Nghiên cứu thiết kế và điều khiển tay máy gắp các thùng carton sắp xếp lên pallet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------

NGUYỄN NGỌC LONG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
TAY MÁY GẮP CÁC THÙNG CARTON SẮP XẾP
LÊN PALLET.
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
Mã số ngành: 60520114

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------

NGUYỄN NGỌC LONG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
TAY MÁY GẮP CÁC THÙNG CARTON SẮP XẾP
LÊN PALLET.
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
Mã số ngành: 60520114
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN DUY ANH
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2015

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN DUY ANH

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
Ngày 7 tháng 8 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

T
TT
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

TS. Nguyễn Thanh Phương

Chủ tịch

PGS.TS.Lê Hữu Sơn

Phản biện 1

TS.Võ Hoàng Duy

Phản biện 2

PGS.TS.Ngô Cao Cường

Ủy viên

TS. Nguyễn Hùng

Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa.

Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : NGUYỄN NGỌC LONG

Giới tính: nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/07/1986

Nơi sinh: BÌNH PHƯỚC

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

MSHV: 1341840016

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY GẮP CÁC THÙNG
CARTON SẮP XẾP LÊN PALLET.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Thiết kế mô hình tay máy gắp sản phẩm.
Tìm hiểu và mô phỏng thuật toán tối ưu việc sắp xếp các thùng carton.
Mô phỏng động học và giải thuật sắp xếp các thùng carton lên pallet.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 25 tháng 8 năm 2014
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10 tháng 7 năm 2015
V- Cán bộ hƣớng dẫn: TS. NGUYỄN DUY ANH

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)


ii

LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô phụ trách giảng dạy hệ cao học Cơ Điện
Tử trường đại học Công Nghệ TP.HCM đặc biệt là TS. Nguyễn Duy Anh, thầy là
giảng viên chính phụ trách việc hướng dẫn giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận
văn của tôi.
Thời gian thực hiện luận văn tuy chỉ trong vài tháng những kiến thức học được là
rất nhiều, rất bổ ích.Tôi sẽ luôn ghi nhớ những kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn mà
thầy đã truyền thụ và lưu giữ những kỷ niệm trong suốt thời gian thực hiện luận văn
này, lấy đó làm nền tảng để tiếp tục phát triển kiến thức và nghề nghiệp của mình
trong tương lai.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2015

Học viên

NGUYỂN NGỌC LONG


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Xuất phát từ nhu cầu thực tế tại nơi làm việc của tôi là tại xưởng sản xuất của
Công Ty TNHH Giải Pháp Tự Động Hóa TECHKING, trong quá trình sản xuất ở tại
khâu đóng thùng thành phẩm, hiện tại chúng tôi đang cần 1 cánh tay robot công nghiệp
để làm nhiệm vụ gắp các thùng carton thành phẩm sắp xếp lên pallet để đưa đi nhập
kho. Trong thực tế sản xuất thì các thùng thành phẩm có trọng lượng 25 kg, sử dụng
sức người để nâng lên và sắp xếp lên các pallet gỗ. Việc này mất nhiều sức lực, đặc
biệt thao tác lao động này dễ làm tổn thương cột sống lưng và năng suất lao động cũng
không cao.
Luận văn trình bày việc nghiên cứu và xây dựng một mô hình cánh tay robot 5
bậc tự do phối hợp hoạt động trong một dây chuyền sản xuất, các thùng carton sau khi
được đóng gói thành phẩm thì đi qua máy dán thùng để dán băng keo, đầu ra của máy
dán thùng là các thùng hàng thành phẩm. Robot có nhiệm vụ gắp các thùng hàng thành
phẩm này sắp xếp lên pallet theo thứ tự các lớp thùng được lập trình sẵn. Vì vậy, mục
tiêu chính của luận văn là nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển quĩ đạo cánh tay robot có
thể thực hiện việc gắp các thùng carton lên pallet theo đúng thứ tự các lớp thùng được
quy định và đưa ra kiểm chứng bằng mô hình thực nghiêm. Ứng dụng của robot có thể
được dùng cho các nghiên cứu lớn hơn sau này khi đó có thể tích hợp để toàn bộ dây
chuyền sản xuất là robot và các máy móc thông minh, vai trò của con người chỉ là thực
hiện việc giám sát trên máy vi tính.

