Cơ điện tử

Cơ điện tử hay còn gọi là Kỹ thuật cơ điện tử, là một lĩnh vực kỹ thuật liên ngành tập trung vào việc kết hợp giữa điện tử và cơ khí, cùng với nghiên cứu trong các lĩnh vực như robot học, điện tử học, kỹ thuật máy tính, viễn thông, kỹ thuật hệ thống, kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật sản phẩm. Sự phát triển của công nghệ đã thúc đẩy nhiều phân ngành kỹ thuật mở rộng và phát triển. Mục tiêu chính của ngành này là tạo ra các giải pháp thiết kế tích hợp các phân ngành khác nhau. Ban đầu, cơ điện tử chỉ đơn thuần là sự kết hợp giữa cơ khí và điện tử, với tên gọi từ ghép Cơ khí và Điện tử (hay Mechatronics từ mechanics và electronics); tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của công nghệ, định nghĩa của ngành đã mở rộng ra nhiều lĩnh vực công nghệ khác.

Thuật ngữ cơ điện tử (mechatronics) xuất phát từ Wasei-eigo, tức là những từ tiếng Nhật được tạo ra từ các từ tiếng Anh. Tetsuro Mori, một kỹ sư của Tập đoàn Điện tử Yaskawa, là người đầu tiên sáng tạo ra thuật ngữ này. Từ mechatronics đã được đăng ký thương hiệu bởi một công ty ở Nhật Bản với mã số '46-32714' vào năm 1971. Sau đó, công ty đã công bố quyền sử dụng từ này cho công chúng, và từ đó, thuật ngữ này đã trở nên phổ biến toàn cầu. Hiện nay, từ này đã được dịch sang nhiều ngôn ngữ và trở thành thuật ngữ quan trọng trong ngành công nghiệp.

Theo tiêu chuẩn NF E 01-010 của Pháp, cơ điện tử được định nghĩa là: 'phương pháp tiếp cận nhằm tích hợp đồng thời các yếu tố cơ khí, điện tử, lý thuyết điều khiển tự động và khoa học máy tính trong quá trình thiết kế và sản xuất sản phẩm, nhằm nâng cao và/hoặc tối ưu hóa chức năng của nó.'

Nhiều người coi cơ điện tử như một thuật ngữ hiện đại tương đương với tự động hóa, robot học và kỹ thuật cơ điện (Electromechanical engineering).

Kỹ thuật cơ điện tử là một khái niệm phổ biến dùng để chỉ lĩnh vực khoa học kỹ thuật liên ngành. Dù đã xuất hiện từ những năm 60, vẫn chưa có định nghĩa nào được công nhận đầy đủ. Một số người cho rằng bản chất của ngành luôn không ngừng mở rộng và bổ sung thêm nhiều lĩnh vực khác nhau. Sự tham gia và vai trò của các ngành khoa học kỹ thuật khác nhau trong một hệ thống cơ điện tử có thể thay đổi tùy theo từng tình huống cụ thể. Từ những năm 2000, cơ điện tử được nghiên cứu như một phương pháp thiết kế máy tối ưu để khai thác lợi thế của các ngành liên quan. Tuy nhiên, trong cách nhìn chung, kỹ thuật cơ điện tử vẫn chủ yếu dựa vào các ngành kỹ thuật cơ khí, điện và điện tử, lập trình, cảm biến và truyền thông. Việc lựa chọn nền tảng kiến thức cũng có ảnh hưởng lớn đến ngành này. Vào năm 1969, cơ điện tử chủ yếu là máy móc cơ khí tích hợp các bộ điều khiển điện tử. Hiện nay, một số cơ sở giáo dục coi cơ điện tử như một phần của kỹ thuật điện hoặc công nghệ thông tin, điều này ảnh hưởng đến định hướng của ngành. Tuy nhiên, mô hình chung của thế giới vẫn dựa vào kiến thức kỹ thuật cơ khí (máy) làm nền tảng.

Mô tả

Một kỹ sư cơ điện tử kết hợp các nguyên tắc cơ học, điện tử và máy tính để tạo ra hệ thống đơn giản, hiệu quả và đáng tin cậy hơn. Thuật ngữ 'cơ điện tử' được Tetsuro Mori, kỹ sư cao cấp của công ty Nhật Bản Yaskawa, sáng tạo vào năm 1969. Robot công nghiệp là ví dụ tiêu biểu của hệ thống cơ điện tử; nó kết hợp các yếu tố điện tử, cơ khí và máy tính để thực hiện các nhiệm vụ hàng ngày.

