Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong xu thế công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao năng suất dây chuyền, cải thiện chất lượng sản phẩm, gia tăng năng lực cạnh tranh và giảm thiểu điều kiện lao động nặng nhọc, độc hại cho con người. Trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện đại, robot công nghiệp – đặc biệt là các cơ cấu tay máy (robot manipulator) – là thành phần cơ bản giữ vai trò chấp hành trực tiếp các thao tác vận hành phức tạp.
Tại Việt Nam, việc ứng dụng robot công nghiệp trong các dây chuyền sản xuất vẫn còn nhiều rào cản do chi phí đầu tư thiết bị nhập khẩu từ nước ngoài rất đắt đỏ so với năng lực tài chính của thị trường nội địa. Xuất phát từ nhu cầu nội địa hóa sản phẩm cũng như đẩy mạnh nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ tay máy phục vụ đào tạo và sản xuất, đề tài “Tính toán, thiết kế và mô hình hóa mô phỏng động học robot Kuka” được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ cốt lõi sau:
- Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, phân loại và các giải pháp kết cấu phần cứng của cơ cấu tay máy robot công nghiệp.
- Xây dựng mô hình toán học giải quyết trọn vẹn bài toán động học thuận và bài toán động học ngược cho robot KUKA có 6 bậc tự do.
- Thiết kế mô hình hình học 3D các chi tiết của cánh tay robot trên phần mềm CAD và thực hiện lắp ráp hoàn chỉnh.
- Thiết lập quan hệ liên kết (Mates) và mô phỏng quá trình hoạt động động học (gắp vật thể và chuyển trạng thái) trên môi trường phần mềm SolidWorks.
- Đối tượng nghiên cứu: Cánh tay robot công nghiệp KUKA cấu trúc 6 bậc tự do (6-DOF) dạng chuỗi động học hở.
- Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung vào việc tính toán lý thuyết động học (không gian vị trí và hướng) và xây dựng mô hình mô phỏng hình học 3D trên phần mềm SolidWorks; thời gian thực hiện đề tài giới hạn trong khung thời gian 03 tháng (hoàn thành tháng 5 năm 2018 tại Viện Kỹ thuật – Công nghệ).
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài vận dụng hệ thống lý thuyết liên ngành Cơ khí – Điện tử – Tự động hóa để giải quyết bài toán phân tích và mô phỏng tay máy:
-
Khung lý thuyết và tiêu chuẩn:
- Lịch sử và khái niệm nền tảng về Robot và Robotics (thuật ngữ Robot từ nguyên gốc Slavơ Rabota trong tác phẩm của Karel Čapek năm 1921; ba nguyên tắc robot học của Isaac Asimov; khái niệm Cơ điện tử - Mechatronics).
- Khái niệm các cấp độ tự động hóa công nghiệp: Tự động hóa cứng (Fixed Automation), Tự động hóa khả trình (Programmable Automation), và Tự động hóa linh hoạt (Flexible Automation với các mô hình FMC - Flexible Manufacturing Cell và FMS - Flexible Manufacturing System).
- Tiêu chuẩn định nghĩa robot công nghiệp theo Viện Nghiên cứu Robot Hoa Kỳ và tiêu chuẩn ГOCT 25686-85 (Liên Xô).
- Lý thuyết biểu diễn không gian và biến đổi tọa độ: Ma trận quay Euler trong không gian 3 chiều ($R_x, R_y, R_z$), ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất kích thước $4 \times 4$.
- Phương pháp Denavit - Hartenberg (bộ thông số DH) để mô tả quan hệ động học giữa các khâu liên tiếp trong chuỗi động học không gian.
-
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Khảo sát các dạng kết cấu hình học của tay máy (tọa độ Đề-các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA, và dạng phỏng sinh học tay người Anthropomorphic).
- Phương pháp toán học giải tích: Sử dụng quy tắc đặt hệ trục tọa độ DH để lập ma trận truyền $A_i$, giải bài toán động học thuận; áp dụng phương pháp hình học kết hợp đại số giải tích (định lý hàm số cosin, hàm lượng giác ngược
atan2, tách tâm cổ tay $W$) để giải bài toán động học ngược tìm nghiệm cấu hình góc khớp $(\theta_1, \theta_2, \theta_3, \theta_4, \theta_5, \theta_6)$. - Phương pháp mô hình hóa 3D và mô phỏng tham số: Thiết kế hình học khối solid trên phần mềm SolidWorks, định nghĩa các bậc tự do và ràng buộc chuyển động (Mates), thực hiện kiểm tra chu trình động học gắp vật thể.
