-----------------------------------------------------
ROBOT CÔNG NGHIỆP Trường Đ HCN Hà Nôi
-----------------------------------------------------
Sinh viên thự c hiện
: Nguyễn Văn Khiêm
TRƯỜNG ĐHC N HÀ N ỘI ỘI
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
LỜI MỞ ĐẦU Vào đầu thập kỷ trước, ý tưởng đầu ti ên về robot xuất hiện, thể hiện ước mơ cháy bỏng của con người l à tạo ra những người máy có thể thay thế mình trong những công việc nặng nhọc, nhàm chán nguy hiểm. Vào khoảng năm 1940, mẫu robot đầu tiên ra đời tại phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge v à Argonne của Mỹ, để vận chuyển các hoạt chất phóng x ạ. Đến thập kỷ 80 tr ên ên thế giới đó c ó tới 40 nghìn robot thuộc 500 kiểu do 200 hãng tham gia sản xuất. Ngày nay robot đ ã được sử dụng ộng rãi trong sản xuất nghiên cứu khoa học và đời sống. Đó là các thiết r ộng sản xuất, đặc biệt là các hệ bị không thể thiếu được tr ên ên các hệ thống sản thống sản xuất linh hoạt. Robot ngày càng khéo léo và thông minh, được coi là sản phẩm điển hình của 1 số ngành k ỹ thuật. Cho đến nay, hầu hết các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam đó đưa môn kỹ thuật robot vào chương tr ình ình chính khóa. Môn học này chủ yếu được giảng dạy cho chủ yếu cho các chuyên ngành cơ khí, song khía cạnh riêng biệt của nó như kỹ thuật điều khiển, l ập tr ình, ình, mô phỏng cũng được các ngành khác r ất ất quan tâm. Ngày 12-10-2003
đó xảy ra một sự kiện, đánh dấu mốc phát triển mới trong lĩnh vực nghiên cứu, đào tạo và ứng dụng khoa học vào công nghệ robot tại Việt Nam: Hội khoa học Công nghệ robot Việt Nam được thành lập. Sự ra đời của hội phản ánh nhu cầu cấp thiết của c ông nghiệp, quốc phòng và cuộc sống, đáp ứng được sự mong mỏi của đông đảo các nhà khoa học, các nhà sản xuất, các giáo sư, các nhà nghiên cứu sinh, sinh viên tại các trường đại học v à tất cả những ai quan tâm đến robot. Kuka là m ột
loại robot đang được sử dụng rất rộng r ãi, ãi, với công suất lớn. Ngay sau đây chúng tôi sẽ đưa ra những hiểu biết cơ bản về robot Kuka. Trong quá trình tìm hi ểu và làm bài có nhi ều thiếu sót rất mong được sự đóng góp và thông cảm của quý thầy c ô và các b ạn. Xin trân thành cảm ơn!
SVTH: NGUY ỄN VĂN VĂN KHI ÊM
GVHD: GVHD: KH ỔNG ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
PHẦN I: GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ ROBOT KUKA KR 1000 Ngay từ khi mới ra đời Kuka đó được củng cố chủ quyền với những sáng tạo rất năng động trong l ĩnh vực robot. Điển hình kr kuka 1000 là một nhà vô địch mới trong các lớp học của robot nặng. Mạnh mẽ và năng động, các KR kuka 1000 l uôn xử lý an to àn và chính xác v ới những thành phần nặng nhất. Năng lực tải trọng của nó là 1.000 kg - mức cao nhất của robot cụng nghiệp, với một chuỗi động học mở, với một tiếp cận ngang r ất lớn là 3.200 mm và và vươn cao tới 5.000 mm. Nú gi úp lo ại bỏ sự cần thiết cho các tr ạm thang máy, thiết bị nâng hạ kh ác. Thiết kế của nó hoàn toàn mới cho ph ép tốc độ và sức nâng rất lớn mà đối với những loại ro bot
trước đây chỉ là mơ ước: thời gian chu kỳ đạt tới mức tối thiểu, tải trọng tối đa và r ất linh hoạt.
