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
Trang 1Bé GI¸O DôC Vµ §µO T¹O TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI
- BïI §øC PH¦¥NG
NGHI£N CøU LËP TR×NH OFFLINE
§IÒU KHIÓN QUü §¹O CHO R¤BèT C¤NG NGHIÖP
Trang 2Mục lục
Lời cam đoan 6
Danh mục bảng biểu 7
Danh mục hình vẽ 8
Danh mục hình vẽ 8
Lời mở đầu 11
Chương 1: Giới thiệu chung về robotcông 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 trường 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
Chương 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
Trang 32.1.2 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 người-máy 33
2.1.7 Khối chuyển đổi năng lượng 35
2.2 Vùng làm việc của rô bốt.(Workcell) 35
3 Các phương 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
Chương 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 chương trình 54
1.2 Đường dẫn- Path 57
1.3 Khái niệm tệp- file 57
1.4 Cấu trúc tệp 58
1.5 Tạo và chỉnh sửa các chương trình 59
1.5.1 Tạo một chương trình mới 59
1.5.2 Chỉnh sửa, biên dịch và kết nối chương trình 60
1.6 Thay đổi chương trình 61
Trang 41.6.1 Chương 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” chương trình 65
1.7 Các chế độ “chạy” chương 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 người 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 ưu 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 đường thẳng 88
Trang 52.2.2 LIN_REL- Chuyển động thẳng theo toạ độ tương 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 tương 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 tương 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 chương trình 110
2.2.15 RESUME- Huỷ bỏ các thủ tục tạm dừng chương trình 114
2.3 Chương trình con 116
2.3.1 Khai báo 117
2.3.2 Gọi một chương 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 dưới 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: Chương trình gia công lập trình bằng teach pandent 139
Trang 6Lời 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 dưới sự hướng 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 Phương
Trang 7Danh 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
Trang 8Danh 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 người 16
Hình 1.6.Robot song song 17
Hình 1.7.Robot di chuyển 18
Hình 1.8 Một số loại robot được 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 thường 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 người 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
Trang 9Hình 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 chương trình KRL 55
Hình 3.3 Tạo một chương trình mới trong KRL 59
Hình 3.4 Các chế độ chạy của chương 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 hướng trong chuyển động theo đường 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 chương trình phụ thuộc vào vị trí và kiểu khai báo 112
Hình 3.19 Gọi các chương trình con trong chương trình chính 117
Hình 3.20 Sự khác nhau giữa chương 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
Trang 10Hình 3.22 Quỹ đạo chuyển động của Robot 126 Hình 3.23 Xác lập các điểm trên quỹ đạo chuyển động 127
Trang 11Do 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 được điểm mạnh của phương pháp lập trình này so với phương pháp lập trình dạy điểm vẫn được 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
Dưới sự hướng 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 được các thầy chỉ bảo thêm để luận văn hoàn thiện hơn
Trang 12Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Văn Hùng, các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình đã hướng 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 Phương
Trang 13Chương 1: Giới thiệu chung về robot