-
Nguồn dữ liệu: Các thông số hình học, góc quay giới hạn và vận tốc của cánh tay robot KUKA; các tài liệu giáo trình chuyên ngành về điều khiển tự động, kỹ thuật robot và hướng dẫn sử dụng phần mềm SolidWorks.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp
Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các khái niệm cơ sở về khoa học robot công nghiệp (RBCN), cấu tạo chung và các phương pháp phân loại:
- Lịch sử phát triển và định nghĩa: Tổng quan từ các ý tưởng huyền thoại cổ đại đến thuật ngữ robot hiện đại của Karel Čapek (1921) và 3 định luật robot của Isaac Asimov. Trình bày các đặc trưng của RBCN theo định nghĩa quốc tế và tiêu chuẩn ГOCT 25686-85.
- Cấu trúc cơ bản của tay máy: Phân tích 4 hệ thống cấu thành gồm cơ cấu cơ khí chấp hành (đế cố định hoặc di động, thân, cánh tay trên, cánh tay dưới, cổ tay và bàn kẹp/công tác), hệ thống truyền dẫn động (cơ khí, thủy khí hoặc điện khí), hệ thống cảm biến (nội tín hiệu và ngoại tín hiệu) và hệ thống điều khiển trung tâm.
- Phân loại tay máy theo kết cấu hình học:
- Kiểu tọa độ Đề-các (PPP): Vùng làm việc dạng hộp chữ nhật, kết cấu cứng vững cao, độ chính xác đồng đều nhưng độ khéo léo thấp, chuyên dùng vận chuyển và lắp ráp.
- Kiểu tọa độ trụ (RPP): Khớp đầu tiên là khớp quay, vùng làm việc là hình trụ rỗng, khả năng mang tải tốt.
- Kiểu tọa độ cầu (RRP): Sử dụng 2 khớp quay và 1 khớp trượt, vùng làm việc là khối cầu rỗng, có thể thao tác với vật thể dưới nền.
- Kiểu SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm): Phát triển năm 1979 tại Đại học Yamanashi (Nhật Bản), gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt có trục song song, độ cứng vững cao theo phương thẳng đứng và độ mềm dẻo chọn lọc theo phương ngang, tối ưu cho lắp ráp tải trọng nhỏ.
- Kiểu tay người (Anthropomorphic): Gồm 3 khớp quay (trục thứ nhất vuông góc với 2 trục còn lại, tương ứng khớp vai - Shoulder joint và khớp khuỷu - Elbow joint), hoạt động rất linh hoạt, vùng làm việc gần giống một phần khối cầu.
- Phân loại theo phương thức điều khiển: Điều khiển vòng hở (dùng động cơ bước, góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển, độ chính xác thấp) và điều khiển vòng kín/servo (dùng tín hiệu phản hồi vị trí; phân nhánh thành điều khiển điểm - điểm và điều khiển theo đường biên contour).
+------------------+----------------------------------------------------+
| Dạng kết cấu | Đặc tính vùng làm việc & Ứng dụng chính |
+------------------+----------------------------------------------------+
| Đề-các (PPP) | Hộp chữ nhật; độ cứng vững cao; lắp ráp, bốc xếp |
| Trụ (RPP) | Hình trụ rỗng; chịu tải tốt; gắp chi tiết |
| Cầu (RRP) | Khối cầu rỗng; linh hoạt, nhặt vật dưới sàn |
| SCARA | Một phần trụ rỗng; mềm dẻo chọn lọc; lắp ráp đứng |
| Tay người (RRR) | Gần khối cầu; độ khéo léo tối đa; hàn, sơn, gắp |
+------------------+----------------------------------------------------+
Chương 2: Tính toán động học robot
Chương 2 trình bày cơ sở toán học và thực hiện tính toán cụ thể cho robot KUKA 6 bậc tự do:
- Biểu diễn toán học hệ tọa độ và ma trận quay: Xây dựng quan hệ tọa độ giữa hệ quy chiếu cố định $Oxyz$ và hệ quy chiếu địa phương $O'x'y'z'$ gắn trên vật thể. Thiết lập các ma trận quay cơ bản quanh các trục tọa độ $R_z(\psi)$, $R_y(\theta)$, $R_x(\phi)$.
