4DOF SCARA 机器人结构设计与运动模拟

南昌航空大学科技学院学士学位论文 毕业设计（论文）题目： 4-DOF SCARA机器人结构设计与运动模拟 系 别 航空与机械工程系专业名称 机械设计制造及其自动化班级学号 学生姓名 指导教师 二O一二年 六 月 毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目： 4-DOF SCARA机器人结构设计II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求： 1. 以4-DOF SCARA 机器人为研究对象，按照下列技术要求，基于三维软件完成 4-DOF SCARA 机器人的结构设计及运动模拟 各轴远动范围为：0200。 ，O100。 ，0100mm ，0200。 各轴最大远动速度1.8rad /s 手爪最大负载能力1.0kg III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间： 1）、开题报告 3.01-3.11 2）、总体方案设计 3.14-4.02 3）、零部件的结构设计 4.06-4.26 4）、计算与强度校核 4.27-5.10 5）、外文资料翻译 （不少于6000实词） 5.12-5.25 6）、毕业论文整理及答辩准备 5.26-6.03 、主 要参考资料：【1】孙桓，陈作模主编.机械原理.第六版.北京：高等教育出版社，2001；【2】马香峰主编.工业机器人的操作机设计.冶金工业出版社，1966；【3】宗光华 张慧慧译.机器人设计与控制.科学出版社，2004；【4】李志尊，寒凤起.UG NX CAD基础应用与范例解析M.机械工业出版社，2004；【5】Y.Fujimoto and A.Kawamura. Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation of Biped Walking Robot Including Enrironmental Force Interaction. IEEE Roboticsand Automation Magzine,1998, 5(2):33-42 机械设计制造及其自动化 专业 班 学生（签名）： 填写日期： 年 2 月 20 日 指导教师（签名）： 助理指导教师(并指出所负责的部分)： 系主任（签名）： 贺红林附注:任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。目录第一章 绪论11.1 引言71.2 国内外工业机器人的现状及发展状态.11.3 SCARA机器人简介131.4 平面关节型装配机器人关键技术141.4.1操作机的机构设计与传动技术141.4.2机器人计算机控制技术151.4.3检测传感技术161.5项目的主要研究内容171.5.1项目研究的主要内容、技术方案及其意义171.5.2拟解决的关键问题17第二章SCAAR机器人的机械结构设计192.1 SCARA机器人的总体设计192.1.1 SCARA机器人的技术参数192.1.2 SCARA机器人外形尺寸与工作空间192.1.3 SCARA机器人的总体传动方案212.2机器人关键零部件设计计算222.2.1减速机的设计计算222.2.2电机的设计计算232.2.3同步齿型带的设计计算242.2.4滚珠丝杠副的设计计算252.3大臂和小臂机械结构设计262.4腕部机械结构设计282.5小结29第三章SCARA机器人的位姿误差建模303.1基于机构精度通用算法的机器人位姿误差建模303.2机构精度通用算法303.2.2通用机器人位姿误差模型323.2.2机器人位姿误差模型的建立333.3 小结37总结38参考文献39致谢404-DOF SCARA 机器人结构设计与运动模拟学生姓名： 班级：指导老师： 摘要：工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。本文设计了一个工业用SCARA机器人。SCARA机器人(全称Selectively Compliance Articulated Robot Arm)很类似人的手臂的运动，它包含肩关节肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动。它是一种工业机器人，具有四个自由度。其中，三个旋转自由度，另外一个是移动自由度。它能实现平面运动，具有柔顺性，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性大，广泛用于装配作业中。本文用模块化设计方法设计了SCARA机器人的机械结构。分析了SCARA机器人的运动学正解和逆解，建立了机器人末端位姿误差计算模型并做了运动模拟。