Robot công nghiệp cứng như đá — đó là lý do nó chính xác và cũng là lý do nó phải đứng sau hàng rào. Khi robot cần làm việc cạnh người và cầm những vật không giống nhau, độ cứng trở thành nhược điểm.
Vì sao độ cứng là vấn đề
Robot cứng không nhường. Gặp vật cản, nó tăng lực để đạt vị trí đã lệnh. Không dừng lại cho tới khi vượt giới hạn hoặc có gì đó vỡ.
Sai số nhỏ thành lực lớn. Lắp một chi tiết vào lỗ khít, lệch nửa milimet. Robot cứng sẽ đẩy với lực rất lớn. Robot mềm sẽ trượt theo mép lỗ và tự căn vào.
Đây là lý do lắp ráp khít khó với robot. Con người làm dễ vì tay mềm và có cảm giác lực. Robot cứng làm khó vì phải định vị chính xác tuyệt đối.
An toàn với người. Robot cứng va vào người truyền toàn bộ năng lượng. Robot mềm hấp thụ một phần.
Cầm vật đa dạng. Kẹp cứng cần biết chính xác kích thước vật. Kẹp mềm tự thích ứng với hình dạng.
Nhưng độ cứng cũng có lý do tồn tại. Nó cho độ chính xác vị trí, khả năng mang tải nặng và tốc độ cao. Bỏ hết độ cứng thì mất những thứ đó, nên vấn đề thật là chọn độ mềm phù hợp chứ không phải càng mềm càng tốt.
Điều khiển trở kháng
Cách làm robot cứng hành xử mềm mà không đổi phần cứng.
Ý tưởng. Thay vì bắt robot giữ đúng vị trí, lập trình cho nó hành xử như thể có lò xo và giảm chấn ảo nối tới vị trí mục tiêu. Bị đẩy thì nhường theo tỷ lệ lực, buông ra thì quay lại.
Ba tham số điều chỉnh. Độ cứng ảo — nhường nhiều hay ít. Độ giảm chấn ảo — quay lại nhanh hay chậm. Quán tính ảo — cảm giác nặng nhẹ khi đẩy.
Đặt độ cứng khác nhau theo hướng. Kỹ thuật rất hữu ích trong lắp ráp: cứng theo hướng đẩy vào, mềm theo hai hướng ngang. Chi tiết tự căn vào lỗ mà không cần định vị hoàn hảo.
Yêu cầu. Phải đo được lực tiếp xúc, bằng cảm biến lực hoặc bằng dòng điện động cơ. Và phải truy cập được tầng điều khiển mô-men.
Giới hạn của cách này. Robot vẫn cứng về mặt cơ khí. Va chạm rất nhanh thì vòng điều khiển không kịp phản ứng — độ mềm chỉ tồn tại ở tần số thấp hơn băng thông vòng điều khiển.
Hệ quả an toàn quan trọng. Điều khiển mềm không thay thế được an toàn cơ khí trong tình huống va chạm tốc độ cao. Nhiều người hiểu nhầm điểm này.
Độ mềm trong phần cứng
Giải quyết đúng giới hạn vừa nêu.
Khớp đàn hồi. Đặt một lò xo giữa động cơ và khớp. Va chạm được hấp thụ bởi lò xo trước khi vòng điều khiển kịp phản ứng — độ mềm tồn tại ở mọi tần số.
Lợi thế phụ. Đo độ biến dạng của lò xo là đo được mô-men khớp, không cần cảm biến lực riêng. Rẻ và bền hơn.
Cái giá. Điều khiển khó hơn nhiều. Hệ thống có thêm động lực học dao động. Băng thông giảm, độ chính xác vị trí giảm.
Độ mềm điều chỉnh được. Cơ cấu cho phép đổi độ cứng cơ khí trong lúc chạy — cứng khi cần chính xác, mềm khi tiếp xúc. Phức tạp và nặng hơn, nhưng đúng hướng.
Robot làm hoàn toàn bằng vật liệu mềm. Cấu trúc bằng silicon, dẫn động bằng khí nén hoặc dây kéo. An toàn tuyệt đối khi chạm, thích ứng với hình dạng bất kỳ.