iv

ABSTRACT
I am working for the limited liability automation solutions company Tecking.
Now, at the stage of crating in this company, our need a industrial robot arm to lift up
and arrange the finished cartons to pallets after that this robot will takes its to storage.
In fact, our company are using human power to lift up and arrange the finished
cartons which are 25 kilograms that is takes a lot of strength, expecially it can make
hurt the lumbar spine of labors while the productivity is not high.
My thesis presents the studying and building a model of the five degrees of
freedom arm robot which have coordinate of activities in a production line. The
cartons are packed after that through the machine sealing and become finished goods
at the output. The mission of robot are lifting up the packages and arranging them into
pallet in sequence which is preprogrammed. Therefore, the main objective of this
thesis are studying and designing trajectory controller of robot arm. This arm robot
may lift up the cartons into pallet and arrange them in the order which is
preprogrammed. Be verifiable by empirical model. Application of this robot can be
used for the larger studying. In that time, in the production line may be use all of
robots and intelligent machines while the people just monitor it in computers.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................. i
LỜI CÁM ƠN .................................................................................................................. ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN.................................................................................................. iii
ABSTRACT .................................................................................................................... iv

DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... ix
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1 Tổng quan về robot .......................................................................................................1
1.2 Cấu trúc cơ bản của tay máy công nghiệp .....................................................................5
1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và tổ chức luận văn ........................................................................6
CHƢƠNG 2: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CỦA ROBOT IRB6600 ...................8
2.1 Giới thiệu chương trình RobotStudio: ...........................................................................8
2.2 Các bước lập trình bằng phần mềm RobotStudio ..........................................................9
2.3 Rapid programing .........................................................................................................9
CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH ROBOT 5 BẬC TỰ DO ....................................................... 12
3.1 Tổng quan về robot 5 bậc tự do sử dụng trong luận văn. .............................................12
3.2 Thiết kế tay gắp ..........................................................................................................15
3.3 Sơ lược động học vị trí của robot ................................................................................26
3.4 Thiết kế nạch điện.......................................................................................................34
3.5 Mạch điều khiển .........................................................................................................38
3.6 Giao diện điều khiển ...................................................................................................45

CHƢƠNG 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ROBOT GẮP VẬT .................................47
4.1 Bài toán điều khiển .....................................................................................................47


vi

4.2 Quỹ đạo chuyển động .................................................................................................47
4.3 Hoạch định quỹ đạo ....................................................................................................50
4.4 Phương pháp điều khiển ............................................................................................. 53
4.5 Giải thuật điều khiển...................................................................................................55
CHƢƠNG 5: THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .............................................59
5.1 Giới thiệu ................................................................................................................... 59

5.2 Quá trình thực nghiệm ................................................................................................ 60
5.3 Đánh giá sai số ...........................................................................................................63
5.4 Kết luận ...................................................................................................................... 63
CHƢƠNG 6: TỔNG KẾT VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................ 69
6.1 Đánh giá kết quả đạt được .......................................................................................... 69
6.2 Hướng phát triển của đề tài ......................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 65


vii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Robot hàn trong công nghiệp ............................................................ 1
Hình 1.2: Robot gắp thùng carton lên pallet của hãng ...... ................................ 3
Hình 1.3 : Robot gắp thùng carton lên băng tải của hãng Yaskawa Nhật Bản…4
Hình 1.4: Hệ thống AKB robot do nhóm nghiên cứu của kỹ sư Lê Anh ........... 4
Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản robot công nghiệp. ................. ................................ 4
Hình 2.1: Mô tả các bước lập trình bằng phần mềm RobotStudio .................... 9
Hình 2.2: Cấu trúc chương trình trong RAPID ................ ................................. 9
Hình 2.3: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển của .................................................... 11
Hình 2.4: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển của robot............................................ 11
Hình 3.1: Mô hình thực tế robot sử dụng trong luận văn ................................. 12
Hình 3.2: Kích thước các chi tiết trên mô hình robot. ...................................... 13
Hình 3.3: Sơ đồ động học robot ..................................................................... 13
Hình 3.4: Cánh tay robot trên SolidWork ....................................................... 14
Hình 3.5: Cơ cấu 3 chấu kẹp và 4 chấu kẹp .................................................... 19
Hình 3.6: Cơ cấu tay quay con trượt .............................................................. 19
Hình 3.7: Mô hình cơ cấu gắp phương án 2 và sơ đồ động ............................. 20
Hình 3.8: Minh họa cơ cấu ............................................................................. 20
Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý .............................................................................. 20

