Lời khuyên thiết yếu khi chọn phần cứng robot: Tăng cường hiệu quả ngay bây giờ

I. Tầm quan trọng của việc lựa chọn phần cứng robot

Robot hiện đang đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất công nghiệp đến ngành dịch vụ, từ nghiên cứu khoa học đến cuộc sống hàng ngày. Để cho phép robot hoạt động hiệu quả và ổn định, việc lựa chọn và cấu hình phần cứng là bước đầu tiên quan trọng. Phần cứng phù hợp có thể đảm bảo rằng robot thực hiện các nhiệm vụ chính xác, cải thiện hiệu suất làm việc và giảm khả năng xảy ra sự cố. Ví dụ, trong sản xuất công nghiệp, một robot được cấu hình kém có thể thường xuyên gặp lỗi vận hành, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và tiến độ sản xuất. Trong trường hợp robot dịch vụ y tế, phần cứng không phù hợp có thể không thực hiện chính xác các nhiệm vụ hỗ trợ phẫu thuật hoặc chăm sóc bệnh nhân, và thậm chí có thể đe dọa an toàn của bệnh nhân. Do đó, việc lựa chọn và cấu hình phần cứng robot chính xác là nền tảng để robot hoàn thành chức năng mong muốn.

II. Các thành phần chính của phần cứng robot

(A) Cấu trúc cơ khí

Khung cơ bản
Khung cơ bản của robot là cấu trúc hỗ trợ cơ bản. Các vật liệu phổ biến bao gồm hợp kim nhôm và thép. Khung hợp kim nhôm nhẹ, giúp robot di chuyển và hoạt động dễ dàng, thích hợp cho các robot có yêu cầu về trọng lượng cao và di chuyển thường xuyên, như robot xử lý logistics. Khung thép có cường độ cao và có thể chịu tải lớn, thường được sử dụng trong các robot công nghiệp nặng, như robot hàn trong xưởng sản xuất ô tô, cần phải chịu trọng lượng của thiết bị hàn và lực va đập trong quá trình hàn kéo dài.
Khi lựa chọn khung cơ bản, hãy xem xét môi trường làm việc và yêu cầu nhiệm vụ của robot. Nếu làm việc trong môi trường hạn chế về không gian và nhạy cảm với trọng lượng, khung hợp kim nhôm là lựa chọn phù hợp hơn; trong các tình huống có tải trọng cao và điều kiện làm việc phức tạp, khung thép là lựa chọn tốt hơn.

Thành phần khớp
Các khớp là bộ phận quan trọng cho phép robot thực hiện các chuyển động khác nhau. Các loại khớp phổ biến bao gồm khớp xoay và khớp tuyến tính. Khớp xoay cho phép cánh tay robot quay trong mặt phẳng hoặc trong không gian, và độ chính xác và khả năng truyền mô-men xoắn là rất quan trọng. Ví dụ, các robot được sử dụng trong công việc lắp ráp yêu cầu kiểm soát góc khớp chính xác để đảm bảo lắp đặt các thành phần chính xác. Khớp tuyến tính cung cấp chuyển động theo đường thẳng; ví dụ, khớp nâng của robot xếp dỡ công nghiệp là khớp tuyến tính, cần phải mang hàng hóa ổn định và thực hiện chính xác các thao tác nâng và hạ.
Khi lựa chọn thành phần khớp, tập trung vào độ chính xác chuyển động, khả năng chịu tải và độ bền. Các khớp chính xác có thể làm cho chuyển động của robot chính xác hơn, cải thiện chất lượng công việc; các khớp có khả năng chịu tải cao có thể đáp ứng nhu cầu mang các công cụ hoặc vật nặng hơn; các khớp bền có thể đảm bảo ít hỏng hóc hơn trong quá trình sử dụng lâu dài.

