TÌM HIỂU VỀ ROBOT KUKA KR62

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP
====o0o====

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
Học phần: Kỹ thuật robot
ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU VỀ ROBOT KUKA KR6/2

Giảng viên hướng dẫn

: TS. Nguyễn Mạnh Tiến

Nhóm sinh viên thực hiện
Trần Quang Khải

20152004

Nguyễn Minh Đức

20151038

Ngô Thiên Phú

20152845

Hà Nội, Ngày 13 Tháng 05 Năm 2019

Mục lục

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................1
Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ROBOT.............................................................2
1.1 Sự ra đời của robot....................................................................................2
1.2 Phân loại robot..........................................................................................2
1.2.1 Phân loại theo số bậc tự do.................................................................2
1.2.2 Phân loại theo cấu trúc động học........................................................3
1.3 Tay máy (Manipulator).............................................................................6
1.4 Một số robot chuỗi hở thường gặp............................................................6
1.4.1 Tay máy tọa độ vng góc (Cartesian robot/ Gantry robot)...............6
1.4.2 Tay máy tọa độ trụ (Cylindrical robot)...............................................7
1.4.3 Tay máy tọa độ cầu (Spherical/Polar robot).......................................8
1.4.4 Tay máy toàn khớp bản lề..................................................................9
1.4.5 Ứng dụng của robot............................................................................9
1.5 Về robot KUKA......................................................................................10
1.5.1 Tổng quan về robot của hãng KUKA...............................................10
1.5.2 Robot KUKA KR6/2........................................................................12
Chương 2 : TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC ROBOT KUKA KR6/2 6 BẬC TỰ DO
..................................................................................................................................... 15
2.1 Tính tốn động học robot KUKA 6 bậc tự do.........................................15
2.1.1 Phân tích bài tốn động học.............................................................15
2.1.2 Bài toán động học thuận...................................................................17
2.1.3 Bài toán động học ngược..................................................................23
Chương 3 Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2................................28


Mục lục

3.1 Mở đầu....................................................................................................28
3.2 Bộ điều khiển..........................................................................................29
3.3 Bảng Điều khiển.....................................................................................36
3.4 Phần mềm lập trình.................................................................................42
3.4.1 Các phương pháp lập trình Robot KUKA........................................42
3.4.2 Lập trình dạy điểm...........................................................................43
3.4.3 Lập trình điều khiển theo phần mềm offline....................................45
KẾT LUẬN......................................................................................................49


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. IRB660-palletiser của hãng ABB Robotics.........................................4
Hình 1.2. ABB’s IRB340 palletising robot.........................................................5
Hình 1.3. Tay máy tọa độ vng góc (Cartesian Robot).....................................7
Hình 1.4. Tay máy tọa độ trụ (Cylinderical Robot).............................................8
Hình 1.5. Tay máy tọa độ cầu (Polar Robot).......................................................8
Hình 1.6. Robot SCARA....................................................................................9
Hình 1.7. Robot KUKA KR 6/2 và 15/2 của KUKA Robotics.........................10
Hình 1.8. Một khoang làm việc của robot

hãng KUKA đang thao tác với

các thùng đồ uống........................................................................................................11
Hình 1.9. KUKA KR 1000 – robot khỏe nhất thế giới của KUKA...................12
Hình 1.10. Robot KUKA KR6/2.......................................................................13
Hình 1.11. Tải trọng của Robot KUKA KR6/2.................................................14
Hình 2.1. Các khớp của robot KUKA...............................................................15
Hình 2.2. Các khớp của robot KUKA...............................................................18

Hình 2.3. Các khung tọa độ đặt trên robot KUKA KR6/2................................19
Hình 2.4. Hình chiếu bằng của cánh tay............................................................24
Hình 2.5. Hình chiếu vng góc với mặt phẳng cánh tay.................................25
Hình 3.1. Hệ thống điều khiển của Robot KUKA.............................................28
Hình 3.2. Hệ thống Robot KUKA trong dây chuyền sản xuất..........................29
Hình 3.3. Nguyên lý điều khiển Robot KUKA.................................................31
Hình 3.4. Bộ điều khiển KUKA KR C4............................................................34
Hình 3.5. Cấu tạo của Control box....................................................................34

