一种基于SCARA机器人机械结构设计5 r5 y" \. w* j% W1 {
摘 要：针对SCARA机器人在生产教学中的广泛应用，设计了一个结构简单、传动精度高、操作方便的可以实现用多种控制方式(PC的远程控制，单片机的控制，开关量的控制等）控制的SCARA型机器人。 , _0 t6 u( r6 |* a- ~
, z# y, H; q+ y3 M o$ xSCARA机器人为平面关节型的机器人，它结构简单!体积小，重量轻，安装方便!具有很好的通用性。而且动作迅速、定位精度高。CARA机器人一般采用步进电机驱动，控制简单，编程方便，广泛应用于电器、泵类等装配工作中[1]。 本文针对试验教学的需要，设计了一种新型的SCARA机器人。
$ m6 b& L; K8 A+ b1 机器人机械臂的主要性能参数及计算9 x' r: h3 r8 i% J5 i
1.1 SCARA机器人机械臂的基本性能参数
# U- B. ?% C- v根据本机器人的应用要求，其主要的设计参数要求如下：$ d [) B6 Y) K: O0 V3 j
(1) 抓重：≤4kg% ^8 i' A. _5 [! h: J
(2) 自由度：4
7 P- y- B) b9 u$ p6 k: l(3) 运动参数：& b' x7 r* e" |+ I
大臂：±90。(回转角度)，角速度≤30。/s
2 g& t& u0 y2 M: K- f. @小臂：±60。(回转角度)，角速度≤15。/s1 P6 `" s; I7 ?* o3 K5 D- Q
手腕回转：±180。(回转角度)，角速度≤60。/s
$ ? y' Z: c5 L/ |9 F. s+ _手腕升降：100mm(升降距离)，线速度≤0.01m/s: `: M" R# m- Z( x' j0 d; `* O
1.2 主要参数计算
# S. b Y$ W6 z- a' Y' \5 x(1)第三关节采用同步齿形带传动，其参数计算如下：4 H& \9 ?0 J8 d5 i. m8 p# h
设 计 功 率 Pd=KaP=0.32W(查 表 取Ka=1.6[2]；P=FV=0.2W；皮带的线速度为0.01m/s,，皮带负载为20N)
( g+ G( y! }8 u# ~7 F同步带的尺寸参数可根据设计功率和带轮转速及行程而定。
- V2 T2 M. ]2 e; X% J$ o" N7 H(2)步进电机的选型计算# a2 ^& V: Q/ K# ~
机械臂的每个关节都是步进减速电机驱动的（如图1所示）。现以第三个自由度的电机为例说明电机选择的方法。& g6 a& r( v ]9 s+ b1 |
启动转矩 T=2Jw+QV=0.2N·m( 角速度 ω=5.3r/s2,转动惯量J=7.8×10－7kg·m2,负载质量Q=2kg,同步带及负载的线加速度ν=5.3×0.011m/s2)
4 W* d8 m+ _1 q& N9 J考虑阻力等因素选择的步进减速电机的启动转矩为0.2N·m×2 安全系数)=0.4N·m。 所以电机的启动转矩应该≥0.4 N.m。
' L/ A! X. a# z. a4 Z以同样方式计算的电机的启动转矩为：
7 Z$ e$ B2 {. ~, f: a底座电机》＝0.6 N.m
0 F4 ~; h8 t- k$ F5 K/ j. j% J6 J第二关节电机≥0.5N.m
9 X1 R7 J% U1 u' j! C: S: D手腕回转电机≥0.1N.m2 [) a& a. O$ G7 L
2 机械臂结构的设计[3]
, R; q* P" ~9 n" ]3 f2.1 总体结构% h6 \3 l, Q3 m% G/ w! g1 w
本机械臂的设计根据应用的要求把机构的可靠性和结构简单作为设计的第一位考虑。从方案的确定，总体的设计，元器件的选用方面都遵循了以上的原则，确保了机械臂可靠正常的工作，同时具备良好的经济性和可维护性。
3 J4 E9 B! n1 Y) _6 a根据上述设计的原则，本机械臂采用了4关节的机械结构，即4自由度机器人.具体包括底座、大臂、小臂、腕部。第一、第二和第四关节直接采用步进减速电机做传动设备（转动自由度)；第三关节采用同步带传动的方式（升降移动自由度）。
- `5 y' R% ? P9 t机械臂机构的外形如图1.
