一種基于SCARA機器人機械結構設計+ p, L( f0 U' b
摘 要：針對SCARA機器人在生產教學中的廣泛應用，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。 ! I3 D9 x. v- J, a
5 _9 g4 g2 V! I7 x, j8 |2 ySCARA機器人為平面關節型的機器人，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。
' v/ f+ R d. b! M1 機器人機械臂的主要性能參數及計算
" n! _4 U8 o [9 ]1.1 SCARA機器人機械臂的基本性能參數
4 n; m$ C! _3 \) \根據本機器人的應用要求，其主要的設計參數要求如下：- Q* n7 z5 z* M* T9 u5 r) n3 X
(1) 抓重：≤4kg
% T; Q+ t0 G. E; k1 y! C* @; J% H; b(2) 自由度：4" d6 s0 b4 Z) @
(3) 運動參數：
+ D) L2 T6 P* G/ I; n) C1 p! K( q大臂：±90。(回轉角度)，角速度≤30。/s. q$ ?' V5 R3 C" D5 F) d" G
小臂：±60。(回轉角度)，角速度≤15。/s* F# h: s) ^: I/ a$ v9 V# ^9 T/ N
手腕回轉：±180。(回轉角度)，角速度≤60。/s d+ `4 E- u. p
手腕升降：100mm(升降距離)，線速度≤0.01m/s! g S; P1 H8 ~# L! u9 q
1.2 主要參數計算: I# B" G) T5 w; p. v" f; L6 \: r
(1)第三關節采用同步齒形帶傳動，其參數計算如下：
+ r k/ S- F" {/ m1 ~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 K( N: j0 r, ]1 J5 J7 L: h4 R
同步帶的尺寸參數可根據設計功率和帶輪轉速及行程而定。5 i% S7 ~0 i x) v# y1 s6 U9 p/ E
(2)步進電機的選型計算
: I% l3 ^! z+ F+ d機械臂的每個關節都是步進減速電機驅動的（如圖1所示）。現以第三個自由度的電機為例說明電機選擇的方法。/ Y' ?4 K$ J( v6 ^: _1 }, l3 J
啟動轉矩 T=2Jw+QV=0.2N·m( 角速度 ω=5.3r/s2,轉動慣量J=7.8×10－7kg·m2,負載質量Q=2kg,同步帶及負載的線加速度ν=5.3×0.011m/s2)
5 n/ U. q8 W! z& }, ], P5 Y考慮阻力等因素選擇的步進減速電機的啟動轉矩為0.2N·m×2 安全系數)=0.4N·m。 所以電機的啟動轉矩應該≥0.4 N.m。0 N) L( |) D9 l' D, e# @, J9 k
以同樣方式計算的電機的啟動轉矩為：
1 x* C0 b0 R8 C! d0 ?5 h底座電機》＝0.6 N.m6 \& W9 F( z3 O7 p8 t4 r8 W" U* s
第二關節電機≥0.5N.m
& e+ J' U0 q* s- R8 `手腕回轉電機≥0.1N.m2 i$ Y8 F, w! D; C( w+ _
2 機械臂結構的設計[3]) K- N1 ], H0 [% ~; R1 \ p% ]5 V
2.1 總體結構% r& r9 o3 n9 X a- H* x% l# c
本機械臂的設計根據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，同時具備良好的經濟性和可維護性。
/ v; [) ~* V; `根據上述設計的原則，本機械臂采用了4關節的機械結構，即4自由度機器人.具體包括底座、大臂、小臂、腕部。第一、第二和第四關節直接采用步進減速電機做傳動設備（轉動自由度)；第三關節采用同步帶傳動的方式（升降移動自由度）。0 X. b. o! n/ F
機械臂機構的外形如圖1.
% ]+ U8 j( ^2 z+ a$ C1 v, c3 j' y- m K6 k
2.2 傳動方案的選擇[4]
X, \) o" t; P2 q1 f根據機械臂的設計原則及要求,我們初步選擇了兩種傳動方案。. N$ P# n' O0 o1 c
（1）方案1( \" l6 W9 A1 B+ o8 O$ ?2 G) v- h
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。4 }0 z5 m6 Z: ~$ T( |7 {
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。
' {) ?4 O: r; I( F6 q# o（2） 方案2
* P& g! U" X4 j, {% B5 b: C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。. |2 u; ] u1 {- H8 S& A, p
第三自由度選擇步進減速電機直接驅動絲杠螺母傳動，把旋轉運動轉變為直線運動，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，需要電機的輸出轉矩更大，加工要求比較高。$ z' r5 [' X4 e# ~. q0 C( F/ a
其它自由度和方案1一樣。, Q6 `9 ]) h) h) ]+ B
以上兩個方案從傳動上來看都是可以實現的。方案1在結構上是最簡單的，所以比較容易實現；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.
# ?# o1 \, M8 E+ s' O, k2.3 SCARA機械臂主要部分的結構
4 V- q4 O) S# S: z/ ~2 c& B( L6 J0 ]（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的驅動，從而帶動了和軸1 固接的大臂的轉動. * S7 h, L/ U8 h6 u8 U( |# @
2 O# r3 k$ F% M- t（2）關節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轉動，帶動了軸6轉動，小臂和軸6是固接的，所以小臂也隨著電機的轉動二轉動。 " U, h8 f( X$ P
5 ?( J4 w2 q* Y5 M1 p（3）關節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驅動同步帶輪轉動，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，從而驅動和滑塊3固接的機械手實現升降運動。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。 7 C. z: ? ], Y) e2 U2 d m" r! U
' S- X2 r' r6 Y* I& b3 驅動控制2 P0 m" m3 l5 t4 v5 _
該機械臂采用步進減速電機做驅動器件，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。它可以采用開環和閉環的方式。閉環控制可以使機械臂的運動和輸入的指令期望的運動參數盡可能的吻合，但是控制部分和機械部分的結構相對復雜。開環控制方式就比
8 W# x! H4 |' [" b/ L* ?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。因此機械臂的驅動控制可以采用開環控制，其開環控制系統模塊如圖5。 " M/ @7 D+ A" w+ l; i( l: ~
7 C) F" d9 f& F
PC主機通過RS232串口發送計時器參數和其他的控制參數，單片機控制器按照PC發送的參數通過驅動模塊驅動步進電機的運行。進而實現對執行機構機械臂的控制。驅動模塊可以選用集成芯片UCN5804B[6]，它集成了包括：環形分配器、電流控制器、保護電路、放大驅動電路。結構簡單可靠，同時用戶自己也可以設計各種電路對 電機進行控制驅動[7]。$ h- O8 x! D7 U6 G
4 小 結
* R Q8 M+ M- D1 @. v& u- s機器人的結構設計對整個控制系統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實現的關鍵之一。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。如果在系統中加裝反饋裝置，還可以組成控制精度更高、系統更穩定的閉環機器人控制系統。基于成本及精度等的考慮，可選擇電位器實現位置的反饋[8]。
4 N$ y2 ?- @% S3 Z" _ |
發表于 2012-11-29 15:41:02
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