Mục lục MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................1 Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ ROBOT.............................................................2 1.1 Sự ra đời của robot....................................................................................2 1.2 Phân loại robot..........................................................................................2 1.2.1 Phân loại theo số bậc tự do.................................................................2 1.2.2 Phân loại theo cấu trúc động học........................................................3 1.3 Tay máy (Manipulator).............................................................................6 1.4 Một số robot chuỗi hở thường gặp............................................................6 1.4.1 Tay máy tọa độ vuông góc (Cartesian robot Gantry robot)...............6 1.4.2 Tay máy tọa độ trụ (Cylindrical robot)...............................................7 1.4.3 Tay máy tọa độ cầu (SphericalPolar robot).......................................8 1.4.4 Tay máy toàn khớp bản lề..................................................................9 1.4.5 Ứng dụng của robot............................................................................9 1.5 Về robot KUKA......................................................................................10 1.5.1 Tổng quan về robot của hãng KUKA...............................................10 1.5.2 Robot KUKA KR62........................................................................12 Chương 2 : TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT KUKA KR62 6 BẬC TỰ DO .....................................................................................................................................15 2.1 Tính toán động học robot KUKA 6 bậc tự do.........................................15 2.1.1 Phân tích bài toán động học.............................................................15 2.1.2 Bài toán động học thuận...................................................................17 2.1.3 Bài toán động học ngược..................................................................23 Chương 3 Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR62................................28 Mục lục 3.1 Mở đầu....................................................................................................28 3.2 Bộ điều khiển..........................................................................................29 3.3 Bảng Điều khiển.....................................................................................36 3.4 Phần mềm lập trình.................................................................................42 3.4.1 Các phương pháp lập trình Robot KUKA........................................42 3.4.2 Lập trình dạy điểm...........................................................................43 3.4.3 Lập trình điều khiển theo phần mềm offline....................................45 KẾT LUẬN......................................................................................................4
TỔNG QUAN VỀ ROBOT
Sự ra đời của robot
Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm
"Rossum’s Universal Robot" của Karel Capek giới thiệu khái niệm "robot" trong tiếng Séc, có nghĩa là người làm tạp dịch Trong tác phẩm, nhân vật Rossum và con trai ông chế tạo ra những cỗ máy giống con người để phục vụ cho nhân loại Hơn 20 năm sau, sau chiến tranh thế giới thứ hai, Mỹ đã phát triển các tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu phóng xạ.
Robot công nghiệp lần đầu tiên được ứng dụng vào năm 1961 tại nhà máy ô tô của General Motors ở Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ Đến năm 1967, Nhật Bản nhập khẩu robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kỳ Đến năm 1990, hơn 40 công ty Nhật Bản, bao gồm các tập đoàn lớn như Hitachi và Mitsubishi, đã giới thiệu nhiều loại robot nổi tiếng ra thị trường Hiện nay, công nghệ chế tạo robot đã phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất.
Phân loại robot
1.2.1 Phân loại theo số bậc tự do
Robot có 2 loại chuyển động cơ bản làm chuẩn :
Chuyển động thẳng theo các trục X, Y, Z trong không gian Đề-các với các khớp lăng trụ hay khớp trượt, kí hiệu là P hoặc T.
Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu là R
Tùy thuộc vào số BTD và cách tổ hợp T-R, robot sẽ hoạt động hiệu quả trong các trường công tác với nhiều hình khối khác nhau, chẳng hạn như hình trụ, ví dụ như RRT và RTT.
1.2.2 Phân loại theo cấu trúc động học
Một phương pháp phân loại Robot chính là phân loại theo câu trúc hình học của chúng.
Robot chuỗi hở, hay còn gọi là robot tuần tự, có cấu trúc động học dạng chuỗi động hở Ngược lại, robot song song có cấu trúc động học dạng chuỗi đóng Đặc biệt, robot hỗn hợp là loại robot kết hợp cả hai cấu trúc này.
Robot chuỗi hở, hay còn gọi là robot nối tiếp, là loại robot công nghiệp phổ biến nhất, thường có cấu trúc tương tự như cánh tay người Chúng bao gồm một chuỗi các khâu rắn được liên kết với nhau qua các khớp như vai, khuỷu tay và cổ tay Ưu điểm nổi bật của robot này là vùng làm việc rộng và tính linh động cao Dưới đây là các bộ phận chính của một robot công nghiệp.
- Cấu trúc cơ khí gồm các khâu (links) và khớp (joints)
- Cơ cấu chấp hành (actuators) tác động tại các khớp làm tay máy chuyển động
- Cảm biến (sensors) dùng để đo lường các trạng thái của tay máy (cảm biến trong) và trạng thái môi trường (cảm biến ngoài) nếu cần
- Một hệ thống điều khiển (có cả máy tính) để điều khiển và giám sát chuyển động của tay máy.
Hình 1.1.1.a.1.1.1 IRB660-palletiser của hãng ABB Robotics.
- Đặ đ ểc i m c h u là c ng v ng th p t o m t c u trúc ng h c.ố ữ độ ứ ữ ấ để ạ ộ ấ độ ọ
- Sai s tích l y ố ũ được khu ch i t khâu tr c sang khâu sau.ế đạ ừ ướ
Do phi mang và chuyển ng cùng các băng đảng ngăn cản việc làm, dẫn đến tình trạng khủng hoảng lao động Sự gia tăng của các hoạt động phi pháp đã làm giảm
- Kh n ng mang t i không cao.ả ă ả
Robot công nghiệp yêu cầu phải có ít nhất 6 bậc tự do (BTD) trong không gian làm việc để có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp Điều này cho phép robot có khả năng di chuyển linh hoạt và đạt được vị trí bất kỳ trong môi trường làm việc Các loại robot như Stanford (RRTRRR), KUKA (6R), Elbow (6R), và Puma (6R) đều có 6 khớp, giúp chúng thực hiện hiệu quả các công việc trong ngành công nghiệp hiện nay, bao gồm lắp ráp, vận chuyển phôi và sản phẩm trong quá trình sản xuất.
