Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R)

Bài tập lớn Robot Công nghiệp KuKa Robot (6R)

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay robot đã được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực như sản xuất, công nghiệp, công nghệ cao như vũ trụ, hàng không, giao thông vận tải… Các nước phát triển đã xuất hiện xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị

tự động có tính linh hoạt cao và xu hướng này đã đạt được khá nhiều kết quả khả quan Chính vì thế việc nghiên, ứng dụng và phát triển các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt ngày càng trở nên cấp thiết, nhất là các loại robot Robot công nghiệp có cấu trúc động học nối tiếp tuy đã được nghiên cứu và phát triển mạnh song những tính toán và ứng dụng của nó luôn luôn là một lĩnh vực rất phong phú, đa dạng và đây cũng là loại robot thông dụng nhất hiện nay Trong

đó có KUKA KR - một loại tay máy 6 bậc tự do hoạt động rất linh hoạt, được ứng dụng nhiều lĩnh vực sản xuất và trong công nghiệp Trong đồ án này sẽ nghiên cứu loại robot này về các phần động học, động lực học, miền làm việc cũng như phần mô phỏng lập trình sử dụng các phần mềm hỗ trợ

Hà Nội, 5/2011

Vũ Ngọc Trọng

Cơ điện tử 2 – K52

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ ROBOT CHUỖI HỞ

1.1 Sự ra đời của robot

Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm

“Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai của ông

đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người

Hơn 20 năm sau, ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ

Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961 ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kì

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì (American Machine and Foundry Company) Đến năm 1990

đã có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi và Mitsubishi đã đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng Cho đến nay, công nghệ chế tạo robot đã phát triển mạnh và được ứng dụng nhiều trong đời sống và sản xuất

1.2 Phân loại robot

1.2.1 Phân loại theo số bậc tự do (BTD) trong trường công tác

Robot có 2 loại chuyển động cơ bản làm chuẩn :

- Chuyển động thẳng theo các trục X, Y, Z trong không gian Đề-các với các khớp lăng trụ hay khớp trượt, kí hiệu là P hoặc T

- Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu là R

Tùy số BTD và và cách tổ hợp T-R, robot sẽ hoạt động trong trường công tác với các hình khối khác nhau Ví dụ: Robot có trường làm việc là hình trụ như RRT, 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

Một robot được gọi là robot chuỗi hở (robot tuần tự - serial robot) nếu cấu trục động học của chúng có dạng một chuỗi động hở; gọi là robot song song

(parallel robot) nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi đóng; và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao gồm cả 2 loại này

1) Robot chuỗi hở (robot nối tiếp – Serial Manipulators)

Đây là dạng phổ biến nhất của robot công nghiệp Thường có dạng cấu trúc giống cánh tay người, là một chuỗi các khâu rắn liên kết với nhau bằng các khớp (joints) có dạng như vai, khuỷu tay và cổ tay Robot này có ưu điểm chính

là vùng làm việc (workspace) rộng và linh động Dưới đây ta đưa ra các bộ phận chính của một robot 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

Nhược điểm:

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

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

- Do phải mang và chuyển động cùng các bộ dẫn động (thường là các động cơ)

có khối lượng lớn nên tốc độ nên tốc độ làm việc không cao

- Khả năng mang tải không cao

Robot loại này yêu cầu phải có ít nhất 6 BTD trong không gian (ứng với 6 BTD của đối tượng làm việc) để có thể tiếp cận được đối tượng ở vị trí bất kì với khả năng định hướng trong miền làm việc của nó Chính vì vậy chủ yếu là robot có 6 khớp, như các loại robot Stanford (RRTRRR), KUKA (6R), Elbow (6R), Puma (6R) …với ứng dụng chính trong công nghiệp hiện nay là lắp ráp, vận chuyển phôi và sản phẩm trong quá trình sản xuất

Hình 1.1 IRB660-palletiser của hãng

ABB Robotics.

