Mở rộng “độ phủ sóng” của robot

Đây là một sản phẩm được phát triển từ nghiên cứu “Liệu robot có thể lắp đặt một chiếc ghế Ikea?” mà TS. Phạm Quang Cường và đồng nghiệp mới xuất bản vào tháng 4/2018 vừa qua trên Science Robotics - một trong những tạp chí uy tín của thế giới về robot.

Trên thực tế, anh chỉ là một trong số nhiều nhà khoa học nghĩ đến việc tạo ra các robot có khả năng thực hiện các thao tác lắp đặt ghế. Trước đây cũng có một số robot có chức năng tương tự, chẳng hạn năm 2013, nhà khoa học Ross Knepper ở MIT đã tạo ra robot IkeaBot sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để lắp ráp đồ nội thất Ikea. Tuy nhiên, các robot này chủ yếu mới chỉ thực hiện được những chuyển động đơn giản khi chỉ bắt vít chân bàn vào mặt bàn, trong khi robot của CRI có thể thực hiện được những hành động phức tạp.

Nếu quan sát ở bên ngoài, hoạt động lắp đặt trên tưởng chừng đơn giản nhưng đối với robot, để lắp được các phần khác nhau của chiếc ghế Ikea thực tế phức tạp hơn rất nhiều so với tưởng tượng bởi mô phỏng các hoạt động của con người đòi hỏi nhiều kỹ năng: sử dụng các thông tin thu được để lập kế hoạch chuyển động; kiểm soát lực vừa đủ; phối hợp và quản lý các thao tác. TS. Phạm Quang Cường cho biết, “nền tảng kiến thức để tạo ra robot này là sự kết hợp kiến thức của nhiều ngành khác nhau như toán học, vật lý, kỹ thuật…”

Do hướng đến tạo ra một robot có chuyển động linh hoạt và thực hiện được hành động phức tạp, nhóm nghiên cứu CRI đã phải giải quyết nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật bằng phát triển một số lý thuyết mới trong ngành robot.

Ví dụ ở bước đầu tiên, nhóm nghiên cứu phải tìm cách rút ngắn thời gian và nâng cao độ chính xác của robot khi định vị các bộ phận của chiếc ghế. Robot sử dụng camera 3 chiều để chụp ảnh không gian xung quanh, tuy nhiên robot chỉ có thể “nhìn” được những hình ảnh với sự chính xác vài millimet. Do vậy, cánh tay robot gần như là “làm việc trong bóng tối và cảm nhận theo cách riêng”.1 Một vấn đề nữa là họ cần giải quyết là tích hợp nhiều thiết bị (camera, cảm ứng tay lực, tay robot,…) và nhiều thuật toán (thị giác robot, hoạch định chuyển động, điều chỉnh lực,...).

Khâu quan trọng nhất trong phát triển robot là hoạch định chuyển động của hai cánh tay robot dựa trên vị trí của các bộ phận ghế vừa được xác định, khó khăn lớn nhất là phối hợp chuyển động của hai cánh tay robot để cùng vận chuyển khung ghế. Bởi vì hai cánh tay robot có 12 bậc tự do - khả năng chuyển động tương đối độc lập trong không gian, nhưng khi chúng cầm một vật rắn (cái khung) thì số bậc tự do của hệ thống giảm xuống còn 6. Tìm được một chuyển động trong một tập hợp con 6 chiều trong một không gian 12 chiều là rất khó.

Để giải quyết bài toán chuyển động, TS. Phạm Quang Cường và nhóm nghiên cứu đã sử dụng và phát triển lý thuyết hoạch định chuyển động cho chuỗi chuyển động đóng (motion planning for closed kinematic chains). Lý thuyết này đã từng được CRI công bố vào năm 2017 qua bài viết “Closed-Chain Manipulation of Large Objects by Multi-Arm Robotic Systems” trên tạp chí IEEE Robotics and Automation Letters.

Hướng đến việc tạo ra một sản phẩm thao tác linh hoạt nhưng vẫn phải an toàn, TS. Phạm Quang Cường còn tính đến việc điều chỉnh lực tiếp xúc phù hợp giữa robot với môi trường cũng rất quan trọng bởi nếu lực có độ lớn quá cao sẽ ghiền nát cả chiếc ghế hoặc gây nguy hiểm cho con người, còn nếu lực quá nhỏ sẽ không đủ để lắp đặt chiếc ghế. Vấn đề này đã được xử lý thông qua các cảm biến lực gắn trên cánh tay robot.

Với TS. Phạm Quang Cường, việc nghiên cứu và tạo ra các sản phẩm robot không ngoài mong muốn làm ra các sản phẩm ứng dụng để có thể “áp dụng trực tiếp vào công nghệ sản xuất hiện tại, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất ở Việt Nam, Singapore và trong khu vực”. Đây là lý do khiến anh tập trung vào việc phát triển những robot có khả năng thực hiện những hoạt động phức tạp tại Singapore - nơi được coi là một trong những trung tâm hàng đầu về robot, AI của châu lục và thế giới với chiến lược “Quốc gia thông minh”, và tại trường Đại học Nanyang - một môi trường thuận lợi cho nghiên cứu và phát triển sản phẩm.

Những thuận lợi này vừa tạo điều kiện cho cả nhóm nghiên cứu có được những thiết bị phần cứng thông dụng sẵn có, phổ biến và thương mại hóa (COTS) như là bàn tay hai ngón, hai cánh tay công nghiệp Denso, tay kẹp song song Robotiq, cảm biến lực và camera cảm biến chiều sâu… vừa đem lại cơ hội hợp tác giữa họ với các công ty Singapore và một số công ty đa quốc gia trong lĩnh vực điện tử, sản xuất ô tô, thiết bị quang học.

Để thực hiện ước mơ đưa sản phẩm robot áp dụng trong thực tế bằng chính nỗ lực “từ a đến z” của mình: anh cùng đồng nghiệp mở công ty Eureka Robotics ở Singapore. Dù tuy sắm cả hai vai nhà nghiên cứu và nhà kinh doanh nhưng không vì thế TS. Phạm Quang Cường muốn “giấu nghề”. Anh cho biết, “ngoài ưu tiên công bố trên các tạp chí chuyên ngành, chúng tôi còn đưa mã nguồn của mình lên mạng mở cho cộng đồng khoa học có thể dùng lại được. Và chúng tôi luôn sẵn sàng hợp tác với bất cứ nhóm nghiên cứu nào ở Việt Nam, nếu có cơ hội”.