Hình 3.10: Tọa độ điểm cần điều khiển .......................................................... 21
Hình 3.11: Kích thước tay gắp ........................................................................ 21
Hình 3.12: Lực kẹp giữ vật không rơi ............................................................. 22
Hình 3.13: Sơ đồ tác động lực của tay gắp ở vị trí kẹp .................................... 23
Hình 3.14: Sơ đồ tác động lực một bên tay gắp ở vị trí kẹp ............................ 24
Hình 3.15: Mô hình cánh tay robot 3D và không gian hoạt động .................... 26
Hình 3.16: Định nghĩa các thông số DH cho khớp và khâu thứ I .................... 28
Hình 3.17: Kết cấu robot khảo sát .................................................................. 28
Hình 3.18: Đặt hệ tọa độ cho các khâu và khớp .............................................. 29
Hình 3.19: Hình ảnh ứng với trạng thái . ........................................................ 34


viii

Hình 3.20: Hình ảnh ứng với trạng thái .......................................................... 35
Hình 3.21: Sơ đồ khối kết nối hệ thống .......................................................... 38
Hình 3.22: Sơ đồ mạch điện vi điều khiển Transmit ........................................ 39
Hình 3.23: Sơ đồ mạch điện vi điều khiển Receive ......................................... 40
Hình 3.24: Sơ đồ giao tiếp RS232 .................................................................. 41
Hình 3.25: Sơ đồ CAN bus ............................................................................. 41
Hình 3.26: Driver DCS3T-25 ......................................................................... 42
Hình 3.27: Sơ đồ mạch kết nối nguồn 24V, động cơ và driver ........................ 43
Hình 3.28: Sơ đồ mạch nguồn cho vi điều khiển và cảm biến tiệm cận ........... 43
Hình 3.29: Mạch 3D được thiết kế băng phần mềm Altium ............................ 44
Hình 3.30: Mạch điều khiển sau khi được chế tạo .......................................... 44
Hình 3.31: Hệ thống mạch điện điều khiển ...................................................... 45
Hình 3.32: Giao diện điều khiển trên máy tính ............................................... 46
Hình 3.33: Lấy giá trị tọa độ các điểm tựa theo quỹ đạo ................................. 47
Hình 3.34: Lấy giá trị tọa độ ra file excel nhờ chương trình xyzPathMac ........ 47
Hình 4.1: Đường biểu diễn vị trí, tốc độ, gia tốc của khớp 1 theo thời gian ..... 53

Hình 4.2: Vòng điều khiển hướng đối tượng ................................................... 55
Hình 4.3: Lưu đồ tổng quát điều khiển cánh tay lắp vật .................................. 57
Hình 4.4: Lưu đồ giải thuật điều khiển trên Transmit khi tiến hành lắp vật ..... 58
Hình 4.5: Lưu đồ giải thuật điều khiển cho Receive khớp tay máy ................. 59
Hình 4.6: Lưu đồ giải thuật điều khiển cho Receive tay gắp ........................... 60
Hình 5.1: Mô hình khối lập phương ............................................................... 61
Hình 5.2: Mô hình robot thực nghiệm ............................................................ 61
Hình 5.3: Ảnh chụp trong quá trình robot gắp khối lập phương. .................... 62
Hình 5.4: Kết quả gắp khối lập phương. ........................................................ 63
Hình 5.5: Kết quả gắp khối lập phương lặp lại 5 lần liên tục. ......................... 64
Hình 5.6: Kết quả sai lệch lắp vật giữa 5 lần là 2,6 mm. .................................. 64


ix

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Thông số các động cơ tại khớp của robot ...................................... 14
Bảng 3.2: Bảng so sánh động cơ bước và động cơ servo ............................... 17
Bảng 3.3: Bảng so sánh các loại động cơ servo ............................................ 18
Bảng 3.4: Bảng thông số D-H ....................................................................... 29
Bảng 3.5: Bảng so sánh các loại giao tiếp ..................................................... 36
Bảng 5.1: Bảng khảo sát .............................................................................. 63