2) Robot song song (Parallel Manipulator)

Loại robot song song điển hình thường có bàn chân di chuyển được nối với giá cố định bằng một số nhánh hay chân Do vậy, các khâu chỉ chịu lực kéo hoặc lực nén, không phải chịu uốn Thường số chân chính bằng số BTD, các chân được điều khiển bằng một nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên thân của chân

Ưu điểm:

- Khả năng chịu tải lớn vì tải trọng được

chia cho các chân,

- Tốc độ cao hơn và chính xác hơn, cấu

trúc gọn nhẹ hơn,

- Do tốc độ cao và chính xác cao nên có

thể hoạt động như một máy phay, ngày

nay đã được áp dụng vào việc phay các

bề mặt gia công cần độ chính xác cao,

năng suất

- Nhiều ứng dụng: Mô phỏng tạo song,

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

Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm vì gặp phải một số trở ngại như không gian làm việc nhỏ, các chân có thể va chạm lẫn nhau cũng như việc thiết

kế rất khó khăn

3) Robot di chuyển (Mobile Robot)

Đơn giản như loại ôtô, xe đạp với các bánh lái có 2 BTD Hiện nay dùng trong chuyên chở vật liệu trong nhà may rộng, bệnh viện, văn phòng …

4) Robot giống người (Humanoid Robot)

Nói một cách đơn giản, robot này có dạng hình dáng con người, 2 chân, 2 tay, đầu, và dung các cơ cấu đó với chuyển động như các bộ phận của con người

Hình 1.2 ABB’s IRB340 palletising robot

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

1.3 Tay máy (Manipulator)

Thuật ngữ “tay máy” và robot trong quan niệm của nhiều nhà chuyên môn trong lĩnh vực này không có sự khác biệt Để thuận tiện trong trình bày, ở đây

Tay máy hay có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghiệp thông thường là một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được kết nối với nhau nhờ các khớp động Khâu cuối của tay máy thường có dạng một tay gắp hoặc được gắn dụng cụ công tác Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chung được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí vận tốc dịch chuyển của khâu cuối – khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển đông của các khâu thành phần

1.4 Một số robot chuỗi hở thường gặp

1.4.1 Tay máy tọa độ 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:

Loại robot này thích hợp với công việc gắp vật thể và đặt chúng vào vị trí khác Các ứng dụng có thể là đóng gói, lắp ráp máy móc, cầm nắm các máy công cụ hoặc hàn theo hình cung Đối với loại robot này, cánh tay được tạo thành từ 3 khớp trượt mà trục của chúng trùng với hệ trục tọa độ Đê-các

Ưu điểm:

- Không gian làm việc lớn, có thể

dài đến 20m,

- Đối với loại gắn trên trần sẽ dành

được diện tích sàn lớn cho các

công việc khác,

- Hệ thống điều khiển đơn giản

Hạn chế: Việc thêm vào các loại cần

trục hay các loại thiết bị vận chuyển vật

liệu khác trong không gian làm việc

của robot không được thích hợp

lắm.Việc duy trì vị trí của các cơ cấu dẫn động và các thiết bị dẫn động điện đối với loại trên đều gặp nhiều trở ngại

1.4.2 Tay máy tọa độ trụ (Cylindrical robot)

Trong ba chuyển động chính , robot được trang bị hai chuyển động tịnh tiến

- Có khả năng chuyển động ngang

và sâu vào trong các máy sản xuất,

- Cấu trúc theo chiều dọc của máy

để lại nhiều khoảng trống cho sàn,

- Kết cấu vững chắc, có khả năng

mang tải lớn,

- Khả năng lặp lại tốt

Nhược điểm duy nhất là giới hạn tiến về phía trái và phía phải do kết cấu cơ

khí và giới hạn các kích cỡ của cơ cấu tác động theo chiều ngang

Hình 1.3 Tay máy tọa độ vuông góc

(Cartesian Robot)

Hình 1.4 Tay máy tọa độ trụ (Cylinderical

Robot)

1.4.3 Tay máy tọa độ cầu (Spherical/Polar robot)

Robot loại này được bố trí có ít nhất hai

chuyển động quay trong ba chuyển động

định vị Dạng robot này là dạng sử dụng

điều khiển servo sớm nhất

Được sử dụng để cầm nắm các dụng cụ,

hàn điểm, đánh bóng, hàn hơi hoặc hàn

theo cung Trục của robot tạo thành hệ tọa

độ cầu

1.4.4 Tay máy toàn khớp bản lề

Loại cấu hình dễ thực hiện nhất được

ứng dụng cho robot là dạng khớp nối bản

lề và kế đó là dạng ba trục thẳng, gọi tắt là dạng SCARA (Selective Compliance

Assembly Robot Arm) Dạng này và dạng tọa độ trụ là phổ cập nhất trong ứng

dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất robot sử dụng một cách trực tiếp và dễ dàng các cơ cấu tác động quay như các động cơ điện, động

cơ dầu ép, khí nén

Được sử dụng để gắp nhả vật, đóng gói, lắp ráp hay cầm nắm máy công cụ

Robot có 2 khớp xoay song song với nhau cho phép thao tác trên mặt phẳng

Hình 1.5 Tay máy tọa độ cầu (Polar

Robot)

