Nghiên cứu tích hợp robot công nghiệp trong hệ thống sản xuất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----

LÊ GIANG NAM

NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP RƠ BỐT CƠNG NGHIỆP
TRONG HỆ THỐNG SẢN XUẤT
Chuyên ngành: Cơ điện tử

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS Phạm Văn Hùng
2. TS. Lê Giang Nam

Hà Nội – 2011


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA ................................................................................................ 2
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 5
T
8
2

28T

DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 6

T
8
2

28T

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................................... 7
T
8
2

T
8
2

PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................. 10
T
8
2

28T

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP ............................ 12
T
8
2

1.1. Lịch sử ra đời và phát triển của Rô bốt. ...................................................... 12
T
8

2

T
8
2

1.2. Hướng phát triển của Rô bốt trong tương lai.............................................. 14
T
8
2

T
8
2

1.3. Phân loại rô bốt công nghiệp ........................................................................ 16
T
8
2

T
8
2

1.3.1. Phân loại Rô bốt theo số bậc tự do trong trường công tác ......................... 17
T
8
2

T

8
2

1.3.2. Phân loại Rô bốt theo thế hệ ..................................................................... 19
T
8
2

T
8
2

1.3.3. Phân loại theo bộ điều khiển..................................................................... 22
T
8
2

T
8
2

1.3.4. Phân loại rô bốt theo nguồn dẫn động....................................................... 22
T
8
2

T
8
2

1.4. Kết luận ......................................................................................................... 23
T
8
2

28T

CHƯƠNG 2: RÔBÔT KUKA & PHẦN MỀM SIM LAYOUT ........................ 24
T
8
2

2.1. Giới thiệu về Rô bôt Kuka............................................................................ 24
T
8
2

T
8
2

2.1.1. Q trình phát triển của Rơbơt Kuka ........................................................ 24
T
8
2

T
8
2

2.1.2. Các bộ phận cơ bản và tính năng của hệ thống rô bốt Kuka ...................... 29
T
8
2

T
8
2

2.1.2.1. Các bộ phận cơ bản của hệ thống rô bốt Kuka................................... 29
T
8
2

T
8
2

2.1.2.2. Các thông số kỹ thuật của Rôbôt Kuka .............................................. 44
T
8
2

T
8
2

2.1.2.3. Ứng dụng của rô bốt kuka.................................................................. 47
T
8

2

T
8
2

2.2. Giới thiệu về phần mềm Simlayout .............................................................. 50
T
8
2

T
8
2

2.2.1. Các thành phần cơ bản trong phần mềm Simlayout .................................. 50
T
8
2

T
8
2

2.2.2 Cách xây dựng và tích hợp các phần tử của hệ thống bằng phần mềm Kuka
T
8
2

Simlayout........................................................................................................... 52

28T

2.2.3. Phương pháp điều khiển hoạt động của rô bốt. ......................................... 57
T
8
2

T
8
2

2.3. Kết luận ......................................................................................................... 63
T
8
2

28T

Hv: Lê Giang Nam

2

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP............. 64
T
8
2

3.1. Giới thiệu chung về lập trình điều khiển rơ bốt .......................................... 64
T
8
2

T
8
2

3.1.1. Các dạng lập trình điều khiển rơ bốt cơng nghiệp ..................................... 64
T
8
2

T
8
2

3.1.1.1. Lập trình kiểu dạy học (Online) ......................................................... 64
T
8
2

T
8
2

3.1.1.2. Lập trình điều khiển thơng qua máy tính (Offline).............................. 65
T

8
2

T
8
2

3.1.1.3. Lập trình điều khiển rô bốt theo nhiệm vụ .......................................... 66
T
8
2

T
8
2

3.1.1.4. Các dạng lập trình điều khiển rơ bốt khác ......................................... 67
T
8
2

T
8
2

3.2. Phương pháp sử dụng Teach Pendant lập trình điều khiển rô bốt kuka ... 67
T
8
2

T
8
2

3.2.1. Giới thiệu về Teach Pendant..................................................................... 67
T
8
2

T
8
2

3.2.1.1. Các thành phần cơ bản của bảng điều khiển Teach pendant .............. 68
T
8
2

T
8
2

3.2.1.2. Các kiểu chuyển động chính của rô bốt Kuka được dạy học bằng Teach
T
8
2

pendant. ......................................................................................................... 74
28T

3.2.2. Lập trình điều khiển rơ bốt Kuka bằng Teach pendant .............................. 75
T
8
2

T
8
2

3.2.2.1. Khởi động chương trình Teach pendant ............................................. 75
T
8
2

T
8
2

3.2.2.2. Tạo một chương trình điều khiển rơ bốt ............................................. 77
T
8
2

T
8
2

3.2.2.3. Lập trình một chương trình hoạt động cho rơ bốt .............................. 78
T
8

2

T
8
2

3.3. Kết luận. ........................................................................................................ 87
T
8
2

28T

CHƯƠNG 4: TÍCH HỢP RƠ BỐT CÔNG NGHIỆP KUKA TRONG HỆ
T
8
2

THỐNG SẢN XUẤT VÀ LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ....................................... 88
4.1. Mơ phỏng trong sản xuất hiện đại và trong kĩ thuật rô bốt........................ 88
T
8
2

