Trong ngành sản xuất áp dụng tự động hóa bằng robot, cảm biến đóng một vai trò then chốt, là giao diện không thể thiếu để kết nối giữa robot với môi trường xung quanh chúng. Giống như các giác quan của cơ thể con người, cảm biến cung cấp cho robot những dữ liệu cần thiết về môi trường xung quanh, giúp chúng hoạt động với độ chính xác và hiệu quả cao.
Cảm biến của robot trong sản xuất
Cảm biến là xương sống của ngành tự động hóa hiện đại, việc hiểu được những chi tiết phức tạp của các loại cảm biến là điều vô cùng quan trọng trong sản xuất. Bài đăng này sẽ đi sâu vào những khía cạnh cơ bản của cảm biến robot: Phân loại, mục đích, lợi ích, thách thức và những loại chi phí liên quan của những loại cảm biến khác nhau.Cảm biến của robot là gì ?
Cảm biến của robot là một loại thiết bị có thể đo đạc một số thuộc tính của môi trường xung quanh, chuyển đổi nó thành những tín hiệu mà robot có thể đọc hoặc giải mã được. Thuộc tính của môi trường có thể là bất cứ điều gì từ khoảng cách, cường độ ánh sáng, cho đến nhiệt độ hoặc thậm chí là thành phần hóa học. Dữ liệu thu thập từ những loại cảm biến này cho phép robot có thể “cảm nhận” được môi trường xung quanh chúng, giống như cách các giác quan của con người cung cấp thông tin cho não bộ chúng ta. 
Cảm biến tiệm cận giúp robot làm việc cạnh công nhân
Trong quá trình sản xuất áp dụng robot, những cảm biến này là rất quan trọng vì chúng cho phép robot tương tác một cách an toàn và hiệu quả với môi trường xung quanh và với những loại robot khác. Nếu thiếu đi những cảm biến này, robot sẽ chỉ là một thiết bị tĩnh, thiếu đi khả năng thích ứng linh hoạt, tính linh động mà đây mà đây là những đặc trưng phải có cho các hệ thống tự động hóa hiện đại. 
Cảm biến tầm nhìn
Hiện nay, có hai loại cảm biến chính dựa trên những chức năng của chúng.- Cảm biến Nội giác (Proprioceptive Sensors): Chúng tương tự như những giác quan bên trong của chúng ta. Chúng cung cấp thông tin về trạng thái của robot. Ví dụ bao gồm cảm biến gia tốc (đo gia tốc) và cảm biến con quay hồi chuyển (đo hướng chuyển động).
Cảm biến con quay hồi chuyển giúp robot cân bằng
- Cảm biến Ngoại giác (Exteroceptive Sensors): Chúng cung cấp thông tin về môi trường xung quanh của robot. Ví dụ như máy ảnh (thu thập dữ liệu hình ảnh), cảm biến siêu âm (đo đạc khoảng cách bằng sóng âm), và cảm biến hồng ngoại (phát hiện nhiệt độ).
Cảm biến hồng ngoại giúp robot phát hiện vật hoặc đối tượng phía trước
Những ứng dụng của cảm biến đối với robot trong sản xuất
Những ứng dụng của cảm biến
Về bản chất, các cảm biến là cầu nối quan trọng giúp thu hẹp khoảng cách giữa robot và môi trường nơi chúng hoạt động. Các thiết bị này đảm bảo rằng robot có thể tự điều chỉnh theo sự thay đổi, đưa ra các quyết định dựa trên dữ liệu thời gian thực, và thực hiện các nhiệm vụ với độ chính xác gần như tuyệt đối. Cảm biến robot đảm nhận vô số chức năng trong quá trình sản xuất, biến đổi những cỗ máy đơn giản thành các hệ thống linh hoạt. Dưới đây sẽ là những góc nhìn sâu hơn về vai trò của cảm biến đối với quá trình này.Định vị và điều hướng
Định vị và điều hướng là một một chức năng quan trọng đối với robot để có thể di chuyển được trong không gian. Trong các nhà máy sản xuất lớn, robot di động thường cần di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác để vận chuyển vật liệu hoặc công cụ. Các cảm biến như cảm biến LIDAR (Phát hiện và đo đạc khoảng cách bằng ánh sáng) hay cảm biến siêu âm giúp robot có thể điều hướng và né tránh các chướng ngoại vật, đảm bảo cho robot có thể hoạt động một cách mượt mà. 