(B) Hệ thống điện

Động cơ
Động cơ là nguồn điện chính cho robot. Các loại động cơ phổ biến bao gồm động cơ DC, động cơ AC và động cơ bước. Động cơ DC có cấu trúc đơn giản và dễ điều khiển, thường được sử dụng trong các robot nhỏ có yêu cầu tốc độ và mô-men xoắn vừa phải, như robot giáo dục. Động cơ AC có công suất và hiệu suất cao hơn, phù hợp cho các robot lớn trong sản xuất công nghiệp, cung cấp điện liên tục và ổn định. Động cơ bước nổi tiếng với khả năng kiểm soát vị trí chính xác, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu kiểm soát chuyển động chính xác, như robot in 3D, có thể kiểm soát chính xác vị trí đầu in để đảm bảo mô hình in chất lượng cao.
Khi lựa chọn động cơ, xác định loại dựa trên yêu cầu tốc độ, mô-men xoắn và độ chính xác điều khiển của robot. Các robot yêu cầu chuyển động nhanh có thể cần động cơ công suất cao hơn; đối với các nhiệm vụ đòi hỏi độ chính xác vị trí cực kỳ cao, động cơ bước hoặc động cơ servo chính xác cao là lựa chọn tốt hơn.

Pin hoặc nguồn điện
Đối với các robot di động hoặc robot cần hoạt động độc lập, pin là nguồn điện quan trọng. Các loại pin phổ biến bao gồm pin lithium và pin chì-axit. Pin lithium có mật độ năng lượng cao, nhẹ và có tỷ lệ tự xả thấp, ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các robot di động và hiệu suất cao, như máy bay không người lái và máy hút bụi robot. Pin chì-axit có chi phí thấp hơn và an toàn hơn, nhưng mật độ năng lượng tương đối thấp, thường được sử dụng trong các trường hợp nhạy cảm với trọng lượng và chi phí, như xe đẩy công nghiệp đơn giản.
Nếu robot hoạt động ở một vị trí cố định, nó có thể lấy điện thông qua ổ cắm. Khi lựa chọn pin hoặc nguồn điện, hãy xem xét thời gian hoạt động, thời gian sạc và dễ dàng thay thế pin. Đối với các robot yêu cầu hoạt động liên tục trong thời gian dài, hãy chọn pin dung lượng cao, thời gian sử dụng dài hoặc hệ thống nguồn điện ổn định.

(C) Cảm biến

Cảm biến thị giác
Cảm biến thị giác đóng vai trò như "mắt" của robot, cho phép robot "nhìn thấy" môi trường xung quanh. Các cảm biến thị giác phổ biến bao gồm camera và LiDAR (Light Detection and Ranging). Camera có thể chụp hình ảnh và video, cho phép robot nhận biết hình dạng, màu sắc và vị trí của các đối tượng thông qua công nghệ xử lý hình ảnh. Ví dụ, trong các robot an ninh thông minh, camera có thể giám sát nhân viên và đối tượng trong khu vực giám sát theo thời gian thực, nhận diện hành vi bất thường và phát tín hiệu cảnh báo kịp thời. LiDAR đo thời gian phản xạ của ánh sáng sau khi phát ra tia laser để thu được thông tin môi trường 3D, tạo bản đồ chính xác xung quanh robot để giúp quy hoạch đường đi và tránh chướng ngại vật tốt hơn. Trong máy hút bụi robot, LiDAR có thể tạo bản đồ phòng, cho phép làm sạch hiệu quả hơn.
Khi lựa chọn cảm biến thị giác, xem xét độ phân giải, góc nhìn, tốc độ khung hình và khả năng chống nhiễu. Các cảm biến độ phân giải cao cung cấp thông tin hình ảnh rõ ràng hơn, góc nhìn lớn cho phép robot giám sát diện tích lớn hơn, tốc độ khung hình cao đảm bảo tính thời gian thực của hình ảnh, và khả năng chống nhiễu mạnh đảm bảo hoạt động chính xác trong môi trường phức tạp.

Cảm biến lực
Cảm biến lực phát hiện mức độ và hướng lực giữa robot và môi trường bên ngoài. Chúng rất quan trọng trong các nhiệm vụ robot yêu cầu tương tác vật lý với các đối tượng. Ví dụ, trong quá trình lắp ráp chính xác, cảm biến lực có thể nhận biết các thay đổi nhỏ về lực trong quá trình lắp ráp, cho phép robot điều chỉnh chuyển động để đảm bảo lắp đặt đúng các thành phần và tránh hư hỏng do lực quá lớn hoặc quá nhỏ.

