機械手畢業(yè)設(shè)計
SCARA型裝配機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘 要
Scara 機器人是一種由三個自由度組成的平面關(guān)節(jié)型機器人，它的主要作用是可以完成精密儀器和物體的搬運和移動。由于體積小，傳動原理簡單，被廣泛運用于電子電氣業(yè)，家用電器業(yè)，精密機械業(yè)等領(lǐng)域。整個系統(tǒng)由機器手，機器臂，關(guān)節(jié)，步進電機驅(qū)動系統(tǒng)等組成。通過各自由度步進電機的驅(qū)動，完成機器手，機器臂的位置變化。具體設(shè)計內(nèi)容為：同步齒形帶傳動設(shè)計，絲杠螺母設(shè)計，各輸出軸和殼體的設(shè)計,步進電機的選擇等。在校核滿足其結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上，我們對scara 機器人的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。
本論文著重研究scara 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動學(xué)分析。在論文開始首先介紹了機器人的發(fā)展及其分類情況。在論文第二，三章具體敘述了scara 機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動學(xué)分析的詳細過程。在論文末尾還對scara 機器人進一步改進措施和應(yīng)用展望進行了闡述。
關(guān)鍵詞：scara 機器人，步進電機，結(jié)構(gòu)設(shè)計，機器臂
Structure Design of SCARA Assembly Manipulator
Abstract
A SCARA robot is a robot of plane and joint composed of three degrees of freedom. Its mostly function is used to complete transition and motion of exact apparatuses and objects. Because of its small volume and simple drive principle, it is widely used in the field of electronic and electric industry, home-used electric-ware industry and exact mechanism. The whole system is composed of manipulator hand, manipulator arm, joints and stepper motor driving system. By stepper motor’s driving of each degree of freedom, it completes location change of manipulator hand and manipulator arm. The idiographic designing content is designing of in-phase tooth-shape strap, designing of silk-bar nut, designing of shell and axis and the choice of stepper motors. On the base of checking its structure intensity, while it satisfied, we optimize designing of the structure of SCARA robots.
This paper put its emphases on research of its structure designing and kinematics analysis. At the beginning of this paper, it introduces the development and sort of robots. In the second and third chapter, it introduces detailed detail among the processing of the structure designing of a SCARA robot and its kinematics analysis. At the last, this paper gives some measures about improving of SCARA robots, and gives a expectation about its future.
