Giới thiệu

Hiện nay, robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất, chế biến đến y tế và giáo dục. Để nâng cao hiệu quả trong trong quá trình hoạt động, ngày nay thế giới đang phát triển theo xu hướng kết hợp giữa con người và robot (Human-Robot Colloration (Cobots)). Trong đó, Cobots được thiết kế để làm việc, hỗ trợ trực tiếp cho con người mà không thay thế hoàn toàn con người. Điều này đạt được nhờ vai trò quan trọng của các cảm biến lực và mô men. Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về vai trò, ứng dụng của cảm biến lực và mô men, đồng thời phân tích ý nghĩa của loại hình công nghệ này đối với việc tương tác giữa con người và robot.

Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của cảm biến lực và mô men

Theo định nghĩa, cảm biến lực là thiết bị có khả năng đo lường lực tác động lên robot hoặc lên các bộ phận của robot, từ đó xác định mức độ lực trong quá trình làm việc. Trong khi đó, cảm biến mô men được định nghĩa là một thiết bị có thể đo lường mô men xoắn tác động lên trục của robot. Mặc dù hai loại cảm biến này có các chức năng khác nhau nhưng chúng đều được sử dụng rộng rãi nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của robot. Đối với cảm biến lực, nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên sự thay đổi của điện trở và áp suất. Đối với cảm biến mô men, nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên việc sử dụng các đầu dò áp suất và các cảm nhận biến dạng của vật thể.

Vai trò của cảm biến lực và mô men trong quá trình làm việc giữa người và cobot

Do đặc thù của việc hợp tác giữa người và cobot, robot vừa phải thực hiện các nhiệm vụ chính vừa phải đảm bảo an toàn cho con người. Để thực hiện được điều này, các kỹ sư nghiên cứu và tích hợp cảm biến lực và mô men vào hệ thống trong suốt quá trình hoạt động. Các cảm biến này sẽ có nhiệm vụ đảm bảo an toàn và tối ưu hóa hiệu suất của cobot. Trong đó, mỗi nhiệm vụ sẽ được phân tích cụ thể như sau:

• Đảm bảo an toàn: Không chỉ đối với cobot, an toàn luôn là vấn đề được ưu tiên hàng đầu trong mọi lĩnh vực. Cụ thể, trong quá trình làm việc hợp tác giữa con người và robot, cảm biến lực đóng vai trò cảm nhận toàn bộ môi trường làm việc xung quanh để đưa ra các quyết định phù hợp. Nếu lực tác động vượt quá hoặc ở dưới ngưỡng hoạt động tiêu chuẩn, hệ thống cobot sẽ tự động dừng lại hoặc được điều chỉnh về ngưỡng cho phép để không gây nguy hiểm tới mọi người xung quanh. 
• Tối ưu hóa hiệu suất: Bên cạnh nhiệm vụ đảm bảo an toàn, cảm biến mô men cũng có chức năng tối ưu hiệu suất làm việc của cobot. Nó có thể điều chỉnh tốc độ và lực tác động của hệ thống dựa trên kết quả đo lường từ mô men quay.

Cách tối ưu hóa hiệu suất của cobot

Khi cobot được tích hợp cảm biến mô men thì hiệu suất của nó sẽ tăng đáng kể. Điều này là do robot có thể điều chỉnh tốc độ và lực tác động của mình dựa trên kết quả đo lường của cảm biến mô men. Từ đó, robot dần dần cải thiện được khả năng thực hiên các nhiệm vụ phức tập hơn như nhấc vật có khối lượng lớn hay lắp ráp các chi tiết phức tạp. Với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo như các mô hình học máy hay mô hình học sâu, cobot cũng có thể học và nâng cao hiệu suất của mình trong quá trình tích hợp với cảm biến mô men. Một cách khác để tối ưu hiệu suất hoạt động là cobot tự thu thập dữ liệu trong quá trình hoạt động, đồng thời dựa trên phản hồi liên tục từ cảm biến mô men để điều chỉnh các hành động tiếp theo của mình.

Phân loại và ứng dụng của cảm biến lực và mô men

Hiện nay, các kỹ sư đang phát triển nhiều loại cảm biến lực và mô men nhằm đáp ứng các yêu cầu khác nhau của cobot. Một số loại cảm biến nổi bật có thể kể đến như cảm biến lực micro, cảm biến thông minh,… Các loại cảm biến này đang được phát triển theo xu hướng nhỏ gọn, chính xác và có tốc độ cao hơn. 

Về mặt ứng dụng, cảm biến lực và mô men hiện nay không bị giới hạn trong bất cứ lĩnh vực nào. Chúng được sử dụng đa dạng trong nhiều ngành như sản xuất, môi trường, y tế, giáo dục. Điều này có được nhờ khả năng thao tác nhanh chóng và chính xác khi tích hợp cảm biến lực và mô men vào hệ thống cobot.

Những thách thức và giải pháp phát triển cho cảm biến lực và mô men

Về mặt thách thức, bên cạnh những lợi ích to lớn mang lại thì hiện nay cảm biến lực và mô men cũng đang phải đối mặt với nhiều thách thức khác nhau. Trong đó, một trong những vấn đề lớn nhất là chi phí sản xuất cho các thiết bị này. Cảm biến lực và mô men đang được ứng dụng trong các vấn đề phức tạp, điều này cũng đòi hỏi con người phải đầu tư một chi phí khá lớn để sản xuất ra những loại cảm biến chất lượng. Chính vì vậy, các kỹ sư hiện nay đang không ngừng nghiên cứu để đưa ra những giải pháp hiệu quả hơn trong quá trình sản xuất cảm biến, từ đó giúp giảm giá thành của sản phẩm. Đối với những ứng dụng có sự tương tác trực tiếp giữa con người với cobot, cảm biến lực và mô men cũng cần phải được thiết kế kỹ lương nhằm đảm bảo an toàn cho cả hệ thống. Không chỉ vậy, sau mỗi chu kỳ hoạt động nhất định, đơn vị vận hành cũng cần trích một phần chi phí để bảo trì hệ thống, từ đó giúp hệ thống hoạt động trơn tru và hiệu quả hơn.  Một trong những thách thức mà các kỹ sư có thể gặp phải đó là việc robot bị cản trở hoạt động do kế hoạch vận hành cảm biến không rõ ràng. Tất cả các vấn đề này đều đang được nhiều kỹ sư trên thế giới ngày đêm nghiên cứu để đưa ra các giải pháp phù hợp. 

Kết luận

Nhìn chung, khi kỹ sư tích hợp cảm biến lực và mô men vào hệ thống cobot, nó sẽ giúp hệ thống đó tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động. Dù cảm biến lực và mô men vẫn đang còn rất nhiều thách thức phải xử lý nhưng những lợi ích mà nó mang lại không thể được phủ nhận. Trong thời gian tới khi khoa học công nghệ ngày càng được phát triển, chúng ta có thể kì vọng vào sự ra đời của nhiều loại cảm biến đáp ứng được các yêu cầu ngày càng khắt khe do con người tạo ra.