Trong thế giới sản xuất hiện đại, cánh tay robot công nghiệp đã trở thành một phần không thể thiếu. Trong số các loại robot này, robot khớp nối (Articulated Robot) nổi lên như là loại hình phổ biến và linh hoạt nhất.
Lấy cảm hứng từ cấu trúc linh hoạt của cánh tay con người, Articulated Robot sở hữu các khớp quay, cho phép chúng thực hiện vô số chuyển động phức tạp trong không gian ba chiều.
Nội dung bài viết
Robot khớp nối là gì?
Robot khớp nối (Articulated Robot) là loại robot công nghiệp phổ biến nhất hiện nay, được thiết kế với cấu trúc mô phỏng theo cánh tay con người. Mỗi khớp trên robot cho phép một chuyển động quay độc lập và số lượng các khớp này được gọi là bậc tự do (Degrees of Freedom – DoF).
Các robot khớp nối thường có từ 4 đến 6 bậc tự do, với robot 6 trục là loại phổ biến nhất. Robot 6 trục có thể di chuyển và định hướng công cụ ở cuối cánh tay theo mọi hướng trong không gian làm việc của nó, gần như bắt chước hoàn hảo sự linh hoạt của cánh tay người.
Mỗi khớp được điều khiển bởi một động cơ servo chính xác, cho phép robot thực hiện các chuyển động mượt mà, nhanh chóng và lặp lại với độ chính xác cao.
Nhờ cấu trúc linh hoạt này, robot khớp nối có thể tiếp cận một không gian làm việc rộng, hình cầu hoặc bán cầu và thực hiện các tác vụ phức tạp như: hàn theo đường cong, lắp ráp các chi tiết phức tạp, phun sơn các bề mặt hình dạng tự do, xử lý vật liệu trong không gian chật hẹp,…
>>> Xem các cánh tay robot servo:
So sánh các loại cánh tay robot
Các loại cánh tay robot công nghiệp hiện đại đều được thiết kế để tự động hóa các quy trình sản xuất, nhưng chúng khác nhau đáng kể về cấu trúc, nguyên lý hoạt động, không gian làm việc và khả năng ứng dụng. Việc lựa chọn loại robot phù hợp là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và chi phí.
Dưới đây là so sánh chi tiết giữa robot khớp nối và các loại robot phổ biến khác: robot SCARA, Robot Delta và Robot Cartesian.
| Tiêu chí so sánh | Articulated Robot | Robot SCARA | Robot Delta |
Robot Cartesian
|
| Cấu trúc | Khớp quay nối tiếp, giống tay người | 2 khớp quay ngang, 1 trục Z tịnh tiến | Cấu trúc song song, cánh tay từ trên xuống |
Các trục tịnh tiến vuông góc (X,Y,Z)
|
| Số trục phổ biến | 6 trục | 4 trục | 3 – 4 trục | 3 trục trở lên |
| Không gian làm việc | Hình cầu/bán cầu, linh hoạt | Hình trụ/quạt | Hình nón (phía dưới) |
Hình hộp chữ nhật
|
| Độ linh hoạt | Rất cao, tiếp cận mọi góc | Cao (ngang), hạn chế (3D) | Cao (tầm làm việc), hạn chế (tải trọng) |
Thấp, chỉ theo trục thẳng
|
| Tốc độ | Cao | Nhanh | Rất nhanh | Thấp hơn |
| Độ chính xác | Cao (lặp lại tốt) | Rất cao (đặc biệt trục Z & ngang) | Rất cao |
Rất cao (tuyến tính)
|
| Tải trọng | Rất đa dạng (nhẹ – siêu nặng) | Thấp | Rất thấp |
Rất đa dạng (nhẹ – siêu nặng)
|
| Phức tạp lập trình | Cao | Trung bình | Cao | Thấp |
| Chi phí | Cao (ban đầu) | Trung bình (thấp hơn khớp nối) | Cao (thường hơn SCARA cùng tầm với) |
Thấp (thường hơn khớp nối)
|
| Ứng dụng | Hàn, lắp ráp phức tạp, sơn, xử lý vật liệu tổng quát | Lắp ráp điện tử, gắp đặt tốc độ cao, vặn vít | Gắp đặt tốc độ cực cao, đóng gói, phân loại |
Sơn bề mặt phẳng, cắt, in 3D, tải nặng thẳng
|
>>> Xem thêm các cánh tay robot phổ biến:
- Cánh tay robot hàn tự động
- Cánh tay robot gắp hàng tự động
Cấu tạo của robot khớp nối
Một robot khớp nối được cấu thành từ nhiều bộ phận chính, phối hợp nhịp nhàng để tạo ra chuyển động:
1/ Các khớp: Đây là các điểm mấu chốt cho phép robot xoay hoặc quay.