1

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP, ỨNG DỤNG,
MỤC TIÊU, TỔ CHỨC LUẬN VĂN.
1.1 Tổng quan về robot
1.1.1 Giới thiệu sơ lƣợc về robot

Khoa học công nghệ đã và đang từng bước thay đổi cuộc sống của chúng ta,
với sự phát triển không ngừng của khoa học, con người đã và đang biến những điều
không thể thành có thể. Một trong số những phát minh lớn nhất mà chúng ta đã tạo
ra chính là những con Robot. Với những Robot đủ lĩnh vực và kích cỡ, chúng ta có
thể thực hiện được nhiều việc nặng nhọc hơn, tỉ mỉ hơn và nhất là tăng hiệu quả
công việc một cách nhanh chóng.

Hình 1.1: Robot hàn trong công nghiệp.
Ngày nay, ngành công nghiệp chiếm một vai trò rất quan trọng trong nền kinh
tế của mỗi quốc gia. Từ những ngành sản xuất, chế biến lương thực thực phẩm,
nước uống cho đến các ngành công nghệ chế tạo máy, công nghệ chế tạo ôtô, các
ngành công nghệ cao . Tất cả những ngành đó ngày càng phát triển đòi hỏi nhu cầu
về nâng cao năng xuất và chất lượng sản phẩm.


2

Robot công nghiệp có khả năng chương trình hóa linh hoạt trên nhiều trục
chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng . Robot công nghiệp được trang bị
những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định
trong các quá trình công nghệ , trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công
( sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy…) hoặc phục vụ các
quá trình công nghệ ( tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá..) với những thao tác
cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một
hệ thông máy tự động linh hoạt, được gọi là “ Hệ thống tự động linh hoạt hóa” cho
phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi có thay đổi trong nhiệm vụ sản xuất.
Tuy nhiên các định nghĩa về robot cũng rất đa dạng , Robot là một cơ cấu
chuyển đổi tự động có thể chương trình hóa, lặp lại các chương trình, tổng hợp các
chương trình đặt ra trên các trục tọa độ có khả năng định vị, di chuyển các đối
tượng vật chất, chi tiết, dao cụ, gá lắp. Theo những hành trình thay đổi đã chương

trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau (Theo tiêu chuẩn
AFNOR của Pháp). Hoặc Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển
động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trong những
khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi
các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương
trình, chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực
hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp (Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD)
. Hoặc Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển
chương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều
khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người (Theo tiêu chuẩn
GHOST 1980).
Tổng hợp lại thì robot cần có những đặc điểm, có khả năng nhận biết môi
trường xung quanh, tương tác với những vật thể trong môi trường, tự động thực
hiện tác vụ đã lập trình sẵn, có khả năng điều khiển được bằng các lệnh có thể thay
đổi tùy theo yêu cầu người sử dụng đống thời có sự uyển chuyển và khéo léo trong
vận động.


3

1.1.2 Tình hình phát triển Robot công nghiệp trên thế giới và tại Việt Nam
Có thể nói robot làm nhiệm vụ gắp các thùng carton sắp xếp lên pallet được
ứng dụng khá phổ biến trong các dây chuyền sản xuất đóng gói của các nhà máy xí
nghiệp. Chúng đã thay thế toàn bộ các hoạt động cơ bắp của con người trong khâu
sắp xếp thùng carton lên pallet, giúp nâng cao năng suất và hiệu quả trong quá trình
sản xuất công nghiệp.

Hình 1.2 : Robot gắp thùng carton lên pallet của hãng Kawasaki Nhật Bản.