Robot song song (Parallel Manipulator)
Robot song song điển hình có bàn chân di chuyển được kết nối với giá cố định qua các nhánh hoặc chân, giúp các khâu chỉ chịu lực kéo hoặc nén mà không phải chịu uốn Số chân chính thường bằng số bậc tự do (BTD), và các chân này được điều khiển bởi một nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc trên thân của chân.
- Kh n ng ch u t i l n vì t i tr ng ả ă ị ả ớ ả ọ được chia cho các chân
- T c cao h n và chính xác h n, c u trúc g n nh h nố độ ơ ơ ấ ọ ẹ ơ
Máy phay hiện đại với độ chính xác cao đã được áp dụng rộng rãi trong việc gia công các bề mặt chi tiết, mang lại hiệu suất làm việc tối ưu Công nghệ tiên tiến này giúp tăng năng suất và cải thiện chất lượng sản phẩm, đáp ứng tốt nhu cầu của ngành công nghiệp hiện nay.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô phỏng tạo sóng (Steward, 1965) và bàn điều khiển dạng khung lắp ráp (Reinholtz và Gokhale, 1987) đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất Bên cạnh đó, bàn điều khiển khi nâng dao, gá kẹp máy phay (Arai, 1991) cũng góp phần nâng cao độ chính xác Các thiết bị nhắm (Gosselin và Hamel, 1994) và các thiết bị điều khiển máy chuyển động có chân bậc (Waldron, 1984) đều là những yếu tố cần thiết để tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Hình 1.1.1.a.1.1.2 ABB’s IRB340 palletising robot
Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng sản phẩm này cũng gặp phải một số nhược điểm như không gian làm việc hạn chế, khả năng va chạm giữa các chân và sự phức tạp trong thiết kế.
Robot di chuyển (Mobile Robot) là loại robot giống như ôtô, xe tải với các bánh lái và 2 bánh dẫn động Hiện nay, chúng được sử dụng rộng rãi trong việc chuyên chở vật liệu trong các nhà máy, bệnh viện và văn phòng.
Robot giống người (Humanoid Robot)
Nói m t cách n gi n, robot này có d ng hình dáng con ng i, 2 chân, 2 tay,ộ đơ ả ạ ườ u, và dung các c c u ó v i chuy n ng nh các b ph n c a con ng i. đầ ơ ấ đ ớ ể độ ư ộ ậ ủ ườ
Các ki u phân lo i khác nh phân lo i theo H th ng truy n ể ạ ư ạ ệ ố ề động, theo
Ph ng pháp i u khi n, theo ươ đ ề ể Đặ đ ểc i m ho t ng… tùy các tiêu chí t ra màạ độ đặ robot được phân lo i nh m nêu b t tiêu chí ó.ạ ằ ậ đ
Tay máy (Manipulator)
Trong lĩnh vực công nghệ, thuật ngữ “tay máy” và “robot” thường được coi là tương đương nhau bởi nhiều chuyên gia Để dễ dàng trong việc trình bày, chúng ta sẽ sử dụng các thuật ngữ này một cách linh hoạt.
Tay máy là một loại robot mô phỏng cấu tạo của cánh tay người, bao gồm các bộ phận và cơ cấu cơ khí tạo thành các khối có chuyển động tương đối Các khâu động được kết nối bởi các khớp động, thực hiện các chuyển động cần thiết nhờ vào động cơ điện, xylanh dầu ép, hoặc xylanh khí nén Một phần quan trọng khác của tay máy là khâu tác động cuối, thường là các tay gắp hoặc đầu công cụ chuyên dụng, dùng để thao tác trên đối tượng làm việc.
Tay máy, hay còn gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghiệp, là một chuỗi động hở gồm nhiều khâu được kết nối qua các khớp động Khâu cuối thường là tay gắp hoặc dụng cụ công tác, với mỗi khâu động có nguồn dẫn động riêng Năng lượng và chuyển động được điều khiển dựa trên tín hiệu từ các cảm biến phản hồi, giúp theo dõi trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, đặc biệt là vị trí và vận tốc dịch chuyển của khâu cuối, thể hiện kết quả tổng hợp chuyển động của các khâu thành phần.
Một số robot chuỗi hở thường gặp
1.4.1 Tay máy tọa độ vuông góc (Cartesian robot/ Gantry robot)
Robot hoạt động trong hệ tọa độ này được minh họa như hình vẽ gồm ba chuyển động định vị X, Y, Z theo các trục tọa độ vuông góc:
Robot này được thiết kế để thực hiện công việc gắp và di chuyển vật thể đến vị trí khác, phù hợp cho các ứng dụng như đóng gói, lắp ráp máy móc, cầm nắm máy công cụ hoặc hàn theo hình cung Cánh tay của robot bao gồm 3 khớp trượt, với trục của chúng đồng nhất với hệ trục tọa độ Đê-các.
Hình 1.1.1.a.1.1.3 Tay máy tọa độ vuông góc (Cartesian Robot) Ưu điểm:
- Không gian làm vi c l n, có th dài n 20mệ ớ ể đế
- Đố ới v i lo i g n trên tr n s dành ạ ắ ầ ẽ được di n tích sàn l n cho các công vi cệ ớ ệ khác
- H th ng i u khi n n gi nệ ố đ ề ể đơ ả
Việc thêm các loại cảm biến và thiết bị vận chuyển vật liệu khác vào không gian làm việc của robot là rất quan trọng Điều này giúp duy trì vị trí chính xác của robot và các công cụ, đồng thời đảm bảo rằng các thiết bị hoạt động hiệu quả trong môi trường làm việc đa dạng và phức tạp.
1.4.2 Tay máy tọa độ trụ (Cylindrical robot)
Trong ba chuyển động chính, robot được trang bị hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay.
Sử dụng trong công nghệ lắp ráp, cầm nắm các máy công cụ, hàn điểm Loại robot này, trục có dạng hệ tọa độ trụ.