công nghiệp
1 Sự ra đời của robot công nghiệp
Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng yêu cầu ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất Xu hướng 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 trường 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
“Rossum’s Universal Robot” của nhà văn tiệp khắc có tên là 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, ước mơ viễn tưởng 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 được đưa 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 như Hitachi, Mitsubishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng
Trong giai đoạn từ những năm 70 đến những năm 90 ở nhiều nước khác cũng tiến hành các công trình nghiên cứu tương tự, tạo ra các robot điều kiển
Trang 14bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và thiết bị giao tiếp người- máy
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 lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành đã giảm đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt 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 trường 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 các với các khớp lăng trụ hay còn gọi là các khớp trượt, ký hiệu là P
Đề 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 trường công tác với các hình khối khác nhau Ví dụ robot có trường làm việc hình trụ: RRP, RPP, …
Robot cần phải thao tác ngày càng khéo léo, tinh vi trong trường 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 phương án tổ hợp đề thiết lập không gian làm việc (trường công tác) của robot phải đảm bảo tính hợp lý và tính tối ưu với những tính năng kỹ thuật xác định của robot
2.2 Phân loại theo cấu trúc động học
Một robot được 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
Trang 15Đây 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 lượng và cách bố trí các khớp (thường 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 người (Anthropomorphic)
- Tay máy kiểu tọa độ Đề-các, còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp
trượt, 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 được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng
ít khéo léo Vì vậy, tay máy kiểu đề các hay được 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 trượt Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy "thò" được vào khoang rỗng nằm ngang Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng 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 trượt)
được thay bằng khớp quay Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong toạ độ cầu thì mỗi bậc tự do tương 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 được cả các vật ở dưới nền
Trang 16- SCARA, được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại trường 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 trượt, nhưng cả 3 khớp đều có trục song song với nhau Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương
thẳng đứng nhưng kém cứng vững (Compliance) theo phương được chọn (Selective), là phương ngang Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp (Assembly) với tải trọng nhỏ, theo phương 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
Tay máy kiểu tay người
- Tay máy kiểu tay người (Anthropomorphic), có cả 3 khớp đều là các
khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với 2 trục kia Do sự tương tự với
các khớp trên tay người, khớp thứ hai được 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 tương ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu vàsố bậc tự do Tay máy làm việc rất khéo léo, nhưng 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)
Trang 17Loại robot song song điển hình thường có