- Thiết lập bộ thông số Denavit - Hartenberg (DH): Trình bày quy tắc 4 bước xác định hệ trục và 4 tham số động học ($a_i$: độ dài đường vuông góc chung; $\alpha_i$: góc chéo giữa hai trục khớp; $d_i$: khoảng cách dọc trục khớp; $\theta_i$: góc quay quanh trục khớp).
| Khâu ($i$) | $\theta_i$ | $d_i$ (mm) | $a_i$ (mm) | $\alpha_i$ (độ) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | $\theta_1^*$ | 0 | 120 | $90^\circ$ |
| 2 | $\theta_2^*$ | 0 | 179 | $0^\circ$ |
| 3 | $\theta_3^*$ | 0 | 36 | $90^\circ$ |
| 4 | $\theta_4^*$ | 115 | 0 | $-90^\circ$ |
| 5 | $\theta_5^*$ | 0 | 0 | $90^\circ$ |
| 6 | $\theta_6^*$ | 55 | 0 | $0^\circ$ |
- Giới hạn không gian hoạt động và vận tốc các trục robot KUKA:
| Trục | Giới hạn chuyển động góc | Tốc độ cực đại ($^\circ/\text{s}$) |
|---|---|---|
| Trục 1 | $\pm 185^\circ$ | 152 |
| Trục 2 | $+115^\circ \text{ đến } -55^\circ$ | 152 |
| Trục 3 | $+70^\circ \text{ đến } -210^\circ$ | 152 |
| Trục 4 | $\pm 350^\circ$ | 250 |
| Trục 5 | $\pm 130^\circ$ | 357 |
| Trục 6 | $\pm 350^\circ$ | 660 |
- Giải bài toán động học thuận: Xác định ma trận chuyển đổi tổng quát ${}^0T_6 = A_1 A_2 A_3 A_4 A_5 A_6$ cho phép tính vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối từ các giá trị biến khớp $\theta_1 \dots \theta_6$.
- Giải bài toán động học ngược: Áp dụng phương pháp tách nhóm giải tích 2 bước:
- Bước 1 (Động học ngược vị trí): Xác định tọa độ tâm cổ tay $W(P_{wx}, P_{wy}, P_{wz})$ để tính toán 3 góc khớp đầu tiên $(\theta_1, \theta_2, \theta_3)$ dựa trên hình chiếu bằng, định lý hàm số cosin và hàm $\text{atan2}$.
- Bước 2 (Động học ngược hướng): Tính toán ma trận định hướng còn lại ${}^3R_6 = ({}^0R_3)^{-1} \cdot {}^0R_6$, sau đó đồng nhất các phần tử ma trận để giải ra bộ góc định hướng $(\theta_4, \theta_5, \theta_6)$ thông qua hàm $\text{atan2}$.
Chương 3: Mô hình hóa mô phỏng robot trên SolidWork
Chương 3 tập trung vào quy trình xây dựng hình học 3D, lắp ráp và mô phỏng chuyển động:
- Tổng quan công cụ phần mềm: Giới thiệu lịch sử, tính năng của SolidWorks (Dassault Systèmes), các mô-đun thiết kế chi tiết (Part), lắp ráp (Assembly), xuất bản vẽ kỹ thuật (Drawing), phân tích động học/động lực học (SolidWorks Motion / Simulation), mô-đun gia công CNC (SolidCAM) và thiết kế khuôn (3DQuickMold).
- Quy trình dựng hình 3D các chi tiết: Xây dựng mô hình 3D và gán hệ trục tọa độ cho 6 bộ phận cơ cấu chính:
- Chi tiết Đế (Base).
- Chi tiết Trục quay thân.
- Chi tiết Khâu 3 (Cánh tay dưới).
- Chi tiết Khâu 4 (Cánh tay trên).
- Chi tiết Khâu 5 (Cổ tay).
- Chi tiết Khâu 6 (Bàn kẹp / khâu chấp hành cuối).
- Lắp ráp và thiết lập ràng buộc (Mates): Thực hiện gán các ràng buộc hình học và bậc tự do quay tương ứng giữa các khớp khâu theo đúng quy ước chiều chuyển động của hệ trục tọa độ DH đã tính toán.