关键字: SCARA 位姿误差 指导老师签名：4-DOF SCARA robot design and motion simulationStudent name：ZhangJinQiang Class：0881053Supervisor：XuYingAbstract ：Industrial robot is the most typical mechatronic digital equipment, added value and high, wide range of applications, support for advanced manufacturing technology and information society, new industries, and social development of future production will increasingly play a The more important role.This paper designs an industrial SCARA robot. SCARA robot (full name Selectively Compliance Articulated Robot Arm) is very similar to human arm movement, which includes the shoulder elbow and wrist joints to achieve horizontal and vertical movement. It is an industrial robot has four degrees of freedom. Among them, the three rotational degrees of freedom, the other is the DOF. It can achieve planar motion, with the flexibility, the whole arm in the vertical stiffness, flexibility in the horizontal direction of the large, widely used in assembly operations.This method was designed with a modular design the mechanical structure of SCARA robot. Analysis of the SCARA robot inverse kinematics, and to establish the position and orientation of robot end of the model error.Keywords: SCARA analysis Signature of supervisor:第一章 绪论11引言机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人既具有操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的自动化生产设备。目前机器人应用领域主要还是集中在汽车工业，它占现有机器人总数的2.89%。其次是电器制造业，约占16.4%，而化工业则占11.7%。此外，工业机器人在食品、制药、器械、航空航天及金属加工等方面也有较多应用。随着工业机器人的发展，其应用领域开始从制造业扩展到非制造业，同时在原制造业中也在不断的深入渗透，向大、异、薄、软、窄、厚等难加工领域深化、扩展。而新开辟的应用领域有木材家具、农林牧渔、建筑、桥梁、医药卫生、办公家用、教育科研及一些极限领域等非制造业。一般来说，机器人系统可按功能分为下面四个部分川:l)机械本体和执行机构:包括机身、传动机构、操作机构、框架、机械连接等内在的支持结构。2)动力部分:包括电源、电动机等执行元件及其驱动电路。3)检测传感装置:包括传感器及其相应的信号检测电路。4)控制及信息处理装置:由硬件、软件构成的机器人控制系统。1.2 国外工业机器人的现状及发展趋势（1）国外工业机器人的现状 机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。据国际机器人联合会（IFR）统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右，2000年增长率上升到15%，预计21世纪初，工作在各领域的工业机器人将突破100万台。正如2l世纪日本创建机器人社会技术发展战略报告指出，“机器人技术（RT）与信息技术（IT）一样，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑2l世纪日本产业竞争力的产业战略之一，具有非常重要的意义。”最近，韩国也将智能机器人作为十大战略产业之一列入国家发展规划（20032007年），现正在实施中。 机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人83万台。