Cánh tay robot công nghiệp đang dần trở thành trợ thủ đắc lực trong nhiều lĩnh vực sản xuất, từ lắp ráp linh kiện, hàn cắt kim loại đến đóng gói sản phẩm. Tuy nhiên, không phải cánh tay robot nào cũng giống nhau – mỗi loại được thiết kế để phục vụ những nhiệm vụ và yêu cầu khác nhau. Vậy có bao nhiêu loại cánh tay robot công nghiệp? Đặc điểm và ứng dụng của từng loại là gì? Hãy cùng tìm hiểu trong bài viết này để chọn ra giải pháp tối ưu cho doanh nghiệp của bạn!
Cánh tay robot là gì?
Cánh tay robot là một thiết bị công nghiệp được sử dụng để thực hiện các tác vụ lặp đi lặp lại thông qua một động cơ được lập trình. Cánh tay robot chủ yếu bao gồm một tập hợp các khớp nối, cho phép nó tiếp cận các vị trí khác nhau trong không gian xung quanh.
Thông thường, một cánh tay robot sẽ có các khớp, bộ truyền động và bộ thao tác là những thành phần chính. Nó được thiết kế để mô phỏng chuyển động của cánh tay con người một cách tối đa. Cánh tay robot có thể là một thiết bị độc lập dùng cho các nhiệm vụ riêng lẻ hoặc có thể là một phần của một hệ thống máy móc rộng lớn hơn. Nhiều cánh tay robot được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau trên thế giới được gắn trên bàn làm việc và có thể tùy biến theo nhu cầu. Một số cánh tay robot khác có thể di động và được lập trình để thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng.
Một yêu cầu quan trọng để vận hành cánh tay robot là lập trình. Các cánh tay robot hiện đại được tạo ra để thực hiện nhiều bộ tác vụ khác nhau. Chúng được thiết kế để linh hoạt và có thể hoàn thành các nhiệm vụ dựa trên dữ liệu đầu vào từ lập trình viên.
Một trong những yếu tố quan trọng nhất liên quan đến cánh tay robot là ‘bậc tự do’. Bậc tự do thể hiện số chiều không gian mà mỗi khớp nối của cánh tay robot có thể xoay và di chuyển. Chúng quyết định phạm vi hoạt động của cánh tay robot trong không gian cũng như loại công việc mà nó có thể thực hiện.
Các loại cánh tay Robot công nghiệp phổ biến
Các loại robot trong công nghiệp có thể được phân loại dựa trên công nghệ, cấu hình trục, nhiệm vụ cần thực hiện, tải trọng, tốc độ và phạm vi chuyển động cần thiết. Những tiến bộ không ngừng trong công nghệ robot đã giúp giảm chi phí và kích thước robot, cho phép chúng thực hiện nhiệm vụ trong các ứng dụng quy mô nhỏ hơn mà vẫn tối ưu không gian.
Một yếu tố quan trọng trong phân loại robot là số trục chuyển động, quyết định mức độ tự do mà robot có thể hoạt động. Ví dụ, nếu một robot có thể di chuyển trên ba mặt phẳng X, Y và Z, nó được coi là có 3 bậc tự do. Số bậc tự do càng cao, robot càng linh hoạt và có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ phức tạp hơn.
Dưới đây là các loại robot phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp:
Cánh tay Robot khớp nối (Articulated Robot Arm)
Cánh tay robot khớp nối có thiết kế tương tự như cánh tay con người, cho phép thực hiện chuyển động linh hoạt. Đây là một trong những loại cánh tay robot phổ biến nhất trong tự động hóa công nghiệp. Loại robot này có một cánh tay cơ khí gắn vào đế với một khớp xoay.
Robot 6 trục là dạng robot khớp nối phổ biến nhất, thường có từ 4 đến 6 trục, giúp mở rộng phạm vi chuyển động. Chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hàn hồ quang, hàn điểm, sơn, lắp ráp, gia công vật liệu, xử lý vật liệu, đóng gói, và nhiều ứng dụng khác.