i


Danh mục hình vẽ
Hình 3.6. Cấu tạo của Drive box.......................................................................35
Hình 3.7. Bảng điều khiển................................................................................36
Hình 3.8. Màn hình HMI của bảng điều khiển..................................................38
Hình 3.9. Thanh trạng thái................................................................................39
Hình 3.10. Hệ tọa độ.........................................................................................40
Hình 3.11. Tham chiếu giữa các hệ tọa độ robot KUKA..................................41
Hình 3.12. Phần mềm KUKA SimPro..............................................................45
Hình 3.13. Giao diện phần mềm lập trình.........................................................47

i


Danh mục bảng biểu

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bảng giới hạn chuyển động các khớp của robot KUKA...................16
Bảng 2.2. Bảng thông số D-H...........................................................................20

ii



Lời nói đầu

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay robot đã được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực như sản
xuất, công nghiệp, công nghệ cao như vũ trụ, hàng không, giao thông vận tải…
Các nước phát triển đã xuất hiện xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị
tự động có tính linh hoạt cao và xu hướng này đã đạt được khá nhiều kết quả
khả quan. Chính vì thế việc nghiên, ứng dụng và phát triển các hệ thống sản
xuất tự động linh hoạt ngày càng trở nên cấp thiết, nhất là các loại robot. Robot
công nghiệp có cấu trúc động học nối tiếp tuy đã được nghiên cứu và phát triển
mạnh song những tính tốn và ứng dụng của nó ln ln là một lĩnh vực rất
phong phú, đa dạng và đây cũng là loại robot thơng dụng nhất hiện nay. Trong
đó có KUKA KR - một loại tay máy 6 bậc tự do hoạt động rất linh hoạt, được
ứng dụng nhiều lĩnh vực sản xuất và trong công nghiệp. Trong đồ án này sẽ
nghiên cứu loại robot này về các phần động học, động lực học, miền làm việc
cũng như phần mơ phỏng lập trình sử dụng các phần mềm hỗ trợ.

1


Chương 1: Tổng quan về Robot

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 Sự ra đời của robot

Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm
“Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là
người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai của ông
đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người.
Hơn 20 năm sau, ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất
hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phịng thí nghiệm về
vật liệu phóng xạ.
Chiếc robot cơng nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961 ở một
nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kì.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot cơng nghiệp đầu tiên từ cơng ty
AMF của Hoa Kì (American Machine and Foundry Company). Đến năm 1990
đã có hơn 40 cơng ty Nhật Bản, trong đó có những cơng ty khổng lồ như
Hitachi và Mitsubishi đã đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng. Cho đến
nay, công nghệ chế tạo robot đã phát triển mạnh và được ứng dụng nhiều trong
đời sống và sản xuất.

1.2 Phân loại robot
1.2.1 Phân loại theo số bậc tự do

Robot có 2 loại chuyển động cơ bản làm chuẩn :
Chuyển động thẳng theo các trục X, Y, Z trong không gian Đề-các với các
khớp lăng trụ hay khớp trượt, kí hiệu là P hoặc T.
Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu là R
Tùy số BTD và và cách tổ hợp T-R, robot sẽ hoạt động trong trường cơng tác
với các hình khối khác nhau. Ví dụ: Robot có trường làm việc là hình trụ như
RRT, RTT…
2


Chương 1: Tổng quan về Robot

1.2.2 Phân loại theo cấu trúc động học

Một phương pháp phân loại Robot chính là phân loại theo câu trúc hình học
của chúng.
Một robot được gọi là robot chuỗi hở (robot tuần tự - serial robot) nếu cấu
trục động học của chúng có dạng một chuỗi động hở; gọi là robot song song (parallel
robot) nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi đóng; và gọi là robot hỗn
hợp nếu nó bao gồm cả 2 loại này.
Robot chuỗi hở (robot nối tiếp – Serial Manipulators)
Đây là dạng phổ biến nhất của robot công nghiệp. Thường có dạng cấu trúc
giống cánh tay người, là một chuỗi các khâu rắn liên kết với nhau bằng các
khớp (joints) có dạng như vai, khuỷu tay và cổ tay. Robot này có ưu điểm chính
là vùng làm việc (workspace) rộng và linh động. Dưới đây ta đưa ra các bộ
phận chính của một robot cơng nghiệp:
-

Cấu trúc cơ khí gồm các khâu (links) và khớp (joints)

-

Cơ cấu chấp hành (actuators) tác động tại các khớp làm tay máy chuyển
động

-

Cảm biến (sensors) dùng để đo lường các trạng thái của tay máy (cảm biến
trong) và trạng thái môi trường (cảm biến ngồi) nếu cần

-

Một hệ thống điều khiển (có cả máy tính) để điều khiển và giám sát chuyển
động của tay máy.