过去10年，机器人的价格降低约80%，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了40%。现役机器人的平均寿命在10年以上，可能高达15年，它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。据国际机器人联合会及联合国欧洲经济委员会（UCENE）统计，如表l所示，2001年机器人安装量为7.8万台套，年增长率9%。机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。 据日本工业机器人协会统计，早期的日本工业机器人产业年产值约为50亿日元，经过70年代的应用期和80年代的普及期，1981年产值达到1000亿日元，到1991年提高到6000亿日元，到2000年，其产值达到10800亿日元，2005年将达到18500亿日元。 据国际机器人协会统计，2003年工业机器人发货量呈现强劲增长势头。与2002年相比，2003年全球范围内机器人的订货量增长约10%以上。预计，工业机器人的世界市场将从2002年的68600台套增长到2006年的91100多台套，年平均增长7.4%。（2）国外工业机器人的发展趋势 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技术（RT）概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技 术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化 和智能化等方面。 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术及其产品发展很快，已成为柔性制造系统(FMS)、自动化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具。 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。1.2.1、工业机器人的发展现状 工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲经济委员会(UNECE)和国际机器人联合会(IFR)的统计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入20世纪90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10左右。2004年增长率达到创记录的20。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。 1.2.2工业机器人的应用领域日渐广泛 经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。 随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。1.2.3 工业机器人带来的效益 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 发达国家的使用经验表明:使用工业机器人可以降低废品率和产品成本，提高了机床的利用率，降低了工人误操作带来的残次零件风险等，其带来的一系列效益也是十分明显的，例如减少人工用量、减少机床损耗、加快技术创新速度、提高企业竞争力等。机器人具有执行各种任务特别是高危任务的能力，平均故障间隔期达60000小时以上，比传统的自动化工艺更加先进。采用工业机器人具有如下优点:第一，改善劳动条件，逐步提高生产效率；第二，更强与可控的生产能力，加快产品更新换代；第三，提高零件的处理能力与产品质量；第四，消除枯燥无味的工作，节约劳动力；第五，提供更安全的工作环境，降低工人的劳动强度，减少劳动风险；第六，减少机床损耗；第七，减少工艺过程中的工作量及降低停产时间和库存；第八，提高企业竞争力。 在面临全球性竞争的形势下，制造商们正在利用工业机器人技术来帮助生产价格合理的优质产品。一个公司想要获得一个或多个竞争优势，实现机器人自动化生产将是推动业务发展的有效手段。1.2.4 工业机器人应用领域 自从20世纪60年代初人类创造了第一台工业机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，经过四十多年的发展，工业机器人已在越来越多的领域得到了应用。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。 