báo cáo tổng hợp và phân tích tình hình phát triển và ứng dụng robot công nghiệp trên thế giới

Trong năm 90 robot công nghiệp cũng có b-ớc phát triển mới theo h-ớng đồng bộ hệ thống trên cơ sở vận dụng những thành tựu của công nghệ thông tin ứng dụng.. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH ỨNG D

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ -

BÁO CÁO TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG ROBOT

CÔNG NGHIỆP TRÊN THẾ GIỚI

Chủ biên:

GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc

HÀ NỘI – TP HỒ CHÍ MINH

5/2010

NỘI DUNG

BÁO CÁO TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP TRÊN THẾ GIỚI

I Giới thiệu chung

II Tổng quan về tình hình ứng dụng

robot công nghiệp trên thế giới

III Nhận thức mới về sự phát triển

robot công nghiệp trên thế giới

IV Tuyển chọn các loại robot công nghiệp

I GIỚI THIỆU CHUNG

Ra đời từ những năm 60, robot công nghiệp đã có những b-ớc phát triển quan trọng Do sự xuất hiện máy vi tính, robot công nghiệp đã tiếp thu đ-ợc thành tựu mới đó và ngày càng hấp dẫn Cao trào phát triển vào những năm 70

và đánh dấu mốc bằng Hội nghị quốc tế lần thứ 6 về "thiết kế chế tạo và ứng dụng robot công nghiệp" Chicago năm 1972 Sau đó lại lắng dần xuống, nhất

là sau khủng hoảng dầu mỏ 1975 nh- để rút kinh nghiệm áp dụng vào chỗ nào

là phát huy hiệu quả cao hơn Đến những năm 80 thì xuất hiện nhu cầu hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System)

mà robot nh- là bộ phận cấu thành FMS Nhu cầu đó kích thích b-ớc phát triển của robot công nghiệp Trong năm 90 robot công nghiệp cũng có b-ớc phát triển mới theo h-ớng đồng bộ hệ thống trên cơ sở vận dụng những thành tựu của công nghệ thông tin ứng dụng

Bản thân phần kỹ thuật, robot công nghiệp cũng thể hiện các xu thế phát triển sau đây:

1.1 Trong giai đoạn đầu phát triển ng-ời ta rất quan tâm việc tạo ra những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, đ-ợc trang bị nhiều loạt senso để có thể thực hiện đ-ợc những công việc phức tạp, nh- là để chứng tỏ khả năng thay thế con ng-ời trong nhiều loại hình công việc

1.2 Khi đã có những địa chỉ ứng dụng trong công nghiệp, thì việc đơn giản hoá kết cấu để tăng độ chính xác định vị và giảm giá thành đầu t-, lại là những yêu cầu thực tế đối với sự phát triển này luôn luôn đ-ợc kích thích bởi thị tr-ờng hàng hoá cạnh tranh Ngày càng có nhiều cải tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp hành tăng độ tin cậy của các thiết bị

điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình v.v

1.3 Để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot công nghiệp nhằm thay thế lao

động nhiều loại hình công việc, ngày càng rõ nét về xu thế tăng c-ờng khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi tr-ờng làm việc Các thành tựu khoa học và tiến bộ kỹ thuật Laser, kỹ thuật tia hồng ngoại, kỹ thuật

xử lý ảnh v.v đã ngày càng hiện thực xu thế phát triển robot công nghiệp h-ớng vào việc thích nghi đ-ợc với môi tr-ờng làm việc

1.4 Cùng với các xu thế trên, robot công nghiệp luôn luôn đ-ợc định h-ớng tăng c-ờng năng lực xử lý công việc để trở thành các robot tinh khôn nhờ

