Bài tập lớn Robot công nghiệp - Nguyễn Văn Khiêm

 ----------------------------------------------------- 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
Trường ĐHCN Hà Nôi 
----------------------------------------------------- 
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Khiêm 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
LỜI MỞ ĐẦU 
Vào đầu thập kỷ trước, ý tưởng đầu tiên về robot xuất hiện, thể 
hiện ước mơ cháy bỏng của con người là 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 và Argonne của Mỹ, để vận chuyển các hoạt chất 
phóng xạ. Đến thập kỷ 80 trên thế giới đó có tới 40 nghìn robot thuộc 500 
kiểu do 200 hãng tham gia sản xuất. Ngày nay robot đã được sử dụng 
rộng rãi trong sản xuất nghiên cứu khoa học và đời sống. Đó là các thiết 
bị không thể thiếu được trên các hệ thống sản xuất, đặc biệt là các hệ 
thống sản xuất linh hoạt. Robot ngày càng khéo léo và thông minh, được 
coi là sản phẩm điển hình của 1 số ngành kỹ thuật. 
Cho đến nay, hầu hết các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam đó 
đưa môn kỹ thuật robot vào chương trình 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, lập trình, mô phỏng cũng 
được các ngành khác rất 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 công 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 và tất cả những ai quan tâm đến robot. 
 Kuka là một loại robot đang được sử dụng rất rộng rãi, với công 
suất lớn. Ngay sau đây chúng tôi sẽ đưa ra những hiểu biết cơ bản về 
robot Kuka. Trong quá trình tìm hiểu và làm bài có nhiều thiếu sót rất 
mong được sự đóng góp và thông cảm của quý thầy cô và các bạn. 
 Xin trân thành cảm ơn! 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
2 
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 lĩnh 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 luôn xử lý an toàn và chính xác với 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 
rất lớn là 3.200 mm và và vươn cao tới 5.000 mm. Nú giúp loại bỏ sự cần 
thiết cho các trạm thang máy, thiết bị nâng hạ khác. Thiết kế của nó hoàn 
toàn mới cho phép tốc độ và sức nâng rất lớn mà đối với những loại robot 
trước đây chỉ là mơ ước: thời gian chu kỳ đạt tới mức tối thiểu, tải trọng 
tối đa và rất linh hoạt. 
1. Kuka kr 1000 cú những lợi thế vụ tận với các tính năng sau: 
Mạnh hơn bất kỳ robot nào: Tải trọng 1.000 kg, năng lực tải trọng 
cao nhất của tất cả các robot 6 trục với một chuỗi động học mở. 
Nhanh hơn: Vận tốc cao làm việc do FEM và 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 trên 
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 và hệ thống cấp nước. 
Bảo dưỡng thấp hơn: Quỏ tải, bảo vệ, động cơ brushless AC servo 
được sử dụng trong robot, các trục 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, các lò cán thép, độ chịu 
nhiệt và chịu mài món cực tốt không những thế Kuka 1000 có thể đề 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
3 
kháng với cả 2 loại 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 sự lựa chọn đúng đắn cho mọi lĩnh vực ứng dụng mà bạn chọn, Kuka 
là một loại robot tối ưu. Nhờ chính năng lực của chúng ta trong phát triển 
và sản xuất cộng thêm sự chuyên môn của các 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 trên Windows kuka C2, 
chính vì vậy bạn được hưởng lợi từ công nghệ đó được chứng minh dịch 
vụ hàng ngàn lần, nên sẽ đơn giản hóa việc cài đặt, và lập trình các robot 
của bạn. 
3. Thông số kỹ thuật cơ bản của Kuka Kr 1000 
Góc quay tối đa bề ngang là 300o 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
4 
Đặc điểm kỹ thuật ROBOT KR KUKA 1000 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
5 
Tải trọng 1000kg 
Tải trọng bổ sung 50kg 
Tầm với phương ngang 3200mm 
Tầm với phương dọc 5000mm 
Số trục 6 trục 
Sai số ±0.1mm 
Trọng lượng 4690kg 
Vị trí gắn Sàn phẳng 
Bộ điều khiển Kr C2 
Nhiệt độ hoạt động an 
toàn +10
oC đến +50oC (283K đến 323K) 
Tốc độ chuyển động 
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) 
Giới hạn chuyển động 
J1 = ±150o 
J2 = +175o, -130o 
J3 = +145o, -110o 
J4 = ±350o 
J5 = ±118o 
J6 = ±350o 
4. Các ứng dụng của robot Kr kuka và tiềm năng tại thị trường Việt 
Nam: 
Robot kr Kura cú rất nhiều ứng dụng trong nền công nghiệp hiện 
đại, nó được sử dụng trên nhiều lĩnh vực khác nhau. 
Ví dụ: Được sử dụng trong công nghiệp ô tô ,công nghiệp chế tạo 
kính 
- Ở Việt Nam robot kr kura đã bắt đầu được ứng dụng nhiều, ví dụ ở 
cụng ty Toyota Việt Nam,Yamaha 
- Ở Việt Nam có một số công ty bán sản phẩm này: CÔNG TY 
TNHH SẢN XUẤT VÀ THƯƠNG MẠI W.I.N Địa chỉ: Vĩnh 
Thịnh, Đại Áng, Thanh Trì, Hà Nội.. 
PHẦN 2: PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CHO 
KHÂU CÔNG TÁC CỦA ROBOT 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
6 
1. Mô hình và bảng thông số động học Denavit – Hatenberg. 
Khâu di θi ai αi 
1 l0 θ0* a0 90o 
2 0 θ1* a2 0 
3 0 θ2* 0 -90o 
4 l4 θ3* 0 90o 
5 0 θ4* 0 90o 
6 l6 θ5* 0 0 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
7 
x0
z0
x1
x3
x2
x4
x5
z1
z2
z3
z4
z5
x6 6
l
a
a
l
l
Robot KR 1000 và các hệ tọa độ 
2. Giải bài toán động học thuận robot: 
 Ma trận mô tả hướng và vị trí khâu thứ i so với khâu thứ i-1: 
  ,.,.,., 111*11 iiiiii xRotaxTranszRotdzTransT 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
8 
1000
0cossin0
0sincos0
0001
.
1000
0100
0010
001
.
1000
0100
00cossin
00sincos
.
1000
100
0010
0001
1
ii
ii
i
ii
ii
i
i
i
a
d
T
 