bàn di chuyển được 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
Thường số chân chính bằng số bậc tự do và các
chân được điều kiển bởi một nguồn phát động đặt
trên giá cố định hoặc ngay trên thân của chân
Robot song song có các ưu điểm:
Hình 1.6.Robot song song
- Khả năng chịu tải lớn vì tải trọng được 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 thước 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 nhưng chậm hơn so với tay máy chuỗi
- Do có tốc độ cao và chính xác cao nên có thể hoạt động như 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 trước tới nay robot chưa hề có
- Từ các robot song song có thể xây dựng nên nhiều ứng dụng, như 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 bước (Waldron, 1984) Thời gian gần đây, robot song song đã được 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 Nhưng nó cũng có nhược điểm vì gặp phải một số trở ngại như không gian làm việc nhỏ, các chân có thể va chạm lẫn nhau và việc thiết kế rất khó khăn
Trang 18Hơn 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 được công bố trên các tài liệu nghiên cứu mới chỉ là những dạng đặc biệt của robot Stewart-Ghough Platform tổng quát Trong những dạng đặc biệt này, các thành phần của khớp cầu đồng tâm vẫn còn tương 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 (như các xe lăn điện)
Robot này hiện nay được dùng trong chuyên
chở vật liệu trong nhà máy rộng, trong các
bệnh viện, văn phòng cần chuyển giấy tờ,…
Hình 1.7.Robot di chuyển
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 thường gặp trong thực tế như hệ bánh răng thường, hệ bánh răng hành tinh, hệ bánh răng sóng, dây đai, bộ truyền xích, hay là bộ truyền vít-đai ốc,…Nhược 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 được nối trực tiếp với nguồn động lực, do đó kết cấu sẽ gọn nhẹ và hạn chế, loại bỏ được các nhược 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 bước, 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
Trang 19Có 2 kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín
Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy
lực, khí nén, ) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng 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 đường (contour)
Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc) Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng Kiểu điều khiển này được 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 được 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 tượng 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 thường 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,
Trang 20Robot leo cÇu thang (General Electric -
USA)
Robot song song dïng trong y tÕ
Robot ch©n nhÖn (Mech
Laboratory-Japan)
RB lµm viÖc d−íi n−íc (OCA)
Robot hµn Robot trong d©y truyÒn l¾p r¸p o t«
Robot trong hÖ thèng s¶n xuÊt linh ho¹t
Trang 21Ngoài ra, người ta cũng có thể phân loại robot theo phương 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 người ta phân thành các thế hệ robot như sau:
Thế hệ 1: Điều kiển theo chu trình dạng chương trình cứng, không có
khẳ năng nhận biết thông tin
Thế hệ 2: Điều kiển theo chu trình dạng chương trình mềm bước đầu có
khả năng nhận biết thông tin, từ năm 1972 Bắt đầu thời kỳ các robot thế hệ thứ hai: robot được điều kiển bằng máy tính có các cơ quan cảm xúc là các cảm biến liên hệ ngược 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 được thừa hưởng 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 như:
- 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 lượng toàn diện
- Sản xuất không dư thừa
- Sản xuất với chiến lược toàn cầu
Trang 22Thế hệ 3: Điều kiển theo dạng tinh khôn có khẳ năng nhận biết thông