Key Words: SCARA robots, stepper motor, structure design, manipulator arm
目 錄
摘 要 i
Abstract ii
第一章 緒論 1
1.1 機器人的特點 1
1.2 機器人的構(gòu)成及分類 1
1.2.1 機器人的構(gòu)成 1
1.2.2 機器人的分類 3
1.3 機器人的應(yīng)用與發(fā)展 4
1.3.1 機器人的應(yīng)用 4
1.4 SCARA機器人的研究意義 6
1.4.1 SCARA機器人的研究意義 6
1.4.2 SCARA機器人的特點 7
1.5本文的研究內(nèi)容 8
第二章 SCARA機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 9
2.1 SCARA機器人傳動方案的比較及確定 9
2.2 各自由度步進電機的選擇 11
2.2.1 第一自由度步進電機的選擇 12
2.2.2 第二自由度步進電機的選擇: 12
2.2.3 第三自由度步進電機的選擇 13
2.3 同步齒形帶傳動設(shè)計 14
2.4 絲杠螺母設(shè)計 18
2.4.1 絲杠耐磨性計算 18
2.4.2 絲杠穩(wěn)定性計算 19
2.4.3 絲杠剛度計算 19
2.4.4 絲杠和螺母螺紋牙強度計算 20
2.4.5 螺紋副自鎖條件校核 21
2.5 各輸出軸的設(shè)計 21
2.5.1 機身輸出軸設(shè)計 21
2.5.2 大臂輸出軸設(shè)計 22
2.5.3 帶輪軸設(shè)計: 22
2.5.4 升降軸設(shè)計 22
2.6 殼體設(shè)計 23
第三章 SCARA機器人運動學(xué)分析 25
3.1 引言 25
3.2 SCARA機器人正運動學(xué)分析 25
3.2.1 SCARA機器人連桿坐標系的建立 25
3.2.2 SCARA機器人正運動學(xué)問題 27
3.3 SCARA機器人逆運動學(xué)分析 29
3.4 本章小結(jié) 31
第四章 總結(jié)與展望 32
參 考 文 獻 33
致 謝 34
第一章 緒論
1.1 機器人的特點
機器人最顯著的特點有以下幾個:
1.可編程。生產(chǎn)自動化的進一步發(fā)展是柔性自動化。機器人可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng) (FMS)中的一個重要組成部分 。
2.擬人化。機器人在機械結(jié)構(gòu)上有類似人的行走、腰轉(zhuǎn)、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有電腦。此外，智能化機器人還有許多類似人類的 “生物傳感器”，如皮膚型接觸傳感器、力傳感器、負載傳感器、視覺傳感器、聲覺傳感器、語言功能等.傳感器提高了機器人對周圍環(huán)境的 自適應(yīng)能力。
3.通用性。除了專門設(shè)計的專用機器人外，一般機器人在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時具有較好的通用性。比如，更換機器人手部末端操作器 (手爪、工具等)便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。
4.機電一體化。機器人技術(shù)涉及的學(xué)科相當廣泛，但是歸納起來是機械學(xué)和微電子技術(shù)的應(yīng)用，特別是計算機技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。
因此，機器人技術(shù)的發(fā)展必將帶動其它技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用水平也可以從一個方面驗證一個國家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和水平 。
1.2 機器人的構(gòu)成及分類
1.2.1 機器人的構(gòu)成
一個機器人系統(tǒng)，一般由操作機、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求的外部設(shè)備組成。
1.操作機(又稱執(zhí)行系統(tǒng))
操作機是機器人完成作業(yè)的實體，它具有和人手臂相似的動作功能，是可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置。通常由下列部分構(gòu)成 。
(1)末端執(zhí)行器又稱手部，是操作機直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機器人直接與工業(yè)對象接觸以完成作業(yè)的機構(gòu)。