3


Chương 1: Tổng quan về Robot

Hình 1.1.1.a.1.1.1. IRB660-palletiser của hãng ABB Robotics.
Nhược điểm:
-

Đặc điểm cố hữu là độ cứng vững thấp để tạo một cấu trúc động học.

-

Sai số tích lũy được khuếch đại từ khâu trước sang khâu sau.

-

Do phải mang và chuyển động cùng các bộ dẫn động (thường là các động
cơ) có khối lượng lớn nên tốc độ nên tốc độ làm việc không cao.

-

Khả năng mang tải khơng cao.

- Robot loại này u cầu phải có ít nhất 6 BTD trong không gian ( ứng v ới 6
BTD của đối tượng làm việc) để có thể tiếp cận được đối tượng ở vị trí bất kì
với khả năng định hướng trong miền làm việc của nó. Chính vì vậy chủ yếu là

robot có 6 khớp, như các loại robot Stanford (RRTRRR), KUKA (6R), Elbow
(6R), Puma (6R) …với ứng dụng chính trong cơng nghiệp hiện nay là lắp ráp,
vận chuyển phơi và sản phẩm trong q trình sản xuất.
Robot song song (Parallel Manipulator)
Loại robot song song điển hình thường có bàn chân di chuyển được nối với
giá cố định bằng một số nhánh hay chân. Do vậy, các khâu chỉ chịu lực kéo
hoặc lực nén, không phải chịu uốn. Thường số chân chính bằng số BTD, các
chân được điều khiển bằng một nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay
trên thân của chân.
Ưu điểm:
4


Chương 1: Tổng quan về Robot
-

Khả năng chịu tải lớn vì tải trọng được chia cho các chân

-

Tốc độ cao hơn và chính xác hơn, cấu trúc gọn nhẹ hơn

-

Do tốc độ cao và chính xác cao nên có thể hoạt động nh ư m ột máy phay,
ngày nay đã được áp dụng vào việc phay các bề mặt gia cơng cần độ chính
xác

cao,

năng suất.
-

Nhiều ứng dụng: Mơ phỏng tạo song, ghế lái máy bay (Steward, 1965), bàn
khung lắp ráp (Reinholtz và Gokhale,1987), bàn điều khiển dao, gá của máy
phay (Arai, 1991), các thiết bị định điểm (Gosselin và Hamel, 1994), các
máy chuyển động có chân bước (Waldron,1984).

Hình 1.1.1.a.1.1.2. ABB’s IRB340 palletising robot
Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm vì gặp phải một số trở ngại như
khơng gian làm việc nhỏ, các chân có thể va chạm lẫn nhau cũng như việc thiết kế rất
khó khăn.
Robot di chuyển (Mobile Robot)
Đơn giản như loại ôtô, xe đạp với các bánh lái có 2 BTD. Hiện nay dùng
trong chuyên chở vật liệu trong nhà may rộng, bệnh viện, văn phòng …
Robot giống người (Humanoid Robot)
Nói một cách đơn giản, robot này có dạng hình dáng con người, 2 chân, 2 tay,
đầu, và dung các cơ cấu đó với chuyển động như các bộ phận của con người.
5


Chương 1: Tổng quan về Robot
Các kiểu phân loại khác như phân loại theo Hệ thống truyền động, theo
Phương pháp điều khiển, theo Đặc điểm hoạt động… tùy các tiêu chí đặt ra mà
robot được phân loại nhằm nêu bật tiêu chí đó.