tin, có một số chức năng như nghe, nói, nhận biết, phân biệt,…giống con người Đó là các robot có Trình điều kiển thích nghi - Thông minh, robot có trí khôn…Đây 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 lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cảI thiện điều kiện lao động Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot đã đúc kết lại qua nhiều năm ứng dụng robot công nghiệp ở các nước Những ưu điểm đó là:
- Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế robot có thể góp phần nâng cao chất lượng 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 trường cạnh tranh
- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là vì giảm được
đáng kể chi phí cho người lao động, nhất là ở những nước có mức tiền lương cao Theo số liệu của Nhật nếu một robot làm việc thay thế cho một người thợ
Trang 23- Việc ứng dụng robot có thể làm tăng năng suất dây truyền công nghệ
Sở dĩ như vậy là khi tăng nhịp độ khẩn trương của dây truyền sản xuất mà không thay thế con người bằng các robot công nghiệp thì người thợ sẽ không thể theo kịp hoặc chỉ làm việc được trong khoảng thời gian ngắn vì mệt mỏi ứng dụng robot công nghiệp có thể cải thiện điều kiện lao động Đó là
ưu điểm nổi bật nhất mà ta cần quan tâm Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường rất bụi, ẩm ướt, nóng nực, thậm chí là môi trường độc hại (phóng xạ, nhiễm sóng điện từ,
…v.v) rất nguy hiểm đến sức khỏe con người
3.2 Các lĩnh vực ứng dụng
Ngày nay, robot 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 robot cũng ngày càng tham gia nhiều vào các công việc gia đình tại các nước phát triển Tuy nhiên, trong công nghiệp robot vẫn được sử dụng nhiều nhất bởi tính đa năng, linh hoạt và không biết mệt mỏi của nó Robot 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
Như vậy có thể nói khả năng của robot là vô cùng to lớn, nó có khả năng thay thế con người ở rất nhiều các công việc Chính vì thế tiềm năng phát triển của Robot công nghiệp trong tương lai còn rất lớn
Others; 36,9
Electronics; 14,
Hình 1.9: Biểu đồ phân bố robot trong các lĩnh vực
Trang 24Dưới đây là một vài hình ảnh thể hiện khả năng của robot:
Hình 1.10: Robot tham gia vào công việc phun sơn trong công nghiệp
Hình 1.11: Robot xe lăn điều khiển tự
động
Hình 1.12: Rô bốt tham gia lắp rắp
vũ trụ
Trang 25Chương 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
Hình 2.1 Các loại rô bốt
Rôbốt 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
kồng kềnh khối lượng lớn mà tải trọng không lớn Theo thời gian, các thế hệ
rôbốt Kuka tiếp theo ra đời với kích thước nhỏ hơn đồng thời tải trọng cao hơn Khả năng làm việc của rôbôt cũng trở lên đa dạng, không gian làm việc
Trang 26Rôbốt Kuka có nhiều chủng loại phong phú có thể làm được nhiều công việc khác nhau tuy nhiên chúng cùng được thiết kế trên một cơ sở Trước hết đó là việc thực hiện bài toán động học thuận và động học ngược, đây là
công việc hết sức khó khăn trong quá trình thiết kế
Do tính chất của công việc của từng rôbốt là khác nhau nên quỹ đạo hoạt động của nó tạo ra một vài bài toán về điều khiển như sau:
- Nếu không quan tâm tới quỹ đạo chuyển động mà chỉ quan tâm trong khoảng thời gian cho trước rôbốt đi tới đúng vị trí hai điểm làm việc Do vậy mà bài toán trở nên đơn giản hơn Nó chỉ cần thoả mãn các điều kiện trong thiết kế là được Tức là vận tốc tại điểm đầu và điểm cuối của tay máy bằng không
Do tính chất của công việc mà rôbốt chuyển động từ điểm đầu đến
điểm cuối bắt buộc phải qua một số điểm trung gian nhất định Dạng này thì chúng ta có thể sử dụng phép nội suy để tạo ra một quỹ đạo và vận tốc được thoả 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 hai dạng bài toán