áp dụng các kết quả nghiên cứu về hệ điều khiển nơron và trí khôn nhân tạo v.v

Nhu cầu của thị tr-ờng cạnh tranh luôn luôn đòi hỏi các nhà sản xuất phải thay đổi mẫu mã, kích cỡ và th-ờng xuyên cải tiến nâng cao chất l-ợng sản phẩm Nh- vậy sự cạnh tranh hàng hoá đặt ra một vấn đề thời sự

là phải có hệ thống thiết bị sản xuất thay đổi linh hoạt đ-ợc để có thể đáp ứng với sự biến động th-ờng xuyên của thị tr-ờng Nhờ sự phát triển trong mấy chục năm gần đây của kỹ thuật số và công nghệ thông tin chúng ta mới có khả năng "mềm" hoá hệ thống thiết bị sản xuất Trên cơ sở đó đã

ra đời hệ thống sản xuất linh hoạt FMS là ph-ơng thức sản xuất hiện đại

Nó có -u điểm cơ bản là các thiết bị chủ yếu của hệ thống chỉ đầu t- một lần, còn đáp ứng lại sự thay đổi sản phẩm bằng phần mềm máy tính điều khiển là chính Hệ thống FMS rất hiện đại nh-ng lại thích hợp với qui mô sản xuất vừa và nhỏ Ngày nay ở các n-ớc phát triển các hệ thống FMS có

xu h-ớng thay thế dần các hệ thống thiết bị tự động "cứng" sản xuất hàng loạt lớn sản phẩm Các hệ thống thiết bị tự động cứng này rất đắt tiền mà khi thay đổi về yêu cầu sản phẩm thì phải đổi mới gần nh- hoàn toàn Nh- vậy, chúng nhanh chóng trở nên lạc hậu vì không thích nghi đ-ợc với thị tr-ờng đầy biến động

ý t-ởng chủ đạo trong việc tổ chức hệ thống sản xuất hiện đại linh hoạt là "linh hoạt hoá" và "modun hoá" Một hệ thống sản xuất linh hoạt có thể gồm nhiều modun linh hoạt Một trong những hệ thống nh- vậy là hệ thống CIM (Computer Integrated Manufacturing) - hệ thống tích hợp sản xuất dùng máy tính

Để tạo ra những modun sản xuất linh hoạt đó cần có mặt robot nh- một bộ phận cấu thành ở đây, robot làm những công việc chuyển tiếp giữa

các máy công tác (ví dụ cấp thoát phôi và dụng cụ cho các trung tâm gia công), vận chuyển trong phân x-ởng, thao tác trong kho tự động v.v

Bản thân cơ cấu tay máy của robot cũng là một cơ cấu linh hoạt Đó

là cơ cấu không gian hở (không kép kín), có bậc tự do d- thừa nên độ cơ

động rất cao Mỗi khâu của cơ cấu có động lực riêng và chúng đ-ợc điều khiển bằng ch-ơng trình thay đổi đ-ợc Có loại robot lại có thể tự thay đổi

đ-ợc thao tác của mình của mình một cách linh hoạt khi nhận biết đ-ợc các tín hiệu từ sự hoạt động của bản thân (nội tín hiệu) Những cơ cấu nh- vậy gọi là cơ cấu điều khiển linh hoạt

II TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP TRÊN THẾ GIỚI

Tổng quan về tình hình ứng dụng robot công nghiệp trên thế giới có thể được biểu hiện rõ nét qua các cuộc điều tra khảo sát của các tổ chức quốc tế

có uy tín như Hiệp hội Robotics quốc tế (IFR - International Federation of Robotics) phối hợp với ủy ban kinh tế châu Âu của Liên hiệp quốc (UNECE – United Nations Economic Commission for Europe)

Đã hơn 20 năm nay 2 tổ chức quốc tế này đã cùng tổ chức các cuộc điều tra khảo sát về robotics (World Robotics Survey) Trong khuôn khổ đề tài, có lẽ chúng ta chỉ nên phân tích các kết quả từ những năm gần đây

Bắt đầu từ 2003 Trong tài liệu World Robotics 2003 do UNECE/IFR phát hành đã ghi nhận rằng trong nửa đầu năm 2003 số lượng đơn đặt hàng robots trên toàn thế giới tăng 26%, Bắc Mỹ 35%, Châu Âu 25%; Châu Á 18%

Hình 2 là biểu đồ về thị trường robot công nghiệp trong các năm 2001 – 2003 và dự báo đến năm 2006

Hình 2 Thị trường robot công nghiệp của các nước trong năm 2001 – 2003 và dự báo đến 2006

Hình 3 là chỉ số giá bán robot công nghiệp trên thị trường quốc tế đối chiếu với năm 1990

