Tóm tắt nghiên cứu xây dựng bộ đôi số ứng dụng cho robot công nghiệp

Qua phân tích tổng quan bài tốn bộ đơi số và rơ bốt cơng nghiệp, nghiên cứu sinh nhận thấy vấn đề nghiên cứu và phát triển bộ đôi số ứng dụng cho rô bốt công nghiệp là một hướng nghiên c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đoàn Thanh Xuân

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ ĐÔI SỐ ỨNG DỤNG CHO

RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số: 9520103

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2024

Công trình được hoàn thành tại:

Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: GS TS Vũ Toàn Thắng

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1 Đoàn Thanh Xuân, Lê Giang Nam, (2021) “Sự phát triển của

công nghệ bộ đôi số và ứng dụng trong các lĩnh vực” Tạp chí

Cơ Khí Việt Nam, số 9, tr 36-45

2 Đoàn Thanh Xuân, Vũ Toàn Thắng, Đặng Thái Việt, Vũ Tiến

Dũng, (2022) “Xây dựng bộ đôi số cho rô bốt UR3 trong hệ thống lắp ráp bóng đèn” Tạp chí Cơ khi Việt Nam, số 291, tr 14-17

3 Doan Thanh Xuan, Le Giang Nam, Dang Thai Viet, Vu Toan

Thang “A-star Algorithm for Robot Path Planning Based on Digital Twin” (2022) In: Le, AT., Pham, VS., Le, MQ., Pham, HL (eds) The AUN/SEED-Net Joint Regional Conference in

Engineering RCTEMME 2021 Lecture Notes in Mechanical Engineering Springer, Singapore https://doi.org/10.1007/978-981-19-1968-8_8

4 Doan Thanh Xuan, Vu Toan Thang, (2022) “Investigation on

the influence of obstacle size in path planning by a hybrid model combining an improved A-star algorithm and digital twin” The Third International Conference on Material, Machines, and Methods for Sustainable Development 2022, pp 2195-4364 (accepted for publication)

5 Doan Thanh Xuan, Tran Van Huynh, Nguyen Thanh Hung,

Vu Toan Thang “Applying Digital Twin and Multi-Adaptive Genetic Algorithms in Human–Robot Cooperative Assembly

https://doi.org/10.3390/app13074229

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Việc mô phỏng một quá trình hay một hệ thống giúp con người có cái nhìn sâu sắc hơn về hệ thống, linh hoạt điều chỉnh, thay đổi các thông số, thiết bị, kiểm thử xác nhận tối ưu hóa trong giai đoạn lập kế hoạch ban đầu Với những ưu điểm như trên nên việc mô phỏng đã được nghiên cứu và ứng dụng khá rộng rãi, tuy nhiên việc mô phỏng

đa phần chỉ dừng lại ở các mô hình tĩnh và thông tin trao đổi một chiều

từ vật thể vật lý đến đối tượng kỹ thuật số Khái niệm bộ đôi số với mong muốn xây dựng được một thiết bị số song sinh với thiết bị vật

lý mô tả một cách chân thực nhất và có thể trao đổi dữ liệu với nhau

đã ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ số hóa và thông tin thế hệ mới, dữ liệu có thể được thu thập nhiều hơn, xử lý hiệu quả hơn đã tạo

ra một tiền đề hỗ trợ mạnh mẽ cho sự phát triển của Bộ đôi số Nhà máy số đã là xu thế phát triển tất yếu của các ngành công nghiệp, trong đó Bộ đôi số là đơn vị cơ bản, tổng hợp các bộ đôi số sẽ tạo thành nhà máy số Nghiên cứu xây dựng bộ đôi số ứng dụng cho

rô bốt là một nghiên cứu rất mới mẻ, đáp ứng nhu cầu thực tiễn của công nghiệp và hứa hẹn triển vọng phát triển mạnh mẽ trong những năm tới cả trong và ngoài nước Nghiên cứu dựa trên các nghiên cứu

lý thuyết và thực nghiệm để xây dựng mô phỏng một mô hình kỹ thuật

số mô tả chân thực rô bốt và xây dựng kết nối truyền thông giữa thực thể vật lý và mô hình kỹ thuật số Việc thực nghiệm được thực hiện trên đối tượng là rô bốt UR3 trong hệ thống lắp ráp bóng đèn Bộ đôi

số của rô bốt UR3 sau khi được tạo ra tiếp tục được ứng dụng vào việc tìm đường đi cho rô bốt và tối ưu hoạt động cộng tác giữa người và rô bốt