1. Kuka kr 1000 cú nh ững lợi thế vụ tận với các tính năng sau: M ạnh hơn bất kỳ robot n ào: Tải trọng 1.000 kg, năng lực tải trọng cao nhất của tất cả c ác robot 6 tr ục với một chuỗi động học mở. Nhanh hơn : Vận tốc cao làm việc do FEM v à tối ưu hóa trọng lượng, động cơ AC năng động và nhanh chóng thích nghi với điều kiện môi trường. không gian làm việc: bề ngang là 3.200 mm và chiều cao từ 5.000 mm mở ra các ứng dụng mới rất linh hoạt trong sản xuất.
An toàn hơn: Kuka luôn giữ an toàn để bảo vệ máy tính dựa tr ên phần mềm và an toàn khi vận hành. Chính xác hơn : Sai số do thiết kế robot tối ưu. Nhiều phũng để cơ động : Không có hạn chế chuyển động trục phạm vi do năng lượng tích hợp v à hệ thống cấp nước. Bảo dưỡng thấp hơn : Quỏ tải, bảo vệ, động cơ brushless AC servo được sử d ụng trong robot, các tr ục chính được bôi trơn.
Độ bền cao: Kuka có thể làm việc nơi mà người khác không thể làm việc với nhiệt độ cao như các xưởng đúc, c ác lò cán thép, độ chịu nhiệt và chịu mài món cực tốt không những thế Kuka 1000 có thể đề SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
2
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI cả 2 kháng với
loại
ỆP ROBOT CÔNG NGHI axit và . kiềm
2. Kuka kr 1000 là robot đi tiên phong Khi bạn lựa chọn robot kuka, bạn có thể chắc chắn rằng bạn đang có s ự lựa chọn đúng đắn cho mọi lĩnh vực ứng dụng mà b ạn chọn, Kuka là một loại robot tối ưu. Nh ờ ch ính năng lực của chúng ta trong phát triển và sản xuất cộng thêm sự chuyên môn của c ác nhà thiết kế trong các bộ điều khiển và phần mềm, Kuka cung cấp cho bạn các tính năng không chỉ hiện nay mà sẽ vẫn còn được chứng minh hiệu quả của chúng trên thế giới trong tương lai. Kuka kr điều khiển dựa tr ên Windows kuka C2, chính vì vậy bạn được hưởng lợi từ công nghệ đó được chứng minh dịch vụ h àng ngàn lần, nên s ẽ đơn giản hóa việc cài đặt, v à l ập tr ình các robot của bạn. 3. Thông số kỹ thuật cơ bản của Kuka Kr 1000
Góc quay tối đa bề ngang l à 300o SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
3
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
Đặc điểm kỹ thuật SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
ROBOT KR KUKA 1000 4
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI Tải trọng Tải trọng bổ sung Tầm với phương ngang Tầm với phương dọc Số trục Sai số Trọng lượng Vị trí gắn Bộ điều khiển Nhi ệt độ hoạt động an toàn
Tốc độ chuyển động
Giới hạn chuyển động
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
1000kg 50kg 3200mm 5000mm 6 trục ±0.1mm 4690kg Sàn phẳng Kr C2 +10oC đến +50 oC (283K đến 323K) J1(58 o /s (1.01 rad/s) J2, J3 (50 o /s (0.87 rad/s) J4, J5 (60 o /s (1.05 rad/s) J6 (84 o /s (1.47 rad/s) J1 = ±150o J2 = +175o, -130o J3 = +145o, -110o J4 = ±350o J5 = ±118o J6 = ±350o
4. Các ứng dụng của robot Kr kuka v à tiềm năng tại thị trường Việt Nam: Robot kr Kura cú r ất nhiều ứng dụng trong nền công nghiệp hiện đại, nó được sử dụng tr ên nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví d ụ: Được sử dụng trong công nghiệp ô t ô ,công nghiệp chế tạo kính…… - Ở Việt Nam robot kr kura đ ã b ắt đầu được ứng dụng nhiều, ví dụ ở cụng ty Toyota Việt Nam,Yamaha… - Ở Việt Nam c ó một số công ty bán sản phẩm này: CÔNG TY TNHH S ẢN XUẤT VÀ THƯƠNG MẠI W.I.N Địa chỉ: Vĩnh Thịnh, Đại Áng, Thanh Tr ì, Hà Nội…..