目前，汽车制造业是制造业所有行业中人均拥有工业机器人密度最高的行业，如，2004年德国制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为162台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则为1140台；意大利的这一数值更能说明问题，2004年意大利制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为123台，而在汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量则高达1600台。 随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。2005年，亚洲地区电子电气行业对工业机器人的需求仅次于汽车及汽车零部件制造业，其占所有行业总需求的比例为31%；而在欧洲地区橡胶及塑料工业对工业机器人的需求则远远超过电子电气行业而排名第二位；美洲地区由于汽车及汽车零部件制造业对工业机器人的需求遥遥领先，所以金属制品业(包括机械)、橡胶及塑料工业以及电子电气行业对工业机器人的需求比例相当，均在7%左右。另外诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机(飞行器)、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。而且，随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场的繁荣兴旺将指日可待。1.2.5工业机器人应用现状及国内外发展现状 在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的Adept Technology、American Robot、Emerson Industrial Automation、S-T Robotics，意大利COMAU，英国的AutoTech Robotics，加拿大的Jcd International Robotics，以色列的Robogroup Tek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。 在我国，工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了，已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。随着我国门户的逐渐开放，国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击，因此，掌握国内工业机器人市场的实际情况，把握我国工业机器人研究的相关进展，显得十分重要。 我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”“、八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。在国内，工业机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲。如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机器人公司，年利润增长迅速。但总的来看我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。1.2.6 工业机器人的发展趋势(1) 工业机器人的技术发展趋势 从近几年世界机器人推出的产品来看，工业机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。 (2) 工业机器人的产业发展趋势国际机器人联盟（IFR）与联合国欧洲经济委员会（UNECE）发布的数据显示，全球多用途工业机器人销售从2003年开始恢复增长，预计在2005年到2008年间，全球工业机器人销量预计年均增长6.1，到2008年增至12.1万台。 以具体地区而言，亚太地区仍将是工业机器人使用量最高的地区，预计日本的工业机器人销量将由2004年的3.71万台增至2008年的4.59万台。而整体亚太地区的工业机器人销量将由2004年的5.2万台增至2008年的7.04万台。北美地区的工业机器人销量也将稳定增加，预计将由2004年的1.34万台增至2008年的1.65万台。而欧洲地区的工业机器人销量预计到2008年将增至3.37万台。1.3 SCARA机器人简介SCARA机器人(如图1一1所示)很类似人的手臂的运动，它包含肩关节、肘关节和腕关节来实现水平和垂直运动，在平面内进行定位和定向，是一种固定式的工业机器人。它具有四个自由度，其中，三个是旋转自由度，一个是移动自由度。3个旋转关节，其轴线相互平行，手腕参考点的位置是由两个旋转关节的角位移p，和pZ，及移动关节的位移Z来决定的。这类机器人结构轻便、响应快，例如Adeptl型SCARA机器人的运动速度可达10m/S，比一般的关节式机器人快数倍。它能实现平面运动，全臂在垂直方向的刚度大，在水平方向的柔性大，具有柔顺性。 