Từ những năm 1960 người Mỹ đã có những nghiên cứu và ứng dụng robot

trong công nghiệp trong đó có ứng dụng robot gắp các thùng carton sắp xếp lên
pallet. Sau đó thì tới các nước châu âu khác như Anh , Đức, Pháp ,Ý, Thụy Điển.
Tại châu á thì từ những năm 1968 người Nhật cũng đã có những nghiên cứu và
ứng dụng robot đầu tiên.
Với sự áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông
tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng với nhiều tính năng vượt bậc. Đến
nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty chuyên sản xuất robot điển hình


4

như: Robots.Pro, Vecna Robotics, Robot Dynamics của Mỹ (với những sản phẩm
nổi tiếng như: robot lấy sách tự động, robot HOAP-3, robot BEAR, robot tự
hành Spirit and Opportunity…). Các công ty Yaskawa ( Motoman), Fanuc, Toyota,
Honda, Hitachi, Kawasaki, shikawajima-Harima, Yasukawa của Nhật (với những
sản phẩm: robot Asimo, robot EMIEW 2, robot Simroid, robot chơi vĩ cầm, robot
phẫu thuật...) và các công ty nỗi tiếng khác của Tây Âu và của Nga . Do đó, ta có
thể thấy rằng việc nghiên cứu và ứng dụng robot công nghiệp nói chung và ứng
dụng robot công nghiệp sắp xếp các thùng carton lên pallet trong các dây chuyền
sản xuất công nghiệp riêng nói là một lĩnh vực rất quan trọng và được các nước
phát triển đặc biệt quan tâm.

Hình 1.3: Robot gắp thùng carton lên băng tải của hãng Yaskawa Nhật Bản.
Còn tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể
trong 25 năm vừa qua. Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản
và nghiên cứu ứng dụng về robot như trung tâm tự động hoá, Đại học Bách Khoa
Hà Nội, Viện Điện tử, Tin học, Tự động hoá thuộc Bộ Công Nghiệp, Đại học Bách
khoa TP.HCM, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự,
Viện Cơ học, Viện công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN.

5

Tuy nhiên thực tế thì các công trình nghiên cứu của chúng ta vẫn chưa thể đưa
ra thương mại hóa trên thị trường, vì về cơ bản các yếu tố trình độ khoa học và công
nghệ chúng ta vẫn đi sau thế giới nhiều thập kỷ. Hiện nay Việt Nam vẫn chưa có
công ty nào nghiên cứu chế tạo và thương mại hóa thành công các robot ứng dụng
trong công nghiệp. Những năm vừa qua thì cũng chỉ ghi nhận những bước đột phá
nhất định trong nghiên cứu và chế tạo mô hình robot tay máy 5 bậc tự do của
nhóm nghiên cứu của kỹ sư Lê Anh Kiệt, giám đốc Công ty cơ khí chế tạo máy
AKB. Anh là người đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu và chế tạo thành công hệ
thống robot loại 5 bậc tự do ứng dụng cho đào tạo tại các trường cao đẳng, đại học.

Hình 1.4: Hệ thống AKB robot do nhóm nghiên cứu của kỹ sư Lê Anh Kiệt chế tạo.
1.2 Cấu trúc cơ bản của tay máy công nghiệp
Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp , chúng hình thành cánh tay
(arm) để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo léo, linh hoạt
và bàn tay (Hand) hoặc phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các
các thao tác trên đối tượng. Dụng cụ thao tác là phần cuối cùng của robot thực hiện


6

tác vụ yêu cầu. Hệ thống dẫn động có thể là cơ khí, thủy khí hoặc điện khí, là bộ
phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch ở các khớp động. Hệ thống cảm biến tín hiệu
thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot (cảm
biến nội tín hiệu) và của môi trường, đối tượng mà robot phục vụ (cảm biến ngoại
tín hiệu). Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ thống điều
khiển sau khi xử lí bằng máy tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của
tay máy. Hệ thống điều khiển là bộ phận quan trọng nhất giúp lập trình toàn bộ

chuyển động của robot có 3 nhiệm vụ chính là nhận dữ liệu từ cảm biến và phân
tích, quyết định chuyển động của robot, giao tiếp với người sử dụng.
Một robot công nghiệp bao gồm các phần cơ bản sau:

