bj0116-dof scara机器人结构设计与运动模拟定稿

第一章绪论

1．1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

动化生产设备。

完成各种作业的自

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、

科研及一些极限领域等非制造业。

卫生、办公家用、教育

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

等内在的支持结构。

构、操作机构、框架、机械连接

2)动力部分:包括电源、电

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、

的机器人控制系统。

1．2国内外机器人领域研究现状及发展趋势

(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，

而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万

。

降至2005年的5万

〔2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机

机、

检测系统三位

;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。

(3)工业机器人控制系统向基于CP机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化:器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构;大大提高了系统

的可靠性、易操作性和可维修性。

(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传

感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而

机器人则采用

视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多

传感器融合配置技术在产品化系统中己有成熟应用。

(5)虚拟现实技术在机器人中的作用己从仿真、预演发展到用于过程控制，如

使 机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来

机器人。

(6)当代

机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者

与机器人的人机交互控制，即

加局部

系统 完整的

操作系

统，使智能机器人走出

进入实用化阶段。

发射到火星上的“

”

机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

(7)机器人化机械开始兴起。从1994年

开发出“虚拟轴机床”以来，这

种新型装置己成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

1.3SCARA机器人简介

SCARA机器人(如图1一1所示)很类似人

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

度，其中，三个是旋转

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

，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1一2SCARA机器人装配线

图1一3SCARA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

少，因此工作更加可

靠，减少

。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

。

1.4平面关节型装配机器人

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

惯量、

增强机身刚性;在不影响使用性能的情况下，各种

尽量采用空心结构。此外，

材料的选择对整机性能也是

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

术由于在解决机械本体结构问题时，往往会对传

构设计、制造和调整技

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

进一步提高系统精度

器，可缩短传动链。同时合理安排检测系统位置，

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

的控制系统，如

、

、ACH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

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

技术

将诸如减振算法、前馈控制、

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)

力觉传感器技术

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

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

(2)视觉技术

电源等。

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、

式装配、

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

、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

信息，得到的信息也是多种多样，必须

用有效

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

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

故障时间。

影响、提高系统精度、延长平均无

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

产品，但大多驱动装置采用伺服电机，传动系统采用RV

机，由这些

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

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

一

项传动技术。因此

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

机作为传动链的主要

，同时辅

以同步齿形带和滚珠丝杠等零

来

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

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

项目研究的总体步骤是:

。

选出最优传动方案一一关键零

选型一一机械系统三维建模一一零

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

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。

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、

机、检测系统三位

;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

2.1.1SCARA机器人的技术参数

(1)

(2)

(3)

抓重：≤1kg

度：4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/s

2.1.2SCARA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

—2。

图2一1SCARA机器人的结构图

图2一2SCARA机器人的轴侧图

图2一3SCARA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

器或谐波

器。VR

器

是近几年发展起来的以两级

和中心圆盘支撑为主的全封闭式摆线针轮

器，与其它

方式相比，VR

器具有

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

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

器而一言，其制造成本要低很多，所以

在本设计中采用谐波

机。SCARA机器

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

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

机配合正符合SCAAR机器

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

小臂回转:步进电机2一>谐波

器一>大臂

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

设计计算

2.2.1

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:

2.2.2电机的设计计算

设计功率为:

对于该

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δ1=

范围内转动，以免机器人小

分在运动空间之外与其他设备或

碰撞【g〕。

图2一5大臂装配结构图

图2-6小臂装配结构图

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

，这样虽然增加了小臂惯量，但有利于简化结构设计和零

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¹7¹

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

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

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

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

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

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

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

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

影响

引起机器人运动学参数误差，

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

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:

对于坐标系

将

用

则有杆件i到末端工具坐标系的微分变换将e，变换到

末端工具坐标系:

若直接考虑末端执行器相对末端连杆坐标系6个相应位姿误差时，则式

(3.2.26)中

总结

.

随着机器人技术的进一步发展，其应用必将越来越广泛。机器人学这门课程必将越来越重要，实验设备的缺口也必然越来大。研制教学机器人是很有必要的。目前本设计所完成的主要工作是:

在分析设计要求的基础上提出SCARA机器人总体设计方案;用三维造型软

件完成四 度SCARA机器人的机械结构设计，完成机器人整体装配图及主要

零

的工程图绘制。

所设计SCARA机器人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、零少、精度高、可靠性高，不仅适用于SCARA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。采用特殊轴承和特殊的传动结构解决了机器人的抗倾覆问题，这种特殊结构有益于提高系统机械性能。

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。该模型不需要进行求导，只需进行相应的矩阵乘法运算。该位姿变换方

位姿误差模型同样适用于运动

间存在坐标变换的复杂系统。

在此很高兴能有这么好的学习机会，让我从中学会了很多新的知识。在整个

设计过程中可能有欠缺的地方，望老师予以批评指正。不胜感激。

参考文献

【1】

【2】

【3】

【4】

【5】

【6】

.机器人技术基础【M】.

:华

技大学

，1996

.机器人技术的发展趋势III【J】.机器人技术与应用，2005.6

.机械设计【M】，

:人民交通

，2003

，崔建国.精密机械设计【M】.

:化学工业

，2005.2

:机械工业

年，

，

.机电

，

机械系统设计【M】.

，1996

.基于墒概念的机器人动态误差理论的研究一一误差源的研究

及其对位姿方程的影响.机械科学与技术.2001(5)

【7】

，

，

一言，

.弧焊机器人离线编程系统分析与设计【J】.机械

工程学报，2001、’01.37No.10P.104一106

【8】

，

等.一种用于搬运和装配作业的4

度机器人系统【J】.制造业自动化，

2003.7

【9】

，

等.机器人模块化关节的设计与实现【J】机电产品开发与创新，

Vol.18No.6，(2005)，1~4

【10】明谈

，

，开放式机器人运动学分析与动力学建模【J】组合机床与自动化

加工技术，2002

【11】

，

，

一种四

度机器人的运动学建模【J】.

师范学

院学报.v。2.13No.4，(2003)，1一5

【12】

太，

，

.机器人位姿误差的结构矩阵分析方法【J】.应用基础与工程

科学学报.2001.9，259一265

【13】黄家贤.机构精确度【M】.第2版.西安:西安电子科技大学

，1994

【14】

【15】」

.SCARA平面关节式装配机器人精度分析.

理工大学学报.2002

，

，

.机器人位姿误差建模方法综述.机床与

(2001)

【16】基于PC一BASED的新一代数控系统，步进机电

【17】

【18】

【19

.机电控制工程(第2版)【M】.

，2002:176一177

.2003.No.4

，

.机器人虚拟示教的实现方法.机床与

，曹广义

.基于VISu1aC++6.0的机器人控制系统

实现【J】，

中国科技

【20】AspinwallD