(2)手腕是支承和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，主要用來確定和改變末端執(zhí)行器的方位和擴大手臂的動作范圍，一般具有 2-3個回轉(zhuǎn)自由度以調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)。有些專用機器人可以沒有手腕而直接將末端執(zhí)行器安裝在手臂的端部。
(3)手臂 它由操作機的動力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，是用于支承和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器位置的部件。手臂有時不止一條，而且每條手臂，也不一定只有一節(jié) (如關(guān)節(jié)型就可能有多節(jié))，所以，它有時還應(yīng)包括肘和肩的關(guān)節(jié)，即手臂和手臂間(靠近末端執(zhí)行器的一節(jié)通常叫小臂 ，靠近機座的，通常叫大臂 )，手臂與機座間用關(guān)節(jié)連接，因而擴大了末端執(zhí)行器姿態(tài)的變化范圍和運動范圍。
(4)機座有時稱為立柱，是工業(yè)機器人機構(gòu)中相對固定并承受響應(yīng)力的基礎(chǔ)部件。可分固定式和移動式兩類，移動式機座下部安裝了移動機構(gòu)，它可以擴大機器人的活動范圍。
2.驅(qū)動單元
它是由驅(qū)動器、減速器、檢測元件等組成的組件 ，是用來為操作機各部件提供動力和運動的裝置。驅(qū)動器是將電能或流體能等轉(zhuǎn)換成機械能的動力裝置，通常是電動機 、液壓或氣動裝置。驅(qū)動形式不同，傳動裝置也有所不同。
3.控制裝置
它是由人對機器人的啟動 、停機及示教進行操作的一種裝置，它指揮機器人按規(guī)定的要求動作?？刂蒲b置包括檢測 (如傳感器)和控制(如計算機)兩部分，可用來控制驅(qū)動單元，檢測其運動參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并進行反饋控制。這就是閉環(huán)控制。如果沒有反饋控制，就是較簡單的開環(huán)控制。
4.人工智能系統(tǒng)
對于智能機器人，還應(yīng)有人工智能系統(tǒng)。它主要由兩部分組成，一部分為感覺系統(tǒng) (硬件)，主要靠各類傳感器來實現(xiàn)其感覺功能。另一部分為決策一規(guī)劃智能系統(tǒng) (軟件)，它包括邏輯判斷、模式識別、大容量數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃操作程序等功能。
1.2.2 機器人的分類
目前世界各國對處于發(fā)展階段的機器人還沒有統(tǒng)一的分類標準，大致有以下幾種分類方法。
1.按使用范圍分類
(1)固定程序的專用機器人 (機械手) 通常根據(jù)主機的特定要求設(shè)計成固定程序 (或簡單的可變程序)。這種機器人 (機械手)多為氣動或液動，用行程開關(guān)、機械擋塊來控制其工作位置。工作對象單一，動作較少，結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)簡單，價格低廉。
(2)可編程序的通用機器人 工作程序可變，以適應(yīng)不同的工作對象，通用性強，適合于以多品種、中小批量生產(chǎn)為特點的柔性制造系統(tǒng)中。
2.按使用行業(yè)、部門和用途分類
(1)工業(yè)機器人 它們又可按作業(yè)類別分為鍛壓、焊接、表面噴涂 、裝卸、裝 配 、檢測等機
(2)采掘機器人 如海洋探礦機器人等。
(3)軍事用途機器人
(4)服務(wù)機器人 如醫(yī)療機器人，家用機器人，教學(xué)機器人等。
3.按機械結(jié)構(gòu) 、坐標系特點分類
按機械結(jié)構(gòu)坐標系特點可分為直角坐標型;圓柱坐標型;球坐標型;多關(guān)節(jié)型。
4.按機器人運動控制方式分類
(1)點位控制 (PTP)機器人 就是由點到點的控制方式，這種控制方式只能在目標點處準確控制機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)，完成預(yù)定的操作要求。目前應(yīng)用的工業(yè)機器人中，很多是屬于點位控制方式的，如上下料搬運機器人、點焊機器人等。
(2)連續(xù)軌跡控制(CP)機器人 機器人的各關(guān)節(jié)同時作受控運動，準確控制機器人末端執(zhí)行器按預(yù)定的軌跡和速度運動，并能控制末端執(zhí)行器沿曲線軌跡上各點的姿態(tài)。弧焊、噴漆和檢測機器人等均屬連續(xù)軌跡控制方式。
5.按驅(qū)動方式分類
按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動式、氣動式、電力驅(qū)動式 (這是目前用得最多的一類)
6.根據(jù)機器人的功能水平和技術(shù)的先進程度按 “代”分類