图1一1SCARA机器人图1一2 SCARA机器人装配线图1一3 SCARA机器人SCARA机器人最适用于平面定位，广泛应用于垂直方向的装配。广泛应用于需要高效率的装配、焊接、密封和搬运等众多应用领域，具有高刚性、高精度、高速度、安装空间小、工作空间大的优点。由于组成的部件少，因此工作更加可靠，减少维护。有地面安装和顶置安装两种安装方式，方便安装于各种空间。可以用它们直接组成为焊接机器人、点胶机器人、光学检测机器人、搬运机器人、插件机器人等，效率高，占地小，基本免维护。1.4平面关节型装配机器人关键技术1.4.1操作机的机构设计与传动技术由于机器人运行速度快，定位精度高，需要进行运动学与动力学设计计算，解决好操作机结构设计与传动链设计。包括: (l)重量轻、刚性好、惯性小的机械本体结构设计和制造技术一般采用精巧的结构设计及合理的空间布局，如把驱动电机安装在机座上，就可减少臂部惯量、增强机身刚性;在不影响使用性能的情况下，各种部件尽量采用空心结构。此外，材料的选择对整机性能也是至关重要的。 (2)精确传动轴系的设计、制造及调整技术由伺服电机直接驱动，实现无间隙、无空回、少摩擦、少磨损，提高刚性、精度、可靠性; 各轴承采用预紧措施以保证传动精度和稳定性。 (3)传动平稳、精度高、结构紧凑且效率高的传动机构设计、制造和调整技术由于在解决机械本体结构问题时，往往会对传动机构提出更高要求，有时还存在多级传动，因此要达到上述目的，常采用的方法有:钢带传动，实现无摩擦无间隙、高精度传动;滚珠丝杠传动，可提高传动效率且传动平稳，起动和低速性能好，摩擦磨损小;采用Rv减速器，可缩短传动链。同时合理安排检测系统位置，进一步提高系统精度1.4.2机器人计算机控制技术由于自动生产线和装配精度的要求及周边设备的限制，使装配机器人的控制过程非常复杂，并要求终端运动平稳、位姿轨迹精确。现阶段机器人的控制方式主要有两种:一是采用专用的控制系统，如MOTOMAN、FANUC、NACH工等;二是基于PC机的运动控制架构，如KUKA，ABB，工RCS等。在控制领域常涉及的关键技术包括:(l)点位控制与轨迹控制的双重控制技术一般为装配机器人安装高级编程语言和操作系统。常用的编程方式有示教编程与离线编程。另一方面，合理选择关节驱动器功率和变速比、终端基点密度和基点插补方式，以使运动精确、轨迹光滑。(2)装配机器人柔顺运动控制技术由于机器人柔顺运动控制是一种关联的、变参数的非线性控制，能使机器人末端执行器和作业对象或环境之间的运动和状态符合给定要求。这种控制的关键在于选择一种合适的控制算法。(3)误差建模技术在机器人运动中，机械制造误差、传动间隙、控制算法误差等会引起机器人末端位姿误差。因此有必要对机器人运动进行误差补偿，建立合理可靠的误差模型，进行公差优化分配，对系统进行误差的标定并采用合适的误差补偿环节。(4)控制软件技术将诸如减振算法、前馈控制、预测算法等先进的现代控制理论嵌入到机器人控制器内使机器人具有更精确的定位、定轮廓、更高的移动速度、更短的调整时间，即使在刚性低的机器人结构中也能达到无振动运动等特性，有助于提高机器人性能。.1.4.3检测传感技术检测传感技术的关键是传感器技术，它主要用于检测机器人系统中自身与作业对象、作业环境的状态，向控制器提供信息以决定系统动作。传感器精度、灵敏度和可靠性很大程度决定了系统性能的好坏。检测传感技术包含两个方面的内容:一是传感器本身的研究和应用，二是检测装置的研究与开发。包括: (1)多维力觉传感器技术多维力觉传感器目前在国际上也是一个热点，涉及内容多、难度大。它能同时检测三维空间的全力信息，在精密装配、双手协调、零力示教等作业中，有广泛应用。它包括弹性体、传感器头、综合解藕单元、数据处理单元及专用电源等。 (2)视觉技术视觉技术与检测传感技术的关系类似于人的视觉与触觉的关系，与触觉相比，视觉需要复杂的信息处理技术与高速运算能力，成本较高，而触觉则比较简单，可靠且较易实现。但在有些情况下，视觉可完成对作业对象形状和姿态的识别，可比较全面的获得周围环境数据，在一些特殊装配场合有很大优越性，如在无定位、自主式装配、远程遥控装配、无人介入装配等情况下特别适用。因此如何采用合适的硬件系统对信息进行采集、传输，并对数据进行分析、处理、识别，以得到有用信息用于控制也是一个关键问题。 (3)多路传感器信息融合技术由于装配机器人中运用多种传感器来采集信息，得到的信息也是多种多样，必须用有效的手段对这些信息进行处理，才能得到有用信息。因此，信息融合技术也成为制约检测技术发展的瓶颈。(3)检测传感装置的集成化和智能化技术检测传感装置的集成化能形成复式传感器或矩阵式传感器，而把传感器和测量装置集成则能形成一体化传感器。这些方法都能使传感器功能增加、体积变小、并使检测传感系统性能提高，更加稳定可靠。检测传感装置的智能化则是在检测传感装置中添加微型机或微处理器，使其具有自动判断，自动处理和自动操作等功能。加快系统响应速度、消除或减小环境因素影响、提高系统精度、延长平均无故障时间。1.5项目的主要研究内容1.5.1项目研究的主要内容、技术方案及其意义本课题是要设计一个教学SCARA机器人。