1.3 Tay máy (Manipulator)
Thuật ngữ “tay máy” và robot trong quan niệm của nhiều nhà chuyên môn
trong lĩnh vực này khơng có sự khác biệt. Để thuận tiện trong trình bày, ở đây
ta hiểu:

Tay máy là một dạng robot có cấu tạo mơ phỏng theo những đặc điểm cấu
tạo cơ bản của cánh tay người. Cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận
và cơ cấu cơ khí được thiết kế để hình thành các khối có chuyển động tương đối
nhau, được gọi là các khâu động. Trong đó phần liên kết giữa các khâu động
được gọi là các khớp động hay còn gọi là các phần tử thực sự thực hiện các
chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, xylanh dầu ép, xylanh khí
nén ,… Phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động
cuối để thao tác trên đối tượng làm việc – thường là các tay gắp hoặc các đầu
công cụ chuyên dùng.
Tay máy hay có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghiệp thông
thường là một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được kết nối với
nhau nhờ các khớp động. Khâu cuối của tay máy thường có dạng một tay gắp
hoặc được gắn dụng cụ công tác. Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn
động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chung được điều khiển
trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông
báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt
quan tâm là vị trí vận tốc dịch chuyển của khâu cuối – khâu thể hiện kết quả
tổng hợp các chuyển đông của các khâu thành phần.

1.4 Một số robot chuỗi hở thường gặp
1.4.1 Tay máy tọa độ vng góc (Cartesian robot/ Gantry robot)

Robot hoạt động trong hệ tọa độ này được minh họa như hình vẽ gồm ba
chuyển động định vị X, Y, Z theo các trục tọa độ vng góc:
6


Chương 1: Tổng quan về Robot
Loại robot này thích hợp với công việc gắp vật thể và đặt chúng vào vị trí
khác. Các ứng dụng có thể là đóng gói, lắp ráp máy móc, cầm nắm các máy

cơng cụ hoặc hàn theo hình cung. Đối với loại robot này, cánh tay được tạo
thành từ 3 khớp trượt mà trục của chúng trùng với hệ trục tọa độ Đê-các.

Hình 1.1.1.a.1.1.3. Tay máy tọa độ vng góc (Cartesian Robot)
Ưu điểm:
-

Khơng gian làm việc lớn, có thể dài đến 20m

-

Đối với loại gắn trên trần sẽ dành được diện tích sàn lớn cho các công vi ệc
khác

-

Hệ thống điều khiển đơn giản

Hạn chế:
Việc thêm vào các loại cần trục hay các loại thiết b ị vận chuyển v ật li ệu khác
trong không gian làm việc của robot khơng được thích hợp lắm.Việc duy trì v ị trí c ủa
các cơ cấu dẫn động và các thiết bị dẫn động điện đối với loại trên đều gặp nhiều tr ở
ngại.
1.4.2 Tay máy tọa độ trụ (Cylindrical robot)

Trong ba chuyển động chính, robot được trang bị hai chuyển động tịnh tiến
và một chuyển động quay.
Sử dụng trong công nghệ lắp ráp, cầm nắm các máy cơng cụ, hàn điểm. Loại
robot này, trục có dạng hệ tọa độ trụ.

7


Chương 1: Tổng quan về Robot

Hình 1.1.1.a.1.1.4. Tay máy tọa độ trụ (Cylinderical Robot)
Ưu điểm:
-

Có khả năng chuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất

-

Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trống cho sàn

-

Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn

-

Khả năng lặp lại tốt.

Nhược điểm:
Duy nhất là giới hạn tiến về phía trái và phía phải do kết cấu cơ khí và giới hạn
các kích cỡ của cơ cấu tác động theo chiều ngang.
1.4.3 Tay máy tọa độ cầu (Spherical/Polar robot)

Robot loại này được bố trí có ít nhất hai chuyển động quay trong ba chuyển
động

định vị. Dạng robot này là dạng sử dụng điều khiển servo sớm nhất.

8


Chương 1: Tổng quan về Robot
Hình 1.1.1.a.1.1.5. Tay máy tọa độ cầu (Polar Robot)
Được sử dụng để cầm nắm các dụng cụ,hàn điểm, đánh bóng, hàn hơi hoặc hàn
theo cung. Trục của robot tạo thành hệ tọa độ cầu.
1.4.4 Tay máy tồn khớp bản lề

Loại cấu hình dễ thực hiện nhất được ứng dụng cho robot là dạng khớp nối
bảnlề và kế đó là dạng ba trục thẳng, gọi tắt là dạng SCARA (Selective Compliance
Assembly Robot Arm). Dạng này và dạng tọa độ trụ là phổ cập nhất trong ứngdụng
công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất robot sử dụng mộtcách trực tiếp
và dễ dàng các cơ cấu tác động quay như các động cơ điện, động cơ dầu ép, khí nén.
Được sử dụng để gắp nhả vật, đóng gói, lắp ráp hay cầm nắm máy cơng cụ.
Robot có 2 khớp xoay song song với nhau cho phép thao tác trên mặt phẳng.