(1)第一代 機器人 其特點是采用開關(guān)量控制，示教再現(xiàn)控制或數(shù)字控制，其作業(yè)路徑和運動參數(shù)需通過示教或編程給定。60年代以來，工業(yè)中實際應(yīng)用的絕大多數(shù)工業(yè)機器人都屬于第一代機器人，它包括可編程序 (用于上下料)的工業(yè)機器人具有記憶裝置的示教再現(xiàn)型機器人，數(shù)控型搬運機器人等。
(2)第二代機器人 是 70年{BANNED}始出現(xiàn)的，其技術(shù)特點是采用計算機直接控制，是通過具有視覺、觸覺的攝像機和傳感器，能“感覺”外界信息并通過計算機進行計算和分析自動地控制操作機進行運動和操作，因此，其控制方式較第一代機器人要復(fù)雜得多，目前這類機器人已開始在工業(yè)生產(chǎn)、排險救災(zāi)等場合應(yīng)用，并將進入普及階段。
(3)第三代機器人 即智能機器人。這是國內(nèi)外正在積極研究，開發(fā)的高級機器人，其主要特點是具有人工智能。包括: 模式識別能力、規(guī)劃決策能力、知識庫、專家系統(tǒng)、人機交互能力等。這 一類機器人目前正在研究開發(fā)之中。
1.3 機器人的應(yīng)用與發(fā)展
1.3.1 機器人的應(yīng)用
在發(fā)達國家，機器人己廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)部門應(yīng)用最多的當推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在金屬加工、塑料成型、機械制造等行業(yè)也有普遍應(yīng)用，并逐漸向纖維加。食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造等行業(yè)發(fā)展。
焊接作業(yè)包括點焊和弧焊，是機器人用得最多的作業(yè)之一。傳統(tǒng)的點焊機雖然可以減輕人的勞動強度，焊接質(zhì)量也較好，但它適宜少品種大批量的生產(chǎn)環(huán)境，其夾具和焊槍位置不能隨零件的改變而變化，而點焊機器人可通過重新編程來調(diào)整空間點位，滿足不同零件的需要，故特別適宜于小批量多品種的生產(chǎn)環(huán)境。弧焊作業(yè)由于其焊縫多為空間復(fù)雜曲線，故多由人工完成，連續(xù)軌跡控制的機器人可以勝任此任務(wù)，故廣泛用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和容器的焊接 。Unimate, Motoman, ASEA等都是典型的焊接機器人 。
噴漆作業(yè)由于環(huán)境惡劣，國外大量使用了機器人，挪威生產(chǎn)的Trallfa機器人是目前世界上用得最多的噴漆機器人，該機器人為關(guān)節(jié)式，6自由度，電液或全電動伺服驅(qū)動，采用示教再現(xiàn)方式，既可實行點位控制 ，也可實行連續(xù)軌跡控制。
搬運物料的作業(yè)包括為機床上下料，為自動生產(chǎn)線轉(zhuǎn)運工件，搬運機器人和數(shù)控機床一起組成柔性加工系統(tǒng)，一條柔性生產(chǎn)線可配置幾臺至十幾臺搬運機器人，典型的搬運機器人是T3和 Funac機器人。
機器人用于裝配作業(yè)是隨著視覺系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的，電子工業(yè)用得最多，主要用在電路板的裝配上，還有電動機、發(fā)動機部件、閥門等產(chǎn)品的裝配。PUMA機器人是一種典型的裝配機器人，有 6個自由度，關(guān)節(jié)式，直流伺服電機驅(qū)動，微機控制點位或連續(xù)軌跡，用VAL語 言示教編程，其手腕機構(gòu)具有順應(yīng)性，可克服裝配中的誤差。
國外的航空航天工業(yè)中應(yīng)用機器人也十分廣泛，如鉚接裝配作業(yè)就大量使用了機器人，此外如電氣插頭的裝配，發(fā)動機風(fēng)扇外殼和高壓渦輪的焊接，飛機座艙蓋和風(fēng)擋鉆孔作業(yè)，飛機機身和垂直尾翼鉆孔，都采用了機器人。某些飛機機身、機艙的噴漆作業(yè)，發(fā)動機零部件等離子噴涂也采用了機器人。在空間開發(fā)中，航天飛機上收放衛(wèi)星的機器人是加拿大Spar公司生產(chǎn)的，美國NASA實施的火星測計劃，發(fā)射了兩個火星探測器海盜 I和海盜H，它們也是一種機器人，在火星上采集樣品，作各種實驗，并能將實驗結(jié)果發(fā)回地球。
在海洋開發(fā)方面，美國曾用 Curv號有纜水下機器人成功地從西班牙附近 900米深的海底打撈一顆因 B-52轟炸機失事掉入水中的氫彈。
挪威卑爾根公司生產(chǎn)的一種水下機器人，可在水下 600米處作業(yè)，裝有電視攝像機，可收集海底標本，切割石油管道和纜索等。
在放射性環(huán)境中，如在核電站里，機器人可用來檢查、修復(fù)管道、閥門等，如日本東芝公司研制的一種蛇形機器人，具有八個關(guān)節(jié)，可以在狹小的空間里操作，臂長達2.25米，臂頂端裝有電視攝像機。