Ứng dụng rô bốt ngày càng trở nên phổ biến cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp tự động hóa Nghiên cứu về rô bốt hiện nay không ngừng gia tăng do nhu cầu lớn trên thị trường, phạm vi ứng dụng rộng rãi và tiềm năng phát triển kỹ thuật Đặc biệt, quy hoạch đường đi của rô bốt đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều qua

nhiều thế hệ thuật toán Tối ưu hóa lập kế hoạch đường đi cho rô bốt

sẽ giúp giảm thời gian và chi phí cho quy trình vận hành rô bốt Một trong những thuật toán tìm đường đi cho rô bốt được ứng dụng rộng rãi là thuật toán A*, thuật toán A* đã được phát minh và nhiều cải tiến

đã được thực hiện để tăng hiệu quả của thuật toán lập kế hoạch đường

đi A* ban đầu Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp chúng ta bắt gặp nhiều sự phối hợp làm việc giữa người và rô bốt Trong các hệ thống phối hợp này có thể sử dụng được những ưu điểm của rô bốt là nhanh chóng, chính xác và ưu điểm của con người là sự khéo léo, uyển chuyển trong các tình huống khác nhau

Qua phân tích tổng quan bài toán bộ đôi số và rô bốt công nghiệp, nghiên cứu sinh nhận thấy vấn đề nghiên cứu và phát triển bộ đôi số ứng dụng cho rô bốt công nghiệp là một hướng nghiên cứu tiềm năng, vẫn còn có thể khai thác ở nhiều khía cạnh, đặc biệt là mảng ứng dụng

bộ đôi số cho rô bốt công nghiệp để tăng hiệu suất trong hoạt động của các nhà máy số Và đó cũng là lý do nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu xây dựng bộ đôi số ứng dụng cho Rô bốt công nghiệp” Trong đề tài luận án này, nghiên cứu sinh tập trung vào hướng nghiên cứu các phương pháp xây dựng bộ đôi số cho rô bốt công nghiệp, phát triển các ứng dụng cụ thể của bộ đôi số trong các bài toán tìm đường

đi cho rô bốt, hợp tác giữa người và rô bốt

2 Mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Mục đích

Mục đích của luận án là từng bước làm chủ được việc xây dựng bộ đôi số cho rô bốt công nghiệp, xây dựng các phần mềm cho phép ứng dụng bộ đôi số trong việc tối ưu hóa đường đi của rô bốt và phối hợp hoạt động giữa người và rô bốt

Mục đích cụ thể bao gồm:

- Xây dựng bộ đôi số cho rô bốt công nghiệp

- Đề xuất cải tiến một số ứng dụng bộ đôi số cho rô bốt công nghiệp trong các bài toán tìm đường đi và hợp tác người và rô bốt

Đối tượng nghiên cứu

Các đối tượng nghiên cứu của luận án là: Kỹ thuật bộ đôi số, rô bốt công nghiệp, phương pháp xây dựng bộ đôi số cho rô bốt công nghiệp, phương pháp tìm đường đi cho rô bốt, hợp tác giữa người và rô bốt

Phạm vi

Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung vào: Xây dựng bộ đôi số

và ứng dụng cho rô bốt UR3 trong hệ thống lắp ráp bóng đèn tại phòng thí nghiệm Nhà máy số thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng Trên

cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các tài liệu, công trình đã nghiên cứu trong nước và ngoài nước về bộ đôi số, rô bốt công nghiệp, phương pháp tìm đường đi của rô bốt, phối hợp người và rô bốt Từ nghiên cứu lý thuyết tìm hiểu việc xây dựng bộ đôi số cho rô bốt UR3 Dựa vào kết quả nghiên cứu, triển khai bộ đôi số trên thực tế, tiếp tục nghiên cứu