Giới hạn của robot mềm hoàn toàn. Lực yếu, chậm, khó điều khiển chính xác, và khó đo được mình đang ở đâu. Hiện chủ yếu dùng ở cơ cấu kẹp chứ không phải cả cánh tay.
Cơ cấu kẹp mềm
Ứng dụng thành công nhất của ý tưởng mềm trong thực tế.
Kẹp khí nén dạng ngón cong. Ngón làm bằng silicon có khoang khí, bơm khí thì cong lại ôm vật. Tự thích ứng hình dạng, không làm hỏng vật mềm.
Kẹp chân không dạng túi hạt. Túi chứa hạt nhỏ, ép lên vật rồi hút chân không làm túi cứng lại quanh hình dạng vật. Cầm được vật hình dạng bất kỳ.
Giác hút. Đơn giản và cực kỳ phổ biến. Hiệu quả với bề mặt phẳng nhẵn, vô dụng với bề mặt xốp hoặc gồ ghề.
Ngón có khớp thụ động. Kẹp cơ khí nhưng các đốt tự gập theo hình vật. Trung gian giữa cứng và mềm, bền hơn silicon.
Vì sao kẹp mềm thành công trước. Vì đây là chỗ độ mềm có giá trị lớn nhất và cái giá nhỏ nhất. Không cần độ chính xác vị trí ở đầu ngón, chỉ cần cầm chắc và không làm hỏng.
Ứng dụng thật. Đóng gói thực phẩm, xử lý nông sản, kho hàng với vật đa dạng. Những nơi vật thể khác nhau về hình dạng và dễ hỏng.
Chọn độ mềm cho ứng dụng
Rút gọn thành hướng dẫn thực dụng.
Cần độ chính xác cao, không tiếp xúc, không có người. Giữ robot cứng. Đừng thêm độ mềm không cần thiết.
Có tiếp xúc, cần chính xác vừa phải. Điều khiển trở kháng trên robot cứng. Đây là lựa chọn phổ biến nhất và cân bằng nhất.
Làm việc cạnh người, tốc độ vừa. Robot có khớp đàn hồi hoặc robot nhẹ có giới hạn lực. Cần an toàn ở mọi tần số chứ không chỉ tần số thấp.
Cầm vật đa dạng hoặc dễ hỏng. Cánh tay cứng cộng kẹp mềm. Kết hợp này cho cả độ chính xác lẫn khả năng thích ứng, và là cấu hình thực dụng nhất.
Không gian chật hẹp, hình dạng phức tạp. Cấu trúc mềm hoàn toàn, chấp nhận lực yếu và điều khiển thô.
Nguyên tắc chung. Đặt độ mềm ở chỗ có tiếp xúc, giữ độ cứng ở chỗ cần định vị. Phần lớn ứng dụng không cần cả cánh tay mềm — chỉ cần đầu tay mềm, và đó cũng là cách rẻ nhất.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao robot cứng khó lắp chi tiết khít?
Vì lệch nửa milimet là nó đẩy với lực rất lớn thay vì trượt theo mép lỗ để tự căn vào. Con người làm dễ nhờ tay mềm và có cảm giác lực.
Điều khiển trở kháng hoạt động thế nào?
Lập trình cho robot hành xử như có lò xo và giảm chấn ảo nối tới vị trí mục tiêu — bị đẩy thì nhường theo tỷ lệ lực, buông ra thì quay lại. Có thể đặt độ cứng khác nhau theo từng hướng.
Vì sao độ mềm cơ khí vẫn cần dù đã có điều khiển trở kháng?
Vì độ mềm do điều khiển chỉ tồn tại ở tần số thấp hơn băng thông vòng điều khiển. Va chạm rất nhanh thì vòng điều khiển không kịp phản ứng.
Cấu hình thực dụng nhất cho việc cầm vật đa dạng?
Cánh tay cứng kết hợp cơ cấu kẹp mềm. Đặt độ mềm ở chỗ có tiếp xúc và giữ độ cứng ở chỗ cần định vị — cũng là cách rẻ nhất.
Đọc thêm trong Học tăng cường cho robot và Benchmark & tập dữ liệu.