在軍事方面，機器人 己用于偵察、布雷、排除爆炸物、裝填彈藥等。在建筑中，己有一種爬壁機器人可用來修理墻面，擦洗窗戶。此外還有摘果實、擠牛奶、剪羊毛、清理垃圾、監(jiān)護病人的機器人等。
總之，機器人的應(yīng)用面相當廣泛，機器人的工作特點是在計算機控制下離開人的干預(yù)進行各項工作。用機器人代替人，可以使人擺脫高溫、有毒、粉塵、振動、放射性、強噪音等惡劣環(huán)境，而去從事機器人的監(jiān)控、維護等工作，使工作性質(zhì)發(fā)生了變化，減輕了勞動強度，同時也改善了就業(yè)結(jié)構(gòu)。機器人工作抗干擾能力強，一心一意按所編程序工作，動作精度、重復(fù)精度高，因此能保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量。解決多品種小批量生產(chǎn)的自動化問題二隨著人民生活水平的提高，人們要求提供更豐富更多樣的產(chǎn)品。因此，用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式難以滿足人們的需求，當前柔性制造系統(tǒng)的飛速發(fā)展正是適應(yīng)了這種發(fā)展趨勢，而機器人是柔性系統(tǒng)中不可缺少的提高勞動生產(chǎn)率的關(guān)鍵設(shè)各。與人相比，機器人有一個最大的特點:不知疲倦、不需要休息，在合宜的條件下，可以連續(xù)工作，因此可以大大地提高勞動生產(chǎn)率。機器人對于改善勞動條件、減少安全事故 ，減少人受危險環(huán)境的傷害等方面都有顯著的效果。
1.4 SCARA機器人的研究意義
1.4.1 SCARA機器人的研究意義
目前，國外已有各種專用和通用的裝配機器人在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，主要類型大致有直角坐標型、圓柱坐標型和關(guān)節(jié)型三大類。關(guān)節(jié)型裝配機器人又有垂直關(guān)節(jié)型 (即空間關(guān)節(jié)型)和平面關(guān)節(jié)型 (即SCARA型)兩種。拒統(tǒng)計資料介紹，在這些裝配機器人中，平面關(guān)節(jié)型裝配機器人是應(yīng)用數(shù)量最多且較為廣泛的一種裝配機器人。1991年世界上4萬余臺在生產(chǎn)上應(yīng)用的裝配機器人中，SCARA機器人約占3/4左右。其主要應(yīng)用領(lǐng)域為電子電氣業(yè)、家用電器業(yè)、精密機械業(yè)。從事印刷電路板上電子元器件的插入作業(yè);家用電器及儀器儀表的組裝作業(yè):小型電器開關(guān)、接觸器等電器產(chǎn)品的組裝作業(yè)。可以說，SCARA型機器人在輕型、較簡單且要求機器人價格較低的裝配作業(yè)中大顯了身手。
隨著社會需求的增大和技術(shù)的進步，裝配機器人將會得到迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，將是推動裝配機器人發(fā)展的直接動力。近年來計算機、CIMS及柔性 自動裝配系統(tǒng)等的發(fā)展，又為裝配機器人的應(yīng)用和發(fā)展提供了良好的可能性。1972年我國開始研制機器人，但發(fā)展緩慢，受經(jīng)濟、觀念等因素的制約 ，基本沒有什么應(yīng)用，直到 1986年，沈陽機器人研究所成立，中國的機器人才向?qū)嵱秒A段發(fā)展。隨著國內(nèi)教育和科技的發(fā)展，哈工大等高校出現(xiàn)了專門的機器人機構(gòu)，研究水平在某些方面己達到國際先進水平。在應(yīng)用方面，一汽等大型企業(yè)己開始使用機器人自動化生產(chǎn)線。但總體來說，國內(nèi)機器人發(fā)展還是趨于落后，特別是在應(yīng)用方面發(fā)展緩慢。究其原因，除了經(jīng)濟因素的制約外，很重要的一點是有關(guān)機器人的教育跟不上，知道機器人的人很多，但真正了解、懂機器人的人少而又少，這就使我國的機器人發(fā)展缺乏智力支持，加強機器人技術(shù)教育，緩解人才危機迫在眉睫。而研制結(jié)構(gòu)簡單、成本較低 SCARA 機器人用于教學(xué)可以提高教育的現(xiàn)代化水平，用于實際生產(chǎn)可以大大提高工作效率，還可以用于科學(xué)研究工作，為開發(fā)更先進的裝配機器人提供有利條件，隨著我國經(jīng)濟和科技的發(fā)展，我們有能力也有必要進行這方面的研究
1.4.2 SCARA機器人的特點
根據(jù)工作環(huán)境、工作特點等要求，本 SCARA機器人應(yīng)具備以下幾個特點:
1.外形美觀，適于觀察。
如果作為示教用機器人應(yīng)該讓觀看者賞心悅目，同時能直觀地了解它的構(gòu)成和動作原理。故機器人的外形應(yīng)巧妙設(shè)計，部分外殼應(yīng)采用透明材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單明了，另外，機器人的動作應(yīng)連續(xù)，速度適中。