作为工业机器人的SCARA己有很多成熟的产品，但大多驱动装置采用伺服电机，传动系统采用RV减速机，由这些部件构成的整机价格昂贵，不适宜于作为教学用途。而教学机器人相对而言对运动精度的要求要比工业场合用的机器人所要求的精度低，对运动速度和稳定性的要求也不高，它只需具备机器人的基本元素，达到一定的精度即可。实际上由步进电机构成的开环系统精度已经很高，能满足教学用途，而且成本比伺服电机构成的闭环、半闭环系统低很多。谐波传动也是精度高、传动平稳并且很成熟的一项传动技术。因此自主开发低成本的教学机器人很有意义。对本机器人的研制，拟采用步进电机作为动力装置，采用谐波减速机作为传动链的主要部件，同时辅以同步齿形带和滚珠丝杠等零部件来构成机器人的机械本体。控制系统采用基于CP的运动控制架构，研究机器人关节空间的轨迹规划算法和笛卡儿空间的直线轨迹规划算法，利用控制卡提供的运动控制库函数在windows环境下用visu1aC+6.0开发控制系统的软件。项目研究的总体步骤是:选出最优传动方案一一关键零部件选型一一机械系统三维建模一一零部件工程图和总装图一一控制系统设计一一运动学分析及位姿误差建模一一控制软件的开发以及轨迹规划算法的研究。1.5.2拟解决的关键问题(1)抗倾覆力矩问题的解决。SCARA机器人的大臂和小臂重量大，悬伸也大，造成很大的倾覆力矩，影响机器人的性能，通过合理的机械结构设计来加以解决。 (2)机器人的运动学分析以及位姿误差建模方法的研究。根据运动学参数法，建立通用机器人位姿变换方程，在位姿变换方程的基础上建立机器人位姿误差的数学模型，采用矩阵变换直接推导出机器人末端位姿误差与运动学参数误差的函数关系式。 (3)机器人轨迹规划算法的研究。包括给定起点和终点的关节轨迹规划(PTP运动)算法，以及给定起点和终点的直线轨迹规划(CP运动)算法。第二章SCAAR机器人的机械结构设计近年来，工业机器人有一个发展趋势:机械结构模块化和可重构化。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外己有模块化装配机器人产品问市。本章介绍模块化的设计方法在SCARA机器人的结构设计中的应用。2.1 SCARA机器人的总体设计2.1.1 SCARA机器人的技术参数(1) 抓重：1kg(2) 自由度：4(3) 运动参数： 大臂：100。(回转角度)，角速度1.8rad/s 小臂：50。(回转角度)，角速度1.8rad /s 手腕回转：100。(回转角度)，角速度1.8rad。/s 手腕升降：100mm(升降距离)，线速度0.01m/s2.1.2 SCARA机器人外形尺寸与工作空间依据设计要求，SCARA机器人的外形尺寸如图2一1所示，工作空间如图2一2。图2一1 SCARA机器人的结构图图2一2 SCARA机器人的轴侧图图2一3 SCARA机器人的轴侧图2.1.3 SCARA机器人的总体传动方案目前，机器人的传动系统中主要是使用VR减速器或谐波减速器。VR减速器是近几年发展起来的以两级减速和中心圆盘支撑为主的全封闭式摆线针轮减速器，与其它减速方式相比，VR减速器具有减速比大、同轴线传动、传动精度高、刚度大、结构紧凑等优点，适用于重载、高速和高精度场合。谐波减速器也具有传动比大，承载能力大，传动精度高，传动平稳，传动效率高，结构简单、体积小，重量轻等优点，而且相对于VR减速器而一言，其制造成本要低很多，所以在本设计中采用谐波减速机。SCARA机器人大小臂均要承受轴向压力和倾覆力矩，所以大臂和小臂均采用谐波减速机加推力向心交叉短圆柱滚子轴承结构。而推力向心交叉短圆柱滚子轴承刚度高，能承受轴向压力与径向扭矩，与谐波减速机配合正符合SCAAR机器人大小臂高刚性及高的抗倾覆力矩的要求。这样有利于缩短传动链，简化结构设计伙，。由于主轴处于机器人小臂末端，相对线速度大，对重量与惯量特别敏感，所以传动方式要求同时实现Z轴方向直线运动和绕Z轴的回转运动，并要求结构紧凑、重量轻。经过比较，选择同步齿形带加滚珠丝杠来实现Z轴上下运动，而用同步齿形带加带键的滑动轴套来实现Z轴旋转运动。大臂回转:步进电机1一谐波减速器一大臂小臂回转:步进电机2一谐波减速器一小臂主轴垂直直线运动:步进电机3一同步齿形带一丝杠螺母一主轴主轴旋转:步进电机4一同步齿形带一花键一主轴2.2机器人关键零部件设计计算2.2.1减速机的设计计算大臂的转动速度为角速度1.8rad/s，电机初选四通步进电机，两相混合式86BYG250B一0402。最高转速为30OORPM，设计电机按1500RPM工作，则:初选谐波减速器为北京中技克美谐波传动有限责任公司的机型为60的XB3扁平型谐波减速器，其传动比可以是100(XB3一60系列组件的规格和额定数值见下表)表2一2XB3一60一100的规格和额定数值表机型速比最高输入转速rpm输入转速3000rpm半流体润滑脂油润滑输入功率Kg输出功率kg输出扭矩N.m6010030000500000.14530302.2.2电机的设计计算轴(机座旋转轴)的等效转动惯量为 式中:初拟机座的外径为150mm，内径为100mm，带轮直径60mm，宽40mm.