KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT ROBOT

Cuốn sách “Kiến thức cơ bản về Kỹ thuật Robot” (Fundamentals of Robotics / ロボット工学の基礎) chủ yếu trình bày các kiến thức cơ bản về phân tích cơ cấu và điều khiển Robot, chú trọng vào những vấn đề cốt lõi dành cho sinh viên và kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí (Mechanical Engineering / 機械工学), Kỹ thuật hệ thống cơ khí (Mechanical System Engineering / 機械システム工学), Kỹ thuật điều khiển (Control Engineering / 制御工学), Kỹ thuật điều khiển thông tin (Information Control Engineering / 情報制御工学), v.v.

Kể từ lần xuất bản đầu tiên vào tháng 9 năm 1991 và lần thứ hai vào tháng 9 năm 2012, ấn bản lần thứ ba này được cập nhật vào tháng 10 năm 2020. Trong lần sửa đổi này, các phần giải thích lý thuyết đã được bổ sung và tinh chỉnh để nâng cao tính hệ thống và dễ tiếp cận hơn, đồng thời hình thức in ấn được cải thiện để tối ưu hóa việc đọc. Do đặc thù nội dung mang tính chuyên sâu, việc người đọc tự tay biến đổi và xác nhận các công thức toán học là bước đi cần thiết để vượt qua các rào cản và nắm vững nền tảng về Robot. Sự hiểu biết vững chắc về kiến thức cơ sở chính là nền tảng cốt lõi để tiến hành nghiên cứu, phát triển và triển khai ứng dụng Robot trong các lĩnh vực công nghệ mới.

Trong bối cảnh toàn cầu đối mặt với những biến động lớn về sức khỏe cộng đồng dẫn đến sự gián đoạn và hạn chế các hoạt động kinh tế – xã hội, nhu cầu ứng dụng các hệ thống Robot có khả năng vận hành từ xa để thay thế con người đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Cuốn sách này được kỳ vọng sẽ đóng vai trò là tài liệu nền tảng, giúp người học và người làm kỹ thuật trang bị đủ kiến thức để khai phá các lĩnh vực mới, đồng thời kết hợp với tri thức hiện đại nhằm giải quyết các thách thức đa dạng của xã hội.

Kể từ khi ấn bản lần thứ nhất của cuốn “Cơ sở Kỹ thuật Robot” được phát hành vào năm 1991, ngành công nghiệp Robot đã trải qua quá trình phát triển mạnh mẽ và mở rộng đáng kể. Nếu như những năm 1990 là thời kỳ ứng dụng Robot tập trung chủ yếu trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp (hàn, sơn, lắp ráp), thì từ những năm 2000 trở đi, phạm vi ứng dụng đã vươn ra các lĩnh vực đa dạng như bảo trì kiểm tra, nông nghiệp, y tế, phúc lợi và dân dụng.

Robot hiện đại không chỉ bó hẹp trong các môi trường được thiết lập sẵn tại nhà máy mà đang tiến ra các môi trường phức tạp (công trường xây dựng, đáy biển, vũ trụ, bệnh viện, gia đình). Chúng được trang bị các hệ thống tri giác như “nhìn”, “chạm”, “nghe”, có khả năng tự chủ đưa ra quyết định và thực hiện công việc với độ khéo léo cao. Sự phát triển này, kết hợp với các vấn đề như già hóa dân số, đã đẩy nhu cầu về Robot y tế và hỗ trợ sinh hoạt lên mức rất cao.

Kỹ thuật Robot là một hệ thống tích hợp phức tạp bao gồm nhiều phân hệ: Cảm biến (Sensor / センサ), Cơ cấu chấp hành (Actuator / アクチュエータ), Thiết kế cơ khí (Mechanical design / 機械設計), Điều khiển (Control / 制御), Mạch điều khiển (Control circuit / 制御回路) và Phần mềm (Software / ソフトウェア). Do đó, việc nắm vững các nền tảng kỹ thuật này là điều kiện tiên quyết.

Ấn bản lần thứ hai vẫn duy trì cấu trúc cốt lõi định hướng cho sinh viên và kỹ sư các nhóm ngành cơ khí và điều khiển tự động. Nhằm đáp ứng sự tiến bộ của công nghệ, nội dung sách đã được cập nhật thêm kiến thức về cảm biến hiện đại, lược bỏ các phương pháp tính toán đã lỗi thời, và bổ sung diễn giải chi tiết cho các phần lý thuyết phức tạp. Đặc biệt, các bài tập thực hành ở cuối chương đã được cung cấp lời giải chi tiết nhằm hỗ trợ tối đa cho quá trình tự học và nghiên cứu.

Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1920 trong vở kịch “R.U.R.” (Rossum’s Universal Robots) và kể từ đó luôn là một chủ đề trọng tâm trong lĩnh vực khoa học viễn tưởng. Trong thực tế công nghiệp, từ những năm 1960, các thế hệ Robot công nghiệp có khả năng lập trình (Programmable industrial robots / プログラム可能な産業用ロボット) đã bắt đầu thay thế hệ thống máy móc tự động đơn giản, khẳng định vị trí cốt lõi trong dây chuyền tự động hóa. Kỹ thuật Robot hiện đại là sự giao thoa toàn diện của đa ngành khoa học kỹ thuật bao gồm cơ khí, điện tử, điều khiển, thông tin, máy tính và vật liệu học. Cuốn sách này tập trung hệ thống hóa các công nghệ nền tảng nhất để phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật chuyên sâu.

Cấu trúc cuốn sách được chia thành 8 chương:

• Chương 1: Khái quát lịch sử phát triển và triển vọng tương lai của Robot.

• Chương 2: Vai trò, phân loại hệ thống cảm giác và các cơ quan cảm biến tiêu biểu.

• Chương 3: Phân loại Cơ cấu chấp hành, nguyên lý hoạt động và phương pháp điều khiển động cơ Servo.

• Chương 4: Các kiến thức cơ sở về Động học (Kinematics / 運動学) của Robot.

• Chương 5: Các kiến thức cơ sở về Động lực học (Dynamics / 動力学) của Robot. (Chương 4 và Chương 5 đóng vai trò nền tảng trung tâm trong việc phân tích mô hình Robot).

• Chương 6: Phương pháp hiệu chuẩn tham số hình học của các Khâu (Link / リンク) và nhận dạng tham số động lực học.

• Chương 7: Các phương thức cơ bản trong điều khiển Vị trí và Quỹ đạo của Robot.

• Chương 8: Các điểm cốt lõi trong hệ thống điều khiển Lực của Robot.

Nội dung giáo trình được thiết kế nhằm giúp người học có thể tiếp cận mà không yêu cầu khối lượng kiến thức nền tảng quá cao. Lý thuyết được xây dựng từ các khái niệm cơ bản về cơ học, đại số và lý thuyết điều khiển; những phần mở rộng được đưa vào hệ thống phụ lục. Hệ thống bài toán mẫu và bài tập thực hành được cung cấp phong phú để người đọc củng cố lý thuyết và rèn luyện kỹ năng giải quyết vấn đề kỹ thuật Robot từ nền tảng cơ sở nhất.