Nghiên cứu lập trình offline điều khiển quỹ đạo cho robot công nghiệp

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO
TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI
--------------------------------------BùI ĐứC PHƯƠNG

NGHIÊN CứU LậP TRìNH OFFLINE
ĐIềU KHIểN QUỹ ĐạO CHO RÔBốT CÔNG NGHIệP

Chuyên ngành: CƠ ĐIệN Tử

LUậN VĂN THạC Sĩ KHOA HọC
......................................

NGƯờI HƯớNG DẫN KHOA HọC:
1. TS. NGUyễN ĐìNH MN
2. PGS.TS. PHạM VĂN HùNG

Hà Nội 2011


Lun vn Thc s khoa hc

Mục lục
Lời cam đoan.............................................................................................. 6
Danh mục bảng biểu .............................................................................. 7
Danh mục hình vẽ.................................................................................... 8
Danh mục hình vẽ.................................................................................... 8
Lời mở đầu ................................................................................................. 11
Chơng 1: Giới thiệu chung về robot công nghiệp ............. 13
1. Sự ra đời của robot công nghiệp .............................................................. 13
2. Phân loại robot công nghiệp.................................................................... 14
2.1. Phân loại theo số bậc tự do của trờng công tác .............................. 14

2.2. Phân loại theo cấu trúc động học ..................................................... 14
2.2.2. Robot song song (Parallel manipulators) .................................. 16
2.2.3. Robot di chuyển (Mobile Robot) .............................................. 18
2.3. Phân loại theo hệ thống truyền động................................................ 18
2.3.1. Hệ truyền động gián tiếp........................................................... 18
2.3.2. Hệ truyền động trực tiếp............................................................ 18
2.4. Phân loại theo điều khiển ................................................................. 18
2.5. Phân loại theo các đặc điểm hoạt động ............................................ 19
2.6. Phân loại theo ứng dụng ................................................................... 19
2.7. Phân loại theo Theo thế hệ ............................................................... 21
3. ứng dụng robot công nghiệp.................................................................... 22
3.1. Mục tiêu ứng dụng ........................................................................... 22
3.2. Các lĩnh vực ứng dụng...................................................................... 23
Chơng 2: Robot công nghiệp kuka............................................. 25
1. Quá trình phát triển của robot kuka ........................................................ 25
2. Các bộ phận cơ bản và tính năng của hệ thống rô bốt kuka................... 26
2.1 Các bộ phận cơ bản của hệ thống rô bốt Kuka.................................. 26
2.1.1 Tay máy rô bốt ........................................................................... 27

HVTH: Bựi c Phng

2


Lun vn Thc s khoa hc

2.1.2 Khâu dụng cụ ............................................................................. 29
2.1.3 Các nguồn dẫn động và truyền động( động cơ,hộp giảm tốc) ... 30
2.1.4 Các loại cảm biến ....................................................................... 30
2.1.5 Các thiết bị điều khiển rô bốt ..................................................... 30

2.1.6 Giao diện ngời-máy.................................................................. 33
2.1.7 Khối chuyển đổi năng lợng ...................................................... 35
2.2 Vùng làm việc của rô bốt.(Workcell)............................................... 35
3. Các phơng pháp điều khiển rô bốt Kuka ............................................... 37
4. ứng dụng của rô bốt Kuka ....................................................................... 39
5. Giới thiệu về rô bốt kuka Kr 6/2 ............................................................. 42
5.1 Các thông số kỹ thuật của rô bốt:...................................................... 42
5.2 Miền làm việc và các thông số động học robot Kuka ....................... 42
6. động học robot kuka................................................................................ 44
6.1 Các hệ toạ độ và các kiểu chuyển động của robot Kuka KR6/2....... 44
6.1.1 Các hệ toạ độ .............................................................................. 44
6.1.2 Các kiểu chuyển động nội suy của robot ................................... 48
6.2 Động học thuận robot Kuka .............................................................. 48
Chơng 3: Lập trình điều khiển quỹ đạo robot công
nghiệp kuka kr6/2.................................................................................. 52
I. Lập trình dạy điểm ................................................................................... 52
II. Lập trình chạy theo phần mềm- Lập trình Offline ................................. 54
1. Tổng quan về ngôn ngữ lập trình robot công nghiệp Kuka kr6/2 ........... 54
1.1. Giao diện chơng trình..................................................................... 54
1.2. Đờng dẫn- Path................................................................................... 57
1.3. Khái niệm tệp- file ........................................................................... 57
1.4 Cấu trúc tệp ....................................................................................... 58
1.5 Tạo và chỉnh sửa các chơng trình .................................................... 59
1.5.1 Tạo một chơng trình mới.......................................................... 59
1.5.2 Chỉnh sửa, biên dịch và kết nối chơng trình............................. 60
1.6 Thay đổi chơng trình ....................................................................... 61
HVTH: Bựi c Phng

3

Lun vn Thc s khoa hc

1.6.1 Chơng trình chỉnh sửa .............................................................. 62
1.6.2 Chỉnh sửa.................................................................................... 62
1.6.2.2 Block cut (CTRL - X)- cắt ....................................................................... 62
1.6.2.3 Block copy (CTRL - C)- sao chép............................................................ 63
1.6.2.4 Block paste (CTRL - V)- dán ................................................................... 63
1.6.2.5 Block delete- xoá ..................................................................................... 63