– Robot khớp nối được phân loại theo số bậc tự do (DoF), tương ứng với số khớp quay độc lập mà nó sở hữu.
+ Phổ biến nhất là robot 6 trục (6-DoF): Với 6 khớp quay, chúng có thể mô phỏng gần như toàn bộ chuyển động của cánh tay con người, cho phép định vị và định hướng công cụ ở mọi góc độ trong không gian.
+ Robot 4 trục (4-DoF) và 5 trục (5-DoF) cũng được sử dụng cho các ứng dụng đơn giản hơn, không yêu cầu định hướng quá phức tạp.
– Các khớp này thường được ký hiệu là J1, J2, J3… từ khớp gốc (base) đến khớp cuối cánh tay (wrist)
2/ Thân robot: Là các phân đoạn cứng vững kết nối giữa các khớp, tạo nên cấu trúc tổng thể của cánh tay robot.
3/ Động cơ: Mỗi khớp được trang bị một động cơ servo riêng biệt.
– Động cơ servo là loại động cơ có khả năng điều khiển chính xác vị trí, tốc độ và lực trong robot khớp nối.
>>> Tìm hiểu thêm: 10 ưu điểm của cánh tay robot servo
4/ Bộ truyền động: Chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động của khớp và tăng mô-men xoắn.
5/ Bộ điều khiển: Bộ điều khiển nhận các lệnh lập trình, tính toán quỹ đạo chuyển động cho từng khớp.
– Điều khiển động cơ servo để thực hiện các thao tác một cách chính xác và đồng bộ.
6/ Bộ phận cuối cánh tay: Là công cụ được gắn vào đầu cuối của robot.
– Được lựa chọn tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể: bộ kẹp, mỏ hàn, vòi phun sơn, dụng cụ gia công, camera kiểm tra,…
Nguyên lý hoạt động của Articulated Robot
Articulated Robot hoạt động dựa trên các nguyên lý động học phức tạp. Nguyên lý này xoay quanh sự phối hợp giữa hệ thống cơ khí, điện tử và phần mềm.
1/ Hệ thống tọa độ: Robot khớp nối hoạt động trong nhiều hệ thống tọa độ khác nhau để định vị và điều khiển chuyển động:
– Không gian Khớp: Đây là hệ thống tọa độ cơ bản nhất.
+ Mô tả vị trí của robot bằng các giá trị góc (độ hoặc radian) hoặc vị trí tịnh tiến của mỗi khớp riêng lẻ.
+ Khi bạn lập trình, bạn có thể thấy các giá trị J1, J2, J3… thay đổi.
– Không gian Cartesian: Hệ thống này mô tả vị trí và hướng của điểm trung tâm của công cụ ở cuối cánh tay robot.
+ Sử dụng các tọa độ X, Y, Z để chỉ vị trí và các góc như Roll, Pitch, Yaw để chỉ hướng của công cụ.
2/ Động học là nền tảng toán học giúp robot chuyển đổi giữa các hệ thống tọa độ:
– Động học Thuận (Forward Kinematics): Là quá trình tính toán vị trí và hướng của TCP trong không gian Cartesian khi biết các giá trị góc hiện tại của tất cả các khớp trong không gian khớp.
+ Tác dụng: Robot sử dụng động học thuận để luôn biết được nó đang ở đâu trong thế giới thực dựa trên trạng thái của các khớp.
– Động học Nghịch (Inverse Kinematics): Là quá trình tính toán các giá trị góc của tất cả các khớp trong không gian khớp cần thiết để đưa TCP đến một vị trí mong muốn.
+ Tác dụng: Bộ điều khiển robot phải giải quyết bài toán động học nghịch theo thời gian thực để di chuyển robot đến điểm bạn muốn.
3/ Hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín: Đây là cách robot đảm bảo nó di chuyển chính xác theo lệnh.
