Bài tập lớn: Robot Công nghiệp

Bài tập lớn Robot Công nghiệp<br /> <br /> KuKa Robot (6R)<br /> <br /> LỜI NÓI ĐẦU<br /> Ngày nay robot đã được áp dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực như sản<br /> xuất, công nghiệp, công nghệ cao như vũ trụ, hàng không, giao thông vận tải…<br /> Các nước phát triển đã xuất hiện xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị<br /> tự động có tính linh hoạt cao và xu hướng này đã đạt được khá nhiều kết quả<br /> khả quan. Chính vì thế việc nghiên, ứng dụng và phát triển các hệ thống sản<br /> xuất tự động linh hoạt ngày càng trở nên cấp thiết, nhất là các loại robot. Robot<br /> công nghiệp có cấu trúc động học nối tiếp tuy đã được nghiên cứu và phát triển<br /> mạnh song những tính toán và ứng dụng của nó luôn luôn là một lĩnh vực rất<br /> phong phú, đa dạng và đây cũng là loại robot thông dụng nhất hiện nay. Trong<br /> đó có KUKA KR - một loại tay máy 6 bậc tự do hoạt động rất linh hoạt, được<br /> ứng dụng nhiều lĩnh vực sản xuất và trong công nghiệp. Trong đồ án này sẽ<br /> nghiên cứu loại robot này về các phần động học, động lực học, miền làm việc<br /> cũng như phần mô phỏng lập trình sử dụng các phần mềm hỗ trợ.<br /> <br /> Hà Nội, 5/2011<br /> Vũ Ngọc Trọng<br /> Cơ điện tử 2 – K52<br /> <br /> Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52<br /> <br /> 1<br /> <br /> Bài tập lớn Robot Công nghiệp<br /> <br /> KuKa Robot (6R)<br /> <br /> CHƯƠNG 1<br /> <br /> TÌM HIỂU TỔNG QUAN VỀ ROBOT CHUỖI HỞ<br /> 1.1. Sự ra đời của robot<br /> Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm<br /> “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là<br /> người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai của ông<br /> đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người.<br /> Hơn 20 năm sau, ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất<br /> hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về<br /> vật liệu phóng xạ.<br /> Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961 ở một<br /> nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kì.<br /> Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty<br /> AMF của Hoa Kì (American Machine and Foundry Company). Đến năm 1990<br /> đã có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như<br /> Hitachi và Mitsubishi đã đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng. Cho đến<br /> nay, công nghệ chế tạo robot đã phát triển mạnh và được ứng dụng nhiều trong<br /> đời sống và sản xuất.<br /> 1.2. Phân loại robot<br /> 1.2.1. Phân loại theo số bậc tự do (BTD) trong trường công tác<br /> Robot có 2 loại chuyển động cơ bản làm chuẩn :<br /> - Chuyển động thẳng theo các trục X, Y, Z trong không gian Đề-các với các<br /> khớp lăng trụ hay khớp trượt, kí hiệu là P hoặc T.<br /> - Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu là R.<br /> Tùy số BTD và và cách tổ hợp T-R, robot sẽ hoạt động trong trường công tác<br /> với các hình khối khác nhau. Ví dụ: Robot có trường làm việc là hình trụ như<br /> RRT, RTT…<br /> 1.2.2. Phân loại theo cấu trúc động học<br /> Một phương pháp phân loại Robot chính là phân loại theo câu trúc hình học<br /> của chúng.<br /> Một robot được gọi là robot chuỗi hở (robot tuần tự - serial robot) nếu cấu<br /> trục động học của chúng có dạng một chuỗi động hở; gọi là robot song song<br /> <br /> Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52<br /> <br /> 2<br /> <br /> Bài tập lớn Robot Công nghiệp<br /> <br /> KuKa Robot (6R)<br /> <br /> (parallel robot) nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi đóng; và<br /> gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao gồm cả 2 loại này.<br /> 1) Robot chuỗi hở (robot nối tiếp – Serial Manipulators)<br /> Đây là dạng phổ biến nhất của robot công nghiệp. Thường có dạng cấu trúc<br /> giống cánh tay người, là một chuỗi các khâu rắn liên kết với nhau bằng các<br /> khớp (joints) có dạng như vai, khuỷu tay và cổ tay. Robot này có ưu điểm chính<br /> là vùng làm việc (workspace) rộng và linh động. Dưới đây ta đưa ra các bộ<br /> phận chính của một robot công nghiệp:<br /> - Cấu trúc cơ khí gồm các khâu<br /> (links) và khớp (joints),<br /> - Cơ cấu chấp hành (actuators) tác<br /> động tại các khớp làm tay máy<br /> chuyển động,<br /> - Cảm biến (sensors) dùng để đo<br /> lường các trạng thái của tay máy<br /> (cảm biến trong) và trạng thái môi<br /> trường (cảm biến ngoài) nếu cần,<br /> - Một hệ thống điều khiển (có cả<br /> Hình 1.1. IRB660-palletiser của hãng<br /> máy tính) để điều khiển và giám<br /> ABB Robotics.<br /> sát chuyển động của tay máy.<br /> Nhược điểm:<br /> - Đặc điểm cố hữu là độ cứng vững thấp để tạo một cấu trúc động học.<br /> - Sai số tích lũy được khuếch đại từ khâu trước sang khâu sau.<br /> - Do phải mang và chuyển động cùng các bộ dẫn động (thường là các động cơ)<br /> có khối lượng lớn nên tốc độ nên tốc độ làm việc không cao.<br /> - Khả năng mang tải không cao.