Cảm biến LiDAR trên giúp phát hiện các chướng ngại vật
Kiểm soát chất lượng trong sản xuất
Các hệ thống như máy ảnh hay hệ thống thị giác cho phép robot có thể kiểm tra các sản phẩm trên dây chuyền sản xuất, lắp ráp, từ đó chúng có thể phát hiện ra các khuyết điểm để nhanh chóng khắc phục. Các cảm biến này giúp robot xác định những vấn đề như: Các sản phẩm không được đồng đều, chênh lệch màu, hoặc nhiều lỗi khác, đảm bảo rằng chỉ có các sản phẩm chất lượng cao mới đi qua được dây chuyền sản xuất. 
Kiểm soát chất lượng trong sản xuất
Đảm bảo an toàn lao động
Những cảm biến an toàn như cảm biến hồng ngoại hoặc cảm biến điện dung, có thể phát hiện được sự hiện diện của con người hoặc các đối tượng khác ở gần. Nếu một công nhân vô tình đi vào khu vực vận hành của robot, những cảm biến này có thể kích hoạt khiến cho robot ngừng lại, ngăn ngừa tai nạn xảy ra. 
Cảm biến giúp phát hiện có người ở gần
Lắp ráp và xử lý
Trong các tác vụ yêu cầu việc lắp ráp, xử lý các bộ phận, các cảm biến xúc giác cho phép robot có thể điều chỉnh được lực nắm và các góc tiếp cận. Điều này đảm bảo rằng các bộ phận được lắp ráp, xử lý tránh bị hư hỏng và các bộ phận đó có thể khớp với nhau một cách hoàn hảo. 
Lắp ráp và xử lý
Giám sát môi trường
Các cảm biến giám sát môi trường thường đo lường các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, hoặc thậm chí là các thành phần hóa học. Điều này rất quan trọng đối với các quy trình sản xuất có độ nhạy cảm cao với môi trường, chẳng hạn như chế tạo các chất bán dẫn. 
Cảm biến được dùng để giám sát môi trường sản xuất chip bán dẫn
Phản hồi và hiệu chỉnh
Giống như con người phụ thuộc vào những lời nhận xét để học hỏi và cải thiện, thì robot sẽ sử dụng những phản hồi từ cảm biến để tinh chỉnh các hoạt động của chúng. Ví dụ như, một robot có thể tự điều chỉnh được tốc độ hoặc lực áp dụng dựa trên dữ liệu mà nó nhận được, đảm bảo hiệu suất sản xuất tối ưu.Các cảm biến giúp cho robot thực hiện được các nhiệm vụ của mình với mức độ chính xác, tính linh hoạt và độ an toàn cao. Các thiết bị này giúp biến đổi những loại robot từ lập trình giản đơn thành các hệ thống thông minh có khả năng phản ứng với những biến động, sự thay đổi không ngừng trong môi trường sản xuất.