Cánh tay Robot Cartesian/Gantry
Robot Cartesian là loại robot được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và thương mại. Chúng di chuyển theo ba trục vuông góc X, Y, Z, và các chuyển động này được điều khiển bởi một hệ thống điều khiển chung.
Mỗi trục của robot Cartesian chỉ có một bộ truyền động tuyến tính. Chúng chỉ có thể di chuyển theo đường thẳng và không thể thực hiện chuyển động quay.
Robot Cartesian thường được sử dụng trong máy CNC, máy phay, máy vẽ. Tuy nhiên, chúng đang mất dần sự phổ biến do yêu cầu không gian lớn để hoạt động hiệu quả, tính linh hoạt kém và quá trình lắp ráp phức tạp. Ngoài ra, chúng cần một khu vực làm việc cố định với diện tích đủ rộng.
Cánh tay Robot trụ tròn (Cylindrical Robot Arm)
Robot trụ tròn có thiết kế tương tự robot Cartesian, nhưng chúng hoạt động trong một không gian làm việc hình trụ. Loại robot này có một chuyển động quay và hai chuyển động tuyến tính. Cụ thể, nó có một khớp xoay để tạo chuyển động tròn và một khớp lăng trụ để tạo chuyển động thẳng.
Robot trụ tròn được lựa chọn vì khả năng tiết kiệm không gian và tiếp cận các vị trí nhỏ trong các vật thể hình trụ. Chúng có chi phí thấp, linh hoạt, kích thước nhỏ gọn và có thể làm việc trong môi trường không phù hợp với con người.
Ứng dụng phổ biến của robot trụ tròn bao gồm: lắp ráp linh kiện, hàn điểm, xử lý vật liệu nặng, vận hành máy đúc khuôn, và hỗ trợ máy công cụ. Chúng dễ lắp đặt và thường được cung cấp dưới dạng giải pháp hoàn chỉnh với yêu cầu lắp ráp tối thiểu. Tuy nhiên, nhược điểm chính của loại robot này là không thể xoay 360 độ do giới hạn thiết kế cơ khí.
Cánh tay robot Delta
Còn được gọi là robot liên kết song song (Parallel Link Robots), robot Delta có thiết kế rất khác so với các loại robot khác. Robot Delta sử dụng ba hoặc bốn cánh tay nhẹ, được kết nối với một trục trung tâm bằng khớp cầu. Hình dáng của nó trông giống như một con nhện. Các cánh tay này có khớp nối ở giữa, uốn cong vào trong. Tất cả các cánh tay đều được liên kết với một tấm công cụ, nơi gắn đầu cuối (end-effector). Mỗi cánh tay được điều khiển bởi một động cơ đặt tại trục trung tâm, giúp tạo ra các chuyển động đồng bộ, đẩy các khớp khuỷu vào trong hoặc ra ngoài, trong khi trục trung tâm luôn song song với bề mặt làm việc.
Robot Delta có phạm vi làm việc hạn chế nhưng có thể đạt tốc độ và gia tốc rất cao trên dây chuyền lắp ráp. Nhờ các cải tiến về điều khiển chuyển động, hướng dẫn bằng hình ảnh và theo dõi băng chuyền, robot Delta ngày càng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như FMCG, sản xuất linh kiện điện tử, sản xuất pin năng lượng mặt trời, đóng gói thực phẩm, dược phẩm và sản xuất thiết bị y tế.
Nhược điểm chính của robot Delta là chi phí cao, yêu cầu đào tạo chuyên sâu để vận hành và nguy cơ trượt tải do chuyển động tốc độ cao.
Cánh tay robot Polar hoặc Spherical
Robot Polar, còn được gọi là robot Spherical, có cấu trúc gồm một đế được liên kết với một cánh tay có hai khớp quay và một khớp tuyến tính. Các trục của robot kết hợp để tạo thành tọa độ cực, giúp nó có vùng làm việc hình cầu. Đây là một trong những loại robot công nghiệp đầu tiên được phát triển. Robot Polar thường được sử dụng trong các ứng dụng như đúc khuôn, ép phun, hàn và xử lý vật liệu.