T
8
2

4.1.1. Mô phỏng là gì ......................................................................................... 88
T

8
2

28T

4.1.2. Tại sao phải sử dụng mô phỏng trong kĩ thuật .......................................... 89
T
8
2

T
8
2

4.1.3. Mô phỏng trong kĩ thuật rơ bốt cơng nghiệp ............................................. 90
T
8
2

T
8
2

4.2. Tích hợp rô bốt công nghiệp Kuka với các hệ thống sản xuất và lập trình
T
8
2

mơ phỏng.............................................................................................................. 91
28T

4.2.1. Tích hợp rơ bốt Kuka trong hệ thống hàn khung ô tô. ............................... 91
T
8
2

T
8
2

4.2.1.1. Phân tích hệ thống sản xuất ............................................................... 91
T
8
2

T
8
2

4.2.1.2. Mơ hình và sơ đồ khối hoạt động của hệ thống. ................................. 91
T
8
2

T
8
2

4.2.1.3. Tích hợp và ghép nối rơ bốt Kuka trong mơ hình 3D. ........................ 93
T

8
2

Hv: Lê Giang Nam

T
8
2

3

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
4.2.1.4. Kết luận ............................................................................................ 97
T
8
2

28T

4.2.2. Tích hợp rơ bốt Kuka trong hệ thống dây chuyền vận chuyển thức ăn chăn
T
8
2

ni.................................................................................................................... 98
28T

4.2.2.1. Phân tích hiệu quả của hệ thống sản xuất. ......................................... 98
T
8
2

T
8
2

4.2.2.2. Mơ hình và sơ đồ khối hoạt động của hệ thống. ................................. 98
T
8
2

T
8
2

4.2.2.3. Tích hợp và ghép nối rơ bốt Kuka trong mơ hình 3D. ...................... 100
T
8
2

T
8
2

4.2.2.4. Kết luận ........................................................................................... 106
T
8

2

28T

4.2.3. Tích hợp rơ bốt Kuka trong hệ thống vận chuyển kính. .......................... 106
T
8
2

T
8
2

4.2.3.1. Phân tích hệ thống sản xuất. ............................................................ 106
T
8
2

T
8
2

4.2.3.2. Mơ hình và sơ đồ khối hoạt động của hệ thống ................................ 107
T
8
2

T
8
2

4.2.3.3. Tích hợp và ghép nối rơ bốt Kuka trong mơ hình 3D. ...................... 109
T
8
2

T
8
2

4.2.3.4. Kết luận ........................................................................................... 112
T
8
2

28T

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................. 114
T
8
2

T
8
2

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 115
T
8
2

28T

PHỤ LỤC ........................................................................................................... 116
T
8
2

28T

Hv: Lê Giang Nam

4

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn với đề tài: “Nghiên cứu tích hợp rô bốt công
nghiệp trong hệ thống sản xuất” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy
giáo PGS. TS Phạm Văn Hùng, TS. Lê Giang Nam Các số liệu và kết quả hoàn
toàn trung thực.
Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối sách, tôi đảm bảo rằng khơng sao
chép các cơng trình của người khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam
đoan trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm.
Học viên thực hiện
Lê Giang Nam

Hv: Lê Giang Nam

5

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
DANH MỤC CÁC BẢNG
1. Bảng 1.1 : Số lượng rô bốt được sử dụng ở các nước.
2. Bảng 2.1 : Thơng số góc quay các khớp của rô bốt Kuka KR 6/2.
3. Bảng 2.2 : Các thông số động học của rô bốt Kuka KR 6/2.

Hv: Lê Giang Nam

6

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
1.

Hình 1.1

: Mơ hình sử dụng rơ bốt trong cơng nghiệp.

2.

Hình 1.2

: Rơ bốt tham gia vào cơng việc phun sơn trong cơng nghiệp.

3.

Hình 1.3

: Rơ bốt xe lăn điều khiển tự động.

4.

Hình 1.4

: Rơ bốt tham gia lắp rắpvũ trụ.

5.

Hình 1.5

: Sơ đồ động học của rơ bốt tọa độ vng góc.

6.

Hình 1.6

: Sơ đồ động học của rơ bốt tọa độ trụ.

7.

Hình 2.1

: Biểu đồ phát triển của Rơ bốt Kuka.

8.

Hình 2.2

: Câc chủng loại rơ bốt và tải trọng của Rơ bốt Kuka.

9.

Hình 2.3

: Rơ bốt trượt trên băng tải.

10. Hình 2.4

: Rơ bốt trượt treo trên dầm.

11. Hình 2.5

: Sơ đồ bố trí tọa độ các thơng số động học của rơ bốt Kuka.

12. Hình 2.6

: Các trục toạ độ trên cánh tay rơ bốt.

13. Hình 2.7

: Sơ đồ khảo sát rơ bốt Kuka.

14. Hình 2.8

: Các khâu của cánh tay rơ bốt Kuka.

15. Hình 2.9

: Khớp nối các khâu của rơ bốt.

16. Hình 2.10

: Một số hình ảnh về các cơng đoạn lắp ráp rơ bốt.

17. Hình 2.11

: Các loại rơ bốt Kuka.

18. Hình 2.12

: Truyền động dùng khí nén.

19. Hình 2.13

: Động cơ servo.

20. Hình 2.14

: Một số loại tay gắp của rơ bốt.

21. Hình 2.15

: Sơ đồ hệ thống khí nén điều chỉnh các ngón tay của tay kẹp.

