一種基于SCARA機器人機械結構設計1 z" p' d! q) {: j/ J$ e- H. S1 M
摘 要：針對SCARA機器人在生產(chǎn)教學中的廣泛應用，設計了一個結構簡單、傳動精度高、操作方便的可以實現(xiàn)用多種控制方式(PC的遠程控制，單片機的控制，開關量的控制等）控制的SCARA型機器人。 # d* S4 j y3 z& J: [+ R8 u$ b
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SCARA機器人為平面關節(jié)型的機器人，它結構簡單!體積小，重量輕，安裝方便!具有很好的通用性。而且動作迅速、定位精度高。CARA機器人一般采用步進電機驅(qū)動，控制簡單，編程方便，廣泛應用于電器、泵類等裝配工作中[1]。 本文針對試驗教學的需要，設計了一種新型的SCARA機器人。
' m4 L3 Q# O& K; P1 機器人機械臂的主要性能參數(shù)及計算+ a" ]0 l& |2 F8 G3 n, Y7 q+ d$ h" \
1.1 SCARA機器人機械臂的基本性能參數(shù)- F1 Y4 _6 }5 N# X
根據(jù)本機器人的應用要求，其主要的設計參數(shù)要求如下：( G) P5 p7 Z( _ s
(1) 抓重：≤4kg, F( e; [" C4 G8 H' S/ O: p. k
(2) 自由度：4
S* S/ j- G) J* ^# u(3) 運動參數(shù)：
- I& c3 q9 u6 |- ?* D n7 S大臂：±90。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤30。/s" |/ \& n& ^. ]" M" l1 @
小臂：±60。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤15。/s) E3 J4 S" b7 R+ s! a C# k) l- B
手腕回轉(zhuǎn)：±180。(回轉(zhuǎn)角度)，角速度≤60。/s
2 o* l1 ^2 m N0 k手腕升降：100mm(升降距離)，線速度≤0.01m/s6 |1 w: M& E# Q- Z8 B' N# ?8 k
1.2 主要參數(shù)計算' t& B, {, P9 k% u5 M
(1)第三關節(jié)采用同步齒形帶傳動，其參數(shù)計算如下：
4 q0 @6 V# p v7 w0 q設 計 功 率 Pd=KaP=0.32W(查 表 取Ka=1.6[2]；P=FV=0.2W；皮帶的線速度為0.01m/s,，皮帶負載為20N)
7 H0 k8 [0 ]8 y, A; B同步帶的尺寸參數(shù)可根據(jù)設計功率和帶輪轉(zhuǎn)速及行程而定。' e5 e/ z4 k) \! y% P
(2)步進電機的選型計算
; W4 k' a% Q2 h機械臂的每個關節(jié)都是步進減速電機驅(qū)動的（如圖1所示）。現(xiàn)以第三個自由度的電機為例說明電機選擇的方法。; a/ l/ I+ Y1 M$ c/ E
啟動轉(zhuǎn)矩 T=2Jw+QV=0.2N·m( 角速度 ω=5.3r/s2,轉(zhuǎn)動慣量J=7.8×10－7kg·m2,負載質(zhì)量Q=2kg,同步帶及負載的線加速度ν=5.3×0.011m/s2)
2 u4 g3 t1 ^# n, L8 _考慮阻力等因素選擇的步進減速電機的啟動轉(zhuǎn)矩為0.2N·m×2 安全系數(shù))=0.4N·m。 所以電機的啟動轉(zhuǎn)矩應該≥0.4 N.m。7 Z8 f. i1 ^ w0 V3 A8 P$ i3 u
以同樣方式計算的電機的啟動轉(zhuǎn)矩為：+ h( ?: t# t! f, e1 @1 q
底座電機》＝0.6 N.m1 |3 `& q5 N3 ~% B8 p: a
第二關節(jié)電機≥0.5N.m* Z& Z q% V/ Z9 T( N/ t
手腕回轉(zhuǎn)電機≥0.1N.m
4 h+ ~, b, C# m- g2 機械臂結構的設計[3]
. m& Q& I. O+ r/ X$ k3 w2.1 總體結構
2 k' c3 t2 ]2 M9 I" e' C6 K本機械臂的設計根據(jù)應用的要求把機構的可靠性和結構簡單作為設計的第一位考慮。從方案的確定，總體的設計，元器件的選用方面都遵循了以上的原則，確保了機械臂可靠正常的工作，同時具備良好的經(jīng)濟性和可維護性。* t \( x$ X* g0 P
根據(jù)上述設計的原則，本機械臂采用了4關節(jié)的機械結構，即4自由度機器人.具體包括底座、大臂、小臂、腕部。第一、第二和第四關節(jié)直接采用步進減速電機做傳動設備（轉(zhuǎn)動自由度)；第三關節(jié)采用同步帶傳動的方式（升降移動自由度）。
- c2 R- h+ X/ u$ R: O機械臂機構的外形如圖1.9 g3 J/ D8 L9 m6 H
' p7 A. |. D' |1 A$ S p' z2.2 傳動方案的選擇[4]2 v. q) w1 `0 `. J, [. e
根據(jù)機械臂的設計原則及要求,我們初步選擇了兩種傳動方案。
! S6 R; z( |. o9 \5 X（1）方案12 w$ a) _2 h: G: e! ^/ O& S
第一、二、四自由度選擇減速步進電機傳動，它精度高，傳動比高，效率高，噪音小，震動小，傳動部分的零部件都是標準件，容易購買，安裝方便。
) ^' g3 {4 {0 e. [! g第三個升降自由度選擇同步帶傳動。它傳動精度高，結構緊湊，傳動比恒定，傳動功率大，效率高，但安裝要求比較高，而且負載能力有限。
3 X1 V( N$ i! s（2） 方案2 `1 T. |! J, w' `& q
第二自由度采用二級同步齒形帶傳動， 但是安裝要求高!結構也較復雜。6 b% L* D! p$ L0 r
第三自由度選擇步進減速電機直接驅(qū)動絲杠螺母傳動，把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，傳動精度高，而且絲杠具有自鎖的功能；但是速度不宜太高，而且相對同步齒形帶來說重量比較重，需要電機的輸出轉(zhuǎn)矩更大，加工要求比較高。0 ~+ n( Y# s# \# [8 P
其它自由度和方案1一樣。
3 C1 u* G; J- m以上兩個方案從傳動上來看都是可以實現(xiàn)的。方案1在結構上是最簡單的，所以比較容易實現(xiàn)；方案2結構較復雜，加工和安裝都比較困難。方案1用的標準件比較多，零部件比較少，所以容易加工和購買。綜合考慮，我們選擇方案1.