điều khiển rôbốt đi theo một quỹ đạo với vận tốc biết trước
2 Các bộ phận cơ bản và tính năng của hệ thống rô bốt kuka
2.1 Các bộ phận cơ bản của hệ thống rô bốt Kuka
Một hệ thống rôbốt Kuka gồm nhiều các bộ phận khác nhau, mỗi bộ phận có chức năng riêng và hoạt động trong sự liên kết với nhau Tuy nhiên, nói chung một hệ thống rôbôt Kuka bao gồm các bộ phận sau:
- Tay máy cơ khí
- Khâu dụng cụ
- Các nguồn động lực và truyền động (động cơ, hộp giảm tốc)
- Cảm biến (sensors)
- Các thiết bị điều khiển
- Giao diện người - máy
Trang 272.1.1 Tay máy rô bốt
Như đã phân tích trong phần phân loại rôbốt, Kuka là loại rôbốt nối tiếp, vì thế tay máy cơ khí của rôbốt Kuka là một chuỗi nối tiếp 6 bậc tự do, mỗi khớp có một động cơ servo là nguồn động lực cho mỗi khớp ấy
Tay máy cơ khí bao gồm 5 khâu nối với nhau bằng các khớp nối quay, các khớp quay này được chế tạo với độ chính xác rất cao nhằm đảm bảo cho quá trình rôbốt vận hành chính xác
Hình ảnh dưới đây chính là bề mặt của mối lắp của các khớp trên cánh tay rôbốt:
Hình 2.2 Các khâu của cánh tay rôbốt Kuka
Trang 28Hình 2.3 :Khớp nối các khâu của rôbốt
Công việc lắp các khâu với nhau cũng đòi hỏi độ chính xác và kỹ thuật cao, chính vì thế con người sẽ đóng vai trò chủ chốt trong quá trình các khâu này được lắp với nhau, dưới đây là một vài hình ảnh tại nhà máy sản xuất rôbốt Kuka tại Cộng hoà liên Bang Đức với các nhà kỹ thuật
Cùng với sự phát triển của khoa học Hãng Kuka đã cho ra đời rất nhiều loại tay máy với kích thước và tải trọng khác nhau giúp giải quyết từng công việc cụ thể một cách dễ dàng ở mọi vị trí Dưới đây là một vài hình ảnh của các loại tay máy rôbốt Kuka
Hình 2.4 : Các loại rôbốt Kuka
Mỗi loại tay máy rôbốt Kuka trong điều kiện làm việc cụ thể sẽ có những thông số kỹ thuật phù hợp yêu cầu công việc Các thông số kỹ thuật của
Trang 292.1.2 Khâu dụng cụ
Khâu dụng cụ là một bộ phận vô cùng quan trọng của rôbốt, tuy theo từng yêu cầu công việc mà người ta sử dụng các loại khâu dụng cụ khác nhau
để đáp ứng được nhu cầu của công việc
Trên thực tế, rôbôt Kuka được ứng rất nhiều trong các ngành công nghiệp vì vậy số lượng các dụng cụ cần thiết cũng rất phong phú và đa dạng.Với khớp nối dụng cụ, tuỳ theo tính chất công việc và tải trọng ta có thể dùng nó để nối với nhiều loại khâu dụng cụ khác nhau cho phù hợp với công việc Dưới đây là một vài hình ảnh về các loại dụng cụ rôbốt Kuka thường dùng trong thực tế sản xuất:
Hình 2.5 Hình ảnh về các loại dụng cụ rôbốt Kuka thường dùng trong thực tế
sản xuất
Ngoài ra một số loại tay kẹp, dụng cụ gắp còn có các dụng cụ chuyên dùng như bút vẽ, mỏ hàn, đầu phun sơn cũng là các dụng cụ thường dùng trong thực tế để lắp ghép với khớp nối dụng cụ thực hiện các công việc mang
đặc thù riêng
Trong các loại khâu dụng cụ thông dụng nhất thì khâu dụng cụ mỏ kẹp cũng là một loại khâu dụng cụ rất hay được sử dụng trong thực tế Các loại
Trang 30khâu dụng cụ mỏ kẹp hoạt động theo nguyên tắc sử dụng hệ thống khí nén cùng vơi các van khí điều chỉnh hoạt động của các ngón tay kẹp và nhả các chi tiết Một vài loại mỏ kẹp được thể hiện qua các hình ảnh sau
2.1.4 Các loại cảm biến
Trong một hệ thống rôbôt có rất nhiều loại cảm biến khác nhau được sử dụng, mỗi loại thực hiện một chức năng riêng để nhận biết một thông số đầu vào nhất định của môi trường Một số loại cảm biến thường dùng trong hệ thống rôbốt là:
Trang 31Bộ điều khiển của đóng vai trò như bộ não của rôbốt, nó cung cấp trí thông minh điều khiển tay máy hoạt động theo một chương trình có sẵn hoặc
điều khiển trực tiếp từ bảng điều khiển (giao diện người và máy) Bộ điều khiển cũng lấy thông tin từ các cảm biến truyền vào máy tính xử lý thông tin qua đó máy tính đưa lệnh thực hiện gửi tới các động cơ để thực hiện nhiệm vụ nào đó, bao gồm :