1.6.3. Chú thích ................................................................................... 64
1.7 Các chế độ chạy chơng trình........................................................ 65
1.7 Các chế độ chạy chơng trình........................................................ 65
2. Ngôn ngữ lập trình robot kuka- KRL...................................................... 65
2.1. Các quy tắc cơ bản của KRL............................................................ 65
2.1.1. Tên và cách đặt tên.................................................................... 65
2.1.2. Dữ liệu ....................................................................................... 66
2.1.2.1. Kiểu dữ liệu định sẵn .............................................................................. 66
2.1.2.2 Kiểu dữ liệu ngời dùng định nghĩa......................................................... 72

2.1.3. Biến và khai báo biến ................................................................ 76
2.1.3.1 Biến và tên biến........................................................................................ 76
2.1.3.2. Khai báo biến .......................................................................................... 77

2.1.4. Toán tử....................................................................................... 77
2.1.4.1. Toán tử số học......................................................................................... 77
2.1.4.2. Toán tử logic ........................................................................................... 79
2.1.4.3. Toán tử quan hệ....................................................................................... 80
2.1.4.4. Toán tử bit ............................................................................................... 81
2.1.4.5 Toán tử hình học ...................................................................................... 82

2.1.4.6. Thứ tự u tiên các toán tử trong các biểu thức ........................................ 84

2.1.5 Lập trình chuyển động ............................................................... 86
2.1.5.1 Chuyển động PTP (Point to Point) ........................................................... 86
2.1.5.2 Chuyển động CP (Continuous Path)......................................................... 86

2.1.6. Các hàm tiêu chuẩn ................................................................... 87
2.2 Các lệnh điều khiển ........................................................................... 88
2.2.1 LIN- chuyển động theo đờng thẳng ......................................... 88
2.2.1.1 Chuyển động tuyến tính ........................................................................... 88
2.2.1.2 Chuyển động xấp xỉ ................................................................................ 89
HVTH: Bựi c Phng

4


Lun vn Thc s khoa hc

2.2.2 LIN_REL- Chuyển động thẳng theo toạ độ tơng đối............... 91
2.2.3 PTP- Chuyển động điểm tới điểm .............................................. 92
2.2.3.1. Chuyển động tuyến tính PTP .................................................................. 92
2.2.3.2 Chuyển động xấp xỉ PTP.......................................................................... 94

2.2.4 PTP_REL Chuyển động PTP theo toạ độ tơng đối ............... 96
2.2.5 CIRC- Lập trình chuyển động theo vòng tròn............................ 97
2.2.5.1 Chuyển động tuyến tính CIRC ................................................................. 97
2.2.5.2 Chuyển động xấp xỉ CIRC- CIRC và CIRC-LIN ..................................... 99

2.2.6 CIRC_REL- Chuyển động CIRC theo toạ độ tơng đối .......... 101
2.2.7 FOR TO ENDFOR......................................................... 102

2.2.8 GOTO Lệnh nhảy vô điều kiện ............................................. 103
2.2.9 IF THEN ENDIF - Cấu trúc điều kiện ........................... 104
2.2.10 WHILE ENDWHILE........................................................ 105
2.2.11. REPEAT UNTIL............................................................... 106
2.2.12. LOOP ENDLOOP........................................................... 108
2.2.13. SWITCH case ENDSWITCH - Cấu trúc lựa chọn ...... 109
2.2.14 INTERRUPT - Dừng chơng trình ........................................ 110
2.2.15. RESUME- Huỷ bỏ các thủ tục tạm dừng chơng trình......... 114
2.3. Chơng trình con............................................................................ 116
2.3.1. Khai báo .................................................................................. 117
2.3.2. Gọi một chơng trình con hoặc hàm và truyền tham số ......... 120
III. ứng dụng lập trình điều kiển robot Kuka KR6/2................................. 125
IV. Lập trình điều kiển robot Kuka KR/2 gia công phay Logo Hà Nội trên
tấm xốp- lập trình bằng Teach pendant ..................................................... 133
1. Xây dựng chi tiết gia công dới dạng phôi ........................................... 133
2. Xây dựng quỹ đạo lấy mẫu gia công chi tiết......................................... 134
3. Lập trình điều khiển cho rô bốt cắt gọt sản phẩm trong mô hình ......... 134
Kết luận ................................................................................................... 136
TàI LIệU THAM KHảO............................................................................. 138
Phụ lục: Chơng trình gia công lập trình bằng teach pandent ................. 139

HVTH: Bựi c Phng

5


Lun vn Thc s khoa hc

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan bản luận văn với đề tài: Nghiên cứu lập trình offline

điều khiển quỹ đạo cho Rôbốt công nghiệp do tôi tự thực hiện dới sự hớng
dẫn khoa học của PGS. TS Phạm Văn Hùng và TS. Nguyễn Đình Mãn. Các số
liệu và kết quả hoàn toàn trung thực.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu điều đó không đúng sự thật
Học viên thực hiện