<br /> Robot loại này yêu cầu phải có ít nhất 6 BTD trong không gian (ứng với 6<br /> BTD của đối tượng làm việc) để có thể tiếp cận được đối tượng ở vị trí bất kì<br /> với khả năng định hướng trong miền làm việc của nó. Chính vì vậy chủ yếu là<br /> robot có 6 khớp, như các loại robot Stanford (RRTRRR), KUKA (6R), Elbow<br /> (6R), Puma (6R) …với ứng dụng chính trong công nghiệp hiện nay là lắp ráp,<br /> vận chuyển phôi và sản phẩm trong quá trình sản xuất.<br /> <br /> Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52<br /> <br /> 3<br /> <br /> Bài tập lớn Robot Công nghiệp<br /> <br /> KuKa Robot (6R)<br /> <br /> 2) Robot song song (Parallel Manipulator)<br /> Loại robot song song điển hình thường có bàn chân di chuyển được nối với<br /> giá cố định bằng một số nhánh hay chân. Do vậy, các khâu chỉ chịu lực kéo<br /> hoặc lực nén, không phải chịu uốn. Thường số chân chính bằng số BTD, các<br /> chân được điều khiển bằng một nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay<br /> trên thân của chân.<br /> Ưu điểm:<br /> - Khả năng chịu tải lớn vì tải trọng được<br /> chia cho các chân,<br /> - Tốc độ cao hơn và chính xác hơn, cấu<br /> trúc gọn nhẹ hơn,<br /> - Do tốc độ cao và chính xác cao nên có<br /> thể hoạt động như một máy phay, ngày<br /> nay đã được áp dụng vào việc phay các<br /> bề mặt gia công cần độ chính xác cao,<br /> năng suất.<br /> - Nhiều ứng dụng: Mô phỏng tạo song, Hình 1.2. ABB’s IRB340 palletising robot<br /> ghế lái máy bay (Steward, 1965), bàn khung lắp ráp (Reinholtz và Gokhale,<br /> 1987), bàn điều khiển dao, gá của máy phay (Arai, 1991), các thiết bị định điểm<br /> (Gosselin và Hamel, 1994), các máy chuyển động có chân bước (Waldron,<br /> 1984).<br /> Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm vì gặp phải một số trở ngại như<br /> không gian làm việc nhỏ, các chân có thể va chạm lẫn nhau cũng như việc thiết<br /> kế rất khó khăn.<br /> 3) Robot di chuyển (Mobile Robot)<br /> Đơn giản như loại ôtô, xe đạp với các bánh lái có 2 BTD. Hiện nay dùng<br /> trong chuyên chở vật liệu trong nhà may rộng, bệnh viện, văn phòng …<br /> 4) Robot giống người (Humanoid Robot)<br /> Nói một cách đơn giản, robot này có dạng hình dáng con người, 2 chân, 2<br /> tay, đầu, và dung các cơ cấu đó với chuyển động như các bộ phận của con<br /> người.<br /> <br /> Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52<br /> <br /> 4<br /> <br /> Bài tập lớn Robot Công nghiệp<br /> <br /> KuKa Robot (6R)<br /> <br /> Các kiểu phân loại khác như phân loại theo Hệ thống truyền động, theo<br /> Phương pháp điều khiển, theo Đặc điểm hoạt động… tùy các tiêu chí đặt ra mà<br /> robot được phân loại nhằm nêu bật tiêu chí đó.<br /> 1.3. Tay máy (Manipulator)<br /> Thuật ngữ “tay máy” và robot trong quan niệm của nhiều nhà chuyên môn<br /> trong lĩnh vực này không có sự khác biệt. Để thuận tiện trong trình bày, ở đây<br /> ta hiểu:<br /> Tay máy là một dạng robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu<br /> tạo cơ bản của cánh tay người. Cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận<br /> và cơ cấu cơ khí được thiết kế để hình thành các khối có chuyển động tương đối<br /> nhau, được gọi là các khâu động. Trong đó phần liên kết giữa các khâu động<br /> được gọi là các khớp động hay còn gọi là các phần tử thực sự thực hiện các<br /> chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, xylanh dầu ép, xylanh khí<br /> nén ,… Phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động<br /> cuối để thao tác trên đối tượng làm việc – thường là các tay gắp hoặc các đầu<br /> công cụ chuyên dùng.<br /> Tay máy hay có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghiệp thông<br /> thường là một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được kết nối với<br /> nhau nhờ các khớp động. Khâu cuối của tay máy thường có dạng một tay gắp<br /> hoặc được gắn dụng cụ công tác. Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn<br /> động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chung được điều khiển<br /> trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông<br /> báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt<br /> quan tâm là vị trí vận tốc dịch chuyển của khâu cuối – khâu thể hiện kết quả<br /> tổng hợp các chuyển đông của các khâu thành phần.<br /> 1.4. Một số robot chuỗi hở thường gặp<br /> 1.4.1. Tay máy tọa độ vuông góc (Cartesian robot/ Gantry robot)<br /> Robot hoạt động trong hệ tọa độ này được minh họa như hình vẽ gồm ba<br /> chuyển động định vị X,Y,Z theo các trục tọa độ vuông góc:<br /> Loại robot này thích hợp với công việc gắp vật thể và đặt chúng vào vị trí<br /> khác. Các ứng dụng có thể là đóng gói, lắp ráp máy móc, cầm nắm các máy<br /> công cụ hoặc hàn theo hình cung. Đối với loại robot này, cánh tay được tạo<br /> thành từ 3 khớp trượt mà trục của chúng trùng với hệ trục tọa độ Đê-các.<br /> Vũ Ngọc Trọng – CDT2_K52<br /> <br /> 5<br /> <br />