Điều khiển học kỹ thuật (Engineering cybernetics) giải quyết các vấn đề về kỹ thuật điều khiển trong các hệ thống cơ điện tử, nhằm kiểm soát hoặc điều chỉnh toàn bộ hệ thống (tham khảo lý thuyết điều khiển tự động). Các mô đun cơ điện tử hợp tác để thực hiện các mục tiêu sản xuất, đồng thời mang lại tính linh hoạt và nhanh nhẹn trong quy trình sản xuất. Thiết bị sản xuất hiện đại bao gồm các mô đun cơ điện tử được tích hợp theo các kiến trúc điều khiển (control architecture), với các loại kiến trúc phổ biến như hệ thống cấp bậc (hierarchy), hệ thống đa cực (polyarchy), hệ thống hỗn hợp (heterarchy) và hệ thống lai (hybrid). Các phương pháp đạt hiệu quả kỹ thuật được điều khiển bằng các thuật toán, có thể sử dụng hoặc không sử dụng các phương pháp hình thức trong thiết kế. Các hệ thống hybrid quan trọng trong cơ điện tử bao gồm hệ thống sản xuất, synergy drive, rover khám phá hành tinh, các hệ thống phụ ô tô như hệ thống chống bó phanh và hỗ trợ xoay (spin-assist), cùng các thiết bị hàng ngày như máy ảnh tự động lấy nét, video, đĩa cứng, đầu đĩa CD và điện thoại.

Ứng dụng

• Tự động hóa, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật rôbốt
• Cơ khí hệ thống trợ động
• Các hệ điều khiển và cảm biến
• Kỹ thuật ô tô, bao gồm thiết kế các hệ thống con như hệ thống phanh chống bó
• Kỹ thuật máy tính, trong thiết kế các cơ chế điều khiển máy tính

Vai trò của cơ điện tử trong sản xuất và đời sống

Khi nhắc đến sự phát triển của sản xuất công nghiệp, người ta thường đề cập đến vai trò của tự động hóa, và chính cơ điện tử đóng vai trò trong đó. Cơ điện tử hay kỹ thuật cơ điện tử giúp nhận diện các vấn đề trong sản xuất công nghiệp và đời sống, từ đó xây dựng bài toán, nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và ứng dụng các hệ thống máy móc tự động, hiện đại vào sản xuất công nghiệp. Trong đời sống, cơ điện tử cũng xâm nhập vào mọi lĩnh vực như y tế, giao thông, nông nghiệp thông minh và dịch vụ, từ đó tăng năng suất, nâng cao chất lượng, giải phóng con người khỏi các công việc nhàm chán và nguy hiểm. Sản xuất công nghiệp và đời sống không chỉ là nhu cầu mà còn là động lực phát triển không ngừng của ngành cơ điện tử.

Xu hướng đào tạo cơ điện tử trên toàn cầu

Xu hướng hiện nay là xóa bỏ ranh giới giữa các ngành khoa học và liên kết chúng lại với nhau. Điều này tạo ra những sản phẩm phong phú và tích hợp các tính năng mà những ngành đơn lẻ không thể tưởng tượng nổi. Trước đây, cơ điện tử chủ yếu là việc tích hợp hệ thống, sau đó phát triển lên thành thiết kế hệ thống. Từ những năm 2000, cơ điện tử đã được phát triển như một ngành tối ưu hóa thiết kế hệ thống, kết hợp các triết lý và nền tảng khác nhau để tạo ra một hệ thống đồng bộ nhằm đạt được mục tiêu tối ưu. Phương pháp cơ điện tử hiện đang được nghiên cứu và phát triển không ngừng, vượt xa việc đơn thuần chỉ là tích hợp các thành phần.

Kỹ sư cơ điện tử

Để trở thành một kỹ sư cơ điện tử có khả năng tổng hợp và nhìn nhận vấn đề một cách toàn diện, người học thường phải trải qua quá trình tự học và tự đào tạo dài hạn. Đây là một công việc đòi hỏi nhiều thời gian và công sức, đôi khi thiếu sự hệ thống và có thể bị thiên lệch do nền tảng kiến thức và kinh nghiệm thực tế của kỹ sư. Ngành kỹ thuật cơ điện tử tập trung vào việc đào tạo những kỹ sư có nền tảng vững chắc, khả năng phân tích tổng thể và những kỹ năng mềm như quản lý dự án và làm việc nhóm. Mục tiêu là tạo ra những kỹ sư có khả năng lãnh đạo và thực hiện các dự án một cách độc lập hoặc trong nhóm, đáp ứng nhu cầu thực tế trong sản xuất.