Bùi Đức Phơng

HVTH: Bựi c Phng

6


Lun vn Thc s khoa hc

Danh mục bảng biểu
Bảng 2.1 Thông số động học DH .................................................................... 48
Bảng 3.1 Các phép toán quan hệ ..................................................................... 79
Bảng 3.2 Kết quả của các phép toán quan hệ.................................................. 80
Bảng 3.3: Phép toán quan hệ ........................................................................... 80
Bảng 3.4: Các toán tử quan hệ bit.................................................................... 82
Bảng 3.5 Sự kết hợp kiểu dữ liệu với toán tử hình học.................................... 83
Bảng 3.6 Thứ tự u tiên của các toán tử .......................................................... 85
Bảng 3.7 Các hàm toán học tiêu chuẩn ........................................................... 87

HVTH: Bựi c Phng

7

Lun vn Thc s khoa hc

Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Tay máy kiểu tọa độ Đề-các ........................................................... 15
Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ .................................................................. 15
Hình 1.3 Tay máy kiểu tọa độ cầu .................................................................. 16
Hình 1.4 Tay máy kiểu SCARA...................................................................... 16
Hình 1.5 Tay máy kiểu tay ngời.................................................................... 16
Hình 1.6.Robot song song ............................................................................... 17
Hình 1.7.Robot di chuyển ............................................................................... 18
Hình 1.8. Một số loại robot đợc ứng dụng trong thực tế ............................... 20
Hình 1.9: Biểu đồ phân bố robot trong các lĩnh vực ....................................... 23
Hình 1.10: Robot tham gia vào công việc phun sơn trong công nghiệp ........ 24
Hình 1.11: Robot xe lăn điều khiển tự động .................................................. 24
Hình 1.12: Rô bốt tham gia lắp rắp vũ trụ...................................................... 24
Hình 2.1. Các loại rô bốt ................................................................................. 25
Hình 2.2. Các khâu của cánh tay rôbốt Kuka.................................................. 27
Hình 2.3 :Khớp nối các khâu của rôbốt .......................................................... 28
Hình 2.4 : Các loại rôbốt Kuka ...................................................................... 28
Hình 2.5. Hình ảnh về các loại dụng cụ rôbốt Kuka thờng dùng trong thực tế
sản xuất............................................................................................................ 29
Hình 2.6. Mỏ kẹp............................................................................................. 30
Hình 2.7. Động cơ Servo ................................................................................. 30
Hình 2.8: Panel điện tử.................................................................................... 32
Hình 2.9 Các bộ phận bên trong của tủ điều kiển ........................................... 33
Hình 2.10 Giao diện ngời và máy ................................................................. 34
Hình 2.11 Bộ dạy học Teach Pendant ............................................................ 34
Hình 2.12 Robot Kuka tải trọng 360 kg.......................................................... 37
Hình 2.13 Robot hàn ....................................................................................... 40

Hình 2.14. Robot vận chuyển.......................................................................... 41
Hình 2.15 Một số ứng dụng của robot Kuka................................................... 42
HVTH: Bựi c Phng

8


Lun vn Thc s khoa hc

Hình 2.16 Miền làm việc và các thông số động học robot Kuka .................... 43
Hình 2.17: Chiều các trục toạ độ trên rôbốt .................................................... 44
Hình 2.18: Hệ toạ độ gốc cố định ................................................................... 45
Hình 2.19: Hệ tọa độ đề các cố định gốc tại tâm của dụng cụ........................ 45
Hình 2.20: Hệ tọa độ đề các cố định gốc tại phôi ........................................... 46
Hình 2.21 Chuyển đổi giữa các hệ toạ độ ....................................................... 46
Hình 2.22 Các dạng hệ toạ độ Đề các của Robot........................................... 47
Hình 2.23 Tham chiếu giữa các hệ toạ độ của robot Kuka ............................. 47
Hình 2.24: Các kiểu chuyển động nội suy của rôbốt ...................................... 48
Hình 3.1. 3 kiểu điều khiển dịch chuyển......................................................... 53
Hình 3.2 Giao diện chơng trình KRL............................................................ 55
Hình 3.3 Tạo một chơng trình mới trong KRL ............................................. 59
Hình 3.4 Các chế độ chạy của chơng trình ................................................... 65
Hình 3.6 Mảng hai chiều................................................................................. 71
Hình 3.7 Biểu diễn mảng 3 chiều .................................................................... 72
Hình 3.8 Ví dụ về toán tử hình học ................................................................. 84
Hình 3..9 Chuyển động PTP............................................................................ 86
Hình 3.10 Sự thay đổi hớng trong chuyển động theo đờng thẳng.............. 87
Hình 3.11 Kiểu di chuyển xấp xỉ LIN............................................................. 91
Hình 3.12 Chuyển động LIN và LIN_REL..................................................... 92
Hình 3.14 Kiểu di chuyển xấp xỉ PTP............................................................. 96