Cảm biến
ngoại tín
hiệu

Cảm biến
nội tín
hiệu

Hệ thống
điều
khiển
Máy tính

Hệ thống
dẫn động

Dụng cụ
thao tác

Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản robot công nghiệp
1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và tổ chức luận văn
1.3.1 Mục tiêu của đề tài
Vấn đề cần quan tâm khi nghiên cứu về robot tay máy chính là tối ưu hóa
đường đi của cánh tay robot khi thực hiện các thao tác sản xuất và lựa chọn kết cấu

7

thiết bị phù hợp cùng giải thuật điều khiền để nâng cao tối đa sự chính xác trên từng
thao tác của robot đáp ứng được yêu cầu thực tế đặt ra.
Đề tài chỉ nghiên cứu mô hình robot tay máy cho ứng dụng gắp các thùng
carton sắp xếp lên pallet, xây dựng giải thuật tối ưu hóa đường đi của cánh tay
robot. Xây dựng mô hình toán, mô phỏng đường đi của cánh tay robot, thiết kế mô
hình thực nghiệm.
1.3.2 Nhiệm vụ của đề tài
Thiết kế mô hình cơ khí tay gắp vật cho robot, thiết kế mạch điện điều khiển
mô hình robot, xây dựng giải thuật gắp các thùng carton sắp xếp lên pallet và thực
nghiệm kiểm chứng giải thuật gắp vật.
1.3.3 Tổ chức luận văn
Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp, ứng dụng, mục tiêu, nhiệm vụ,
tổ chức luận văn.
Chương 2: Mô phỏng động học vị trí của robot IRB6600 sử dụng phần mềm
Robot studio của hãng ABB .
Chương 3: Mô hình robot 5DOF sử dụng trong luận văn
Chương 4: Giải thuật điều khiển robot gắp vật
Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả
Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển đề tài


8

CHƢƠNG 2: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CỦA ROBOT IRB6600
SỬ DỤNG PHẦN MỀM ROBOTSTUDIO CỦA HÃNG ABB.
2.1 Giới thiệu chƣơng trình RobotStudio:
RobotStudio là phần mềm lập trình và mô phỏng của hãng ABB, tạo nên môi
trường gần giống với thực tế sản xuất nhất nhờ các tính năng tiên tiến nhằm nâng

cao và tối ưu hiệu quả hoạt động của robot trước khi đưa hệ thống vào sản xuất thực
tế.
Các tính năng nổi bật của phần mềm RobotStudio gồm , CAD Import các dữ
liệu CAD được thiết kế với các phần mềm chuyên dụng như SOLIDWORKS,
CATIA, INVENTOR có thể được IMPORT dễ dàng vào môi trường làm việc trong
RobotStudio. Điều này giúp cho việc lập trình có thể diễn ra chính xác và gần gũi
với thực tế. Auto Path từ dữ liệu CAD của chi tiết cần gia công, tính năng Auto Path
giúp tạo ra đường đi của của Robot một cách chính xác, tính năng Auto Reach sẽ
giúp kiểm tra khả năng với tới mục tiêu hay không để từ đó có thể bố trí không gian
làm việc một cách chính xác và hợp lý nhất. Collision detection phát hiện xung đột
là một đặc tính giúp ngăn chặn các thiệt hại về chi phí đối với thiết bị bằng cách cho
phép người sử dụng lựa chọn các chi tiết nhất định để RobotStudio có thể tự động
giám sát và để ý xem có xung đột hay không khi chạy một chương trình. Robot
Virtual FlexPendant là bản sao đồ hoạ chính xác của FlexPendant “thực tế” và được
hỗ trợ bởi “Virtual Robot”. Về cơ bản, tất cả những gì được thực hiện được bằng
FlexPendant thực tế thì có thể được thực hiện trên “Virtual FlexPendant”, khiến cho
chương trình này trở thành một công cụ giảng dạy và đào tạo tuyệt vời. True
Upload và Download, toàn bộ chương trình robot có thể tải về từ RobotStudio
xuống hệ thống thực tế mà không cần thêm bất cứ sự chuyển đổi nào.
Lợi ích cho quá trình sản xuất thực tế RobotStudio sẽ giúp cho các nhà sản
xuất tiết kiệm thời gian và tiền bạc, giảm rủi ro bằng cách mô phỏng, xác định các
giải pháp và các cách bố trí hợp lý. Lập trình cho các chi tiết mới mà không làm ảnh