1000
cossin0
sin.sin.coscos.cossin
cos.sin.sincos.sincos
1
iii
iiiiiii
iiiiiii
i
i d
a
a
T
  
  
Ta có các ma trận biến đổi thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ theo D – H: 
1000
010
sincos0sin
cossin0cos
0
*
00
*
0
*
0
*
00
*
0
*
0
1
0 l
a
a
T OO


1000
0100
sin0cossin
cos0sincos
*
12
*
1
*
1
*
12
*
1
*
1
2
1


l
l
T OO
1000
0010
0cos0sin
0sin0cos
2
*
2
3
2


O
OT
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
9 
1000
010
0cos0sin
0sin0cos
4
3
4
3 l
T OO


1000
0010
0cos0sin
0sin0cos
4
4
5
4


O
OT
1000
100
00cossin
00sincos
6
5
5
6
5 l
T OO


Phương trình động học của khâu công tác: 
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1
0
6
0
..... OO
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O TTTTTTT 
Để đơn giản khi viết phương trình động học, ta quy ước các hàm lượng 
giác như sau: 
 5,0 
i
SinS
CosC
ii
ii


Thực hiện tính toán ma trận trên 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; 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
10 
 
 
 
 
 
 
5*4*3*2*1*06
1000;6100;0055;00555
1000;0010;0404;04044
1000;4010;0303;03033
1000;0010;0202;02022
1000;0100;1*2011;1*20111
1000;0010;0*0000;0*00000
TTTTTTT
lCSSCT
CSSCT
lCSSCT
CSSCT
SaCSCaSCT
lSaCSCaSCT
T6 = 
[((C1*C2-S1*S2)*C3*C4+(-C1*S2-S1*C2)*S4)*C5+(C1*C2-
S1*S2)*S3*S5, -((C1*C2-S1*S2)*C3*C4+(-C1*S2-
S1*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*S2-
S1*C2)*C4)*l6+(-C1*S2-S1*C2)*l4+a2*C1] 
[((S1*C2+C1*S2)*C3*C4+(C1*C2-
S1*S2)*S4)*C5+(S1*C2+C1*S2)*S3*S5, -
((S1*C2+C1*S2)*C3*C4+(C1*C2-
S1*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*C2-
S1*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: 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
11 
Ta được hệ thống các phương trình động học của khâu công tác 
như sau: 
nx = ((C1*C2-S1*S2)*C3*C4+(-C1*S2-S1*C2)*S4)*C5+(C1*C2-
S1*S2)*S3*S5. 
ny = ((S1*C2+C1*S2)*C3*C4+(C1*C2- 
S1*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*C2-
S1*S2)*S3*C5 
Oy = -((S1*C2+C1*S2)*C3*C4+(C1*C2-
S1*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 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
12 
az = -S4^2 
px = ((C1*C2-S1*S2)*C3*S4-(-C1*S2-S1*C2)*C4)*l6+(-C1*S2-
S1*C2)*l4+a2*C1 
pY = ((S1*C2+C1*S2)*C3*S4-(C1*C2-S1*S2)*C4)*l6+(C1*C2-
S1*S2)*l4+a2*S1 
pz = -S4^2*l6 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
13 
PHẦN 3: ROBOT CÓ MỘT KHỚP QUAY VÀ HAI 
KHỚP TỊNH TIẾN 
Đề số 14 
Câu 3: 
Viết phương trình động học robot 
Giải bài toán động học 
1 10
2 20
3 30
1 2 3
0.1sin
0.3sin
0.6sin
, , ?
( )
( )
( )
, , ?
p p p
p p
p p
p p
q q t
q q t
q q t
x y z
x x t
y y t
z z t
q q q