Hình 3.15 Chuyển động PTP và PTP_REL.................................................... 97
Hình 3.16 Chuyển động CIRC liên quan đến CA .......................................... 98
Hình 3.17 Kiểu di chuyển xấp xỉ CIRC ........................................................ 101
Hình 3.18 Phạm vi hợp lệ cho tạm dừng chơng trình phụ thuộc vào vị trí và
kiểu khai báo ................................................................................................. 112
Hình 3.19 Gọi các chơng trình con trong chơng trình chính .................... 117
Hình 3.20 Sự khác nhau giữa chơng trình con cục bộ, toàn cục, và toàn cục
Global......................................................................................................... 120
Hình 3.21 Sự khác nhau giữa Gọi bởi giá trị và Gọi bởi sự tham khảo.. 122
HVTH: Bựi c Phng

9


Luận văn Thạc sỹ khoa học

H×nh 3.22 Quü ®¹o chuyÓn ®éng cña Robot ................................................. 126
H×nh 3.23 X¸c lËp c¸c ®iÓm trªn quü ®¹o chuyÓn ®éng ............................... 127

HVTH: Bùi Đức Phương

10


Lun vn Thc s khoa hc

Lời mở đầu
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nớc vấn đề tự động
hoá sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.
Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao

năng suất dây truyền công nghệ, nâng cao chất lợng và khả năng cạnh tranh
của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hoá
dặt ra vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hoá sản xuất phải có tính
linh hoạt cao nhằm đáp ứng với sự biến động thờng xuyên của thị trờng
hàng hoá cạnh tranh. Robot công nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu
trong việc tạo ra những hệ thống tự động sản xuất linh hoạt đó.
Do xu thế phát triển của robot công nghiệp trên thế giới, yêu cầu nghiên
cứu và ứng dụng robot công nghiệp ở Việt Nam là rất cần thiết. Để đáp ứng
yêu cầu trên đòi hỏi phải có các công trình nghiên cứu về động học, động lực
học, các vấn đề về điều kiển, lập trình điều kiển và ứng dụng của robot công
nghiệp trong các lĩnh vực phù hợp với thực tế sản xuất.
Trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ khoa học với đề tài Lập trình offline
điều kiển quỹ đạo robot công nghiệp tôi đã nghiên cứu và ứng dụng ngôn ngữ
lập trình điều kiển robot công nghiệp Kuka KR6/2 để lập trình offline điều
kiển quỹ đạo của robot, qua đó chỉ ra đợc điểm mạnh của phơng pháp lập
trình này so với phơng pháp lập trình dạy điểm vẫn đợc sử dụng và sử dụng
nó làm cơ sở để nghiên cứu các ngôn ngữ lập trình điều kiển của các robot
công nghiệp khác.
Dới sự hớng dẫn tận tình của PGS.TS Phạm Văn Hùng với nỗ lực của
bản thân tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ với đề tài Lập trình offline điều
kiển quỹ đạo Robot công nghiệp. Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu khó
tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong đợc các thầy chỉ bảo thêm để luận
văn hoàn thiện hơn.

HVTH: Bựi c Phng

11


Lun vn Thc s khoa hc

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Hùng, các đồng nghiệp,
bạn bè và gia đình đã hớng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành
luận văn này.
Hà Nội, ngày 09 tháng 09 năm 2011
Học viên

Bùi Đức Phơng

HVTH: Bựi c Phng

12


Lun vn Thc s khoa hc

Chơng 1: Giới thiệu chung về robot
công nghiệp
1. Sự ra đời của robot công nghiệp
Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lợng sản phẩm ngày càng yêu cầu
ứng dụng rộng rãi các phơng tiện tự động hóa sản xuất. Xu hớng tạo ra
những dây truyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành.
Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động cứng chỉ đáp ứng một
việc nhất định trong lúc thị trờng luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng
loại, kích cỡ và tính năng,. Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng
robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt.
Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1922 trong tác phẩm
Rossums Universal Robot của nhà văn tiệp khắc có tên là Karel Capek.
Theo tiếng Séc thì Robot là ngời làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật
Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống nh con

ngời để hầu hạ con ngời.
Hơn 20 năm sau, ớc mơ viễn tởng của Karel Capek đã bắt đầu trở
thành hiện thực. Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện
những tay máy chép hình điều kiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật
liệu phóng xạ.
Chiếc robot công nghiệp đầu tiên đợc đa vào ứng dụng đầu tiên là vào
năm 1961 tại một nhà máy ôtô của General Motors tại Trenton, New Jersey
Hoa Kỳ.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ Công
ty AMF của Hoa Kỳ (American Machine and Foundry Company). Đến năm
1990 có hơn 40 công ty của Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ
nh Hitachi, Mitsubishi, đã đa ra thị trờng quốc tế nhiều loại robot nổi
tiếng.
Trong giai đoạn từ những năm 70 đến những năm 90 ở nhiều nớc khác
cũng tiến hành các công trình nghiên cứu tơng tự, tạo ra các robot điều kiển
HVTH: Bựi c Phng

13


Lun vn Thc s khoa hc

bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và thiết bị giao tiếp ngờimáy.
Từ những năm 90 đến nay, do áp dụng rộng rãI các tiến bộ kỹ thuật về
vi xử lý và công nghệ thông tin, số lợng robot công nghiệp đã gia tăng, giá
thành đã giảm đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bớc tiến vợt bậc. Nhờ vậy
robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong dây chuyền sản xuất tự động
hoá hiện đại.
2. Phân loại robot công nghiệp
2.1. Phân loại theo số bậc tự do của trờng công tác