Cánh tay robot SCARA
SCARA là viết tắt của “Selective Compliance Articulated Robot Arm” (Cánh tay robot có khớp nối với độ linh hoạt chọn lọc). SCARA là loại robot công nghiệp có tốc độ nhanh nhất. Chúng được trang bị các trục tuyến tính X, Y, Z cùng với chuyển động xoay của robot hình trụ. SCARA có bốn bậc tự do. Chúng có vùng làm việc hình trụ với các biến thể về đường kính và độ sâu.
Cánh tay robot SCARA có độ linh hoạt chọn lọc theo trục X-Y nhưng lại cứng vững theo trục Z, giúp chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các chuyển động nhanh, lặp lại và theo điểm cố định. Các khớp của SCARA đều có khả năng xoay và có thể được bịt kín hoàn toàn, rất quan trọng khi triển khai trong môi trường bụi bẩn, ăn mòn hoặc dưới nước.
SCARA đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng lắp ráp hiện đại, nơi yêu cầu chuyển động nhanh với tải trọng nhẹ. Một số tác vụ mà SCARA thực hiện tốt bao gồm Pick & Place (gắp và đặt), khắc laser, hàn và in 3D. SCARA có thể hoạt động với tốc độ cao và chỉ chậm hơn robot Delta. Tuy nhiên, nhược điểm của SCARA là phạm vi chuyển động bị giới hạn, giá thành cao và vùng làm việc lớn nhưng có một số điểm không thể tiếp cận được.
Robot sáu trục (Six-Axis Robots)
Robot sáu trục truyền thống
Đúng như tên gọi, robot 6 trục có thể di chuyển trên 6 mặt phẳng, nghĩa là chúng có sáu bậc tự do. Bên cạnh ba mặt phẳng thông thường X, Y, Z, robot này còn có thể thực hiện các chuyển động nghiêng (pitch), xoay ngang (yaw) và lăn (roll). So với các loại robot công nghiệp khác, lập trình cho robot 6 trục phức tạp hơn. Tuy nhiên, chúng có khả năng hoạt động linh hoạt vượt trội, có thể vươn tới các vị trí mà những loại robot khác không thể tiếp cận. Điều này giúp chúng mô phỏng cánh tay con người một cách hoàn chỉnh.
Robot 6 trục được sử dụng phổ biến trong ngành ô tô và hàng không vũ trụ, nơi chúng đảm nhiệm các công việc như hàn, lắp ráp, khoan, vặn vít, sơn và bôi keo một cách chính xác và hiệu quả.
So với các loại robot khác, robot 6 trục có khả năng di chuyển linh hoạt hơn, dễ dàng lắp đặt hoặc di dời, đồng thời có tầm với rộng cả theo phương ngang và phương dọc. Tuy nhiên, chúng có chi phí cao do thường sử dụng bộ điều khiển độc quyền để thực hiện các tác vụ phức tạp và đòi hỏi lập trình chuyên sâu. Ngoài ra, robot 6 trục truyền thống cần một không gian lớn để lắp đặt lồng bảo vệ và các hệ thống cảm biến an toàn, nhằm tránh nguy cơ gây thương tích khi con người di chuyển vào vùng hoạt động của robot. Điều này có thể khiến chúng trở nên khó triển khai đối với các nhà sản xuất có diện tích nhà xưởng hạn chế.
Robot cộng tác (Cobot)
Sự phát triển của chuỗi cung ứng, hệ thống điều khiển thông minh hơn, lập trình dựa trên AI và ML, cùng với tích hợp dây chuyền sản xuất theo mô hình Công nghiệp 4.0 đã thúc đẩy việc sử dụng robot cộng tác (cobot) ngày càng phổ biến.