– Cảm biến vị trí: Mỗi khớp được trang bị một bộ mã hóa có độ phân giải cao.
+ Encoder này liên tục theo dõi và gửi thông tin chính xác về vị trí góc hiện tại của khớp về bộ điều khiển.
– Bộ điều khiển (Controller):
+ Nhận lệnh từ chương trình.
+ Giải bài toán động học nghịch để tính toán các góc khớp tương ứng.
+ So sánh các góc khớp thực tế với các góc khớp mong muốn.
+ Nếu có sai lệch, nó sẽ tính toán và gửi tín hiệu điều chỉnh đến động cơ servo.
– Động cơ Servo:
+ Nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và tạo ra mô-men xoắn để di chuyển khớp robot đến vị trí chính xác.
+ Quá trình này diễn ra liên tục và cực kỳ nhanh, tạo thành một vòng lặp phản hồi giúp robot duy trì độ chính xác cao.
Đặc điểm nổi bật của robot khớp nối
Robot khớp nối sở hữu những đặc điểm giúp chúng trở thành lựa chọn hàng đầu trong nhiều ứng dụng:
1/ Linh hoạt cao:
– Có khả năng tiếp cận một không gian làm việc rộng, hình cầu hoặc bán cầu.
– Cho phép chúng với tới các vị trí xa và làm việc trên các vật thể lớn.
– Khả năng thực hiện các chuyển động phức tạp, né tránh vật cản.
– Sự đa dạng về số bậc tự do (4, 5, 6, 7 trục) cho phép lựa chọn robot phù hợp chính xác với yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể.
2/ Khả năng chịu tải và tầm với đa dạng:
– Phạm vi tải trọng của robot khớp nối rất rộng:
+ Từ vài kg đối với các cánh tay robot mini hay cobot (robot cộng tác) cho các tác vụ nhẹ.
+ Đến hàng tấn đối với các robot hạng nặng được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô hoặc luyện kim.
– Tầm với đa dạng từ vài trăm milimet đến vài mét cho robot làm việc trên các dây chuyền lớn.
3/ Độ lặp lại cực kỳ chính xác:
– Nhờ sự điều khiển chính xác của động cơ servo và hệ thống phản hồi vòng kín, robot khớp nối đạt được độ chính xác lặp lại cao (từ ±0.02mm đến ±0.1mm).
=> Điều này đảm bảo mỗi mối hàn, mỗi điểm lắp ráp đều được thực hiện nhất quán.
4/ Tốc độ cao:
– Khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh chóng của động cơ servo cho phép robot khớp nối di chuyển nhanh chóng giữa các điểm làm việc.
– Giúp tăng tốc độ chu kỳ sản xuất và tối đa hóa năng suất.
Ưu nhược điểm của robot khớp nối
Dưới đây là ưu nhược điểm của robot khớp nối (Articulated Robot):
1/ Ưu điểm nổi bật
– Linh hoạt vượt trội: Tiếp cận không gian làm việc rộng lớn, hình cầu, mô phỏng gần như toàn bộ chuyển động cánh tay người.
– Đa năng: Phù hợp với vô số ứng dụng (hàn, lắp ráp, sơn, xử lý vật liệu, gia công…).
– Tiếp cận tối ưu: Dễ dàng vươn tới các vị trí khó, khuất trong không gian 3D phức tạp.
– Chính xác cao: Độ lặp lại tốt (thường ±0.02mm – ±0.1mm) nhờ điều khiển servo.
– Tốc độ nhanh: Tăng/giảm tốc linh hoạt, rút ngắn chu kỳ sản xuất.
– Đa dạng tải trọng & tầm với: Từ robot mini vài kg đến robot hạng nặng vài tấn.
>>> Xem thêm: Các loại cánh tay robot trong công nghiệp
2/ Nhược điểm:
– Động học phức tạp: Tính toán và lập trình quỹ đạo thường khó hơn các loại robot khác.
– Chi phí ban đầu: Thường cao hơn robot Cartesian hoặc SCARA cho các tác vụ đơn giản.
– Yêu cầu không gian an toàn: Có thể cần khu vực an toàn lớn xung quanh khi hoạt động tốc độ cao (trừ cobot).
Các ứng dụng của Articulated Robot
Robot khớp nối là loại robot đa năng nhất, được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp:
1/ Hàn (Welding): Là một trong những ứng dụng phổ biến nhất.