Robot có hai hình thức chuyển động cơ bản làm chuẩn:
- Chuyển động thẳng theo các trục x, y, z trong không gian toạ độ Đềcác với các khớp lăng trụ hay còn gọi là các khớp trợt, ký hiệu là P.
- Chuyển động quay quanh các trục x, y, z, ký hiệu là R.
Tuỳ thuộc vào số bậc tự do và cách tổ hợp P-R, robot sẽ hoạt động trong
các trờng công tác với các hình khối khác nhau. Ví dụ robot có trờng làm
việc hình trụ: RRP, RPP,
Robot cần phải thao tác ngày càng khéo léo, tinh vi trong trờng công
tác của nó. Số bậc tự do của robot là không hạn chế. Tuy nhiên khi số bậc tự
do tăng lên sẽ kéo theo nhiều vấn đề kỹ thuật và kinh tế phải giải quyết. Do đó
việc chọn số bậc tự do và phơng án tổ hợp đề thiết lập không gian làm việc
(trờng công tác) của robot phải đảm bảo tính hợp lý và tính tối u với những
tính năng kỹ thuật xác định của robot.
2.2. Phân loại theo cấu trúc động học
Một robot đợc gọi là robot tuần tự hay robot chuỗi hở nếu cấu trúc
động học của nó có dạng một chuỗi hở, gọi là robot song song nếu cấu trúc
động học của chúng là một chuỗi đóng, và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao
gồm cả hai loại chuỗi hở và chuỗi đóng.
2.2.1. Robot chuỗi (Serial manipulators)
HVTH: Bựi c Phng

14


Lun vn Thc s khoa hc

Đây là dạng phổ biến nhất của robot công nghiệp, nó có thể có dạng
chuỗi hở hay chuỗi hở có vòng kín. Tuỳ theo số lợng và cách bố trí các khớp
(thờng là khớp trụ và khớp quay) mà có thể tạo ra tay máy kiểu tọa độ đề
các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA và kiểu tay ngời (Anthropomorphic).
- Tay máy kiểu tọa độ Đề-các, còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp

trợt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động
thẳng, song song với 3 trục toạ độ. Vùng làm việc của tay máy có dạng hình
hộp chữ nhật. Do sự đơn giản về kết cấu, tay máy kiểu này có độ cứng vững
cao, độ chính xác đợc đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhng
ít khéo léo. Vì vậy, tay máy kiểu đề các hay đợc dùng trong vận chuyển và
lắp ráp.

Hình 1.1. Tay máy kiểu tọa độ Đề-các

Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ

- Tay máy kiểu tọa độ trụ, khác với tay máy kiểu đề các ở khớp đầu tiên:
dùng khớp quay thay cho khớp trợt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ
rỗng. Khớp trợt nằm ngang cho phép tay máy "thò" đợc vào khoang rỗng
nằm ngang. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng,
nhng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với
tăng.
- Tay máy kiểu tọa độ cầu, khác kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trợt)
đợc thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác đợc
mô tả trong toạ độ cầu thì mỗi bậc tự do tơng ứng với một khả năng chuyển
động và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của loại tay
máy này thấp hơn 2 loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với.
Tuy nhiên, loại này có thể nhặt đợc cả các vật ở dới nền.
HVTH: Bựi c Phng

15


Lun vn Thc s khoa hc

- SCARA, đợc đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại trờng đại học
Yamanashi (Nhật Bản), dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một kiểu tay máy
có cấu tạo đặc biệt, gồm 2 khớp quay và 1 khớp trợt, nhng cả 3 khớp đều có
trục song song với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phơng
thẳng đứng nhng kém cứng vững (Compliance) theo phơng đợc chọn
(Selective), là phơng ngang. Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp
(Assembly) với tải trọng nhỏ, theo phơng thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt
của "Selective Compliance Assembly robot Arm" để mô tả các đặc điểm trên.
Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng.

Hình 1.3.

Hình 1.4.

Hình 1.5.

Tay máy kiểu tọa độ cầu

Tay máy kiểu SCARA

Tay máy kiểu tay ngời

- Tay máy kiểu tay ngời (Anthropomorphic), có cả 3 khớp đều là các
khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với 2 trục kia. Do sự tơng tự với
các khớp trên tay ngời, khớp thứ hai đợc gọi là khớp vai (Shoulder joint),
khớp thứ ba là khớp khuỷu (Elbow joint), nối cẳng tay với khuỷu tay. Với kết
cấu này, không có sự tơng ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu
vàsố bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo, nhng độ chính xác định vị
phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay
máy kiểu này gần giống một phần khối cầu.

2.2.2. Robot song song (Parallel manipulators)

HVTH: Bựi c Phng

16


Lun vn Thc s khoa hc

Loại robot song song điển hình thờng có
bàn di chuyển đợc nối với giá cố định bằng một số
nhánh hay chân (Limb or Leg). Do vậy các khâu
chỉ chịu lực kéo hay lực nén, không có chịu uốn.
Thờng số chân chính bằng số bậc tự do và các
chân đợc điều kiển bởi một nguồn phát động đặt
trên giá cố định hoặc ngay trên thân của chân.