Hình 3 Chỉ số giá bán robot công nghiệp trên thị trường

quốc tế đối chiếu với năm 1990

Hình 4 là biểu đồ số lượng robot tính trên 10.000 công nhân viên trong

sản xuất công nghiệp năm 2002 ở các nước

Hình 4: Số lượng robot tính trên 10.000 công nhân trong ngành công nghiệp ô tô năm 2002

Hình 5 là biểu đồ thay đổi về số lượng robot tính trên 10.000 công nhân

trong ngành công nghiệp ô tô năm 2002 và 2004

Theo số liệu khảo sát ở nhiều nước số lượng robot công nghiệp đa năng với số bậc tự do ≥ 5 chiếm tỷ lệ khá cao, như nêu trong bảng sau:

Số lượng robots Các loại Loại có DOF ≥ 5 Chiếm tỷ lệ

báo trong giai đoạn 2005 - 2008 trung bình hàng năm đầu tư cho robotics sẽ tăng 6%

Trong năm 2004, trên 52.000 robots đã được cung cấp cho các nước Châu Á (bao gồm cả Australia và New Zealand) tăng 29% so với năm 2003

và chủ yếu đầu tư cho công nghiệp ô tô và công nghiệp lắp ráp hàng điện tử

Trong bảng dưới đây là số liệu thống kê về số lượng robot công nghiệp được lắp mới hàng năm và hoạt động của thị trường robot ở nhiều nước (tên các nước không cần dịch)

Hình 6 là biểu đồ về số lượng robot công nghiệp được lắp đặt trong các năm 2003 – 2004 và dự báo trong các năm 2005 – 2008

Hình 6 Số lượng robot công nghiệp được lắp đặt trong 2003 – 2004 và dự báo trong 2005 – 2008

Hình 7 là biểu đồ về thị trường robot công nghiệp trong các năm 2003 – 2004 và dự báo giai đoạn 2005 – 2008

Hình 7 Thị trường robot công nghiệp ở các nước trong 2003 – 2004 và dự báo trong 2005 – 2008

Tính đến cuối quý II năm 2005, theo số liệu khảo sát của UNECE/IFR thì so với năm 2004 số lượng đơn đặt hang mua các loại robot công nghiệp tăng trung bình là 13% và phân bổ theo các vùng miền như sau:

Châu Âu +7% Các vùng miền khác -49% Hình 8 là biểu đồ thay đổi về số lượng robot tính trên 10.000 công nhân viên trong sản xuất công nghiệp năm 2004 ở các nước

Hình 8 Số lượng robot tính trên 10.000 công nhân năm 2004 ở các nước

Trên đây đã trình bày tóm tắt phân tích tình hình ứng dụng và phát triển robot công nghiệp thế giới qua các kết quả khảo sát năm 2003 và năm 2005 của UNECE/IFR Tiếp theo đây sẽ trình bày chi tiết hơn về kết quả khảo sát năm 2007 (Theo 2007 World Robotics survery) của UNECE/IFR Qua đấy cũng thấy các dự báo từ những năm trước chỉ là số liệu tham khảo Còn kết quả khảo sát của UNECE/IFR năm 2009 sẽ trình bày ở phần cuối

Các cuộc khảo sát của UNECE/IFR rất chú ý đến các số liệu thống kê, phân tích thị trường, dự báo cho các năm tiếp theo Việc khảo sát được tiến hành ở nhiều khu vực riêng lẻ nhưng cũng có những số liệu tổng thể trên toàn thế giới

Không như dự báo, năm 2006 so với năm 2005, doanh thu về robot công nghiệp không tăng mà giảm 11% Mặc dầu, năm 2005 vẫn cho rằng ngành công nghiệp ô tô và ngành điện tử công nghiệp là động lực phát triển chủ yếu Nhưng trong các ngành này đầu tư cho robot đã giảm 17% và 34%

tương ứng, còn các ngành khác như công nghiệp chế biến thép, hóa chất và thực phẩm sức mua robot lại tăng

Hình 10 là lượng hàng robot công nghiệp của các vùng miền trên thế giới theo từng năm

Năm 2006 hơn 61.700 robot được cung cấp cho các nước Châu Á (bao gồm cả Australia và New Zealand), ít hơn trong năm 2005 khoảng 19%

