Đội bảo trì sửa chữa có thể bay đến các tòa nhà

Cánh tay robot bay

Làm thế nào để nhìn thấy những vết nứt trên các công trình cao tầng và sửa chữa chúng? Câu trả lời có thể là dùng một cánh tay robot gắn với thiết bị bay không người lái (UAV).

“Cánh tay robot bay sẽ bay vòng quanh các tòa nhà, phát hiện thấy vết nứt hoặc nguy cơ nứt/gãy, sau đó tự động phun sơn đánh dấu để đội bảo trì mặt đất có thể đến sửa mà không cần mất nhiều ngày khảo sát như trước kia”, Trần Văn Lộc, sinh viên K65 phụ trách phần cứng UAV trong nhóm nghiên cứu, tự hào giới thiệu.

Các tòa nhà cao tầng đòi hỏi công tác sửa chữa, bảo trì thường xuyên. Tuy nhiên, việc kiểm tra, sửa chữa thủ công lại vô cùng tốn kém và tiềm ẩn nguy cơ tai nạn cho người lao động, đặc biệt tại các vị trí nguy hiểm khó tiếp cận. Không có gì ngạc nhiên khi các nhà nghiên cứu cố gắng tìm cách dùng robot để hỗ trợ công việc cho con người.

Ngày nay, tại nhiều quốc gia trên thế giới, UAV đã được ứng dụng để giám sát các công trình nhờ khả năng quan sát toàn cảnh từ trên cao. Song song đó, cánh tay robot đã được sử dụng rộng rãi trong các tác vụ khuân vác, cầm nắm tại nhà máy. Ý tưởng kết hợp cả hai lại với nhau trong một ứng dụng có lẽ không bất ngờ, nhưng nó vẫn đại diện cho một bước nhảy vọt đáng kể trong công nghệ bảo trì những công trình cao tầng như tòa nhà, nhà xưởng, tháp truyền hình, trụ điện, tuabin gió, dàn khoan v.v

Các công trình này trong tương lai sẽ phải có khả năng hoạt động mà không cần số lượng lớn người để theo dõi và bảo trì như ngày nay. Điều này đặc biệt quan trọng ở các nước đang phát triển như Việt Nam, nơi tốc độ “mọc lên” của các công trình cao tầng bùng nổ nhưng nguồn nhân lực bảo trì có tay nghề lại thiếu hụt. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa sẽ giúp giảm tải chi phí và nâng cao hiệu quả vận hành cho các công trình này.

Cabin ảo điều khiển UAV

Những thử nghiệm cánh tay robot bay đang diễn ra tại khuôn viên trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nơi có những tòa nhà không quá cao, chỉ tầm 7-10 tầng. Chu Tuấn Đức, cựu sinh viên K63, trưởng nhóm nghiên cứu, nói rằng họ còn một số điểm phải cải thiện trước khi nó có thể sẵn sàng đi vào sử dụng - chẳng hạn như tăng độ ổn định của cánh tay khi bay hay mở rộng phạm vi truyền tín hiệu - nhưng phần lớn thuật toán “khung xương” đã thành hình.

Đức nói rằng cánh tay robot hay UAV đều có thể sử dụng những sản phẩm thương mại sẵn có, nhưng linh hồn mà nhóm nghiên cứu tạo ra nằm ở bộ điều khiển chúng. Đó là một cabin ảo sử dụng công nghệ song sinh số (digital twin).

Một trong những vấn đề lớn đặt ra khi điều khiển cánh tay robot bay là làm sao để có thể điều khiển chính xác cả UAV lẫn cánh tay robot khi mà UAV bay ra ngoài phạm vi tầm nhìn của họ.

Công nghệ song sinh số có thể tạo ra các mô phỏng về môi trường xung quanh UAV, bao gồm cả địa hình, chướng ngại vật, thậm chí cả mưa gió và thời tiết, nhờ luồng dữ liệu liên tục theo thời gian thực. Thông tin này được đưa trực tiếp vào bảng điều khiển cabin ảo, cho phép người điều khiển UAV có tầm nhìn tốt hơn.