设谐波减速器转动惯量为： 电机的转子惯量86BYG250B一0402电机的转子惯量1540因此自由度弓传动系统上所有惯量折算到电机轴1上的等效惯量为电机轴扭矩为： T=因为所选材料的摩擦系数f=0.002取响应时间T=o.045，则所选两相混合式步进电机86BYG25OBN一0402电机在3O00rpm时扭矩为06N.m，满足要求，其余几个电机的选择计算类似，第二自由度选择86BYG25OAN，第三和第四自由度是两个56BYG25OB。表2一3步进电机技术数据序号型号相数步距角（。）静态相流（A）相电电阻相电感(mH)保持转矩(Nm)定位转矩(Nm)重量(Kg)186BYG250BN20.9/1.841.1115.00.082.6286BYG250BN20.9/1.83.60.97.20.40.081.5356BYG250B20.9/1.82.40.92.40.650.030.482.2.3同步齿型带的设计计算考虑到整体结构，选择一对直径60mm左右的带轮（1）确定同步齿轮型的设计功率同步齿型带传递的设计功率随载荷性质、速度增减和张紧轮的配置而变化。令K1为考虑载荷性质和运转时间的工况修正系数，K2为考虑增速的修正系数，K3为考虑张紧轮的修正系数。设计功率为:(2) 选择带型和带轮节径及齿数 参照“同步带选型图”选择带型为L型，则选择带轮20L050，节径60.64mm，外径59.88mm，齿数为20，节距P。=9.525mm。接下来验算带速，同步带传动速度为查表知L型带带速限制为Vmax=4050m/S.所以带轮满足要求。(3)同步带的节线长度Lp，齿数Zb及传动中心距初选中心距取圆整为370mm，则选择长度代号为143的同步带型，齿数为38，计算实际中心距C =89.7702(4)确定实际啮合齿数Zm (5)确定实际同步带宽度选取同步带的宽度为12.7mm，带轮宽度为14+2mm2.2.4滚珠丝杠副的设计计算(1)最大工作载荷计算。工作最大负载F z =15N，沿Z轴方向，即丝杠轴向。因此，滚珠丝杠的进给抗力，即最大工作载荷Fm为设横向工作载荷为： Fy=0.5Fz=7.5N 为导杆和轴套之间的摩擦系数，=0.15。因此，丝杠最大工作载荷为 (2)最大动负载C校核滚珠丝杠最大动负载L为工作寿命，;n为丝杠转速，T为额定使用寿命(h)，取T=1500则L=60x3000x15000/=2700. 为运转状态系数，无冲击，=1.2，因此，查表知FF1204-3的额定动负载，安全裕度为：。静载校核因工作载荷很小，肯定满足条件。因此，对于该自由度的传动系统的计算及校核可以省略。(3)刚度验算丝杠的拉压变形量为1=式中:L为滚珠丝杠在支撑间的受力长度，取L=1mm;E=20.6x MPa;丝杠底径dl近似为外径和滚珠直径之差，即=d-，丝杠外径d=-(0.2一0.25) ，丝杠名义直径已知12mm，查表知滚珠直径=2.38lmm，因此丝杠底径为=9.5mm,A=，于是拉压变形量为1=16.125x120/(20.6x x70.84)=1.326x 该变量可以忽略不计，因工作载荷很小，滚道接触变形量从略。(4)压杆稳定性验算。失稳时的临界载荷为采用两端固定的支承方式，查表知支承方式系数f=0.25;I为截面惯性矩，I=/64=1091.18 L=12Omm。因此稳定安全裕度为因工作负载很小，压杆不会失稳。(5)传动效率计算=tg入/tg(入十)根据初选滚珠丝杠型号查表只知螺旋升角入=4033，摩擦角一般约为10，则=tg4033/tg4043=0.96，传动效率高。2.3大臂和小臂机械结构设计如图2一5大臂装配结构图所示，机器人大臂8的驱动电机1和谐波减速器2直联后安装在机器人大臂内部。谐波减速器7的输出轴铣成方形插入底座14内，底座14通过螺栓13固定在机座1上。同时推力向心交叉短圆柱滚子轴承的内圈通过螺栓n与连接板5联结在一起，连接板通过螺栓6联结在大臂上，推力向心交叉短圆柱滚子轴承的外圈通过螺栓2与机座1联结在一起。当电机轴旋转时，受到固定限制的减速器输出轴不能转动，从而电机和减速器以及大臂反向旋转。这样机器人大臂就可以绕机座中心轴相对固定机座转动，但转动方向与减速机输出轴转向相反。同时在圆周方向，固定基座应该安装两个极限行程开关4和两个限位挡块，而运动体则要安装压板和行程触发块12，以限制大臂在规定范围内转动，以免机器人小臂部分在运动空间之外与其他设备或部件碰撞【g。图2一5大臂装配结构图采用模块化设计方法，小臂与大臂装配结构类似。机器人小臂电机也安装在小臂内部，这样虽然增加了小臂惯量，但有利于简化结构设计和零部件制造工艺。传动原理及结构设计与大臂类似，小臂装配结构图略。由于三四关节所有导线都要通过关节二外壳罩，所以在小臂与三四关节壳罩之间增加一段导线管用来通三四关节导线7图2-6小臂装配结构图2.4腕部机械结构设计图2一7腕部装配结构图1.下端盖 2.滑块 3.轴承套 4.丝杆 5.导杆 6.