Hình 1.1.1.a.1.1.4 Tay máy tọa độ trụ (Cylinderical Robot) Ưu điểm:
- Có kh n ng chuy n ng ngang và sâu vào trong các máy s n xu tả ă ể độ ả ấ
- C u trúc theo chi u d c c a máy l i nhi u kho ng tr ng cho sànấ ề ọ ủ để ạ ề ả ố
- K t c u v ng ch c, có kh n ng mang t i l nế ấ ữ ắ ả ă ả ớ
Duy nh t là gi i h n ti n v phía trái và phía ph i do k t c u c khí và gi i h nấ ớ ạ ế ề ả ế ấ ơ ớ ạ các kích c c a c c u tác ng theo chi u ngang.ỡ ủ ơ ấ độ ề
1.4.3 Tay máy tọa độ cầu (Spherical/Polar robot)
Robot này có ít nhất hai chuyển động quay trong ba chuyển động định vị, và là loại robot sử dụng điều khiển servo sớm nhất.
Cánh tay robot tọa độ cầu (Polar Robot) được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ như cầm nắm dụng cụ, hàn điểm, đánh bóng, hàn hơi và hàn theo cung Hệ thống trục của robot này tạo thành một cấu trúc tọa độ cầu, giúp tăng cường độ chính xác và linh hoạt trong các ứng dụng công nghiệp.
1.4.4 Tay máy toàn khớp bản lề
Cấu hình robot dễ thực hiện nhất là loại khớp nối bản lề, tiếp theo là cấu hình ba trục thẳng, thường được gọi là SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm).
Cánh tay robot lắp ráp, cùng với dạng tọa độ trụ, là hai kiểu phổ biến nhất trong ứng dụng công nghiệp Chúng cho phép các nhà sản xuất dễ dàng sử dụng các cơ cấu tác động quay như động cơ điện, động cơ dầu ép và khí nén Cánh tay robot thường được sử dụng cho các nhiệm vụ như gắp nhả vật, đóng gói, lắp ráp và cầm nắm máy công cụ Với hai khớp xoay song song, robot có khả năng thao tác linh hoạt trên mặt phẳng.
Hình 1.1.1.a.1.1.6 Robot SCARA Ưu điểm:
- M c dù chi m di n tích làm vi c ít song t m v n khá l n,t l kích th c -ặ ế ệ ệ ầ ươ ớ ỉ ệ ướ t m v n ầ ươ đượ đc ánh giá cao.
Trong mô hình học, cấu hình động khép kín bao gồm ba trục quay được bố trí theo phương thẳng đứng và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu gấp và chi tiết theo phương ngang Trong trường hợp này, bài toán trở thành một bài toán tối ưu hóa chuyển động của robot, cần giải quyết hai độ quay quanh trục x và y, còn lại là bằng cách hợp ba chuyển động quay quanh ba trục để đạt độ trục song song với trục z.
1.4.5 Ứng dụng của robot Ứng dụng chủ yếu của robot công nghiệp là hàn và lắp ráp Gần 25% robot công nghiệp là robot hàn Các robot lắp ráp chiếm 33% dân số robot trên thế giới, có mặt nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất xe hơi và đồ điện tử.
Về robot KUKA
1.5.1 Tổng quan về robot của hãng KUKA
KUKA, được thành lập năm 1898 tại Augsburg, Đức, là một trong những nhà sản xuất hàng đầu thế giới về robot công nghiệp, với sản lượng hàng năm gần 10.000 robot Công ty mẹ KUKA Roboter GmbH cung cấp dải robot 5 và 6 trục có tải trọng từ 3kg đến 570kg và tầm với từ 635mm đến 3700mm, tất cả đều được điều khiển từ nền tảng PC Đặc biệt, KUKA KR 1000 là robot mạnh nhất thế giới với khả năng nâng lên đến 1000kg và tầm với 3200mm, được thiết kế cho các ứng dụng nặng trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng, ôtô và giặt là.
Hình 1.1.1.a.1.1.7 Robot KUKA KR 6/2 và 15/2 của KUKA Robotics
Robot KUKA được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như sản xuất thiết bị gia dụng, ô tô, không gian, hàng tiêu dùng, chế biến thực phẩm, dược phẩm, y tế, đúc khuôn, nhựa, cùng với các ứng dụng phức tạp như vận chuyển, lắp ráp, đóng gói, xếp-dỡ pallet, hàn, uốn và đánh bóng Thông tin chi tiết về tập đoàn có thể được tìm thấy tại website www.kukarobotics.com.
Vài hình ảnh khác về robot của hãng KUKA:
Hình 1.1.1.a.1.1.8 Một khoang làm việc của robot hãng KUKA đang thao tác với các thùng đồ uống
Hình 1.1.1.a.1.1.9 KUKA KR 1000 – robot khỏe nhất thế giới của KUKA
Tên gọi cho Robot Kuka được ký hiệu như sau:
- Chữ KR chính là chữ viết tắt của Kuka industrial Robot.
- Ký hiệu x chính là con số biểu hiện cho tải trọng chính mà robot có thể tải được tính bằng đơn vị Kilogam
- Chữ cái y là con số biểu hiện thế hệ của robot Kuka.
Robot KUKA KR6/2: Đây là loại robot công nghiệp Kuka có tải trọng chính 6 kg và thế hệ của nó là thế hệ thứ 2.
- Vận tốc max của tay máy: 2 m/s
- Độ chính xác lặp: ±0,1 mm
Hình 1.1.1.a.1.1.11 Tải trọng của Robot KUKA KR6/2
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT KUKA KR6/2 6 BẬC TỰ DO
Tính toán động học robot KUKA 6 bậc tự do
2.1.1 Phân tích bài toán động học
Các khớp của robot KUKA là yếu tố cơ bản trong thiết kế robot, giúp giải quyết bài toán điều khiển robot theo quỹ đạo Với thông số đầy đủ, chúng ta có thể điều khiển robot theo quỹ đạo đã định sẵn hoặc xác định quỹ đạo chuyển động dựa trên lực tác động cụ thể.
Sau đây là phần tính toán động học cho Robot KUKA 6 bậc tự do mà cụ thể ứng dụng để giải bài toán động học cho robot KUKA KR6/2.
Thực chất của việc giải bài toán động học là đi giải hai bài toán động học sau:
Bài toán động học thuận: Biết góc quay của các khớp, tìm vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối cùng.