Trong các robot mài công nghiệp, cảm biến lực có thể theo dõi lực mài theo thời gian thực, đảm bảo chất lượng mài đồng đều.Khi lựa chọn cảm biến lực, tập trung vào độ chính xác đo lường, phạm vi và tốc độ phản hồi. Các cảm biến lực chính xác có thể phát hiện chính xác các thay đổi về lực, phạm vi phù hợp nên được xác định dựa trên nhiệm vụ của robot, và tốc độ phản hồi nhanh cho phép robot phản ứng nhanh chóng với các thay đổi về lực.

Cảm biến khoảng cách
Cảm biến khoảng cách đo khoảng cách giữa robot và các đối tượng xung quanh. Các loại phổ biến bao gồm cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại. Cảm biến siêu âm phát sóng siêu âm và đo sóng phản xạ để xác định khoảng cách, phù hợp cho đo lường trong phạm vi ngắn với độ chính xác thường ở mức centimet, thường được sử dụng cho việc tránh chướng ngại vật trong các robot nhỏ, như máy hút bụi gia đình sử dụng cảm biến siêu âm để phát hiện khoảng cách đến tường và đồ nội thất để tránh va chạm.

Cảm biến hồng ngoại sử dụng ánh sáng hồng ngoại để phát hiện khoảng cách, với phạm vi phát hiện tương đối hẹp hơn nhưng tốc độ phản hồi nhanh, thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ phát hiện cao, như chức năng tránh chướng ngại vật đơn giản trong các robot đồ chơi.Khi lựa chọn cảm biến khoảng cách, xem xét phạm vi đo, độ chính xác và khả năng thích ứng với các môi trường khác nhau. Các loại cảm biến khoảng cách khác nhau có thể hoạt động khác nhau dưới các điều kiện khác nhau; ví dụ, cảm biến hồng ngoại có thể bị can thiệp trong môi trường chiếu sáng phức tạp, trong khi cảm biến siêu âm tương đối ổn định hơn.

III. Các yếu tố cần xem xét trong việc lựa chọn phần cứng robot

(A) Yêu cầu nhiệm vụ

Yêu cầu độ chính xác
Nếu nhiệm vụ của robot có yêu cầu độ chính xác cực kỳ cao, chẳng hạn như robot khắc tia laser trong sản xuất chip, thì độ chính xác của các thành phần khác nhau phải là trọng tâm trong việc lựa chọn phần cứng. Động cơ cần có bộ mã hóa chính xác để đảm bảo độ chính xác của chuyển động, các thành phần khớp phải có sai số chuyển động tối thiểu, và các cảm biến cũng cần có các mẫu độ phân giải và độ chính xác cao.

Ví dụ, độ phân giải của cảm biến thị giác có thể cần đạt đến mức micromet để hoàn thành chính xác nhiệm vụ khắc tia laser trên chip.Đối với các nhiệm vụ lắp ráp có yêu cầu độ chính xác tương đối thấp, có thể chọn các thành phần phần cứng có giá trị kinh tế cao và độ chính xác vừa phải. Tuy nhiên, đảm bảo chúng đáp ứng các tiêu chuẩn độ chính xác cơ bản để đảm bảo chất lượng lắp ráp.

Khả năng chịu tải
Khi robot cần mang các vật nặng, khả năng chịu tải là yếu tố quan trọng. Ví dụ, robot xử lý container tại cảng phải mang container nặng vài tấn, đòi hỏi khung cơ bản, các thành phần khớp và hệ thống điện phải có đủ khả năng chịu tải.

Động cơ phải cung cấp đủ mô-men xoắn để đưa robot mang được tải nặng, các khớp phải chịu được trọng lượng và sức ép tương ứng, và khung cơ bản phải chắc chắn và bền bỉ.Nếu robot chỉ thực hiện các thao tác nhẹ, như nhặt và đặt các thành phần nhỏ trên dây chuyền sản xuất điện tử, yêu cầu về khả năng chịu tải tương đối thấp, cho phép cấu hình phần cứng nhẹ hơn với khả năng chịu tải nhỏ hơn.