Biến thể của ngành

Một biến thể của ngành cơ điện tử là Cơ điện tử sinh học, nhằm kết hợp các bộ phận cơ khí với cơ thể con người, thường là các chi tiết nhỏ có thể tháo rời như bộ xương ngoài. Đây là phiên bản thực tế của công nghệ vật chế tạo điều khiển (Cyberware).

Một biến thể khác trong cơ điện tử là công nghệ điều khiển chuyển động nâng cao, được công nhận là công nghệ cốt lõi của lĩnh vực này. Độ bền của điều khiển chuyển động phụ thuộc vào độ cứng và là cơ sở để ứng dụng thực tế. Mục tiêu của chuyển động được điều chỉnh bởi độ cứng của bộ điều khiển, có thể thay đổi tùy theo yêu cầu công việc. Tuy nhiên, việc duy trì tính bền vững trong chuyển động đòi hỏi độ cứng rất cao trong hệ thống điều khiển.

Kỹ thuật Avionics (kỹ thuật thiết bị điện tử hoạt động trong môi trường không gian vũ trụ hoặc hàng không) cũng được coi là một biến thể của cơ điện tử. Nó tích hợp nhiều lĩnh vực như kỹ thuật điện tử và viễn thông vào kỹ thuật hàng không vũ trụ.

Internet Vạn Vật

Internet Vạn Vật (IoT) là một mạng lưới kết nối các thiết bị vật lý và hệ thống nhúng với điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành và kết nối mạng, cho phép các thành phần này thu thập và trao đổi dữ liệu.

IoT và cơ điện tử hỗ trợ lẫn nhau. Các thành phần thông minh kết nối với Internet Vạn Vật chủ yếu sẽ là cơ điện tử. Sự phát triển của IoT đang thúc đẩy các kỹ sư cơ điện tử, nhà thiết kế, chuyên gia và nhà giáo dục phải nghiên cứu cách nhận diện, thiết kế và sản xuất các thành phần và hệ thống cơ điện tử. Điều này giúp họ đối mặt với các vấn đề mới như bảo mật dữ liệu, đạo đức máy móc và giao diện người-máy móc.

Nguồn

• Bradley, Dawson và cộng sự, Mechatronics, Electronics in products and processes, Chapman and Hall Verlag, London, 1991.
• Karnopp, Dean C., Donald L. Margolis, Ronald C. Rosenberg, System Dynamics: Modeling and Simulation of Mechatronic Systems, 4th Edition, Wiley, 2006. ISBN 0-471-70965-4 Sách về động lực học hệ thống bán chạy nhất với phương pháp bond graph.
• Cetinkunt, Sabri, Mechatronics, John Wiley & Sons, Inc, 2007 ISBN 9780471479871
• James J. Nutaro (2010). Building software for simulation: theory and algorithms, with applications in C++. Wiley.
• Zhang, Jianhua. Mechatronics and Automation Engineering. Proceedings of the International Conference on Mechatronics and Automation Engineering (ICMAE2016). Xiamen, China, 2016.

• Robert Munnig Schmidt, Georg Schitter, Adrian Rankers và Jan van Eijk, Thiết kế Cơ điện tử Hiệu suất Cao – Phiên bản sửa đổi lần thứ 2. IOS Press, 2014.
• Bishop, Robert H., Mechatronics: an introduction. CRC Press, 2006.
• De Silva, Clarence W., Mechatronics: an integrated approach. CRC Press, 2005
• Onwubolu, Godfrey C., Mechatronics: principles and applications. Butterworth-Heinemann, 2005.
• Rankers, Adrian M., Động lực học Máy móc trong Hệ thống Cơ điện tử. Đại học Twente, 1997

Liên kết ngoài

• IEEE/ASME Transactions về Cơ điện tử.
• Tạp chí Cơ điện tử – Elsevier
• Ứng dụng và thực hiện cơ điện tử Lưu trữ 2016-04-02 trên Wayback Machine Danh sách các ấn phẩm liên quan đến ví dụ
• Hội Cơ khí - Nhóm Cơ điện tử, Tin học và Điều khiển (MICG)
• NF E 01-010 2008 – AFNOR (tiêu chuẩn Pháp NF E 01-010 Lưu trữ 2016-06-23 trên Wayback Machine)
• XP E 01-013 2009 – AFNOR (tiêu chuẩn Pháp NF E 01-013)
• Cơ điện tử Việt Nam, Mechatronics Vietnam