1 U* v6 x# I6 |2.3 SCARA機械臂主要部分的結構8 C B4 A+ X7 g
（1）底座：如圖2所示，主要由兩部分組成（外殼和軸承套部分）。外殼材料采用 45鋼。底座的軸承可以承受軸向和徑向的力，這樣避免了電機過載。電機安裝在端蓋上，結構簡單，加工安裝方便，材料用質(zhì)輕強度好的鋁合金。位于軸承套底部的電機 7通過對軸1的驅(qū)動，從而帶動了和軸1 固接的大臂的轉(zhuǎn)動.
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: f$ i" Z* B5 Y: N+ N（2）關節(jié)2：如圖3所示采用鋁合金材料，結構簡單，外形簡潔美觀。軸承承受彎曲負載，保護了電機。電機輸出軸2轉(zhuǎn)動，帶動了軸6轉(zhuǎn)動，小臂和軸6是固接的，所以小臂也隨著電機的轉(zhuǎn)動二轉(zhuǎn)動。
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. j! Y) |$ E" q* m（3）關節(jié)3：如圖4所示結構簡單緊湊，材料也選擇比較輕的鋁合金。同步帶輪只需要采用一對軸承支撐，這樣既減輕了重量，結構簡單。同時也可以滿足設計要求。電機1驅(qū)動同步帶輪轉(zhuǎn)動，同步帶輪帶動同步帶6以及和同步帶固接在一起的滑塊3作直線運動，從而驅(qū)動和滑塊3固接的機械手實現(xiàn)升降運動。導桿2起支持滑塊3的作用，使得滑塊和同步帶保持在同一水平面上。 - q/ Y5 k4 Z2 I! N0 t1 v
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3 驅(qū)動控制
9 t( I& I6 x1 o z3 ]0 B該機械臂采用步進減速電機做驅(qū)動器件，對機械臂的運動控制也就是對步進減速電機的分布式控制。它可以采用開環(huán)和閉環(huán)的方式。閉環(huán)控制可以使機械臂的運動和輸入的指令期望的運動參數(shù)盡可能的吻合，但是控制部分和機械部分的結構相對復雜。開環(huán)控制方式就比3 N. e9 l( s3 e
較簡單，而且在滿足電機不失步的情況下，電機的定位精度很高。因此機械臂的驅(qū)動控制可以采用開環(huán)控制，其開環(huán)控制系統(tǒng)模塊如圖5。 N, i1 \3 L. O& d. m% |7 k
1 C& H' p* Y2 E* I- N3 U" NPC主機通過RS232串口發(fā)送計時器參數(shù)和其他的控制參數(shù)，單片機控制器按照PC發(fā)送的參數(shù)通過驅(qū)動模塊驅(qū)動步進電機的運行。進而實現(xiàn)對執(zhí)行機構機械臂的控制。驅(qū)動模塊可以選用集成芯片UCN5804B[6]，它集成了包括：環(huán)形分配器、電流控制器、保護電路、放大驅(qū)動電路。結構簡單可靠，同時用戶自己也可以設計各種電路對 電機進行控制驅(qū)動[7]。
9 V7 o, L- b: ^. S: k% J2 v# g7 R4 小 結
5 A! }1 g: z2 C) X機器人的結構設計對整個控制系統(tǒng)的性能有很大的影響， 因此其結構的合理與精心設計是整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵之一。在結構的具體設計中，還要考慮各部分的彈性變形、摩擦、間隙和傳動誤差等問題。本文設計的機械臂機構簡單，較容易控制。可以應用在機器人控制試驗和教學等領域；加上合適的機械手爪還可以組成簡單的裝配的機械臂。如果在系統(tǒng)中加裝反饋裝置，還可以組成控制精度更高、系統(tǒng)更穩(wěn)定的閉環(huán)機器人控制系統(tǒng)。基于成本及精度等的考慮，可選擇電位器實現(xiàn)位置的反饋[8]。 3 h; a0 A8 p3 N$ D
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發(fā)表于 2012-11-29 15:41:02
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