Yêu cầu tốc độ
Đối với các robot cần hoàn thành nhiệm vụ nhanh chóng, như robot phân loại bưu kiện, tốc độ là chỉ số quan trọng. Điều này đòi hỏi việc chọn động cơ có tốc độ quay cao và phản hồi nhanh, cũng như các khớp có chuyển động nhanh và linh hoạt. Đồng thời, hệ thống điều khiển của robot phải xử lý dữ liệu hiệu quả để đảm bảo robot hoạt động với tốc độ đã đặt.
Đối với các nhiệm vụ của robot có yêu cầu tốc độ thấp, như robot thu hoạch nông nghiệp làm việc trong môi trường tương đối thoải mái, có thể chọn cấu hình phần cứng có tốc độ vừa phải nhưng chi phí thấp hơn để cân bằng giữa hiệu suất và chi phí.

(B) Yếu tố môi trường làm việc

Nhiệt độ và độ ẩm
Robot làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, như robot kiểm tra lò nung trong ngành luyện kim, yêu cầu phần cứng chịu nhiệt. Vật liệu cách điện của động cơ phải chịu được nhiệt độ cao, các thành phần điện tử phải hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao, và vật liệu khung cơ bản có thể cần là hợp kim chịu nhiệt độ cao và cường độ cao.
Đối với các robot làm việc trong môi trường ẩm ướt, như robot khám phá dưới nước, hãy xem xét khả năng chống thấm và chống ẩm của phần cứng. Các bảng mạch cần được xử lý chống ẩm đặc biệt, và động cơ và cảm biến phải được niêm phong kỹ để ngăn ngừa hư hỏng do nước.

Bụi và chất ăn mòn
Trong môi trường nhiều bụi, như robot kiểm tra mỏ dưới lòng đất, bụi dễ dàng xâm nhập vào bên trong robot, ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của phần cứng. Do đó, robot cần có thiết kế chống bụi tốt, động cơ và cảm biến nên có nắp chống bụi, và các khe hở trong khung cơ bản nên được niêm phong.
Nếu môi trường làm việc chứa các chất ăn mòn, như robot trong xưởng sản xuất hóa chất, vật liệu phần cứng phải chống ăn mòn. Ví dụ, khung cơ bản có thể sử dụng thép không gỉ, và các thành phần điện tử nên được xử lý chống ăn mòn để kéo dài tuổi thọ của robot.

Hạn chế về không gian
Robot làm việc trong không gian hạn chế, như robot phục vụ gia đình hoạt động trong không gian hẹp trong nhà, yêu cầu kích thước nhỏ gọn. Điều này đòi hỏi việc chọn động cơ, cảm biến và mô-đun điều khiển nhỏ hơn trong quá trình lựa chọn phần cứng, đồng thời thiết kế hợp lý khung cơ bản để cho phép chuyển động linh hoạt trong không gian hạn chế.
Đối với các robot lớn làm việc trong không gian mở, mặc dù hạn chế về không gian tương đối thấp, vẫn cần xem xét bố cục thiết bị hợp lý để thuận tiện cho việc lắp đặt, bảo dưỡng và vận hành.

(C) Yếu tố chi phí

Chi phí mua phần cứng
Các thương hiệu và mẫu mã phần cứng robot khác nhau có giá cả rất khác nhau. Khi lựa chọn phần cứng, hãy xem xét tổng thể ngân sách. Ví dụ, một số thành phần robot chính xác cao nhập khẩu có giá rất đắt, trong khi các sản phẩm nội địa tương tự có hiệu suất đáp ứng yêu cầu cơ bản thường rẻ hơn. Nếu ngân sách hạn chế, hãy chọn phần cứng nội địa hiệu quả về chi phí với điều kiện đảm bảo hoàn thành cơ bản nhiệm vụ.
Tuy nhiên, lưu ý rằng giá cả không phải là tiêu chí duy nhất; giá quá thấp có thể chỉ ra chất lượng và hiệu suất phần cứng không đủ, ảnh hưởng đến việc sử dụng lâu dài và hiệu quả công việc của robot.

Chi phí vận hành
Chi phí vận hành robot bao gồm tiêu thụ điện và chi phí bảo trì. Một số động cơ hiệu suất cao có thể tiêu thụ nhiều điện, trong khi động cơ tiết kiệm năng lượng có thể giảm chi phí vận hành. Khi lựa chọn phần cứng, hãy xem xét mức tiêu thụ năng lượng.
Chi phí bảo trì không thể bỏ qua. Ví dụ, thiết kế phần cứng dễ tháo rời và thay thế các thành phần có thể giảm khó khăn và chi phí sửa chữa. Ngoài ra, việc chọn phần cứng đáng tin cậy và bền bỉ có thể giảm tần suất hỏng hóc, do đó giảm chi phí bảo trì.