Những loại cảm biến của robot
Khi các quy trình sản xuất trở nên phức tạp hơn và nhu cầu về độ chính xác ngày càng cao, nhiều loại cảm biến đã được phát triển để đáp ứng những nhu cầu này hỗ trợ cho quá trình sản xuất. Ở đây, chúng ta sẽ đi sâu vào một số loại cảm biến phổ biến nhất đang được sử dụng trong các loại robot sản xuất và cung cấp thêm ví dụ cho từng loại.Cảm biến tầm nhìn (Vision sensors – cameras)
Cảm biến tầm nhìn, thường được biết đến là camera hay còn gọi là máy ảnh, giúp thu thập những dữ liệu hình ảnh từ môi trường xung quanh, chuyển đổi hình ảnh thành những tín hiệu điện tử mà robot có thể hiểu được. Trong ngành sản xuất, lắp ráp ô tô, các cảm biến tầm nhìn thường có độ phân giải cao nhằm kiểm tra chất lượng sơn của các xe, phát hiện ra những khuyết điểm nhỏ nhất để đảm bảo mỗi chiếc xe được lắp ráp đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn nghiêm ngặt của nhà máy. 
Cảm biến tầm nhìn (vision sensors)
Cảm biến tầm nhìn được áp dụng để kiểm tra chất lượng sơn
Cảm biến tiệm cận (Proximity sensors)
Cảm biến tiệm cận có thể phát hiện sự hiện diện hoặc sự không có mặt của các đối tượng, vật thể ở gần mà không cần tiếp xúc vật lý. Cảm biến siêu âm là loại cảm biến tiệm cận phổ biến, sử dụng sóng âm để đo khoảng cách từ robot đến một đối tượng. Trong lĩnh vực vận kho, vận chuyển hàng hóa, các robot sẽ được trang bị cảm biến siêu âm để di chuyển qua những ngõ hẹp, đảm bảo rằng chúng không bị và chạm vào kệ hoặc sản phẩm. 
Cảm biến siêu âm giúp đo khoảng cách
Cảm biến lực và cảm biến xúc giác (Force and tactile sensors)
Cảm biến lực và xúc giác giúp robot đo lường áp suất, lực tác động vào vật hoặc đo độ rung của robot. Chúng cho phép robot xác định mức độ lực nắm của tay robot hoặc là lực ép khi đẩy một vật thể, đối tượng vào tường. Trong ngành công nghiệp lắp ráp đồ điện tử, khi phải lắp ráp các thiết bị điện tử nhỏ và có mức độ tinh vi cao, robot sẽ sử dụng những cảm biến này để tạo ra áp suất vừa phải,đảm bảo rằng các bộ phận không bị hư hỏng trong quá trình lắp ráp này. 
Cảm biến lực giúp đo lực nắm
Cảm biến nhiệt độ (Temperature sensors)
Cảm biến nhiệt độ giúp đo lường mức nhiệt độ của đối tượng hoặc môi trường xung quanh. Trong ngành công nghiệp rèn kim loại, những loại robot hỗ trợ việc rèn sẽ được trang bị những cảm biến này để theo dõi nhiệt độ của các thanh kim loại được rèn. Thông tin này sẽ giúp công nhân xác định được xem kim loại đã sẵn sàng để định hình hay chưa hay cần thêm thời gian để làm lạnh. 
Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến LiDAR (Light Detection and Ranging)
LiDAR là một phương pháp cảm biến từ xa được sử dụng để đo khoảng cách và tạo hình 3D không gian xung quanh. Nguyên tắc của LiDAR là sử dụng ánh sáng, thường là các tia laser để tạo ra các ánh sáng hướng về mục tiêu. Khi ánh sáng gặp mục tiêu và được phản xạ trở lại, LiDAR sẽ đo thời gian mà tia ánh sáng mất để đi từ cảm biến cho đến mục tiêu và trở lại. Bằng cách này, cảm biến LiDAR có thể tính toán khoảng cách từ cảm biến đến mục tiêu một cách chính xác. Việc này cho phép cảm biến này tạo ra các bản đồ 3D của môi trường xung quanh bằng cách quét và đo lường khoảng cách đến các điểm khác nhau trong không gian. Trong các cơ sở sản xuất có quy mô lớn, các robot sẽ được trang bị LiDAR để tạo ra bản đồ 3D chi tiết của môi trường xung quanh. Nhờ cảm biến này mà robot dễ dàng lập ra các kế hoạch cho các tuyến đường hiệu quả và tránh né các vật cản bất ngờ. 