Hình 1.6.Robot song song

Robot song song có các u điểm:
- Khả năng chịu tải lớn vì tải trọng đợc chia cho các chân của robot nên tính
ì thấp.
- Tốc độ cao hơn, độ chính xác vị trí cao hơn, cấu trúc nhẹ hơn và giới
hạn về không gian làm việc do có kích thớc truyền qua ít khâu trung gian
hơn. Độ trễ thấp hơn vì các khâu trung gian ít hơn so với các robot chuỗi. Bộ
tay máy nhỏ đặt trên giá của khâu cuối cùng lớn nhng chậm hơn so với tay
máy chuỗi.
- Do có tốc độ cao và chính xác cao nên có thể hoạt động nh một máy
phay. Đây là một ứng dụng rất mới về robot vì nó kết hợp nguyên lý điều kiển
robot với nguyên lý cắt gọt kinh điển vào trong quá trình công nghệ, một điều

mà từ trớc tới nay robot cha hề có.
- Từ các robot song song có thể xây dựng nên nhiều ứng dụng, nh các
mô phỏng ghế lái máy bay (Stewart, 1965), bàn khung lắp ráp (Reinholtz và
Gokhale, 1987), bàn điều kiển dao hay bàn gá vật trên máy phay (Arai và
đồng sự, 1991), các thiết bị định điểm (Gosselin và Hamel, 1994), và các máy
chuyển động có chân bớc (Waldron, 1984). Thời gian gần đây, robot song
song đã đợc phát triển mạnh, ứng dụng trong các trung tâm gia công nhiều
bậc tự do, tốc độ cao và độ chính xác cao.
Hầu hết các robot song song sáu bậc tự do cho đến nay đều có sáu chân.
Nhng nó cũng có nhợc điểm vì gặp phải một số trở ngại nh không gian
làm việc nhỏ, các chân có thể va chạm lẫn nhau và việc thiết kế rất khó khăn.
HVTH: Bựi c Phng

17


Lun vn Thc s khoa hc

Hơn nữa, bài toán động học thuận là một vấn đề khó giải. Có lẽ, các robot
song song sáu chân, sáu bậc tự do với cấu trúc động học đóng đợc công bố
trên các tài liệu nghiên cứu mới chỉ là những dạng đặc biệt của robot StewartGhough Platform tổng quát. Trong những dạng đặc biệt này, các thành phần
của khớp cầu đồng tâm vẫn còn tơng đối khó khăn trong việc chế tạo.
2.2.3. Robot di chuyển (Mobile Robot)
Nói một cách đơn giản, robot di chuyển
là ô tô hay xe đạp với các bánh lái có hai bậc
tự do: tiến, lùi và quay của bánh, bậc thứ hai là
dẫn động các bánh (nh các xe lăn điện).
Robot này hiện nay đợc dùng trong chuyên
chở vật liệu trong nhà máy rộng, trong các

Hình 1.7.Robot di chuyển

bệnh viện, văn phòng cần chuyển giấy tờ,
2.3. Phân loại theo hệ thống truyền động
2.3.1. Hệ truyền động gián tiếp
Các cơ cấu chấp hành nối với nguồn động lực thông qua các bộ truyền,
các kết cấu truyền động cơ khí thờng gặp trong thực tế nh hệ bánh răng
thờng, hệ bánh răng hành tinh, hệ bánh răng sóng, dây đai, bộ truyền xích,
hay là bộ truyền vít-đai ốc,Nhợc điểm của hệ này là bị mòn, tạo khe hở
động học dẫn đến tính phi tuyến và hiệu ứng trễ ngày càng cao hơn. Mặt khác
hiệu suất truyền động sẽ giảm do tiêu hao công suất trên bộ truyền.
2.3.2. Hệ truyền động trực tiếp
Các cơ cấu chấp hành đợc nối trực tiếp với nguồn động lực, do đó kết
cấu sẽ gọn nhẹ và hạn chế, loại bỏ đợc các nhợc điểm của truyền động gián
tiếp. Mặt khác, những khó khăn đặt ra là cần thiết kế và chế tạo các động cơ
có số vòng quay thích hợp và cho phép điều kiển vô cấp trên một dải rộng.
Đối với động cơ bớc, cần tiếp tục nâng cao công suất bằng các giải pháp
khác nhau để thích hợp với yêu cầu hoạt động của các cơ cấu chấp hành.
2.4. Phân loại theo điều khiển
HVTH: Bựi c Phng

18


Lun vn Thc s khoa hc

Có 2 kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín.
Điều khiển hở, dùng truyền động bớc (động cơ điện hoặc động cơ thủy
lực, khí nén,... ) mà quãng đờng hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều
khiển. Kiểu điều khiển này đơn giản, nhng đạt độ chính xác thấp.

Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí
để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm
- điểm và điều khiển theo đờng (contour).
Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm
này đến điểm kia theo đờng thẳng với tốc độ cao (không làm việc). Nó chỉ
làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này đợc dùng trên các robot hàn
điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,...
Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ
đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển đợc. Có thể gặp kiểu điều khiển này
trên các robot hàn hồ quang, phun sơn.
2.5. Phân loại theo các đặc điểm hoạt động
Các robot cũng có thể phân loại theo các hoạt động tự nhiên của chúng.
Một cơ cấu gọi là cơ cấu phẳng nếu tất cả các khâu của nó chuyển động trong
một mặt phẳng hay trong các mặt phẳng song song với nhau. Cơ cấu phẳng
chỉ dùng các khớp thấp gọi là liên kết phẳng đó là khớp quay và khớp tịnh
tiến. Các robot phẳng rất hữu dụng cho việc cầm nắm các đối tợng trên một
mặt phẳng. Một cơ cấu mà có các khâu chuyển động trong các mặt bất kì
trong đó có ít nhất hai mặt cắt nhau là cơ cấu không gian. Các cơ cấu này có
độ linh hoạt cao và thờng sử dụng trong robot công nghiệp.
2.6. Phân loại theo ứng dụng
Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot. Ví dụ, có robot công
nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ
trụ, robot dùng trong quân sự,...

HVTH: Bựi c Phng

19


Lun vn Thc s khoa hc

Robot leo cầu thang (General Electric -

Robot song song dùng trong y tế

USA)

Robot chân nhện (Mech. Laboratory-

RB làm việc dới nớc (OCA)

Japan)

Robot hàn

Robot trong dây truyền lắp ráp o tô

Robot trong hệ thống sản xuất linh hoạt

Hình 1.8. Một số loại robot đợc ứng dụng trong thực tế

HVTH: Bựi c Phng

20


Lun vn Thc s khoa hc

Ngoài ra, ngời ta cũng có thể phân loại robot theo phơng pháp lập
trình, theo cấp độ thông minh,

2.7. Phân loại theo Theo thế hệ
Tuỳ theo chủng loại, mức độ điều kiển và khả năng nhận biết thông tin
của robot công nghiệp trên thế giới mà ngời ta phân thành các thế hệ robot
nh sau:
Thế hệ 1: Điều kiển theo chu trình dạng chơng trình cứng, không có
khẳ năng nhận biết thông tin.
Thế hệ 2: Điều kiển theo chu trình dạng chơng trình mềm bớc đầu có
khả năng nhận biết thông tin, từ năm 1972. Bắt đầu thời kỳ các robot thế hệ
thứ hai: robot đợc điều kiển bằng máy tính có các cơ quan cảm xúc là các
cảm biến liên hệ ngợc. Đại diện cho thế hệ này là robot SHAKEY của viện
nghiên cứu STANFORFD. Nó là sự thể hiện tổng hợp của các thành tựu Khoa
học - Kỹ thuật - Công nghệ cơ khí - Điện - Điện tử - Tự động điều kiển -Máy
tính - Tin học.
Trong giai đoạn những năm 80 và 90 với sự phát triển vũ bão của Khoa
học - Kỹ thuật - Công nghệ - Quy mô của sản xuất và nghiên cứu khoa học,
thế giới đã đợc thừa hởng nhiều thành quả của nó, đặc biệt là về máy tính và
tin học làm thay đổi về chất các trang thiết bị, tổ chức điều hành sản xuất và
đời sống nh:
- Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính CAD.
- Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính CAM.
- Hệ thống sản xuất mềm, linh hoạt FMS.
- Sản xuất tích hợp với máy tính CIM.
- Điều hành - Quản lý chất lợng toàn diện.
- Sản xuất không d thừa.
- Sản xuất với chiến lợc toàn cầu.
HVTH: Bựi c Phng

21

Lun vn Thc s khoa hc

Thế hệ 3: Điều kiển theo dạng tinh khôn có khẳ năng nhận biết thông
tin, có một số chức năng nh nghe, nói, nhận biết, phân biệt,giống con
ngời. Đó là các robot có Trình điều kiển thích nghi - Thông minh, robot có
trí khônĐây là robot siêu trí thức.
Thế hệ 4: Robot có tốc độ xử lý, tính toán cao gắn với kỹ thuật siêu cảm
nhận, tạo nên robot có một số thao tác rất nhanh và phức tạp. Ví dụ robot đi
bằng hai chân,
Thế hệ 5: Robot có trang bị máy tính có tốc độ của tia X (X ray).
Những kết quả tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Sản xuất cho đến
những năm 1970 đã dẫn đến sự hình thành khoa học nghiên cứu về robot
(Robotics)
3. ứng dụng robot công nghiệp
3.1. Mục tiêu ứng dụng
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng
suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lợng và khả năng
cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cảI thiện điều kiện lao động. Điều đó xuất
phát từ những u điểm cơ bản của robot đã đúc kết lại qua nhiều năm ứng
dụng robot công nghiệp ở các nớc. Những u điểm đó là:
- Robot có thể thực hiện đợc một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc
hơn ngời thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì
thế robot có thể góp phần nâng cao chất lợng và khả năng cạnh tranh của sản
phẩm. Hơn thế, robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi
với sự thay đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trờng cạnh
tranh.
- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là vì giảm đợc
đáng kể chi phí cho ngời lao động, nhất là ở những nớc có mức tiền lơng
cao. Theo số liệu của Nhật nếu một robot làm việc thay thế cho một ngời thợ
thì tiền mua robot chỉ bằng tiền chi phí cho ngời thợ trong vòng 3 ữ 5 năm.