- Tiến hành mô phỏng chuyển động: Thiết lập kịch bản điều khiển góc khớp mô phỏng quá trình cánh tay robot chuyển động tiếp cận vị trí, tiến hành gắp vật thể, nhấc vật và quay trở về trạng thái chờ (Home/Waiting position).
Thiết kế và triển khai mô phỏng kỹ thuật
Quá trình triển khai kỹ thuật của đồ án bao gồm các bước thiết kế mô hình 3D, thiết lập quan hệ lắp ghép và kiểm tra động học:
- Thiết kế hình học 3D chi tiết (Part Design):
- Từng chi tiết của robot KUKA được mô hình hóa từ các biên dạng 2D (Sketch) và tạo khối đặc 3D (Solid features) dựa trên các kích thước thực tế tương ứng với thông số DH ($a_1=120\text{ mm}, a_2=179\text{ mm}, a_3=36\text{ mm}, d_4=115\text{ mm}, d_6=55\text{ mm}$).
- Gán gốc và hệ trục tọa độ 3D cục bộ lên từng chi tiết để phục vụ xác định hướng và vị trí tiếp giáp giữa các khớp.
- Lắp ráp mô hình (Assembly & Mating):
- Đưa các chi tiết đã thiết kế vào môi trường lắp ráp chung.
- Thiết lập các liên kết đồng trục (Concentric), liên kết mặt tiếp xúc (Coincident/Distance) để giới hạn chuyển động chỉ còn các bậc tự do quay thuần túy quanh trục $z_i$ của từng khớp.
- Tổng hợp số lần Mates nhằm đảm bảo cơ cấu hoạt động đúng chuỗi động học hở 6 bậc tự do không bị xung đột hình học.
- Thiết lập mô phỏng động học (Motion Simulation):
- Quy ước chiều và giới hạn chuyển động cho từng trục khớp tuân thủ bảng giới hạn góc quay cực đại và vận tốc góc của robot KUKA.
- Chạy mô phỏng kiểm tra hành trình làm việc: Robot xuất phát từ vị trí ban đầu $\rightarrow$ hạ khâu công tác xuống gắp vật $\rightarrow$ nâng vật lên theo quỹ đạo $\rightarrow$ đưa vật đến vị trí đích và quay về trạng thái chờ.
Kết quả và đóng góp
- Kết quả đạt được:
- Thiết lập thành công bảng tham số Denavit - Hartenberg (DH) gồm đầy đủ 4 tham số hình học cho 6 khâu của robot KUKA.
- Xây dựng hoàn chỉnh hệ phương trình động học thuận và hệ phương trình giải tích tường minh cho bài toán động học ngược 6 bậc tự do bằng thuật toán giải tách vị trí - hướng.
- Tổng hợp đầy đủ bảng giới hạn góc quay và tốc độ góc vận hành cực đại của 6 trục khớp robot KUKA (từ $152^\circ/\text{s}$ ở các trục gốc đến $660^\circ/\text{s}$ ở trục cổ tay số 6).
- Hoàn thiện mô hình CAD 3D gồm 6 cụm chi tiết cơ khí và thực hiện thành công chu trình mô phỏng gắp vật và trả về trạng thái chờ trên phần mềm SolidWorks.
- Đóng góp của đồ án:
- Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán động học và mô phỏng hình học cho dòng robot công nghiệp 6-DOF.
- Kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích lý thuyết và công cụ mô phỏng 3D trực quan, hỗ trợ làm chủ kỹ thuật thiết kế và ứng dụng robot phục vụ học tập, nghiên cứu trong phòng thí nghiệm trường đại học/cao đẳng và định hướng chế tạo thực tế.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Thời gian nghiên cứu bị giới hạn (dưới 03 tháng) dẫn đến việc chưa bao quát được toàn diện mọi khía cạnh động lực học nâng cao và tối ưu hóa kết cấu cơ khí.
- Kết quả khảo sát và mô phỏng dừng lại ở mức độ tính toán động học hình học thuần túy trên phần mềm, chưa thực hiện chế tạo mẫu thực nghiệm phần cứng và kiểm chứng điều khiển thực tế.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Khai thác sâu hơn các mô-đun nâng cao trong phần mềm SolidWorks (SolidWorks Simulation, SolidWorks Motion phân tích lực và ứng suất) để khảo sát động lực học tải trọng và độ bền của kết cấu.