đề xuất cải tiến trong các ứng dụng về tìm đường đi cho rô bốt và phối hợp người và rô bốt, chạy thực nghiệm và so sánh minh chứng kết quả

về lý thuyết và thực nghiệm đồng thời công bố các kết quả nghiên cứu

ở các tạp chí, hội thảo khoa học trong và ngoài nước

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, sự kết hợp giữa thuật toán A* cải tiến và kỹ thuật bộ đôi số đã được sử dụng để lập kế hoạch đường đi của rô bốt trong hệ thống lắp ráp bóng đèn Trong nghiên cứu này, nghiên cứu sinh đưa ra các ưu điểm của thuật toán A* và công nghệ bộ đôi số được áp dụng cho các giai đoạn chuyển động của rô bốt phù hợp để đề xuất phương án hiệu quả cho toàn bộ quy trình vận hành Đồng thời ảnh hưởng của kích thước chướng ngại vật cũng được đánh giá về mặt hiệu quả của một trong hai phương pháp để tăng cường hơn nữa việc lập kế hoạch đường đi cho rô bốt khi áp dụng vào thực tế cho một hệ thống có các chướng ngại vật có kích thước khác nhau

Ngoài ra, bộ đôi số được ứng dụng để tối ưu hóa sự hợp tác giữa người và rô bốt trong dây chuyền sản xuất lắp ráp bóng đèn Đầu tiên,

kỹ thuật bộ đôi số được sử dụng để tìm quỹ đạo chuyển động của rô

bốt, bộ đôi số của rô bốt và con người được tạo ra bằng cách kết hợp các camera theo dõi vị trí và đặc điểm hoạt động của con người trong không gian làm việc, giúp ngăn chặn con người xung đột rô bốt trong không gian làm việc chung Sau đó, một thuật toán di truyền đa thích ứng đã được áp dụng để tính toán công thái học tối ưu và tạo lịch trình

di chuyển của người Để đảm bảo hoạt động liên tục và không xảy ra tình trạng thiếu nguyên liệu, người công nhân phải quan sát và di chuyển đến băng chuyền nhập nguyên liệu và pallet nhập nguyên liệu cung cấp cho hệ thống Điều này nhằm mục đích cung cấp liên tục nguyên vật liệu đầu vào cho dây chuyền lắp ráp, đồng thời cho phép nhiệm vụ của công nhân diễn ra song song với hoạt động lắp ráp của

rô bốt Thuật toán được thiết kế để giảm số lần di chuyển cần thiết để lấy nguyên liệu và đảm bảo rô bốt luôn có đủ nguyên liệu để lắp ráp theo quỹ đạo xác định, nhờ đó tiết kiệm nhân công và tối ưu hóa quy trình sản xuất Sự kết hợp giữa kỹ thuật bộ đôi số và thuật toán di truyền đa thích nghi đã tối ưu hóa đường di chuyển của rô bốt và số lượng chuyển động được thực hiện bởi người hoạt động trên hệ thống

4 Những kết quả mới

Những kết quả mới của luận án đạt được như sau:

- Xây dựng bộ đôi số cho rô bốt UR3 trong hệ thống lắp ráp bóng đèn

- Ứng dụng bộ đôi số kết hợp với thuật toán A* cải tiến tìm đường đi cho rô bốt, so sánh trong trường hợp vật cản có chiều cao không thay đổi và chiều cao thay đổi Từ đó đề xuất việc sử dụng phối hợp bộ đôi số và thuật toán A* cải tiến tìm đường đi cho rô bốt thích nghi trong từng trường hợp

- Ứng dụng bộ đôi số kết hợp thuật toán di truyền để tối ưu phối hợp hoạt động của người và rô bốt trong hệ thống lắp ráp bóng đèn, kết quả giảm được số lần di chuyển của người đến các vị trí cung cấp nguyên liệu đầu vào cho hệ thống đồng thời đảm bảo rô bốt có thể hoạt động liên tục không bị gián đoạn do thiếu nguyên liệu là nắp và đui bóng ở đầu vào dây chuyền lắp ráp bóng đèn

5 Cấu trúc luận án

Luận án được chia thành 4 chương: Chương 1: Tổng quan về bộ đôi số và các ứng dụng; Chương 2: Xây dựng bộ đôi số cho robot công nghiệp trong hệ thống lắp ráp bóng đèn; Chương 3: Ứng dụng

bộ đôi số trong tìm đường đi cho robot; Chương 4: Ứng dụng bộ đôi

số trong phối hợp người và robot; Kết luận; Hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐÔI SỐ VÀ CÁC ỨNG

