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

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 Cơng trình hồn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS TS Vũ Toàn Thắng PGS TS Nguyễn Thành Hùng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Đoàn Thanh Xuân, Lê Giang Nam, (2021) “Sự phát triển công nghệ đôi số ứng dụng lĩnh vực” Tạp chí Cơ Khí Việt Nam, số 9, tr 36-45 Đồn Thanh Xuân, Vũ Toàn Thắng, Đặng Thái Việt, Vũ Tiến Dũng, (2022) “Xây dựng đôi số cho rô bốt UR3 hệ thống lắp ráp bóng đèn” Tạp chí Cơ Việt Nam, số 291, tr 14-17 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 Transportation, Energy, and Mechanical Manufacturing Engineering RCTEMME 2021 Lecture Notes in Mechanical Engineering Springer, Singapore https://doi.org/10.1007/978- 981-19-1968-8_8 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) 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 Optimization” Applied Sciences 2023; 13(7):4229 https://doi.org/10.3390/app13074229 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Việc mơ q trình hay hệ thống giúp người có nhìn sâu sắc hệ thống, linh hoạt điều chỉnh, thay đổi thông số, thiết bị, kiểm thử xác nhận tối ưu hóa giai đoạn lập kế hoạch ban đầu Với ưu điểm nên việc mô nghiên cứu ứng dụng rộng rãi, nhiên việc mô đa phần dừng lại mơ hình tĩnh thơng tin trao đổi chiều từ vật thể vật lý đến đối tượng kỹ thuật số Khái niệm đôi số với mong muốn xây dựng thiết bị số song sinh với thiết bị vật lý mô tả cách chân thực trao đổi liệu với ngày thu hút quan tâm nhà nghiên cứu Cùng với phát triển mạnh mẽ cơng nghệ số hóa thơng tin hệ mới, liệu thu thập nhiều hơn, xử lý hiệu tạo tiền đề hỗ trợ mạnh mẽ cho phát triển Bộ đôi số Nhà máy số xu phát triển tất yếu ngành công nghiệp, Bộ đơi số đơn vị bản, tổng hợp đôi số tạo thành nhà máy số Nghiên cứu xây dựng đôi số ứng dụng cho rô bốt nghiên cứu mẻ, đáp ứng nhu cầu thực tiễn công nghiệp hứa hẹn triển vọng phát triển mạnh mẽ năm tới nước Nghiên cứu dựa nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm để xây dựng mơ mơ hình kỹ thuật số mô tả chân thực rô bốt xây dựng kết nối truyền thông thực thể vật lý mơ hình kỹ thuật số Việc thực nghiệm thực đối tượng rô bốt UR3 hệ thống lắp ráp bóng đèn Bộ đơi số rơ bốt UR3 sau tạo tiếp tục ứng dụng vào việc tìm đường cho rơ bốt tối ưu hoạt động cộng tác người rô bốt Ứng dụng rô bốt ngày trở nên phổ biến với phát triển ngành cơng nghiệp tự động hóa Nghiên cứu rơ bốt không ngừng gia tăng nhu cầu lớn thị trường, phạm vi ứng dụng rộng rãi tiềm phát triển kỹ thuật Đặc biệt, quy hoạch đường rô bốt nghiên cứu ứng dụng nhiều qua nhiều hệ thuật tốn Tối ưu hóa lập kế hoạch đường cho rơ bốt giúp giảm thời gian chi phí cho quy trình vận hành rơ bốt Một thuật tốn tìm đường cho rơ bốt ứng dụng rộng rãi thuật toán A*, thuật toán A* phát minh nhiều cải tiến thực để tăng hiệu thuật toán lập kế hoạch đường A* ban đầu Trong dây chuyền sản xuất công nghiệp bắt gặp nhiều phối hợp làm việc người rô bốt Trong hệ thống phối hợp sử dụng ưu điểm rô bốt nhanh chóng, xác ưu điểm người khéo léo, uyển chuyển tình khác Qua phân tích tổng quan tốn đôi số rô bốt công nghiệp, nghiên cứu sinh nhận thấy vấn đề nghiên cứu phát triển đôi số ứng dụng cho rô bốt công nghiệp hướng nghiên cứu tiềm năng, cịn khai thác