Cảm biến LiDAR
Cảm biến LiDAR quét môi trường xung quanh bằng các tia laser để vẽ bản đồ 3D
Cảm biến con quay hồi chuyển và gia tốc kế (Gyroscopes and accelerometers)
Cảm biến con quay hồi chuyển giúp đo độ quay hoặc thay đổi hướng của một đối tượng. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc mô men động lượng, là một đại lượng vô hướng mô tả sự quay đối với trục cố định, cảm biến này giúp đo độ nghiêng của robotGia tốc kế dùng để đo gia tốc đột ngột của việc tăng tốc hoặc giảm tốc độ. Hai loại cảm biến này thường được trang bị trong các Drone (Thiết bị bay không người lái), những cảm biến này giúp giữ ổn định việc bay của Drone, đảm bảo cho thiết bị duy trì được đường bay và có những phản ứng phù hợp với các lực tác động từ bên ngoài.
Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscopes) và gia tốc kế (Accelerometers) được tích hợp trong một loại cảm biến
Cảm biến hóa học và cảm biến khí ga (Chemical and gas sensors)
Cảm biến hóa học và cảm biến khí ga có thể xác định được các chất hóa học cụ thể và các loại khí có mặt trong không khí. Điều này cực kỳ quan trong trong các ngành công nghiệp đòi hỏi tính tinh khiết của môi trường và xác định thành phần một cách chính xác. Đặc biệt, trong các cơ sở sản xuất hoặc những nơi diễn ra các hoạt động phục hồi đặc biệt, là những nơi có nguy cơ cao gây hại cho con người, các loại robot sẽ được trang bị cảm biến hóa học và cảm biến khí ga để có thể xác nhận sự an toàn của khu vực đấy trước khi con người bước vào. 
Cảm biến khí ga
Cảm biến hóa học
Cảm biến khoảng cách bằng tia laser (Laser distance sensors)
Cảm biến khoảng cách bằng laser giúp đo khoảng cách giữa cảm biến và một đối tượng cụ thể bằng cách sử dụng chính xác tia laser để chiếu vào đối tượng. Trong những lĩnh vực sản xuất đòi hỏi độ chính xác, những cảm biến laser trở nên vô cùng quan trọng. Chúng được tích hợp vào các hệ thống robot trong quá trình sản xuất để đảm bảo rằng robot tiếp cận và tương tác với các phần việc làm một cách chính xác nhất có thể. 
Cảm biến khoảng cách bằng tia laser
Ưu điểm và Thách thức của cảm biến khi được trang bị vào Robot sản xuất
Ưu điểm
Ưu điểm
Cảm biến robot mang lại nhiều ưu điểm đáng kể trong lĩnh vực sản xuất. Trong số đó, ưu điểm chính là cải thiện độ chính xác và đồng đều. Với cảm biến, robot có thể đạt được một mức độ chính xác cao mà con người khó có thể duy trì được trong thời gian dài. Hơn nữa, những loại robot được trang bị cảm biến có thể hoạt động trong những môi trường có thể gây nguy hiểm cho con người, như những nơi chứa các chất hóa học độc hại hoặc là nhiệt độ cực kỳ cao. Điều này không chỉ đảm bảo an toàn cho người lao động mà còn dẫn đến việc sản xuất hiệu quả hơn do robot có thể làm việc liên tục không cần nghỉ ngơi. Cuối cùng, những báo cáo theo thời gian thực do cảm biến cung cấp giúp những người điều hành có thể điều chỉnh tại chỗ, giảm sai sót và lãng phí trong quá trình sản xuất.Thách thức