– Robot khớp nối thực hiện hàn hồ quang (MIG/MAG, TIG), hàn điểm, hàn laser với độ chính xác và đồng nhất cao.
>>> Xem thêm: 10 ngành công nghiệp có thể ứng dụng cánh tay robot
2/ Xử lý vật liệu:
– Gắp – đặt các chi tiết, cấp phôi cho máy móc.
– Tải/dỡ hàng hóa từ băng chuyền.
– Xếp hàng (Palletizing) các thùng carton hoặc kiện hàng lên pallet.
3/ Lắp ráp các linh kiện ô tô, điện tử, thiết bị gia dụng và các chi tiết máy móc.
4/ Phun sơn: Sơn ô tô, đồ nội thất, các sản phẩm có bề mặt phức tạp.
– Đảm bảo lớp sơn đều, đẹp và giảm thiểu lãng phí vật liệu.
5/ Gia công: mài, đánh bóng bề mặt, cắt gọt, khoan, hay thậm chí phay nhẹ.
6/ Kiểm tra chất lượng: Kết hợp với hệ thống thị giác máy để kiểm tra lỗi, đo lường kích thước hoặc phân loại sản phẩm.
7/ Y tế và Khoa học: Hỗ trợ phẫu thuật, thao tác chính xác trong phòng thí nghiệm, xử lý mẫu vật.
Các hãng sản xuất robot khớp nối
Thị trường robot khớp nối toàn cầu có sự góp mặt của nhiều nhà sản xuất hàng đầu thế giới:
– ABB (Thụy Điển/Thụy Sĩ): Nổi tiếng với các giải pháp robot toàn diện.
– KUKA (Đức): Một trong những nhà sản xuất robot hàng đầu thế giới, đặc biệt mạnh về robot hạng nặng.
– FANUC (Nhật Bản): Nhà sản xuất robot lớn nhất thế giới về số lượng, nổi tiếng với độ bền và độ tin cậy.
– Yaskawa (Motoman) (Nhật Bản): Chuyên về robot hàn và robot xử lý vật liệu.
– Universal Robots (Đan Mạch): Tiên phong trong lĩnh vực robot cộng tác (cobot).
– Kawasaki (Nhật Bản), Nachi (Nhật Bản), Denso (Nhật Bản): Các tên tuổi lớn khác trong ngành.
– Estun (Trung Quốc): Một nhà sản xuất Trung Quốc nổi bật với công nghệ servo và cung cấp các dòng robot đa dạng với hiệu suất cao, giá cả cạnh tranh.
Kết Luận:
Sở hữu tính linh hoạt vượt trội, độ chính xác cao và khả năng thích ứng với vô số ứng dụng, robot khớp nối đã và đang cải thiện hiệu suất, nâng cao chất lượng sản phẩm trong mọi lĩnh vực sản xuất. Trong tương lai, với sự tích hợp sâu hơn của trí tuệ nhân tạo, khả năng cộng tác với con người (cobot) là yếu tố then chốt, mở ra những giới hạn mới cho ngành công nghiệp 4.0 và sản xuất thông minh.
Hãy liên hệ ngay tới VNTECH để được tư vấn chi tiết về giải pháp cánh tay robot tự động phù hợp nhất với doanh nghiệp của bạn.
VNTECH - Đơn vị cung cấp máy móc gia công cơ khí chính hãng, uy tín, đa dạng về chủng loại, đáp ứng mọi nhu cầu sản xuất. Để được tư vấn chi tiết và nhận báo giá tốt nhất, quý khách vui lòng liên hệ theo thông tin bên dưới.
________________
THÔNG TIN LIÊN HỆ
- Địa chỉ văn phòng:
- Địa chỉ Hà Nội: NO-05A23 Khu TĐC Giang Biên, Ngõ 1 Nguyễn Khắc Viện, Phường Việt Hưng, Hà Nội
- Chi Nhánh Đà Nẵng: Lô 11, Khu A4, Nguyễn Sinh Sắc, Hoà Minh, Liên Chiểu, Đà Nẵng
- Chi Nhánh HCM: 43 Đường N2, KP Thống Nhất, Dĩ An, Bình Dương
- SĐT: 0984.537.333
- Email: sale@vntechcnc.vn
- Facebook: https://www.facebook.com/vntechcnc
- Website: https://thietbivntech.vn