nhiều khía cạnh, đặc biệt mảng ứng dụng đôi số cho rô bốt công nghiệp để tăng hiệu suất hoạt động nhà máy số Và lý nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng đôi số ứng dụng cho Rô bốt công nghiệp” Trong đề tài luận án này, nghiên cứu sinh tập trung vào hướng nghiên cứu phương pháp xây dựng đôi số cho rô bốt công nghiệp, phát triển ứng dụng cụ thể đôi số tốn tìm đường cho rơ bốt, hợp tác người rơ bốt Mục đích, đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu Mục đích Mục đích luận án bước làm chủ việc xây dựng đôi số cho rô bốt công nghiệp, xây dựng phần mềm cho phép ứng dụng đơi số việc tối ưu hóa đường rô bốt phối hợp hoạt động người rơ bốt Mục đích cụ thể bao gồm: - Xây dựng đôi số cho rô bốt công nghiệp - Đề xuất cải tiến số ứng dụng đôi số cho rô bốt công nghiệp tốn tìm đường hợp tác người rô bốt Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng nghiên cứu luận án là: Kỹ thuật đôi số, rô bốt công nghiệp, phương pháp xây dựng đôi số cho rô bốt công nghiệp, phương pháp tìm đường cho rơ bốt, hợp tác người rô bốt Phạm vi Phạm vi nghiên cứu luận án tập trung vào: Xây dựng đôi số ứng dụng cho rô bốt UR3 hệ thống lắp ráp bóng đèn phịng 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 sở nghiên cứu lý thuyết, tài liệu, cơng trình nghiên cứu nước ngồi nước đơi số, rơ bốt cơng nghiệp, phương pháp tìm đường rô bốt, phối hợp người rô bốt Từ nghiên cứu lý thuyết tìm hiểu việc xây dựng đơi số cho rô bốt UR3 Dựa vào kết nghiên cứu, triển khai đôi số thực tế, tiếp tục nghiên cứu đề xuất cải tiến ứng dụng tìm đường cho rơ bốt phối hợp người rô bốt, chạy thực nghiệm so sánh minh chứng kết lý thuyết thực nghiệm đồng thời công bố kết nghiên cứu tạp chí, hội thảo khoa học nước Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Trong nghiên cứu này, kết hợp thuật toán A* cải tiến kỹ thuật đôi số sử dụng để lập kế hoạch đường rô bốt hệ thống lắp ráp bóng đèn Trong nghiên cứu này, nghiên cứu sinh đưa ưu điểm thuật toán A* công nghệ đôi số áp dụng cho giai đoạn chuyển động rô bốt phù hợp để đề xuất phương án hiệu cho toàn quy trình vận hành Đồng thời ảnh hưởng kích thước chướng ngại vật đánh giá mặt hiệu hai phương pháp để tăng cường việc lập kế hoạch đường cho rô bốt áp dụng vào thực tế cho hệ thống có chướng ngại vật có kích thước khác Ngồi ra, đơi số ứng dụng để tối ưu hóa hợp tác người rô bốt dây chuyền sản xuất lắp ráp bóng đèn Đầu tiên, kỹ thuật đơi số sử dụng để tìm quỹ đạo chuyển động rơ bốt, đôi số rô bốt người tạo cách kết hợp camera theo dõi vị trí đặc điểm hoạt động người không gian làm việc, giúp ngăn chặn người xung đột rô bốt không gian làm việc chung Sau đó, thuật tốn di truyền đa thích ứng áp dụng để tính tốn cơng thái học tối ưu tạo lịch trình di chuyển người Để đảm bảo hoạt động liên tục khơng xảy tình trạng thiếu ngun liệu, người cơng nhân phải quan sát di chuyển đến băng chuyền nhập nguyên liệu pallet nhập nguyên liệu cung cấp cho hệ thống Điều nhằm mục đích cung cấp liên tục nguyên vật liệu đầu vào cho dây chuyền lắp ráp, đồng thời cho phép nhiệm vụ công nhân diễn song song với hoạt động lắp ráp rơ bốt Thuật tốn thiết kế để giảm số lần di chuyển cần thiết để lấy nguyên liệu đảm bảo rơ bốt ln có đủ ngun liệu để lắp ráp theo quỹ đạo xác định, nhờ tiết kiệm nhân cơng tối ưu hóa