Bài toán động học ngược yêu cầu xác định góc quay của các khớp dựa trên vị trí của khâu chấp hành cuối cùng Mục tiêu là tìm ra thông số điều khiển cho từng khâu nhằm đảm bảo chính xác vị trí của khâu chấp hành.
Do tính chất công việc của từng robot mà quỹ đạo hoạt động của nó tạo ra một số bài toán về điều khiển như sau:
Nếu không quan tâm đến quỹ đạo chuyển động mà chỉ quan tâm đến trong khoảng thời gian cho trước robot đi đến đúng vị trí điểm làm việc.
Bài toán trở nên đơn giản hơn khi chỉ cần đảm bảo các điều kiện trong thiết kế quỹ đạo, với vận tốc tại điểm đầu và điểm cuối đều bằng 0.
Khi di chuyển từ điểm đầu đến điểm cuối trong điều kiện làm việc nhất định, chúng ta cần đi qua một số điểm trung gian Để tạo ra một quỹ đạo mượt mà đi qua các điểm này, chúng ta có thể áp dụng phép nội suy, đảm bảo rằng các điều kiện liên tục về quỹ đạo và vận tốc được thỏa mãn.
Khâu chấp hành cần tuân theo một quỹ đạo đã định sẵn và có khả năng dự đoán luật chuyển động trên quỹ đạo đó Bài viết này sẽ tập trung vào bài toán điều khiển robot di chuyển theo quỹ đạo với vận tốc đã biết Chúng tôi sẽ trình bày các phương pháp tính toán nhằm điều khiển robot theo quỹ đạo đã được xác định trước.
2.1.2 Bài toán động học thuận
Bảng 2.1.2.a.1.1 Bảng giới hạn chuyển động các khớp của robot KUKA
Trục Giới hạn chuyển động Tốc độ ( 0 /sec)
Ta xây dựng động học qua bộ thông số DH:
Theo Denavit và Hartenberg, hai ông đã đề xuất dùng mà trận đồng nhất 4x4 để mô tả quan hệ giữa hai khâu liên tiếp trong cơ cấu không gian.
Trước hết ta xác định bộ thông số cơ bản giữa hai trục quay của hai khớp i+1 và i:
a i là độ dài đường vuông góc chung giữa hai trục khớp động i+1 và i
i là góc chéo giữa hai trục khớp động i+1 và i
Khoảng cách d i được xác định là khoảng cách đo dọc trục của khớp động i, tính từ đường vuông góc chung giữa khớp động i+1 và trục khớp động i, đến đường vuông góc chung giữa trục khớp động i và khớp động i-1.
i là góc giữa hai đường vuông góc nói trên
Nếu khớp động i là khớp quay thì biến khớp là i
Nếu khớp động i là khớp tịnh tiến thì biến khớp là d i
Hình 1.1.1.a.1.1.13 Các khớp của robot KUKA
Robot KUKA KR6/2 có cấu trúc gồm các khớp quay, trong đó khớp A1, A2, A3 được gọi là khớp hông, khớp bả vai và khớp khuỷu tay, tạo thành cánh tay của robot Các khớp này quyết định vị trí của khâu chấp hành cuối cùng tại điểm P Ngoài ra, khớp A4, A5, A6 được gọi là khớp cổ tay, có chức năng xác định hướng của khâu chấp hành cuối cùng với tâm quay tại điểm P.
Thiết lập các hệ tọa độ:
Khi gắn các hệ tọa độ với các khâu, có một số lưu ý sau:
Gốc của hệ tọa độ liên quan đến khâu thứ i, được gọi là hệ tọa độ thứ i, được đặt tại giao điểm của hai đường vuông góc a i và trục khớp i+1 Nếu hai trục giao nhau, gốc hệ tọa độ sẽ trùng với giao điểm đó Trong trường hợp hai trục song song, gốc hệ tọa độ sẽ được chọn là một điểm bất kỳ trên trục khớp i+1.
Trục z i của hệ tọa độ thứ i nằm nằm dọc theo trục khớp i+1.
Trục x i của hệ tọa độ thứ i hướng từ khớp i đến khớp i+1 và nằm dọc theo đường vuông góc chung Khi hai trục giao nhau, hướng của trục x i sẽ trùng với hướng của vecto tích z z i i 1, tức là vuông góc với mặt phẳng chứa hai trục z và z i i 1, đồng thời phương trùng với vecto tích có hướng của hai trục.
Hinh vẽ sau đây thể hiện các khung tọa độ đặt trên robot KUKA KR6/2:
Hình 1.1.1.a.1.1.14 Các khung tọa độ đặt trên robot KUKA KR6/2
Sau khi gắn các khung tọa độ trên các khâu và khớp của robot theo nguyên tắc ta có các thông số cho bảng D-H như sau:
Dựa trên việc xây dựng các hệ tọa độ với hai khâu động liên tiếp, chúng ta có thể thiết lập mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ này thông qua bốn bước cụ thể.
1- Quay quanh trục z i-1 một góc i
2- Tịnh tiến dọc trục z i-1 một đoạn d i
3- Tịnh tiến dọc trục x i-1 (đã trùng với x i ) một đoạn a i
4- Quay quanh trục x i một góc i
Bốn bước này được biểu diễn bằng tích các ma trận thuần nhất sau: i i p i p i i
Sau khi thực hiện các phép nhân ma trận đơn giản (quay, tịnh tiến), ta có: θi θi αi θi αi i θi θi θi αi θi αi i θi i-1 i αi αi i
Thay các giá trị trong bảng DH ta được các ma trận:
Phương trình động học thuận:
Ma trận tích T i được xác định là tích của các ma trận A i, mỗi ma trận A i mô tả vị trí và hướng của hệ tọa độ liên quan đến khâu thứ i so với hệ tọa độ cố định Công thức tổng quát cho ma trận tích này là T = A1 A2 Ai, với i chạy từ 1 đến n.
Trong trường hợp i = n, với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với điểm tác động cuối (End-Effector) thì ta có:T =T E n x y n 1 2 n s a p s a p
Ở đây tọa độ điểm cuối là: D(d ,d ,d ) x y z , còn điểm P quyết định vị trí của điểm D.