Hơn nữa, việc điều khiển phối hợp giữa UAV và cánh tay robot có nhiều bậc tự do chỉ dựa trên hình ảnh 2D từ camera truyền về như cách điều khiển thông thường là không đủ. Lý do là vì hình ảnh 2D không cung cấp đầy đủ thông tin về khoảng cách và trạng thái của cánh tay robot so với vật thể mà nó tương tác. Điều này khiến người dùng gặp khó khăn trong việc điều khiển chính xác cánh tay robot và cần nhiều thời gian luyện tập để thành thạo. Để tránh vấn đề này, bản song sinh số có thể bao trùm cả cánh tay robot và tính toán vị trí của nó như thể nó được bao quanh bởi hệ thống GPS.

“Khi trạng thái tổng thể của cánh tay robot bay thay đổi theo thời gian, bản sao kỹ thuật số cập nhật trạng thái của chính nó để phù hợp với tình hình vật lý trên thực tế”, Chu Tuấn Đức nói.

Nhóm nghiên cứu đã khiến cho công nghệ điều khiển bằng song sinh số này trở nên cực kì đơn giản và dễ dùng. Phạm Biên Thùy, sinh viên K65 phụ trách giám sát các phần mềm điều khiển, đã minh họa trải nghiệm điều này.

Đeo kính thực tế ảo (VR headset) trên đầu với một điện thoại thông minh có màn hình bổ dọc tương ứng với hai mắt, cậu bước vào cabin ảo điều khiển cánh tay robot bay. Có một màn hình lớn cho thấy điểm nhìn từ máy bay, và năm màn hình ảo xung quanh biểu thị các thông số như vận tốc, độ cao, hướng gió, v.v

Khi nghiêng hoặc quay đầu, UAV cũng sẽ di chuyển theo. Ngoài ra, thiết bị này cũng “đọc” cử chỉ tay để điều hướng UAV - ví dụ như nghiêng cần điều khiển ảo, ấn nút giữ trên màn hình, làm cử chỉ phóng to, thu nhỏ màn hình, hoặc chỉ đạo cánh tay robot thực hiện các thao tác cầm, nắm, gắp vật thể y như cánh tay của mình.

“Sẽ có một cánh tay ảo mô phỏng cánh tay của người điều khiển trong bản sao số và nó cử động theo cánh tay thật của con người”, Thùy nói, “Chúng tôi lấy ý tưởng này từ các game thực tế ảo, nơi người ta có thể vung tay thao tác thoải mái. Điều này mang lại sự linh hoạt và hiệu quả lớn trong việc điều khiển.”

Tìm kiếm đối tác

Cabin ảo tích hợp bản sao song sinh số do nhóm EmNetLab phát triển là một sáng tạo độc đáo. Mặc dù hệ thống vẫn còn giới hạn trong việc thực hiện các thao tác phức tạp và giao diện không gian ảo vẫn cần được phát triển sâu hơn nhưng tiềm năng ứng dụng trong ngành công nghiệp UAV và tự động hóa công nghiệp đã được khẳng định rõ ràng.

Trần Văn Lộc nói rằng trong những cuộc triển lãm, họ đã gặp được một số doanh nghiệp tỏ ra thích thú và chia sẻ những ý tưởng sử dụng mới. Chẳng hạn như có một đề xuất cho ngành điện là dùng cánh tay robot bay gỡ bỏ các chướng ngại vật (như cánh diều, cành cây…) mắc trên đường dây cao thế, thay vì biện pháp đốt bỏ như hiện nay dễ gây ảnh hưởng đến tuổi thọ của đường dây điện. Nhiều ý tưởng khác liên quan đến thay thế các tấm kính vỡ trên mặt tiền tòa nhà hoặc phun sơn các biển quảng cáo.

Trên thực tế, cánh tay robot bay mà các sinh viên này phụ trách là một phần trong dự án lớn hơn về các hệ thống IoT hỗ trợ kiểm soát rủi ro công nghiệp do TS. Phạm Văn Tiến, trưởng phòng thí nghiệm EmNetLab, chủ trì.

Tuy nhiên, “Nó đã vượt ngoài khuôn khổ ban đầu của việc kiểm soát rủi ro, bởi cánh tay robot bay có thể góp sức để tác động lại môi trường chứ không phải chỉ có giám sát môi trường một cách thụ động”, TS. Phạm Văn Tiến nhận xét.

“Nhờ việc ánh xạ dữ liệu qua lại giữa thế giới thực và thế giới ảo mà con người có thể tương tác ở nhiều mức độ khác nhau với cả hai thế giới, tùy vào tình huống.”, ông nói thêm.