quy trình sản xuất Sự kết hợp kỹ thuật đôi số thuật tốn di truyền đa thích nghi tối ưu hóa đường di chuyển rơ bốt số lượng chuyển động thực người hoạt động hệ thống Những kết Những kết luận án đạt sau: - Xây dựng đôi số cho rô bốt UR3 hệ thống lắp ráp bóng đèn - Ứng dụng đơi số kết hợp với thuật tốn A* cải tiến tìm đường cho rơ bốt, so sánh trường hợp vật cản có chiều cao khơng thay đổi chiều cao thay đổi Từ đề xuất việc sử dụng phối hợp đôi số thuật tốn A* cải tiến tìm đường cho rơ bốt thích nghi trường hợp - Ứng dụng đơi số kết hợp thuật tốn di truyền để tối ưu phối hợp hoạt động người rơ bốt hệ thống lắp ráp bóng đèn, kết giảm số lần di chuyển người đến vị trí cung cấp nguyên liệu đầu vào cho hệ thống đồng thời đảm bảo rơ bốt hoạt động liên tục không bị gián đoạn thiếu nguyên liệu nắp đui bóng đầu vào dây chuyền lắp ráp bóng đèn Cấu trúc luận án Luận án chia thành chương: Chương 1: Tổng quan đôi số ứng dụng; Chương 2: Xây dựng đôi số cho robot cơng nghiệp hệ thống lắp ráp bóng đèn; Chương 3: Ứng dụng đơi số tìm đường cho robot; Chương 4: Ứng dụng đôi số phối hợp người robot; Kết luận; Hướng nghiên cứu Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐÔI SỐ VÀ CÁC ỨNG DỤNG 1.1 Đặt vấn đề Công nghệ Bộ đôi số đời từ thập niên 2000 Trong năm gần đây, phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin (như công nghệ liệu lớn, điện tốn đám mây, trí tuệ nhân tạo…) tạo điều kiện để công nghệ đôi số phát triển cách mạnh mẽ, thu hút quan tâm lớn nhà nghiên cứu với số lượng báo tăng theo cấp số nhân Bộ đôi số không sử dụng giai đoạn mà cịn có khả sử dụng vòng đời hệ thống: từ giai đoạn (i) lập kế hoạch, thiết kế, tối ưu hóa thơng số, kiểm thử, giai đoạn (ii) tạo hệ thống thật, đến giai đoạn (iii) vận hành, dự đoán lỗi, lên kế hoạch bảo trì bảo dưỡng, dự đốn tuổi thọ, cuối giai đoạn (iv) dừng hoạt động, loại bỏ khỏi hệ thống hoạt động Bộ đôi số có khả ứng dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp (công nghệ thông tin, giao thông vận tải, hàng khơng, khí, xây dựng, y dược chăm sóc sức khỏe…) giúp tối ưu hóa hoạt động hệ thống, giảm thiểu chi phí Cùng với việc ứng dụng ngày rộng rãi rô bốt hệ thống sản xuất cơng nghiệp Bài tốn tìm đường cho rô bốt phối hợp người rô bốt chủ đề quan tâm có có ứng dụng rộng rãi 1.2 Lịch sử phát triển đơi số dấu mốc Hình 1.1 tóm tắt dấu mốc quan trọng q trình phát triển đôi số theo báo cáo [13] Hình 1 Các dấu mốc quan trọng q trình phát triển Bộ đơi số 1.3 Khái niệm phân loại đôi số Vào ngày 27/07/2020, tiêu chuẩn ISO đôi số công bố tiêu chuẩn mang số hiệu ISO 23247 đánh dấu đời tài liệu chuẩn hóa đơi số Tiêu chuẩn có kế thừa từ tất nghiên cứu trước Tiêu chuẩn khung chưa phải tiêu chuẩn giao thức dài chi tiết, đồng thời tập trung vào giai đoạn sản xuất nhà xưởng Dựa mức độ tích hợp đơi số, Kritzinger cộng nghiên cứu [46] chia đôi số thành ba loại: • Mơ hình kỹ thuật số (Digital Model): Trong loại đôi số này, liệu đối tượng vật lý đối tượng kỹ thuật số trao đổi theo cách thủ cơng, thay đổi trạng thái đối tượng vật lý không phản ánh trực tiếp kỹ thuật số ngược lại • Hình bóng kỹ thuật số (Digital Shadow): Dữ liệu từ luồng đối tượng vật lý sang kỹ thuật số tự động, điều thủ công theo chiều ngược lại Kết là, thay đổi vật lý đối tượng nhìn thấy kỹ thuật số nó, theo chiều ngược