Vì vậy vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối được cho bởi ma trận:
Nhân 3 ma trận đầu với nhau ta được:
Nhân 3 ma trận còn lại với nhau ta được:
Ta có phương trình cân bằng sau: 0 A = A A 6 0 3 3 6
Trong các phương trình trên: i i
C =cosθ ; S =sinθ i i ; C =cos(θ +θ ) ij i j ; S =sin(θ ij i θ ) j ;
Tính toán nhân các ma trận ta thu được ma trận 0 A 6 là:
Biết được các giá trị của θ i cho phép xác định hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối bằng cách thay thế các giá trị này vào công thức tính toán.
2.1.3 Bài toán động học ngược
Khi áp dụng phương pháp chung để giải bài toán động học ngược với n=6, một trong những thách thức lớn là xác định phương trình phù hợp nhằm tìm ra góc θ i dưới dạng công thức với các ký hiệu tổng quát.
Hiện nay, chưa có thuật toán chung nào để xác định tập nghiệm cho bài toán động học ngược của tất cả các robot Phương pháp “các nhóm 3” được giới thiệu sau đây cho phép xác định góc θ i một cách dễ dàng và trực quan hơn.
Vị trí của một điểm trong không gian 3 chiều được xác định qua việc phân robot thành các nhóm 3, với công thức tổng quát n=3+3+3… Tuy nhiên, gốc tọa độ của các nhóm 3 từ nhóm thứ hai trở đi cần được xác định rõ Trong công nghiệp, robot thường chỉ có tối đa 6 bậc tự do, vì vậy việc phân nhóm 3+3 là hợp lý cho các thao tác thực tế Thao tác đầu tiên là robot đưa bàn kẹp gần vị trí làm việc, được gọi là thao tác “thô” Sau đó, bàn kẹp sẽ được điều chỉnh nhỏ và xoay để phù hợp với công việc, được gọi là thao tác “tinh” Do đó, các nhóm 3+3 tương ứng với các thao tác “thô+tinh”.
Hệ thống điều khiển của Robot KUKA KR6/2
Mở đầu
KUKA Robotics, một công ty chế tạo đến từ Đức với hơn 100 năm kinh nghiệm, chuyên sản xuất robot công nghiệp và cung cấp giải pháp tự động hóa Công ty nổi bật với nhiều loại Robot KUKA linh hoạt và chính xác, nhờ vào hệ thống điều khiển tối ưu và ứng dụng công nghệ hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Hình 1.1.1.a.1.2.3 Hệ thống điều khiển của Robot KUKA
1 là tay máy Robot KUKA
2 là bảng điều khiển (Teach pendant hoặc Control Panel) 3,5,6,7 là các cáp kết nối
Robot KUKA không chỉ hoạt động hiệu quả trong dây chuyền sản xuất mà còn có khả năng kết nối thành hệ thống tự động hóa, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Sự phối hợp đồng bộ giữa các dây chuyền và hệ thống điều khiển cấp trên trong nhà máy giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Hình 1.1.1.a.1.2.4 Hệ thống Robot KUKA trong dây chuyền sản xuất
Robot KUKA được trang bị bộ điều khiển chuyên dụng, có khả năng xử lý tính toán, lưu trữ và kết nối với các thiết bị bên ngoài, từ đó gửi lệnh đến các động cơ trên tay máy để thực hiện nhiệm vụ cụ thể Việc giám sát và điều khiển cấp cao được thực hiện bởi các PLC, máy tính và phần mềm đi kèm, cho phép điều khiển quá trình, nhận diện lỗi và khởi động chương trình.
Cấp điều khiển máy tính sẽ đảm nhiệm việc lập trình chương trình hoạt động của robot, giám sát, lưu trữ dữ liệu của tay máy robot.
Bộ điều khiển
Bộ điều khiển hoạt động như bộ não của robot, quản lý hoạt động của tay máy theo chương trình đã được lập trình sẵn hoặc thông qua điều khiển trực tiếp từ bảng điều khiển Ngoài ra, bộ điều khiển còn thu thập dữ liệu từ các cảm biến và gửi thông tin về máy tính, đồng thời phát lệnh cho tay máy thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.
Bộ điều khiển có các đặc điểm chính như sau:
- Nhớ, lưu chương trình điều khiển và trạng thái của hệ thống cấp bởi cảm biến.
- Một khối tính toán (CPU) để xử lý các thông tin và đưa ra các lệnh điều khiển.
- Phần cứng thích hợp để giao tiếp với thế giới bên ngoài (cảm biến, nguồn truyền động, )
- Phần cứng cho giao diện người máy.
Thông tin về trạng thái hệ thống được cảm biến lưu trữ trong bộ nhớ của thiết bị, thường là máy tính Khối tính toán (CPU) xử lý thông tin và phát tín hiệu điều khiển cho tay máy thực hiện chương trình lập trình sẵn Do đó, bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của Robot KUKA, với tốc độ xử lý ảnh hưởng lớn đến độ linh hoạt và chính xác của tay máy robot.
Bộ điều khiển Robot KUKA nổi bật với khả năng lập trình và chỉnh sửa chương trình dễ dàng, cho phép người dùng thực hiện nhiều lần thông qua bảng điều khiển hoặc máy tính sử dụng phần mềm chuyên dụng.
Hình 1.1.1.a.1.2.5 Nguyên lý điều khiển Robot KUKA
Hiện nay, KUKA cung cấp nhiều dòng bộ điều khiển như KUKA KR C1, KR C2, KR C3, KR C4 và KUKA Sunrise Mỗi dòng bộ điều khiển được phân chia thành các loại phù hợp với nhu cầu và quy mô ứng dụng cụ thể của khách hàng Chẳng hạn, dòng KUKA KRC4 có 5 loại: KRC4 compact, KRC4 smallsize-2, KRC4, KRC4 midsize và KRC4 extended, với sự khác biệt về kích cỡ, cấu hình phần cứng, cấp bảo vệ IP và khả năng điều khiển nâng cao.
KUKA KR C1 cung cấp một giải pháp tủ nhỏ gọn và có thể xếp chồng, giúp tiết kiệm không gian tối ưu cho dây chuyền sản xuất.