Thách thức
Tuy nhiên, việc tích hợp cảm biến vào các hệ thống robot cũng phải đối mặt với một số thách thức như sau. Đầu tiên, dữ liệu thu thập được từ cảm biến cần phải được đọc được một cách chính xác, điều này đòi hỏi phải sử dụng các thuật toán phức tạp và khả năng tính toán một cách mạnh mẽ và chính xác để đọc được dữ liệu từ cảm biến. Ví dụ như, hệ thống thị giác thường yêu cầu các hệ thống tính toán riêng biệt chỉ để đọc được lượng lớn dữ liệu quang học, chỉ cần một hiểu lầm trong việc đọc dữ liệu có thể khiên robot hoạt kém hiệu quả và sai cách. Hơn nữa, cảm biến có thể nhạy cảm với các yếu tố môi trường khác. Ví dụ, cảm biến thị giác có thể gặp khó khăn trong môi trường có ánh áng yếu. Cảm biến xúc giác có thể bị ảnh hường bởi môi trường có nhiệt độ cao. Điều này yêu cầu nhà sản xuất cần phải hiểu rõ về phạm vi hoạt động của các thiết bị của họ. Hoạt động bảo dưỡng cũng là một yếu tố cần xem xét, cảm biến cần được hiệu chuẩn và kiểm tra đều đặn để chúng có thể hoạt động một cách tối ưu. Một số cảm biến sẽ có thể hoạt động không đúng cách nếu chúng tích tụ bụi bẩn và các tạp chất hóa học.Chi phí lắp đặt cảm biến
Chi phí lắp đặt và vận hành cảm biến robot đa dạng tùy thuộc vào mức độ phức tạp, độ chính xác và ứng dụng của từng loại cảm biến. Các cảm biến đơn giản như cảm biến tiệm cận cơ bản có mức giá dễ tiếp cận, thường có giá trị từ khoảng 10USD cho một cảm biến, tương đương 200-300 nghìn tiền Việt. 
Cảm biến tiệm cận
Ngược lại, đối với các hệ thống thị giác tiên tiến hoặc cảm biến LiDAR có thể có giá lên tới hàng nghìn USD, đặc biệt là ở phân khúc cao cấp. Thông thường sẽ có nhiều mức giá khác nhau đối với một loại cảm biến, cơ sở để đánh giá mức giá thường dựa trên các điểm sau:- Độ chính xác, độ phân giải hoặc độ nhạy bén
- Khoảng cách hoạt động
- Khả năng chống lại các điều kiện khắc nghiệt (ẩm, nhiệt độ cao,….)
- Các chứng chỉ về độ chất lượng, an toàn, tương thích,… của cảm biến.
Cảm biến LiDAR có chi phí cao
Hơn nữa, chi phí tổng cộng không chỉ giới hạn trong việc mua ban đầu. Việc bảo dưỡng, cập nhật phần mềm và hiệu chuẩn định kỳ có thể làm tăng thêm chi phí trong quá trình vận hành của cảm biến. Điều này dẫn đến việc phải xem xét đến lợi nhuận mà cảm biến mang lại cho sản xuất. Nếu một cảm biến tốt làm tăng tốc độ sản xuất, mang lại chất lượng cao hoặc làm cho quá trình sản xuất hiệu quả hơn, những điều này sẽ được xem xét để tính toán lợi nhuận của việc có nên đầu tư loại cảm biến này hay không.Mặc dù chi phí ban đầu có thể cao, nhưng việc trang bị cảm biến cho robot là điều cần thiết để một hệ thống robot có thể hoạt động một cách mượt mà và trơn tru. Những loại cảm biến tốt thường xứng đáng với khoản đầu tư để lắp đặt và vận hành. Cuối cùng, cảm biến là mấu chốt giúp robot có khả năng thích ứng trong nhiều hoàn cảnh công việc, làm cho chúng trở nên không thể thiếu trong bối cảnh sản xuất hiện đại như ngày nay.