9

hưởng tới dây chuyển sản xuất. Tối ưu hóa các chương trình của Robot để nâng cao
năng suất và chất lượng sản phẩm thông qua tạo ra các đường đi chính xác hơn.
2.2 Các bƣớc lập trình bằng phần mềm RobotStudio

Thiết kế
layout sơ
bộ hệ
thống

Xác định
quỹ đạo
chuyển động
của Robot

Lập trình

Mô phỏng

Tối ưu hóa
hệ thống

Hình 2.1: Mô tả các bước lập trình bằng phần mềm RobotStudio
2.3 Rapid programing
RobotStudio sử dụng ngôn ngữ Rapid programing trong lập trình điều khiển
Robot và các thiết bị ngoại vi. Một chương trình thường được xây dựng dựa trên 4
phần , main routine ( chương trình chính), Subroutines/Procedures (chương trình
con/ thủ tục, để chia chương trình ra nhiều phần nhỏ, có thể được gọi từ chương
trình chính hoặc chương trình con khác) Program data (dùng để khai báo vị trí, các
biến số, các hệ trục tọa độ) và System module ( các module hệ thống có sẵn trong
bộ nhớ khi được cài đặt).

Hình 2.2: Cấu trúc chương trình trong RAPID

10

Các Data thông dụng:
Speed data: dùng để thiết lập tốc độ chuyển động
Ví dụ: v5, v10 có TCP (tool center point) lần lượt là: 5 mm/s, 10 mm/s
Robtarget: dùng để xác định 1 vị trí cho Robot
Ví dụ:
CONST robtarget
T1_P1:=[[145,15,110],[0,0,1,0],[0,0,1,1],[9E9,9E9,9E9,9E9,9E9,9E9]];
Tên của target: T1_P1
Tọa độ so với robot base: (x,y,z) = (145,15,110)
Hướng (quaternioner): (q1,q2,q3,q4) = (0,0,1,0)
Cấu hình robot: khớp (1,4,6,x) = (0,0,-1,1)
Tool data: dùng để khai báo đặc tính cho công cụ sẽ sử dụng (tay gắp, băng tải…)
Ví dụ:
PERS tooldata tGun:=[TRUE,[[74,0,107],[0.7,0,0.7,0]],[5,[0,0,1],[1,0,0,0],0,0,0]];
Name of tool: tGun
Robot hold tool: true or false
Position of TCP: (x,y,z)
Orientation of TCP (quaternioner): (q1,q2,q3,q4)
Các Instruction thông dụng : MoveL, MoveJ, MoveC ( là các lệnh yêu cầu
robot chuyển động linear, joint hoặc circular tương ứng). Set ( thiết lập giá trị cho
I/O) WaitTime (delay một khoảng thời gian tính bằng giây).


11

Hình 2.3: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển của robot bằng phần mềm RobotStudio.

Hình 2.4: Mô phỏng quỹ đạo di chuyển của robot xếp thùng carton lên pallet bằng

phần mềm RobotStudio.


12

CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH ROBOT 5 BẬC TỰ DO ĐƢỢC SỬ DỤNG
TRONG LUẬN VĂN.
3.1 Tổng quan về robot 5 bậc tự do sử dụng trong luận văn.
Robot được sử dụng trong luận văn là cánh tay robot 5 bậc tự do gồm 5 khớp
xoay được thiết kế sẵn. Robot bao gồm phần tay máy được thiết kế với 3 bậc tự do
và phần cổ tay được thiết kế với 2 bậc tự do. Do được thiết kế như vậy, vị trí x, y, z
của end-effector sẽ được quyết định bởi 3 khớp xoay đầu tiên, 2 khớp xoay còn lại
sẽ điều khiển hướng của end-effector.

Hình 3.1: Mô hình thực tế robot sử dụng trong luận văn.