22. Hình 2.16

: Các trạng thái mỏ kẹp.

23. Hình 2.17

: Hệ thống Rơ bốt sử dụng cảm biến hình ảnh (Camera).

24. Hình 2.18

: Cấu trúc điều khiển của rơ bốt.

25. Hình 2.19

: Tủ điều khiển với bộ phận PC.

26. Hình 2.20

: Tủ điều khiển và các BUS.

27. Hình 2.21

: Điều khiển rơ bốt với thiết bị camera.

Hv: Lê Giang Nam

7

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
28. Hình 2.22

: KUKA Control Panel (KCP).

29. Hình 2.23

: Rơ bốt KR150/2.

30. Hình 2.24

: Các trục tọa độ trên rơ bốt Kuka.

31. Hình 2.25

: Rơbơt hàn.

32. Hình 2.26

: Rơ bốt gắp bao thức ăn chăn ni.

33. Hình 2.27

: Rơ bốt lắp ráp.

34. Hình 2.28

: Rơ bốt cắt kim loại.

35. Hình 2.29

: Rơ bốt hàn các thiết bị.

36. Hình 2.30

: Rơ bốt nâng tải.

37. Hình 2.31

: Rơ bốt vận chuyển phơi.

38. Hình 2.32

: Rơ bốt trong phân xưởng đúc.

39. Hình 2.33

: Giao diện phần mềm Sim Layout.

40. Hình 3.1

: Bảng điều khiển teach pendant

41. Hình 3.2

: Bảng hệ thống chữ cái ASCII

42. Hình 3.3

: Khóa điều khiển của rơ bốt

43. Hình 3.4

: Cửa sổ của chương trình

44. Hình 3.5

: Chuyển đổi các cửa sổ

45. Hình 3.6

: Chương trình chính

46. Hình 3.7

: Các phím mềm của rơ bốt

47. Hình 3.8

: Màn hình khởi động chương trình

48. Hình 3.9

: Chương trình KRC

49. Hình 3.10

: Chuột điều khiển của rơ bốt

50. Hình 3.11

: Hệ tọa độ hệ thống

51. Hình 3.12

: Chiều các trục toạ độ trên rơ bốt

52. Hình 3.13

: Hệ toạ độ gốc cố định

53. Hình 3.14

: Hệ tọa độ đề các cố định gốc tại tâm của dụng cụ

54. Hình 3.15

: Hệ tọa độ đề các cố định gốc tại phơi.

55. Hình 3.16

: Các trục chuyển động của rơ bốt Kuka

56. Hình 3.17

: Cách gọi và trả lại chương trình con cho chương trình chính.

Hv: Lê Giang Nam

8

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
57. Hình 4.1

: Mơ hình hàn ơtơ 2D

58. Hình 4.2

: Mơ hình 3D tích hợp rô bốt Kuka với hệ thống sản xuất hàn
khung ô tơ.

59. Hình 4.3

: Các rơ bốt Kuka KR125 trong hệ thống sản xuất

60. Hình 4.4

: Hệ thống đèn chiếu sáng

61. Hình 4.5

: Hệ thống rào chắn

62. Hình 4.6

: Các rơbơt hàn

63. Hình 4.7

: Phịng điều khiển hệ thống

64. Hình 4.8

: Mơ hình 2D của hệ thống.