- 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 một giao diện người máy
Các thông tin về trạng thái của hệ thống được cung cấp bởi các cảm biến như đã trình bày ở trên được lưu lại bên trong bộ nhớ của thiết bị thường là máy tính Khối tính toán (CPU) của máy tính sẽ thực hiện việc xử lý các thông tin này để đưa ra các lệnh cho tay máy hoạt động thực hiện một chương trình nào đó Như vậy có thể nói máy tính trong bộ điều khiển của Rôbốt là vô cùng quan trọng Máy tính làm chức năng “ đầu não” của Rôbốt
Vì vậy tính linh hoạt và khả năng tốc độ của Rôbốt một phần nào đó phụ thuộc vào khả năng của máy tính về tốc độ xử lý
Trang 32Điều khiển ngoài
(external control)
Biến đổi
hệ tọa độ (Coordinate transformation)
Điều khiển bên trong (internal control)
Hệ toạ độ vuông góc cố định (World Coordinate)
Các giá trị chung (joint values)
Các giá trị chung
đã đựơc chọn lọc (measure joint values)
Các tín hiệu cảm biến (sensor signals)
Ngoài ra, nói về máy tính trong hệ thống rôbốt không thể không nhắc tới một chức năng rất quan trọng khác là sự khả năng “lập trình lại đ−ợc” của máy tính đ−ợc quyết định bởi máy tính Trong hệ thống rôbốt, cánh tay máy thực hiện đ−ợc nhiều công việc khác nhau nghĩa là có thể “lập trình lại đ−ợc” nhờ máy tính thực hiện Chính vì thế, có thể nói sự phát triển của công nghệ thông tin nói chung và kỹ thuật máy tính nói riêng
Hình 2.8: Panel điện tử
Trong hệ thống Rôbốt đây chính là Panel điện tử Đây là tập hợp các bản mạch, đ−ợc cắm trên một khung rãnh chung để tháo lắp chúng một cách linh hoạt, dễ dàng và liên kết chúng bằng các băng luồng liên lạc “BUS”
Trang 33Chức năng của BUS là truyền năng lượng và thông tin giữa các bản mạch với thế giới bên ngoài như các cảm biến, các nguồn truyền động để đảm bảo cho máy tính nhận được các thông tin từ đó đưa ra các lệnh cho tay máy thực hiện Như vậy, đây chính là bộ phận kết nối và truyền tải các thông tin trong máy tính, có thể kết luận rằng bộ phận này như là “ mạch máu” trong một hệ thống rôbốt
Các cổng nối tích hợp với bên ngoài được trang bị bên trong của tủ điều khiển cùng với hệ thống điện của rôbốt
Hình 2.9 Các bộ phận bên trong của tủ điều kiển
2.1.6 Giao diện người-máy
Giao diện người - máy là những bộ phận hết sức quan trọng trong hệ thống rôbốt:
- Là giao diện cho phép ngườii dùng điều khiển giám sát tay máy, có
đầu vào để nhập lệnh
- Giao diện này giúp cho người sử dụng có thể giao tiếp với máy hay nói cách khác là để máy có thể hiểu được và nhận được những lệnh điều khiển người sử dụng
Trang 34- Giao diện người và máy cho phép người dùng điều khiển giám sát tay máy ở giao diện này có đầu vào để người sử dụng có thể nhập lệnh cho rôbốt thực hiện
Trong một hệ thống rôbôt Kuka thì giao diện người và máy chính là một máy tính cá nhân với giao diện phần mềm thích hợp để điều khiển
Hình 2.10 Giao diện người và máy
Trong nhiều trường hợp đơn giản hơn do nhu cầu sử dụng hay vì một lý
do nào đó giao diện người máy chỉ là một bộ dạy học Teach Pendant
Hình 2.11 Bộ dạy học Teach Pendant
Máy tính
Trang 35Trên bảng điều khiển Teach Pandent có bốn khối nút cơ bản( các kí tự bảng mã ASCII) giúp người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện việc lập trình
điều khiển robot
2.1.7 Khối chuyển đổi năng lượng
Với truyền động điện khối chuyển đổi năng lượng bao gồm bộ chuyển