KR C1 tích hợp chức năng chẩn đoán robot, cho phép hoạt động master/slave và chẩn đoán từ xa qua internet Thiết bị này hỗ trợ chuẩn DeviceNet và Ethernet, đồng thời cung cấp khả năng cấu hình chuyển động tối ưu giữa động cơ robot và vận tốc của chúng.
KUKA KR C3 là một tủ điều khiển nặng 31kg, tích hợp công nghệ tiên tiến trong một thiết kế nhỏ gọn Thiết bị này cung cấp chương trình ứng dụng định hướng công nghệ và đạt tiêu chuẩn xếp hạng IP20 Được trang bị bộ xử lý Intel Celeron, KUKA KR C3 cho phép lập trình ứng dụng để tương tác hiệu quả với robot KUKA và điều khiển thông qua bảng điều khiển Ngoài ra, bộ điều khiển còn hỗ trợ tiêu chuẩn DeviceNet và CAN, với tùy chọn INTERBUS có sẵn.
KUKA KR C4 mang đến sự an toàn và linh hoạt vượt trội với sức mạnh và trí thông minh cao hơn bao giờ hết Bộ điều khiển này sở hữu kiến trúc mới đột phá, cung cấp các tiêu chuẩn dữ liệu mạnh mẽ và dễ dàng tích hợp, bảo trì Với cơ sở dữ liệu chung và kiến trúc phần cứng phối hợp giữa SafetyControl, RobotControl, MotionControl, LogicControl và ProcessControl, KR C4 cho phép sử dụng và chia sẻ thông tin một cách thông minh Đặc biệt, KR C4 dễ dàng điều khiển và có kiến trúc mở, cải thiện tính linh hoạt khi kết hợp với robot KUKA và các thiết bị CNC, PLC.
KUKA Sunrise Cabin mang đến thiết kế mạnh mẽ nhưng nhẹ, là bộ điều khiển tương lai với sức mạnh, an toàn, linh hoạt và thông minh Nó cung cấp nhiều tù
Phần này sẽ đi sâu vào trình bày chi tiết bộ điều khiển KUKA KR C4.
Tính năng của bộ điều khiển KUKA KR C4:
- Đơn giản để lên kế hoạch, vận hành và bảo trì
- Tiếp tục các công nghệ điều khiển dựa trên máy tính đã được chứng minh bởi thực tế
- Hoạt động nhanh chóng và dễ dàng nhờ tiếp tục sử dụng các khái niệm điều khiển toán tử quen thuộc
- Mở rộng tập hợp các lệnh để lập trình đường dẫn thân thiện với người dùng hơn
- Khả năng tương thích cao với các chương trình điều khiển trước đây
- SafetyControl, RobotControl, LogicControl, MotionControl, ProcessControl trong một hệ thống điều khiển đơn
- Giao tiếp thời gian thực giữa các quá trình điều khiển chuyên dụng
- Các dịch vụ cơ bản trung tâm cho tính nhất quán dữ liệu tối đa
- Tích hợp liền mạch công nghệ an toàn cho các lĩnh vực ứng dụng hoàn toàn mới
- Tường lửa tích hợp phần mềm để bảo mật tốt hơn
- Các chức năng phần mềm sáng tạo để tối ưu hóa hiệu quả năng lượng
- Nền tảng công nghệ tương thích trong tương lai không có phần cứng độc quyền
- Hỗ trợ bộ xử lý đa lõi cho hiệu năng có thể mở rộng
- Thẻ nhớ tích hợp cho dữ liệu hệ thống quan trọng
- Được thiết kế cho 400-480VAC
- Khái niệm quạt mới cho hiệu suất năng lượng tối ưu
- Bảo trì miễn phí làm mát mà không có bộ lọc thảm
- Hiệu suất cao nhất trong không gian nhỏ nhất có thể
- Tính khả dụng tối đa
Cấu tạo của một bộ điều khiển KUKA KRC4 gồm 2 box chính:
1 là phần điều khiển (Control box)
2 là phần nguồn (Drive box)
Hình 1.1.1.a.1.2.6 Bộ điều khiển KUKA KR C4
Phần Control box gồm các bộ phận dưới đây:
Hình 1.1.1.a.1.2.7 Cấu tạo của Control box
1 là quạt 7 là công tắc nguồn
2 là ổ cứng 8 là phần giao diện kết nối
3 là bộ cấp nguồn điện áp thấp 9 là tùy chọn
4 là thẻ nhớ 10 là bảng mạch chủ
5 là bộ điều khiển tủ 11 là pin
6 là phần ngoài của giao diện kết nối
Control box chịu trách nhiệm cho các chức năng sau của robot:
- Giao diện đồ họa người dùng
- Tạo chương trình, chỉnh sửa, lưu trữ và bảo trì
- Điều khiển mạch truyền động
- Giao tiếp với ngoại vi bên ngoài (bộ điều khiển khác, máy tính chủ, PC, mạng)
Hình 1.1.1.a.1.2.8 Cấu tạo của Drive box
1 Đầu nối động cơ X20; 2 Điện trở xả; 3 Phần cấp nguồn nhỏ; 4 Bộ lọc chính;
5 Phần điều khiển Servo KUKA; 6 Quạt.
Drive box làm nhiệm vụ sau:
- Tạo điện áp nguồn trung gian
- Kiểm tra điện áp mạch nguồn trung gian ở chế độ hãm
Bảng Điều khiển
Bảng điều khiển KUKA đóng vai trò là giao diện kết nối giữa bộ điều khiển robot và robot Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về các nút và biểu tượng, cũng như giao diện HMI dành cho người dùng.
Các phím chức năng quan trọng:
- Một hành động đã được bắt đầu có thể bị hủy bỏ bất cứ lúc nào bằng phím ESC.
Bạn có thể dễ dàng chuyển đổi giữa các chương trình, trạng thái và thông báo bằng cách sử dụng phím window selection Cửa sổ hoạt động sẽ được đánh dấu bằng một nền màu xanh để dễ nhận diện.
- Bấm phím Stop sẽ dừng chương trình đang chạy ở chế độ tự động.