- Ứng dụng kết quả tính toán động học để tiến tới thiết kế, gia công chế tạo mô hình cánh tay robot thực tế hoạt động với các chế độ chuyển động và thao tác công nghiệp phức tạp hơn.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng tham khảo:
- Sinh viên và học viên chuyên ngành Cơ kỹ thuật, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Robot.
- Kỹ sư đang thực hiện các đề tài tính toán thiết kế tay máy công nghiệp hoặc xây dựng mô hình mô phỏng cơ cấu nhiều bậc tự do.
- Nội dung giá trị nhất:
- Bảng thông số DH chuẩn và quy trình từng bước giải bài toán động học ngược 6-DOF (Chương 2).
- Phương pháp xây dựng mô hình chi tiết, gán hệ trục tọa độ 3D và thiết lập ràng buộc liên kết Mates để mô phỏng hoạt động tay máy trên phần mềm SolidWorks (Chương 3).
Câu hỏi thường gặp
1. Cơ cấu tay máy robot KUKA trong đồ án có bao nhiêu bậc tự do và thuộc dạng kết cấu nào?
Robot KUKA trong đề tài có cấu trúc 6 bậc tự do (6-DOF) dạng chuỗi động học hở, thuộc kiểu kết cấu phỏng sinh học tay người (Anthropomorphic) với các khớp quay liên tiếp mô phỏng chuyển động của thân, vai, khuỷu và cổ tay 3 bậc tự do.
2. Các kích thước hình học chính ($a_i, d_i$) trong bảng thông số DH của robot KUKA được xác định bằng bao nhiêu?
Theo bảng thông số DH được tác giả tính toán: độ dài các khâu là $a_1 = 120\text{ mm}$, $a_2 = 179\text{ mm}$, $a_3 = 36\text{ mm}$, $a_4 = a_5 = a_6 = 0\text{ mm}$; khoảng cách dọc trục khớp là $d_1 = d_2 = d_3 = d_5 = 0\text{ mm}$, $d_4 = 115\text{ mm}$ và $d_6 = 55\text{ mm}$.
3. Bài toán động học ngược 6 bậc tự do được tác giả giải quyết theo phương pháp nào?
Bài toán động học ngược được giải bằng phương pháp tách bài toán làm 2 bước: Bước 1 sử dụng phương pháp hình học giải tích và hàm atan2 để tìm 3 góc vị trí $(\theta_1, \theta_2, \theta_3)$ dựa vào tọa độ tâm cổ tay $W$; Bước 2 tính toán ma trận định hướng ${}^3R_6 = ({}^0R_3)^{-1} \cdot {}^0R_6$ và đồng nhất các phần tử lượng giác để tìm 3 góc định hướng còn lại $(\theta_4, \theta_5, \theta_6)$.
4. Vận tốc góc cực đại của các trục khớp trên robot KUKA được thống kê trong đồ án là bao nhiêu?
Vận tốc cực đại của các trục lần lượt là: Trục 1 đạt $152^\circ/\text{s}$, Trục 2 đạt $152^\circ/\text{s}$, Trục 3 đạt $152^\circ/\text{s}$, Trục 4 đạt $250^\circ/\text{s}$, Trục 5 đạt $357^\circ/\text{s}$, và Trục 6 đạt $660^\circ/\text{s}$.
5. Những tính năng và mô-đun nào của SolidWorks được đề cập trong quá trình thực hiện đồ án?
Đồ án đề cập đến các tính năng tạo khối 3D từ biên dạng 2D, lắp ráp chi tiết (Assembly/Mates), xuất bản vẽ kỹ thuật 2D, phân tích động học và động lực học (Motion/Simulation), cùng các mô-đun mở rộng như gia công CAM (SolidCAM) và thiết kế khuôn (3DQuickMold).
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp của tác giả Trần Văn Hưng đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu tổng quan về robot công nghiệp, xây dựng thành công mô hình toán học giải quyết bài toán động học thuận và ngược cho robot KUKA 6 bậc tự do theo phương pháp Denavit - Hartenberg. Toàn bộ cơ cấu cánh tay robot được mô hình hóa 3D chi tiết và thiết lập liên kết lắp ráp mô phỏng trực quan chu trình vận hành trên phần mềm SolidWorks. Kết quả của đồ án tạo lập cơ sở lý thuyết và kỹ thuật quan trọng phục vụ công tác nghiên cứu, thực hành trong các phòng thí nghiệm đào tạo kỹ thuật và định hướng cho việc chế tạo, nội địa hóa thiết bị tay máy công nghiệp.