步进电机 7.滚珠螺母及导轨滑块 8.腕部机壳 9.步进电机 10.同步齿形带 11.腕部上端机壳 12.制动块 13.导杆 14.同步齿形带 15.轴承套 16.密封圈 17.主轴腕部装配结构图如图2一7所示。为了便于加工及保证精度，把安装滚珠丝杠一端的端盖3及支撑上端盖的壳体(图中未标出)设计成分离式结构，依靠壳体两端面与小臂及上端盖配合面来保证丝杠与主轴平行度。由于同步齿形带要能调整中心距及带张紧力，因此电机6先安装在电机连接板上，然后再把连接板及上端盖固定在一起，上端盖用来连接电机连接板的四个孔，螺栓在两个带轮中心线方向上可以进行微调。这样在装配时可对两带轮中心距及带张紧力进行调整。对于电机13直接连接在滚珠螺母与导杆滑套上，这样电机可随着主轴一起做直线运动。由于滚珠丝杠没有自锁功能，Z轴方向又是负载作用力主方向，受结构尺寸限制无法在电机6上加抱闸，因此在滚珠丝杠顶端安装一个制动器来锁住滚珠丝杠，断电时自动锁死，避免滚珠丝杠在断电时发生滑动。滚珠丝杠两端都选用向心推力球轴承，此类轴承存在轴向游隙，可以防止丝杠轴向跳动，提高主轴传动精度。滚珠螺母与滚珠螺母支架相连接，主轴通过两个推力球轴承安装在滚珠螺母支架上，主轴顶端用两个小圆螺母加以锁紧。导柱2,是否需要还有待实验进一步验证。主轴升降通过限位开关控制其行程，所以在螺母支架上安装有一挡块，在上端相应位置安装有接近开关，这样主轴离端盖一定距离时就有信号通知运动控制器，限制该方向运动。在滚珠丝杠下端添加一个防撞的橡胶垫圈，避免滚珠螺母与小臂上表面发生刚性碰撞。2.5小结SCARA机器人大臂和小臂结构相同，基本上实现模块化设计，符合发展趋势; 三个模块相互独立、结构简单、零部件少、精度高、可靠性高，不仅适用于S以AR平面关节式装配机器人设计，其一二关节模块结构同样适用于其他关节式机器人前端转动关节设计。三四关节模块结构紧凑，充分利用结构空间，能同时实现高速旋转运动与直线运动，主轴直线运动距离为100mm，而整个模块在主轴方向高度约为4O0mm左右。同时，三四关节的电机轴与主轴不在同一直线上，也有利于结构布局，所以该模块也可应用在一些对精度和结构尺寸都有要求的组合运动结构设计中。第三章SCARA机器人的位姿误差建模设计一个开放式的机器人系统，其中关键技术之一就是对相应的机器人本体的运动学进行分析并建立相应的运动学模型。本章系统地描述了平面关节型ScARA机器人的运动学和位姿误差模型的建立。在Denavit一Hartenberg参数法建立的机器人末端位姿变换方程的基础上，利用机构通用精度算法建立了机器人末端位姿误差模型。通过矩阵运算，建立了机器人末端位姿误差与各杆件运动学参数误差之间的函数关系式。用此方法建立的误差模型进行误差标定和补偿，可以提高机器人的定位精度。这对开发开放式机器人系统有重要的参考价值。3.1基于机构精度通用算法的机器人位姿误差建模机器人位姿误差建模方法归纳为矩阵法和矢量法两大类型，其中矢量法又分为矢量分析及螺旋变换法和摄动法，运用精度平衡方程式和回转变换张量方法等【2】【5】机器人运动学Denvait一Hartenberg参数法坐标变换中坐标变换矩阵A，及手臂变换矩阵笋都是不考虑各运动学参数误差的理想变换，但实际应用中，无论机器人制造精度多高，都会由于各种原因引起机器人运动学参数误差，影响机构通用精度算法是一种既不需要求导也不需要建立机构传动方程的通用算法，具有通用性广，计算量小和精确度高等优点，由于其算法模型与前面所建立的机器人位姿变换模型正好适合，因此，利用这种算法建立机器人位姿误通用精度算法基本思路是:任何具有精度要求的机构系统是一个有机联系差模型。整体，如果系统构件中有原始误差存在，必然要影响从动件运动轨迹，从而产生机构位置误差，而任何原始误差影响均可视为构件本身坐标系产生微小转动或移动，至于机械系统精度通用数学模型可以应用空间坐标变换原理，并通过所对应的构件运动变换矩阵与位置误差矩阵连乘叠加来表达。通用精度算法的坐标变换推导过程完全类似于机器人坐标变换坐标推导过程，这里不再叙述，仅给出其结论，并将其结论进行整理变化后应用于机器人位姿误差计算，建立机器人位姿误差变换模型3.2机构精度通用算法设某个机构由n个运动构件和一个固定构件组成，若将起始坐标系S。建立在固定构件上，坐标系S，建立在运动构件(ii=，2l，n)上。运动构件n的坐标系凡，为目标坐标系。坐标系又_，与s;间变换矩阵为A，以向量价二x(，y，习)(与机器人齐次变换矩阵规定一样)表示点P在坐标系s，中位置，则由坐标间位姿变换可知目标坐标系况，中某点P在各坐标系S，中的向量乙，应有如下关系式: (3.2)为目标坐标系与起始坐标系之间运动变换矩阵。对于坐标系，中的任意一个坐标系，若存在若干种误差，则使坐标系变成，司原点在中位置坐标为(dx，dy，dz)，其三个坐标轴相对三个坐标轴分别有偏转角，则坐标系与的变换矩阵为 (3.2.2)展开上式，考虑到各误差项数值比较小。所以取，并忽略二阶及三阶以上误差项，可得误差矩阵 （3.2.3） 所以点P在，中坐标向量式与关系