65. Hình 4.9

: Mơ hình 3D tích hợp rơ bốt Kuka trong hệ thống dây chuyền

T
8
3

T
8
3

T
8
3

sản xuất thức ăn.
66. Hình 4.10

: Sơ đồ bố trí mặt bằng của hệ thống trên mơ hình 3D

67. Hình 4.11

: Băng tải sản phẩm

68. Hình 4.12

: Băng tải vận chuyển giá

69. Hình 4.13

: Rơ bốt Kuka

70. Hình 4.14

: Xe nâng

71. Hình 4.15

: Mơ hình 2D hệ thống vận chuyển kính

72. Hình 4.16

: Mơ hình 3D tích hợp rơ bốt Kuka trong hệ thống vận chuyển
kính

73. Hình 4.17

: Mơ hình Rơ bốt Kuka

74. Hình 4.18

: Giá đỡ tấm kính

75. Hình 4.19

: Hệ thống hàng rào

76. Hình 4.20

: Băng tải vận chuyển kính

77. Hình 4.21

: Bố trí hệ thống bàn xoay khung đỡ quanh rô bốt

T
8
3

Hv: Lê Giang Nam

9

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

PHẦN MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Nhu cầu cạnh tranh trên thị trường ln địi hỏi các nhà sản xuất phải thường
xuyên thay đổi mẫu mã, kích cỡ và thường xuyên cải tiến để nâng cao chất lượng
sản phẩm. Sự cạnh tranh hàng hóa đặt ra một vấn đề là phải có hệ thống thiết bị sản
xuất có thể dễ dàng thay đổi linh hoạt để có thể đáp ứng với nhu cầu thường xuyên
thay đổi của thị trường. Nhờ sự phát triển của kỹ thuật số và cơng nghệ thơng tin,
khả năng “mềm hóa” các hệ thống thiết bị sản xuất được thực hiện. Hệ thống sản
xuất linh hoạt FMS ra đời, đây là phương thức sản xuất hiện đại, có ưu điểm cơ bản
là các thiết bị chủ yếu của hệ thống chỉ đầu tư một lần, còn việc đáp ứng lại sự thay
đổi sản phẩm là bằng phần mềm máy tính. Hệ thống FMS rất hiện đại nhưng lại
thích hợp với quy mơ sản xuất vừa và nhỏ. Ngày nay, ở các nước phát triển, các hệ
thống FMS có xu hướng thay thế dần các hệ thống thiết bị tự động “cứng” sản xuất
hàng loạt lớn sản phẩm. Các hệ thống thiết bị tự động cứng này rất đắt tiền mà khi
cần thiết phải thay đổi theo yêu cầu sản phẩm thì phải đổi mới gần như hoàn toàn
thiết bị. Như vậy, các hệ thống thiết bị tự động cứng nhanh chóng trở nên lạc hậu vì
khơng thích nghi được với thị trường đầy biến động.
Ý tưởng chủ đạo trong việc tổ chức hệ thống sản xuất hiện đại linh hoạt là “linh
hoạt hóa” và “mơđun hóa”. Một hệ thống sản xuất linh hoạt có thể gồm nhiều
mơđun linh hoạt. Một trong những hệ thống như vậy là hệ thống CIM – hệ thống
tích hợp sản xuất dùng máy tính.
Để tạo ra những mơđun sản xuất linh hoạt như vậy, sự có mặt của rô bốt là cần thiết
và không thể thiếu, rô bốt như là một bộ phận cấu thành. Ở đây, rôbôt làm những
công việc chuyển tiếp giữa các máy công tác (cấp thốt phơi và dụng cụ cắt cho các
trung tâm gia công), vận chuyển trong phân xưởng, thao tác trong kho tự động v.v...
Việt Nam đang trong quá trình hội nhập, nền cơng nghiệp địi hỏi phải có các bước
tiến phù hợp. Việc ngày càng có nhiều nhà máy ứng dụng các công nghệ hiện đại vào
sản xuất như các dây chuyền sản xuất tự động, các rô bốt cơng nghiệp địi hỏi khả năng
khai thác hiệu quả cũng như mở rộng khả năng các thiết bị này là rất cần thiết.

Hv: Lê Giang Nam

10

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Để góp phần vào việc nghiên cứu và ứng dụng R ôbốt công nghiệp trong các hệ
thống sản xuất người nghiên cứu đã chọn đề tài: “Nghiên cứu tích hợp rơ bốt cơng
nghiệp trong hệ thống sản xuất”.
1.2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài: “Nghiên cứu tích hợp rơ bốt cơng nghiệp trong hệ thống sản xuất”
được thực hiện nhằm mục đích:
- Tích hợp rơ bốt cơng nghiệp Kuka trong hệ thống sản xuất, lập trình điều
khiển và mô phỏng rô bốt.
1.3. Nội dung nghiên cứu và giới hạn của đề tài
- Tích hợp Rơ bốt Kuka trong các hệ thống sản xuất tự động hóa.
- Lập trình điều khiển và mơ phỏng rơ bốt Kuka trong các hệ thống sản xuất tự
động hoá.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng rô bốt công nghiệp với phần mềm chuyên dụng.
- Tham khảo các tài liệu hướng dẫn rô bốt Kuka và các tài liệu khoa học khác.
- Nghiên cứu ứng dụng của phần mềm Kuka Simlayout trong mô phỏng.
Với sự cố gắng, nỗ lực của bản thân và sự hướng dẫn tận tình của PGS. TS
Phạm Văn Hùng, TS. Lê Giang Nam tơi đã hồn thành luận văn thạc sỹ khoa học
chun ngành Cơ điện tử của mình với đề tài “Nghiên cứu tích hợp rơ bốt cơng
nghiệp trong hệ thống sản xuất”. Tuy nhiên, trong q trình nghiên cứu khó tránh
khỏi những thiếu sót, tơi rất mong được các thầy, cơ chỉ bảo thêm để bản luận văn
hoàn thiện hơn và trở thành một tài liệu tham khảo hữu ích cho việc ứng dụng rô bốt

công nghiệp trong sản xuất.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS Phạm Văn Hùng, TS. Lê Giang Nam các
thầy cô trong bộ môn Máy & Ma sát học – Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tơi hồn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2011

Học viên
Lê Giang Nam

Hv: Lê Giang Nam

11

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP
1.1. Lịch sử ra đời và phát triển của Rô bốt.
Ngày nay trong sản xuất, việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm là hết
sức quan trọng, giải pháp cho vấn đề này là ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự
động hoá trong các quá trình sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết
bị tự động có tính linh hoạt cao đã đạt được khá nhiều kết quả khả quan. Chính vì
thế nhu cầu ứng dụng rô bốt để tạo ra các hệ thống tự động linh hoạt ngày càng trở
nên cấp thiết.