Ở Nhật Bản trong năm 2006 lượng hàng robot công nghiệp so với năm

2005 giảm đi 26%, tương đương 37.400 chiếc Ở Hàn Quốc, giảm 17%, tương đương 10.800 chiếc Ở Trung Quốc là thị trường robot đứng thứ 3 ở Châu Á, trong năm 2006 đã lắp mới 5.800 robot, nhiều hơn 29% so với năm 2005 Ở

Ấn Độ, năm 2006 so với 2005, lượng robot được cung cấp cũng tăng gấp đôi, khoảng 850 chiếc Ở các nước khác ở Châu Á, như Indonesia, Malaysia, Philippines, Singapore, Đài Loan, Thái Lan và Việt Nam sức mua hàng robot cũng tăng khoảng 7%

Ở các nước Châu Mỹ mức đầu tư cho robot công nghiệp giảm 18%, tương đương 17.900 chiếc Tuy nhiên ở các nước như Mexico, Argantina và Brazil lại tăng khoảng 10%

Ở các nước Châu Âu, lượng hàng robot công nghiệp bán được giảm 11%, tức là khoảng 31.500 chiếc Tuy nhiên ở Đức, thị trường lớn nhất ở Châu Âu lại tăng 13%, tức khoảng 11.400 chiếc

Bảng dưới đây là số liệu về thị trường thế giới về robot công nghiệp và

dự báo giai đoạn 2007 – 2010

Về mật độ sử dụng robot tính theo số lượng robot trên 10.000 công

nhân thì năm 2006 ở Nhật Bản là 349, còn ở Hàn Quốc là 187

Ở Châu Âu mật độ sử dụng robot cao nhất ở Đức là 186, ở Italya là

138, ở Thụy Điển là 123, ở Phần Lan là 101, ở Pháp là 92, ở Tây Ban Nha là

79, ở Đan Mạch, Áo, Thụy Sỹ, Anh là từ 50 đến 72, ở Nauy là 33 và ở Bồ Đào Nha là 19

Ở Hoa Kỳ mật độ sử dụng robot chỉ là 99 Như thế ở Đức và Hàn Quốc mật độ sử dụng robot cao hơn Hoa Kỳ gần 90% và ở Nhật Bản cao hơn 2,5 lần

Nếu chỉ tính trong ngành công nghiệp ô tô thì mật độ sử dụng robot ở Nhật 1820, ở Italya là 1630, ở Đức là 1.220, ở Pháp là 1.160 ở Tây Ban Nha

là 970, ở Hoa Kỳ là 830, ở Vương quốc Anh là 600, ở Thụy Điển là 590

Về loại hình robot được sử dụng nhiều hơn thì theo số liệu năm 2006

có 67.478 robot loại hoạt động theo hệ tọa độ phỏng sinh, giảm 9% so với năm 2005, có 24.148 robot loại theo hệ tọa độ vuông góc, giảm 4% so với

năm 2005, có 15.509 robot loại theo hệ tọa độ trụ, thấp hơn 71% so với năm

2005 và 1867 robot loại SCARA, cao hơn 48% so với năm 2005

Từ hình 11 đến hình 28 là các biểu đồ về tình hình cung ứng robot công nghiệp trên phạm vi toàn cầu và theo từng vùng miền cũng như theo từng nước điển hình; Theo từng năm, chủ yếu là từ 2004 đến 2006; Theo từng lĩnh vực ngành nghề và loại hình công việc v.v Cụ thể là:

Hình 11 là biểu đồ cung ứng robot công nghiệp trên thế giới theo các năm

Hình 12 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp theo các vùng miền giai đoạn

2004 – 2006

Hình 13 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp theo các loại hình công việc

phục vụ thời điểm cuối năm 2005 – 2006

Hình 14 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Châu Mỹ

Hình 15 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở các nước Châu Mỹ vào các

năm 2005 – 2006

Hình 16 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Châu Mỹ theo các loại hình

công việc ứng dụng trong các năm 2005 – 2006

Hình 17 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Châu Mỹ theo các

lĩnh vực ứng dụng

Hình 18 là Biểu đồ thị trường robot theo các năm ở Châu Mỹ

Hình 19 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Châu Á/ Úc

Hình 20 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở các nước Châu Á trong các

năm 2005 – 2006

Hình 21 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Châu Á/Úc theo các loại