đổi tín hiệu A/D và bộ khuếch đại Bộ chuyển đổi tín hiệu A/D là bộ chuyển tín hiệu tiên tục Analog thành tín hiệu số rời rạc Digital Trong hệ thống rôbốt thì tín hiệu số được sử dụng rất nhiều nhờ ưu điểm chính xác đồng thời dễ sử dụng của nó Vì vậy bộ chuyển đổi A/D là không thể thiếu trong một hệ thống rôbốt Mặt khác, trước và sau khi chuyển đổi hoặc đưa các tín hiệu điện vào sử dụng để tăng tính chính xác tín hiệu điện cũng cần được khuếch đại Cũng do nhu cầu sử dụng ở một số bộ phân nên bộ khuếch đại cũng được sử dụng nhiều trong các hệ thống rôbốt
Với truyền động khí nén, hệ thống khí nén bao gồm nhiều phần tử Đó
là các bộ phận: máy nén khí, van servo, bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi A/D Máy nén khí có tác dụng tạo chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng khí nén thông qua bộ nén khí sử dụng năng lượng điện của nó Tiếp theo để phân phối khí nén cho các bộ phận sử dụng đồng thời đảm bảo an toàn cho hệ thống thì van servo là không thể thiếu
Tương tự như với truyền động điện bộ khuếch đại và bộ chuyển đổi A/D cũng cần thiết và thường được sử dụng trong truyền động khí nén
Với hệ thống thủy lực bộ chuyển đổi năng lượng bao gồm bơm thủy lực
và hệ thống làm mát Để một hệ thống thủy lực hoạt động thì nhất thiết không thể thiếu bơm thuỷ lực Bơm thuỷ lực chính là một bộ phận rất quan trọng nó
là nguồn tạo ra áp lực cho hệ thống Ngoài ra hệ thống thuỷ lực còn có van và
hệ thống làm mát đảm bảo khả năng làm việc hiệu quả và an toàn cho hệ thống
2.2 Vùng làm việc của rô bốt.(Workcell)
Để thực hiện hiệu quả công việc rôbốt phải được phối hợp với các máy móc hay các hệ thống tự động khác, kể cả con người
Trang 36Một nhóm máy được bố trí với một hoặc nhiều rôbốt để thực hiện một công việc nào đó là một workcell
Các thông số kỹ thuật của rô bốt kuka
Các thông số cho thấy tính năng của một hệ thống rôbôt Kuka là:
- Tải trọng của của tay máy rôbốt
- Vận tốc tay máy
- Khối lượng của rôbốt
- Độ chính xác lặp
- Số bậc tự do của tay máy
Trước hết, hãy tìm hiểu về ký hiệu thường dùng với rôbốt Kuka Có thể thấy tất cả các loại rôbốt Kuka được ký hiệu dưới dạng tổng quát như sau:
KR xxx/y
Trong đó:
- Chữ KR chính là chữ viết tắt của Kuka industrial Robot
- Ký hiệu xxx chính là con số biểu hiện cho tải trọng chính mà rôbốt có
Trang 37Hình 2.12 Robot Kuka tải trọng 360 kg
Đến nay hãng rôbôt Kuka vẫn đang sản xuât thế hệ rôbốt thứ 2 với tải trong hết sức phong phú và tiếp tục nghiên cứu để cho ra đời những thế hệ rôbốt tiếp theo Có những loại rôbốt tải trọng chính chỉ vài kg, cũng có những loại vài trăm kg Hiện nay loại rôbôt có tải trọng lớn nhất của hãng có thể làm việc với tải trọng chính 360 kg với loại rôbốt đặt thẳng trên sàn phẳng Hình
ảnh bên biểu diễn loại rôbôt có tải trọng 360 kg đang được sử dụng nhiều trong thực tế
Về thông số vận tốc của tay máy Vận thông số vận tốc ở đây người ta muốn nói tới vận tốc của đầu tay máy trong quá trình hoạt động Cũng như thông số độ chính xác lặp, vận tốc ở các máy có tải trọng, kích thước, thế hệ khác nhau cũng khác nhau Nói chung, thông thường khi không có yêu cầu gì
đặc biệt của quá trình sản xuất thì vận tốc tối đa của tay máy có thể đạt được
là 2m/s Dải vận tốc này hoàn toàn có thể thay đổi được cho tới giá trị nhỏ nhất gần tới giá trị 0 Thường thì trong quá trình làm việc ít khi tay máy sử dụng tới vận tốc tối đa, tay máy chỉ hoạt động với vận tốc lớn khi chạy không hoặc mang tải trọng tương đối nhỏ
3 Các phương pháp điều khiển rô bốt Kuka
Thứ nhất, có thể dùng bộ điều khiển Teach Pendant để điều khiển hoạt
động của rôbốt Khi điều khiển rôbôt bằng phương tiện này chúng ta có thể
TT chính TTphụ
Tổng tải trọng = TT chính + TT phụ