Hình 1.6 Robot SCARA

1.4.5 Về KUKA Robotics

Hình 1.7 Robot KUKA KR 6/2 và 15/2 của KUKA Robotics

KUKA được thành lập vào năm 1898 tại

Augsburg, Đức, tên là Keller und Knappich

Augsburg Có công ty mẹ là KUKA Roboter

GmbH, đặt tại Augsburg - Đức, KUKA

Robotics là một trong những nhà sản xuất hàng

đầu thế giới về robot công nghiệp với khối

lượng hàng năm đạt gần 10.000 con Dải robot 5

và 6 trục có tải trọng từ 3kg đến 570 kg và tầm

với từ 635mm đến 3700mm, đều được điều

khiển từ một nền tảng bộ điều khiển dựa trên

PC; riêng KUKA KR 1000 – robot khỏe nhất

thế giới của KUKA, là loại robot có 6 trục được

làm bằng titan Khả năng nâng của nó lên đến

1000 kg và tầm với là 3200 mm Và nó được thiết kế nhắm tới các ứng dụng đặc biệt nặng Do vậy, nó rất lý tưởng cho các ngành công nghiệp như sản xuất vật liệu xây dựng, ôtô và giặt là

Robot của KUKA được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, gồm sản xuất thiết bị gia dụng, sản xuất ô tô, không gian, sản xuất hàng tiêu dùng, chế biến thực phẩm, dược, y, đúc khuôn, nhựa, và trong nhiều ứng dụng phức hợp khác như vận chuyển vật, lắp ráp, đóng gói, xếp-dỡ pallet, hàn, uốn, đánh bóng bề mặt Thông tin chi tiết về tập đoàn có tại trang web www.kukarobotics.com

Hình 1.8 KUKA KR 1000 – robot

khỏe nhất thế giới của KUKA

Vài hình ảnh khác về robot của hãng KUKA :

Hình 1.9 Zepnick Solutions đã chọn

KUKA Robotics cung cấp Robot bằng

thép không gỉ KUKA KR 15 SL cho hệ

thống xử lý và đóng gói thực phẩm

mới của công ty

Hình 1.10 Một khoang làm việc của robot

hãng KUKA đang thao tác với các thùng đồ

uống

Hình 1.11 Một khoang làm

việc của robot đang bỏ bánh

mì nhặt từ băng chuyền vào

1.5 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

Hình 1.14 Các cánh tay robot hàn

Hình 1.13 Robot hàn Motoman EA1400

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

KUKA 6 BẬC TỰ DO

2.1 Tính toán động học robot KUKA 6 bậc tự do

Đây là bước cơ sở cho việc

thiết kế sơ bộ robot, từ đó có

thể giải bài toán điều khiển

robot theo các quỹ đạo Từ đây

ta mới có đủ các thông số để

điều khiển robot theo một quỹ

đạo cho trước hoặc với lực cho

trước ta thu được một quỹ đạo

Thực chất của việc giải bài toán động học là đi giải 2 bài toán động học sau:

+ Bài toán động học thuận: Biết các góc quay của các khớp, tìm vị trí và hướng

của khâu chấp hành cuối cùng

+ Bài toán động học ngược: Cho biết vị trí của khâu chấp hành cuối, tìm các

góc quay của các khớp tương ứng, tức là tìm các thông số điều khiển cho từng khâu để đảm bảo vị trí của khâu chấp hành

Do tính chất của 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 việc trong khoảng thời gian cho trước, robot đi tới đúng vị trí điểm làm việc

Do vậy mà bài toán trở nên đơn giản hơn Nó chỉ cần thỏa mãn các điều

Hình 2.1 Các khớp của Robot KUKA

kiện trong phần thiết kế quỹ đạo là được; tức là vận tốc điểm đầu và điểm cuối bằng 0