Hình 1.1.1.a.1.1.6. Robot SCARA
Ưu điểm:
-

Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn,tỉ lệ kích th ước tầm vươn được đánh giá cao.

-

Về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo
phương thẳng đứng là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp
yêu cầu gắp đặt và đặt chi tiết theo phương thẳng. Trong trường hợp này bài

toán tọa độ hoặc quỹ đạo chuyển động đối với robot chỉ cần giải quyết ở hai
phương x và y còn lại bằng cách phối hợp ba chuy ển động quay quanh ba
trục song song với trục z.

9


Chương 1: Tổng quan về Robot
1.4.5 Ứng dụng của robot

Ứng dụng chủ yếu của robot công nghiệp là hàn và lắp ráp. Gần 25% robot
công nghiệp là robot hàn. Các robot lắp ráp chiếm 33% dân số robot trên thế
giới, có mặt nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất xe hơi và đồ điện tử.

1.5 Về robot KUKA
1.5.1 Tổng quan về robot của hãng KUKA

KUKA được thành lập vào năm 1898 tại Augsburg, Đức, tên là Kellerund
Knappich Augsburg. Có công ty mẹ là KUKA Roboter GmbH, đặt tại Augsburg Đức, KUKA Robotics là một trong những nhà sản xuất hang đầu thế giới về robot
công nghiệp với khối lượng hàng năm đạt gần 10.000 con. Dải robot 5 và 6 trục có tải
trọng từ 3kg đến 570 kg và tầm với từ 635mm đến 3700mm, đều được điều khiển từ
một nền tảng bộ điều khiển dựa trên PC; riêng KUKA KR 1000 – robot khỏe nhất thế
giới của KUKA, là loại robot có 6 trục được làm bằng titan. Khả năng nâng của nó lên
đến 1000 kg và tầm với là 3200 mm. Và nó được thiết kế nhắm tới các ứng dụng đặc
biệt nặng. Do vậy, nó rất lý tưởng cho các ngành công nghiệp như sản xuất vật liệu
xây dựng, ôtô và giặt là.

10

Chương 1: Tổng quan về Robot
Hình 1.1.1.a.1.1.7. Robot KUKA KR 6/2 và 15/2 của KUKA Robotics
Robot của KUKA được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, gồm
sản xuất thiết bị gia dụng, sản xuất ô tô, không gian, sản xuất hàng tiêu dùng, chế biến
thực phẩm, dược, y, đúc khuôn, nhựa, và trong nhiều ứng dụng phức hợp khác như vận
chuyển vật, lắp ráp, đóng gói, xếp-dỡ pallet, hàn, uốn, đánh bóng.Thơng tin chi tiết về
tập đồn có tại trang web www.kukarobotics.com.
Vài hình ảnh khác về robot của hãng KUKA:

Hình 1.1.1.a.1.1.8. Một khoang làm việc của robot
hãng KUKA đang thao tác với các thùng đồ uống

11


Chương 1: Tổng quan về Robot

Hình 1.1.1.a.1.1.9. KUKA KR 1000 – robot khỏe nhất thế giới của KUKA
1.5.2 Robot KUKA KR6/2

Tên gọi cho Robot Kuka được ký hiệu như sau:

KR x/y
Trong đó:
-

Chữ KR chính là chữ viết tắt của Kuka industrial Robot.

-

Ký hiệu x chính là con số biểu hiện cho tải trọng chính mà robot có thể tải
được tính bằng đơn vị Kilogam

-

Chữ cái y là con số biểu hiện thế hệ của robot Kuka.

Robot KUKA KR6/2: Đây là loại robot cơng nghiệp Kuka có tải trọng chính 6 kg và
thế hệ của nó là thế hệ thứ 2.

12