Không giống như các robot 6 trục truyền thống, cobot được thiết kế dựa trên khái niệm Hợp tác giữa Con người và Robot (Human-Robot Collaboration). Chúng có thể tương tác an toàn với con người trong cùng không gian làm việc nhờ các tính năng an toàn tiên tiến, đặc biệt là cơ chế dừng bảo vệ, kích hoạt ngay khi phát hiện va chạm để ngăn ngừa chấn thương. Cobot có kích thước nhỏ gọn, không yêu cầu lồng bảo vệ như robot công nghiệp truyền thống, giúp tiết kiệm diện tích đáng kể.
Ví dụ, dòng UR3 của Universal Robots có thể dễ dàng được lắp đặt trên bàn nhờ kích thước nhỏ gọn. Quá trình lập trình cũng đơn giản, chỉ mất chưa đến một ngày để thiết lập ứng dụng cơ bản cho cobot. Chính những ưu điểm này đã khiến cobot trở thành giải pháp tự động hóa được nhiều nhà sản xuất lựa chọn. Bên cạnh đó, Hợp tác giữa Con người và Robot là một yếu tố quan trọng trong Công nghiệp 4.0, giúp các doanh nghiệp từ nhỏ đến lớn tiến gần hơn đến cuộc cách mạng công nghiệp hiện đại.
Cobot hỗ trợ con người bằng cách đảm nhận các công việc lặp đi lặp lại, khó khăn, nguy hiểm hoặc gây căng thẳng cho người lao động. Điều này giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và giải phóng thời gian cho công nhân để họ tập trung vào các nhiệm vụ có giá trị gia tăng cao hơn. Trên thực tế, người lao động thường được đào tạo để vận hành cobot và nâng cao tay nghề, chuyển sang các công việc đòi hỏi tư duy sáng tạo hơn, giúp giảm bớt căng thẳng thể chất và tinh thần mà họ phải đối mặt trước đây.
Nhờ tính linh hoạt và khả năng thích ứng cao, cobot được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp với đa dạng nhiệm vụ, từ gia công máy, kiểm tra chất lượng đến đóng gói và xếp hàng hóa.
Nên chọn cánh tay Robot 6 trục hay 3 trục?
Robot 3 trục hoạt động dựa trên hệ tọa độ không gian X-Y-Z, cho phép di chuyển tiến/lùi, sang trái/phải và lên/xuống. Trong khi đó, robot 6 trục có cánh tay khớp nối linh hoạt hơn, mô phỏng chuyển động của cánh tay con người. Nó có thể xoay, gập và di chuyển theo quỹ đạo, giúp cánh tay robot cầm nắm vật thể ở nhiều góc độ khác nhau, cũng như xoay hoặc nghiêng các bộ phận một cách linh hoạt. Chính vì thế, robot 6 trục là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng pick-and-place phức tạp hơn. Tuy nhiên, điều này cũng thường đi kèm với chi phí cao hơn.
Đối với các doanh nghiệp sản xuất vừa và nhỏ đang tìm hiểu về tự động hóa, việc lựa chọn robot 3 trục hay 6 trục chủ yếu phụ thuộc vào yêu cầu vận hành và ngân sách. Nếu chỉ cần thực hiện các tác vụ đơn giản như lấy và đặt linh kiện vào khuôn, một robot 3 trục là đủ. Tuy nhiên, robot là khoản đầu tư dài hạn, cần đáp ứng được nhu cầu hiện tại cũng như trong tương lai.
Những quy trình đơn giản hôm nay có thể trở nên phức tạp hơn trong tương lai. Ngoài ra, việc ứng dụng robot có thể mở ra nhiều cơ hội tự động hóa mới, đòi hỏi sự linh hoạt hơn trong chuyển động. May mắn thay, bạn không cần phải phân vân giữa giá cả và tính năng nếu có thể sở hữu một robot 6 trục với mức giá tương đương robot 3 trục.