- Nhấn phím Program start forwards sẽ bắt đầu một chương trình đã được chọn.
- Nếu phím Program start backwards được nhấn, các khối chuyển động được thực hiện từng bước vào đầu chương trình.
- Phím Enter được sử dụng, để hoàn thành các lệnh hoặc để xác nhận các mục trong biểu mẫu
- Các phím menu được sử dụng để mở các menu trong thanh menu Điều hướng được thực hiện với sự trợ giúp của các phím mũi tên.
- Các phím status được sử dụng để chọn tùy chọn vận hành, chuyển đổi riêng lẻ chức năng và giá trị cài đặt.
- Các chức năng của phím softkeys được điều chỉnh linh hoạt với dòng điện yêu cầu, tức là việc gán thanh phím chức năng bị thay đổi.
- Công tắc chọn chế độ mode selector lựa chọn các chế độ T1(Test 1), T2(Test 2), Automatic, Automatic External.
- Chế độ Jog và thực hiện chương trình
Jogging bằng cách sử dụng các phím trạng thái +-
Chế độ chương trình: Jogging bị vô hiệu hóa
Chế độ GO: Việc thực hiện chương trình được tiếp tục miễn là
“Program start forwards” vẫn được nhấn
Chế độ một bước: Đối với mỗi lệnh chuyển động, “Program start forwards” được nhả ra và nhấn lại một lần nữa.
Di chuyển lùi: Xuất hiện tự động khi nhấn “Program start backwards”.
Vận tốc chương trình tính theo phần trăm (POV) cho biết tốc độ chuyển động của robot trong quá trình thực hiện Cụ thể, trong chương trình T1, vận tốc tối đa đạt 250 mm/giây; trong khi đó, chương trình T2 có vận tốc quá trình tối đa khác nhau.
Vận tốc Jog tính theo% (HOV): Vận tốc chuyển động của robot khi Jog bằng phím Jog hoặc chuột 6D, T1 & T2: tối đa 250 mm / giây
Hình 1.1.1.a.1.2.10 Màn hình HMI của bảng điều khiển
1 cửa sổ chính 2 cửa sổ tùy chọn 3 cửa sổ thông báo
- Main window: cửa sổ chính hiển thị Bộ điều hướng hoặc chọn hoặc mở chương trình.
Cửa sổ tùy chọn là một công cụ liên kết với các chức năng chuyên dụng hoặc hỗ trợ công việc tuần tự Nó không hiển thị liên tục trong giao diện người dùng và chỉ cho phép mở một cửa sổ tùy chọn tại một thời điểm.
Cửa sổ thông báo hiển thị các thông báo lỗi, tin nhắn hệ thống và tin nhắn hộp thoại Nếu không có tin nhắn hiện tại, cửa sổ thông báo sẽ không được hiển thị, chẳng hạn như khi tất cả các tin nhắn đã được thừa nhận.
Màn hình chia thành các box:
Input box: nhập vào một giá trị hoặc một văn bản
List box: Một tham số có thể được chọn từ một danh sách
Check box: Một hoặc nhiều tùy chọn có thể được chọn
Option box: Một tùy chọn có thể được chọn
Thanh trượt: Một giá trị theo tỷ lệ có thể được chọn
Hộp này có thể được tổ chức thành các nhóm, mỗi nhóm được xác định bởi một khung riêng biệt Tên của nhóm thường xuất hiện ở góc trên bên trái của khung đó.
1 Trạng thái của bàn phím số 2 Trạng thái chữ hoa / chữ thường
3 S: Trạng thái của trình thông dịch; I / O: Trạng thái của các ổ đĩa; R: Trạng thái của chương trình
4 Tên của chương trình đã chọn 5 Số khối hiện tại
6 Chế độ hoạt động hiện tại 7 Cài đặt ghi đè hiện tại
8 Tên người máy 9 Giờ hệ thống
Hệ tọa độ trên HMI:
Jogging là hệ tọa độ theo từng khâu khớp của robot, cho phép di chuyển mỗi trục riêng biệt theo hướng thuận hoặc nghịch Phương pháp này được ứng dụng để xác định các điểm một cách thô, và có thể đổi chế độ thông qua việc tác động bằng phần mềm.
Hệ thống tọa độ vuông góc với gốc tại góc phòng hỗ trợ chuyển động của robot đến mọi điểm trong không gian thông qua bàn phím hoặc chuột 6D Đây là công cụ quan trọng cho việc hiệu chuẩn và điều khiển BASE.
Hệ tọa độ vuông góc trên công cụ robot cho phép chuyển động chính xác theo một đường thẳng, ngay cả khi công cụ đang nghiêng Điều này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng như hàn hoặc khi sử dụng chức năng kẹp trên công cụ làm việc.
ROBROOT- Hệ tọa độ nằm ở đế robot
Hệ tọa độ vuông góc BASE được thiết lập trên đối tượng làm việc, giúp xác định chuyển động của nó Trong khu vực ứng dụng này, người dùng có thể sử dụng chuột để điều chỉnh Việc jogging tay máy sẽ tác động đến đối tượng làm việc, đặc biệt khi trục X dương của hệ tọa độ BASE hướng về phía lập trình viên.
Hình 1.1.1.a.1.2.13 Tham chiếu giữa các hệ tọa độ robot KUKA
Việc chuyển đổi giữa các hệ tọa độ robot được bộ điều khiển đảm nhiệm:
Phần mềm lập trình
3.4.1 Các phương pháp lập trình Robot KUKA
Bảng điều khiển là công cụ hữu ích để điều khiển hoạt động của robot, cho phép người dùng dễ dàng quan sát vị trí của cánh tay robot Bằng cách sử dụng các nút nhấn và chuột 6D, người dùng có thể đưa dụng cụ và tay máy đến các vị trí quan trọng và đánh dấu chúng bằng ký hiệu như P1, P2 Việc lưu trữ các vị trí này là cần thiết trong quá trình thực hiện công việc, và người dùng có thể tiếp tục điều khiển cánh tay robot đến các điểm khác để thao tác cho đến khi hoàn thành chương trình.