2.成本低
在滿足所要求功能的前提下 ，盡可能降低成本，這是設(shè)計的基本要求.如果作為教學(xué)用機器人只要求有一些示范性動作，而對實踐的功能要求不高，速度等參數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，定位精度要求也不高，故機構(gòu)盡可能采用規(guī)則件、標準件，驅(qū)動元件采用便宜的步進電機，而光電碼盤等測試校驗元件則可不用，其功能由軟件部分實現(xiàn)補償。這樣，結(jié)構(gòu)大大簡化，成本也隨之降低。
3.體積小 ，重量輕
SCARA機器人要求抓取重量不大，動作范圍也很小，故體積很小，展開應(yīng)在60x80cm2左右。要實現(xiàn) SCARA機器人的四個自由度，內(nèi)部零件應(yīng)盡量小巧，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能緊湊。重量輕是機器人研制的一個方向，在滿足強度和剛度的條件下，零部件越輕越好，故材料要首選鋁質(zhì)輕質(zhì)材料，零件特別是具有定位功能的殼體定位板應(yīng)采用板筋結(jié)構(gòu)，各零件的空間分布要合理，減小傾覆力矩。
4.傳動原理簡單
本SCARA機器人采用步進電機驅(qū)動，速度要求不高，故減速比可在一定范圍內(nèi)調(diào)整 ，只要能滿足轉(zhuǎn)矩即可。選擇減速方案可根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求 ，跨距轉(zhuǎn)大的傳動可選用同步帶傳動力求一步到位，傳動簡單。
1.5本文的研究內(nèi)容
SCARA機器人為平面關(guān)節(jié)型機器人，一般采用步進電機驅(qū)動，控制簡單，編程方便。主要應(yīng)用于電子產(chǎn)品中異形元件裝配，小型機電產(chǎn)品如電機、空壓機、電器、泵類等的裝配工作，是一種小型經(jīng)濟型機器人。該機器人的突出特點是機構(gòu)承載能力強，具有較好的通用性，重復(fù)定位精度高，動作速度快，應(yīng)用范圍廣。該論文涉及計算機技術(shù)、電子、機械等多學(xué)科的知識，主要完成了以下的工作:
1. 在進行充分的課題可行性論證及詳細的理論計算之后，用AutoCAD等計算機圖形輔助設(shè)計軟件完成了 SCARA機器人的機械本體結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了滿足靈活性強、工作空間大、重量輕及結(jié)構(gòu)緊湊等工作要求，將其設(shè)計為具有三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機器人。
2．建立了SCARA機器人的運動學(xué)數(shù)學(xué)模型，得到了運動學(xué)方程的正解和反解，并在運動學(xué)分析的基礎(chǔ)上，求得了SCARA 機器人的雅可比矩陣。
第二章 SCARA機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 SCARA機器人傳動方案的比較及確定
初步確定以下兩種可行方案：
方案一：
大臂轉(zhuǎn)動采用諧波減速，小臂轉(zhuǎn)動采用二級同步帶減速，升降軸采用絲杠螺母傳動，手腕轉(zhuǎn)動采用步進電機直接驅(qū)動。這種方案主要考慮了傳動鏈的簡化，結(jié)構(gòu)比較簡單易行。
方案二：
大臂轉(zhuǎn)動采用齒輪減速，小臂轉(zhuǎn)動采用二級同步帶傳動，升降軸采用一級齒帶傳動加齒輪齒條實現(xiàn)升降運動。
方案一具有以下特點 :
1.第一個自由度采用諧波減速器，適合結(jié)構(gòu)特點，減速比大、體積小、重量輕、精度高、回差小、承載能力大、噪音小、效率高、定位安裝方便，由于使用標準件，價格也不高。
2.第二個自由度采用二級同步齒形帶減速，充分利用了大臂的空間，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比恒定，傳動功率大，效率較高，但對安裝有一定要求，需加調(diào)整裝置。
3.第三個自由度采用絲杠螺母傳動。電機直接驅(qū)動絲杠螺母傳動的同時兼有減速的作用，一步把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，傳動精度較高，絲杠有自鎖功能，速度不宜過高。
方案二具有以下特點:
1.第一個自由度采用齒輪減速，這是最常用的減速方法，傳動比恒定，傳動效率高，工作可靠，使用壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞功率大，但傳動精度低，噪音大，傳動比小。齒輪的加工成本比較高，體積和重量都比較大。