PHẦN 2: PHƯƠNG TR ÌNH ĐỘNG HỌC CHO KHÂU CÔNG TÁC CỦA ROBOT SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
5
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
1. Mô hình và bảng thông số động học Denavit – Hatenberg. Khâu
d i
θi
ai
αi
1
l0
θ0*
a0
90o
2
0
θ1*
a2
0
3
0
θ2*
0
-90
4
l4
θ3*
0
90
o
5
0
θ4*
0
90
o
6
l6
θ5*
0
0
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
6
o
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
x
6
6
l
x z
5
z
5
x
4
x
2
4
l
z
3
a
z
2
x
3
z
1
x l
1
z
0
x
0
a
Robot KR 1000 và các h ệ tọa độ 2. Giải bài toán động học thuận robot: Ma tr ận mô tả hướng và vị trí khâu thứ i so với khâu thứ i-1:
T i i 1 Trans zi 1 , d * . Rot zi 1 , .Trans xi1 , a . Rot xi1 ,
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
7
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI 1 0 0 0 cos i sin i 0 1 0 0 sin cos i i . i T i1 0 0 1 d i 0 0 0 0 0 1 0 0
cos i sin i i T i 1 0 0
ỆP ROBOT CÔNG NGHI 0 0 1 0 0 ai 1 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0 cos i sin i 0 . . 1 0 0 0 1 0 0 sin i cos i 0 0 1 0 0 0 1 0
0
sin i . cos i
sin i . sin i
cos i . cos i
cos i . sin i
ai . sin i
sin i
cos i
d i
0
1
ai . cos i
0 0 1 Ta có các ma tr ận biến đổi thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ theo D – H:
cos 0* * 0 sin O T O 0 0 cos 1* sin 1* O T O 0 0 1
0
2
1
0
sin 0*
a0 cos 0*
0
cos 0*
a0 sin 0*
1
0
0
0
1 l2 cos 1* * l2 sin 1 0 1 l0
sin 1* 0 cos 1*
0
0
1
0
0
cos 2* 0 sin 2 sin 0 cos O T O 0 1 0 0 0 0 3 2
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
0
0 0 1
8
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
cos 3 0 sin 0 sin 0 cos 0 O T O 0 1 0 l4 0 0 1 0 cos 4 0 sin 0 sin 0 cos 0 O 4 T O 0 1 0 0 0 0 1 0 cos 5 sin 0 0 sin cos 0 0 O 5 T O 0 0 1 l6 0 0 1 0 Phương tr ình động học của khâu công tác: 4
3
5
4
6 5
T O06 T O10 .T O12 .T O32 .T O34 .T O54 .T O56 O
O
O
O
O
O
O
Để đơn giản khi viết phương tr ình động học, ta quy ước các hàm lượng giác như sau: C i Cos i S i Sin i
i 0,5
Thực hiện tính toán ma trận tr ên phần mềm Matlab như sau: Syms C0 C1 C2 C3 C4 C5; Syms S0 S1 S2 S3 S4 S5; Syms l0 a0 a2 l4 l6;
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
9
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI T 0 C 0
0
S 0
T 1 C 1 S 1 0 T 2 C 2
a0 * C 0; S 0
ỆP ROBOT CÔNG NGHI 0
C 0 a 0 * S 0; 0 1 0 l 0; 0 0 0 1
a 2 * C 1; S 1 C 1 0
S 2 0; S 2 0 C 2 0; 0 T 3 C 3 0 S 3 0; S 3 0 C 3 0; 0 T 4 C 4 0 S 4 0; S 4 0 C 4 0; 0 T 5 C 5 S 5 0 0; S 5 C 5 0 0; 0 T 6 T 0 * T 1* T 2 * T 3 * T 4 * T 5 0