Thuật ngữ “Rô bốt” lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1922 trong tác phẩm
“Rossum’s Universal Rô bốt” của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek.
Theo tiếng Séc thì Rơ bốt là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật
Rossum và con trai của ông đã tạo ra nhứng chiếc máy gần giống như con người
để hầu hạ con người.
Năm 1950 cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chương trình số với
chỗ dựa là các cơ cấu điều phối vô cấp (servo mechanism) và các hệ điện toán
(computation), ngay lập tức các ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC với các cơ cấu điều
khiển từ xa đã được hình thành và triển khai nghiên cứu…Sự kết hợp tuyệt vời giữa
khả năng linh hoạt khéo léo của teleoperator với độ nhạy bén của hệ điều khiển NC đã
đưa ra kết quả là một thế hệ máy móc tự động mới ra đời với tên gọi “Người máy”.
Năm 1961, Mỹ cho ra thị trường một loại máy tự động vạn năng mới được gọi là
người may cơng nghiệp có tên là UNMAT. Từ đây công nghiệp chế tạo Rô bốt tiếp
tục phát triển mạnh hơn nữa trên khắp thế giới. Tiếp sau đó, các nước Anh (1967),
Thụy Điển, Nhật Bản (1968), Đức (1971), Pháp (1972), Italia (1973) lần lượt đưa ra
các mẫu Rô bốt công nghiệp của họ. Cho đến năm 1980, thế giới cơng nghiệp có
khoảng 300 mẫu hình Rơ bốt cơng nghiệp của hơn 200 cơng ty.
Dưới đây là tình hình phát triển Rô bốt công nghiệp ở một số nước công nghiệp
phát triển:

Hv: Lê Giang Nam

12

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Nước sản xuất

Năm 1990

Năm 1994 Năm 1998

Nhật

60.118

29.756

67.000

Mỹ

4.327

7.634

11.100

Đức

5.845

5.125

8.600

Ý

2.500

2.408

4.000

Pháp

1.488

1.197

2.000

Anh

510

1.086

1.500

1.000

1.200

Hàn Quốc

Bảng 1.1: Số lượng rô bốt được sử dụng ở các nước
Các ứng dụng trong công nghiệp:

- Các ứng dụng truyền thống là áp dụng rô bốt vào những nơi mà cơng việc q:
• Bẩn (Dirty)
• Nguy hiểm (Dangerous),
• Nhàm chán - buồn tẻ đối với cơng nhân (Dull).
- Sản xuất, lắp ráp, hàn, phun sơn, gia công, vận chuyển phơi:
• Lắp ráp.
• Gia cơng cắt gọt.
• Hàn MIG/MAG.
• Hàn dầm bằng Laser YAG.
• Phun sơn.
• Các ứng dụng trong cơng nghệ bám dính, làm kín, bảo quản .
Ngày nay, rô bốt được sử dụng rộng rãi không chỉ trong công nghiệp mà trong rất
nhiều các lĩnh vực khác của cuộc sống như nghiên cứu khoa học, vũ trụ, trong lĩnh
vực giải trí, điện ảnh và đặc biệt là trong đời sống hàng ngay rô bốt cũng ngày càng
tham gia nhiều vào các cơng việc gia đình tại các nước phát triển. Tuy nhiên, trong
công nghiệp rô bốt vẫn được sử dụng nhiều nhất bởi tính đa năng, linh hoạt và
khơng biết mệt mỏi của nó. Rơ bốt được sử dụng thay thế giải phóng con người
trong các công việc nguy hiểm, nhàm chán, buồn tẻ và trong môi trường làm việc ô
nhiễm, bẩn.
Hv: Lê Giang Nam

13

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Hình 1.1: Mơ hình sử dụng rơ bốt trong cơng nghiệp.
Như vậy, có thể nói khả năng của rô bốt là vô cùng to lớn, nó có khả năng thay

thế con người ở rất nhiều các cơng việc. Chính vì thế tiềm năng phát triển của Rơ
bốt cơng nghiệp trong tương lai cịn rất lớn.
1.2. Hướng phát triển của Rô bốt trong tương lai.
Ra đời từ những năm 50, rơ bốt cơng nghiệp đã có những bước phát triển quan
trọng. Từ những năm 1960 do sự phát hiện máy vi tính Rơ bốt cơng nghiệp đã tiếp thu
được thành tựu mới đó và ngày càng hấp dẫn. Cao trào phát triển vào những năm 70 và
đánh dấu bằng hội nghị quốc tế lần thứ 6 về Thiết kế chế tạo và ứng dụng Rô bốt cơng
nghiệp tại Chicago năm 1972, sau đó lại lắng dần xuống, nhất là sau khủng hoảng dầu
mỏ 1975, như để rút kinh nghiệp áp dụng vào chỗ nào là phát huy hiệu quả hơn. Đến
những năm 80 thì xuất hiện nhu cầu hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (
Flexible Manufacturing System) mà Rô bốt như là bộ phận cấu thành FMS. Nhu cầu
đó kích thích sự phát triển của Rô bốt công nghiệp. Trong năm 90 Rơ bốt cơng nghiệp
cũng có bước phát triển mới theo hướng đồng bộ hệ thống trên cơ sỏ vận dụng những
thành tựu của công nghệ thông tin ứng dụng.
Bản thân phần kỹ thuật Rô bốt công nghiệp cũng thể hiện các xu thế phát triển sau đây:
Trong giai đoạn đầu phát triển, người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ
cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị nhiều loại cảm biến (sensor) để có thể
thực hiện được những công việc phức tạp, như là để chứng tỏ khả năng thay thế con
người trong nhiều loại hình cơng việc.