lại khơng thể nhìn thấy cách tự động • Bộ đơi số (Digital Twin): Trong loại đơi số này, có luồng liệu hai chiều tự động đối tượng vật lý đối tượng kỹ thuật số Do đó, thay đổi hai đối tượng, vật lý kỹ thuật số, thời gian thực dẫn đến thay đổi đối tượng 1.4 Ứng dụng đơi số Bộ đơi số ứng dụng nhiều ngành nghề, lĩnh vực Sản xuất lĩnh vực nghiên cứu phổ biến đôi số, chiếm phần lớn tỷ trọng nghiên cứu đôi số Hầu hết nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa việc lập kế hoạch sản xuất, mô sản xuất, công cụ giám sát tiên lượng sản phẩm hướng tới sản xuất bền vững Một lĩnh vực phổ biến khác tịa nhà thành phố thơng minh, tập trung vào giám sát độ bền vững cấu trúc, quản lý kiểm sốt tịa nhà, tối ưu hóa quy hoạch dự án dự đốn bảo trì ICT ý nghiên cứu đôi số ứng dụng rộng rãi hệ thống điện toán biên, bảo mật truyền thông giám sát dịch vụ đám mây Tiếp theo, nghiên cứu đôi số liên quan đến lượng tập trung vào hệ thống điện, chẩn đốn lỗi tối ưu hóa vận hành nhà máy điện Các chủ đề nghiên cứu ô tô, hàng khơng vũ trụ y tế chăm sóc sức khỏe có tỷ lệ tương tự, chủ yếu theo dõi tình trạng sản phẩm dự đốn, thử nghiệm mô Cuối cùng, chủ đề liên quan đến đôi số giáo dục tăng lên năm gần xu hướng dạy học trực tuyến Các lĩnh vực nghiên cứu khác nhóm lại bao gồm khai thác mỏ, nơng nghiệp, hóa học, v.v [47] Trong ứng dụng này, có hai ứng dụng thu hút nhiền quan tâm nhà nghiên cứu có nhiều áp dụng thực tế Việc tạo đối tượng 3D áp dụng cho tất phận thành phần khác hệ thống để đưa vào mơi trường Tecnomatix Tecnomatix nhập liệu CAD định dạng JT (Jupiter Tessellation).Việc xây dựng mơ hình số Rơ bốt UR3 mơ hình học động lực học Rơ bốt gồm có bước hình 2.10 đây: Hình 10 Các bước xây dựng mơ hình số rô bốt UR3 Giao thức TCP/IP sử dụng để kết nối kết nối truyền thông thời gian thực rô bốt thật rô bốt ảo qua cổng Ethernet Chế độ “Live Mode” phần mềm Tecnomatix Process Simulate sử dụng để kết nối rô bốt thật ảo hình ảnh 2.12 Hình 12 Kết nối trực tiếp rô bốt thật rô bốt ảo Chương 3: ỨNG DỤNG BỘ ĐÔI SỐ TRONG TÌM ĐƯỜNG ĐI CHO RƠ BỐT 3.1 Bài tốn tìm đường rơ bốt Vai trị việc lập kế hoạch đường dẫn rơ bốt thích hợp sản xuất Khi việc lập kế hoạch đường cho rơ bốt hồn thành cách, rơ bốt cơng nghiệp thực nhiệm vụ sau cách hiệu Lập kế hoạch đường cho rơ bốt đóng phần quan 10 trọng thơng số sau: Độ xác rơ bốt, Khả lặp lại nhiệm vụ, Chất lượng sản phẩm 3.2 Thuật toán A* cải tiến Cải tiến phương pháp nâng cao đường dẫn cục (local) nút nút mục tiêu, lập kế hoạch trước tìm kiếm vùng lân cận nút Và đường dẫn cục thông qua trực tiếp an tồn khơng va chạm Ưu điểm thứ hai phương pháp tận dụng công đoạn xử lý sau để tối ưu hóa đường dẫn kết quả, cách làm thẳng đường dẫn cục để giảm số lượng đường dẫn cục chiều dài đường dẫn Trong thuật toán này, giai đoạn truy vấn kế hoạch lộ trình xác suất bao gồm lập kế hoạch đường dẫn dựa thuật tốn A* cải tiến [65, 66] Có hai giai đoạn kế hoạch lộ trình xác suất, giai đoạn thứ giai đoạn tiền xử lý thứ hai giai đoạn truy vấn Trong giai đoạn đầu, hệ ngẫu nhiên điểm lấy mẫu không xảy va chạm không gian hoạt động rơ bốt Các điểm gọi nút giai đoạn sau Kế hoạch đường dẫn cục sau xây dựng đường dẫn an tồn khơng va chạm cục điểm Để kiểm tra tính hợp lệ đường dẫn va chạm xảy ra, kế hoạch ánh xạ tới không gian khớp rô bốt kế