2.第三個自由度采用了齒帶加齒輪齒條傳動，基本具備齒輪傳動的特點，傳遞功率大，傳動效率高，精度低，有噪音，傳動比小，工作可靠，但需要平衡裝置，不能自鎖。
3.其它方面與方案一基本相同。
兩方案相比較，在傳動的實現(xiàn)上，二者都是可行的。方案一結(jié)構(gòu)比較簡單，各傳動元件的定位比較容易實現(xiàn);方案二結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各部分定位都需仔細考慮。外觀上，方案二顯得更好一些。傳動精度方面，顯然方案一比較高。成本上考慮，方案一采用標準件較多，零部件較少，且比較規(guī)則，易于加工，絲杠螺母在精度要求不高的情況下，加工成本也不是很高;方案二用了很多齒輪，需專門設(shè)備加工，且各定位部件形狀不規(guī)則，加工困難，這都使成本增加。故綜合考慮，選擇方案一。
機器人驅(qū)動方案的對比分析及選擇:
對機器人驅(qū)動裝置的一般要求如下:
1.動裝置的重量盡可能要輕，單位重量的輸出功率 (即功率/重量比)要高，效率也要高;
2.反應(yīng)速度要快，即要求力/重量比和力矩/慣量比要大;
3.動作平滑，不產(chǎn)生沖擊;
4.控制盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小;
5.安全可靠;
6.操作和維護方便;
7.對環(huán)境無污染，噪聲要小;
8.經(jīng)濟上合理，尤其是要盡量減少占地面積。
通常的機器人驅(qū)動方式有以下四種 :
1.步進電機:可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉;通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制;位置誤差不會積累;步進電機具有自鎖能力 (變磁阻式)和保持轉(zhuǎn)矩 (水磁式)的能力，這對于控制系統(tǒng)的定位是有利的，適于傳動功率不大的關(guān)節(jié)或小型機器人 。
2.直流伺服電機:直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，而且需要外圍轉(zhuǎn)換電路與微機配合實現(xiàn)數(shù)字控制。若使用直流伺服電機，還要考慮電刷放電對實際工作的影響。
3.交流伺服電機:交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管 GTO，大功率晶閘管GTR和場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。采用 16位 CPU+32位 DSP三環(huán) (位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應(yīng)速度。
4.液壓伺服馬達: 液壓伺服馬達具有較大的功率/體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。
SCARA機器人負載并不大，決定了機器人必須重量輕 (10~20Kg)，另外其作業(yè)范圍也不大，所以機器人必須體積小。對此機器人，這些特點決定了它的驅(qū)動方式。又通過以上比較，由于步進電機的諸多優(yōu)點，初選上述方案中的步進電機方案進行詳細的計算和選擇，并在此基礎(chǔ)上參考同類機器人的驅(qū)動方案，最后確定一種適合我國國情的實施方案。
SCARA機器人兩個關(guān)節(jié)均選用步進電機驅(qū)動。機器人大臂，小臂均采用了二級齒帶傳動，升降軸采用一級齒帶加齒輪齒條實現(xiàn)升降運動。
2.2 各自由度步進電機的選擇
本機器人前兩個自由度是平面旋轉(zhuǎn)，若軸承是光滑的，則旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比較小。因為將臂伸開呈一條直線時轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生步進電機的轉(zhuǎn)矩不足。下面估算一下繞機器人臂的旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1,JG2,JG3根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為:
J1=JG1+ m1 1 12+JG2+m2 122+ JG3 + m3l32 (2-1)
其中，m1, m2, m3分別為大臂，小臂, 腕部的質(zhì)量為3kg,0.8kg,4kg 。1 1, 12, l3分別為各重心到第一關(guān)節(jié)處的距離，其值為150mm ,450mm,550mm。
在式(2-1)中，JG1≤m1 1 12，JG2<
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