Hv: Lê Giang Nam

14

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Khi đã tìm được các địa chỉ ứng dụng trong cơng nghiệp, thì việc đơn giản hố kết
cấu để tăng độ chính xác định vị và giảm giá thành đầu tư lại là những yêu cầu thực

tế đối với thị trường hành hoá cạnh tranh. Ngày càng có nhiều cải tiến trong kết cấu
các bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của các thiết bị điều khiển, tăng mức thuận
tiện và dễ dàng khi lập trình.
Để mở rộng phạm vi ứng dụng cho Rơ bốt công nghiệp nhằm thay thế lao động
với nhiều loại hình cơng việc, ngày càng rõ nét về xu thế tăng cường khả năng nhận
biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc. Các thành tựu khoa học và tiến bộ kỹ
thuật laser, kỹ thuật tia hồng ngoại, kỹ thuật xử lý ảnh... đã ngày càng hiện thực xu
thế phát triển Rô bốt công nghiệp hướng vào việc thích nghi được với mơi trường
làm việc.
Cùng với các xu thế trên Rô bốt công nghiệp luôn luôn được định hướng tăng
cường năng lực xử lý công việc để trở thành các Rô bốt tinh khôn nhờ áp dụng các
kết quả nghiên cứu về hệ điều khiển nơron và trí khơn nhân tạo...
Dưới đây là một vài hình ảnh thể hiện khả năng của rơ bốt:

Hình 1.2: Rơ bốt tham gia vào công việc phun sơn trong công nghiệp.
Hv: Lê Giang Nam

15

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Hình 1.3: Rơ bốt xe lăn điều khiển

Hình 1.4: Rơ bốt tham gia lắp rắp

tự động

vũ trụ

Từ những ví dụ trên có thể thấy việc ứng dụng rô bốt đã mang lại rất nhiều hiệu quả:
- Trong công nghiệp năng suất lao động và chất lượng sản phẩm khi có sử dụng rơ
bốt cao hơn hẳn nhờ khả năng làm việc lâu dài ổn định không biết mệt mỏi của rô
bốt. Con người được giải phóng khỏi những cơng việc nhàm chán, giải phóng khỏi
những mơi trường làm việc độc hại. Rơ bốt có thể làm việc liên tục 24h một ngày,
cho phép làm việc gấp 3 người thường và có thể làm được rất nhiều công việc khác
nhau mà không mất nhiều công sức đào tạo mỗi khi làm cơng việc mới chính vì thể
rơ bốt góp phần giảm giá thành sản phẩm.
- Rơ bốt có thể làm việc trong một chu kỳ hay một ca làm việc với một độ chính
xác nhất định, trong nhiều lĩnh vực khả năng làm việc tốt hơn nhiều so với con
người. Ngoài ra, trong các lĩnh vực khác, rơ bốt cũng có rất nhiều đóng góp nhằm
cải thiện chất lượng cuộc sống con người ngày một tốt hơn.
1.3. Phân loại rô bốt công nghiệp
Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của
rô bốt để giúp cho việc nhận xét được dễ dàng. Có 4 yếu tố chính để phân loại rô
bốt như sau:

Hv: Lê Giang Nam

16

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
- Theo dạng hình học của không gian hoạt động.
- Theo thế hệ rô bốt.
- Theo bộ điều khiển.

- Theo nguồn dẫn động.
1.3.1. Phân loại Rô bốt theo số bậc tự do trong trường công tác
Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của rô bốt đến vị trí của đối tượng thao
tác được cho trước trong khơng gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động
chuyển dời hay chuyển động định vị (Thường dùng khớp tịnh tiến và khớp quay
loại 5). Những rô bốt công nghiệp thực tế thường không dùng quá bốn bậc chuyển
động chuyển dời (Không kể chuyển động kẹp của tay gắp) và thông thường với ba
bậc chuyển động định vị là đủ, rất ít khi sử dụng đến bốn bậc chuyển động định vị.
Rô bốt được phân loại theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi sau đó
được bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt.
Vùng giới hạn tầm hoạt động của rô bốt được gọi là không gian làm việc.
(1) Rơ bốt tọa độ vng góc (Cartesian rơ bốt): Rơ bốt loại này có 3 bậc
chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo 3 trục vng góc.

Hình 1.5: Sơ đồ động học của rơ bốt tọa độ vng góc.
(2) Rơ bốt tọa độ trụ (Cylindrical rơ bốt): Rơ bốt loại này có 3 bậc chuyển
động cơ bản gồm 2 trục chuyển động tịnh tiến và 1 trục quay.

Hv: Lê Giang Nam

17

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học

Hình 1.6: Sơ đồ động học của rô bốt tọa độ trụ
(3) Rô bốt tọa độ cầu (Spherical rơ bốt): Rơ bốt loại này có 3 bậc chuyển động
cơ bản gồm một trục tịnh tiến và 2 trục quay.

Hình 1.7: Sơ đồ động học của rô bốt tọa độ cầu.
(4) Rô bốt khớp bản lề (Articular rơ bốt): Rơ bốt loại này có 3 bậc chuyển
động cơ bản gồm 3 trục quay, bao gồm cả kiểu rơ bốt Scara.

Hình 1.8: Sơ đồ động học của rô bốt liên kết bản lề.