hoạch đường dẫn cục việc thực thực ràng buộc không gian chung (chẳng hạn vận tốc gia tốc, tối ưu hóa lượng) Do đó, điểm lấy mẫu không va chạm đường dẫn an tồn cục thành phần lộ trình xác suất Trong giai đoạn sau, với việc áp dụng thuật tốn A* cải tiến, kế hoạch lộ trình xác suất tạo thành tìm kiếm có đường dẫn an tồn cho chuyển động rơ bốt nối nút ban đầu S (điểm bắt đầu) nút mục tiêu G (điểm kết thúc) Trong nghiên cứu này, giới hạn không gian khớp định tham số (nghĩa phạm vi góc, vận tốc khớp, gia tốc, biến dạng vận tốc giải pháp động học nghịch đảo tối ưu) để xây dựng đồ xác suất 11 Hình Một ví dụ đơn cho nhiệm vụ rơ bốt Hình Đường dẫn có thuật tốn A* Hình Kết tối ưu bước bên trái, bước thứ hai bên phải Hình Kết tối ưu bước cuối 3.3 Ứng dụng kết hợp đơi số thuật tốn A* tốn tìm đường cho rơ bốt Hình 15 Đường rơ bốt tìm thấy phương pháp kỹ thuật số 12 Hình 16 Đường rơ bốt tìm thấy thuật toán A* ban đầu (trái) thuật toán A* cải tiến (phải) Hình 17 Đường rơ bốt tìm thấy thuật tốn A* cải tiến thêm chướng ngại vật 30 mm Hình 18 Đường rơ bốt tìm thấy thuật toán A* cải tiến thêm chướng ngại vật 50 mm Hình 19 Hình ảnh thực tế cặp chướng ngại vật Real image of the pairs of obstacles (case 3) 13 Xem xét Trường hợp sử dụng thuật toán A* (1A) thuật toán A* cải tiến (1B) Kết cho thấy thời gian di chuyển rơ bốt ngắn dài sử dụng thuật toán A* so với phương thức đôi Sai lệch nhỏ vào khoảng 3,544 s (-11,93%) tương ứng với vận tốc 250 mm/s gia tốc 1200 mm/s2; chênh lệch lớn vào khoảng 4,456s (5,24%) ứng với vận tốc 450 mm/s gia tốc 500 mm/s2 Điều rõ ràng có nghĩa thuật tốn A* khơng phải lúc tốt phương thức đôi số Chúng thấy trường hợp có vài chướng ngại vật, thời gian chuyển động rô bốt thu thuật toán A* cải tiến nhỏ so với thời gian thu phương pháp đôi số Ngược lại thuật tốn A* cải tiến ln tốt đơi số thời gian di chuyển trung bình rơ bốt giảm -20,43% ÷ -22,07% Xem xét Trường hợp chướng ngại vật có chiều cao khơng đổi (trường hợp 2A: chướng ngại vật có chiều rộng lớn 30 mm trường hợp 2B: chướng ngại vật có chiều rộng lớn 50 mm) thêm vào thuật toán A* cải tiến giúp giảm thời gian di chuyển trung bình rơ bốt -18,07% -16,44% Xem xét Trường hợp chướng ngại vật có kích thước khác thêm vào theo cặp Kết chướng ngại vật có chiều cao < 50 mm thuật toán A* cải tiến tăng thời gian di chuyển rô bốt hầu hết trường hợp Trường hợp 3, số lượng chướng ngại vật tăng lên với độ cao thay đổi, dẫn đến số điểm vượt qua tăng lên Chúng nhận thấy điểm D4, thời gian chuyển động rô bốt thu phương pháp đôi số ngày ngắn với tốc độ từ 350 mm/s trở lên Khi chướng ngại vật 3-4 có chiều cao < 50 mm thêm vào thuật toán A* tăng thời gian di chuyển rô bốt phạm vi vận tốc gia tốc nghiên cứu Khi chướng ngại vật 5-6 với chiều cao 𝑟𝑐𝑖 = { (4.5) , 𝑥𝑘 − 𝑥𝑘−1 𝐸𝑐 = ∑ 𝑟𝑐𝑖 Điều kiện ràng buộc sản xuất người không để băng tải thiếu nắp Điều tương đương với khoảng thời gian người di chuyển lần đến vị trí cấp bóng đèn (rc) khơng thể nhỏ khoảng thời gian rơ bốt sản xuất số bóng đèn với số nắp lớn băng tải chứa Theo mơ hình xây dựng nhiễm sắc thể phần đầu q trình di chuyển cấp phơi thời gian hồn thành lắp ráp bóng đèn Vì vậy, rc khoảng cách hai gen mã hóa cho việc di chuyển đến băng tải Băng tải chứa tối đa nắp cho lần cấp phơi Nếu q gen rơ bốt rơi vào trường hợp thiếu nguyên 17