Xác định quy luật chuyển động, vân tốc và gia tốc biến khớp q1? Biết: 
q1(0) = 50; q1(2) = 150; q1(4) = 450; q1(5) = 750; gia tốc liên tục tại các 
điểm chốt. 
Vẽ các biểu đồ vị trí, vận tốc, gia tốc biến khớp q1? 
I. Phương trình động học: 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
14 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
15 
Bảng thông số động học D – H: 
Khâu di θi ai αi 
1 d2* θ1* 0 0 
2 l2 -90o a3 -90o 
3 d3* 0 0 0 
Các ma trận biến đổi thuần nhất theo D – H: 
1000
100
00cossin
00sincos
2
11
11
2
1 d
T OO


; 
1000
010
001
0100
2
33
2 l
a
T OO 
1000
100
0010
0001
3
4
3 d
T OO 
Phương trình động học của robot: 
1000
010
*cos*sinsin0cos
*sin*coscos0sin
..
22
313111
313111
4
1
4
3
3
2
2
1
4
1
dl
ad
ad
T
TTTT
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O


Nhìn vào ma trận phương trình động học của robot ta thấy vị trí của khâu 
công tác: 
22
3131
3131
*cos*sin
*sin*cos
dlz
ady
adx
p
p
p


TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
16 
Thay các giá trị 
tqq
tqq
tqq



sin6.0
sin3.0
sin1.0
303
202
101
Ta được 
tqlz
atqtqtqy
atqtqtqx
p
p
p



sin3.0
*sin1.0cossin6.0*sin1.0sin
*sin1.0sinsin6.0*sin1.0cos
202
3103010
3103010
II. BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC: 
 22
3131
3131
*cos*sin
*sin*cos
dltz
adty
adtx
p
p
p


 2
1
 Ta có: Lượng tịnh tiến 22 ltzd p 
Bình phương 2 vế của (1) và (2) rồi cộng vào ta tìm được 
lượng tịnh tiến 23223 atytxd pp 
 Từ (1) rút 1sin thay vào (2) ta có: 
3
2
3
221
3
2
3
221
arccos
cos
aatytx
tytx
aatytx
tytx
pp
pp
pp
pp


\ 
III. QUY LUẬT CHUYỂN ĐỘNG CỦA KHÂU 1 
Ta có: quy luật chuyển động của khớp 1 có dạng sau: 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
17 
 231
12
2
31
01
2
2
3
31
26
23
atat
atatat
atatatat



Tại các thời điểm đã cho: q1(0) = 50; q1(2) = 150; q1(4) = 450; q1(5) = 750 
Ta có hệ phương trình sau: 
21
21
4
5
14525
10416
524
5
3
2
1
0
123
123
123
0
a
a
a
a
aaa
aaa
aaa
a
Vậy quy luật chuyển động của khâu 1 là: 
 54
2
1
2
1 23
1 tttt 
Và vận tốc và gia tốc: 
 13
4
2
3
1
2
1
tt
ttt


*) Đồ thị hàm số: 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
18 
 a. Đồ thị hàm số của: 542
1
2
1 23
1 tttt 
 b. Đồ thị hàm số của vận tốc: 42
3 2
1 
ttt 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
19 
TRƯỜNG ĐHCN HÀ NỘI ROBOT CÔNG NGHIỆP 
SVTH: NGUYỄN VĂN KHIÊM GVHD: KHỔNG MINH 
20 
 c. Đồ thị hàm số gia tốc: 131 
tt