, V.N and Cheolkeun, H. “Experimental Study of Sensor Fault-Tolerant Control for an Electro-Hydraulic Actuator Based on a Robust Nonlinear Observer”, Energies 2019, 12(22), 4337; https://doi.org/10.3390/en12224337
[8] ISO/IEC-Guide51 (1999). Safety aspects – Guidelines for their inclusion in standards International Organization for Standardization.
[9] ISO31000 (2009). Risk management – Principles and guidelines. International Organization for Standardization.
[10] IEC61508 (2010). Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems. Édition 2. International Electrotechnical Commission.
[11] ISO13849-1 (2006). Safety of machinery – safety-related parts of control systems – part 1: General principles for design. International Organization for Standardization.
[12] IEC61508-5 (2010). Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems: Part 5: Examples of methods for the determination of safety integrity level. International Electrotechnical Commission.
[13] UR5-Robot (2015). UR5 Technical specifications. Technical report, Universal robots.
[14] T. Mukai et al., “Development of a nursing-care assistant robot RIBA that can lift a human in its arms,” 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Taipei, 2010, pp. 5996-6001. doi: 10.1109/IROS.2010.5651735
[15] Toshiharu MUKAI, Shigeyuki HOSOE, “How dose the Nursing-Care Assistant Robot RIBA Deal with Analogue Humans?”, Journal of the Society of Mechanical Engineers, vol. 114, pp. 520, 2011.
[16] Stefano Mazzoleni, Vi Do Tran, Federico Posteraro and Paolo Dario, “Wrist Robot-assisted Rehabilitation Treatment in Subacute and Chronic Stroke Patients: from Distal to Proximal Motor Recovery”, IEEE Transactions on Neural Systems & Rehabilitation Engineering, Volume 26, Issue 9, Pages 1889-1896, September 2018.
[17] Stefano Mazzoleni, Vi Do Tran, Federico Posteraro and Paolo Dario, “Effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) combined with wrist robot-assisted rehabilitation on motor recovery in subacute stroke patients: a randomized controlled trial”, IEEE Transactions on Neural Systems & Rehabilitation Engineering, Volume 27, Issue 7, Pages 1458-1466, July 2019.
[18] DeBoon, Brayden et al. “Differentially-Clutched Series Elastic Actuator for Robot-Aided Musculoskeletal Rehabilitation.” 2019 International Conference on Robotics and Automation (ICRA) (2019): 1507-1513.
[19] Ghidini, S., Beschi, M. & Pedrocchi, N. A Robust Linear Control Strategy to Enhance Damping of a Series Elastic Actuator on a Collaborative Robot. J Intell Robot Syst (2019): 1-15.
[20] De Gea Fern´andez, J., Sprengel, H., Mallwitz, M., Zipper, M., Yu, B., Bargsten, V.Designing Modular Series-Elastic Actuators for Safe Human-Robot Collaboration in Industrial Settings. In: Proceedings of the Climbing and Walking Robots and Support Technologies for Mobile Machines (CLAWAR),(2016).