DỤNG 1.1 Đặt vấn đề

Công nghệ Bộ đôi số đã được ra đời từ thập niên 2000 Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin (như công nghệ dữ liệu lớn, điện toán đám mây, trí tuệ nhân tạo…) đã tạo điều kiện để công nghệ bộ đôi số phát triển một cách mạnh mẽ, thu hút được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu với số lượng bài báo tăng theo cấp số nhân Bộ đôi số không chỉ được sử dụng trong một giai đoạn mà còn có khả năng sử dụng trong cả vòng đời của hệ thống:

từ giai đoạn (i) lập kế hoạch, thiết kế, tối ưu hóa các thông số, kiểm thử, giai đoạn (ii) tạo ra hệ thống thật, đến giai đoạn (iii) vận hành, dự đoán lỗi, lên kế hoạch bảo trì bảo dưỡng, dự đoán tuổi thọ, và cuối cùng là giai đoạn (iv) dừng hoạt động, loại bỏ khỏi hệ thống hoạt động

Bộ đôi số có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp (công nghệ thông tin, giao thông vận tải, hàng không, cơ khí, xây dựng, y dược chăm sóc sức khỏe…) giúp tối ưu hóa hoạt động của

hệ thống, giảm thiểu chi phí Cùng với đó là việc ứng dụng ngày càng rộng rãi của rô bốt trong hệ thống sản xuất công nghiệp Bài toán tìm đường đi cho rô bốt và phối hợp người và rô bốt là những chủ đề được quan tâm có có các ứng dụng rộng rãi

1.2 Lịch sử phát triển bộ đôi số và các dấu mốc

Hình 1.1 tóm tắt những dấu mốc quan trọng trong quá trình phát triển của bộ đôi số theo bản báo cáo [13]

Hình 1 1 Các dấu mốc quan trọng trong quá trình phát triển của Bộ

đôi số

1.3 Khái niệm và phân loại bộ đôi số

Vào ngày 27/07/2020, tiêu chuẩn ISO về bộ đôi số được công bố tiêu chuẩn mang số hiệu ISO 23247 đã đánh dấu sự ra đời của tài liệu chuẩn hóa về bộ đôi số Tiêu chuẩn này có sự kế thừa từ tất cả các nghiên cứu trước đó Tiêu chuẩn này mới chỉ là một khung chứ chưa phải là những tiêu chuẩn các giao thức dài và chi tiết, đồng thời chỉ tập trung vào giai đoạn sản xuất trong các nhà xưởng

Dựa trên mức độ tích hợp của bộ đôi số, Kritzinger và cộng sự trong nghiên cứu [46] đã chia bộ đôi số thành ba loại:

• Mô hình kỹ thuật số (Digital Model): Trong loại bộ đôi số này,

dữ liệu giữa đối tượng vật lý và đối tượng kỹ thuật số được trao đổi theo cách thủ công, do đó bất kỳ thay đổi nào trong trạng thái của đối tượng vật lý đều không được phản ánh trực tiếp trong kỹ thuật số và ngược lại

• Hình bóng kỹ thuật số (Digital Shadow): Dữ liệu từ luồng đối tượng vật lý sang kỹ thuật số tự động, nhưng điều này vẫn là thủ công theo chiều ngược lại Kết quả là, bất kỳ thay đổi nào trong vật lý đối tượng có thể được nhìn thấy trong bản sao kỹ thuật số của nó, nhưng theo chiều ngược lại thì không thể nhìn thấy một cách tự động

• Bộ đôi số (Digital Twin): Trong loại bộ đôi số này, có một luồng

dữ liệu hai chiều tự động giữa đối tượng vật lý và đối tượng kỹ thuật

số Do đó, những thay đổi của một trong hai đối tượng, vật lý hoặc kỹ thuật số, thời gian thực có thể dẫn đến những thay đổi trong đối tượng kia

mô phỏng sản xuất, công cụ giám sát và tiên lượng sản phẩm và hướng tới sản xuất bền vững Một lĩnh vực phổ biến khác là tòa nhà và thành phố thông minh, tập trung vào giám sát độ bền vững cấu trúc, quản lý