a 2 * S 1; 0
0 1 0; 0
0
0 1
1 0 0; 0 0 0 1 1 0 l 4; 0 1 0
0; 0
0 0 1 0 0 1
0 1 l 6; 0 0
0 1
T6 = [((C1*C2-S1*S2)*C3*C4+(-C1*S2-S1*C2)*S4)*C5+(C1*C2S1*S2)*S3*S5, -((C1*C2-S1*S2)*C3*C4+(-C1*S2S1*C2)*S4)*S5+(C1*C2-S1*S2)*S3*C5, (C1*C2-S1*S2)*C3*S4-(C1*S2-S1*C2)*C4, ((C1*C2-S1*S2)*C3*S4-(-C1*S2S1*C2)*C4)*l6+(-C1*S2-S1*C2)*l4+a2*C1] [((S1*C2+C1*S2)*C3*C4+(C1*C2S1*S2)*S4)*C5+(S1*C2+C1*S2)*S3*S5, ((S1*C2+C1*S2)*C3*C4+(C1*C2S1*S2)*S4)*S5+(S1*C2+C1*S2)*S3*C5, (S1*C2+C1*S2)*C3*S4-(C1*C2-S1*S2)*C4, ((S1*C2+C1*S2)*C3*S4-(C1*C2-S1*S2)*C4)*l6+(C1*C2S1*S2)*l4+a2*S1] [-S4*C4*C5+C3*S5, S4*C4*S5+C3*C5, -S4^2, -S4^2*l6] [0, 0, 0, 1]
Thay số cụ thể: a0 = 600; l0 = 1100; a2 = 1400; l4 = 1200; l6 =0. T6 mô tả hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối:
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
10
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
Ta được hệ thống các phương tr ình động học của khâu công tác như sau: nx = ((C1*C2-S1*S2)*C3*C4+(-C1*S2-S1*C2)*S4)*C5+(C1*C2S1*S2)*S3*S5. ny = ((S1*C2+C1*S2)*C3*C4+(C1*C2S1*S2)*S4)*C5+(S1*C2+C1*S2)*S3*S5 nz = -S4*C4*C5+C3*S5 Ox = -((C1*C2-S1*S2)*C3*C4+(-C1*S2-S1*C2)*S4)*S5+(C1*C2S1*S2)*S3*C5 Oy = -((S1*C2+C1*S2)*C3*C4+(C1*C2S1*S2)*S4)*S5+(S1*C2+C1*S2)*S3*C5 Oz = S4*C4*S5+C3*C5 ax = (C1*C2-S1*S2)*C3*S4-(-C1*S2-S1*C2)*C4 ay = (S1*C2+C1*S2)*C3*S4-(C1*C2-S1*S2)*C4 SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
11
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
az = -S4^2 px = ((C1*C2-S1*S2)*C3*S4-(-C1*S2-S1*C2)*C4)*l6+(-C1*S2S1*C2)*l4+a2*C1 pY = ((S1*C2+C1*S2)*C3*S4-(C1*C2-S1*S2)*C4)*l6+(C1*C2S1*S2)*l4+a2*S1 pz = -S4^2*l6
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
12
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
PHẦN 3: ROBOT CÓ MỘT KHỚP QUAY VÀ HAI KHỚP TỊNH TIẾN Đề số 14 Câu 3: Viết phương tr ình động học robot Giải bài toán động học
q1 q10 0.1sin t q2 q20 0.3sin t q3 q30 0.6sin t
x p , y p , z p ? x p x p (t ) y p y p (t ) z p z p (t )
q1 , q2 , q3 ? Xác định quy luật chuyển động, vân tốc v à gia tốc biến khớp q1? Biết: q 1(0) = 50; q 1(2) = 150; q 1(4) = 450; q 1(5) = 750; gia tốc liên tục tại các điểm chốt. Vẽ các biểu đồ vị trí, vận tốc, gia tốc biến khớp q 1? I. Phương tr ình động học:
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
13
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
14
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI ỆP ROBOT CÔNG NGHI Bảng thông số động học D – H: Khâu 1 2 3