Trang 38cầm bộ Teach Pendant trên tay và hướng về phía rôbốt để quan sát vị trí của cánh tay rôbốt Dùng các khối nút đưa khâu dụng cụ cũng như tay máy đến mỗi vị trí quan trọng cần thiết ta có thế đánh dấu các điểm đó bằng các ký hiệu P1, P2 v.v Lưu các vị trí mà rôbốt cần đến trong quá trình thực hiện công việc Cứ như vậy tiếp tục đưa cánh tay rôbốt đến các vị trí khác cần đi tới và thao tác trong quá trình thực hiện công việc rồi lưu lại các điểm đó cho tới khi hoàn thành chương trình
Tuy nhiên, một khó khăn lớn trong quá trình điều khiển rôbốt bằng bộ
điều khiển Teach Pendant là khó có thể đưa cánh tay rôbôt đến đúng hoàn toàn tọa độ vị trí cần thiết mà chỉ mang tính tương đối do quan sát bằng mắt thường Chính vì thế, cách điều khiển này không được sử dụng nhiều và nếu
có thì thường là các công việc đơn giản không đòi hỏi độ chính xác cao Sau khi được dạy học xong, rôbốt hoàn toàn có thể thực hiện lại nhưng động tác
mà ta đã dạy để thực hiện công việc
Thứ hai, có thể lập trình điều khiển rôbốt qua máy tính sau đó đưa chương trình hoạt qua rôbốt để rôbốt thực hiện các lệnh này Như vậy với cách
điều khiển này người lập trình không cần phải quan sát vị trí các điểm cần đưa rôbốt tới bằng mắt thường nhưng thay vào đó người điều khiển cần biết tọa độ các điểm đó để tiến hành lập trình chính xác
Ưu điểm lớn của phương pháp này là cho kết quả các điểm mà rôbốt cần tới trong quá trình làm việc là rất chính xác nhưng ngược lại nó có nhược
điểm là đòi hỏi sự tỉ mỉ tính toán kỹ lưỡng trong quá trình lập trình cho rôbốt Trong thực tế thì phương pháp điều khiển rôbốt này cũng được sử dụng nhiều hơn nhờ tính chính xác của nó Ngoài ra, chúng ta còn có thể lập trình, điều khiển hoạt động cho rôbốt theo một cách khác Đó là điều khiển theo đường dẫn Bản chất của phương pháp này là người điều khiển cầm trực tiếp khâu dụng cụ để di chuyển chính xác, máy tính sẽ ghi nhớ lại và điều khiển rôbốt thực hiện lại một cách chính xác
Các phương pháp điều khiển rôbốt:
Trang 39+Điều khiển theo đường dẫn: cầm trực tiếp khâu dụng cụ để di chuyển chính xác, máy tinh sẽ ghi nhớ lại và điều khiển rô bốt thực hiện lại một cách chính xác
+Dạy học rôbốt: thông qua bộ dạy học, rôbốt sẽ ghi nhớ những vị trí
được dạy và sẽ đợc điêu khiển để thực hiện tuần tự chuyển động
+ Lập trình off-line: dùng phần mềm máy tính lập kế hoạch và chương trình chuyển động mà không cần dùng tới phần cứng của rôbốt 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, chuyển động của rôbốt được thông qua một cần điều khiển, người dùng sẽ cảm nhận những gì rôbốt cảm thấy được qua các giao tiếp xúc giác
+Telerobotic: kết hợp điều khiển của tự vận hành và điều khiển từ xa
4 ứng dụng của rô bốt Kuka
Trong công nghệ hàn, rôbốt Kuka có thể được ứng dụng để tạo ra những mối hàn đẹp có độ chính xác và chất lượng rất cao nhờ vào khả năng chuyển
động đều đặn chính xác do không có hiện tượng “mỏi tay” như ở con người Chính vì thế, trong thực tế ở các nước công nghiệp phát triển việc ứng dụng rôbốt trong công nghệ hàn rất thường thấy
Hình ảnh sau đây là tiêu biểu cho ứng dụng hàn của rôbốt trong thực tế
Trang 40Hình 2.13 Robot hàn
Một ứng dụng khác cũng thường gặp
trong thực tế là dùng rôbốt Kuka trong công
nghệ phun sơn Phun sơn cũng đòi hỏi người
công nhân sự chính xác ổn định trong quá
trình làm việc Ngoài ra, đây cũng là công
việc độc hại ảnh hưởng nhiều tới sức khỏe
người lao động nếu không được trang bị bảo hộ tốt Vì vây, tốt hơn hết là ứng dụng rôbốt bởi nó vừa mang lại hiệu quả kinh tế, sức khỏe và chất lượng sản phẩm Sau đây là hình ảnh rôbôt Kuka được ứng dụng để phun sơn
Trong thực tế, rôbốt Kuka cũng được ứng dụng trong công việc vận chuyển sản phẩm hay phôi liệu từ các dây chuyền hoặc sản phẩm để đóng gói trong nguyên công tiếp theo Hình ảnh dưới đây là một ứng dụng điển hình, rôbốt có nhiệm vụ vận chuyển các bao thức ăn chăn nuôi từ dây chuyền lên một giá đỡ để chuẩn bị cho việc đóng lô