Hv: Lê Giang Nam

18

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
1.3.2. Phân loại Rô bốt theo thế hệ
Theo q trình phát triển của rơ bốt, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây:
(1) Rô bốt thế hệ thứ 1: Bao gồm các dạng rơ bốt hoạt động lặp lại theo một chu
trình khơng thay đổi (playback rơ bốts), theo chương trình định trước. Chương trình
ở đây cũng có hai dạng: Chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiển
bằng hệ thống cam và điều khiển với chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu
công nghệ của môi trường sử dụng nhờ các panel điều khiển hoặc máy tính.
- Đặc điểm:
• Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình.
• Điều khiển vịng hở.
• Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều
khiển, tuy nhiên loại này khơng thay đổi chương trình được.
• Sử dụng phổ biến trong công việc gắp – đặt (pick and place).
(2) Rô bốt thế hệ thứ 2: Trong trường hợp này rô bốt được trang bị các bộ cảm
biến (sensors) cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi hỗ trợ lại hệ thống điều khiển về

trạng thái, vị trí khơng gian của rô bốt cũng như những thông tin về môi trường bên
ngồi như trạng thái, vị trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà rô bốt
phối hợp, nhiệt độ của môi trường, v.v... giúp cho bộ điều khiển có thể lựa chọn
những thuật tốn thích hợp để điều khiển rô bốt thực hiện những thao tác xử lý phù
hợp. Nói cách khác, đây cũng là rơ bốt với điều khiển theo chương trình nhưng có
thể tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với những thay đổi của mơi trường thao tác.
Dạng rơ bốt với trình độ điều khiển này cịn được gọi là rơ bốt được điều khiển
thích nghi cấp thấp.
Rơ bốt thế hệ này bao gồm các rô bốt sử dụng cảm biến trong điều khiển (sensor
– controlled rơ bốts) cho phép tạo được những vịng điều khiển kín kiểu servo.
- Đặc điểm:
• Điều khiển vịng kín các chuyển động của tay máy.
• Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản
hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước.
Hv: Lê Giang Nam

19

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
• Hoạt động của rơ bốt có thể lập trình được nhờ các cơng cụ như bàn phím,
panel điều khiển.
(3) Rơ bốt thế hệ thứ 3: Đây là dạng phát triển cao nhất của rô bốt tự cảm nhận.
Các rô bốt ở đây được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi
theo những thơng tin và tác động của mơi trường lên chúng; nhờ đó rơ bốt tự biết
phải làm gì để hồn thành được cơng việc đã được đặt ra cho chúng. Hiện nay cũng
đã có nhiều cơng bố về những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các
phịng thí nghiệm và được đưa ra thị trường dưới dạng những rơ bốt giải trí có hình

dạng của các động vật máy.
Rô bốt thế hệ này bao gồm các rô bốt được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh
trong điều khiển (Vision - controlled rơ bốts) cho phép nhìn thấy và nhận dạng các
đối tượng thao tác.
- Đặc điểm:
• Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý
thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh (Vision systems Camera).
• Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình
dạng và kích thước khá khác biệt nhau.
(4) Rơ bốt thế hệ thứ 4: Bao gồm các rô bốt sử dụng các thuật tốn và cơ chế điều
khiển thích nghi (adaptively controlled rô bốt) được trang bị bước đầu khả năng
lựa chọn các đáp ứng tn theo một mơ hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra
những ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác.
- Đặc điểm :
• Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự
động lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa
trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến.
• Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với
điều kiện biên không được xác định trước. Kết quả của bài tốn sẽ là một tập
hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của rô bốt.
Hv: Lê Giang Nam

20

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
(5) Rô bốt thế hệ thứ 5: Là tập hợp những rô bốt được trang bị trí tuệ nhân tạo
(artificially intelligent rơ bốt).

- Đặc điểm:
• Rơ bốt được trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng
nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc, v.v...
để ra quyết định và giải quyết các vấn đề hoặc nhiệm vụ đặt ra cho nó.
• Rơ bốt được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học.
• Rơ bốt được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Logic để tự
suy nghĩ và ra quyết định cho các ứng xử tương thích với những tín hiệu
nhận được từ mơi trường theo những thuật tốn tối ưu một hay nhiều mục
tiêu đồng thời.
Hiện nay trong lĩnh vựcgiải trí, nhiều dạng rô bốt thế hệ này đang được phát triển
như rơ bốt Aibo - chú chó rơ bốt của hãng Sony hay rô bốt đi trên hai chân và khiêu
vũ được của hãng Honda.
Nhật Bản là đất nước có số lượng rô bốt sử dụng trong công nghiệp nhiều nhất
thế giới. Người Nhật có quan niệm khá khác biệt về rô bốt so với các nước công
nghiệp phát triển. Theo Hiệp hội rô bốt Nhật - JIRA (Japanese Rô bốt Associasion),
rô bốt được chia thành sáu loại, theo mức độ thông minh như sau:
- Rô bốt hoạt động nhờ người điều khiển trực tiếp từng động tác, bằng pendant hay
pa-nen điều khiển.
- Rơ bốt hoạt động theo chu trình cố định (fixed sequence rô bốts).
- Rô bốt hoạt động theo chu trình thay đổi được (variable sequence rơ bốts): người
điều khiển có thể dễ dàng chỉnh sửa trình tự hoạt động.
- Rơ bốt hoạt động theo chương trình vả lặp lại chương trình (playback rơ bốts):
người điều khiển có thể lập trình cho rơ bốt trong chế độ huấn luyện (teaching
mode).
- Rơ bốt điều khiển theo chương trình số (numerically controlled rô bốts).