và kiểm soát tòa nhà, tối ưu hóa quy hoạch dự án và dự đoán bảo trì ICT cũng được chú ý trong nghiên cứu bộ đôi số và được ứng dụng rộng rãi trên hệ thống điện toán biên, bảo mật truyền thông và giám sát dịch vụ đám mây Tiếp theo, nghiên cứu bộ đôi số liên quan đến năng lượng tập trung vào hệ thống điện, chẩn đoán lỗi và tối ưu hóa vận hành nhà máy điện Các chủ đề nghiên cứu về ô tô, hàng không

vũ trụ và y tế và chăm sóc sức khỏe có tỷ lệ tương tự, chủ yếu là theo dõi tình trạng sản phẩm và dự đoán, thử nghiệm và mô phỏng Cuối cùng, các chủ đề liên quan đến bộ đôi số về giáo dục đang tăng lên trong những năm gần đây do xu hướng dạy và học trực tuyến Các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau được nhóm lại bao gồm khai thác mỏ, nông nghiệp, hóa học, v.v [47]

Trong các ứng dụng này, có hai ứng dụng thu hút nhiền sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và có nhiều áp dụng thực tế trong quá

trình vận hành sản xuất là ứng dụng bộ đôi số trong tìm đường đi cho

rô bốt và ứng dụng trong phối hợp người và rô bốt

Chương 2: XÂY DỰNG BỘ ĐÔI SỐ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP TRONG HỆ THỐNG LẮP RÁP BÓNG ĐÈN

2.1 Hệ thống lắp ráp bóng đèn

Lưu đồ thuật toán mô tả chu trình hoàn thiện của rô bốt được trình bày trong hình 2.2

Hình 2 2 Lưu đồ thuật toán Rô bốt

2.2 Tính toán động học và xây dựng bộ đôi số rô bốt UR3

Dựa vào phương pháp ma trận DH [5,19,20], ta xây dựng được các

hệ trục tọa độ khớp đối với rô bốt có dạng như trên hình 2.23 Sau khi xây dựng được các hệ tọa độ khớp, ta xác định được bảng các tham số động học DH của rô bốt

Từ đó, ta thu được hệ phương trình động học robot UR3 như sau:

Mô hình hóa rô bốt UR3

Mô hình mô phỏng (không gian số trong bộ đôi số) là một môi trường động được xây dựng bằng cách đưa các đối tượng thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) 3 chiều vào phần mềm Tecnomatix Process Simulate Tao [5] cho rằng mô hình ảo bao gồm bốn lớp, tức là hình học (tạo ra các đối tượng CAD 3D), vị trí vật lý (vị trí của các đối tượng CAD trong cảnh), hành vi (động học của rô bốt) và quy tắc (trình tự quy trình lắp ráp) Các đối tượng CAD động học 3D của rô bốt có sẵn tại thư viện trực tuyến do Trung tâm hỗ trợ Siemens duy trì

Việc tạo ra các đối tượng 3D được áp dụng cho tất cả các bộ phận

và thành phần khác của hệ thống để được đưa vào môi trường Tecnomatix Tecnomatix có thể nhập dữ liệu CAD ở định dạng JT (Jupiter Tessellation).Việc xây dựng mô hình số của Rô bốt UR3 mô phỏng hình học và các động lực học của Rô bốt gồm có các bước như trên hình 2.10 dưới đây:

Hình 2 10 Các bước xây dựng mô hình số rô bốt UR3

Giao thức TCP/IP được sử dụng để kết nối kết nối truyền thông thời gian thực giữa rô bốt thật và rô bốt ảo qua cổng Ethernet Chế độ

“Live Mode” trong phần mềm Tecnomatix Process Simulate được sử dụng để kết nối giữa rô bốt thật và ảo như hình ảnh 2.12

Hình 2 12 Kết nối trực tiếp giữa rô bốt thật và rô bốt ảo

Chương 3: ỨNG DỤNG BỘ ĐÔI SỐ TRONG TÌM ĐƯỜNG ĐI CHO RÔ BỐT

3.1 Bài toán tìm đường đi của rô bốt

Vai trò của việc lập kế hoạch đường dẫn rô bốt thích hợp trong sản xuất

Khi việc lập kế hoạch đường đi cho rô bốt được hoàn thành đúng cách, rô bốt công nghiệp có thể thực hiện các nhiệm vụ sau đó một cách hiệu quả Lập kế hoạch đường đi cho rô bốt đóng một phần quan