hình công việc ứng dụng

Hình 22 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Châu Á/ Úc theo các

lĩnh vực ứng dụng

Hình 23 là Biểu đồ thị trường robot ở Châu Á/ Úc

Hình 24 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Châu Âu

Hình 25 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở các nước Châu Âu vào các

năm 2005 – 2006

Hình 26 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Châu Âu theo các loại hình

công việc

Hình 27 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Châu Âu theo các

ngành nghề công nghiệp chủ yếu

Hình 28 là Biểu đồ thị trường robot ở Châu Âu theo các năm

Các số liệu dự báo đến năm 2010

Thị trường robot công nghiệp tăng trưởng từ 112.200 robot trong năm

2006 lên thành 123.100 năm 2007 và từ năm 2008 trung bình tăng 4,2% Từ

đó có thể dự báo đến năm 2010 thị trường robot công nghiệp sẽ đạt khoảng 139.300 chiếc

Các biểu đồ từ hình 29 đến hình 40 sẽ cung cấp thông tin về tình hình cung ứng robot một vài năm gần đây và từ đó dự báo cho đến năm 2010 Hình 29 là biểu đồ thị trường robot công nghệ trên thế giới theo các năm

Hình 30 là Biểu đồ cung ứng robot trên toàn cầu trong các năm 2004 – 2006

Hình 32 là Biểu đồ thị trường robot ở Châu Mỹ theo các năm 2004 – 2006 và

Hình 33 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Châu Á vào các năm

Hình 35 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Hàn Quốc vào các năm

Hình 37 là Biểu đồ thị trường robot ở Châu Á/ Úc vào các năm 2004- 2005

Hình 38 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Châu Âu vào các năm 2004

Hình 39 là Biểu đồ cung ứng robot công nghiệp ở Đức vào các năm 2004 –

III NHẬN THỨC MỚI VỀ SỰ PHÁT TRIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP

3.1 Các nhận định về vai trò của robotics

Trên nhiều diễn đàn quốc tế vai trò của Robotics đã được nhấn mạnh:

“Trước đây người ta coi robot là một phương tiện để tiết kiệm chi phí lao động, thế nhưng robotics ngày nay đã đóng vai trò quan trọng hơn trong sản xuát, chúng là một phần của kế hoạch cạnh tranh toàn cầu”

Có diễn đàn quốc tế còn cho rằng Robotics có vị trí “cứu tinh trong quá trình toàn cầu hóa tăng tốc” “Hiện nay và hơn bao giờ hết, nhu cầu tồn tại trong cạnh tranh là một động lực quyết định đầu tư cho ngành robotics Một

số chuyên gia cho rằng đầu tư cho robotics là sự lựa chọn tốt hơn cả”

Tại triển lãm “Robot 2008, What’s Next” ở Boston đã nhận xét: “Công

ty nào nhạy bén sớm ứng dụng những thành tựu mới của Robotics thì có nhiều khả năng trở thành công ty đầu ngành”

Hàn Quốc đã nhận định rằng: “Robot thông minh có khả năng tiềm tang để trở thành động cơ phát triển chủ lực của đất nước” và dự kiến là đến năm 2020 các ngành này có thể đem lại gần 100 tỷ đôla

Đúng như nhận xét của Công ty Ford Motor “sự phát triển các khả năng của robot đang mở đường cho chiến lược sản xuất nhiều cơ hội mới Khả năng “nhìn được” của robot có thể đơn giản việc đầu tư để biến đổi thành hệ thống sản xuất tự động linh hoạt” Đầu tư cho việc nghiên cứu “robot có thị giác” (Vision – guided robotics) là để tiếp cận một vấn đề có thể tác động đổi mới, hiện đại hóa hệ thống thiết bị công nghiệp với nhiều tính năng mới

Như vậy, những dẫn chứng trên đây càng khẳng định quan điểm cần nhanh chóng đầu tư cho vấn đề “robot thông minh” để làm hạt nhân cho sự sáng tạo ra hệ thống thiết bị công nghiệp thông minh và đúng là Robotics đang trở thành nòng cốt cho sự phát triển cơ điện tử và cho ngành công nghiệp

3.2 Robotics trở thành hạt nhân cho sự phát triển công nghiệp hiện đại

Đặc trưng của sản phẩm công nghiệp hiện đại là linh hoạt hóa để đáp ứng sự biến động thường xuyên của thị trường cạnh tranh Cơ điện tử là công