Hv: Lê Giang Nam

21

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
- Rô bốt thông minh intelligent rơ bốts): rơ bốt có thể hiểu, nhận biết và tương tác
với môi trường xung quanh.
1.3.3. Phân loại theo bộ điều khiển
(1) Rô bốt gắp - đặt: Rô bốt này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén.
Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển
vịng hở. Rơ bốt hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới
hạn hành trình cơ khí đặt trên các trục của tay máy.
(2) Rô bốt đường dẫn liên tục: Rô bốt loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực
hiện điều khiển vịng kín. Hệ thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó rơ bốt
được lập trình theo một đường chính xác. Trong hệ thống điều khiển này, đường
dẫn được biểu điễn bằng một loạt các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ
rơ bốt, sau đó rơ bốt sẽ thực hiện lại chính xác đường dẫn đó.
1.3.4. Phân loại rơ bốt theo nguồn dẫn động
(1) Rô bốt dùng nguồn cấp điện: Nguồn điện cấp cho rô bốt thường là DC để điều
khiển động cơ DC. Hệ thống dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC. Các
động cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo.
Rơ bốt loại này có thiết kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác. Các ứng dụng phổ
biến là rơ bốt sơn, hàn.
(2) Rơ bốt dùng nguồn khí nén: Hệ thống cán được trang bị máy nén, bình chứa
khí và động cơ kéo máy nén. Rơ bốt loại này thường được sử dụng trong các ứng
dụng có tải trọng nhỏ có tay máy là các xy-lanh khí nén thực hiện chuyển động
thẳng và chuyển động quay. Do khí nén là lưu chất nén được nén rô bốt loại này
thường sử dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao.
(3) Rơ bốt dùng nguồn thuỷ lực: Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén
được là dầu ép. Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu. Tay máy là các xy lanh thuỷ lực chuyển động thẳng và quay động cơ dầu. rô bốt loại này được sử
dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn.

Hv: Lê Giang Nam

22

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
1.4. Kết luận
Từ lúc ra đời cho đến nay rô bốt công nghiệp đã và đang phát triển rất mạnh mẽ.
Các rô bốt ngày càng có nhiều chủng loại phong phú với các đặc tính kỹ thuật cao.
Trong nền sản xuất công nghiệp cũng như trong các lĩnh vực khác rô bốt đã cho
thấy được khả năng ứng dụng và mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho con người. Rơ
bốt có nhiều đặc tính kỹ thuật tự động và hiện đại, có khả năng thay thế từng chức
năng của con người, nhưng rô bốt cơng nghiệp vẫn là một thiết bị cơng nghiệp. Vì
vậy, vẫn cần sự vận hành và điều khiển của con người trên cơ sở cung cấp cho rô
bốt những nguồn lực cụ thể như: khí nén, điện, thủy lực v.v...

Hv: Lê Giang Nam

23

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
CHƯƠNG 2:
RÔBÔT KUKA & PHẦN MỀM SIM LAYOUT
2.1. Giới thiệu về Rô bôt Kuka

2.1.1. Quá trình phát triển của Rơbơt Kuka
Rơ bốt Kuka là sản phẩm của tập đồn chun chế tạo rơ bốt cơng 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 rô bốt công nghiệp Kuka với nhiều tính năng thích
hợp cho từng cơng việc trong mỗi nhà máy. Rô bốt Kuka thuộc loại rô bốt nối tiếp
gồm nhiều khâu nối tiếp với nhau bằng các khớp quay.
Rô bốt Kuka được bắt đầu chế tạo và đưa ra thị trường vào năm 1990, tuy nhiên
trong giai đoạn ban đầu này Kuka được chế tạo với kết cấu phức tạp cồng kềnh khối
lượng lớn mà tải trọng lại nhỏ. Theo thời gian, các thế hệ rô bốt Kuka tiếp theo ra
đời với kích thước nhỏ hơn nhưng tải trọng cao hơn. Khả năng làm việc của rôbôt
cũng trở lên đa dạng, không gian làm việc rộng và linh động hơn. Dưới đây là biểu
đồ biểu diễn sự phát triển của rơ bốt Kuka:

Hình 2.1: Biểu đồ phát triển của Rô bốt Kuka

Hv: Lê Giang Nam

24

Cao học Cơ điện tử - 2009


Luận văn Thạc sỹ Khoa học
Ngày nay nhà sản xuất rô bốt Kuka đã cho ra đời rất nhiều các mẫu rơ bốt với rất
nhiều tải trọng, hình dáng, khả năng khác nhau. Có những loại dùng để đặt trên bệ
(trên mặt đất), có những loại treo trên tường, cũng có những loại có thể treo ngược
trên dầm , ngồi ra cịn có những loại trượt trên băng để tăng tính linh hoạt và tầm
hoạt động của rơbơt. Do đặc tính cũng như vị trí làm việc rơ bốt treo tường và treo
trần có tải trọng nhỏ hơn rơ bốt đặt trên mặt phẳng ngang. Sau đây là tải trọng của
một số loại rơ bốt thơng dụng.

Hình 2.2: Câc chủng loại rơ bốt và tải trọng của Rơ bốt Kuka

Hình 2.3: Rơ bốt trượt trên băng tải

Hv: Lê Giang Nam

Hình 2.4: Rô bốt trượt treo trên dầm

25

Cao học Cơ điện tử - 2009