6 k# c$ G# s3 Q1 f" q6 ~! F8 g1 g5 [
2.2 传动方案的选择[4]
# v' T$ v/ L% p/ T根据机械臂的设计原则及要求,我们初步选择了两种传动方案。4 z; J4 S. R. A, Y8 K
（1）方案1
+ j7 R7 _- L7 G+ M/ S1 K& D第一、二、四自由度选择减速步进电机传动，它精度高，传动比高，效率高，噪音小，震动小，传动部分的零部件都是标准件，容易购买，安装方便。
# e8 S4 Q: I, ?" [1 J% M0 ?第三个升降自由度选择同步带传动。它传动精度高，结构紧凑，传动比恒定，传动功率大，效率高，但安装要求比较高，而且负载能力有限。 t8 I$ G9 V2 d/ f$ F, Y- M/ X
（2） 方案2" X* }9 t8 ^, _$ ]! q) z+ y( _ I
第二自由度采用二级同步齿形带传动， 但是安装要求高!结构也较复杂。" f0 N+ t- ?, b: o- ^
第三自由度选择步进减速电机直接驱动丝杠螺母传动，把旋转运动转变为直线运动，传动精度高，而且丝杠具有自锁的功能；但是速度不宜太高，而且相对同步齿形带来说重量比较重，需要电机的输出转矩更大，加工要求比较高。
4 w. P+ N: w' h: s' j. |, B其它自由度和方案1一样。; [ U8 ^+ J3 l+ w/ L" Q
以上两个方案从传动上来看都是可以实现的。方案1在结构上是最简单的，所以比较容易实现；方案2结构较复杂，加工和安装都比较困难。方案1用的标准件比较多，零部件比较少，所以容易加工和购买。综合考虑，我们选择方案1.* X W# C7 k& S; f! x
2.3 SCARA机械臂主要部分的结构4 _+ _' `3 U% L" o/ o" a
（1）底座：如图2所示，主要由两部分组成（外壳和轴承套部分）。外壳材料采用 45钢。底座的轴承可以承受轴向和径向的力，这样避免了电机过载。电机安装在端盖上，结构简单，加工安装方便，材料用质轻强度好的铝合金。位于轴承套底部的电机 7通过对轴1的驱动，从而带动了和轴1 固接的大臂的转动. ( @0 L# X; `5 v6 ~# W4 j2 w
+ |8 ` G3 K' E" i9 {" [（2）关节2：如图3所示采用铝合金材料，结构简单，外形简洁美观。轴承承受弯曲负载，保护了电机。电机输出轴2转动，带动了轴6转动，小臂和轴6是固接的，所以小臂也随着电机的转动二转动。 ! } I2 _6 J, u& y- _1 _% D9 u$ U
5 w( \+ Z0 A) O（3）关节3：如图4所示结构简单紧凑，材料也选择比较轻的铝合金。同步带轮只需要采用一对轴承支撑，这样既减轻了重量，结构简单。同时也可以满足设计要求。电机1驱动同步带轮转动，同步带轮带动同步带6以及和同步带固接在一起的滑块3作直线运动，从而驱动和滑块3固接的机械手实现升降运动。导杆2起支持滑块3的作用，使得滑块和同步带保持在同一水平面上。
# a3 T2 I4 P6 r4 `, t
$ L# Y5 ~! C/ o- r2 ?3 驱动控制
. U8 Z/ ~' Q- b$ G; W+ U该机械臂采用步进减速电机做驱动器件，对机械臂的运动控制也就是对步进减速电机的分布式控制。它可以采用开环和闭环的方式。闭环控制可以使机械臂的运动和输入的指令期望的运动参数尽可能的吻合，但是控制部分和机械部分的结构相对复杂。开环控制方式就比( y4 X8 u' S3 @
较简单，而且在满足电机不失步的情况下，电机的定位精度很高。因此机械臂的驱动控制可以采用开环控制，其开环控制系统模块如图5。
9 D) x' u8 }! [' G. U6 ]# A3 V4 D( c8 _- H8 g) w0 S/ @* B" k* T
PC主机通过RS232串口发送计时器参数和其他的控制参数，单片机控制器按照PC发送的参数通过驱动模块驱动步进电机的运行。进而实现对执行机构机械臂的控制。驱动模块可以选用集成芯片UCN5804B[6]，它集成了包括：环形分配器、电流控制器、保护电路、放大驱动电路。结构简单可靠，同时用户自己也可以设计各种电路对 电机进行控制驱动[7]。
2 }7 n1 A0 M) F1 L( q# p4 小 结
8 n d- j7 {6 j1 E机器人的结构设计对整个控制系统的性能有很大的影响， 因此其结构的合理与精心设计是整个控制系统实现的关键之一。在结构的具体设计中，还要考虑各部分的弹性变形、摩擦、间隙和传动误差等问题。本文设计的机械臂机构简单，较容易控制。可以应用在机器人控制试验和教学等领域；加上合适的机械手爪还可以组成简单的装配的机械臂。如果在系统中加装反馈装置，还可以组成控制精度更高、系统更稳定的闭环机器人控制系统。基于成本及精度等的考虑，可选择电位器实现位置的反馈[8]。
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发表于 2012-11-29 15:41:02