θi θ1*
d i * d 2 l2 * d 3
-90 0
o
Các ma tr ận biến đổi thuần nhất theo D – H: 0 cos sin 0 0 1
T OO1 2
T OO34
sin 1 0 0
1 0 0 0
1
0
cos 1
0
0
1
0 T O3 1 ; O2 0 d 2
0
0
1
0 0
0
1 0
0
αi
ai 0 a3 0
0
1
0
0
0 o -90 0
0
a 3 1 0 l2 0 0 1
0 1 d 3 0 0 1
Phương tr ình động học của robot: O O O O T O1 4 T O1 2 .T O23 .T O34
0 cos 1 cos 1 * d 3 sin 1 * a3 sin 1 cos 0 sin sin * d cos * a 1 1 1 3 1 3 O T O 0 1 l2 d 2 0 0 0 0 1 4
1
Nhìn vào ma tr ận phương tr ình động học của robot ta thấy vị trí của khâu công tác:
x p cos 1 * d 3 sin 1 * a3 y p sin 1 * d 3 cos 1 * a3 z p l 2 d 2 SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
15
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI ỆP ROBOT CÔNG NGHI Thay các giá tr ị q1 q10 0.1sin t
q2 q20 0.3 sin t q q 0.6 sin t 30 3
Ta được
x p cosq10 0.1sin t * q30 0.6 sin t sinq10 0.1sin t * a3 y p sinq10 0.1sin t * q30 0.6sin t cosq10 0.1sin t * a3 z p l2 q20 0.3sin t
II. BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC: x p t cos 1 * d 3 sin 1 * a3
1 2
y p t sin 1 * d 3 cos 1 * a3 z p t l2 d 2 Ta có:
Lượng tịnh tiến d 2 z p t l 2 Bình phương 2 vế của (1) và (2) r ồi cộng vào ta tìm được
lượng tịnh tiến d 3 x p2 t y p2 t a32 Từ (1) rút sin 1 thay vào (2) ta có: cos 1
1
x p t y p t x p2 t y p2 t a 32 a 3
x p t y p t arccos x p2 t y p2 t a 32 a3
\ III. QUY LUẬT CHUYỂN ĐỘNG CỦA KHÂU 1 Ta có: quy luật chuyển động của khớp 1 có dạng sau: SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
16
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI 1
1
1
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
t a3t 3 a2t 2 a1t a0 t 3a3t 2 2a2t a1 t 6a3t 2a2
Tại các thời điểm đ ã cho: q 1(0) = 50; q 1(2) = 150; q 1(4) = 450; q 1(5) = 750 Ta có hệ phương tr ình sau: a0 5
4 a 2a a 5 3 2 1 16a3 4a 2 a1 10 25a3 5a2 a1 14 a0 5 a 4 1 a2 1 2 a3 1 2
Vậy quy luật chuyển động của khâu 1 l à: 1
t
Và v ận tốc và gia tốc:
1
1
1 2
t 3
t
3 2
1 2
t 4t 5 2
t 2 t 4
t 3t 1
*) Đồ thị hàm số:
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
17
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
a. Đồ thị hàm số của: t 1
1 2
t 3
1 2
t 4t 5 2
3
2 b. Đồ thị h àm số của vận tốc: 1 t t t 4
2
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
18
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
19
GVHD: KH ỔNG MINH
TRƯỜNG ĐHCN H À N ỘI
ỆP ROBOT CÔNG NGHI
c. Đồ thị hàm số gia tốc: 1 t 3t 1
SVTH: NGUY ỄN VĂN KHI ÊM
20
GVHD: KH ỔNG MINH