Một thách thức lớn trong việc điều khiển robot bằng bảng điều khiển là khó khăn trong việc đưa cánh tay robot đến tọa độ chính xác do chỉ dựa vào quan sát bằng mắt thường Vì vậy, phương pháp này thường không được áp dụng rộng rãi và chỉ thích hợp cho những công việc đơn giản không yêu cầu độ chính xác cao Sau khi được huấn luyện, robot có khả năng thực hiện lại các động tác mà nó đã học để hoàn thành nhiệm vụ.
Có thể lập trình điều khiển robot qua máy tính và chuyển chương trình cho robot thực hiện các lệnh mà không cần quan sát trực tiếp Người lập trình chỉ cần biết tọa độ các điểm cần đến để lập trình chính xác Phương pháp này mang lại độ chính xác cao cho các điểm mà robot cần tới trong quá trình làm việc, nhưng cũng yêu cầu sự tỉ mỉ và tính toán kỹ lưỡng trong quá trình lập trình.
Phương pháp điều khiển robot này ngày càng được ưa chuộng nhờ vào độ chính xác cao Người dùng có thể lập trình và điều khiển robot theo đường dẫn cụ thể Cụ thể, người điều khiển sẽ trực tiếp thao tác với dụng cụ di chuyển, trong khi máy tính ghi nhớ và tái hiện lại các chuyển động của robot một cách chính xác.
Như vậy, các phương pháp điều khiển robot:
Điều khiển theo đường dẫn cho phép người dùng cầm trực tiếp dụng cụ để di chuyển một cách chính xác Máy tính sẽ ghi nhớ các chuyển động này và điều khiển robot thực hiện lại với độ chính xác cao.
+ Dạy học robot: thông qua bảng điều khiển, robot sẽ ghi nhớ những vị trí được dạy và sẽ được điều khiển tuần tự chuyển động
+ Lập trình offline: dùng phần mềm máy tính lập kế hoạch và chương trình chuyển động mà không cần dùng tới phần cứng của robot
+Lập trình Autonomous(tự trị): được điều khiển bởi máy tính kết hợp các cảm biến không có sự can thiệp của con người.
Điều khiển từ xa cho phép người dùng điều khiển chuyển động của robot thông qua một cần điều khiển, mang lại trải nghiệm tương tác thực tế Người dùng có thể cảm nhận những gì robot trải nghiệm thông qua các giao tiếp xúc giác, tạo ra sự kết nối mạnh mẽ giữa con người và công nghệ.
+ Telerobotic: kết hợp giữa điều khiển tự vận hành và điều khiển từ xa
Sau khi điều chỉnh robot đến vị trí mong muốn thông qua bảng điều khiển, bạn cần sử dụng phần mềm chuyên dụng Trong phần mềm, hãy chọn Menu Commands/Motion để chọn kiểu chuyển động và nhập các thông số cần thiết cho chuyển động.
Ta được 3 kiểu chuyển động như sau:
Điều khiển dịch chuyển theo điểm PTP
Điều khiển dịch chuyển đường thẳng (tuyến tính) LIN
Điều khiển dịch chuyển theo đường tròn(phi tuyến)CIRC
Các lệnh này phải được đặt giữa đoạn chương trình đã mặc định của robot
Sau khi hoàn thành việc dạy điểm và nhập các dòng lệnh, cần tiến hành kiểm tra lỗi chương trình Nếu không phát hiện lỗi nào, máy tính sẽ thông báo đã sẵn sàng để chạy chương trình điều khiển.
3.4.3 Lập trình điều khiển theo phần mềm offline a) Đặc điểm của phần mềm:
Here is the rewritten paragraph:Phần mềm lập trình KUKA SimPro là giải pháp tối ưu hóa việc sử dụng các hệ thống và robot, giúp đạt được mức độ linh hoạt và năng suất cao hơn Với khả năng lập trình đồ họa trong môi trường ảo, KUKA SimPro định hướng tương lai, giúp hệ thống luôn sẵn sàng cho nhiệm vụ và quy trình sản xuất.
Hình 1.1.1.a.1.2.14 Phần mềm KUKA SimPro
KUKA SimPro là phần mềm lập trình ngoại tuyến cho robot KUKA, cho phép phân tích thời gian chu kỳ và tạo chương trình robot hiệu quả Ngoài ra, nó còn hỗ trợ kết nối thời gian thực với bộ điều khiển KUKA ảo, KUKA OfficeLite.
KUKA SimPro là công cụ quan trọng để xây dựng các thành phần tham số và xác định hệ thống động học trong KUKA Sim, đồng thời bao gồm KUKA OfficeLite trong gói Sử dụng KUKA SimPro mang lại nhiều lợi ích và chức năng hữu ích cho người dùng.
- Ứng dụng toàn diện, tích hợp CAD CATIA V5, JT, STEP, v.v.
- Ứng dụng 64 bit cho hiệu suất CAD cao nhất
- Chức năng xuất video AVI HD và 3D PDF
- Giao diện PLC OPC UA cho Beckhoff TwinCat, CODESYS hoặc SIEMENS PLCSIM Advanced
+ Chức năng của phần mềm KUKA.Sim
KUKA SimPro mang đến giải pháp lập trình ngoại tuyến tối ưu với giao diện người dùng trực quan và nhiều chức năng, mô-đun đa dạng, giúp nâng cao hiệu quả công việc.
+ Tạo bố cục dễ dàng
+ Danh mục điện tử và mô hình tham số
Hầu hết các thành phần trong eCatalog đều có tham số định nghĩa, cho phép người dùng tùy chỉnh các yếu tố như chiều cao và chiều rộng của hàng rào an toàn Danh mục điện tử này bao gồm nhiều thành phần khác nhau như kẹp, băng tải và hàng rào an toàn, đáp ứng nhu cầu đa dạng của người dùng.
+ Kiểm tra khả năng tiếp cận và phát hiện va chạm
Với tính năng kiểm tra khả năng tiếp cận và phát hiện va chạm, các chương trình robot có thể được đảm bảo sự tồn tại và tối ưu hóa bố trí vị trí.
+ Lập trình ngoại tuyến mạnh mẽ, thân thiện với người dùng