IV. Quá trình lựa chọn phần cứng robot

(A) Làm rõ yêu cầu
Đầu tiên, hiểu rõ robot cần thực hiện nhiệm vụ cụ thể nào. Đó là hàn hoặc xử lý trong sản xuất công nghiệp, hay vệ sinh và đồng hành trong lĩnh vực dịch vụ? Sau khi làm rõ nhiệm vụ, xác định yêu cầu của robot về độ chính xác, khả năng chịu tải, tốc độ, v.v. Ví dụ, nếu đó là robot hàn bo mạch điện tử, nó yêu cầu độ chính xác cực kỳ cao để hàn chính xác các thành phần điện tử nhỏ lên bo mạch; nếu đó là robot xử lý hàng hóa trong kho logistics, nó yêu cầu khả năng chịu tải lớn và tốc độ hoạt động nhanh.

(B) Nghiên cứu thị trường
Thực hiện nghiên cứu sâu rộng về các nhà cung cấp và sản phẩm phần cứng robot trên thị trường. Hiểu rõ đặc điểm, thông số kỹ thuật, giá cả và đánh giá của người dùng về các thương hiệu và mẫu mã khác nhau. Thông tin có thể được thu thập thông qua tìm kiếm trực tuyến, triển lãm ngành công nghiệp và tư vấn chuyên gia. Ví dụ, tìm kiếm trên trang web chính thức của các nhà cung cấp phần cứng robot để xem mô tả sản phẩm; tham dự các triển lãm ngành công nghiệp robot để trải nghiệm trực tiếp các sản phẩm phần cứng khác nhau; tham khảo các doanh nghiệp đã sử dụng robot để tìm hiểu kinh nghiệm và bài học trong việc lựa chọn phần cứng.

(C) Lập kế hoạch
Dựa trên kết quả nghiên cứu và yêu cầu đã làm rõ, lập nhiều kế hoạch lựa chọn và cấu hình phần cứng. Trong kế hoạch, liệt kê chi tiết thương hiệu, mẫu mã, thông số kỹ thuật và chi phí ước tính của từng thành phần phần cứng. So sánh và phân tích các kế hoạch khác nhau, cân nhắc ưu nhược điểm. Ví dụ, Kế hoạch A có thể sử dụng động cơ chính xác cao nhập khẩu nhưng có chi phí cao; Kế hoạch B sử dụng động cơ nội địa hiệu quả về chi phí, độ chính xác thấp hơn một chút nhưng đáp ứng yêu cầu cơ bản với chi phí thấp hơn. Qua so sánh như vậy, chọn kế hoạch phù hợp nhất.

(D) Thử nghiệm và đánh giá
Trước khi thực sự mua phần cứng, thực hiện thử nghiệm và đánh giá quy mô nhỏ. Nếu điều kiện cho phép, xây dựng một nền tảng thử nghiệm đơn giản, cài đặt các thành phần phần cứng ứng cử, chạy một số nhiệm vụ mô phỏng và quan sát hoạt động của robot. Kiểm tra xem các chỉ số như độ chính xác, ổn định và tin cậy có đáp ứng yêu cầu không. Ví dụ, đối với cảm biến thị giác, đặt các đối tượng có hình dạng và màu sắc khác nhau trên nền tảng thử nghiệm để phát hiện xem robot có thể nhận biết và định vị chính xác không; đối với các thành phần khớp, quan sát xem có vấn đề như kẹt hoặc rung lắc trong quá trình di chuyển không. Dựa trên kết quả thử nghiệm và đánh giá, tiếp tục tối ưu hóa và điều chỉnh kế hoạch lựa chọn.

V. Kết luận
Lựa chọn và cấu hình phần cứng robot là một quá trình phức tạp và quan trọng,直接影响机器人的工作效率和稳定性。在选择过程中，应充分考虑机器人的任务要求、工作环境因素和成本因素。通过明确需求、市场调研、制定方案和测试评估等过程，选择最合适的硬件配置。只有这样，才能构建高性能、高性价比的机器人，使其在各个领域发挥最大价值，不断推进机器人技术的发展，为人们的生产和日常生活带来更多便利和创新。