HVTH: Bựi c Phng

22


Lun vn Thc s khoa hc

- Việc ứng dụng robot có thể làm tăng năng suất dây truyền công nghệ.
Sở dĩ nh vậy là khi tăng nhịp độ khẩn trơng của dây truyền sản xuất mà
không thay thế con ngời bằng các robot công nghiệp thì ngời thợ sẽ không
thể theo kịp hoặc chỉ làm việc đợc trong khoảng thời gian ngắn vì mệt mỏi.
ứng dụng robot công nghiệp có thể cải thiện điều kiện lao động. Đó là
u điểm nổi bật nhất mà ta cần quan tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều
nơi ngời lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trờng rất bụi, ẩm ớt,
nóng nực, thậm chí là môi trờng độc hại (phóng xạ, nhiễm sóng điện từ,
v.v) rất nguy hiểm đến sức khỏe con ngời.
3.2. Các lĩnh vực ứng dụng
Ngày nay, robot đợc sử dụng rộng rãi không chỉ trong công nghiệp mà
trong rất nhiều các lĩnh vực khác của cuộc sống nh nghiên cứu khoa học, vũ
trụ, trong lĩnh vực giải trí, điện ảnh và đặc biệt là trong đời sống hàng ngay
robot cũng ngày càng tham gia nhiều vào các công việc gia đình tại các nớc
phát triển. Tuy nhiên, trong công nghiệp robot vẫn đợc sử dụng nhiều nhất
bởi tính đa năng, linh hoạt và không biết mệt mỏi của nó. Robot đợc sử dụng
thay thế giải phóng con ngời trong các công việc nguy hiểm, nhàm chán,
buồn tẻ và trong môi trờng làm việc ô nhiễm, bẩn.
Nh vậy có thể nói khả năng của robot là vô cùng to lớn, nó có khả năng
thay thế con ngời ở rất nhiều các công việc. Chính vì thế tiềm năng phát triển
của Robot công nghiệp trong tơng lai còn rất lớn.
Food Production;
1,3

Others; 36,9

Fuel & Chemicals;
12,9
Electronics; 14,

Motor vehicles;
25,2

Metal ; 9,4

Hình 1.9: Biểu đồ phân bố robot trong các lĩnh vực
HVTH: Bựi c Phng

23


Luận văn Thạc sỹ khoa học

D−íi ®©y lµ mét vµi h×nh ¶nh thÓ hiÖn kh¶ n¨ng cña robot:

H×nh 1.10: Robot tham gia vµo c«ng viÖc phun s¬n trong c«ng nghiÖp

H×nh 1.11: Robot xe l¨n ®iÒu khiÓn tù

H×nh 1.12: R« bèt tham gia l¾p r¾p

®éng

vò trô

HVTH: Bùi Đức Phương

24


Lun vn Thc s khoa hc

Chơng 2: Robot công nghiệp kuka
1. Quá trình phát triển của robot kuka
Rôbốt Kuka là sản phẩm của tập đoàn chuyên chế tạo rôbốt công nghiệp
Kuka của Cộng Hoà Liên Bang Đức. Sau nhiều năm nghiên cứu và chế tạo đến
nay tập đoàn đã cho ra đời nhiều thế hệ rôbốt công nghiệp Kuka với nhiều tính
năng thích hợp cho từng công việc trong mỗi nhà máy. Rôbốt Kuka thuộc loại
rôbốt nối tiếp gồm nhiều khâu nối tiếp với nhau bằng các khớp quay.
Wall mounting:

4
4
4
4
4

(V)KR 6/2
(V)KR 15/2
(V)KR 30/2
(V)KR
30L15/2
(V)KR 125
W/2

Ceiling mounting:

4
4
4
4
4
4
4
4

Floor mounting:

4
4
4
4
4
4
4

(V)KR 6/2
(V)KR 15/2
(V)KR 15 L2/2
(V)KR 30/2
(V)KR 30
L15/2
(V)KR 45/2
(V)KR 125/2

(V)KR 6/2
(V)KR 15/2
(V)KR 15 L2/2
(V)KR 30/2
(V)KR 30 L15/2
(V)KR 45/2
(V)KR 125/2

Hình 2.1. Các loại rô bốt
Rôbốt Kuka đợc bắt đầu chế tạo và đa ra thị trờng vào năm 1990,
tuy nhiên trong giai đoạn ban đầu này Kuka đợc chế tạo với kết cấu phức tạp
kồng kềnh khối lợng lớn mà tải trọng không lớn. Theo thời gian, các thế hệ
rôbốt Kuka tiếp theo ra đời với kích thớc nhỏ hơn đồng thời tải trọng cao
hơn. Khả năng làm việc của rôbôt cũng trở lên đa dạng, không gian làm việc
rộng và linh động hơn.

HVTH: Bựi c Phng

25