- Do điều kiện làm việc mà khi di chuyển từ điểm đầu đến điểm cuối, chúng bắt buộc phải đi qua một số điểm trung gian nhất định Dạng này chúng ta có thể dung phép nội suy để tạo ra một quỹ đạo trơn đi qua các điểm đó Điều kiện liên tục về quỹ đạo và vận tốc được thảo mãn

- Khâu chấp hành phải đi theo một quỹ đạo cho trước và có thể biết trước luật chuyển động dọc theo quỹ đạo nào đó Đây là bài toán điều khiển robot đi theo một quỹ đạo với vận tốc biết trước

Ở đây chúng ta trình bày phần tính toán cho trường hợp này: Điều khiển robot đi theo một quỹ đạo cho trước

Ta xây dựng mối quan hệ động học thông qua bộ thông số DH :

Theo Denavit & Hartenberg, hai ông đã đề xuất dùng ma trận thuần nhất 4x4

để mô tả quan hệ giữa 2 khâu liên tiếp trong cơ cấu không gian

Trước hết, xác định bộ thông số cơ bản giữa 2 trục quay của 2 khớp động i+1

và i:

- ai là độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục khớp động i+1 và i,

- i là góc chéo giữa 2 trục khớp động i+1 và i,

- di là khoảng cách đo dọc trục khớp động i kể từ đường vuông góc chung giữa trục khớp động i+1 và trục khớp động i tới đường vuông góc chung giữa trục khớp động i và trục khớp động i-1

- θi là góc giữa 2 đường vuông góc nói trên

Biến khớp :

- Nếu khớp động i là khớp quay thì θi là biến khớp

- Nếu khớp động i là tịnh tiến thì di là biến khớp

Để kí hiệu biến khớp, ta dùng thêm dấu * và trong trường hợp khớp tịnh tiến thì ai được xem là bằng 0

Hình 2.2 biểu diễn các khớp

quay đặt trên robot KUKA KR 6/2

Trong đó có thể gọi các khớp

A1, A2, A3 lần lượt là khớp hông

(waist), khớp bả vai (shoulder),

khớp khuỷu tay (elbow); tập hợp cả

3 khớp này gọi là cánh tay (arm),

các khớp A1, A2, A3 này quyết

định vị trí của khâu chấp hành cuối

(Điểm P trên hình 2.3 dưới đây)

Các khớp A4, A5, A6 còn lại

được gọi chung là khớp cổ tay

(wrist), chúng quyết định hướng

của khâu chấp hành cuối và có tâm

quay tại điểm P

2) 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 gắn liền với khâu thứ i (gọi là hệ tọa độ thứ i) đặt tại giao điểm giữa 2 đường vuông góc chung (ai) và trục khớp động i+1 Trường hợp 2 trục giao nhau thì gốc hệ tọa độ lấy trùng với giao điểm đó Nếu 2 trục song song với nhau thì chọn gốc hệ tọa độ là điểm bất kì trên trục khớp động i+1 Trục zi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động i+1

Trục xi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung và hướng

từ khớp động i đến khớp động i+1 Trường hợp 2 trục giao nhau thì hướng của trục xi trùng với hướng của vectơ tích zi zi-1, tức là vuông góc với mặt phẳng chứa zi, zi-1 và phương của vectơ tích có hướng

Hình 2.2 Các khớp của Robot KUKA KR 6/2.

Hình vẽ sau đây thể hiện các hệ tọa độ đặt trên robot KUKA KR 6/2 và các thông số động học theo bảng DH:

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí các hệ tọa độ và các thông số động học cho Robot KUKA

Sau khi gắn các hệ trục tọa độ trên các khâu và khớp của robot theo nguyên tắc đã trình bày ở trên, ta có các thông số cho bảng DH như sau:

3) Mô hình biến đổi

Trên cơ sở đã xây dựng các hệ tọa độ với 2 khâu động liên tiếp như trên đã

trình bày, ta có thể thiết lập mối quan hệ giữa 2 hệ tọa độ liên tiếp theo 4 bước

sau đây:

1 - Quay quanh trục zi-1 một góc θi

2 - Tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di

3 - Tịnh tiến dọc trục xi-1 (đã trùng với xi) một đoạn ai